Создание системы управления дозатором сухих смесей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технологическая часть

1.1 Назначение и состав систем дозирования сухих смесей

Для создания системы управления дозатором сухих смесей, необходимо для начала определится с назначением этого устройства и основными элементами, из которых он состоит.

При выполнении данной дипломной работы, необходимо разработать цифровую систему управления дозатором, рассчитанном на приготовления двухкомпонентной смеси из сыпучих материалов, в нашем случае это будет два вида цемента. Принципиально дозирование осуществляется в несколько этапов:

Из первого бункера с помощью специального механизма подачи, материал небольшой, заранее определенной дозой попадает в емкость, в которой система управления с помощью датчиков веса определяет количество материала в емкости. Затем система управления сравнивает текущие показания с датчиков веса, с целевыми, если текущие показания меньше целевых, наполнение емкости продолжается, до тех пор пока целевые показания с датчиков не станут равны целевым. После наполнения емкости нужным количеством материала, материал пересыпается в емкость для смешивая, и затем начинается дозирование второго материала.

Исходя из принципа дозирования, становится понятно, что основным элементом, определяющим точность осуществления дозирования, и соответственно точность приготовления смеси, является система контроля веса. Для того чтобы понять назначение различных систем контроля, нужно для начала определиться, что представляет собой технический контроль.

Технический контроль включает три основных этапа:

- получение первичной информации о фактическом состоянии объекта контроля, контролируемых признаках и показателях его;

- получение вторичной информации - отклонений от заданных параметров путем сопоставления первичной информации с запланированными критериями, нормами и требованиями;

- подготовка информации для специальных служб по контролю за состоянием объекта, для выработки соответствующих управляющих воздействий на объект, подвергавшийся контролю.

Контролируемый признак - это количественная или качественная характеристика свойств объекта, подвергаемого контролю. Комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение производства продукции с заданным уровнем качества, составляет предмет организации контроля.

Метод контроля - это совокупность правил применения определенных принципов для осуществления контроля. В метод контроля входят основные физические, химические, биологические и другие явления, а также зависимости (законы, принципы), применяемые при снятии первичной информации относительно объекта контроля.

Под системой контроля понимают совокупность средств контроля и исполнителей, взаимодействующих с объектом по правилам, установленным соответствующей документацией.

Методика контроля -- совокупность правил применения определенных принципов и средств контроля. Методика содержит порядок измерения параметров, обработки, анализа и интерпретации результатов.[1]

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными, а также позволяет уменьшить их стоимость. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

1.2 Датчики веса

В любой задаче в области компьютерной автоматизации измерений, испытаний и управления технологическим производством самым главным моментом является выбор первичного преобразователя. Первичные преобразователи сигналов внешнего воздействия в электрический сигнал основаны на различных физических эффектах и бывают различного типа и вида. Рассмотрим один из распространенных видов преобразователей - резистивных.

Резистивные датчики широко используются в тензометрии. Тензометрия (от лат. tensus - напряжённый, натянутый и греч. metrйф - измеряю) - экспериментальное определение напряжённого состояния конструкций, основанное на измерении местных деформаций. При механической деформации материала его электрическое сопротивление изменяется. Этот эффект называется тензорезистивным эффектом. На основе этого эффекта реализованы тензодатчики, реагирующие на механическое напряжение. Рассмотрим цилиндрический проводник (провод), который растягивается с силой F. Объем провода v остается постоянным, при этом сечение уменьшается и длина увеличивается. Сопротивление проводника можно записать в виде:

, (1.1)

где с - удельное сопротивление материала.

После дифференцирования получим выражение для определения чувствительности сопротивления к удлинению провода:

. (1.2)

Чувствительность повышается при увеличении длины провода и его удельного сопротивления и уменьшается при увеличении сечения провода. Относительное изменение сопротивления провода в зависимости от относительной деформации e можно записать в виде:

, (1.3)

где S_k - коэффициент тензочувствительности. Для металлических проводов он лежит в пределах 2-6, а для полупроводников - 20-200.

Например, рассмотрим тензосопротивление со следующими характеристиками:

Таблица 1.1 - Параметры тензорезистора

Чувствительность (Sk)	2,0
Материал подложки	Полиамид
Измерительная решетка	Константовая фольга
База (длина измерительной решетки), мм	20; 50; 100; 150
Температурный коэффициент чувствительности, 1/К	115 * 10-6
Поперечная чувствительность, %	0,1
Температурный диапазон эксплуатации, °C	-70...+200 статические измерения -200...+200 динамические измерения
Номинальное сопротивление, Ом	120; 350; 700; 1000

Рассмотрим тензометрические весы, основанные на измерении стрелы прогиба центра балки лежащей на двух опорах (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Тензорезисторные весы

Стрела прогиба равна:

, (1.4)

где F - приложенная сила в середине балки, l - длина балки, I - момент инерции поперечного сечения балки. Если поперечное сечение балки имеет форму прямоугольника с шириной a и высотой b, то

. (1.5)

Для кругового поперечного сечения радиуса r:

. (1.6)

Радиус изгиба балки составит:

. (1.7)

Если на нижнюю сторону балки прямоугольного сечения наклеить тензорезистор, то относительная деформация резистора будет:

. (1.8)

Пусть стальная балка имеет сечение a = b = 1 см = 10^-2м и длину l = 10 см =10^-1 м, тогда стреле прогиба л = 1 мм будет соответствовать усилие F = 8000 Н, что соответствует весу массы 800 кг. Относительная деформация тензорезистора наклеенного на нижнюю сторону балки будет составлять 0,006 и относительное изменение сопротивления 0,012. Для создания весов имеющих разрешающую способность 1 кг, необходимо регистрировать относительное изменение сопротивления до 10^-5.[2] В таблице ниже приведены модуль Юнга и предел прочности для некоторых материалов.

Таблица 1.2 - Предел прочности некоторых материалов

Материал	Модуль Юнга, 109 Н/м2	Предел прочности, 107 Н/м2
Сталь	196	127
Железо	186	33
Медь	120	24
Латунь	102	35
Алюминий	68	7,8
Свинец	1,7	1,5

При измерении сопротивления тензорезистора используют мостовую (рисунок 1.2) или полумостовую схему подключения (рисунки 1.3, 1.4).

Рисунок 1.2 - Мостовая схема подключения

Рисунок 1.3 - Полумостовая схема подключения



Рисунок 1.4 - Полумостовая схема подключения

В качестве сопротивлений R₁ - R₃ обычно используется такие же тензорезисторы, как и измерительные, только наклеенные на балку в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезистора. В данном примере при изменении температуры на 1° относительное сопротивление изменится на 10^-4, что соответствует ошибке в измерении веса 10 кг. При использовании в качестве R₁ - R₃ таких же тензорезисторов, находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор, существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Одна пара проводов служит для питания моста, другая пара проводов служит для измерения подаваемого напряжения, третья пара - для измерения разности потенциалов в мостовой схеме.

Рассмотрим мостовую схему с датчиками 120 Ом. При питании схемы напряжением 1,2 В, ток проходящий по каждому резистору будет составлять 5 мА. При нулевой нагрузке разность потенциалов в мостовой схеме V_изм будет равна нулю, при максимальной нагрузке 800 кг - 3 мВ. В полумостовой схеме измерения при нулевой нагрузке разность потенциалов будет равна 600 мВ, при максимальной нагрузке - 603 мВ. Изменению веса на 1 кг соответствует изменение напряжения на 10 мкВ. При проведении измерений разности потенциалов с помощью АЦП в мостовой схеме необходимо использовать 14-16 разрядный АЦП. В полумостовой схеме - 18-20 разрядный АЦП.

На основе тензорезистивного эффекта также изготавливаются датчики давления со встроенной мостовой схемой.

На рисунке 1.5, показаны примеры форм измерительных решеток тензорезисторов.

Рисунок 1.5 - Примеры форм измерительных решеток

1.3 Точность дозирования и методы ее достижения

Для точного приготовления заданного кол-ва смеси, в заданных пропорциях большую роль играет точность измерения веса каждого из компонентов смеси. Здесь главную роль играет измерительный преобразователь, с помощью которого происходит определение веса материала.

Результат любого измерения отличается от истинного значения измеряемой величины на некоторое значение, зависящее от точности средств и метода измерения, квалификации оператора, условий, при которых производится измерение. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения. Различают абсолютные погрешности измерения, которые выражаются в единицах измеряемой величины, и относительные погрешности измерения, определяемые как отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

Д = х - х_и, (1.9)

д = Д/х_и, (1.10)

где Д - абсолютная погрешность измерения; х - значение, полученное при измерении; х_и - истинное значение измеряемой величины; д -относительная погрешность измерения.

Относительную погрешность часто выражают в процентах истинного значения измеряемой величины.

В зависимости от характера проявления, погрешности делят на систематические, случайные и грубые. Погрешность Д, определяемая выражением (1.9), является результирующей погрешностью, т.е. суммой систематической Д с и случайной Д₀ погрешностей. Результаты измерений, содержащие грубые погрешности, должны быть исключены из рассмотрения.

Систематической погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.. Причиной появления систематических погрешностей могут быть неисправности измерительной аппаратуры, несовершенство метода измерений, неправильная установка измерительных приборов и отступление от нормальных условий их работы, особенности самого оператора. Систематические погрешности в принципе могут быть выявлены и устранены. Для этого требуется проведение тщательного анализа возможных источников погрешностей в каждом конкретном случае.

Случайной погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Наличие случайных погрешностей выявляется при проведении ряда измерений этой величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с другом. Часто случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности мало влияет на результат измерения.

В некоторых случаях оказывается, что результат того или иного отдельного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же контролируемых условиях. Причиной этого может быть ошибка оператора, возникновение сильной кратковременной помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т.д. Естественно, что такой результат, содержащий грубую погрешность (промах), следует выявить, исключить и не учитывать при дальнейшей статистической обработке результатов измерения.

Существуют некоторые общие причины возникновения систематических погрешностей, в соответствии с которыми их подразделяют на методические, инструментальные и субъективные.

Методические погрешности происходят от несовершенства метода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погрешность, вызванную нарушением температурного режима исследуемого объекта (вследствие внесения термопары).

Инструментальные погрешности зависят от погрешностей применяемых средств измерения. Неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и т.д. являются причинами инструментальных погрешностей.

Погрешности измерения возникают также из-за неправильной установки средства измерения, влияния на него магнитных или электрических полей, наличия дополнительных и динамических погрешностей. Дополнительные погрешности обусловлены отклонением условий, в которых работает прибор, от нормальных. Динамические погрешности возникают из-за инерционности применяемых технических средств, при достаточно быстрых изменениях измеряемой величины. Все эти погрешности отличают от инструментальных, поскольку они связаны не столько с самими средствами измерений, сколько с условиями, при которых они работают. Их устранение производится иными способами, нежели устранение инструментальных погрешностей.

Систематические погрешности могут оставаться постоянными либо закономерно изменяться. В последнем случае их подразделяют на прогрессирующие (возрастающие или убывающие), периодические и изменяющиеся по сложному закону. Обнаружение причин и источников систематических погрешностей позволяет принять меры к их устранению или исключению посредством введения поправки.

Поправкой называется значение величины, одноименной с измеряемой, которое нужно прибавить к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности.

В некоторых случаях используют поправочный множитель -- число, на которое умножают результат измерения для исключения систематической погрешности. Поправка или поправочный множитель определяется при помощи поверки технического средства, составления и использования соответствующих таблиц и графиков. Применяются также расчетные способы нахождения поправочных значений. Существуют специальные методы организации измерений, устраняющие систематические погрешности. К ним относятся, например, метод замещения и метод компенсации погрешности по знаку.

Метод замещения заключается в том, что измеряемая величина замещается известной величиной, получаемой при помощи регулируемой меры. Если такое замещение производится без каких-либо других изменений в экспериментальной установке и после замещения установлены те же показания приборов, то измеряемая величина равняется известной величине, значение которой отсчитывается по указателю регулируемой меры. Этот прием позволяет исключить постоянные систематические погрешности. Погрешность измерения при использовании метода замещения определяется погрешностью меры и погрешностью, возникающей при отсчете значения величины, замещающей неизвестную.

При проведении автоматических измерений широко используются схемные методы коррекции систематических погрешностей. Компенсационное включение преобразователей, различные цепи температурной и частотной коррекции являются примерами их реализации.

Новые возможности появились в результате внедрения в измерительную технику средств, содержащих микропроцессорные системы. С помощью последних удается производить исключение или коррекцию многих видов систематических погрешностей. Особенно это относится к инструментальным погрешностям. Автоматическое введение поправок, связанных с неточностями градуировки, расчет и исключение дополнительных и динамических погрешностей, исключение погрешностей, обусловленных смещением нуля -- эти и другие корректировки позволяют существенно повысить точность измерений.

Следует, однако, заметить, что какая-то часть систематической погрешности, несмотря на все усилия, остается не исключенной. Эта часть входит в результат измерения и искажает его. Она может быть оценена исходя из сведений о метрологических характеристиках использованных технических средств.

Основной погрешностью называется погрешность, существующая при так называемых нормальных условиях, которые указаны в нормативных документах, регламентирующих правила испытания и эксплуатации данного средства измерения.

Дополнительная погрешность возникает при отклонении условий испытания и эксплуатации средства измерения от нормальных. Она нормируется значением погрешности, вызванной отклонением одной из влияющих величин от ее нормального значения или выходом ее за пределы нормальной области значений. Если температура лежит вне указанного диапазона, то погрешность может быть больше указанной.

Нормирование погрешности средств измерения производится по максимально допускаемым значениям основной и дополнительной погрешностей.

Класс точности - это обобщенная метрологическая характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения. Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Отдельными характеристиками погрешности являются вариации показаний прибора и порог чувствительности. Вариация показаний прибора -- это наибольшая разность его показаний при одном и том же значении измеряемой величины. Основной ее причиной является трение в опорах подвижной части прибора. Вариацию определяют, сравнивая показания прибора, считанные один раз после установки требуемого значения измеряемой величины подходом снизу (со стороны меньших значений) , а другой раз -- подходом сверху (со стороны больших значений).

Порог чувствительности -- это изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, различимое при нормальном для данного прибора способе отсчета.

Собственное потребление мощности прибором из цепи, в которой производится измерение, является важной характеристикой прибора. Оно приводит к изменению электрических параметров этой цепи и отрицательно влияет на точность измерения. Особенно сильно это проявляется при измерениях в маломощных цепях.

При использовании многоканальных модулей АЦП ЦАП удобно применять 6-проводную схему подключения датчика. В этом случае исключается погрешность падения напряжения на подводящих проводах и изменения падения напряжения на подводящих проводах из-за температурной зависимости сопротивления. Другим источником погрешности является наводимая помеха от других цепей. Самой значимой является сетевая помеха 50 Гц. Чем длиннее подводящие провода, тем выше уровень наводимой помехи. Для снижения уровня наводки необходимо использовать витые пары проводов в экране.

При запитывании датчиков постоянным током дополнительным источником погрешностей является ЭДС создаваемая на месте скрутки проводов и разности температур мест скруток. Это приводит к дрейфу постоянной составляющей сигнала. При реализации алгоритма вольтметра с использованием АЦП, погрешность полученных результатов может быть достаточно высокой. Это связано, в первую очередь, с тем, что алгоритм вольтметра постоянного тока суммирует все сигналы и полезный сигнал от датчика, и сигнал помехи. Для того чтобы разделить эти сигналы можно подавать в качестве питания датчиков переменный сигнал. Если для оценки уровня сигнала использовать селективный вольтметр, регистрирующий уровень заданной частоты, то при этом происходит отстройка от сетевой помехи 50 Гц и от дрейфа постоянной составляющей сигнала. При таком виде обработки сигнала возрастает и эффективное количество бит АЦП. Например, частота преобразования 16-разрядного АЦП составляет 200 кГц. При обработке алгоритмом селективного вольтметра полоса анализа составляет 10 Гц. Таким образом, полоса анализа в 10000 раз меньше всей полосы сигнала. В предположении, что помеха является случайной и равномерно распределена по спектру сигнала, уровень помехи в полосе анализа селективного вольтметра снизится в 100 раз, и эффективное количество разрядов АЦП составит 21 разряд. Такой метод обработки оправдан только для медленно меняющихся процессов.[3]

Дополнительным источником погрешности такого способа является межканальное проникновение высокочастотных сигналов. Эта погрешность является систематической и в основном зависит от длины подводящих проводов от модуля АЦП до датчика и геометрического расположения провода и датчика, но она практически не меняется во времени. При этом необходима калибровка измерительного тракта по месту. Это усложняет процедуру поверки и калибровки измерительных систем. При измерении по мостовой схеме выходной сигнал равен:

. (1.11)

Если сопротивления R₁ = R₂ = R₃ = R , то можно записать:

. (1.12)

Для полумостовой схемы:

. (1.13)

Дополнительными источником помех является нелинейная зависимость падения напряжения от значения измеряемого сопротивления.

2. Конструкторская часть

2.1 PIC - микроконтроллер

2.1.1 Описание и структура микроконтроллера

Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

МК имеет малый объем памяти и ограниченный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (САПР, графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. МК реализуют заранее известные, несложные алгоритмы и для размещения программ им требуются меньше емкости памяти, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно выполняются отдельно, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения. МК используется в таких областях производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность и т. д.

Характеристика микроконтроллера PIC16F877:

- высокоскоростная RISC архитектура;

- 35 инструкций;

- все команды выполняются за один цикл, кроме инструкций переходов, выполняемых за два цикла;

- тактовая частота: 20МГц, 200нс - один машинный цикл;

- до 8к х 14 слов FLASH памяти программ, до 368 х 8 байт памяти данных (ОЗУ), до 256 х 8 байт EEPROM памяти данных;

- система прерываний (до 14 источников);

- 8-уровневый аппаратный стек;

- прямой, косвенный и относительный режим адресации;

- сторожевой таймер WDT с собственным RC генератором;

- программируемая защита памяти программ;

- режим энергосбережения SLEEP;

- выбор параметров тактового генератора;

- высокоскоростная, энергосберегающая CMOS FLASH/EEPROM технология;

- диапазон напряжений питания от 2.0В до 5.5В;

- повышенная нагрузочная способность портов ввода/вывода (25мА);

- малое энергопотребление.

МК включает в себя следующие периферийные модули (рисунок 2.1):

- таймер 0: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предделителем;

- таймер 1: 16-разрядный таймер/счетчик с возможностью подключения внешнего резонатора;

- таймер 2: 8-разрядный таймер/счетчик с 8-разрядным программируемым предделителем и выходным делителем;

- два модуля сравнение/захват/ШИМ (ССР): 16-разрядный захват, 16-разрядное сравнение, 10-разрядный ШИМ;

- многоканальное 10-разрядное АЦП;

- последовательный синхронный порт MSSP: ведущий/ведомый режим SPI, ведущий/ведомый режим I²C;

- последовательный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART с поддержкой детектирования адреса;

- ведомый 8-разрядный параллельный порт PSP;

- детектор пониженного напряжения (BOD) для сброса по снижению напряжения питания (BOR).



Рисунок 2.1 - Структурная схема микроконтроллера PIC16F877

2.1.2 Основные команды и режимы работы

В микроконтроллерах PIC16F87X имеется три вида памяти. Память программ и память данных имеют раздельные шины данных и адреса, что позволяет выполнять параллельный доступ.

Микроконтроллеры PIC16F87X имеют 13-разрядный счетчик команд PC, способный адресовать 8Кх14 слов памяти программ. Физически реализовано FLASH памяти программ 8Кх14 в PIC16F877. Обращение к физически не реализованной памяти программ приведет к адресации реализованной памяти. Адрес вектора сброса - 0000h. Адрес вектора прерываний - 0004h.



Рисунок 2.2 - Организация памяти в микроконтроллере PIC16F877

Память данных разделена на четыре банка, которые содержат регистры общего и специального (SFR) назначения. Биты RP1 (STATUS<6>) и RPO (STATUS<5>) предназначены для управления банками данных. В таблице 2.1 показано состояние управляющих битов при обращении к банкам памяти данных. [3]

Таблица 2.1

RP1:RP0	Банк
00	0
01	1
10	2
11	3

Объем банков памяти данных до 128 байт (7Fh). В начале банка размещаются регистры специального назначения, затем регистры общего назначения выполненные как статическое ОЗУ. Все реализованные банки содержат регистры специального назначения. Некоторые, часто используемые регистры специального назначения могут отображаться и в других банках памяти.

Обратиться к регистрам общего назначения можно прямой или косвенной адресацией через регистр FSR.

С помощью регистров специального назначения выполняется управление функциями ядра и периферийными модулями микроконтроллера. Регистры специального назначения реализованы как статическое ОЗУ (3-й тип памяти).

Регистр STATUS может быть адресован любой командой, как и любой другой регистр памяти данных. Если обращение к регистру STATUS выполняется командой, которая воздействует на флаги Z, DC и С, то изменение этих трех битов командой заблокировано. Эти биты сбрасываются или устанавливаются согласно логике ядра микроконтроллера. Команды изменения регистра STATUS также не воздействуют на биты -ТО и -PD. Поэтому результат выполнения команды с регистром STATUS может отличаться от ожидаемого. Например, команда CLRF STATUS сбросит три старших бита и установит бит Z (состояние регистра STATUS после выполнения команды 000uu1uu, где u - не изменяемый бит).

13-разрядный регистр счетчика команд PC указывает адрес выполняемой инструкции. Младший байт счетчика команд PCL доступен для чтения и записи. Старший байт РСН, содержащий <12:8> биты счетчика команд PC, не доступен для чтения и записи. Все операции с регистром РСН происходят через дополнительный регистр PCLATH. При любом виде сброса микроконтроллера счетчик команд PC очищается. На рис. 2.3 показано две ситуации загрузки значения в счетчик команд PC. Пример сверху, запись в счетчик команд PC происходит при записи значения в регистр PCL (PCLATH <4:0> --> РСН).

Рисунок 2.3 - Прямая/косвенная адресация в PIC16F87X

PIC16F87X имеют 8-уровневый 13-разрядный аппаратный стек. Стек не имеет отображения на память программ и память данных, нельзя запись или прочитать данные из стека. Значение счетчика команд заносится в вершину стека при выполнении инструкций перехода на подпрограмму (CALL) или обработки прерываний. Чтение из стека и запись в счетчик команд PC происходит при выполнении инструкций возвращения из подпрограммы или обработки прерываний (RETURN, RETLW, RETFIE), при этом значение регистра PCLATH не изменяется. Стек работает как циклический буфер. После 8 записей в стек, девятая запись запишется на место первой, а десятая запись заменит вторую и так далее.[7]

Для выполнения косвенной адресации необходимо обратиться к физически не реализованному регистру INDF. Обращение к регистру INDF фактически вызовет действие с регистром, адрес которого указан в FSR. Косвенное чтение регистра INDF (FSR=0) даст результат 00h. Косвенная запись в регистр INDF не вызовет никаких действий (вызывает воздействия на флаги АЛУ в регистре STATUS). 9-бит косвенного адреса IRP сохраняется в регистре STATUS<7>. Пример 9-разрядной косвенной адресации показан на (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Структурная схема выводов RA

Некоторые каналы портов ввода/вывода мультиплицированы с периферийными модулями МК. Когда периферийный модуль включен, вывод не может использоваться как универсальный канал ввода/вывода.

PORTA - 6-разрядный порт ввода/вывода (RA5-RA0). Все каналы PORTA имеют соответствующие биты направления в регистре TRISA, позволяющие настраивать канал как вход или выход. Запись 1 в TRISA переводит соответствующий выходной буфер в 3-е состояние. Запись '0' в регистр TRISA определяет соответствующий канал как выход, содержимое защелки PORTA передается на вывод микроконтроллера.

Чтение регистра PORTA возвращает состояние на выводах порта, а запись производится в защелку PORTA. Все операции записи в порт выполняются по принципу «чтение - модификация - запись», т.е. сначала производится чтение состояния выводов порта, затем изменение и запись в защелку.

Каналы PORTA мультиплицированы с аналоговыми входами АЦП и аналоговым входом источника опорного напряжения V_REF. Биты управления режимов работы каналов порта ввода/вывода PORTA находятся в регистре ADCON1.

Биты регистра TRISA управляют направлением каналов PORTA, даже когда они используются как аналоговые входы. Пользователь должен удостовериться, что соответствующие каналы PORTA настроены на вход при использовании их в качестве аналоговых входов.

PORTD работает как 8-разрядный параллельный порт (или порт микропроцессора), когда бит PSPMODE(TRISE<4>) установлен в '1'. В режиме ведомого данные асинхронно читаются или записываются внешними сигналами -RD (RE0/-RD) или -WR(RE1/-WR) соответственно.

Внешний микропроцессор может читать/записывать данные в PORTD. Операции чтения/записи выполняются при низком логическом уровне сигналов на входах -RD, -WR и низком логическом уровне сигнала на входе выбора микросхемы -CS. Биты TRISE (TRISE<2:0>) должны быть установлены в '1'. В регистре ADCON1 выводы RE2:RE0 должны быть настроены как цифровые каналы ввода/вывода (биты PCFG3:PCFG0).

Фактически существуют два 8-разрядных регистра: один регистр для приема данных, другой - для передачи. Пользователь записывает 8-разрядные данные в выходную защелку PORTD, а читает данные со входной защелки (обратите внимание, выходная и входная защелка имеют один и тот же адрес). В этом режиме значение битов регистра TRISE игнорируется, т.к. направлением данных управляет внешнее устройство.

Запись в PSP происходит, если выводы -CS и -WR имеют низкий уровень сигнала. После перехода сигнала на выводе -CS или -WR в высокий уровень данные сохраняются во входной защелке на такте Q2. На такте Q4 устанавливаются в '1' бит IBF(TRISE<7>) и флаг прерываний PSPIF(PIR<7>). Бит IBF может быть сброшен в '0' только чтением регистра PORTD. Бит переполнения IBOV(TRISE<5>) устанавливается в '1', если произошла следующая запись в PSP, а предыдущий байт не был прочитан.

Чтение из PSP происходит, если выводы -CS и -RD имеют низкий уровень сигнала. Немедленно сбрасывается в '0' бит OBF(TRISE<6>), указывающий, что PORTD ожидает чтение внешней шиной. После перехода сигнала на выводе -CS или -RD в высокий уровень устанавливается флаг прерывания PSPIF на такте Q4 (только после такта Q2), указывая, что чтение завершено. Бит OBF остается сброшенным в '0' пока не будут загружены новые данные в PORTD.

Рисунок 2.5 - PORTD в режиме ведомого параллельного порта

Когда режим PSP выключен, биты IBF и OBF равняются нулю, а предварительно установленный в '1' бит IBOV должен быть сброшен программно.

Флаг прерывания PSPIF устанавливается в '1' по завершению каждой операции чтения или записи (сбрасывается в '0' программно). Разрешить/запретить прерывания от модуля PSP можно установкой/сбросом бита PSPIE (РIЕ1<7>).

Каждая команда микроконтроллеров PIC16F87X состоит из одного 14-разрядного слова, разделенного на код операции (OPCODE), определяющий тип команды и один или несколько операндов, определяющие операцию команды. Команды разделены на следующие группы: байт ориентированные команды, бит ориентированные команды, команды управления и операций с константами.

Для байт ориентированных команд `f' является указателем регистра, а `d' указателем адресата результата. Указатель регистра определяет, какой регистр должен использоваться в команде. Указатель адресата определяет, где будет сохранен результат. Если 'd'=0, результат сохраняется в регистре W. Если 'd'=1, результат сохраняется в регистре, который используется в команде.

В бит ориентированных командах 'b' определяет номер бита участвующего в операции, а `f' - указатель регистра, который содержит этот бит.

В командах управления или операциях с константами 'k' представляет восемь или одиннадцать бит константы или значения литералов.

Система команд аккумуляторного типа, ортогональна и разделена на три основных группы:

- байт ориентированные команды;

- бит ориентированные команды;

- команды управления и операций с константами.

Все команды выполняются за один машинный цикл, кроме команд условия, в которых получен истинный результат и инструкций изменяющих значение счетчика команд PC. В случае выполнения команды за два машинных цикла, во втором цикле выполняется инструкция NOP. Один машинный цикл состоит из четырех тактов генератора. Для тактового генератора с частотой 4 МГц все команды выполняются за 1мкс, если условие истинно или изменяется счетчик команд PC, команда выполняется за 2мкс. На рисунке 2.6 показана форма команд трех основных групп.

Рисунок 2.6 - Форма команд трех основных групп

2.1.3 АЦП

Модуль АЦП имеет восемь аналоговых каналов. Входной аналоговый сигнал через коммутатор каналов заряжает внутренний конденсатор С_HOLD. Модуль АЦП преобразует напряжение, удерживаемое на конденсаторе С_HOLD, в соответствующий 10-разрядный цифровой код методом последовательного приближения.[3]

Для управления АЦП используются два специальных регистра: ADCON0 и ADCON1, расположенные в нулевом и первом банках памяти соответственно. Регистр ADCON0 используется для настройки работы модуля АЦП .

Таблица 2.2 - регистр ADCON0

ADCS1	ADCS0	CHS2	CHS1	CHS0	GO/DONE	-	ADON

биты 7-6: ADCS1- ADCS0 - выбор источника тактового сигнала

00 = F_OSC/2; 01 = F_OSC/8; 10 = F_OSC/32; 11 = F_RC (внутренний генератор АЦП).

Биты 5-3: CHS2- CHS0 - выбор аналогового канала

000 = канал 0, (RA0/AN0); 001 = канал 1, (RA1/AN1); .... 101 = канал 4, (RA5/AN4);

101 = канал 5, (RE0/AN5); 110 = канал 6, (RE1/AN6); 111 = канал 7, (RE2/AN7);

бит 2: GO/DONE - бит статуса АЦП

1 = начало преобразования;

0 = состояние ожидания;

бит 1: не используется;

бит 0: ADON - включение АЦП

1 = модуль АЦП включен;

0 = АЦП выключен.

Регистр ADCON1 выбирает входы модуля и режимы работы, выбранных каналов.

Таблица 2.3 - регистр ADCON1

ADFM	-	-	-	PCFG3	PCFG2	PCFG1	PCFG0

бит 7: ADFM - формат выравнивания результата

1 = правое выравнивание, 6 старших бит ADRESH читаются как «0»;

0 = левое выравнивание, 6 младших бит ADRESL читаются как «0»;

биты 6-4: не используются;

биты 3-0: PCFG3- PCFG0 - настройка каналов АЦП.

В регистры ADRESH:ADRESL сбрасывается 10-разрядный результат цифрового преобразования и флаг GO/DONE (ADCON0) и устанавливается флаг прерывания ADIF PIR1<6>.

После включения и конфигурации ФЦП выбирается рабочий аналоговый канал. Соответствующие биты TRIS аналоговых каналов должны быть настроены на вход. Перед началом преобразования обязательно необходимо выдержать временную паузу, которая рассчитывается как

T_АЦП = Время задержки Усилителя + Время заряда конденсатора С_HOLD + Температурный коэффициент = 2мкс + 16.47мкс + 1.25мкс = 19.72мкс.

Запись результата преобразования может выполняться с правым или левым выравниванием (рис. 2.7), в зависимости от значения бита ADFM регистра ADCON1<7>. Не задействованные биты регистров ADRESH:ADRESL читаются как «0». Если модуль АЦП выключен, то 8-разрядныерегистры ADRESH:ADRESL могут использоваться как регистры общего назначения.

Рисунок 2.7 - выравнивание результата АЦП

2.1.4 ЖКИ модуль

Наибольшее распространение получили ЖКИ с контроллером HD44780 фирмы Hitachi.

Питающее напряжение составляет 5В. На вывод V₀ подается напряжение регулировки контрастности табло через подстроечный резистор 10 кОм, включенный между «землей» и выводом V_dd. Модуль HD44780 содержит два регистра:

- регистр команд IR (Instraction Register);

регистр данных DR (Data Register).

Таблица 2.4 - Стандартные выводы подключения ЖК-модуля

вывод	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
Функ.	Gnd	Vdd	V0	RS	R/W	E	D0	D1	D2	D3	D4	D5	D6	D7

Выбор регистров осуществляется путем подачи сигнала управления от микроконтроллера на вывод RS: если RS = 0, то будет подключен регистр команд, а если RS = 1, то регистр данных. Вывод R/W - чтение - 1/запись - 0, а вывод Е - Enable - для строб-сигнала положительной полярности (+5В) длительностью не менее 450 нс, в течение которого записываются передаваемые биты.

Рисунок 2.8 - Схема подключения ЖКИ к микроконтроллеру

При использовании мощных микроконтроллеров (пяти портовых) управление ЖКИ осуществляется через порт Е (Е0, Е1 и Е2), а питание и подсветка подключаются напрямую - +5В, а данные или команды подаются от любого свободного порта, например, Д.

Регистр IR принимает такие команды от микроконтроллера как: смещение курсора, гашение табло или установку адреса индикатора. Регистр DR служит для промежуточного хранения данных, которые затем с помощью внутренних операций автоматически передаются в память отображаемых данных (DD -- Display Data) или в память знакогенератора (CG -- Character Generator).

Содержимое регистра IR не может быть прочитано микроконтроллером. Возможно только чтение флага занятости (разряд 7) и текущего состояния внутреннего счетчика адреса AC (Address Counter) (разряды 6...0).

Установленный флаг занятости (лог. 1) означает, что модуль HD44780 занят выполнением внутренней операции и в данный момент к приему не готов. Соответственно, с помощью лог. 0 флаг занятости сигнализирует о том, что модуль готов к приему.

Считывание данных из памяти DD или CG выполняется через регистр DR. После того как микроконтроллер записывает некоторый адрес в регистр IR, байт данных, расположенный в памяти по этому адресу, с помощью внутренней операции переписывается в регистр DR. Процесс чтения завершается считыванием байта данных из этого регистра. Когда текущая операция чтения завершена, с помощью функции автоинкремента в регистр DR записывается байт данных, извлеченный из памяти по следующему адресу, который будет использован очередном считывании.

Счетчик адреса, по сути, состоит из двух частей и содержит текущий адрес как в памяти DD, так и в памяти CG. После того как в регистр IR записана команда установки адреса DD или CG, этот адрес с помощью внутренней операции автоматически переносится в соответствующий счетчик. Когда запись в память DD/CG (или чтения из нее) завершена, соответствующий счетчик автомата инкрементируется (или декрементируется, если такой режим был выбран с помощью специальной команды).

В модуле HD44780 используется две разные памяти:

- DD-RAM -- для хранения отображаемых данных;

- CG-RAM -- для хранения битовых комбинаций, которые соответствуют матрице размером 5x8 или 5x10 (определяет форму символа).

Доступ как к одной, так и к другой памяти осуществляется по текущему адресу, хранимому в счетчике адреса.

Емкость памяти DD составляет 80 знаков, представленных в 8-разрядной ASCII-кодировке. Из них на двухстрочном табло могут быть одновременно отображены 16 символов в каждой строке, однако с помощью операции сдвига последующие символы также могут оказаться в отображаемой области (выделено жирным).

Таблица 2.5 - Двухстрочное табло ЖКИ

Поз.	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17		39	40
Адрес DD-RAM	00	01	02	03	04	05	06	07	08	09	0A	0B	0C	0D	0E	0F	10	..	26	27
Адрес DD-RAM	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	4A	4B	4C	4D	4E	4F	50	..	66	67

Первая строка начинается с адреса 00_ь, а вторая -- с адреса 40], (64_d). Память разбита на две половины по 40_d (28[,) байт каждая, причем между последним адресом первой строки и первым адресом второй строки есть разрыв в 24_d байта.

После сдвига влево первая строка начинается с адреса $01, а вторая строка -- с адреса $41, а после сдвига вправо первая строка начинается с адреса $27, а вторая строка -- с адреса $67.

Знакогенератор -- это память типа ROM, предназначенная для хранения битовых комбинаций, соответствующих матрице размерами 5x8 или 5x10. В этой памяти можно хранить информацию о 208 (в случае матрицы 5x8) или 32 (в случае матрицы 5x10) символов. Распределение знаков показано на рис. 16.7, причем четыре старших разряда символа определяют его размещение по горизонтали, а четыре младших -- по вертикали (например, "А" = $41).

В модуле HD44780 используется встроенная схема сброса по включению питания. При этом реализуются следующие функции:

- начальная инициализация: DL = 1 -- 8-разрядный интерфейс; N = 1 -- двухстрочное табло; F = 0 -- матрица 5x8;

управление табло: D = 0 -- табло отключено; С = 0 -- курсор отключен В = 0 -- мерцание отключено;

очистка табло;

режим ввода данных: I/D = 1 -- инкремент на 1; S = 0 -- нет сдвига тa6ло.

Все функции управления табло реализуются с помощью команд, перечисленных в таблице 3. Следует учесть, что после записи или чтения байта данных адрес памяти DD или CG автоматически инкрементируется или декрементируется по ниспадающему фронту сигнала занятости. Однако новое значение в счетчик адреса АС записывается только спустя T_ADD = 1,5/f_OSC - тактовая частота YD44780.

2.2 Кинематическая схема

На рисунке 2.9 изображена кинематическая схема устройства дозирования сухих смесей. Как видно на схеме, устройство рассчитано на приготовление двухкомпонентных сухих смесей.

Устройство состоит из двух бункеров рассчитанных, на хранение компонентов смеси, на каждом из бункеров находится по специальному вибратору, применяемому для предотвращения зависания мелких сыпучих материалов, таких как цемент. Вибраторы используются во время работы механизмов подачи материала в емкость для измерения веса.

На каждом бункере установлены свой механизм подачи материала (рисунок 2.10) в измеряющую емкость. Механизмы подачи материала выполнены в виде винтовых конвейеров (шнеков). Шнек - транспортирующая машина непрерывного действия, рабочим органом которой является шнек (винт), вращающийся в закрытом желобе. Материал, поступающий в приемный патрубок, транспортируется вдоль несущей трубы и пересыпается в приемную емкость.



Рисунок 2.9 Общая кинематическая схема устройства дозирования сухих смесей

Устройство измерения веса состоит из приемного бункера конусной формы, закрепленного на двух силовых тензодатчиках, которые, в свою очередь, консольно закреплены на раме смешивающего устройства (рисунок 2.11).



Рисунок 2.10 Бункер, вибратор, механизм подачи

Рисунок 2.11 - Взвешивающее устройство

Также взвешивающее устройство оборудовано электрической заслонкой сброса, которая при подаче на нее напряжения открывается, при отсутствии напряжения заслонка закрыта.

Тензодатчики подключены через мостовую схему к микроконтроллеру, который с помощью АЦП преобразует их показания в вес.

После взвешивания сыпучие материалы по очереди попадают в специальную емкость, оборудованную перемешивающим устройством, и механической заслонкой (рисунок 2.12)

Рисунок 2.12 - Смешивающее устройство

После попадания обоих компонентов смеси в смешивающее устройство, запускается мешалка. После окончания времени смешивания, материал может быть выгружен оператором, через ручную заслонку. Если смешивающее устройство используется на автоматической линии по производству какой-либо продукции, смешивающее устройство может комплектоваться автоматической заслонкой, управляемой с микроконтроллера.

Данное устройство приготовление сухих смесей, используется вместе с полностью автоматической системой управления, поэтому не требует постоянного внимания оператора.

2.3 Структурная схема

Структурная схема данной системы достаточно проста и состоит из:

- Датчиков веса

- Микроконтроллера PIC 16F877

- Исполнительного механизма, который в свою очередь состоит из 2-х приводов подачи материала в измеряющую емкость весов, и электрической задвижки, которая опорожняет измеряющую емкость, также исполнительный механизм состоит их привода мешалки.

- Жидко кристаллического модуля, на дисплее которого отображается текущее состояние системы.

Рисунок 2.13 - Структурная схема системы управления дозатором сухих смесей

2.4 Принципиальная схема

Принципиальная схема системы управления построена с использованием микроконтроллера PIC16F877 производства фирмы Microchip, все остальные использованные компоненты российского производства (Рисунок 2.14).

В системе управления используется стабилизированный блок питания (Рисунок 2.15). Он питает системы стабилизированным напряжением 5В, рассчитан на потребление тока 0,5А. Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе ШЛ20Х32. Сетевая обмотка содержит примерно 1650 витков провода ПЭВ-1 диаметром 0,1 мм, вторичная обмотка содержит порядка 55 витков ПЭВ-1 диаметром 0,47 мм. Вообще же для блока питания системы управления можно использовать подходящий готовый трансформатор мощностью 7 Вт, обеспечивающий на обмотке II переменное напряжение 8...10 В при токе не менее 500 мА. Регулирующий транзистор VT2, для обеспечения необходимого охлаждения, укреплен на Г-образной дюралюминиевой пластине размерами 50х50 и толщиной 2 мм.

Рисунок 2.14 - Принципиальная схема системы управления дозатором сухих смесей

Рисунок 2.15 - Принципиальная схема источника питания

Для индикации наличии напряжения на источнике питания, используется светодиод HL1, рабочим напряжением 5В.

Для задания внутренней тактовой частоты в схеме используется внешний кварцевый генератор.

Рисунок 2.16 - Внешний кварцевый генератор

В режимах тактового генератора XT, LP и HS кварцевый или керамический резонатор подключается к выводам asc1/clkin, osc2/clkout. Для микроконтроллера PIC16F877 нужно использовать резонаторы с параллельным резонансом. Использование резонаторов с последовательным резонансом может привести к получению тактовой частоты, не соответствующей параметрам резонатора.

Для снятия показаний с датчиков веса R4 и R8, используется мостовая схема.

Рисунок 2.17 - Мостовая схема подключения датчиков

Элементы R4 и R8, являются тензодатчиками, R1 и R5 это подстроечные резисторы. Мостовая схема должна быть уравновешена по плечам моста, поэтому номиналы сопротивлений, определяются при разработке конкретной системы автоматизации, на месте при установке конкретных моделей датчиков.

Для защиты контроллера от скачков напряжения, управление исполнительными устройствами осуществлено через гальваническую развязку, оптопары АОД130A.

Рисунок 2.18 - Организация управления исполнительным механизмом

Оптопара АОД130А диодная. Состоит из излучателя и кремниевого фотоприёмника, изготовленных по эпитаксиальной технологии. В пластмассовом корпусе, предназначена для использования в качестве элемента гальванической развязки в высоковольтной электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре. Масса оптрона не более 1 г.

Для управления катушкой силового реле (К1), используется простой транзисторный ключ на двух биполярных транзисторах: КТ3102 и более мощном КТ805.

Для изменения режимов работы систем управление используются две кнопки SB1 и SB2.

Рисунок 2.19 - Кнопки управления

Кнопка управления SB1 служит для сброса программы управления смесительным механизмом в начальное состояние. Кнопка управления SB2 служит для запуска цикла приготовления заранее заданной смеси.

2.5 Виртуальная модель прибора в программе LabView

2.5.1 Краткое описание программы LabView

LabVIEW - среда разработки прикладных программ, в которой используется язык графического программирования G и не требуется написания текстов программ. Среда LabVIEW дает огромные возможности как для вычислительных работ, так и - главным образом - для построения приборов, позволяющих проводить измерения физических величин в реальных установках, лабораторных или промышленных, и осуществлять управление этими установками.

Программа, написанная в среде LabVIEW, называется виртуальным прибором (ВП) (VI - virtual instrument). Внешнее графическое представление и функции ВП имитируют работу реальных физических приборов. LabVIEW содержит полный набор приборов для сбора, анализа, представления и хранения данных. Источником кода виртуального инструмента служит блок-схема программируемой задачи.

Программная реализация виртуальных приборов использует в своей работе принципы иерархичности и модульности. Виртуальный прибор, содержащийся в составедругого виртуального прибора, называется прибором-подпрограммой (SubVI).[14]

2.5.2 Блок схема прибора

При разработке модели прибора в программе LabView, задачей было смоделировать часть системы управления, которая отвечает за измерение веса при дозировании материала. В нашем случае смесь состоит из 50 кг одного вещества и 50 кг другого вещества, соответственно наша модель в программе будет имитировать сигнал с двух датчиков веса, и будет определять достиг ли вес 50 кг, или нет. При достижении веса в 50 кг, будет загораться лампочка имитирующая переход к следующему этапу работы системы управления.

Рисунок 2.20 - Блок схема прибора в программе LabView

2.5.3 Алгоритм создания ВП

После создания блок схемы, можно приступить к ее реализации. В программе LabView существует два рабочих окна: передняя панель и блок диаграмм. Передняя панель отображает наружные элементы прибора, т.е. является его как бы передней панелью. Блок диаграмм показывает как наружные элементы связаны между собой, т.е. показывает связи, различные логические функции и т.д.

Для нашего прибора нам необходимо, два имитатора сигнала с датчиков веса (рисунок 2.21). Для этого мы будем использовать два регулятора, на которых, с помощью мыши, можно будет задавать нужный уровень сигнала для каждого датчика, в интервале от 0 до 4,5 вольт.

Рисунок 2.21 - Регуляторы сигнала веса

Для визуализации уровня наполнения измеряющей емкости мы будем использовать специальный индикатор уровня, для него зададим уровень значений от 0 до 80.

Рисунок 2.22 - Индикатор уровня наполнения емкости

...