Разработка устройства управления мощностью двигателя

Содержание

Введение

1. Анализ задачи

1.1 Функциональная спецификация системы

1.2 Описание интерфейса между системой и пользователем

2. Предварительное проектирование системы

2.1 Разбиение системы на модули

2.2 Соотношение между аппаратными и программными средствами

2.3 Построение структурной схемы аппаратной части системы

3. Проектирование аппаратных средств системы

4. Проектирование программного обеспечения

Заключение

Список использованных источников

Приложения

Введение

Всё возрастающее применение 8-разрядных микроконтроллеров (МК) семейства HC11 фирмы MOTOROLA во встраиваемых системах управления делает актуальной разработку относительно недорогих систем отладки, доступных широкому классу разработчиков.

Разработка нового отладочного средства должна производиться с учетом уже имеющегося парка отладочных средств и занимать определенную нишу в потребностях разработчика.

В общем случае, при создании нового электронного устройства, управляющим элементом которого предполагается использовать микроконтроллер, перед разработчиком встает ряд задач:

)        выбор типа МК (на основании количества необходимых линий управления, вычислительной мощности, объема памяти, требований к наличию периферийных устройств, габаритов, энергетических характеристик и прочего);

2)      ознакомление со структурой, системой команд и особенностями функционирования выбранного МК;

)        написание и отладка программного обеспечения для МК.

В данном курсовом проекте необходимо разработать ШИМ-регулятор мощности двигателя постоянного тока типа ДПМ для микродрели на базе микроконтроллера MC68HC11. Требования, предъявляемые к проектируемой системе, определяются требованиями потребителей или пользователей, на которых рассчитывается проектируемое устройство.

Требования пользователя могут быть получены во время встречи с пользователем с целью выявления его нужд и определения того, какие действия должна выполнять система.

На первом этапе необходимо получить информацию, касающуюся того, что система должна делать. Для этого необходимо ответить на следующие вопросы:

.        Каковы общие требования к системе?

2.      Каким образом задавать значение требуемой мощности?

.        Каким образом ускорить переход к требуемой мощности?

.        Каковы требования к сложности и удобству управления?

.        Что необходимо предусмотреть для аварийной ситуации?

.        Каким образом пользователь узнаёт текущее значение мощности?

.        Что нужно предусмотреть для нормальной работы микродрели при возобновлении состояния после аварийного останова?

Из ответов на эти вопросы можно сделать вывод относительно того, что будут представлять собой требования пользователей.

Исходя из заданных данных на курсовой проект, можно выделить следующие функциональные действия, которые должно выполнять наше устройство:

.        Обеспечивать задание мощности двигателя путём выбора из фиксированного набора значений;

2.      Обеспечивать задание мощности двигателя с помощью двух кнопок и семисегментного индикатора;

.        Обеспечивать режим автоповтора;

.        Быть несложным в управлении, обеспечивать максимальное удобство пользователю;

.        Аварийный останов;

.        Индикация состояния микродрели;

.        Плавный разгон двигателя.

1. Анализ задачи

1.1 Функциональная спецификация системы

Функциональная спецификация включает два основных компонента:

) список функций выполняемых системой;

) описание интерфейса между системой и пользователем.

Так как система проектируется на основе информации, содержащейся как в требованиях пользователей, так и в функциональной спецификации, важно, чтобы функции, которые должны отображать требуемое поведение системы, были описаны достаточно подробно. Проанализируем требования, которые пользователь предъявляет к устройству, и определим, какие основные действия должна выполнять система. Таким образом, функциональная спецификация должна давать ответы на следующие вопросы:

.        Какие средства необходимо предусмотреть для управления системой?

2.      Какие средства необходимо предусмотреть для определения пользователем текущей мощности?

.        Какие средства необходимо предусмотреть для автоповтора?

.        Какие средства необходимо предусмотреть для плавного разгона?

.        Какие средства необходимо предусмотреть для обеспечения аварийного останова?

.        Какие средства необходимо предусмотреть для управления двигателем постоянного тока?

Ответив на эти вопросы, можно приступить к составлению функциональной спецификации.

Требования пользователя:

.        Дрель предназначена для сверления отверстий в печатных платах.

2.      Ряд значений мощности: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Функциональная спецификация:

.        Посредством двух кнопок обеспечиваем выбор одной из 8 значений мощности двигателя. Одна кнопка, при однократном её нажатии, отвечает за увеличение значения мощности на единицу, другая, соответственно, за её уменьшение. Обеспечивается невозможность выхода за пределы значения мощности.

2.      Номер выбранной мощности индицируется на семисегментном индикаторе. При включении на индикаторе показывается "0". Для удобства вывода значений на индикатор используем семисегментный дешифратор.

.        Для включения режима автоповтора используем удержание какой-либо кнопки. При переходе на требуемую мощность обеспечивается плавный разгон.

.        При включении питания восстанавливается скорость двигателя, с которой он работал до отключения питания, и разгон производится так же плавно. Это достигается путём постепенного увеличения мощности до требуемого уровня.

.        Нажатием кнопки останова мгновенно отключается питание двигателя. Чтобы вновь включить двигатель, нужно снова нажать кнопку останова.

.        Посредством ШИМ, который реализуется с помощью таймера и прерываний.

Если распределить эту информацию по категориям ВХОДЫ, ВЫХОДЫ и ФУНКЦИИ, функциональную спецификацию микродрели можно представить в следующем виде:

.        ВХОДЫ.

.1.     Кнопка уменьшения мощности.

1.2.   Кнопка увеличения мощности.

.3.     Кнопка останова

2.      ВЫХОДЫ.

.1.     Семисегментный индикатор.

2.2.   Управление мощностью дрели.

3.      ФУНКЦИИ.

3.2.   Индикатор индицирует выбранную мощность.

1.2 Описание интерфейса между системой и пользователем

Важным вопросом при разработке функциональной спецификации является взаимодействие между пользователем и системой. В системе регулировки мощности взаимодействие между системой и пользователем осуществляется с помощью кнопок и семисегментного индикатора (Рисунок 1.1).

Рисунок 1 - Интерфейс между системой и пользователем

Учет человеческих факторов при проектировании должен приводить к простоте системы и легкости ее использования. Эти цели достигаются посредством проектирования надлежащего системного интерфейса. На основании списка функций выполняемых системой определим интерфейс между системой и пользователем.

устройство управление мощность двигатель

Для переключения уровней мощностей предусмотрены две кнопки: "Ув. мощности" и "Ум. мощности". Для аварийного останова - кнопка "Останов".

Управление системой производится следующим образом. При включении микродрели в сеть питания происходит инициализация (мощность = 0). При нажатии кнопки "Ув. мощности" микродрель начинает работать (уровень мощности равен 1, или при автоповторе соответствующая). Если перед работой нужно установить определённый уровень мощности (не 1-ый), нажимается кнопка "Останов"; кнопками "Ув. мощности" и "Ум. мощности" задается мощность и затем повторным нажатием кнопки "Останов" микродрель, плавно разгоняясь, начинает работать на заданной мощности. Если во время работы нужно быстро перейти к какой-либо скорости - удерживаем соответствующую клавишу, что вызывает автоповтор. Для паузы в работе или при аварийной ситуации нажимаем кнопку "Останов". Для возобновления работы нажимаем эту кнопку повторно.

На семисегментном индикаторе отображается соответствующее значение мощности.

2. Предварительное проектирование системы

2.1 Разбиение системы на модули

Используя предварительные данные, разобьем нашу проектируемую систему на отдельные модули.

.        Системный исполнительный модуль обеспечивает последовательное исполнение системой функций необходимых для нормального функционирования нашей системы. Исполнительный модуль содержит программные средства, необходимые для реализации исполнительной процедуры. Исполнительный модуль представляет собой программное обеспечение системы.

2.      Модуль инициализации. После включения питания устройства происходит начальная инициализация устройства.

.        Модуль мощности уменьшает, увеличивает или задаёт автоповтор мощности в зависимости от нажатой кнопки.

.        Модуль аварийного останова выключает микродрель при нажатии кнопки останова.

.        Входной модуль осуществляет считывание текущего состояния кнопок и его запоминание (хранение).

.        Выходной модуль. Управление мощностью нашего двигателя.

.        Модуль ШИМа управляет переключением частоты ШИМа.

.        Модуль индикации: управляет выводом на семисегментный индикатор текущего значения мощности.

Полученная таким образом модульная структура системы показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Модульная структура системы

Каждый модуль состоит из набора функций, принадлежащих этому модулю. Способ распределения функций по конкретным модулям зависит от личного предпочтения разработчика. Если модуль содержит слишком много функций, он может быть разделен на несколько модулей. С целью упрощения несколько модулей, каждый из которых содержит небольшое число функций, могут быть объединены в один модуль. Модульная структура позволяет легко добавлять функции к системе, а также изменять или удалять часть системы в любой момент цикла ее проектирования.

Рассмотрим, как распределяются функции по модулям системы управления мощности двигателя постоянного тока.

1.      Исполнительный модуль состоит из единственной управляющей функции.

2.      Входной модуль включает:

считывание состояния кнопок Ув. /Ум. мощности

считывание состояния кнопки аварийного останова

. Выходной модуль включает:

подача управляющего сигнала на двигатель постоянного тока

вывод на семисегментный индикатор

. Модуль мощности включает единственную функцию задания мощности в соответствии с нажатием кнопок.

. Модуль инициализации включает:

инициализацию системы при начальном включении (включение питания);

. Модуль ШИМа управляет формированием импульсов.

. Модуль аварийного останова включает:

прекращение работы двигателя при нажатии на кнопку аварийного останова

возобновление работы двигателя

. Модуль индикации управляет выводом на семисегментный индикатор

Полная функционально-модульная структура устройства управления мощностью двигателем, включающая функции для каждого модуля, показана на рисунке 3.

Рисунок 3 - Функционально-модульная структура устройства управления

2.2 Соотношение между аппаратными и программными средствами

Связь между аппаратными и программными модулями системы устройства управления микродрели представлена на рисунке 4.

Связь между программными модулями и модулем микроконтроллера показана жирной стрелкой, так как программные модули реализуются как процедуры микроконтроллера. Поскольку входная информация передается через модуль интерфейса ввода под управлением программного входного модуля, связь между этими модулями показана пунктирной линией. Подобным же образом показана связь между программным выходным модулем и модулем интерфейса вывода.

Рисунок 4 - Связь между аппаратными и программными модулями

Модуль ШИМа имеет аппаратную и программную часть. Программная часть осуществляет управление ШИМом и задаёт его работу. Входной и выходной модули необходимо поместить в программную часть. Они непосредственно считывают (или записывают) из портов (в порты) ввода (вывода) данные и анализируют их. Модули инициализации проще всего выполнить при помощи программного обеспечения.

Все остальные модули отнесем к аппаратной части.

2.3 Построение структурной схемы аппаратной части системы

На основе функций, выполняемых системой, построим структурную схему аппаратной части системы. Процессорный модуль является ядром системы. В нем происходит обработка входной информации и генерация управляющих воздействий на все компоненты системы. В ПЗУ хранится исполняемая программа и подпрограммы для обработки прерываний. А в ОЗУ содержаться временные переменные. Также в отдельный блок можно выделить модуль генератора тактовых импульсов. Обмен данными между блоком центрального процессора и остальными блоками устройства управления осуществляется через порты.

Для подключения внешних устройств у микроконтроллера предусмотрено пять 8-ми разрядных портов.

В нашем случае, периферийными устройствами будут служить: кнопки, двигатель постоянного тока, семисегментный индикатор. Эти устройства подключаются к устройству ввода - вывода.

Структурная электрическая схема устройства приведена на чертеже БГУИ. ХХХХХХ.001 Э1.

3. Проектирование аппаратных средств системы

Основой аппаратной части является микроконтроллер МС68НС11А8.

В нашем случае микроконтроллер будет работать в однокристальном режиме, поэтому на вход MODA нужно подать логический '0', а на вход MODB логическую ‘1’.

Микроконтроллер адресует до 64 Кбайт памяти (адреса $0000-SFFFF), которые делятся на 16 страниц по 4 Кбайта. Полный объем памяти доступен в расширенном режиме, когда к выводам портов В и С подключается внешняя память. В нашем случае используется однокристальный режим работы, поэтому доступна только внутренняя память микроконтроллера: ПЗУ, РПЗУ, ОЗУ, а порты В и С служат для обмена данными с внешними устройствами. Две последние страницы адресного пространства (адреса $EOOO-$FFFF) занимает внутреннее масочное ПЗУ, содержимое которого программируется в процессе изготовления микроконтроллера по заказу пользователя. В ПЗУ будет содержаться наша программа. РПЗУ размещена по адресам SB600-5B7FF и в данном курсовом проекте не используется ОЗУ при начальной установке микроконтроллера (процедура RESET) занимает адресное пространство $OOOO-$OOFF. Распределение адресного пространства памяти микроконтроллера показано на рисунке 5.

Рисунок 5 - Карта распределения адресного пространства

Служебные регистры определяют конфигурацию и режимы работы микроконтроллера. Содержимое регистра INIT (рисунок 6) определяет старшие четыре разряда адреса (номер страницы) размещения ОЗУ (биты RAM3-RAM0) и блока внутренних регистров (биты REG3-REG0). При начальной установке микроконтроллера биты данного регистра принимают значения RAM3-RAM0 = 0000 (обращение к странице 0), REG3-REG0 = 0001 (обращение к странице 1). В данном курсовом проекте значения, установленные после начальной установки изменяться не будут.

Рисунок 6 - Служебный регистр INIT (адрес $103D)

Регистр CONFIG определяет конфигурацию микроконтроллера, разрешая или запрещая использование внутренних ПЗУ, РПЗУ и блока контроля функционирования Регистр OPTION определяет функционирование отдельных блоков микроконтроллера. Содержимое регистров HPRIO, INIT, OPTION записывается непосредственно после начальной установки микроконтроллера и затем может быть только считано. Исключение составляют только разряды PSEL3-PSEL0 в регистре HPRIO и разряды ADPU, CSEL в регистре OPTION, которые могут изменяться в процессе работы микроконтроллера путем записи в эти регистры. Содержимое регистра ONFIG программируется таким же образом, как и содержимое внутреннего РПЗУ, и может изменяться только в процессе программирования. Этим обеспечивается его сохранение при отключении питания. Синхронизация микроконтроллера формируется следующей схемой (рисунок 7).

Рисунок 7 - Схема синхронизации микроконтроллера.

Резистор R1 имеет номинал 10 МОм, конденсаторы С1, С2 - номинал 24 пФ. ZQ - кварцевый резонатор (частота 8 МГц). Схема синхронизации подключается к выводам XTAL и EXTAL микроконтроллера. Длительность такта микроконтроллера Т_с = 1/F_t определяется генератором тактовых импульсов (ГТИ). Частота следования тактовых импульсов F_t задается кварцевым резонатором. При этом частота F, в 4 раза меньше частоты внешнего резонатора или генератора F_t = F_g/4. Импульсы с частотой F_t поступают на выход Е микроконтроллера и используются для синхронизации работы других устройств системы.

Так как микроконтроллер работает в рабочем режиме (однокристальном или расширенном), то в процессе начальной установки при включении питания или поступлении сигнала RESET# = 0 в программный счетчик PC загружаются два байта: старший байт РСН из ячейки памяти с адресом $FFFE, младший байт PCL - SFFFF. Эти байты являются адресом первой команды, выполняемой микроконтроллером после начальной установки. Так как микроконтроллер работает в однокристальном режиме, данные байты выбираются из внутреннего. При включении питания требуется время 4064Т_с для запуска ГТИ и начального состояния регистров, после чего начинается нормальная работа микроконтроллера. Для начальной установки по сигналу RESET# его длительность должна быть не меньше 4Т_С. В курсовом проекте для обмена данными с внешними устройствами используются параллельные порты В, С и D, а также вход . Порты A и Е не используются.

К входу  подключена кнопка аварийного останова, посредством которой подаётся немаскируемый сигнал прерывания.

Порт В (регистр PORTB, адрес $1004) используется как 8-разрядный порт вывода данных. Т.к. в регистре управления PIOC установлено значение разряда HNDS = 1, то порт В работает в режиме нестробированного вывода, при котором не происходит формирование стробирующего сигнала на выходе STRB. На выходы PB0-PB3 подключен семисегментный дешифратор CD4543B фирмы Texas Instruments, который преобразует двоично-десятичный код для отображения на семисегментном индикаторе. Из входов микросхемы, помимо входов данных, особое внимание заслуживают три: LD, BL и Ph. BL - вход, при подаче логической единицы на который на выходах дешифратора образуется комбинация из всех нулей, что соответствует очистке семисегментного индикатора. При подаче на вход LD '1' на выходах дешифратора формируется комбинация для отображения на индикаторе, соответствующая текущей комбинации, которая подаётся на входы данных. При подаче ‘0’ на вход LD в независимости от входной комбинации на входах данных, на индикаторе отображается последняя комбинация, при которой на LD был подан '1'. Вход Ph отвечает за вывод комбнации на выходы дешифратора. При подаче на этот вход '1' комбинация инвертированная.

При подаче неверной комбинации (от 10 до 15) семисегментный индикатор также очищается.

Дешифратор подключён к индикатору через токоограничительные резисторы. Семисегментный индикатор подключается с помощью схемы, представленной на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема подключения семисегментного индикатора

В данном проекте порт С служит для ввода данных - проверка состояний кнопок уменьшения, увеличения мощности.

Двунаправленный порт D (регистр PORTD, адрес $1008) имеет шесть выводов PD5-PD0, которые служат входами или выходами данных в зависимости от установки значения битов в регистре направления DDRD (адрес $1009). В данной работе, все шесть выводов настроены на вывод данных. На выход PD0 подключён двигатель постоянного тока. Схема его подключения представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Схема подключения двигателя постоянного тока

В данной работе был выбран двигатель постоянного тока типа ДПМ-25-02. Двигатель управляется с помощью малогабаритного полевого транзистора IRFD024 фирмы International Rectifier. Для управления этим транзистором не требуется драйвер, так как он надежно открывается напряжением логической 1, равным 5 В, и нагрузочная способность порта микроконтроллера достаточна для этой цели. Резистор R2 обеспечивает закрытое состояние транзистора, когда после включения питания микроконтроллер находится в сброшенном состоянии. При отсутствии этого резистора в моменты включения питания двигатель может делать кратковременные рывки. Резистор R1 нужен для ограничения тока перезарядки затвора полевого транзистора в моменты смены логических уровней. Помимо ограничения допустимого тока, резистор R1 также влияет на скорость нарастания напряжения на двигателе. Если поставить на его место резистор меньшего номинала, то от резких импульсов тока управления начнет страдать микроконтроллер, давая сбои и зависая. Если ставить резистор с большим сопротивлением, скорость нарастания напряжения на двигателе может настолько снизиться, что транзистор перестанет успевать за частотой переключения ШИМа.

Диоды VD2, VD4 служат для подавления резких выбросов напряжения в моменты переключения транзистора. В отсутствие диодов эти импульсы приводят к сбоям в работе микроконтроллера. Быстрый диод VD3 необходим для гашения возможной ЭДС самоиндукции обмотки двигателя. Стабилитрон VD1 защищает шину питания от импульсов высокого напряжения, с которыми не успевает справляться стабилизатор. Т.к. у нас используется двигатель ДПМ на напряжение питания 27 В, то питать прибор следует от источника постоянного нестабилизированного напряжения около 30 В. Больше 35 В не рекомендуется, так как будет превышено максимально допустимое входное напряжение стабилизатора КР1157ЕН5Б и конденсатора C2. Для защиты полевого транзистора от перегрева и выхода из строя из-за более длительной блокировки вала или коротком замыкании обмотки двигателя служит предохранитель FU1.

В контроллере имеется встроенный таймер. Он реализован на базе 16-разрядного счетчика TCNT (адрес старшего байта $100Е, адрес младшего байта $100F). Этот счетчик запускается при начальной установке микроконтроллера, и после запуска его состояние может быть только считано, например командами LDD, LDX, LDY.

Функционирование таймера определяется 8-разрядными регистрами управления. В данном курсовом проекте таймер используется для периодической генерации запросов прерывания. Для разрешения генерации прерывания реального времени устанавливаем бит RTII регистра TMSK2 (адрес $1024) в 1.

Для прерываний используется специальный флаг RTIF в регистре TFLG2 (адрес $1025). Этот флаг принимает значение RTIF = 1 через заданное время Т = 8192TCK_t, где величина коэффициента К_t определяется разрядами RTR1-RTR0 в регистре PACTL (адрес $1026). Сброс признака RTIF в состояние 0 производится путем записи соответствующего значения в регистр TFLG2.

В данном курсовом проекте разряды RTR1-RTR0 равны '0'. Разряд разрешения запроса прерывания RTII в регистре TMSK2 имеет значение RTII = 1. Т.к. к микроконтроллеру подключён кварцевый резонатор с частотой 8 МГц, период работы схемы генерации прерываний реального времени равен 4.10 мс.

Регистры TMSK2, TFLG2 и PACTL представлены на рисунке 10.