Курсовая работа (т): Микропроцессорная система контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом

Микропроцессорная система контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом

Министерство общего и профессионального образования РФ

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Факультет технической кибернетики

Направление АиУ

КУРСОВАЯ РАБОТА

“Микропроцессорная система контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом”

Выполнил: студент гр. АиУ-96-4

Кулиненко А.А.

Проверил: Канд. техн. наук, доцент

Кузяков О.Н.

Тюмень 2000

Реферат

Отчет 25 с., 5 рис., 2 табл., 11 источников, 3 прил.

АЦП, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, РЕГИСТР, ДАТЧИК, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ПОРТ, ИНТЕРФЕЙС, ОЗУ, ДЕШИФРАТОР, ДАННЫЕ.

Объектом исследования данной курсовой работы является исследование микроконтроллера К1816ВЕ51 и построение микропроцессорной системы контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом.

Целью работы является разработать систему контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважины турбинным способом.

В процессе работы рассмотрены конструктивные особенности узлов. Приведены структурная, принципиальная схема и блок-схема алгоритма работы.

Основные технико-эксплуатационные характеристики:

количество точек контроля аналоговых - 16;

количество точек контроля цифровых - 32;

количество точек контроля цифровых 8-разрядных - 20;

производить опрос через каждую минуту;

время опроса 12 часов;

система контроля стационарная;

температурный диапазон от 0° C до +70° C;

реакция на падение напряжения.

Содержание

Введение

Существующие микропроцессорные системы

Разработка системы контроля

. Описание микросхем системы

.1 Однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51.

.2 Аналого-цифровой преобразователь К572ПВ4

.3 Источник опорного напряжения К1009ЕН2А

.4 ПЗУ К573РФ8

.5 ОЗУ 62256

.6 Регистр 1533ИР22

.7 Компаратор К521СА3А

. Разработка структурной схемы

. Разработка принципиальной схемы

.1 Состав

.2 Конструктивные особенности

.3 Реакция схемы на падение напряжения

. Подключение датчиков к схеме

.1 Подключение аналоговых датчиков

.2 Подключение цифровых датчиков

.3 Подключение дискретных датчиков

. Подключение управляющих механизмов

. Разработка блок-схемы алгоритма работы

. Конструкторский расчет

.1 Расчет необходимого размера оперативной памяти

.2 Расчет потребляемой мощности

Заключение

Список используемых источников

Введение

В 70-х гг. были достигнуты успехи в области технологии интегральных микросхем и организации вычислительных устройств привели к появлению нового класса приборов - микропроцессоров. Сегодня микропроцессорная техника - индустриальная отрасль со своей методологией и средствами проектирования.

Микропроцессорные БИС относятся к новому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления работой БИС с помощью определенного набора команд. Эта особенность нашла отражение в программно-аппаратном принципе построения микропроцессорных систем (МС) - цифровых устройств или систем обработки данных, контроля и управления, построенных на базе одного или нескольких микропроцессоров (МП).

Особую группу МС с программным управлением образуют микроЭВМ с хранимым в постоянной памяти прикладным программным обеспечением. Такие системы, встраиваемые в аппаратуру потребителя и предназначенные для управления ею в реальном масштабе времени, называются программируемыми микроконтроллерами. В настоящее время существует достаточно большое количество микроконтроллеров, которые позволяют производить сбор, контроль и управление одним или несколькими параметрами какого-либо процесса при лабораторных исследованиях, в промышленном производстве и на других объектах.

Отечественной разработкой однокристальной микроЭВМ является БИС типа К1816ВЕ51. Микроконтроллер КР1816ВЕ51 представляет собой очень удобное аппаратное средство, которое подходит для разработки систем сбора информации и контроля, т.к. содержит в себе 4 двунаправленных порта, мультиплексированную шину адреса (16 бит) с шиной данных, а также 2 программируемых таймера.

Существующие микропроцессорные системы

В настоящее время практически невозможно указать какую-то отрасль науки и производства, в которой бы не использовались микропроцессоры и микроЭВМ. Универсальность и гибкость МП как устройств с программным управлением наряду с высокой надежностью и дешевизной позволяют широко применять их в самых различных системах управления для замены аппаратной реализации функций управления, контроля, измерения, сбора и обработки данных.

Достижение высокой производительности и повышение надежности обработки информации в рамках одной и той же элементной базы явились основными причинами создания мультимикропроцессорных систем.

Появление МП и микроЭВМ способствовало дальнейшему расширению работ по построению высокопроизводительных вычислительных и управляющих систем. Низкая стоимость МП не только обеспечила возможность промышленного использования мультимикропроцессорных систем (ММПС), но и повлияла на способы их организации. Постоянное снижение стоимости и повышение вычислительной мощности МП сделали их менее дорогими компонентами, чем память и периферийные устройства.

ММПС делятся на две большие группы:

·   распределенные (децентрализованные) системы;

·   сосредоточенные (централизованные) системы.

Распределенные ММПС увеличивают живучесть и экономичность систем и расширяют их возможности. Они содержат территориально рассредоточенные по всему объекту МП и микроЭВМ.

Сосредоточенные ММПС работают по принципу параллельной обработки данных и предназначаются в основном для обеспечения высокой производительности систем.

Разработка системы контроля

Разработанная система предназначена для контроля частоты вращения вала забойного двигателя при бурении скважин турбинным способом. По сути, это система сбора информации с большого количества датчиков, таких как: датчик веса бурильного инструмента, датчик давления промывочной жидкости, расхода промывочной жидкости, частоты вращения долота, глубины скважины, работы механизмов (например: насоса нагнетания промывочной жидкости, электромагнитного тормоза) и др. Процесс контроля включает в себя:

·   опрос датчиков, установленных на объекте;

·   предварительную обработку сигналов, включая аналого-цифровую для аналоговых сигналов;

·   уровня, а также управление бурильным инструментом по управляющим сигналам верхнего самостоятельное, с помощью управляющей программы.

·   контроль падения питающего напряжения и соответствующая реакция (аварийный останов работы).

Структурная схема разработанной системы состоит из следующих основных блоков:

·   микроконтроллер;

·   ПЗУ;

·   ОЗУ;

·   АЦП;

·   устройство выбора/буферизации цифровых сигналов;

·   устройство контроля питающего напряжения;

·   устройства сопряжения и интерфейса;

·   аналоговые, дискретные, цифровые датчики;

(Устройства сопряжения и элементы управления в данной работе не рассматриваются. Считается, что устройства сопряжения обеспечивают необходимый интерфейс для взаимодействия элементов нижнего уровня и разработанной МП системы).

Микроконтроллер является центральным элементом системы, на него возлагается задача управления и координации работы всех остальных блоков согласно заложенной программе. С функциональными узлами системы микроконтроллер связан посредством шин адреса, данных и управления.

Для того, чтобы опросить аналоговые датчики и занести информацию в микроконтроллер, необходимо сделать аналого-цифровое преобразование сигнала. С этой целью в схему включен АЦП. После преобразования сигналов, данные с АЦП поступают в микроконтроллер в виде восьмиразрядного цифрового кода.

Для хранения собираемой информации, а также для организации памяти стека и памяти используемых программой переменных предназначено ОЗУ (оперативное запоминающее устройство). Управление считыванием и записью данных осуществляет микроконтроллер через шину управления. ОЗУ и МП соединены также шинами адреса и данных.

Программное обеспечение системы хранится в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве).

1. Описание микросхем системы

1.1 Однокристальный микроконтроллер КР1816ВЕ51

В состав микроконтроллера входит 8-разрядное АЛУ, управляющее ПЗУ (может отсутствовать), внутреннее ОЗУ данных, 32 линии прямого ВВ, четыре тестируемых входа, канал последовательного ввода-вывода, два 16-разрядных таймера/счетчика T0, T1 и логика двухуровневой системы прерываний с пятью или шестью источниками запросов.

Эти средства образуют резидентную часть МК, размещенную непосредственно на кристалле. Базовая организация предоставляет встроенные средства расширения своих ресурсов, которые предусматривают либо реализацию вне кристалла всей памяти программ, либо расширение памяти до 64Кбайт.

Для сокращения ширины физического интерфейса большинство логических линий совмещается. Так, при обращении к внешней памяти порт Р0 выполняет роль совмещенной шины адреса/данных, а порт Р2 - шины старшей части адреса. Все выводы порта Р1 выполняют роль линий управления и специального ввода-вывода.

Для управления и связи с устройствами расширения микроконтроллер имеет магистраль обмена, совмещенную с портами и состоящую из:

·   шины адреса/данных (AD), через которую производится обмен информацией и выдается младший байт адреса;

·   шина старшего байта адреса (A);

·   строб фиксации адреса ALE;

·   сигнал чтения памяти программ ;

·   записи , и чтения  внешней памяти данных;

·   последовательный интерфейс передачи TXD и приема RXD;

·   два входа запроса прерываний INT0 и INT1;

·   два входа для таймеров/счетчиков T0 и T1;

·   дополнительный порт обмена информацией P1.

1.2 Аналого-цифровой преобразователь К572ПВ4

Микросхема представляет собой 8-разрядную 8-канальную систему сбора данных (ССД). Она обеспечивает непосредственное сопряжение с микропроцессорами, имеющими раздельные и общие шины адреса и данных. Управление микросхемой осуществляется от микропроцессора логическими сигналами ТТЛ- и КМОП- уровней. Режим прямого доступа к памяти реализуется в соответствии с алгоритмом последовательной обработки аналоговых сигналов по восьми независимым входам.

По заданному алгоритму в К572ПВ4 производится последовательный выбор канала с последующим преобразованием входного напряжения с помощью АЦП последовательного приближения. В течение всего цикла преобразования, равного сумме времен преобразования в каждом из восьми каналов, цифровая информация хранится в ОЗУ. Это обеспечивает прямой доступ к памяти ССД в любой момент времени. Последующая смена данных в ОЗУ происходит в конце каждого цикла преобразования в соответствии с номером опрашиваемого канала. Адрес выбора канала определяется в соответствии со значением цифрового кода, записанного в адресные шины A0-A2 и указанного в таблице 1.

Таблица 1. Выбор ячейки с данными по соответствующему каналу согласно значениям цифрового кода на адресной шине

При обращении к памяти данные о состоянии адресных шин A0-A2 поступают в регистр ССД при высоком уровне сигнала ALE и фиксируются при его нулевом уровне. Считывание цифровой информации ОЗУ на выходную восьмиразрядную шину осуществляется при подаче на вход  сигнала логического 0, после чего ячейки буферного регистра переходят из 3-его состояния в проводящее состояние.

1.3 Источник опорного напряжения К1009ЕН2А

Микросхема К1009ЕН2А представляет собой 8-выводжной прецизионный источник опорного напряжения с возможностью программного выбора одного из четырех выходных напряжений: 10.000В, 7.500В, 5.000В, 2.500В. Возможно получение другого выходного напряжения, лежащего выше, ниже или между четырьмя стандартными значениями, с помощью внешнего сопротивления. Входное напряжение может изменяться от 4.5 до 30В.

Если напряжение питания подано на выводы 8 и 4, и все остальные выводы оставлены не присоединенными, то микросхема будет вырабатывать буферизированное выходное напряжение 10В между выводами 1 и 4. Стабилизированное выходное напряжение может быть уменьшено до 7.5В, 5.0В, или 2.5В путем подключения выводов программирования, показанных в таблице 2.

Таблица 2. Подключения выводов программирования микросхемы К1009ЕН2А.

1.4 ПЗУ К573РФ8

Микросхема К573РФ8 представляет собой постоянное запоминающее устройство с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием информации. Объем памяти составляет 256Кбит. Организация памяти 32К´8. Для стирания содержимого ПЗУ в корпусе установлено специальное окошко. Напряжение программирования составляет 21,5В. Микросхема состоит из накопителя, выполненного на базе n-МОП элементах с плавающим затвором.

1.5 ОЗУ 62256

Микросхема 62256 иностранного производства представляет собой микросхему статического ОЗУ. Объем ОЗУ 256Кбит. Организация памяти 32К´8. 14-разрядная шина адреса. Выполнена на базе КМОП- технологии.

1.6 Регистр 1533ИР22

-разрядный регистр с параллельным входом и третьим состоянием выхода. Передача параллельного восьмиразрядного кода на выход Q производится асинхронно подачей уровня логической 1 на вход загрузки L, при . Для фиксации данных на входе L устанавливают уровень логического 0. Перевод выхода регистра в третье состояние происходит при , не зависимо от состояния других входов.