Разработка системы регулирования скорости нагревания и охлаждения

 

 

3.5.4 Усилитель сигнала  от контроллера

 

Микросхемы ULN2003, ULN2004 представляют собой набор мощных составных  ключей с защитными диодами на выходе. Наличие защитных диодов позволяет  подключать индуктивные нагрузки без  дополнительной защиты от выбросов обратного  напряжения. Аналогами являются микросхемы ULN2003, ULN2004 фирм "Texas Instruments" и "STMicroelectronics"

Особенности:

- Корпус DIP-16

- Номинальный ток коллектора 500 мА (одного ключа)

- Высоковольтный выход до 50 В

- Встроенный защитный диод на выходе

- Вход совместим с различными типами логики

- Возможность использования для управления реле

Предельные режимы эксплуатации при 25° C

- Напряжение коллектор-эмиттер 50 В

- Обратное напряжение защитного диода 50 В

- Входное напряжение 30 В

- Максимальный ток коллектора 500 мА

- Ток защитного диода 500 мА

- Суммарный ток вывода эмиттеров (Gnd)  - 2.5 А

 

 

3.5.5 Микроконтроллер

 

В качестве микроконтроллера выбираю 8 битный контроллер Atmega8-16PI, так как это относительно дешевый микроконтроллер, содержащий всю нужную переферию, включая интерфейсы SPI и Uart, имеющий ядро AVR и максимально подерживаемую тактовую частоту 16MHz. В качестве усилителя сигнала с термопары выбираю операционный усилитель AD8551 и стабилизатор к нему REF02EZ,  так как данная микросхема и стабилизатор специально предназначены для усиления сигнала с термопары. Для усиления сигнала с контроллера, для размыкания и замыкания Реле выбираю микросхему ULN2003AG, данная микросхема является транзисторным массивом, со встроенными защитными диодами.

Расчет блока питания БКТ и выбор элементов Блок питания будет состоять из трансформатора, диодного моста и стабилизатора на транзисторе.Транзистор выберем изходя из следующих параметров: максимальное напряжение колектор-эмитор Uкэмакс должно быть как минимум больше в 1,2 раза входного напряжения, максимальный ток коллектора должен быть как минимум больше выходного тока стабилизатора в 1,5 раза. Данным требованиям удовлетворяет транзистор КТ807А, он обладает следующими характеристиками: максимальный ток коллектора I_к.макс=0.5А, максимальное напряжение между коллектором и эмиттером U_{кэ.макс}=100В, напряжение между коллектором и эмиттером в режиме насыщения U_кэ.нас=0,6В,

Коэффициент передачи тока базы h_21Э=25.Напряжения стабилизации стабилитрона должно быть равно напряжению питания т.е 5В.По этому параметру выбираем стабилитрон КС156А, он обладает следующими характеристиками: напряжение стабилизации Uст=5В, минимальный ток стабилизации Iст.мин=3мА, максимальный ток стабилизации Iст.макс=55мА,

дифференциальное сопротивление rст=46Ом.Определяем входное напряжение стабилизатора ,

 Рассчитаем сопротивление  резистора Rб находящегося в  цепи базы транзистора КТ807А.

_,

_{где Iк  –входной ток коллектора}

100,77Ом

Полученное значение R_Б округляем до ближайшего стандартного значения из ряда Е24. R_Б=100Ом

Определяем входной  ток стабилизатора

    

_{Рассчитаем  средний прямой ток  диода в диодном  мосте}

_,

_{где М - количество фаз  выпрямителя для  мостового выпрямителя  равное 2.}

На основании среднего тока диода и обратного напряжения диода U_обр, выберем диодный мост КЦ405Е, у которого I_cp=1А, U_обр =100В.Трансформатор выберем готовый ТП112-19 со следующими параметрами выходное напряжение 9В выходной ток 0.5А, мощность 7Вт.Предохранитель возьмем ВП1-1-0,5А-250В.

 

 

3.5.6 Блок питания

 

Блок питания PS-303 предназначен для питания стабилизированным  напряжением 220В различного промышленного оборудования. В БП встроена функция резервирования нагрузки - переключение при пропадании основного питания, на внешнюю АКБ или аварийную сеть постоянного тока.

Электрические характеристики:

- Входное напряжение  основное питание: 220В 50/60Гц

- Выходное напряжение: 5В (стабилизировано).

- Номинальный ток нагрузки: 4,1A..27,5

- Номинальная мощность: 50..350 Ват

- КПД: 85%

Общие характеристики:

- Масса: не более  4 кг

- Класс защиты: IP 22

- Рабочая температура: -20..+55°C

- Температура хранения: -60..+70°C

- Габаритные размеры: 284,5x245x82 мм

 

 

 

Рисунок 3.5.6 – блок питания.

 

 

3.5.7 Конвертер Ufrt-RS485

 

Типичное применение конверторов - передача данных с ПЭВМ на один из интерфейсов. Простой выбор  одного из интерфейсов с помощью DIP-переключателя. Питание конвертора от USB.

При установке на ПЭВМ драйверов добавляется в операционную систему как дополнительный (виртуальный) COM-порт. Не требует настройки. Автоматическое определение скорости передачи. Интерфейс RS-485 обладает следующими техническими характеристиками:

- Допустимое число приёмопередатчиков (драйверов) 32

- Максимальная длина линии связи 1200 м (4000ft)

- Максимальная скорость передачи 10 Мбит/с

- Минимальный выходной сигнал драйвера ±1,5 В

- Максимальный выходной сигнал драйвера ±5 В

- Максимальный ток короткого замыкания драйвера 250 мА

- Выходное сопротивление драйвера 54 Ом

- Входное сопротивление драйвера 12 кОм

- Допустимое суммарное входное сопротивление 375 Ом

- Диапазон нечувствительности к сигналу ±200 мВ

- Уровень логической единицы (Uab) >+200 мВ

- Уровень логического нуля (Uab) <-200 мВ

RS-485 - полудуплексный  интерфейс. Прием и передача  идут по одной паре проводов  с разделением по времени. В  сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаются  в режиме приема.

 

 

Рисунок 3.5.7 - Схема приемопередатчика RS-485 и RS-422

 

D (driver) - передатчик; 
R (receiver) - приемник; 
DI (driver input) - цифровой вход передатчика; 
RO (receiver output) - цифровой выход приемника; 
DE (driver enable) - разрешение работы передатчика; 
RE (receiver enable) - разрешение работы приемника; 
A - прямой дифференциальный вход/выход; 
B - инверсный дифференциальный вход/выход; 
Y - прямой дифференциальный выход (RS-422); 
Z - инверсный дифференциальный выход (RS-422).

 

Рисунок 3.5.9 – Внешний вид конвертера Uart-RS485

 

 

Рисунок 3.5.10 – Принципиальная схема конвертера Uart-RS485

 

В устройстве имеются 3 разъема:

RS232 – Две микросхемы MAX232 используются для преобразования  сигналов из стандарта TTL в  V.24 и наоборот. Мы могли бы использовать специально предназначенную для этого микросхему MAX211, но она дорогая, и ее трудно найти в продаже, поэтому я решил использовать дешевую MAX232. Единственный недостаток такого решения в том, что не преобразуется сигнал RING, но он используется очень редко. Микросхема MAX232 имеет встроенный преобразователь напряжения +9 В –9 В, необходимый для соответствия сигналов стандарту V.24.

RS485 – Используется  преобразователь на микросхеме SN75176. Его передатчик управляется сигналом TXDEN с вывода CBUS2 микросхемы FT232R. Передатчик включается автоматически, только при передаче данных. Приемник конфигурируется путем выбора соответствующей функции на выводе CBUS3 микросхемы FT232R. Конфигурирование производится с помощью утилиты MPROG. Если задана функция «TXDEN» – приемник будет активен все время, пока не производится передача данных, и приема эхо в этом режиме происходить не будет. При выборе функции «PWRON» приемник работает всегда, принимая также и эхо. Функция «I/O» полностью отключает приемник и устанавливает его выход RX в высоко импедансное состояние. В этом режиме мы можем использовать другие интерфейсные разъемы на плате.

Цифровой выход приемника (RO) подключается к порту приемника UART (RX). Цифровой вход передатчика (DI) к  порту передатчика UART (TX). Поскольку на дифференциальной стороне приемник и передатчик соединены, то во время приема нужно отключать передатчик, а во время передачи - приемник. Для этого служат управляющие входы - разрешение приемника (RE) и разрешения передатчика (DE). Так как вход RE инверсный, то его можно соединить с DE и переключать приемник и передатчик одним сигналом с любого порта контроллера. При уровне "0" - работа на прием, при "1" - на передачу.

 

 

 

Рисунок 3.5.8 - Схема приемопередатчика RS-485

 

Приемник, получая на дифференциальных входах (AB) разность потенциалов (UAB) переводит их в цифровой сигнал на выходе RO. Чувствительность приемника может быть разной, но гарантированный пороговый диапазон распознавания сигнала производители микросхем приемопередатчиков пишут в документации. Обычно эти пороги составляют ± 200 мВ. То есть, когда UAB > +200 мВ - приемник определяет "1", когда UAB < -200 мВ - приемник определяет "0". Если разность потенциалов в линии настолько мала, что не выходит за пороговые значения - правильное распознавание сигнала не гарантируется. Кроме того, в линии могут быть и не синфазные помехи, которые исказят столь слабый сигнал.

Все устройства подключаются к одной витой паре одинаково: прямые выходы (A) к одному проводу, инверсные (B) - к другому.

 

 

4 Разработка принципиальной схемы БКТ

 

4.1 Принципиальная схема

 

Принципиальная схема БКТ приведена в приложении 1. Она состоит из

входного усилительного каскада на операционном усилителе DA2 - AD8551 и стабилизаторе DA1 - REF02EZ, АЦП - ADS8320, Микроконтроллера – Аtmega8-16PI  c кварцевым резонатором на 16MHZ, схемы преобразователя интерфейсов Uart в RS485 – D2 - Max485,  транзисторного массива D4 - ULN2003AG, блока питания и Реле K1 - TRH-12VDC-D-A-R 12V / 30A, 250VAC. Сигнал с термопары усиливается на входном усилительном каскаде, преобразуется в двоичный код на АЦП в качестве опорного напряжения, взято напряжение с стабилизатора REF02EZ, дальше данный двоичный код передается МК по интерфейсу SPI. Для включения и выключения реле 5В напряжение, с выхода PB0 МК, поступает на входы микросхемы D4, вследствии чего на выходах данной микросхемы сигнал изменяется с высокого уровня на низкий, так как между питанием и выходами этой микросхемы подключено реле, то через катушку реле начинает теч ток вследствии чего оно замыкается. Для преобразования интерфейсов служит микросхема Max485, которая подключена к контроллеру на выводы RXD и TXD, а также на вывод PB1, сигнал с которого используется для приведения микросхемы в соответствующее состояние «приемника» или «передатчика».

      

 

4.2 Расчёт максимального  тока потребления

 

При напряжении питания 5В

Микроконтроллер потребляет D3 I_{пот мк}=3,6мА

Микросхема D1 - I_{пот мик1}=0,003 мА.

Микросхема D2 - I_{пот мик2}=0,5 мА.

Микросхема DA2 - I_{пот мик3}=0,7 мА.

Максимальный ток потребления данной схемы:

I_{пот мк} + I_{пот мик1}+ I_{пот мик2}+ I_{пот мик3}=4,803мА≈5мА

При напряжении питания 12В

Микросхема D4 - I_{пот мик2}=100 мА.

Максимальная потребляемая мощность W=12В*0.1А+5В*0,005=1,225Вт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Разработка алгоритма работы  СРТ-1

 

5.1 Алгоритм работы СРТ-1

 

 

Рисунок5.1 – Алгоритм работы СРТ-1, где N, K, T переменные размером 1 байт.

 

 

 

 

6 Разработка алгоритма  работы  микроконтроллера

 

6.1 Алгоритм работы микроконтроллера

 

 

 

Рисунок 6.1 – Алгоритм работы микроконтроллера, где

U- двоичный код напряжения  поступившего с АЦП по SPI, N –  переменная 

отвечающая за количество обращений МК к АЦП во время  которых напряжение на нем не поменялось, характеризует нормальную работу БКТ, по его значению диспетчер может определить нормально работает БКТ или нет,А1-адрес микроконтроллера, адрес 1 БКТ 10000000b, 2 БКТ 01000000b, 3 БКТ 00100000b,

4 БКТ 00010000b, 5 БКТ 00001000b, 6 БКТ 00000100b, 7 БКТ 00000010b,8 БКТ 00000001b, Din последний не считанный бай в регистре приема Uart, Dout байт записываемый в регистр отправки(при присвоении ему нового значения),T- вычисленная температура, U1, T1, T2 – переменные размером 1 байт.

 

Во время запуска  МК, микроконтроллер присваивает всем переменным значения  указанные в Алгоритме. При  выставлении нуля в 1 бите регитра порта В (PB1=0), микросхема Max485 переходит в режим приемника, дальше производится проверка наличия данных в регистре приема данных UART, если данные есть то сравнивается 1 байт этих данных с Адресом МК, если они равны то считывается второй байт который равен новому значению температуры, дальше Max485 переводится в режим передатчика(PB1=1) и МК передает данные сначала о температуре(1 байт), затем о значении параметра N(1 байт), дальше сравнивается значение старой устанавливаемой температуры с новой,  если они равны то возвращаемся к началу алгоритма, если запрос по Uart не пришел или адрес не равен адресу МК, то смотрим изменилось ли значение на АЦП если, нет то прибавляем к N 1, если да или если при сравнении температур старая не равна новой, то присваиваем N=0, выбираем T по НСХ советующим термопаре К-типа(Хромель-Алюмель), сравниваем данное значение Т с 0,98 температуры устанавливаемой, если оно меньше замыкаем реле(PB0=1), если нет то размыкаем(PB0=0) и возвращаемся к началу алгоритма.