Введение

Рынок электроники широкого применения в России постоянно расширяется, и новое время диктует новые стандарты оборудования. Пришло время всерьез браться за развитие электроники. Но как это сделать, не имея больших капиталов? Для этого надо наладить выпуск пользующихся спросом продукции при малых затратах на его организацию. Одну из таких возможностей предоставляют изделия на базе современных микроконтроллеров.

Как правило, изделия выполненные на базе микроконтроллеров отличаются простой схемотехникой, надежностью, технологичностью. Они должны иметь низкую стоимость и обеспечивать возможность безболезненной модификации выполняемых функций.

Часто при разработке таких электронных устройств приходится увязывать противоречивые требования:

• простоту схематики при большом выборе выполняемых функций;

• малое энергопотребление при высоком быстродействии;

• малые затраты на подготовку производства для обеспечения серийного выпуска изделий.

Целый ряд современных микроконтроллеров отвечает таким требованиям. Разработка изделий с их применением не требует больших капиталовложений и специального оборудования, может быть выполнена достаточно быстро и принести хорошие коммерческие результаты.

1 Техническое задание

Необходимо разработать систему автоматического управления регулированием температуры двухэлементной нагревательной электроплиты.

Жарочный шкаф электроплит изготавливается в виде металлического короба размерами (высота х ширина х глубина) (220-230) х (300-460) х (280-460) мм, обогреваемого сверху и снизу нагревателями мощностью 1кВт. Включение нагревателей осуществляется через трехступенчатый переключатель, позволяющий включать либо один из нагревателей, либо оба одновременно. Нагреватели жарочного шкафа выполнены из трубчатых электронагревателей (ТЭНов). Температура внутри шкафа поддерживается автоматически в пределах 50 — 300 °С.

Используем классическую систему управления с обратной связью. Для обеспечения работы такой системы необходимо измерять регулируемый параметр, сравнить его с заданным значением, определить величину ошибки и ее знак; рассчитать по выбранному алгоритму управления управляющее воздействие; подать управляющее воздействие через исполнительный механизм на объект управления.

Рисунок 1 – Функциональная схема САР температуры двухэлементной нагревательной электроплиты

Рассмотрим функциональную схему регулятора (рисунок 1):

Измерение температуры осуществляется датчиком температуры, в качестве которого используется термоэлектрический термометр. С выхода датчика снимается сигнал термо-ЭДС, который усиливается на нормирующем усилителе НУ и поступает на микроконтроллер МК. К примеру, если заданная температура нагревательного элемента равна +100°С, то на выходе микроконтроллера появится сигнал лог. 1 (соответствует включению нагревателя Н ) при понижении температуры контролируемой среды ниже +99°С, но как только темпера­тура поднимется до +101 °С, нагреватель будет отключен при помощи реле Р.

Рисунок 2 – Структурная схема САР температуры двухэлементной нагревательной электроплиты

W₁(p) – передаточная функция микроконтроллера;

W₂(p) – передаточная реле;

W₃(p) – передаточная функция нагревателя;

W₄(p) – передаточная функция датчика температуры;

W₅(p) – передаточная функция нормирующего усилителя.

Требования к проектируемому регулятору:

1. время регулирования t_p  1,7 c;

2. колебательность М  1,3;

3. перерегулирование   20-30 %;

4. добротность системы по скорости D_ω = 57,5 с^-1;

5. добротность системы по ускорению D_ε = 85,5 с^-2;

При несоответствии параметров проектируемой системы требованиям ТЗ, необходимо построить корректирующее устройство для того, чтобы система удовлетворяла заданным техническим требованиям.

2. ВЫБОР И РАСЧЕТ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ФУНКЦИЙ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ

   0. Выбор микропроцессора

При выборе МП кроме критериев технической, экономической и технико-экономической эффективности следует руководствоваться следующими соображениями:

1. допустимое время обработки информации;

2. высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

3. наличие встроенных ЦАП и АЦП;

4. достаточно высокий уровень выходного сигнала ЦАП, для дальнейшего его использования без необходимости предварительного усиления;

5. возможность программной коррекции;

6. малое энергопотребление;

7. совместимость с другими микросхемами;

8. достаточно мощная и гибкая система команд МП;

9. возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени;

На основании вышеперечисленных критериев выбор был остановлен на микроконтроллере PIC 16F873 с буферными управляющими выводами, который осуществляет весь процесс управления, формирования интерфейса, аналого-цифрового преобразования и выполнения математи­ческих операций. Выходной ток управляющих сигналов мА.

Выбранный микроконтроллер обладает необходимой производительностью, мощной и гибкой системой команд и управления обработкой информации, возможностью программной коррекции ЛСУ, имеет возможность обрабатывать аналоговый сигнал в режиме реального времени, благодаря встроенным АЦП и ЦАП.

Передаточную функцию МК принимаем равной единице.

W₁(p)=1