Projekt Układów Logicznych

Transkrypt

1 Opole, dn. 1 maja 005 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Informatyka Projekt Układów Logicznych Temat: Sterownik suszarki Autor: Prowadzący: Dawid Najgiebauer Piotr Nitner Informatyka, rok 004/05, sem. III, grupa lab. 7 (Pt. g ) prof. dr hab. inż. T. Skubis Ocena:... Uwagi:... O P O L E 0 0 4

2 Spisy 1. Spisy 1.1. Spis treści 1. Spisy Spis treści Spis ilustracji i schematów Spis tabel Spis równań Spis zawartości załączonej płyty CD Temat projektu (temat nr /) Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie Sygnały na wyjściu termometru Sterowanie mocą grzewczą Część logiczna realizacja funkcji Pozostałe obliczenia Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych i obudów Schemat ideowy Projekt płytki drukowanej Symulacja działania urządzenia Zastosowane elementy Wykaz literatury Zasoby biblioteczne i czasopiśmiennicze Zasoby internetowe Spis ilustracji i schematów Rysunek.1. Schemat sterowania urządzenia... 5 Rysunek 4.1. Siatka Karnaugha dla funkcji W Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji Rysunek 4.3. Siatka Karnaugha dla funkcji Rysunek 4.4. Schemat połączeń bramek logicznych do realizacji funkcji Rysunek 5.1. Schemat ideowy układu... 1 Rysunek 5.. Projekt płytki drukowanej urządzenia część wierzchnia, skala 1: Rysunek 5.3. Projekt płytki drukowanej urządzenia część spodnia, skala 1: Rysunek 5.4. Schemat użyty do symulacji układu w programie Electronics Workbench Rysunek 5.5. Przebiegi z wirtualnego urządzenia Logic Analizer programu Electronics Workbench uzyskane podczas symulacji

3 Spisy Spis tabel Tabela 4.1. Możliwe stany wyjść termometru kontaktowego w zależności od temperatury... 7 Tabela 4.. Moce suszarki w zależności od połączenia grzejników Tabela 4.3. Uzyskiwana moc w zależności od stanów przełączników (wg rys..1)... 8 Tabela 4.4. Tabela translacji kodu Tabela 4.5. Teoretyczne maksymalne prądy na elementach urządzenia Tabela 6.1. Spis elementów zastosowanych do wykonania urządzenia Spis równań Równanie 4.1. Równania na rezystancję grzejnika o mocy P i napięciu znamionowym U Równanie 4.. Opór zastępczy dla połączenia równoległego... 7 Równanie 4.3. Moc suszarki przy połączeniu równoległym obu grzejników... 8 Równanie 4.4. Opór zastępczy przy połączeniu szeregowym grzejników... 8 Równanie 4.5. Równanie funkcji W Równanie 4.6. Równanie funkcji F... 9 Równanie 4.7. Równanie funkcji F Równanie 4.8. Równania funkcji jako dwuargumentowych funkcji NAND Równanie 4.9. Obliczanie oporu stosowanego do zasilania diod LED... 10

4 Spisy Spis zawartości załączonej płyty CD Katalog/plik docs\ projekty\suszarka.sch projekty\suszarka.brd projekty\suszarka.ewb projekty\img\ programy\eagle-4.01e.exe programy\license.key programy\ewb.exe Opis Katalog z wersjami elektronicznymi w formacie Word i Adobe Aprobat (PDF) tego dokumentu Schemat urządzenia w formacie programu Eagle Projekt płytki drukowanej dla urządzenia w formacie programu Eagle Schemat urządzenia wykorzystany do symulacji działania układu w formacie programu Electronics Workbench Katalog z obrazami w formacie PNG projektu płytki drukowanej oraz schematu Program Eagle 4.01 wykorzystany do zaprojektowania schematów oraz płytek drukowanych dla układu (wersja instalacyjna) Plik z kluczem licencyjnym dla studenckiej wersji programu Eagle zapewnia poprawne i pełne działanie programu Program Electronics Workbench 5.1 wykorzystany do symulacji działania układu (wersja nieinstalacyjna samorozpakowywujące się archiwum z programem)

5 Temat projektu (temat nr /) 5. Temat projektu (temat nr /) Zaprojektować układ kombinacyjny do sterowania suszarką. Temperatura w komorze suszarki jest mierzona przez termometr kontaktowy wytwarzający cztery sygnały: x 1, x, x 3, x 4. Za pomocą wyłączników W1, W i W3 należy sterować grzejnikami G1 i G tak, aby spełnić warunki: - gdy wartość temperatury poniżej x 1, należy dostarczyć moc P=6kW, - gdy wartość temperatury jest między x 1 a x, należy dostarczyć moc P=4kW, - gdy wartość temperatury jest między x a x 3, należy dostarczyć moc P=kW, - gdy wartość temperatury jest między x 3 a x 4, należy dostarczyć moc P=1,33kW, - gdy wartość temperatury jest powyżej x 4, należy dostarczyć moc P=0kW. Układ zrealizować na bramkach NOR lub NAND. Opracować schemat przy wykorzystaniu układów serii UCY i zaprojektować płytkę drukowaną. Rysunek.1. Schemat sterowania urządzenia.

6 Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu 6 3. Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu Układ ma służyć do sterowania suszarką i utrzymywania stałej jej temperatury. W przypadku przekroczenia pewnej temperatury zmniejszana jest moc grzewcza suszarki, a więc i obniżana temperatura. Z kolei, gdy temperatura jest niska, to suszarka mocniej nagrzewa. Do pomiaru temperatury służy termometr kontaktowy o 4 poziomach. Wypełniony jest on rtęcią. Rtęć, jako przewodnik, podłączona jest pod dane napięcie. W momencie osiągnięcia poziomu stycznika napięcie to jest przekazywane także na niego pojawia się sygnał. W ten sposób, na wyjściach termometru mogą pojawić się sygnały: - brak sygnałów na jakimkolwiek wyjściu, - sygnał wyłącznie na wyjściu umieszczonym najniżej (odpowiadającym najmniejszej temperaturze). - sygnał na dwóch najniższych wyjściach równocześnie, itd. - sygnał na wszystkich wyjściach po przekroczeniu ostatniego poziomu kontaktu. Suszarka posiada też dwa grzejniki o różnej mocy, dzięki którym przy odpowiednim ich połączeniu można uzyskać 5 różnych mocy grzewczych: - 0kW gdy oba są wyłączone, - 1,33kW gdy połączone są szeregowo, - kw gdy załączony jest tylko grzejnik o mniejszej mocy, - 4kW gdy załączony jest tylko grzejnik o większej mocy, - 6kW gdy załączone są oba równolegle. Do sterowania ich sposobem połączenia wystarczają dwa wyłączniki i jeden przełącznik w układzie, jak pokazano na rysunku.1. Układ sterujący ma za zadanie wyłącznie odczytywać stany z termometru i podawać stany na wyjściu, które będą odpowiadać konkretnym pozycjom przełączników.

7 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 7 4. Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 4.1. Sygnały na wyjściu termometru W zależności od temperatury, na wyjściach termometru możliwe do osiągnięcia są stany wyłącznie takie, jak przedstawiono w tabeli 4.1. Tabela 4.1. Możliwe stany wyjść termometru kontaktowego w zależności od temperatury. Temperatura poziom rtęci x 1 x x 3 x 4 1. (min) (max) Inne stany wyjść nie występują. 4.. Sterowanie mocą grzewczą Suszarka wyposażona jest w dwa grzejniki o mocy 4kW i kw. Załączając tylko jeden lub drugi z nich uzyskujemy moc znamionową danego grzejnika. Możliwe jest także uzyskanie innych mocy poprzez łączenie szeregowe lub równoległe. Grzejniki możemy potraktować jak rezystory o określonych wartościach, jakie możemy wyliczyć korzystając z równań 4.1. Równanie 4.1. Równania na rezystancję grzejnika o mocy P i napięciu znamionowym U. U R = I P I = U U R = P Stąd opór grzejnika 4kW wynosi 13,5Ω, zaś dla grzejnika kw - 6,45Ω. Przy połączeniu równoległym opór zastępczy grzejników można wyliczyć na podstawie poniższego wzoru: Równanie 4.. Opór zastępczy dla połączenia równoległego. R R = RR1 (13,5)(6,45) = = 8, Ω R + R 13,5 + 6, Przy połączeniu równoległym napięcie na każdym z grzejników jest takie same i równe napięciu zasilania. Stąd moc przy połączeniu równoległym wynosi:

8 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 8 Równanie 4.3. Moc suszarki przy połączeniu równoległym obu grzejników. U 30 V V P = = = 6000 = = VA = W R 8,817 Ω V A A więc otrzymujemy moc wynoszącą 6kW. Możliwe jest także połączenie szeregowe obu grzejników. W takim przypadku możemy potraktować oba grzejniki jako jeden o oporności wg wzoru: Równanie 4.4. Opór zastępczy przy połączeniu szeregowym grzejników. R s = R 1 + R = 13,5 + 6,45 = 39, 675Ω Także w tym przypadku korzystając z równania 4.3 można obliczyć wydzielaną moc, która wynosi tym razem 1,33kW. Zatem podsumowując możemy uzyskać następujące moce przy danym połączeniu: Tabela 4.. Moce suszarki w zależności od połączenia grzejników. Grzejnik 4kW Grzejnik kw Połączenie Uzyskana moc Wyłączony Wyłączony n/d 0 kw Załączony Załączony Szeregowe 1,33 kw Wyłączony Załączony n/d kw Załączony Wyłączony n/d 4 kw Załączony Załączony Równoległe 6 kw Mając do dyspozycji układ jak na rysunku.1 z dwoma wyłącznikami i jednym przełącznikiem należy zaprojektować układ tak, aby sterował tymi przełącznikami. Zakładając, że sygnał 1 dla wyłączników oznacza stan zwarty (załączony), zaś dla przełącznika sygnał 1 oznacza połączenie szeregowe ( 0 odpowiada dla połączenia równoległego), to w celu uzyskania żądanych mocy, należy ustawić wspomniane przełączniki w pozycjach wg tabeli 4.3. Tabela 4.3. Uzyskiwana moc w zależności od stanów przełączników (wg rys..1). Moc W1 W W3 0 kw 0 0 Φ 1,33 kw kw kw kw Stan oznaczony przez Φ oznacza dowolne położenie przełącznika Część logiczna realizacja funkcji Do zrealizowania są 3 funkcje oparte na 4 liniach sygnałowych. De facto należy zrealizować 3 funkcje wg podanej tabeli translacji kodu. Tabela 4.4. Tabela translacji kodu. x 1 x x 3 x 4 W1 W W Φ

9 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 9 Do realizacji kodu wyjściowego najprościej posłużyć się metodą opartą o tzw. siatki (mapy) Karnaugha. W poniższych siatkach zaznaczono stany 1 i 0. Pola niewypełnione oznaczają tzw. stany Φ. Stan taki możemy interpretować jako 1 lub 0 w zależności od potrzeby. Zwyczajowo interpretuje się je tak, aby móc utworzyć jak największą grupę. Funkcja W1: x 3 x 4 x 1 x Rysunek 4.1. Siatka Karnaugha dla funkcji W1. Równanie 4.5. Równanie funkcji W1. W 1 = x Funkcja W: x 3 x 4 x 1 x Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji. Równanie 4.6. Równanie funkcji F. W = x + x x 1 4 Funkcja 3: x 3 x 4 x 1 x Rysunek 4.3. Siatka Karnaugha dla funkcji 3. Równanie 4.7. Równanie funkcji F 3. W 3 = x 3 Optymalizacja i konwersja na funkcje NAND Założeniem była realizacja wszystkich funkcji na bramkach NAND. W tym celu należy posłużyć się prawami de Morgana, które określają przejście z funkcji OR na AND. Funkcja NAND jest zaprzeczeniem wyniku funkcji AND. Równania opisujące realizowane funkcje W1, W i W3 w oparciu o dwuargumentowe funkcje NAND przedstawiono poniżej:

10 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 10 Równanie 4.8. Równania funkcji jako dwuargumentowych funkcji NAND. W 1 = x = x x 1 W = x + x x = x + x x = x x x = x x x x W 3 = x = x x Realizacja wszystkich funkcji na bramkach Realizację wszystkich opisanych funkcji na bramkach logicznych przedstawiono na rysunku poniżej. 4 Rysunek 4.4. Schemat połączeń bramek logicznych do realizacji funkcji Pozostałe obliczenia Diody LED W układzie do sygnalizacji stanu pracy urządzenia zastosowano 5mm diody LED koloru zielonego i czerwonego. Prąd tych diod powinien wynosić ok. 15-0mA. Zakładając, że urządzenie będzie pracować w zakresie napięć zasilania 4-6V, a diody będą podłączane pod takie też napięcie należy zastosować rezystor ograniczający prąd wg wzoru: Równanie 4.9. Obliczanie oporu stosowanego do zasilania diod LED U 4 6V R = = = Ω I 0,015 0,0A Rozsądnym wyborem wydaje się zastosowanie oporników o standardowej wartości 70Ω, co spowoduje przepływ prądu na poziomie 15-mA i zagwarantuje poprawną pracę diod elektroluminescencyjnych. Prąd pobierany przez urządzenie Jako, że docelowo układ jest przewidziany do zasilania z zasilacza sieciowego istotnym parametrem jest to, jak duży prąd będzie pobierany przez układ. Dane takie można odczytać albo z parametrów zastosowanego układu, albo na podstawie Prawa Ohma znając oporności poszczególnych obwodów. Teoretyczne maksymalne prądy w obwodach zostały przedstawione w tabeli 4.5.

11 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 11 Tabela 4.5. Teoretyczne maksymalne prądy na elementach urządzenia. Element / obwód Prąd zasilania [ma] U1-U (bramki logiczne) x 33 D1-D4 (kontrolki diodowe) 4 x Prąd pobierany 3 x 15 RAZEM: 199 Wyliczony prąd jest szacunkowym prądem maksymalnym. Wystarczającym zasilaczem sieciowym, który posłuży do zasilenia układu, będzie zasilacz o maksymalnym prądzie wyjściowym równym 00mA.

12 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych i obudów 1 5. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych i obudów 5.1. Schemat ideowy Schemat ideowy przedstawiono na rys Rysunek 5.1. Schemat ideowy układu. Układ jest zasilany z gniazda X1. Do gniazda SV1 przyłączony jest termometr kontaktowy. Gniazdem tym wyprowadzone jest zasilanie (Vcc i GND). Jednocześnie przez to samo gniazdo wprowadzone są sygnały z termometru kontaktowego odpowiadające temperaturze przez niego zmierzonej. Diody D1-D4 sygnalizują stany wejść z termometru a więc temperaturę. Gniazdem SV wyprowadzone są wyjścia do przełączników sterujących grzejnikami (SV-1 odpowiada wyłącznikowi W1, SV- wyłącznikowi W, a SV-3 przełącznikowi W3, gdzie stan 1 oznacza przełączenie dla pracy równoległej). 5.. Projekt płytki drukowanej Płytka drukowana dla urządzenia jest dwuwarstwowa. Projekt płytki w skali 1:1 przedstawiają rysunki 5. (część wierzchnia) oraz 5.3 (cześć spodnia).

13 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych i obudów 13 Rysunek 5.. Projekt płytki drukowanej urządzenia część wierzchnia, skala 1:1. Rysunek 5.3. Projekt płytki drukowanej urządzenia część spodnia, skala 1: Symulacja działania urządzenia Schemat wykorzystany do przeprowadzenia symulacji przedstawiono na rysunku 5.4. Symulacji dokonano w programie Electronics Workbench 5.1. Na potrzeby symulacji termometr został zastąpiony przełącznikami. Na rysunku 5.5 przedstawiono przebiegi logiczne układu wyjścia termometru oraz wyjścia logiczne.

14 Rysunek 5.4. Schemat użyty do symulacji układu w programie Electronics Workbench. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych i obudów 14

15 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych i obudów 15 Rysunek 5.5. Przebiegi z wirtualnego urządzenia Logic Analizer programu Electronics Workbench uzyskane podczas symulacji. Jak widać urządzenie zachowywało się poprawnie (por. tab. 4.4).

16 Zastosowane elementy Zastosowane elementy Tabela 6.1. Spis elementów zastosowanych do wykonania urządzenia. Oznaczenie 1 Element Wartość Cena D1, D, D3, D4 Dioda elektroluminescencyjna Czerwona 5mm 4 x 0,0 R1, R, R3, R4 Rezystor 70Ω/0,15W/5% 4 x 0,15 SV1 Gniazdo 6-złączeniowe 3,50 SV Gniazdo 4-złączeniowe 3,00 X1 Złącze -złączeniowe 3,0 IC1, IC Bramka logiczna TTL 7400N x 1,00 RAZEM: 13,10 PLN 1 Zgodne z tym, które zastosowano na schematach przedstawionych na rys Na podstawie sklepu

17 Wykaz literatury Wykaz literatury 7.1. Zasoby biblioteczne i czasopiśmiennicze [1] P. Horowitz, W. Hill: Sztuka elektroniki Część 1 i. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa [] O. Limann, H. Pelka: Elektronika bez wielkich problemów Technika Cyfrowa. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa [3] J. Pieńkos, J. Turczyński: Układy scalone TTL w systemach cyfrowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa [4] W. Traczyk: Układy cyfrowe. Podstawy teoretyczne i metody syntezy. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [5] H. Kamionka-Mikuła, H. Małysiak, B. Pochopień: Układy cyfrowe, Wyd. Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice Zasoby internetowe [6] [7] [8] [9] [10] [11]