Міністерство освіти Російської Федерації
Уральський державний технічний університет
Кафедра Автоматика і управління в технічних системах
Мікроконтроллерний регулятор температури
Єкатеринбург 2004
Реферат
Розглянуто мікроконтроллерний регулятор температури, призначений для автоматичного регулювання температури контрольованого об'єкта. Мікроконтроллерний регулятор температури складається з датчиків температури і перегріву, вбудованих в контрольований об'єкт, мікроконтролера, індикатора і регулятора.
Орієнтовна область застосування: регулювання температури в саунах, електропечах і т.д.
Розроблено структурну і принципова схеми.
Курсовий проект містить 13 стор, 5 рис., 2 стор додатків, 3 назви. бібл.
Зміст
Введення
Структурна схема
Вибір мікроконтролера
ФАЗОВИЙ РЕГУЛЯТОР ПОТУЖНОСТІ
Зв'язок між мікро і регулятором потужності
Силова частина
6. Вибір датчиків
Бібліографічний список
Висновок
Введення
Метою даної роботи є розробка приладу, призначеного для автоматичного регулювання температури.
Конструктивно прилад виконаний у вигляді трьох блоків: датчиків, розташованих безпосередньо на контрольованому об'єкті; мікроконтролера, індикатора і регулятора, що становлять основну мікросхему, а також силової частини, що живиться від мережі змінного струму з напругою до 230 вольт.
Силова частина спеціально відокремлена від основної мікросхеми та добре ізольована в безпосередній близькості від контрольованого об'єкту в цілях уникнення нещасних випадків.
Мікроконтролер був обраний функціонально надлишковий, що дозволяє говорити про подальший його розвиток. Зокрема, вже зараз можна говорити про універсальність створеного приладу. Орієнтовними областями застосування можуть бути:
Регулювання температури в саунах, електропечах і т.д.
Управління зварювальним струмом по первинній обмотці зварювального трансформатора.
Регулювання оборотів колекторних двигунів.
Зважаючи на велику кількість стандартних рішень, в курсовій роботі детально не розглядається будь-якої один варіант кінцевого застосування навантажувальної потужності, а залишається на вибір розроблювача.
Також слід зазначити, що в якості сполучного ланки між мікроконтролером і регулятором використовується перспективна останнім часом оптрона технологія.
Структурна схема
Структурна схема (рис. 1) є основою для розробки принципової схеми приладу.
Рис. 1. Структурна схема
За допомогою вбудованих в контрольований об'єкт датчиків мікроконтроллер отримує необхідну інформацію про його температурному стані і може вести аналіз, згідно з програмою, занесеної йому під FLASH пам'ять. Візуалізація роботи пристрою можлива завдяки пов'язаному з мікроконтролером індикатором. Мікроконтролер управляє фазовим регулятором потужності. Регулятор пов'язаний з силовою частиною приладу, яка живиться від мережі змінного струму з напругою 220 В., та здійснює роботу кінцевої навантаження (електропіч, вентилятор, двигун і т.п.).
Вибір мікроконтролера
Був обраний мікроконтролер PIC 16 C 62 фірми «Microchip» (Мал. 2.).
Рис. 2. Мікроконтролер PIC 16 C 62
Особливості ядра мікроконтролера PIC16C6X:
Високопродуктивний RISC процесор;
Всього 35 простих для вивчення інструкції;
Всі інструкції виконуються за один такт, крім інструкцій переходу, виконуваних за два такти;
Швидкість роботи: тактова частота до 20 МГц,
мінімальна тривалість такту 200 нс.;Механізм переривань;
Восьміуровневий апаратний стек;
Прямий, непрямий і відносний режими адресації для даних і інструкцій;
Скидання при включенні живлення (POR);
Таймер включення живлення (PWRT) і таймер запуску генератора (OST);
Скидання з падіння напруги живлення;
Сторожовий таймер (WDT) з власним убудованим RC генератором для підвищення надійності роботи;
Програмована захист коду;
Режим економії енергії (SLEEP);
Можливі режими тактового генератора;
Економічна, високошвидкісна технологія КМОП ЕППЗУ;
Повністю статична архітектура;
Широкий діапазон робочих напруг харчування: від 2,5 до 6,0 В. В.;
Комерційний, промисловий і розширений температурний діапазони;
Низьке споживання енергії:
<2 мА при 5,0 В., 4,0 МГц
15 мкА (типове значення) при 3 В., 32 кГц
<1,0 мкА (типове значення) у режимі STANDBY.
Програмування мікроконтролера відбувається за допомогою внутрішньосхемного емулятора-отладчика, що базується на використанні кристалів серії PIC 16С6 X. Такий програматор дозволяє використовувати можливість внутрішньосхемного налагодження, реалізовану в чіпах серії PIC16С6x, працює під управлінням Інтегрованої Середовища Розробки (IDE). Відладчик забезпечує запуск, покрокову налагодження, встановлення / зняття точки зупинки програми і пр.
Принцип програмування мікроконтролера полягає в наступному: COM порт комп'ютера підключають до мікросхеми програматора, де знаходиться PIC. У процесі програмування відладжується PIC в його Пам'ять Програм (Programm Memory) до відлагоджує програми дописується невелика підпрограма отладчика ICD, яка отримує управління при Старті або скиданні мікроконтролера. Ця підпрограма здійснює зв'язок з комп'ютером і дозволяє виконувати команди, такі як:
Виконати один крок відладжується програми (Step).
Запустити налагоджують програму в реальному часі.
Призупинити (Halt).
Скидання мікроконтролера (Reset).
Передати комп'ютеру вміст регістрів або регістрів пам'яті.
Змінити вміст керуючого регістру або регістра пам'яті.
Для вимірювання опору використовується Capture модуль мікроконтролера, здатний запам'ятовувати значення 16-ти розрядного лічильника в момент надходження зовнішнього сигналу. Це дозволяє апаратно реалізувати вимір методом інтегрування.
Вимірювання опору терморезисторов складається з наступних етапів:
Розряд конденсатора C1 через резистор R2 подачею логічного нуля на висновок RC2 DD1.
Переклад RC0, RC1 в високоімпедансное стан, подача логічної одиниці на RA5. RC2 програмується як вхід Capture модуля, запускається внутрішній лічильник.
Напруга на конденсаторі плавно зростає і, коли його рівень перевищить кордон приблизно 3 В., відбувається спрацьовування Capture модуля, запам'ятовується вміст лічильника.
Повтор пунктів 1 .. 3, але логічна одиниця подається на RC0 (заряд через датчик температури).
Повтор пунктів 1 .. 3, але логічна одиниця подається на RC1 (заряд через датчик перегріву).
Фазовий регулятор потужності
Мікросхема 1182ПМ1 є новим рішенням проблеми регулювання потужності.
Особливості:
Максимальна потужність навантаження не більше 150 Вт;
Послідовне включення з навантаженням;
Низьковольтні і малопотужні зовнішні елементи управління.
Збільшення допустимої потужності навантаження
При використанні в приладі однієї мікросхеми 118ПМ1 допустима потужність обмежується 150 Вт. У курсовій роботі була передбачена можливість збільшення допустимої потужності навантаження. Для цього необхідно паралельно з'єднати дві або більше мікросхеми, як показано на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Схема з'єднання мікросхем для збільшення регульованої потужності
Допустима потужність збільшується пропорційно кількості мікросхем. При цьому кількість елементів управління залишається тим самим. Елементи керування підключаються до однієї з мікросхем, інші ж мікросхеми з'єднуються між собою висновками силових тиристорів 14, 15 (АС1) і 10, 11 (АС2), закорочуються входи керування С - (висновок 3) і С + (вивід 6) кожної мікросхеми, крім основної.
Безумовно, що отримується таким чином приріст продуктивності не є найефективнішим. Більш ефективним методом збільшення регульованої потужності є варіант (рис. 3.2.), При якому мікросхема буде управляти симистором VS1 (МТТ2-63-7), а вже він - навантаженням EL1 потужністю до семи кіловат. Для управління більшою потужністю доведеться підібрати відповідний симистор.
Рис. 3.2. Використання симистора для збільшення регульованою потужністю
Зв'язок між мікро і регулятором потужності
Зв'язок між мікро і регулятором потужності здійснюється за допомогою транзисторного оптрона АОД128А, що виконує функцію логічного ключа.
Оптронами (рис. 4.) Називають такі оптоелектронні прилади, в яких є джерело і приймач випромінювання (світловипромінювач і фотоприймач) з тим чи іншим видом оптичної та електричного зв'язку між ними, конструктивно пов'язані один з одним.
Рис. 4. Транзисторний оптрон
Подаючи керуючий сигнал від мікроконтролера на світловипромінювач (діод) оптрона відбувається активація ключа. Таким чином, використання оптрона забезпечує гальванічну розв'язку між регулятором і джерелом керуючого електричного сигналу.
Силова частина
Зв'язок силової частини і основний мікросхеми здійснюється за допомогою силових кабелів. Силову частину необхідно розташувати в добре ізольованому корпусі поруч з контрольованим об'єктом. До силової частини підводиться мережу змінного струму з напругою 220 В. На корпусі розташовується кнопка включення, при натисканні якої відбувається комутація силової частини з мережею і початок управління навантаженням.
Вибір датчиків
У курсовому проекті були застосовані термістори з негативним температурним коефіцієнтом (NTC Thermistors) фірми «Philips» з маркуванням 2322-640-54104, що мають опір 100 кОм при температурі 25 градусів Цельсія. Термістори надійно працюють в діапазоні від -40 градусів до +125 градусів Цельсія і забезпечують точність 2%. Наявність датчика перегріву дозволяє вести контроль за аварійною ситуацією. При використанні інших термісторів стає можливим виконання специфічних завдань на розсуд замовника.
Висновок
У результаті курсової роботи був спроектований мікроконтроллерний регулятор температури, що дозволяє автоматизувати роботу регулювання температури в контрольованому об'єкті. Були розглянуті кілька випадків реалізації мікроконтролерного регулятора, таким чином можна говорити про певну універсальність спроектованого приладу. Можливі області застосування пристрою:
Регулювання температури в саунах, електропечах і т.д.
Управління зварювальним струмом по первинній обмотці зварювального трансформатора.
Регулювання оборотів колекторних двигунів.
Використання в роботі мікроконтролера і оптронів технології дає підставу вважати, що спроектований прилад знайде широке застосування.
Бібліографічний список
Зайцев Г.Ф. Теорія автоматичного управління і регулювання. Видавнича об'єднання «Вища школа», 1975.
Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних пристроях. Л.: Вища школа, Ленінградське відділення, 1988.
Шевкопляс Б.В. Мікропроцесорні структури. Довідник. М.: Радіо і зв'язок, 1990.