Недорогой регистратор ПКЭ для широкого применения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данном курсовом проекте было разработано электронное устройство контроля ПКЭ – частоты питающей сети. По полученному заданию была проделана работа в полном объеме, разработано устройство избирательного учета автомашин пассажирского автопарка. При выполнении данной работы был получен ценный опыт разработки подобных устройств, получены навыки в разработке программ на языке С, также были закреплены знания, аналоговой и цифровой схемотехники.

...

Содержание

Ключевые слова 3
Аннотация 4
Введение 5
Техническое задание 7
1. Анализ исходных данных 8
2. Разработка структурной схемы 13
3. Описание контроллера 15
4. Разработка принципиальной схемы 19
5.Оценка метрологических характеристик и технологических параметров 24
6.Алгоритм работы регистратора 27
7. Программа работы микроконтроллера 29
Заключение 34
Список использованной литературы 35

ВВЕДЕНИЕ

Широкое развитие вычислительной техники, систем обработки информации, автоматизированных систем управления технологическими процессами в конце XX - начале XXI века потребовало от производителей вычислительной техники в разработке высокопроизводительных интерфейсов для связи, как различных систем, так и отдельных блоков внутри одной информационной системы.
На данный момент на рынке присутствует большое количество микроконтроллеров, реализующие различные архитектуры и позволяющие разрабатывать на их основе широкий перечень устройств управления и автоматизации. В отличие от процессоров вычислительных систем, микроконтроллеры не требуют высокой вычислительной способности, однако для эффективного применения они должны иметь в своей структуре различные дополнительные блоки, позволя ющие упростить процесс разработки устройств. К таким блокам относятся: порты ввода/вывода, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, компараторы, таймеры и счетчики, приемопередатчики различных интерфейсов связи и т.д.
Качество электроэнергии - это вопрос экономический и вместе с тем, сегодня это вопрос культуры производства и потребления — качества жизни общества. Электрическая энергия сегодня всё больше становиться товаром, а где товар, там и качество товара.
Ухудшение качества электроэнергии принято связывать с отклонениями параметров электрической напряжения (здесь мы рассматриваем сети электропитания переменного тока 0,4 кВ) от номинальных значений.
В общем случае речь идет о:
-отклонениях от номинальных напряжений (220 В или 380 В),
-отклонениях от номинальной частоты переменного тока (50 Гц),
-изменении «номинальной» (синусоидальная) формы кривой напряжения;
-возникновении несимметрии фазных напряжений (для трехфазных сетей).
Детальное описание т.н. показателей качества (некачества) электрической энергии (ПКЭ) представлено в современной версии ГОСТ СНГ 13109-97 [1] (далее – Стандарт)
Цель данного курсового проекта – разработка средства измерений (СИ) показателей качества электроэнергии (ПКЭ).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ современных устройств подобного типа, выделить их особенности и недостатки;
2. Разработать структурную схему проектируемого устройства;
3. Осуществить обоснованный выбор элементной базы проектируемого устройства;
4. Разработать принципиальную схему устройства;
5. Разработать алгоритм работы устройства и написать программу для микроконтроллера.

Регистратор будет оснащен кнопкой включения/выключения и перезагрузки. В соответствие с ТЗ для эффективного использования заряда батареи следует предусмотреть режим сна, в который регистратор переходит после 5 минут работы. Выход из режима пониженного потребления осуществляется нажатием на кнопку «перезагрузка».Для индикации измеренных и вычисленных данных предусмотрен индикатор ЖКИ. На него в процессе работы будет выводится текущая частота сети, а также указатели:«доп.» – допустимые отклонения частоты сети,«не доп.» – отклонения частоты сети выходят за пределы допустимых значений.2 Разработка структурной схемыНа основе изучения прототипов СИ Росомаха разработаем структурную схему устройства. Рисунок 2.1 – Структурная схема системы парковкиВ качестве устройства управления используется микроконтроллер, который считывает показания датчика, проводит первичную обработку полученных данных. Микроконтроллер – основная часть системы. предназначен для генерации высокочастотных сигналов, обработки полученных отраженных сигналов, а также для обеспечения световой и звуковой индикации результатов расчета расстояния. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. Использование в современном микроконтроллере «мощного» вычислительного устройства с широкими возможностями, построенного на одной микросхеме вместо целого набора, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость построенных на его базе устройств.Кроме ОЗУ, микроконтроллер может иметь встроенную энергонезависимую память для хранения программы и данных. Во многих контроллерах вообще нет шин для подключения внешней памяти. Другие модификации контроллеров обладают возможностью многократной перезаписи энергонезависимой памяти. В отличие от процессоров общего назначения, в микроконтроллерах часто используется гарвардская архитектура памяти, то есть раздельное хранение данных и команд в ОЗУ и ПЗУ соответственно.Устройство согласования предназначено для приведения параметров измеряемого сигнала к возможным для его обработки контроллером. В данном случае устройство преобразования понижает уровень напряжения до величины, которую может измерить микроконтроллер EFM32WG230. Для вывода результата работы предназначено устройство индикации. Для вывода будет использован символьный ЖКИ.Для обеспечения стабилизированного питания всей схемы необходимо устройство питания. Оно состоит из понижающего стабилизаторов напряжения на 3В. Несмотря на то, что микроконтроллер EFM32WG230 способен работать во всем диапазоне напряжений литиевой батареи в регистраторе применяется стабилизатор напряжения, задающий напряжение питания на уровне 3В. Во-первых это позволит использовать напряжение питания в качестве опорного, а во-вторых, ЖКИ не может работать при напряжении питания ниже 3 В.Программирование микроконтроллеров обычно осуществляется на языке ассемблера или Си, хотя существуют компиляторы для других языков.3. Описание контроллера Для выполнения данного устройства, в соответствии с техническим заданием, будем использовать малопотребляющих микроконтроллеров Wonder Gecko — EFM32WG230. Как и другие продукты Energy Micro, данное семейство в первую очередь предназначено для портативных устройств с батарейным питанием, где очень важно низкое энергопотребление. EFM32WG построено на ядре ARM Cortex-M4F, которое является развитием ядра Cortex-M3 и дополнительно поддерживает DSP-инструкции, а так же операции с плавающей точкой.Ядро Cortex-M4F имеет высокую производительность, при этом, в активном режиме их потребление составляет всего 180 мкА/МГц при выполнении кода из flash-памяти. В режиме deep sleep (EM2) с работающими часами реального времени (RTC) потребление будет составлять 400 нА, а в режиме полного отключения Shut-Off (EM4) — всего 20 нА.Семейство Wonder Gecko имеют 256 КБайт flash-памяти и 32 КБайт ОЗУ и использовать энергоэффективную периферию, знакомую по предыдущим семействам микроконтроллеров Energy Micro. Технические характеристики контроллера EFM32WG230.до 256 КБ программируемой Flash памяти программы32 КБ встроенной SRAM памятиЧетыре 16- разрядных таймера/счетчика с отдельным предделителем и режимом сравнения12-ти разрядный АЦП последовательного приближенияПять режимов пониженного потребления: Idle, ADC Noise Reduction, Power-Save, Power-down и StandbyТемпературный диапазон: от – 40 до + 85 С°Напряжение питания от 1,85 до 3,8 ВТактовая частота до 48 МГцВыпускается в корпусе QFN64Расположение выводов микроконтроллера приведено на рисунке 3.1.Рисунок 3.1 – Расположение выводов у EFM32WG230Функциональная схема микроконтроллера приведена на рисунке 3.2.Рисунок 3.2 – Функциональная схема4 Разработка принципиальной схемыПринципиальная схема устройства представлена на рисунке 4.1Рисунок 4.1 – Принципиальная схема регистратораДля повышения точности измерения частоты, улучшения помехозащищенности, а также защиты контроллера от всплесков напряжения целесообразно дополнить схему дополнительным устройством, преобразующим аналоговый сигнал в цифровой. В качестве подобного устройства может быть использован компаратор. Однако в момент пересечения синусоидальным сигналом порогового уровня компаратора, на его выходе появляются усиленные шумы входного сигнала. Это приводит к формированию лишних импульсов на выходе схемы[4]. Поэтому для решения данной задачи решено использовать триггер Шмидта. Данный триггер представляет собой устройство с двумя устойчивыми состояниями сигнала на выходе – 0 и 1. Переключение из одного состояния происходит в зависимости от уровня входного напряжения. При этом ВАХ имеет вид петли, обусловленной наличием петли гистерезиса. Данное свойство и позволяет эффективно использовать триггер Шмидта для защиты от высокочастотных помех.В качестве микросхемы выбрана LM40106 производства компании Fairchild Semiconductor. Выбор обусловлен распространенностью и невысокой ценой на эту микросхему, а также тем, что она (в отличие от отечественной КМ155ТЛ1) работает, начиная от 3В. При напряжении питания в 3В пороговые напряжения составят соответственно 1,2 В и 1,7 В [5]. На рисунке 4.1 представлена цоколевка данной микросхемыРисунок 4.1 – Цоколевка микросхемы LM 40106Расчет устройства индикации В качестве индикатора выбран ЖКИ FDCC0801A. Основным критерием для выбора была возможность работы от напряжения 3В. Модуль выпускается со светодиодной подсветкой. Модуль позволяет отображать строку с 8 символами (в соответствие с ТЗ) Символы отображаются в матрице 5×8 точек. Между символами имеются интервалы шириной в одну отображаемую точку. Каждому отображаемому на ЖКИ символу соответствует его код в ячейке ОЗУ модуля. Модуль содержит два вида памяти — кодов отображаемых символов и пользовательского знакогенератора, а также логику для управления ЖК панелью. Внешний вид приведен на рисунке 4.2.Рисунок 4.2 – ЖКИ FDCC0801AОписание выводов дисплея представлено на рисунке 4.3Рисунок 4.3 – Назначение внешних выводовРасчет устройства согласованияВ исходных данных задано, что напряжение в сети может достигать 220, тогда амплитудное значение составит В.При выборе диапазона измерения измеряемое напряжение поступает на делитель напряжения (резисторы R1 – R3), так как диапазон допустимого входного напряжения на вход аналого-цифрового преобразователя МК составляет 0В÷3В (VSS<VIN<VDDA), а возможная амплитуда измеряемого сигнала может достигать 310В.Параметры резисторов делителя напряжения считаются по формуле (1):Uвых=UвхR4R3+R4(4.1)Согласно диапазону допустимого входного напряжения на вывод МК необходимо подобрать такие значения резисторов, чтобы значение Uвых не превышало 3В при максимальном входном измеряемом напряжении.Сопротивление R3 выбирается из необходимости обеспечения большого входного сопротивления преобразователя: 1 МОм можно считать типовым для таких случаев. Введем делитель напряжения . При этом это позволит при питании делителя от 3 вольт сместить среднее значение на 1,5 В в положительном направлении. Номиналы R1 и R2 вычисляются, исходя из других метрологических требований: при максимальном измеряемом напряжении – напряжение на входе микроконтроллера не должно превышать 3В. Определим сопротивление :кОм. Следовательно, кОм.(ближайшее значение 10 кОм по Е24)Расчет устройства питанияКварцевый резонатор выбран на 16 МГц. Данная частота выбрана, поскольку она позволяет контроллеру работать с необходимым быстродействием, невысоким энергопотреблением, а также позволяет исключить снижение точности при обработке результатов(частота делится на 1024 посредством сдвига регистра вправо)[4]Поскольку питание устройства осуществляется от литиевого элемента питания с напряжением (2,8…3,6) В, то целесообразно использовать стабилизатор питающего напряжения. Уровень питающего напряжения зададим равным 3В, поскольку при данном напряжении может работать как микроконтроллер, так и ЖКИ и дополнительные микросхемы.[9]Несмотря на то, что микроконтроллер способен работать во всем диапазоне напряжений Li-батареи, целесообразно использовать стабилизированный источник питания, что позволит использовать данное напряжение в качестве опорного. Использование встроенного источника опорного напряжения нецелесообразно, т.к. он имеет невысокую стабильность, в равнении с LM2950-3.0 [4,5] и при напряжениях питания ниже 3В не будет возможна работа ЖКИ. В качестве стабилизатора напряжения выберем LM2950-3.0 – прецизионный стабилизатор с низким падением напряжения между входом и выходом. Технические характеристики стабилизаторов приведены в таблице 4.1Таблица 4.1 – Характеристики стабилизаторы напряжения LM2950 – 3,0Топология регулятораПоложительное постоянное напряжениеЧисло регуляторов1Выходное напряжение3,0 ВВходное напряжениеДо 30 ВПадение напряжения0,1 ВНестабильность выходного напряжения60 мВВыходной ток150 мАПогрешность регулирования напряжения± 0,1%Температурный диапазон-40°С - +125°СМикросхема использует внутреннее ограничение тока, надежную тепловую защиту операционной области, что обеспечивает его надежную работу и предостерегает от выхода из строя. Выходной ток достигает 150 мА.Рассчитаем требуемую мощность для стабилизатора питания:Потребление микроконтроллера при частоте работы 16 МГц составляет 220 мкА/МГц . Следовательно, при частоте работы 16 МГц потребляемый ток: мА.Потребление индикатора FDCC0801A составляет 7 мА при включенной подсветке.Таким образом, стабилизатор LM2950 удовлетворяет предъявляемым требованиям по току.Потребление микроконтроллера в режиме сна (режим Power-Save) составляет 10 мкА[5]Список использованных компонентов представлен в таблице 1.Таблица 4.1 – список использованных компонентов. [10]№Позиционное обозначениеТип (обозначение) / описание // производительКол-воТип корпусаКварцевый резонатор.BQHC-49SM 16 МГц1HC-49SMСКонденсаторыCE1SA-25 В-2200 мкФ // Yageo1SACE2SA-25 В-22 мкФ1SAС1,С2CC-1206-X7R-10 пФ-10%-50 B2Чип 1206C3CC-1206-X7R-100 нФ-10%-50 B1Чип 1206С4CC-1206-X7R-100 нФ-10%-50 B1Чип 1206DМикросхемы и микросборкиDD1EFM32WG230 / Energy Micro1QFN64DD2LM40106 // Fairchild Semiconductor1SOIC 14DA1LM2950/ ОУ / - 40….+125 ºС, Iпотр 150 мкА // MAXIM1SC70Индикатор Н1FDCC0801A1RРезисторы общего примененияR110 кОм 0,1%/0,25Вт-200В-25ppm/ºC // Vishay1чип 1206R210 кОм 0,1%/0,25Вт-200В-25ppm/ºC // Vishay1чип 1206R31 МОм 1%/0,25Вт-200В-100ppm/ºC // Vishay1чип 1206R4-R7820 Ом 5%/0,25Вт-200В-50ppm/ºC // Yageo4чип 1206SКоммутационные компонентыS1IS-1390 / переключатель, рабочий температурный диапазон -55..+125 °C // Slide Switches1S2SMD 7914G-1-000E / кнопка // Bourns15 оценка метрологических характеристик и технологических параметровИзмерение отклонения частоты f осуществляют следующим образом.Для каждого i-го наблюдения за установленный период времени измеряют действительное значение частоты fi в герцах.Вычисляют усредненное значение частоты fy в герцах как результат усреднения N наблюдений fi на интервале времени, равном 20 с, по формулеfy = .Число наблюдений N должно быть не менее 15.Вычисляют значение отклонения частоты f в герцах по формулеf = fy - fном,где fном — номинальное значение частоты, Гц.