Разработка устройства логического управления (контроллера) промышленного назначения

Разработка устройства логического управления (контроллера) промышленного назначения

Введение.

В данном курсовом проекте поставлена задача разработать некий промышленный контроллер для работы в условиях производства. Задача может быть выполнена на микропроцессоре с гибкой программируемой логикой, а также на дискретных элементах с жесткой логикой.

Реализация на микропроцессоре обладает весомыми преимуществами. Гибкая логика, возможность легкой модернизации контроллера, перспективность.

Программируемая логика реализована на микропроцессоре типа МК-51 фирмы ATMEL — AT89C51, который благодаря встроенной FLASH памяти, обладает возможностью электрического перепрограммирования, а значит быстрой модернизации управляющей программы.

Наличие микропроцессора в современных контроллерах позволяет создавать сложные, гибкие, компактные и надежные системы управления с централизованным управлением и диагностикой.

Структурный синтез цифрового автомата

Обозначим структуру проектируемого микроконтроллера.

Управляющий логический блок на основе микропроцессора.

Блок сбора информации и преобразования ее в вид, требуемый для обработки микропроцессором.

Блок гальванической развязки входных сигналов и сигналов, поступающих на микропроцессор.

Блок связи с исполнительными устройствами (включающий гальваническую развязку) для преобразования выходных сигналов микропроцессора в мощные сигналы управления.

Блок начального сброса микропроцессора.

Блок индикации входных и выходных сигналов.

Блок электропитания контроллера.

2. Разработка принципиальной схемы.

1. Управляющий логический блок.

В качестве основы для контроллера выбран популярный микропроцессор типа MK-51 от фирмы Atmel — AT89C51.

Его основные преимущества перед подобными процессорами иных фирм:

Полностью совместим с семейством МК-51.

4 кб встроенной перепрограммируемой Flash памяти (включая перепрограммирование непосредственно на плате по протоколу SPI) при не менее 103 циклов перезаписи.

Работа на частотах от 0 до 40 МГц.

128×8 бит ОЗУ.

32 программируемых линии портов ввода/вывода.

Два 16-битных таймера счетчика

Шесть источников прерываний

Программируемый последовательный канал совместимый с RS-232-S.

2. Блок сбора информации и преобразования ее в вид, пригодный для обработки микропроцессором.

Входная информация и выходная информация проходит через внешний разъем типа РШ2Н-2−16.

В таблице 1 приведен список и условное обозначение входных и выходных сигналов из задания.

Табл. 1.

Наименование сигнала по заданию

Присвоенное название

Входные сигналы

S1 — контактный датчик

S1

S2 — контактный датчик

S2

S3 — контактный датчик

S3

Ua — Аналоговый сигнал напряжения в диапазоне 0.10В

UA

Ev — датчик освещенности 0.200лк

EV

Выходные сигналы

Электромагнит Y1

Y1

Электромагнит Y2

Y2

Тр. Модуль — VT1

Y3

Тр. Модуль — VT2

Y4

Условия переходов автомата

S1 Ú U < 7 B

X1

EV < 40 лк

X2

(S1 Ú S2) Ú U > 1 B

X3

S3 ^ EV < 50 лк

X4

S2 ^ U < 3 B

X5

EV > 100 лк

X6

Сигнал с датчика освещенности (фоторезистора СФ2−1) снимаем по такой схеме:

Далее сигнал поступает на делительный мост из резисторов, формирующий нужный уровень сигнала, подаваемый на схему из двух компараторов. На не инвертирующий вход компаратора подается измеряемая величина напряжения, а на инвертирующий — величина опорного напряжения, при достижении которой значение логического сигнала на выходе компаратора меняется на противоположное. Срабатывание при нужном значении освещенности регулируется подстроечными резисторы марки РП1 — 48 10КОм±10%.

Компаратор LM29000.

Его электрические характеристики:

Максимальный потребляемый ток 2 мА.

Напряжение смещения 1 мВ.

Корпус DIP-14.

Для организации высокостабильного опорного напряжения выбраны специализированная микросхема LM4130 фирмы National Semiconductor.

Выходное опорное напряжение 4.096 В

Погрешность выходного напряжения 0.05%

Температурный коэффициент нестабильности 3*10-6/оС

Минимальное входное напряжение 5 В

Потребляемый ток 1 мА

Максимальный выходной ток 30−50 мА

Изменение выходного напряжения (при Iвых=30.50 мА) 0.05%

По такой же схеме организован прием и формирование логических сигналов UA на микропроцессор.

3. Блок гальванической развязки входных сигналов и сигналов, поступающих на микропроцессор.

Входные величины поступают из внешней (для контроллера) среды, что говорит о возможном наличии помех различных типов. Так же необходимо предусмотреть возможность неправильной полярности подключения датчиков. Поэтому возникла необходимость в гальванической развязке сигналов.

Для того, чтобы развязать входные уровни микропроцессора и входных сигналов от датчиков применены три оптопары К249КН4П. Характеристики, по которым они были выбраны:

Uмахком=60 В;

Iвхmin=10 мА;

Iвхmax=25 мА;

Iком=8 мА.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются из условий максимального входного и коммутируемого токов. Диод обеспечивает защиту от неправильной полярности включения.

Резисторы:

R1 C2 — 23 0.25Вт 1600 Ом±0.25%

R2 C2 — 23 0.125Вт 270 Ком±0.1%

Диод КД521А (Д220А):

Uпр=1 В, Uобр=75 В, Iпр. ср=50мА, Iобр=1мкА.

Обработка выходных величин: Электромагнит.

В данной работе автомат генерирует выходной сигнал управления электромагнитом (=24 В, 10Вт). Данная мощность явно не позволяет подключать электромагнит непосредственно к выходу микропроцессора, поэтому здесь целесообразно применить мощные твердотельные оптоэлектронные реле. Мощность на выходе которых может достигать достаточно больших значений. В оптопаре одновременно реализуется гальваническая развязка силовой и управляющей цепей, а также усиление по мощности сигнала.