Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«Южно-Уральский государственный университет» (НИУ)

Политехнический институт

Факультет «Институт открытого и дистанционного образования»

Кафедра «Техника, технологии и строительство»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К Курсовой РАБОТЕ

Микропроцессорные средства в электроприводах и технологических комплексах

Э.А. Гафаров



Cодержание

Введение

1. Описание микроконтроллера ATMEGA 128х

1.1 Структурная схема микроконтроллера

1.2 Выводы портов

2. Разработка принципиальной схемы

3. Разработка программного обеспечения

3.1 Конфигурирование регистров таймера T0

3.2 Конфигурирование регистров внешних прерываний

3.3 Конфигурирование регистров аналого-цифрового преобразователя (АЦП

3.4 Код программы на языке Assembler

3.5 Компиляция программы

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Приложение А Схема электрическая принципиальная



Введение

В настоящее время широкое распространение получили однокристальные микроконтроллеры, предназначенные для применения в техники как бытового, так и промышленного назначения в том числе и в системах управления электроприводами.

Применение микроконтроллеров в системах управления электроприводов позволяют упростить элементы управления и отказаться от элементов релейно-контакторного управления. Вместе с тем, в ряде случаев внедрение микропроцессорного управления обеспечивает как технические, так и экономические выгоды. Это увеличение производительности и освобождение обслуживающего персонала.

Целью данной работы является разработка микропроцессорной системы управления пуском в одну ступень в функции времени и динамического торможения в функции скорости асинхронного двигателя с фазным ротором на базе микроконтроллера Atmel ATMega 128x.



1. Описание микроконтроллера ATMEGA 128x

Рисунок 1.1 - Внешний вид ATMega 128

ATMega128 - высокопроизводительный 8-разрядный микроконтроллер фирмы Atmel с развитой RISC архитектурой, включающей набор из 133 команд, 32 регистра общего назначения, регистры ввода/вывода, встроенный умножитель.

ОЗУ и энергонезависимая память программ и данных:

128 Кбайт FLASH-памяти;

4 Кбайт EEPROM;

4 Кбайт статического ОЗУ.

Микроконтроллер содержит следующие периферийные устройства:

Два 8-разрядных таймера-счетчика с раздельными предделителями и режимами сравнения;

Два расширенных 16-разрядных таймера-счетчика с отдельными предделителями, режимами сравнения и режимами захвата;

Счетчик реального времени с отдельным генератором;

Два 8-разрядных каналов ШИМ;

6 каналов ШИМ с программируемым разрешением от 2 до 16 разрядов;

Модулятор выходов сравнения;

8 мультиплексированных каналов 10-разрядного аналогово-цифрового преобразования;

Двухпроводной последовательный интерфейс, ориентированный не передачу данных в байтном формате;

Два канала программируемых последовательных USART;

Последовательный интерфейс SPI с поддержкой режимов ведущий/подчиненный;

Программируемый сторожевой таймер со встроенным генератором;

Встроенный аналоговый компаратор.

Специальные возможности микроконтроллера:

Сброс при подаче питания и программируемая схема сброса при снижении напряжения питания;

Встроенный калиброванный RC-генератор;

Шесть режимов снижения энергопотребления: холостой ход (Idle), уменьшение шумов АЦП, экономичный (Power-save), выключение (Power-down), дежурный (Standby) и расширенный дежурный (ExtendedStandby);

Программный выбор тактовой частоты;

Конфигурационный бит для перевода в режим совместимости с ATmega103.

У микроконтроллера ATMega 128 имеются 53 программируемых линий ввода/вывода. Микроконтроллер выпускается в 64-ти выводных корпусах стандартов TQFP, MLF, QFN.

Диапазон напряжения питания микроконтроллера от 4,5В до 5,5 В. Рабочая частота 0 - 16 МГц.

Организация памяти микроконтроллера выполнена по Гарвардскому принципу. Карта памяти ATMega 128 приведена на рисунке 1.2.



Рисунок 1.2 - Карта памяти ATMega 128

1.1 Структурная схема микроконтроллера

Рисунок 1.1.1 - Структурная схема микроконтроллера ATMega 128

Микроконтроллер имеет шесть восьмиразрядных и один пятиразрядный двунаправленный портов ввода/вывода, которые могут выполнять также специальные функции. Расположение выводов микроконтроллера показано на рисунке 1.1.2.

1.2 Выводы портов

Выводы портов микроконтроллера могут выполнять альтернативные функции, которые указаны в таблице 1.2.1.

Таблица 1.2.1 - Альтернативные функции выводов ATMega128

Порт	Обозначение	Функции
Порт А	PA0 (AD0)	0-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA1 (AD1)	1-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA2 (AD2)	2-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA3 (AD3)	3-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA4 (AD4)	4-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA5 (AD5)	5-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA6 (AD6)	6-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
	PA7 (AD7)	7-й бит порта А
		Мультиплексированная шина адреса/шина данных для внешнего ОЗУ
Порт В	PB0 ()	0-й бит порта B
		Выбор Slave-устройства на шине SPI
	PB1 (SCK)	1-й бит порта B
		Выход(Master) или вход(Slave) тактового сигнала модуля SPI
	PB2 (MOSI)	2-й бит порта B
		Выход(Master) или вход(Slave) данных модуля SPI
	PB3 (MISO)	3-й бит порта B
		Вход(Master) или выход(Slave) данных модуля SPI
	PB4 (OC0)	4-й бит порта B
		Выход таймера/счетчика Т0



2. Разработка принципиальной схемы

В соответствии с условиями задания, схема системы предусматривает запуск асинхронного электродвигателя с фазным ротором в одну ступень в функции времени, а также динамическое торможение привода при подаче сигнала «Стоп» в функции скорости.

В цепь питания статора включаем автоматический выключатель QF1 (обеспечит защиту от токов аварийных режимов), силовой трехполюсный контактор KM1 с одним дополнительным нормально замкнутым контактом (обеспечит коммутацию статорной обмотки с трехфазной сетью).

В цепь ротора включаем пусковые резисторы R1.1…R1.3. Для шунтирования сопротивлений устанавливаем контактор ускорения KM5.

В цепь динамического торможения включаем согласующий трансформатор напряжения TV, мостовой выпрямитель, собранный на базе диодов VD1…VD4. Для коммутации статорной цепи с тормозным выпрямителем устанавливаем контактор КМ4.

Систему управления реализуем на базе микроконтроллера Atmel ATmega 128L (DD1). К порту PD0 подключаем кнопку SB1«Стоп». Кнопку SB2«Пуск» подключаем к порту PD1 (INT1). Данный порт поддерживает внешние прерывания по INT1, что оговорено в задании. Дополнительные нормально открытые контакты контакторов KM1, KM4, KM5 соответственно подключаем к портам PD2…PD4. Один из зажимов каждого контакта соединяем с общей точкой питания - корпусом. Резисторы R2…R6 одним из выводов подключаем параллельно портам PD0…PD4. Другой вывод рассматриваемых резисторов подключаем к потенциалу +5V.

В качестве источника тактового сигнала используем кварцевый резонатор ZQ1, подключенный к портам микроконтроллера XTAL1, XTAL2. В цепь резонатора включаем конденсаторы С1 и С2, один из зажимов которых соединяем с общей точкой - корпусом.

В качестве портов вывода используем порты PB. Порту PB0 подключаем логический элемент DD2 («И-НЕ»), выход которого соединяем с катушкой промежуточного реле KL1 (включение линейного контактора КМ1). По аналогии подключаем элементы DD3, DD4 к портам PB1, PB2.Выход элемента DD3 соединяем катушкой реле KL4 (включение контактора динамического торможения KM4), а выход DD4 с катушкой KL5 (включение контактора ускорения KM5). Соединяем один из зажимов каждой катушки в общую точку и подключаем к потенциалу +5V источника питания. Для защиты логических элементов DD2…DD4 от коммутационных перенапряженийпараллельно каждой катушке промежуточных реле защитный элемент - диод (VD5…VD7).

Для коммутации катушек силовых контакторов предусматриваем в схеме цепь управления =24 В. В данную цепь включаем катушку линейного контактора KM1, катушку контактора динамического торможения KM4, катушку KM5 контактора ускорения. Коммутация вышеуказанных катушек осуществляем посредством нормально открытых контактов промежуточных реле KL1, KL4, KL5.

В соответствии с условиями задания схемой предусматриваем в схеме контроль скорости привода при торможении. Реализуем его на базе тахогенератора BR, зажимы которого подключены к подстрочному резистору (потенциометру) RP. Аналоговый сигнал снимаемый с зажима потенциометра подаем на вход микроконтроллера PF1 (канал аналогового ввода 1). микроконтроллер assembler конфигурирование регистр

Вывод опорного напряжения цепи опорного напряжения AREF соединяем с выводом AVcc и обеспечиваем питание опорным напряжением от источника аналогового питания AVCC, то есть .

Изобразим принципиальную электрическую схему системы на чертеже КР-МПС-НГТУ-А15ЭТУ-001-18.



3. Разработка программного обеспечения

3.1 Конфигурирование регистров таймера Т0

В соответствии с условиями задания работа схемы обеспечивается с помощью таймера Т0, работающего в режиме СТС (сброс при совпадении). Для активации работы таймера необходимо сконфигурировать регистры.

1) Сконфигурируем регистр TIMSK - регистр масок прерывания по таймерам/счетчикам

Таблица 3.1.1 - Регистр масок прерывания по таймерам/счетчикам

TIMSK
Номер бита	7	6	5	4	3	2	1	0
-	OCIE2	TOIE2	TICIE1	OCIE1A	OCIE1B	TOIE1	OCIE0	TOIE0
Чтение/ запись	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
Устан. бит	0	0	0	0	0	0	1	0

Описание битов регистра TIMSK

- Бит OCIE2 (7) - флаг разрешения прерывания по событию «Совпадение» таймера/счетчика Т2. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

- Бит TOIE2 (6) - флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т2. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

- Бит TICIE1 (5) - флаг разрешения прерывания по событию «захват» таймера/счетчика Т1. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

- Бит OCIE1A (4) - флаг разрешения прерывания по событию «Совпадение А» таймера/счетчика Т1. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

- Бит OCIE1B (3) - флаг разрешения прерывания по событию «Совпадение В» таймера/счетчика Т1. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

- Бит TOIE1 (2) - флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т1. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

- Бит OCIE0 (1) - флаг разрешения прерывания по событию «Совпадение» таймера/счетчика Т0. Задействуем данный бит и устанавливаем его в состояние 1. Тем самым мы разрешаем прерывания по совпадению от таймера Т0 в режиме СТС.

- Бит TOIE0 (0) - флаг разрешения прерывания по переполнению таймера/счетчика Т0. В рассматриваемом случае не задействуется и установлен в состояние 0.

2) Сконфигурируем регистр TCCR0 - регистр управления таймером/счетчиком Т0

Таблица 3.1.2 - Регистр управления таймером/счетчиком Т0

TCCR0
Номер бита	7	6	5	4	3	2	1	0
-	FOC0	WGM00	COM01	COM00	WGM01	CS02	CS01	CS00
Чтение/ запись	W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
Устан. бит	0	0	0	0	1	1	1	1

Описание битов регистра TCCR0

- Бит FOC0 (7) - принудительное изменение состояния вывода OCn в режимах Normal и СТС. В рассматриваемом случае устанавливается в состояние 0.

- Биты WGM00 (6) и WGM01 (3) - устанавливают режим работы таймера. В рассматриваемом случае для формирования режима работы СТС устанавливаем бит WGM00 в состояние 0, а бит WGM01 в состояние 1.

- Биты COM01 (5), COM00 (4) - устанавливают режим работы блока сравнения и определяют поведение вывода OCn при возникновении события «Совпадение». Устанавливаем в состояние 0.

- Биты СS12 (2), CS11 (1), CS10 (0) - биты выбора тактовой частоты. Комбинация этих битов устанавливает один из источников тактового сигнала для счетчика 0.

Таким образом выбираем источник тактового сигнала (деление на 1024).

В соответствии с условиями задания таймер должен обеспечивать отклонение выдержки по времени не более 2%.

Рассчитаем время одного цикла работы таймера Т0 в режиме СТС:

где - тактовая частота установки;

В рассматриваемом случае принимаем тактовую частоту равной

Гц

- коэффициент предделителя;

- максимальное значение таймера Т0 в данном режиме.

Определим число циклов работы таймера:



Тогда суммарное время работы таймера составит:

Полученное суммарное время работы таймера находится в пределах 2% отклонения. Таким образом, условия задания выполняются.

Изобразим на рисунке 3.1.1 диаграмму работы таймера за один цикл работы.

Рисунок 3.1.1 - Диаграмма работы таймера за один цикл работы

3.2 Конфигурирование регистров внешних прерываний

В соответствии с условиями задания подключение кнопки «Пуск» SB1 выполняется к порту микроконтроллера, обеспечивающего внешние прерывания INT1 (порт PD1). Для разрешения прерываний необходимо сконфигурировать регистры EIMSK, EICRA, EICRB.

1) Сконфигурируем регистр EIMSK - регистр масок внешних прерываний

Таблица 3.2.1 - Регистр масок внешних прерываний

EIMSK
Номер бита	7	6	5	4	3	2	1	0
-	INT7	INT6	INT5	INT4	INT3	INT2	INT1	INT0
Чтение/ запись	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
Устан. бит	0	0	0	0	0	0	1	0

Описание битов регистра EIMSK

- Биты INT7…INT0 (0…7) - каждый бит регистра отвечает за разрешение/ запрещения прерывания с номером соответствующего номеру разряда. В рассматриваемом случае устанавливает бит INT1 в состояние 1 и тем самым разрешаем прерывания по INT1.

2) Сконфигурируем регистр EICRA - регистр «А» управления внешними прерываниями и регистр EICRB - регистр «В» управления внешними прерываниями

Таблица 3.2.2 - Регистр «А» управления внешними прерываниями

EICRA
Номер бита	7	6	5	4	3	2	1	0
-	ISC31	ISC30	ISC21	ISC20	ISC11	ISC10	ISC01	ISC00
Чтение/ запись	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W	R/W
Устан. бит	0	0	0	0	1	0	0	0

Описание битов регистров EICRA и EICRB

- Биты ISC11 и ISC10 определяют условия генерации внешнего прерывания INT1 по условию:

3) Выбираем вектора прерываний для прерывания INT1

В соответствии с таблицей прерываний на микроконтроллер Atmel ATMega 128 выбираем вектор прерываний для прерывания INT1.

3.3 Конфигурирование регистров аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

Для конфигурирования аналого-цифрового преобразователя настроим регистры ADMUX и ADSRA.

1) Сконфигурируем регистр ADMUX - регистр управления мультиплексором

Описание битов регистра ADMUX

- Биты REFS1 (7) и REFS0 (6) определяют источник опорного напряжения. В рассматриваемом случае задаем источник опорного напряжения следующим образом:

- Бит ADLAR (5) отвечает за выравнивание результата преобразования. В рассматриваемом случае устанавливаем его в состояние 1 и тем самым обеспечиваем выравнивание по левой границе.

- Биты MUX4 (4)…MUX0 (0) отвечают за выбор входного канала. Произведем установку канала ADC1 следующим образом:

2) Сконфигурируем регистр ADSRA - регистр управления и состояния «А»

Описание битов регистра ADSRA

- Бит ADEN (7) - отвечает за разрешение работы аналого-цифрового преобразователя. Устанавливаем данный бит в состояние 1 и разрешаем работу АЦП.

- Бит ADSC (6) - отвечает за запуск преобразования при установке в 1.

- Бит ADFR (5) - выбор режима работы АЦП. Устанавливаем данный бит в состояние 0 - одиночный режим

- Бит ADIF (4) - флаг прерывания от компаратора. Установлено в 0.

- Бит ADIE (3) - разрешение прерываний от компаратора. В рассматриваемом случае устанавливаем бит в состояние 0 - запрет прерывания от компаратора.

3.4 Код программы на языке Assembler

.include "m128def.inc"

.def temp=r23;

.def vds=r17;

.equ KM1b=pd2; Блок-контакт контактора КМ1

.equ KM4b=pd3; Блок-контакт контактора КМ4 (контактор динамического торможения)

.equ KM5b=pd4; Блок-контакт контактора КМ5 (контактор ускорения)

.equ SB1b=pd0; Кнопка SB1 "Стоп"

.equ KL1=$01; Включение KL1

.equ KL2=$05; Включение KL1, KL5

.equ KL4=$02; Включение KL4

.cseg

.org $000

rjmp start; Переход к подпрограмме «Старт»

.org $0004; Вектор прерывания от INT1("Пуск")

rjmp INT1_P; Переход к подпрограмме прерывания от кнопки «Пуск»

.org $001E; Вектор прерывания от таймера Т0 по совпадению

rjmp OC0_T; Переход к подпрограмме прерывания от таймера Т0

reti

start: ldi temp, low (RAMEND); Инициализация стека

out SPL, temp;

ldi temp, high (RAMEND);

out SPH, temp;

ldi temp, $FF; Настройка порта В на вывод

out DDRB, temp;

out DDRD, temp;

out PORTD,temp;

ldi temp, $00; Настройка портов D и F на ввод

out DDRD, temp;

sts DDRF, temp;

ldi temp, 0b00001000; Настройка прерываний от внешних источников - INT1

sts EICRA, temp; по спадающему фронту

ldi temp, 0b00000010;

out EIMSK, temp; Разрешить прерывания от внешних источников - INT1

ldi temp, 234; Загрузка в регистр сравнения счетчика Т0 числа 234,

out OCR0, temp; соответствующего выдержки за один цикл работы - 0,03 сек.

ldi temp, 0b00000010; Разрешить прерывания от таймера Т0 по совпадению

out TIMSK, temp;

sei; Разрешить все прерывания

M1: sbic PIND, KM1b; Проверка включения контактора КМ1

rjmp M1;

ldi r20, $1E; Установка числа прерываний от таймера Т0 - 30 (tп1 = 0,9 сек.)

ldi r19, KL2;

ldi temp, 0b00001111; Настройка таймера Т0 в режим СТС CLK/1024

out TCCR0, temp;

M5: sbic PIND, KM5b; Проверка включения контактора KM5

rjmp M5;

ldi temp, 0b00000000; Остановка работы таймера

out TCCR0, temp;

M9: sbic PIND, SB1b; Проверка нажатия на кнопку SB1 «Стоп»

rjmp M9;

ldi temp, KL4; Включение катушки KL4 - динамическое торможение

out portb, temp;

M4: sbic PIND, KM4b; Проверка включения контактора КМ4

rjmp M4;

M7: ldi temp, 0b01100001; Настройка АЦП (выравнивание влево, вход PF1 (канал

ADC1), Uref=AVcc)

out ADMUX, temp;

ldi temp, 0b11000101; Запуск АЦП (с коэффициентом деления kдел=32)

out ADCSR, temp;

M6: sbis ADCSR, ADIF; Проверка окончания работы АЦП

rjmp M6

in vds, ADCH; Запись результата преобразования АЦП с ДС в регистр данных

cpi vds, $00; Сравнение с 0

brne M7; Если результат ? 0, то переход на М7

ldi temp, $00; Отключение всех промежуточных реле

out portb, temp;

M8: sbis PIND, KM4b; Проверка отключения контактора КМ4

rjmp M8;

rjmp M1;

INT1_P: ldi temp, KL1; Подпрограмма прерывания от кнопки «Пуск»

out portb, temp; Здесь включается реле KL1

reti; Возврат из подпрограммы прерывания от кнопки «Пуск»

OC0_T: dec r20; Подпрограмма прерывания от таймера Т0

brne K; Если результат ? 0, то переход на метку К

ldi temp, KL2; Здесь включаются реле KL1, KL5

K: reti Возврат из подпрограммы прерывания от таймера Т0

3.5 Компиляция программы

Компилируем полученную ранее программу в среде программного обеспечения AVR Studio 4.

Рисунок 3.5.1 - Окно ПО AVR Studio 4 с компилированной программой

В результате компилирования программы установлено, что написанная программа не содержит ошибок, препятствующих исполнению. Совокупный объем кода программы составил 63 слова.

Заключение

В данной курсовой работе спроектирована микропроцессорная система управления пуском в одну ступень в функции времени и динамического торможения в функции скорости асинхронного двигателя с фазным ротором на ATMega 128x.

В ходе выполнения работы разработана принципиальная электрическая схема системы, включающая силовую часть и цепи управления.

Реализация аппаратной выдержки по времени произведена с помощью встроенного таймера Т0, работающего в режиме CTC с коэффициентом предделителя . Полученная выдержка по времени находится в пределах 2% отклонения, оговоренного заданием.

При разработке программного обеспечения произведено конфигурирование регистров управления таймером, аналого-цифровым преобразователем, прерываниями. Управляющая программа написана на языке Assembler. В ходе компиляция программы в среде программного обеспечения AVR Studio 4 установлено, что она не содержит ошибок и может быть использована для управления реальным технологическим объектом.

Совокупный объем кода программы составил 63 слова.



Список использованных источников

1. Микроконтроллеры AVR семейства Mega / А.В. Евстифеев Москва, Издательский дом «Додэка-ХХI, 2007 - 592с.

2. Стандарт предприятия. Проекты (работы) дипломные и курсовые. Общие требования к оформлению пояснительных записок и чертежей. СТП 1-У-НГТУ-2011 / НГТУ; Нижний Новгород, 2011.

Размещено на Allbest.ru