Асинхронный электродвигатель (АД) - электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую, работающая по следующему принципу: вращающееся магнитное поле, возникающее при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, взаимодействует с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора меньше частоты вращения поля.

Однокристальный микроконтроллер (ОМК) - микро-ЭВМ, включающая в себя все устройства, необходимые для реализации цифровой системы управления минимальной конфигурации.

ДС - датчик скорости

ДТ - датчик температуры

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

Г - генератор

ССУ - схема синхронизации и управления

УР - управление режимом

СС и У - сигналы синхронизации и управления

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство

МП - микропроцессор

РПЗУ/ППЗУ - репрограммируемое ПЗУ или программируемое ПЗУ

СА - системный адаптер

Т/С - таймер/счетчик

БОП - блок обработки прерываний

ПарПП - параллельные порты ввода/вывода

ПосПП - последовательные порты ввода/вывода

БАВВ - блок аналового ввода/вывода

ИС - интегральная схема

СК - счетчик команд

вВЕДЕНИЕ

Всегда существовала потребность в регулировании скорости двигателей, чтобы оптимально управлять технологическим процессом. Раньше это делалось механически, например, с помощью механического вариатора. Благодаря большим преимуществам электроники возможны более универсальные приложения и общие понятия современного привода. Раньше для решения задачи регулирования скорости использовались только приводы постоянного тока. Теперь асинхронные приводы становятся все более популярными с каждым днем. Они состоят из вариатора скорости и асинхронного двигателя. Причины этого развития следующие:

* асинхронные машины нетребовательны к техобслуживанию;

* возможно эксплуатирование во взрывоопасной зоне;

* высокий коэффициент мощность/масса для асинхронного двигателя;

* возможность управления при максимальной скорости;

* низкая стоимость асинхронных двигателей.

Основные сферы применения регуляторов скорости следующие:

* насосы, вентиляторы, компрессоры;

* конвейер и транспортное оборудование;

* текстильные машины;

* механические станки и деревообрабатывающие машины;

* упаковочные машины;

* роботы и транспортные системы;

* оборудование для бумажной промышленности.

В промышленности наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие трехфазную обмотку на статоре и питающиеся от трехфазной сети.

В данном проекте рассматривается возможность регулирования действующего значения напряжения нагрузки в цепи переменного тока с помощью тиристорного регулятора, состоящего из двух встречно-параллельных тиристоров, включенных последовательно с нагрузкой. В этом случае пара тиристоров регулирует напряжение, подведенное к фазе статора, и фазное напряжение представляет собой отрезки синусоид. Если управляющие импульсы подаются в начале положительных полупериодов анодных напряжений, то тиристоры открываются без запаздывания. При этом тиристорные пары фактически оказываются закороченными, и к статорным обмоткам прикладывается полное напряжение сети. При увеличении угла запаздывания интервал проводимости тиристоров уменьшается, поэтому действующее значение напряжения на нагрузке снижается. При угле запаздывания, равном 180°, тиристоры полностью запираются, вследствие чего напряжения и токи двигателя равны нулю. Такое использование тиристорных ключей как последовательно включенных нелинейных сопротивлений характеризуется тем достоинством, что в самом регуляторе выделяется значительно меньшая мощность, чем в нагрузке.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей

Большинство двигателей переменного тока вращается с угловой скоростью, которая определяется в первую очередь частотой питающего напряжения. Угловая скорость синхронных двигателей зависит только от частоты питания, а для асинхронных двигателей она несколько ниже синхронной угловой скорости. При постоянной частоте сети для заданного скольжения развиваемый асинхронным двигателем момент пропорционален квадрату напряжения питания. Так как установившийся режим работы наступает при равенстве моментов двигателя и нагрузки, то скольжение ротора зависит от момента нагрузки и напряжения питания. Поэтому регулировать угловую скорость можно плавным изменением напряжения при неизменной его частоте.

По мере снижения напряжения статора угловая частота ротора уменьшается, однако при этом снижается максимальный момент двигателя, поэтому при постоянном моменте нагрузки диапазон регулирования скорости ограничен. В двигателях с повышенным активным сопротивлением ротора диапазон регулирования увеличивается (рис. 1), однако потери в роторе при этом растут и КПД двигателя снижается, особенно при пониженных частотах вращения. Ухудшение режима работы двигателя объясняется тем, что при заданном скольжении ток двигателя пропорционален напряжению питания, а электромагнитный момент зависит от квадрата этого напряжения. Поэтому по мере снижения скорости отношение момента к току падает, и для получения сравнительно небольших моментов при низких скоростях требуются значительные токи.

Однако в электроприводах вентиляторов и насосов момент нагрузки изменяется примерно пропорционально квадрату угловой скорости. Следовательно, момент, требующийся при пуске и небольших угловых скоростях, мал и может быть получен без чрезмерного выделения тепла регулированием напряжения питания обычных асинхронных двигателей с номинальным скольжением, равным примерно 10% (рис. 2).

Снижение напряжения статора достигается путем включения регулируемых внешних сопротивлений между выводами статора и фазами сети. Раньше для этих целей использовались дроссели насыщения, а в настоящее время их вытеснили тиристорные устройства, которые имеют существенные преимущества при сравнимой стоимости. Несмотря на наличие охладителей, тиристорные устройства являются более компактными и имеют значительно меньшую массу. Они характеризуются также более высоким КПД и быстродействием, которое составляет всего половину периода сети, в то время как для дросселей насыщения оно равно примерно 0,1с и больше. Кроме того, тиристорные устройства, выпущенные различными изготовителями, являются взаимозаменяемыми, в то время как характеристики различных дросселей насыщения сильно отличаются друг от друга. Основная схема включения тиристоров в регуляторах переменного тока состоит из двух тиристоров, соединенных встречно-параллельно и управляемых симметрично, т. е. в одинаковые моменты каждого полупериода.

При включении таких узлов в цепи статора и регулировании интервалов проводимости тиристоров можно изменять действующее значение приложенного к двигателю напряжения от нуля до номинального. При этом двигатели питаются напряжением прерывистой формы, а их токи содержат значительные гармоники, однако для малой и средней мощности, примерно до 75 кВт, режимы работы двигателей оказываются приемлемыми. Устройства для регулирования напряжения статора значительно проще и дешевле описанных ранее схем преобразователей частоты. Однако КПД асинхронных электроприводов с регуляторами напряжения невысок, поэтому приходится завышать габариты двигателей во избежание превышения их температуры из-за увеличения тока и ухудшения вентиляции. Тиристорные регуляторы напряжения широко используются для электроприводов малой мощности и приводов кранов и лебедок, где большие моменты при низких частотах вращения требуются лишь в течение небольшой части рабочего цикла.

2 Разработка структурной схемы

Структурная схема замкнутой системы строится следующим образом. Электропривод с асинхронным двигателем управляется от тиристорного регулятора. С целью контроля температуры корпуса двигателя будет использоваться датчик температуры. Для получения информации о скорости вращения вала двигателя будет использоваться тахогенератор, вал которого жестко сопряжен с осью рабочего двигателя. Сигналы с датчиков поступают на блок управления, который подает управляющие сигналы на тиристорный регулятор скорости.

3 Выбор элементной базы

3.1 Выбор двигателя

В качестве объекта регулирования будем рассматривать трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором общепромышленного назначения. Как уже было сказано выше, выбранный способ регулирования скорости вращения двигателя широко используется в устройствах малой мощности при сравнительно небольших частотах вращения. Поэтому выберем асинхронный двигатель закрытого исполнения с короткозамкнутым ротором типа АИР180М2 со следующими характеристиками:

- номинальная мощность 30 кВт;

- номинальная частота вращения 2935 об/мин;

- КПД 91%;

- коэффициент мощности 0.89;

- номинальный ток (380 В) 56.1 А;

- номинальный момент 98 Нм;

- отношение пускового момента к номинальному 2.3;

- масса 180 кг.

Двигатель выполнен в закрытом исполнении (рис. 4). Сердечники статора и ротора изготавливаются из штампованных листов высококачественной электротехнической стали, легированной кремнием. Сталь имеет термостойкое электроизоляционное покрытие. Обмотки статора двигателя выполняются всыпными из круглого эмалированного медного провода. Обмотки ротора выполняются короткозамкнутыми литыми из чистого алюминия. Превышение температуры обмоток статора над температурой окружающей среды должно составлять не более 83 оС.

3.2 Выбор и описание микроконтроллера

В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров семейство MCS-51 является несомненным чемпионом по количеству разновидностей и количеству компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.

Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

В результате на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим спектром периферии: от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП, массивами таймеров-счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования и т.п. Основными производителями МК 51-го семейства в мире являются фирмы Phillips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, AMD, MHS, Gold Star и ряд других.

Для данной задачи микроконтроллер этого семейства является оптимальным, т.к. сочетает в себе большие возможности управления, необходимые для решения поставленной нами задачи. А также при серийном выпуске данного изделия большую роль будет играть его малая стоимость, высокую надежность работы. Итак, с учетом вышесказанного, будем использовать МК КР1816ВЕ51.

ОМК представляет собой СБИС, состоящую из:

· 8-разрядного МП;

· 2-х 16-ти разрядных счетчиков;

· 4-х 8-ми разрядных параллельных портов ввода/вывода, каждый бит которых можно настроить на ввод или вывод;

· последовательного порта;

· подсистемы прерываний;

· резидентного ОЗУ (128х8);

· резидентного ПЗУ (или РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации) 4Кх8;

· напряжение питания 5В;

· ток потребления 18 мА (КМОП-технология), 150-200 мА (n-МОП-технология);

· максимальная тактовая частота 12МГц, что обеспечивает время выполнения основных команд за 1 - 2 мкс, только умножение и деление выполняется за 4 мкс.

Архитектура МП реализует гарвардский принцип организации. Особенностью этой архитектуры является разделение общей памяти на память команд и память данных, при этом в ОМК используют раздельные команды для обращения к памяти и данным. Длина команды в машине фон Неймана (принстонская организация) получается больше, т.к. используются общие способы адресации для команд и для данных. В то же время, число необходимых способов адресации для команд значительно меньше, чем для данных. Применение раздельных команд существенно уменьшает длину каждой команды (при прочих равных условиях). Разделение памяти программ и данных при наличии двух независимых магистралей для обращения к ПЗУ программ и ОЗУ данных существенно упрощает организацию конвейерной обработки: после выборки очередной команды возможно одновременное обращение к ПЗУ за следующей командой и выборка данных из ОЗУ. В ОМК ВЕ51 раздельные магистрали не реализованы.

Форматы данных:

· данные с фиксированной запятой;

· двоичные;

· двоично-десятичные.

Формы представления данных:

· числовые;

· логические;

· битовые.

Длина формата:

· 16 бит;

· 8 бит;

· 1 бит.

Форматы команд:

· одноадресные;

· двухадресные;

· безадресные.

Способы адресации:

1. Резидентная память данных:

· прямая;

· прямая регистровая;

· косвенная;

· стековая.

2. Непосредственная внешняя память данных:

· косвенная;

· странично-косвенная.

3. Память команд:

· косвенная;

· индексная;

· относительная.

Память данных представляет собой два независимых адресных пространства - резидентную память данных (РПД) и внешнюю память данных (ВПД), отличающиеся местом расположения и средствами доступа к данным.

РПД представляет собой единое адресное пространство. К каждой ячейке можно обратиться, используя прямую и косвенную адресацию. При прямой адресации в формате команды указывается непосредственный адрес ячейки; косвенная - реализуется через регистры R0, R1 каждого банка РОНов. РПД разделена на 3 зоны, каждая из которых имеет свои функциональные особенности:

1. Зона блоков РОНов - состоит из 4-х банков. По сбросу активным является 0-ой банк. Номер банка устанавливается в слове состояния процессора. Достоинством этой зоны является возможность использования прямой регистровой адресации. Команды работы с регистрами 1 - байтовые, реализуются за 1 мкс;

2. Свободная зона - особенностей по способам адресации не имеет.

3. Зона РСФ - содержит основные регистры данных и управления:

· А - аккумулятор;

· В - расширитель А;

· PSW - слово состояния МП;

· SP - указатель стека;

· SBUF - регистр данных последовательного порта;

· ТМОD - регистр управления таймером и т.д. Обращение к РСФ возможно только с указанием прямого адреса. В ВЕ 51 используется только часть адресов зоны РСФ. Неиспользованные адреса зарезервированы для развития ОМК данной серии.

4. Битовая зона - особенности:

· возможность обращения к каждому биту этой зоны с помощью команд обработки бит;

· адресное пространство битовой зоны и РПД не пересекаются. Обращение к битам возможно только с использованием команд прямой адресации;

· битовое пространство начинается в битовой зоне РПД (адреса 20h-2Fh), а заканчивается в зоне регистров спец. функций (РСФ).

Таким образом, обращение к РПД по адресу 0Еh возможно: с использованием прямой адресации, косвенной, указав в регистре R0 или R1 любого банка этот адрес, прямой регистровой адресации, обращаясь к регистру R6 первого банка. Номер банка следует предварительно установить в PSW. Обращение к РПД по адресу 20h возможно по прямому или косвенному адресу. Одновременно возможна обработка любого бита этой ячейки с использованием битовых команд. Адрес бита можно указать в виде 20.х, где х - номер бита или n, где n - прямой адрес битового пространства. Подобные возможности позволяют минимизировать как длину кода программ, так и время их выполнения.

Пространство резидентной памяти команд (РПК) и внешней памяти едино. Обращение к внешнему ПЗУ осуществляется автоматически, если адрес больше чем 4К. Предусмотрена возможность отключения РПК подачей уровня логического 0 на вход EA/VPP.Этот режим обычно используется при отладке программного обеспечения.

Система команд.

1. Команды пересылки

Команды этой группы не модифицируют признаки результата за исключением команды загрузки PSW и пересылок, в которых приемником результата является аккумулятор А. В этом случае устанавливается бит паритета и аппаратно формируется признак равенства 0 - Z=1, который можно использовать для выполнения команд условного перехода JZ (JNZ).

2. Команды обращения к ВПД

Обращение к ВПК и ВПД осуществляется через регистр - указатель DPTR. Обращение к регистру возможно с помощью команды MOV DPTR,#d16, старший (DPH) и младший (DPL) байты этого регистра доступны через зону РСФ.

3. Арифметические операции

Команды выполняют операции сложения, вычитания, инкремента, декремента и др. При умножении старший байт результата записывается в регистр-расширитель В, а младший - в А. Если содержимое А>256, то формируется флаг арифметического переполнения OV. Бит С всегда сбрасывается. При делении частное записывается в А, а остаток - в В. Флаги переноса C и арифметического переполнения OV сбрасываются. Если (А)<(В), то флаг дополнительного переноса (АС) не сбрасывается. При делении на 0 устанавливается флаг OV.

4. Логические команды

Эти команды позволяют реализовать логические операции «и», «или», «исключающее или», а также ряд операций над содержимым аккумулятора.

5. Битовые команды

При выполнении битовых команд бит С выполняет функции аккумулятора. При работе с битами используется только прямая адресация.

5. Команды передачи управления

К этой группе команд относятся команды условного и безусловного переходов, вызова подпрограмм и возврата из них, а также команда пустой операции NOP.

Параллельные порты.

Порты Р0-Р3 предназначены для ввода или вывода байтовой информации и обеспечивают обмен с внешними устройствами: памятью программ и данных, контроллерами различного назначения, периферийными устройствами. Каждый из портов состоит из 8-разрядного регистра -защелки (РЗ), выходного драйвера транзистора Т1, входных цепей и схемы Д1 с открытым коллектором. Схемотехника портов несколько отличается, так как они выполняют разные функции. Однако в упрощенном варианте её можно рассмотреть на рис. 7.

При чтении со входа порта Рх.Y данные через конъюнктор Д1 передаются на внутреннюю шину данных (ВШД), которая организована как "монтажное ИЛИ". Если в РЗ записана 1, то данные со входа порта без искажения передаются в приемник. Если РЗ=0, то в соответствующий разряд приемника будет записан 0 в независимости от значения сигнала. При записи информации в порт, данные записываются в РЗ и выводятся через Т1 на выход порта. Обращение к портам возможно только по прямому адресу. Все разряды порта находятся в битовом пространстве. Порты однонаправленные. Каждый бит порта может быть настроен как на ввод, так и на вывод. По сбросу все порты устанавливаются на ввод. Для чтения данных из порта или регистра защелки используются различные команды. Чтение РЗ осуществляется командами «чтение-модификация-запись», при выполнении которых команда считывает состояние РЗ, при необходимости модифицирует полученное значение и записывает результат обратно в РЗ. Во всех случаях, когда операндом и регистром назначения является порт или бит порта, команды считывают информацию с выходов РЗ, а не с внешних контактов выводов порта.

Порты Р0, Р1, Р2, Р3 в зависимости от особенности применения могут реализовать разные функции. При работе с внешней памятью порт Р0 является системным портом, через который в режиме с разделением времени передаются младший байт адреса и данные. Появление младшего байта адреса сопровождается сигналом ALE, по которому он должен быть зафиксирован во внешнем регистре. Признаком работы Р0 в системном режиме является использование команд MOVX, MOVC. При работе в качестве системного порта согласование (специальное) с нагрузкой не требуется. Если Р0 используется как порт общего назначения, то к выходу порта должен быть присоединен внешний подтягивающий резистор от источника питания +5В. Р1-Р3 имеют встроенную нагрузку. Порт Р2 служит для вывода старшего байта адреса при работе в системном режиме. Особенностью порта Р2 является возможность мультиплексирования на выход содержимого РЗ или старшего байта адреса. При работе в режиме адресной шины содержимое РЗ сохраняется и поступает на выводы порта в тех машинных циклах, когда нет обращения к внешней памяти. При обращении к внешней памяти на выход порта выводится информация из регистра адреса DPTR или из программного счетчика РС по командам MOVC и MOVX. Исключение составляют команды MOVX A,@Ri, и MOVX @Ri,A, при которых на выходе находится содержимое регистра-защелки. Нагрузочная способность Р0 - два входа ТТЛ, у остальных - один. Р1 - порт общего назначения и особенностей не имеет. Р3 - при записи в Р3 “1” выполняет системные функции.

Счетчик/Таймер.

Счетчик-таймер предназначен для обработки внешних и внутренних событий, формирования программно-управляемых временных задержек, выполнения времязадающих функций. В состав ОМК входят два 16 разрядных суммирующих СТ. Счетчик состоит из регистров счетчика TL (младший байт), TH (старший байт), логики управления входными сигналами и триггера переполнения TF. Бит TF устанавливается при переходе счетчика из состояния все “1” во все “0”. Бит TF располагается в битовом пространстве и доступен по прямому адресу. Обращение к TLi, THi производится раздельно по прямым адресам.

Управление работой счетчика выполняется с помощью регистра режима работы TMOD и регистра управления статуса TCON .

GATE1, GATE0 - управление блокировкой (при GATEi=1 работа счетчика/таймера разрешается, если INT=1 и TRi=1; если GATEi=0, то работа счетчика зависит только от состояния TRi; (i=1,0); С/Т1, С/Т0 - выбор режима работы (при С/Т=1 - работа в режиме счетчика от внешних сигналов на входе Ti; при С/Т=0 - работа в режиме таймера от внутреннего источника сигналов синхронизации); М1, М0 - задание основных режимов работы.

В режиме таймера счетчик работает от внутреннего генератора с частотой OSC/12. При работе в режиме счетчика содержимое T/C инкрементируется под воздействием перехода из 1 в 0 внешнего сигнала, подаваемого на соответствующие входы Т0, Т1 порта Р3. Инкремент выполняется после анализа состояния “0” или ”1” на входе Тi, поэтому накладываются определенные ограничения на параметры преобразуемого сигнала: уровень 0 и 1 должен продолжаться не менее OSC/12. Максимальная преобразуемая внешняя частота - OSC/24. Способ запуска СТ устанавливается битом GATE: если GATE =1, то реализуется аппаратный запуск, при котором разрешение счета подается на вход INTi порта Р3 (уровень 1). Предварительно должен быть установлен бит запуска счетчика TRi в регистре TCON. При программном запуске GATE =0, начало счета задается установкой бита TRi =1.

Режим работы каждого СТ определяется значением битов М0, М1 в регистре ТМОD. Счетчики могут быть настроены на один из 4 режимов. Режимы 0,1,2, одинаковы для обоих счетчиков и в этих режимах они полностью независимы. Работа ТС0 и ТС1 в режиме 3 различна. Режим 3 рационально использовать только для СТ0 . При этом установка СТ0 в режим 3 влияет на режим работы СТ1.

Режим 0: Режим 13-ти разрядного счетчика, состоящего из TНi и 5 младших разрядов TLi.

Режим 1: 16-ти разрядный счетчик, состоящий из THi и TLi.

Режим 2: В этом режиме СТ представляет собой 8-разрядный счетчик TLi. При каждом переполнении TLi кроме установки флага TFi происходит автоматическая загрузка содержимого THi в TLi. Требуемый коэффициент деления должен записываться одновременно в THi и TLi. В отличие от режимов 0 и 1 после установки флага переполнения коэффициент деления переписывается автоматически.

Режим 3: В этом режиме счетчик 0 функционирует как 2 независимых счетчика, а счетчик 1 заблокирован и просто сохраняет свой код (выполняет функции регистра). При этом можно настроить счетчик 1 на другие режимы. Режим 3 используется, если необходимо увеличить число действующих счетчиков до 3-х.

При работе в этом режиме ТС0 разделяется на два 8-ми разрядных счетчика, сформированных на базе регистров ТН0, ТL0. Счетчик ТН0 управляется битом ТR1 и формирует сигнал переполнения ТF1. Счетчик ТН0 может работать только в режиме таймера. Установка ТС0 в режим 3 лишает ТС1 бита включения TR1. Поэтому ТС1 в режимах 0, 1, 2 при GATE=0 всегда включен и при переполнении в режимах 0 и 1 ТС1 обнуляется, а в режиме 2 перезагружается, не устанавливая флага, если ТС0 находится в режиме 3. ТС1 аппаратно связан с блоком синхронизации последовательного порта. Поэтому в режимах 0,1,2 при переполнении ТС1 всегда вырабатывает импульс синхронизации последовательного порта. Если ТС0 работает в режиме 3, то ТС1 может быть настроен на режим 0,1 или 2, но при этом необходимо учитывать, что в процессе работы не формируется бит переполнения, а режим разрешения счета постоянно включен.

Для настройки счетчика на требуемый режим необходимо:

1. Задать требуемый коэффициент пересчета в регистры ТНi, ТLi.

2. Задать режим работы в слове TMOD.

3. При программном вводе-выводе замаскировать соответствующие прерывания от счетчика, а при использовании прерывания- их разрешить.

4. Установить бит разрешения ТRi в слове TCON.

На базе СТ можно организовать преобразователи частоты, временного интервала, периода в код, генераторы и формирователи сигналов. Однако необходимо учитывать, что TFi аппаратно недоступен, поэтому выходные сигналы следует формировать на выходах параллельных портов. При измерении частоты методом среднего возможны два варианта формирования эталонного временного интервала Тэт. Аппаратная реализация предполагает подачу измеряемой частоты на вход Ti, а Тэт - на INTi. При программной реализации Тэт формируется на одном из счетчиков, работающем в режиме таймера; второй счетчик подсчитывает число внешних импульсов. Начало работы второго счетчика задается битом TRi первого счетчика, а конец счета - битом TF первого счетчика. Особенностью формирования выходных частотно-временных сигналов является отсутствие электрического выхода СТ. Поэтому сигналы формируются на свободных выходах портов Р0-Р2 в момент установки TRi и TFi.

Последовательный порт.

Последовательный обмен используется при передаче информации на большие расстояния, с целью экономии оборудования. Передача через последовательный порт может быть реализована в режимах синхронного или асинхронного обмена (отличается от синхронного и асинхронного способов передачи информации). При асинхронном режиме формат передаваемого сообщения имеет вид:

Обычно длина символов, бит паритета и стоповые биты задаются программно.

Достоинство такого обмена - повышеная достоверность передаваемой информации.

Недостатки:

· пониженное быстродействие, так как на каждый передаваемый символ требуется 3 или 4 бита сопровождения;

· информация передается по байтам.

При асинхронном обмене требуется меньшее количество линий между приемником и передатчиком, так как синхронизация обеспечивается заданием одинаковой частоты генераторов ГТИ на приемном и передающем конце линии связи. При синхронном обмене информация передается посимвольно, с необязательным битом паритета. В некоторых случаях начало сообщения, его конец и адрес приемника кодируются специальными символами (символами синхронизации). Скорость синхронного обмена возрастает в 5-10 раз, по сравнению с асинхронным. Однако требуется дополнительная линия, к которой подключен ГТИ (генератор тактовых импульсов), общий для приемника и передатчика.

Последовательный порт ВЕ51 осуществляет прием/передачу информации в последовательном коде, младшими битами вперед в дуплексном режиме (одновременный прием и передача информации) или полудуплексном режимах. В состав последовательного канала входят принимающие и передающие сдвиговые регистры , специальный программно-доступный буфер SBUF, регистр управления SCON и логика управления каналом. Запись байта в передатчик осуществляется автоматически, после того, как информация записана в SBUF. Чтение иформации выполняется из этого же регистра после установки флага готовности последовательного канала RI.

Последовательный канал может работать в следующих четырех режимах:

Режим "0" - cинхронный обмен в полудуплексном режиме с частотой OSC/12. Формат посылки - 8 бит. Данные принимаются и передаются через вход RxD, а частота синхронизации формируется на выходе TxD. В этом режиме порт работает как восьмиразрядный сдвиговый регистр.

Режим "1" - асинхронный обмен, десятибитовый кадр, состоящий из стартового (ноль), стопового (единица) битов и 8-разрядного символа. Cкорость приема и передачи определяется частотой переполнения счетчика С/ T1. В зависимости от состояния бита SMOD регистра PCON частота, поступающая на вход схемы синхронизации последовательного канала с выхода С/Т1, может изменяться в два раза. Схема синхронизации делит эту частоту на 16 и использует её для приема/передачи последовательного кода. При использовании этого режима следует запретить прерывание от С/Т1. При приеме стоп-бит заносится в бит RB8 регистра SCON.

Режим "2" - асинхронный 11-битовый кадр. По сравнению с режимом 1 добавлен программно устанавливаемый девятый бит. Передаваемый девятый бит данных принимает значение бита TB8 из регистра управления SCON. Этот бит может быть программно установлен в 0 или 1. В частности, ТВ8 можно присвоить значение бита паритета Р из регистра PSW для повышения достоверности передаваемой информации. При приеме девятый бит данных поступает в бит RB8 регистра SCON. Cкорость передачи фиксирована и определяется значением бита SMOD регистра PCON: OSC/32 или OSC/64.

Режим "3" - аналогичен режиму "2", но скорость обмена задается счетчиком С/T1, как в режиме "1".

Основная настройка последовательного канала на требуемый режим работы производится в регистре SCON, в котором задается режим работы, значение 11-го бита, разрешение контроля 11-го бита (в режимах '2' и '3'), флаги готовности приемника и передатчика. Формат регистра управления/статуса универсального асинхронного приемопередатчика (УАПП) SCON имеет вид:

SM0,SM1 - биты управления режимом, устанавливаются/сбрасываются программно: SM0, SM1 = 00 - режим '0', SM0, SM1 = 01 - режим '1', SM0, SM1 = 10 - режим '2', SM0, SM1 = 11 - режим '3', SM2 - запрещение приема кадров с нулевым восьмым битом, в режиме '0' должен быть сброшен, устанавливается программно; RЕN - разрешения приема, устанавливается/сбрасывается программно; TB8 - восьмой бит передатчика в режимах '2' и '3'; RB8 - восьмой бит приемника в режимах '2' и '3', в режиме '1', если SM2=0, то отображает стоповый бит, в режиме '0' не используется; TI - флаг готовности передатчика, устанавливается аппаратно по окончании передачи байта, сбрасывается программно; RI - флаг готовности приемника, принцип работы аналогичен TI.

Скорость последовательного обмена в зависимости от режима работы определяется либо частотой работы ОМК ( режимы 0 и 2) либо частотой переполнения C/T1 (режимы 1 и 3).

В режимах 1-3 изменение частоты передачи информации в 2 раза обеспечивается битом SMOD регистра PCON.

В режиме '2' скорость задается частотой f=(osc/64)*2smod.

В режимах '1' и '3' - частотой f=(2smod)*fC/T1, fC/T1 - частота переполнения С/T1.

Формат регистра управления мощностью PCON:

SMOD - бит управления скоростью передачи УАПП, при SMOD = 1 скорость передачи вдвое больше, чем при SMOD = 0; GF1, GF2 - флаги общего назначения, устанавливаемые пользователем; PD - установка бита переводит ОМК в режим холостого хода.

Hаиболее удобен для использования в последовательном канале режим '2' счетчика/таймера С/Т1, если с его помощью можно обеспечить требуемую скорость передачи, так как в этом режиме не требуется перезагрузка коэффициента пересчета.

Для использования C/T1 в качестве источника скорости обмена необходимо:

· запретить прерывание от C/T1;

· запрограммировать работу C/T1;

· запустить C/T1.

Особые режимы работы.

Сброс.

Сброс осуществляется подачей лог.1 на вход RST и должен удерживаться в этом состоянии не менее 24/OSC. Под действием сброса обнуляются регистры PC, FC, PSW, DPTR, TMOD, TCON, T/C0, T/C1, IE, IP, SCON, в регистре PCON сбрасываеся только только старший бит, в регистр SP загружается код 07h, а порты P0-P3 - коды FFH. Состояние регистра SBUF неопределенное. Сигнал сброс не воздействует на содержимое РПД. Когда включается питание, состояние РПД неопределннное, за исключением операции возврата из режима пониженного энергопотребления.

Режим холостого хода.

ОМК работает в этом режиме, если бит PCON.0 установлен. При этом продолжает работать внутренний генератор, но блокируются функциональные узлы ЦП, что уменьшает энергопотребление на 15 - 30 %. Все регистры и РПД сохраняют свои значения, а на выводах ALE и PSEN формируется уровень единицы. Выйти из этого режима можно по сбросу или по прерыванию. По любому из этих действий бит PCON.0 сбрасывается и продолжится работа ОМК с той команды, перед которой был установлен режим холостого хода.

Режим пониженного энергопотребления.

Переход в этот режим возможен, если установить бит PCON.1. В этом режиме внутренний генератор прекращает работу и сохраняется только содержимое РПД. Поэтому необходимые регистры спецфункций предварительно следует сохранять в РПД. Резервное питание должно поступать через вывод RST/VPD. Напряжение основного источника питания может быть уменьшено до 2 В. Перед выходом из режима оно должно быть восстановлено до номинального значения. Энергопотребление снижается более значительно, чем в режиме холостого хода. В ОМК 1830ВЕ51 при номинальном токе потребления 18 мА это значение снижается в режиме холостого хода до 4,2 мА, а в режиме пониженного энергопотребления - до 50 мкА. Выход из режима возможен только по сигналу сброса, который должен удерживаться в активном состоянии не менее 10 мс (время восстановления работы задающего генератора). При одновременной записи PCON.0 и PCON.1 преимущество имеет PCON.1. Режимы холостого хода и пониженного энергоптребления поддерживаются не всеми ОМК и эту ситуацию необходимо контролировать.

Защита от падения напряжения.

При немгновенных отказах электропитания ОМК можно обеспечить сохранность содержимого РПД с помощью батарейного питания, присоединенного к выводам RST/VPD. Для этого ОМК, получив сообщение о грозящем отключении, должен перезагрузить необходимые параметры в РПД и перейти в режим пониженного энергопотребления. После восстановления номинального напряжения выполняется системный сброс и источник аварийного питания может быть отключен.

Режим загрузки и верификации программ.

Под воздействием внешних электрических сигналов в ОМК может быть записано требуемое программное обеспечение. Для ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (УФ) информации его необходимо предварительно очистить, поместив ОМК под источник УФ с длиной волны менее 4х10-7 м. Программирование осуществляется на частоте внутреннего генератора 4 -6 МГц. Адрес, по которому осуществляется программирование, задается через порт 1 и выводы Р2.0 - Р2.3, а данные должны быть поданы на вход порта Р0. В процедуре программирования задействованы и другие выводы ОМК. В процессе программирования необходимо формировать определенную временную диаграмму и иметь дополнительный источник импульсных сигналов амплитудой 21+/-0,5 В. В процессе программирования можно установить бит защиты, который запрещает доступ к резидентной памяти программ любыми внешними средствами. Бит защиты можно сбросить только путем полного стирания содержимого памяти под источником УФ. Если бит защиты не установлен, то содержимое резидентной памяти можно прочитать с помощью процедуры аналогичной процедуре программирования.

3.3 Выбор датчика скорости

Для измерения частоты вращения двигателя используем тахогенератор ТМГ-30П («Микротех») с номинальной частотой вращения 4000 об/мин. Выбор данного устройства обусловлен его высокой надежностью, работоспособностью в жестких условиях эксплуатации. Схема устройства приведена на рис. 11.

3.4 Выбор датчика температуры

В процессе эксплуатации двигателя необходимо контролировать температуру корпуса, чтобы фиксировать перегревание корпуса.

Для контроля температуры выберем датчик ТСМ МЕТРАН-243 фирмы «Метран», работающий в диапазоне -50…+120оС, содержащий один чувствительный элемент и предназначенный для измерения температуры поверхности твердых тел. Схема датчика ТСМ МЕТРАН-243 с удлинительными проводами приведена на рис. 12.

3.5 Выбор АЦП

В качестве аналого-цифрового преобразователя будем использовать 8-разрядный АЦП типа К1107ПВ4 («Симметрон»). Микросхема данного типа предназначена для преобразования входного сигнала в параллельный двоичный прямой код. Содержит 6000 интегральных элементов. Масса не более 22 г. Структурная схема АЦП и описание выводов приведены, соответственно, на рис. 13 и в табл. 1.

Предельно допустимые режимы эксплуатации микросхемы допускают: UП1=4.75…5.25 В; UП2= -5.46…-4.94 В; Uвх= -2. 6…2.6 В.

3.6 Выбор ЦАП

Выберем в качестве ЦАП микросхему К572ПА1, которая находит широкое применение в различной аппаратуре благодаря малой потребляемой мощности, высокому быстродействию и небольшим габаритам. Микросхема используется для преобразования прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и опорного напряжения. На рис. 14 числами обозначены: 1 - аналоговый вход 1; 2 - аналоговый вход 2; 5-12 - цифровые входы 2-9; 13, 14 - напряжение источника питания; 15 - опорное напряжение; 16 - вывод резистора обратной связи. Число разрядов К572ПА1 - 8.

3.7 Выбор остальных элементов системы

Будем также использовать операционные усилители типа 553УД2, тиристоры КУ101А отечественного производства, руководствуясь невысокой стоимостью указанных элементов и возможностью применения в условиях поставленной в курсовом проекте задачи. Выбранные составные части элементной базы обладают достаточной производительностью для выполнения требуемых функций.

4 Разработка функциональной схемы

Система управления скоростью вращения асинхронного двигателя построена на базе микроконтроллера КР1816ВЕ51. Функциональная схема системы приведена на рис. 15.

5 Разработка алгоритма работы и программы

Реализация алгоритма работы (рис. 16) предполагает уменьшение скорости вращения двигателя до заданного значения в случае его перегрева и отклонения от заданного значения скорости. Параметры, снимаемые с датчиков, поступают в АЦП, преобразуются в двоичный код и сравниваются с заданными значениями. Если значения не попадают в заданный интервал, выполняется подпрограмма корректировки скорости вращения с целью перехода в нормальный режим работы.

Для реализации выбранного алгоритма регулирования с помощью микроконтроллера была составлена программа на языке Ассемблер. Подобная программа может быть написана в среде ProView фирмы Franklin Software Inc, предназначенной для разработки программного обеспечения для однокристальных микроконтроллеров семейства Intel 8051. Текст программы приведен в Приложении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном курсовом проекте была разработана система регулирования скорости вращения асинхронного двигателя на основе однокристального микроконтроллера 51-го семейства. Была разработана структурная схема, где в качестве отдельных блоков были выделены блок управления, асинхронный двигатель, датчик температуры, датчик скорости, а также регулятор скорости. В качестве объекта управления был выбран трехфазный асинхронный двигатель общепромышленного назначения. В качестве метода управления был выбран способ тиристорного регулирования скорости вращения двигателя (управления с помощью тиристорной пары) как наиболее простой и наименее дорогостоящий из применяющихся в подобных системах способов регулирования. В ходе выбора датчиков, АЦП, ЦАП, в основном, ставка делалась на недорогую отечественную продукцию, поскольку реализация любого проекта всегда требует серьезных материальных затрат. При этом выбранная элементная база удовлетворяет техническим концепциям построения системы. Была построена функциональная схема и блок-схема алгоритма функционирования, отображающие принцип работы всей системы в целом. Была написана программа реализации алгоритма на языке Ассемблер.

В настоящее время существуют множество разработок, посвященных решению поставленной в данном проекте задачи. Однако существующие жесткие стандарты требуют следования современным тенденциям, поэтому необходимы наиболее простые и эффективные пути решения при небольших материальных затратах. Спроектированная система представляет одно из многих конструктивных решений, выбранное в силу причин, описанных выше.