Анотація
У курсовому проекті розроблена багатоканальна мікропроцесорна система керування об'єктами з відображенням результатів виміру на індикаторах.
Система має п’ять незалежних каналів. Вхідні і вихідні величини кожного каналу є аналоговими. Вхідні змінні всіх каналів виводяться на десятковий індикатор разом з номером каналу. Система дозволяє керувати виконавчими механізмами кожного з контрольованих об'єктів по заданому законі.
Розроблено структурну, функціональну та принципово-електричну схеми системи.
Вступ
В даний час практично неможливо вказати якусь галузь науки і виробництва, у якій би не використовувалися мікропроцесори (МП) і мікроЕОМ.
Універсальність і гнучкість МП як пристроїв із програмним керуванням поряд з високою надійністю і дешевиною дозволяють широко застосовувати їх у всіляких системах керування для заміни апаратної реалізації функцій керування, контролю, вимірювання і обробки даних. Застосування МП і мікроЕОМ у системах керування промисловим устаткуванням припускає, зокрема, використання їх для керування верстатами, транспортувальними механізмами, зварювальними автоматами, прокатними станами, атомними реакторами, виробничими лініями, електростанціями, а також створення на їхній основі робототехнічних комплексів, гнучких автоматизованих виробництв, систем контролю і діагностики. Мікропроцесорні засоби дозволяють створювати різноманітні по складності виконуваних функцій пристрої керування — від найпростіших мікроконтролерів нескладних приладів і механізмів до складних спеціалізованих і універсальних систем розподіленого керування в реальному часі.
Серед різних форм організації сучасних мікропроцесорних засобів можна умовно виділити наступні групи:
МП що вбудовуються і найпростіші мікроконтролери;
універсальні мікроконтролери і спеціалізовані мікроЕОМ;
мікроЕОМ загального призначення;
мультимікропроцесорні системи;
апаратні засоби підтримки мікропроцесорних систем (розширювачі).
МП, які вбудовуються в прилади, апаратуру і найпростіші мікроконтролери жорстко запрограмовані на реалізацію вузькоспеціалізованих задач, їхнє програмне забезпечення проходить налагодження на спеціальних стендах чи на універсальних ЕОМ, потім записується в ПЗП і рідко змінюється в процесі експлуатації. Засоби, що вбудовуються, використовують і найпростіші зовнішні пристрої (тумблери/клавішні перемикачі, індикатори).
Спеціалізовані мікроЕОМ реалізуються найчастіше на основі секційних мікропрограмувальних МП, що дозволяють адаптувати структуру, розрядність, систему команд мікроЕОМ під визначений клас задач. Однак такий підхід організації систем вимагає трудомісткої і дорогої розробки «Власного» програмного забезпечення.
Останнім часом широке поширення одержують також програмувальні мікроконтролери, що представляють собою спеціалізовані мікроЕОМ, орієнтовані на рішення численних задач у системах керування, регулювання і контролю. Особливу групу складають програмовані контролери для систем автоматичного регулювання. Найважливішим пристроєм будь-якої системи автоматичного регулювання є регулятор, що задає основний закон керування виконавчим механізмом. Заміна класичних аналогових регуляторів універсальними програмованими мікроконтролерами, здатними програмно перебудовуватися на реалізацію будь-яких законів регулювання, записаних у пам'ять мікроконтролерів, забезпечує підвищення точності, надійності, гнучкості, продуктивності і зниження вартості систем керування. Великим достоїнством універсальних мікроконтролерів є їхня здатність виконувати ряд додаткових системних функцій: автоматичне виявлення помилок, контроль граничних значень параметрів, оперативне відображення стану систем і т.п.
1. Технічне завдання
1.1 Підстава для розробки, призначення та область застосування
Підставою для розробки є завдання на курсову роботу. Пристрій призначений для керування виконавчими механізмами згідно закону керування, параметрами якого є значення температурних датчиків. Необхідно розробити систему керування, що одержує аналогові сигнали від температурних датчиків, перетворює їх до цифрової форми, виконує обробку отриманих сигналив, порівнюючи з номінальною величиною контролюємого параметру та формує керуючу дію для кожного виконавчого механізму, подаючи її в аналоговій формі. Зокрема система повинна мати блок індикацій для слідкування за процесом керування. Система призначена для використання з метою автоматизації технологічних процесів виробництва, що мають в своєму складі об'єкти, контролюючим параметром яких є температура.
1.2 Умови експлуатації системи і параметри навколишнього середовища
Температура навколишнього середовища від +5 ° С до + 50 ° С.
Відносна вологість 80 % при температурі + 20 ° С.
Атмосферний тиск 600 - 800 мм рт. ст.
Хімічно активних компонентів немає.
Вібрація, трясіння, удари відсутні.
Характер роботи безупинний.
1.3 Вимоги до експлуатаційних характеристик
Індикація результату обчислення закону керування.
Необхідності в резервуванні немає.
Додаткові функції не виконуються.
1.4 Технічні характеристики системи
Кількість датчиків n = 5.
Номінальна величина контрольованого параметру Qном = 500°.
Похибка регулювання, Q = 0,6 %.
Максимальна частота зміни вхідної величини, Fmax = 1.21 кГц.
Діапазон змінювання вихідного сигналу для виконавчого механізму- 0..Umax; Umax = 7,4 B.
Закон
регулювання:
1.5 Вимоги до надійності
Пристрій є системою нерезервованою, ремонтопридатною, відновлюваною.
Наробіток на відмовлення складає не менш 5000 годин.
Відмова одного елемента виводить пристрій з ладу.
1.6 Вимоги до конструкції
Пристрій розмістити в стандартному корпусі.
Пристрій виконати на стандартній друкованій платі.
2. Аналіз технологічного процесу і вибір напрямків автоматизації
У сучасному промисловому виробництві найбільш розповсюдженими є виміри температури (так, на атомній електростанції середнього розміру мається близько 1500 точок, у яких виробляється такий вимір, а на великому підприємстві хімічної промисловості подібних точок присутня понад 20 тис.). Широкий діапазон вимірюваних температур, розмаїтість умов використання засобів вимірів і вимог до них визначають різноманіття застосовуваних засобів виміру температури.
Якщо розглядати датчики температури для промислового застосування, то можна виділити їхні основні класи: кремнієві датчики температури, біметалічні датчики, рідинні і газові термометри, термоиндикатори, термістори, термопари, термопреобразователи опори, інфрачервоні датчики.
Кремнієві датчики температури використовують залежність опору напівпровідникового кремнію від температури. Діапазон вимірюваних температур -50…+1500C... Застосовуються в основному для виміру температури усередині електронних приладів.
Біметалічний датчик зроблений із двох різнорідних металевих пластин, скріплених між собою. Різні метали мають різний температурний коефіцієнт розширення. Якщо з'єднані в пластину метали нагріти або остудити, то вона зігнеться, при цьому замкне (розімкне) електричні контакти або переведе стрільцеві індикатора. Діапазон роботи біметалічних датчиків -40…+5500C... Використовуються для виміру поверхні твердих тіл і температури рідин. Основні області застосування – автомобільна промисловість, системи опалення і нагрівання води.
Термоіндикатори – це особливі речовини, що змінюють свій колір під впливом температури. Зміна кольору може бути оборотним і необоротним. Виробляються у виді плівок.
Термоперетворювачі опору
Принцип дії термоперетворювачі опору (терморезисторів) заснований на зміні електричного опору провідників і напівпровідників у залежності від температури (розглянутий раніше).
Платинові терморезистори призначені для виміру температур у межах від –260 до 1100 0С. Широке поширення на практиці одержали більш дешеві мідні терморезистори, що мають лінійну залежність опору від температури.
Недоліком міді є невелике її питомий опір і легка окисляемость при високих температурах, унаслідок чого кінцева межа застосування мідних термометрів опору обмежується температурою 180 0C. По стабільності і відтворюваності характеристик мідні терморезистори уступають платиновим. Нікель використовується в недорогих датчиках для виміру в діапазоні кімнатних температур.
Напівпровідникові терморезистори (термістори) мають негативний або позитивний температурний коефіцієнт опору, значення якого при 20 0C складає (2...8…8)*10–2(0C)–1,т.е. на порядок більше, ніж у міді і платини. Напівпровідникові терморезистори при досить малих розмірах мають високі значення опору (до 1 Мом). У якості полупров. матеріалу використовуються оксиди металів: напівпровідникові терморезистори типів КМТ - суміш окислів кобальту і марганцю і ММТ - міді і марганцю.
Напівпровідникові датчики температури мають високу стабільність характеристик у часі і застосовуються для зміни температур у діапазоні від –100 до 200 0С.
Термоелектричні перетворювачі (термопари) - принцип дії термопар заснований на термоелектричному ефекті, що полягає в тому, що при наявності різниці температур місць соединений (спаїв) двох різнорідних металів або напівпровідників у контурі виникає електрорушійна сила, називана термоэлектродвижущей (скорочено термо-ЭДС). У визначеному интер-вале температур можна вважати, що термо-эдс прямо пропор-циональна різниці температур ?T = Т1 – Т0 між спаєм і кінцями термопари.
З'єднані між собою кінці термопари, що занурюються в середовище, температура якого виміряється, називають робочим кінцем термопари. Кінці, що знаходяться в навколишнім середовищі, і які звичайно приєднують проводами до вимірювальної схеми, називають вільними кінцями. Температуру цих кінців необхідно підтримувати постійної. При цьому умові термо-эдс Ет буде залежати тільки від температури T1 робітника кінця.
Uвих = Ет = С(Т1 – Т0),
де С – коефіцієнт, що залежить від матеріалу провідників термопари.
Створювана термопарами ЭДС порівняно невелика: вона не перевищує 8 мв на кожні 100 0С и звичайно не перевищує по абсолютній величині 70 мв. Термопари дозволяють вимірювати температуру в діапазоні від –200 до 2200 0С.
Найбільше поширення для виготовлення термоелектричних перетворювачів одержали платина, платинородий, хромель, алюмель.
Термопари мають наступні переваги: простота виготовлення і надійність в експлуатації, дешевина, відсутність джерел харчування і можливість вимірів у великому діапазоні температур.
Поряд з цим термопарам властиві і деякі недоліки - менша, чим у терморезисторів, точність виміру, наявність значної тепловий інерціонності, необхідність уведення виправлення на температуру вільних кінців і необхідність у застосуванні спеціальних сполучних проводів.
Інфрачервоні датчики (пірометри) - використовують енергію випромінювання нагрітих тіл, що дозволяє вимірювати температуру поверхні на відстані. Пірометри поділяються на радіаційні, яркостні і колірні.
Радіаційні пірометри використовуються для виміру температури від 20 до 2500 0С, причому прилад вимірює інтегральну інтенсивність випромінювання реального об'єкта.
Яркісні (оптичні) пірометри використовуються для виміру температур від 500 до 4000 0С. Вони засновані на порівнянні у вузькій ділянці спектра яскравості досліджуваного об'єкта з яскравістю зразкового випромінювача (фотометричної лампи).
Колірні пірометри засновані на вимірі відносини інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, обираних звичайно в червоній або синій частині спектра; вони використовуються для виміру температури в діапазоні від 800 0С.
Пірометри дозволяють вимірювати температуру у важкодоступних місцях і температуру об'єктів, що рухаються, високі температури, де інші датчики вже не працюють.
Кварцові термоперетворювачі
Для виміру температур від – 80 до 250 0С часто використовуються так називані кварцові термоперетворювачі, що використовують залежність власної частоти кварцового елемента від температури. Робота даних датчиків заснована на тім, що залежність частоти перетворювача від температури і лінійність функції перетворення змінюються в залежності від орієнтації зрізу щодо осей кристала кварцу. Дані датчики широко використовуються в цифрових термометрах.