Размещено на http://www.allbest.ru/

8

Дипломная работа

Система управления двигателями в вентиляционной системе

Техническое задание

Введение

Настоящее техническое задание распространяется на разработку «Системы управления двигателями в вентиляционной системе» КНФУ.477203.001, предназначенной для контроля оборотов двигателя в зависимости от температуры обмотки двигателя, скорости ветра и входящих данных от внешней измерительной системыю.

Основания для разработки

Система разрабатывается на основании задания на дипломный проект, утвержденного кафедрой ПиП ЭВС.

Тема: «Система управления двигателями в вентиляционной системе».

Источники разработки

Система управления двигателем вентилятора промышленной вентиляционной системы разрабатывается на основании сведений полученных в ходе исследования аналогов разрабатываемой системы, в рамках выполнения данного дипломного проекта.

Технические требования

Состав изделия

В состав изделия входят: датчик ветра и температуры, блок управления.

Технические параметры

Напряжение питания схемы, В 5 ± 0,5 В

15 ± 1,5 В

Диапазон измерения температуры -30…+150⁰С

Требования к надежности

Общие требования к надежности по ГОСТ 23359-82. Наработка на отказ при работе в нормальных климатических условиях по ГОСТ 15150-59 - не менее 10000 ч.

Принцип работы

Данное устройство служит для приема и обработки информации поступающей от датчиков и внешней системы измерения газов, а также от измерителя запыленности. После подачи напряжения питания на элементы системы, не более чем через 120 с, на выходах датчиков появляются информационные сигналы. По кабельным линиям сигналы с датчиков поступают на входы блока управления (БУ). Где производится непрерывный опрос всех аналоговых датчиков. И в результате обработки информации система регулирует обороты двигателя. Система может работать как в автономном режиме (от своих датчиков), так и в сетевом (подключенной к внешней системе измерения и сбора информации о концентрации газов в воздухе).

Конструктивные требования

Основные конструктивные требования по ГОСТ 14.201-83 и ГОСТ 14.202-83.

Общие технические требования. Методы испытаний по ГОСТ 24032-80.

Основные требования к материалам и покрытиям по ОСТ 4.029.091-81 «Несущие конструкции устройств. Материалы и покрытия».

Требования по уровню шума по ГОСТ 236.329-84 «Машины, устройства и системы обработки данных. Допустимые уровни шума технических средств».

Требования технической эстетики по ОСТ 4Г0.11218.

Требования эргономики по ОСТ 4Г0.10236.

Условия эксплуатации

Устройство должно соответствовать категории размещения О5^* по ГОСТ 15150 - 69 «Для всех макроклиматических районов на суше, кроме макроклиматического района с очень холодным климатом (общеклиматическое исполнение) эксплуатирующееся в объемах с повышенной влажностью (например, в неотапливаемых и невентилируемых подземных помещениях, в том числе шахтах, подвалах, в почве»

- диапазон рабочих температур, єС -5…+40

- относительная влажность воздуха (с конденсацией влаги) 20…98 ±2%

- атмосферное давление, кПа 87,8 … 119,7

Механические воздействия должны соответствовать ГОСТ 25467- 82 группа исполнения М6 «Изделия устанавливаемые на объектах, имеющие мощные источники вибрации, а также для общего применения в промышленности при условии, что частота вибрации превышает 200 Гц»:

- диапазон синусоидальных вибраций, Гц 1…500

- амплитуда ускорения синусоидальных вибраций, м/с 100(10)

- пиковое ударное ускорение, м/с (g) 400 (40)

Требования безопасности

Основные требования к безопасности в соответствии с требованиями ПУЭ «Правила устройств электроустановок потребителей», утвержденного Минэнерго СССР и введенного в действие 01.08.84.

Основные требования к безопасности при эксплуатации - в соответствии с “Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителем”, утвержденными Госэнергонадзором 10.12.72.

Требование к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению (ГОСТ 9.014-79, ГОСТ 14192-96)

Транспортная упаковка и условия хранения должны обеспечивать сохранность изделия при транспортировке и хранении и выполняться по соответствующим стандартам, отраслевым нормам и инструкциям.

Маркировку выполнять любым способом, обеспечивающим ее сохранность в течение всего срока службы.

Устройство должно храниться в складских помещениях, защищенных от воздействия атмосферных осадков, при отсутствии в воздухе кислот, щелочей, и других агрессивных примесей.

Хранение упакованных ПВУ допускается производить в капитальных не отапливаемых складских помещениях при температуре от 0 °С до 40 °С и относительной влажности воздуха 80 % при температуре 25 °С на специально отведенных стеллажах.

Транспортирование ПВУ должно производиться автомобильным, железнодорожным, авиационным (в отапливаемом, герметичном отсеке) видами транспорта на любое расстояние при условии защиты от грязи и атмосферных осадков в соответствии с «Общими правилами перевозки грузов автотранспортом, правилами перевозки грузов железнодорожным транспортом, техническими условиями перевозки и крепления грузов МПС»

Экономические показатели

Масштабность выпуска соответствует среднесерийному производству (100000).

Порядок испытаний

Испытания производить на предприятии - изготовителе путем проверки на предмет соответствия технических показателей устройства в соответствии с ГОСТ 16.962-79 “Изделия электронной техники. Механические, климатические воздействия. Требования и методы испытаний”.

Аннотация

В ходе выполнения дипломного проекта была разработана система управления трехфазным двигателем в промышленной вентиляционной системе. В дипломном проекте был произведен расчет надежности изделия по внезапным отказам, расчет на потребляемую мощность, компоновочные расчеты, разработана конструкция корпуса. В экономической части произведен расчет себестоимости изготовления конструкции разрабатываемого изделия и оценены виды эффектов. В разделе по безопасности жизнедеятельности были рассмотрены варианты защиты устройства от перенапряжения в линии связи, меры защиты от помех, а также способы взрывозащиты электротехнического оборудования.

В графической части представлен комплект из 10 чертежей и 2 плакатов.

The summary

During performance of the degree project the control system of the three-phase engine in industrial ventilating system has been developed. In the degree project calculation of reliability of a product on sudden refusals, calculation on power consumption, arrangement calculations has been made, the tank construction is developed. In an economic part calculation of the cost price of manufacture of a construction of a developed product is made and sorts of effects are estimated. In section on safety of ability to live variants of protection of the device from an overstrain in the communication circuit, a measure of protection from interferences, and also ways взрывозащиты the electrotechnical equipment have been considered.

In a graphics part the package from 10 drawings and 2 posters is presented.

Содержание

Введение

1. Аналитическая часть

1.1 Обзор существующих аналогов системы

1.2 Состав вентиляционной системы

2. Расчетно-теоретическая часть

2.1 Разработка структурной схемы

2.2 Разработка схемы электрической принципиальной

2.3 Расчет показателей надежности ЭБУ

2.4 Расчет питания системы

3.Технологическая часть

3.1 Выбор типа и класса точности печатной платы

3.2 Выбор материала печатной платы

3.3 Определение размеров печатной платы

3.4 Расчет параметров печатного рисунка платы

4. Конструкторская часть

4.1 Расчет технологичности конструкции

4.2 Определение базовых показателей технологичности

4.3 Анализ комплексного показателя технологичности

4.4 Выбор конструкции

5. Экономическая часть

5.1 Оценка конкурентоспособности системы управления двигателями в вентиляционной системе

5.2 Виды эффектов от внедрения устройства

5.3 Разработка системы продвижения товара

6. Безопасность жизнедеятельности

6.1 Важность вентилирования помещений

Заключение

Литература

Список использованных сокращений

АЛУ - арифметико-логическое устройство

ИС - интегральная схема.

ИЭТ - изделия электронной техники.

МК - микроконтроллер.

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство.

ПК - персональный компьютер.

ПО - программное обеспечение

ТЗ - техническое задание.

ТП - технологический процесс.

ШИМ - широтно-импульсная модуляция.

ЭВА - электронно-вычислительная аппаратура

ЭВС - электронное вычислительное средство.

ЭРЭ - элемент радиоэлектронный.

плата микроконтроллер двигатель вентиляционная система

Введение

В промышленности: (горнодобывающей, деревообрабатывающей, пищевой и других) в метрополитенах одной из опасных проблем является система вентиляции. Ежегодно в промышленных отраслях случаются несчастные случаи с летальным исходом, различные виды аварии, пожары из-за плохой системы вентилирования воздушной среды.

Скопление таких газов как метан, углеводород, высокое содержание пыли в воздушной среде очень сильно вредят здоровью человека.

Вентиляция создаёт условия воздушной среды, благоприятные для здоровья и самочувствия человека отвечающие требованиям технологического процесса, сохранения оборудования и строительных конструкций здания, хранения материалов, продуктов и так далее.

Согласно требованиям безопасности на производстве вентиляционная система должна состоять как из канала притока воздуха так и оттока.

Вентиляция бывает: естественная, механическая, приточная, вытяжная, местная, обще объёмная, канальная и безканальная.

Местной вентиляцией называется такая вентиляция, при которой воздух подают на определенные места (местная приточная вентиляция) и загрязненный воздух удаляют только от мест образования вредных выделений (местная вытяжная вентиляция).

Общеобменные системы вентиляции - как приточные, так и вытяжные, предназначены для осуществления вентиляции в помещении в целом или в значительной его части. Общеобменные вытяжные системы относительно равномерно удаляют воздух из всего обслуживаемого помещения, а общеобменные приточные системы подают воздух и распределяют его по всему объему вентилируемого помещения.

В механических системах вентиляции используются оборудование и приборы (вентиляторы, электродвигатели, воздухонагреватели, пылеуловители, автоматика и др.), позволяющие перемещать воздух на значительные расстояния. Затраты электроэнергии на их работу могут быть довольно большими. Такие системы могут подавать и удалять воздух из локальных зон помещения в требуемом количестве, независимо от изменяющихся условий окружающей воздушной среды. При необходимости воздух подвергают различным видам обработки (очистке, нагреванию, увлажнению и т.д.), что практически невозможно в системах естественной вентиляции. Следует отметить, что в практике часто предусматривают так называемую смешанную вентиляцию, то есть одновременно естественную и механическую вентиляцию. В каждом конкретном проекте определяется, какой тип вентиляции является наилучшим в санитарно-гигиеническом отношении, а также экономически и технически более рациональным.

В рамках выполнения дипломного проекта передо мной была поставлена задача разработать систему управления трехфазным двигателем в промышленной вентиляционной системе, которая бы отличалась универсальностью, высокой точностью контроля, низкой стоимостью, малыми габаритами и весом.

1. Аналитическая часть

1.1 Обзор существующих аналогов системы

В настоящее время для управления двигателем вентиляции различные системы различных фирм. Одна из них - это системы управления на базе контроллеров TKV. Разработанные фирмой ТЕРМОКУЛ.

При необходимости эти системы можно связать в общую коммуникационную сеть и интегрировать в уже существующие системы мониторинга и диспетчеризации.

Управляющие блоки TKV применяются для комплексного управления приточно-вытяжными системами вентиляции с вентиляторами. Система автоматики блока управления позволяет обеспечить круглогодичную эксплуатацию системы вентиляции в ручном или автоматическом режиме с точным поддержанием заданных параметров. Благодаря широкому спектру возможностей контроллера, специально разработанного для этой серии, блоки TKV могут применяться практически во всех вентиляционных установках. При необходимости, блоки управления можно объединить в общую систему диспетчеризации. На компьютер диспетчера устанавливается многофункциональное программное обеспечение верхнего уровня (SCADA), в удобной форме отображающее состояние систем и дающее возможность дистанционного управления оборудованием. Управляющие блоки TKV сконструированы согласно IEC 364-3, имеют степень защиты IP65 при закрытой дверце и IP40 при открытой. Блоки предназначены для вертикального монтажа. Допустимая температура эксплуатации от -20 до +50° С. Температура хранения от -30 до +50° С. В стандартный комплект поставки блока входят:

блок управления TKV, сконфигурированный под необходимую задачу, схема электрическая принципиальная, инструкция по настройке и эксплуатации.

Все типы блоков TKV смонтированы в пластиковых шкафах типа «Kaedra» производства Schneider Electric с передней прозрачной дверцей, за которой находятся элементы управления и индикации. При стандартной комплектации внешние размеры бокса составляют 340х615х140 мм (ШхВхГ)*.

Силовая часть, состоящая из главного выключателя, защитных элементов, контакторов собрана с применением только высококачественных компонентов ведущих производителей (Moeller, Omron, Entrelec).

Регулятор скорости вращения вентилятора ETD 01KP

Выносной пульт для управления регуляторами скорости серии ESMD (четырёхпроводный интерфейс, шесть кнопок, трёхразрядный дисплей)

Рисунок1. Регулятор скорости вращения вентилятора ETD 01KP

Контроллер Optigo OP5

Конфигурируемые контроллеры Optigo предназначены для управления работой систем вентиляции и кондиционирования, отопления и горячего водоснабжения (ГВС). Optigo - новое направление в области контроллеров с ограниченным набором функций для применения там, где не требуется весь спектр характеристик. Контроллеры предназначены для шкафного монтажа на DINрейке.

На передней панели контроллера расположены ЖКдисплей, на котором отображается основная информация о работе системы и энкодер. Настройка режимов работы и парамеров системы производится с помощью энкодера и графического дисплея.

* Управление температурой;

* Управление уровнем СО2;

* Управление влажностью;

* Управление давлением;

* Управление давлением с компенсацией по наружной температуре.

Модель с ограниченным набором функций предназначенная для плавного регулирования одного из параметров. Контроллер работает в режиме пропорционально-интегрального регулирования для быстроменяющегося значения, но может быть перенастроен на режим пропорционального регулирования для медленно изменяющегося значения регулируемого объекта.

Рисунок 2. Контроллер Optigo OP5

1.2 Состав вентиляционной системы

Состав системы вентиляции зависит от ее типа. Наиболее сложными и часто используемыми являются приточные искусственные (механические) системы вентиляции. Их состав мы и рассмотрим.

Типовая приточная механическая вентиляционная система состоит из следующих компонентов (расположенных по направлению движения воздуха, от входа к выходу):

Воздухозаборная решетка

Через воздухозаборную решетку в систему вентиляции поступает наружный воздух. Эти решетки, как и все другие элементы вентиляционной системы, бывают круглой или прямоугольной формы. Воздухозаборные решетки не только выполняют декоративные функции, но и защищают систему вентиляции от попадания внутрь капель дождя и посторонних предметов.

Рисунок 1.1 Воздухозаборная решетка

Воздушный клапан

Воздушный клапан необходим для предотвращения попадания холодного наружного воздуха в помещение при выключенной вентиляции. Наибольшее распространение получили пружинный обратный клапан («бабочка») и воздушный клапан с электроприводом и возвратной пружиной (возвратная пружина закрывает клапан при пропадании электропитания). Пружинный обратный клапан недорогой, но менее эффективный (возможно попадание холодного воздуха с улицы в помещение при выключенной системе). Воздушный клапан с электроприводом дороже, но он гарантированно перекрывает доступ холодного воздуха и, кроме того, позволяет полностью автоматизировать управление системой -- при включении вентилятора (и калорифера) клапан открывается, при выключении -- закрывается.

Кроме этого существуют недорогие ручные клапана -- управление заслонкой такого клапана производится с помощью рукоятки. Ручной клапан рекомендуется устанавливать совместно с пружинным обратным клапаном для того, чтобы иметь возможность перекрыть доступ холодного воздуха в помещение при отключении системы вентиляции на длительный период (например, при отъезде в отпуск). В противном случае соприкосновение теплого внутреннего воздуха с холодной поверхностью воздуховодов может привести к образованию конденсата, который в виде капель воды будет стекать в помещение.

Рисунок 1.2 Воздушный клапан

Фильтр

Фильтр необходим для защиты как самой системы вентиляции, так и вентилируемых помещений от пыли, пуха, насекомых. Обычно устанавливается один фильтр грубой очистки, который задерживает частицы величиной более 10 мкм. Если к чистоте воздуха предъявляются повышенные требования, то дополнительно могут быть установлены фильтры тонкой очистки (задерживают частицы до 1 мкм) и особо тонкой очистки (задерживают частицы до 0,1 мкм).

Фильтрующим материалом в фильтре грубой очистки служит ткань из синтетических волокон, например, акрила. Фильтр необходимо периодически очищать от грязи и пыли, обычно не реже 1 раза в месяц. Для контроля загрязнения фильтра можно установить дифференциальный датчик давления, который контролирует разность давления воздуха на входе и выходе фильтра -- при загрязнении разность давления увеличивается.

Рисунок 1.3 Фильтр

Калорифер

Калорифер или воздухонагреватель предназначен для подогрева подаваемого с улицы воздуха в зимний период. Калорифер может быть водяным (подключается к системе центрального отопления) или электрическим. Для небольших приточных установок выгоднее использовать электрические калориферы, поскольку установка такой системы требует меньших затрат. Для больших офисов (площадью более 100 кв.м.) желательно использовать водяные нагреватели, иначе затраты на электроэнергию окажутся очень большими.

Существует способ в несколько раз снизить затраты на подогрев поступающего воздуха. Для этого используется рекуператор -- устройство, в котором холодный приточный воздух нагревается за счет теплообмена с удаляемым теплым воздухом. Разумеется, воздушные потоки при этом не смешиваются.

Рисунок 1.4 Колорифер

Вентилятор

Вентилятор -- основа любой системы искусственной вентиляции. Он подбирается с учетом двух основных параметров: производительности, то есть количества прокачиваемого воздуха и полном давлении. По конструктивному исполнению вентиляторы бывают двух видов: осевые (пример -- бытовые вентиляторы «на ножке») и радиальные (центробежные) (типа «беличье колесо»). Осевые вентиляторы обеспечивают хорошую производительность, однако характеризуются низким полным давлением, то есть, если на пути воздушного потока встречается препятствие (длинный воздуховод с поворотами, решетка и т.п.), то скорость потока существенно уменьшается. Поэтому в системах вентиляции с разветвленной сетью воздуховодов применяют радиальные вентиляторы, отличающиеся высоким давлением созданного воздушного потока. Другими важными характеристиками вентиляторов является уровень шума и габариты. Эти параметры в большой степени зависят от марки оборудования.

Рисунок 1.5 Вентилятор

Шумоглушитель

Поскольку вентилятор является источником шума, после него обязательно устанавливают шумоглушитель, чтобы предотвратить распространение шума по воздуховодам. Основным источником шума при работе вентилятора являются турбулентные завихрения воздуха на его лопастях, то есть аэродинамические шумы. Для снижения этих шумов используется звукопоглощающий материал определенной толщины, которым облицовываются одна или несколько стенок шумоглушителя. В качестве звукопоглощающего материала обычно используют минеральную вату, стекловолокно и т.п.

Рисунок 1.6 Шумоглушитель

Воздуховоды

После выхода из шумоглушителя обработанный воздушный поток готов к распределению по помещениям. Для этих целей используется воздухопроводная сеть, состоящая из воздуховодов и фасонных изделий (тройников, поворотов, переходников). Основными характеристиками воздуховодов являются площадь сечения, форма (круглая или прямоугольная) и жесткость (бывают жесткие, полугибкие и гибкие воздуховоды).

Скорость потока в воздуховоде не должна превышать определенного значения, иначе воздуховод станет источником шума. Поэтому площадью сечения воздуховода определяется объем прокачиваемого воздуха, то есть размер воздуховодов подбирается исходя из расчетного значения воздухообмена и максимально допустимой скорости воздуха.

Жесткие воздуховоды изготавливаются из оцинкованной жести и могут иметь круглую или прямоугольную форму. Полугибкие и гибкие воздуховоды имеют круглую форму и изготавливаются из многослойной алюминиевой фольги. Круглую форму таким воздуховодам придает каркас из свитой в спираль стальной проволоки. Такая конструкция удобна тем, что воздуховоды при транспортировке и монтаже можно складывать «гармошкой». Недостатком гибких воздуховодов является высокое аэродинамическое сопротивление, вызванное неровной внутренней поверхностью, поэтому их используют только на участках небольшой протяженности.

Рисунок 1.7 Воздуховоды

Распределители воздуха

Через воздухораспределители воздух из воздуховода попадает в помещение. Как правило, в качестве воздухораспределителей используют решетки (круглые или прямоугольные, настенные или потолочные) или диффузоры (плафоны). Помимо декоративных функций, воздухораспределители служат для равномерного рассеивания воздушного потока по помещению, а также для индивидуальной регулировки воздушного потока, направляемого из воздухораспределительной сети в каждое помещение.

Рисунок 1.8 Распределители воздуха

Системы регулировки и автоматики

Последним элементом вентиляционной системы является электрический щит, в котором обычно монтируют систему управления вентиляцией. В простейшем случае система управления состоит только из выключателя с индикатором, позволяющего включать и выключать вентилятор. Однако чаще всего используют систему управления с элементами автоматики, которая регулирует мощность калорифера в зависимости от температуры приточного воздуха, следит за чистотой фильтра, управляет воздушным клапаном и т.д. В качестве датчиков для системы управления используют термостаты, гигростаты, датчики давления и т.п.



Рисунок 1.9 Система регулировки и автоматики

Рисунок 1.10 Структура вентиляционной сети.

2. Расчетно-теоретическая часть

2.1 Разработка структурной схемы

Система вентиляционной сети предназначена для автоматического непрерывного изменения скорости вращения (приточных, вытяжных) вентиляторов вентиляционной системы, по результатам полученным от диспетчерского измерительного центра. Основными функциями системы являются:

- изменение скорости вращения трехфазного двигателя вентилятора;

- измерение скорости потока воздуха;

- измерение температуры обмоток двигателя;

- ручное и автоматическое управление системами вентиляции;

Разобравшись в функциональном назначении будущей системы, а также подобрав и изучив характеристики требуемых датчиков, можно сформулировать требования к составу и параметрам аппаратуры, удовлетворяющие техническому заданию на дипломный проект и разработать электронный блок управления двигателя вентиляционной сети.

Рисунок 2.1 . Структурная схема электронного блока управления двигателя в вентиляционной системы

Изучив характеристики требуемых датчиков и электродвигателя, можно сформулировать требования к составу и параметрам аппаратуры, удовлетворяющие техническому заданию на дипломный проект и разработать систему управления двигателями в вентиляционной системе.

Для сигналов, поступающих с датчиков и внешней измерительной системы необходимо предусмотреть память достаточной для хранения программы, временных файлов и другой информации.

Информация после преобразования должна анализироваться и на основе анализа управлять электродвигателем, для чего необходимо предусмотреть контроллер двигателя.

Блок управления должен иметь сетевой интерфейс для обмена с внешней измерительной системой. Блок клавиатуры для первичной ручной настройки.

В соответствии с вышеуказанными требованиями и параметрами, была разработана схема электрическая структурная КНФУ.277212.001 Э1 в которой отражены все основные блоки электронного блока управления двигателя вентиляционной системы.

2.2 Разработка схемы электрической принципиальной

При выборе элементной базы для разрабатываемой системы, необходимо придерживаться следующих параметров:

- небольших габаритов;

- требуемая надежность;

- низкая стоимость;

- удобства монтажа.

Все блоки системы изготавливаются с применением изделий электронной техники (ИЭТ), имеющих планарные выводы и предназначенные для поверхностного (планарного) монтажа, основными преимуществами которого является: снижение габаритов и массы печатных узлов, улучшение электрических характеристик, повышение технологичности, повышение ремонтопригодности, снижение себестоимости.

Элементная база приведена на схеме электрической принципиальной КНФУ.477203.001 Э3 и в перечне элементов КНФУ. 477203.001 ПЭ3.

2.2.1 Выбор микроконтроллера

Для минимизации размеров, энергопотребления и стоимости аппаратуры эффективнее применять микроконтроллер, осуществляющий управление различными электронными устройствами и обеспечивающий взаимодействие между ними согласно заложенной в него программе. Т.к. термин "микроконтроллер" обычно означает отдельную микросхему, содержащую процессорное ядро и все необходимые периферийные устройства на одном кристалле для того, чтобы реализовать специализированный микрокомпьютер для задач контроля/управления, то для данной разрабатываемой системы он является предпочтительнее. Не менее важным критерием при выборе микроконтроллера является, по возможности большая интеграция функционально-топологических модулей, которые должны соответствовать поставленной задаче.

При выборе микроконтроллера особое внимание уделялось большому числу встроенных дополнительных устройств т.к. это повышает надежность системы, потому что они не требуют никаких внешних электрических цепей. Наиболее популярными внутрисхемными устройствами являются устройства памяти, таймеры, системные часы/генератор и порты ввода/вывода (I/O). Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM) и электрически стираемую память (EEM). I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A) и различного рода индикаторы. Также необходимо внимательно изучить набор команд и регистров каждого микроконтроллера, так как они играют важнейшую роль в определении возможностей системы в целом.

Архитектура семейства MCS-51 фирмы Intel была в свое время определена настолько удачно, что является сегодня, по существу, одним из стандартов «де-факто» на мировом рынке 8-разрядных микроконтроллеров. Наиболее современные микроконтроллеры этой архитектуры объединяют на одном кристалле вместе с ядром MCS-51 flash - память объемом до 64 Кбайт, 12 - разрядные АЦП и ЦАП, интерфейсы USB, CAN, (E)ISA. Дополнительные возможности предоставляют версии микроконтроллеров MCS-51 с пониженным до 1,8 В напряжением питания, а также приборы со сжатой тактовой сеткой и повышенной до 40 МГц тактовой частотой.

Analog Device выпускает микросхему ADuC812 которая представляет собой интегральную 12 - битную систему сбора информации включающую в себя прецизионный многоканальный АЦП с самокалибровкой, два 12 - битных ЦАП и программируемое 8 - битное микропроцессорное ядро (совместимое с 8051) (MCU). MCU поддерживается внутренними 8Кбайт FLASH ЭРПЗУ программ, 640 байт ЭРПЗУ памяти данных и 256 байт статической памяти данных с произвольной выборкой (RAM). MCU поддерживает следующие дополнительные функции: охранный таймер, монитор питания, канал прямого доступа для АЦП. Для мультипроцессорного обмена и расширения в/в имеются 32 программируемых в/в линии, I²C, SPI, стандартный UART интерфейс.

Рассмотрим семейство микроконтроллеров AVR фирмы Atmel.

В рамках единой базовой архитектуры AVR-микроконтроллеры подразделяются на три подсемейства:

- Сlassic AVR. Основные особенности микроконтроллеров данного семейства:

1) возможность вычислений со скоростью до 1 MIPS/МГц;

2) FLASH_память программ объемом от 1 до 8 Kбайт (число циклов стирания/записи не менее 1000);

3) память данных на основе статического ОЗУ (SRAM) объемом до 512 байт;

4) память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом от 64 до 512 байт (число циклов стирания/записи не менее 100000);

- Tiny AVR. Микроконтроллеры этого семейства являются 8-разрядными микроконтроллерами, предназначенными для встраиваемых приложений.

Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП -технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Удельное быстродействие этих микроконтроллеров может достигать значения 1 MIPS/МГц (1 миллион операций в секунду на 1 МГц тактовой частоты). Основные особенности микроконтроллеров данного семейства:

1. FLASH - память программ объемом 1…2 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 1000);

2. Оперативная память (статическое ОЗУ) 1…2 Кбайт;

3. Память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом до 64 байт (число циклов стирания/записи не менее 100000);

4. Возможность защиты от внешнего чтения и модификации памяти программ и данных (в EEPROM);

5. Возможность программирования непосредственно в системе через последовательный интерфейс;

6. Различные способы синхронизации: встроенный генератор с внутренней или внешней времязадающей RC-цепочкой, встроенный генератор с внешним резонатором (пьезокерамическим или кварцевым), внешний сигнал синхронизации;

7. Наличие двух или трех режимов пониженного энергопотребления;

8. Некоторые модели микроконтроллеров могут работать при пониженном до 1,8 В напряжении питания.

- Mega AVR. Микроконтроллеры этого семейства являются наиболее развитыми представителями микроконтроллеров AVR. Они имеют электрически стираемую память программ (FLASH) и данных (EEPROM), а также самый богатый набор периферийные устройств по сравнению с микроконтроллерами других семейств. К устройствам присутствующим не но всех моделях семейства относятся АЦП, модуль двухпроводного интерфейса TWI (Two Wire Interface, аналог шины I²C), а также модуль интерфейса JTAG. Основные особенности микроконтроллеров AVR семейства Mega:

1. FLASH - память программ объемом 8…128 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 1000);

2. Оперативная память (статическое ОЗУ) объемом 1…4 Кбайт;

3. Память данных на основе ЭСППЗУ (EEPROM) объемом 512 байт … 4 Кбайт (число циклов стирания/записи не менее 100000);

4. Возможность программирования непосредственно в системе через последовательные интерфейсы SPI и JTAG;

5. Возможность самопрограммирования;

6. Возможность внутрисхемной отладки в соответствии со стандартом IEEE 1149.1 (JTAG);

7. Различные способы синхронизации;

8. Наличие детектора снижения напряжения питания (brown-out-detector, BOD);

Из рассмотренного семейства AVR-микроконтроллеров наибольший интерес представляет микроконтроллер ATmega8535L, 8 - разрядный высокопроизводительный AVR микроконтроллер с развитой RISC архитектурой, малым потреблением и внутрисхемно программируемой FLASH памятью на. Имеет богатую систему высокопроизводительных команд, большинство из которых выполняется за один тактовый цикл. 32 8-разрядных рабочих регистра общего назначения непосредственно связаны с арифметико-логическим устройством (АЛУ), что позволяет получить доступ к двум независимым регистрам при выполнении одной команды. За счет этого такая архитектура обеспечивает в десятки раз большую производительность по сравнению с CISC архитектурой.

Основными характеристиками данного микроконтроллера является 8 Кбайт внутрисистемно перепрограммируемой Flash памяти, дополнительный сектор загрузочных кодов с независимыми битами блокировки (внутрисистемное программирование встроенной программой загрузки, обеспечен режим одновременного чтения/записи (Read-While-Write)), 512 байт EEPROM (Обеспечивает 100000 циклов стирания/записи), 512 байт встроенной SRAM, 8 - канальный 10 - разрядный аналого-цифровой преобразователь, программирование через JTAG интерфейс (Flash, EEPROM памяти, перемычек и битов блокировки), шесть каналов PWM с возможностью программирования разрешения от 1 до 16 разрядов, сдвоенный программируемый последовательный USART, шесть режимов пониженного потребления (Idle, Power-save, Power-down, Standby, Extended Standby и снижения шумов ADC).

Сравнив характеристики микроконтроллера AVR ATmega8535L и ADuC812 с архитектурой MCS-51 можно сделать вывод что модель фирмы AVR имеет более широкие возможности и условия эксплуатации.

Рассчитаем разрядность АЦП, обеспечивающую необходимую точность преобразования аналоговых сигналов, согласно заданию на дипломный проект. Расчет разрядности производим используя погрешность представления информации д_ПР:



Рисунок 10. Структурная схема микроконтроллера

Определим число разрядов АЦП по формуле:

где n - число разрядов АЦП

2.2.2 Выбор операционного усилителя

Одним из основных входных сигналов для разрабатываемой схемы является аналоговый, поэтому его необходимо предварительно усилить для подачи на входы АЦП. Так как датчики удалены от основного устройства, то для обеспечения точности измерения аналоговых сигналов наиболее оптимальным будет применение в данной разработке операционного усилителя. Это тип дифференциального усилителя с характеристиками, подходящими для использования в измерениях и тестирующем оборудовании. Такие характеристики включают: очень малое смещение постоянного тока, малый дрейф, малый шум, высокий коэффициент усиления при разомкнутой обратной связи, очень высокий коэффициент ослабления синфазного сигнала, и очень высокие входные сопротивления. Такие усилители применяются, когда требуются большая точность и высокая стабильность схемы.

Рисунок 11. Схема типичного дифференциального усилителя

В данной разработке был применен ОУ AD8031 фирмы ANALOG DEVICES, который обладает следующими характеристиками:

- маломощное потребление 800 мА;

- дифференциальное входное напряжение ±5В;

- рабочий диапазон температур -40єС …+80єС

- рабочее питания ±5 В;

- усиление от 1 до 1000;

- малощумящий 35нВ/vГц;

- низкое напряжение смещения по выходу;

- диапазон выходного сигнала от -U_пит до +U_пит.

Рисунок 2.2 Схема подключения датчиков

Область применения:

- маломощное оснащение медицинской аппаратуры;

- интерфейсы преобразователя;

- усилители термопары;

- управление производственным процессом;

- сбор данных малой мощности.

Каждый из аналоговых датчиков подключается к отдельному входу АЦП, встроенному в микроконтроллер. Подключение осуществляется через согласующее устройство, в качестве которого используется ОУ.

2.2.3 Выбор интерфейса передачи данных

Так как данная система должна быть связана с ЭВМ находящейся на достаточно большом расстоянии, то наиболее подходящим в данном случае будет применение промышленного интерфейса для обмена данными.

Интерфейс RS-485 (другое название - EIA/TIA-485) - один из наиболее распространенных стандартов физического уровня связи. Структурированная кабельная система (СКС) построенная на основе RS-485, представляет собой приемопередатчики, соединенные при помощи витой пары - двух скрученных проводов. В основе интерфейса RS-485 лежит принцип дифференциальной передачи данных. Суть его заключается в передаче одного сигнала по двум проводам. Причем по одному проводу идет оригинальный сигнал, а по другому - его инверсная копия. Другими словами если на одном проводе «1», то на другом «0» и наоборот. Таким образом, между двумя проводами витой пары всегда есть разность потенциалов. Именно этой разностью потенциалов и передается сигнал. Такой способ передачи обеспечивает высокую устойчивость к синфазной помехе. Синфазной называют помеху, действующую на оба провода линии одинаково. К примеру, электромагнитная волна, проходя через участок линии связи, наводит в обоих проводах потенциал.

Если сигнал передается потенциалом в одном проводе относительно общего, как в RS-232, то наводка на этот провод может исказить сигнал относительно хорошо поглощающего наводки общего («земли»). Кроме того, на сопротивлении длинного общего провода будет падать разность потенциалов земель - дополнительный источник искажений. А при дифференциальной передаче искажения не происходит. Аппаратная реализация интерфейса - микросхемы приемопередатчиков с дифференциальными входами/выходами (к линии) и цифровыми портами (к портам UART контроллера). Существует два варианта такого интерфейса: RS-422 и RS-485. Для разрабатываемой системы был применен RS-485. Это полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключатся в режиме приема. Максимальная скорость связи по спецификации RS-485 может достигать 10 Мбод/сек. Максимальное расстояние - 1200 м. Если необходимо организовать связь на расстоянии больше 1200 м или подключить больше устройств, чем допускает нагрузочная способность передатчика - применяют специальные повторители (репитеры).

Рисунок 2.3. Временная диаграмма работы интерфейса

В качестве линии связи надежнее использовать экранированную витую пару с волновым сопротивлением ? 120 Ом. Для защиты от помех экран (оплетка) витой пары заземляется в любой точке, но только один раз: это исключает протекание больших токов по экрану из-за неравенства потенциалов «земли». Как правило, экран линии связи заземляется на одном из ее концов. Любая длинная линия для исключения помех от отраженного сигнала должна быть согласована на концах. Для согласования используются резисторы сопротивлением 120 Ом (точнее, с сопротивлением, равным волновому сопротивлению кабеля) и мощностью не менее 0,25 Вт - так называемый терминатор. Терминаторы устанавливаются на обоих концах линии связи, между контактами А и В витой пары.

В качестве приемопередатчика интерфейса RS-485, был выбран интегральный приёмопередатчик дифференциальных сигналов двунаправленной передачи данных в полудуплексном режиме MAX 485.

Отличительные особенности:

· изолированный приемопередатчик;

· соответствует спецификациям ANSI TIA/EIA-485-A и ISO 82:1987(E);

· скорость передачи данных до 500 КБит/с;

· ограничение скорости нарастания напряжения выходного сигнала;

· низкий ток потребления, не более 2.0 мА;

· высокая стойкость к синфазным переходным помехам: не менее 25 кВ/мкс;

· входы приемника с защитой от сбоев;

· функция подавления шумов при включении/выключении;

· защитное отключение при перегреве;

· широкий диапазон рабочих температур -40...+85°C;

· напряжение питания со стороны логики: 5 В;

· электрическая прочность изоляции: 2500 В AC.

Рисунок 2.4 . Функциональная схема приемопередатчика MAX 485

2.2.4 Выбор датчиков

Для измерения скорости ветра был применен датчика ветра GIRA058000.

Датчик ветра c служит для регистрации и обработки информации о скорости ветра и предназначен для наружного монтажа. Монтаж осуществляется с помощью прилагаемых монтажных уголков. Через герметический магнитоуправляемый контакт регистрируется скорость вращения и преобразуется в аналоговый выходной сигнал. Эксплуатация во время заморозков возможна благодаря наличию встроенного обогрева

Рисунок 2.5 Датчик ветра

Технические параметры:

Рабочая температура: -50…+55°С

Диапазон измерения: 0.4…75м/с

Погрешность: ±0.17 м/с *) (стандартное отклонение от прямой по всему диапазону измерения)

Постоянная расстояния: 2.0 м*)

Порог чувствительности: <0.5 м/с*)

В качетве датчика температуры выбираем датчик PT100, предназначенный для измерения температуры поверхности.

Такой датчик обладает такими параметрами как:

Инерционность- 13 с.

Длина кабеля- 1,5 м.

Материал защитной арматуры- алюминий.

Степень защиты- IP65.

Температурный диапазон: -30…+150°С.

Рисунок 2.6 Датчик температуры.

2.2.5 Выбор микросхемы управления двигателем

Из множества различных видов и типов микросхем управления двигателем, выбираем микросхему IR2131.Эта микросхема способна управлять трехфазным двигателем. Она универсальна, имеет низкую стоимость в отличие от микросхем фирмы MOTOROLLA.

Рисунок 2.6 Функциональная схема микросхемы IR2131

2.2.6 Выбор транзисторов управления двигателем

Из множества различных видов и типов полевых транзисторов выбираем микросхему IRF740 .Этот транзистор способен выдерживать напряжение до 400В и ток нагрузки до 10А. Такой транзистор применяется для регулировки оборотов двигателя, включения выключения а так же яркости освещения в быту и промышленности.

Рисунок 2.7 Функциональная схема транзистора IRF740

2.2.7 Выбор электрических соединителей

Электрический соединитель представляет собой электромеханическое устройство, предназначенное для механического соединения и разъединения вручную электрических цепей (проводов, кабелей, модулей, узлов и блоков) в различных видах аппаратуры при выключенном источнике тока через соединитель.

Мною были рассмотрены различные варианты соединителей по конструктивным особенностям и форме изолятора, по способу сочленения частей соединителя и фиксации сочлененного положения, в зависимости от корпуса соединителя и вида соединяемых цепей. В данном дипломном проекте для разрабатываемого устройства были применены малогабаритные электрические соединители фирмы Weidmuller. Одним из критериев выбора данных соединителя является удобство монтажа и малые габариты.

LM5.08/90 - соединитель (розетка) который имеет параметры:

Угол между контактами 90°

Способ подключения - Лифтовой зажим

Рабочее напряжение 250 V

Рабочий ток 17.5 A

Рабочая температура: -20°C...+100°C

S2L 3.5/90; S6L 3.5/90; S14L 3.5/90;

Угол между контактами 90°

Рабочее напряжение 380 V

Рабочий ток: 7.5 A

Рабочая температура: -20°C...+100°C

2.3 Расчет показателей надежности ЭБУ

Исходные данные:

- рабочая температура окружающей среды Т=-5…+40 ⁰С

- давление Р=750 мм.рт.ст.

- влажность r=70%

- условия эксплуатации аппаратуры: наземная стационарная

- время t_зад=10000 часов.

2.3.1 Определение обобщенного эксплуатационного коэффициента К_э

Обобщенный коэффициент учитывает область применения и функциональное назначение ПВУ. Значение К_э выбирается из таблицы 1 [1].

К_э=1.5

2.3.2 Определение поправочных коэффициентов К_r, K_p

Поправочные коэффициенты К_r, K_p учитывают влияние влажности и атмосферного давления окружающей среды на работу ПВУ. Значения К_r, K_p выбираются соответственно из таблицы 2[1] и таблицы 3[1] исходя из исходных данных. К_r=1; K_p=1

2.3.3 Определение интенсивности отказов элементов устройства

2.3.3.1 Определение интенсивности отказов интегральных схем (ИС)

Для интегральных схем (ИС) расчет интенсивности отказов не производится, их значения берутся из справочников, где данные получены по результатам испытаний и эксплуатации ИС. В приложении 1[1] и 2[1] приведены интенсивности отказов ИС. При расчете надежности ЭС, построенных на сериях отсутствующих в приложениях 1[1] и 2[2], рекомендуется пользоваться интенсивностью отказов для цифровых ИС, равной 0,5Ч10^-6 1/ч, а для аналоговых ИС равной 0,6Ч10^-6 1/ч. Интенсивности отказов для ИС приведены в Таблице 2.3

Таблица 2.1

Поз. обозначение	Тип микросхемы	Кол-во	лэк*10-6,1/час
DA1…DA8	AD8031	8	0.6
DD1	AT24CO1A	1	0.5
DD2	ATmega8535	1	0.5
DD3	MAX485	1	0.5
DD4	ADM690	1	0.5
DD5	IR2131	1	0.5

2.3.3.2 Определение интенсивности отказов полупроводниковых приборов (ПП)

Для расчета интенсивности отказов ПП используется формула учитывающая электрическую нагрузку и температуру при которой работает ПП:

где - интенсивность отказа ПП в номинальном режиме работы (значение выбирается из приложения 3[1] и 4[1]). Значение л₀ для ПП, отсутствующих в приложении 3[1] и 4[1], берется из таблицы 4[1];

A, N_T, T_M, p, Дt - постоянные коэффициенты (выбираются из таблицы 5[1]);

t - рабочая температура окружающей среды корпуса ПП, ⁰C;

K_H - коэффициент электрической нагрузки, рассчитываемый по формуле (для транзисторов):

К_Н=P_раб/P_доп

где P_раб - рассеиваемая мощность, для рабочего режима;

P_доп - допустимые электрические параметры по ТУ или ГОСТ на ПП.

Рассчитываем коэффициент электрической нагрузки для транзисторов. Результаты расчета заносим в таблицу 2.2

Таблица 2.2

Транзистор	Рраб	Рдоп	Кн
VT1..VT6	0.01	1	0.01

Рассчитаем интенсивность отказов для транзистора, результаты расчета вносим в таблицу 2.3

Таблица 2.3

Транзистор	л0*10-6,1/час	А	NT	TM	p	Дt	лэк*10-6,1/час
VT1..VT6	0.35	3.04	-1052	448	10.5	150	0.032

2.3.3.3 Определение интенсивности отказов конденсаторов

Для расчета интенсивности отказов конденсаторов используется формула, учитывающая электрическую нагрузку и температуру, при которых конденсатор работает в аппаратуре:



где - интенсивность отказа конденсатора в номинальном режиме работы (значение выбирается из приложения 5[1], при отсутствии в приложении 5 - из таблицы 6[1]);

A, С, N_S, B, N_T, Д - постоянные коэффициенты (значения их выбираются из таблицы 7[1]);

t - рабочая температура окружающей среды, ⁰C;

K_H - коэффициент электрической нагрузки конденсатора, рассчитывается по формуле

,

где - рабочее напряжение на обкладках конденсатора, - допустимое напряжение конденсатора по ТУ или ГОСТ.

Определяем коэффициент нагрузки конденсатора.

Таблица 2.4

Конденсатор	Uраб,В	Uдоп,В	Кн
С1	2	50	0.04
С2…С3	5	25	0.2
С4…С5	2	50	0.04
С6	5	25	0.2
С7	2,5	25	0.1
С8	5	25	0.2
С9… С11	9	25	0.36
С12	12	25	0.48

Рассчитаем интенсивность отказов для конденсатора, результаты расчета вносим в таблицу 2.5

Таблица 2.5

Конден-сатор	Группа	л0*10-6,1/час	А	Ns	C	B	NT	Д	лэк*10-6,1/час
С1		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0003954
С2…С3		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0004059
С4…С5		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0003954
С6		0.1	3.6*10-2	0.6	3	4.1	258	5.9	0.416
С7		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0003966
С8		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0004059
С9… С11		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0004568
С12		0.015	5.9*10-7	0.3	3	14.3	398	1	0.0005411

2.3.3.4 Определение интенсивности отказов резисторов

Для расчете интенсивности отказов резисторов используется формула, учитывающая электрическую нагрузку и температуру, при которых резистор работает в аппаратуре:

где ₀ интенсивность отказа резистора в номинальном режиме работы (значение ₀ выбираются из приложения 6[1], при отсутствии в приложении 6 - из таблицы 8[1]);