Разработка проекта ШИМ-регулятора на микроконтроллерах серии AVR для управления нагрузкой электрических устройств

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а, значит, имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева. Кроме того, имеется возможность значительно снизить потребляемую мощность и, таким образом, удешевить эксплуатацию устройства.

1. Цель работы

Цель работы: Представить проект устройства управления электрическими приборами, которое позволит значительно снизить потребляемую мощность и, таким образом, удешевить их эксплуатацию.

2. Основная часть

Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) -- управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. Различают аналоговую ШИМ и цифровую ШИМ, двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трёхуровневую) ШИМ.

Рисунок 1 - График ШИМ

Аналоговая ШИМ реализуется с помощью компаратора, на один вход которого подаются треугольный или пилообразный периодический сигнал со вспомогательного генератора, а на другой -- модулирующий сигнал. На выходе компаратора образуются периодические прямоугольные импульсы с переменной шириной, скважность которых изменяется по закону модулирующего сигнала, а частота равна частоте треугольного или пилообразного сигнала и обычно постоянна. Аналоговая ШИМ применяется в усилителях низкой частоты класса «D».

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подимпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подимпульсов. Цифровая ШИМ -- приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями -- вкл/выкл) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t2-t1 были бы приблизительно равны.

Формально, это можно записать так:

= , (1)

где x(t) -- входной сигнал в пределах от t1 до t2,

а ?Ti = -- продолжительность i -го ШИМ подимпульса, каждого с амплитудой A. n выбирается таким образом, чтобы за период разность суммарных площадей (энергий) обеих величин была меньше допустимой:

- < E. (2)

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = Uconst стабилизации.

Основное достоинство ШИП (ШИМ) -- высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение тепловой мощности на силовом преобразователе (СП).

В ШИМ в качестве ключевых элементов использует транзисторы (могут быть применены и др. полупроводниковые приборы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю -- выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность, выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной.

Описание устройства управления.

В качестве аппаратной части проекта ШИМ- регулятора представлено устройство, собранное на основе тест- платы LegoAVR20 с МК ATtiny2313, используемое совместно с адаптером внутрисхемного программатора PonyProg, для управления какой-либо нагрузкой, в частности приведен пример управления яркостью светодиода (5-ти ступенчатая регулировка) с помощью двух тактовых кнопок (+/-) и регулировка скоростью вращения двигателя постоянного тока.

Для сборки ШИМ применяется:

1) Тест- плата LegoAVR20 c микроконтроллером ATtiny2313, на которой формируются рабочие напряжения питания, с кварцевым генератором 4 МГц., с индикацией и разъемами портов B и D.

2) Внутрисхемный программатор PonyProg

3) Плата расширения №1 с 2 кнопками (на замыкание) и подтягивающими резисторами 4К7, подключаемыми ко входу МК (ножки 6 и 7), а также со светодиодом и гасящим резистором и двигателем постоянного тока, управляемым биполярным транзистором через интегрирующую цепочку;

4) Стабилизированный источник питания для тест- платы на 12В.

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства

микроконтроллер импульсный модуляция

Это устройство может изменять скважность импульсов с помощью двух тактовых кнопок S3(+) и S4(-), соответственно будет изменяться яркость светодиода.

Описание исходного кода программы управления микроконтроллером.

Исходный код программы написан в среде CodeVisionAvr и представлен в конце статьи.

Небольшие комментарии к исходному коду:

В этой части кода мы прописываем обработчик внешнего прерывания(INT0/INT1).

interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void)

{

i++;

delay_ms(50);

}

interrupt [EXT_INT1] void ext_int1_isr(void)

{

i--;

delay_ms(50);

}

Настраиваем порты микроконтроллера, устанавливаем условие глобальных прерываний от INT0 и INT1, разрешаем глобальные прерывания.

MCUCR |= (0<<ISC01)|(0<<ISC00); //устанавливаем условие внешнего прерывания от INT0

GICR |= (1<<INT0);

MCUCR |= (0<<ISC10)|(0<<ISC11); //устанавливаем условие внешнего прерывания от INT1

GICR |= (1<<INT1);

PORTB=0x00;//Все пины порта В в 0

DDRB=0xFF; //Все пины Порта B на выход

PORTA.0=0x00;//пин порта A в 0

DDRA.0=0xFF; //пин Порта A на выход

PORTC=0x00;//Все пины порта С в 0

DDRC=0xFF; //Все пины Порта B на выход

PORTD.0=0x00; //Все пины порта D в 0

DDRD.0=0xFF; //Все пины Порта D на выход

TIMSK=0x00;

TCCR0=0x6B;//start timer

TCNT0=0x00;

OCR0=0x00;// задаем величину генерируемого ШИМ сигнала

#asm("sei")//разрешаем глобальные прерывания

Цикл, Оператор выбора из множества вариантов, регистром OCR0 настраивается скважность импульса (1-255).

while(1){

switch(i){

case 1:

{

PORTC=0x06;

OCR0=50;

break;

}

Без изменения прошивки к микроконтроллеру можно подключить любой 7-ми сегментный индикатор с общим катодом, который будет отображать номер режима работы ШИМ-регулятора (от 1 до 5). Катод индикатора подключается на 39 ножку МК, а анод через токоограничительные резисторы (100-250 Ом) на 21-27 ножки МК.

Фьюзы для прошивки выставлять не надо. Оставляем их стандартными.

Заключение

Это устройство имеет широкое применение. Например его можно использовать для управления яркостью светодиодов, управлять оборотами вентилятора, применить для регулировки оборотов двигателя сверлильного станочка и т.п.

Более мощную нагрузку (вентилятор, большое кол-во светодиодов) необходимо подключать через транзистор.

В проекте использована схема с МК ATtiny2313. Можно использовать и другие микроконтроллеры серии AVR. Например, AVR ATmega16 имеет аппаратную возможность формировать 4 ШИМ сигнала на ножках OC0 OC1A OC1B OC2 (аппаратную - значит не загружая процессор вычислениями), AVR ATmega48 -88 -168 имеют 6 аппаратных PWM с частотой до 78 КГц, AVR ATmega128 имеет 6 аппаратных PWM с разрешением до 16 бит! Если вам этого мало, то с помощью таймеров МК можно программно сформировать еще множество ШИМ-сигналов.

Список использованных источников

1. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. / В.Н. Баранов. ? М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. ? 228с.

2. Белов А.В. Создаем устройства на микроконтроллерах. / А.В. Белов. ? СПб.: Наука и техника, 2007. ? 304с.

3. Вольфганг Трамперт. AVR-RISC микроконтроллеры. / Вольфганг Трамперт; пер. с немецкого В.П. Репало. ? К.: Изд. «МК-Пресс», 2006. ? 458с.

Размещено на Allbest.ru