Разработка промышленного устройства логического управления

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

1. Структурный синтез управляющего автомата

2. Синтез преобразователей входных сигналов

2.1 Разработка однополярных импульсов тока произвольной формы

2.2 Разработка датчика угловой скорости

2.3 Разработка сигнала LVDS

3. Разработка устройств сопряжения по выходу

3.1 Разработка устройства сопряжения с электродвигателем М

3.2 Разработка устройства сопряжения с электромагнитом Y

3.3 Разработка устройства сопряжения с IGBT транзистором

4. Конструкторская часть

Заключение

Литература



1. Структурный синтез управляющего автомата

1.1 Синтез логического автомата

Согласно заданию необходимо реализовать aсинхронный автомат Мили. Автомат должен быть реализован на микроконтроллере. В качестве контроллера выберем микропроцессор типа MK-51 от фирмы Atmel- AT89C51.

Его основные параметры:.

4кб встроенной перепрограммируемой Flash памяти.

128х8 бит ОЗУ.

32 программируемых линии портов ввода/вывода.

Два 16-битных таймера-счетчика

Шесть источников прерываний

Через четыре программируемых параллельных порта ввода/вывода и один последовательный порт микроконтроллер взаимодействует с внешними устройствами. Основу структурной схемы образует внутренняя двунаправленная 8-битная шина, которая связывает между собой основные узлы и устройства микроконтроллера: резидентную память программ (RPM), резидентную память данных (RDM), арифметико-логическое устройство (ALU), блок регистров специальных функций, устройство управления (CU), и порты ввода/вывода (Р0-P3).

Порт Р0 - восьми битный двунаправленный порт ввода-вывода информации: при работе с внешними ОЗУ и ПЗУ по линиям порта в режиме временного мультиплексирования выдается адрес внешней памяти, после чего осуществляется передача или прием данных.

Порт Р1 - восьми битный двунаправленный порт ввода-вывода; каждый разряд порта может быть запрограммирован как на ввод, так и на вывод информации, независимo от состояния других разрядов.

Порт Р2- восьми битный двунаправленный порт, аналогичный Р1: кроме того, выводы этого порта используются для выдачи адресной информации при обращении к внешней памяти программ или данных (если используется 16-битовая адресация последней).

Порт Р3- восьми битный двунаправленный порт, аналогичный Р1; кроме того выводы этого порта могут выполнять ряд альтернативных функций, которые используются при работе таймеров, порта последовательного ввода-вывода, контроллера прерываний, и внешней памяти программ данных.

По алгоритму напишем код программы. Согласно заданному алгоритму, снимаем входной сигнал Х с соответствующего бита порта, и в зависимости от значения Х и состояния автомата, попадаем в определенное состояние, выдавая в выходной порт соответствующую комбинацию сигналов.

Чтобы код Грея менялся при переходе из одного состояния на один бит, добавляем соседнее состояние А5(110). Для переменного электромагнита добавим сигнал , выводим его на Р2,3.



Рис. 1. Блок-схема алгоритма работы автомата

Судя по отчёту компилятора, программа не содержит ошибок. Поэтому теперь проверяем работу составленного кода в Proteus. Модель автомата в Proteus представлена на рисунке.

Рис. 2. Модель автомата



Результаты моделирования:

Рис. 3. Переход Q0-Q2-Q4-Q0

Рис. 4. Переход Q0-Q1-Q3-Q5-Q0

1.2 Сброс микроконтроллера

Для системы, построенной на базе микропроцессора нужна схема начального сброса и система предохранения от зависания. Так как из-за сильной электромагнитной помехи может исказиться часть информации, обрабатываемой микропроцессором в данный момент, что чревато сбоем в алгоритме управляющей программы, а так же зацикливанием работы процессора или его «зависанием». Все это приводит к отказу в работе контроллера.

Начальный сброс микроконтроллера осуществляется, при подачи напряжения питания на микроконтроллер, через цепь С1 и внутренний резистор контроллера, формирующие активный сигнал сброса на входе RST.

Для контроля за состоянием работы микроконтроллера во время его работы воспользуемся микромонитором питания DS1232.

Микромониторы питания серии DS1232 осуществляют контроль за тремя важнейшими параметрами работы микропроцессорной системы:

- напряжением питания

- ходом выполнения программы

- внешним сбросом микроконтроллера

Микросхема DS1232 осуществляют непрерывный контроль за напряжением питания микроконтроллера и производят генерацию сигнала сброса при недопустимом снижении напряжения питания. Порог срабатывания компаратора питания определяется встроенным источником опорного напряжения и управляющим напряжением на входе TOL. Если управляющий вход соединен с общим проводом, то сигналы сброса RST становятся активными при снижении напряжения питания до уровня ниже 4,75 В. Выходные прямой и инверсный сигналы RST служат для сброса микроконтроллера при недопустимом снижении напряжения питания. При включении питания сигналы сброса остаются активными на протяжении как минимум 250 мс, обеспечивая сброс микроконтроллера до полной стабилизации напряжения питания. Микросхемы семейства DS1232 содержат дополнительный вход для подключения внешней кнопки сброса микроконтроллера.

Рис. 5. Схема подключения микромонитора питания DS1232



При подаче "низкого" уровня на вход PBRST на выходах RST устанавливается активный сигнал сброса, который снимается спустя 250 мс после установки на входе PBRST "высокого" логического уровня. Сторожевой таймер активизирует прямой и инверсный сигналы сброса микроконтроллера RST в том случае, когда в течение заданного промежутка времени не поступало импульсов на вход ST сброса сторожевого таймера. Типовое значение времени ожидания сторожевого таймера составляет около 150 мс при соединении вывода TD с общим проводом, 600 мс, если вывод TD отсоединен и 1,2 с при соединении вывода TD с Vcc. Сторожевой таймер начинает отсчет после снятия выходного сигнала сброса RST. Если до окончания отсчета необходимого интервала времени на входе ST осуществляется переход от "высокого" уровня к "низкому", то сторожевой таймер сбрасывается и начинает свой отсчет заново.

Если же до окончания отсчета таймером заданного интервала времени на вход ST не поступило "низкого" логического уровня, то генерируется сигнал сброса микроконтроллера длительностью не менее 250 мс. Пример подключения DS1232 с использованием сторожевого таймера показан на рис.5. При нормальной работе микроконтроллера состояние на этой линии будет периодически изменяться, осуществляя сброс сторожевого таймера. Чтобы во время нормальной работы микроконтроллера гарантировать отсутствие сигнала сброса, изменения состояния на входе ST должны происходить не реже одного раза в течение минимального времени отсчета сторожевого таймера.

Работа сторожевого таймера не может быть запрещена. Для избежания непредвиденного сигнала сброса сторожевой таймер должен обязательно синхронизироваться. Для этих целей в код программы в каждый цикл добавим дополнительную команду, которая инвертирует в нашем случае состояние порта P1,3, тем самым, формируя сигнал строба. Этот сигнал мы подаем на вход ST микромонитора питания.

Использованные элементы:

C1, С3, C5 - SMD, 16 B, 10%, 1мкФ;

C2, С4 - SMD, 50 B, 5%, 30 пФ;

DD1- AT89C51

DА1- DS1232

ZQ1- HC-49U, 12 МГц

SB1- PBS26-B

Рис. 6. Схема подключения микроконтроллера



2. Синтез преобразователей входных сигналов

2.1 Разработка устройства контролирующее однополярные импульсы тока произвольной формы

По заданию нужно разработать устройство которое будет контролировать однополярные импульсы тока произвольной формы с амплитудой 1…100 А.

Преобразуем наш диапазон токов 1…100 А датчиком тока. Выберем датчик тока LA 150-P с характеристиками:

Наименование	Диапазон преобразования, А	Напряжение питания, В	Ток потребления, мА	Скорость нарастания входного тока, A/мкс	Рабочая температура, °C
LA 150-P	0 .. ± 200	± 15	16	> 200	- 10 .. + 80

Схема подключения датчика приведена на рис. 7:

Рис. 7. Схема подключения датчика

Вывод + : напряжение питания + 12 ..15 B;

Вывод M : измерительный;

Вывод - : напряжение питания - 12 ..15 B;

Для реализации поставленной задачи используем такие устройства как, пиковый детектор и устройство выборки хранения (УВХ).



Рис. 8. Схема пикового детектора

Пиковый детектор с ОУ позволяет практически устранить уменьшение U_вых из-за падения напряжения на диоде. Входной каскад операционного усилителя, используемого в схеме пикового детектора, следует выполнять на полевых транзисторах для минимизации скорости уменьшения выходного сигнала после обнаружения пика, иначе входной ток смещения инвертирующего входа усилителя будет разряжать конденсатор С1. Время установления выходного сигнала определяется максимальным выходным током ОУ (I_макс).

В качестве ОУ выберем LF 412 c параметрами:

Напряжение питания, В	Дифференциальное входное напряжение, В	Ток питания, мА	Входное сопротивление, Ом	Максимальная температура, ?C
±18	±30	3,6	1012	150

Так как диод обладает током утечки, то большая величина обратного напряжения вызовет некоторый обратный ток, что может быть критично для напряжения, хранимого ёмкостью, так как её величина обычно невелика. Во избежание этого вводим диод VD2, который ограничит отрицательное напряжение выхода ОУ. Устройство сброса пикового детектора выполняем на полевом транзисторе IRF 540 с параметрами:

Uси, В	Uсз, В	Uзи, В	Iс, А	Tmax, °C
100	100	± 20	15	175



Выберем ультрабыстрые диоды 1N4376 с параметрами:

Прямое напряжение, В	Обратный ток, мкА	Пробивное напряжение, В	Максимальная рабочая температура, °C
1,10	100	20	175

С учётом токов утечки по изоляции, по плате и других факторов примем величину ёмкости больше с некоторым запасом С1 = 25нФ (из ряда Е6). Такая величина ёмкости неопасна для транзистора и не вызовет перегрузки ОУ по току в режиме слежения.

Для того, чтобы зафиксировать момент сброса пикового детектора на вход ОУ подключим компаратор LM 293 с параметрами:

Напряжение питания, В	Дифференциальное входное напряжение, В	Входной ток, мА	Входное напряжение смещение, мВ	Время восстановления, мкс
36	36	50	1	1,3

Устройство выборки и хранения.

В целях хранения максимума амплитуды с выхода пикового детектора рационально использовать такое устройство, как УВХ. Исходя из этого выберем LF 398 и рассмотрим его принцип действия.

Рис. 9. Структурная схема УВХ



При замкнутом S из-за наличия обратной связи выходное напряжение через R1 приблизительно равно входному. С обычным U_смещ DA1 - в этом случае компенсируется смещение DA2, смещение за счет не нулевого сопротивления ключа S. Диоды в данном случае закрыты, т.к. на них напряжение U_s. При размыкании ключа выходное напряжение остается неизменным и DA2 работает в режиме повторителя, диоды предотвращают переход DA2 в режим насыщения.

Основные параметры схемы:

Входное напряжение смещения, мВ	Входной ток, нА	Входное сопротивление, Ом	Погрешность измерения, %	Время срабатывания
2	20	1010	0,005	4 мкс

Для фиксации момента сброса пикового детектора и подачи его на УВХ используем компаратор LM293. Опорным напряжением для сравнения на компараторе выберем микросхему MAX 6033

Микросхема	Выходное напряжение (В)	Группа	Гарантированный температурный коэффициент (ppm/ ? C, макс.)	Начальная точность (%, макс.)	Диапазон напряжений питаня (В)	Ток потребления (мкА, тип.)	Выходной ток (мА)	Падение напряжения (мВ)
			От -40 ? С до +85 ? С	От -40 ? С до +125 ? С
Max6033	1,23;3,000; 4,096; 5,000;	A	7	10	± 0.04	От 2,7 В до 12,6	40	15	200
		B	10	15	± 0.08
		C	20	40	±0.10

Результаты моделирования пикового детектора с УВХ и устройства сравнения представлена на рис. 10.



Рис. 10. Модель пикового детектора с УВХ и устройства сравнения

Рис.11. Графики работы модели пикового детектора с УВХ:

По заданию необходимо обеспечить гальваническую развязку входа для этого используем изолирующий усилитель ISO122 с параметрами:

Напряжение питания, В	Входное напряжение, В	Входное сопротивление, Мом	Ток управления, мА
±18	±100	200	±15



Выбор элементов:

R1 - SMD 0,062 Вт 0402, 1% 1 кОм

R7 - SMD 0,062 Вт 0402, 1% 1 кОм

R10 - SMD 0,062 Вт 0402, 1% 1 кОм

C10 - SMD, 250 B,10%, 0,47 мкФ;

C11 - SMD, 250 B,10%, 0,47 мкФ;

C6 - SMD, 250 B,10%, 0,47 мкФ;

C12 - SMD, 250 B,10%, 0,47 мкФ;

C13 - SMD, 250 B,10%, 0,47 мкФ;

C17 - SMD, 250 B,10%, 0,47 мкФ;

С22 - К71-7, 250 В, 10%, 25 нФ;

С23 - К71-7, 250 В, 10%, 25 нФ;

XT2, XT6, XT7 - MAX6033;

DA7 - LM293;

DA11 - LF398;

VD1, VD2 - 1N4376;

VT1 - IRF 540;

DA2 - ISO122;

DA5 - LA 150-P;

DA7 - LF 412;

2.2 Выбор датчика угловой скорости

По заданию нужно выбрать устройство с диапазоном скоростей ±30? /с и скоростью вращения -25…25?/с. Принцип его действия основан на быстром вращении твёрдого тела, имеющего ось вращения, которая изменяет свою ориентацию в пространстве. Скорость вращения гироскопа при этом значительно больше скорости поворота его оси вращения. Основным свойством гироскопов этого типа -- это способность четко сохранять в пространстве постоянное направление своей оси вращения и при этом отсутствует воздействие на эту ось момента внешней силы. В качестве этого был использовал гироскоп LY503ALH.

Тип выхода	Диапазон измеряемых отклонений	Чувствительность	Полоса пропускания	Напряжение питания	Ток потребления	Рабочая температура
Аналоговый	± 30?/сек.	33,3 mV/?c	140 Гц	: 2,7…3,6 В	6,8 мА	-40…85 ?/с

Описание выводов гироскопа:

Рис. 12. Описание выводов датчика

Выбор элементов:

R1- SMD 0,25Вт 1206, 5% 1МОм;

C5- SMD, 25В, 10%, 4,7 мкФ;

C6 -SMD,100 B,10%, 10 нФ;

C9 - SMD, 25 B, 10%, 100нФ;

C8 - SMD, 4 B, 20%,10 мкФ;

C4- SMD, 25В, 4,7 мкФ;

R3- SMD 0,25Вт 1206, 5% 1МОм;

R2 -SMD 0,062 Вт 0402, 1%, 33 кОм;

DA1 - LY503ALH;

Схема включения датчика:

Рис. 13. Функциональная схема включения датчика

2.3 Сигнал LVDS

LVDS означает передачу информации дифференциальными сигналами малых напряжений (LowVoltageDifferentialSignaling ). Это направление передачи данных использует очень малые перепады дифференциального напряжения (до 350 мВ) на двух линиях печатной платы или сбалансированного кабеля.LVDS - метод передачи цифровых данных дифференциальными сигналами с малыми перепадами уровня со скоростью до сотен и даже нескольких тысяч мегабит в секунду (Mbps). Малые перепады уровня и токовый режим выхода передатчика обеспечивают малый уровень шума и очень малую потребляемую мощность во всём диапазоне скоростей передачи.



Рис. 14. Упрощенная схема соединения LVDS передатчика с приёмником через 100 Ом линию

Основной приёмник имеет высокий входной импеданс, поэтому основная часть выходного тока передатчика протекает через 100 Ом резистор терминатора линии, создавая на нём падение напряжения до 350 мВ, приложенное к входу приёмника. При переключении выхода передатчика направление протекания тока через терминатор меняется на противоположное, обеспечивая достоверные логические состояния “0” или “1”.

Исходя из требований задания необходимо было найти LVDS-приемник. Так как сигнал с приемника пойдет на цифровой автомат, то питание должно быть равным 5В, также же желательно было найти одиночный приемник. Но приемник на 5В был найден только содержащий 4 в одном корпусе.

В качестве LVDS-приемника (DA1) был выбран DS90C032B.

Параметры:

- скорость передачи Мб/с (77.7 Мгц)

- дифференциальный сигнал 350 мВ

- задержка 6 нс

- высокое входное сопротивление на входах

- напряжение питания 5В. Резистор R1 выбирается равным 100 Ом.

Резистор R1 выбирается равным 100 Ом. На вход питания DA1 поставим блокировочный конденсатор C1 емкостью0.1 мкФ.

Рис.15. LVDS-приемник

Ниже перечислены выбранные активные и пассивные элементы :

R1 - SMD, 0,125, 1%, 100 Ом;

C1 - SMD, 25 B, 10%, 100нФ;

DA1 - DS90C032B.



3. Разработка устройств сопряжения по выходу

3.1 Разработка устройства сопряжения с электродвигателем М

Исполнительным устройством является электродвигатель СЛ-121 со следующими параметрами:

Параметр	Значение
Напряжение, U	110 В
Номинальная мощность, Pном	5 Вт
Угловая скорость, nном	3500-5500 об/мин
Номинальный момент, Mном	0,0137 Н•м
Номинальный ток, Iном	0,3 А
КПД	15 %

Справочные данные электродвигателя СЛ-121

Для подключения двигателя к сети 110В необходимо мощное реле переменного тока. Подходящим является оптореле на МОП - транзисторах CPC1967J(DA11) фирмы IXYS. Параметры CPC1967J:

- Ток управления: 5 - 45 мА

- Макс. напряжение коммутации: 400 В

- Макс. ток коммутации: 1,35 А

- Сопротивление на выходе: 0,85 Ом

- Время срабатывания: 20 мс

Рис. 16. Распиновка оптореле CPC1967J



Для ограничения входного тока на уровне 10мА, на вход оптореле поставим резистор R21:

Транзистор VT1-низкопороговый n-канальный МДП марки IRLML2402

- Максимальное напряжение U_си: 30В

- Максимальный ток стока: 2.7А

- Сопротивление открытого канала: 0.1Ом

В качестве обратного диода выбираем диод RL202(VD2) со следующими параметрами:

· Максимально прямой ток, 2А;

· Максимальное обратное напряжение, 100В;

· Максимальное прямое падение напряжения, 1В.

Рис. 17. Схема сопряжения с электродвигателями

Реле обладает замедленным срабатыванием (20мс), н для управления двигателем, который достаточно инертен, это несущественно.

Ниже перечислены выбранные элементы:

R21- SMD 0,25Вт 1206, 5% 1,5 кОм;

DA11- CPC1967J; VT1- IRLML2402;

C19 - SMD, 16 B, 10%, 1 мкФ;

VD2 - RL202; М1-СЛ121.



3.2 Разработка устройства сопряжения с электромагнитом Y

Для управления электромагнитами необходимо знать их мощность управления и ток, а также учесть обратное напряжение размыкания. Исполнительным устройством является электромагнит со следующими параметрами:

U_пит=~220В P = 30 ВА.

Максимальный ток протекающий по оптореле найдем из:

Для включения электромагнита от выхода автомата выберем оптореле. Выбираем оптореле марки PVT312 со следующими параметрами:

Ток управления: 2ч25мА;

Рабочий диапазон напряжения: 0-250 В;

Максимальный ток коммутации: 320 мА;

Время включения:;

Время выключения:.

Для ограничения входного тока на уровне 10 мА на вход оптореле поставим резистор R15:

Для защиты от бросков тока, которые могут возникнуть при разрыве индуктивной цепи, подключаем такое же реле по встречно-параллельной схеме, причем оно работает в противофазе с основным, так как подключается через элемент «НЕ». Тогда сброс энергии при выключении будет происходить непосредственно через сам магнит Y1.



Рис. 18. Схема включения оптореле PVT312

Список компонентов:

DA11,DA12 - оптореле PVT312;

C21- SMD , 16В, 10% 0,1 мкФ

R7 -SMD-1206-0,25-0,51 кОм±5%;

R10- SMD 0,25Вт 1206, 5% 1,5кОм;

DD2 - 74HC04;

XT6, XT7 - 300-21-12.

3.2 Разработка устройств сопряжения по выходу

Разработка устройство сопряжения с IGBT транзистором VT1.

Выбор IGBT транзистора производим исходя из условия задания(1500В,50А). В ходе курсового проектирования удалось найти подходящий силовой IGBT-ключ IXGT 25N160

Наименование	Uces	Ic	Tfi	Uge	Rg
IXGT 25N160	1600 B	75 A	440 нс	15 В	20 В

Рассчитаем пиковый ток затвора:

Для данного транзистора был подобран драйвер IR2121, с параметрами:

Параметры драйвера:

Резистор R1, ограничивающий выходной ток драйвера выберем равным R1=Ом.

Рис. 19. Устройство сопряжения с транзистором VT1

Номинал резистора R1 примем равным 1кОм для ограничения выходного тока автомата.

Ниже перечислены выбранные элементы:

VT1 - IXGT 25N160

DA1 - IR2121

R2 - SMD 0,25Вт 1206, 5% 22 Ом

C1- SMD, 16В, 10% 0,1 мкФ



4. Конструкторская часть

Начальной задачей на этом этапе проектирования является задача размещения компонентов на печатной плате. Размещение компонентов выполнено вручную с учетом координационной сетки, которая установлена ГОСТ. При определении размеров печатной платы будем исходить из одностороннего расположения электронных компонентов. Требуемую площадь поверхности платы и габаритные параметры найдем, исходя из полученной топологии компонентов, с учетом требований ГОСТ 10317-83.Таким образом, размеры платы 100 мм на 168 мм (по ГОСТ 10317 - 83). Печатную плату изготовим из стеклотекстолита СФ2-35(1,5мм) фотохимическим способом. На задней панели разместим три ступенчатых кабельных ввода. При пайке компонентов будем использовать припой В Sn 25 Pb Sb 185-260 ГОСТ 19248-90.



Заключение

преобразователь сигнал датчик импульс

В рамках курсового проекта в соответствии с техническим заданием было разработано промышленное устройство логического управления. Спроектированный модуль представляет собой, непосредственно логическое устройство, реализованное в виде асинхронного автомата Мили на микроконтроллере; однополярные импульсы тока произвольной формы; датчик угловой скорости; сигнал LVDS, а также ряд выходных устройств. В ходе проектирования был успешно решён ряд проблем, связанных как с особенностями структурного синтеза и схемотехники синтезированных дискретных и аналоговых преобразователей, так и с особенностями эксплуатации разработанного устройства в промышленных условиях. Моделирование спроектированных преобразователей подтверждает адекватность их синтеза, а также устанавливает соответствие основных характеристик моделируемого устройства требованиям технического задания.

Итак, в ходе курсового проектирования были получены навыки работы с цифровыми и аналоговыми устройствами, навыки работы с документациями к устройствам и ИМС. Ввиду того, что документация к импортным ИМС более полная и доступная, в курсовом проекте большая часть устройств реализована на зарубежных ИМС.



Литература

Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. 2 изд., испр. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2004. - 304с.

Белоедов М.В. Методы проектирования цифровых фильтров: Учебное пособие. - Волгоград: Издательство Волгоградского государственного университета, 2004. - 60 с.

Перельман Б.Л., Шевелёв В.В. Отечественные микросхемы и зарубежные аналоги. Справочник. - М.: «НТЦ Микротех», 1998. - 376с.

Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.- М.: Мир, 1991. - 446с.

Электронные промышленные устройства: Учеб. для студ. вузов. спец «Пром. электрон» В.И. Васильев, Ю.В. Гусев, В.Н. Миронов и др. - М.: Высш. шк., 1988. - 303с.

Размещено на Allbest.ru