Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського "

Кафедра автоматизації електромеханічних систем та електроприводу

Основи мікропроцесорної техніки

Курсовий проект

Методичні вказівки до виконання курсового проекту

для студентів

спеціальності 141 - "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"

Спеціалізація - "Електромеханічні системи автоматизації, електропривод та електромобільність"

Зайченко Юрій Михайлович

Київ 2019

Основи мікропроцесорної техніки. Курсовий проект: Методичні вказівки до виконання курсового проекту для студентів для студентів спеціальності 141 - "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" Спеціалізація - "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод" / Уклад.: Ю.М. Зайченко - К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2019, - 42 с.

Гриф надано Методичною радою

ФЕА КПІ ім. Ігоря Сікорського

(Протокол № ___ від лютого 2019 р.)

Навчальне видання

ОСНОВИ МІКРОПРОЦЕСОРНОЇ ТЕХНІКИ

Методичні вказівки до виконання курсового проекту

для студентів

спеціальності 141 - "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка"

Спеціалізація - "Електромеханічні системи автоматизації та електропривод"

Денна форма навчання

Укладачі: Зайченко Юрій Михайлович, асистент.

Відповідальний редактор: ПІБ, канд. техн. наук, доц.

Рецензент: ПІБ канд. техн. наук, доц.

Вступ

Дисципліна "Основи мікропроцесорної техніки" є однією з базових дисциплін за спеціальністю "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка", яка належить до професійно-орієнтованого циклу дисциплін. Дисципліна "Основи мікропроцесорної техніки" є логічним продовженням таких спеціальних дисциплін як "Автоматизація технологічних процесів, установок і комплексів", "Електроніка та мікросхемотехніка", "Елементи електромеханічних систем та електроприводів".

Мета і задачі кредитного модуля

Основна мета кредитного модуля - дати студентам базові знання і навички в області розробки, проектування, дослідження та налагодження систем керування на базі мікропроцесорних пристроїв. В результаті вивчення дисципліни студенти повинні ознайомитися з загальними принципами проектування електронних систем, та набути ґрунтовних знань необхідних для розробки систем керування на мікроконтролерах. Крім того, студенти повинні бути спроможними обґрунтувати вибір раціонального варіанту інженерного рішення на підставі техніко-економічного аналізу, давати оцінку їх переваг та недоліків. мікропроцесорний електронний модуль

Метою вивчення кредитного модуля "Основи мікропроцесорної техніки. Курсовий проект" є набуття теоретичних знань студентів в області проектування, тестування, налагодження та експлуатації електронних систем керування на основі сучасних мікроконтролерів.

У методичних вказівках наведено завдання для двох тем курсових проектів:

1. Розробка плати керування для програмованого логічного контролера.

2. розробка плати керування для перетворювача частоти.

Під час виконання курсового проекту студенти повинні розглянути наступні питання:

Розробити технічне завдання і функціональну схему плати керування.

За заданими варіантами реалізувати функціональні вузли плати керування.

Вибрати елементну базу і спроектувати схему електричну принципову плати керування.

Написати підпрограму для реалізації обробки дискретних входів плати керування.

Розробити схему зовнішніх підключень плати керування.

Зміст пояснювальної записки та графічної документації проекту

Пояснювальна записка містить такі розділи: анотацію, вступ, технічне завдання на проект, характеристику кінцевого пристрою та вимоги до системи керування, чітке формулювання умов роботи окремих структурних елементів функціональної схеми, вибір елементної бази, розробку принципової схеми.

Плата керування реалізовується на основі цифрових та аналогових інтегральних мікросхем, тому пояснювальна записка повинна містити основні етап.

Для прикладу, розглянемо проектування основних вузлів плати керування.

Розрахунок кіл живлення.

Відповідно до технічної документації на мікроконтролер, вказаний у завданні потрібно визначити робочу напругу живлення мікроконтролера, та забезпечити її наявність на схемі. Для живлення мікроконтролера необхідно 3.3 V тому для реалізації кіл живлення використовуємо мікросхему TPS77533 показану на рис 2.1. Мікросхема виконує функції понижувача напруги, а також супервізора живлення, тобто додатково сповіщає контролер про наявність або відсутність живлення.

Рисунок 2.1 - Мікросхема TPS77533

Рисунок 2.2 - Схема живлення 15V-3.3V

Для забезпечення стабільності живлення мікроконтролера та підвищення завадозахищеності застосовуються фільтруючі керамічні конденсатори, які, при фізичному виготовленні плати керування, розташовуються якомога ближче до виводів живлення "+" мікроконтролера, а на схемах, для зручності та полегшення сприйняття та читання схеми, представлені у вигляді батареї, як на рис.2.3.

Рисунок 2.3 - Батарея конденсаторів

Для живлення оптопар, операційних підсилювачів, котушок реле та інших мікросхем бажано реалізувати окреме живлення, додатково розділивши його на живлення цифрової та аналогової частини.

Таблиця виводів мікроконтролера.

Відповідно до технічної документації на мікроконтролер потрібно навести таблицю виводів мікроконтролера, в якій вказати номер виводу, його назву, основне призначення, а також альтернативні функції, якщо вони передбачені (табл.2.1).

Таблиця 2.1 - Перелік виводів мікроконтролера

Розрахунок дискретних входів/виходів:

Оптрона розв'язка показана на рис. 2.4. Живлення на вході 5V, живлення на виході 3.3V слугує для гальванічної розв'язки кола, де може бути напруга набагато вища, ніж робоча напруга кола мікроконтролера. На рис.2.4 представлено організацію дискретного гальванічно розв'язаного входу. Застосування оптопари PC814 дає моживість реалізувати керування як "активним нулем", так і "активною одиницею". Відкритий колектор на виході оптрона через підтягуючий резистор 10 кОм підключений до живлення мікроконтролера. Вихід оптрона на даній схемі отримав назву DAVX1 та надходить до входу PE2 мікроконтролера.

Рисунок 2.4 - Схема дискретного входу

Для реалізації дискретного виходу необхідна мікросхема буфер 74ACT540, яка буде підсилювати вихідний сигнал мікроконтролера. Мікросхема має живлення 5V, толерантна до напруги 3.3 V, та має 8 каналів, три з яких (тобто 3 входи і 3 виходи) задіяні для реалізації дискретних виходів. Інверсний вхід RE призначений для дозволу роботи та апаратно з'єднаний з GND.

Гальванічна розв'язка кола мікроконтролера та дискретних виходів реалізована за допомогою оптронів PC817, як це показано на рис.2.5:

Рисунок 2.5 - Схема реалізації дискретних виходів

Розрахунок релейних виходів:

Релейні виходи також слугують для гальванічної розв'язки, але не електронної, а механічної, і орієнтовані на комутацію в колах з набагато вищими значеннями напруги та струму. Перевагою в застосуванні релейного виходу полягає в тому, що на механічний контакт не впливають ніякі шуми, а недоліки - в тому, що кількість спрацювань реле обмежена, а також частота перемикання контактів реле набагато менша, ніж у напівпровідникових компонентів.

Для реалізації релейного виходу використовуємо реле LEG5 .Котушка має живлення 5V тому для підсилення використовуємо транзистор VT1 на базу якого буде підключений вхід мікроконтролера, для захисту від противмикань в паралель підлючемо діод VD3. Коли на базу транзистора буде поданий сигнал з мікроконтролера, транзистор відкриється і котушка К 1 отримає живлення, та розімкне чи замкне свої контакти. Організація релейного виходу представлена на рис.2.6.

Рисунок 2.6 - Релейний вихід

За завданням потрібно 3 релейних виходи які представлені на рис. 2.7. Також, на рис.2.8 показано, що контакти реле приєднані до клемної колодки XT4.

Рисунок 2.8 - Реалізація релейних виходів

Розрахунок аналогових кіл:

Для розрахунку аналогового входу +-10V використаємо схему представлену на рис.2.9 [3]. За допомогою резисторів виконується ділення напруги, а за рахунок операційного підсилювача здійснюється "стисення" сигналу до 0…3.3V.

Рисунок 10. Реалізація аналогового входу +-10V

Графічна частина проекту

Графічна документація курсового проекту складається з одного аркушу формату А 1. Приблизний зміст графічної частини:

1. Схема електрична принципова плати керування.

2. Функціональна схема плати керування.

3. Схема зовнішніх з'єднань плати керування.

Оформлення пояснювальної записки

У пояснювальній записці до курсового проекту слід розмістити інформацію, яка висвітлює процес проектування включаючи матеріали розміщенні у графічній частині проекту (на листах А 1). Пояснювальна записка повинна містити повний опис принципу роботи і функціональні можливості розробленого пристрою, стислу технічну інформацію про елементи спроектованої системи і її схему, лістинг коду підпрограми для контролера, висновки.

Заголовки розділів проекту рекомендується виділяти великими літерами. Акцентування у тексті можна робити підкреслюванням відповідних рядків лінією або курсивом.

Пояснювальну записку слід оформлювати відповідно до державних стандартів підготовки технічної документації.

Посилання на літературні джерела, які використовуються при виконанні курсового проекту, роблять у вигляді цифр, поміщених у квадратні дужки. Цифра в дужках вказує порядковий номер цього джерела у списку літератури, що подається у кінці пояснювальної записки. Не слід переписувати в пояснювальну записку тексти з книжок, журналів, звітів та інших джерел інформації.

Посилання на формулу роблять у вигляді цифр, взятих у круглі дужки, що відповідають їх нумерації в тексті. Таблиці, при можливості, бажано розміщувати на одній сторінці, без переносу. Рисунки в тексті пояснювальної записки розміщують безпосередньо у ході викладу матеріалу або на окремих сторінках. Під рисунками поміщають підпис, який складається із слова "Рисунок", порядкового номера рисунка і "-". Надалі у тексті пояснювальної записки посилання на рисунки роблять саме за такою формою. Формули, рисунки і таблиці повинні мати наскрізну нумерацію, або мати номер з двох цифр, де перша - це номер розділу, а друга - номер відповідного елементу в розділі.

Приблизний обсяг пояснювальної записки - 40-60 сторінок з урахуванням рисунків, таблиць та інших матеріалів. Нумерація сторінок наскрізна.

Пояснювальна записка починається з титульного аркуша Форма № Н-6.01 (див. http://epa.kpi.ua/dips_blank.php). На наступному аркуші вміщується завдання на курсовий проект оформлене у відповідності до вимог, підписаний керівником і календарний план. Далі йде вступ і з короткою інформацією про ідею курсового проекту та основні розділи курсового проекту.

Теми для курсового проекту

Завданням на курсовий проект є розробка апаратної частини кінцевого пристрою - програмованого логічного контролера (ПЛК) або керуючого контролера перетворювача частоти (ПЧ) для реалізації керування електричним двигуном.

Розробка пристрою має бути виконана згідно з варіантом. Номер варіанту - дата народження студента в форматі чч.мм.

Табл.4.1. Кінцевий пристрій (перша цифра числа)

Табл.4.2. Керуючий контролер (друга цифра числа)

Табл.5.3. Додаткові засоби (місяць)

Вимоги до кінцевого пристрою

ПЛК

1. Живлення пристрою надходить від мережевого адаптера AC220/DC24 V через відповідний роз'єм.

2. Реалізувати необхідні кола живлення для функціонування всіх вузлів пристрою.

3. Передбачити годинник реального часу.

4. Забезпечти можливість збереження необхідної інформації за допомогою зовнішньої пам'яті.

5. Кількість релейних виходів - 8.

6. Кількість аналогових виходів - 1, 0 - 10 V.

7. Кількість дискретних входів - 10. З них реалізувати кількість гальванічно розв'язаних входів згідно таблиці.

8. Аналогові входи: 2 біполярних входи +-10V, один струмовий 4 - 20 мА.

ПЧ

1. Живлення плати керування надходить від блока живлення силової частини AC380/15V через відповідні роз'єми.

2. Реалізувати необхідні кола живлення для функціонування всіх вузлів пристрою.

3. Передбачити годинник реального часу

4. Забезпечти можливість збереження необхідної інформації за допомогою зовнішньої пам'яті.

5. Кількість релейних виходів - 3.

6. Кількість аналогових виходів - 1, 0 - 10 V.

7. Кількість дискретних входів - 6. З них реалізувати кількість гальванічно розв'язаних входів згідно таблиці.

8. Аналогові входи: 2 біполярних входи +-10V, один струмовий 4 - 20 мА.

Етапи виконання роботи

1. Аналітичний огляд існуючих конфігурацій ПЛК/ПЧ, засобів та елементної бази для їх побудови.

2. Розрахунок кіл живлення, вибір елементної бази для їх реалізації. Проектування основних вузлів для забезпечення роботи керуючого контролера, розробка відповідних схем.

3. Розрахунок параметрів аналогової частини, вибір елементної бази, розробка відповідних схем.

4. Розрахунок параметрів дискретної частини, вибір елементної бази, розробка відповідних схем.

5. Проектування пульта керування та комунікаційного інтерфейсу.

6. Перелік елементів, розрахунок вартості.

7. Графічна частина - креслення формату А 1.

Список літератури