Распределенная автоматизированная система управления (стр. 5 из 16)
Встроенные АЦП появились только в микроконтроллерах AT90S8534 и AT90S8535, семейства classicAVR, следовательно, младшие микроконтроллеры не пригодны для использования в данном проекте. Однако существующий у этих микроконтроллеров режим ШИМ имеет один существенный недостаток: частота ШИМ может принимать только несколько фиксированных значений в зависимости от предделителя. Так же необходимо отметить, что это последние микроконтроллеры данного семейства и компания ATMEL их больше не производит.
Все вышесказанное заставляет нас обратиться к семействуmegaAVR, где самым подходящим (т.е. обладающий всеми перечисленными свойствами) является микроконтроллер ATmega 16.
Перечислим его основные свойства:
· память программ 16 Кб (10000 циклов перезаписи);
· память данных 512 б;
· 32 8-разрядных регистров общего назначения;
· 2 востренных перемножителя;
· 2 8-разрядных таймера с раздельными предделителями;
· 1 16-разрядный таймер с раздельным предделителям и режимом захвата;
· программируемый сторожевой таймер;
· 4 канала ШИМ;
· 8-канальный встроенный АЦП;
· 4 порта ввода-вывода
· USART (универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик);
· SPI (последовательный периферийный интерфейс).
Рис 2.23. Разводка контактов для ATmega 16 в корпусе PDIP
Внешние выводы микроконтроллера:
· VCC и GND (общий) – клеммы подключения источника питания цифровых элементов;
· AVCC, AGND (общий провод для аналоговых входов АЦП), AREF – питание и опорное напряжение АЦП и его мультиплексора;
· RESET – сигнал внешнего сброса (низкий уровень длительностью более 50 нс), при включении питания сброс микроконтроллера производится автоматически
· XTAL1 и XTAL2 – соответственно вход и выход тактового генератора (для подключения частотозадающего кварцевого резонатора и общей синхронизации с другими устройствами), аналогичные электроды вспомогательного генератора асинхронного режима таймера 2 – выводы PC6 и PC7;
· PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD7 – 32 линии ввода-вывода, объединены в 4 восьмиразрядных порта (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD. Их функции дублируются входами и выходами встроенных в микроконтроллер периферийных устройств.
· AREF - опорное напряжения АЦП.
Альтернативные функции выводов микроконтроллера:
· Т0, Т1 – входы таймерв/счетчиков от внешнего источника импульсов,
· AIN0, AIN1 – положительный и отрицательный выходы аналогового компаратора,
· SS, MOSI, MISO, SCK – выводы для подключения SPI устройств,
· RXD, TXD – вход и выход блока UART,
· INT0, INT1 – входы для внешних источников прерываний,
· OC1B, OC1A, OC2 – выходы таймеров/счетчиков,
· ICP – вход защелки (ловушки) таймера/счетчика,
· ADC0-ADC7 – входы каналов АЦП,
· TOSC2, TOSC1 – входы внешних осцилляторов для таймеров/счетчиков.
Имеет Flash-память объемом 8 Кбайт, а также встроенную EEPROM-память объемом 512 байт и такую же по объему SRAM-память. Все это позволяет создавать на его основе достаточно эффективные приложения, с возможностью сохранять некоторые параметры процесса в энергонезависимой памяти [8].
Таймер T/C1 – 16-битный. Он обладает хорошими возможностями для использования его в качестве широтно-импульсного преобразователя (ШИМ). Для его настройки используются несколько регистров. В них мы можем задать режим работы таймера, скважность генерируемых импульсов, частоту синхронизации и т.д. Временные диаграммы работы счетчика в режиме широтно-импульсного преобразователя приведены на рис. 2.24.
Рис. 2.24. Временные диаграммы работы счетчика в режиме ШИМ.
Поясним кратко его работу. 16-разрядный счетчик подсчитывает каждый импульс, поступающий на его вход с делителя частоты. При этом сначала он считает вверх (то есть, прибавляя единицу на каждом шаге), а по достижении верхнего значения FF он начинает считать вниз (то есть, вычитая единицу на каждом шаге). При этом если значение в регистре TCNT1 меньше OCR1, на выходе ШИМ преобразователя (PWMOutput) устанавливается единица. Если же значение регистра TCNT1 превышает содержимое OCR1, на выходе ШИМ преобразователя устанавливается логический ноль. Это позволяет генерировать импульсы с заданной частотой и скважностью для управления аналоговыми исполнительными механизмами. В нашем случае к его выходу подключается усилитель мощности, питающий ИМ.
2.8. Разработка принципиальной схемы.
Так как датчики ТСМ-012 и Метран-ЗООПР имеют токовый выход с максимальным значением 20мА. Поэтому перед подачей на вход микроконтроллера его необходимо преобразовать в напряжение и нормализовать. Схема блока согласования уровней сигналов приведена на рис. 2.26. В качестве ОУ используется прецизионный операционный усилитель К140УД17 с низким дрейфом нуля и малым напряжением смещения [10].
Рис. 2.25. Операционный усилитель К140УД17.
Таблица 2.1. Основные параметры ОУ К140УД17.
| Напряжение питания, UП | ±15В±10% |
| Коэффициент усиления | 200000 |
| Сопротивление нагрузки | >1000Ом |
| Напряжение смещения | ±2мВ |
| Частота единичного усиления, f1 | 0,4 МГц |
| Разность входных токов, DIВХ | 0,2 нА |
| Температурный дрейф разности входных токов DIВХ /DT | не более0,12 нА/C° |
| Синфазное напряжение | ±6 В |
| Температурный коэффициент напряжения смещения, DUСМ/DT | не более3 мкВ/C° |
Рис. 3.25. Схема блока согласования.
Операционный усилитель К140УД17 требует для своего питания стабильного напряжения номиналом
В., поучаемой с помощью трансформатора с двумя вторичными обмотками, выпрямителя VD7, VD8, VD9, VD10 и двух идентичных стабилизаторов напряжения. 
Рис. 2.27. Схема стабилизатора напряжения на
В.Исполниетельные механизмы требуют для своей работы высокого напряжения 220В, а также потребляют достаточно большую мощность. Для формирования рабочих напряжений на них необходимо использовать соответствующие усилители мощности, реализованные на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).
IGBT представляют собой гибрид биполярного и полевого транзистора и сочетают в себе все их положительные качества. IGBT имеют большую коммутируемую мощность, высокие рабочие частоты, малые статические и динамические потери, малую мощность управляющего сигнала. Несмотря на то, что скорости переключения IGBT достаточно высоки, они включаются все же медленней, чем МОП-транзисторы. IGBT имеют затяжку тока при выключении, что ограничивает частоты переключения с ШИМ и в других ключевых схемах пределом около 50кГц.
Во входной цепи IGBT-транзисторов присутствует достаточно большая емкость, наличие которой связано с технологией производства подобных приборов. Для ее перезаряда требуется специальным образом сформированное напряжение. Для этих целей промышленностью выпускаются специализированные микросхемы драйверов. Их главное назначение – обеспечение выходного тока, достаточного для быстрого перезаряда входных емкостей транзистора, и как следствие, транзистор может работать на больших частотах. В качестве драйвера предлагается использовать микросхему IR2118 от фирмы International Rectifier.
Для питания выходных каскадов силовой части блока необходимо наличие постоянного напряжения величиной 220 В, которое формируется с помощью двухполупериодного выпрямителя, оснащенного сглаживающим фильтром, выполненном на электролитическом конденсаторе.
Рис. 2.28. Схема выпрямителя.
Основное питающее напряжение схемы +5 В. Для его формирования используется схема представленная на рис. 3.30.
Рис. 2.29. Схема стабилизатора +5В.
АЦП микроконтроллера ATmega 16 требует присутствия внешней схемы, обеспечивающей стабильное напряжение UAREF=4,096В. В качестве источника опорного напряжения используется микросхема TL431 (рис.3.31) – прецизионный регулируемый источник опорного напряжения, имеющий в своем составе достаточно сложную схему термокомпенсации, и позволяющий получить точно заданное значение выходного опорного напряжения, стабильное в широком диапазоне температур [10].
Рис. 2.30. Микросхема TL431.
Принципиальная схема САУ смесительного устройства представлена в приложении (чертеж ЦТРК 2101.980901.0000.Э03).
3. Сопряжение верхнего и нижнего уровней АСУ тепличного комбината
Одной из составных частей современного электронного оборудования стали коммуникационные сети. Они занимают серьезное место в области использования персональных компьютеров, периферийных устройств, офисного оборудования, управления инженерным оборудованием зданий, контроля производственных процессов и даже в таких областях, как управление различными приборами автомобилей и управление бытовой техникой. Однако, в зависимости от области применения требования к сетям совершенно различны. Так как между нижним и верхним уровнями АСУ тепличного комбината происходит постоянный обмен информацией о ходе технологического процесса, поэтому необходимо организовать её надежную передачу.