Совершенствование системы подогрева двигателя танка Т-72Б3

Министерство обороны Российской Федерации

Филиал федерального государственного казённого военного образовательного учреждения высшего образования «ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ им. генерала армии А.В. Хрулёва» в г. Омске

Кафедра
электрооборудования и автоматики_________________________

(наименование кафедры)





Инв.№ _____




Не секретно





Экз. № 1



К ЗАЩИТЕ ДОПУСКАЮ





Начальник кафедры



электрооборудования и автоматики



полковник









(воинское звание)





А.Н. Щербо









(подпись, инициалы, фамилия)




«___» ________________ 2018 г.











ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ
Тема:	«Совершенствование системы подогрева двигателя танка Т-72Б3»

(наименование темы)

Исполнитель:    сержант

третьего
факультета



(наименование факультета)


сержант


К. Курбонов



(воинское звание, подпись, инициал имени, фамилия)

Руководитель дипломного проекта:
старший преподаватель 5 кафедры




(воинское звание, подпись, инициалы, фамилия)





В. В. Баннов
Рецензент:
старший преподаватель 5 кафедры



(должность, ученая степень, ученое звание, воинское звание, подпись, инициалы, фамилия)


А.С. Наумов










Омск 2018

2



Министерство обороны Российской Федерации

 Филиал федерального государственного казенного военного образовательного учреждения высшего профессионального образования «ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ им. генерала армии А.В.


Хрулева» в г. Омске




Кафедра
электрооборудования и автоматики_________________________

(наименование или № кафедры)











Не секретно







Экз. №1



УТВЕРЖДАЮ




Начальник 5 кафедры


Электрооборудования и автоматики


полковник
А. Щербо





(подпись .инициалы, фамилия)












30  Сентября
2018










ЗАДАНИЕ




НА ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ № 314

Сержанту
Курбонову Камолиддину Шералиевичу




(Воинское звание, фамилия, имя, отчество)


Факультет
Третий

Специальность

23.05.02


Транспортные средства специального назначения____________
(Наименование)

Тема: «Совершенствование системы подогрева двигателя танка Т-72Б3»




Закреплена приказом начальника института №1882 от «30» сентября	2017 г.

Обсуждено и одобрено на заседании кафедры «17» июня 2017 г., протокол № 17

3



Ведомость ВКР




Формат






Кол.листов

Приме-















Обозначение

Наименование

Экз.
чание
















Документация общая















А4
ДП. ВО.18.05.314.

Пояснительная записка
60



























Чертежи













А1
ДП. ВО.18.05.314.СБ

Основные узлы подогревателя
1
















(Сборочный чертеж)












А1
ДП. ВО.18.05.314.СБ

Комплектация подогревателя
1







(Вид общий)












А1
ДП. ВО.18.05.314.ТЧ

График характеристик СЭП
1







(Теоретический чертёж)












А1
ДП. ВО.18.05.314.Сх

Подогреватель об.184
1







(Структурная схема)












А1
ДП. ВО.18.05.314.Сх

Подогреватель 14СТ
1







(Схема электрических








соединений)












А1
ДП. ВО.18.05.314.Э1

Микроконтроллер
1







(Структурная схема)












А1
ДП. ВО.18.05.314.СБ

Плата печатная
1







(Вид общий)












А1
ДП. ВО.18.05.314.ТЧ

Классификация
1







подогревателей








(Теоретический чертёж)










ДП.ВО 18.05.314.В






Ивм
лист
№ докум
Подп.
Дата























Разраб.
Курбонов. К.Ш




лист
лист
листов













Пров.
Баннов ВВ


Ведомость выпускной





1




















квалификационной работы








Нконтр.






































Утв.




























4



Содержание

Введение ……………………………………………………….	7

1 Анализ существующих способов облегчения запуска

двигателей в зимних условиях………………………………..
8
1.1Требования, предъявляемые к СЭП танков с дизельными
10
двигателями……………………………………………………


2 Обзор существующих систем подогрева двигателей внутреннего сгорания на отечественных образцах

бронетанковой техники……………………………………….
12
2.1
Система подогрева двигателя танка Т – 72Б3…………….....
12
2.1.1
Работа системы подогрева двигателя……………………….
12
2.2
Система подогрева двигателя танка БМП - 2 ………………...
13
2.3
Система подогрева двигателя танка БМП - 3 ……………….
13
2.4
Система подогрева двигателя танка Т – 90А ……………….
13

3 Разработка проекта системы подогрева двигателя и

методика запуска предпускового подогревателя танка Т –
72Б3………………………………………..…………………...14

3.1
Технические характеристики подогревателя 14ТС…………
14
3.2
Устройство основных узлов предпускового подогревателя


14ТС…………………………………………………………….
14
3.3
Работа подогревателя 14 ТС………………………………….
15
3.4
Работа таймера………………………………………………...
17
4Выбор и обоснование структурной схемы………………….
20
4.1
Выбор микроконтроллера ……………………………………
20
4.1.1
Микроконтроллеры. Основные сведения……………………
20
4.1.2
Выбор управляющего процессора……………………………
21
4.1.3
Характеристика АТ89С2051………………………………….
25
4.1.4
Структура выбранного микроконтроллера…………………..
26
4.2
Обзор существующих  устройств для измерения


температуры……………………………………………………
28
4.2.1
Классификация приборов для измерения температуры……
29
4.2.2
Приемники излучений………………………………………...
33

5



4.3.
Термометр DS 18B20………………………………………….
36
5
Расчет принципиальной схемы………………………………
46
5.1
Подбор элементов принципиальной схемы…………………
46
5.2
Расчет элементов принципиальной схемы …………………
52

Заключение…………………………………………................
55

Список используемых источников…………………………...
57

6



Реферат

   Пояснительная записка 58 страниц, 14 рисунков, 5 таблиц, 20 формул, 8 источников, 8 чертежей.

   Ключевые слова: предпусковой подогреватель, термодатчик, микроконтроллер.

   Объектом дипломного проекта является разработка совершенствованной системы подогрева двигателя танка Т-72Б3.

   Целью данного дипломного проекта является: на основе анализа существующих индивидуальных предпусковых подогревателей улучшить существующий подогреватель .

   В данном дипломном проекте дан анализ существующих предпусковых подогревателей. Спроектировано устройство для автоматизированного запуска

предпускового подогревателя, разработаны предложения по его использованию.

   Сделано технико-экономическое обоснование разработанного устройства. Устройство отвечает всем требованиям, предъявляемым к современным средствам диагностирования.
   
7



Введение

     Боевая подготовка – главная задача армии в мирное время. Особую значимость она приобретает сегодня, когда участились локальные войны и конфликты, ликвидации которых требуют быстрых, четких и умелых действий личного состава. То есть того, чему должны научить солдата его командиры. Эта проблема обучения существуют во всех армиях мира. Постоянно совершенствуются средства и пути улучшения качества обучения с целью повышения боевой готовности подразделения. Особое место занимают танковые войска, где техника становится более сложной и дорогостоящей. В связи с этим постоянно возрастают требования к подготовке специалистов. Так как эффективная эксплуатация современных машин невозможна без высокого уровня специальных знаний, навыков и умений, определяющих их способности выполнять свои обязанности с необходимым качеством. Подготовка в короткие сроки специалистов, способных умело применять сложную технику при решении боевых задач, обеспечивается при условии широкого применения различных учебно-тренировочных стендов и средств.

     Надежный и быстрый пуск двигателя является одним из важных решающих условий обеспечения подвижности объектов, определяющих готовность танка к боевому применению. В зависимости от пусковых свойств двигателей, температуры окружающей среды, типа системы пуска и ее энергообеспеченности защиты время на подготовку машины к выходу может составлять от 10 до 60 минут [2,4].

     Основным показателем пусковых свойств двигателя является минимальная температура, при которой возможен его запуск без предварительного прогрева. Известно, что для танковых дизелей такая температура находится в пределах от +5 до -5оС.
На	отечественных	танках	применяются	два	систем	пуска	двигателя:

система воздушного пуска (СВП) и система электрического пуска (СЭП).

     Системы воздушного пуска просты по устройству, не требуют трудоемких операций по обслуживанию и приведению в готовность к работе.
     
8



Эти системы являются основными для танков Т-55, Т-62, Т-72. Однако при отрицательной температуре эффективность СВП снижается, а при t = -15…20 оС системы пуска практически становятся не работоспособными. Это обусловлено значительным снижением температуры воздуха в цилиндрах двигателя в процессе запуска. Более надежный пуск обеспечивают СЭП.

      Продолжительность предпусковой подготовки, прогрева и пуска дизельного двигателя может составлять до 75 % от общего времени подготовки машины к выходу [2,4].

     Пуск двигателя считается надежным, если он произведен не более чем с третьей попытки, как правило, емкость аккумуляторных батарей, особенно при отрицательных температурах, не обеспечивает. Это еще раз подчеркивает о необходимости наличия системы подогрева двигателя танка и ее совершенствования [2,4].

     В нашей стране значительная часть бронетанковой техники от 3 до 9 месяцев в году эксплуатируется в условиях низких температур. Одна из основных трудностей при эксплуатации в это время пуск холодного после длительной стоянки на открытой площадке или в неотапливаемом помещении.

      Известно, что пуск техники исправного двигателя внутреннего сгорания при положительных температурах окружающего воздуха не вызывает трудностей. При отрицательных же температурах, пуск того же самого двигателя уже вызывает затруднения, которые редко увеличиваются с понижением температуры окружающего воздуха. Это обстоятельство обуславливается конструкцией самого двигателя, особенностями его рабочего процесса, а также происходящими, под действием низких температур, изменениями свойств топлив, масел и материалов, используемых в двигателе. Так, в результате воздействия отрицательных температур, ухудшается состав и качество топливовоздушной смеси, из-за повышения вязкости масла резко возрастает величина момента сопротивления проворачиванию коленчатого вала, одновременно с этим, из-за уменьшения аккумуляторных батарей, а значит и создаваемый им крутящий момент [2,4].
      
9



     В результате этих изменений частота вращения коленного вала двигателя при пуске стартером становится значительно меньше, чем при пуске в условиях положительных температур. В связи с этим уменьшается температура и давление конца такта сжатия и в итоге, при холодном пуске, внутри цилиндров двигателя просто не обеспечиваются необходимые условия для самовоспламенения поступающего труда топлива, чем в значительной степени

и объясняются  трудности холодного пуска  двигателя внутреннего  сгорания.

Для решения проблемы пуска холодного двигателя используют различные стационарные установки для разогрева двигателей паром, горячим воздухом, применяют источники инфракрасного излучения, передвижные пусковые установки, монтируют теплоэлектронагреватели в систему охлаждения двигателя.

     Существующие устройства и средства облегчения пуска двигателя не в полной мере отвечают предъявляемым к ним требованиям. Они в большинстве случаев требуют увеличения затрат времени и использования дополнительных источников энергии. Фактор времени очень важен в боевых условиях учитывая то, что нормативными документами отводится очень ограниченные временные нормативы на приведение бронетанковой техники в готовность к использованию.
     
10



      1 Анализ существующих способов облегчения запуска двигателей в зимних условиях


1.1 Требования, предъявляемые к СЭП танков с дизельными двигателями



     Пуск двигателя считается надежным, если он осуществляется не более чем с третьей попытки. Допускается, однако, возможность одной неудачной попытки из-за неисправности, устранимой экипажем, необходимо чтобы источник энергии системы пуска мог обеспечить не менее четырех попыток пуска.

     Средняя продолжительность процесса пуска при низких температурах составляет для дизельных двигателей 10 секунд.

     Таким образом, для выполнения требований по боеготовности объектов БТВТ системы пуска двигателей должны обеспечивать:

–  пуск  двигателя  без  предварительного  разогрева  при  температурах

воздуха до минус 30оС, а в перспективных образцах до минус 40оС;

– количество попыток пуска – не менее четырех;

– продолжительность одного пуска – до 10 секунд.

     Для резервирования на объектах БТВТ с дизельными двигателями применяются, как правило, два типа автоматизированных систем пуска двигателей: системы воздушного пуска (СВП) и системы электрического пуска (СЭП).

     Известно, что при низких температурах условия пуска двигателей существенно ухудшаются: возрастают момент сопротивлению прокручиванию коленчатого вала и мощность, которую должна развивать система пуска. В то же время энергетические возможности СВП и СЭП по мощности и количеству попыток уменьшаются, в результате чего могут резко снизиться эффективность и работоспособность этих систем пуска [2,4].

     Снижение эффективности СВП при отрицательных температурах обусловлено значительным охлаждением воздуха и топлива в цилиндрах при
     
11



пуске двигателя.



     Наиболее существенным фактором, снижающим работоспособность аккумуляторных батарей и мощность СЭП, являются понижение температуры электролита в зимних условиях эксплуатации. В связи с этим в последнее время значительное внимание уделяется разработке эффективных способов разогрева

и обогрева батарей в бронеобъектах, а также повышения их энергоотдачи за счет улучшения конструкции и технологии производства [2,4].

     Кроме конструктивных путей совершенствования, высокий уровень функционирования СЭП обеспечивается эксплуатационными мероприятиями:

системой обслуживания, диагностики и контроля элементов СЭП, применением средств облегчения пуска двигателей и др.

12





     2 Обзор существующих систем подогрева двигателей внутреннего сгорания на отечественных образцах бронетанковой техники.


2.1 Система подогрева двигателя танка Т-72Б3



     Система подогрева служит для разогрева дизеля и обслуживающих его систем перед пуском. В систему подогрева входят: подогреватель, змеевики масляных баков, обогреваемые полости узлов дизеля, водяные рубашки масло закачивающих насосов, трубопроводы.

     Подогреватель состоит из нагнетателя, включающего электродвигатель, водяной насос, нагнетатель и топливный насос, котел, форсунка, топливный фильтр, топливный кран и трубопровод.

     Подогреватель установлен в боевом отделении у правого борта на днище танка. Подогреватель крепится за лапу к кронштейну на днище и стяжным болтом к торцу выпускного патрубка [2,4].


2.1.1 Работа системы подогрева двигателя



При работе системы подогрева топливо через сетчатый фильтр поступает

в топливный насос, топливный кран и форсунку подогревателя, которая подает его в распылённом виде в камеру сгорания котла. В камере сгорания топливо,

смешиваясь с воздухом, подаваемым вентилятором нагнетателя, образует горючую смесь, которая, сгорая, нагревает жидкость, циркулирующую в жидкостном тракте подогревателя. Нагретая жидкость насосом нагнетателя через радиатор обогревателя по трубопроводам подается в дизель, в корпуса маслозакачивающих насосов, в змеевики масляных баков, нагревает их и возвращается в подогреватель.

13



2.2 Система подогрева двигателя БМП-2



     Система подогрева – жидкостная, с принудительной циркуляцией; она предназначена для подготовки двигателя к пуску и поддержания его в постоянной готовности к пуску в условиях низких температур. В систему подогрева входят:

     Подогреватель, насосный узел, топливный кран подогревателя, крышка лючка подогревателя.

2.3 Система подогрева БМП-3



     Система подогрева – комбинированная, с принудительной циркуляцией жидкости. Она предназначена для разогрева охлаждающей жидкости и масла перед пуском двигателя при низких температурах окружающего воздуха. В систему подогрева входят: котел подогревателя, насосный узел, кран подогревателя, выхлопная труба, лючок подогревателя.


2.4 Система подогрева двигателя танка Т-90А



     В систему подогрева силовой установки входят: подогреватель, змеевики основного масляного бака двигателя и масляного бака системы гидроуправления и смазки трансмиссии, обогреваемые полости узлов двигателя, водяные рубашки маслозакачивающих насосов, трубопроводы.

     Проанализировав существующие системы подогрева двигателей бронетанковой техники, необходимо отметить, что все они не имеют автоматизированного управления пуском систем, что могло бы существенно облегчить работу механика-водителя и заметно сократить время пуска машин подразделением, в следствии сокращение временных нормативов выхода техники из парка по тревоге и не только.
     
14



3 Разработка проекта системы подогрева двигателя и методика запуска предпускового подогревателя танка Т-72Б3


3.1 Технические характеристики подогревателя 14ТС



Таблица 3.1-Технические характеристики подогревателя 14ТС

Характеристики и основные
Подогреватель
составляющие подогревателя
14ТС


Теплопроизводительность, кВт
15,5


Расход топлива, л/час
7,5
Номинальное напряжение питания, В
24
Вид топлива
дизельное
Потребляемая мощность
108


3.2 Устройство основных узлов предпускового подогревателя 14ТС


     Основные узлы и детали, входящие в комплектацию предпускового подогревателя 14ТС, изображены на рисунке 3.1.




















1 – нагреватель; 2 – топливный насос; 10 – втулка разрезная; 12 – ключ свечной;

51 – блок автоматики; 53 – таймер электронный, 55 – электродвигатель с

насосом.

Рисунок 3.1 – Комплектация подогреватель

15


В свою очередь сам подогреватель состоит из следующих составных элементов, показанных на рисунке 3.2






















Рисунок 3.2 – Основные узлы нагревателя



3.3 Работа подогревателя 14 ТС



     Подогреватель предназначен для разогрева жидкости системы охлаждения двигателя автомобиля, принудительно прокачиваемой через теплообменную систему подогревателя. В качестве источника тепла используются газы от сгорания топливовоздушной смеси в камере сгорания. Через стенки теплообменника нагревателя тепло передается охлаждающей жидкости системы охлаждения двигателя автомобиля.

     Таймер электронный (рис. 3.3.) и пульт управлений предназначены для применения в составе подогревателя в качестве устройства обеспечивающее ручное управление подогревателем, а также для установки времени при автоматическом запуске подогревателя [2,4].

     При включении подогревателя осуществляется тестирование и контроль работоспособности элементов подогревателя: индикатора пламени, датчиков температуры и перегрева, помпы, электромотора нагнетателя воздуха, свечи, топливного насоса и их электроцепей. При исправном состоянии начинается
     
16


процесс розжига. Одновременно включается циркуляционный насос (помпа).

Подогреватель может работать по одной из двух программ:

«экономичная» или «нормальная» с установленным пультом управления. Если установлен таймер (Рисунок 3.3) электронный или кнопка подогреватель будет работать только по программе «нормальная». Экономичная программа отличается меньшей потребляемой мощностью на режимах «средний» и «малый».

     По заданной программе происходит предварительная продувка камеры сгорания и разогрев до необходимой температуры свечи накаливания. Затем по той же программе начинает подаваться топливо и воздух. В камере сгорания начинается процесс горения. После образования стабильного горения происходит отключение свечи накаливания. Контроль пламени осуществляется индикатором пламени. Всеми процессами при работе подогревателя управляет блок управления [2,4].

     Блок управления осуществляет контроль температуры охлаждающей жидкости и в зависимости от величины температуры охлаждающей жидкости устанавливает режимы работы подогревателя: «полный».

     На режиме «полный» по программе охлаждающая жидкость нагревается до 70°С.

     При подаче команды на выключение подогревателя вручную или автоматически по программе прекращается подача топлива и производится продувка камеры сгорания воздухом.

     Особенности автоматического управления работой подогревателя в аварийных и нештатных ситуациях:

     - если по каким-либо причинам не произошёл запуск подогревателя, то процесс запуска автоматически повторится. После 2-х неудачных попыток происходит выключение подогревателя;

     - если во время работы подогревателя горение прекратится, то подогреватель выключится;
     
17


     - при перегреве подогревателя (например, нарушена циркуляция охлаждающей жидкости, воздушная пробка и др.) происходит автоматическое выключение подогревателя [2,4].

- при  падении  напряжения  ниже  20В  или  его  повышении

свыше 30В происходит выключение подогревателя;

     - при аварийном выключении подогревателя при установленном таймере электронном на таймере появляется цифровой код неисправностей.

     - при аварийном выключении подогревателя при установленном пульте управления на пульте начнет мигать светодиод «КОНТРОЛЬ». Количество миганий через паузу показывает вид неисправности [3,6].










Рисунок 3.3 – Электронный таймер



3.4. Работа таймера



     Работа подогревателя осуществляется следующим образом: для регулирования температуры жидкости в системе используется датчик температуры, установленный на теплообменнике. Для управления работой подогревателя используется электронный таймер.

Порядок работы таймера:

     - таймер предварительно устанавливается в исходное состояние нажатием кнопки «сброс»;

- на цифровом табло таймера устанавливается с помощью кнопок «часы»

и «минуты» число, равное интервалу времени (до 23 часов 59 минут), через который таймер должен выключить подогреватель. Пуск таймера осуществляется нажатием кнопки «таймер», то есть моменты нажатия этой кнопки является началом отсчета установленного интервала времени;

18


- после пуска, через установленный интервал времени включит на (90+30)

секунд нагреватель форсунки а за тем выдает сигнал на включение подогревателя, время действия этого сигнала составляет (64+10) минут. На этом таймер завершает свой цикл работы, прекращает от счет времени, на табло сохраняется значение интервала времени и значения отсчитанного времени. В таблице предусмотрен режим немедленного включения подогревателя (немедленной подачи сигнала на включения подогревателя), осуществляемый нажатием кнопки «подогрев» - при этом таймер выдает сигнал на включения подогревателя независимо от того, в каком режиме до этого находился. Выключения подогревателя, в этом случае, осуществляется нажатием кнопки «сброс».

Работа индикаторов осуществляется следующим образом:

     - «подогрев» - загорается в момент начала работы подогревателя и гаснет при выключении подогревателя [3,6].

- «нагрев форсунки» - загорается на время форсунки;

     - «таймер» - начинает мигать при нажатии на кнопку «таймер», (но есть в момент пуска таймера) мигания индикатора означает, что таймер ведет отсчет установленного на табло интервала времени. В момент выдачи таймера сигнала на выключение подогревателя индикатор перестает мигать – горит постоянно в течении всего времени работы подогревателя. При несрабатывании одного из индикаторов таймера нажать кнопку «сброс». Определить причину отказа.

Работа цифрового табло:

     - при первичном подключении таймера к бортовой сети автомобиля цифровое табло включается на время от 10 до 15 секунд и гаснет;

     - кнопка «индикация» одновременно осуществляет также перевод цифрового табло в один из режимов работы: «отсчет» и «интервал».

     Режим «отсчет» - кнопка «индикация» нажата, на табло высвечивается время, прошедшее с момента пуска таймера [2,4].
     
19


     Режим «интервал» - кнопка «индикация» отпущена, на табло установленный интервал времени.

     Установка интервала времени, через который таймер должен включить подогреватель, на цифровое табло производится в следующей последовательности нажимается кнопка «сброс», с помощью кнопок «часы» и «минуты» устанавливается интервал времени [2,4].

     Нажатием кнопки «сброс» таймер возвращается в исходное состояние из любого режима.
     
20


4 Выбор и обоснование структурной схемы



4.1 Выбор микроконтроллера

4.1.1 Микроконтроллеры. Основные сведения



     Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем (микро-ЭВМ) [10], ориентированных на реализацию алгоритмов управления

техническими устройствами и технологическими процессами. Микроконтроллеры проще, чем универсальные микро-ЭВМ, и имеют возможность размещения их на одном кристалле в виде "однокристальных микро-ЭВМ''. Микроконтроллеры — БИС такой функциональной законченности, которая позволяет решать в полном объеме задачи определенного класса с помощью одного кристалла [2,4].

     Отличие МК от универсальной микро-ЭВМ [8] прежде всего в малом объеме памяти и менее разнообразном составе внешних устройств. В состав универсальной микро-ЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого

     быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (автоматизированное проектирование, компьютерная графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. МК же реализуют несложные алгоритмы, и для размещения программ им требуются емкости памяти, на несколько порядков меньшие, чем у микро-ЭВМ широкого назначения. Для хранения промежуточных данных достаточна память небольшой емкости. Набор внешних устройств также существенно конкретизируется и сужается, а сами они значительно проще. В результате модули универсальной микро-ЭВМ (процессор, память, интерфейсные схемы) требовалось выполнять как конструктивно самостоятельные, тогда как МК размещается на одном кристалле, хотя и имеет модули того же функционального назначения.

     Сопоставляя микропроцессор (т. е. центральный процессорный элемент достаточно сложной системы) и МК (т. е. микросхему простой системы в
     
21


целом) с точки зрения коммерческих потребностей, можно видеть преобладание МК. Число пользователей МК в несколько раз превышает число пользователей микросхем МП. Применение МК поддерживается такими областями массового производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность, военное оборудование и т. д. Годовой мировой выпуск микроконтроллеров сейчас оценивается цифрой 2 млрд, а их номенклатура насчитывает тысячи типов.

     В результате, на сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров семейства 8051, выпускаемых почти 20-ю компаниями. Эти модификации включают в себя кристаллы с широчайшим спектром периферии от простых 20-выводных устройств с одним таймером и 1К программной памяти до сложнейших 100-выводных кристаллов с 10-разрядными АЦП,

массивами таймеров - счетчиков, аппаратными 16-разрядными умножителями и 64К программной памяти на одном кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Все они имеют общую систему команд и с точки зрения программиста различаются лишь числом регистров специального назначения.

     Основными производителями клонов 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Intel, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, Microchip, Wmbond и ряд других. В СССР микроконтроллеры с ядром 8051 выпускали в Киеве (1816ВЕ31, 1816ВЕ51), Воронеже (1830ВЕ31, 1830ВЕ51), Минске (1834ВЕ31) и Новосибирске (1850ВЕ31).


4.1.2 Выбор управляющего процессора



     В процессе работы над дипломным проектом была проведена сравнительная оценка контроллеров производства Microchip (семейство PIC) и

ATMEL (семейство AVR), на данный момент доминирующими на мировом рынке микроконтроллеров.

22


     Основными требованиями, предъявляемыми к микроконтроллеру, выполняющего функцию управляющего процессора (УП), являлись следующие:

     а) Наличие внутреннего ОЗУ объемом не менее 128 байт или возможность адресации внешнего ОЗУ такого же объема без использования большого числа дополнительных элементов;

     б) Наличие внутреннего ПЗУ программ достаточного объема для хранения процедур обмена и обработки информации. Желательно, чтобы ПЗУ программ было перепрограммируемым, а еще лучше - с электрическим стиранием, чтобы можно было легко и быстро модифицировать алгоритмы работы стенда. Т.е. для удобства программирования и отладки необходимо наличие многократно записываемого ПЗУ (Flash – памяти);

     в) Наличие по крайней мере 15 линий ввода/вывода для адресации различных внешних устройств;

     г) Наличие встроенной системы обнаружения запросов прерываний и управления работой программы при поступлении такого запроса;

     д) Микроконтроллером также будет проводиться измерение интервалов времени, а программа для него практически полностью будет состоять из подпрограмм обработки прерываний от таймеров, поэтому желательно иметь более одного таймера;

     е) Параллельно программируемые ПЗУ неудобны с точки зрения внутрисхемной отладки программы. Поэтому желательно наличие ПЗУ, программируемого по последовательному интерфейсу;

     ж) Микроконтроллер должен обладать достаточным быстродействием. Оно оценивается временем выполнения одной команды. Это время должно быть не более 1 мкс;

     з) Невысокая стоимость, с учетом реализации всех вышеприведенных основных требований.
     
23


     Требования, предъявляемые к энергонезависимой памяти (EEPROM), небольшие – она требуется только для ведения статистики и может отсутствовать вообще.

     Перечень наиболее распространенных микроконтроллеров этих фирм, соответствующих предъявленным требованиям приведен в таблице 2.1.

     Объем памяти в таблице приводится в байтах. Первая цифра в столбце "Timers" означает количество таймеров, вторая – их разрядность. Время исполнения одной команды в микросекундах приведено в последнем столбце.

     Микроконтроллеры AVR имеют RISC-архитектуру и изготовляются по усовершенствованной КМОП-технологии.

Таблица 4.1- марки микроконтроллеров

Microcontroller
Flash
EEPROM
RAM
IOpins
Timers
IT, mks
AT89C2051
2048
256
128
15
2-16
0,125







AT90S4434
4096
256
128
32
2-16
0,125







AT90S8535
8192
512
512
32
1-16
0,25







Atmega83
8192
512
512
32
1-16
0,25







Atmega163
16384
512
1024
32
1-16
0,25







PIC16F874
7168
256
192
33
1-16
0,2







PIC16F877
14336
256
368
33
1-16
0,2







PIC18F442
16384
256
512
34
1-16
0,1







PIC18F452
32768
256
1536
34
1-16
0,1









     По одному из классификационных признаков микроконтроллеры могут принадлежать к CISC- или RISC-процессорам. Процессоры CISC имеют сложную систему команд (CISC — Complex Instruction Set Computer), т. е. большой набор разноформатных команд, и используют многие способы адресации. Архитектура CISC присуща классическим (традиционным) процессорам, она в силу многообразия команд позволяет применять эффективные алгоритмы решения задач, но, в то же время, усложняет схему процессора и его стоимость и в общем случае не обеспечивает его максимального быстродействия [3,6].
     
24


Контроллеры семейства AVR имеют следующие параметры:

     а) почти все команды выполняются за один машинный такт, что при тактовой частоте 1 МГц дает производительность в 1 MIPS (Million Instructions Per Second);

     б) флэш-память программ емкостью 1—8 Кбайт имеет допустимое число репрограммирований 103;
в) статическая память данных (SRAM) имеет емкость до 512 байт;

     г) память данных типа EEPROM с допустимым числом репрограммирований 105 имеет емкость 64—512 байт;

     д) многоуровневая система прерываний обслуживает от 3 до 16 источников запросов прерываний;

е) имеется достаточно обширный набор периферийных устройств.

     Так как задача управления системой пожаротушения не требует большой вычислительной мощности и почти не использует память, был выбран почти самый простейший контроллер из выпускаемых на данный момент – AT89C2051. Этот контроллер достаточно легко и быстро программируется, имеет программную память EEPROM размером 2Кбайт с возможностью в 1000 перезаписей. Также контроллер имеет встроенную оперативную память в 128 байт для внутренних регистров конфигурации управления контроллера, 32 пользовательских регистра, стека и регистров специального назначения. С помощью некоторых регистров специального назначения имеется возможность передачи информации по последовательному порту. Имея такую возможность, можно задавать начальные данные для программирования с компьютера или другого устройства. Контроллер имеет 2 порта ввода/вывода – P1 и P3. Один из них (P1) 8 байтовый, другой (P3) – 7 байтовый. Также имеется 16 линий ввода/вывода, развитую систему прерываний, два 16-битных таймера/счетчика. Контроллер обладает полной, хорошо проработанной системой команд, обеспечивающей высокую производительность при соответствующем выборе тактовой частоты; потребляет малую мощность от источника питания (менее
     
25


15мВт) в обычном режиме, а в режиме пониженного энергопотребления менее

1 мВт.

     К недостаткам выбранного микроконтроллера следует отнести отсутствие у него линий вывода с повышенной нагрузочной способностью, так что для управления мощной нагрузкой необходимо использование усилителей тока на транзисторах.

     Довольно большая популярность MCS-51 контроллеров обусловила появление значительного количества подробных описаний, рекомендаций по использованию в различных условиях и схемах, примеров программ для реализации тех или иных функций, многочисленных ассемблеров и компиляторов. Все это способствует более быстрой разработке готового изделия.

4.1.3 Характеристика AT89C2051



- совместим с продукцией серии MSC-51;

- перепрограммируемая 2 Кб Flash-память (до 1000 циклов перезаписи);

- рабочий диапазон 2,7-6 В;

- полностью статическое управление: от 0 Гц-24 МГц;

- двухуровневая программируемая архитектура прерываний;

- встроенная RAM память 128х8 бит;

- 15 программируемых линий ввода/вывода;

- два 16-битных таймера/счетчика;

- шесть источников прерывания;

 программируемый универсальный синхронно-асинхронный приемопере-датчик «Serial UART»;

- выходы с прямым подключением светодиодных индикаторов;

- встроенный аналоговый компаратор;

- режим  ожидания  при  пониженном  питании  и  энергосберегающий

режим.

26


4.1.4 Структура выбранного микроконтроллера



     AT89C2051 - восьмиразрядный RISC-микроконтроллер с Гарвардской архитектурой и пониженным энергопотреблением. Набор команд, ограниченность которого свойственна RISC-архитектурам, в данном случае необычно широк (120 команд), однако при этом сохранено основное преимущество RISC-архитектур повышенное быстродействие и сокращенное число операций обмена с памятью программ. Почти все команды размещаются

в одной ячейке программной пам.......................