Разработка устройства автоматизации, управляющего нагревательным элементом печи
Широкое применение интегральных микросхем в цифровой электронике. Разработка структурной схемы устройства автоматизации, управляющего нагревательным элементом печи. Выбор серии интегральных микросхем, датчиков, источников питания, устройства согласования.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.03.2015 |
| Размер файла | 2,5 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Разработка структурной схемы устройства
- 2. Разработка логической схемы устройства и выбор серии интегральных микросхем
- 3. Выбор датчиков устройства автоматизации
- 3.1 Выбор оптического датчика
- 3.2 Выбор датчиков положения
- 3.3 Выбор термодатчика
- 4. Выбор источника питания
- 5. Выбор устройства согласования
- Заключение
- Библиографический список
Введение
Широкое применение интегральных микросхем в цифровой электронике в наше время открывает безграничные возможности для реализации всевозможных технических решений. Осуществляется автоматизация производства во многих отраслях промышленности, на транспорте и в электроэнергетике. Характерной чертой является переход к полностью автоматизированному производству на базе использования электронной техники.
В данной курсовой работе необходимо разработать устройство автоматизации, управляющее нагревательным элементом печи. Для выполнения поставленной задачи составляется структурная логическая схема, выбираются различные датчики, такие как оптические, термодатчики и датчики управления. После этого выбирается источник питания и устройство согласования.
устройство датчик автоматизация питание
1. Разработка структурной схемы устройства
Устройство автоматизации производит управление работой однофазного асинхронного двигателя М1. Датчики В1 и В5 оптические датчики контролирующие положение заготовок в начальной и конечной позиции на конвейере. Датчики В2 и В4 - конечные выключатели, контролирующие закрытие заслонок печи. Датчик В3 - термодатчик, контролирующий температуру в печи на выходе заготовок. Включение нагревательного элемента должно сопровождаться включением элемента сигнализации HL.
На основании схемы расположения элементов управления и датчиков представленной на рисунке 1.1, составим структурную схему устройства представленную в графической части работы 220700.2014.23.00 Э1.
Рисунок 1.1 - Расположение датчиков устройства автоматизации
2. Разработка логической схемы устройства и выбор серии интегральных микросхем
В соответствии с таблицей истинности работы цифрового устройства представленной в приложении А, составляем карту Карно для минимизации логической функции (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 - Карта Карно
Согласно рис. 2.1 запишем минимизированную логическую функцию
Для упрощения логического устройства приведем функцию к базису И-НЕ
Основные параметры ИМС различных серий
|
Наименование параметра |
Наименование серии |
||||||
|
133/155 |
533/555 |
530/531 |
1533 |
1530 |
|||
|
Выходной ток лог.1 (макс.), мА |
0,8 |
0,4 |
1 |
2,6 |
2 |
||
|
Выходной ток лог.0 (макс.), мА |
16 |
8 |
20 |
24 |
20 |
||
|
Входной ток лог.1 (макс.), мА |
1,6 |
0,4 |
2 |
0,1 |
0,5 |
||
|
Входной ток лог.0 (макс.), мА |
40 |
20 |
50 |
20 |
20 |
||
|
Выходное напряжение |
лог.0 (I=Iмакс), В |
<0,4 |
<0,4 |
<0,5 |
<0,4 |
<0,5 |
|
|
лог. (I=Iмакс), В |
>2,5 |
>2,7 |
>2,7 |
>2,4 |
>2,4 |
||
|
Выходной ток Iкз, мА |
18-57 |
20-100 |
40-100 |
30-112 |
30-112 |
Анализируя представленную таблицу с основными характеристиками различных серий, выбираем серию 555, обладающую минимальной потребляемой мощностью во всех режимах работы, достаточно высокими нагрузочными способностями. Используем микросхемы серии 531 для более высокого быстродействия.
В качестве ИМС выбраны следующие типы: DD1, DD2, DD3, DD4, DD6 - К555ЛА1, DD5 - K555ЛА2 DD7 - K555ЛН1, DD8 - K531ЛА19П.
3. Выбор датчиков устройства автоматизации
В курсовой работе необходимо выбрать пять датчиков.
3.1 Выбор оптического датчика
В качестве датчиков В1 и В5 выбираем пару светодиод и фототранзистор.
Светодиод типа АЛ102В (рисунок 3.1) со следующими характеристиками:
номинальное прямое напряжение 4,7 В;
номинальный рабочий ток 20 мА.
Рисунок 3.1 - Светодиод АЛ102В
Фототранзистор типа КТФ104А (рисунок 3.2) со следующими характеристиками:
темновой ток 1 мкА;
фототок 150 мкА.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 3.2 - Фототранзистор КТФ104А
Схема включения пары светодиод-фототранзистор представлена на рисунке 3.3.
Определим сопротивления резисторов R5 и R7
где UП - напряжение питания, В;
UVD1 - напряжение диода, В;
IVD1 - номинальный рабочий ток диода, А.
Принимаем R5=15 Ом.
где UП - напряжение питания, В; UКЭ - напряжение коллектор - эмиттер, В; IVT1 - темновой ток транзистора, А.
Принимаем R7=220 кОм.
С учетом характеристик полупроводниковых элементов и основных характеристик ИМС выбраны резисторы следующих номиналов R5 - 15 Ом,
R7 - 220 кОм, с мощностью резисторов 0,125 Вт.
Рисунок 3.3 - Схема включения оптического датчика
3.2 Выбор датчиков положения
В качестве датчиков В2 и В4 выбираем концевые выключатели типа АВР2Н92Х15. Общий вид и габаритные размеры датчика представлены на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4 - Выключатель АВР2Н92Х15. Общий вид и габаритные размеры
Концевой выключатель АВР2Н92Х15 предназначен для применения в электрических цепях управления, сигнализации и контроля относительного положения подвижных частей механизма в пространстве.
Любой механический контакт (в кнопках, тумблерах, переключателях и т.д.) не замыкаются и не размыкаются сразу, мгновенно. Замыкание и размыкание сопровождается несколькими быстрыми замыканиями и размыканиями, приводящие к появлению паразитных коротких импульсов, которые могут нарушить работу дальнейшей цифровой схемы. Для того, чтобы устранить явление дребезга контактов, сигнал с выхода выключателя необходимо пропустить через формирователь сигнала без дребезга, принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.5.
Рисунок 3.5 - Формирователь сигнала без дребезга
Номиналы резисторов в схему формирователя сигнала без дребезга примем равными 1 кОм с номинальной мощностью 0,125 Вт.
3.3 Выбор термодатчика
В качестве термодатчика выбираем терморезистор серии HEL. Терморезисторы на основе двуокиси платины обладают высокой точностью, линейностью. Они полностью взаимозаменяемы при выходе из строя без последующей калибровки. Эти сенсоры имеют очень широкий диапазон конструктивных исполнений и выпускаются с двумя номиналами сопротивления - 100 и 1000 Ом, нормированных при температуре 0°С. Внешний вид этих датчиков представлен на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 - Терморезисторы серии HEL.
Выбираем терморезистор HEL-700-U-1-A со следующими техническими характеристиками:
максимальный рабочий ток 2 мА;
диапазон рабочих температур - 220…+540°С;
номинальное сопротивление 1000 Ом (при 20°С);
температурный коэффициент сопротивления 3,7 Ом/°С
Согласно задания, необходимо обеспечить срабатывание цифрового устройства при граничных температурах 320 ? С и 380 ? С. При этих температурах терморезистор будет иметь следующие сопротивления:
R14320C = 1184 Ом,
R14380C = 1406 Ом.
Рассчитаем делитель напряжения на резисторах R13 и R14, схема которого представлена на рисунке 3.7
Рисунок 3.7 - Делитель напряжения
Ток делителя не должен превышать 2 мА при минимальном значении сопротивления, то есть при температуре 20 ?С. Следовательно сопротивление R13 определяем по формуле
Определяем напряжение срабатывания и напряжение отпускания компаратора
Полученные значения не соответствуют пороговым уровням логических элементов и не могут быть использованы в качестве цифровых сигналов их требуется обработать с помощью устройства, называемого компаратором. Схема компаратора на операционном усилителе представлена на рисунке 3.8 Выходное напряжение компаратора Uвых =4В.
Рисунок 3.8 - Гистерезисный компаратор напряжения
Принимаем входное сопротивление компаратора R9=5,1 кОм.
Определяем напряжение смещения по формуле
Определяем коэффициент передачи цепи положительной обратной связи
Определяем сопротивление цепи делителя
Принимаем R11 = 9,8 кОм.
Определяем сопротивление цепи ПОС
Принимаем R10 = 190 кОм.
Принимаем R12 = 11,2 кОм.
Проверим полученные напряжения срабатывания и отпускания
Отклонения напряжения срабатывания и отпускания обусловлено округлением значений сопротивлений до стандартных значений и лежит в диапазоне менее 1%, следовательно номиналы резисторов выбраны верно.
4. Выбор источника питания
Выбор источника питания осуществляем, исходя из суммарной потребляемой мощности элементов схемы. Составим таблицу основных потребителей мощности.
Таблица 4.1 - Потребители мощности
|
Наименование элемента |
Количество |
Потребляемая мощность одним элементом, мВт |
Суммарная мощность, мВт |
|
|
Микросхемы серии К555 |
8 |
2 |
16 |
|
|
Микросхемы серии К531 |
1 |
19 |
19 |
|
|
Операционный усилитель К140УД1Б |
1 |
60 |
60 |
|
|
Светодиод AЛ102В |
2 |
117,5 |
235 |
|
|
Фототранзистор КТФ104А |
2 |
27,5 |
55 |
|
|
Терморезистор HEL-700-U-1-A |
1 |
60 |
60 |
|
|
Итого |
445 |
Суммарная потребляемая мощность составляет 0,45 Вт.
Выбираем источник питания PS-15-5 со следующими техническими характеристиками:
номинальное выходное напряжение 5±0,1 В;
номинальная выходная мощность 15 Вт;
номинальное входное напряжение 85…264 В;
температура окружающей среды ?10…60?С.
Источник обладает встроенной интегральной защитой от перенапряжений в сети и короткого замыкания в нагрузке.
Внешний вид, габаритные и установочные размеры источника питания представлены на рисунке 4.1.
Разъем CN1 выходной разъем вывод 1 ? +5 В, вывод 2 - 0 В.
Разъем CN2 входной разъем вывод 1 - "земля", вывод 2 - 220 В ("нейтраль) и вывод 3 - 220 В ("линия").
Цифровые узлы и устройства питаются от высококачественного источника питания со стабилизированным выходным напряжением. Источник имеет очень малое выходное сопротивление за счет использования глубоких отрицательных обратных связей. Однако цепь обратной связи инерционна и не успевает отрабатывать короткие импульсные помехи. При переключениях логических элементов в цепях питания создаются кратковременные импульсные токи, в результате элементы становятся источниками помех для соседних логических элементов. Поэтому для исключения подобного явления устанавливают фильтрующие конденсаторы, имеющие малое сопротивление для высокочастотных сигналов. Конденсаторы должны располагаться на плате как можно ближе к ИМС, число конденсаторов определяется числом ИМС.
Рисунок 4.1 - Источник питания PS-15-05
Выбираем конденсаторы типа К10-17б номинальная емкость 2,2 пФ, с рабочим напряжением 50 В в количестве 9 штук. Внешний вид и габаритные размеры конденсаторов представлены на рисунке 4.2
Рисунок 4.2 - Высокочастотные конденсаторы К10-17б
5. Выбор устройства согласования
Устройство согласования должно обеспечивать включение и выключение мощной нагрузки от маломощного источника сигнала.
Согласно задания мощность нагрузки составляет 1,10 кВт, питание осуществляется от сети переменного тока с напряжением 220 В, тогда ток рабочего органа 5 А.
Выходная логическая схема серии К531 имеет выходное напряжение уровня логической единицы равное 4,5 В и ток 1 мА максимум 50 мА.
Исходя из этих условий, выбираем полупроводниковый контактор ELR 1-24DC/600AC/50 со следующими техническими характеристиками:
род тока выходной цепи переменный
род тока цепи управления постоянный
номинальный рабочий ток выходной цепи 50 А
диапазон рабочего напряжения выходной цепи 42 …660 В
напряжение срабатывания для цепи управления 6 В
напряжение отпускания для цепи управления 1,6 В
максимальное напряжение цепи управления 22 В
максимальный ток цепи управления 12 мА
Размеры полупроводникового контактора:
Ширина 22,5 мм
Высота 103 мм
- Глубина 103 мм
Рисунок 5.1 - Полупроводниковый контактор ELR 1-24DC/600AC/50
Контактор содержит встроенный индикатор включения, поэтому дополнительной индикации предусмотренной структурной схемой не требуется.
Внешний вид и габаритные размеры представлены на рисунке 5.1.
Принципиальная схема и схема подключения устройства автоматизации представлена в графической части работы 220700.2014.23.00 Э3 (приложение В) и 220700.2014.23.00 Э5 (приложение Г) соответственно. Перечни элементов представлены на листах 220700.2014.23.00 ПЭ3 (приложение Д) и 220700.2014.23.00 ПЭ5 (приложение Е).
Заключение
В данной курсовой работе было разработано устройство автоматизации с заданными параметрами. Разработка велась согласно таблицы истинности, представленной в приложении А. Необходимо было выбрать серию и количество микросхем, проанализировав таблицу "Основные параметры ИМС различных серий". Были выбраны интегральные микросхемы серии К555 и КР531, обладающие наивысшим среди других серий быстродействием, но отличающиеся высоким энергопотреблением. Также необходимо было выбрать 5 датчиков: оптические датчики, датчики положения и термодатчик. Затем был выбран компаратор, т.к. значение напряжений срабатывания и отпускания не соответствовали пороговым уровням логических элементам. Для включения и выключения мощной нагрузки от маломощного источника питания был выбран контактор ELR 1-230AC/600AC/50
Разработанное устройство автоматизации на основе интегральных микросхем 555 и 531 серии ТТЛ является работоспособным и пригодным к эксплуатации. Выбраны оптимальные размеры устройства, его технические характеристики подходят для применения его на производстве.
Библиографический список
1. Терентьев, О.В. Элементы систем автоматики. Учебное пособие к курсовой работе/ О.В. Терентьев. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. - 36 с.
2. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / под ред. С.В. Якубовского, Л.И. Ниссельсона, В.И. Кулешова и др. - М.: Радио и связь, 1990. - 496 с.
3. Кравчик, А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик. - М.: Энергоиздат, 1982. - 504 с.
4. Опадчий, Ю.Ф. Цифровая и аналоговая электроника/ Ю.Ф. Опадчий. - М.: Горячая линия - телеком, 2000. - 768 с.
5. Тули, М.А. Справочное пособие по цифровой электронике/ М.А. Тули. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 176 с.
6. Бирюков, С.А. Применение цифровых микросхем серий ТТЛ и КМОП/ С.А. Бирюков. - М.: ДМК Пресс. 2004. - 240с.
7. Теоретические основы электротехники: учеб. пособие: в 4 ч. /И.А. Борисова, Ю.Я. Коробицин, И.Л. Красногорцев и др.; под ред.Г.М. Торбенкова; Юж. - Урал. гос. ун-т, каф. Теоретические основы электротехники; ЮУрГУ. - Челябинск: Издательство ЮУрГУ. - 2001. - 265с.: ил.
8. http://www.svet-diod.com/Cree. htm - Обзор светодиодной продукции
9. http://www.sensorica.ru/shop/datchiki_temperatury-32404-545670949 - Датчики температуры.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Интегральные микросхемы, сигналы. Такт работы цифрового устройства. Маркировка цифровых микросхем российского производства. Базисы производства цифровых интегральных микросхем. Типы цифровых интегральных микросхем. Схемотехника центрального процессора.
презентация [6,0 M], добавлен 24.04.2016Разработка электрической схемы цифрового устройства на основе базовых интегральных микросхем: упрощение и преобразование; выбор типа логики и конкретных серий. Электрический расчет цифровой схемы, расчет мощностей. Создание топологии в гибридном варианте.
курсовая работа [610,3 K], добавлен 29.09.2014Выбор и расчет элементов электрической схемы блока питания управляющего устройства. Расчет мощности, рассеиваемой регулирующими транзисторами. Выбор схем интегральных стабилизаторов напряжения; оптимизация конструкции охладителей силовых транзисторов.
курсовая работа [74,5 K], добавлен 21.11.2013Проектирование устройства преобразования цифровой информации в аналоговую и наоборот для цифрового магнитофона. Описание используемых интегральных микросхем. Разработка структурной и принципиальной схемы цифрового канала звукозаписи без кодера и декодера.
курсовая работа [1,8 M], добавлен 18.10.2010История разработки и использования интегральных микросхем. Выбор элементной базы устройства. Синтез электрической принципиальной схемы: расчет усилительных каскадов на транзисторах, параметры сумматора, инвертора, усилителя, дифференциатора и интегратора.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 25.11.2010Выпуск и применение интегральных микросхем. Конструирование и технология толстопленочных гибридных интегральных микросхем. Коэффициент формы резисторов. Защита интегральных микросхем от механических и других воздействий дестабилизирующих факторов.
курсовая работа [234,5 K], добавлен 17.02.2010Структурный синтез управляющего автомата. Кодирование внутренних состояний и выбор памяти. Составление таблицы траекторий. Выбор микросхем и аналоговых элементов. Устройства сопряжения и нормализация шкалы датчика. Устройство коммутации с элементами.
курсовая работа [206,1 K], добавлен 23.02.2009Теоретические основы процессоров. Построение процессоров и их общая структура. Цифровые автоматы. Расчёт количества триггеров и кодирование состояний ЦА. Структурная схема управляющего устройства. Построение графа функционирования управляющего устройства.
курсовая работа [85,0 K], добавлен 08.11.2008Разработка электрической функциональной схемы устройства. Обоснование выбора серии интегральных микросхем. Расчет частоты тактового генератора, его потребляемой мощности. Среднее время выполнения операции после расчета по временному графу автомата Мура.
курсовая работа [20,9 K], добавлен 10.01.2015Разработка программно-аппаратного комплекса (микропроцессорного контроллера) для тестирования интегральных микросхем. Функциональный контроль по принципу "годен" - "не годен". Параметры микроконтроллера КМ1816ВЕ51. Блок-схема алгоритма работы контроллера.
курсовая работа [307,1 K], добавлен 16.07.2009Изучение современных тенденций в области проектирования интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. Анализ алгоритма создания интегральных микросхем в среде Cadence Virtuoso. Реализация логических элементов с использованием NMOS-транзисторов.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 08.11.2013Разработка структурной схемы электронного устройства "баскетбольный таймер" с диапазоном 10 минут. Составление варианта реализации электрической принципиальной схемы устройства на интегральных микросхемах. Описание схемы работы таймера, его спецификация.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 22.12.2015Назначение и виды генераторов испытательных сигналов. Проектирование ГИС с использованием аналоговых и цифровых интегральных микросхем серии К155. Работа основных его элементов. Выбор функциональной схемы. Конструкция, детали и налаживание устройства.
курсовая работа [173,9 K], добавлен 18.10.2010Методика конструирования и технология толстопленочных гибридных интегральных микросхем, характеристика основных технологических операций и принципы выбора материала. Порядок расчета конденсаторов разрабатываемых микросхем, выбор и характеристика корпуса.
курсовая работа [261,9 K], добавлен 08.03.2010Разработка структурной схемы устройства. Принцип работы его блоков: источника напряжения, цифрового программируемого устройства, семисегментного дисплея, датчиков давления и температуры. Разработка алгоритма работы управляющей программы, ее блок-схема.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 23.06.2015Особенности проектирования микропроцессорного устройства "Цифровой осциллограф". Выбор микроконтроллера, описание периферийных устройств. Разработка принципиальной схемы устройства и программы для микроконтроллера, осуществляющей все функции устройства.
курсовая работа [923,5 K], добавлен 24.12.2012Применение селективных систем преселектора с целью подавления помех по дополнительным каналам приема. Расчет одноконтурной входной цепи. Выбор интегральных микросхем. Требования, предъявляемые к схеме питания приемного устройства, его структурная схема.
реферат [3,5 M], добавлен 02.03.2011Микроэлектронные технологии производства больших интегральных микросхем и их логические элементы. Нагрузочные, динамические параметры, помехоустойчивость переходов микросхем с одноступенчатой логикой и их схемотехническая реализация на транзисторах.
реферат [985,0 K], добавлен 12.06.2009Маршрут изготовления биполярных интегральных микросхем. Разработка интегральной микросхемы методом вертикального анизотропного травления с изоляцией диэлектриком и воздушной прослойкой. Комплекс химической обработки "Кубок", устройство и принцип работы.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 18.04.2016Основные структуры, характеристики и методы контроля интегральных микросхем АЦП. Разработка структурной схемы аналого-цифрового преобразователя. Описание схемы электрической принципиальной. Расчет надежности, быстродействия и потребляемой мощности.
курсовая работа [261,8 K], добавлен 09.02.2012
