Содержание к диссертации
Введение
1. Теплофизические основы управления механическими свойствами композиционных материалов ... 11
1.1. Структурам свойства композиционных материалов 11
1.2. Пути получения композиционных материалов 17
1.3. Роль влияния поверхности раздела на механические свойства композиционных материалов 24
1.4. Основы исследования и управления теплофизическими процессами при изготовлении изделий из композиционных материалов методом полимеризации 30
Выводы к первой главе 40
2. Исследования влияния температуры на механические свойства композиционных материалов методами теории вероятностей и математической статистики 42
2.1. Теоретические основы исследования надежности композиционных материалов методами теории вероятности и математической статистики 42
2.2. Экспериментальные исследования механических свойств композиционных материалов в зависимости от скорости нагрева и охлаждения 52
2.2.1. Исследования композиционных материалов на растяжение 53
2.2.2. Исследования межслоевого сдвига композиционного материала 63
2.2.3. Исследования на ударную вязкость 70
2.2.4. Исследования композиционных материалов на кручение 78
Выводы ко второй главе 81
3. Разработка алгоритмов и программ управления режимами теплофизическнх процессов
3.1. Теплофизические явления, происходящие в процессе полимеризации 83
3.2. Составление алгоритма изготовления композиционных материалов 89
3.2.1. Факторы, влияющие на процесс полимеризации 89
3.2.2. Алгоритм изготовления композиционных материалов 93
3.2.3. Структурная схема управления оптимальными режимами технологического процесса 97
3.3. Разработка многопозиционного регулятора температуры 104
3.4. Разработка функциональной схемы и алгоритма оптимального-управления процессом полимеризации 113
Вы воды к третьей главе 121
4. Экспериментальные исследования и моделирование теплофизическнх процессов изготовления изделий из композиционных материалов методом полимеризации 122
4.1. Описание объекта исследования 122
4.2. Описание установки и метода управления при полимеризации 123
4.3. Геометрия узла установки для получения композиционных материалов 127
4.4. Моделирование процесса полимеризации лонжерона лопасти вертолета с использованием экспериментальных данных 129
4.4.1. Результаты экспериментальных исследований полимеризации композиционного материала 131
4.4.2. Получение передаточных функций, описывающих работу отдельных блоков устройства и этапов полимеризации 143
4,4.3. Расчет передаточной функции корректирующего звена 145
Выводы к четвертой главе 146
Заключение 148
Литература
- Пути получения композиционных материалов
- Экспериментальные исследования механических свойств композиционных материалов в зависимости от скорости нагрева и охлаждения
- Факторы, влияющие на процесс полимеризации
- Геометрия узла установки для получения композиционных материалов
Введение к работе
Актуальность темы. Композиционные материалы обладают уникальными упругими и прочностными свойствами, которые превосходят даже некоторые параметры металлических изделий. Это предопределило тот факт, что наибольшие успехи в практическом использовании композиционных материалов достигнуты в аэрокосмической технике (сопловые блоки ракет, носовые конуса), производстве газотурбинных двигателей (лопатки турбин), вертолстостроенни. Уже сейчас эти материалы широко применяются в строительстве скоростных автомобилей, корпусов экстремальных яхт и гоночных судов, спортивного инвентаря, стоматологии и т.п. Важнейшими факторами, сдерживающими применение большинства композиционных материалов, являются высокая стоимость и серьезные проблемы технологического характера, затрудняющие высокую степень реализации прочности в деталях. Поэтому основные усилия исследователей и производственников направлены на совершенствование технологических процессов изготовления материалов и изделий из композиционных материалов.
Высокое качество изготовления таких изделий достигается при соблюдении определенных технических и технологических требований. Одним из методов изготовления их служит полимеризация, производимая в установках автоматического ведения технологического процесса (АВТП). Основным элементом их является специальная пресс-форма с электроподогревом. Кроме того, для процесса полимеризации необходим режим равномерного прогрева и удержания температуры на определенном уровне с последующим плавным охлаждением. В связи с этим возникает задача оптимизации процесса полимеризации.
Цель работы - исследование и разработка систем оптимального управления температурными процессами полимеризации и совершенствование технологии получения изделий из многослойных композиционных материалов.
Основные задачи исследований:
Экспериментальное исследование влияния скорости нагрева и охлаждения на механические свойства многослойных композиционных материалов.
Разработка оптимальных алгоритмов, программ и регулятора температуры для управления температурными процессами полимеризации.
Разработка рекомендаций для оптимального управления процессом полимеризации в установках АВТП.
Практическая ценность работы заключается в том, что исследованы влияния температуры, времени, скорости прогрева и охлаждения на надежность композиционных материалов. На основе исследований разработаны оптимальные алгоритмы и программы управления теплофизическими процессами в установках АВТП. Разработан многопозиционный регулятор температуры для системы автоматического оптимального управления на всех этапах изготовления изделий. Полученные результаты доведены до уровня инженерных методик и используются для совершенствования процессов изготовления композиционных материалов в Кумертауском авиационном производственном объединении со значительным экономическим эффектом. Экономический эффект создается как за счет сокращения затрат на обработку путем исключения штамповки и резки, так и за счет сокращения брака при изготовлении деталей.
Научная новизна. В данной работе экспериментально исследованы и выявлены влияния скорости прогрева и охлаждения на надежность композиционных материалов. Разработан новый прибор - многопозиционный регулятор температуры (МРТ) для системы автоматического оптимального управления технологическим процессом полимеризации. Разработаны оптимальные алгоритмы и программы управления теплофизическими процессами на всех этапах изготовления изделий. Разработана система автоматического оптимального управления процессом изготовления композиционных материалов.
Достоверность результатов, полученных в ходе исследований, определяется тем, что они получены экспериментально в производственных условиях, проверены в процессе эксплуатации, а также многочисленными сопоставлениями результатов теоретических и экспериментальных исследований, показавшими удовлетворительное согласие теории и эксперимента. Опубликованные ранее в печати теоретические и экспериментальные результаты хорошо согласуются с описанными в данной работе исследованиями и могут быть представлены как ее частные случаи.
На защиту выносятся:
1. Влияние скорости прогрева и охлаждения на механические свойства
многослойных композиционных материалов.
Многопозиционный регулятор температуры для системы автоматического оптимального управления технологическим процессом полимеризации.
Разработка оптимальных алгоритмов и программ управления температурными процессами на всех этапах изготовления изделий из многослойных композиционных материалов методом полимеризации.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской научной конференции «Физика конденсированного состояния» (г. Стерлитамак, 1997 г.); на республиканской научно-практической конференции «Проблемы интеграции науки, образования и производства южного региона Республики Башкортостан» (г. Салават, 2001 г.); на V-ой Российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, 2001 г.); на международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управлений и обработки информации» (г. Уфа, 2001 г.); на научной конференции «Вопросы проектирования информационных и кибернетических систем» (г. Уфа, 1991 г.), на V региональном совещании-семинаре (Уфа, БГПУ, 2005 г.), на V Уральском региональной научно- практической конференции «Современные проблемы физики и физико-
математического образования» (Уфа, 2006 г.), а также на научном семинаре кафедры промышленной автоматики Уфимского государственного авиационного технического университета под руководством доктора технических наук профессора Тюкова Н. И. и научных семинарах кафедры общей физики Башкирского государственного педагогического университета под руководством профессоров Фахретдинова И.А. и Фатыхова МЛ. (2003 - 06 гг.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе 2 монографии.
Структура и объем работы.
В первой главе диссертационной работы приведены сведения по теп-
лофизическим основам управления механическими свойствами композиционных материалов. Дан анализ проблем, возникающих при изготовлении композиционных материалов. Подчеркивается роль влияния поверхности раздела на механические свойства их.
Теоретически исследованы особенности пространственно-временного распределения температуры в композиционном материале. Показано, что распределение температуры в нем неравномерное, что может проявляться в прочностных характеристиках композиционных материалов. Обоснована проблема и поставлены задачи исследований тепломассообмена в установках АВТП при изготовлении многослойных изделий из композиционных материалов методом полимеризации.
Вторая глава посвящена влиянию технологического процесса изготовления на эксплуатационные характеристики изделий. Проведён анализ объекта исследования. Приведены описания экспериментальной установки, методика эксперимента, испытание на растяжение, на изгиб, на ударную вязкость и проведён контроль крутки лонжерона. Описаны результаты экспериментальных исследований, на основе экспериментальных данных
исследованы на надёжность, долговечность и выявлены влияния погрешностей управления на эксплуатационные характеристики изделий. Показано, что скорость нагрева и охлаждения материала должна быть равна около 2 С/мин,
Третья глава посвящена разработке алгоритмов и программ управления режимами тсплофизических процессов. Анализируются теплофизическне явления, происходящие при полимеризации. Основными параметрами, описывающими эти явления, служат температура, время, скорости нагрева и охлаждения, давление. В связи с этим представлены результаты зависимостей физико-механических свойств композиционных материалов ( предела прочности при сдвиге и растяжении, тангенса угла диэлектрических потерь) от давления, а также остаточных напряжений от температуры.
Описаны алгоритм и структурная схема оптимального управления режимом технологического процесса.
Для оптимизации технологического процесса полимеризации в системе автоматического регулирования разработан новый многопозиционный регулятор температуры, который позволяет управлять этим процессом по программе, а также подключать персональный компьютер. При этом в пределах каждого слоя композиционного материала необходимо обеспечить фадиепт температуры около 2 С.
Приведена функциональная схема и алгоритм оптимального управления процессом полимеризации.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и моделирования теплофизических процессов изготовления изделий из композиционных материалов методом полимеризации. Описана экспериментальная установка и метод управления полимеризацией. Результаты исследований анализируются методом передаточных функций. Показана взаимосвязь узлов установки и теплофизических параметров, характеризующих технологию изготовления изделий из композиционных материалов методом полимеризации.
Результаты данной работы могут быть применены при расчётах температурных полей в многослойных конструкциях, изготавливаемых методом полимеризации, при исследовании влияния технологического процесса изготовления изделий методом полимеризации на их эксплуатационные характеристики, при разработке автоматизированных систем управления процессом полимеризации, а также при исследовании готовых изделий на надёжность и долговечность.
Пути получения композиционных материалов
Существует проблема создания композиционных материалов, а именно - технология получения материала и изделия из него. При этом надо иметь в виду, что в подавляющем большинстве случаев материал как таковой особого интереса не представляет, так как он не может обрабатываться методами механической обработки - это ведет к утрате им или значительной части, или же всех его преимуществ. Поэтому, как правило, создается технология, ориентированная на изготовление определенных типов изделий; корпусов двигателей, турбинных насадок, профилей переменного сечения.
В зависимости от особенностей свойств матричных материалов разработано значительное число различных технологических приемов, позволяющих изготовить достаточно широкий круг изделий. Подробности таких процессов мало освещаются в научной и технической литературе, так как являются плодом длительных исследований и стоят очень дорого, обеспечивая прорыв в развитии наукоемких оборонных отраслей, таких, как аэрокосмическая, производство вооружений, средств обороны и защиты. Описание некоторых технологических приемов получения КМ описано в/1/. Для иллюстрации многообразия используемых подходов укажем лишь важнейшие из них.
Если исходить из предложенной ранее классификации, то следует начать с так называемых напокомпозитов, в которых содержание одной из фаз составляет от долей до нескольких процентов, а размеры имеют порядок 10-100 нм. Столь малых размеров частиц удается достигнуть главным образом в результате химического выделения (чаще всего восстановления) из их соединений с другими элементами, в частности из металлооргапических производных. Совершенно естественно, что в подобных системах об упрочнении не может быть и речи. Вместе с тем введение таких количеств металлов оказывается достаточным, чтобы существенно изменить важные физические свойства, такие, например, как каталитическая активность в химических реакциях, магнитные и электромагнитные свойства. Ограниченный круг материалов, разработка которых пока еще не вышла за лабораторные рамки, не позволяет привести сведения о практических путях их получения.
К группе дисперсно-упрочненных композиций относятся главным образом материалы на основе металлических матриц, где в качестве дисперсных частиц выступают окислы (например, SiCb , АЬ Оу в медной матрице), а также на основе некоторых силикатных матриц. Из-за близости формы дисперсных частиц к сферической анизотропии свойств в материалах практически не возникает. Основной механизм упрочняющего действия в таких композиционных материалах связан с повышением сопротивляемости матрицы деформациям под действием нагрузок. Величина возрастания прочностных характеристик относительно невелика. Однако большую ценность этим материалам придает их способность работать при повышенных (по сравнению с металлами) рабочих температурах, превышающих половину абсолютной температуры плавления или фазового превращения. Для композиционных материалов на основе металлических матриц наибольшее распространение получили методы порошковой металлургии, электрохимические, окислением или восстановлением, кристаллизацией из расплава (MoiC). Некоторые из таких композиционных материалов обладают интересными свойствами. Так, композиционный материал на основе меди и окиси бериллия сохраняет более 80% электрической проводимости при комнатной температуре даже после 2000 ч выдержки при 850 С, будучи при этом более прочным, чем медь и ряд ее сплавов. При восстановлении окиси никеля, содержащего дисперсную двуокись тория (3%), получается материал, известный под названием TD-никсль, который обладает значительно более высокой длительной прочностью при температуре 1090 С по сравнению со сверхпрочными сплавами никеля (инконель и хастеллой).
Наиболее многочисленными по количеству и разнообразию свойств являются композиционные материалы, упрочнение которых достигается благодаря использованию частиц или волокон /8,91. К первым относятся неорганические порошковые композиции, многочисленные и разнообразные керамические материалы, а также полимерные материалы (термопласты и реактопласти), наполненные разнообразными дисперсными наполнителями (слюдой, тальком, мелом и т.п.). При достаточно высоком содержании дисперсной фазы, достигающем 30-40 об.%, в формировании свойств таких композитов решающее значение приобретают как особенности деформационного поведения каждого из компонентов, так и характер взаимодействия на поверхности раздела фаз. Для изготовления материалов на основе металлических матриц наиболее широкое распространение получили процессы пропитки (Cu-W, Mo-Cu, Ni-Ag), предварительного компактирования смесей порошков с последующим твердофазным (Ag-графит, Cu-Fe) или жидкофазным (W-Ni-Cu, W-Ni-Fe, Ti-SiC-Ni) спеканием.
В основе получения таких материалов на базе керамических матриц лежит процесс изменения фазового состояния многочисленных систем в результате образования центров кристаллизации и роста кристаллов, роста зерен, твердо- и жидкофазного спекания. Подбором соответствующих условий нагрева, термообработки, отжига можно регулировать изменения структуры и свойств керамических композиционных материалов в широких пределах. Основные преимущества их связаны с высокими температурами эксплуатации (что характерно для керамики) при одновременном значительном повышении прочностных свойств. Материалы на керамических матрицах готовятся путем смешения компонентов в различных установках с последующим формованием заготовок путем уплотнения, литья и др.
Экспериментальные исследования механических свойств композиционных материалов в зависимости от скорости нагрева и охлаждения
Механические испытания - определение механических свойств материалов и изделий на образцах в строго регламентированных условиях (скорость, среда, температура, время, схема приложения механической нагрузки). Осуществление механических испытаний и сравнение их результатов для отдельных изделий и их групп связано с анализом признаков, характеризующих этапы подготовки и проведения испытаний, требования к оборудованию и приборам испытаний. Классификацию механических испытаний проводят по следующим признакам: -способу и времени действия нагрузки (статические, динамические, усталостные); -типу и схеме приложения нагрузки (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение); -температуре, при которой проводят испытания (при нормальной, пониженной или повышенной температуре).
Методы механических испытаний регламентированы государственными стандартами; испытания на растяжение, ударную вязкость, сжатие, изгиб. Объективная оценка механических свойств материалов и изделий возможно только с помощью машин и приборов.
Испытание на растяжение является наиболее универсальным по сравнению с другими видами испытаний, так как оно позволяет определять механические свойства материала на всех стадиях его деформации (от упругой деформации до разрушения). При растяжении образцов определяют следующие механические характеристики материала: -предел пропорциональности; -предел упругости; -модуль упругости; -предел текучести; -временное сопротивление; -относительное равномерное удлинение; -относительное удлинение после разрыва; -относительное сужение поперечного сечения после разрыва.
Испытание на растяжение проводят на образцах с плоскими зажимными головками, на внутренней стороне захватов приспособления имеется насечка, которая прочно удерживает головку образца при приложении к нему нагрузки. Образец для испытаний используют с рабочей частью в виде цилиндра или стержня с прямоугольным сечением, в данном случае образец для испытания на растяжение в виде «рыбки» (рис. 2.1.)
Подготовка образцов к испытанию начинается с их контроля. Образцы с механическими повреждениями, заусенцами, неправильной маркировкой, с нарушением требований к шероховатости поверхности, а также с размерами, превышающими допустимые, к испытанию не допускаются. Испытание образцов на растяжение осуществляют на разрывной машине, которая оснащена специальным регистрирующим прибором, автоматически вычерчивающим диаграмму растяжения - зависимость удлинения образца от прилагаемой нагрузки.
Для испытания на растяжение использовалась универсальная машина модели Р-2 фирмы «Риле» (США) /99/. Эта машина мощностью 294 кН предназначена для растяжения, сжатия, изгиба. Машина состоит из маятникового индикатора и насосного агрегата с устройством для нагружения образца. Устройство для нагружения снабжено двумя головками: верхней 1 и нижней 3 с клиновыми зажимами для испытания на растяжение. Рабочий стол (стол для сжатия образцов) 4 и верхняя тяговая головка 1 соединены четырьмя тягами 2, образующими клеть. Нижняя часть этой клети (стол для сжатия образцов) 4 прикреплена к верхней части стойки 6 со сферическим нижним концом, установленной в шарообразном углублении в центре главного плунжера 5. Верхний конец клети (верхняя тяговая головка 1) направляется роликовыми подшипниками на двух неподвижных винтах 7. Нижняя тяговая головка поддерживается двумя винтами 7, представляющими одно целое с фундаментной плитой 8. Главный цилиндр 9 с изоляцией от пыли и грязи установлен внутри плиты 8. Под действием гидравлического давления поршень поднимает стол вместе с ним верхнюю тяговую головку 1. Так как нижняя головка неподвижна, образец, закрепленный в верхней 1 и нижней 3 головках, подвергается действию растягивающей нагрузки, а образец, установленный между столом 4 и нижней головкой, - действию сжимающей нагрузки. Конечные выключатели исключают перегрузку при любом диапазоне нагрузок и превышение заданного хода плунжера. Маховик для регулирования скорости 10 и градуированный диск 11 установлены на большом столе впереди индикаторного агрегата. Маховик 10 приводит в действие специальный трехходовой вентиль, который служит для соединения главного цилиндра с системой, падающей масло под высоким давлением для создания нагрузки, или с реверсом для снятия нагрузки с образца и обратного хода. Этот вентиль необходим для управления потоком масла в обоих направлениях. Число скоростей для испытаний неограниченное, так как регулировка бесступенчатая. Скорости нагружения указаны на диске 11, градуированном в миллиметрах в минуту. Один поворот маховика 10 охватывает весь диапазон управления гидравлической системой (регулировка скорости, скорость приложения нагрузки, нуль, разгрузка и обратный ход).
Методика испытаний па растяжение заключается в следующем. Сначала устанавливают необходимые зажимы для крепления образца. Назначают нагрузку и устанавливают стрелку на шкале индикаторного агрегата на эту нагрузку. Затем на маятнике машины устанавливают груз, соответствующий этой нагрузке. Стол поперечной подачи опускается для обеспечения достаточного хода при окончании испытания образца. Нижнюю тяговую головку регулируют для закрепления образца.
Факторы, влияющие на процесс полимеризации
Процесс изготовления - один из наиболее существенных факторов, от которого зависит успешное применение композиционных материалов в изделиях различных типов. Особая значимость процесса изготовления определяется следующими причинами: - необходимостью изготовления основного конструкционного материала (предварительно пропитанной ленты или однослойных листов) из исходных однонаправленных или тканевых полотен; - трудностями при переработке некоторых компонентов, влияющих на свойства получаемых изделий. Это - хрупкость, отсутствие эластичности и т.д.; - чрезвычайной важностью строгого контроля процесса для достижения монолитности и постоянства свойств продукции; - высокими требованиями к соединяемым и контактируемым поверхностям.
Прессование изделий из стеклопластика является сложным процессом, основными параметрами которого являются: - температура; - время; - скорость нагрева и охлаждение; - давление.
Первые три фактора определяют химическую сторону образования прочности полимерного связующего и практически не зависят от конструкции детали. Величины давления прессования и скорость охлаждения в значительной мере определяются конструкцией и размерами деталей.
Давление преодолевает упругость газов и паров воды, выделяющихся при нагреве и охлаждении связующего, предупреждает расслоение стеклопластика, обеспечивает контакт слоев, проникновение связующего между волокнами наполнителя, способствует распределению прессуемого материала по объему пресс-формы. На 1-й стадии прессования происходит уплотнение всей массы стеклопластика. На 2-й - под воздействием повышенных давлений связующее вещество проникает в зазоры волокнами нитей, при этом площадь соприкосновения связующего со стеклопластиком увеличивается. На 3-й стадии, которая имеет место при высоких давлениях(700-900кГс/см2), происходит упругая деформация стеклопластика и вдавливание одного волокна и другое. На первых двух стадиях повышается прочность стеклопластика, на третьей - снижается. При повышении удельных давлений прессования от 1 до 25кГс/см происходит интенсивное увеличение адгезионной связи между ними, снижение пористости стеклопластика и закономерное повышение прочности и водостойкости. Эти явления наглядно демонстрирует рис. 3.1.
Так, например, предел прочности при изгибе эпоксифенольного стеклопластика, отпрессованного при давлении 2,5 кГс/см составляет 38, кГс/см а при давлении 25 кГс/см составляет 71,6 кГс/см .
При дальнейшем повышении давления от 25 до 200 кГс/см происходит лишь незначительное дальнейшее уплотнение стеклопластика, которое сказывается, главным образом, в увеличении стабильности диэлектрических свойств воды. При этом уменьиіается тангенс угла диэлектрических потерь стеклопластика с увеличением давления. Это показано на рис. 3.2. ffae/см Давления 300-600 кГс/см практически равноценны по своему действию и не изменяют свойства стеклопластика. После 700 кГс/см наблюдается заметное снижение механических свойств из-за разрушения стекловолокна.
При выборе давления прессования изделий учитывается сложность их конфигурации. При переходе от изделий простой формы, типа пластика, к изделиям сложной геометрической формы в связи с потерями на формообразование, давление должно быть увеличено. Конструкция изделий определяет также выбор скорости охлаждения при прессовании. Правильно выбранная скорость охлаждения детали, является необходимой предпосылкой для получения изделий с минимальным внутренним напряжением.
Известно, что процесс отвердения термореактивных связующих сопровождается уменьшением объема, так называемой "химической усадкой" связующего. Для эпоксидных связующих горячего отвердения усадка сравнительно небольшая 0,5-1%. Внутренние напряжения, вызванные "химической усадкой", составляют всего 5-30 кГс/см (меньшее значение усадки и напряжений у связующих на основе бифункциональных эпоксидных смол, большее - у связующих на основе полифункциопальпых эпоксидных смол ЭХД и ЭПОФ).
Значительно большую роль играют термическая усадка связующего и термические напряжения, обусловленные различными коэффициентами линейного расширения связующего и стекла (коэффициент линейного расширения алюмоборосиликатного стекла 2 10" 1ГС, эпоксидного связующего (60-65) 10-6 1/С).
Даже при медленном охлаждении (1-3) С /мин внутренние напряжения в изделии составляют (130-190) кГс/см . При скорости охлаждения более 3 С /мин внутренние напряжения увеличиваются на 30-40%. Медленное охлаждение со скоростью (1-3) С /мин особенно важно для изделий из стеклопластиков на основе жестких полифункциональных эпоксидных смол.
Геометрия узла установки для получения композиционных материалов
Для того чтобы уменьшить количество внешних компонентов и т.о. уменьшить стоимость, повысить надежность системы и снизить потребление, семейство МК PIC16F873X имеет дополнительные возможности. Имеются 4 режима генератора: RC генератор на одном контакте обеспечивает дешевое решение, LP генератор обеспечивает минимальное потребление, XT генератор- стандартное решение и HS генератор- для высокочастотных приложений. Режим останова позволяет резко уменьшить потребление. Пробуждение из режима останова может осуществляться при помощи внешних и внутренних прерываний и сбросов,
Высоко надежный сторожевой таймер со своим RC генератором обеспечивает защиту от зацикливания программы.
Вариант микросхем CERDIP с ультрафиолетовым стиранием идеально подходит для разработки и отладки программы, в то время как однократно программируемые варианты рентабельны для выпуска продукции в любом объеме,
Семейство МК PIC16F873X приспособлено для применения в удаленных устройствах защиты и датчиках, для приборов управления и автомобилей. Технология программируемого ПЗУ делает настройку прикладных программ быстрой и чрезвычайно удобной. Малогабаритные корпуса микросхем делают это семейство МК совершенными для всех приложений без ограничений. Низкая цепа, малая потребляемая мощность, высокая эффективность, удобство при использовании и гибкость I/O делает PIC16F873X универсальным даже в областях, где использование МК прежде не рассматривалось (например, функции таймера, последовательная связь, сбор и сравнение данных, функции ШИМ и приложения с сопроцессором).
В MKPIC16F873A входят: - блок индикации, который позволяет визуально контролировать температуру конкретно выбранного нагревательного элемента с 1-го по 16-й. Также позволяет визуально контролировать ввод новой информации о задании температуры, т. е. он может индицировать текущую температуру одного из участков (циклически показывает температуру 1-го участка, 2-го участка, 3-го участка и т.д.) и номер участка. Т. е. визуально в течении, например, 16-ти секунд можно посмотреть, как идет процесс (показывает по очереди). В режиме ввода температуры (задача максимальной температуры) этот блок индицирует то, что вводят с клавиатуры; - блок клавиатуры, который необходим для ввода текущей температуры, либо выбора режима индикации; - блок управления нагревателями, который необходим для подачи управляющих сигналов на конкретный тиристор (включить-выключить); - блок контроля температуры, который необходим для сбора информации последовательно со всех 16-ти термопар, приведения этой информации в соответствующую через масштабный усилитель и для передачи се в микроконтроллер (МК).
При применении персонального компьютера (ПК) используется интерфейс типа USART, позволяющий снимать показания текущих температур с МК и выдавать их на дисплей. Также можно выводить твердые копии, графики регулирования режимов для дальнейшего контроля. Т. е., если пошел брак, то можно будет посмотреть как все это произошло в блоке и в нем ли дело. Выбор ПК зависит от функций, которые он должен выполнять. Исходя из этих функций, ПК должен иметь характеристики не ниже IBM 486 с использованием Pentium не ниже третьего поколения.
Состав блоков многопозиционного регулятора температур:
- блок индикации, который состоит из 7-8 сегментных индикаторов, регистра индикации, транзисторных ключей и дешифратора адреса. Индикация осуществляется динамическим методом, реализованным программно МК (динамическая индикация формируется МК), т. е. в 110 определенный момент времени по шине данных ШД порта В ШД1 0-7 подаются данные (информация, которую необходимо вывести па один из индикаторов) на регистр индикации и по сигналам 1 с МК информация там фиксируется. С порта
В ШД2 0-2 подается 3-х разрядный код адреса индикатора (сегмента) па дешифратор адреса, где двоичный код преобразуется в позиционный. С дешифратора адреса код идет на транзисторные ключи, где происходит коммутация конкретно выбранного индикатора (1,2 или 3). Происходит индикация одного разряда. Чтобы не было мерцания индикатора частота динамической индикации должна быть для одного индикатора не менее 50 Гц (для 8-ми индикаторов 400 Гц);
- блок клавиатуры, который в это же время с дешифратора адреса ДА разряды с 0 по 3-й шины данных ШДЗ 0-3 подается на блок клавиатуры. С этого блока по шине данных ШД4 разряды с 0 по 2 подаются на порт С, где происходит анализ нажатия клавиши. Т. е. анализируется, какой в данный момент выбран номер индикатора. Клавиатурная матрица 4 3. На нее подается один из сигналов, т. е. контролируются первые 3 клавиши, затем вторые 3 клавиши и т.д. Так определяется какая клавиша нажата;
- блок управления нагревателями, который состоит из регистров управления, необходимый для фиксации данных. Для согласования с блоком согласования, чтобы развязать по питанию наш блок от силовой части применена оптроиная развязка, т. е. блок гальванической развязки, состоящий из 16-ти оптоэлектронных пар. Информация, идущая по шине данных ШД1 0-7, поступает па входа регистров управления (состоит из 2-х микросхем) сначала по первым 8-ми нагревателям, которые надо включить и, соответственно, информация фиксируется по сигналу 2. Потом снимается с остальных 8-ми и фиксируется по сигналу 3. Затем информация идет на блок гальванической развязки, т. е. какие то тиристоры включаются, а какие то выключаются;
- блок контроля температуры, который состоит из коммутатора аналоговых входов и масштабного усилителя. Коммутатор служит для подключения конкретно выбранной 1-й термопары ХК к масштабному усилителю. Т. е. цикл опроса равен циклу регенерации. Коммутатор состоит из 2-х микросхем K590KN6. На одну приходится 8 нагревательных элементов и на другую 8. Т. с. с 1 по 8 элементов применена одна микросхема, а с 9 по 16 другая.
С 1 по 8 подается сигнал 4 с МК. На вход коммутатора поставили двоичный адрес и установили сигнал 4 единицы, т. е. подключили первую микросхему коммутатора, и элемент коммутатора будет определен адресом этой шины. Информация о напряжении с термопары ХК подается на масштабный усилитель, где входной сигнал термопары усиливается (для оцифровки) до необходимого уровня. Также здесь можно рассчитать коэффициент усиления.
