Выбор и обоснование элементной базы

Принципиальная схема устройства изображена в Приложении А. По записанной в памяти программе микроконтроллера DD1 производит измерение сетевого напряжения в каждом периоде (20 мс). С делителя R1R2 отрицательные полуволны сетевого напряжения, проходя через стабилитрон VD1, формируют на нем импульсы с амплитудой, определяемой напряжением стабилизации стабилитрона, в данном случае 10 В.

С делителя R3R4, уменьшающего амплитуду полученного сигнала до ТТЛ уровня (рис. 3), эти импульсы приходят на линию 0 порта А, настроенную на ввод. С помощью подстроечного резистора R4 нижний уровень сигнала на входе МК установлен на 0, 2–0, 3В ниже уровня лог. 0.

При комнатной температуре и стабилизированном напряжении питания уровень напряжения перехода цифрового входа

КМОП микросхемы из состояния лог. 1 в состояние лог. 0 (и обратно из 0 в 1 с некоторым гистерезисом, которым в данном случае можно пренебречь ввиду его постоянного значения) остается практически постоянным.

Рисунок 2 – Схема изменения сетевого напряжения

Как видно из рисунка 2, при изменении сетевого напряжения от 145 до 275В длительность импульсов, соответствующих лог. 0, изменяется примерно от 0, 5 до 6 мс. Измеряя длительность этих импульсов, программа микроконтроллера вычисляет уровень сетевого напряжения в текущем периоде.

После включения стабилизатора сетевое напряжение контролируется в течение 5 секунд. Если оно находится в пределах 145–275В, мигает зеленый светодиод HL2 " Нормальное", в противном случае загораются светодиод HL3 " Низкое" или HL1 " Высокое" (в зависимости от значения сетевого напряжения). В таком состоянии стабилизатор находится до тех пор, пока напряжение в сети не войдет в заданные пределы.

Если по прошествии 5 секунд напряжение в сети остается в допустимых пределах, микроконтроллер выдает команду на открывание симистора VS1, через который автотрансформатор Т1 подключается к сети. После этого микроконтроллер еще в течение 0, 5 секунд производит контрольные замеры сетевого напряжения, а затем, в зависимости от результата измерения, открывает один из симисторов VS2–VS6, тем самым подключая нагрузку к одному из пяти отводов автотрансформатора. Гальваническая развязка симисторов с микроконтроллером осуществляется тиристорными оптронами U1–U6.

В процессе регулирования открывающий импульс снимается с включенного симистора в конце полупериода синусоиды сетевого напряжения. После этого программа микроконтроллера выдерживает паузу 4 мс, а затем подает открывающий импульс на другой симистор.

Длительность задержки между переключениями симисторов может быть увеличена изменением в начале программы соответствующего значения времени задержки. Увеличение этого времени до 10–15 мс необходимо в случае, если к стабилизатору подключена индуктивная нагрузка с коэффициентом мощности меньше 0, 7–0, 8.

При отклонении сетевого напряжения за допустимые пределы автотрансформатор вместе с нагрузкой отключается симистором VS1. Светодиоды HL1–HL8 индицируют состояние стабилизатора и уровни напряжения в сети. В зависимости от величины сетевого напряжения U выводы дополнительных обмоток автотрансформатора переключаются в следующем порядке:

- LX145В — нагрузка отключена, горит красный светодиод HL3 (" Низкое");

- 145< U< 165В — нагрузка подключена к выводу 7 (далее для краткости указаны только номера выводов, к которым подключена нагрузка), горит красный светодиод HL8 (" +20 %"), мигает HL3 (" Низкое");

- 165< U< 190В — вывод 7, горит HL8 (" +20%");

- 190< U< 205B — выводы 8 и 8', горит желтый светодиод HL7 (" +10%");

- 205< U< 235В — вывод 1, горит зеленый светодиод HL6 (" 0%");

- 235< U< 245В — выводы 6 и 6', горит желтый светодиод HL5 (" -7, 5%");

- 245< U< 265В — вывод 5', горит красный светодиод HL4 (" -15%");

- 265< U< 275В — вывод 5', горит красный светодиод HL4 (" -15%"), мигает HL1 (" Высокое");

- U> 275В — нагрузка отключена от сети, горит красный светодиод HL1 (" Высокое").

Для предотвращения беспорядочного переключения симисторов в случае, если сетевое напряжение находится на пороге переключения отводов автотрансформатора, в программу введен некоторый " гистерезис" в срабатывании. Например, если при увеличении сетевого напряжения от 189 до 190В будет произведено переключение нагрузки с отвода " +20%" на " +10%", то обратно на " +20%" Микроконтроллер переключит нагрузку только тогда, когда сетевое напряжение снизится примерно до 187В. Задержка между изменением напряжения в сети и соответствующим переключением отводов автотрансформатора не превышает 40 мс.

При " провале" сетевого напряжения ниже 145В на время более 100 мс микроконтроллер отключает автотрансформатор с подключенной к нему нагрузкой от сети, при этом гаснет зеленый светодиод HL2 " Нормальное" и загорается красный светодиод HL3 " Низкое". В случае, если напряжение в сети поднялось выше 275В, контролируемая нагрузка будет отключена от сети через 40 мс и загорится красный светодиод HL1 " Высокое".

После того как напряжение в сети вернется к норме (145< U< 275В), микроконтроллер в течение 15 секунд проводит контрольные замеры его уровня. Этот процесс сопровождается миганием зеленого светодиода HL2 " Нормальное". Если по прошествии этого времени сетевое напряжение не выходило за указанные пределы, HL2 перестает мигать и горит постоянно, но питание на нагрузку будет подано только после нажатия кнопки SB1.

При пропадании сетевого напряжения заряда конденсатора С2 хватает примерно на 30 секунд поддержания нормальной работоспособности микроконтроллера, затем программа зависает, вследствие чего срабатывает встроенный в микроконтроллер независимый сторожевой таймер (WDT). Информация о сигнале от этого таймера сохраняется в памяти микроконтроллера еще примерно в течение 3 минут (пока конденсатор С2 не разрядится практически до нуля). Если в это время сетевое напряжение восстановится, вновь запущенная программа, обнаружив в памяти сигнал от WDT, будет ожидать нажатия кнопки SB1. Таким образом, восстановление сетевого напряжения по прошествии 4–5 минут после выключения будет расценено стабилизатором как штатное и, следовательно, через 5 секунд (время контрольного тестирования напряжения в сети) нагрузка через автотрансформатор окажется подключенной к сети.

В случае если стабилизатор работает, к примеру, совместно с источником бесперебойного питания или другим устройством, для которого возможные циклы беспорядочного включения — выключения напряжения из-за нарушения работы электросети не критичны, ожидание в программе нажатия кнопки SB1 можно обойти. Нажатие на кнопку SB1 в течение 2 секунд при нормальной работе устройства приводит к отключению нагрузки, и стабилизатор переходит в дежурный режим, аналогичный тому, который происходит после пропадания напряжения в сети.

Питается МК DD1 от двух источников стабилизированного напряжения 5В. В дежурном режиме, когда автотрансформатор Т1 отключен от сети (симистор VS1 закрыт), потребляемый устройством управления ток минимален (20–25 мА) и питание осуществляется от бестрансформаторного источника, состоящего из балластного конденсатора С1 и стабилитрона VD3. Этот источник обеспечивает стабильную работу микроконтроллера при изменении напряжения сети от 100 до 400 В.

При переходе устройства из дежурного режима в рабочий, когда автотрансформатор Т1 вместе с нагрузкой подключается к сети (включены оптрон U1, один из оптронов U2–U6, а также один из светодиодов HL4–HL8 и, возможно, HL1 или HL3, мигающие при приближении напряжения сети к границам разрешенного диапазона), потребляемый ток возрастает примерно до 100 мА. В этом режиме мощности бестрансформаторного источника питания оказывается недостаточно для поддержания стабильного (без заметных пульсаций) напряжения питания 5В. Для исключения влияния нестабильности напряжения питания микроконтроллера на результат измерения сетевого напряжения в устройстве предусмотрен второй источник стабилизированного напряжения 5В, собранный на интегральном стабилизаторе DA1. Цепь C6R5R6 при включении устройства в сеть формирует выдержку времени перед запуском МК, необходимую для того, чтобы напряжение на конденсаторе С2 успело возрасти до уровня, обеспечивающего нормальную работу микроконтроллера.

В стабилизаторе применены постоянные резисторы МЛ Т, подстроечные (R2, R4) СП5-2. Конденсатор С1 – МБГЧ с номинальным напряжением не менее 500В. Возможно использование конденсатора К73-17 с номинальным напряжением 630 В (следует, однако, учесть, что допустимая амплитуда переменного напряжения этого конденсатора не превышает 315 В). Стабилитрон VD3 желательно подобрать с напряжением стабилизации на 0, 05–0, 1В большим, чем напряжение на выходе стабилизатора DA1. Симисторы КУ208Г заменимы любыми другими, рассчитанными на требуемый ток и напряжение в закрытом состоянии не менее 400В.

Описание контроллера PIC16F84

PIC16F84 относится к семейству КМОП микроконтроллеров. Отличается тем, что имеет внутреннее 1K x 14 бит EEPROM для программ, 8-битовые данные и 64байт EEPROM памяти данных. При этом отличаются низкой стоимостью и высокой производительностью. Все команды состоят из одного слова (14 бит шириной) и исполняются за один цикл (1 мкс при частоте 4МГц), кроме команд перехода, которые выполняются за два цикла (2 мкс). PIC16F84 имеет прерывание, срабатывающее от четырех источников, и восьмиуровневый аппаратный стек. Периферия включает в себя 8-битный таймер/счетчик с 8-битным программируемым предварительным делителем (фактически 16 - битный таймер) и 13 линий двунаправленного ввода/вывода. Высокая нагрузочная способность (25 мА макс. входной ток, 20 мА макс. выходной ток) линий ввода/вывода упрощают внешние драйверы и, тем самым, уменьшается общая стоимость системы. Разработки на базе контроллеров PIC16F84 поддерживается ассемблером, программным симулятором, внутрисхемным эмулятором (только фирмы Microchiр) и программатором.

Серия PIC16F84 подходит для широкого спектра приложений от схем высокоскоростного управления автомобильными и электрическими двигателями до экономичных удаленных приемопередатчиков, показывающих приборов и связных процессоров. Наличие ПЗУ позволяет подстраивать параметры в прикладных программах (коды передатчика, скорости двигателя, частоты приемника и т.д.).

Малые размеры корпусов, как для обычного, так и для поверхностного монтажа, делает эту серию микроконтроллеров пригодной для портативных приложений. Низкая цена, экономичность, быстродействие, простота использования и гибкость ввода/вывода делает PIC16F84 привлекательным даже в тех областях, где ранее не применялись микроконтроллеры. Например, таймеры, замена жесткой логики в больших системах, сопроцессоры.

Cледует добавить, что встроенный автомат программирования EEPROM кристалла PIC16F84 позволяет легко подстраивать программу и данные под конкретные требования даже после завершения ассемблирования и тестирования. Эта возможность может быть использована как для тиражирования, так и для занесения калибровочных данных уже после окончательного тестирования.

Обзор характеристик контроллера PIC16F84:

Высокоскоростной RISC процессор:

а) только 35 простых команд;

б) все команды выполняются за один цикл (1мкс), кроме команд перехода, выполняющихся за два цикла;

в) рабочая частота 0Гц – 4МГц (минимум 1мкс цикл команды);

г) 14-битовые команды;

д) 8-битовые данные;

е) 1024х14 электрически перепрограммируемой программой памяти на кристалле (EEPROM);

ж) 36х8 регистров общего использования;

з) 15 специальных аппаратных регистров SFR;

и) 64х8 электрически перепрограммируемой EEPROM памяти для данных;

к) Восьмиуровневый аппаратный стек;

л) Прямая, косвенная и относительная адресация данных и команд;

м) Четыре источника прерывания:

- внешний вход INT;

- переполнение таймера TMR0;

- прерывание при изменении сигналов на линиях порта B;

- по завершению записи данных в память EEPROM.

Периферия и Ввод/Вывод:

а) 13 линий воода-вывода с индивидуальной настройкой;

б) входной/выходной ток для управления светодиодами:

- максимальный входной ток – 20мА;

- максимальный выходной ток – 25мА;

в) TMR0: 8 – битный таймер/счетчик TMR0 с 8-битным программируемым предварительным делителем;

Специальные свойства:

а) автоматический сброс при включении;

б) таймер включения при сбросе;

в) таймер запуска генератора;

г) WatchDog таймер (WDT) с собственным встроенным генератором, обеспечивающим повышенную надежность;

д) EEPROM бит секретности для защиты кода;

е) экономичный режим SLEEP;

ж) выбираемые пользователем биты для установки режима возбуждения встроенного генератора:

- RC генератор: RC;

- обычный кварцевый резонатор: XT;

- высокочастотный кварцевый резонатор: HS;

- экономичный низкочастотный кристалл: LP;

з) встроенное устройство программирования EEPROM памяти программ и данных (используется только две ножки);

КМОП технология:

а) экономичная высокоскоростная КМОП EPROM технология;

б) статический принцип в архитектуре;

в) широкий диапазон напряжений питания и температур:

- коммерческий (2, 0 – 6, 0В, 0 - +70С⁰);

- промышленный (2, 0 – 6, 0В, -40 - +70С⁰)

- автомобильный (2, 0 – 6, 0В, 40 - +125С⁰);

г) низкое потребление:

- 2мА типично для 5В, 4МГц;

- 15мкА типично для 2В, 32КГц;

- 1мкА типично для SLEEP режима при 2В.

Таблица 1 – обозначение ножек и их функциональное назначение

Обозначение	Нормальный режим	Режим записи EEPROM
RA0 – RA3	Двунаправленные линии ввода/вывода. Входные уровни ТТЛ
RA4/T0CKI	Вход через триггер Шмидта. Ножка порта ввода/вывода с открытым стоком или вход частоты для таймера/счетчика TMR0
RB0/INT	Двунаправленная линия порта ввода/вывода или внешний вход прерывания. Уровни ТТЛ
RB1 – RB5	Двунаправленные линии ввода/вывода. Уровни ТТЛ.
RB6	Двунаправленные линии	Вход тактовой частоты
Продолжение таблицы 1
Обозначение	Нормальный режим	Режим записи EEPROM
	ввода/вывода. Уровни ТТЛ.	для EEPROM
RB7	Двунаправленные линии ввода/вывода. Уровни ТТЛ.	Вход/выход EEPROM данных
/Vрр	Низкий уровень на этом входе генерирует сигнал сброса для контроллера. Активный низкий.	Сброс контроллера. Для режима EEPROM подать Vpp.
OSC1/CLKIN	Для подключения кварца, RC или вход внешней тактовой частоты
OSC2/CLKOUT	Генератор, выход тактовой частоты в режиме RC генератора, в остальных случаях - для подключения кварц
Vdd	Напряжение питания	Напряжение питания
Vss	Общий(земля)	Общий