Главная-Комплектующие для лестниц-Низковольтный регулятор шим на микроконтроллере с индикацией. Регулятор мощности на микроконтроллере ATtiny2313 - Регуляторы мощности - Источники питания

Низковольтный регулятор шим на микроконтроллере с индикацией. Регулятор мощности на микроконтроллере ATtiny2313 - Регуляторы мощности - Источники питания

Существует огромной количество классических тиристорных и симисторных схем регуляторов, но этот регулятор выполнен на современной элементной базе и кроме того являлся фазовым, т.е. пропускает не всю полуволну сетевого напряжения, а только некоторую её часть, тем самым и осуществляется ограничение мощности, т.к открытие симистора происходит только при нужном фазовом угле.

При первом включении схеме на сегментном индикаторе горит цифра 0. Включение и отключение осуществляется одномоментным нажатием и удержанием двух кнопок-микропереключателей. Регулировка больше-меньше – каждым нажатием по отдельности. Если не нажимать ни на один из тумблеров, то после последнего нажатия через два часа регулятор отключится самостоятельно, индикатор до тех пор будет моргать на ступени последнего рабочего уровня потребляемой мощности.

В момент отключения устройства от сети запоминается последний уровень выдаваемой мощности, который будет автоматически задан при очередном включении. Регулировка осуществляется в диапазоне от 0 до 9 и далее от А до F. То есть всего имеется 16 ступеней регулировки.

Радиатор на фото выше достаточно большой, конструкция позволяет поставить вариант и по меньше, но другого у меня не было. При первом включении устройства у меня на дисплее моргал 0, на нажатие кнопок схема не реагировала. Заменив конденсатора по питанию на номинал 1000 мкФ,проблема исчезла.

Печатная плата в формате и прошивка микроконтроллера размещены в одном архиве по ссылке выше.

Схема используется для плавного регулирования мощности в нагрузке. В основу способа управления положен метод фазового управления симистором. Сущность его заключается в пропуске части полупериода переменного сетевого напряжения. Ток поступающий в нагрузку пропорционален интегралу полученного сигнала. Основа конструкции микроконтроллер PIC16F1823.

Устройство поддерживает работу с активной (лампа накаливания, нагреватель) и индуктивной нагрузкой. Тактирование микроконтроллера осуществляется от внутреннего генератора. Сигнал синхронизации с сетью поступает с выпрямительного моста на вход внутреннего компаратора микроконтроллера через фильтр на R10, C5, R9, R8, C3. Опорное напряжение компаратора поступает с внутреннего ЦАП микроконтроллера и равно около 0,6 В, которое задается при конфигурации МК. Для устранения влияния емкости C6 на синхронизацию применяется диод D6. Индикация выполнена на E30561 с общим катодом.

Конструктивно устройство собрано на двух печатных платах. На одной распологаются индикатор и управляющие кнопки, а на другой МК, блок питания и симистор. Соединение плат выполнено проводом МГТФ.

С радиатором для симистора (HS-135-38), как на рисунке максимальная мощность нагрузки около 500 Вт. Соответственно под этот радиатор и сделано посадочное место на печатной плате.

Прошивка для МК выполнена в среде MPLAB на языке С для компилятора HI-TECH PICC 9.83. Скачать печатные платы, прошивку и проект MPLAB вы можете по ссылке выше.

Регулирование конструкции происходит с помощью симистора типа BT138. Управление которым осуществляется посредством МК. Цифровой LED дисплей показывает на сколько процентов в текущий момент времени открыт симистор. Логическая часть схемы получает питание от блок питания, основа которого стабилизатор напряжения DA1 7805.

Эта схема отлично подойдет для раздельной регулировки мощности отдачи для двух разных нагрузок, например, нагреватели, лампы, электродвигатели. Максимальная мощность нагрузки зависит от типа ключей, её коммутирующих. На схеме ниже в роли таковых выступают транзисторы КТ819, но могут быть и другие варианты, в зависмости от необходимой мощности обоих нагрузок. Устройство генерирует импульсные сигналы, которые идут на любой из силовых ключей.

Прибор генерирует импульсные сигналы, широту их импульсов можно настраивать 256 равными степенями. Для управления схемой предназначены переменные сопротивления, подсоединенные к портам РВЗ и РВ4 МК, работающим с АЦП. ATtiny13 измеряет номинал сопротивление переменного резистора и задает широту импульсов выходного импульсного сигнала, следующих на ключ, управляющий питанием конкретной нагрузки. Т.е, поворачивая регулятор переменного сопротивления осуществляется регулировка мощности. Такая регулировка по сравнению с настройкой кнопками «меньше» и «больше» более удобна в использование, благодаря оперативности. Для программирования устройства имеется разъем ISP6. При программировании фьюзы ставим по умолчанию, работа с внутренним тактовым RC-генератором на частоте 9,6 МГц. Архив с исходником пршивки, забираем по ссылке выше.

Очень часто нужно иметь возможность регулировать ток, протекающий через лампы или нагревательные элементы. Поскольку нагрузка у них резистивная - самое простое решение собрать небольшой PWM (с английского ШИМ - широтно-импульсная модуляция) регулятор. Поскольку простые схемы на базе таймеров NE555 не интересовали - решено было разработать и собрать свою, несколько похожую на .

Схема, несмотря на наличие микроконтроллера PIC18LF2550, очень проста для повторения и может быть условно разделена на 3 части:

Генератор ШИМ

Микроконтроллер генерирует чёткие импульсы нужной формы и скважности, что значительно упрощает схему. Есть две кнопки, для увеличения и уменьшения мощности. Они идут на 3 и 5 выводы микросхемы PIC18LF2550. В зависимости от ширины импульса - светодиод медленнее или быстрее мигает, так визуально можно оценить скважность. Если светодиод светит полностью - мощность 100%, а если он погас, то скважность 0%.

Микроконтроллерный блок питания

Стаблизатор МК на 3,3 вольта, поэтому в зависимости от выходного транзистора можно использовать источник питания от 3.7 до 25 вольт. Частота коммутации составляет 32 кГц, а длительность импульса разделена на 256 шагов, в том числе полное включение и отключение.

Коммутатор нагрузки

Драйвер для MOSFET транзистора является - обычный 2N3904. Сам силовой транзистор может быть любой подходящий N-канальный MOSFET, не обязательно как по схеме 80NF55L.

Данная версия 4-канального 8-битного ШИМ-контроллера сконструирована с использованием микроконтроллера ATmegа16. Устройство сдержит интерфейс RS232 для управления с компьютера, интерфейс для 12-кнопочной клавиатуры и 4 аналоговых 10-битных канала для подключения потенциометров. Для отображения текущих режимов работы и параметров имеется 4-х строчный LCD-дисплей. Дополнительно ШИМ-контроллер имеет: 4 выхода на светодиоды, для индикации режимов управления (могут быть задействованы в роли выходов общего назначения), 3 выхода общего назначения.

Устройство имеет очень гибкие настройки. Например, параметры работы каналов ШИМ могут управляться посредством команд с компьютера, посредством аналоговых регуляторов (потенциометры) или с помощью клавиатуры (с отображением пользовательского интерфейса на LCD-индикаторе). Самим LCD-индикатором также возможно управлять через RS232, отображение текущих установок и режимов возможен в числовом, либо в графическом формате.

Основные характеристики устройства:

  • 4-канала ШИМ, разрешение 8 бит, частота ШИМ - 31 кГц;
  • интерфейс RS232 для управления и контроля с PC;
  • простое схемотехническое решение с минимальным количеством внешних элементов;
  • 12-кнопочная клавиатура;
  • возможность аналоговой регулировки;
  • до 7 выходных линий общего назначения;
  • 4-строчный LCD-дисплей;
  • управление LCD-дисплеем через последовательный интерфейс;
  • пользовательское меню;
  • гибкие настройки;
  • программная реализация буферов FIFO для ускорения работы.

Управление выходами общего назначения (в т.ч. светодиодными индикаторами) осуществляется с компьютера (RS232), пользователь так же имеет возможность считывать историю нажатия клавиш на клавиатуре (последние 32 нажатия клавиш, либо сразу же после нажатия какой-либо клавиши).

Благодаря таким гибким настройкам, выбирая соответствующую настройку, ШИМ-контроллер может использоваться в различных приложениях и как самостоятельное устройство. В конструкции используется микроконтроллер ATmega16, минимальное количество внешних элементов, поскольку весь контроль и управление выполняет сам микроконтроллер. Для пользователя возможно использование только необходимых компонентов, например, LCD-индикатор, если в нем нет необходимости, может быть исключен.

Логическая схема устройства.

Принципиальная схема устройства

Схемотехническое решение очень простое. Для тактирования микроконтроллера выбран кварцевый резонатор 8 МГц, источник питания +5.0 В собран на интегральном стабилизаторе LM7805 , индуктивность 10 мкГн и конденсатор 100 нФ - образуют фильтр, предотвращающий проникновение помех при переключениях в аналоговых цепях. Преобразователь логических уровней MAX232 используется для реализации последовательного интерфейса. LCD-индикатор на чипсете Hitachi (HD44780) с разрешением 20×4 либо 40×2. Узел управления подсветкой индикатора реализован на транзисторе MJE3055T (возможно использование более дешевого аналога). Матрица клавиатуры, стандартная, 4×3.

После подачи питания, микроконтроллер устанавливает последние сохраненные параметры в EEPROM: режимы управления каналами ШИМ (аналоговое управление, управление по последовательному интерфейсу, управление с клавиатуры), формат отображения параметров на индикаторе (управление по последовательному интерфейсу, отображение значений ШИМ, отображение аналоговых значений), а также состояние выходных линий общего назначения, состояние подсветки дисплея.

ШИМ генерация присутствует всегда на всех четырех каналах после подачи питания. Пользователь может настроить все параметры ШИМ-контроллера, используя последовательный интерфейс, посылая управляющие команды, а затем сохранить все сделанные настройки в EEPROM памяти микроконтроллера. Полный список команд и значений приведен ниже в приложении. Последовательный интерфейс также может использоваться для пересылки текущих значений аналоговых каналов управления (по запросу).

На индикаторе, при подаче питающего напряжения, отображается приветствие (пользователь может изменить приветствие), а затем, в соответствии с текущими настройками, отображает текущие параметры и значения выходов ШИМ, значения аналоговых каналов.

Для примера практической реализации устройства и ШИМ управления различными внешними устройствами приведена следующая схема. В данном примере показаны схемотехнические решения для подключения к 4 каналам ШИМ двигателя вентилятора, мощного светодиода семейства , преобразователь ШИМ-напряжение на операционном усилителе LM358 . А также для возможности тестирования выходных линий общего назначения подключены светодиоды.

Пример реализации выходных каскадов ШИМ-контроллера

Имеется большое количество различных схемных решений, однако в нашем случае мы разберем несколько вариантов ШИМ регулятор яркости светодиода () на PIC-микроконтроллере.

PIC10F320/322 это безупречный вариант для конструирования различных регуляторов освещения. При этом мы обретаем достаточно конструктивно навороченный прибор с наименьшей стоимостью и незначительными затратами времени на построение. Рассмотрим несколько вариантов диммера.

Первый вариант. Базовый регулятор яркости светодиода в котором изменение яркости свечения светодиодов осуществляется путем вращения ручки переменного , при этом яркость изменяется от 0 до 100%

Яркость свечения светодиодов устанавливается потенциалом сниманием с переменного резистора R1. Это изменяемое напряжение идет на ввод RA0, функционирующий как аналоговый ввод и подсоединенный к входу AN2 АЦП микроконтроллера. Вывод ШИМ RA1 контролирует силовой ключ на транзисторе V1.

Силовой транзистор возможно выбрать произвольный с логическим уровнем управления, то есть это те транзисторы, которые при получении 1…2 вольта на затвор целиком открывают свой канал.

К примеру транзистором IRF7805 возможно управлять током до 13 ампер соблюдая необходимые требования, а при любых других условиях до 5 ампер гарантировано. Разъем CON1 необходим, лишь для внутрисхемного программирования микроконтроллера, для этой же цели необходимы и сопротивления R2 и R5, то есть если микроконтроллер запрограммирован, то все эти радиоэлементы возможно не ставить.

Сопротивление R4 и BAV70 служат для защиты от перенапряжения и неправильного включения источника питания. Емкости C1 и C2 керамические и служат для снижения импульсных помех, и для надежности функционирования стабилизатора LM75L05.

Второй вариант. Здесь управление яркостью светодиодов так же осуществляется переменным резистором, а включение и выключение выполняется кнопками.

Третий вариант. Как видно в схеме отсутствует переменный резистор. В данном варианте управление яркостью свечения светодиодов выполняется исключительно двумя кнопками. Регулировка ступенчатая, изменение яркости происходит с каждым последующим нажатием.

Четвертый вариант. По сути такой же, как и третий вариант, но при удержании нажатой кнопки происходит плавное изменение свечения светодиодов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Регулировать напряжение питания мощных потребителей удобно с помощью регуляторов с широтно-импульсной модуляцией. Преимущество таких регуляторов заключается в том, что выходной транзистор работает в ключевом режиме, а, значит, имеет два состояния - открытое или закрытое. Известно, что наибольший нагрев транзистора происходит в полуоткрытом состоянии, что приводит к необходимости устанавливать его на радиатор большой площади и спасать его от перегрева. Кроме того, имеется возможность значительно снизить потребляемую мощность и, таким образом, удешевить эксплуатацию устройства.

1. Цель работы

Цель работы: Представить проект устройства управления электрическими приборами, которое позволит значительно снизить потребляемую мощность и, таким образом, удешевить их эксплуатацию.

2. Основная часть

Широтно-импульсная модуляция.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) -- управление средним значением напряжения на нагрузке путём изменения скважности импульсов, управляющих ключом. Различают аналоговую ШИМ и цифровую ШИМ, двоичную (двухуровневую) ШИМ и троичную (трёхуровневую) ШИМ.

Рисунок 1 - График ШИМ

Аналоговая ШИМ реализуется с помощью компаратора, на один вход которого подаются треугольный или пилообразный периодический сигнал со вспомогательного генератора, а на другой -- модулирующий сигнал. На выходе компаратора образуются периодические прямоугольные импульсы с переменной шириной, скважность которых изменяется по закону модулирующего сигнала, а частота равна частоте треугольного или пилообразного сигнала и обычно постоянна. Аналоговая ШИМ применяется в усилителях низкой частоты класса «D».

В цифровой ШИМ период делится на части, которые заполняются прямоугольными подимпульсами. Средняя величина за период зависит от количества прямоугольных подимпульсов. Цифровая ШИМ -- приближение бинарного сигнала (с двумя уровнями -- вкл/выкл) к многоуровневому или непрерывному сигналу так, чтобы их средние значения за период времени t2-t1 были бы приблизительно равны.

Формально, это можно записать так:

где x(t) -- входной сигнал в пределах от t1 до t2,

а?Ti = -- продолжительность i -го ШИМ подимпульса, каждого с амплитудой A. n выбирается таким образом, чтобы за период разность суммарных площадей (энергий) обеих величин была меньше допустимой:

Управляемыми «уровнями», как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/ или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x(t) = Uconst стабилизации.

Основное достоинство ШИП (ШИМ) -- высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение тепловой мощности на силовом преобразователе (СП).

В ШИМ в качестве ключевых элементов использует транзисторы (могут быть применены и др. полупроводниковые приборы) не в линейном, а в ключевом режиме, то есть транзистор всё время или разомкнут (выключен), или замкнут (находится в состоянии насыщения). В первом случае транзистор имеет почти бесконечное сопротивление, поэтому ток в цепи весьма мал, и, хотя всё напряжение питания падает на транзисторе, выделяемая на транзисторе мощность практически равна нулю. Во втором случае сопротивление транзистора крайне мало, и, следовательно, падение напряжения на нём близко к нулю -- выделяемая мощность также мала. В переходных состояниях (переход ключа из проводящего состояния в непроводящее и обратно) мощность, выделяемая в ключе значительна, но так как длительность переходных состояний крайне мала, по отношению к периоду модуляции, то средняя мощность потерь на переключение оказывается незначительной.

Описание устройства управления.

В качестве аппаратной части проекта ШИМ- регулятора представлено устройство, собранное на основе тест- платы LegoAVR20 с МК ATtiny2313, используемое совместно с адаптером внутрисхемного программатора PonyProg, для управления какой-либо нагрузкой, в частности приведен пример управления яркостью светодиода (5-ти ступенчатая регулировка) с помощью двух тактовых кнопок (+/-) и регулировка скоростью вращения двигателя постоянного тока.

Для сборки ШИМ применяется:

1) Тест- плата LegoAVR20 c микроконтроллером ATtiny2313, на которой формируются рабочие напряжения питания, с кварцевым генератором 4 МГц., с индикацией и разъемами портов B и D.

2) Внутрисхемный программатор PonyProg

3) Плата расширения №1 с 2 кнопками (на замыкание) и подтягивающими резисторами 4К7, подключаемыми ко входу МК (ножки 6 и 7), а также со светодиодом и гасящим резистором и двигателем постоянного тока, управляемым биполярным транзистором через интегрирующую цепочку;

4) Стабилизированный источник питания для тест- платы на 12В.

Рисунок 2 - Принципиальная схема устройства

микроконтроллер импульсный модуляция

Это устройство может изменять скважность импульсов с помощью двух тактовых кнопок S3(+) и S4(-), соответственно будет изменяться яркость светодиода.

Описание исходного кода программы управления микроконтроллером.

Исходный код программы написан в среде CodeVisionAvr и представлен в конце статьи.

Небольшие комментарии к исходному коду:

В этой части кода мы прописываем обработчик внешнего прерывания(INT0/INT1).

interrupt void ext_int0_isr(void)

interrupt void ext_int1_isr(void)

Настраиваем порты микроконтроллера, устанавливаем условие глобальных прерываний от INT0 и INT1, разрешаем глобальные прерывания.

MCUCR |= (0<

GICR |= (1<

MCUCR |= (0<

GICR |= (1<

PORTB=0x00;//Все пины порта В в 0

DDRB=0xFF; //Все пины Порта B на выход

PORTA.0=0x00;//пин порта A в 0

DDRA.0=0xFF; //пин Порта A на выход

PORTC=0x00;//Все пины порта С в 0

DDRC=0xFF; //Все пины Порта B на выход

PORTD.0=0x00; //Все пины порта D в 0

DDRD.0=0xFF; //Все пины Порта D на выход

TCCR0=0x6B;//start timer

OCR0=0x00;// задаем величину генерируемого ШИМ сигнала

#asm("sei")//разрешаем глобальные прерывания

Цикл, Оператор выбора из множества вариантов, регистром OCR0 настраивается скважность импульса (1-255).

Без изменения прошивки к микроконтроллеру можно подключить любой 7-ми сегментный индикатор с общим катодом, который будет отображать номер режима работы ШИМ-регулятора (от 1 до 5). Катод индикатора подключается на 39 ножку МК, а анод через токоограничительные резисторы (100-250 Ом) на 21-27 ножки МК.

Фьюзы для прошивки выставлять не надо. Оставляем их стандартными.

Заключение

Это устройство имеет широкое применение. Например его можно использовать для управления яркостью светодиодов, управлять оборотами вентилятора, применить для регулировки оборотов двигателя сверлильного станочка и т.п.

Более мощную нагрузку (вентилятор, большое кол-во светодиодов) необходимо подключать через транзистор.

В проекте использована схема с МК ATtiny2313. Можно использовать и другие микроконтроллеры серии AVR. Например, AVR ATmega16 имеет аппаратную возможность формировать 4 ШИМ сигнала на ножках OC0 OC1A OC1B OC2 (аппаратную - значит не загружая процессор вычислениями), AVR ATmega48 -88 -168 имеют 6 аппаратных PWM с частотой до 78 КГц, AVR ATmega128 имеет 6 аппаратных PWM с разрешением до 16 бит! Если вам этого мало, то с помощью таймеров МК можно программно сформировать еще множество ШИМ-сигналов.

Список использованных источников

1. Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. / В.Н. Баранов. ? М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2004. ? 228с.

2. Белов А.В. Создаем устройства на микроконтроллерах. / А.В. Белов. ? СПб.: Наука и техника, 2007. ? 304с.

3. Вольфганг Трамперт. AVR-RISC микроконтроллеры. / Вольфганг Трамперт; пер. с немецкого В.П. Репало. ? К.: Изд. «МК-Пресс», 2006. ? 458с.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

    Понятие, классификация и применения широтно-импульсной модуляции. Выбор элементной базы: назначение и режим работы микросхемы КР580ВИ53, К155АП5 и К155АГ3. Разработка электрической схемы ШИМ–регулятора и программы для управления через LPT порт ЭВМ.

    курсовая работа , добавлен 14.11.2010

    Составление функциональной схемы стабилизатора напряжения, принципиальной электрической схемы. Принцип работы силовой части. Специфика разработки системы управления стабилизатором напряжения, управляемым по принципу широтно-импульсного моделирования.

    курсовая работа , добавлен 11.10.2009

    Изучение сущности широтно-импульсной модуляции - изменения ширины (длительности) импульсов, следующих друг за другом с постоянной частотой. Разработка широтно-импульсного модулятора. Расчет генератора линейно изменяющегося напряжения. Выбор компаратора.

    курсовая работа , добавлен 23.12.2010

    Характеристика управления подводного аппарата по разомкнутому контуру, путём подачи на двигатель постоянного напряжения. Статическая характеристика двигателя. Методы построения регулятора высоты подводного аппарата. Изучение релейной схемы управления.

    контрольная работа , добавлен 02.12.2010

    Разработка структурной схемы регулятора напряжения для бортовой сети автомобиля. Расчет генератора прямоугольных импульсов, компаратора напряжения, датчика температуры, выходного каскада. Технологический маршрут изготовления монокристального регулятора.

    дипломная работа , добавлен 29.09.2010

    Управление работой устройства микроконтроллером PIC18F2550. Обмен информацией между микроконтроллером и часами. Передача данных на алфавитно-цифровой LED-индикатор. Меню изменения даты и времени. Схема устройства принципиальная. Листинг текста программы.

    курсовая работа , добавлен 15.01.2013

    Разработка электрической принципиальной схемы устройства управления. Обоснование его конструкции. Способ изготовления печатной платы. Расчет размерных и электрических параметров проводников. Моделирование тепловых процессов в подсистеме АСОНИКА-Т.

    дипломная работа , добавлен 12.11.2013

    Сравнительный анализ существующих способов построения телевизионных камер на приборах с зарядовой связью. Разработка структурной схемы. Синтез схемы управления выходным регистром, а также разработка принципиальной схемы генератора тактовых импульсов.

    дипломная работа , добавлен 20.11.2013

    Анализ влияния напряжения питания на работу микроэлектронных устройств. Принцип действия и характеристика устройств контроля напряжения. Выбор типа микроконтроллера. Функции, выполняемые супервизором. Разработка алгоритма и структурной схемы устройства.

    диссертация , добавлен 29.07.2015

    Разработка блок-схемы и программы работы микропроцессорного устройства для контроля и индикации параметров, изменяющихся по случайному закону 8-разрядного двоичного кода. Разработка принципиальной схемы функционирования устройства в среде САПР P-CAD.

Похожие публикации: