Автомат переключения светофора с лампами накаливания

НИЯУ МИФИ

 

 

КАФЕДРА АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ккурсовому проекту на тему:

 

«Автомат переключения светофора с лампами накаливания»

 

по курсу:

«АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ И СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ»

Вариант: 32

 

 

Выполнила:                                         студентка гр. АТ-67

Меринова  А. Д.

 

Руководитель:   Мухаматшин И.А.

 

 

 

 

 

НОВОУРАЛЬСК2012

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1 ПОСТАНОВКА  ЗАДАЧИ…………………………………………………………………………...3

2 ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА…...…………………………………………………………4

3 РАЗРАБОТКА  СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ  СХЕМЫ УСТРОЙСТВА…………5

3.1 Структурная  схема ………….………………………………………………………………5

3.2 Функциональная схема ………….……………………………………………………….....5

4 РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА …………..……………………………………………………………...7

4.1 Проектирование принципиальной схемы ………………......……….......………………...7

4.2 Проектирование печатной платы …………………………………………………………..8

4.3 Выбор элементов схемы ……….…………………………………………………………..11

4.4 Управляющая программа ………………………………………………………………….19

5ЗАКЛЮЧЕНИЕ…….……………………………………………………………………………….20

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………………21

Приложении  А Блок-схема и листинг программы управления.…………………………...22

Приложение  Б Принципиальная схема……………………………………...………………28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

 

Светофор простой. Управление лампами 220 В 100 Вт по программе: 15 сек красный, 3 сек желтый, 15 сек зеленый, 3 сек желтый, повтор. Переключатель режима работы «мигающий желтый» (период мигания одна секунда) и обратно. На семисегментный индикатор выводить сколько секунд осталось до переключения.

 

 

2 ПРИНЦИП РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

 

При подаче питания устанавливается  нормальный режим работы устройства.В этом случае 3 секунды работает желтый сигнал, далее по прошествии заданного времени зажигается зеленый сигнал и лампа работает в течении 15 секунд, после этого снова включается лампа желтого сигнала и работает в течении 3 секунд, затем происходит включение лампы красного сигнала и ее работа продолжается 15 секунд. Таким образом можно представить режим работы устройства следующим образом: «Желтый» (3 сек.) – «Зеленый» (15 сек.) – «Желтый» (3 сек.) – «Красный» (15 сек.). Далее цикл повторяется и составляет длительность 36 секунд.

Пользователь путем нажатия кнопки выбора режима работы может перейти в режим, при котором производится включение и отключение лампы желтого сигнала с периодичностью 1 Гц. При повторном нажатии кнопки устройство переходит в нормальный режим и начинает новый рабочий цикл. При нажатии и отпускании кнопки сброса также происходит выход в начальное состояние рабочего цикла в не зависимости от того лампа какого цвета в данный момент работала.

При работев нормальном режиме на двухразрядном семисегментном индикаторе отображается время, оставшееся до включения лампы другого цвета. В режиме работы «мигающий желтый» цифровой индикатор не задействован.

 

 

3 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА

3.1 Структурная схема

Центральное место в схеме занимает устройство управления- микроконтроллер. К нему подключаютсявнешние устройства. В нашем случае, периферийными устройствами будут служить: кнопки управления,  семисегментные индикаторы и лампы накаливания.

 

Структурная схема представлена на рис 1.

Рис.1- структурная  схема светофора.

 

1 – микроконтроллер обрабатывающий поступающую информацию и управляющий внешними устройствами.

2 – задание параметра работы (обычный режим/режим мигания  желтого), сброс.

3 – отображение времени, оставшегося до переключения ламп.

4 – служат  для отображения сигнала светофора  – красный/желтый/зеленый.

 

3.2 Функциональная схема.

 

Рис.2- функциональная схема светофора.

 

Генератор тактовых импульсов (ГТИ) осуществляет тактирование микроконтроллера тактовыми импульсами, стабилизированными кварцевым резонатором.

При подаче питания устанавливается  обычныйрежим работы, т.е. горит желтый сигнал, на индикаторе отображается время его работы (3 секунды). С внешних кнопок управления можно задать режим работы устройства – переключение между лампами или мигающий желтый, а также произвести сброс устройства в начальное состояние.На цифровом индикаторе, в зависимости от установленного режима работы, будет отображаться время, оставшееся до переключения лампы – в нормальном режиме, либо индикатор не будет отображать ничего – в режиме мигающего желтого сигнала.

 

4 РАЗРАБОТКА ПРОЕКТА

 

 

4.1Проектирование принципиальной схемы.

Для разработки устройства и проверки его работы используем программу моделирования PROTEUS версии 7.10. С помощью данной программы возможно создание принципиальной схемы посредством использования встроенных библиотек математических моделей, функционально повторяющих алгоритм работы физически существующих элементов. Данная среда разработки позволяет использовать внешние файлы подпрограмм для отработки работы микроконтроллеров и других элементов, использующих внутреннюю память для хранения программ. Также имеется ряд основных виртуальных измерительных приборов позволяющих рассмотреть электрические параметры разрабатываемого устройства. На рисунке 3 представлено основное окно программы PROTEUS с разработанной схемой проекта. В приложении 1 представлена принципиальная схема.

 

 

 

Рис. 3–Моделирование проекта «Светофор» в программе PROTEUS.

 

Проведение  моделирования работы показало работоспособность  полученной электрической схемы  и программы микроконтроллера.   Принципиальная схема приведена в приложении Б. 
4.2Проектирование печатной платы.

 

Для разработки печатной платы используем программу Multisim. Для этого повторим принципиальную схему, созданную в программе PROTEUS. Используя встроенные библиотеки и корпуса элементов, выполним их размещение на плате и трассировку электрических соединений. Возможности программы Multisim позволяют выполнить автоматическую расстановку элементов, автоматическую трассировку и ручную коррекцию соединений. Также можно увидеть полученную плату в режиме 3D вида.

На рисунке 4 представлено основное окно программы Multisim с разработанной печатной платой проекта.

 

Рис. 4– Окно программы Multisimс разработанной печатной платой проекта.

 

 

 

На рисунке 5 представлен общий  вид полученной печатной платы с  расположенными элементами и их позиционными обозначениями согласно принципиальной схемы.

 

 

 

Рис. 5 – Общий вид печатной платы.

 

 

 

 

Рис. 6 – Вид печатной платы со стороны дорожек.

 

 

Рис. 7 – Вид печатной платы со стороны элементов.

 

 

Рис. 8 – Вид печатной платы со стороны элементов в 3D.

 

 

 

4.3 Выбор элементов схемы.

Центральное место в  схеме занимает микроконтроллер. К  нему подключаются  внешние устройства – кнопки управления, коммутирующие  элементы и индикаторы.

В разработанном устройстве применен микроконтроллер семейства МК51 –  AT80C51 [1] фирмы ATMEL. Данный микроконтроллер выполняет арифметические и логические операции, осуществляет программное управление процессом обработки информации, организует взаимодействие всех устройств, входящих в систему.

Основными элементами базовой архитектуры  микроконтроллеров семейства 51 являются:

- 8-разрядное АЛУ;

- 4 банка регистров, по 8 в каждом;

- внутренняя (резидентная) память  программ 4 Кбайт, 

- внутренняя (резидентная) память  данных 128 байт;

- 21 регистр специальных функций;

- булевый процессор;

- два 16-разрядных таймера/счетчика;

- контроллер последовательного порта;

- контроллер обработки прерываний  с двумя уровнями приоритетов;

- четыре 8-разрядных порта ввода/вывода, два из которых используются  в качестве шины адреса/данных для доступа к внешней памяти программ и данных.

 

Микроконтроллеры выпускаются для работы при разных значениях напряжения питания и тактовой частоты, определяемой частотой подключенного к микроконтроллеру кварцевого резонатора. Ток потребления зависит от величины напряжения питания и тактовой частоты. На рисунке 9 представлено назначение выводов микроконтроллера.

Рис. 9 Назначение выводов микроконтроллера AT80С51.

 

Для индикации времени работы сигнала  светофора применены семисегментные светодиодные индикаторы FYS-3912C[2]. Внешний вид и габаритные характеристики представлены на рисунке 10. Краткие характеристики – в таблице 1.

 

Рис. 10 Светодиодный семисегментный индикатор  FYS-3912C.

 

Таблица 1. 

Цвет свечения	красный
Схема включения.	Общ. катод
Высота знака	10 мм
Максимальное прямое напряжение	2.5 В
Максимальное обратное напряжение	5 В
Максимальный прямой ток	30 мА
Максимальный импульсный прямой ток	150 мА

 

 

Для согласования работы индикаторов  с микроконтроллером применяется  микросхема шинного формирователя  74HC245 [3], транзисторы 2N3390[4] и резисторная сборка.

 

Микросхема 74HC245 представляет собой 8-канальный двунаправленный шинный формирователь с тремя состояниями на выходе. Выполнена по технологии ТТЛ и имеет соответствующие электрические характеристики. На рисунке 11 представлено ее условно-графическое изображение и назначение выводов. В таблице 2 – основные электрические параметры.

Рис.12Условно-графическое обозначение микросхемы 74HC245.

Таблица 2. 

Номинальное напряжение питания	5 В  10 %
Выходное напряжение низкого уровня	не более 0,5 В
Выходное напряжение высокого уровня	3...5 В
Входной ток низкого уровня	0,1 мА
Входной ток высокого уровня	20 мкА
Выходной ток	112 мА
Ток потребления	не более 15 мА

 

Для согласования токов шинного  формирователя и индикаторов  применена резисторная сборка фирмы  «Bourns» модели 4114R-1-RC [5], имеющая в своем составе 7 изолированных друг от друга резисторов. Внешний вид корпуса и внутренняя структура представлены на рисунке 13.

 

Рис. 13 Резисторная сборка.

Т. к.  резисторыRN1 являются токозадающими для сегментов индикаторов FYS-3912C то необходимо рассчитать значение их сопротивления.

 

Исходя  из того что:

• падение напряжения на сегменте индикатора - 2,5 В (Uсег);
• ток, протекающий через 1 сегмент – 30 мA (Iсег);
• напряжение питания – 5 В (Uпит).

Получим:

 

Примем R2…R8 = 85 Ом.

 

Максимальный ток через индикатор  может составить Iсег*7 = 210 мА (цифра «8»). Микроконтроллер не может обеспечить такой ток на выходах.  Для увеличения тока индикатора используем транзисторы 2N3390, внешний вид представлен на рисунке 14. В таблице 3 – краткие характеристики.

Рис. 14 Транзистор 2N3390.

 

Таблица 3. 

Тип транзистора	NPN
Напряжение пробоя коллектора, эмиттера (макс.)	25 В
Ток коллектора (ном.)	300 мA
Напряжение база-эмиттер (Uбэ)	0,6 В
Напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ)	0,25 В
Усиление постоянного тока (h21э)	400
Мощность максимальная	625 мВт

 

Определим ток базы транзистора для обеспечения тока коллектора 210 мА:

 

Определим номиналы резисторов для обеспечения тока базы:

 

Примем значение резисторовR9, R10 из стандартного ряда сопротивленийравным9,1 кОм.

Для коммутации ламп накаливания Т. к. по условию задания предполагается использовать лампы накаливания мощностью 100 ватт, то можно рассчитать необходимый ток коммутации контактами реле.

 

Таким образом допустимый ток контактов  реле должен превышать 450 мА. Используем реле типа G2R-1E [6].

Реле  G2R-1E фирмы «OMRON» электромагнитного типа имеет одну группу переключающих контактов, внешний вид представлен на рисунке 15, краткие характеристики в таблице 4.

Рис. 15 Внешний вид реле G2R-1E.

Таблица 4. 

Ток коммутации	16 А
Напряжение коммутации	250 В
Ток катушки	105мA
Напряжение катушки	5В