Описание принципиальной схемы

Введение

Развитие микроэлектроники и широкое применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно-технического прогресса.

Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения приводит не только к повышению технико-экономических показателей изделия (стоимости, потребляемой мощности, габаритных размеров) и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки «морального старения» изделий, но придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.).

За последние годы микроэлектроники бурное развитие получило направление, связанное с выпуском однокристальных микроконтроллеров (ОМК), которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения. ОМК представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС, и включающие в себя все составные части «голой» микроЭВМ: микропроцессор, память программы, память данных, также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС микроконтроллера), что микроконтроллерам, видимо, нет разумной альтернативной базы для построения управляющих и / или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно ОМК.

Объект автоматизации

В качестве объекта автоматизации была выбрана система регулирования равномерности нагрева печи обработки полимеров. Система позволяет управлять пятью электронагревателями и производить контроль температуры при помощи 5-ти термодатчиков. Сравнивая значение заданной температуры и температуры измеренной термодатчиками, необходимо включать и выключать соответствующие нагреватели. Управление производится при помощи клавиатуры. Состояние устройства должно отображаться на индикаторе.

Выбор микроконтроллера

Для решения поставленной задачи прежде всего необходимо выбрать микроконтроллер. Основанием для выбора данного микроконтроллера послужили следующие причины:

-  наличие достаточного количества портов ввода-вывода. К микроконтроллеру необходимо подключить клавиатуру, LCD-дисплей, схемы управления нагревателями и термодатчики.

-  наличие встроенного пятиканального АЦП.

-  наличие программного пакета для написания и отладки программы микроконтроллера Hi-Tech.

-  достаточная изученность микроконтроллера.

Принцип действия устройства

Описание структурной схемы

Структурная схема устройства состоит из следующих блоков:

-  микроконтроллера.

-  клавиатуры.

-  LCD-дисплея.

-  схем управления нагревателями (электронные ключи).

-  нагревателей.

-  термодатчиков.

-  усилителей.

Клавиатура предназначена для управления устройством. Нажатая клавиша обрабатывается микроконтроллером, который выполняет необходимые действия. Клавиатура состоит из 4-х кнопок: «On/Off», «+T», «-T», «Sel». Кнопка «On/Off» позволяет включить или выключить управление нагревателем, выбранным при помощи кнопки «Sel», кнопка «+T» увеличивает значение заданной температуры, а кнопка «-Т» - уменьшает.

LCD-дисплей - текстовый дисплей, 2 строки по 16 символов. Он необходим для отображения текущего состояния устройства. Формат отображаемой информации показан на рис. 1.

Рисунок 1. Формат отображения информации на LCD-дисплее

Схемы управления нагревателями подключаются к портам микроконтроллера.

Термодатчики представляют собой спай двух проводников, выполненных из различных сплавов. При нагревании такого спая на нём возникает напряжение, пропорциональное температуре. Такой спай называется термопарой.

Усилители необходимы для усиления напряжения, вырабатываемого термопарами, до напряжения, необходимого для работы АЦП микроконтроллера.

Описание принципиальной схемы

Операционные усилители DA1-DA5 и резисторы R1-R10 представляют собой неинвертирующие усилители, коэффициент усиления которых определяется по формуле:

К_У=1+ R6/R1.

В нашем случае необходим коэффициент усиления, при котором напряжение на выходе усилителя в мВ будет численно равно температуре в Кельвинах. Для нашей термопары коэффициент зависимости напряжения от температуры равен 2.33 мВ/К. Поэтому необходим коэффициент усиления К_У = 571. Выберем резисторы:

R1, R2, R3, R4, R5 - МЛТ-0.125-1 кОм ±5%

R6, R7, R8, R9, R10 - МЛТ-0.125-560 кОм ±5%

Операционные усилители выбраны типа КР140УД1208.

Конденсаторы С1, С2 и С6 включены по питанию, для сглаживания импульсных помех, возникающих при работе схемы.

Конденсаторы С3 и С4 включены по типовой схеме включения кварцевого резонатора ZQ1, обеспечивающего работу тактового генератора контроллера.

RC-цепочка R11С5 формирует сигнал «сброс» при включении питания, это необходимо для установки микроконтроллера в исходное состояние. При включении питания напряжение на конденсаторе C5 равно нулю, и на вход MCLR микроконтроллера поступает сигнал сброса, через некоторое время конденсатор C5 зарядится до уровня лог. 1 через резистор R11, и микроконтроллер начнёт работу.

Текстовый LCD-дисплей HG1 имеет размер экрана 2 строки по 16 символов, размер одного символа - 5х8. Обмен данными с дисплеем производится по 4-х разрядной шине данных, причём сначала передаются старшие 4 байта, а затем младшие, управление - по 3-м линиям: RS - означает, что передаётся через шину данных, 1 - данные, 0 - команда; RW - определяет направление передачи информации, 0 - запись (от контроллера к дисплею), 1 - чтение (от дисплея к контроллеру); Е - сигнал активности дисплея, при Е=0 дисплей не воспринимает сигналы шин данных и управления, при Е=1 ведётся обмен информацией между дисплеем и контроллером. Резистором R12 производится регулировка контрастности изображения на LCD-дисплее.

Клавиатура SA1, SA2, SA3 подключена к порту В микроконтроллера, так как этот порт имеет прерывание по изменению уровня на линиях RB7..RB4.

Схемы управления нагревателями подключены к линиям RB0..RB4 порта В.