Проектирование системы сбора данных на базе микроконтроллера МК К1816ВЕ51

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  НЕФТЕГАЗОВЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Институт кибернетики, информатики  и связи

 

 

Кафедра кибернетических  систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине «Проектирование  микропроцессорных систем»

на тему:

 

«Проектирование системы  сбора данных на базе микроконтроллера МК К1816ВЕ51»

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 студент гр. УИТСб-08-1

Коновалов Р.А.

 

Проверил:

ассистент кафедры КС

Евстропов С.О.

 

Подпись ____________

 

 

Тюмень 2012 г.

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

 

Спроектировать систему сбора  данных на базе микроконтроллера МК К1816ВЕ51. Система должна содержать следующие параметры:

 

• 6 аналоговых датчиков;
• 12 дискретных датчиков;
• Интервал опроса: 3 часа;
• Период накопления информации: 1,5 суток = 36 часов;
• Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ): объем 20 кбайт;
• Дополнительное требование к системе: предусмотреть действия при возможном зависании от некорректной работы.

 

При этом требуется рассчитать объем  оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПИСАНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Курсовая работа содержит 29 страниц, 3 рисунка, 4 приложения, список использованных источников из 13 наименований.

Цель работы – построение структурной  и принципиальной схемы разрабатываемой  микропроцессорной системы сбора  данных с установки первичной  переработки нефти на базе микроконтроллера  К1816ВЕ51.

В результате работы разработаны структурная и принципиальная схемы микропроцессорной системы, произведен расчет необходимого объема ОЗУ, а также расчет мощности, потребляемой системой в процессе работы.

Объектом исследования является система  коррозийного мониторинга установки первичной переработки нефти на базе МК К1816ВЕ51, а также построение микропроцессорной системы.

Основные конструктивные и технико-эксплуатационные параметры: система построена на базе МК К1816ВЕ51. Кроме этого, система  обеспечивает сбор данных от 6 аналоговых и 12 дискретных датчиков.

Устройство обеспечивает сбор данных в цифровом и аналоговом виде, накопление данных с определенным сроком накопления, передачу на верхний уровень и  управление.

Область применения: внедрение работы возможно в системах комплексного коррозийного мониторинга технологического оборудования различных установок.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Развитие микроэлектроники и широкое  применение ее изделий в промышленном производстве, в устройствах и  системах управления самыми разнообразными объектами и процессами является в настоящее время одним из основных направлений научно–технического прогресса. Использование микроэлектронных средств в изделиях производственного и культурно-бытового назначения не только приводит к повышению технико-экономических показателей изделий (стоимости, надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров)  и позволяет многократно сократить сроки разработки и отодвинуть сроки «морального» старения изделий, но и придает им принципиально новые потребительские качества (расширенные функциональные возможности, модифицируемость, адаптивность и т.д.).

Микропроцессоры и однокристальные  ЭВМ это достаточно сложные устройства, хотя диапазон их использования очень  широк. Главные достоинства микропроцессорной техники это компактность, экономичность, универсальность, массовость применения. Благодаря этим свойствам микропроцессоры нашли применение как в системе управления космическими полетами, так и в детских игрушках; ОЭВМ используются для управления бытовыми приборами и роботами, станками с числовым программным управлением и т.п. За последние годы в микроэлектронике бурное развитие получило направление, связанное с выпуском ОЭВМ, которые предназначены для «интеллектуализации» оборудования различного назначения.

Однокристальные (однокорпусные) ЭВМ представляют собой приборы, конструктивно выполненные в виде БИС и включающие в себя все составные части микроЭВМ: микропроцессор, память программ и память данных, а также программируемые интерфейсные схемы для связи с внешней средой. Использование ОЭВМ в системах управления обеспечивает достижение исключительно высоких показателей эффективности при столь низкой стоимости (во многих применениях система может состоять только из одной БИС ОЭВМ), что в ОЭВМ, видимо, нет разумной альтернативной элементной базы для построения управляющих и/или регулирующих систем. К настоящему времени более двух третей мирового рынка микропроцессорных средств составляют именно однокристальные ЭВМ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ

 

1. СИСТЕМА КОРРОЗИЙНОГО МИНИТОРИНГА УСТАНОВКИ

 

Система защиты от коррозии нефтеперерабатывающего оборудования во время его эксплуатации в основном построена на применении химико-технологических  методов, таких как обессоливание  и обезвоживание нефти ( с применением деэмульгаторов), нейтрализация агрессивных компонентов, присутствующих в составе нефти (в нефтепродуктах), путем ввода щелочных реагентов в сырье, а также за счет применения водорастворимых и нефтерастворимых ингибиторов.

Как показывает мировой опыт, применяемые  методы в нефтепереработке далеки от совершенства. Эксплуатация нефтеперерабатывающего оборудования часто сопровождается неритмичной загрузкой технологических установок, простоями в результате возникающих производственных отказов, нестабильной подачи химических реагентов (нейтрализатора и ингибитора) ведет к катастрофическому росту скорости коррозии конденсатно-холодильного оборудования. Скорость коррозии металла может повышаться в сотни раз, а потеря металла за часы эквивалентна его потерям за несколько лет нормальной работы.

Методы и мероприятия по защите оборудования от коррозии разрабатываются  на основе проведенных осмотров во время планово-предупредительных  работ, диагностических работ в  рамках экспертизы промышленной безопасности и выборочных испытаний с применением образцов-свидетелей. Коррозионные повреждения фиксируются как свершившийся факт при проведении обследований на оборудовании, оставляя в области предположений причины их возникновения и условия начала коррозионной активности. Как следствие, антикоррозионные мероприятия, разрабатываемые по такой схеме, несут запоздалый характер и не позволяют оперативно влиять на зарождение интенсивной коррозии в результате изменения состава среды или технологических параметров.

В последнее время получили развитие системы оперативного контроля и  оптимизации защиты от коррозионных процессов, работающие в режиме реального  времени, что существенно повлияло на достоверность получаемой информации о текущей скорости коррозии и дало возможность более точно определять причины, влияющие на протекание коррозии. При этом уменьшился неоправданный расход химических реагентов, а также реже стали отказы оборудования, что привело к увеличению его ресурса работы. Так, статистические данные по эксплуатации подобных систем показали снижение общего расхода химических реагентов, применяемых при антикоррозионных мероприятиях, на 2045%, что по стоимости сопоставимо с общими затратами по внедрению таких систем.

В основу системы заложен принцип  непрерывного сбора данных, поступающих с датчиков коррозии, и уровня pH в режиме реального времени и накопления данных для долговременного прогнозирования коррозионного износа установки АВТ (атмосферно-вакуумная трубчатка – установка первичной переработки нефти).

С учетом комплексного подхода к  проблеме коррозионного воздействия  и его последствий в системе  предусмотрены датчики акустической эмиссии (АЭ) для контроля за развивающимися дефектами (язвенная коррозия, трещины  и т.д.) на коррозионно-опасных направлениях.

В разрабатываемой системе осуществляется сбор данных с 1-го аналогового датчика  pH, 4-х датчиков коррозии и 1-го датчика акустической эмиссии. Кроме того, осуществляется сбор информации с 12 дискретных датчиков о положении запорной аппаратуры.

 

 

2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

 

Измерительная часть системы ККМ  состоит из датчиков коррозии 3500НТ погружного типа в высокотемпературном  исполнении фирмы Rohback Cosasco, метрологических комплексов ЕХА 202 для определения значения уровня рН компании Yokogawa Electric и преобразователей АЭ резонансного типа GT200B фирмы «Глобалтест».

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Метрологический комплекс определения уровня рН.

 

Датчики коррозии работают по принципу измерения электрического сопротивления  чувствительного элемента. Сопротивление связано с геометрическими размерами элемента и увеличивается по мере его растворения. Коэффициент корреляции между изменением электрического сопротивления чувствительного элемента и скоростью коррозии определяется эмпирически с помощью образцов-свидетелей.

Для контроля значений уровня рН водной фазы технологической среды в  системе ККМ используются метрологические  комплексы проточного типа, изображенные на рисунке 1, которые работают по принципу измерения активности ионов водорода (величины рН) в водной среде.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Преобразователь акустической эмиссии.

 

Преобразователи акустической эмиссии (АЭ) в составе системы ККМ, показанные на рисунке 2, служат для выявления  зависимостей между коррозионной обстановкой  на установке АВТ и поведением развивающихся (активных) дефектов в металле. Методом акустической эмиссии оцениваются интенсивность поступающих сигналов, их энергетические параметры и спектральные особенности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ  СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ

 

2.1 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

 

Микропроцессорная системы сбора  данных должна удовлетворять следующим  требованиям: обеспечивать высокое  быстродействие и быть простой в  исполнении, должна обеспечивать устойчивую и безотказную работу, быть сравнительно дешевой и потреблять небольшие ресурсы. Для выполнения поставленных задач и в соответствии с предъявляемыми основными требованиями подходит микроконтроллер серии К1816ВЕ51.

 

 Рисунок 3 – Структурная схема  микропроцессорной системы сбора  данных.

 

Микропроцессорная система (МПС) состоит  из следующих блоков: микроконтроллера (МК), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), постоянного запоминающего  устройства (ПЗУ), программируемого таймера (ПТ), параллельного программируемого интерфейса (ППИ), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), мультиплексора (MUX), программируемого контроллера прерываний (ПКП).

МК формирует шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Блоки  ОЗУ, ПЗУ, ПТ, ППИ, ПКП подключены к шинам.

ОЗУ предназначено для хранения данных опроса датчиков, а также  промежуточные данные. ПЗУ предназначена  для хранения кода программы и  различных констант.

ПТ предназначен для отсчета  интервала времени, которое потребуется  для выполнения команд МК. Перед выполнением операции ПТ запускается. При удачном выполнении операции МК сбрасывает ПТ. Если от МК не поступает команды сброса счета (произошло зависание), ПТ по окончании отсчета интервала времени вырабатывает сигнал сброса МК.

ППИ предназначено для подключения внешних устройств. К ППИ подключены АЦП, дискретный мультиплексор и ЦАП.

АЦП предназначен для преобразования аналогового сигнала с датчиков и цифровой код, который через  ППИ подается в МК. Аналоговые датчики  подключаются к АЦП через аналоговый мультиплексор.

Через дискретный мультиплексор поступают  данные с дискретных датчиков.

ЦАП предназначен для формирования управляющего воздействия.

ПКП предназначен для обслуживания внешних прерываний.

 

2.2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА РАБОТЫ  ПРОГРАММЫ

 

Блок-схема алгоритма разрабатываемой  информационно-измерительной системы  представлена в Приложении 2.

В начале основной программы происходит инициализация микросхем, входящих в состав микропроцессорной системы. После инициализации начинается последовательный опрос датчиков.

Система осуществляет сбор и анализ информации с 6-ти аналоговых датчиков и 12-ти дискретных. Аналоговые сигналы  с датчиков поступают на входы  аналогового мультиплексора (MUX), которые в каждый интервал времени коммутируют один из сигналов на вход аналого-цифрового преобразователя (ADC).