Автоматизация системы управления термической вертикальной печи ТВП В-1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Описание процесса контроля

1.2 Описание датчика

1.3 Критический анализ

1.4 Постановка задач проектирования

2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Анализ измерительной системы плоского конденсатора

2.2 Моделирование резонансного усилителя

2.3 Проектирование синхронного детектора

2.4 Расчёт фильтра нижних частот измерительного канала

2.5 Разработка узла питания датчика

3. Специальная часть. Разработка микроконтроллерного модуля регистрации

3.1 Проектирование структуры датчика

3.2 Выбор управляющего микроконтроллера

3.3 Разработка функциональной схемы датчика

3.4 Проектирование канала связи с верхним уровнем

3.5 Проектирование программы управления

3.6 Моделирование системы регистрации

Вывод

Введение

Термическая обработка является важным этапом в процессе изготовления деталей, определяющим эксплуатационные свойства и конкурентоспособность продукции. Исполнительные системы управления термическим производством обеспечивают эффективность документооборота, создавая инструменты для эффективной работы с информационными ресурсами предприятия.

В настоящее время автоматизация производственных процессов, а именно создание исполнительных систем управления производством, является неотъемлемой частью любой производственной отрасли. Причинами этого стали: упрощение процесса управления, повышение скорости и качества исполнения поставленной производственной задачи, снижение трудоемкости, уменьшение затрат на производство и др.

Создание исполнительной системы управления производством ставит перед собой следующие задачи:

- уменьшить трудоемкость выполняемых операций, автоматизировав процессы работы с информацией;

- увеличить качество продукции с помощью улучшенной системы контроля режима температуры;

- модифицировать систему автоматизированного производства, тем самым увеличив качество производственного процесса.

Предполагается достичь желаемых результатов за счет интеграции отдельных участков производственного процесса в единую исполнительную систему с централизованным управлением.

Темой данного проекта является автоматизация системы управления термической вертикальной печи ТВП В-1 термического цеха НКМЗ, в частности создание модуля автоматического управления тепловым режимом печи.

1. Технологическая часть

1.1 Описание процесса контроля

Точный посев является одним из более производительных, а может и лучшим способом посева. Термин “Точный посев” образовался в 50-х г. с появлением высевающих аппаратов однозернового и группового дозирования к сеялкам для посева кукурузы и подсолнечника.

При посеве семена сеялками размещаются в продольном а, поперечном b и вертикальном h направлениях. При этом стремятся создать необходимые и достаточные условия для формирования оптимальной густоты растений и получения запрограммированного урожая. Схема размещения семян при точном посеве показана на рисунке 1.1.

Цель посева - обеспечение таких условий, при которых равнозначные, но не взаимозаменяемые факторы жизнедеятельности и развития растений (свет, тепло, влага, элементы минерального питания) были в равной степени доступны всем растительным организмам, что способствует увеличению полевой всхожести и урожайности пропашных культур, особенно в зонах с резко-континентальным климатом.

Главная задача размещения семян на поле - получение максимальной урожайности при минимальных затратах на возделывание культуры. Для большинства сельскохозяйственных культур необходимое условие высокой урожайности - обеспечение дружных всходов. Эту задачу стремятся решить применением сеялок точного высева, которые должны обеспечить равномерное распределение заданного количества семян по площади поля и заделку семян на оптимальную для данных условий глубину.

Пропашная сеялка - сельскохозяйственное орудия для посева пропашных культур. Пропашная сеялка предназначена для посева таких культур как: подсолнечник, свекла, кукуруза, соя.



Рисунок 1.1 -- Схема размещения семян при посеве: а - продольное размещение семян; b - поперечное размещение семян; h - вертикальное размещение семян.

Пропашные сеялки в настоящее время производят навесными. Особенность пропашных сеялок их секционность в выполнении высева. Сеялка представляет собой раму на колесах, с определенным количеством рабочих секций. Именно благодаря такой конструкции пропашной сеялки, можно менять междурядья, компоновать сеялки с различным количеством рядов. Каждая секция сеялки копирует рельеф почвы, что способствует равномерному по глубине заделыванию семенного материала в почву[2].

Примером пропашной сеялки является сеялка ССТ-12Б, схема которой показана на рисунке 1.2.

Семена присасываются к находящимся в зоне разряжения отверстиям вращающего диска и транспортируются из заборной камеры в зону сброса. Удаление лишних семян, присосавшихся к отверстиям, обратно в заборную камеру осуществляется штырями вилки, установленной в заборной камере аппарата сеялки СУПН-8, между которыми при вращении диска проходят присосавшиеся к отверстиям семена. В нижней части аппарата при переходе отверстий из зоны разрежения в зону атмосферного давления семена по одному отпадают из отверстия и укладываются на дно борозды, образованной семенной пятой сошника. Пружинные шнеки туковысевающего аппарата сеялки СУПН-8 с левой и первой навивкой выносят удобрения из бункера в воронки. Заворачиватели сеялки СУПН-8 закрывают почвой борозды с уложенными в них семенами и удобрениями.

Затем находящиеся за заворачивателями прикатывающие колеса уплотняют почву над бороздами, создавая контакт семян с почвой и условия для подтягивания для них влаги. В конце шлейфы или цепь выравнивают рельеф поля и создают рыхлый слой почвы.

Высев семян на необходимую глубину обеспечивается двухдисковыми сошниками с двойными колесами. Семена попадают в бороздку, созданную сошником. Прикатывающие колеса уплотняют почву борозды и на поверхности оставляют рыхлый валик почвы. Это способствует благоприятные условия для прорастания семян и быстрым и равномерным всходам. Каждая высевающая секция пропашной сеялки настраивается на определенную глубину и давление на почву. Высевающие модули и колеса крепятся к раме с помощью параллелограммного соединения, благодаря чему сошники хорошо копируют неровность почвы.

В пропашных стерневых сеялках сошники расположены в шахматном порядке, что предотвращает их забивание остатками. Они отличаются оснащением каждого ряда сеялки дисковым ножом, прорезающим щель в стерне и измельчающим растительные остатки большой плотности. Турбо-диски культивируют почву под сошник и подготавливают ее к высеву. Их заглубление настраивают ниже глубины посева. Благодаря такой схеме, обеспечивается вертикальная обработка почвы, предотвращается попадание соломы в щель. В результате высева с использованием пропашной стерневой сеялки корневая система развивается вертикально вниз, ей доступны питательные вещества и влага.



Рисунок 1.2 -- Схема сеялки ССТ-12Б: 1 -- туковысеваюший аппарат; 2 --тукопровод; 3 -- тяга; 4 -- банка для семян; 5 -- следообразователь; 6 -- шлейф; 7 -- прикатывающий каток; 8 -- загортач; 9 -- высевающий аппарат; 10, 11 -- сошники соответственно для семян и туков; 12 -- пружина; 13 -- параллелограммный механизм подвески; 14 -- опорно-приводное колесо; 15 -- рама; 16 -- передаточный механизм; 17-- маркер.

К основным достоинствам пропашных сеялок относится исключение разрушения семян, которые попадают точно и равномерно. Отсутствует трение между диском и прокладкой, значительно повышена скорость высева. С одним и тем же диском можно высевать семена разного размера.

Поддержание заданных параметров процесса высева является сложной задачей ввиду воздействия ряда случайных факторов на посевной агрегат обусловленных разнородностью среды и условиями работы посевного агрегата. Это требует от оператора постоянного повышенного внимания, и очень скоро вызывает утомление. По мере усложнения конструкций сеялок, увеличения ширины захвата и рабочих скоростей движения эти обстоятельства усугубляется на столько, что контроль за протеканием технологического процесса становится не эффективным, а в некоторых случаях и неосуществимым. Нарушения протекания процесса приводят к невосполнимым потерям урожая, дополнительным затратам труда и средств при высадке растений на участках просева или нарушения качества высева.

Таким образом, применение средств контроля высева в составе посевного агрегата позволяет учесть многообразие физических характеристик семян и адаптировать рабочие органы посевной машины на оптимальное выполнение технологических операций, оперативно обнаруживать различные нарушения технологического процесса высева [3].

1.2 Описание датчика

Датчик применяется в сельском хозяйстве, а именно касается контроля высева семян, туков, подачи плодов, овощей, рассады, размещения растений над почвой, перемещения доз кормов, животных,птицы и насекомых, в частности на сеялках всех типов, культиваторах и опрыскивателях, сортировочных и дозирующих установках.

Известно устройств для контроля относительного перемещения материала, содержащее генераторэлектромагнитных колебаний, емкостной датчик с элементами крепления электродов, экран, усилитель и блок обработки сигналов, причем выход генератора электромагнитных колебаний связан с первым электродом емкостного датчика, второй электрод которого подключен к соответствующему входу усилителя, а экранподсоединён к общему входу, усилителя, выход которого связан со входом блока обработки сигналов.

В указанном устройстве экран расположен с торцов второго электрода, электроды емкостного датчика расположены в воздухе. Это снижает достоверность регистрации при загрязнениях зоны контроля со всех сторон. Кроме того, известное устройство не обеспечивает необходимой достоверности регистрации привибрации и загрязнениях зоны контроля. Электроды и общий экран не имеют жестких элементов крепления и фиксации геометрических размеров зоны контроля, что приводит к появлению ложных сигналов при вибрации.Кроме того, загрязнение зоны контроля приводит к возникновению тока между электродами через эти загрязнения на поверхности диэлектрика и уменьшению тока через зону контроля.

В основу изобретения поставлена задача разработать устройство для контроля относительного перемещения растительного материала, где путем исключения вибрации на сигналы емкостного датчика была бы обеспечена достоверность регистрации этого материала» что позволит повысить надежность определения наличия или количества его в зоне контроля и тем самым улучшить качество высева растений на поле.

Это достигается тем, что в устройстве для контроля относительного перемещения растительного материала, содержащем генератор электромагнитных колебаний, емкостный датчик с элементами крепления электродов, общий экран, и блок обработки сигналов, причем выход генератора электромагнитных колебаний связан с первым электродом емкостного датчика, второй электрод которого подключен к соответствующему входу усилителя, выход которого связан со входом

обработки сигналов, согласно изобретению, общий экран выполнен в виде, по меньшей мере, пары жестких токопроводящих поверхностей с образованием между ними объемной зоны контроля, при этом на обращенных друг к другу участках данных поверхностей посредством соответствующих, разделенных между собой токопроводящими поверхностями диэлектрических прокладок закреплены электроды емкостного датчика, а указанные токопроводящие поверхности электрически связаны друг с другом и скреплены между собой посредством жестких калиброванных элементов для фиксации геометрических размеров зоны контроля. Кроме того, диэлектрические прокладки разделены открытыми токопроводящими поверхностями, подключенными к общему экрану. При этом участок краевой зоны рабочей поверхности каждой диэлектрической прокладки электрически связан с общим экраном.

В частности, каждая жесткая токопроводящая поверхность выполнена в виде сегмента с возможностью установки в непосредственной близости от образующей высевающего диска.

Такое выполнение устройства в результате жесткого выполнения токопроводящих поверхностей общего экрана, образующего зону контроля, и фиксации ее геометрических размеров посредством жестких калиброванных элементов позволяет исключить влияние вибрации на сигналы емкостного датчика.

Электрическая связь участка краевой зоны рабочей поверхности каждой диэлектрической прокладки с общим экраном и разделение их токопроводящими поверхностями исключает ток между электродами по поверхности загрязненного экрана.

Выполнение в частном случае каждой жесткой токопроводящей поверхности в виде сегмента свозможностью установки в непосредственной близости от образующей высевающего диска обеспечивае ткратчайший путь прохождения семян через зону контроля.

Кроме того, наличие жестких калиброванных элементов крепления жестких токопроводящих поверхностей позволяет фиксировать геометрические параметры зоны контроля в зависимости от технологических условий работы, в частности при контроле высева- семян различных размеров.

В частном случае при использовании в сельскохозяйственных машинах с параллельными примыкающими друг к другу каналами для поочередной подачи материала первый электрод выполнен по меньшей мере изодной пары секций, выполненных с возможностью охвата каждой соответствующего из каналов для поочередной подачи материала, причем эти секции установлены с разных сторон от второго электрода, выполненного с возможностью охвата по меньшей мере с одной стороны всех параллельных каналов для поочередной подачи материала.

В любом из вариантов в том случае, если токопроводящие поверхности общего экранам электродыемкостного датчика покрыты диэлектриком, в промежутках между первым и вторым электродами поверх этого диэлектрика установлены с натягом обоймы, снабженные замкнутыми по всему периметру обойм открытыми токопроводящими поверхностями, электрически связанными с общим экраном.

Это позволяет предотвратить образование изолированных от экрана токопроводящих перемычек между диэлектрическими поверхностями, расположенными в зоне контроля против электродов.

В благоприятном варианте печатная плата электронной схемы емкостного датчика закреплена на свободной поверхности экрана, по противоположной стороне которого закреплен второй электрод, связанный отрезком проводника, пропущенного через отверстия в соответствующей диэлектрической прокладке и указанном экране с залитой совместно с этими отверстиями компаундом упомянутой печатной платой.

Все это позволяет повысить достоверность регистрации технологических процессов в неблагоприятных условиях работы на сельскохозяйственных машинах при использовании устройства в сочетании с такими рабочими органами сельскохозяйственных машин, как сошники, высевающие аппараты и семяпроводы сеялок, рабочие органы культиваторов, форсунки опрыскивателей и распылителей, рабочие органы дозаторов, рассадопосадочных машин. Такое выполнение патентуемого устройства позволяет решать задачи, которые трудно решить с помощью других устройств такие, как точный контроль высева семян через сошники сеялок непосредственно у почвы, через семяпроводы, в полостях высевающих аппаратов, контроль подачи рассады, корне-клубнеплодов, доз кормов координаты растений над почвой [1].

1.3 Критический анализ

В настоящее время в ряде отраслей народного хозяйства существует необходимость регистрации мелкогабаритных неметаллических объектов движущихся с высокой скоростью в неоднородном потоке. В современных условиях производства для регистрации объектов используются оптические, индуктивные и емкостные датчики. Индуктивные датчики предназначены для бесконтактного измерения вибрации, перемещения, частоты вращения электропроводящих объектов, поэтому они не пригодны для регистрации неметаллических объектов. Оптические датчики справляются с поставленной задачей, но имеют существенные недостатки: они чувствительны к запылению, к паразитным засветкам, к изменению свойств поверхности регистрируемых предметов и не могут отличить попарно летящие объекты от одиночных. Среди классов емкостных датчиков для поставленной цели могут быть применены выключатели бесконтактные емкостные, емкостные датчики уровня, емкостные датчики приближения и прикосновения, однако они не способны регистрировать малогабаритные (например, 3х3х6 мм) и тем более быстро перемещающиеся (например, 2-5 м/с).

Существующий датчик (описанный в части 1.2) основан на линейном усилители и пороговом детекторе в виду чего сильно зависит от изменения параметров обкладок. Также датчик является слабоустойчивым к наводкам переменного напряжения 50 Гц. Практика эксплуатации датчика показала, что он не работоспособен при приближении к линии электропередач.

1.4 Постановка задач проектирования

Эффективность регистрации мелкогабаритных быстролетящих неметаллических объектов зависит от проекта датчика. Во всех случаях, при регистрации мелкогабаритных быстролетящих неметаллических объектов перед конструкторами датчика стоят три главных задачи:

1) учет деталей;

2) сокращение времени учета;

3) увеличивать точность учета за счет распознавания попарно вылетающих деталей.

Исходя из конструктивных особенностей датчика и технологического процесса регистрации мелкогабаритных быстролетящих неметаллических объектов, следует перечень задач на модернизацию автоматической системы управления (АСУ) емкостного датчика регистрации:

1) автоматическое управление на всех стадиях регистрации объекта;

2) автоматический контроль параметра изменения ёмкости, для контроля попарно вылетающих деталей;

3) контроль параметров ёмкости для реагирования на деталь изготовленную из любого материала.

2. Расчетно-конструкторская часть

2.1 Анализ измерительной системы плоского конденсатора

Две плоские параллельные пластины одинаковой площади S, расположенные на расстоянии от друг от друга, образуют плоский конденсатор. Если пространство между пластинами заполнено средой с относительной диэлектрической проницаемостью, то при сообщении им заряда q напряженность электрического поля между пластинами равна

, (2.1)

разность потенциалов равна

(2.2)

Таким образом, емкость плоского конденсатора

(2.3)

Для проектирования датчика составили простейшую математическую модель процессов, происходящих при движении малоразмерного неметаллического объекта между обкладками датчика. При этом принято допущение, что в зоне регистрации электрическое поле внутри датчика плоско-параллельно, благодаря такому допущению влияние регистрируемого объекта на измерительную систему может быть вычислено аналитически.



Рисунок 2.1 - Схема замещения

Между обкладками датчика 1 и 2 (рисунок. 2 А) существует электрическое поле, обусловленное разностью потенциалов между ними. Допуская что поле плоско-параллельно, представлено существование конденсаторов С1, С2 и С3, образованных проекцией 3 объекта 4 на обкладки датчика 1 и 2:

1 С1 - ёмкость между излучающей пластиной и объектом;

2 С2 - емкость конденсатора, образуемого поляризацией диэлектрика объекта в электрическом поле;

3 С3 - ёмкость между объектом и принимающей пластиной;

4 С4 - ёмкость между 2 пластинами по остальной площади.

В первом приближении, вычислено изменение ёмкости датчика при пролёте объекта.

Ёмкость между излучающей пластиной и объектом равна:

(2.4)

где S₁- площадь проекции объекта;

- расстояние между пластиной и объектом;

- диэлектрическая проницаемость объекта;

Ёмкость конденсатора, образуемого сторонами объекта в электрическом поле:

(2.5)

где - длинна объекта.

Ёмкость между объектом и принимающей пластиной:

(2.6)

где - расстояние между пластиной и объектом.

Ёмкость между излучающей пластиной и объектом равна:

(2.7)

где d - расстояние между пластинами;

- диэлектрическая проницаемость воздуха.

Тогда общая ёмкость при пролете объекта будет равна:

. (2.8)

На основе эскиза обкладок емкостного датчика (рисунок. 2.2) выполнен расчет его ёмкости:

,(2.9)

.

Рисунок 2.2 - Изображение обкладок датчика

Рассчитана ёмкость при пролёте объекта между пластинами на примере пластиковой шпильки, пролетающей на расстоянии 5 мм от 1 обкладки. Диэлектрическая проницаемость объекта измерения e равна 3. В исследовании использован малоразмерный образец с геометрическими размерами a=3 мм, b=6 мм (рисунок 2.3).

Тогда существует 2 варианта пролёта объекта по отношению к обкладкам:

1) объект пролетает по отношению к обкладкой стороной а-а;

2) объект пролетает по отношению к обкладкой стороной а-в.



Рисунок 2.3 - Общий вид объекта

Рассмотрен 1 вариант, тогда определим ёмкость конденсатора по формуле:

Рассмотрим 2 вариант, тогда ёмкость конденсатора определена по формуле:

Из расчетов видно, что при пролёте объекта между обкладками ёмкость конденсатора изменяется на 1,9 % при 1 варианте и на 3,8 % при 2 варианте.

Таким образом, даже в упрощенной модели наблюдается изменение значения емкости в зависимости от ориентации объекта. Поэтому точное измерение количества объектов, пролетающих между обкладками, невозможно измерить интегральными методами (т.е. путем суммирования изменения емкости во времени). Из этого можно сделать вывод, что более точным является поштучный учет.

2.2 Моделирование резонансного усилителя

Усилитель электрических колебаний, содержащий резонансный колебательный контур и имеющий вследствие этого большое усиление в сравнительно узкой полосе частот вблизи резонансной частоты, что позволяет с помощью резонансного усилителя не только усиливать, но и выделять колебания с требуемыми частотами. По принципу работы разделяются на резонансные усилители, построенные на невзаимных усилительных элементах без внешней положительной обратной связи, и резонансные усилители регенеративные.

В резонансном усилителе первого типа усиливаемые колебания подводятся к управляющему электроду (транзистора, электронной лампы, ИС), резонансный контур включён в цепь выходного электрода и возбуждается его током. Используются преимущественно на умеренно высоких частотах, на которых значительна развязка между выходной и входной цепями управляющего электрода. В качестве резонансного контура применяют обычно простые одиночные контуры с сосредоточенными параметрами и малым собственным затуханием (d1). В режиме усиления малых колебаний максимальный коэффициент усиления напряжения при резонансе:

(2.10)

Где S - крутизна усилительного элемента;

R_Э- эквивалентное сопротивление резонансного контура на резонансной частотеf₀.

Амплитудно-частотная характеристика при малых расстройкахDfот частоты резонанса описывается выражением:

,(2.11)

Где К - коэффициент усиления при расстройке Df;

d_э- результирующее затухание шунтированного др. цепями резонансного контура.

Фазочастотная и переходные характеристики резонансного усилителя также определяются главным образом соответствующими характеристиками резонансногоконтура.Длянеискажённогоусилениябольшихмодулированных колебаний стремятся к линеаризации динамических колебательных характеристик резонансного усилителя- зависимости первой гармоники выходного тока усилительного элемента от амплитуды напряжения на управляющем электроде.

В резонансный контур регенеративных резонансных усилителей, вносится отрицательное дифференциальное сопротивление, обусловленное введением положительной обратной связи, для обеспечения хорошей развязки между выходными и входными цепями трёх электродных усилительных элементов затруднено. В качестве резонансного контура используются объёмные резонаторы и резонаторы из отрезков линий передачи различных типов: полосковых, щелевых, компланарных, коаксиальных, волноводных и др. Максимальный коэффициент усиления мощности при резонансе регенеративного резонансного усилителя отражательного типа:

(2.12)

гдеR₀ - волновое сопротивление согласованного тракта усиливаемых колебаний;

r_s - сопротивление собственных потерь регенерирующего элемента;

- коэффициент регенерации;

В нашем случае целесообразно использовать резонансный усилитель первого типа. Модель резонансного усилителя собранная в программе Multisim показана на рисунке 2.4. Амплитудно-частотная характеристика резонансного усилителя показана на рисунке 2.5.

Из амплитудно-частотной характеристики видно, что при частоте 126КГц коэффициент усиления составляет 50 Дб. Мы можем изменять амплитуду сигнала на выходе усилителя, изменяя частоту входного сигнала. Так на рабочей частоте 135 КГц он будет равен 45 Дб.

Рисунок 2.4 - модель резонансного усилителя в программе Multisim



Рисунок 2.5 -Амплитудно-частотная характеристика резонансного усилителя

2.3 Проектирование синхронного детектора

Принцип действия ключевого синхронного детектора поясняет рисунке 2.6. Устройство имеет дифференциальный вход. Два равных детектируемых сигнала подаются в противофазе на быстродействующий электронный переключатель. Для простоты на рисунке. 1 переключатель изображён как механический. Будем считать, что он идеален, т. е. переключение происходит мгновенно и его сопротивление в замкнутом состоянии равно нулю. Работой переключателя управляет сигнал, обычно называемый опорным. Пусть опорный сигнал управляет работой переключателя так, что его подвижный контакт всегда соединяется с тем входом, на котором в данный момент существует положительное напряжение. Такое возможно, если опорный сигнал синхронизирован с детектируемым, поэтому данный детектор и называют синхронным.



Рисунок 2.6 - Принцип действия ключевого синхронного детектора

Если подать на него сигнал в виде двух синусоидальных напряжений

, получим:

(2.13)

При получится колебание с удвоенной частотой, на которое наложено постоянное напряжение величиной

.(2.14)

Форма этого напряжения представлена на рисунке 2.7. Сразу ясно, что в окрестностях это напряжение нельзя использовать в качестве регулирующей переменной, так как там не распознается знак рассогласования. Для этого хорошо подходят точки ±р/2, так как в них напряжение переходит через нуль. Какая из этих точек окажется задействованной, зависит от знака усиления. Другие стабильные рабочие точки встречаются через каждые 2р, а это означает, что данный фазовый детектор также не распознает смещение на целый период.

В пределах порядка ±р/4 вокруг стабильной рабочей точки характеристика фазового детектора почти линейна, и при имеет место:

.(2.15)

Тогда его чувствительность составит

. (2.16)

Если вместо обоих синусоидальных колебаний воспользоваться парой прямоугольных с пиковым значением ±E, получим треугольную характеристику детектора, показанную пунктиром на рисунке 2.7. Стабильные рабочие точки также привязаны к = ±(р/2) ± 2рn. В этом случае чувствительность равна:

. (2.17)

Рисунок 2.7 - Среднее арифметическое напряжение на выходе множителя при синусоидальных входных сигналах с амплитудой Е

Разумеется, при треугольном входном сигнале аналоговый умножитель вообще не нужен. В этом случае транзисторный модулятор позволяет достигать гораздо более высоких частот.

При необходимости снизить уровень пульсаций U? после умножителя приходится включать фильтр нижних частот, граничная частота которого мала по сравнению с 2f1. В этом заключается основной недостаток, поскольку пропорциональное усиление регулятора должно быть выбрано настолько низким, чтобы для критической частоты выполнялось условие fk? fg. При такой частоте суммарный фазовый сдвиг объекта регулирования и фильтра нижних частот составляет уже -135°. Однако при fk? fg<<f1 контур регулирования становится практически неприменимым из-за недостаточного быстродействия. В принципе, его можно сделать более быстрым, воспользовавшись дифференцирующим компонентом, но тогда упадет эффективность ФНЧ, то есть возрастут пульсации.

Расширение частотной полосы регулирования за счет увеличения пульсаций достигается без затруднений, если воспользоваться пропорциональным регулятором, отказавшись от фильтра нижних частот. В этом случае обеспечивается запас по фазе 90° при любом пропорциональном усилении. Иными словами, контур регулирования характеризуется апериодическим затуханием.

Благодаря обратной связи через наложенные пульсации управляемый генератор подвергается частотной модуляции удвоенной частотой сигнала, что проявляется в некотором искажении синусоидальной кривой, а в случае прямоугольных колебаний изменяет скважность. Чтобы удержать искажения в допустимых пределах, следует выбирать не слишком большое пропорциональное усиление, ориентируясь на условие .

2.4 Расчёт фильтра нижних частот измерительного канала

В нашей схеме нам необходимо использовать фильтр нижних частот для того, чтобы снизить уровень пульсаций синхронного детектора.

Схема простейшего фильтра нижних частот показана на рисунке 2.8.

Согласно формуле отношение выходного напряжения к входному (амплитудно-частотная характеристика - АЧХ) равно

.(2.18)

Заменяя jщ на jщ + у = s, получим передаточную функцию фильтра:

. (2.19)

Рисунок 2.8 - Простейший фильтр нижних частот

Передаточная функция определяет преобразование Лапласа выходного и входного напряжений для произвольных сигналов, зависящих от времени. Переход от передаточной функции A(s) к АЧХ A(jщ) для синусоидальных входных сигналов выполняется установкой у в нулевое значение.

Для перехода к общему представлению целесообразно нормировать комплексную частотно-зависимую переменную s. Пусть

, (2.20)

при у = 0 получаем:

. (2.21)

Частота среза фильтра в схеме на рисунке 2.8 составляет

f_g= 1/2рRC,(2.22)

при этом

.(2.23)

Отсюда получаем выражение для передаточной функции, то есть АЧХ для входного сигнала синусоидальной формы:

. (2.24)

При щ_n>> 1, то есть при частоте входного сигнала f >>f _g, следует |A|=1/щ_n, что соответствует уменьшению коэффициента передачи фильтра по 20 дБ на декаду. Если необходимо получить более крутой спад коэффициента передачи фильтра, то можно включить последовательно n фильтров нижних частот. Передаточная функция в этомслучае задается выражением вида

, (2.25)

с положительными действительными коэффициентами б₁, б₂, б₃,…. Для щ_n>>1 получаем |A| ~ 1/щ_nⁿ. Следовательно, коэффициент передачи уменьшается на величину n · 20 дБ на декаду. Отметим, что передаточная функция имеет n отрицательных действительных корней. Это отличительная особенность RC-пассивного фильтра нижних частот n-го порядка. Включая последовательно фильтры нижних частот с одинаковой частотой среза, получаем:

. (2.26)

Этот случай соответствует критическому затуханию. Отдельные фильтры нижних частот имеют при этом частоту среза, превышающую частоту среза всего фильтра в 1/б раз.

Передаточная функция фильтра нижних частот в общем виде описывается выражением:

.(2.27)

Здесь c₁, c₂,…c_n- положительные действительные коэффициенты. Порядок фильтра равен наивысшей степени переменной s_n. Если полином знаменателя можно разложить на множители, это выражение подходит для реализации фильтра. Если среди корней полинома есть комплексные корни, то разложение на линейные множители, далее невозможно, и вместо этого используют разложение на произведение сомножителей второго порядка:

.(2.28)

Здесь б_iиb_i- положительные действительные коэффициенты. Для нечетных порядков полинома коэффициент b₁ равен нулю.

Амплитудно-частотная характеристика фильтра может быть оптимизирована по различным теоретическим критериям. Каждому критерию оптимизации удовлетворяют совершенно определенные значения коэффициентов б_iиb_i. Как будет показано ниже, при этом возникают сопряженные комплексные корни, которые не позволяют реализовать фильтр с помощью пассивных RC-схем. Возможность формирования таких сопряженных комплексных корней заключается в использовании RLC-схем. В области высоких частот реализация требуемых индуктивностей не вызывает затруднений. Однако в области низких частот в основном требуются большие индуктивности, которые сложны в изготовлении и обладают плохими электрическими свойствами. Применения индуктивностей в низкочастотной области можно избежать, если использовать в RC-схемах активные компоненты, например операционные усилители. Такие схемы будут называться далее активными фильтрами.

Фильтр нижних частот Баттерворта обладает амплитудно-частотной характеристикой, которая имеет максимально возможный горизонтальный участок и лишь вблизи от частоты среза резко спадает. В его переходной характеристике при ступенчатом входном сигнале появляется положительный выброс, который возрастает с увеличением порядка фильтра.

Фильтр нижних частот Чебышева обладает более крутым спадом амплитудно-частотной характеристики за частотой среза. В полосе пропускания АЧХ изменяется не монотонно, а имеет волнообразный характер с фиксированной величиной максимумов и минимумов. При заданном порядке фильтра спад частотной характеристики за частотой среза тем сильнее, чем больше неравномерность в полосе прозрачности. Положительный выброс переходной характеристики при ступенчатом входном сигнале еще больше, чем у фильтра Баттерворта.

Фильтр нижних частот Бесселя обладает оптимальной переходной характеристикой. Предпосылкой для этого служит то, что групповое время задержки в широком диапазоне частот оказывается постоянным, то есть фазовый сдвиг в этом частотном диапазоне пропорционален частоте. В целом амплитудно-частотная характеристика фильтра Бесселя спадает не так круто, как у фильтра Чебышева и у фильтра Баттерворта.

На рисунке 2.9 показаны амплитудно-частотные характеристики для четырех описанных фильтров нижних частот четвертого и десятого порядков.

Видно, что АЧХ фильтра Чебышева наиболее круто переходит от полосы пропускания к полосе непрозрачности. Это происходит из-за неравномерности амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания. При уменьшении неравномерности характеристики фильтр Чебышева переходит в фильтр Баттерворта. Оба фильтра обладают заметными положительными выбросами переходной характеристики

при ступенчатом входном сигнале. Это видно на рисунке 3. Фильтр Бесселя, обладает очень малым положительным выбросом переходной характеристики. Несмотря на неудовлетворительную амплитудно-частотную характеристику, фильтр Бесселя используется всегда, когда требуется хорошая передаточная характеристика. Характеристика пассивного RC-фильтра нижних частот не имеет выбросов, она более пологая и заметно хуже характеристик фильтра Бесселя. Кроме того, пассивныйRC-фильтр имеет менее крутую переходную характеристику при обработке ступенчатого входного сигнала по сравнению с фильтром Бесселя.

Время задержки - это время, за которое выходной сигнал нарастает от 0% до 50% установившегося значения. Надо отметить, что время нарастания и время задержки нормированы к обратной величине частоты среза T_g= 1/f_g.

Известно, что время нарастания почти не зависит от порядка или типа фильтра и приблизительно равно значению 1/3f_g. Напротив, время задержки и уровень положительного выброса зависят от порядка фильтра. Исключение составляют фильтры Бесселя, у которых, начиная с четвертого порядка, выброс уменьшается [8].

В нашей работе мы используем фильтр Баттерворта, потому чтоонимеет максимально возможный горизонтальный участок и лишь вблизи от частоты среза резко спадает.Рассчитаем частоту среза фильтра нижних частот измерительного канала по формуле 2.22. Подставив значения сопротивления и ёмкости получим:

.

Рисунок 2.9 - АЧХ фильтров 4 порядка

Рисунок 2.10 - АЧХ фильтров 10 порядка: 1 - фильтр нижних частот с критическим затуханием; 2 - фильтр нижних частот Бресселя; 3 - фильтр нижних частот Баттерворта; 4 - фильтр нижних частот Чебышева с неравномерностью 3 дБ

2.5 Разработка узла питания датчика

Для реализации датчика используется два вида питания 3,3 В и 5 В.

Для этого используется два стабилизатора напряжения, показанные на рисунках 2.11 и 2.12, на 3,3 и 5 В соответственно.

Рисунок 2.11 - Схема стабилизатора напряжения для контроллера 3,3 В

Рисунок 2.12 - Схема стабилизатора напряжения 5 В

Ключевым элементом для стабилизатора напряжения 3,3 В является регулятор LP2985.

LP2985 - это регулятор, который имеет ряд преимуществ:

1) фиксированное выходное напряжение 3,3 В;

2) на выходе имеет 150 мА постоянного тока;

3) защита от перегрузки, от перегрева;

4) малое падение напряжения;

5) низкий ток падения;

6) низкая мощность потребления;

7) низкий уровень шума.

Ключевым элементом для стабилизатора напряжения 5 В является регулятор LP2951.

LP2951 - это регулятор, который имеет ряд преимуществ:

1) фиксированное выходное напряжение 5 В;

2) на выходе имеет 100 мА постоянного тока;

3) защита от перегрузки, от перегрева;

4) малое падение напряжения;

5) низкий ток падения;

6) низкая мощность потребления;

3. Специальная часть. Разработка микроконтроллерного модуля регистрации

3.1 Проектирование структуры датчика

Известно, что в настоящее время существуют датчики для регистрации малоразмерных неметаллических объектов [1]. Структура измерительной системы существующего датчика (рисунок.3.1) включает следующие узлы: генератор прямоугольных импульсов 1, питает излучающую пластину измерительного конденсатора 2. На принимающей пластине 3 появляется напряжение пропорциональное относительной диэлектрической проницаемости измерительного конденсатора, т.е. зависящая от внесённого неметаллического объекта. Это напряжение усиливается при помощи резонансного усилителя 4, настроенного на частоту генератора и подаётся на линейный однополупериодный амплитудный детектор 5. Пульсирующий сигнал с выхода детектора сглаживается при помощи ФНЧ 6 и усиливается усилителем 7. С выхода усилителя 7 через дополнительный ФВЧ 8 сигнал подаётся на пороговое устройство 9, после чего подаётся на вход устройства ввода-вывода информации 10.

Существующий датчик основан на линейном усилителе и пороговом детекторе, в виду чего его характеристики сильно зависят от изменения параметров обкладок. Датчик слабоустойчив к наводкам переменного напряжения 50 Гц. Практика эксплуатации датчика показала, что он не работоспособен при воздействии электромагнитных полей.

Структура измерительной системы предложенного датчика показана на рисунке 3.2. Она включает в себя следующие узлы: микроконтроллер, который формирует на выходе МАТ прямоугольный импульсный сигнал 3,3В, который усиливается ключевым усилителем до напряжения 5В. Сигнал поступает на излучающую пластину измерительного конденсатора датчика. На принимающей пластине появляется напряжение, амплитуда которого пропорциональна емкости измерительного конденсатора, эквивалентного С1-С4. Это напряжение усиливается при помощи резонансного усилителя, настроенного на частоту генератора и подаётся на фильтр верхних частот (ФВЧ). С выхода ФВЧ, через повторитель, сигнал подаётся на синхронный детектор, который управляется таймером контроллера через выход МАТ. С выхода синхронного детектора сигнал через повторитель подаётся на фильтр нижних частот.

Рисунок 3.1 - Структурная схема существующего датчика

После сигнал коррекции подаётся на вход АЦП микроконтроллера. Эта информация используется для настройки амплитуды синусоиды на выходе резонансного усилителя и для настройки фазы синхронного детектора. Полезную информацию о движении регистрируемого объекта выделяет фильтр верхних частот с полосой пропускания свыше 50 Гц. Это переменная составляющая в полосе частот от 50 Гц до 2кГц усиливается и подаётся на вход АЦП микроконтроллера программа управления регистрирует факт движения объекта. При обнаружении объекта программа обработки подаёт сигнал на светодиодную индикацию. Время обнаружения сигнала сохраняется в памяти микроконтроллера и по запросу отправляется через интерфейс RS-485 устройству сбора данных.



Рисунок 3.2 - Структурная схема разработанного датчика

3.2 Выбор управляющего микроконтроллера

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.

Характерной чертой микроконтроллера является то, что вычислительное ядро, запоминающее устройство, содержащее инструкции и данные устройства ввода-вывода, набор встроенных периферийных устройств располагаются на кристалле. В микроконтроллере может использоваться статическая память для ОЗУ и внутренних регистров и встроенная энергозависимая память для хранения программы и данных. Часто встречаются контроллеры без шин для подключения внешней памяти. В случае самых дешевых типов памяти информацию можно записать только один раз. При более полной модификации контроллера энергозависимую память можно перезаписывать. Чаше всего микроконтроллеры применяются во встроенных системах управления и контроля.

Основным преимуществом микроконтроллеров является то, что его можно назвать почти самостоятельным вычислительным устройством. Для работы микроконтроллеру не требуется дополнительное оборудование. Данные команд ОЗУ и ПЗУ хранятся раздельно.

Применение одной микросхемы, вместо целого набора, как в обычных процессорах, находящихся в персональных компьютерах, позволяет:

1) значительно снизить размеры готового устройства;

2) уменьшить энергопотребление;

3) снизить стоимость устройств.

Работу микроконтроллера можно программировать на ассемблере или Си, хотя возможно и на других языках при помощи компиляторов, получая в результате довольно сложные электронные устройства, функциональность которых в большой степени реализуется программно. Микроконтроллеры могут быть:

1) перепрограммируемыми с электрическим стиранием или УФ (наиболее дорогие) применяются в случае экспериментального и мелкосерийного производства

2) однократно-программируемые (более дешевые)

3) масочно-программируемые (самые дешевые) применяются в случае крупносерийного производства.

Сегодня существует очень большой ассортимент микроконтроллеров для решения широкого спектра задач. Возможно подобрать микроконтроллер от различных производителей, с отличными техническими характеристиками, разным набором периферийных устройств.

Выбор микроконтроллера обуславливается рядом параметров, это компромисс между габаритными размерами, стоимостью, быстродействием и энергопотреблением. В зависимости от типа поставленной задачи может быть выбран или малопроизводительный 8 разрядный микроконтроллер, если основным критерием является стоимость, или цифровой сигнальный процессор при необходимости высоких вычислительных характеристик.

Для реализации датчика был выбран микроконтроллер LPC1111. Он предназначен для 8/16 битных приложений, имеет ряд преимуществ:

1) высокую производительность;

2) низкое энергопотребление;

3) простой набор команд.

Работает на частоте 50 МГц. Включает в себя:

1) до 32 Кб флэш-памяти;

2) 4 таймера общего назначения;

3) 10-битный АЦП;

4) 42 универсальных порта ввода/вывода

3.3 Разработка функциональной схемы датчика

Функциональная схема разработана в системе KiCAD.

Система KiCAD - это пакет прикладных программ для автоматизированной разработки электрических схем и проектирования печатных плат.

Главная программа kicad - это менеджер проектов, который упрощает использование других программ, необходимых для разработки электрических схем и компоновки плат, формирования и проверки файлов для производства плат.

Другие программы системы KiCAD - это:

1) EESchema: редактор электрических схем;

2) Pcbnew: редактор топологии печатных плат;

3) Cvpcb: программа ассоциирования компонентов схемы с физическими модулями (посадочными местами корпусов) для размещения на плате;

4) Gerbview: программа визуализации файлов Gerber.

Основное окно состоит из окна дерева проекта, панели с кнопками запуска различных утилит, и окна сообщений. Меню и инструментальная панель могут быть использованы для создания, чтения и сохранения файлов проекта (*.pro).

EESchema - это графический редактор для разработки принципиальных электрических схем, входящий в состав системы автоматизированного проектирования печатных плат. Работает совместно с графическим редактором проектов печатных плат и трассировки проводников PCBNEW.

Функциональная схема представлена в окне графического редактора EESchema представлен на рисунке 3.3.

PCBNEW- это мощная программа для создания печатных плат, используется совместно с программой разработки схем EESCHEMA, которая на выходе, помимо рисунка электрической схемы, формирует список электрических цепей (Netlist-файл), описывающий электрические соединения для разработки печатной платы (PCB). Изображение печатной платы представлено в окне программы PCBNEW (рисунок. 3.4) [10].

Функциональная схема датчика состоит из: микроконтроллер (рисунок. 3.5), усилитель напряжения (рисунок. 3.6), световая индикация (рисунок. 3.7), модуль связи (рисунок. 3.8), виртуальная земля (рисунок. 3.9), резонансный усилитель (рисунок. 3.10), синхронный детектор (рисунок. 3.11), усилитель (рисунок. 3.12), фильтры верхних и нижних частот (рисунок. 3.13-рисунок.3.15), стабилизаторы напряжения (рисунок. 3.16-рисунок.3.17), разъём программирования (рисунок. 3.18), защита (рисунок. 3.19).



Рисунок 3.3 - Функциональная схема датчика

Рисунок 3.4 - Изображение печатной платы



Рисунок 3.5 - Схема подключения контроллера

Описание выходов контроллера изображенного на рисунке 3.5:

1 GND - Земля;

2 DA2 - сигнал коррекции на вход АЦП;

3 T2 - выход на синхронный детектор;

4 SEL - выход на ключевой усилитель мощности 3,3 В;

5 RTS - направление передачи для RS485, 0 - приём, 1 - передача;

6 RxD - сигнал приёма;

7 TxD - сигнал передачи;

8 AD6 - вход на АЦП с фильтра нижних частот, который выходит с усилителя с Ку=20;

9 SV - выход на светодиодную индикацию.

Рисунок 3.6 - Схема ключевого усилителя напряжения

Описание выходов ключевого усилителя напряжения изображенного на рисунке 3.6:

1 SEL - вход с контроллера подающий напряжение 3,3 В;

2 T1 - контрольное напряжение выходного сигнала.

Рисунок 3.7 - Схема световой индикации

Описание выходов световой индикации изображенной на рисунке 3.7:

1 SV - вход управления с контроллера;

2 GND - земля.

Модуль связи RS485 реализует последовательный интерфейс приёма/передачи данных по линиям интерфейса с автоматическим управлением направлением потока передачи данных, с гальванической развязкой, рассчитан для организации связи на расстояния не более 1,2 км со скоростями до 115200 бод.

Рисунок 3.8 - Схема модуль связи RS485

Описание выходов модуля связи RS485 изображенного на рисунке 3.8:

1 RxD - сигнал приёма;

2 TxD - сигнал передачи;

3 RTS - направление передачи RS485.

Рисунок 3.9 - Схема источника напряжения виртуальной земли

Описание выходов источника напряжения виртуальной земли изображенного на рисунке 3.9:

1 GGG - выход виртуальной земли;

2 GND - земля.

Рисунок 3.10 - Схема резонансного усилителя

Описание выходов резонансного усилителя изображенного на рисунке3.10:

1 GGG - виртуальная земля;

2 CAP1 - выход на измерительную обкладку;

3 DA1 - выход на фильтр верхних частот.



Рисунок 3.11 - Схема синхронного детектора

Описание выходов синхронного детектора изображенного на рисунке3.11:

1 IN_1 - выход на фильтр верхних частот;

2 OUT_1 - вход с фильтра верхних частот;

3 GGG - виртуальная земля;

4 T2 - вход с контроллера;

5 GND - земля;

6 OUT_2 - выход на фильтр нижних частот 2 порядка.

Рисунок 3.12 - Схема усилителя с Ку=20

Описание выходов усилителя изображенного на рисунке 3.12:

1 GGG - виртуальная земля;

2 GND - земля;

3 DET - выход на фильтр верхних частот;

4 OUT3 - выход на фильтр верхних частот.

Фильтр верхних частот должен пропускать токи всех частот выше частоты 50 кГц.

Описание выходов фильтра верхних частот изображенного на рисунке3.13:

1 DA1 - вход с резонансного усилителя;

2 IN_1 - вход с синхронный детектор;

3 GGG - виртуальная земля;

4 OUT_1 - выход на синхронный детектор.

Рисунок 3.13 - Схема фильтра верхних частот

Фильтр верхних частот должен пропускать токи всех частот выше частоты 50 Гц.

Рисунок 3.14 - Схема фильтра верхних частот

Описание выходов фильтра верхних частот изображенного на рисунке3.14:

1 DA2 - сигнал коррекции с контроллера;

2 DET - выход на усилитель Ку=20;

3 GGG - виртуальная земля.

Фильтр нижних частот должен пропускать токи всех частот не выше частоты 3 кГц.

Рисунок 3.15 - Схема фильтра нижних частот 2 порядка

Описание выходов фильтра нижних частот изображенного на рисунке3.15:

1 OUT_2 - вход с синхронного детектора;

2 DA2 - сигнал коррекции с контроллера;

3 GND - земля.

Рисунок 3.16 - Схема стабилизатора напряжения для контроллера 3,3 В



Рисунок 3.17 - Разъем программирования микроконтроллера

Рисунок 3.18 - Схема стабилизатора напряжения 5 В

Рисунок 3.19 - Схема защиты питания: диод от переполюсовки, сопрессор от перенапряжения, конденсатор от импульсных помех

3.4 Проектирование канала связи с верхним уровнем

В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется однавитая парапроводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой или общим проводом. Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов. Разница напряжений между проводниками одной полярности означает логическую единицу, разница другой полярности -- ноль [9].

Стандарт RS-485 оговаривает только электрические и временные характеристики интерфейса.

Стандарт RS-485неоговаривает:

1) параметры качества сигнала;

2) типы соединителей и кабелей;

3) гальваническую развязку линии связи;

4) протокол обмена.

Электрические и временные характеристики интерфейса RS-485

1) до 32 приёмопередатчиков в одном сегменте сети;

2) максимальная длина одного сегмента сети: 1200 метров;

3) только один передатчик активный;

4) максимальное количество узлов в сети-- 256 с учётом магистральных усилителей.

Тип приёмопередатчиков-- дифференциальный, потенциальный. Изменение входных и выходных напряжений на линиях A и B: Ua (Ub) от ?7В до +12В (+7В).

Требования, предъявляемые к выходному каскаду:-- выходной каскад представляет собой источник напряжения с малым выходным сопротивлением, |Uвых|=1,5:5,0В. Выходной каскад должен выдерживать режим короткого замыкания, иметь максимальный выходной ток 250мА, скорость нарастания выходного сигнала 1,2В/мкс и схему ограничения выходной мощности.

Требования, предъявляемые к входному каскаду:-- входной каскад представляет собой дифференциальный вход с высоким входным сопротивлением и пороговой характеристикой от ?200мВ до +200мВ;

допустимый диапазон входных напряжений Uag (Ubg) относительно земли (GND) от ?7В до +12В.

Спроектированный канал связи с верхним уровнем изображен на рисунке 3.20.