Разработка устройства автоматизации, управляющего нагревательным элементом печи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Широкое применение интегральных микросхем в цифровой электронике в наше время открывает безграничные возможности для реализации всевозможных технических решений.

В данной курсовой работе необходимо разработать устройство автоматизации, управляющее нагревательным элементом печи. Для выполнения поставленной задачи составляется структурная логическая схема, выбираются различные датчики, такие как оптические, термодатчики и датчики управления. После этого разрабатывается печатная плата устройства при помощи специализированного программного продукта Proteus.

1. Разработка структурной схемы устройства

Устройство автоматизации производит управление работой однофазного асинхронного двигателя М3. Датчики В1 В5 оптические датчики контролирующие положение заготовок в начальной и конечной позиции на конвейере. Датчики В2 В4 - конечные выключатели, контролирующие закрытие заслонок печи. Датчик В3 - термодатчик, контролирующий температуру в печи на выходе заготовок. Включение нагревательного элемента должно сопровождаться включением элемента сигнализации HL.

На основании схемы расположения элементов управления и датчиков представленной на рисунке 1.1, составим структурную схему устройства представленную в графической части работы 140604.09.282.13.00 Э1.

2. Разработка логической схемы устройства и выбор серии интегральных микросхем

В соответствии с таблицей истинности работы цифрового устройства представленной в приложении А, составляем карту Карно для минимизации логической функции (рисунок 2.1).

Рис. 2.1 - Карта Карно

Согласно рис. 2.1 запишем минимизированную логическую функцию

Основные параметры ИМС различных серий

Наименование параметра	Наименование серии
	133/155	533/555	530/531	1533	1530
Выходной ток лог.1(макс.),мА	0,8	0,4	1	2,6	2
Выходной ток лог.0(макс.),мА	16	8	20	24	20
Входной ток лог.1(макс.),мА	1,6	0,4	2	0,1	0,5
Входной ток лог.0(макс.),мА	40	20	50	20	20
Выходное напряжение	лог.0(I=Iмакс),В	<0,4	<0,4	<0,5	<0,4	<0,5
	лог.(I=Iмакс),В	>2,5	>2,7	>2,7	>2,4	>2,4
Выходной ток короткого замыкания,мА	18-57	20-100	40-100	30-112	30-112

Анализируя представленную таблицу с основными характеристиками различных серий, выбираем серию 555, обладающую минимальной потребляемой мощностью во всех режимах работы, более высоким быстродействием и достаточно высокими нагрузочными способностями.

В соответствии с логическим выражением (2.2) составляем схему логического устройства, представленную на рисунке 2.2

Рис. 2.2 - Схема логического устройства

В качестве ИМС выбраны следующие типы: DD1, DD2 - К555ЛА1, DD3,DD4 - К555ЛA2, DD5 - К555ЛH3, DD6 - K555ЛА3.

3. Выбор датчиков устройства автоматизации

3.1 Выбор оптического датчика

В качестве датчиков В1 и В5 выбираем пару светодиод и фототранзистор.

Синий светодиод типа АЛ102В (рисунок 3.1) со следующими характеристиками:

- номинальное прямое напряжение 4,7 В;

- номинальный рабочий ток 25 мА.

Рис. 3.1 - Светодиод АЛ102В

Фототранзистор типа BPW76C (рисунок 3.2) со следующими характеристиками:

- темновой ток 400 нА;

- фоток 5,5 мА.

Рис. 3.2 - Фототранзистор BPW76C

Схема включения пары светодиод-фототранзистор представлена на рисунке 3.3 С учетом характеристик полупроводниковых элементов и основных характеристик ИМС выбраны резисторы следующих номиналов R5 - 15 Ом, R7 - 22 кОм мощностью резисторов 0,125 Вт.

Рис. 3.3 - Схема включения оптического датчика

3.2 Выбор датчиков положения

В качестве датчиков В2 и В4 выбираем концевые выключатели типа АВР2Н92Х15. Общий вид и габаритные размеры датчика представлены на рисунке .4.

Концевой выключатель АВР2Н92Х15 предназначен для применения в электрических цепях управления, сигнализации и контроля относительного положения подвижных частей механизма в пространстве.

Любой механический контакт (в кнопках, тумблерах, переключателях и т.д.) не замыкаются и не размыкаются сразу, мгновенно. Замыкание и размыкание сопровождается несколькими быстрыми замыканиями и размыканиями, приводящие к появлению паразитных коротких импульсов, которые могут нарушить работу дальнейшей цифровой схемы. Для того, чтобы устранить явление дребезга контактов, сигнал с выхода выключателя необходимо через формирователь сигнала без дребезга, принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.5.

Рис. 3.5 - Формирователь сигнала без дребезга

Номиналы резисторов в схему формирователя набирают сигнала без дребезга примем равными 1 кОм с номинальной мощностью 0,125 Вт.

3.3 Выбор термодатчика

В качестве термодатчика выбираем терморезистор TD5A, представляющий собой кристалл кремния с n-проводимостью и соответствующими размерами. Внешний вид этих датчиков представлен на рисунке 3.6.



Рис. 3.6 - Общий вид и габаритные размеры терморезистора TD5A.

Технические параметры данного резистора:

- максимальный рабочий ток 12 мА;

- диапазон рабочих температур 70-350 °С;

- номинальное сопротивление 1-5кОм;

- температурный коэффициент сопротивления 2,5-5 при 150 °С.

Согласно заданию, необходимо обеспечить срабатывание цифрового устройства при граничных температурах 230 ? С и 270 ? С. При этих температурах терморезистор будет иметь следующие сопротивления.

R14230?C = 3200 Ом,

R14270?C =3880 Ом.

Рассчитаем делитель напряжения на резисторах R13 и R14, схема которого представлена на рисунке 3.7

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3.7 - Делитель напряжения

Ток делителя не должен превышать 2 мА при минимальном значении сопротивления, то есть при температуре 20 ?С. Следовательно сопротивление R13 определяем по формуле

,

где U - напряжение питания, В;

I - максимальный рабочий ток, А;

R1420?C - номинальное сопротивление при температуре 20 ?С, Ом.

.

Определяем напряжение срабатывания и напряжение отпускания компаратора

Полученные значения не соответствуют пороговым уровням логических элементов и не могут быть использованы в качестве цифровых сигналов их требуется обработать с помощью устройства, называемого компаратором. интегральный микросхема мощность плата

Схема компаратора на операционном усилителе представлена на рисунке 3.8.

Выходное напряжение компаратора Uвых =4В.

Рис. 3.8 - Гистерезисный компаратор напряжения

Принимаем входное сопротивление компаратора R9=5,1 кОм.

Определяем напряжение смещения по формуле

,

(B).

Определяем коэффициент передачи цепи положительной обратной связи

,

.

Определяем сопротивление цепи делителя

 (Ом).

Принимаем R11 = 6,8 кОм.

Определяем сопротивление цепи положительной обратной связи

(кОм).

Принимаем R10 = 220 кОм.

Принимаем R12 = 22 кОм.

Проверим полученные напряжения срабатывания и отпускания

(В);



(В).

Отклонения напряжения срабатывания и отпускания обусловлено округлением значений сопротивлений до стандартных значений и лежит в диапазоне менее 1%, следовательно номиналы резисторов выбраны верно.

4. Выбор источника питания

Выбор источника питания осуществляем, исходя из суммарной потребляемой мощности элементов схемы. Составим таблицу основных потребителей мощности.

Таблица 4.1 - Потребители мощности

Наименование элемента	Количество	Потребляемая мощность одним элементом, мВт	Суммарная мощность, мВт
Микросхемы серии К555	6	2	12
Операционный усилитель К140УД1Б	1	60	60
Светодиод AЛ102В	2	117,5	235
Фототранзистор BPW76C	2	27,5	55
Терморезистор TD5A	1	60	60
Итого	422

Суммарная потребляемая мощность составляет 0,422 Вт.

Выбираем источник питания SM217 со следующими техническими характеристиками:

- номинальное выходное напряжение 5+0,1 В;

- номинальная выходная мощность 2 Вт;

- максимальный рабочий ток 2 А;

- номинальное входное напряжение ~187…242 В;

- температура окружающей среды -10…+80 ? С;

- масса с теплоотводом 0,18 кг.

Источник обладает встроенной интегральной защитой от перенапряжений в сети и короткого замыкания в нагрузке.

Внешний вид, габаритные и установочные размеры источника питания представлены на рисунке 4.1

Цифровые узлы и устройства питаются от высококачественного источника питания со стабилизированным выходным напряжением. Источник имеет очень малое выходное сопротивление за счет использования глубоких отрицательных обратных связей. Однако цепь обратной связи инерционна и не успевает отрабатывать короткие импульсные помехи. При переключениях логических элементов в цепях питания создаются кратковременные импульсные токи, в результате элементы становятся источниками помех для соседних логических элементов. Поэтому для исключения подобного явления устанавливают фильтрующие конденсаторы, имеющие малое сопротивление для высокочастотных сигналов. Конденсаторы должны располагаться на плате как можно ближе к ИМС, число конденсаторов определяется числом ИМС.

Рис. 4.1 - Источник питания SM217

Выбираем конденсаторы типа CL0805 B 5R0 K 160 номинальная емкость 5 пФ, с рабочим напряжением 16 В в количестве 10 штук. Внешний вид и габаритные размеры конденсаторов представлены на рисунке 4.2

Рис. 4.2 - Высокочастотные конденсаторы CL0805

5. Выбор устройства согласования

Устройство согласования должно обеспечивать включение и выключение мощной нагрузки от маломощного источника сигнала.

Согласно задания мощность нагрузки составляет 0,37 кВт, питание осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В, тогда ток рабочего органа 1,7 А.

Выходная логическая схема серии К555 имеет выходное напряжение уровня логической единицы равное 4,5 В и ток 0,4 мА максимум 20 мА.

Исходя из этих условий, выбираем полупроводниковый контактор R100.20-AC51 со следующими техническими характеристиками:

- род тока выходной цепи переменный

- род тока цепи управления постоянный

- номинальный рабочий ток выходной цепи 20 А

- диапазон рабочего напряжения выходной цепи 42…660

- напряжение срабатывания для цепи управления 3,8 В

- напряжение отпускания для цепи управления 1,2 В

- максимальное напряжение цепи управления 32 В

- максимальный ток цепи управления 12 мА

Контактор содержит встроенный индикатор включения, поэтому дополнительной индикации предусмотренной структурной схемой не требуется.

Внешний вид и габаритные размеры представлены на рисунке 5.1.

6. Разработка печатной платы

На этапе разработки печатной платы были согласованы габаритные размеры платы габаритными размерами выбранного источника питания, т.е. ширина разрабатываемой платы равна длине платы источника питания 75 мм, расстояния между крепежными отверстиями тоже согласовано аналогично.

Корпуса интегральных микросхем DD1-DD6 типа DIP14, DA1 типа DIP8.

Расстояние между контактными площадками для резисторов определяется их габаритными размерами, в данном случае принимаем равным 10 мм. Расстояние между контактными площадками для конденсаторов соответствует рисунку 4.2.

Разъем CENR-140F представлен на рисунке 6.1

Разъем PWL-2 представлен на рисунке 6.2

7. Разработка корпуса устройства автоматизации

В корпусе устройства должны размещаться печатная плата устройства автоматизации и блок питания, установленные на цилиндрические стойки высотой 10 мм. Максимальная высота элементов блока питания согласно рисунку 4.1 составляет 29 мм. Высота корпуса должна составлять 40 мм. Ширина внутреннего пространства корпуса и его длина определяется габаритами печатных плат устройства и блок питания, и составляют 80 и 160 мм соответственно.

Рассматривая номенклатуру существующих корпусов устройств выпускаемых разными фирмами можно найти подходящий по габаритным размерам корпус, но установочные размеры крепежных элементов не соответствуют установочным размерам плат, так как рассчитаны на установку одной единственной платы. Следовательно, будут требовать доработки.

Воспользуемся существующей базой типоразмеров корпусов и создадим собственный, таким образом, чтобы имелась возможность взять стандартный корпус и доработать его или изготовить собственный по представленным чертежам.

Корпус устройства с габаритными, установочными и присоединительными размерами представлен на чертеже 140604.09.282.13.00 Э8.

Заключение

Разработанное устройство автоматизации на основе интегральных микросхем 555 серии ТТЛ является работоспособным и пригодным к эксплуатации. Выбраны оптимальные размеры устройства, его технические характеристики подходят для применения его на производстве.

Библиографический список

1. Терентьев О.В., Элементы систем автоматики. Учебное пособие к курсовой работе, 36 с.

2. Вигриянов П.Г., Воронин С.Г. Расчет характеристик электрических машин: Учебное пособие по курсовому проектированию.-Челябинск: ЧПИ,1986-42 с.

3. Кравчик А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник.-М. Энергоиздат, 1982.- 504с, ил.

Приложения

Приложение А

Таблица А1 - таблица истинности логического устройства

a	b	c	d	e	f
0	0	0	0	0	0
0	0	0	0	1	0
0	0	0	1	0	0
0	0	0	1	1	0
0	0	1	0	0	1
0	0	1	0	1	1
0	0	1	1	0	0
0	0	1	1	1	0
0	1	0	0	0	0
0	1	0	0	1	0
0	1	0	1	0	1
0	1	0	1	1	1
0	1	1	0	0	0
0	1	1	0	1	0
0	1	1	1	0	0
0	1	1	1	1	0
1	0	0	0	0	1
1	0	0	0	1	1
1	0	0	1	0	0
1	0	0	1	1	0
1	0	1	0	0	0
1	0	1	0	1	0
1	0	1	1	0	1
1	0	1	1	1	1
1	1	0	0	0	0
1	1	0	0	1	0
1	1	0	1	0	0
1	1	0	1	1	0
1	1	1	0	0	1
1	1	1	0	1	1
1	1	1	1	0	0
1	1	1	1	1	0

Диапазон рабочей температуры для датчика В3, ?С 250±20

Рабочий орган однофазный двигатель М3

Мощность рабочего органа, кВт 0,37



Размещено на Allbest.ru