Материал: Микропроцессорная система управления объектом

Рисунок 5 - Схема оптрона АОТ101АС

Тогда Ом.

Согласно ряду Е96 возьмём резистор сопротивление которого 182 Ом, таким образом R1=182 Ом .

Выходная цепь устройства согласования образована транзистором оптрона VU1 и подтягивающим резистором R2. Транзистор выполняет функцию ключевого элемента, а резистор формирует на выходе схемы напряжение логической «1», когда транзистор закрыт. Для этого в линию выходного сигнала добавляется инвертор DD1. Так как к выходу устройства сопряжения подключен вход микросхемы ТТЛ, то сопротивление резистора R2 выбираем равным 1кОм. В качестве элемента DD1 выберем микросхему типа КР1533ЛН1. Потребляемый ей ток составляет 3,8 мА.

Рисунок 6 - Цоколевка КР1533ЛН1

3.2 Разработка устройства сопряжения с аналоговым датчиком

Структурная схема устройства сопряжения с аналоговым датчиком состоит из одного основного и двух дополнительных блоков.

Рисунок 7 - Структурная схема устройства сопряжения с аналоговым датчиком

Основным является блок гальванической развязки аналогового датчика и линии ввода контроллера. Функцию элемента гальванической развязки выполняет ОУ с гальванической развязкой входа и выхода типа AD202 фирмы Analog Devices. Потребляемый ей ток составляет 50 мА.

Рисунок 8 - Цоколевка AD202

Функционально устройство сопряжения с аналоговыми датчиками состоит из одного основного и двух дополнительных блоков. Основным является блок гальванической развязки. Дополнительными являются входной делитель напряжения и выходной сумматор. Схема сопряжения обеспечивает гальваническую развязку аналогового датчика и вывода микроконтроллера, а так же преобразует аналоговый сигнал с уровнем -5…-10 в сигнал с уровнями 0…5В.

Рисунок 9 - Схема сопряжения для подключения аналогового датчика

Сопротивление резисторов делителя находится по следующей формуле:

R₁=R₂(2)

где |U_вхmax| - максимальное из модулей входных напряжений.

Рассчитаем номиналы резисторов:

 ;

 ;

 ;

Выберем из ряда номинальных значений резисторов E96 R1=R2=1 кОм.

Определим диапазон изменения напряжения на выходе ОУ:

,

где Uвхmin(max) - нижний (верхний) предел входного напряжения.

Схема сопряжения аналогового датчика с сигналом от -5 В … -10 В в выходной сигнал 0В … +5В представлена на рисунке 11.

Рисунок 10 - Схема аналогового инвертирующего сумматора.

;

;

где Uref - величина опорного напряжения, В; - максимальное напряжение на выходе сумматора, В; - напряжение на входе сумматора, соответствующее верхнему уровню; - напряжение на входе сумматора, соответствующее нижнему уровню.

Принимаем R13=1кОм, Uref=7,5 В, для модуля АЦП микроконтроллера PIC16F877A Uomax = 5В, тогда, подставив нужные значения в вышеприведённые формулы, получим:

;

;

Сопротивление резистора R4 определяется из соотношения:

=0,375 кОм;

Выберем из ряда номинальных значений резисторов E96: R11=, R12=1кОм, R13=1кОм, R14=0,383кОм.

Рисунок 11 - Схема сопряжения с аналоговым датчиком

3.3 Сопряжения контроля наличия напряжения питания

Схема контроля напряжения питания представлена на рисунке 12.

Светодиод оптрона питается через однополупериодный выпрямитель с фильтрующим конденсатором. Оптрон выполняет функцию гальванической развязки и ключевого элемента.

Рисунок 12 - Схема контроля наличия напряжения питания

вх(0) = 0; Uвх(1) = ~220 В. Емкость конденсатора C1 лежит в пределах 47-100 мкФ, а рабочее напряжение не менее 6 В. Максимальное обратное напряжение диода VD1 должно быть не менее 400 В. Сопротивление резистора R1-2 рассчитывается по формуле:

где  - действующее значение входного напряжения.

=27 кОм, R2=1.1 кОм; С1=47 мкФ; R3=1кОм

Используем оптрон DA1.1 марки AOT101AС и диод KД521А.

4. Разработка принципиальных схем блоков вывода управляющих сигналов

4.1 Схема подключения МК с исполнительными механизмами

Для согласования диапазонов напряжений микроконтроллера и исполнительных механизмов используем следующие схемы сопряжения.

Диапазон напряжения сигналов с микроконтроллера на исполнительные механизмы (ИМ): 0 .. 5В. В схеме сопряжения производится оптронная развязка (рисунок 12).

Рисунок 12 - Схема сопряжения с выходами Y1- Y3, Y5

Рассчитаем номиналы резистора:

(8)

где U_вхmax - максимальный из модулей входных напряжений, В;

U_пр - прямое падение напряжения на светодиоде оптрона, В;

I_пр - прямой ток через светодиод оптрона, А.

Рассчитаем значения резистора:

Получим R15=1,69 кОм.

(9)

где Uвх - максимальное входное напряжение, В; вых - максимальный коммутируемый ток, А.

Для АОТ101АС Iвых = 0.005A. Uвх примем равным 5В.

Рассчитаем значения резисторов:

Получим R16= 1 кОм.

датчик микропроцессорный аналоговый аварийный

5. Разработка принципиальной схемы блока последовательного канала связи

Поскольку физически выходные сигналы микроконтроллера не способны работать на длинную линию (интерфейс UART может работать на линию не более 50см), а по заданию необходимо организовать прерывание от терминала внешней ЭВМ, то будем использовать преобразователь интерфейса UART в интерфейс RS422 микросхему ILX485D фирмы Интеграл (РБ):

Напряжение питания микросхемы ILX485D - 12 В;

Ток потребления I_dd - 200 мА;

Рабочий диапазон температур от -40 до +85 ⁰С;

Максимальная длина линии передачи - 1200м.

Рисунок 13 - Схема включения микросхемы ILX485D

Также в этом пункте мы найдем скорость передачи модуля USART, которая рассчитывается по формуле: Низкоскоростной режим:

Высокоскоростной режим:

Как видно из расчетов выбираем высокоскоростной режим передачи данных.

6. Разработка принципиальной схемы пульта управления

В схему пульта управления входят блок расширения ввода/вывода, кнопки «прерывания от оператора», «сброс», «останов», логика формирования запроса прерывания. С помощью пульта управления оператор получает возможность управлять работой микропроцессорной системой управления объектом: запускать ее и останавливать, выдавать значения некоторых установок (констант), снимать с индикаторов информацию о состоянии объекта и т.д.

Блок расширения ввода/вывода включает в себя схему индикации, регистр установки К, которые реализованы на микросхемах DD3 типа PCA9535 и DD4 типа PCF8574. - 16-разрядный маломощный порт ввода/вывода с управлением по шине I2C. Цоколевка микросхемы PCA9535 представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Цоколевка PCA9535

PCF8574 - 8-разрядный маломощный порт ввода/вывода с управлением по шине I2C. Цоколевка микросхемы PCA9535 представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Цоколевка PCF8574

Схема индикации предназначена для вывода информации о состоянии системы на пульт управления. В состав схемы индикации входят 15 выводов микросхемы DD3 (IO0.0-0.7 и IO1.0-1.6) и 15 светодиодов HL1-HL15 типа КИПД05А. Выходы регистров имеют повышенную нагрузочную способность, что позволяет подключать светодиоды непосредственно к ним. Резисторы R40-R54 ограничивают ток через светодиоды на уровне 5 мА.

Порт IO0 микросхемы DD3 и светодиоды HL1-HL8 образуют регистр индикации РИ1. Регистры РИ2 и РИ3 построены на базе порта IO1 DD3. При этом светодиоды HL9-HL16 образуют регистры РИ2 и РИ3. Схема установки реализована на микросхеме DD4 (порт P) подключением тумблеров установки SA2-SA9 типа DS-431. С помощью данной схемы оператор может выдавать значение некоторых установок (констант).

Синхронный последовательный порт MSSP микроконтроллера работает в режиме совместимости с шиной I2C. Передача данных происходит по двум линиям: SCL (тактовые синхроимпульсы) и SDA (данные).

Схема блока расширения ввода/вывода представлена на рисунке 16. В качестве светодиодов HL1 - HL16 светодиоды типа КИПД05А с характеристиками Iпр=5 мА , Uпр=1,8 В. В соответствии с этим определим значение сопротивления резисторов R40 - R54, R67:

.

 Ом.

Согласно ряду Е192 в качестве резисторов R40 - R54, R67 выберем С2-14-0,25-642 Ом ±0,1%.

Резисторы R38 и R39 выберем сопротивлением 6,9 кОм, а резисторы R55 - R62 - номиналом 1 кОм. Конденсаторы С14 и С15 имеют емкость 100 мкФ.

В состав пульта управления входит также кнопка SB1 «Сброс», при нажатии на которую формируется низкий уровень напряжения на входе MCLR контроллера, что приводит к сбросу последнего.

При нажатии на кнопку SB2 «Прерывание от оператора» на светодиоды HL1-HL4 регистра индикации РИ1 выводятся следующие значения:

·        последнее значение Y1;

·        результат сравнения N > Q;

·        значение выражения ;

·        значение выражения ;

На светодиоды регистра РИ2 в этом случае выводится значение константы Q.

В качестве кнопок SB1 - SB3 будем использовать кнопки типа ПКн-21. Схемы включения кнопок приведем на рисунке 17.

Рисунок 16 - Схема блока расширения ввода/вывода

Рисунок 79 - Схема включения кнопок

Логика формирования запросов на прерывания реализована на микросхеме типа КР1533ЛА4. Цоколевка микросхемы КР1533ЛА4 приведена на рисунке 18. Потребляемый ей ток составляет 2,2 мА.

Рисунок 18 - Цоколевка микросхемы КР1533ЛА4

Схема формирует сигнал прерывания в следующих случаях:

появление высокого уровня напряжения на выходе схемы контроля напряжения питания (напряжение питания отсутствует);

появление высокого уровня на выходе устройства сопряжения с датчиком аварийной ситуации;

нажатие кнопки SB2 «Прерывание оператора».

Если хотя бы один из уровней в активном состоянии, то сигнал запроса прерывания поступает на вход INT контроллера.

Рисунок 19- Логика формирования запросов на прерывание

В качестве аварийной сигнализации используется зуммер. Аварийная сигнализация подключена к линии 4 порта D МК. Схема аварийной сигнализации представлена на рисунке 20.

Рисунок 20 - Схема аварийной сигнализации

Блок организации запроса прерывания предназначен для увеличения количества источников внешнего прерывания. В качестве модуля расширения применяется строенная двухконтактная микросхема DD2 КР1533ЛЕ1. Так как используется базис ИЛИ-НЕ, то прерывания будем определять по заднему фронту сигнала на входе внешнего прерывания INT.

Выходной сигнал  схемы блока организации запроса прерывания в базисе И-ИЛИ-НЕ имеет вид:

, (10)

где  - сигнал от кнопки «Прерывание оператора»;  - сигнал от аварийного датчика .

Переведем выходной сигнал  схемы блока организации запроса прерывания в базис ИЛИ-НЕ:

 (11)

Схема блока организации запроса прерывания приведена на рисунке 21.

Рисунок 21- Схема блока организации запроса прерывания

7. Разработка общего алгоритма управления микропроцессорной системы

Блок-схема общего алгоритма работы системы приведена на рисунке 20. После сброса начинается процесс инициализации контроллера, в которой выполняется первоначальная установка системы: настройку периферийных модулей, посылку в выходные каналы начальных значений управляющих воздействий и т. д. В следующем блоке осуществляется введение информации с пульта управления. В блоках «Ввод информации с цифровых датчиков» и «Ввод информации с аналоговых датчиков» обеспечивается прием информации от цифровых и аналоговых датчиков, затем цифровая информация обрабатывается в блоке «Обработка цифровой информации», где вычисляется значении булевой функции Y1, значение которой формируется в блоке «Формирование выходного сигнала Y1». После обработки аналоговой информации в соответствующем блоке формируются управляющие сигналы Y2 или Y3 в блоке «Формирование выходных сигналов Y2 или Y3». Все обработанные и вычисленные значения поступают в блок «Вывод информации на индикацию». При этом проверяется запросы на прерывание. В конце цикла программа опрашивает тумблер «Останов» и, если он включен, формирует сигнал остановки системы.