1. Обзор технической литературы

Чтобы понять, как должна работать система управления, следует изучить принцип работы бытового двухкамерного холодильника.

двухкамерный холодильник микропроцессорный контроллер

1.1 Принцип работы однокамерного холодильника

Холодильник -- устройство, поддерживающее низкую температуру в теплоизолированной камере [2]. Применяется обычно для хранения пищи или предметов, требующих хранения в прохладном месте (лекарства, косметика). Бытовой холодильник имеется почти в каждой семье. Работа холодильника основана на использовании теплового насоса, переносящего тепло из рабочей камеры холодильника наружу, где оно рассеивается во внешнюю среду. Существуют также промышленные холодильники, объём рабочей камеры которых может достигать десятков и сотен кубометров, они используются, например, на предприятиях общественного питания, мясокомбинатах, промышленных производствах.

Холодильники могут подразделяться на 2 вида: среднетемпературные камеры для хранения продуктов и низкотемпературные морозильники. Однако в последнее время наибольшее распространение получили двухкамерные холодильники, включающие в себя оба компонента.

Бытовые холодильники по принципу своего действия относятся к компрессионным. Теоретической основой, на которой построен принцип работы компрессионных холодильников, является второе начало термодинамики: «невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Охлаждающий газ в холодильниках совершает так называемый обратный цикл Карно. При этом основная передача тепла основана не на цикле Карно, а на фазовых переходах -- испарении и конденсации. В принципе возможно создание холодильника использующего только цикл Карно, но при этом для достижения высокой производительности потребуется или компрессор, создающий очень высокое давление, или очень большая площадь охлаждающего и нагревающего теплообменника.

Структурная схема холодильника приведена на рисунке 1. Основными составляющими частями холодильника являются:

1) конденсатор, находящийся снаружи холодильника;

2) терморегулирующий расширительный вентиль (ТРВ), являющийся дросселирующим устройством;

3) испаритель, находящийся внутри холодильника;

4) компрессор, получающий энергию от электрической сети;

5) хладагент - циркулирующееся в системе вещество с определёнными физическими характеристиками.

Рисунок 1 - Структурная схема холодильника

Хладагент под давлением через дросселирующее отверстие (капилляр или ТРВ) поступает в испаритель, где за счёт резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости и превращение ее в пар. При этом хладагент отнимает тепло у внутренних стенок испарителя, за счёт чего происходит охлаждение внутреннего пространства холодильника.

Компрессор засасывает из испарителя хладагент в виде пара, сжимает его, за счёт чего температура хладагента повышается и выталкивает в конденсатор.

В конденсаторе, нагретый в результате сжатия хладагент остывает, отдавая тепло во внешнюю среду, и конденсируется, то есть превращается в жидкость. Процесс повторяется вновь.

Таким образом, в конденсаторе хладагент под воздействием высокого давления конденсируется и переходит в жидкое состояние, выделяя тепло, а в испарителе под воздействием низкого давления вскипает и переходит в газообразное, поглощая тепло.

Терморегулирующий вентиль (ТРВ) необходим для создания необходимой разности давлений между конденсатором и испарителем, при которой происходит цикл теплопередачи. Он позволяет правильно (наиболее полно) заполнять внутренний объем испарителя вскипевшим хладагентом. Пропускное сечение ТРВ изменяется по мере снижения тепловой нагрузки на испаритель, при понижении температуры в камере количество циркулирующего хладагента уменьшается. Капилляр -- это аналог ТРВ. Он не меняет свое сечение, а дросселирует определенное количество хладагента, зависящее от давления на входе и выходе капилляра, его диаметра и типа хладагента.

При достижении необходимой температуры температурный датчик размыкает электрическую цепь и компрессор останавливается. При повышении температуры (за счёт внешних факторов) датчик вновь включает компрессор.

1.2 Принцип работы бытового двухкамерного холодильника с электромеханической системой управления

Двухкамерный холодильник отличается от однокамерного наличием собственного испарителя для холодильной и морозильной камер. Принцип работы двухкамерного холодильника следующий: жидкий фреон, накачиваемый мотором-компрессором, проходит по конденсатору и капиллярной трубке, попадет в испаритель морозильной камеры, вскипает и, испаряясь, начинает охлаждать поверхность испарителя [3]. При этом испарение жидкого фреона и, соответственно, охлаждение начинается в месте входа капиллярной трубки в испаритель и постепенно продвигается по его каналам к выходу испарителя морозильной камеры, как показано на рисунке 2. Пока поверхность испарителя не охладится до минусовой температуры, в испаритель холодильной камеры фреон не поступает. После обмерзания испарителя морозильной камеры жидкий фреон начинает поступать в испаритель холодильной камеры, охлаждает его до температуры минус 14 °С, после чего мотор-компрессор отключается. После отключения мотора воздух в холодильной камере под воздействием окружающей среды постепенно нагревается, от этого нагревается испаритель холодильной камеры. При достижении определенной температуры мотор снова включается.

Рисунок 2 - Устройство двухкамерного холодильника

Испаритель холодильной камеры в двухкамерных холодильниках обычно называют «плачущим». Как правило, в холодильной камере достаточно большого объема устанавливается испаритель небольшого размера (в несколько раз меньше, чем в морозильной камере), который обмерзает до температуры минус 14 °С за довольно короткое время. После этого чувствительный элемент терморегулятора, закреплённый на поверхности этого испарителя, "даёт команду" на отключение мотора-компрессора. За время работы мотора испаритель успевает охладить объём холодильной камеры до температуры плюс 4 °С. После отключения мотора-компрессора воздух в холодильной камере начинает нагревать поверхность испарителя. Вода, образовавшаяся из растаявшего инея каплями стекает по испарителю в специальный лоток на стенке камеры. Регулируя мощность компрессора, можно изменять температуру как в холодильной, так и в морозильной камере. Если датчик температуры установлен только в холодильной камере, то и температура будет регулироваться по холодильной камере, т.е. при понижении температуры в холодильной камере с плюс 4 °С до плюс 2 °С, температура в морозильной камере тоже понизится на 2 °С, например с минус 20 °С до минус 22 °С. Если температуру в холодильной камере повысить, то в морозильной камере температура тоже повысится. Отметим, что агрегат холодильника рассчитан таким образом, что даже при минимальном значении терморегулятора температура в морозильной камере не поднимется выше положенной нормы минус 18 °С.

Панель управления холодильником в электромеханических системах - это, как правило, одна-две ручки регулятора и столько же кнопок (например для включения холодильника и режима «Супер»).

1.3 Бытовой холодильник с электронной системой управления

Многим уже привычен таймер на микроволновой печи, на стиральной машинке или газовой плите, это отлично экономит время и довольно удобно в быту. Такой функцией управления теперь снабжены большинство новых моделей бытовых холодильников. XX век всем запомнился холодильниками с электромеханическим управлением, но в XXI веке, развитие, техника и фантазия достигла многих высот не только в дизайне, функциональности, но и в электронном управлении [1].

Принцип функционирования электронного регулирования температуры не сильно отличается от механического. Электронные регуляторы температуры не имеют электрических контактов и управляют включением охлаждения по команде электронных датчиков, установленных в регулируемых камерах. Однако в чем плюс такого регулятора, он не привязан к испарителю, он может находиться как внутри так и снаружи холодильника.

Другим плюсом является высокая точность регулирования температуры. Такая точность нужна не всем моделям бытовых холодильников, она присуща большим и дорогим моделям. Такие холодильники, чтобы не понести убытков от порчи продуктов, из-за колебаний температуры, спасает электронное управление. Поддерживать четко определенную температуру полезно тогда, когда нужно сохранить «капризные» продукты, требующие строго определенного температурного режима. Помимо этого, можно хранить большее количество продуктов. Также в распоряжении владельца окажется быстрое управление охлаждением и согреванием воздуха внутри камеры холодильника. Многие современные холодильные аппараты обладают функцией быстрого охлаждения [1]. Это очень полезно если требуется быстро заморозить некий свежий продукт, чтобы он не испортился.

Существуют специальные отсеки для хранения вина и напитков. Электронное управление позволяет не просто точно установить в них температуру, но и сигнализирует хозяину, когда напиток достиг нужной температуры и готов к подаче к столу.

Электронная система способна также сигнализировать, если обнаружена неисправность. В случае сбоя в работе холодильника, подается сигнал, на дисплей зачастую выводится код ошибки или информация о том, что именно неисправно. Также вам вовремя сообщат, если плохо закрыта дверца (звуковой сигнал, в некоторых случаях - мигает красная лампочка).

Панель управления холодильником у электронной системы обычно более разнообразна и зрелищна, чем у электромеханической. Электронный пульт представляет собой пульт с клавишами, который показывает не только регулирование температуры, но и другие цифровые указатели, цветные световые индикаторы, которые регулируют и показывают разные режимы работы. В большинстве случаев панель управления оснащена дисплеем, который может быть оснащён как оригинальными и стильными клавишами, так сенсорной панелью управления. В последнее время появились интерактивные панели управления (как таковых кнопок на них нет, пользователь нажимает прямо на дисплей, на котором высвечены символы управления холодильником). Многие производители используют панель управления как элемент дизайна. Как правило, при этом не теряется ни функциональность, ни эргономичность.

Современный бытовой холодильник с электронной системой управления оснащен следующими кнопками:

– отключение холодильника с помощью кнопки;

– кнопка памяти информирует о повышении температуры замороженных продуктов в ваше отсутствие;

– кнопка «Защита от детей» защищает холодильник от случайных включений и находится в недоступном для них месте.

Предусмотрены следующие режимы:

а) «Режим быстрого охлаждения продуктов». Если сделаны большие покупки , к примеру к торжеству, то такой режим поможет быстро охладить большое колличество продуктов,сразу же после их закладки за счет включения вентилятора. По окончанию режима быстрого охлаждения, вентилятор отключается и автоматически восстанавливается нормальный режим работы.

б) «Режим быстрого охлаждения напитков». Если нужно срочно охладить напитки или спиртное перед употребелением, то эта функция справится, доведя напитки до оптимальной температуры. Звуковой сигнал оповестит о том, что напитки, вино, можно подавать к столу.

в) «Режим отпуск». Если владелец холодильника собираетесь в командировку или отпуск, холодильник прекрасно позаботится о ваших продуктах. Продукты будут сберегаться при температуре 15 °С, продукты не испортятся и в холодильнике не будет неприятного запаха, потребеление электроэнергии тоже сведется к минимуму.

Для отображения состояния имеются индикаторы и сигналы:

а) Регистрирующее устройство в виде индикатора с окрашенной жидкостью на внутренней стенке двери морозильной камеры выполняет такую же функцию как и кнопка памяти. При низких температурах жидкость остается замороженной вверху индикатора. Если температура поднимается выше критического уровня, она тает и стекает вниз.

б) Если дверь холодильника плохо закрыта или температура поднялась выше допустимого предела. Об этом известит красная мигающая лампочка и звуковой сигнал.

в) Вовремя устранить неполадки помогает функция «самодиагностика», которая срабатывает в аварийных ситуациях.

г) Аварийная сигнализация предупредит вас, если забился фильтр воды. В холодильнике может быть функция «очистка воды», когда в закрытый холодильник поступает чистая вода.

Самые продвинутые модели холодильников могут являть собой «комбинированные приборы». Так, в дверцу может быть встроен небольшой телевизор, радиоприёмник или даже диктофон. Необходимость последнего (оставлять голосовые записки на холодильнике) -- сомнительна, а вот телевизор может оказаться весьма полезным «бонусом». Хотя с экономией места скорее всего это не связано, так как телевизоры, как правило, установлены в холодильниках типа Side-by-Side, который поставить в малогабаритную кухню скорее всего не удастся [1].

Высшей точкой развития холодильников с электронным управлением сейчас являются агрегаты, которые входят в так называемые системы «умный дом». Такой холодильник можно в какой-то мере считать членом семьи. Он способен сам оценивать количество продуктов, которые загружены в камеры, их состояние, предупреждать, если срок годности продуктов подходит к концу. Такие холодильники позволяют заказывать продукты через Интернет. В общем, это весьма интеллектуальный прибор, крайне полезный в хозяйстве.

Современный рынок холодильников предоставляет широкий выбор различных моделей, как с электронным, так и с электромеханическим управлением [1]. Многие по старой привычке предпочитают последние, потому что убеждены, что они надежнее и ремонтировать их дешевле. Но за электронным управлением - будущее, о чем свидетельствуют основные тенденции развития ведущих брендов. Постепенно улучшаются технологии, что позволяет делать такие системы более простыми в использовании, функциональными и надежными.

2. Постановка задачи

Разработать микропроцессорную систему управления, предназначенную для замены имеющихся электромеханических систем управления в бытовых двухкамерных холодильниках.

В качестве микроконтроллера для микропроцессорной системы управления выбрать микроконтроллер из серии TMS320. Сигналы с датчиков температуры от холодильной и морозильной камеры поступают в виде напряжения постоянного тока в диапазоне от 0 до 12 В. Управление 6 режимами охлаждения поступает в виде сигналов логической единицы. Реализовать самотестирование с выводом кода неисправности. Характеристики цифро-аналоговых устройств линейные: диапазону от 0 до 12 В соответствует температура в холодильной и морозильной камере. В случае если не закрыта дверь холодильника в течение длительного времени, формировать звуковой сигнал.

2.1 Функции микроконтроллерной системы

Разрабатываемая МКС должна выполнять следующие функции:

· преобразование входной аналоговой информации в цифровую для обеспечения работы микроконтроллера;

· выполнение самотестирования;

· визуализация режимов работы.

2.2 Функции контроллера и требования к техническим характеристикам

Контроллер является частью МПС, обеспечивающей обработку оцифрованных данных, необходимых для программного обеспечения ПК.

Функции контроллера заключаются в опросе состояния подключенного оборудования и обработке соответствующих событий, в зависимости от режима работы:

· управление устройством выдачи сигнала, если не закрыта дверь холодильника в течение длительного времени;

· управление АЦП;

· анализ сигналов, поступающих с датчиков температуры от холодильной и морозильной камеры в виде напряжения постоянного тока в диапазоне от 0 до 12 В.

· управление 6 режимами охлаждения.

Система должна удовлетворять следующим техническим требованиям:

· надежность;

· невысокое энергопотребление.

2.3 Требования к панели индикации и панели управления

Панель управления должна быть интуитивно понятной, работа людей с которой допускается практически без предварительного обучения, при этом она должен быть организована таким образом, чтобы максимально исключить возможность ошибочного ввода.

Информация, которая будет выводится на панели индикации, зависит от режима работы холодильника.

3. Разработка структурной и функциональной схем микропроцессорной системы

Структурная схема микропроцессорной системы управления приведена в приложении А. Микроконтроллер получает информацию от двух датчиков температуры: стоящего в холодильной камере и в морозильной. О состоянии двери холодильника микроконтроллеру сообщает кнопка S1: когда дверь закрыта, кнопка нажата, когда дверь открыта -- отпущена. Пользователь выбирает один из шести режимов работы холодильника нажатием кнопки S2. При этом на 4-х семисегментных индикаторах высвечиваются параметры этого режима: температура в морозильной камере и в холодильной. Если получен сигнал с датчиков, что температура в одной из камер превысила поддерживаемое режимом значение, микроконтроллер подает сигнал на реле, которое включает компрессор. При возвращении температур в заданные пределы снимается сигнал с реле и компрессор выключается. Для подачи звукового сигнала к микроконтроллеру подключен зуммер.

3.1 Выбор и обоснование микроконтроллера

Микроконтроллер -- микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров.

Подавляющая часть этих микросхем используется в управляющих устройствах, встраиваемых в самые разнообразные объекты управления: в простые бытовые приборы (стиральные машины, телевизоры, мобильные телефоны), в сложные технические системы, такие, как автомобили, самолеты, морские суда, космические ракеты, и т.п.

Широчайший спектр задач, от самых простых до невероятно сложных, привели к появлению большого количества разновидностей микроконтроллеров, отличающихся вычислительной мощностью, объемом ресурсов и ценой. В настоящее время в этих изделиях используется более сотни разных процессорных ядер, а общее количество типов микроконтроллеров исчисляется многими тысячами. Некоторые типы используются просто для выполнения вычислений и передачи данных, другие содержат аналоговые периферийные устройства и используются для управления сложными объектами.

Проанализировав техническое задание, можно сделать вывод о том, что для реализации данного проекта требуется микроконтроллер с двумя встроенными аналого-цифровыми преобразователями и достаточным количеством портов ввода-вывода общего назначения GPIO (не менее 13).

В качестве управляющего микропроцессора в соответствие с техническим заданием на проектирование требуется взять микропроцессор серии TMS320. Фирма Texas Instruments является одним из лидеров на рынке Цифровых Сигнальных Процессоров - ЦСП (DSP). Она производит более половины выпускаемых ЦСП. Большой опыт разработок в сочетании с последними технологическими решениями позволяют TI выпускать ЦСП с лучшими в своем классе показателями.

Сигнальные процессоры компании Texas Instruments, как показано на рисунке 3, разделяются на два класса: процессоры для обработки чисел с фиксированной точкой и процессоры для обработки чисел с плавающей точкой. Первый класс представлен тремя семействами процессоров, базовыми моделями которых являются соответственно TMS320C10, TMS320C20, TMS320C50. Второй класс включает процессоры TMS320C30, TMS320C40. TMS320C80 также поддерживает операции с плавающей точкой и представляет собой мультипроцессорную систему, выполненную в одном кристалле, а семейство TMS320C6x включает процессоры как с фиксированной, так и с плавающей точкой.

Рисунок 3 - Семейства микропроцессоров компании TI

Процессоры старших поколений одного семейства наследуют основные архитектурные особенности предшествующих поколений и совместимы "снизу вверх" по системе команд (чего нельзя сказать о процессорах, входящих в разные семейства).

Поскольку в данной разработке не требуются операции с плавающей запятой и не нужна высокая производительность, а так же требуются встроенные аналого-цифровые преобразователи и достаточное количество портов ввода-вывода общего назначения GPIO для индикаторов, отображающих температуру и коды ошибок, и зуммера было принято решение остановиться на выборе серии TMS320C28х, основные характеристики процессоров данной серии представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Процессоры серии TMS320C28х

Реализация на процессоре TMS320C2811 в данном случае является наиболее предпочтительной. Данная конфигурация процессора позволяет исключить из наличия дополнительных корпусов микросхем на плате, которые требуют дополнительных затрат времени и средств (увеличивает потребляемую мощность схемы, снижает её надежность).

Структура микропроцессора TMS320C2811 представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Структура микропроцессора TMS320C2811

Отличительные особенности TMS320C2811:

1) Высокопроизводительная статическая КМОП-технология

• Тактовая частота 150 МГц (период тактового сигнала 6.67 нс)

• Низкое энергопотребление (напряжение питания ядра 1.8 В при частоте 135МГц, 1.9 В при частоте 150 МГц, напряжение питания периферии 3.3В)

2) Поддержка периферийного сканирования по стандарту JTAG

3) Высокопроизводительное 32-разрядное ядро (TMS320C28x)

• Поддержка операций умножения с накоплением (MAC) 16x16 и 32x32

• Выполнение двух операций MAC 16x16 одновременно

• Гарвардская архитектура системы памяти

• Атомарные операции

• Высокая скорость реакции на прерывания и их обработки

• Единое адресное пространство

• Линейное адресное пространство команд 4М

• Линейное адресное пространство данных 4M

• Высокая эффективность кода (на языках C/C++ и Ассемблера)

• Совместимость по коды и выводам с F2810, F2811 и F2812

• Совместимость по коду с семейством TMS320F24x/LF240x

4) Внутренняя память 20 КБ х 16 общий объем однопортовой памяти (SARAM):

• L0 и L1: 2 блока по 4Kx16 однопортовой памяти (SARAM)

• L2 и L3: 2 блока по 1Kx16 однопортовой памяти (SARAM)

• H0: 1 блок 8Kx16 SARAM

• M0 и M1: 2 блока по 1Kx16 SARAM каждый

5) Режимы загрузки через SPI, SCI и GPIO, позволяющие производить загрузку из внешней памяти во внутреннюю. Режим через SPI позволяет загружать процессор из внешней последовательной EEPROM памяти

6) Загрузочное ПЗУ (4Kx16)

• Различные режимы загрузки

• Хранение математических таблиц

7) Синхронизация и управление системой

• Динамического изменение коэффициента ФАПЧ

• Встроенный генератор

• Модуль сторожевого таймера (Watchdog)

8) Три внешних источника прерываний

9) Блок расширения внешних прерываний (PIE), поддерживающий обработку 45 прерываний от внешних источников

10) Три 32-битных таймера

11) Специализированная периферия для устройств управления приводами

• Два модуля управления событиями (EVA, EVB)

• Совместимость с семейством 240xA

12) Периферийные последовательные порты

• Синхронный последовательный интерфейс SPI

• Два асинхронных последовательных интерфейса (SCI), стандартный UART

• Контроллер CAN с расширенными возможностями (eCAN)

• Многоканальный буферизованный последовательный порт (McBSP)

13) 16-каналов 12-битного АЦП

• Входной мультиплексор 2x8 каналов

• Два устройства выборки-хранения

• Режимы одиночного и одновременного преобразования

• Высокая скорость преобразования: 80 нс /12.5 млн. выборок в секунду

14) До 56 портов ввода-вывода общего назначения (GPIO)

15) Дополнительные возможности эмуляции

• Функции анализа и точки останова

• Отладка аппаратной части в режиме реального времени

16) Средства разработки включают в себя

• Компилятор/ассемблер/линкер ANSI C/C++

• Поддержка команд TMS320C24x/240x

• Интегрированную среду разработки Code Composer Studio IDE

• DSP/BIOS

• Отладочные модули

• Контроллеры протокола JTAG

• Готовые решения и поддержка от Третьих Партнеров

17) Режимы пониженного энергопотребления: IDLE, STANDBY, HALT

18) Отключение отдельных периферийных модулей

19) 128-выводный корпус LQFP без интерфейса внешней памяти (PBK) (2811)

20) Диапазон рабочих температур:

• A: -40°C ... +85°C (GHH, ZHH, PGF, PBK)

• S: -40°C ...+125°C (GHH, ZHH, PGF,PBK)

• Q: -40°C ...+125°C (PGF,PBK)

Работа встроенного в микроконтроллер АЦП описывается формулой 1.

, (l)

где DV -- представление сигнала в цифровом виде,

IAV -- напряжение сигнала,

ADCLO -- напряжение на входе ADCLO микроконтроллера.

3.2 Выбор датчиков температуры

Так как от датчика температуры поступает сигнал в виде напряжения от 0 до 12 В, а максимальное входное напряжение АЦП микроконтроллера составляет 3 В, сигнал от датчика на АЦП следует подавать через делитель напряжения.

В качестве датчиков температуры выбран датчик температуры наружного воздуха ESM-10 компании «Данфосс» [8]. Диапазон измеряемых температур: от -30 до +180 ⁰С. Зависимость сопротивления ESM-10 от температуры приведена на рисунке 5. Чтобы получить датчик с указанными в задании характеристиками следует включить его в делитель напряжения.

Рисунок 5 - Зависимость сопротивления ESM-10 от температуры

Функциональная схема приведена в приложении Б. Датчики температуры включены, как указывается в пункте 3.2. Сигналы с делителей напряжения поступают на входы АЦП микроконтроллера. Для управления компрессором предназначен вывод GPIOB12. Когда на этом выходе присутствует логическая единица, замыкается реле (РЭС-64А) и компрессор подключается к переменному напряжению 220 В и начинает работать. Когда на выходе имеется логический нуль, реле размыкается и компрессор выключается.

4. Выбор и описание алгоритмов работы микропроцессорной системы

Структура программы приведена на рисунке 6. Программа управления включает в себя три модуля: самотестирования, инициализации и обработки прерывания от таймера. Модуль самотестирования делится на модули тестирования ПЗУ и ОЗУ. Модуль обработки прерывания от таймера включает в себя модуль приема данных от датчиков температуры, анализа состояния кнопок, вывода звукового сигнала, управления компрессором, вывода информации на семисегменные индикаторы.

Рисунок 6 - Структура программы

Система управления поддерживает температуру в камерах холодильника с точностью 1 ⁰С: компрессор включается, если температура в одной из камер холодильника будет на 1 ⁰С больше, чем должна быть. Выключается компрессор, когда температура в обеих камерах будет на 1 ⁰С ниже, чем поддерживаемое значение. Если в течение минуты открыта дверь холодильника, включается звуковой сигнал, который выключается, как только дверь будет закрыта. Когда контроллер включается, он начинает работать в первом режим охлаждения. Пользователь может последовательно менять режим охлаждения нажатием на кнопку S2. Параметры режима охлаждения, в котором работает контроллер, отображаются на семисегментных индикаторах: на первых двух отображается температура в холодильной камере в градусах Цельсия (предполагаются значения выше нуля), на вторых двух -- температура в морозильной камере в градусах Цельсия (предполагаются значения ниже нуля).

Для отображения информации на индикаторах применяется динамическая индикация. В каждый момент времени выводится символ только на один индикатор. При достаточной частоте смены выводимых символов у пользователя возникает иллюзия того, что работают все четыре индикатора одновременно.

Схема программы управления микропроцессорной системы приведена в приложении В.

Алгоритм работы микропроцессорной системы начинается с самотестирования. Выводится символ «1» на левый индикатор. Затем выполняется тест ОЗУ. Если при тестировании была выявлена неисправность, алгоритм завершается и выведенный на индикатор символ указывает на неисправность ОЗУ. Если ОЗУ исправно, на левый индикатор выводится символ «2» и выполняется тестирование ПЗУ. Если контрольная сумма не совпала с эталоном, алгоритм завершается, иначе выполняется инициализация регистров, портов и таймера.

При поступлении прерывания от таймера если требуется сменить светящийся индикатор, на контакты GPIOB0-GPIOB6 выводится следующий символ, а бегущая единица на GPIOB7-GPIOB10 меняет свое положение. Если выводится звуковой сигнал, изменяется состояние вывода GPIOB11 с выбранной частотой сигнала. Если по сравнению с предыдущим моментом прерывания сигнал на GPIOA1 изменился с логической единицы на логический нуль, выполняется переход к следующему из шести режимов охлаждения и обновление отображаемых символов на индикаторах. Зная частоту прерываний таймера, можно определить сколько прерываний произойдет в секунду. По прошествии этого числа прерываний, раз в секунду проверяется открыта ли дверь (уровень сигнала на GPIOA0). Если дверь была открыта в течение 60 секунд, устанавливается флаг включения звукового сигнала. Как только дверь закрывается, флаг включения звукового сигнала снимается. Так же раз в секунду опрашиваются датчики температуры и в зависимости от полученных от них данных принимается решение о запуске или остановке компрессора, как описано выше.

Временные диаграммы работы микропроцессорной системы приведены в приложении Г.

АЦП непрерывно преобразует входные сигналы с любой пары каналов (A0/B0 -- A7/B7). При установленном бите SMODE в 1, преобразование сигналов происходит одновременно с двух активных каналов при каждом поступлении импульса защёлкивания образца. Период поступления импульсов настраивается программно A_cqps*t_ADCCLK (Acqps может принимать значения от 0 до 15) .

Максимальное значение частоты ADCCLK составляет 25 МГц. Для SYSCLKOUT значения 25 МГц или ниже, ADCCLK должен быть SYSCLKOUT / 2 или ниже. ADCCLK = SYSCLKOUT не является действительным режим для любого значения SYSCLKOUT.

SYSCLKOUT = 150 МГц, ADCCLK = 25 МГц.

t_d(SH) -- время до начала снятия данных (составляет 2.5t_ADCCLK)

t_SH -- период поступления импульсов защёлкивания образца

t_{d(scshA0_n)} -- время до записи первого результата с канала A0 в регистр (составляет 4t_ADCCLK)

t_{d(scshB0_n)} -- время до записи первого результата с канала B0 в регистр (составляет 5t_ADCCLK)

t_{d(scshA0_n)} -- время до записи следующего результата с канала A0 в регистр (составляет (3+A_cqps)*t_ADCCLK)

t_d(_{scshB0_n}) -- время до записи следующего результата с канала B0 в регистр (составляет (3+A_cqps)*t_ADCCLK)

5. Выбор и обоснование языка программирования

Выбор языковых средств в каждом конкретном применении зависит от характеристик прикладной задачи, опыта программиста, допустимых затрат на разработку и сроков проектирования.

При выборе языка программирования необходимо помнить, что на языке ассемблера программировать труднее и дольше, чем на языках высокого уровня, но при этом требуется меньшая емкость памяти программ, и программа выполняется быстрее.

В данном случае целесообразнее всего выбрать основным средством написания ПО язык программирования C, так как есть средства для преобразования программы на С в машинный код, а жесткие требования по быстродействию отсутствуют.

Фрагмент программы представлен в приложении Д. В данном фрагменте представлена функция, вызываемая из функции обработки прерывания от таймера, когда выясняется, что необходимо сменить режим охлаждения.

6. Разработка системы диагностирования аппаратных средств

Подпрограммы тестирования прошиты в постоянной памяти микроконтроллера. Для тестирования исправности ПЗУ применяется вычисление суммы по модулю 2¹⁶ всех заполненных кодом ячеек и сравнение результата вычислений с числом, записанным в ПЗУ.

В таблице 2 приведены данные по обнаруживающей способности тестов ОЗУ и продолжительности их выполнения [9].

Таблица 2 -- Тесты ОЗУ

Примечание:

• « + » обнаруживает;

• « - » - не обнаруживает;

• «0» - неэффективное обнаружение.

Из приведенных в таблице 3 тестов только тесты пинг-понг и галопирующий позволяют обнаруживать все виды отказов.

Тест пинг-понг, очевидно, выполнится быстрее теста галопирующий. Время обращения к одной ячейки памяти примем равным 7 нс (одному такту).

7*2(2*20480² + 2*20480) = 11,7 с

Однако учитывая время выполнения и обнаруживаемые отказы, возможно предпочтительнее выбрать комбинацию тестов «зп и сч/зп вперед и назад», «дополнительная адресация» и «сканирующий»?

Тесты выполняются в порядке возрастания времени их выполнения:

• Сканирующий. Во все ячейки записывается фоновый набор все нули. Далее производится последовательное считывание и сравнение с эталоном (проверка). После этого во все ячейки записывается новый фоновый набор все единицы и вновь производится последовательное считывание и сравнение с эталоном (проверка).

Время выполнения: 7*4*20480 = 573440 нс

• Запись и считывание/запись вперед и назад. Предварительно во все ячейки записывается фоновый набор все нули (запись). Далее производится последовательное считывание и сравнение с эталоном (проверка). После проверки каждой очередной ячейки в нее записывается информация в обратном коде, т.е. все "1" (считывание/запись). После проверки последней ячейки и записи в нее "1" процедура повторяется от старшего адреса к младшему с чтением единиц, сравнением их с эталоном и записью нулей.

Время выполнения: 7*5*20480 = 716800 нс

• Дополнительная адресация. Во все ячейки записывается фоновый набор все нули (или все "1"). Далее производится считывание с нулевой ячейки с проверкой (сравнение с эталоном) и записью в эту ячейку противоположной информации. Каждое второе обращение выполняется по адресу, код которого является дополнением к предыдущему.

Время выполнения: 7*10*20480 = 1433600 нс

Тест пинг-понг позволяет обнаружить все виды отказов, однако он имеет большое время выполнения (11 секунд). Учитывая время выполнения и обнаруживаемые отказы, возможно было бы предпочтительнее выбрать комбинацию тестов «зп и сч/зп вперед и назад», «дополнительная адресация» и «сканирующий», общее время выполнение которых составляет менее 1 секунды, однако, реализация их требует больших трудовых затрат и учитывая, что тест ОЗУ будет проходить раз в год (холодильники работают годами) при включении электрической розетки холодильника в сеть, то 11 секунд для теста пинг-понг в свете этих факторов совершенно не кретичны.

7. Расчет вероятности безотказной работы

Так как предполагается использование устройства в комнатных условиях, когда на устройство не воздействует повышенная влажность, вибрации и тому подобные неблагоприятные условия среды, поправочные коэффициенты при расчёте надёжность следует принять равными единице. Так как функциональная схема не позволяет точно определить количество будущих паек, учитывая, что микроконтроллер имеет 179 выводов, примем что ожидается 300 паек. Расчет суммарной интенсивности отказов приведен в таблице 3.

Таблица 3

Суммарная интенсивность отказов = 3,98*10^-6 1/час.

Среднее время наработки на отказ составляет T₀=1/(3,98*10^-6) = 251256 ч.

Вероятность безотказной работы за 1000 часов = 0,996.

Заключение

В результате курсового проектирования разработана микропроцессорная система управления холодильником, соответствующая поставленному заданию. Вероятность ее безотказной работы в течение 1000 часов составляет 99,6%. Разработаны структурная и функциональная схемы, схема программы управления, фрагмент кода программы. Дальнейшее проектирование может быть проведено в направлении улучшения пользовательского интерфейса, например, можно добавить отображение фактических температур в камерах холодильника.

Список литературы

1. http://www.iceberg.ru/services/?action=showtable&id=485&parent=313

2. http://btmax.ru/?cid=436

3. http://holodilnik.tkat.ru/?mod=articles&act=full&id_article=1334

4. http://www.stinol-moscow.ru/dvuhkamer.htm

5. http://focus.ti.com/lit/ug/spru060d/spru060d.pdf

6. http://www.compel.ru/images/catalog/386/tms320f2810-12_c2810-12.pdf

7. http://ru.heating.danfoss.com/PCMPDF/pt_1000.pdf

8. Бакшаев, А.М. Конспект лекций по дисциплине "Эксплуатация средств вычислительной техники"[Текст] /А.М. Бакшаев/ Киров, 2007

Приложение А

(обязательное)

Структурная схема микропроцессорной системы

Приложение Б

(обязательное)

Функциональная схема микропроцессорной системы

Приложение В

(обязательное)

Схема программы управления микропроцессорной системы

Приложение Г

(обязательное)

Временные диаграммы работы микропроцессорной системы

Значение параметров:

ADCCLK = 40 нс;

A_cqps = 0;

t_d(SH) = 2,5*40 = 90 нс;

t_SH = 7 нс

t_d(schA0_n) = 4*40 = 160 нс;

t_d(scshB0_n) = 5*40 = 200 нс;

t_d(scshA0_n+1) = 3*40 = 120 нс;

t_d(scshB0_n+1) = 120 нс.

Приложение Д: Фрагмент кода программы

int mode; //Выбранный режим

int mFixTM[]={-26,-24,-22,-20,-18,-16}; //Массив температур в морозильной камере

int mFixTH[]={4, 6, 8, 10, 12, 14}; //Массив температур в холодильной камере

int FixTM; //Выбранная температура в морозильной камере

int FixTH; //Выбранная температура в холодильной камере

char bufInd[4]; //Отображаемые на индикаторах символы

void changeMode() {

mode++;

if(mode>5)

mode = 0;

FixTM = mFixTM[mode];

FixTH = mFixTH[mode];

fillBufInd(&bufInd[0], -FixTM);

fillBufInd(&bufInd[2], FixTH);

}