ЗМІСТ
ВИЗНАЧЕННЯ, позначення і скорочення
ВСТУП
ОСНОВНА ЧАСТИНА
1 Регулювання швидкості обертання асинхронних двигунів
2 Розробка структурної схеми
3 Вибір елементної бази
3.1 Вибір двигуна
3.2 Вибір і опис мікроконтролера
3.3 Вибір датчика швидкості
3.4 Вибір датчика температури
3.5 Вибір АЦП
3.6 Вибір ЦАП
3.7 Вибір інших елементів
4 Розробка функціональної схеми
5 Розробка алгоритму роботи і програми
ВИСНОВОК
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
ВИЗНАЧЕННЯ, позначення і скорочення
Асінхр про нний електродв і гатель (АТ) - електрична асинхронна машина для перетворення електричної енергії в механічну, що працює за наступним принципом: обертове магнітне поле, що виникає при проходженні трифазного змінного струму по обмотках статора, взаємодіє з струмом, індуктірованное полем статора в обмотках ротора, в результаті чого виникають механічні зусилля, змушують ротор обертатися у бік обертання магнітного поля за умови, що частота обертання ротора менша частоти обертання поля.
Однокристальний мікроконтроллер (ОМК) - мікро-ЕОМ, що включає в себе всі пристрої, необхідні для реалізації цифрової системи управління мінімальній конфігурації.
ДС - датчик швидкості
ДТ - датчик температури
АЦП - аналого-цифровий перетворювач
ЦАП - цифро-аналоговий перетворювач
Г - генератор
РСУ - схема синхронізації та управління
УР - управління режимом
СС і У - сигнали синхронізації та управління
ОЗП - оперативний запам'ятовуючий пристрій
ПЗУ - постійне запам'ятовуючий пристрій
МП - мікропроцесор
РПЗУ / ППЗУ - репрограмміруемое ПЗУ або програмований ПЗУ
СА - системний адаптер
Т / С - таймер / лічильник
БОЗ - блок обробки переривань
ПарПП - паралельні порти введення / виводу
ПОСПП - послідовні порти введення / виводу
БАВВ - блок аналового вводу / виводу
ІС - інтегральна схема
СК - лічильник команд
ВСТУП
Завжди існувала потреба в регулюванні швидкості двигунів, щоб оптимально управляти технологічним процесом. Раніше це робилося механічно, наприклад, за допомогою механічного варіатора. Завдяки великим переваг електроніки можливі більш універсальні програми і загальні поняття сучасного приводу. Раніше для вирішення задачі регулювання швидкості використовувалися тільки приводи постійного струму. Тепер асинхронні приводи стають все більш популярними з кожним днем. Вони складаються з варіатора швидкості і асинхронного двигуна. Причини цього розвитку наступні:
• асинхронні машини невибагливі до техобслуговування;
• можливо експлуатування у вибухонебезпечній зоні;
• високий коефіцієнт потужність / маса для асинхронного двигуна;
• можливість управління при максимальній швидкості;
• низька вартість асинхронних двигунів.
Основні сфери застосування регуляторів швидкості наступні:
• насоси, вентилятори, компресори;
• конвеєр і транспортне устаткування;
• текстильні машини;
• механічні верстати і деревообробні машини;
• пакувальні машини;
• роботи та транспортні системи;
• обладнання для паперової промисловості.
У промисловості найбільше поширення отримали трифазні асинхронні двигуни з короткозамкнутим ротором, мають трифазну обмотку на статорі і живляться від трифазної мережі.
У даному проекті розглядається можливість регулювання діючого значення напруги навантаження в ланцюзі змінного струму за допомогою тиристорного регулятора, що складається з двох зустрічно-паралельних тиристорів, включених послідовно з навантаженням. У цьому випадку пара тиристорів регулює напругу, підведений до фази статора, і фазну напругу представляє собою відрізки синусоїд. Якщо керуючі імпульси подаються на початку позитивних напівперіодів анодних напруг, то тиристори відкриваються без запізнення. При цьому тиристорні пари фактично виявляються закороченому, і до статорних обмотках прикладається повна напруга мережі. При збільшенні кута запізнювання інтервал провідності тиристорів зменшується, тому чинне значення напруги на навантаженні знижується. При куті запізнювання, що дорівнює 180 °, тиристори повністю закриваються, внаслідок чого напруги і струми двигуна дорівнюють нулю. Таке використання тиристорних ключів як послідовно включених нелінійних опорів характеризується тим гідністю, що всередині самого регулятора виділяється значно менша потужність, ніж у навантаженні.
ОСНОВНА ЧАСТИНА
1 Регулювання швидкості обертання асинхронних двигунів
Більшість двигунів змінного струму обертається з кутовою швидкістю, яка визначається в першу чергу частотою живлячої напруги. Кутова швидкість синхронних двигунів залежить тільки від частоти харчування, а для асинхронних двигунів вона трохи нижче синхронної кутовий швидкості. При постійній частоті мережі для заданого ковзання створюваний асинхронним двигуном момент пропорційний квадрату напруги живлення. Так як сталий режим роботи настає при рівності моментів двигуна і навантаження, то ковзання ротора залежить від моменту навантаження та напруги живлення. Тому регулювати кутову швидкість можна плавним зміною напруги при незмінній його частоті.
У міру зниження напруги статора кутова частота ротора зменшується, однак при цьому знижується максимальний момент двигуна, тому при постійному моменті навантаження діапазон регулювання швидкості обмежений. У двигунах з підвищеним активним опором ротора діапазон регулювання збільшується (рис. 1), проте втрати в роторі при цьому ростуть і ККД двигуна знижується, особливо при знижених частотах обертання. Погіршення режиму роботи двигуна пояснюється тим, що при заданому ковзанні струм двигуна пропорційний напрузі живлення, а електромагнітний момент залежить від квадрата цієї напруги. Тому в міру зниження швидкості ставлення моменту до струму падає, і для отримання порівняно невеликих моментів при низьких швидкостях потрібні значні струми.
Проте в електроприводах вентиляторів і насосів момент навантаження змінюється приблизно пропорційно квадрату кутовий швидкості. Отже, момент, що потребується при пуску і невеликих кутових швидкостях, малий і може бути отриманий без надмірного виділення тепла регулюванням напруги живлення звичайних асинхронних двигунів з номінальним ковзанням, рівним приблизно 10% (рис. 2).
Зниження напруги статора досягається шляхом включення регульованих зовнішніх опорів між висновками статора і фазами мережі. Раніше для цих цілей використовувалися дроселі насичення, а в даний час їх витіснили тиристорні пристрої, які мають суттєві переваги при порівнянній вартості. Незважаючи на наявність охолоджувачів, тиристорні пристрої є більш компактними і мають значно меншу масу. Вони характеризуються також більш високим ККД і швидкодією, що становить лише половину періоду мережі, в той час як для дроселів насичення воно дорівнює приблизно 0,1 с і більше. Крім того, тиристорні пристрої, випущені різними виробниками, є взаємозамінними, у той час як характеристики різних дроселів насичення сильно відрізняються один від одного. Основна схема включення тиристорів у регуляторах змінного струму складається з двох тиристорів, з'єднаних зустрічно-паралельно і керованих симетрично, тобто в однакові моменти кожного напівперіоду.
При включенні таких вузлів в ланцюзі статора та регулюванні інтервалів провідності тиристорів можна змінювати діюче значення прикладеної до двигуна напруги від нуля до номінального. При цьому двигуни живляться напругою переривчастої форми, а їх струми містять значні гармоніки, проте для малої та середньої потужності, приблизно до 75 кВт, режими роботи двигунів виявляються прийнятними. Пристрої для регулювання напруги статора значно простіше і дешевше описаних раніше схем перетворювачів частоти. Однак ККД асинхронних електроприводів з регуляторами напруги невисокий, тому доводиться завищувати габарити двигунів щоб уникнути перевищення їх температури через збільшення струму і погіршення вентиляції. Тиристорні регулятори напруги широко використовуються для електроприводів малої потужності і приводів кранів і лебідок, де великі моменти при низьких частотах обертання потрібні лише протягом невеликої частини робочого циклу.
2 Розробка структурної схеми
Структурна схема замкнутої системи будується наступним чином. Електропривод з асинхронним двигуном управляється від тиристорного регулятора. З метою контролю температури корпуса двигуна буде використовуватися датчик температури. Для отримання інформації про швидкість обертання вала двигуна буде використовуватися тахогенератор, вал якого жорстко пов'язаний з віссю робочого двигуна. Сигнали з датчиків надходять на блок управління, який подає керуючі сигнали на тиристорний регулятор швидкості.
3 Вибір елементної бази
3.1 Вибір двигуна
В якості об'єкта регулювання будемо розглядати трифазний асинхронний двигун з короткозамкненим ротором загальнопромислового призначення. Як вже було сказано вище, обраний спосіб регулювання швидкості обертання двигуна широко використовується в пристроях малої потужності при порівняно невеликих частотах обертання. Тому виберемо асинхронний двигун закритого виконання з короткозамкненим ротором типу АІР180М2 з наступними характеристиками:
- Номінальна потужність 30 кВт;
- Номінальна частота обертання 2935 об / хв;
- ККД 91%;
- Коефіцієнт потужності 0.89;
- Номінальний струм (380 В) 56.1 А;
- Номінальний момент 98 Нм;
- Відношення пускового моменту до номінального 2.3;
- Маса 180 кг.
Двигун виконаний у закритому виконанні (рис. 4). Сердечники статора і ротора виготовляються з штампованих листів високоякісної електротехнічної сталі, легованої кремнієм. Сталь має жаростійку електроізоляційне покриття. Обмотки статора двигуна виконуються всипними з круглого емальованого мідного дроту. Обмотки ротора виконуються короткозамкненими литими з чистого алюмінію. Перевищення температури обмоток статора над температурою навколишнього середовища має становити не більше 83 о С.
3.2 Вибір і опис мікроконтролера
В даний час серед всіх 8-розрядних мікроконтролерів сімейство MCS -51 є безсумнівним чемпіоном за кількістю різновидів і кількості компаній, що випускають його модифікації. Воно отримало свою назву від першого представника цього сімейства - мікроконтролера 8051, випущеного в 1980 році на базі технології HMOS. Вдалий набір периферійних пристроїв, можливість гнучкого вибору зовнішньої або внутрішньої програмної пам'яті і прийнятна ціна забезпечили цьому мікроконтролеру успіх на ринку.
Важливу роль в досягненні такої високої популярності сімейства 8051 зіграла відкрита політика фірми Intel, родоначальниці архітектури, спрямована на широке поширення ліцензій на ядро 8051 серед великої кількості провідних напівпровідникових компаній світу.
У результаті на сьогоднішній день існує більше 200 модифікацій мікроконтролерів сімейства 8051, що випускаються майже 20-ма компаніями. Ці модифікації включають в себе кристали з найширшим спектром периферії: від простих 20-вивідних пристроїв з одним таймером і 1К програмної пам'яті до найскладніших 100-вивідних кристалів з 10-розрядними АЦП, масивами таймерів-лічильників, апаратними 16-розрядними помножувача і 64К програмної пам'яті на кристалі. Щороку з'являються все нові варіанти представників цього сімейства. Основними напрямами розвитку є: збільшення швидкодії (підвищення тактової частоти і переробка архітектури), зниження напруги харчування та споживання, збільшення обсягу ОЗП і FLASH пам'яті на кристалі з можливістю внутрішньосхемного програмування і т.п. Основними виробниками МК 51-го сімейства в світі є фірми Phi l lips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, AMD, MHS, Gold Star і ряд інших.
Для даної задачі мікроконтроллер цього сімейства є оптимальним, тому що поєднує в собі великі можливості управління, необхідні для вирішення поставленого нами завдання. А також при серійному випуску даного виробу велику роль буде грати його мала вартість, високу надійність роботи. Отже, з урахуванням вищесказаного, будемо використовувати МК КР1816ВЕ51.
ОМК є НВІС, що складається з:
8-розрядного МП;
2-х 16-ти розрядних лічильників;
4-х 8-ми розрядних паралельних портів вводу / виводу, кожен біт яких можна налаштувати на введення або виведення;
послідовного порту;
підсистеми переривань;
резидентного ОЗУ (128х8);
резидентного ПЗУ (або РПЗУ з ультрафіолетовим стиранням інформації) 4Кх8;
напруга живлення 5В;
струм споживання 18 мА (КМОП-технологія), 150-200 мА (n-МОП-технологія);
максимальна тактова частота 12МГц, що забезпечує час виконання основних команд за 1 - 2 мкс, тільки множення і ділення виконується за 4 мкс.
Архітектура МП реалізує гарвардський принцип організації. Особливістю цієї архітектури є поділ загальної пам'яті на пам'ять команд та пам'ять даних, при цьому в ОМК використовують роздільні команди для звернення до пам'яті та даних. Довжина команди в машині фон Неймана (Прінстонський організація) виходить більше, тому що використовуються загальні способи адресації для команд і для даних. У той же час, число необхідних способів адресації для команд значно менше, ніж для даних. Застосування роздільних команд суттєво зменшує довжину кожної команди (за інших рівних умов). Поділ пам'яті програм і даних за наявності двох незалежних магістралей для звернення до ПЗУ програм і ОЗУ даних істотно спрощує організацію конвеєрної обробки: після вибірки чергової команди можливе одночасне звернення до ПЗУ за наступною командою і вибірка даних з ОЗУ. У ОМК ВЕ51 роздільні магістралі не реалізовані.
Формати даних:
дані з фіксованою комою;
двійкові;
двійково-десяткові.
Форми представлення даних:
числові;
логічні;
бітові.
Довжина формату:
16 біт;
8 біт;
1 біт.
Формати команд:
одноадресних;
двохадресна;
безадресні.
Способи адресації:
Резидентні пам'ять даних:
пряма;
пряма реєстрова;
непряма;
стекова.
Безпосередня зовнішня пам'ять даних:
непряма;
сторінково-непряма.
Пам'ять команд:
непряма;
індексний;
відносна.
Пам'ять даних являє собою два незалежних адресних простору - резидентну пам'ять даних (РПД) і зовнішню пам'ять даних (ВПД), що відрізняються місцем розташування та засобами доступу до даних.
РПД є єдиний адресний простір. До кожної осередку можна звернутися, використовуючи пряму і непряму адресацію. При прямої адресації у форматі команди вказується безпосередній адресу комірки; непряма - реалізується через регістри R 0, R 1 кожного банку Ронова. РПД розділена на 3 зони, кожна з яких має свої функціональні особливості:
Зона блоків Ронова - складається з 4-х банків. За скидання активним є 0-ий банк. Номер банку встановлюється в слові стану процесора. Перевагою цієї зони є можливість використання прямої реєстрової адресації. Команди роботи з регістрами 1 - байтові, реалізуються за 1 мкс;
Вільна зона - особливостей за способами адресації не має.
Зона РСФ - містить основні регістри даних і управління:
А - акумулятор;
В - розширювач А;
PSW - слово стану МП;
SP - покажчик стека;
SBUF - регістр даних послідовного порту;
ТМОD - регістр управління таймером і т.д. Звернення до РСФ можливе лише з зазначенням прямої адреси. У ВЕ 51 використовується тільки частина адрес зони РСФ. Невикористані адреси зарезервовані для розвитку ОМК даної серії.
Бітова зона - особливості:
можливість звернення до кожного біту цієї зони за допомогою команд обробки біт;
адресний простір бітової зони і РПД не перетинаються. Звернення до бітам можливо тільки з використанням команд прямої адресації;
бітове простір починається в бітової зоні РПД (адреси 20h-2Fh), а закінчується в зоні регістрів спец. функцій (РСФ).
Таким чином, звернення до РПД за адресою 0 Еh можливо: з використанням прямої адресації, непрямої, вказавши в регістрі R 0 або R 1 будь-якого банку цю адресу, прямий реєстрової адресації, звертаючись до регістру R 6 першого банку. Номер банку слід попередньо встановити в PSW. Звернення до РПД за адресою 20 h можливо за прямим або непрямим адресою. Одночасно можлива обробка будь-якого біта цього осередку з використанням бітових команд. Адреса біта можна вказати у вигляді 20. Х, де х - номер біта або n, де n - прямий адресу бітового простору. Подібні можливості дозволяють мінімізувати як довжину коду програм, так і час їх виконання.
Простір резидентної пам'яті команд (РПК) і зовнішньої пам'яті Одно. Звернення до зовнішнього ПЗУ здійснюється автоматично, якщо адреса більше ніж 4К. Передбачена можливість відключення РПК подачею рівня логічного 0 на вхід EA / VPP. Цей режим звичайно використовується при налагодженні програмного забезпечення.
Система команд.
1. Команди пересилання
Команди цієї групи не модифікують ознаки результату за винятком команди завантаження PSW і пересилань, в яких приймачем результату є акумулятор А. У цьому випадку встановлюється біт паритету і апаратно формується ознака рівності 0 - Z = 1, який можна використовувати для виконання команд умовного переходу JZ (JNZ).
2. Команди звернення до ВПД
Звернення до ВПК і ВПД здійснюється через регістр - покажчик DPTR. Звернення до регістру можливо за допомогою команди MOV DPTR, # d 16, старший (DPH) і молодший (DPL) байти цього регістра доступні через зону РСФ.
3. Арифметичні операції
Команди виконують операції додавання, віднімання, інкремента, декремента та ін При множенні старший байт результату записується в регістр-розширювач В, а молодший - в А. Якщо вміст А> 256, то формується прапор арифметичного переповнення OV. Біт З завжди скидається. При розподілі приватне записується в А, а залишок - у В. Прапори перенесення C і арифметичного переповнення OV скидаються. Якщо (А) <(В), то прапор додаткового перенесення (АС) не скидається. При розподілі на 0 встановлюється прапор OV.
4. Логічні команди
Ці команди дозволяють реалізувати логічні операції «і», «або», «виключає або», а також ряд операцій над вмістом акумулятора.
5. Бітові команди
При виконанні бітових команд біт З виконує функції акумулятора. При роботі з битами використовується тільки пряма адресація.
Команди передачі управління
До цієї групи команд відносяться команди умовного та безумовного переходів, виклику підпрограм і повернення з них, а також команда порожній операції NOP.
Паралельні порти.
Порти Р 0 - Р 3 призначені для введення або виведення байтовой інформації і забезпечують обмін із зовнішніми пристроями: пам'яттю програм і даних, контролерами різного призначення, периферійними пристроями. Кожен з портів складається з 8-розрядного регістра-клямки (Р З), вихідного драйвера транзистора Т1, вхідних ланцюгів і схеми Д1 з відкритим колектором. Схемотехніка портів дещо відрізняється, тому що вони виконують різні функції. Однак у спрощеному варіанті її можна розглянути на рис. 7.
При читанні з входу порту Рх.Y дані через кон'юнктор Д1 передаються на внутрішню шину даних (ВШД), яка організована як "монтажне АБО". Якщо в Р З записана 1, то дані з входу порту без спотворення передаються в приймач. Якщо Р З = 0, то у відповідний розряд приймача буде записаний 0 в незалежності від значення сигналу. Під час запису інформації в порт, дані записуються в Р З і виводяться через Т1 на вихід порту. Звернення до портів можливо тільки за прямим адресою. Всі розряди порту знаходяться в бітовому просторі. Порти односпрямовані. Кожен біт порту може бути настроєний як на введення, так і на висновок. За скидання всі порти встановлюються на введення. Для читання даних з порту або регістра засувки використовуються різні команди. Читання Р З здійснюється командами «читання-модифікація-запис», при виконанні яких команда зчитує стан Р З, при необхідності модифікує отримане значення і записує результат назад в Р З. У всіх випадках, коли операндом і регістром призначення є порт або біт порту, команди зчитують інформацію з виходів Р З, а не з зовнішніх контактів висновків порту.
Порти Р 0, Р 1, Р 2, Р 3 в залежності від особливості застосування можуть реалізувати різні функції. При роботі із зовнішньою пам'яттю порт Р 0 є системним портом, через який в режимі з поділом часу передаються молодший байт адреси і дані. Поява молодшого байта адреси супроводжується сигналом ALE, за яким він має бути зафіксований у зовнішньому регістрі. Ознакою роботи Р 0 в системному режимі є використання команд MOVX, MOVC. При роботі в якості системного порту узгодження (спеціальне) з навантаженням не потрібно. Якщо Р 0 використовується як порт загального призначення, то до виходу порту має бути приєднаний зовнішній підтягаючий резистор від джерела живлення +5 В. Р 1 - Р 3 мають вбудовану навантаження. Порт Р 2 служить для виведення старшого байта адреси при роботі в системному режимі. Особливістю порту Р 2 є можливість мультиплексування на вихід вмісту Р З або старшого байта адреси. При роботі в режимі адресної шини вміст Р З зберігається і надходить на висновки порту в тих машинних циклах, коли немає звернення до зовнішньої пам'яті. При зверненні до зовнішньої пам'яті на вихід порту виводиться інформація з регістра адреси DPTR або з програмного лічильника РС по командах MOVC і MOVX. Виняток становлять команди MOVX A, @ Ri, і MOVX @ Ri, A, при яких на виході є вміст регістра-клямки. Навантажувальна здатність Р 0 - два входи ТТЛ, у інших - один. Р 1 - порт загального призначення і особливостей не має. Р 3 - під час запису в Р 3 "1" виконує системні функції.
Лічильник / Таймер.
Лічильник-таймер призначений для обробки зовнішніх і внутрішніх подій, формування програмно-керованих тимчасових затримок, виконання времязадающих функцій. До складу ОМК входять два 16-розрядних підсумовуючих СТ. Лічильник складається з регістрів лічильника TL (молодший байт), TH (старший байт), логіки управління вхідними сигналами і тригера переповнення TF. Біт TF встановлюється при переході лічильника зі стану всі "1" в усі "0". Біт TF розташовується у бітовому просторі і доступний за прямим адресою. Звернення до TLi, THi проводиться окремо за прямим адресами.
Керування роботою лічильника виконується за допомогою регістра режиму роботи TMOD і регістра керування статусу TCON.
GATE 1, GATE 0 - управління блокуванням (при GATEi = 1 робота лічильника / таймера дозволяється, якщо INT = 1 і TRi = 1; якщо GATEi = 0, то робота лічильника залежить тільки від стану TRi; (i = 1,0); С/Т1, С/Т0 - вибір режиму роботи (при С / Т = 1 - робота в режимі лічильника від зовнішніх сигналів на вході Ti; при С / Т = 0 - робота в режимі таймера від внутрішнього джерела сигналів синхронізації); М 1 , М 0 - завдання основних режимів роботи.
У режимі таймера лічильник працює від внутрішнього генератора з частотою OSC / 12. При роботі в режимі лічильника вміст T / C инкрементируется під впливом переходу з 1 в 0 зовнішнього сигналу, що подається на відповідні входи Т 0, Т 1 порту Р 3. Інкремент виконується після аналізу стану "0" або "1" на вході Тi, тому накладаються певні обмеження на параметри преутвореного сигналу: рівень 0 і 1 повинен тривати не менш OSC / 12. Максимальна перетворюються зовнішня частота - OSC / 24. Спосіб запуску СТ встановлюється бітом GATE: якщо GATE = 1, то реалізується апаратний запуск, при якому дозвіл рахунку подається на вхід INTi порту Р 3 (рівень 1). Попередньо повинен бути встановлений біт запуску лічильника TRi в регістрі TCON. При програмному запуску GATE = 0, початок рахунку задається установкою біта TRi = 1.
Режим роботи кожного СТ визначається значенням бітів М 0, М 1 в регістрі ТМОD. Лічильники можуть бути налаштовані на один з 4 режимів. Режими 0,1,2, однакові для обох лічильників і в цих режимах вони повністю незалежні. Робота ТС0 і ТС1 в режимі 3 різна. Режим 3 раціонально використовувати тільки для Ст0. При цьому установка Ст0 в режим 3 впливає на режим роботи СТ1.
Режим 0: Режим 13-ти розрядного лічильника, складається з TНi та 5 молодших розрядів TLi.
Режим 1: 16-ти розрядний лічильник, що складається з THi і TLi.
Режим 2: У цьому режимі СТ являє собою 8-розрядний лічильник TLi. При кожному переповненні TLi окрім установки прапора TFi відбувається автоматичне завантаження вмісту THi в TLi. Необхідний коефіцієнт розподілу повинен записуватися одночасно в THi і TLi. На відміну від режимів 0 і 1 після установки прапора переповнення коефіцієнт розподілу листується автоматично.
Режим 3: У цьому режимі лічильник 0 функціонує як 2 незалежних лічильника, а лічильник 1 заблокований і просто зберігає свій код (виконує функції регістра). При цьому можна набудувати лічильник 1 на інші режими. Режим 3 використовується, якщо необхідно збільшити число діючих лічильників до 3-х.
При роботі в цьому режимі ТС0 поділяється на два 8-ми розрядних лічильника, сформованих на базі регістрів ТН 0, Тl 0. Лічильник ТН 0 управляється бітом ТR 1 і формує сигнал переповнення ТF 1. Лічильник ТН 0 може працювати тільки в режимі таймера. Установка ТС0 в режим 3 позбавляє ТС1 біта включення TR 1. Тому ТС1 в режимах 0, 1, 2 при GATE = 0 завжди включений і при переповненні в режимах 0 і 1 ТС1 обнуляється, а в режимі 2 перезавантажується, не встановлюючи прапора, якщо ТС0 знаходиться в режимі 3. ТС1 апаратно пов'язаний з блоком синхронізації послідовного порту. Тому в режимах 0,1,2 при переповненні ТС1 завжди виробляє імпульс синхронізації послідовного порту. Якщо ТС0 працює в режимі 3, то ТС1 може бути налаштований на режим 0,1 або 2, але при цьому необхідно враховувати, що в процесі роботи не формується біт переповнення, а режим дозволу рахунки постійно включений.
Для налаштування лічильника на необхідний режим необхідно:
Поставити необхідний коефіцієнт перерахунку в регістри ТНi, ТLi.
Поставити режим роботи в слові TMOD.
При програмному введенні-виведенні замаскувати відповідні переривання від лічильника, а при використанні переривання-їх вирішити.
Встановити біт дозволу ТRi в слові TCON.
На базі СТ можна організувати перетворювачі частоти, тимчасового інтервалу, періоду в код, генератори і формувачі сигналів. Однак необхідно враховувати, що TFi апаратно недоступний, тому вихідні сигнали слід формувати на виходах паралельних портів. При вимірі частоти методом середнього можливі два варіанти формування еталонного тимчасового інтервалу Т пов. Апаратна реалізація передбачає подачу вимірюваної частоти на вхід Ti, а Т пов - на INTi. При програмній реалізації Тет формується на одному з лічильників, що працює в режимі таймера; другий лічильник підраховує кількість зовнішніх імпульсів. Початок роботи другого лічильника задається бітом TRi першого лічильника, а кінець рахунку - бітом TF першого лічильника. Особливістю формування вихідних частотно-часових сигналів є відсутність електричного виходу СТ. Тому сигнали формуються на вільних виходах портів Р 0 - Р 2 у момент установки TRi і TFi.
Послідовний порт.
Послідовний обмін використовується при передачі інформації на великі відстані, з метою економії обладнання. Передача через послідовний порт може бути реалізована в режимах синхронного або асинхронного обміну (відрізняється від синхронного та асинхронного способів передачі інформації). При асинхронному режимі формат переданого повідомлення має вигляд:
Зазвичай довжина символів, біт паритету і стопові біти задаються програмно.
Гідність такого обміну - підвищена достовірність переданої інформації.
Недоліки:
знижений швидкодію, тому що на кожен переданий символ потрібно 3 або 4 біта супроводу;
інформація передається по байтах.
При асинхронному обміні потрібна менша кількість ліній між приймачем і передавачем, так як синхронізація забезпечується завданням однакової частоти генераторів ГТВ на приймальному і передавальному кінці лінії зв'язку. При синхронному обміні інформація передається посимвольний, з необов'язковим бітом паритету. У деяких випадках початок повідомлення, його кінець і адресу приймача кодуються спеціальними символами (символами синхронізації). Швидкість синхронного обміну зростає в 5-10 разів, у порівнянні з асинхронним. Проте потрібна додаткова лінія, до якої підключений ГТВ (генератор тактових імпульсів), загальний для приймача і передавача.
Послідовний порт ВЕ51 здійснює прийом / передачу інформації в послідовному коді, молодшими бітами вперед в дуплексному режимі (одночасний прийом і передача інформації) або напівдуплексному режимах. До складу послідовного каналу входять приймаючі та передавальні зсувні регістри, спеціальний програмно-доступний буфер SBUF, регістр управління SCON та логіка управління каналом. Запис байта в передавач здійснюється автоматично, після того, як інформація записана в SBUF. Читання иформации виконується з цього ж регістра після установки прапора готовності послідовного каналу RI.
Послідовний канал може працювати в наступних чотирьох режимах:
Режим "0" - cінхронний обмін в напівдуплексному режимі з частотою OSC / 12. Формат посилки - 8 біт. Дані приймаються і передаються через вхід RxD, а частота синхронізації формується на виході TxD. У цьому режимі порт працює як восьмирозрядний зсувний регістр.
Режим "1" - асинхронний обмін, десятібітовий кадр, що складається зі стартового (нуль), стопового (одиниця) бітів і 8-розрядного символу. Швидкість прийому та передачі визначається частотою переповнення лічильника С / T1. Залежно від стану біта SMOD регістру PCON частота, яка надходить на вхід схеми синхронізації послідовного каналу з виходу С/Т1, може змінюватися в два рази. Схема синхронізації ділить цю частоту на 16 і використовує її для прийому / передачі послідовного коду. При використанні цього режиму слід заборонити переривання від С/Т1. При прийомі стоп-біт заноситься в біт RB 8 регістру SCON.
Режим "2" - асинхронний 11-бітовий кадр. У порівнянні з режимом 1 доданий програмно встановлюваний дев'ятий біт. Рухаючись дев'ятий біт даних приймає значення біта TB 8 з регістра керування SCON. Цей біт може бути програмно встановлено в 0 або 1. Зокрема, ТВ 8 можна присвоїти значення біта паритету Р з регістра PSW для підвищення достовірності передаваної інформації. При прийомі дев'ятий біт даних надходить в біт RB 8 регістру SCON. Швидкість передачі фіксована і визначається значенням біта SMOD регістру PCON: OSC / 32 або OSC / 64.
Режим "3" - аналогічний режиму "2", але швидкість обміну задається лічильником С/T1, як в режимі "1".
Основна настройка послідовного каналу на необхідний режим роботи провадиться в регістрі SCON, в якому задається режим роботи, значення 11-го біта, дозвіл контролю 11-го біта (у режимах '2 'й '3'), прапори готовності приймача і передавача. Формат регістра керування / статусу універсального асинхронного прийомопередатчика (УАПП) SCON має вигляд:
SM 0, SM 1 - біти управління режимом, встановлюється / скидаються програмно: SM 0, SM 1 = 00 - режим "0", SM 0, SM 1 = 01 - режим "1", SM 0, SM 1 = 10 - режим '2 ', SM 0, SM 1 = 11 - режим '3', SM 2 - заборона прийому кадрів з нульовим восьмим бітом, в режимі "0" повинен бути скинутий, встановлюється програмно; RЕN - дозволу прийому, встановлюється / скидається програмно; TB 8 - восьмий біт передавача в режимах '2 'й '3'; RB 8 - восьмий біт приймача в режимах '2 'й '3', в режимі "1", якщо SM 2 = 0, то відображає стоповий біт, в режимі "0" не використовується; TI - прапор готовності передавача, встановлюється апаратно після закінчення передачі байта, скидається програмно; RI - прапор готовності приймача, принцип роботи аналогічний TI.
Швидкість послідовного обміну залежно від режиму роботи визначається або частотою роботи ОМК (режими 0 і 2) або частотою переповнення C/T1 (режими 1 і 3).
У режимах 1-3 зміна частоти передачі інформації в 2 рази забезпечується бітом SMOD регістру PCON.
У режимі '2 'швидкість задається частотою f = (osc / 64) * 2 smod.
У режимах '1 'і '3' - частотою f = (2 smod) * f C/T1, f C/T1 - частота переповнення С/T1.
Формат регістра керування потужністю PCON:
SMOD - біт керування швидкістю передачі УАПП, при SMOD = 1 швидкість передачі вдвічі більше, ніж при SMOD = 0; GF 1, GF 2 - прапори загального призначення, що встановлюються користувачем; PD - установка біта переводить ОМК в режим холостого ходу.
Найбільш зручний для використання в послідовному каналі режим '2 'лічильника / таймера С/Т1, якщо з його допомогою можна забезпечити необхідну швидкість передачі, тому що в цьому режимі не потрібне перезавантаження коефіцієнта перерахунку.
Для використання C/T1 в якості джерела швидкості обміну необхідно:
заборонити переривання від C/T1;
запрограмувати роботу C/T1;
запустити C/T1.
Особливі режими роботи.
Скидання.
Скидання здійснюється подачею лог.1 на вхід RST і повинен утримуватися в цьому стані не менше 24 / OSC. Під дією скидання обнуляються регістри PC, FC, PSW, DPTR, TMOD, TCON, T/C0, T/C1, IE, IP, SCON, в регістрі PCON скидається тільки тільки старший біт, в регістр SP завантажується код 07 h, а порти P 0 - P 3 - коди FFH. Стан регістру SBUF невизначене. Сигнал скидання не впливає на вміст РПД. Коли включається харчування, стан РПД неопределннное, за винятком операції повернення з режиму зниженого енергоспоживання.
Режим холостого ходу.
ОМК працює в цьому режимі, якщо біт PCON .0 встановлений. При цьому продовжує працювати внутрішній генератор, але блокуються функціональні вузли ЦП, що зменшує енергоспоживання на 15 - 30%. Всі регістри і РПД зберігають свої значення, а на висновках ALE і PSEN формується рівень одиниці. Вийти з цього режиму можна по скиданню або по перериванню. За будь-якого з цих дій біт PCON .0 скидається і продовжиться робота ОМК з тієї команди, перед якою було встановлено режим холостого ходу.
Режим зниженого енергоспоживання.
Перехід в цей режим можливий, якщо встановити біт PCON .1. У цьому режимі внутрішній генератор припиняє роботу і зберігається лише вміст РПД. Тому необхідні регістри спецфункцій попередньо слід зберігати в РПД. Резервне живлення повинно надходити через висновок RST / VPD. Напруга основного джерела живлення може бути зменшена до 2 В. Перед виходом з режиму воно повинно бути відновлено до номінального значення. Енергоспоживання знижується більш значно, ніж в режимі холостого ходу. У ОМК 1830ВЕ51 при номінальному струмі споживання 18 мА це значення знижується в режимі холостого ходу до 4,2 мА, а в режимі зниженого енергоспоживання - до 50 мкА. Вихід з режиму можливий тільки по сигналу скидання, який повинен утримуватися в активному стані не менше 10 мс (час відновлення роботи задає генератора). При одночасному запису PCON .0 і PCON .1 перевагу має PCON .1. Режими холостого ходу і зниженого енергоспоживання підтримуються не всіма ОМК і цю ситуацію необхідно контролювати.
Захист від падіння напруги.
При немгновенних відмовах електроживлення ОМК можна забезпечити схоронність вмісту РПД за допомогою батарейного живлення, приєднаного до висновків RST / VPD. Для цього ОМК, отримавши повідомлення про загрозу відключення, повинен перезавантажити необхідні параметри в РПД і перейти в режим зниженого енергоспоживання. Після відновлення номінального напруги виконується системний скидання і джерело аварійного живлення може бути відключений.
Режим завантаження та верифікації програм.
Під впливом зовнішніх електричних сигналів в ОМК може бути записано потрібне програмне забезпечення. Для ПЗУ з ультрафіолетовим стиранням (УФ) інформації його необхідно попередньо очистити, помістивши ОМК під джерело УФ з довжиною хвилі менше 4х10-7 м. Програмування здійснюється на частоті внутрішнього генератора 4 -6 МГц. Адреса, за якою здійснюється програмування, задається через порт 1 і висновки Р 2.0 - Р 2.3, а дані повинні бути подані на вхід порту Р 0. У процедурі програмування задіяні й інші висновки ОМК. У процесі програмування необхідно формувати певну часову діаграму і мати додаткове джерело імпульсних сигналів амплітудою 21 + / -0,5 В. В процесі програмування можна встановити біт захисту, який забороняє доступ до резидентної пам'яті програм будь-якими зовнішніми засобами. Біт захисту можна скинути тільки шляхом повного стирання вмісту пам'яті під джерелом УФ. Якщо біт захисту не встановлено, то вміст резидентної пам'яті можна прочитати за допомогою процедури аналогічної процедури програмування.
3.3 Вибір датчика швидкості
Для вимірювання частоти обертання двигуна використовуємо тахогенератор ТМГ-30П («Мікротех») з номінальною частотою обертання 4000 об / хв. Вибір даного пристрою обумовлений його високою надійністю, працездатністю в жорстких умовах експлуатації. Схема пристрою наведена на рис. 11.
3.4 Вибір датчика температури
У процесі експлуатації двигуна необхідно контролювати температуру корпусу, щоб фіксувати перегрівання корпусу.
Для контролю температури виберемо датчик ПВМ МЕТРАН-243 фірми «Метран», що працює в діапазоні -50 ... +120 о С, що містить один чутливий елемент і призначений для вимірювання температури поверхні твердих тіл. Схема датчика ПВМ МЕТРАН-243 з подовжувальними проводами наведена на рис. 12.
Вибір АЦП
В якості аналого-цифрового перетворювача будемо використовувати 8-розрядний АЦП типу К1107ПВ4 («Симметрон»). Мікросхема даного типу призначена для перетворення вхідного сигналу в паралельний двійковий прямий код. Містить 6000 інтегральних елементів. Маса не більше 1922 Структурна схема АЦП і опис висновків наведено, відповідно, на рис. 13 і в табл. 1.
Гранично допустимі режими експлуатації мікросхеми допускають: U П1 = 4.75 ... 5.25 В; U П2 = -5.46 ... -4.94 В; U вх = -2. 6 ... 2.6 В.
Вибір ЦАП
Виберемо як ЦАП мікросхему К572ПА1, яка знаходить широке застосування в різній апаратурі завдяки малій споживаній потужності, високій швидкодії і невеликим габаритам. Мікросхема використовується для перетворення прямого паралельного двійкового коду на цифрових входах у ток на аналоговому виході, який пропорційний значенням коду і опорного напруги. На рис. 14 числами такі: 1 - аналоговий вхід 1, 2 - аналоговий вхід 2; 5-12 - цифрові входи 2-9, 13, 14 - напруга джерела живлення; 15 - опорна напруга; 16 - висновок зворотнього зв'язку. Число розрядів К572ПА1 - 8.
Вибір решти елементів системи
Будемо також використовувати операційні підсилювачі типу 553УД2, тиристори КУ101А вітчизняного виробництва, керуючись невисокою вартістю зазначених елементів і можливістю застосування в умовах поставленої в курсовому проекті завдання. Вибрані складові частини елементної бази володіють достатньою продуктивністю для виконання необхідних функцій.
4 Розробка функціональної схеми
Система управління швидкістю обертання асинхронного двигуна побудована на базі мікроконтролера КР1816ВЕ51. Функціональна схема системи приведена на рис. 15.
5 Розробка алгоритму роботи і програми
Реалізація алгоритму роботи (рис. 16) передбачає зменшення швидкості обертання двигуна до заданого значення у випадку його перегріву і відхилення від заданого значення швидкості. Параметри, що знімаються з датчиків, надходять в АЦП, перетворюються в двійковий код і порівнюються із заданими значеннями. Якщо значення не потрапляють в заданий інтервал, виконується підпрограма коригування швидкості обертання з метою переходу в нормальний режим роботи.
Для реалізації обраного алгоритму регулювання за допомогою мікроконтролера була складена програма на мові Асемблер. Подібна програма може бути написана в середовищі ProView фірми Franklin Software Inc, призначеної для розробки програмного забезпечення для однокристальних мікроконтролерів сімейства Intel 8051. Текст програми приведений у Додатку.
ВИСНОВОК
У даному курсовому проекті була розроблена система регулювання швидкості обертання асинхронного двигуна на основі однокристального мікроконтролера 51-го сімейства. Була розроблена структурна схема, де в якості окремих блоків були виділені блок управління, асинхронний двигун, датчик температури, датчик швидкості, а також регулятор швидкості. В якості об'єкта управління був обраний трифазний асинхронний двигун загальнопромислового призначення. В якості методу управління був обраний спосіб тиристорного регулювання швидкості обертання двигуна (управління за допомогою тиристорної пари) як найбільш простий і найменш дорогий з застосовуються в подібних системах способів регулювання. У ході вибору датчиків, АЦП, ЦАП, в основному, ставка робилася на недорогу вітчизняну продукцію, оскільки реалізація будь-якого проекту завжди вимагає серйозних матеріальних витрат. При цьому вибрана елементна база задовольняє технічним концепціям побудови системи. Була побудована функціональна схема і блок-схема алгоритму функціонування, що відображають принцип роботи всієї системи в цілому. Була написана програма реалізації алгоритму мовою Асемблер.
В даний час існують багато розробок, присвячених вирішенню поставленої в даному проекті завдання. Проте існуючі жорсткі стандарти вимагають проходження сучасним тенденціям, тому необхідні найбільш прості та ефективні шляхи вирішення при невеликих матеріальних витратах. Спроектована система представляє одне з багатьох конструктивних рішень, вибраного в силу причин, описаних вище.