Выдержка из текста работы
Объектом исследования данной курсовой работы является исследование микроконтроллера К1816ВЕ51 и построение микропроцессорной системы контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом.
Целью работы является разработать систему контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом.
В процессе работы рассмотрены конструктивные особенности узлов. Приведены структурная, принципиальная схема и блок-схема алгоритма работы.
Основные технико-эксплуатационные характеристики:
количество точек контроля аналоговых — 16;
количество точек контроля цифровых — 32;
количество точек контроля цифровых 8-разрядных — 20;
производить опрос через каждую минуту;
время опроса 12 часов;
система контроля стационарная;
температурный диапазон от 0 C до +70 C;
реакция на падение напряжения.
Содержание
- Введение
- Существующие микропроцессорные системы
- Разработка системы контроля
- 1. Описание микросхем системы
- 1.1 Однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51.
- 1.2 Аналого-цифровой преобразователь К572ПВ4
- 1.3 Источник опорного напряжения К1009ЕН2А
- 1.4 ПЗУ К573РФ8
- 1.5 ОЗУ 62256
- 1.6 Регистр 1533ИР22
- 1.7 Компаратор К521СА3А
- 2. Разработка структурной схемы
- 3. Разработка принципиальной схемы
- 3.1 Состав
- 3.2 Конструктивные особенности
- 3.3 Реакция схемы на падение напряжения
- 4. Подключение датчиков к схеме
- 4.1 Подключение аналоговых датчиков
- 4.2 Подключение цифровых датчиков
- 4.3 Подключение дискретных датчиков
- 5. Подключение управляющих механизмов
- 6. Разработка блок-схемы алгоритма работы
- 7. Конструкторский расчет
- 7.1 Расчет необходимого размера оперативной памяти
- 7.2 Расчет потребляемой мощности
- Заключение
- Список используемых источников
|
Адресная шина |
||||
|
A2 |
A1 |
A0 |
||
|
AIN0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
AIN1 |
0 |
0 |
1 |
|
|
AIN2 |
0 |
1 |
0 |
|
|
AIN3 |
0 |
1 |
1 |
|
|
AIN4 |
1 |
0 |
0 |
|
|
AIN5 |
1 |
0 |
1 |
|
|
AIN6 |
1 |
1 |
0 |
|
|
AIN7 |
1 |
1 |
1 |
Таблица 2. Подключения выводов программирования микросхемы К1009ЕН2А.
|
Выходное напряжение |
Выводы программирования |
|
|
10.0В |
Выводы 2.5В (3), 5.0В (2) оставить свободными |
|
|
7.5В |
Соединить выводы 2.5В (3) и 5.0В (2) |
|
|
5.0В |
Соединить выводы 5.0В (3) с выходом (1) |
|
|
2.5В |
Соединить выводы 2.5В (3) с выходом (1) |
1.4 ПЗУ К573РФ8
Микросхема К573РФ8 представляет собой постоянное запоминающее устройство с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием информации. Объем памяти составляет 256Кбит. Организация памяти 32К8. Для стирания содержимого ПЗУ в корпусе установлено специальное окошко. Напряжение программирования составляет 21,5В. Микросхема состоит из накопителя, выполненного на базе n-МОП элементах с плавающим затвором.
1.5 ОЗУ 62256
Микросхема 62256 иностранного производства представляет собой микросхему статического ОЗУ. Объем ОЗУ 256Кбит. Организация памяти 32К8. 14-разрядная шина адреса. Выполнена на базе КМОП- технологии.
1.6 Регистр 1533ИР22
8-разрядный регистр с параллельным входом и третьим состоянием выхода. Передача параллельного восьмиразрядного кода на выход Q производится асинхронно подачей уровня логической 1 на вход загрузки L, при . Для фиксации данных на входе L устанавливают уровень логического 0. Перевод выхода регистра в третье состояние происходит при , не зависимо от состояния других входов.
1.6 Компаратор К521СА3А
Компаратор представляет собой специализированный операционный усилитель с дифференциальным входным каскадом, работающем в линейном режиме, и одиночным или парафазным выходным каскадом, работающем в режиме ограничения. На один из входов компаратора подают исследуемый сигнал, на другой — опорное напряжение. Если разность меньше напряжения срабатывания, на выходе формируется сигнал логической 1, в противном случае — сигнал логического 0.
2. Разработка структурной схемы
микроконтроллер двигатель скважина бурение
Структурная схема системы контроля состоит из центрального процессора (ЦП), ОЗУ, ПЗУ, схемы контроля пропадания напряжения (СКПН), делителя частоты, дешифратора, аналого-цифрового преобразователя, регистров, системной шины и шины обмена.
В качестве ЦП используется однокристальный микроконтроллер. Она служит для управления работой всей схемы: формирования сигналов чтения аналоговых и цифровых датчиков, формирования сигналов передачи данных на верхний уровень.
ОЗУ используется, как устройство хранения данных, считываемых с датчиков. В ПЗУ хранится программа для работы микроконтроллера.
Дешифратор формирует сигналы выбора АЦП и регистров исходя из состояния сигналов на шине адреса (ША) и шине управления (ШУ).
Регистры предназначены для отделения сигналов с цифровых и дискретных датчиков от шины данных (ШД).
АЦП выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой восьмиразрядный код.
При чтении аналогового датчика цифровой код, соответствующий амплитуде аналогового сигнала, поступает на ШД. Далее он считывается ЦП во внутренний регистр и выполняется команда записи данных в ОЗУ. При этом считанный восьмиразрядный код поступает из внутреннего регистра процессора по шине данных в ОЗУ. При чтении цифрового восьмиразрядного или группы дискретных датчиков данные также поступают в процессор, а затем в ОЗУ.
После завершения всех циклов считывания датчиков система передает данные на верхний уровень. Данные по очереди считываются из ОЗУ в ЦП и передаются на верхний уровень по последовательному каналу обмена (ПК). Для этого у микроконтроллера есть последовательный порт для обмена данными.
Для управления объектом предоставлен порт P1. Через него могут передаваться управляющие сигналы к механизмам — насосу нагнетания промывочной жидкости, лебедке, электромагнитному тормозу и др.
Для работы в схеме в реальном времени предусмотрен генератор тактовых импульсов (ГТИ), формирующий тактовые сигналы для отсчета времени.
3. Разработка принципиальной схемы
3.1 Состав
Принципиальная схема состоит из кварцевого резонатора ZQ1, схемы сброса C3, R2, VD1, микроконтроллера DD1, счетчика-делителя DD2, регистра адреса DD4, дешифратора ВУ DD3, DD5, DD6, ПЗУ DD7, ОЗУ DD8, буферных регистров DD9-DD32, АЦП DD33, DD34, схемы реакции на падение напряжения R3, R4, VD2-VD4, C4, C5, DA1, источника опорного напряжения DA2.
3.2 Конструктивные особенности
На конденсаторах C1, C2 и кварцевом резонаторе ZQ1 собрана времязадающая цепочка, определяющая частоту внутреннего тактового генератора микроконтроллера МК51. Конденсаторы C1 и C2 выбраны равными 30пФ. Кварцевый резонатор выбран на частоту 11.0592МГц.
Для начального сброса системы при включении питания поставлена дифференцирующая цепочка C3R2, выход которой подключен к входу RST микроконтроллера. Вход цепочки подключен к напряжению питания +5В. При включении питания на выходе дифференцирующей цепи появляется короткая логическая единица. Для уверенного сброса значение емкости C3 выбрано равным 10мкФ, а резистор равным 8.2кОм. Для быстрой разрядки конденсатора поставлен диод VD1.
Выход внутреннего генератора МК51 BQ2 заведен на вход C делителя частоты, собранного на двух счетчиках в одном корпусе (DD2). Делитель используется для формирования тактовой частоты для работы АЦП и для работы таймера. Для АЦП формируется частота 1,3824 МГц (сигнал T1), а для таймера — 43,2КГц (сигнал C8). Последняя заводится на вход T1 микроконтроллера. Например, для получения прерываний с частотой 1Гц в таймер загружается число 65536-43200=22336. При этом прерывание будет происходить раз в секунду. Но первым делом, перед выполнением программы обработки прерывания необходимо поставить команды перезагрузки таймера. Это необходимо потому, что прерывание происходит, когда счетчик переполняется, т.е. в него записывается 0. Если не производить переустановки таймера, то очередное прерывание произойдет не через одну секунду, а примерно через 1,5 секунды. При работе таймер должен работать в режиме 1.
Во время работы микроконтроллер при обращении к внешней памяти формирует адрес через порты P0 и P2 (на схеме они обозначены как AD0-AD7 и A8-A15 соответственно). Старший байт адреса удерживается в течение всего цикла обращения к внешней памяти, а младший байт появляется только на короткий промежуток времени, так как порт P0 еще используется как канал данных. По этому, для удерживания младшего байта адреса в течение всего цикла обмена установлен регистр DD4, запись в который происходит по сигналу ALE.
В схеме присутствует ПЗУ емкостью 32Кбайт, предназначенное для хранения программы, и ОЗУ емкостью 32Кбайт, предназначенное для хранения данных, считанных с датчиков. Выбор ПЗУ производится сигналом , формируемым микроконтроллером при обращении к программной памяти.
Память данных условно разбита на два банка. Разбиение показано на рисунке 2. Как видно из рисунка, обращение к внешнему ОЗУ происходит по адресам, находящимся ниже адреса 8000h, т.е. когда старший бит адресного слова A15 равен нулю. Этот адресный бит заведен на вход микросхемы ОЗУ DD8. Когда мы обращаемся к ячейке памяти данных по адресу, находящемуся между 0000h и 7FFFh, то сигнал A15 устанавливается в 0, тем самым, выбирая микросхему памяти. На вход микросхемы заводится сигнал , снимаемый с выхода (17 ножка корпуса) микроконтроллера. Вход соединен с выходом (16 ножка). При чтении данных из ОЗУ на входе формируется логический нуль, и если адрес находится в интервале 0000h-7FFFh, то разрешается выдача байта на шину данных микроконтроллера, и выходы DD8 переводятся из высокоимпедансного состояния в состояние, определяемое содержимым адресуемой ячейки памяти. При записи в ОЗУ микроконтроллер устанавливает сигнал в логический нуль. По этому сигналу с шины данных байт информации переписываются в микросхему. При этом выходные каскады ОЗУ находятся в высокоомном состоянии, так как на входе держится логическая единица. Это позволяет избежать эффекта короткого замыкания, когда, например, ОЗУ на выходе D0 формирует логическую единицу, а микроконтроллер на этом же выводе формирует логический нуль. В такой ситуации происходит замыкание источника питания через выходные каскады микросхем. Это не страшно для источника питания, так как ток протекает небольшой, но может оказаться нежелательным для микросхем, если у них выходные каскады маломощны.
При чтении сигналов с датчиков используется верхняя половина адресуемой памяти данных — банк датчиков (см. рис. 2). Банк датчиков разбивается на группы (см. рис. 6). Для фиксирования обращения к банку датчиков, так же как и при обращении к ОЗУ, используется сигнал A15=1.
При чтении по адресам выше 7FFFh происходит выбор дешифратора DD3. На адресный вход дешифратора подаются A4 и A5. Выходы дешифратора заведены на дешифраторы регистров DD5, DD6 и на вход аналого-цифровых преобразователей DD33, DD34. Как видим, здесь применена схема увеличения разрядности дешифраторов. При этом, когда A5A4=00, выбирается ЦД0 (см. рис. 3), если A5A4=11, то выбирается АД1.
Как видно из рис. 6, аналоговые датчики дублируются в своей группе. Это объясняется следующим. Так как цифровые и дискретные датчики объединены, количество адресуемых байтов для них стало равным 24. Разбили их на две группы: 16 и 8 датчиков, при этом элементы первой группы адресуются с помощью 16-разрядного (по выходам) дешифратора К1533ИД3, а элементы второй группы — с помощью 8-разрядного дешифратора К1533ИД7. У микросхемы К1533ИД7 имеется три входа разрешения дешифрации , , , которые объединены по И (выбор происходит, когда ). На заводится сигнал выбора с дешифратора DD3, а на — сигнал A3. Из-за последнего удается избежать дублирования адресов датчиков в группе без дополнительных микросхем.
Рис. 2. Распределение адресов памяти данных.
Рис. 3. Структура банка датчиков
Для аналоговых датчиков такое условие может быть выполнено только с использованием дополнительных микросхем, так как у них только один вход выбора кристалла .
Т.о. видно, что цифровые и дискретные датчики находятся друг за другом непрерывно, и для последовательного их опроса необходимо будет просто увеличивать адрес. Для аналоговых датчиков необходимо будет после последовательного опроса первых восьми датчиков изменить адрес. Далее последовательно опросить остальные восемь датчиков. Но если установить начальный адрес, к примеру, равным 8028h, т.е. на начало дублирующего блока АД0, то можно будет последовательно опросить все 16 аналоговых датчиков.
По этим данным составлены форматы адресов для чтения датчиков. Они представлены на рисунке 4 и рисунке 5.
Рис. 4. Формат адреса чтения состояния цифровых датчиков.
Рис. 5. Формат адреса чтения состояния аналоговых датчиков.
Входы дешифраторов DD5, DD6 заведены на входы регистров DD9-DD32, которые служат для развязки шины данных от датчиков и для выборочного чтения. На входы регистров приходят сигналы непосредственно с датчиков, а выходы регистров запараллеливаются и подсоединяются на шину данных AD0-AD7. Когда ни один из дешифраторов DD5,DD6 не выбран, то выходы всех регистров находятся в высокоимпедансном состоянии. Когда на одном из выходов дешифраторов появляется логический нуль, то этот нуль поступает на вход соответствующего регистра. Выход этого регистра переходит из высокоомного состояния в одно из логических состояний, при этом на его выходе данные повторяют сигналы на входе. Далее сигналы с шины данных читаются однокристальной микро-ЭВМ.
Чтение аналоговых сигналов происходит следующим образом. При чтении из памяти данных по адресу, соответствующему рисунку 8 на одном из выходов 2 (13 ножка) или 3 (12 ножка) появляется логический нуль. Пусть, к примеру, на шине адреса установился адрес 8033h. Младшие три бита адреса 011 приходят на входы A0-A2 микросхем АЦП. По стробу ALE эти биты фиксируются во внутреннем регистре; записывается адрес считываемого канала аналогового сигнала. После записи младшего бита адреса в адресный регистр DD4 по нулевому уровню сигнала на выходе 3 дешифратора DD3 появляется нулевой уровень: CS3=0. На вход аналого-цифрового преобразователя DD34 поступает логический нуль. После этого на выходе преобразователя формируется цифровой код, соответствующий входному напряжению на разъеме XS2, цепь AI11.
Для работы АЦП требуется: опорное напряжение верхнего и нижнего уровня VR1, VR2 и тактирование CLK. Нижний уровень выберем равным нулю, верхний уровень опорного напряжения VR1=2,5В.
3.3 Реакция схемы на падение напряжения
Для реакции системы на падение напряжения служит схема VD2- VD4, R3, R4, C4, C5, DA1. При нормальном напряжении питания на конденсаторе C4 напряжение составляет 3,3В (напряжение стабилизации стабилитрона VD3). Резистор R4 служит для задания тока стабилизации стабилитрона VD3. Движок резистора R3 установлен в такое положение, что при нормальном напряжении питания напряжение на нем немного превышало бы минимальное напряжение стабилизации стабилитрона VD3. При этом уровень сигнала на выходе компаратора соответствует уровню логической единицы. Напряжение на конденсаторе C5 равно напряжению питания схемы +5В.
При пропадании напряжения питания, напряжение на конденсаторе уменьшается до минимального напряжения стабилизации стабилитрона VD3. При этом стабилитрон закрывается. Напряжение на подвижном контакте резистора R3 становится ниже напряжения на конденсаторе C5. При этом напряжение на входе A становится ниже напряжения на входе B, и на микроконтроллер подается сигнал прерывания. Диод VD4 не дает конденсатору C5 разряжаться через источник питания. Этот конденсатор поддерживает работу процессора в течение некоторого времени. За это время микроконтроллер передает на верхний уровень сигнал пропадания напряжения питания, а также производит аварийный останов механизмов в соответствии с программой.
4. Подключение датчиков к схеме
4.1 Подключение аналоговых датчиков
Аналоговые датчики, подключаемые к системе сбора данных должны иметь выходным параметром напряжение, находящееся в диапазоне от 0В до 2,5В. Подключение аналоговых датчиков производится через разъем XS2. Положительный потенциал подключается к одному из контактов AI0-AI15 (выводы с 1 по 16). Отрицательный потенциал всех аналоговых датчиков подключается к контакту «земля» (вывод 17).
4.2 Подключение цифровых датчиков
Цифровые датчики, подключаемые к системе, должны иметь уровень логической единицы от 3В до 5В, уровень логического нуля от 0В до 0,8В. Двадцать цифровых датчиков подключаются к разъемам XS3-XS12. На каждый разъем можно подключить два цифровых датчика; на них приходится одна «земля» (вывод 17).
4.3 Подключение дискретных датчиков
Дискретные датчики, подключаемые к системе, должны иметь уровень логической единицы от 3В до 5В, уровень логического нуля от 0В до 0,8В. Тридцать дискретных датчиков подключаются к разъемам XS13, XS14. На каждый разъем можно подключить 16 дискретных датчиков; на них приходится одна «земля» (вывод 17).
5. Подключение управляющих механизмов
Управляющие механизмы подключаются к разъемам XS15 через специальный интерфейс, который производит дешифровку управляющих сигналов и цифроаналоговое преобразование.
6. Разработка блок-схемы алгоритма работы
Алгоритм работы приведен в приложении 2.
Рассмотрим работу по алгоритму подробнее.
Начало алгоритма работы схемы.
Проверка системы и инициализация. В этом пункте предусматривается тестирование ОЗУ, проверка контрольной суммы ПЗУ. Далее настраиваются последовательный порт, переключается работа таймеров в режим 1, маскируются прерывания INT0 и, если нужно, прерывание от таймера T0.
Запускается программа отсчета времени.
Производится опрос датчиков.
Если этот опрос датчиков не последний, то переход на п.4.
Проанализировать собранные данные. Если что-то не так, подать управляющие сигналы на механизмы. Далее переход на п.3.
Начало прерывания от таймера.
Увеличение счетчика времени (секунд) на единицу.
Конец подпрограммы обработки прерывания от таймера.
Начало подпрограммы обслуживания прерывания от последовательного порта.
Принята команда запроса состояния системы? Если нет, то перейти на п.13.
Передача слов состояния системы на верхний уровень. Далее переход на конец прерывания (п. 19).
Принята команда запроса на управление механизмами? Если нет, то перейти на п.15.
Принять информацию об управляющих воздействиях и сформировать управляющие сигналы.
Принята команда передачи данных о состоянии датчиков? Если нет, то переход на конец прерывания п.19.
Если передача данных не возможна, то переход на п.18.
Передача данных из ОЗУ на верхний уровень. Переход на конец прерывания п.19.
Передача сообщения, что данные еще не готовы.
Конец подпрограммы обработки прерывания от последовательного порта.
7. Конструкторский расчет
7.1 Расчет необходимого размера оперативной памяти
Аналоговые сигналы преобразуются в цифровой восьмиразрядный код. Следовательно, для хранения информации об одном аналоговом сигнале необходим один байт. Для одного цикла считывания потребуется 16 байт ОЗУ для аналоговых датчиков. Цифровые одноразрядные сигналы будут разделены на группы — по 8 в каждой. Здесь для одного цикла считывания потребуется 4 байта (32/8=4 байта). Для хранения одного цикла опроса цифровых восьмиразрядных датчиков потребуется 20 байт ОЗУ. Таким образом, для хранения результатов считывания за один цикл потребуется 40 байт ОЗУ.
За время опроса будет совершено 12*60=720 циклов опроса датчиков. Таким образом, для хранения информации о состоянии датчиков в течение времени опроса нам потребуется 720*40=28800 байт ОЗУ. Для хранения такого объема информации выберем микросхему ОЗУ 62256.
7.2 Расчет потребляемой мощности
Потребляемая мощность схемы складывается из потребляемой мощности всех элементов схемы: цифровых, аналоговых микросхем и дискретных элементов. Расчет может быть проведен по формуле 1.
Рассчитаем потребляемую мощность цифровых микросхем. Для некоторых микросхем в справочниках указан потребляемый ток:
Тогда потребляемая ими мощность будет равна:
Но реальная мощность потребления ниже, т.к. в справочниках указана наибольшая потребляемая мощность и у большинства микросхем выходы будут находиться в состоянии высокого импеданса. Потребляемая мощность аналоговых микросхем и дискретных элементов мала, поэтому пренебрежем ими с учетом указанного выше условия.
Таким образом, потребляемая схемой мощность составляет 6Вт.
|
Поз. обозначение |
Наименование |
Кол. |
Примечание |
|
|
Резисторы |
||||
|
R1, R5…R20 |
МЛТ0125-1кО 10% |
17 |
||
|
R2 |
МЛТ0125-8,2кОм 10% |
1 |
||
|
R3 |
СП5-2 3,3кОм 10% |
1 |
||
|
R4 |
МЛТ0125-680Ом 10% |
1 |
||
|
RR1 |
НР1-4-9М 2кОм |
1 |
||
|
Конденсаторы |
||||
|
C1, C2 |
КТ-1-М47 30пФ 10% |
2 |
||
|
C3 |
К50-6 10мкФ 10% |
1 |
||
|
C4 |
К50-6 5мкФ 10% |
1 |
||
|
C5 |
К50-6 100мкФ 10% |
1 |
||
|
Диоды |
||||
|
VD1, VD2 |
КД530А |
2 |
||
|
VD3 |
КС133А |
1 |
||
|
VD4 |
КД209А |
1 |
||
|
Микросхемы |
||||
|
DA1 |
К521СА3А |
1 |
||
|
DD1 |
КР1816ВЕ51 |
1 |
||
|
DD2 |
К1533ИЕ19 |
1 |
||
|
DD3, DD6 |
К1533ИД7 |
1 |
||
|
DD4, DD9…DD32 |
К1533ИР22 |
1 |
||
|
DD5 |
К1533ИД3 |
1 |
||
|
DD7 |
К573РФ8 |
1 |
||
|
DD8 |
62256 |
1 |
||
|
DD33, DD34 |
К572ПВ4 |
1 |
