Контролер промислового призначення

Введення.

У даному курсовому проекті поставлено завдання розробити якийсь промисловий контролер для роботи в умовах виробництва. Завдання може бути виконана на мікропроцесорі з гнучкою програмованою логікою, а також на дискретних елементах з жорсткою логікою.

Реалізація на мікропроцесорі володіє вагомими перевагами. Гнучка логіка, можливість легкої модернізації контролера, перспективність.

Програмована логіка реалізована на мікропроцесорі типу МК-51 фірми ATMEL - AT89C51, який завдяки вбудованої FLASH пам'яті, володіє можливістю електричного перепрограмування, а значить швидкої модернізації керуючої програми.

Наявність мікропроцесора в сучасних контролерах дозволяє створювати складні, гнучкі, компактні і надійні системи керування з централізованим управлінням і діагностикою.

Структурний синтез цифрового автомата

Позначимо структуру проектованого мікроконтролера.

Керуючий логічний блок на основі мікропроцесора.

Блок збору інформації та перетворення її у вигляд, необхідний для обробки мікропроцесором.

Блок гальванічної розв'язки вхідних сигналів і сигналів, що надходять на мікропроцесор.

Блок зв'язку з виконавчими пристроями (включає гальванічну розв'язку) для перетворення вихідних сигналів мікропроцесора в потужні сигнали управління.

Блок початкового скидання мікропроцесора.

Блок індикації вхідних і вихідних сигналів.

Блок електроживлення контролера.

2. Розробка принципової схеми.

1. Керуючий логічний блок.

В якості основи для контролера обраний популярний мікропроцесор типу MK-51 від фірми Atmel - AT89C51.

Його основні переваги перед подібними процесорами інших фірм:

Повністю сумісний з сімейством МК-51.

4 кб вбудованої перепрограммируемой Flash пам'яті (включаючи перепрограмування безпосередньо на платі за протоколом SPI) при не менш 103 циклів перезапису.

Робота на частотах від 0 до 40 МГц.

128х8 біт ОЗУ.

32 програмованих лінії портів введення / виводу.

Два 16-бітових таймера лічильника

Шість джерел переривань

Програмований послідовний канал сумісний з RS-232-S.

2. Блок збору інформації та перетворення її у вигляд, придатний для обробки мікропроцесором.

Вхідна інформація і вихідна інформація проходить через зовнішній роз'єм типу РШ2Н-2-16.

У таблиці 1 наведено список і умовне позначення вхідних та вихідних сигналів із завдання.

Табл. 1.

Сигнал з датчика освітленості (фоторезистора СФ2-1) знімаємо за такою схемою:

Далі сигнал надходить на ділильний міст з резисторів, формуючий потрібний рівень сигналу, що подається на схему з двох компараторів. На не инвертирующий вхід компаратора подається вимірювана величина напруги, а на инвертирующий - величина опорної напруги, при досягненні якої значення логічного сигналу на виході компаратора змінюється на протилежне. Спрацювання при потрібному значенні освітленості регулюється подстроєчнимі резистори марки РП1 - 48 10КОм ± 10%.

Компаратор LM29000.

Його електричні характеристики:

Максимальний споживаний струм 2 мА.

Напруга зсуву 1 мВ.

Корпус DIP-14.

Для організації високостабільного опорного напруги обрані спеціалізована мікросхема LM4130 фірми National Semiconductor.

Вихідна опорне напруга 4.096 У

Похибка вихідної напруги 0.05%

Температурний коефіцієнт нестабільності 3 * 10-6/оС

Мінімальна вхідна напруга 5 В

Споживаний струм 1 мА

Максимальний вихідний струм 30-50 мА

Зміна вихідної напруги (при Iвих = 30 .. 50 мА) 0.05%

За такою ж схемою організований прийом і формування логічних сигналів UA на мікропроцесор.

3. Блок гальванічної розв'язки вхідних сигналів і сигналів, що надходять на мікропроцесор.

Вхідні величини надходять із зовнішнього (для контролера) середовища, що говорить про можливу наявність перешкод різних типів. Так само необхідно передбачити можливість неправильної полярності підключення датчиків. Тому виникла необхідність в гальванічній розв'язки сигналів.

Для того, щоб розв'язати вхідні рівні мікропроцесора і вхідних сигналів від датчиків застосовані три оптопари К249КН4П. Характеристики, за якими вони були обрані:

Uмахком = 60 В;

Iвхmin = 10 мА;

Iвхmax = 25 мА;

Iком = 8 мА.

Резистори R1 і R2 розраховуються з умов максимального вхідного та комутованого струмів. Діод забезпечує захист від неправильної полярності включення.

Резистори:

R1 C2 - 23 0.25Вт 1600 Ом ± 0.25%

R2 C2 - 23 0.125Вт 270 Ком ± 0.1%

Діод КД521А (Д220А):

Uпр = 1В, Uобр = 75В, Iпр.ср = 50мА, Iобр = 1мкА.

Обробка вихідних величин: Електромагніт.

У даній роботі автомат генерує вихідний сигнал управління електромагнітом (= 24В, 10Вт). Дана потужність явно не дозволяє підключати електромагніт безпосередньо до виходу мікропроцесора, тому тут доцільно застосувати потужні твердотільні оптоелектронні реле. Потужність на виході яких може досягати досить великих значень. У оптопаре одночасно реалізується гальванічна розв'язка силовий і керуючої ланцюгів, а також посилення по потужності сигналу.

Схема підключень оптоелектронного реле:

Твердотільні реле для ланцюгів постійного струму 5П19А1:

Напруга комутації -60 .. +60 В

Струм комутації -3 .. 3А

Вхідний струм 10 - 25мА

Вхідна напруга у вимкненому стані -3.5 .. 0.8 У

Потужність, що розсіюється 1000Мвт

Температура окр. середовища -45 .. +85

Корпус SIP12

Резистор:

R C2 - 23 0.125Вт 360 Ом ± 0.1%

Транзисторний модуль

Транзисторний модуль М2ТКІ-50-12 управляється спеціалізованим драйвером - драйвер транзисторних модулів такого типу - IR2112 фірми International Rectifier. Драйвер здатний витримувати напруги до 600 вольт. Схема включення наведена нижче:

Symbol Description

VDD Logic supply

HIN Logic input for high side gate driver output (HO), in phase

SD Logic input for shutdown

LIN Logic input for low side gate driver output (LO), in phase

V SS Logic ground

VB High side floating supply

HO High side gate drive output

VS High side floating supply return

VCC Low side supply

LO Low side gate drive output

COM Low side return

Діод VD повинен витримати зворотне напруга 600В.

Діод КД105Г (КД209В):

Uпр = 1В

Iср.пр = 300мА

Iср.обр = 0.1мА

Uобр = 800В

Драйвер IR2112:

Параметри драйвера:

VOFFSET 600V max.

IO + / - 200 mA / 420 mA

VOUT 10 - 20V

ton / off (typ.) 125 & 105 ns

Delay Matching 30 ns

Корпус DIP14.

Резистори:

R C2 - 29 0.5 10 Ом ± 0.25%

Конденсатор:

C К73 - 17 630В 0.1мкФ ± 10%

Початковий скидання мікропроцесора

Для системи, побудованої на базі мікропроцесора необхідна схема початкового скидання і система запобігання від зависання. Так як з-за сильної електромагнітної завади може викривитися частина інформації, що обробляється мікропроцесором у даний момент, що небезпека виникнення збоїв в алгоритмі керуючої програми, а так само зацикленням роботи процесора або його "зависанням". Все це призводить до відмови в роботі контролера.

Як правило, такі сильні і фатальні перешкоди трапляються дуже рідко, але якщо контролер виконує частину операцій в налагодженому технічному процесі, то такий його відмова призводить до виникнення незапланованого простою в роботі і великими економічними збитками.

Працездатність контролера можна відновити, подавши на процесор команду скидання (reset). Такі функції виконує WatchDog Taimer. У даній роботі ця система не реалізована. Скидання мікроконтролера можна буде зробити короткочасним скиданням живлячої напруги або кнопкою Reset, розташованої на передній панелі.

Конденсатор:

C К50-16-50В-1 мкФ

Індикація

Можливі кілька способів реалізації індикації:

на світлодіодах,

на РК елементах,

на цифрових або символьних індикаторах і ін

Для забезпечення візуального спостереження за функціонуванням контролера введено блок індикації сигналів. Його реалізація є програмною.

Підпрограма опитує стану входів і виходів і виводить ці значення в порт P0 мікропроцесора МК51.

Безпосередньо на ці виходи підключені світлодіоди, які візуально відображають стан входів і виходів.

Для того, щоб світлодіоди можна було підключити безпосередньо до порту, вони повинні споживати якомога менше струму, але при цьому забезпечувати достатню яскравість світіння.

Цим запитам повністю задовольняють вибрані світлодіоди КІПД02Б-1К. Нижче в таблиці наведено їх основні параметри.

При напрузі живлення і струмі світлодіода 5 мА струмообмежуючі резистор приймаємо рівним R = 1кОм

Резистори:

R C2 - 23 0.125Вт 1кОм ± 0.1%

Живлення елементів схеми

На вхід контролера надходить напругу живлення 24В, а до складу контролера входять пристрої, що живляться від 5В, а також 15В. Проблема харчування може бути вирішена за допомогою спеціалізованої інтегральної схеми імпульсного перетворювача постійної напруги. Прикладом такого перетворювача може бути інтегральний перетворювач DCP. На вхід цього перетворювача поступає постійна напруга, і на виході теж є постійна напруга, але іншого рівня. При цьому здійснюється повна гальванічна розв'язка між входом і виходом з допомогою вбудованого трансформатора. Мікросхема укладена в корпус DIP14, компактна і зручна у використанні. У даній роботі буде використовуватися мікросхема (DCP022405P (на виході 5В)). Вихідна потужність мікросхем становить 2Вт.

ТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ DC / DC серії DCP02

На вході є дві ємності: керамічний конденсатор для усунення короткочасних піків струму, що виникають при перемиканнях транзисторів і електролітичний - для підтримки вхідної напруги постійним при його повільних коливаннях.

На виході також є керамічні конденсатори, ємність яких буде розрахована нижче.

Схема підключення інтегральних імпульсного перетворювача:

Конденсатор на вході перетворювача має ємність 470мкФ.

DA1 Імпульсний перетворювач DCP022405P

Вихідна потужність 2Вт

Вихідна напруга 5В

Вхідна напруга 24В

DA1 Імпульсний перетворювач DCP022415DP

Вихідна потужність 2Вт

Вихідна напруга ± 15В

Вхідна напруга 24В

Конденсатори:

C1 К50 - 16 50В 470мкФ +50 -20%

C2, C3 К50 - 16 50В 10мкФ +50 -20%

C4 К50 - 16 50В 10мкФ +50 -20%

4. Конструювання контролера

Конструкція контролера являє собою плату друковану, вдвіжную. Для виконання основної друкованої плати рекомендується використовувати двосторонній фольгований склотекстоліт марки ФТС2-35 ТУ 16-503.161-83. Двостороння фольгування вибрано з міркувань зменшення щільності розташування провідників і зменшення розмірів основної друкованої плати пристрою. Плату виготовити фотохімічним способом. Доріжки на платі травлення по "позитиву". Розміри друкованої плати визначаються відповідно до ГОСТ 2.109-73.

Для збільшення жорсткості друкованої плати монтувати на спеціальну рамку, відлиту з лицьовою панеллю з легкого алюмінієвого сплаву АЛ9. Товщина рамки і панелі - 3 мм. Плата кріпити до рамки за допомогою стяжних гвинтів М3.

На лицьовій панелі розташовані отвори під світлодіоди, кнопка скидання.

Кріплення кнопки скидання проводиться "під гайку" на передній панелі.

Зовнішній роз'єм типу РШ2Н-2-16. Роз'єм - електричний з'єднувач для друкованого монтажу, розташування штирьков лінійне. Призначений для роботи в електричних колах постійного і змінного струму з частотами до 3 МГц і ланцюгах імпульсного струму.

Рекомендований тип припою - ПОС 60 ГОСТ 21930-76.

Конструкція блоку представляє з себе алюмінієве шасі, на якому закріплена друкарська плата. Шасі блоку одночасно є і направляє при установці блоку в основне (або кероване) пристрій. На передній панелі закріплені кнопка скидання і індикатори. Плата з'єднана з кнопкою скидання гнучкими проводами.

Розробка програмного забезпечення

При виборі мікропроцесорної системи управління істотно зменшується кількість дискретних елементів. Що спрощує систему, і, отже, підвищує її надійність. З іншого боку відмова самого мікропроцесора (саме по собі це явище рідкісне, частіше позначаються помилки проектування) веде до виходу абсолютно всієї системи. У той же час з'являється необхідність в керуючій програмі. Кожен тип мікропроцесора має ряд лише йому властивих особливостей: архітектурою, набором команд, функціональними можливостями і так далі. Все це було взято до уваги при написанні програми для спроектованої системи управління.

Програма була написана на мові асемблера для МК-51 з використанням системи налагодження AVSIM51. Далі наводиться алгоритм роботи програми, лістинг програми і hex файл, який представляє собою образ ПЗУ призначений безпосередньо для прошивки в мікросхему.

Алгоритм роботи програми.

Використовуючи особливість мікропроцесора МК-51 працювати з окремими бітами (логічний процесор) дане завдання можна виконати безпосередньо запрограмувавши всі стани та умови переходів.

Лістинг програми:

2500 AD 8051 Macro Assembler - Version 4.02a

------------------------------------------------

Input Filename: kurs.asm

Output Filename: kurs.obj

1;

2;

3;

4;

5;

6

7; Для зручності називаємо змінні стану

8 0020 X0: EQU 20h

9 0021 X2: EQU 21h

10 0022 X3: EQU 22h

11 0023 X4: EQU 23h

12 0024 X5: EQU 24h

13

14 0040 R_N: EQU 55h; затримка для антідребезговой підпрограми

15 0001 R_C: REG R1; іменуємо регістр для антідребезговой підпрограми

16 0000

17 0025 PER: EQU 25h; тимчасова змінна для порівняння

18 0000

19 0000 BSECT; перехід до бітової секції

20

21; Задаємо імена змінних для позначення вхідних параметрів

22 0090 S1: REG P1.0;

23 0091 S2: REG P1.1;

24 0092 S3: REG P1.2;

25 0093 U1: REG P1.3;

26 0094 U3: REG P1.4;

27 0095 U7: REG P1.5;

28 0096 L40: REG P1.6;

29 0097 L100: REG P1.7;

30 00B1 L50: REG P3.1;

31 00B2 INDL50: REG P3.2;

32 0000

33; Завдання імен змінних для індикації вихідних величин

34 0000

35 0080 IND: REG P0.0; ім'я змінної для позначення порту індикації

36 0000

37; Початок програми розпорядженні з адресою 30h

38 0000 02 00 30 JMP x0

39 0030 ORG 30H

40

41; Обробка стану X0

42 0030 C3 x0: CLR C; скидаємо прапор переносу C

43 0031 75 A0 FF MOV P2, # 11111111b; Обнуляємо виходи порту P2 (Q2, Q1, Q0)

44 0034 12 00 91 CALL drbzg; виклик підпрограми обробки брязкоту

45 0037 грудень 2000 AA CALL xx0; виклик підпрограми обробки умови X0

46 003A A2 20 MOV C, X0; записуємо в C 1, якщо X0 = 1

47 003C 1940 1943 JC x5; перехід на мітку x5, якщо перенесення C = 1

48 003E лютого 2000 41 JMP x1; інакше перехід на мітку x1

49

50

51; Обробка стану X1

52 0041 C3 x1: CLR C

53 0042 75 A0 F6 MOV P2, # 11110110b; записуємо в P2 значення виходів та індикації

54 0045 12 00 91 CALL drbzg

55 0048 A2 96 MOV C, L40

56 004A 40 E4 JC x0

57 004C лютого 2000 71 JMP x4

58

59

60; Обробка стану X2

61 004F C3 x2: CLR C

62 0050 75 A0 DB MOV P2, # 11011011b

63 0053 12 00 91 CALL drbzg

64 0056 грудень 2000 B1 CALL xx2

65 0059 A2 21 MOV C, X2

66 005B 40 03 JC x3

67 005D лютого 2000 71 JMP x4

68

69; Обробка стану X3

70 0060 C3 x3: CLR C

71 0061 75 A0 ED MOV P2, # 11101101b

72 0064 12 00 91 CALL drbzg

73 0067 грудень 2000 C1 CALL xx3

74 006A A2 22 MOV C, X3

75 006C 40 D3 JC x1

76 006E 02 00 71 JMP x4

77

78

79; Обробка стану X4

80 0071 C3 x4: CLR C

81 0072 75 A0 E4 MOV P2, # 11100100b

82 0075 12 00 91 CALL drbzg

83 0078 грудень 2000 C8 CALL xx4

84 007B A2 23 MOV C, X4

85 007D 40 02 JC x5

86 007F 01 4F JMP x2

87

88

89; Обробка стану X5

90 0081 C3 x5: CLR C

91 0082 75 A0 D2 MOV P2, # 11010010b

92 0085 12 00 91 CALL drbzg

93 0088 грудень 2000 CF CALL xx5

94 008B A2 24 MOV C, X5

95 008D 40 C0 JC x2

96 008F січня 1971 JMP x4

97

98

99; Підпрограма обробки брязкоту, індикації

100 0091 drbzg:

101 0091 79 40 MOV R_C, # R_N; завантаження в регістр константи для антидребезга

102 0093 E5 90 st: MOV A, P1; завантаження в аккум. значення порту P1

103 0095 7B 0A MOV R3, # 10; затримка для опред. брязкоту

104 0097 DB FE DJNZ R3, $;

105 0099 B5 90 F5 CJNE A, P1, drbzg; порівняння аккум. з портом і перехід

106 009C D9 F5 DJNZ R_C, st; відлік часу для розпізнавання брязкоту

107 009E E5 90 MOV A, S1; секція індикації вхідних сигналів

108 00A0 F4 CPL A; інверсія значень, тому що управління йде по 0

109 00A1 F5 80 MOV IND, A; запис у порт для індикації

110 00A3 C3 CLR C

111 00A4 A2 B1 MOV C, L50

112 00A6 B3 CPL C

113 00A7 92 B2 MOV INDL50, C;

114 00A9 22 RET; повернення з підпрограми

115

116; Підпрограма обробки умови X0

117 00AA A2 90 xx0: MOV C, S1;

118 00AC B0 95 ANL C, / U7; логічне І біта і перенесення

119 00AE 92 20 MOV X0, C

120 00B0 22 RET

121

122

123; Підпрограма обробки умови X2

124 00B1 A2 90 xx2: MOV C, S1;

125 00B3 B0 91 ANL C, / S2

126 00B5 92 25 MOV PER, C

127 00B7 A2 91 MOV C, S2

128 00B9 B0 90 ANL C, / S1

129 00BB 72 25 ORL C, PER

130 00BD 82 93 ANL C, U1

131 00BF 92 21 MOV X2, C

132

133

134; Підпрограма обробки умови X3

135 00C1 A2 92 xx3: MOV C, S3;

136 00C3 B0 B1 ANL C, / L50

137 00C5 92 22 MOV X3, C

138 00C7 22 RET

139

140

141; Підпрограма обробки умови X4

142 00C8 A2 91 xx4: MOV C, S2;

143 00CA B0 94 ANL C, / U3

144 00CC 92 23 MOV X4, C

145 00CE 22 RET

146

147

148; Підпрограма обробки умови X5

149 00CF A2 97 xx5: MOV C, L100;

150 00D1 92 24 MOV X5, C

151 00D3 22 RET

152 00D4

153 00D4 END

Lines Assembled: 153 Assembly Errors: 0

Образ ПЗУ для прошивки

: 03000000020030CB

: 10003000C375A0FF1200911200AAA2204043020043

: 1000400041C375A0F6120091A29640E4020071C36C

: 1000500075A0DB1200911200B1A2214003020071D1

: 10006000C375A0ED1200911200C1A22240D302007C

: 1000700071C375A0E41200911200C8A223400201CE

: 100080004FC375A0D21200911200CFA22440C0012C

: 10009000717940E5907B0ADBFEB590F5D9F5E590E6

: 1000A000F4F580C3A2B1B392B222A290B09592208F

: 1000B00022A290B0919225A291B090722582939243

: 1000C00021A292B0B1922222A291B094922322A2B4

: 0400D00097922422BD

: 00000001FF