Микропроцессорная система автоматического управления холодильником на базе PIC типа PIC16C924

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами являются в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. Однокристальные (однокорпусные) микроконтроллеры представляют собой приборы, конструктивно выбранные в виде БИС и включающие в себя все составные части «голой» микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой.

В течении четырех лет, начиная с 1976г., фирмой INTEL разрабатывалось получившее широкое распространение семейство 8-и разрядных однокристальных микроконтроллеров с программным управлением iMCS-48.

Вычислительные возможности первых однокристальных микроЭВМ были исчерпаны уже к началу 80-х гг. Встала задача разработки новых микроконтроллеров, обладающих расширенными функциональными ресурсами. Среди предложенных новых архитектур однокристальных микроЭВМ следует выделить 8-и разрядную архитектуру семейства микроконтроллеров iMCS-51, предложенного фирмой INTEL в 1981г. Она удовлетворяет всем требованиям, представляемым к однокристальным микроконтроллерам, и является наиболее применяемой.

Однако к настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляет другой вид однокристальных контроллеров - это т.н. переферийные интерфейсные контроллеры или PIC. Они представляют собой высокопроизводительные БИС, в которые интегрированы помимо цифровых устройств (собственно микроконтроллера) также и аналоговые - это различные АЦП, компараторы, модули сравнения ШИМ и т.д. Это делает данные устройства чрезвычайно популярными у производителей «интеллектуальных» устройств.

Наиболее известным в нашей стране производителем однокристальных PIC является американская компания Microchip Technology Inc. Она производит три линейки 8-разрядных PIC.

Техническое задание на проектирование системы

В данной курсовой работе требуется разработать микропроцессорную систему управления объектом. Микропроцессорная система принимает информацию об объекте управления от датчиков (аналоговых и цифровых), вырабатывает управляющие воздействия в соответствии с законом управления и подает их на исполнительные механизмы.

Объект, подлежащий автоматизации - холодильник.

В качестве ядра микропроцессорной системы выбран однокристальный микроконтроллер PIC.

В системе необходимо предусмотреть запись состояния через определенные промежутки времени t1, равные 0,5 мин во внешнюю память данных и возможность подключения сервисных функций из внешней памяти программ.

Внешние датчики измеряют следующие величины:

1) масса продукта - m1, г;уровень сигнала датчика - 0..50 В;

2) температура - 1, с;уровень сигнала датчика - -1..+1 В;

3) напряжение в сети питания - U1, В;

4) время работы в штатном режиме - t1, мин;

5) время работы в режиме разморозки - t2, мин;

Необходимо предусмотреть включение и отключение следующих элементов: режим охлаждения с плавной регулировкой температуры, вентилятор, подсветка, освежитель, режим разморозки.

Система должна обрабатывать следующие аварийные ситуации: опасные перепады напряжения в сети (включая отключения питания), превышение допустимого количества льда, превышение доустимой массы продуктов, неисправность управляемых микропроцессорной системой элементов объекта управления.

В системе необходимо предусмотреть подключение к персональному компьютеру через интерфейс RS-485 для передачи состояния объекта, содержимого внешней памяти. По запросу на прерывание от внешней ЭВМ необходимо переключить разрабатываемый контроллер в требуемый режим (передача текущего состояния, передача журнала из внешней памяти, перепрограммирования).

Пульт управления системы должен содержать систему индикации и систему задания параметров управления.

Обоснование выбора элементной базы

В данной курсовой работе разработана микропроцессорная система автоматического управления холодильником на базе PIC типа PIC16C924. Это 8-pазpядные микроконтроллеры с RISC архитектурой, производимые фирмой Microchip Technology. Данное семейство микроконтроллеров отличается низкой ценой, низким энергопотреблением и высокой скоростью.

Микроконтроллеры семейства PIC имеют очень эффективную систему команд, состоящую всего из 35 инструкций. Все инструкции выполняются за один цикл, за исключением условных переходов и команд, изменяющих программный счетчик, которые выполняются за 2 цикла. Один цикл выполнения инструкции состоит из 4 периодов тактовой частоты. Каждая инструкция состоит из 14 бит, делящихся на код операции и операнд (возможна манипуляция с регистрами, ячейками памяти и непосредственными данными).

Высокая скорость выполнения команд в PIC-клнтроллерах достигается за счет использования двухшинной гарвардской архитектуры вместо традиционной одношинной Фон-Hеймановской. Гарвардская архитектура основывается на наборе регистров с разделенными шинами и адресным пространством для команд и для данных. Набор регистров означает, что все программные объекты, такие как порты ввода/вывода, ячейки памяти и таймер, представляют собой физически реализованные аппаратные регистры.

Данный контроллер позволяет работать с 4К слов памяти программ, 192 байтами ОЗУ и 128 байтами EEPROM памяти данных. Система прерываний поддерживает 13 источников. Имеется встроенный 3 таймера-счётчика (причём один из них 16-ти разрядный), 8-ми канальный модуль АЦП и синхронно-асинхронный приёмопередатчик USART.

Проектирование аппаратной части

Синхронизация микроконтроллера

Данный PIC имеет встроенный тактовый генератор. Однако его стабилизация и выбор частоты должна выполнятся с помощью внешних схем.

Параметры внешней схемы стабилизации (смотри рисунок 1) подобраны так, чтобы обеспечить тактовую частоту равную 20 МГц.

Рисунок 1 - Устройство стабилизации ГТИ

Чтобы обеспечить заданную частот был выбран кварцевый резонатор с параллельным резонансом типа HC49/U - 20,000 MHz .

Чем больш ёмкость конденсаторов С2 и С3, тем стабильнее генератор, но с повышением ёмкости увеличивается время запуска генератора, т.е. выхода колебаний на главную последовательность.

Для ожидания запуска генератора используется специальный таймер запуска генератора (OST - Oscillator Startup Timer), который обеспечивает задержку в 1024 такта генератора (вход OSC1).

Поскольку важна стабильность генератора и не критично время запуска, то значения емкостей C2 и C3 будут равны 30 пФ. Однако при нестабильности генератора следует изменять их значения в пределах ±10 пФ. Если нестабильность проявляется и далее необходимо с помощью переменного резистора подключённого между выходом C3 и входом OSC2 добиться «чистой» синусоиды легко достигающей максимума и минимума напряжения, а затем вместо переменного, установить постоянный резистор с близким сопротивлением. Однако не следует превышать сопротивление 20 кОм, т.к. схема становится более восприимчивой к шуму.

Функциональная схема системы управления

Функциональная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Функциональная схема системы управления

Подключение внешней памяти данных

В качестве внешней памяти применим последовательную память серии 25xxXXX. Микросхемы данной серии относительно дешевы и доступны. Внешний вид данной микросхемы представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Микросхема последовательной памяти

Устройства сериальной памяти (с последовательным доступом) имеют существенные преимущества перед устройствами памяти с параллельным доступом в случаях, где низкая скорость обмена данными не является определяющим требованием. Подключение сериальной внешней памяти к микроконтроллеру может быть осуществлено по четырёх проводной линии. Представленная схема подключения памяти к микроконтроллеру позволяют реализовать все семь функций объявленных в устройствах семейства 25xxXXX: чтение, запись, запись всей памяти, стирание, стирание всей памяти, разрешение записи/стирания, запрет записи/стирания.

Разработка подсистемы ввода-вывода

В качестве модуля отображения информации выбран жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) AC162AYJLY-H - символьный русифицированный ЖКИ, установленный на печатной плате с применением контроллера KS0066U. Внешний вид ЖКИ представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 - Микросхема ЖКИ

Конструктивные, электрические характеристики представлены соответственно в таблицах 1 и 2. Данный модуль подключается к схеме с помощью 16-ти контактного разъема. Назначение выводов разъема представлено в таблице 3.

Таблица 1 - Конструкционные характеристики ЖКИ

Количество строк	2
Число символов в строке	16
Цвет	желто-зеленый STN
Ориентация	12 часов (отражение/просвет)
Подсветка	Светодиодная 5В
Цвет подсветки	Желто-зеленый
Размер точки	0.55х0.65мм
Размер символа	2.95х5.55мм
Видимое поле	64х17.2мм
Габаритный размер	не более 85х29х14.5мм

Таблица 2 - Электрические характеристики ЖКИ

Напряжение питания	от 2.7 до 5.5В
Ток потребления	1мА(тип.) @ 5В
Напряжение подсветки	4.05В (тип.)
Ток подсветки	70мА (тип.) @ 4.05В
Яркость подсветки	100 кд/м2
Рабочий температурный диапазон	от -20 до +70 гр.С

Таблица 3 - Назначение выводов ЖКИ

Номер	Название	Назначение
1	Vss	Земля
2	Vdd	Питание ЖКИ. +5В
3	Vo	Установка контрастности изображения. Выбрано +5В
4	RS	Тип информации передаваемой контролеру по линиям данных (1 - данные, 0 -команда)
5		Тип действия (0 - запись, 1 - чтение)
6		Выбор кристалла (активный 0)
7 - 14	DB0 - DB7	Шина данных
15, 16	А, К	Питание подсветки (4.05 - 5 В). А, К - анод и катод

Разработка схем сопряжение

Схема сопряжения датчиков

микропроцессорный управление автоматический холодильник

Схема согласования уровня напряжения датчика с уровнем напряжения микроконтроллера состоит из делителя напряжения, ограничителя амплитуды и операционного усилителя.

Схема делителя напряжения приведена на рисунке 5. Приняв сопротивление R1 и R3 равными 1 мОм, параметры сопротивлений R2,R4 определим по закону Ома:

R2 = Uдел * R1 / (Uвх - Uдел)(1)

гдеUвх-входное напряжение, В;

Uдел-выходное напряжение делителя напряжения, В.

Датчик массы имеет уровень сигнала 50В, датчик напряжения имеет уровень 220В. По формуле 1 произведем расчет сопротивлений R2, R4.

R2 = 5 * 1000000 / (50 - 5 ) = 0,1 МОм;

R4 = 5 * 1000000 / (220 - 5 ) = 23 кОм.

Рисунок 5 - Делитель напряжения

Напряжение с выхода делителя поступает на вход повторителя напряжения. Повторитель напряжения собран на элементах DA1 (операционный усилитель). Повторитель напряжения предназначен для увеличения входного сопротивления путем гальванической развязки цепи. В качестве операционного усилителя будем использовать микросхему К140УД24А.

Для защиты и от ошибки измерения и индикации (перегрузки и подачи напряжения обратной полярности) служит схема, собранная на элементах DA4 - DA6. DA5, DA6 - компараторы напряжений, они работают следующим образом. Пока напряжение на инверсном входе меньше или равно напряжению на прямом входе, на выходе компараторов установлен логический «0», в противном случае устанавливается логическая «1». С помощью делителя напряжения (методика расчета которого приведена выше) на прямом входе компаратора устанавливается напряжение 5 вольт. Если напряжение на инверсном входе, т.е. напряжение с выхода усилителя превысит эту границу, на выходе компаратора установится логическая «1», соответственно на выходе элемента ИЛИ DD1 установится сигнал логический «0» и поступит прерывание на вход RB3 микроконтроллера. По запросу на данное прерывание произойдет отключение соответствующего датчика на время 1с, после чего произойдет повторная попытка обработка датчика. Если датчик вновь окажется неработоспособным, то вся система отключится. В качестве компараторов используется микросхема КМ597СА2. Элемент DA4 - мультиплексор, осуществляющий преобразование параллельных цифровых кодов в последовательные. Он позволяет коммутировать сигналы от нескольких генераторов цифровой информации в единственный выходной провод (шину). В качестве мультиплексора используется микросхема К155КП2.

Схема сопряжения последовательного интерфейса RS-485

Протокол связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая создание сетей с количеством узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной скрученной пары проводников.

Интерфейс RS-485 обладает следующими электрическими характеристиками:

1 Сопротивление нагрузки Tx - 54 Ом;

2 Максимальное входное сопротивление Rx 12 кОм;

3 Диапазон напряжений входного (выходного) сигнала от -7 В до +12 В.

Схема согласования уровня ТТЛ с уровнем RS-485 приведена на рисунке 6. Данная схема имеет следующие параметры:

R11, R13 - 10 кОм; R12 - 4,1 кОм, R10 - 100 Ом, С1 - 47 мкФ.

Рисунок 6 - Схема согласования ТТЛ с RS-485

Расчет параметров системы

Расчет электрических параметров системы

Для каждой микросхемы определим средний потребляемый ток (таблица 4).

Таблица 4 - Электрические характеристики микросхем

Микросхема	Средняя потребляемый ток	Средняя потребляемая мощность
DA1	4 мА	48 мВт
DA2	4 мА	48 мВт
DA3	4 мА	48 мВт
DA4	6 мА	64 мВт
DA5	4 мА	48 мВт
DA6	4 мА	48 мВт
DD1	10 мА	50 мВт
DD2	5 мА	25 мВт
DD3	3 мА	15 мВт
DD4	1 мА	5 мВт
Итого:	45 мА	399 мВт

Расчет временных параметров

Используемая сериальная память 25AA040 является рекомендуемой в использовании в качестве внешней памяти для PIC16C924. Гарантированно выборка данных осуществляется в течении машинного цикла, т.е. данная микросхема согласованная по скорости с используемым микроконтроллером.

Для осуществлении защиты от перенапряжения используется аппаратная защита с помощью блока питания.

Защита от неисправности датчика осуществляется программным способом и время реакции системы составляет порядка 15 мкс (за это время отработает порядка 70 инструкций).

Блок питания

В проекте выбран блок питания, изображенный на рисунке 8. Данный блок обладает сведущими характеристиками:

1 выходная мощность - 70 Вт;

2 входное напряжение - 220 В;

3 защита от перенапряжений;

4 датчик перенапряжение (используется в данной системе).

Рисунок 8 - Блок питания

Данный источник питания можно использовать для питания любых электронных устройств, требующих стабильного напряжения с малым уровнем пульсаций. Нестабильность выходного напряжения здесь не превышает 0.1. Это обычно вполне достаточно для питания самой точной аппаратуры. Этот источник имеет вывод +5В , с которого снимается напряжение для питания микросхем, а также выводы +15В,-15В,+12В,-12В для питания аналоговых микросхем: операционных усилителей и компараторов.

Наиболее подходящим в данном случае является трансформатор питания ТПП 207-127/220-50.Электрические параметры трансформатора приведены в таблице.

Особенностью данного трансформатора является то,что у него, как правило, низкое напряжение вторичных обмоток.

Разработка инструкции по эксплуатации

Включение холодильника производится следующим образом:

1) вставить сетевой шнур в сеть питания ~200В;

2) включить тумблер на блоке питания;

3) дождаться возникновения свечения индикатора .

4) для включения требуемого режима необходимо нажать кнопку «Режим».

5) Для запуска холодильника нажмите кнопку "Старт".

6) При возникновении аварийной ситуации (перенапряжение, отключение питания, поломка холодильника) на индикаторе появится световой сигнал, холодильник преостановит свою работу.

Заключение

В результате выполнения данной курсовой работы была разработана микропроцессорная система для холодильника. Данная система позволяет осуществлять контроль и включение устройств, а также отображение на жидкокристаллическом дисплее информации о состоянии системы и внешней среды.

На основе проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Периферийные интерфейсные контроллеры позволяют решать большой круг задач по контролю и управлению различными объектами.

Данные МПС совместимы с различными внешними устройствами (такими как клавиатура, ЖКИ дисплеи и др.)

Небольшая система RISC команд позволяет сэкономить время на изучение материала и более качественно подойти к вопросам разработки программного обеспечения.

Различные виды ППЗУ PIC позволяют производить обновление и модификацию программного обеспечения с минимальными затратами.

Таким образом PIC - микроконтроллеры являются наиболее гибкой и современной базой для разработки систем управления и контроля объектов.

Список использованной литературы

Аппаратные хитрости использования PIC-контроллеров. http://tso.by.ru/statii/pic/stat2.html

Сопряжение EEPROM AT93CXX с микроконтроллером AT89CX051. http://www.gaw.ru/html.cgi/sch/int/93to_051.htm

Последовательный интерфейс RS-485. http://www.insat.ru/prices/help/rs485.htm

Interfacing a Microchip PIC16C92x to Microchip SPI™ Serial EEPROMs (AN668). http://www.microchip.com

Приложение А - Спецификация

Обозначение	Наименование	Кол.	Прим.
	Цифровые микросхемы
DD1	К555ЛЕ1	1
DD2	25АА040	1
DD3	PIC16C924	1
DD4	AC162AYJLY-H	1
DD5	К155КП2	1
	Аналоговые микросхемы
DA1-DA3	К140УД24А	3
DA4, DA6	КМ597СА2	2
DA7-DA9	К142ЕН5В	3
	Стабилитроны
VD1	КС433А	1
VD2	КС433А	1
VD16	КС515А	1
	Диоды
VD3	КД102А	1
VD4- VD7	КД301А	4
VD8- VD11	КД301А	4
VD12- VD15	КД310	4
	Резисторы
	С2 29В-0,25 0,05%
R1,R3	1МОм	2
R2,R4	0,1МОм	2
R5	1МОм	1
R7,R8,R9, R14	100кОм	4
R10	100Ом	1
R11,R13	10кОм	2
R12	4,1кОм	1
R15,R16,R17, R18, R19	200кОм	5
R20	1МОм	1
R21,R23	40кОм	2
R22,R25	1МОм	2
R24	53кОм	1
	Конденсаторы
С1	К53-1А - ±10% 47мкФ	1
С2,С3	К61-1 - ±10% 30пФ	2
С4,С5	К61-1 - ±10% 20пФ	2
С6-С10	К50-20-±10% 2000мкф	5
С11,С13,С15,С17,С19,С21	К61-1-±10% 27пФ	6
С12,С14,С16,С18,С20,С22	К140У-9 - ±10% 1мкФ	6
	Транзисторы
VT1	KT102	1
VT2-VT6	KT608	5
	Трансформатор
Тр1	ТПП207-127/220-50	1

Приложение В - Листинг программы

#include <dos.h>

#include <fstream.h>

#include <conio.h>

#include <stdio.h>

#define trace 1

#ifdef trace

FILE *f1;

#endif

float full_time=1440.0*10.0; // minut

float delta=0.5; // minut

float time=0.0;

/* 1 - on/yes

0 - off/no

-1 - sboi periferii */

/* PORTY */

float port1; // massa productov, kg

float port2; // temperatura, C

float port3; // napriazenie v seti, Volt

float port4; // vremia raboty v shtatnom rezime, minut

float port5; // vremia raboty v rezime razmorozki, minut

/* END PORTY */

/* CONST_RANGES */

float port1_up=50.0;

float port1_down=0.0;

float port2_up=15.0;

float port2_down=-20.0;

float port3_up=225.0;

float port3_down=215.0;

/* END CONST_RANGES */

/* TIMER */

int mode=0; // 0 - zamorozka, 1 - razmorozka

float timer=0.0;

/* END TIMERS */

/* PORTY_OUT */

int port1_out; // prevyshena dopustimaia massa productov

int port2_out; // BUDET prevyshena dopustimaia massa lda

int port3_out; // problemy s pitaniem

int port4_out; // sboi periferii/rezimov

int port5_out; // pitanie vyklucheno

/* END PORTY_OUT */

/* IN */

int in1; // rezim ohlazdenia on/off/sboi

int in2; // rezim razmorozki on/off

int in3; // ventiliator on/off

int in4; // osvezitel on/off

int in5; // podsvetka on/off

/* END IN */

/* OUT */

int out1; // rezim zamorozki on/off

int out2; // rezim razmorozki on/off

int out3; // ventiliator on/off

int out4; // osvezitel on/off

int out5; // podsvetka on/off

/* END OUT */

void chip(void){

int out1_tmp=in1;

int out2_tmp=in2;

int out3_tmp=in3;

int out4_tmp=in4;

int out5_tmp=in5;

// prevyshena dopustimaia massa productov

if (port1<port1_down||port1>port1_up) port1_out=1;

else port1_out=0;

// BUDET prevyshena dopustimaia massa lda

if (port2<0.0&&((port5/port4)<(1.0/14.0))) port2_out=1;

else port2_out=0;

// problemy s pitaniem

if (port3<port3_down||port3>port3_up) port3_out=1;

else port3_out=0;

// sboi periferii

if (in1==-1||in2==-1||in3==-1||in4==-1||in5==-1) port4_out=1;

else port4_out=0;

timer+=delta;

if (mode==0){

if (out1_tmp!=-1) out1_tmp=1;

if (out2_tmp!=-1) out2_tmp=0;

if (timer>port4){

timer=0;

mode=1-mode;

if (out1_tmp!=-1) out1_tmp=0;

if (out2_tmp!=-1) out2_tmp=1;

}

}

else

if (mode==1){

if (out1_tmp!=-1) out1_tmp=0;

if (out2_tmp!=-1) out2_tmp=1;

if (timer>port5){

timer=0;

mode=1-mode;

if (out1_tmp!=-1) out1_tmp=1;

if (out2_tmp!=-1) out2_tmp=0;

}

}

// pitanie vyklucheno

if (port2>port2_up||port2<port2_down||port3<port3_down||port3>port3_up){

port5_out=1;

if (out1_tmp!=-1) out1_tmp=0;

if (out2_tmp!=-1) out2_tmp=0;

if (out3_tmp!=-1) out3_tmp=0;

if (out4_tmp!=-1) out4_tmp=0;

if (out5_tmp!=-1) out5_tmp=0;

}

else port5_out=0;

if (in1!=out1_tmp) out1=out1_tmp;

else out1=in1;

if (in2!=out2_tmp) out2=out2_tmp;

else out2=in2;

if (in3!=out3_tmp) out3=out3_tmp;

else out3=in3;

if (in4!=out4_tmp) out4=out4_tmp;

else out4=in4;

if (in5!=out5_tmp) out5=out5_tmp;

else out5=in5;

#ifdef trace

fprintf(f1,"%10.2f | %3d %3d %3d %3d %3d |",time,port1_out,port2_out,port3_out,port4_out,port5_out);

fprintf(f1,"%3d %3d %3d %3d %3d |\n",out1,out2,out3,out4,out5);

#endif

}

void main(void){

#ifdef trace

f1=fopen("out","w+");

fprintf(f1," -- TIME -- | Port1 Port2 Port3 Port4 Port5 | Out1 Out2 Out3 Out4 Out5 |\n");

#endif

port1=25.0;

port2=-3.0;

port3=220.0;

port4=1440.0*7.0;

port5=1440.0;

in1=1;

in2=0;

in3=1;

in4=1;

in5=0;

while (time+delta<=full_time){

chip();

time+=delta;

// esli nuzen

// delay(delta*1000*60);

}

#ifdef trace

fclose(f1);

#endif

}

Размещено на Allbest.ru