Курсовые работы / Курсовки - ЧУЖОЕ / КР

1 Техническое задание

Необходимо разработать систему автоматического отбеливания белья в стиральной машине.

Рассмотрим структурную схему возможной системы (Рисунок 1)

ДУ₁

U_

h₁

U₁

МП

Д

Емкость

Коммутатор орКоммутатор

Q

ДУ₂

h₂

U₂

U

МП – микропроцессор;

Д – дозатор;

ДУ₁ и ДУ₂ – датчики по первому и второму уровням;

Рисунок 1 – структурная схема системы автоматического отбеливания белья в стиральной машине.

МП – микропроцессор со специализированным программным обеспечением, осуществляет циклический опрос модулей (датчиков) с периодом не менее 1,2 минуты, анализируя показания датчиков уровня, подает соответствующий сигнал на дозатор и вырабатывает электрический сигнал рассогласования U_;

Д – дозатор, предназначен для дозирования конкретного количества отбеливателя, которое соответствует определенному уровню заполнения белья, т.е. вырабатывает сигнал Q;

Емкость – это резервуар, предназначенный для непосредственной загрузки белья и добавление в него определенной порции отбеливателя дозатором Д.

ДУ₁ и ДУ₂ – два датчика уровня, которые устанавливаются в емкости и предназначены для измерения уровня заполнения его бельем по первому и второму уровням, вырабатывают сигналы U₁ и U₂.

Коммутатор – предназначен для уменьшения числа соединений с МП и вырабатывает сигнал U.

Работает система следующим образом.

Белье определенной массы загружается в рабочую емкость, внутри которой установлено два датчика уровня ДУ₁ и ДУ₂ на определенных высотах. Основная их цель – это определить уровень заполнения емкости бельем, на выходе которых получаем два сигнала U₁ и U₂. Для уменьшения числа соединений с МП в схеме присутствует коммутатор, который преобразует сигналы U₁ и U₂ в сигнал U. Таким образом, на МП поступают сведения об уровне заполнения бака бельем, анализируя его, МП вырабатывает управляющий сигнал, о необходимом количестве отбеливателя, поступающий на дозатор. В результате получаем систему дозирования отбеливателя в зависимости от заполнения емкости бельем.

Параметры регулируемой системы:

1. Емкость стирального бака до отметки уровня заполнения бельем – 34 литра;

2. Максимальное количество сухого белья, загруженный в стиральный бак – 2 кг;

3. Максимальный интервал обновления данных (период дискретности)

T₀ = 1,2 мин;

Требования к проектируемому регулятору:

1. Время регулирования t_p  0,3 c;

2. Колебательность М  1,3;

3. Перерегулирование   30 – 40%;

4. Максимально допустимое отклонение регулируемой величины в установившемся режиме  2%;

2 Определение элементной базы и расчет передаточных функций выбранных элементов

2.1 Выбор микропроцессора

Среди устройств автоматики наиболее широкое распространение получили микропроцессорные комплекты (МПК) серий К580, К583, К588. При выборе МПК следует руководствоваться следующими соображениями:

• высокая производительность МП, достаточный объем ОЗУ и ПЗУ;

• возможность цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени;

• возможность программной коррекции;

• малое энергопотребление;

• совместимость с другими микросхемами;

• доступность элементов;

• мощная и гибкая система команд МП;

• наличие встроенных ЦАП и АЦП.

На основании этих критериев выбираем МП серии К1813ВЕ1. Это однокристальный МП цифровой обработки аналоговых сигналов в реальном масштабе времени, со встроенными аналоговыми системами ввода-вывода (ЦАП и АЦП), с 8-ю разрядным ПЗУ, ОЗУ (емкостью 40х25 слов), ALU, двумя входными и четырьмя выходными аналоговыми каналами.

Этот МП выполнен по высококачественной n-МОП–технологии, совместим с БИС серии К580. В нем реализована мощная и гибкая система команд с расширенными возможностями адресации памяти.

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

Технические характеристики МП К583ВГ2:

• 25-ти разрядное АLU;

• 16-ти разрядные ОЗУ (192х24 бит) и ПЗУ (40х25 слов);

• время преобразования не более 50 мкс;

• нелинейность ЦАП и АЦП <0,1%;

• тактовая частота 5 МГц;

• напряжение питания 2 В;

• потребляемая мощность 1,0 В∙А;

• входное аналоговое напряжение не более 2 В;

• выходное сопротивление (хранение) не менее 100 кОм;

• выходной ток 0,4-2 мА;

• входной ток не более 2,0 мА;

• диапазон рабочих температур от –10 до 70 ⁰С.

Передаточную функцию МП принимаем равной единице.

W_МП(p)=1.

2.2 Выбор дозатор

Дозатор – это устройство для автоматического отмеривания и выдачи заданного количества вещества. Существует довольно большое количество дозаторов разнообразной конструкции и видов. Выбор дозатора обусловлен, прежде всего:

1. физической природой регулируемого вещества;

2. производительность от долей литра до сотен литров в час;

3. небольшие габаритные размеры;

4. малой энергоемкостью;

5. сроком службы.

На основе предъявленных требований был выбран насос-дозатор марки АХПО0,5/40-К-СД-У2. Он используется для дозирования агрессивных сред, в данном случае для отбеливателя. Погрешность дозирования составляет 0,1 – 1 %.

Насос – дозатор работает следующим образом: при вращении рабочего колеса происходит нагнетание жидкости в рабочей камере, посредством вращающего момента которого жидкость передается в камеру нагнетания.

Технические данные:

- диапазон дозирования 10…500 мл;

- напряжение питания 220В;

- рабочий объем 0,3 л;

- давление на выходе 10 МПА

- входной ток 0…20 мА;

- вес 4 кг.

Насос-дозатор представлен в виде передаточной функции инерционного звена:

где - коэффициент передачи насоса;

- угол наклона лопастей ();

n- количество лопастей (n=10).

- постоянная времени насоса, с;

V - рабочий объем, м³

Q_Н- расход рабочей жидкости, м³/с,

Передаточная функция с учетом коэффициентов

2.3 Выбор рабочей емкости

Для данной САУ возьмем емкость стирального бака со следующими параметрами:

1. Высота всей емкости Н – 765 мм;

2. Максимальная высота емкости заполнения белья h₀= 600мм;

3. Емкость стирального бака до отметки уровня заполнения бельем – 34 литра;

4. Диаметр емкости d= 500 мм;

5. Удельный вес воды =10⁴ Н/м³;

6. Давление на входе Р₁=10⁵ Па;

7. Давление на выходе Р₂=2^.10⁵ Па.

8. Максимальный расход рабочей жидкости Q=1 м³/с;

9. Площадь основания емкости S=1,57 м².

Передаточная функция такой емкости имеет вид:

,

где Т== 57(с),

К== 36 (м/рад). (7)

Таким образом, передаточная функция принимает вид:

2.4 Выбор датчика уровня

Существует несколько различных способов измерения уровня. Датчики уровня классифицируются:

- Механические (поплавковые и пластинчатые). Принцип пластинчатого уровнемера основан на явлении вытеснения; у поплавкового уровнемера в качестве чувствительного элемента взят поплавок, который измеряет высоту уровня жидкости.

- Электромеханические (потенциометрические, сельсинные, индуктивные) преобразователи уровня сочетают механическую систему передачи сигналов о перемещении чувствительного элемента с электрическим устройством съёма сигналов и электрической системой дальнейшей передачи информации об этом перемещении.

- Электрические (емкостные, кондуктометрические). Емкостные уровнемеры предполагают измерение емкости в зависимости от уровня наполнения, а кондуктометрические основаны на изменении силы тока.

- Гидростатические и пневматические. В гидростатическом преобразователе измерение уровня основано на измерении оказываемого жидкостью на дно резервуара гидростатического давления, которое измеряется в открытых сосудах при помощи обычного или дифференциального манометра. В пневматическом преобразователе высоту уровня жидкости измеряют так называемым способом барботирования газа.

- Ультразвуковой. Для измерения уровня при помощи ультразвука необходимо наличие излучателя и приемника. Т.е. метод основан на отражении и преломлении ультразвуковых импульсов, представляющие собой механические колебания.

- Радиационные. В основе измерения при помощи искусственных радиоактивных изотопов лежит принцип поглощения радиоактивного излучения соответствующим материалом, содержащимся в резервуаре.

- Фотоэлектрические

Исходя из классификации и конструктивных особенностей, рассмотренных выше уровнемеров в данной системе необходимо использовать фотоэлектрические уровнемеры. Их принцип действия основан на изменении интенсивности светового пучка при повышении или понижении уровня белья. Измерительная система включает 2 фотоэлемента. При изменении уровня интенсивность освещения одного фотоэлемента увеличивается, а другого падает. Что очень удобно в конструктивном плане для данного устройства. Разместим датчик уровня ДУ₁ на высоте 300 мм от дна емкости, а датчик ДУ₂ на максимально возможной высоте - 600 мм. Также при выборе датчика в данном случае имеет значение то, что они работают в условиях высокой температуры.

В качестве фотоэлектрического датчика выберем датчик KOBOLD NUS, который обладает следующими техническими характеристиками:

- Диапазон измерения до 10 м;

- Точность измерения ±2,5 мм;

- Вес 2,5 кг;

- Напряжения питания 220 В;

- Потребляемая мощность 150 Вт;

- Выходной ток 10 мА;

- Выходное напряжение 0…10 В;

- Максимальная рабочая температура среды 200 ⁰С.

Передаточная функция датчика:

,

где h – высота подъема белья по определенному уровню;

I_вых – ток на выходе датчика.

Тогда для каждого датчика имеем:

2.5 Выбор коммутатора

Для коммутатора аналоговых сигналов используется четырёхканальный аналоговый коммутатор КР590КТ1 со схемами управления (мультиплексор) со следующими характеристиками:

-технология – КМОП (микросхемы на КМОП-транзисторах имеют малую мощность потребления в статическом режиме (единицы микроватт), относительно высокое быстродействие, хорошую помехоустойчивость и достаточно большую нагрузочную способность),

-число каналов - 4,

-напряжение источника питания 9В,

-коммутируемый ток (протекающий по открытому каналу коммутатора) -5мА,

-коммутируемое напряжение (максимально допустимое напряжение, прикладываемое между входом и выходом коммутатора) 15В,

-сопротивление коммутатора в открытом состоянии 100 Ом,

-время переключения коммутатора 0,03мкс,

-напряжения для управления адресными входами 0…0,8 В и 7,7…12 В,

-потребляемые токи на адресных входах 3,5 мА и 3,5 мкА,

-время наработки на отказ около 200 лет1,8·10⁶ч.

Передаточная функция коммутатора:

3 РАСЧЕТ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА УРОВНЯ

В данном случае был выбран фотоэлектрический датчик уровня, который состоит из системы двух фотоэлементов.

Фотоэлементы непосредственно преобразуют лучистую энергию в электрическую; это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Величина фотоэффекта характеризуется двумя законами. 1. Законом Столетова: фотоэлектрический ток прямо пропорционален падающему на фотоэлемент лучистому потоку. 2. Законом Эйнштейна: максимальная энергия фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света независимо от его интенсивности. Таким образом, основной характеристикой фотоэлемента является зависимость выходного тока I_ф от величины светового потока  при неизменных внешних условиях, т. е. при постоянной длине световой волны  = const и постоянном напряжении U = const:

Если свет, падающий на фотоэлемент, является монохроматическим (имеет одну длину волны =0,75 мкм ), то характеристикой фотоэлемента является спектральная чувствительность:

,

где (техническая характеристика датчика).

Тогда из предыдущей формулы можно определить величину светового потока, т.е.:

.

Спектральная чувствительность — это чувствительность приемника к излучению с различной длиной волны; она определяется природой вещества, из которого сделан в приборе светочувствительный слой.

Спектральную чувствительность, при данной длине волны =0,75 мкм, можно определить по графику, приведенному на рисунке 2, причем был взят селеновый фотоэлемент. Т.е.

Рисунок 2 - Кривые спектральной чувствительности фотоэлементов: 1- селеновый; 2—сернисто-висмутовый; 3—сернисто-свинцовый; 4—селенисто-свинцовый; 5—термоэлемент

.

Но когда световой поток имеет разные длины воли, то интегральная чувствительность определяется:

Рассчитаем величину светового потока в данном случае, при длине волны =0,75 , где S=400 мк/лм, получим:

.

Удельная чувствительность фотоэлемента – отношение фототока к произведению величины падающего на фотоэлемент светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА / (лм · В), которая определяется формулой:

К₀ = I_ф / (U),

где; – падающий световой поток;

U = 220 В – напряжение, приложенное к фотоэлементу.