Aparat de Masura a Parametrilor Impulsurilor

Aparat de măsură a parametrilor impulsurilor

cu microcontroler PIC 16F887

Abstract

Lucrarea prezintă căteva sisteme de măsură, comandă și control realizate cu microcontroler care face parte din familia PIC 16F8xx, precum și microsistemul de dezvoltare EasyPIC5 ce asigură condiții de funcționare corespunzătore pentru aproape toate microcontrolerele din familia PIC. Acest microsistem este conceput să permită studenților și inginerilor o ușoară modalitate de testare și explorare a posibilităților microcontrolerelor PIC, permițând conectarea acestora cu circuitele externe și cu o mare gamă de dispozitive periferice.

Cuvinte cheie: microcontroler, PIC16F8xx, microsistem, impulsuri, PWM

Device for measuring the pulse parameter

with microcontroller PIC 16F887

Abstract

This paper presents some measurement systems, command and control achieved with microcontroller PIC16F8xx part of the family and microsystem development EasyPIC5 providing operating conditions corresponding to almost all PIC microcontrollers family. This microsystem is designed to allow students and engineers an easy way to test and explore the possibilities PIC microcontrollers, allowing their connection to external circuits and a wide range of peripheral devices.

Abrevieri

CPU – Central Processing Unit

OTP – One Time Programmable

MC – microcontroller

RAM – Random Access Memory)

ROM – Read Only Memory

PROM (Programmable Read Only Memory)

EPROM (Erasable PROM)

OTP (One Time Programmable PROM)

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

I/O – Intrări – Ieșiri

PWM – Pulse Width Modulation

AN – Analog input or output

CMOS – CMOS compatible input or output

OD – Open Drain

TTL – TTL compatible input

ST – Schmitt Trigger input with CMOS levels

HV – High Voltage

XTAL – Crystal

RISC – Reduced Instruction Set Computer

ES – element sensibil

A – adaptor

T – traductor

DE – Directiva Europeană

T – traductoare;

DA- dispozitive de actionare;

ICC – interfață de conversie și comunicație;

NLC – nod local de conducere;

SA1, SA2 – servere de aplicație

CP – post dispecer;

CNI – conducere numerică intreprindere;

MC1, MC2 – magistrală de câmp;

MLA – magistrală locală de aplicație;

MLI – magistrală locală de întreprindere

SI-I – sistem de interfață a intrărilor;

SI-E – sistem de interfață a ieșirilor;

SIA – sistem de interfață pentru mărimi analogice;

SIN – sistem de interfață pentru mărimi numerice;

CO – consola operator;

CU – calculator universal;

PG – periferice generale.

Listă figuri

Figura 1. Placă de dezvoltare EasyPIC5 11

Figura 2. Grup de comutatoare 13

Figura 3. Jumperi. 13

Figura 4. Modulul pentru programarea microcontrolerului. 14

Figura 5. Alimentarea plăcii EasyPIC5. 14

Figura 6. Circuitul MikroICD (In-Circuit Debugger). 15

Figura 7. Conectarea LED-urilor pe placă. 16

Figura 8. Conectarea afișajului LCD la microcontroler. 17

Figura 9. Schema de conectare a afișajului GLCD la microcontroler. 18

Figura 10. Schema de conectare a afișajului GLCD la microcontroler. 19

Figura 11. Schema de conectare a senzorului DS1820, la microcontroler. 19

Figura 12. Potențiometre pentru verificarea convertorului A/D. 20

Figura 13. Schema generală simplificată a unui MC. 21

Figura 14. Structura MC care include blocurile principale. 22

Figura 15. Arhitectura internă simplificată PIC16F887. 26

Figura 16. Arhitectura internă diagrama bloc PIC16F887. 27

Figura 17. PIC16F887, 40 pini PDIP. 28

Figura 18. PIC16F887, 44 pini TQFP. 28

Figura 19. Prezentarea funcțiilor pinilor pentru configurația PIC16F887, 40 pini PDIP. 29

Figura 20. Prezentarea funcțiilor pinilor pentru configurația PIC16F887, 44 pini TQFP. 30

Figura 21. Unitatea centrală de procesare – CPU. 33

Figura 22. Harta memoriei. 34

Figura 23. Configurația PC – programator, 34

Figura 24. Structura generală a unui traductor. 37

Figura 25. Schema de principiu a unui SRA monovariabil. 38

Figura 26. Schema de principiu a unui SRA multivariabil. 39

Figura 27. Ierarhizarea conducerii proceselor industriale. 40

Figura 28. Structura unui sistem de control cu microcontroler. 41

Figura 29. Schema bloc a unui sistem de procesare digitală. 42

Figura 30. Clasificarea semnalelor. 43

Figura 31. Semnal continuu și discret. 44

Figura 32. Semnal PWM. 45

Figura 33. Schema bloc a canalului PWM. 45

Cuprins

Capitolul 1 – Introducere

1.1 Ce este un microcontroler

1.2 Scurt istoric

1.3 Domenii de aplicabilitate ale microcontrolerelor

1.4 Criterii de alegere a unui microcontroler

1.5 Conținutul lucrării

Capitolul 2 – Prezentarea sistemului de dezvoltare EasyPIC5 [3]

2.1. Prezentare generală

2.2. Comutatoarele

2.3. Jumperii

2.4. Programatorul USB2.0 PIC flash

2.5. Alimentarea modulului

2.6. Modulul de programare MikroICD (HARDWARE IN-CIRCUIT DEBUGGER)

2.7. LED-urile

2.8. Afișajul LCD cu 2×16 caractere

2.9. Afișajul GLCD

2.10. Touch screen-ul

2.11. Termometru digital DS1820

2.12. Convertorul de intrare A/D

Capitolul 3 – Microcontrolere. Prezentare PIC 16F887

3.1. Scurtă prezentare microcontrolere

3.1.1. Schema bloc generală

3.1.2. Arhitectura microcontrolerului

3.1.3. Memoria

3.1.4. Sistemul I/O

3.1.5. Familii de MC, reprezentative

3.2. Microcontroler PIC16F887

3.2.1. Arhitectura internă și caracteristicile MC PIC16F887

3.2.2. Tipuri constructive și configurația pinilor MC PIC16F887 [6]

3.2.4. Memoria

Capitolul 4 – Sisteme de masură, comandă și control

4.1. Elementele definitorii ale măsurării

4.2. Senzori și traductoare

4.2.1. Structura generală a unui traductor

4.2.2. Locul traductoarelor în sisteme automate de reglare (SRA)

4.3. Sisteme inteligente de măsură, comandă și control

4.4. Semnale de comandă

4.4.1. Clasificarea semnalelor

4.4.2. Semnale analogice și semnale numerice

4.4.3. Semnal PWM

Capitolul 5 – Concluzii

Bibliografie

Capitolul 1 – Introducere

Ce este un microcontroler

Termenul microcontroler provine din combinația a două cuvinte: micro și controler ("controller" – este un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu larg de cuprindere). Un controler este o structură electronică destinată controlului unui proces fără să fie necesară intervenția operatorului uman.

Se mai poate spune că microcontrolerul este un microcircuit (circuit cu dimensiuni reduse) care include, după caz, următoarele dispozitive:

un CPU cu un oscilator intern;

o memorie locală tip ROM/PROM/EPROM/FLASH și eventual una de tip RAM;

un sistem de întreruperi;

I/O – intrări/ieșiri numerice (de tip port paralel);

un port serial de tip asincron și/sau sincron, programabil;

un sistem de timere-temporizatoare/numărătoare programabile;

un sistem de conversie analog numerică (una sau mai multe intrari analogice);

un sistem de conversie numeric analogic;

ieșiri PWM (cu modulare în durată);

un comparator analogic;

o memorie de date nevolatilă de tip EEPROM;

Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit

Utilizarea unui microcontroler reprezintă o soluție care reduce semnificativ numărul componentelor electronice precum și costul proiectării dar, oricât de evoluat tehnic ar fi acesta, nu elimină multe dintre componentele interfeței cu mediul exterior cum ar fi:

subsisteme de prelucrare analogică (amplificare, redresare, filtrare, protecție-limitare);

dispozitive pentru realizarea izolării galvanice (optocuploare, transformatoare);

dispozitive de comutație de putere (tranzistoare de putere, relee electromecanice sau statice).

Scurt istoric

1969 – o echipă de ingineri japonezi de la compania BUSICOM dorește să lucreze sosesc în Statele Unite la un proiect care implica ca unele circuite integrate pentru calculatoare să fie modificate în vederea realizării unui circuit integrat a cărui funcționare să fie determinată de un program memorat în el. Propunerea a fost făcută către INTEL, iar Marcian Hoff a fost desemnat responsabil cu acest proiect. Așa a luat naștere primul microprocesor.

1971 – INTEL a obținut drepturile de a vinde primul produs de bloc integral din concepția lui Frederico Faggin. In timpul acestui an a apărut pe piață un microprocesor numit 4004. Acela a fost primul microprocesor de 4 biți cu viteză 6000 operații pe secundă.

1972 – a apărut pe piață primul microprocesor de 8 biți sub numele de 8008. Putea să adreseze 16Kb de memorie și avea 45 de instrucțiuni și viteza de 300.000 de operații pe secundă. Acel microprocesor a fost predecesorul tuturor microprocesoarelor de astăzi.

1974 – INTEL a lansat pe piață microprocesorul de 8 biți sub numele de 8080 ce putea adresa 64Kb de memorie și avea 75 de instrucțiuni.

1975 – la expoziția WESCON din Statele Unite MOS Technology a anunțat că produce microprocesoarele 6501 și 6502 la 25$ bucata pe care cumpărătorii le puteau cumpăra imediat.

1976 – Zilog anunță Z80. INTEL iese pe piață cu o versiune imbunătățită de microprocesor pe 8 biți numit 8085.

Domenii de aplicabilitate ale microcontrolerelor

Toate aplicațiile în care se utilizează microcontrolere fac parte din categoria așa ziselor sisteme încapsulate-integrate denumite și “embedded systems”, la care existența unui sistem de calcul incorporat este (aproape) transparentă pentru utilizator.

În prezent, utilizarea microcontrolerelor este necesară în aproape toate aplicațiile care implică măsurare, comandă și control.

Printre câteva aplicații în care acestea pot fi regăsite, se află:

automatizarea procesului de fabricație – producție;

CNC – Computerised Numerical Controls care implică comenzi numerice pentru mașinile unelte;

automate programabile – PLC;

linii flexibile de fabricație, etc.

Indiferent de natura procesului automatizat sarcinile specifice pot fi distribuite la un mare număr de microcontrolere integrate într-un sistem unic prin intermediul uneia sau mai multor magistrale.

Printre domeniile în care utilizarea microcontrolerele sunt reprezintă un standard industrial, se pot menționa:

în industria de automobile (controlul aprinderii/motorului, climatizare, diagnoză, sisteme de alarmă, etc.);

în electronica de consum (sisteme audio, televizoare, camere video și videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice, etc.);

în aparatura electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare);

în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale);

în industria aerospațială;

în mijloacele moderne de măsurare – instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente);

la realizarea de periferice pentru calculatoare;

în medicină.

Criterii de alegere a unui microcontroler

În momentul în care se dorește alegerea unui microcontroler (sau a unei familii de microcontrolere) pentru dezvoltarea unei aplicații de tip “embedded system” există mai multe criterii care trebuie luate în considerare, ținând cont de implicațiile multiple ale acestei alegeri. [2]

Printre criteriile de bază, cele mai importante sunt criteriile după cerințele impuse aplicației, cum ar fi:

Costurile aplicației

Timpul de dezvoltare al aplicației

Caracteristicile fizice

Conectivitatea

Compatibilitate, scalabilitate și dezvoltarea ulterioară

Alte aspecte

În practică, de cele mai multe ori, alegerea unui microcontroler pentru a anumită aplicație este rezultatul unui compromis.

Conținutul lucrării

Lucrarea este structurată în 5 capitole:

În Capitolul 1 intitulat “Introducere”,sunt prezentate câteva noțiuni introductive despre microcontrolere, un scurt istoric a apariției și evoluției acestui dispozitiv precum și domeniile de aplicabilitate ale acestora.

În Capitolul 2 intlevizoare, camere video și videocasetofoane, telefonie mobilă, GPS-uri, jocuri electronice, etc.);

în aparatura electrocasnică (mașini de spălat, frigidere, cuptoare cu microunde, aspiratoare);

în controlul mediului și climatizare (sere, locuințe, hale industriale);

în industria aerospațială;

în mijloacele moderne de măsurare – instrumentație (aparate de măsură, senzori și traductoare inteligente);

la realizarea de periferice pentru calculatoare;

în medicină.

Criterii de alegere a unui microcontroler

Printre criteriile de bază, cele mai importante sunt criteriile după cerințele impuse aplicației, cum ar fi:

Costurile aplicației

Timpul de dezvoltare al aplicației

Caracteristicile fizice

Conectivitatea

Compatibilitate, scalabilitate și dezvoltarea ulterioară

Alte aspecte

În practică, de cele mai multe ori, alegerea unui microcontroler pentru a anumită aplicație este rezultatul unui compromis.

Conținutul lucrării

Lucrarea este structurată în 5 capitole:

În Capitolul 2 intitulat “Prezentarea sistemului EasyPIC5”, este prezentat sistemul de dezvoltare EasyPIC5 precum si posibilitățile pe care acesta le oferă programatorului (dezvoltatorului de aplicatii cu microcontriler PIC16F887.

Capitolul 3 intitulat “Microcontrolere. Prezentare PIC 16F887”, cuprinde noțiuni de bază ale microcontrolerelor și prezentarea PIC 16F887.

Capitolul 4 intitulat “Sisteme de măsură, comandă și control”, prezintă câteva dintre noțiunile de bază ale sistemelor de măsură, comandă și control, necesare în dezvoltări de aplicații cu microcontroler.

Lucrarea se încheie cu capitolul 5 denumit „Concluzii” iar la final este prezentată bibliografia.

Capitolul 2 – Prezentarea sistemului de dezvoltare EasyPIC5 [3]

Sistemul de dezvoltare EasyPIC5 este o placă de dezvoltare ce asigură condiții de funcționare corespunzătore pentru aproape toate microcontrolerele din familia PIC. Este făcută să permită studenților și inginerilor o ușoară modalitate de testare și explorare a capabilității microcontrolerelor PIC. El permite de asemenea conectarea microcontrolerelor PIC cu circuite externe și cu o mare gamă de dispozitive periferice, permițând utilizatorului să se concentreze doar pe partea de dezvoltare.

Prezentare generală

Modulul EasyPIC5 este un microsistem de dezvoltare de cost redus pus la dispoziție de firma MikroElektronika având o serie de caracteristici care îl fac util în dezvoltarea aplicațiilor cu microcontrolere PIC cu 8, 14, 18, 28 și 40 de pini.

Figura 1 ilustrează sistemul EasyPIC5. Așa cum se vede exista semne de identificare lângă fiecare componentă a sistemului. Aceste semne descriu conectarea la microcontroler și oferă informații adiționale utile. În acest fel toate informațiile relevante sunt inscripționate pe placă, aproape nefiind nevoie de alte scheme ori instrucțiuni.

Figura 1. Placă de dezvoltare EasyPIC5

Blocurile funcționale din Figura 1 sunt următoarele:

Sursă externă de alimentare 8 – 16 Vca/cc.

Conector cu care se alege între sursa de alimentare externă și mufa USB. Când folosim portul USB nu este nevoie de sursă externă.

Buton pornire/oprire sursă alimentare.

Programator USB rapid și flexibil cu mikroICD (In-Circuit Debugger).

Senzor de temperatura DS1820, cu precizie de 0,5°C.

Conector de comunicare RS232 prin selectarea TX și RX pentru toate microcontrolerele.

Pentru testarea intrărilor analogice RA0-RA5 pinii pot fii legați la potențiometrele P1 și P2. Acești pini pot fi folosiți ca intrări pentru măsurători de tensiune.

PORTA este conectat la rețea de rezistori, folosind grupul de butoane SW1. Dacă un buton este oprit, pinul respectiv nu are rezistentă atașată. El permite simultan pinilor PORTA să fie folosiți în modul analogic cât și ca pini digitali I/O.

Jumper care să determine starea logică a portului în modul așteptare (deschis sau închis). Poziția deschis – dacă pinii portului ar trebui să detecteze un 0 logic și viceversa dacă ar trebui să detecteze 1 logic.

Conector cu 16 pini care permite conectarea la afișajul LCD.

Conector de 20 pini care permite conectarea la afișajul GLCD.

Conector pentru Touch screen.

Controlerul Touch screen-ului.

EasyPIC5 suportă microcontrolere în capsule DIP8, DIP14,DIP18, DIP20, DIP28 și DIP40.

36 de butoane care permit controlul fiecărui pin al porturilor microcontrolerului.

Jumper care să selecteze nivelul logic 1 sau 0 la intrarea pinului când butonul corespunzător este apăsat.

36 de LED-uri conectate la porturile de I/O ale microcontrolerului.

Afișaj cu 4 cifre de câte 7 segmente.

Butoane care conectează/deconectează LED-urile pe porturile A, B, C, D și E.

Potențiometru pentru contrastul afișajului LCD.

Potențiometru pentru contrastul afișajului GLCD.

Port USB pentru microcontrolerele cu suport USB.

Conector tastatură PS2.

Circuit de Reset.

Sursă de alimentare stabilizată pentru microcontroler.

Comutatoarele

Sistemul EasyPIC5 are numeroase componente periferice. Pentru ca ele să funcționeze corespunzător, înainte de a începe programarea trebuie ca jumperii și comutatoarele să fie corect setate. Comutatoarele sunt dispozitive mecanice folosite pentru a stabili sau întrerupe conexiunea între două contacte. Placa de dezvoltare EasyPIC5 are nouă grupuri de comutatoare.

Grupurile de comutatoare SW1 – SW5 – Figura 2, sunt folosite pentru activarea sau dezactivarea rezistoarelor externe pe pinii porturilor. Fiecare rezistență poate fi activată sau dezactivată individual.

Grupul comutatoarelor SW6 este folosit pentru activarea sau dezactivarea LED-urilor conectate la porturile microcontrolerului. Grupul de comutatoare SW7 și SW8 este folosit pentru selectarea pinilor seriali de comunicare RX si TX. Grupul de comutatoare SW9 este folosit pentru a controla iluminarea afișajului LCD, comunicarea prin conector PS2 și ecranul tactil.

Figura 2. Grup de comutatoare

Jumperii

Similari cu comutatoarele, jumperii sunt utilizați pentru a întrerupe ori stabili conexiunea între două puncte – Figura 3. Sub învelișul de plastic al unui jumper se află un contact metalic care stabilește conexiunea atunci când jumperul este plasat peste doi pini.

Figura 3. Jumperi.

Programatorul USB2.0 PIC flash

Sistemul EasyPIC5 conține programatorul USB 2.0 de tip „on-board” – Figura 4, nefiind nevoie de alt echipament extern în timpul programării. Nu este nevoie decât să se conecteze sistemul la un calculator utilizând cablul USB și programul se va încărca în microcontroler folosind softul PICflash oferit în pachetul sistemului EasyPIC5.

Figura 4. Modulul pentru programarea microcontrolerului.

Alimentarea modulului

Figura 5. Alimentarea plăcii EasyPIC5.

Placa EasyPIC5 poate utiliza două surse de alimentare:

De la portul USB. Avantajul este că nu e nevoie de o sursă separată de alimentare, dar totodată este obligatorie legătura între placa de dezvoltare și un calculator personal.

Extern, de la o sursă separată de 8-16Vca/cc. Acest mod de alimentare este unul avantajos după ce programarea microcontrolerului, precum și setările întregii plăci sunt făcute pentru o aplicație specifică, iar placa nu mai este conectată la un calculator cu ajutorul modului de programare pe portul USB.

Alegerea sursei de alimentare se face cu ajutorul jumperului 6. Când se folosește modul de alimentare prin cablul USB, sistemul trebuie sa fie conectat la calculator și jumperul J6 poziționat în dreapta, Figura 5:

Modulul de programare MikroICD (HARDWARE IN-CIRCUIT DEBUGGER)

MikroICD, prezentat în Figura 6, este o unealtă foarte eficientă în depanarea în timp real la nivel hardware. Depanatorul MikroICD permite utilizatorului să ruleze un program pe microcontrolerul PIC și să vizualizeze valorile variabilelor, registrele funcțiilor speciale (SFR) și locațiile memoriei EEPROM în timp ce programul rulează. MikroICD poate fi folosit cu orice compilator PIC produs de Mikroelektronika (mikroC, mikroBasic sau mikroPascal). Este necesar să se selecteze tipul de compilare adecvat (Release sau ICD Debug), să se construiască proiectul, să se programeze microcontrolerul și să se ruleze depanatorul.

Figura 6. Circuitul MikroICD (In-Circuit Debugger).

LED-urile

LED-urile, prezentate în Figura 7, sunt componente folosite pentru afișarea stării sau condiției digitale a pinilor. Sistemul EasyPIC5 are 36 de LED-uri conectate la porturile microcontrolerului PORTA, PORTB, PORTC, PORTD și PORTE. Fiecare grup de 8 LED-uri poate fi aprins sau stins folosind comutatoarele SW6, PORTE fiind excepția care are 4 LED-uri și este conectat la același comutator ca PORTA.

LED-urile sunt aprinse când comutatorul corespunzător SW6 este ON. Când comutatorul este ON, LED-urile afișează starea pinilor corespunzători. Când comutatorul este OFF LED-urile sunt întotdeauna stinse, indiferent de starea portului. Un rezistor este legat în serie cu LED-urile pentru a limita curentul prin ele,valoarea rezistorului în acest caz fiind de 1kΩ.

Figura 7. Conectarea LED-urilor pe placă.

Afișajul LCD cu 2×16 caractere

Afișajul LCD – Figura 8, este cel mai folosit pentru vizualizarea datelor. Poate afișa caractere alfanumerice pe două rânduri, fiecare conținând până la 16 caractere cu rezoluția de 5×8 pixeli. Afișajul LCD comunică cu microcontrolerul printr-o magistrală pe 4 biți.

Observație: Este important de știut că afișajul trebuie montat sau demontat de pe placa EasyPIC5 numai după ce aceasta este scoasă de sub tensiune.

Figura 8. Conectarea afișajului LCD la microcontroler.

Afișajul GLCD

Un afișaj GLCD permite vizualizarea avansată a caracterelor, în timp ce un afișaj poate afișa doar caractere alfanumerice.

Afișajul GLCD, prezentat în Figura 9, poate afișa desene compuse din linii, curbe sau puncte. Cel mai frecvent folosit GLCD are rezoluția de 128×64 pixeli, iar contrastul poate fi ajustat folosind potențiometrul P3 plasat deasupra sa pe placă.

Figura 9. Schema de conectare a afișajului GLCD la microcontroler.

Touch screen-ul

Touch screen-ul – Figura 10, este o plăcuță subțire, autocolantă și transparentă, care este poziționată deasupra afișajului GLCD. Este formată din două plăcuțe subțiri ce alcătuiesc o structură de „sandwich” sensibilă la presiune, în așa fel încât cea mai mică atingere cauzează schimbări de stare la ieșirea acestuia.

Touch screen-ul este des folosit în diferite dispozitive în combinație cu afișaje GLCD. Conectorul CN13 permite acestui dispozitiv să se conecteze la blocul de control alcătuit din 5 tranzistori.

Patru comutatoare din grupul comutatoarelor SW9 activează și dezactivează conexiunea dintre acest bloc de control al dispozitivului și pinii RA0, RA1, RC0 și RC1.

Figura 10. Schema de conectare a afișajului GLCD la microcontroler.

Termometru digital DS1820

Termometrul digital DS1820, prezentat în Figura 11, este folosit pentru măsurarea temperaturii cu valori cuprinse între -5ºC și +125 ºC, cu o acuratețe de +/-0,5 ºC.

Pentru a funcționa trebuie montat corect în cei trei pini din soclul său de pe placă. Pinul de date al termometrului se conectează la pinul RA5 sau RE2 al microcontrolerului prin jumperul J11.

Figura 11. Schema de conectare a senzorului DS1820, la microcontroler.

Convertorul de intrare A/D

Placa EasyPIC5 are două potențiometre folosite pentru verificarea funcției de conversie analog digitală (ADC) a microcontrolerului – Figura 12. Ambele ieșiri ale potențiometrelor au valori cuprinse între 0-5V și semnalele lor pot fi conectate simultan la doua intrări analogice. Grupul de jumperi J15 permite conexiunea dintre potențiometru P1 și unul din următorii pini: RA0, RA1, RA2 sau RA3. Grupul de jumperi J16 permite conexiunea dintre potențiometrul P2 și unul din următorii pini: RA1, RA2, RA3, RA4 sau RA5.

Pentru măsurarea semnalului analogic fără interferențe, comutatoarele corespunzătoare din grupul SW1 trebuie închise, astfel conexiunea dintre pinii PORTA și rezistorii pull-up sau pull-down este închisă. Microcontrolerul preia semnalul de la pinul de intrare și face conversia într-o valoare digitală. De fapt, orice semnal analogic ce corespunde valorilor acceptate de microcontroler poate fi măsurat. Acele valori sunt cuprinse între 0-5V.

Figura 12. Potențiometre pentru verificarea convertorului A/D.

Capitolul 3 – Microcontrolere. Prezentare PIC 16F887

Privind evoluția istorică a operației de comandă a unui proces putem contura imaginea unui microcontroller (MC – microcontroller). Un controller este un sistem folosit pentru a comanda și a prelua stări de la un proces sau un aspect al mediului înconjurător. La început un controller era un echipament de mari dimensiuni. După apariția microprocesoarelor dimensiunile controller-elor s-au redus. Procesul de miniaturizare a continuat, toate componentele necesare unui controller au fost integrate pe același chip. S-a născut astfel calculatorul pe un singur chip specializat pentru implementarea operațiilor de control; acesta este microcontroller-ul. [4]

Scurtă prezentare microcontrolere

Schema bloc generală

În Figura 13 este prezentată schema generală simplificată a unui MC iar în Figura 14 se prezintă o structură mai detaliată care include blocurile principale ale MC-ului.

Figura 13. Schema generală simplificată a unui MC.

Ca intrări se folosesc de regulă semnale provenind de la comutatoarele individuale sau de la traductoare (de temperatură, de presiune, foto, traductoare specializate). Intrările pot fi digitale sau analogice. Intrările digitale vehiculează semnale discrete, informația "citită" fiind informația ce se eșantionează la momentul citirii liniei respective. Intrările analogice vehiculează informații exprimabile prin funcții continue de timp. "Citirea" acestora de către microcontroller presupune prezența unor circuite capabile să prelucreze aceste informații, fie comparatoare analogice, fie convertoare analog-numerice, ale căror ieșiri sunt citite de către MC.

Ieșirile sunt fie analogice, caz în care reprezintă de fapt ieșiri ale convertoarelor numeric-analogice, fie sunt digitale, caz în care informația este în general memorată pe acestea până la o nouă scriere operată de către UC la un port al MC. Ieșirile pot comanda dispozitive de afișare, relee, motoare, difuzoare, etc.

Figura 14. Structura MC care include blocurile principale.

Un element important, fără de care un MC nu poate funcționa, este programul (sau programele), care se stochează în memoria proprie MC.

Arhitectura microcontrolerului

Arhitectura unității centrale de prelucrare (CPU) este unul din componentele cele mai importante din componența MC. Principalele tipuri luate în considerare și întâlnite, sunt următoarele:

Arhitecturi de tip " von Neumann "

Cele mai multe microcontrolere sunt realizate pe baza acestei arhitecturi de sistem.

MC bazate pe această arhitectură au un CPU caracterizată de existența unui singur spațiu de memorie utilizat pentru memorarea atât a codului instrucțiunilor cât și a datelor ce fac obiectul prelucrării. Există deci o singură magistrală internă (bus) care este folosită pentru preluarea a instrucțiunilor (fetch opcod) și a datelor;

Este arhitectura standard (cea mai des întâlnită) și pentru microprocesoarele de uz general.

Arhitecturi de tip " Harvard "

La această arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date.

Este arhitectura standard pentru procesoarele numerice de semnal (DSP).

CISC

Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate. De obicei multe din aceste instrucțiuni sunt foarte diferite între ele: unele operează numai cu anumite spații de adrese sau registre, altele permit numai anumite moduri de adresare, etc. Pentru programatorul în limbaj de asamblare există unele avantaje prin utilizarea unei singure instrucțiuni complexe în locul mai multor instrucțiuni simple (analog macroinstrucțiunilor clasice dintr-un limbaj de asamblare).

RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

Memoria

MC folosesc diferite tipuri de informații, care sunt stocate în diferite tipuri de memorii. Instrucțiunile care controlează funcționarea MC trebuie stocate într-o memorie nevolatilă, unde informațiile se păstrează și după oprirea și repornirea sursei de alimentare. Rezultatele intermediare și variabilele pot fi înscrise într-o memorie volatilă, la acestea este important să se poată face scrierea /citirea rapid și simplu în timpul funcționării. [4]

Memoria RAM (Random Access Memory) este o memorie volatilă care poate fi citită sau scrisă de unitatea centrală. Locațiile din RAM sunt accesibile în orice ordine. Memorie RAM static alimentată de la baterie se folosește pentru stocarea nevolatilă a cantităților mari de date, la o viteză de acces mare și cu un număr nelimitat de ștergeri și reînscrieri.

Memoria ROM (Read Only Memory) este cea mai ieftină și cea mai simplă memorie și se folosește la stocarea programelor în faza de fabricație. CPU poate citi informațiile, dar nu le poate modifica.

Memoria PROM (Programmable Read Only Memory) este similară cu memoria ROM, dar ea poate fi programată de către utilizator.

Memoria EPROM (Erasable PROM) care se poate șterge prin expunere la raze ultraviolete. MC cu EPROM au un mic geam de cuarț care permite ca chip-ul să fie expus la radiația ultravioletă. Ștergerea este neselectivă, adică se poate șterge doar întreaga informație și nu numai fragmente.

OTP (One Time Programmable PROM) este o memorie EPROM, cu chip capsulat într-o capsulă de material plastic fără fereastră, care este mult mai ieftină. Memoria nu se poate șterge sau reprograma.

Memoria EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) poate fi ștearsă electric de către unitatea centrală, în timpul funcționării. Ștergerea este selectivă, iar pentru reînscriere trebuie parcurși mai mulți pași.

Memoria FLASH este o memorie asemănătoare EPROM și EEPROM în sensul că poate fi ștearsă și reprogramată în sistemul în care este folosită. Are capacitatea unui EPROM, dar nu necesită fereastră pentru ștergere. Ca și EEPROM, memoria FLASH poate fi ștearsă și programată electric. Memoria FLASH nu permite ștergerea individuală de locații, utilizatorul poate să șteargă doar întregul conținut.

Sistemul I/O

Toate microcontrolerele au un număr de intrări/ieșiri organizate sub forma unor porturi I/O. Conexiunile exterioare sunt bidirecționale și/sau unidirecționale, iar unele sunt multifuncționale (se oferă funcții alternative pe același pin).

În afară de acest set de intrări/ieșiri de uz general, pentru interfața cu mediul exterior mai pot fi regăsite alte facilități importante de intrare/ieșire cum ar fi:

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) este un port serial bidirecțional destinat implementării unui protocol clasic de comunicație asincron;

USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) este un port similar, dar care permite implementarea și a unui protocol sincron cu obținerea unor viteze mai mari de comunicație

SCI (Serial Communications Interface) este un circuit de tip UART îmbunătățit,

LIN (Local Interconnect Network) reprezintă o implementare particulară a unui protocol de comunicație asincron.

Porturi seriale sincrone dedicate – sunt destinate transferului serial de date de mare viteză cu unele periferice specializate (sisteme de afișare, convertoare analog-numerice, etc.) sau care permit conectarea într-o rețea de comunicație.

Conectivitate Ethernet/Web – implică existența unor resurse care să permită integrarea cu ușurință într-o rețea de tip Ethernet, pentru a face posibilă, în final, implementarea unui protocol TCP/IP (a unei stive TCP/IP).

Conectivitate USB – magistrala serială USB (Universal Serial Bus) a fost creată pentru conectarea cu ușurință a diverselor periferice la un calculator PC (cu rolul de gazdă – host).

Conectivitate Wireless- se referă la existența unor resurse hardware si/sau software care să permită integrarea cu ușurință într-o rețea de tip wireless.

Convertoarele Analog Numerice (CAN, ADC) fac parte dintr-un sistem de achiziție de date.

Convertoarele Numeric Analogice (CNA, DAC) conversie numeric analogică cea mai răspândită tehnică fiind bazată pe modulația în factor de umplere (PWM- Pulse Width Modulation).

Există unul sau mai multe canale pe care se poate genera un tren de impulsuri cu factor de umplere programabil (de la 0 la 100%). Factorul de umplere este controlat cu o rezoluție de la 8 biți sau 16 biți. Frecvența trenului de impulsuri este și ea programabilă, în limite largi. La un microcontroler fără un sistem PWM dedicat, în acest scop se poate utiliza, cu o flexibilitate mai scăzută, sistemul de timere/numărătoare și orice ieșire numerică. Printr-o filtrare exterioară relativ simplă, de tip trece jos (FTJ, Low Pass), se poate obține o tensiune de ieșire proporțională cu factorul de umplere.

Familii de MC, reprezentative

8048 (Intel MCS-48 – www.intel.com)

8051 (Intel MCS-51 și alții: Atmel, Philips- www.semiconductor.philips.com, Infineon, Dallas-Maxim – www.maxim-ic.com, Cygnal – www.cygnal.com)

80C196 (Intel MCS-96)

80C186, 80C188 (Intel, AMD, ș.a.)

68HC05 (Freescale – www.freescale.com, ex Motorola)

68HC11, 68HC12, 68HC16 (Freescale)

683xxx (Freescale)

PIC (Microchip- www.microchip.com)

AVR (Atmel- www.atmel.com)

COP4(00) și COP8(00) (NS -National Semiconductors – www.national.com)

Z8 (Zilog, – www.zilog.com)

Z180 Rabbit Semiconductors- www.rabbitsemiconductor.com

TMS370 (Texas Instruments- www.ti.com)

80386EX (Intel)

MSP430 (Texas Instruments)

Microcontroler PIC16F887

PIC este acronimul de la Peripheral Interface Controller, desemnând o familie de microcontrolere produse de Microchip Technology, având la bază PIC 1650 care a fost inițial dezvoltat de către General Instrument’s Microelectronics Division.

Familia microcontrolerelor pe 8 biți conține peste 400 de variante, grupate în trei categorii, după lungimea cuvântului instrucțiune, respectiv microcontrolere cu lungimea cuvântului instrucțiune de 12, 14 sau 16 biți (familiile reprezentative pentru acestea sunt PIC10, PIC12, PIC16 și PIC18).

Familia PIC10 cuprinde unele din cele mai simple microcontrolere, în capsulă cu 6 sau 8 pini, destinate în special aplicațiilor cu alimentare de la baterie și aplicațiilor unde sunt impuse dimensiuni reduse.

Familia PIC12 cuprinde microcontrolere în capsulă cu 8 pini.

Familia PIC16 conține microcontrolere cu performanțe medii, cu un set extins de dispozitive periferice, realizate în capsule cu 14 ÷ 64 pini.

Microcontrolerele din seria PIC18, disponibile în capsule cu 18 până la 100 pini, constituie versiunea cea mai performantă a microcontrolerelor de 8 biți Microchip, având câteva îmbunătățiri semnificative față de generațiile anterioare: multiplicator hardware, un set mai bogat de instrucțiuni, un număr mai mare de registre interne, ș.a.

PIC16F887 este una dintre cele mai noi produse Microchip. Are o gamă largă de aplicare, de înalta calitate făcând din acesta, o soluție ideală în aplicații cum ar fi:

măsură și control a diferitelor procese din industrie;

dispozitive de control și măsurare a diferitelor valori, etc

Unele dintre principalele sale caracteristici sunt enumerate mai jos.

Arhitectura internă și caracteristicile MC PIC16F887

CPU de tip RISC

35 de instrucțiuni

Toate instrucțiunile se execută într-un ciclu al CPU cu excepția celor de ramificare.

Frecvența de ceas 0-20 MHz

Oscilatorul intern de precizie

Calibrat la fabricare

Lucrează într-o gamă largă de la 8MHz la 31KHz.

Tensiune de alimentare 2,0-5.5V

Consum redus in modul „sleep”

35 intrări/ieșiri

8K ROM de memorie FLASH

Suportă până la 100.000 de reprogramări

256 octeti de memorie EEPROM

Datele pot fi scrise mai mult de 1.000.000 de ori

368 octeți de memorie RAM

Convertor A/D:

14-canale

10-bit Rezoluție

3 contoare de timp. independente

Timer Watch-dog

Modul comparator analog cu:

Două comparatoare analogice

Tensiune de referință, fixă 0.6V

Tensiune de referință programabilă

Ieșiri de control, PWM

Modul USART îmbunătățit

Suportă RS-485, RS-232 și LIN2.0

Master Synchronous Serial Port (MSSP)

suportă mod SPI și I2C

Figura 15. Arhitectura internă simplificată PIC16F887.

Figura 16. Arhitectura internă diagrama bloc PIC16F887.

Tipuri constructive și configurația pinilor MC PIC16F887 [6]

În această lucrare se vor prezenta două tipuri constructive PIC16F887, compatibile și cu PIC16F884:

40 pini PDIP prezentat în Figura 17;

44 pini TQFP prezentat în Figura 18.

Figura 17. PIC16F887, 40 pini PDIP.

Figura 18. PIC16F887, 44 pini TQFP.

După cum se vede în figurile prezentate mai sus (Figura 17 și Figura 18), ambele tipuri constructive au în componență pini multifuncționali. Aceste diverse funcții multiple pe un pin, nu pot fi utilizate simultan, dar pot fi modificate în orice moment în timpul funcționării, prin programul de comandă al microcontrolerului.

În Figura 19 sunt prezentate funcțiile pinilor MC PIC16F887 40 pin PDIP, iar în Figura 20 funcțiile pinilor MC PIC16F887 44 pin TQFP. [6]

Figura 19. Prezentarea funcțiilor pinilor pentru configurația PIC16F887, 40 pini PDIP.

Figura 20. Prezentarea funcțiilor pinilor pentru configurația PIC16F887, 44 pini TQFP.

Descrierea pinilor este prezentată în tabelul de mai jos.

Unitatea centrală de procesare

Modul de funcționare al procesorului este destul de complicat astfel încât descrierea va fi făcută doar pe elemente principale esențiale. În primul rând, este important de știut că CPU este construit în tehnologie RISC.

Tehnologia RISC (Reduced Instruction Set Computer) care înseamnă tehnologie cu set redus de instrucțiuni, oferă microcontrolerului PIC16F887, două mari avantaje:

Procesorul poate să recunoască și să execute doar 35 instrucțiuni simple (avantaj esențial adus în programarea MC).

Timpul de execuție este același pentru toate acestea și durează 4 cicluri de ceas (oscilatorul a cărui frecvență este stabilizată de cristalul de cuarț). Singurele excepții sunt instrucțiunile de salt și ramurele ale căror timp de execuție este de două ori mai lung.

Figura 21. Unitatea centrală de procesare – CPU.

Memoria

Acest microcontroler are trei tipuri de memorie: memorie ROM, memorie RAM și memorie EEPROM. Toate acestea vor fi discutate separat, deoarece fiecare are anumite funcții, caracteristici și organizare.

Figura 22. Harta memoriei.

Memoria ROM

Memoria ROM este folosită permanent având și denumirea de „memorie program”. PIC16F887 are 8KB ROM (în total 8192 de locații). Deoarece, în acest caz, ROM este făcută în tehnologia FLASH, conținutul său poate fi schimbat prin reinscripționare cu programme dedicate aplicației în care este utilizat microcontrolerul. Acestă operație este efectuată în mod automat, prin intermediul unui program special de pe calculator și un simplu dispozitiv electronic numit programator.

Figura 23. Configurația PC – programator,

necesară inscripționării memoriei.

În Figura 23 este prezentată configurația PC – programator care este necesară pentru inscripționarea memoriei.

Memoria EEPROM

Similar cu memoria program, conținutul memoriei EEPROM este permanent salvat, chiar și în starea „stand by”. Cu toate acestea, spre deosebire de ROM, conținutul EEPROM poate fi schimbat permanent.

Memoria RAM

Aceasta este cea de-a treia și cea mai complexă parte din memoria microcontrolerului. În acest caz, memoria este alcătuită din două părți:

cu scop general – sunt locații folosite pentru stocarea temporară a datelor și rezultatelor create în timpul operației;

registre speciale cu funcție registre (SFR) – sunt de asemenea locații, dar spre deosebire de registrele cu scop general, scopul acestora este predeterminat pe parcursul procesului de fabricație și nu poate fi schimbat. Deoarece biții lor sunt fizic conectați la circuite speciale pe chip (convertor A/D, modul serial de comunicare, etc), orice modificare a conținutului lor afectează în mod direct funcționarea microcontrolerului și/sau a unelor circuite. O altă caracteristică a acestor locații de memorie este ca au numele lor (și registrele lor de biți), care facilitează considerabil scrierea programelor. Deoarece la nivel înalt, limbajul de programare poate utiliza lista de registre cu toate adresele lor exacte, este suficient să se precizeze numele în registru, pentru a citi sau a schimba conținutul.

Capitolul 4 – Sisteme de măsură, comandă și control

Necesitatea de a controla funcționarea echipamentelor din proces și procesul propriuzis, a devenit prioritară în marea majoritate a domeniilor. Echipamentul de măsură și control a devenit și creierul tuturor acționărilor automatizate sau nu. Acesta reglează și supervizează operațiile echipamentelor industriale furnizând și informațiile necesare bunei funcționări.

Instrumentația de măsură și control poate fi diversificată începând de la un simplu sistem analogic până la sistemele inteligente folosite astăzi, de la un simplu potențiometru până la analizoare complexe cum ar fi spectrometrele în infraroșu. Pentru toate sistemele avansate, mărimile analogice și semnalele electrice care le „poartă” sunt componente definitorii.

Elementele definitorii ale măsurării

Prin măsurare se înțelege ansamblul de operații experimentale prin care o mărime de măsurat x este comparată cu valorile unei scări de măsurare, exprimată în unități de măsură [um], pentru a identifica valoarea din scară cea mai apropiată de valoarea reală a mărimii de măsurat. [7]

Efectuarea unei măsurări implică următoarele operații:

Precizarea/definirea mărimii de măsurat (măsurandului);

Alegerea scării de măsurare și a unității de măsură adoptate;

Adoptarea și aplicarea unei proceduri / metode de măsurare;

Precizarea mijloacelor tehnice (echipamentelor) necesare pentru efectuarea măsurării;

Prelucrarea rezultatelor primare pentru a obține un rezultat final cât mai exact și sub formă convenabilă utilizatorului;

Afișarea/înregistrarea rezultatului măsurării;

Opțional, în afară de măsurare mai pot fi efectuate și alte operații și anume:

Calibrarea/etalonarea periodică a aparatului de măsurare;

Semnalizarea/alarmarea depășirii unei limite prescrise de către mărimea măsurată;

Memorarea/arhivarea rezultatelor măsurărilor anterioare și/sau a evenimentelor ce au avut loc în ultima perioadă de timp, ș.a.

Oricât de performante ar fi metodele și mijloacele de măsurare, rezultatul măsurării va fi întotdeauna diferit de valoarea reală a mărimii măsurate. Diferența dintre valoarea reală și cea măsurată se numește eroare de măsurare. Această eroare de măsurare constituie principalul indicator al calității măsurării.

Pentru măsurarea mărimilor electrice precum tensiunea, curentul, frecvența, ș.a., se folosesc aparate de măsurare și citire directă (voltmetre, ampermetre, frecvențmetre, ș.a.).

Pentru măsurarea mărimilor neelectrice (presiunea, debitul, nivelul, vâscozitatea, densitatea, etc), se folosesc sisteme de convertire a mărimii neelectrice de măsurat în mărimi electrice (senzori, traductoare, convertoare, etc).

Senzori și traductoare

Conducerea unui proces presupune cunoașterea unor informații cât mai corecte și cât mai complete asupra parametrilor mărimilor fizice ce caracterizează acel proces. În cazul unui proces neautomatizat, condus manual de un operator, mărimile fizice care nu sunt accesibile simțurilor umane sunt măsurate cu aparate de măsurat. Pe baza indicațiilor aparatelor, operatorul uman supraveghează procesul și ia decizii corespunzătoare.

În cazul unui proces automatizat, conducerea sistemului se face fără intervenția omului, pe baza informațiilor culese din proces cu ajutorul traductoarelor.

Senzorul (elementul sensibil) este elementul component al unui sistem automat sau al unui aparat de măsurat care are rolul de a transforma mărimea de măsurat, având o anumită natură, într-un semnal purtător de informație – pentru sistemul automat – sau într-o mărime aptă de a fi percepută de operatorul uman – pentru aparatul de măsurat [8], [9].

Nivelul semnalului nu este compatibil, în formă brută, cu nivelul semnalelor cu care operează sistemul automat. De aceea se introduce un element auxiliar numit adaptor.

În principiu, senzorul și adaptorul alcătuiesc o unitate numită traductor care este un element de bază pentru orice instalație automatizată.

Traductoarele pot fi definite deci ca dispozitive care realizează conversia unor mărimi fizice (temperatura, deplasare, presiune, forță, etc.) în alte mărimi fizice, cel mai adesea electrice, sau a unor mărimi electrice în alte mărimi electrice, în scopul măsurării parametrilor acelor mărimi și informării, respectiv luării unor decizii în consecință.

Structura generală a unui traductor

În figura 2.1 sunt prezentate elementele componente ale unui traductor. Mărimea de intrare aplicată la intrarea traductorului, reprezintă parametrul ce trebuie măsurat. Acesta poate fi temperatură, debit, presiune, turație, nivel, și altele.

Mărimea de ieșire este valoarea mărimii măsurate exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune).

Figura 24. Structura generală a unui traductor.

În care:

x – mărimea de măsurat (mărime de intrare);

y – mărimea măsurată (mărime de ieșire);

ES – elementul sensibil;

ET – element de transmisie;

A – adaptor;

SAE – sursa auxiliară de energie.

Elementul sensibil ES numit și detector, senzor sau captor, este elementul care detectează mărimea fizică pe care traductorul trebuie să o măsoare.

Elementul de transmisie ET este un element auxiliar care realizează legături electrice, mecanice, optice sau de altă natură în situațiile în care tehnologiile de realizare a traductorului o impun.

Adaptorul A are rolul de a adapta informația primită de la ieșirea ES, la cerințele impuse de aparatura de automatizare care o utilizează.

– Particularitățile semnificative ale adaptorului

La partea de intrare, A se caracterizează printr-o diversificare constructivă pentru a putea prelua formele variate sub care pot să apară modificările de stare ale diferitelor (ES).

Pe parte de ieșire, A cuprind de regulă (la echipamentele standardizate) elemente comune necesare generării semnalelor unificate, care nu depind de tipul sau domeniul de variație al mărimii de intrare.

– Funcțiile realizate de A

adaptare de nivel, putere (sau impedanță) ) cu referire la semnalul de ieșire, în raport cu dispozitivele de automatizare;

realizează operația specifică măsurării, adică comparația cu unitatea de măsură adoptată;

În funcție de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieșire, adaptoarele sunt de două feluri:

adaptoare electrice (electronice);

adaptoare pneumatice.

În raport cu forma de variație a semnalelor de ieșire, adaptoarele pot fi:

analogice – semnalele analogice sunt caracterizate prin variații continue ale unui parametru caracteristic și, de regulă, sunt semnale unificate;

numerice – semnalele numerice, generate la ieșirea traductoarelor numerice s-au impus prin folosirea pe scară tot mai largă a echipamentelor de reglare numerică și a calculatoarelor de proces.

Sursa auxiliară de energie SAE, necesară în cele mai frecvente cazuri, pentru a menaja energia semnalului util.

Locul traductoarelor în sisteme automate de reglare (SRA)

În Figura 25 și în Figura 26 sunt prezentate douã situații tipice în care se evidențiază rolul și locul traductoarelor în cadrul sistemelor automate [10].

Se consideră schema structurală a unui SRA monovariabil, prezentată în Figura 25.

Figura 25. Schema de principiu a unui SRA monovariabil.

Traductorul este amplasat pe calea de reacție, având la intrare mărimea reglată (y), pe care o convertește în mărime de reacție (yr). Mărimea de reacție, însumată cu referința (r), determină eroarea de reglare () conform relației [1]:

(1)

În cazul unui sistem multivariabil de reglare și/sau conducere automată schema de principiu este de tipul celei din Figura 26.

Figura 26. Schema de principiu a unui SRA multivariabil.

În care:

Tr – traductoare;

EE – element de execuție;

SI-I – sistem de interfață a intrărilor;

SI-E – sistem de interfață a ieșirilor;

SIA – sistem de interfață pentru mărimi analogice;

SIN – sistem de interfață pentru mărimi numerice;

CP – calculator de proces;

CO – consola operator;

CU – calculator universal;

PG – periferice generale.

Din cele două scheme se constată că traductoarele (Tr) sunt situate pe calea informațională având sensul de transmitere de la proces către sistemul de conducere, iar EE sunt plasate pe calea de transmitere a comenzilor de la sistemul de conducere către proces. Cuplarea traductoarelor cu procesul se poate realiza în diverse moduri: mecanic, termic, electric etc, în raport cu natura fenomenelor purtătoare de informație referitoare la mărimea de măsurat.

Datorită unor avantaje bine cunoscute, majoritatea echipamentelor de automatizare sunt electrice sau electronice, și numai în cazuri speciale pneumatice (medii cu pericole de explozii sau incendii). Ca urmare, semnale de ieșire ale traductoarelor sunt de natură electrică (tensiune, curenți) sau pneumatică.

Sisteme inteligente de măsură, comandă și control

Conducerea proceselor industriale, poate fi reprezentată printr-o piramidă împărțită pe mai multe niveluri (Figura 27).

Supravegherea se găsește în “piramida conducerii proceselor” pe nivelul al treilea, alături de conducerea procesului, ceea ce arată că, practic, ele nu pot fi separate.

Domeniul supravegherii proceselor industriale este destul de vast. Acesta conține aplicații începând cu simpla achiziție de date și până la prelucrări foarte complexe: [7]

analize statistice;

gestiunea elaborării alarmelor;

ghid operator;

supravegherea acțiunilor de conducere ale operatorilor;

identificări de parametri și simulări;

supravegherea dinamică a răspunsului procesului, etc.

Figura 27. Ierarhizarea conducerii proceselor industriale.

La baza “piramidei” se află operațiunile de achiziție din proces a mărimilor de intrare și de transmitere către procesul supravegheat a comenzilor de acționare.

Funcțiile de bază ale unei acțiuni de supraveghere a unui proces sunt:

comunicația cu procesul;

semnalizarea;

comunicația cu programele utilizate pentru prelucrarea datelor;

interfațarea om-mașină;

gestiunea alarmelor;

gestiunea rapoartelor.

Supravegherea în timp timp real a unui proces este o etapă necesară pentru trecerea la pasul următor: conducerea procesului.

Un sistem în timp real este sistemul de automatizare complexă cu ajutorul calculatorului/microcontrolerului, a unor probleme de decizie, mai ales cu caracter operativ, în care timpul de răspuns este suficient de redus pentru a putea influența în mod semnificativ și pozitiv evoluția obiectivului condus.

Un sistem de achiziție de date și control a unui proces industrial, asociat cu un microsistem de calcul, se comportă ca un sistem inteligent (care poate lua decizii bazate pe informații anterioare, prelucrează informația, efectuează calcule, după care, pe baza rezultatelor obținute, adoptă o decizie, din mai multe soluții posibile).

Sistemele de achiziție de date asociate cu microsistemele de calcul, în timp real, au ca principale avantaje:

flexibilitatea și adaptabilitatea la o mare varietate de situații;

creșterea gradului de automatizare al unor operații;

mărirea preciziei măsurătorilor;

fiabilitate bună (număr redus de componente, posibilitatea de autotestare datorită programelor încorporate);

miniaturizarea echipamentelor;

posibilitatea prelucrării complexe a datelor din proces;

simplificarea proiectării electrice și tehnologice datorită existenței familiilor de componente ce permit interconectări standard.

În Figura 28 este prezentată structura unui sistem de control cu microcontroler.

Figura 28. Structura unui sistem de control cu microcontroler.

Sistemele de control sunt sisteme închise, ce prelevează o stare și generează comenzi în sensul menținerii stării într-o evoluție prestabilită. Sistemele de control pot fi statice sau dinamice. Un sistem de control static are rolul de a menține ieșirea la o valoare precisă cât mai mult timp, plecând de la mărimea de intrare luată ca referință. Un sistem dinamic permite mărimii de ieșire să urmărească cât mai fidel evoluția intrării ce urmează o lege prestabilită.

Semnale de comandă

Se numește semnal o mărime fizică măsurabilă, purtătoare de informație, care poate fi transmisă la distanță, recepționată și/sau prelucrată.

Procesarea semnalelor reprezintă un domeniu de cercetare vast, care se ocupă cu dezvoltarea de metode și algoritmi pentru analiza, extragerea, interpretarea, codificarea, transformarea și manipularea semnalelor.

Din punct de vedere tehnic, semnalele pot fi definite ca fiind suportul fizic al transmiterii informației în și între sisteme. Sistemele care furnizează la ieșirea lor semnale sunt văzute ca surse de semnal.

Semnalele pot proveni din surse diverse: audio, video, semnale biomedicale, din procese fizice sau chimice, etc. De multe ori, pentru a putea fi procesate, semnale provenite de la sisteme sunt transformate în semnale electrice cu ajutorul unor dispozitive electrice sau electronice: microfoane; camere de luat vederi; senzori sau traductori termici, optici, de presiune, de poziție, de proximitate, etc.

Reprezentarea teoretică a sistemelor și semnalelor se realizează prin funcții matematice. Acestea depind în primul rând de timp (exemplu de reprezentare a unui semnal sinusoidal: x(t)=a*sin(t)), dar pot interveni și alte variabile cu semnificație fizică (spațiul, temperatura, frecvența, amplitudinea, caracteristici ale sistemelor etc.). [11]

Apariția microprocesoarelor și progresele înregistrate de sistemele de calcul electronic au determinat apariția și dezvoltarea după 1950 a unui nou subdomeniu de procesare a semnalelor, procesarea digitală a semnalelor (Digital Signal Processing – DSP). [12]

Pentru fi procesate cu ajutorul calculatoarelor, semnalele continui în timp sunt supuse unui proces de conversie în semnale digitale. Această conversie se realizează cu ajutorul unor circuite electronice numite convertoare analog-digital (Analog to Digital Convertor – ADC). Uneori rezultatele procesării digitale a semnalelor sunt reintroduse ca intrare în sisteme analogice. Pentru aceasta au fost realizate circuite speciale de conversie a semnalelor digitale în semnale analogice (Digital to Analog Convertor–DAC). În Figura 29 este prezentată schema bloc a unui sistem de procesare digitală a semnalelor care este pus în legătură cu sisteme de procesare analogice a semnalelor. În cadrul procesărilor digitale timpul nu mai este o variabilă continuă, ci o variabilă discretă (Figura 29, notat cu n).

Figura 29. Schema bloc a unui sistem de procesare digitală.

Legătura între timpul continuu și cel discret se face cu ajutorul perioadei de eșantionare T. Prin eșantionare o parte din informația transmisă de semnal se poate pierde. Pentru a reduce pierderea de informație transmisă de semnalele analogice, perioada de eșantionare trebuie să respecte teorema Nyquist-Shannon.

Semnalul este suportul fizic al informației transferate între sisteme. Orice semnal este din punct de vedere matematic o funcție de timp, dar în definirea lui pot interveni și alte variabile reprezentate de mărimi fizice precum spațiul, temperatura, etc, [13]. Mai jos sunt prezentate câteva exemple de semnale purtătoare de informații:

Sunetul și imaginea – sunt semnale ce poartă informații care pot fi percepute de ființele vii;

Semnale transferate între sisteme din natură sau din procese industriale, având diverse suporturi fizice (tensiuni electrice, câmp magnetic, temperaturi, forțe, viteze, etc.).

Clasificarea semnalelor

Există multe criterii de clasificare a semnalelor, dintre amintim câteva:

După natura continuă sau discontinuă a domeniului de definiție și a celui de valori;

După apartenența la același proces (monocanal sau multicanal);

După caracterul unidimensional sau multidimensional;

După caracterul aleatoriu sau predictibil;

După unele caracteristici descrise matematic, semnalele pot fi:

măsurabile / nemăsurabile;

de energie finită / infinită, etc;

Figura 30. Clasificarea semnalelor.

Semnale analogice și semnale numerice

Prin semnal analogic se înțelege o mărime fizică de regulă electrică ce poate fi reprezentată printr-o funcție de timp care poate lua valori într-un domeniu de variație bine precizat:

(2)

în care T este mulțimea momentelor de timp, M este mulțimea eșantioanelor semnalului, x este descrierea semnalului ce asociază fiecărui 1element t T un element xM bine definit, numit eșantionul semnalului x la momentul de timp t. Daca T Z orice semnal definit pe T se numește discret iar dacă T R semnalul se numește continuu.

Exemple de semnale:

semnale continue

(3)

semnale discrete

(4)

semnale cuantizate

(5)

Figura 31. Semnal continuu și discret.

Un semnal discret și cuantizat se numește semnal numeric (digital) și poate fi prelucrat prin metode numerice. Transformarea semnalelor analogice în semnale numerice se face prin eșantionare și cuantizare, operații ce formează digitizarea. Procesul este ireversibil în sensul că prin aceste operații se pierde o parte din informația purtată de semnalul analogic inițial.

Cele mai importante semnale utilizate în descrierea fenomenelor de conversie și prelucrare a semnalelor sunt:

Impulsul unitar :

Treapta unitate:

Semnalul dreptunghiular neperiodic:

Semnal sinusoidal de perioadă N:

Semnal PWM

Un semnal PWM (Puls Width Modulation) este folosit în multe aplicații cum ar fi comanda motoarelor de curent continuu sau comanda surselor de alimentare.

Figura 32. Semnal PWM.

Semnalul PWM este un semnal periodic la care se poate modifica în mod controlat factorul de umplere. Modulele timer au resursele necesare generării unui semnal cu factor de umplere variabil. Deoarece semnalul PWM este utilizat în aplicații diverse cu microcontroler, există module timer dedicate acestei funcții – modulele PWM. Un modul PWM poate genera mai multe semnale modulate. Structura unui canal PWM este reprezentată în Figura 33.

Figura 33. Schema bloc a canalului PWM.

Registrul de prescalare generează clock-ul pentru un numărător. Clock-ul de numărare este programabil. Conținutul numărătorului este comparat cu cel al registrului PWM. Cât timp rezultatul comparației este mai mic sau egal, se va genera un unu logic la ieșirea PWM. Dacă rezultatul comparației este mai mare, se va genera la ieșirea PWM un zero logic. Dacă registrele comparate sunt de opt biți factorul de umplere poate fi între 1/256 și 1. Un canal PWM odată programat va genera la ieșire semnalul periodic continuu, fără intervenția unității centrale. [14]

Capitolul 5 – Concluzii

Prezenta lucrare constituie un material, care abordează sistemele pe bază de microcontroler.

În concluzie, se poate spune că proiectarea aplicațiilor dedicate impune o deosebită rigurozitate. Nu este suficientă proiectarea corectă din punct de vedere hardware și software a aplicației. Sistemul cu microcontroler realizat, trebuie integrat corect în mediul, procesul și aplicația principală pentru care a fost proiectat și realizat.

Complexitatea interacțiunilor ce apar în funcționarea sistemului nu poate fi în totalitate simulată, ceea ce face ca etapa de testare virtuală, a proiectului, să aibe o importanță esențială.

Nu se poate afirma că o anume etapă a proiectării este mai puțin importantă decât alta, dar prin iterarea rațională a etapelor de proiectare, prin testarea cu o colecție cât mai largă de stimuli a sistemului și prin verificarea sa într-un mediu cât mai apropiat de cel în care va funcționa sistemul, se poate atinge siguranța necesară funcționari satisfăcătoare a acestuia.

Este necesar, deseori, să se construiască încă din faza de proiectare, odată cu programele de funcționare și "uneltele" specifice de testare a sistemului. Aceste "unelte" nu sunt altceva decât rutine, programe, uneori complexe, ce asigură validarea corectei funcționări corespunzătoare fiecărei etape pe care sistemul o parcurge în funcționare. Dezvoltarea programelor de testare simultan cu proiectarea sistemului reduce substanțial timpul necesar validării finale.

Nu trebuie neglijat principiul redundanței funcționale oglindită atât la nivel fizic (hard) cât și la nivel logic (soft), atunci când dorim să realizăm un sistem robust și fiabil. Va trebui să verificăm întotdeauna dacă suntem corect "ancorați" în timp, dacă sistemul nostru își menține proprietatea de a fi un sistem de reglare "în timp real", asta presupune să verificăm dacă toate informațiile pe care sistemul de comandă le prelucrează sunt "oportune", deci în concordanță cu teorema eșantionării.

Bibliografie

Cărți tehnice și articole de specialitate

[1]. Vasile Surducan, Wouter van Ooijen, „Microcontrolere pentru toți”, ediția a doua completată și revizuită, Editura RISOPRINT, Cluj-Napoca, 2004.

[2]. Laurean Bogdan, „Microcontrolere”, curs, profesor universitar, Universitatea Lucian Blaga, Sibiu.

[3]. Ion Florian, curs „Sisteme cu microcontrolere”, anul 3 de studiu, Facultatea de Inginerie electrica Valahia Târgoviște.

[4]. BORZA Paul GERIGAN, Carmen OGRUTAN, Petre TOACSE, „Microcontrollere – Aplicații”,. București, Editura Tehnică, 2000, ISBN 973-31-1577-6.

[5]. Rodica Constantinescu, „Microcontrolere PIC”, curs an 3

[6]. ***, „PIC16F887 datasheet”, microchip, ww1.microchip.com

[7]. Stelian Dumitrescu, „Sisteme inteligente de măsurare”, Editura Universității din Ploiești, Ploiești, 2012.

[8]. Ionescu, G., ș.a., “Traductoare pentru automatizări industriale”, vol I., Editura tehnică, București, 1985.

[9]. Popescu, D., “Senzori și interacțiunea cu mediu tehnologic”, Universitatea Politehnică București, 1998.

[10] Bratu, Cristian, “Senzori și traductoare – curs”, ELTH UCV.

[11]. Creangă, E., Munteanu, I., Bratcu, A., Culea, M., „Semnale, circuite și sisteme. Partea I: Analiza semnalelor”, Editura Academică, 2001.

[12]. V., Apopei, „Analiza unor sisteme neliniare cu aplicații în prelucrarea semnalelor”, Iași, 2008.

[13]. I., Mihu, „Procesarea numerică a semnalelor. Noțiuni esențiale”, Editura Alma Mater, Sibiu, 2005.

[14]. http://www.unitbv.ro/faculties/biblio/interfete_specializate/curs.pdf