Розробка мікроконтролерного термостабілізатора

Одразу після  встановлення значення температури, що буде підтримуватись, це значення буде збережене в енергонезалежній пам’яті  EEPROM (8).

При вході в  переривання підпрограма обробки  переривання зберігає поточний стан основної програми (зберігає акумулятор та регістр статусу) (2), а при виході відновлює його (10).

Текст програми написаний на спеціалізованому асемблері  та від трансльований в пакеті MPLAB.

Рисунок 7 – Блок-схема алгоритму основної програми

 

Рисунок 8 – Блок-схема  алгоритму підпрограми обробки  переривання 

 

7 Розрахунок  потужності споживання термостабілізатора

 

Живиться термостат від  джерела напруги 8…15 В. Потужність, що споживається термостатом, дорівнює сумі потужностей, що споживаються активними  та пасивними елементами схеми. Так  як на пасивних елементах виділяється  дуже невелика потужність, то нею нехтуємо.

Загальна активна потужність, що споживається пристроєм, обчислюється по формулі:

                                                         N

                                               Р_заг = ∑  Р_і*n ,  (4)

                                                        і=1

де  Р_заг – загальна потужність споживання,  Вт;

      Р_і – потужність, що споживається і-тим елементом, Вт;

      N – кількість  різних типів елементів,  шт;

      n – кількість  однотипних елементів,  шт.

Для розрахунку потужностей, що споживають мікросхеми, потрібно помножити  значення струму, що споживає мікросхема, на напругу живлення:

                                            Р_ІМС = U_жив * I_сп. ,  (5)

де  Р_ІМС – потужність, що споживає  IМС, мВт;

      I_сп – струм споживання  мікросхеми, мА;

      U_жив – напруга джерела живлення, В.

За формулою (5) розраховуємо потужність споживання мікросхем від  джерел живлення:

Р_{КР142ЕН5А} = 15 * 10 = 150 мВт;

Р_PIC16F84A = 5 * 2 = 10 мВт;

Р_DS18B20 = 5 * 1 = 5 мВт.

Потужність, що виділяється  на світлодіодних індикаторах HG1, HG2 та обмежуючих резисторах R5-R11, розраховується як добуток напруги живлення, струму одного сегменту індикатора і кількості запалених сегментів. Так як індикація порозрядна і в кожний окремий момент часу працює тільки один розряд, вважаємо, що одночасно запалені в середньому чотири сегменти.

Р_інд = I_св * U_жив * N_сегм = 0,01 * 5 * 4 = 0,1 (Вт) = 200 (мВт).

Потужність, що виділяється  на обмотці реле, дорівнює добутку  напруги, прикладеної до реле, і струму через реле. Так як транзистор VT1 працює у ключовому режимі, вважаємо, що коли він відкритий, уся напруга живлення прикладена до реле. При струмі через обмотку реле I_K1 = 50 мА потужність складає:

Р_K1 = U_жив * I_K1 = 5 * 0,05 = 0,25 (Вт) = 250 (мВт).

Потужність, що виділяється  світлодіодом HL1 та на його обмежувальному резисторі R15 дорівнює добутку напруги, прикладеної до цього ланцюга, і струму через світлодіод.

P_HL1 = U_жив * I _HL1 = 5 * 0,02 = 0,1 (Вт) = 100 (мВт).

Дані для розрахунку загальної потужності споживання пристрою зведені в таблицю 1.

 

Таблиця 1 -  Параметри  потужності споживання активних елементів 

Найменування елемента	Кількість елементів і-го типу, n, шт.	Потужність споживання і-го елементу, Рі, мВт.	Потужність споживання  n елементів, Ріn, мВт.
КР142ЕН5А	1	150	150
PIC16F84A	1	10	10
DS18B20	1	5	5
Індикатори	–	200	200
Реле	1	250	250
АЛ307А	1	100	100
Разом                                                                                                                          715

 

Таким чином, згідно з формулою (4) загальна потужність  споживання термостата від джерела напруги  складає близько 715 мВт, що свідчить про досить високу його економічність.

 

8 Розрахунок надійності   термостабілізатора

 

Надійність  – це властивість ЕОМ стійко функціонувати  при певних умовах експлуатації, протягом певного проміжку часу. Надійність будь-якого виробу визначається надійністю його окремих компонентів і не може бути надійніше за надійність самого ненадійного елемента. Надійність є  комплексною  властивістю апаратури, що характеризується безвідмовністю  і  ремонтоздатністю.

Одним із основних понять в теорії надійності є відмова. Відмова – порушення працездатності ЕОМ, яке виникає внаслідок зміни одного або кількох параметрів радіоелементів. При повній  втраті  працездатності  виникає повна відмова, при частковій – часткова.

Основними показниками надійності є: інтенсивність  відмов і напрацювання на відмову.

Розрахунок  надійності за раптовими відмовами  проводять за такою методикою [15]:

• визначається кількість однотипних елементів кожної групи N_І, шт.;
• визначається інтенсивність відмов для кожної групи однотипних елементів λ_І, год^-1;
• знаходиться інтенсивність для всіх елементів однієї групи λ_І×N_І, год^-1;
• знаходиться загальна інтенсивність відмов виробу λ_ІΣ, за формулою:

 (6)

• знаходиться середній час безвідмовної роботи (середній час напрацювання на першу відмову) Т_сер., год:

 (7)

• проводиться корекція відповідно до умов експлуатації К_у.е., за формулою:

 (8)

• знаходиться ймовірність безвідмовної роботи пристрою протягом певного періоду часу Р(t), за формулою:

 (9)

Згідно з даною  методикою розрахунку надійності за раптовими відмовами проведемо  відповідні обчислення для даної  схеми. Результати розрахунку інтенсивності  відмов приведені в таблиці 2.

 

Таблиця 2 – Розрахунок інтенсивності відмов

Найменування елемента	NІ, шт.	λІ×10-6, год-1	λіΣ×10-6, год-1
НВІС PIC16F84A	1	0,2	0,2
ВІС DS18B20	1	0,3	0,3
ІМС сер. ст. інт. КР142ЕН5А	1	3	3
Індикатор HLEC-D512GWA	2	1	2
Транзистор КТ829А	1	3	3
Діод КД522Б	1	0,5	0,5
Світлодіод АЛ307Б	1	1	1
Кварцовий резонатор	1	0,5	0,5
Резистори С1-4	15	0,3	4,5
Конденсатори К10-74	3	0,2	0,6
Конденсатори К50-35	1	1	1
Кнопковий перемикач КМ2-1-Т	1	2	2
Реле	1	5	5
Пайка	~100	0,005	0,5
Всього			24,1

За  формулою (7) розрахуємо середній час  напрацювання на відмову для даної  схеми:

Проводимо корекцію середнього часу напрацювання на відмову  відповідно до умов експлуатації. Так як даний термостат планується використовувати в основному в побутових цілях, то прилад буде працювати в широкому діапазоні температур і вологостей, а тому вважаємо, що умови експлуатації відповідають наземним стаціонарним, К_у.е.=10. Дійсне значення середнього часу напрацювання на відмову знаходимо за формулою (8):

Відповідно до рівняння (9) визначаємо ймовірність  безвідмовної роботи пристрою в інтервалі  часу від 0 до 4100 год. з кроком в 500 год. Отримані значення заносимо в таблицю 3.

 

Таблиця 3 – Результати розрахунку ймовірності безвідмовної роботи

Інтервал часу t, год	Ймовірність безвідмовної роботи Р(t)
500	0,885
1000	0,783
1500	0,694
2000	0,694
2500	0,614
3000	0,481
3500	0,426
4000	0,539
4500	0,377
5000	0,295
5500	0,261

 

 

Згідно з проведеними  розрахунками роблю висновок, що прилад володіє достатньою надійністю для  використання його як в побутових, так  і у виробничих цілях.

 

9 Інструкція з експлуатації термостабілізатора

 

Увесь основний час роботи, від включення приладу до його виключення, прилад показує виміряну температуру. Температура вимірюється  з частотою один раз в секунду. Після першого включення в  пам’яті мікроконтролера знаходиться  випадкове значення підтримуваної  температури. Тому необхідно встановити потрібне значення. Для перегляду  значення підтримуваної температури  необхідно натиснути кнопку SB1 “Вибір режиму роботи”. Поки кнопка натиснута і утримується, на індикатори виводиться значення підтримуваної температури. При відпусканні кнопки через 1 с прилад знов починає показувати виміряну температуру.

Для того, щоб змінити  значення підтримуваної температури, необхідно натиснути кнопку SB1 “Вибір режиму роботи”, та утримуючи її ввести потрібне значення температури шляхом натискання кнопки SB2 “Встановлення температури”. Якщо кнопку  SB2 натиснути та утримувати, показання індикатора почнуть автоматично зростати з частотою 2 Гц. Установка температури здійснюється в інтервалі від -54 до +124 °С. При досягненні потрібного значення кнопки відпускають. Після цього через 1 с прилад знов починає показувати виміряну температуру.

Якщо температура встановлена, прилад буде автоматично підтримувати її з точністю ±1°С. Наприклад, встановлена температура 30°С. Тоді при зниженні температури середовища нижче 29°С включиться виконавчий елемент – нагрівач, але як тільки температура досягне 31°С, нагрівач буде відключений.

Після кожного встановлення значення підтримуваної температури  це значення автоматично зберігається в енергонезалежній пам’яті мікроконтролера. При кожному включенні живлення це значення автоматично завантажується з енергонезалежної пам’яті, тому повторне його встановлення непотрібне.

Висновки

 

В результатi роботи над курсовим  проектом  була  розроблена МПС з функцією термостабілізатора.

Розроблений термостабілізатор має такі функції:

• вимірювання температури та відображення її значення в цифровому вигляді ;
• наявність функції керування термостатом ;
• можливість ручного встановлення та зміни значення температури, що буде підтримуватись, та відображення цієї температури в цифровому вигляді ;
• можливість зберігання заданої температури в енергонезалежній пам’яті після вимкнення живлення та її відновлення при наступному ввімкненні.

Розроблений пристрій має  такі технічні характеристики:

• інтервал вимірювання температур    -55…+125 °С
• точність вимірювання:
• в інтервалі -10…+85 °С ±0,5°С
• в інтервалах -20…-10 °С, +85…+100 °С ±1°С
• в інтервалах -55…-20 °С, +100…+125 °С ±2°С
• діапазон встановлення підтримуваної температури  -54…+124°С
• крок встановлення підтримуваної температури 1°С
• точність підтримки температури ±1°С
• напруга живлення  8…15В
• потужність споживання 715 мВт;
• середній час напрацювання на відмову  4100 год

В ході розробки даного лічильника було пройдено всі етапи проектування цифрових пристроїв: огляд аналогічних рішень, визначення вихідних даних, розробка структурної, розробка функціональної схеми, розрахунок принципової схеми, побудова алгоритму програми та складання тексту програми для мікроконтролера, розрахунок потужності споживання та надійності приладу.