Выбор элементной базы

Датчик температуры воды

Накладной датчик ОВЕН дТС3225-Pt1000.В2 предназначен для измерения температуры воды в трубопроводах систем отопления и вентиляции. Датчик устанавливается на трубопровод, крепление осуществляется с помощью хомута.

Для улучшения теплопроводности имеет медную пластину, изогнутую под соответствующий диаметр трубопровода.

Для подключения кабеля в корпусе предусмотрено отверстие, которое закрывается заглушкой.

Технические характеристики указаны в таблице 1:

Таблица 1. Технические характеристики датчика температуры воды

Температура среды	–50…+120 °С
Тип сенсора	Pt1000 РСА1.2010.10L
Диаметр трубопровода:
– номинальный	40 мм или 11/4"
– минимальный	20 мм или 1/2"
– максимальный	ограничен только размером хомута
Схема подключения	двухпроводная
Степень защиты	IP54

Габаритный чертеж:

Рис. 2. Накладной датчик температуры ОВЕН дТС3225-Pt1000.В2

Нагревательный элемент

Трубчатые электронагреватели служат для преобразования электрической энергии в тепловую и применяются в промышленных установках и бытовых приборах. На оболочке ТЭН отсутствует напряжение, поэтому их можно эксплуатировать при непосредственном контакте с нагреваемой средой, в отличии от большинства других нагревательных элементов. ТЭНы могут быть двухконцевыми и одноконцевыми (патронными).

ТЭН (рис. 3.а) двухконцевой состоит из тонкостенной металлической оболочки (сталь 08 Ю или нержавеющей - сталь 12Х18Н10Т), выполненной из трубы соответствующего диаметра (8-16 мм),внутри размещена спираль высокого сопротивления (нихром), прикрепленная к контактному стержню. Между спиралью и трубой находится диэлектрический наполнитель, имеющий высокий коэффициент теплопроводности (периклаз). Торцы ТЭН (рис.3.б) герметизируются термостойким лаком, контактные стержни изолируются керамическими изоляторами.

Устройство ТЭН:

Рис.3.а. ТЭН двухконцевой

Рис. 3. б. ТЭН двухконцевой

Микроконтроллер

В настоящее время среди всех 8-разрядных микроконтроллеров - семейство MCS-51 является несомненным лидером по количеству разновидностей и компаний, выпускающих его модификации. Оно получило свое название от первого представителя этого семейства - микроконтроллера 8051, выпущенного в 1980 году на базе технологии HMOS. Удачный набор периферийных устройств, возможность гибкого выбора внешней или внутренней программной памяти и приемлемая цена обеспечили этому микроконтроллеру успех на рынке.

Важную роль в достижении такой высокой популярности семейства 8051 сыграла открытая политика фирмы Intel, родоначальницы архитектуры, направленная на широкое распространение лицензий на ядро 8051 среди большого количества ведущих полупроводниковых компаний мира.

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 кристалле. Каждый год появляются все новые варианты представителей этого семейства. Основными направлениями развития являются: увеличение быстродействия (повышение тактовой частоты и переработка архитектуры), снижение напряжения питания и потребления, увеличение объема ОЗУ и FLASH памяти на кристалле с возможностью внутрисхемного программирования, введение в состав периферии микроконтроллера сложных устройств типа системы управления приводами, CAN и USB интерфейсов и т.п.

Все микроконтроллеры из семейства MCS-51 имеют общую систему команд. Наличие дополнительного оборудования влияет только на количество регистров специального назначения.

Основными производителями клонов 51-го семейства в мире являются фирмы Philips, Siemens, Atmel, Dallas, Temic, Oki, AMD, MHS, Gold Star, Winbond, Silicon Systems и ряд других.

Для данной задачи – разработки блока управления стиральной машиной - микроконтроллер этого семейства является оптимальным, так как сочетает в себе большие возможности управления, необходимые для решения поставленной нами задачи. А так же при серийном выпуске данного изделия большую роль будет играть его малая стоимость, высокую надежность работы.

Для разрабатываемого устройства я выбрал микроконтроллер Сygnal С8051F064 (сравнительная характеристика показана в таблице 1).

Ядро выполняет до 70% инструкций за 1-2 машинных такта. Таким образом, ядро, работающее фактически на частоте тактового генератора обеспечивает производительность 25 MIPS миллионов операций в секунду. Преимущество в производительности достигает нескольких десятков раз по сравнению с аналогами [3].

Ядро содержит 4 шестнадцати битных таймеров общего применения.

Расширенный контроллер прерываний ядра семейства С8051F0xx может обслужить 21 источник прерываний, в отличие от 7 у стандартного ядра 8051. Это позволяет повысить общую производительность системы за счет обслуживания прерываний от многочисленных аналоговых узлов и освобождения мощности процессора для основной задачи.

На кристалле имеется аналого-цифровой преобразователь ADC с разрядностью 12 бит, оснащенный программно-управляемыми входным усилителем и аналоговым мультиплексором. Для входного усилителя может быть программно установлен коэффициент усиления, равный 16, 8, 4, 2, 1 или 0,5. Аналоговый мультиплексор на 8 входов может быть настроен как однополярный или с дифференциальным входом. Аналого-цифровой преобразователь не имеет «пропущенных» кодов и имеет погрешность ±1 младший разряд. Имеется возможность генерации прерываний при изменении значения аналогового сигнала. Имеются два быстродействующих (время установления 10 мкс) цифро-аналоговых 12-разрядных преобразователя DAC с выходом по напряжению [1].

Все входы и выводы совместимы с внешними пятивольтовыми микросхемами.

В данной модели 32 линии ввода/вывода.

Микроконтроллеры C8051F0xx обладают достаточно хорошим быстродействием и относительно малой скоростью АЦП и предназначены для типовых бюджетных приложений.

Таблица 2. Преимущества микроконтроллера SiLabs

	МК с АЦП			АЦП
Производитель	SiLabs	Analog Devices	Texas Instruments	Texas Instruments	Linear Technology	Analog Devices	Analog Devices	Cirrus Logic	Cirrus Logic
Наименование	C8051F350	ADuC847	MSC1210	ADS1242	LTC2445	AD7730	AD7714	CS5522	CS5532
Частота выборки	1 ksps	1,3 ksps	1 ksps	15 sps	8 ksps	1,2 ksps	1 ksps	600 sps	3,8 ksps
Эффективная разрешающая способность, бит	17 из 24	16 из 24	18,5 из 24	16 из 24	21 из 24	17 из 24	12 из 24	15 из 24	20 из 24
Усилитель с программируемым усилением	1:128	1:128	1:128	1:128	-	1:128	1:128	1:100	1:64
Каналов АЦП	8	10	8	8	8	2	5	4	4
Процессор	8051	8052	8051	-	-	-	-	-	-
Максимальная производительность МК, MIPS	50	12	8	-	-	-	-	-	-
Энергопотребление, мВт	0	00	0	6	55	125	7	12	80
Размер корпуса, мм2	25	64	144	43,5	35	36	36	62	62
Розничная цена*, долл. США	0,4	0,9	6,3	2	9,6	15,6	15,9	12,6	14,7

Из таблицы 2 видны следующие преимущества микроконтроллера SiLabs:

- хорошие характеристики встроенного АЦП - 17 разрядов эффективной разрешающей способности;

- большая производительность процессорного ядра C8051F350 по сравнению с аналогами от Analog Devices (ADuC847) и Texas Instruments (MSC1210);

- меньшее энергопотребление, маленький размер корпуса;

- низкая цена.

Ключевые характеристики, по которым микроконтроллеры SiLabs превосходят изделия других производителей: миниатюрные размеры корпуса микроконтроллеров, имеющих на борту АЦП и ЦАП; самая высокая производительность для 8-разрядных микроконтроллеров; ЦАП и АЦП на кристалле превосходят по своим характеристикам аналогичные микроконтроллеры других производителей, их можно сравнивать только с дискретными микросхемами.

Также немаловажным в выборе данного микроконтроллера фактором послужило большое количество доступной технической информации на русском языке.

В заключение отметим, что на сегодняшний день микроконтроллеры фирмы Silicon Laboratories:

1. Имеют наилучшие аналоговые подсистемы, включающие аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, аналоговые мультиплексоры, программируемые усилители, источники опорного напряжения, масштабирующие узлы кодов аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, аналоговые компараторы питания, линейные регуляторы напряжения и мониторы питания.

2. Имеют наиболее богатую цифровую периферию, включающую один или два последовательных интерфейса UART, интерфейсы SMBus (I2C), SPI, USB, CAN, параллельные аппаратные интерфейсы внешней памяти, охранный таймер WDT, от 3 до 6 каналов программируемого счетчика-массива PCA, расширенную систему прерываний (до 22 векторов прерываний), большой набор таймеров и тактовых генераторов. Некоторые модели имеют также аппаратные умножители чисел.

3. Микроконтроллеры фирмы SiLabs имеют максимальную производительность среди 8-разрядных х51-совместимых микроконтроллеров (от 25 до 100MIPS);

4. Все микроконтроллеры имеют малое энергопотребление (0.3-0.6 мА/MIPS) и низкое напряжение питания, от 2,7 до 3,6 В.

5. Все микроконтроллеры имеют широкий диапазон рабочих температур от -40ºС до +85ºС.

6. Микроконтроллеры выпускаются в сверхнизких малогабаритных корпусах TQFP, LQFP и MLP с размерами от 16х16 мм (TQFP-100) до 3х3 мм (MLP-11).

Таким образом, микроконтроллеры фирмы Silicon Laboratories являются идеальным выбором для широкого спектра микроконтроллерных изделий.

Насос

Сливной насос предназначен для слива воды и моющего раствора из стиральной машины или посудомоечной машины. Как правило, насос приводится в действие двигателем. В настоящее время широко используются насосы магнитного типа.

Таблица 3. Различные модели сливных насосов

Описание	Изображение
Сливной насос Фирма: Plaset Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 220-240Vac 50Hz 30W CI.F Mod.72710 Цена: 310 руб
Сливной насос Фирма: Plaset Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 220-240Vac 50Hz 34W CI.F Mod.50700 Цена: 220 руб
Сливной насос Фирма: ASKOLL Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 230-240Vac 50Hz 0,2A 40W CI.F Mod.M-105 Цена: 220 руб
Сливной насос Фирма: ASKOLL Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 230-240Vac 50Hz 0,22A 30W CI.F Mod.M-50 Цена: 350 руб
Сливной насос Фирма: ASKOLL Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 230Vac 50Hz 2A 30W CI.F Mod.R-050 Цена: 365 руб
Сливной насос Фирма: GRE Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 230V 50Hz 33W 0.22A Цена: 378 руб
Сливной насос Фирма: COPRESI Страна: Italy Сливной насос для стиральных машин 220-240V 50Hz 30W 0.2A
Сливной насос Фирма: MAINOX Сливной насос для стиральных машин 220-240V 50Hz 30W 0.2A 1.0m 20L/Min

Все приведенные в таблице 3 насосы имеют практически одинаковые характеристики, поэтому выбор обуславливается стоимостью и необходимой мощностью. Руководствуясь этими показателями, выбран сливной насос CI.F Mod.50700 фирмы Plaset (Италия).

Двигатель

Электродвигатели вращают барабан стиральной машины при всех режимах работы. Крутящий момент от шкива электродвигателя передаётся посредством приводного ремня к шкиву барабана стиральной машины. Различаются двигатели асинхронного и коллекторного типа. Асинхронные двигатели, как правило, взаимозаменяемы без переделок или с небольшими переделками (например, перепрессовка шкива). Естественно это справедливо при одинаковой или близкой мощности заменяемых двигателей.

Коллекторные двигатели используются на машинах с большой скоростью вращения барабана в режиме отжима. Преимущество коллекторных двигателей в том, что есть возможность плавного управления скоростью вращения. Регулировка осуществляется с помощью блока управления. Коллекторные двигатели, как правило, невзаимозаменяемые.

Исходя, и выше написанного выбираем асинхронный двигатель. Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы асинхронного электродвигателя, основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током. Индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n₁. Ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Стоимость зарубежных двигателей как правило существенно выше отечественных, поэтому останавливаемся на отечественных асинхронных двигателях.

Асинхронные двигатели компании “ОвенКомплектАвтоматика” (рис. 4) обладают следующими преимуществами:

- высокие энергетические (КПД, соs (j) и механические (пусковой и максимальный моменты) показатели;

- виброаккустические характеристики: применение конверсионных технологий и установке малошумных подшипников обеспечивают среднее квадратическое значение виброскорости 1,8 мм/с по ГОСТ 20815 и соответствие среднего уровня звука 4 классу по ГОСТ 16372;

- степень защиты двигателей 1Р 54 по ГОСТ 17494 (по заказу 1Р55), класс изоляции Р;

- степень защиты токоввода 1Р 55;

- многообразие конструктивных, электрических и климатических исполнений, наличие температурной защиты,

- возможность изготовления на все стандартные напряжения в соответствии

с 1ЕС 38: 220/380, 230/400, 240/415, 380/660 В;

- современный дизайн и эргономичность.

Рисунок 4. Асинхронные двигатели компании “ОвенКомплектАвтоматика»

Таблица 4. Технические характеристики различных моделей двигателей

Типоразмер	Мощность, кВт	Частота вращения об/мин	КПД %	Cos φ	Мпуск Мном	Mmax Мном	Iпуск Iном	Средний уровень звука, дБ(А)	Масса, кг, IM1081
АИР 80 А2	1.5	3000	82.0	0.85	2.2	2.6	6.5	65	12.4
АИР 80 В2	2.2	3000	83.0	0.87	2.1	.6	6.4	65	15.0
АИР 90 L2	3.0	3000	84.0	0.90	2.3	2.6	7.0	68	19.6
АИР 100 S2	4.0	3000	84.0	0.88	2.0	2.2	6.0	77	22.8
АИР 80 A4	1.1	1500	76.5	0.77	2.2	2.4	5.0	56	12.6
АИР 82 B4	1.5	1500	77.0	0.81	2.2	2.3	5.3	58	14.2
АИР 90 L4	2.2	1500	81.5	0.82	2.0	2.3	6.0	58	18.6
АИР 100 S4	3.0	1500	80.0	0.74	1.8	2.2	6.0	69	21.6
АИР 80 A6	0.75	1000	71.0	0.71	2.1	2.2	4.0	55	12.3
АИР 80 B6	1.1	1000	75.0	0.74	2.2	2.3	4.5	55	15.3
АИР 90 L6	1.5	1000	78.5	0.72	2.0	2.3	5.0	55	19.0
АИР 100 L6	2.2	1000	77.0	0.74	1.8	2.2	6.0	67	23.3
АИР 80 A8	0.37	750	63.5	0.59	2.0	2.3	3.5	5	12.1
АИР 80 B8	0.55	750	65.0	0.60	2.0	2.1	3.5	55	13.0
АИР 92 LA8	0.75	750	72.5	0.71	1.5	2.0	4.0	57	17.7
АИР 90 LB8	1.1	750	76.0	0.72	1.5	2.0	4.5	57	20.5