SISTEM DE ACHIZIŢIE PENTRU CONTROLUL ALIMENTARII CU APA A UNUI BAZIN UTILIZAND MICROCONTROLERUL PICF877 Ing. Antonie Nicolae, Universitatea Constantin Brâncuşi din Tîrgu Jiu Ş.L.Dr.Ing. Ilie Borcoşi, Universitatea Constantin Brâncuşi din Tîrgu Jiu Abstract: În lucrarea de faţă prezentăm realizarea unui sistem de comanda si control a alimentarii cu apa a unui bazin utilizand un microcontroler de tip PICF877. Cuvinte cheie: Sistem, comanda, microcontroler, control. ACQUISITION SYSTEM FOR THE CONTROL OF WATER SUPPLY BASIN USING PICF877 MICROCONTROLLER Eng. Antonie Nicolae, Constantin Brâncuşi University from Târgu Jiu Lect. dr. Eng. Borcosi Ilie, Constantin Brâncuşi University from Târgu Jiu Abstract: In this paper we present the realization of a command and control system of a basin of water supply using a PICF877 microcontroller type. Keyords: System, command, microcontroller, control. DESCRIEREA SISTEMULUI COMANDA SI CONTROL DE DESCRIPTION OF THE COMMAND AND CONTROL SYSTEM Sistemul de alimentare ce trebuie comandat are in componenţa sa un bazin cu un volum de metri cubi utili, doua pompe pentru alimentarea cu apa, dintre care una submersibila de o putere,kw şi una de preluare de o putere kw. Sursa de apa se afla la o distanta de 7 de metri fata de bazinul de acumulare şi la o diferenţă de nivel de aproximativ 0m. Bazinul de acumulare este prevazut cu un numar de senzori reed dintre care sunt pentru nivel minim şi nivel maxim iar alţi sunt pentru semnalare regim de avarie la gol şi supraplin. De altfel şi la sursa de apa avem prevăzuţi senzori reed, ce au rol de monitorizare nivel apa astfel încât pompa submersibila să nu ramână niciodată în gol, regim de funcţionare ce duce ireversibil la defectarea ei. Atât cei patru senzori de la bazinul de acumulare, cât şi cei de la sursă sunt montaţi în interiorul unei conducte de ½, etanşată la capătul dinspre interiorul bazinului astfel încât apa să nu pătrundă în ea. Supply system to be controlled is composed of a basin with a volume of cubic meters usable, two pumps for water supply, one submersible power of. kw and a assumption of power kw. Water source is at a distance of 7 meters from the storage basin and a difference of about 0m. Storage basin is equipped with a total of sensors reed of which are the minimum and maximum level and the other are for emergency signaling system to empty and overflow. Moreover and water source have provided two reed sensors that have the role of water level monitoring so that submersible pump to is never into the void, operating regime leading to irreversible damage them. Both the four sensors in the storage basin and the from the source are mounted within a ½ pipeline, sealed at the end from inside the basin so that water does not enter into it.
Pe exteriorul conductei culisează un plutitor ce are ataşat un magnet permanent de formă circulară. Astfel atunci când plutitorul ajunge în dreptul unui senzor, câmpul magnetic generat de magnetul permanent activează senzorul iar semnalul de la acesta este transmis spre circuitul de comandă cu microcontroler. Activarea sistemului se face odată cu apăsarea butonului RC0; imediat ce este sesizată întreruperea, microcontrolerul testează mai întâi senzorii de la sursa de apă şi nu va da comandă pentru pornirea pompei P decât dacă este îndeplinită condiţia ca nivelul apei sa fie peste nivelul minim (senzorul de minim este plasat peste nivelul pompei). Daca această condiţie este îndeplinită, atunci se testează şi senzorii de la bazinul de acumulare, iar dacă nivelul apei din bazinul de acumulare este mai mare decât nivelul maxim, nu se pornesc pompele iar comanda e ignorată. Daca sunt îndeplinite condiţiile de pornire (avem apă la sursă, iar nivelul din bazin nu e maxim) atunci este pornită pompa P iar după un timp de aşteptare t dat de timpul de parcurgere al coloanei de apă de la pompa P la pompa P (t ) plus timpul de amorsare al pompei P (t ) este pornită şi pompa P. De altfel sistemul se poate trece si in modul de lucru manual dacă se apasă butonul conectat la RC. În modul de lucru manual sunt ignoraţi senzorii din bazinul de acumulare, permiţând astfel umplerea până la refuz a acestuia. Modul de lucru manual este semnalizat prin afişarea pe afisaj a mesajului MANUAL. Ieşirea din modul de lucru manual se poate face prin apăsarea din nou a butonului RC 0. În cele ce urmează prezentăm schema de principiu a sistemului automat de alimentare cu apă. On the outside pipeline sliding a float that is attached to a circular permanent magnet. Thus when float up with the sensor the magnetic field generated by the permanent magnet activates the sensor and the signal is sent to the control circuit microcontroller. System activation is made with pressing the RC0 buton; promptly as is interruption seised, the microcontroller first test the sensors to water source and will not pump P start command only if the condition that the water level be above the minimum level (minimum sensor is placed above the pump). If that condition is satisfied, then tested and sensors from storage basin, and if the water level in the storage basin is higher than the maximum, no start the pumps and the start command is ignored. If the starting conditions (we have water at source and the basin was maximal) then P pump is turned on and after a waiting time t given the travel time of the water column from the pump P to pump P (t ) plus P pump start time (t ) is on and the pump P. Besides the system can switch and manual operation button is pressed connected to RC. In manual mode are ignored storage basin sensors, thus filling it to overflowing. The manual mode is signaled by displaying a message MANUAL on the display. Exit manual mode can be done by pressing the RC 0 button again. The following is the schematic diagram of automatic water system.
Fig. Schema de principiu a sistemului de almentare cu apă Fig. Schematic diagram of automatic water system. Am folosit microcontrolerul PICF877, microcontroler ce face parte din clasa medie a microcontrolerelor fabricate de firma Microchip; are o structură de tip Harvard şi o unitate centrală de prelucrare de tip RISC. - CPU RISC (Reduced Instruction Set Computing), adică are un set redus de instrucţiuni care-i permite lucrul mai rapid decât al unui controller cu set extins; - de instrucţiuni de un singur cuvânt; - toate instrucţiunile sunt executate într-un singur ciclu, cu excepţia celor ce determină salturi; PICF877A microcontroller belongs to the class of microcontrollers manufactured by Microchip, is a Harvard-type structure and a central processing unit type RISC. Basic feature are: - CPU RISC (Reduced Instruction Set Computing), that has a reduced instruction set that allows him to work faster than an extensive set controller; - single word instructions; - all instructions are executed in one cycle, except those that cause jumps;
- frecvenţa de operare maximă este de 0MHz, 00ns/instrucţiune; - memorie FLASH de 8K x biţi; - memorie RAM 8 x 8 biţi; - memorie EEPROM x 8 biţi; - maxim surse de întreruperi mascabile; - stivă hardware pe 8 nivele; - moduri de adresare directă, indirectă şi relativă; - tensiune de alimentare de la.0v la.v; - curent debitat/absorbit de ma/pin; - putere consumată mică, sub 0.mA la V şi MHz; - două timere, din care TIMER0 pe 8 biţi, TIMER pe biţi, TIMER pe 8 biţi, fiecare cu câte o funcţie specială, două ieşiri PWM; - convertor A/D pe 0 biţi; - port serial RS încorporat; - capsulă DIP0 (Dual In-line Plastic, 0 de pini). Microcontrolerul lucrează la o frecvenţă de MHz (fiecare instrucţiune are cicluri, deci 0/=MHz frecvenţă de tact). Aceasta face ca o instrucţiune să fie executată în 00ns. Se va folosi un contor (timer) pe 8 biţi, TIMER0, pentru a determina o bază de timp de 00ms. Există o serie de periferice în structura microcontrolerului precum timere, module PWM, capture, compare, circuite de comunicaţie serială şi paralelă precum şi un convertor analog-digital multicanal cu o rezoluţie de 0 biţi. Toate aceste caracteriatici au făcut ca acest micrcontroler să fie ales de către noi pentru realizarea sistemului de comandă şi control prezentat în figura următoare: - maximum operating frequency is 0MHz, 00ns/instruction; - memory FLASH de 8K x bits; - memory RAM 8 x 8 bits; - memory EEPROM x 8 bits; - maximum masked inntreruptions sources; - 8-level hardware stack; - direct, indirect and relative adressing ways; - the supply voltage from.0v at.v; - debited/absorbed current ma/pin; - low power consumed, under 0.mA at V and MHz; - three timers, which TIMER0 at 8 bits, TIMER at bits, TIMER at 8 bits, each with a special function, two PWM outputs; - A/D converter at 0 bits; - incorporated RS serial port; - DIP0 capsule (Dual In-line Plastic, 0 pins). Microcontroller working at a frequency of MHz (each instruction takes cycles, so 0/ = MHz clock frequency). This makes an instruction to be executed in 00ns. Will be use a 8-bits timer, TIMER0, to determine a time basis for 00ms. There are a number of peripheral in microcontroller structure, such as timers, PWM modules, capture, compare, serial and parallel communication circuits and multichannel analog-digital converter with a 0-bits resolution. All these features have made us to choose this microcontroller by us to achieve the command and control system presented in the next figure:
x0k S +V (Vb) R 0 RELAY R7 k C C 0 R RELAY R R8 00 LM 0 BC7 S LED V CNY7- C +V (Va) +Vcc RELAY LED V LED R N8 R MAX U 9 0 ROUT TIN V- V+ 8 7 RIN TOUT C- C+ GND VCC C- C+ GND R k BC7 To P RELAY LED R CNY7-00n C R 0k PICF877 0 MCLR RB7 9 RA0 RB 8 RA RB 7 RA RB RA RB 7 RA RB 8 RA RB 9 RE0 RB0 0 RE Vdd RE Vss 0 Vdd RD7 9 Vss RD 8 OSC RD 7 OSC RD RC0 RC7 7 RC RC 8 RC RC 9 RC RC 0 RD0 RD RD RD S S GND To P R 00n P N8 0 CONNECTOR DB9 00n 7 8 9 LM LCD x 7 8 9 0 Vss Vdd Vee RS R/W E D0 D D D D D D D7 k7 R 0Vca R7 00n 00 x0k OSC XT Fig. Schema electronică Fig. Electronic scheme RC0 RC S0 S
Se observă din figura anterioară că pe lângă senzorii de nivel şi butoanele decomandă, la microcontrolerul PICF877 mai este conectat şi un afişaj LCD cu linii şi coloane. Acest afişaj este conectat prin intermediul a linii de date şi linii de comandă la portul B al microcontrolerului. Potenţiometrul P are rolul de a regla luminozitatea afişajului pentru o cât mai bună vizibilitate. În principiu după alimentarea circuitului electonic sau resetarea microconrolerului, acesta parcurge secvenţa de iniţializare, verifică pe rând senzorii de nivel şi rămâne într-o stare de veghe până la primirea unei comenzi. Odata parcursă secvenţa de citire senzori, nivelul este afişat pe afisajul LCD prin intermediul celor linii de date şi al liniilor de comandă. După aceea este afişat mesajul READY în aşteptarea unei comenzi. În programul intern al microcontrolerului este implementată şi procedura de afişare pe LCD şi s-a convenit ca pe prima linie să se afişeze starea iar pe cea de a doua să se afişeze comanda pentru cele pompe. De altfel sistemul de comandă mai este prevăzut şi cu un modul de comunicaţie serială ce are la bază circuitul MAX care are rolul de a converti semnalele TTL preluate de la microcontroler în semnale în domeniul ±V, cât şi invers. Acest circuit necesită un număr minim de componente pentru funcţionare şi anume doar condensatoare poziţionate ca în figura anterioară. Se mai observă aici prezenţa a optocuploare ce au rolul de izolare galvanică, prin intermediul transmisiei seriale dintre placa de comandă şi un calculator. Pentru buna funcţionare a sistemului de comandă prezentat este necesară o sursă de alimentare formată din surse de +Vcc separate galvanic şi de o sursă dubla de ±Vcc (nefigurate în schemă). Shown in the previous figure that the addition to level sensors and comand buttons to PICF877 microcontroller is connected a LCD display with lines and columns. This display is connected through a four data lines and three control lines to port B of the microcontroller. Potentiometer R is to adjust display brightness for a better visibility. In principle, after powered the electronic circuit or after reset the microcontroller it go through the initialization sequence, check the all level sensors and remains in a standby until receiving a command. Once sensor reading sequence, the level is displayed on the LCD display through the lines data and control lines. Then display the READY message, pending a new orders. In the internal microcontroller program is implemented LCD display procedure, it was agreed that the first line to display the status and the second line to display the comands for pumps. Besides command system is provided with serial communication module that is based on MAX circuit which is designed to convert TTL signals, taken from the microcontroller, in the electrical signal with range of variations ± V and reverse. This circuit requires a minimum number of components for functioning, more precisely, four capacitors positioned as are shown in the previous figure. Is observed here that are present two optocouplers which are designed to galvanically isolate, through serial transmission between the command board and the computer. For proper functioning of the command system is now needed a power source consists of two sources of + VDC galvanic isolation and a ± VDC dual source (are not figurated in the scheme).
CONCLUZII Sistemul de comandă propus poate fi extins şi la alte aplicaţii prin simpla scoatere în exterior cu ajutorul unor conectori a porturilor microcontrolerului, putem extinde aplicaţia. Datorită posibilităţilor de comunicare serială şi nu numai a unor astfel de microcontrolere cu un calculator de proces sau cu alte dispozitive de acest gen le face tot mai folosite în aplicaţii industriale foarte complexe, iar un alt avantaj important al aplicaţiei prezentate este reprezentat de preţul redus de realizare, flexibilitatea şi fiabilitatea acesteia. REFERINŢE: []. Antonie, N., Borcoşi, I., Dincă, A., Ionescu, M., FOC Control System of AC Machines, Analele Universitatii Constantin Brancusi din Tg. Jiu, Seria Inginerie, no./008,issn 8 8, pag. 07-. []. Antonie, N., Borcoşi, I., Ionescu, M., Acquisition and development szstem with PICF8 and PICF877 microcontrolers, Analele Universitatii Constantin Brancusi din Tg. Jiu, Seria Inginerie, no./00, ISSN 8 8, pag. 9-0. []. Borcosi I., Onisifor O., Popescu M.C., Antonie N., "A Method to Protect from no Pulse for a Three-Phase Rectifier Bridge Connected with the Resistive-Inductive Load", Proceedings of the 0th WSEAS International Conference on Mathematical and Computational Methods in Science and Engineering, Bucharest, November 008, pp.-. []. Borcosi I, Olaru O, Popescu M.C., Antonie N., "Method to Protect from no Pulse for a Three-Phase Rectifier Bridge", International Journal of Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, January 009, pp.7-8. []. Borcoşi Ilie, Olaru Onisifor, Popescu Marius-Constantin, Dinca Alina, Antonie Nicolae, Ionescu Marian, Device with Analogical Circuits for Protection to the Lack CONCLUSION The control system proposed can be extended to other applications by simply removing the outside by using port connectors, we can expand the application. Due to serial communication possibilities, and not only, with a process computer or with other devices, this microcontrollers are used in complex industrial applications. And another important advantage of the application presented is the discounted price of implementation, flexibility and reliability. REFERENCES: []. Antonie, N., Borcoşi, I., Dincă, A., Ionescu, M., FOC Control System of AC Machines, Analele Universitatii Constantin Brancusi din Tg. Jiu, Seria Inginerie, no./008,issn 8 8, pag. 07-. []. Antonie, N., Borcoşi, I., Ionescu, M., Acquisition and development szstem with PICF8 and PICF877 microcontrolers, Analele Universitatii Constantin Brancusi din Tg. Jiu, Seria Inginerie, no./00, ISSN 8 8, pag. 9-0. []. Borcosi I., Onisifor O., Popescu M.C., Antonie N., "A Method to Protect from no Pulse for a Three-Phase Rectifier Bridge Connected with the Resistive-Inductive Load", Proceedings of the 0th WSEAS International Conference on Mathematical and Computational Methods in Science and Engineering, Bucharest, November 008, pp.-. []. Borcosi I, Olaru O, Popescu M.C., Antonie N., "Method to Protect from no Pulse for a Three-Phase Rectifier Bridge", International Journal of Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, January 009, pp.7-8. []. Borcoşi Ilie, Olaru Onisifor, Popescu Marius-Constantin, Dinca Alina, Antonie Nicolae, Ionescu Marian, Device with Analogical Circuits for Protection to the Lack 7
of the Pulse for the Three-Phase Rectifiers in Electrical Drive, INTERNATIONAL JOURNAL OF MATHEMATICAL MODELS AND METHODS IN APPLIED SCIENCES, Issue, Volume, December 008, ISSN: 998-00, pp. 8-9. []. Ilie Borcoşi, Onisifor Olaru, Nicolae Antonie, Device for Protection to the Lack of the Pulse for the Tri-Phase Rectifiers in Bridge, International Journal of Coputers, Communications& Control, ISSN 8-98, E-ISSN 8-98, Vol. III, 008, pp. 9-00. [7]. Ilie Borcosi, Alina Dincă, Daniela Nebunu, Antonie Nicolae, High performance digital control system of ac machines, Annual of University of Mining and Geology,,St. Ivan Rilski, Sofia, vol., Part III, Mechanization, electrification and automation in mines, 008, ISSN -80, pp. -; [8]. Ilie Borcosi, Alina Dincă, Daniela Nebunu, Antonie Nicolae, Vector control of induction machines, Annual of University of Mining and Geology,,St. Ivan Rilski Sofia, 008; [9]. Marius-Constantin Popescu, Ilie Borcoşi, Onisifor Olaru, Luminiţa Popescu, Florin Grofu, Simulation Hybrid Fuzzz Control of SCARA Robot, 007, Proceedings of the rd WSEAS International Conference on Applied and THEORETICAL MECHANICS (Mechanics '07), Tenerife, Spain, December -, 007, pag. 7-80 Published by WSEAS Press, ISBN: 978-90- 7-9-0, ISSN: 790-79; [0]. Popescu M.C., Mastorakis N., Borcosi I., Popescu L., Asynchronous Motors Drive Systems Command with Digital Signal Processor, International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Issue, Vol., pp.-7, 009. of the Pulse for the Three-Phase Rectifiers in Electrical Drive, INTERNATIONAL JOURNAL OF MATHEMATICAL MODELS AND METHODS IN APPLIED SCIENCES, Issue, Volume, December 008, ISSN: 998-00, pp. 8-9. []. Ilie Borcoşi, Onisifor Olaru, Nicolae Antonie, Device for Protection to the Lack of the Pulse for the Tri-Phase Rectifiers in Bridge, International Journal of Coputers, Communications& Control, ISSN 8-98, E-ISSN 8-98, Vol. III, 008, pp. 9-00. [7]. Ilie Borcosi, Alina Dincă, Daniela Nebunu, Antonie Nicolae, High performance digital control system of ac machines, Annual of University of Mining and Geology,,St. Ivan Rilski, Sofia, vol., Part III, Mechanization, electrification and automation in mines, 008, ISSN -80, pp. -; [8]. Ilie Borcosi, Alina Dincă, Daniela Nebunu, Antonie Nicolae, Vector control of induction machines, Annual of University of Mining and Geology,,St. Ivan Rilski Sofia, 008; [9]. Marius-Constantin Popescu, Ilie Borcoşi, Onisifor Olaru, Luminiţa Popescu, Florin Grofu, Simulation Hybrid Fuzzz Control of SCARA Robot, 007, Proceedings of the rd WSEAS International Conference on Applied and THEORETICAL MECHANICS (Mechanics '07), Tenerife, Spain, December -, 007, pag. 7-80 Published by WSEAS Press, ISBN: 978-90- 7-9-0, ISSN: 790-79; [0]. Popescu M.C., Mastorakis N., Borcosi I., Popescu L., Asynchronous Motors Drive Systems Command with Digital Signal Processor, International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Issue, Vol., pp.-7, 009. 8