Курсовая работа по мехатронике на тему Разработка програмно-аппаратных средств сисиемы управления мехатронным модулем

ВВЕДЕНИЕ
Мехатронные модули представляют собой интегрированные системы, соче-тающие в себе механические, электрические, электронные и программные компоненты. Они используются в различных отраслях промышленности, та-ких как автоматизация производства, робототехника и автомобилестроение. Для эффективного управления мехатронными модулями необходимы надёж-ные и высокоэффективные системы управления.
В настоящее время системы управления мехатронных модулей становятся всё более сложными и требуют использования передовых программно-аппаратных решений. Разработка таких средств представляет собой актуаль-ную и востребованную задачу в условиях современной автоматизации.
Целью данной курсовой работы является разработка программно-аппаратных средств для системы управления мехатронными модулями. Ре-шение этой задачи позволит повысить эффективность управления такими мо-дулями и расширить их функциональные возможности в составе автоматизи-рованных систем.
?






1. АНАЛИЗ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Объектом управления является двухкоординатный исполнительный ме-ханизм. Это могут быть приводы подачи токарного станка, приводы переме-щения стола фрезерного станка, двухстепенной манипулятор и другие меха-низмы. Пример кинематической схемы двух координат (X, Y) приведён на рис. 1.

Рис.1. Кинематическая схема координат Х и Y.

Исполнительный двигатель (1) через передаточный механизм (5) соеди-нён с рабочим органом (3) технологической установки. Конечные выключате-ли Xn и Xk (2) предназначены для контроля крайних положений рабочего ор-гана. Датчик перемещения (4) предназначен для определения положения ра-бочего органа в пространстве.
В качестве исполнительного двигателя может использоваться любой тип дви-гателя: постоянного или переменного тока, синхронный или асинхронный. Для обеспечения его работы применяется силовой преобразователь.
В качестве датчика перемещения используется оптический фотоимпульсный датчик. При движении механизма вал датчика вращается, и на его выходе формируются прямоугольные импульсы. Необходимо спроектировать устройство обработки сигналов с датчика перемещения, обеспечивающее под-счёт импульсов с учётом направления движения.
В состав локального объекта, помимо приводов перемещений, входят дис-кретные объекты управления и устройства ввода информации, работающие по принципу «включено–выключено».
В качестве дискретных объектов управления могут применяться различные устройства: магнитные пускатели, электромагнитные клапаны гидро- и пнев-моаппаратуры, звуковая и световая сигнализация и другие приборы. Для их управления требуются устройства дискретного вывода, обеспечивающие включение и выключение этих приборов.
Эти приборы имеют разные электрические параметры. Например, магнитные пускатели могут работать от переменного напряжения 220 В и потреблять ток 0,1 А. Электромагнитные клапаны могут питаться от постоянного напряжения 24 В с потреблением тока до 1 А.
Необходимо спроектировать 8 устройств дискретного ввода. Таким образом, в нашей системе предусмотрены устройства типа 2 — 8 устройств на 24 В по-стоянного тока.
В качестве дискретных объектов ввода информации используются конечные выключатели, размещённые на механизме, а также другие устройства: кнопки, переключатели и т.п. Эти элементы могут работать при различном напряже-нии. Для их подключения к системе управления требуется согласующее устройство — устройство дискретного ввода.
Также необходимо спроектировать 8 устройств дискретного вывода, в том числе:
• Тип 5 — 4 устройства на 36 В, 10 А постоянного тока;
• Тип 8 — 4 устройства на 18 В, 0,5 А переменного тока.
Управление механизмом осуществляется по заданному алгоритму, программ-ная реализация которого хранится в памяти программ управляющей ЭВМ. Для оператора предусмотрен пульт управления, состоящий из дисплея, на ко-тором отображается выполнение программы, и клавиатуры, с помощью кото-рой можно корректировать данные, передаваемые в программу.
В качестве дисплея используется знакосинтезирующий жидкокристаллический индикатор, например, фирмы Data Vision. Тип дисплея — количество строк и символов в строке — подбирается в зависимости от требований проекта.
Таким образом, в состав системы управления (рис. 2) входят:
• два модуля управления приводами (координаты X и Y),
• два модуля ввода информации с трёх датчиков перемещения,
• модули дискретного ввода и вывода,
• пульт оператора (дисплей и клавиатура).
Интерфейс связи с ЭВМ верхнего уровня предназначен для обеспечения цен-трализованного управления.

Рис.2. Состав системы управления
2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА УПРАВЛЯЮЩЕЙ ЭВМ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Задачи, решаемые системами управления, делятся на два основных класса:
– управление событиями в реальном времени;
– управление потоками данных.
Каждый из этих классов предъявляет свои специфические требования к выбо-ру микропроцессора или микроконтроллера, что напрямую отражается на со-ставе функций, реализуемых на кристалле, а также на системе команд.
К первому классу относятся задачи, требующие быстрой реакции микропро-цессорной системы на изменение внешних условий — срабатывание техноло-гических датчиков, изменение параметров и т.д. Как правило, к системам пер-вого класса относятся системы управления приводами, энергетическими уста-новками, роботами, а также системы распределённой автоматизации. Эти за-дачи требуют применения микроконтроллеров с расширенным набором встроенной периферии: встроенной памятью программ, памятью данных, тай-мерами, средствами связи и интерфейсами ввода-вывода. Преимущество таких контроллеров — сокращение аппаратных затрат и удешевление изделия со встроенной системой управления. В большинстве случаев объёмы необходи-мой памяти для подобных задач невелики и ограничиваются 32 Кбайт.
Ко второму классу относятся задачи, требующие быстрой обработки больших объёмов информации. Это характерно для микропроцессорных систем, об-служивающих компьютерные сети, летательные аппараты, подвижной состав, а также для систем обработки видеоизображений. В этих случаях встроенный процессор должен выполнять большое количество вычислительных операций, включая операции с плавающей запятой. Соответственно, для реализации та-ких задач требуются мощные 32- или 64-разрядные процессоры с высокой производительностью и большим объёмом оперативной и постоянной памяти.
Основной базой для построения систем управления нижнего уровня, т.е. для
решения задач первого класса, являются именно однокристальные микро ЭВМ и
Производством микроконтроллеров занимаются многие известные компании, такие как Intel, Atmel, Philips, Infineon Technologies (Siemens), Silicon Storage Technology, Microchip, Motorola, Dallas Semiconductor, Triscend и другие. Необходимо выбрать микроконтроллер таким образом, чтобы он мог надёж-но выполнять поставленные задачи, но при этом не обладал избыточными возможностями, увеличивающими стоимость и сложность.
На сегодняшний день наибольшее распространение получили микроконтрол-леры фирм Atmel и Microchip, а по архитектуре — микроконтроллеры се-мейств AVR, PIC и MCS-51. В данной курсовой работе выбор сделан в поль-зу микроконтроллеров семейства MCS-51, широко используемых в системах управления благодаря простоте, надёжности и обширной базе технической поддержки. Эти микроконтроллеры выпускаются различными производите-лями, включая Atmel и Intel. Описание микроконтроллера MCS-51 приводится в теоретической части курса. Он включает четыре параллельных порта ввода-вывода (P0...P3) и может быть использован двумя способами: