Proiectarea Unui Circuit de Control Si Monitrorizare

Proiectarea blocului de comandă:

a.1. Microcontrolere. Generalități. Microcontrolerul PIC 16F877

Circumstanțele în care ne găsim astăzi în domeniul microcontrolerelor și-au avut începuturile în dezvoltarea tehnologiei circuitelor integrate. Această dezvoltare a făcut posibilă înmagazinarea a sute de mii de tranzistoare într-un singur cip. Aceasta a fost o premiză pentru producția de microprocesoare, și primele calculatoare au fost făcute prin adăugarea perifericelor ca memorie, linii intrare-ieșire, timere și altele. Următoarea creștere a volumului capsulei a dus la crearea circuitelor integrate. Aceste circuite integrate conțin atât procesorul cât și perifericele. Așa s-a întâmplat cum primul cip conținând un microcalculator, sau ce va deveni cunoscut mai târziu ca microcontroler a luat ființă.

Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. În primul rând și cel mai important este funcționalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente ca memorie, sau componente pentru primirea și trimiterea de date. Pe scurt, aceasta înseamnă că microprocesorul este inima calculatorului. Pe de altă parte, microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unul singur.

Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el. Astfel, economisim timpul și spațiul necesare pentru construirea de aparate.

Schema electrică a blocului de comandă și control cuprinde un microcontroler PIC 16F877A care achiziționează pe portul A, configurat ca port Convertor Analog/Digital, informații privind nivelul tensiunii de la intrarea convertorului Buck și valoarea curentului prin sarcină.

Pentru buna funcționare a microcontrolerului am realizat o sursă de tensiune stabilizată de 5 V, folosind un stabilizator LM7805 la care am conectat capacități atât la intrarea sa cât și la iesirea sa pentru a netezi eventualele fluctuații ale tensiunii.

Pe pinul RC2 al microcontrolerului trimit semnalul PWM de comandă pentru convertorul Buck. Acest pin este configurat soft în microcontroler ca pin de semnal PWM.

În funcție de valorile tensiunii de la intrarea și a curentului de la ieșirea convertorului, microcontrolerul ia decizia de a modifica factorul de umplere al semnalului PWM astfel încât să obținem o caracteristică I-V cât mai aproape de modelul simulat al unei turbine eoliene.

Figura 54. Configurația pinilor microcontrollerului PIC16F877A

PIC 16F877A. Caracteristici

PIC16F877A aparține unei clase de microcontrolere de 8 biți cu arhitectură RISC. Structura lui generală este arătată în schița următoare reprezentând blocurile de bază.

Figura 56. Schița internă a PIC 16F877A

Microcontrolerul PIC 16F877A are 5 porturi de intrare/ieșire, 3 timere, port serial, un convertor analog digital, ce are 5 intrări multiplexate, 2 module PWM.

Figura 57. Modul de conectare al microcontrollerului în cadrul proiectului

a.4. Alegerea tipului de oscilator

PIC16F877 poate lucra cu patru configurații diferite de oscilator. Pentru că configurațiile cu oscilator cu cristal și rezistor-condensator (RC) sunt cele utilizate cel mai frecvent, doar pe ele le vom menționa aici. Tipul de microcontroler cu oscilator cu cristal cu frecvența peste 4MHz este desemnat ca HS (High speed) , iar microcontrolerul cu perechea rezistor-condensator are desemnarea RC.

Am ales frecvența de lucru a oscilatorul cu cristal de 20MHz ( frecvența maximă de catalog). Pentru realizarea oscilatorului mai este necesar câte un condensator ceramic de 22pF cu celălalt capăt la masă de a fi conectați la fiecare pin , ca în figura 31.

Figura 58. Realizarea oscilatorului

Y2 este un rezonator cu, cuarț cu frecvența de rezonanță de 20MHz.

Condensatorii C1 C2 sunt de tipul ceramic disc cu următorii parametrii:

capacitate 22pF

tensiune nominală 50V

a.5. Proiectare circuit de RESET

Reset – ul este folosit pentru a pune microcontrolerul într-o stare 'inițială'. Aceasta înseamnă practic că microcontrolerul poate să se comporte incorect în unele condiții nedorite. Pentru a continua să funcționeze corect trebuie resetat, însemnând că toți registrii vor fi puși într-o stare de start. Resetul nu este folosit numai când microcontrolerul nu se comportă cum vrem noi, dar poate de asemenea să fie folosit când se încearcă un montaj ca o întrerupere într-un program de execuție sau când se pregătește un microcontroler de a citi un program.

Pentru a preveni ajungerea unui zero logic la pinul MCLR accidental (linia de deasupra înseamnă că resetul este activat de un zero logic), MCLR trebuie să fie conectat printr-un rezistor la polul pozitiv al sursei de alimentare. Rezistorul trebuie să fie între 5 și 10k.

Acest rezistor a cărui funcție este de a menține o anumită linie la starea logică unu ca o prevenire, se numește o scoatere-pull up.

Schema electrică a reset-ului este prezentată in figura 60.

Figura 59. Schema electrică a reset-ului.

Aleg un curent de 5 mA la intrarea în PIC.

R9 =

=>R9 = × 103 = 10000Ω

Am ales R5 de tipul RBC 10KΩ/0,25W , toleranță 10%, același mod de lucru l-am folosit și la realizarea conexiunii butonului de START.

Microcontrolerul PIC16F877A are câteva surse de reset:

a) Reset la alimentare, POR (Power-On Reset)

b) Reset în timpul lucrului obișnuit prin aducerea unui zero logic la pinul MCLR al microcontrolerului.

c) Reset în timpul regimului SLEEP

d) Reset la depășirea timer-ului watchdog (WDT)

e) Reset în timpul depășirii WDT în timpul regimului SLEEP.

Cele mai importante resurse de reset sunt a) și b). Prima are loc de fiecare dată când este alimentat microcontrolerul și servește la aducerea toturor regiștrilor la starea inițială a poziției de start. A doua este pentru a aduce un zero logic la pinul MCLR în timpul operației normale a microcontrolerului. Este des folosită în dezvoltarea de programe.

În timpul unui reset, locațiile de memorie RAM nu sunt resetate. Ele sunt necunoscute la alimentare și nu sunt schimbate la nici un reset.

a.6. Simulare circuit de alimentare 5V:

Figura 37.Circuit de alimentare

Pentru ca circuitul să funcționeze, este nevoie la intrare în stabilizator de o tensiune mai mare de 7V pentru a putea da la ieșire o tensiune stabilizată de 5V cum este prezentat în figura următoare:

Figura 38. Tensiunea de intrare de 7V și tensiunea de ieșire de 5V

Indiferent de tensiunea aplicată la intrarea stabilizatorului curpinsă între 7V – 35V, la ieșirea stabilizatorului vom avea 5V stabilizați.

Simulare pentru tensiuni de intrare de 24V :

Figura 39.Tensiunea de intrare de 24V și tensiunea de ieșire de 5V

Dacă tensiunea de intrare este mai mică de 7V, atunci circuitul va furniza la ieșire o tensiune mai mică de 5V, cum este prezentat în figura următoare:

Figura 40.Tensiunea de intrare de 5V și tensiunea de ieșire de 3.78V

Calcul circuit de alimentare 12V:

unde :

= 0.1 – factor de umplere

de unde rezultă:

= 314 și

În realitate am folosit condensatori de 2200 uF pentru o funcționare cât mai bună și optimă a circuitului.

103 = 62,8103 și

În realitate am folosit condensatori de 100 nF pentru o funcționare cât mai bună și

optimă a circuitului.

Proiectarea convertorului Buck:

Vom calcula inductanța și capacitatea la ieșire pentru un convertor Buck DC-DC.

Vom determina caracteristicile capacității de intrare, diodei și tranzistorului.

După ce am determinat valorile componentelor și am facut selecția acestora, vom calcula eficiența sistemului și vom compara modelul asincron cu convertorul Buck sincron.

Date initiale pentru proiectarea convertorului Buck

Vom presupune:

Vin = 24 V

VOUT = 12 volts

ILOAD = 1 A

Fsw = 10 KHz

D = Vout / Vin = 12V /24V = 0.5

Definirea variației de curent:

Iripple = 0.01 • ILOAD (1%)

Vripple=10%=1,2V

Schema de proiectare a convertorului Buck

Mai sus este prezentată schema convertorului Buck pentru care vom afla valorile componentelor.

Pentru acest exemplu poate fi folosit un tranzistor bipolar Alegerea va fi determinată de criterii precum costul sau de complexitatea.

Convertorul Buck: calcularea inductanței

Pentru o bobină:

V = L • ΔI / ΔT

Vom obține:

L = (Vin – Vout) • (D / Fsw ) / Iripple

Calculăm:

L = 12 V • (0.5 / 10 kHz ) / 0.01A

L = 600uH

Pornind de la ecuația diferențiala a curentului printr-o bobină:

V = L di/dt

Aranjăm termenii in mod convenabil pentru a calcula “L”.

Vom obține:

L = V dt/di

Pentru exemplul considerat, valoarea calculată a inductanței bobinei este de 600uH.

Conform catalogului, o bobina de 600uH, 1A are o rezistență de 0,057 ohm.

Calcularea condensatorului de ieșire a convertorului Buck

Pentru condensator:

ΔV = ΔI • (ESR + ΔT / C + ESL / ΔT)

Variația de tensiune este de 0,6 V.

Sunt date:

ΔI = 0.01 A

ESR = 0.05 ohm

ESL = 0

ΔT =0.5 / 10 kHz = 50 usec

Tensiunea de undă pe capacitatea de ieșire este suma tensiunilor de undă datorită rezistenței serie efective (ESR), a căderii de tensiune determinată de curentul prin sarcină (acest curent trebuie furnizat de condensator în timp ce bobina se descarcă) și a variației de tensiune datorate ESI (Effect Series Inductance).

ESL nu este în mod obișnuit specificat de furnizor. Pentru proiectul nostru presupunem că ESL este 0.

Pe măsură ce frecvența crește, ESL va crește în importanță.

In ecuația de mai sus se pot observa mai multe necunoscute: ESR, C și ESL.

Un mod bun de rezolvare este neglijarea termenilor nesemnificativi, apoi se va estima ESR. Valoarea capacității ESR a fost luată din catalogul furnizorului. Datorită variațiilor de curent și tensiune la ieșire, valoarea ESR este 0.057 ohm.

Această valoare a fost aleasă dintr-o listă de condensatoare făcute pentru variații de curent de 0.6A.

Selecția condensatorului de ieșire pentru convertorul Buck

Presupunând ESL=0, se va simplifica ecuația:

ΔV = ΔI • (ESR + ΔT /C)

Rearanjând, vom obține:

C = (ΔI • ΔT) / (ΔV – (ΔI • ESR))

Calculăm:

Cout = (0.01A • 50 usec) / (1.2V- (0.01A • 0.057))

Cout = 1.6 uF (minimum)

Capacitatea parazită de la ieșire

ESR domină variațiile de tensiune și ajută la selecția condensatorului de ieșire.

ESL este rareori specificat de producatori. Este semnificativ doar la frecvențe înalte.

Dacă ESR este optim, capacitatea condensatorului este, de obicei, adecvată.

Se estimează ESR maxim ce poate fi tolerat in aplicație, datorită variațiilor de tensiune la ieșire.

Condensatorul trebuie sa fie optim, pentru a rezista la variațiile de curent.

Atunci când se dorește funcționarea la frecvențe înalte (>1Mhz) va trebui contactat producătorul pentru a determina ESL al condensatorului ce se dorește a fi utilizat. Va trebui luat în considerare și ESL al firelor care conectează condensatorul.

Arareori contează capacitatea condensatorului atunci când se dorește operarea la frecvențe moderate (>100kHz).

Condensatoare speciale, precum cele electrolitice sau din ceramică, sunt folosite in aplicații cu o întindere limitată in spațiu.

Aceste condensatoare avansate au un ESR extrem de mic, dar dimensiunea lor mică implică o limitare importantă a capacității. Această limitare a capacității poate creea instabilitate în sistem.

Selecția condensatorului de intrare a unui convertor Buck

Estimarea variației curentului de intrare:

IRIPPLE ≈ ILOAD / 2 = 0.5 A

Definirea unei valori acceptabile a tensiunii de intrare: 300mV

Selecția unei valori ESR pentru condensator: 0.10 ohm

Calcularea capacității:

C =ΔT / ( (Vripple / Iripple) – ESR) = 100 uF

Consultarea catalogului:

Un condensator electrolitic 50V

100uF corespunde cerințelor.

În cazul cel mai defavorabil, valoarea variației de curent la intrarea unui convertor Buck este aproximativ egală cu jumătate din valoarea curentului pe sarcină.

La fel ca în cazul condensatorului de ieșire, condensatorul de intrare va fi ales în funcție de ESR-ul necesar pentru a face față variațiilor de tensiune. De obicei condensatorul de la ieșire este mai solicitat față de cel de la intrare. În exemplul considerat, variația de tensiune maximă de la intrare este de 300 mV.

Valoarea variației de curent de la intrare este de obicei criteriul principal în alegerea condensatoarelor. În cele mai multe cazuri variația curentului de la intrare o va depăși pe cea de la ieșire.

Selecția diodei pentru convertorul Buck

Estimarea curentului prin diodă:

ID = (1-D) • ILOAD

ID = (1.0- 0.5) • 1A = 0.5 A

Unde D = duty cycle

Tensiunea maximă inversă este 12V

Selecția rectificatorului Schottky:

A 1N5820, 20V, 3A Schottky

Disiparea de putere: VF • ID = 0.47 W

Curentul mediu prin diodă este egal cu curentul prin sarcină înmulțit cu timpul în care dioda este deschisă.

Timpul în care dioda este deschisă este (1 – duty cycle).

Tensiunea maximă inversă prin diodă este Vin = 24 V.

Poate fi utilizată o diodă Schottky mică, deoarece curentul și tensiunile au valori mici.

Căderea de tensiune pentru dioda selectată este de 0.4 V la curentul de vârf de 2.0 A.

Disiparea de putere estimată pe diodă este de 0.47 W.

Selecția tranzistorului pentru convertorul Buck

Se dau: 24V la intrare, 1 A pe sarcină, D = 0.416,

Trise = Tfall = 55 ns, Fsw = 10 KHz.

Se selectează un TRANZISTOR BIPOLAR -30V, -9.3 A pentru mici Rds (0.02 ohm)

Pconduction = (ID)2 • Rds(hot) • D = 22 • 0.02 • 0.416 = 0.025 watt

Pswitching = (V • ID / 2) • (Ton + Toff) • Fsw + (Coss • V2 • Fsw)

Pswitching = ((24 • 0.5/2) • 100 ns • 400 kHz) + (890pF • 72 • 400 kHz)

Pswitching = 0.24 W + 0.017 W = 0.257 W

Ptotal = 0.3 W

Pentru simplificare, a fost selectat un tranzistor de tip P a fost selectat, deoarece unul de tip N ar necesita circuite suplimentare și ar fi prea scump.

Nu a fost selectat un tranzistor bipolar 12 V pentru că valoarea maximă a tensiunii poartă – sursă a tranzistoarelor din catalog este de 12 V. Dacă, totuși, era selectat un tranzistor cu tensiunea poartă – sursă de 20 V, ar fi fost o idee bună să se încorporeze în circuitul aferent porții o clemă de tensiune.

Un tranzistor cu tensiunea de 30 V a fost selectat pe baza specificațiilor poartă – sursă ale unui tranzistor de 12 V.

Curentul tranzistorului este mai mult decât necesar, dar Rds(on) mic minimizează creșterea de temperatură. Majoritatea componentelor care ocupa o suprafață redusă ca dimensiune rezistă la maxim 50 grade Celsius per Watt. Cu o putere disipată de 0.3 W, tranzistorul ar trebui să se incălzească cu doar 15 grade Celsius.

Calcul divizoare rezistive pentru limitarea tensiunilor din BUCK și BOOST

Deoarece tensiunea de la iesirea convertoarelor este prea mare este necesar sa le reducem, pentru a le citi cu ajutorul picului. La intrarea in pic este acceptată o tensiune de maxim 5V.

La iesire din BUCK avem o tensiunea maximă de 15V

La iesire din BOOST avem o tensiunea maximă de 30V

Boost

Buck

Realizare simulari proiect

Schema de comanda Pic+LCD

Schema convertorului Buck + simulari

Iout

Vout

Vin

Schema convertorului Boost + simulari

Vin

Vout

Iout

Schema proiect

Realizare cablaj proiect PCB

PCB comandă cablaj general

PCB comandă bottom

PCB comandă amplasare componente

PCB comandă DRD

PCB buck general

PCB buck bottom

PCB buck amplasare componente

PCB buck DRD

PCB boost general

PCB boost bottom

PCB boost amplasare componente

PCB boost DRD

Referinte:

http://www.referateok.ro/referate/2675_1268995317.doc

http://tet.pub.ro/files/studenti/materiale/an_II/upcurs/Microcontr_curs_2007PIC.doc

http://tet.pub.ro/files/studenti/materiale/an_III/miccurs/Microcontrolere_Cap_2.doc

http://www.scritub.com/stiinta/informatica/Microcontrolerul-PICF1131614113.php

http://www.qreferat.com/referate/informatica/Microcontrolerul-PICF454.php

https://ro.scribd.com/doc/23590806/Microcontrolere

Referinte:

http://www.referateok.ro/referate/2675_1268995317.doc

http://tet.pub.ro/files/studenti/materiale/an_II/upcurs/Microcontr_curs_2007PIC.doc

http://tet.pub.ro/files/studenti/materiale/an_III/miccurs/Microcontrolere_Cap_2.doc

http://www.scritub.com/stiinta/informatica/Microcontrolerul-PICF1131614113.php

http://www.qreferat.com/referate/informatica/Microcontrolerul-PICF454.php

https://ro.scribd.com/doc/23590806/Microcontrolere