2 Структурная схема микропроцессорной системы управления

Функциональная схема системы управления представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Функциональная схема системы управления

На рисунке представлена структурная схема системы управления, на которой указаны подключения к микроконтроллеру всех датчиков. При подключении датчиков, для согласования сигналов, использованы схемы согласования. Аналоговые сигналы подаются на АЦП через аналоговые схемы согласования. Кроме того, на схеме указано подключение к микроконтроллеру пульта управления. Также на схеме показаны все выходные сигналы, используемые для управления различными устройствами. Подключение датчиков, пульта управления и схемы индикации осуществляется посредством общей 8-разрядной шины.

Таблица 1 – Данные для выбора микроконтроллера

Сигнал	Тип сигнала	Направление	Количество линий
N1,N2	аналоговый	вх.	2
X1-X4	цифровой	вх.	4
Аварийный датчик	цифровой	вх.	1
Пульт управления	цифровой	вх.	4
Последовательный интерфейс(RS-232)	цифровой	вх./вых.	2
Питание АЦП	цифровой	вх.	1
Тактовый генератор	цифровой	вх.	2
Система индикации	цифровой	вых.	8
T1,T2,T3	цифровой	вых.	3
Сброс	цифровой	вх.	1
ЦАП	цифровой	вх.	8
Итого				36

Для выбора микроконтроллера используют следующие критерии:

число линий ввода/вывода - 36;

микроконтроллер должен включать АЦП/ЦАП с числом каналов не менее 8;

должны присутствовать модуль USART,MSSP.

На основе выше перечисленных требований выбираем микроконтроллер семейства PICMicro PIC16F877а

Рисунок 3 – Цоколевка PIC16F877A

Таблица 2- Параметры PIC16F877A

Тактовая частота	DC - 20МГц
Сброс (задержка сброса)	POR, BOR(PWRT.OST)
FLASH память программ (14-разрядных слов)	8K
Память данных (байт)	368
EEPROM память данных (байт)	256
Прерываний	14
Порты ввода/вывода	Порты A,B,C,D,E
Таймеры	3
Модуль захват/сравнение/ШИМ	2
Модули последовательного интерфейса	MSSP, USART
Модули параллельного интерфейса	PSP
Модуль 10-разрядного АЦП	8 каналов
Инструкций	35

3 Разработка принципиальных схем блоков чтения информации с датчиков

3.1 Чтения информации с датчиков.

3.1.1 Сопряжение с цифровыми датчиками

Схема устройства сопряжения с цифровым датчиком представлена на рисунке 3. Основой схемы является транзисторный оптрон АОТ101АС для согласования уровня дискретного сигнала с входом микроконтроллера, который выполняет функции устройства гальванической развязки и ключевого элемента.

Рисунок 4 – Принципиальная электрическая схема оптопары АОТ101АС

Схема условно может быть разделена на 2 цепи: входную и выходную. Входная цепь образована преобразователем уровней и светодиодом оптрона. Преобразователь уровней ПУ приводит уровни входных сигналов к значениям, необходимым для надежной работы светодиода оптрона. Выходная цепь устройства согласования образованна транзистором оптрона и подтягивающим резистором R1. образуют инвертор напряжения. Для восстановления фазы сигнала, а также для приведения его к уровням ТТЛ используется инвертор микросхемы КР1533ЛН1 . Транзистор выполняет функцию ключевого элемента, а резистор формирует на выходе схемы напряжение логической «1», когда транзистор закрыт.

Рисунок 5 – Схема сопряжения для подключения цифровых датчика

Рассчитаем сопротивление резистора R14:

R14= (1)

где U_вх – максимальное входное напряжение;

U_пр – прямое падение напряжения на светодиоде оптрона;

I_н – номинальный ток через светодиод;

R21 выбирается равным 1 кОм т.к. инвертор КР1533ЛН1 микросхемы ТТЛ

Таким образом: R₁₄ = (36-1.6-4.7)/0.005 = 5.94 Ом

Критерий выбора светодиода оптрона следующий:

(2)

Где – напряжение стабилизации стабилитрона.

Выберем стабилитрон 2С447А, у которого Uст = 4,7 В

В данной схеме используется оптрон АОТ101АС для которого U_пр = 1,6В и I_н = 5мА..

3.1.2 Сопряжение с аналоговвыми датчиками

Структурная схема устройства сопряжения с аналоговым датчиком представлена на рисунке 6. Устройство состоит из одного основного и двух дополнительных блоков. Основным является блок гальванической развязки (ГР). Дополнительными являются входной делитель напряжения (ДН) и выходной преобразователь уровней (ПУ). Наличие дополнительных блоков определяется уровнями входного сигнала.

Рисунок 6 – Структурная схема устройства сопряжения с аналоговым датчиком

Функцию элемента гальванической развязки выполняет ОУ с гальванической развязкой входа и выхода типа AD202 фирмы Analog Devices. Цоколевку микросхемы приведем на рисунке 7.

Рисунок 7 – Цоколевка AD202

Схема сопряжения аналогового датчика с сигналом от +11 .. +36 В в выходной сигнал 0.. +2.5 В представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Схема сопряжения для подключения аналогового датчика

DA6 типа AD202 преобразует входной сигнал с уровнями 11…36 В в сигнал с уровнями 0…2.5В. Сопротивление резистров делителя находится по следующей формуле:

R4=R5 (2)

где |U_вхmax| – максимальное из модулей входных напряжений.

R5 примем равным 1 кОм. Решая уравнения (2), получим R₄= 13.4 кОм.

4 Разработка принципиальной схемы блока вывода управлющих сигналов

4.1 Блок вывода аналогового управляющего сигнала

Для получения аналогового управляющего сигнала Y1=N1-K необходимо использовать ЦАП. В качестве ЦАП используем микросхему AD557.

Рисунок 9 – Цоколевка AD557

Таблица 3 – Описание выводов AD557

Вывод	Описание
GND	Общий
CS	Выбор микросхемы
CE	Запись
DB0-DB7	Шина данных
+VCC	Вход питания +5В
VOUT	Выходное напряжение
VOUTSENS A	Вход A обратной связи по выходному напряжению
VOUTSENS B	Вход B обратной связи по выходному напряжению

Схема блока вывода аналогового управляющего сигнала представлена на рисунке 11.

Рисунок 10 – Схема блока вывода аналогового управляющего сигнала

4.2 Схема подключения МК с исполнительными механизмами

Для согласования диапазонов напряжений микроконтроллера и исполнительных механизмов используем следующие схемы сопряжения.

Диапазон напряжения сигналов с микроконтроллера на исполнительные механизмы (ИМ): 0 .. 2.5В. В схеме сопряжения производится оптронная развязка (рисунок 12).

Рисунок 11 – Схема сопряжения с выходами Т1,Т2,Т3

Рассчитаем номиналы резисторов:

(4)

где U_вхmax – максимальный из модулей входных напряжений, В;

U_пр – прямое падение напряжения на светодиоде оптрона, В;

I_пр – прямой ток через светодиод оптрона, А.

Рассчитаем значения резисторов:

Получим R28=310 Ом

5 Разработка принципиальной схемы блока последовательного канала связи

В проектируемой системе управления для связи с внешним устройством используется последовательный интерфейс RS422. Роль приемопередатчика используется встроенный в микроконтроллер модуль USART. Для формирования уровней сигналов соответствующих интерфейсу RS422 используется преобразователь уровней MAX3160.

Рисунок 12 – Цоколевка MAX3160

Схема его включения приведена на рисунке 13.

Рисунок 13 – Схема включения преобразователя уровней MAX3160

6 Разработка принципиальной схемы пульта управления

Для управления работой системы. Используется пульт управления. Пульт содержит 6 переключателей для посылки 8-и разрядного кода установки. SB1 служит для режима запуска системы, SB2 – для увеличения К, SB3 – для уменьшения К, SB4 – стоп/старт,. Выводы пульта управления подключаются к микроконтроллеру.

Рисунок 14 – Схема включения пульта управления

6.1 Разработка схемы индикации

Для отображения полученной с датчиков информации разработаем схему индикации. В качестве дешифратора используем микросхемы 564ИД4.

Рисунок 15 - Цоколевка семисегментного дешифратора

В качестве индикации используем светодиодную индикацию ИЖКЦ1-1/18. На следующем рисунке изобразим схему подключения индикации.

Рисунок 16 - Схема подключения семисегментного дешифратора с индикацией

7. Разработка общего алгоритма управления микропроцессорной системы

Блок «i1» выполняет начальную установку системы: настройку периферийных модулей, посылку в выходные каналы начальных значений управляющих воздействий и т. д.

Блок «d1» реализует задачу логического управления: принимает информацию от двоич­ных датчиков X1,..., X4, вычисляет значение бу­левой функции f(X1,..., Х4) в соответствии с за­данием и выдает это значение в качестве управляющего сигнала Y1 по соответствующему выходному каналу на исполнительный меха­низм.

Блок «a1» обеспечивает прием информа­ции с аналоговых датчиков V1, V2 ее преоб­разование в цифровую форму, вычисление значений управляющих воздействий Y2, Y3, и выдачу их на исполнительные механизмы. При этом Y1 являются двоичными сигналами, а Y2 - восьмиразрядным кодом, преобразуемым в аналоговый сигнал V2. При выполнении этой функции оператор с пульта управления может задавать значение установки.

Блок «I1» обеспечивает циклический ре­жим управления или останов системы в соот­ветствии с командой, поступающей с пульта управления.

Рисунок 17- Структурная схема управления объектом

Рисунок 18- Продолжение структурой схемы управления объектом

8. Разработка алгоритма обработки цифровой информации

Микропроцессорная система опрашивает двоичные датчики Х1, ..., Х4 и вычисляет булеву функцию 3-х функций:

X=\/(X1+X4) (5)

При единичном значении функции система вырабатывает выходной сигнал Y1 = 1 длительностью Т1. Это означает, что через T1 после выдачи единичного сигнала Y1 необходимо выработать нулевой сигнал Y1.

В системе имеется также двоичный датчик аварийной ситуации Х0, еди­ничный сигнал с которого вызывает аварийный останов системы в лю­бой момент выполнения рабочего цикла программы.

Рисунок 19- Структурная схема обработки цифровой информации

8. Разработка алгоритма обработки аналоговой информации

Сигналы с аналоговых датчиков V1,V2 преобразуются в цифровую форму в АЦП. С выхода АЦП 8-разрядные коды N1 и N2, представляющие собой целые числа без знака, поступают на обработку. Величина К – 8-разрядный код установки, поступающий с тумблерного регистра пульта управления.

На основе полученных данных контроллер реализует следующую функцию:

N=2N1+2N2+(K+1) (8)

Полученное значение функции N сравнивается с константой Q, хранящейся во внутренней памяти. В зависимости от результатов сравнения система вырабатывает двоичные управляющие воздействия Y2 (если N < Q) или Y3 (если N > Q) длительностью Т2 или Т3 соответственно.

Управляющее воздействие Y4 формируется в виде аналогового сигнала V4 с ЦАП и поступает на ИМ. Значение Y4 определяется как восьмиразрядное двоичное число по формуле:

. (9)

где а0 и a1 – восьмиразрядные коэффициенты, хранящиеся во внутренней памяти микроконтроллера; N3 – восьмиразрядный код, поступающий с выхода АЦП.

Предполагается, что исходные величины, поступающие с АЦП меньше единицы и представляются двоичным числом с фиксированной запятой.

Если после умножения значение Y4 превышает восемь разрядов, то необ­ходимо принимать значение Y4 равное младшему байту.

Рисунок 20- Структурная схема обработки аналоговой информации

Рисунок 21- Продолжение структурной схемы обработки аналоговой информации

Рисунок 22- Окончание структурной схемы обработки аналоговой информации