Создание устройства для удалённого мониторинга, состояния датчиков на основе микроконтроллеров

Оглавление

Введение 2

Теоретические сведения: 3

Цель работы: 5

Задание: 5

Ход работы: 6

1. Основные блоки функциональной схемы: 7

1.1  Микроконтроллер 7

1.2 Приёмо-передатчик 8

1.3 Цепи тактирования 9

1.4 Геркон 9

1.5 Клавиатура 10

1.6 Устройства вывода 10

2. Программная реализация алгоритма. 11

2.1 Алгоритм работы 11

2.2 Пульт оператора 11

Заключение 11

      Приложение…………….………………………………………………………………………………………….12

      3.1 Принципиальная схема…………………………………………………………………………………12

      3.2 Листинг АРМ ..…………………….…………………………………………………………………………13

     3.2 Листинг устройства низкого уровня ..…………………….…………….…………………...…23  

     Список литературы 29

    Введение

    Системы автоматического управления эффективно решают задачи на уровнях, начинающихся от управления отдельными узлами и  устройствами и заканчивающихся  управлением технологическими установками  и целыми производствами. В системах автоматизации применяются различные  средства реализации алгоритмов управления. В настоящее время, несмотря на определенные особенности применения, наиболее эффективными являются цифровые методы и средства.

    Вес и роль аналоговых средств существенно  снизилась в силу недостаточной  точности, стабильности, функциональной гибкости и технологичности. Основная область применения аналоговых устройств  – предварительная подготовка сигналов для преобразования в цифровой формат.

          Решение задач управления невозможно без анализа состояния объекта управления, необходимая информация от объекта поступает от датчиков. Как правило, для ввода поступающей от датчиков информации требуется ее преобразование в форму, удобную для дальнейшей обработки. Основным элементом системы управления является контроллер, реализующий основные алгоритмы преобразования информации и управления. Результатом решения задач управления являются команды, поступающие от контроллера на исполнительные устройства. Эти команды определяют состояние объекта управления в соответствии с решаемыми задачами.

    Микроконтроллеры являются весьма универсальным средством и применяются для решения самых разнообразных задач. Их универсальность определяется особенностями микропроцессорной организации обработки данных. Существует много аналогичных по характеристикам микроконтроллеров, но среди выпускаемых в настоящее время выделяются микроконтроллеры семейства AVR фирмы ATMEL. Они обладают низким уровнем потребления, невысокой стоимостью при весьма значительных функциональных возможностях. Поэтому в рамках нашей курсовой работы был выбран микроконтроллер ATmega8, удовлетворяющий всем требованиям необходимых для реализации системы управления.   

    Теоретические сведения:

 

    Промышленная  сеть — сеть передачи данных, связывающая  различные датчики, исполнительные механизмы, промышленные контроллеры  и используемая в промышленной автоматизации. Термин употребляется преимущественно  в автоматизированной системе управления технологическими процессами (АСУТП). Описывается стандартом IEC 61158.

Устройства  используют сеть для:

передачи  данных, между датчиками, контроллерами  и исполнительными механизмами

диагностики и удалённого конфигурирования датчиков и исполнительных механизмов

калибрования  датчиков

питания датчиков и исполнительных механизмов

передачи  данных между датчиками и исполнительными  механизмами минуя центральный  контроллер

связи между датчиками, исполнительными  механизмами, ПЛК и АСУ ТП верхнего уровня

связи между контроллерами и системами  человеко-машинного интерфейса (SCADA)

В промышленных сетях для передачи данных применяют:

кабели;

волоконно-оптические линии;

беспроводную  связь (радиомодемы и Wi-Fi).

Промышленные  сети могут взаимодействовать с  обычными компьютерными сетями, в  частности использовать глобальную сеть Internet. 

Достоинства промышленных сетей.

В сравнении  с подключением периферийного оборудования к контроллеру отдельными проводами  промышленная сеть имеет следующие  достоинства:

в несколько  раз снижается расход на кабель и  его прокладку;

увеличивается допустимое расстояние до подключаемых датчиков и исполнительных устройств;

упрощается  управление сетью датчиков и исполнительных механизмов;

упрощается  модификация системы при изменении  типа датчиков, используемого протокола  взаимодействия, добавлении устройств  ввода-вывода;

позволяют дистанционно настраивать датчики  и проводить их диагностику. 
 

Недостатки промышленных сетей.

При обрыве кабеля теряется возможность получать данные и управлять не одним, а  несколькими устройствами (в зависимости  от места обрыва и топологии сети остаётся возможность автономного  функционирования сегмента сети и схемы  управления).

Для повышения  надёжности приходится резервировать  каналы связи или использовать кольцевую  топологию сети. 

Виды  промышленных сетей.

Modbus/RS-485 — самая простая, дешёвая и широко распространённая промышленная сеть

P-NET — Электрическая спецификация P-NET основана на стандарте RS-485, использующем защищенную витую пару.

Так же существует множество других видов  промышленных сетей, предназначенных  для узконаправленных задач. 

     Протокол  связи RS-485 является наиболее широко используемым промышленным стандартом, использующим двунаправленную сбалансированную линию передачи. Протокол поддерживает многоточечные соединения, обеспечивая  создание сетей с количеством  узлов до 32 и передачу на расстояние до 1200 м. Использование повторителей RS-485 позволяет увеличить расстояние передачи еще на 1200 м или добавить еще 32 узла. Стандарт RS-485 поддерживает полудуплексную связь. Для передачи и приема данных достаточно одной  скрученной пары проводников. 

     В данном проекте для написания  программы используется интегрированная  среда разработки программного обеспечения  для микроконтроллеров семейства Atmel AVR – CodeVisionAVR.

Что значительно  упрощает создание кода инициализации  всего МК, так как.

CodeVisionAVR включает в себя следующие  компоненты:

компилятор  Си-подобного языка для AVR;

компилятор  языка ассемблер для AVR;

генератор начального кода программы, позволяющего произвести инициализацию периферийных устройств;

модуль  взаимодействия с отладочной платой STK-500;

модуль  взаимодействия с программатором;

терминал.

Выходными файлами CodeVisionAVR являются:

HEX, BIN или  ROM-файл для загрузки в микроконтроллер  посредством программатора;

COFF —  файл, содержащий информацию для  отладчика;

OBJ —  файл

    Цель  работы:

    Создать устройство для удалённого мониторинга, состояния датчиков на основе микроконтроллеров, промышленной сети RS485 и программного обеспечения. Устройство должно выполнять следующие задачи: отслеживание состояния датчиков, сбор данных, передачу данных, приём данных, вывод данных на LCD.

    Задание:

    На  первом этапе производится выбор технических средств для построения системы управления. В соответствии с вычислительной сложностью алгоритмов управления определяется способ построения контроллера. При его выборе необходимо учитывать не только требования по непосредственному решению задач управления, но и программно-аппаратные ресурсы, которые необходимы для выполнения функций ввода-вывода данных для всех интерфейсов. Исполнительные устройства выбираются, в первую очередь, в соответствии со свойствами и требованиями объекта управления. Другим, важным для проектирования системы управления требованием является удобство их сопряжения с контроллером. Результатом разработки на этом этапе является определение комплекса технических средств, необходимого для решения задач управления

    На  следующем этапе проектирования для выбранных основных технических  средств разрабатывается принципиальная схема системы управления. Основная задача этого этапа - согласование свойств, параметров и характеристик сигналов для узлов функциональной схемы. Решение этой задачи требует применения различных аналоговых и цифровых устройств для преобразования сигналов.

    На  последнем этапе разрабатываются  алгоритмы и рабочие программы  для контроллера.

    Ход работы:

Структурная схема  устройства приведена на рис.1: 
 

    

      

    Для поставленной задачи был выбраны контроллеры семейства AVR ATmega8, удовлетворяющий требованиям алгоритма по производительности и имеющий необходимую периферию. Рассмотрим подробно реализацию этих задач: 
 

1. Основные  блоки функциональной схемы:

 

1. Микроконтроллер

ATmega8

Отличительные особенности:

8-разрядный  AVR микроконтроллер.

Тактовая  частота до 16 МГц.

Два 8-разрядных  таймера/счетчика с отдельным предварительным  делителем, один с режимом сравнения.

Один 16-разрядный  таймер/счетчик с отдельным предварительным  делителем и режимами захвата  и сравнения.

Три канала PWM .

Программируемый последовательный USART.

Структурная схема микроконтроллера имеет вид:

    1. 2  Приёмо-передатчик

Малопотребляющий  приемопередатчик RS-485 с защитой от электростатического разряда 15 кВ.

Основные параметры:

 
 
 
 
 

    1.3 Цепи тактирования

    Общим недостатком как внутренней, так  и внешней частотозадающей RC цепи является относительно низкая точность и недостаточная стабильность тактовой частоты, как правило, она не выше 3-5 процентов. Требуемую точность можно получить применением кварцевого резонатора в качестве частотозадающего элемента. Погрешность тактовых частот в этом случае не превышает 10^-6 .

    Для обеспечения нормальной работоспособности  для данной задачи будем использовать внутреннею RC цепочку МК, настроенную на 4МГц.

        1.4 Геркон

В качестве датчиков у нас используются герконы - КЭМ1.

    1. 5 Клавиатура

    По  условию задачи мы начинаем обмен данными между АРМ и Устройством низкого уровня по нажатию кнопки «Считать».