Федеральное государственное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
«Казанский авиационный-технический колледж имени П.В. Дементьева»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
к дипломному проекту
230113.13К.13.04
Тема: Проектирование и разработка системы управления на микроконтроллере
2017
Содержание |
Стс. |
Введение |
3 |
1 Раздел Изучение предметной области |
5 |
1.1 Микроконтроллер |
5 |
1.2 Датчик угла поворота |
9 |
2 Раздел Разработка устройства |
18 |
2.1 Описание элементной базы |
18 |
2.2 Принцип работы устройства |
22 |
2.3 Конструкторские расчеты |
24 |
2.4 Система управления микроконтроллера |
25 |
3 Раздел Техническое обслуживание устройства |
33 |
3.1 Плановый осмотр |
33 |
4 Раздел Технико-экономические показатели |
35 |
4.1 Передовые технологии, перспективы развития |
35 |
4.2 Возможные риски в использовании ПО |
36 |
4.2 Технико-экономические показатели |
37 |
5 Раздел Охрана труда и техника безопасности |
41 |
5.1 Организация рабочего места наладчика |
41 |
5.2 Охрана труда и безопасность |
42 |
Заключение |
48 |
Список литературы |
49 |
Приложение |
|
Введение
Назначение микроконтроллеров.
Микроконтроллеры интегрируют в себе технические возможности для обработки смешанных сигналов и вычислительную мощность, при этом уровень производительности МК и их функционал постоянно растет. Однако существуют другие разработки, которые позволяют продлить жизненный цикл бюджетных и низкопроизводительных микроконтроллеров.
По определению, микроконтроллеры бесполезны без связи с «реальным миром». Они были разработаны, чтобы действовать в качестве концентраторов для входов и выходов, выполняя задачи условных переходов и управляя последовательными и параллельными процессами. Их роль определяется управлением, в то время как возможность программирования означает, что характер управления задается логикой. Тем не менее, они изначально разрабатывались с целью получить интерфейс для аналогового мира, и, следовательно, в своей работе микроконтроллеры существенно опираются на процесс аналого-цифрового преобразования. Часто это цифровое представление аналогового параметра, обычно получаемого от какого-то датчика, на основе которого строится процесс управления, и основное применение микроконтроллера в таком случае видится в системах автоматизации. Способность управлять большими и сложными механическими системами, используя миниатюрный и относительно дешевый «кусочек» кремния, способствовало тому, что микроконтроллеры стали самым важным элементом промышленных систем автоматизации, и не удивительно, что многие производители стали выпускать специализированные семейства микроконтроллеров.
Системы промышленной автоматизации всегда зависели от сочетания измерений и управления. В течение последних нескольких лет заметен рост уровня промышленных сетевых коммуникаций и протоколов, однако, интерфейс между цифровой и аналоговой частью системы остался относительно неизменным. С введением интерфейса IO-Link датчики и исполнительные механизмы,
разрабатываемые в настоящее время, способны все же взаимодействовать с микроконтроллером в более изощренной форме. Коммуникационный протокол связи типа «точка-точка» обеспечивает не только более простой способ обмена данными для управления элементами системы, но и расширение возможностей бюджетных микроконтроллеров.
Цель дипломного проекта ‑ проектирование принципиальной схемы устройства, давая экономическую оценку, приобретение навыков по оформлению технической литературы, составление элементной базы устройства, а так же разработка системы управления на основе микроконтроллера Atmega48. Данная дипломная работа включает в себя разработку, описание и структуру управления микроконтроллера.
Раздел 1 Описание предметной области
Рисунок 1 – Структурная схема устройства
1.1 Микроконтроллер
Микроконтроллер - это специальная микросхема, предназначенная для управления различными электронными устройствами. Микроконтроллеры впервые появились в том же году, что и микропроцессоры общего назначения (1971).
Разработчики микроконтроллеров придумали остроумную идею – объединить процессор, память, ПЗУ и периферию внутри одного корпуса, внешне похожего на обычную микросхему. С тех пор производство микроконтроллеров ежегодно во много раз превышает производство процессоров, а потребность в них не снижается.
Микроконтроллеры выпускают десятки компаний, причем производятся не только современные 32-битные микроконтроллеры, но и 16, и даже 8-битные (как i8051 и аналоги). Внутри каждого семейства часто можно встретить почти одинаковые модели, различающиеся скоростью работы ЦПУ и объемом памяти.
Дело в том, что микроконтроллеры применяются преимущественно во встроенных системах, в игрушках, в станках, в массовой домашней технике, в домашней автоматике – там, где нужна не мощность процессора, а, скорее, баланс между ценой и достаточной функциональностью.
Именно поэтому самые старые типы микроконтроллеров еще до сих пор в ходу – они многое могут: от автоматического открывания дверей и включения полива газонов до интеграции в систему «умный дом». При этом существуют и более мощные микроконтроллеры, способные выполнять сотни миллионов операций в секунду и обвязанные периферией «до зубов». У них и задачи соответствующие. Таким образом, разработчик сначала оценивает задачу, а уж потом выбирает под нее подходящее «железо».
На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, 16-битные MSP430 фирмы TI, а также 32-битные микроконтроллеры, архитектуры ARM, которую разрабатывает фирма ARM Limited и продаёт лицензии другим фирмам для их производства.
Рисунок 2 - 16-битный 28-pin PDIP PIC24 микроконтроллер
Рисунок 3 - Микроконтроллер Atmel AVR ATmega8 в корпусе DIP
Рисунок 4 - Устройство микроконтроллера AVR
Микроконтроллер характеризуется большим числом параметров, поскольку он одновременно является сложным программно-управляемым устройством и электронным прибором (микросхемой). Приставка "микро" в названии микроконтроллера означает, что выполняется он по микроэлектронной технологии.
В ходе работы микроконтроллер считывает команды из памяти или порта ввода и исполняет их. Что означает каждая команда, определяется системой команд микроконтроллера. Система команд заложена в архитектуре микроконтроллера и выполнение кода команды выражается в проведении внутренними элементами микросхемы определенных микроопераций.
Микроконтроллеры позволяют гибко управлять различными электронными и электрическими устройствами. Некоторые модели микроконтроллеров настолько мощны, что могут непосредственно переключать реле (к примеру, на елочных гирляндах).
Микроконтроллеры, как правило, не работает в одиночку, а запаивается в схему, где, кроме него, подключаются экраны, клавиатурные входы, различные датчики и т.д.
Софт для микроконтроллеров может привлечь внимание тех, кто обожает «гоняться за битами», так как обычно память в микроконтроллерах составляет от 2 до 128 Кб. Если меньше, то писать приходится на ассемблере или Форте, если есть возможность, то используют специальные версии Бейсика, Паскаля, но в основном – Си. Прежде чем окончательно запрограммировать микроконтроллер, его тестируют в эмуляторах – программных или аппаратных.
Тут может возникнуть вопрос: микропроцессор и микроконтроллер это просто разное название одного и того же устройства, или это все-таки разные вещи?
Микропроцессор это центральное устройство любой ЭВМ, выполненный по интегральной технологии. Само название говорит о том, что именно в нем происходят вычислительные процессы. Чтобы из него получилась ЭВМ, пусть даже не очень современная и мощная (вспомните любительские конструкции Радио-86 или Синклер), его надо дополнить внешними устройствами. В первую очередь это оперативная память и порты ввода вывода информации.
Микроконтроллер имеет внутри себя процессор, оперативную память, память программ, а кроме этого целый набор периферийных устройств, которые превращают процессор в полнофункциональную ЭВМ. По старой терминологии советских времен подобные устройства назывались Однокристальными Микро ЭВМ. Но советская вычислительная техника, как известно, зашла в тупик, а вместе с ней и ОМЭВМ.
Зарубежная же вычислительная техника на месте не стояла, поэтому ОМЭВМ стали называться контроллерами (от англ. Control – управлять, управление). И в самом деле, контроллеры оказались весьма пригодны для управления различной техникой, даже не очень сложной.
1.2 Датчик угла поворота
Датчик угла поворота (сокр. ДУП) — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Датчики угла поворота имеют множество применений. Они широко применяются в промышленности (в частности в сервоприводах), в роботостроении, в автомобилестроении (например, для определения угла поворота рулевого колеса), в компьютерной технике (для определения угла поворота колеса компьютерной мыши) и т. п.
Энкодер ‑ это так называемый датчик угла поворота, то есть, устройство, которое предназначено чтобы преобразовать угол поворота вала (измеряемого объекта) в электрические импульсы, по которым можно определить: угол поворота, скорость вращения, направление вращения, и текущее положение относительно начальной точки работы.
Датчики угла поворота (далее энкодеры) нашли широкое применение в различных механизмах, в которых необходимо точно знать текущее положение. Такими механизмами могут быть: промышленные манипуляторы, сервоприводы и т.д.
Энкодеры применяются в самых различных областях промышленности: электродвигатели, подъемные краны, лифты и общая автоматизация.
Характеризуются производителем как "Универсальные" и "стандартные" с высокой производительностью, соответствуют европейским промышленным стандартам.
Имеют различные виды интерфейсов TTL, HTL и RS-422, степень защиты IP66, диаметр 58мм, радиальная нагрузка на вал - 60Н, осевая нагрузка вала - 50Н, рабочая температура -40...+1000C.
Применяются в области лесозаготовительного оборудования, в промышленных мойках с высоким давлением и т.д.
Выполнены из прочного и чрезвычайно надежного материала, предназначены для установки в местах с ограниченным пространством, диаметр - 30мм. Имеют различные виды интерфейсов: TTL, HTL и RS-422.
Высокий уровень защиты IP67, благодаря этому датчики выдерживают сильные вибрации и удары, что гарантирует более длительное использование датчика (особенно энкодер с повышенной прочностью).
Анализ существующих аналогов
Рисунок 5 – Схема видов датчиков угла поворота
ДУПы подразделяются: по способу выдачи информации на накапливающие (инкрементальные) и абсолютные (позиционные); по принципу действия на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические; по допустимому углу поворота вала на ДУПы с ограниченным диапазоном работы и ДУПы с неограниченным диапазоном работы.
Инкрементальный энкодер
Рисунок 6 - Инкрементальный энкодер
По своей сути инкрементальный энкодер ‑ это счетчик импульсов, которые возникают при вращении вала. Устанавливают энкодер непосредственно на вал, или соединяют их через гибкую переходную муфту.
Основным преимуществом инкрементальных энкодеров является их простота, надежность и относительно низкая стоимость.
Механические датчики не используются в условиях тяжелой работы в промышленности, так как они легко подвержены износу и недолговечны, их применение возможно лишь для некритичных условий (микроволновые печи, регулятор громкости в музыкальном центре и так далее).
Внутри энкодера расположен диск с рисками, где с одной стороны располагается источник света, а с другой - фотоприёмник. При вращении диска изменяется количество света, проходящего через риски диска на фотоприемник, далее сигнал преобразуется и передается на дискретный выход. Необходимо заметить, что выходной сигнал состоит из двух каналов, в которых импульсы имеют сдвиг на 90 градусов относительно друг друга, что позволяет нам определять направление вращения вала. Количество импульсов может быть от нескольких импульсов до десятков тысяч импульсов на один оборот ‑ так называемое «разрешение энкодера». Например, если диск будет иметь 2000 рисок на оборот, то за 1000 импульсов вал повернулся на 180 градусов.
Рисунок 7 - Диаграмма импульсов энкодера смещенных на 90 градусов.
Чтобы привязать отсчет положения относительно начала координат, датчики так же имеют референтную метку (указатель нулевой отметки/импульс, который отвечает за полный оборот). То есть, при каждом обороте вала, на выходе будет еще один импульс начальной (нулевой) позиции. Этот выход обычно используется для сброса внешнего счетчика, который отвечает за текущее положение.
Инкрементальные - это энкодеры, которые механическое вращение вала генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.
Инкрементальный (пошаговый, импульсный) энкодер предназначен для указания направления движения и/или углового перемещения механизма. Инкрементальный энкодер периодически формирует импульсы, соответствующие углу вращения вала. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Инкрементальный энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.
Рисунок 8 - Принцип действия инкрементального энкодера
Абсолютный энкодер
Рисунок 9 - Абсолютный энкодер
Абсолютный энкодер по своему исполнению является оптическим. В первую очередь они разделяются на однооборотный, в котором текущая координата определяется в рамках одного оборота, и многооборотные.
Абсолютный энкодер можно отнести к отдельному типу энкодеров, отличительной особенностью которых является уникальный код, сформированный для каждой позиции вала. Так же разница от инкрементального энкодера: в данном датчике не нужен счетчик импульсов, потому что мы всегда знаем угол поворота. Выходной сигнал абсолютного энкодера формируется как во время покоя, так и во время вращения вала. Внутренней отличительной особенностью является диск с несколькими концентрическими дорожками, каждой из которых получается уникальный двоичный код для определенной позиции вала. Абсолютный энкодер при потере питания не теряет своего значения, что говорит о том, что нам не нужно возвращение в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера устойчив к помехам, что говорит о том, что для него не требуется точная установка вала. Данный тип датчиков хорошо устойчив к вибрациям.
Рисунок 10 - Диск абсолютного энкодера с несколькими дорожками
Оптический энкодер состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Диск пошагового энкодера подразделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот. К примеру, если диск поделен на 1000 меток, тогда за 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов.
Для механического соединения вала датчика с внешним механизмом желательно использовать муфту гибкого типа, которая предназначена для компенсации возможного биения валов, как в радиальном, так и в осевом направлении. Это позволяет резко снизить вероятность преждевременного износа подшипников вала датчика и в последствии не приведёт к разрушению нанесённых на диск меток.
Наиболее распространёнными выходными сигналами являются: параллельный код, код Грея, интерфейсы Profibus-DP, LWL, DeviceNet, SSI, CANopen, через которые также можно осуществить программирование датчиков.
Магнитный энкодер
Магнитный энкодер улавливает полюса вращающегося магнитного элемента, который находится вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти влияния в соответствующий цифровой код.
Энкодеры, установленные на валу электродвигателя, эффективно обеспечивают управление точным позиционированием. Такие энкодеры обычно изготавливаются в варианте «отверстие» и важными элементами их конструкции являются специальные муфты, позволяющие компенсировать люфты вала двигателя.
Магнитные и электромагнитные энкодеры, соответственно, не подвержены износу и лишены недостатков энкодеров механических.
Позиционирование в вышеуказанных условиях наиболее эффективно обеспечивает магнитный энкодер, в котором преобразование углового перемещения вала в электронный сигнал реализуется бесконтактно на основе эффекта Холла, не связано с вращением оптического прерывателя внутри датчика, и допускает обработку сигналов на скоростях до 60000 об/мин.
Рисунок 11 - Принцип действия магнитного энкодера
В магнитном энкодере высокоскоростное вращение внешнего вала, на котором закреплен цилиндрический постоянный магнит, воспринимается датчиком Холла, совмещенным на одном полупроводниковом кристалле с контроллером обработки сигналов.
Бесконтактные датчики угла поворота.
Данные емкостные датчики угла поворота с интегрированным измерительным усилителем питаются постоянным напряжением от источника питания и имеют на выходе сигнал по постоянному напряжению, пропорциональный углу поворота вала. Вал может поворачиваться по, или против часовой стрелки с допустимой угловой скоростью до 18 000 о/сек (опция).
В датчиках угла поворота применен дифференциальный поворотный конденсатор для преобразования угла в электрическое напряжение. В его состав входит микроэлектроника задающего генератора, демодулятора и усилителя. Выходной сигнал можно использовать непосредственно или подавать его на оборудование управления процессами. Подача питания и передача измерительных сигналов в пределах чувствительного элемента осуществляется бесконтактным способом. Поэтому, данные датчики угла поворота не требуют обслуживания. Точные роликовые подшипники обеспечивают данным датчикам угла очень большой ресурс. Функционально значимые части датчиков изготовлены из материала без остаточных деформаций и защищены от коррозии.
В прецизионных датчиках угла поворота серии 88600 сочетается точность дорогих оптических угловых кодирующих устройств с высокой разрешающей способностью и аналоговый выход, а также отсутствуют ограничения, присущие потенциометрическим датчикам угла поворота.
Типичные области применения:
- обратная связь по положению в следящих системах
- детекторы нулевого положения
- маятниковые весовые системы
- определение положения при нарезании резьбы
- измерение углов кручения
- угловые приводы
- оптические угловые измерения
- регуляторы направляющих шкивов