Регуляторы температуры по нелинейным законам

НОВОУРАЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

НИЯУ МИФИ

 

 

Кафедра автоматизации управления

 

 

 

 

 

 

 

 

ПОЯСНИтеЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовой работе

на тему: «Регуляторы температуры по нелинейным законам»

по курсу Микропроцессоры

 

 

 

 

 

Исполнитель: студент гр. АТ-49Д

 

___________   Ивакин А.С.

 

 

Руководитель:

 

___________   Дюгай П.А.    

 

«___» ______________ 2013 г.

 

 

 

 

 

 

Новоуральск 2013

Введение

 

В данной курсовой работе представлен  проект системы регулирования температуры  позаданным нелинейным законам с помощью микроконтроллера ATTINY 461, фирмы Atmel[1].

Целью данной курсовой работы является разработка системы регулирования  температуры по нелинейным законам.

Основной задачей курсовой работы является – закрепление навыков  работы с микроконтроллерами посредством разработки устройства, использующего микроконтроллер в качестве базового управляющего элемента.

Несмотря на то, что в настоящее  время подобные устройства на мировом  рынке представлены в достаточно большом ассортименте, с точки  зрения основной задачи курсовой работы, его тема является актуальной, так  как она позволяет разобраться  в основных тонкостях работы микроконтроллера, а так же принципах взаимодействия с внешними устройствами.

Микроконтроллеры являются основой  самых различных современных  устройств и приборов. Самой главной  особенностью микроконтроллеров является то, что с их помощью легче и  зачастую гораздо дешевлереализовать различные схемы.

Микроконтроллер может управлять  различными устройствами и принимать  от них данные при минимуме дополнительных узлов, так как большое число  периферийных схем уже имеются непосредственно  на кристалле микроконтроллера. Это  позволяет уменьшить размеры  конструкции и снизить потребление  энергии от источника питания.

Проект нацелен на его применение в качестве датчика температуры, который позволяет следить за ее изменением, а так же, не превышает  ли она нижнее и верхнее пороговые  значения. 
 Техническое задание

 

1)Необходимо  реализовать регулятор температуры по заданным нелинейным законам.

2) Подобрать компоненты для реализации работы.

3) Установить температуру в 15 градусов Цельсия, с погрешностью ± 1 °C, и определить максимальную и минимальную температуру (t_max=14, t_min=16).

4)Поддерживать температуру в заданных пределах (максимальное отклонение 0.2%), при необходимости включать либо нагреватель, либо вентилятор.

5)   Объем имеющегося помещения равен 10 м³.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Структурная схема

 

Структурная схема проекта представлена на рисунке 1, а так же в приложении 2. 

 

 

 

Исполнительный Исполнительный

механизм  механизм

морозильника                                   нагревателя

 

 

 

 

 

 

 

Индикатор   Микроконтроллер

 

 

 

 

Клавиатура

 

Датчик 

                  температуры

 

 

Рисунок 1. Структурная схема системы регулировки температуры по нелинейным законам.

 

Основой структурной схемы является микроконтроллер ATTINY 461, который принимает сигналы от датчика температуры и клавиатуры. Затем, обработав эти сигналы, микроконтроллер выводит результат на экран индикатора. Так же, к микроконтроллеру подключены два механизма «морозильник» и «нагреватель». Они подключаются соответственно, в тот момент, когда температура переходит верхнее или нижнее пороговые значения.

На основе структурной схемы,в пакете моделирования схемProteus[2], быласконструирована система для моделирования процесса регулирования температурой. Проект представлен на рисунке 2, и в приложении 3.

 

 

 

Рисунок 2. Система для моделированияпроцессом регулирования температурой.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор компонентов

 

Для реализации работы необходимо подобрать нужные компоненты.

 

1. Микроконтроллер

 

Для регулирования температуры  по заданным нелинейным законам, в данной курсовой работе будем использовать микроконтроллер ATTINY 461[3, 4].

 

Характеристики ATTINY 461:

• Доступные аналоговые/цифровые каналы: 16;
• Интерфейс: 2-Wire, SPI, USI;
• Количество линий ввода/вывода: 16;
• Количество таймеров: 2;
• Рабочее напряжение питания: от 2.7 В до 5.5 В;
• Рабочий диапазон температур: от - 40 C до + 85 C;
• Размер ОЗУ: 256 B;
• Размер ПЗУ данных: 256 B;
• Размер памяти программ: 4 Кб;
• Разрядность АЦП: 10 бит;
• Тактовая частота максимальная: 20 МГц;
• Тип памяти программ: Flash;
• Шина данных: 8 бит;
• Ядро: AVR;
• EEPROM-память: 256 Байт;
• RAM-память: 256 Байт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рисунке 3 представлено расположение выводов ATTINY 461.

 

Рисунок 3. Расположение выводов ATTINY 461.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.  Датчик температуры

 

Для осуществления наблюдения за температурой будем использовать датчик Pt1000 EN 60751/B[5].Погрешность данного датчика указана в его характеристике.

 

Характеристики Pt1000 EN 60751/B:

• Допустимый диапазон: от 0 С до 50 С;
• Допустимая погрешность: ± 0.3 °C (при 0 °C).

 

Датчик температуры Pt1000 EN 60751/B представлен  на рисунке 4.

 

Рисунок 4. Датчик температуры Pt1000 EN 60751/B.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.  Клавиатура

 

Для того чтобы задаться нужными пороговыми значениями, в данной работе будем использовать 12-ти кнопочную клавиатуру[6], представленную на рисунке 5.

 

Рисунок 5. 12-ти кнопочная клавиатура.

 

Принцип действия.

Для того чтобы определить какая  из кнопок нажата, микроконтроллер производит следующие действия:

После нажатия  нужной кнопки, контроллер подает сигнал «логическая единица» на вход первой строки, а на вход последующих подает «логический ноль». Далее проверяется в каком столбце нажата кнопка. Если таковых не имеется, то на выходе контроллер получает «логический ноль», и проверяет следующую строку, подавая туда «логическую единицу». Если же нажатая кнопка окажется в каком-то из столбцов, то на выходе этого столбца, контроллер получит «логическую единицу».

 

 

 

 

 

4.  Исполнительный механизм «морозильника»

 

Для того чтобы температура не пересекала верхнюю границу, подберем механизм, который будет исполнять роль «морозильника». Будем использовать самый простой охлаждающий вентилятор 4М 300[7], представленный на рисунке 6.

 

Рисунок 6. Охлаждающий вентилятор 4М 300.

 

Характеристика вентилятора 4М 300:

• Емкость, мкФ: 3;
• Максимальный расход воздуха, м³/ч: 1700;
• Мощность, Вт: 90;
• Напряжение, В: 220;
• Ток, А: 0.38;
• Частота вращения, 1/мин: 1370.

 

 

 

 

5.  Исполнительный механизм «нагревателя»

 

Для того чтобы температура не пересекала нижнюю границу, подберем механизм, который будет исполнять роль «нагревателя». Будем использовать самый простой обогревательMaxwellMW 3462[8], представленный на рисунке 7.

 

Рисунок 7. Обогреватель MaxwellMW 3462.

 

Характеристика обогревателя MaxwellMW 3462:

• Объем обогрева, м³: 15;
• Мощность, Вт: 1500.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.  Индикатор

 

Для того чтобы наблюдать заданную температуру, а также ее изменения, необходим индикатор, на экран которого будет выводиться все ранее перечисленное. В данной работе будет использоваться индикатор LCDLM016L [9, 10].

 

На рисунке 8 представлено расположение выводов LCDLM016L.

 

 

Рисунок 8. Расположение выводов LCDLM016L.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Алгоритм работы программы микроконтроллера

 

Алгоритм работы компьютерной программы  представлен на рисунке 9, а так же в приложении 4.

 

начало

 

 

1инициализация

 

 

    2 вывод на

LCD

 

 

3 обновление

LCD

 

 

Рисунок 9. Алгоритм компьютерной программы.

 

Работа  алгоритма.

Согласно данному алгоритму, представленному  на рисунке 9, в блоке 1 происходит инициализация, то есть, вначале программа производит чтение из EEpromпамяти, а так же производит инициализациюLCD, АЦП, портов и прерывания. Затем задаем нужную пороговую температуру. В прерывании происходит чтение из АЦП, затем перевод подаваемого напряжения в градусы и инициализация регулирования. После операции инициализации регулирования можно наблюдать, как изменяется температура, и какой из исполнительных механизмов «нагреватель» или «морозильник» работает в данный момент, или же они оба отключены. В блоке 2 происходит вывод заданной пороговой температуры на экран LCD, а так же какая температура установилась в данный момент. В блоке 3 происходит обновление экрана LCD. Этот алгоритм работает до тех пор, пока механизм не будет отключен.

Текст программы, для данного алгоритма, представлен в приложении 5.

 

 

 

Заключение

 

Разработанный в данной курсовой работе проект полностью соответствует  данному техническому заданию. Произведен выбор необходимых компонентов для достижения поставленных задач: наблюдение за изменением температуры в конкретном помещении и ее изменение с помощью микропроцессорного регулирования.

Работа такой системы была смоделирована  и проверена с помощьюпакета моделирования схемProteus. Эмуляция всей системы оказалась невозможна, в виду того, что Proteus не содержит конкретных датчиков и исполнительных механизмов.

Так же в курсовой работе приведены  все подобранные компоненты, потребовавшиеся  для реализации системы.

Работоспособность программы микроконтроллера проверена с помощью отладки  исходного кода в симуляторе AtmelStudio 6.0. На основании этого можно сделать вывод о том, что написанная программа работает верно.

В ходе курсовой работы был создан проект, который готов к реализации, а далее внедрению его на производство, а так же в обычную бытовую жизнь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

 

1.http://www.atmel.com/devices/attiny461.aspx.

2. Datasheet.PROTEUSVSMсистема моделирования схем.

3. Datasheet. Atmel corp. ATTINY 461.8-bit Microcontrollerwith 4KBytes In-SystemProgrammableFlash – 2007г.

4. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny. Руководство пользователя – 2007 г.

5.http://www.ventaus.ru/pdf/TEHU_PT1000a_ven.pdf.

6.http://www.labfor.ru/guidance/mpu-leso1/3.

7. http://prmufa.ru/catalog/furniture/okhlazhdayushchie_ventilyatory_tip_4_m/.

8.http://www.nord24.ru/id38406.htm.

9.http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=112664.

10.http://en.wikipedia.org/wiki/Hitachi_HD44780_LCD_controller.

 

ПриложениеA

 

Исходный  код для программного обеспечения  микроконтроллера

 

.include "tn461def.inc"

//.include "261def.inc"

.include "MyMacroses.inc"

 

;======================================================

#define   F_CPU   (8000000)

#define   PORT_HEATER  PORTB

#define   PIN_HEATER  PINB7

#define   DDR_HEATER  PORTB

 

#define   PORT_FREEZER PORTA

#define   PIN_FREEZER  PINA1

#define   DDR_FREEZER  PORTA

;Здесь идёт определение  тактовой частоты. Нужно для 

;библиотеки задержек,используемой в этой либе.

;Частота в Герцах.

//.def tmp    = r25

//.def T    = r18

//.def T_bcd2   = r19