Управление образования администрации Новосибирского района
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
Новосибирского района Новосибирской области
Краснообская средняя общеобразовательная школа №1
Научно-практическая конференция старших школьников
«Квинтэссенция успеха»
Секция Естественно-математические науки (Физика)
Тема: Датчики температуры, скорости и направления ветра для школьной метеостанции
Автор: Золовкин Артём, 9А
МБОУ СОШ №1 п. Краснообск.
Научный руководитель:
,
Руководитель СКБ ЗАМК
2013
Реферат
Отчет содержит 37 стр., 4 рис., 5 табл., 12 источников информации.
Ключевые слова: МАЛАЯ АКАДЕМИЯ, СКБ ЮТ, ШКОЛА, МЕТЕОСТАНЦИЯ, ВОЗДУХ, ТЕМПЕРАТУРА, ПОТОК ВОЗДУХА, ВЕТЕР, СКОРОСТЬ, НАПРАВЛЕНИЕ, ДАТЧИК, ИНДИКАТОР, РЕГИСТРАТОР.
Объектом научно-производственной работы (НПР) и исследований является способ и устройство (датчик) дистанционной индикации и регистрации температуры воздуха, а также скорости и направления потока воздуха (ветра):
Цель работы: получение школьниками – будущими молодыми учеными знаний, умений и навыков выполнения научно-производственной работы в создании изделий новой техники по автоматизации процессов.
В качестве элемента объекта автоматизации выбрано устройство на основе пластинчатого датчика для преобразования скорости и направления потока воздуха (ветра) в соответствующий пропорциональный электрический сигнал.
В результате выполненной НПР для дистанционной индикации и регистрации выбран тип датчика температуры воздуха, а также разработаны способ и устройство – анемометра. Для выбранного варианта конструкции разработана математическая модель первичного преобразователя (ПП) для датчика скорости (ДС ПВ) и направления (ДН ПВ) потока воздуха (ветра). С помощью математической модели получены расчётные характеристики для функциональной зависимости угла отклонения пластины от скорости и направления.
Разработана электрическая функциональная схема и выполнен монтаж блока для измерения и индикации температуры воздуха.
Разработан и изготовлен макет первичного преобразователя пластинчатого типа для датчика скорости (ДС ПВ) и направления (ДН ПВ) потока воздуха.
Содержание
Введение | 5 | |
1 | Выбор направления научно-производственной работы | 7 |
1.1 | Обоснование направления и темы НПР | 7 |
2 | Теоретическая и экспериментальная работа | 9 |
2.1 | Обзор аналогов разрабатываемого устройства | 9 |
2.2 | Анализ аналогов разрабатываемого устройства | 17 |
2.3 | Дополнительные требования для разрабатываемого устройства | 18 |
3 | Разработка устройства автоматизации | 19 |
3.1 | Разработка электронного термометра | 19 |
3.2 | Разработка датчика скорости и направления ветра | 22 |
3.5 | Практическая работа | 17 |
4 | Обобщение и оценка результатов НПР | 27 |
Заключение | 28 | |
Список источников информации | 29 | |
Приложение 1 Технические требования на разработку и изготовление образца датчика скорости и направления ветра. | 30 | |
Приложение 2 А. ЗУЙКОВ, И. КВАСОВ. Домашняя метеостанция с часами, календарем и будильниками. | 31 | |
Обозначения, сокращения, определения
В настоящем отчете о НПР применяют следующие обозначения, сокращения и термины с соответствующими определениями.
НИР - научно-исследовательская работа;
ОКР - опытно-конструкторская работа;
НПР - научно-производственная работа;
ТТ - технические требования;
ПП - преобразователь первичный;
ПВ - преобразователь вторичный;
ДТ ПВ - датчик температуры потока воздуха;
ДН ПВ - датчик направления потока воздуха;
ДС ПВ - датчик скорости потока воздуха;
ДСН ПВ - датчик скорости и направления потока воздуха;
ИП - источник питания;
УГО – условное графическое обозначение.
Ветер – потоки воздуха в земной атмосфере, вызванные неоднородностью в пространстве состава воздуха по температуре, влажности и плотности.
Датчик – это конструктивно оформленный первичный измерительный преобразователь (ПП), воспринимающий внешнее воздействие [7] (перемещение, температуру, скорость, деформацию, частоту, электрическое напряжение и т. п.) и вторичный преобразователь (ПВ), непрерывно преобразующий сигнал ПП в сигнал измерительной информации, удобный для передачи, обработки и отображения или регистрации.
Схема- это графический документ, на котором изображены элементы устройства с помощью УГО и соединения между ними, необходимые для достижения поставленной цели.
Электрическая цепь - это определенная совокупность электрических элементов, соединенных между собой в определенной последовательности для достижения поставленной цели.
Стеклотекстолит- это электроизоляционный материал, полученный путем прессования при высокой температуре стеклоткани, пропитанной лаком.
Отчет о НПР - научно-технический документ, который содержит систематизированные данные о научно-производственной работе школьников-практикантов. Отчет содержит: описание состояние научно-технический проблемы, процесс решения поставленных задач и результаты научно-производственной работы.
Введение
Одной из важных научно-технических проблем, при создании систем автоматизированного контроля как параметров различных технологических процессов, так и научных исследований параметров земной атмосферы, является определение принципа действия и типа датчиков.
Параметры земной атмосферы оказывают значительное влияние на жизненные процессы и поведение не только растений, микроорганизмов, но и птиц, рыб, животных и человека. К числу самых распространённых параметров относятся температура атмосферного воздуха, а также скорость и направления потока воздуха (ветра). Для определения этих параметров почти в каждой стране существует целая сеть специальных метеостанций, оснащённых современными измерительными датчиками, приборами и регистраторами. Важную роль для ознакомления школьников и понимания ими особенностей изучения атмосферных явлений, играет школьная метеостанция.
Настоящая научно-производственная работа (НПР) направлена на участие СКБ ЮТ в работе НПФ ЗАМК по разработке способ и устройство (датчик) для дистанционной индикации и регистрации температуры воздуха, а также скорости и направления потока воздуха (ветра). НПР выполнена в течение учебного года и направлена на участие СКБ ЮТ в работе НПФ ЗАМК по созданию датчиков для школьной метеостанции.
Цель работы: получение школьниками – будущими молодыми учеными - знаний, умений и навыков выполнения научно-производственной работы при создании изделий новой техники по автоматизации процессов и научных исследований на примере создания датчиков температуры воздуха, а также скорости и направления потока воздуха (ветра) для школьной метеостанции.
Для достижения цели НПР были поставлены следующие основные задачи:
1) Ознакомление с основными видами работ по созданию изделий новой техники: НИР и ОКР. Основные критерии оценки для отнесения тем к виду НИР или ОКР, общие сведения о требованиях к выполнению и оформлению конструкторской документации (КД).
2) Ознакомление с понятиями: ОКР - основные стадии; ЕСКД – единой системы конструкторской документации; основные сведения о ГОСТ, ОСТ, ТУ, ТТ, ТЗ и другой нормативно-технической документации (НТД). Общие сведения о патентоведении.
3) Участие в разработке образца устройства на основе электронного датчика температуры воздуха и анемометра пластинчатого типа.
4) Участие в изготовлении и отладке экспериментального образца первичного преобразователя для анемометра пластинчатого типа.
5) Обобщение и оценка результатов НПР.
За учебный год были поставлены и решены перечисленные выше задачи. Результаты решения этих задач и приведены в настоящем промежуточном отчете о НПР за учебный год.
Степень внедрения – разработан первый экспериментальный образец электронного блока для индикации температуры воздуха.
Разработан и изготовлен макет первичного преобразователя пластинчатого типа для датчика скорости и направления потока воздуха (ДСН ПВ).
По результатам работы в учебном году разработан настоящий промежуточный отчет.
Применение полученных результатов планируется как в СКБ ЮТ, школе в качестве учебного пособия, так и непосредственно для практической работы по прямому назначению.
Конструктивные основные и технико-эксплуатационные показатели - сравнительная простота конструкция и низкая цена, простота применения для индикации скорости и направления потока воздуха (ветра).
1 Выбор направления научно-производственной работы
1.1 Обоснование направления и темы НПР
Появление и существование Жизни в газообразной, жидкой и твёрдой части Земли в значительной степени обусловлено взаимосвязанными свойствами трёх стихий Природы – Солнце (огонь), Воздух и Вода. Воздух под действием Солнечной энергии и энергии планет Земля, Луна и др., а также от результатов деятельности человека, непрерывно изменяют свои свойства, что приводит к появлению циклонов, антициклонов и перемещения воздуха в виде воздушных потоков (ветра). Поэтому изучение свойств воздушного океана, воздушных потоков (ветра) имеет важное значение не только для науки, но и для всего живого на Земле.
Высота слоя - столба воздуха, в котором ещё возможен полёт самолётов, равна, по современным данным, примерно 10'000 м. При радиусе земного шара 6'400'000 м это составляет всего 1/640 часть (или 0,001563), т. е., не более 0,2%, что аналогично толщине скорлупы куриного яйца по сравнению с его габаритными размерами. Воздух, являющийся смесью газов (в основном, это Азот, Кислород, Углекислый газ и другие), окружает всю поверхность Земли в виде земной атмосферы – своеобразного воздушного океана. Человек, животные, растения, насекомые и большинство микроорганизмов из поколения в поколения приходят, действуют (живут) и уходят "на дне" этого воздушного океана. Поэтому очень важно получать своевременную информацию о параметрах воздушных потоков для авиации, морского судоходства и особенно для сельскохозяйственного производства, селекционной работы, изучения эрозии почвы, составления прогнозов погоды и повседневной жизни человека.
Параметры земной атмосферы оказывают значительное влияние на жизненные процессы и поведение не только растений, микроорганизмов, но и птиц, рыб, животных и человека. К числу самых распространённых параметров относятся температура атмосферного воздуха, а также скорость и направления потока воздуха (ветра). Для определения этих параметров почти в каждой стране существует целая сеть специальных метеостанций, оснащённых современными измерительными датчиками, приборами и регистраторами. Важную роль для ознакомления школьников и понимания ими особенностей изучения атмосферных явлений, играет школьная метеостанция.
Одной из важных научно-технических проблем, при создании систем автоматизированного контроля как параметров различных технологических процессов, так и научных исследований параметров земной атмосферы, является определение принципа действия и типа датчиков.
Настоящая научно-производственная работа (НПР) направлена на участие СКБ ЮТ в работе НПФ ЗАМК по разработке способа и устройства (датчика) для дистанционной индикации и регистрации температуры воздуха, а также скорости и направления потока воздуха (ветра). Школьником - автором настоящего промежуточного отчёта и Исполнителем НПР в СКБ ЮТ, принято в течение учебного года участие в работе НПФ ЗАМК по созданию датчиков для школьной метеостанции.
2 Теоретическая и экспериментальная работа
2.1 Обзор аналогов разрабатываемого устройства
Существует большое количество датчиков, приборов и систем для измерения температуры, а также скорости и направления потока воздуха (ветра).
2.2.1 Датчики температуры воздуха.
С давних пор и до настоящего времени для измерения температуры воздуха широко применяется ртутный термометр. Он сравнительно прост в изготовлении, не требуется источник питания и удобен в работе, имеет не высокую цену. Но в ртутном термометре отсутствует выходной электрический сигнал, что не позволяет его применять для целей автоматизации и автоматической регистрации. Кроме того, применение ртути, приводит к проблемам утилизации и проблемам экологической безопасности.
В настоящее время нашли применение полупроводниковые электронные датчики температуры воздуха как зарубежного, так и отечественного производства. Существует огромное количество видов и типов таких датчиков. По выполняемым функциям их можно условно разделить на три группы:
Группа Количество
а) аналоговые: для 1…2 точки
температура/сопротивление;
температура/напряжение;
температура/частота.
b) цифровые с отдельной линией связи: от 1 до10 точек
температура Т, сигнал Вх./Вых. код Т
c) цифровые с общей (групповой) линией связи: от 1 до100 точек
температура Т, адрес Вх; сигнал Вх./Вых. код Т
Более перспективными для измерения температуры воздуха являются датчики группы 2.1.1c), например, датчики DS18B20 [9]. С их помощью можно создать достаточно современную как метеостанцию, так и интеллектуальную систему контроля и регулирования температуры в жилом или в производственном помещении, например приведённую в [9], или универсальную систему MP707R, цифровой USB термометр/термостат [13].
2.2.2 Датчики скорости и направления ветра серии Vaisala.
Известно большое многообразие датчиков и приборов для индикации и измерения скорости и направления ветра.
На рисунке 1 приведены различные датчики серии Vaisala. На рисунке 2 приведены приведён ультразвуковой датчик серии Vaisala типа WINDCAP® WMT52 а в таблице 1 и 2 представлены его особенности и характеристики [10].
Датчики ветра
Комбинированный датчик скорости и направления ветра Vaisala WM30
Созданный для суровых условий: Чашки и лопасти датчика выполнены из монолитного пластик, который гарантирует жесткую структуру даже при высоких скоростях ветра. Электроника находится внутри корпуса из анодированного алюминия, который создает не только защитный корпус, а так же делает корпус водонепроницаемый.
Комплект для измерения ветра Vaisala WA15
Комплект для измерения направления и скорости ветра Vaisala WA15 заработал репутацию в качестве промышленного стандарта на рынке датчик ветра.
Комплект для измерения ветра Vaisala WA25
Комплект датчиков направления и скорости ветра Vaisala WA25 предназначен для арктических условий.
Ультразвуковой датчик ветра Vaisala WINDCAP® WMT52
Не имея движущихся частей, датчик Vaisala WMT52 обладает высокой чувствительностью и идеально подходит для работы без периодической калибровки и технического обслуживания.
Ультразвуковой датчик ветра Vaisala WINDCAP® WMT700
Прибор не имеет подвижных частей, и отличается стойкостью к загрязнениям и коррозии.
Рисунок 1 – Датчики ветра серии Vaisala
Ультразвуковой датчик ветра Vaisala WINDCAP® WMT52
Основные данные датчика ветра Vaisala WINDCAP® WMT52 приведены на сайте:
http://www. *****/wind_sensors/vaisala_windcap_ultrasonic_wind_sensor_wmt52/
а) Проверенная производительность Vaisala
Ультразвуковой датчик ветра Vaisala WINDCAP® WMT52 включает опыт десятилетий Vaisala в измерениях ветра с помощью ультразвука для определения горизонтальной скорости и направления ветра. Не имея движущихся частей, датчик WMT52 обладает высокой чувствительностью. Датчик WMT52 предназначен для работы без периодической калибровки и технического обслуживания.
б) Применение
Ультразвуковой датчик Vaisala WMT52 идеально подходит для использования в морских условиях, так как корпус с монтажным комплектом является водонепроницаемым. Датчик Vaisala WMT52 можно применять и в ветряных установках и для мониторинга окружающей среды, например, для измерения распределения загрязнения воздуха и вентиляции автодорожных туннелей.
Рисунок 2 – Датчик ветра серии Vaisala типа WINDCAP® WMT52
Таблица 1 Функциональные особенности датчика ветра
серии Vaisala типа WINDCAP® WMT52
1 | Простота в установкеДатчик Vaisala WMT52 поставляется в полностью собранном виде и настроен на заводе. С помощью программного обеспечения Vaisala “Software Configuration Tool”, вы можете изменить настройки, такие как усреднение, режим вывода, обновление промежутков времени, измеряемые параметры и содержание сообщений. |
2 | ОбогревДополнительная функция подогрева доступная для датчика Vaisala WMT52 окажет помощь, в измерениях, в условиях морозной погоды и во время снегопада. Подогрев включается автоматически при низких температурах, задолго до точки замерзания. |
3 | Низкое энергопотреблениеДатчик Vaisala WMT52 имеет очень низкое энергопотребление, в режиме ожидания устройство обычно потребляет около 2 … 3 мВт. |
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 | Особенности / Преимущества Измерение горизонтальной скорости и направления ветра Треугольный дизайн обеспечивает отличную доступность данных Отсутствие движущихся частей Не обслуживаемая конструкция Опциональный обогрев датчика Компактный, прочный и надежный корпус Низкое энергопотребление Корпус IP66 с монтажным комплектом Область применения: морское, ветроэлектростанции, мониторинг окружающей среды |
Таблица 2. Технические характеристики датчика ветра
серии Vaisala типа WINDCAP® WMT52
Скорость ветра | |
Диапазон измерений | 0…360° |
Время отклика | 250 мс |
Доступные переменные | среднее, максимальное и минимальное |
Точность | 0 … 35 м/сек ± 0,3 м/сек или ± 3% в зависимости от того больше. 35 м/сек … 60 м/сек ± 5% |
Пороговое значение начала измерения | 0,01 м/с (км/ч, мили, узлы) |
Направление ветра | |
Диапазон измерений | 0…360° |
Время отклика | 250 мс |
Доступные переменные | среднее, максимальное и минимальное |
Точность | ±3° |
Разрешение | 1° |
Частота измерений | |
Время усреднения | 1 … 3600с (= 60 мин), в одну секунду шаги на основе проб, взятых с частотой 4 Гц скорость (настраивается) |
Интервал обновления | 1 … 3600с (= 60 мин), в одну секунду шаги |
Общие сведения | |
Самодиагностика | отдельный контроль сообщений, единица/статус полей для проверки качества измерений |
Время включения | автоматический, менее 10сек после включения питания на рабочий выход |
Интерфейс связи | S DI-12, RS-232, RS-485, RS-422, USB-подключение |
Протоколы передачи данных | SDI-12 v1.3, ASCII, NMEA 0183 v. 3.0 с запросом опции |
Скорость передачи данных в бодах | 1200 … 115200 |
Диапазон рабочих температур | -52 … +60°C |
Температура хранения | -60 … +70°C |
Размеры | |
Высота | 139 мм |
Диаметр | 114 мм |
Вес | 510 г |
Класс | IP65 |
Класс с монтажным комплектом | IP66 |
Вибрация | IEC 60945 пункт 8 |
Электропитание | |
Входное напряжение | 5 … 32 В пост. тока |
Потребляемая мощность в среднем | минимум 0,1 мА при 12 В постоянного тока |
Напряжение при обогреве | 5 … 32 В пост. тока, макс. 5…30 В переменного тока |
Aксессуары | |
Монтажный комплект | 212792 |
Комплект защиты от птиц | 212793 |
Сетевой фильтр для сенсора | WSP150 |
Электромагнитная совместимость | |
Совместимо со стандартами | EN61326-1, промышленная среда |
Стандарты IEC | IEC 60945/ … |
2.2.2 Измерители ветра компании JDC
Из Швейцарии. Чашечные и крыльчатые, сигнальные, с памятью. 12 моделей [11]
Компания JDC ELECTRONIC SA (Швейцария),основанная в 1981 году, специализируется в разработке и производстве измерителей ветра, компактных метеостанций. В 1983 году компания запатентовала инновационную технологию измерения скорости воздушных и водных потоков на основе улавливания электромагнитного излучения от вращающегося импеллера при использовании миниатюрных электронных компонентов.
Такая разработка положила начало серии ультра небольших анемометров
серии 
. Cейчас компания по праву считается мировым лидером в
производстве широкого спектра средств измерения воздушных и водных потоков. Приборы JDC обеспечивают высокую точность, компактны, удобны при использовании и очень надежны.
Специалисты метеослужб, воздухоплаватели, любители кайтинга и виндсерфинга, парапланеристы, инженерные и научные работники - не полный перечень людей , кто по достоинству оценил приборы JDC. Ниже приведены:
в таблице 3 - Приборы JDC. Крыльчатые анемометры Xplorer;
в таблице 4 - Приборы JDC. Чашечные анемометры Xplorer;
в таблице 5 - Приборы JDC. Портативные метеостанции и системы.
Таблица 3 Приборы JDC. Крыльчатые анемометры Xplorer
|
| |||
|
|
|
|
|
| |
| |
|
●текущая скорость ветра | ●текущая скорость ветра | ●текущая скорость ветра | (метеостанция) | |
Таблица 4. Приборы JDC. Чашечные анемометры Xplorer
| ||
|
|
|
|
|
|
●скорость ветра ●максимум, среднее значение | ●скорость ветра | ●скорость ветра |
Таблица 5. Приборы JDC. Портативные метеостанции и системы
| ||||||
| ||||||
|
| |||||
|
|
2.2.3 Измеритель ветра Windmesser
В измерителе ветра Windmesser применён датчик, на основе теннисного шарика, подвешенного на нити и шаблон шкалы для отсчёта показаний [12].
На рисунке 3 приведены формулы для расчета характеристики преобразования скорости ветра в угол отклонения шарика, подвешенного на нити.
На рисунке 4 приведен шаблон шкалы для Windmesser, изготовленный с учётом результата расчёта по формулам.
Принцип работы Windmesser достаточно прост. Если ветра нет, (т. е. скорость ветра равна нулю), то на шарик действует только сила тяжести, поэтому угол отклонения нити от вертикали также равен нулю. Если ветер есть, то на шарик действует и сила тяжести, и сила от напора ветра, поэтому угол отклонения нити от вертикали больше нуля. При этом, чем больше скорость ветра, тем больше и угол отклонения. С помощью шаблона шкалы для каждого угла отклонения нити с шариком, можно с достаточной для практики точностью определить соответствующее значение скорости ветра.
Und hier die Physik dazu:
Рисунок 3 – Формулы Windmesser на основе шарика, подвешенного на нити.
Hier ist die Schablone: Windmesser (12x12 cm, 150 dpi)
Рисунок 4 – Шаблон шкалы для Windmesser, изготовленный с учётом
результата расчёта по формулам.
2.2 Анализ аналогов разрабатываемого устройства
2.2.1 Анализ аналогов устройств для температуры воздуха
Наиболее перспективными для измерения температуры воздуха являются цифровые датчики DS18B20 [9]. С их помощью можно создать достаточно современную как метеостанцию, так и интеллектуальную систему контроля и регулирования температуры в жилом или в производственном помещении, например, приведённую в [9], или универсальную систему MP707R, цифровой USB термометр/термостат с выводом информации на компьютер [13],.
2.2.2 Анализ аналогов устройств для скорости и направления ветра
Принципы действия известных и рассмотренных выше датчиков скорости и направления ветра [10] и [11], реализованы в реальных технических решениях в виде приборов, конструкции которых доведены до совершенства. В этих датчиках и приборах применяются как механические первичные преобразователи, так и чисто электронные ПП, не имеющие подвижных механических частей (см. рисунки 1, 2 и таблицы 1…5).
Но для их изготовления необходимы специальные миниатюрные механизмы, детали из пластмассы и металла, которые можно изготовить только с помощью специального, точного оборудования и инструмента, а также с применением специальных микроэлектронных компонентов и дорогостоящих технологий их производства, монтажа и программного обеспечения. Конечно, можно купить готовый датчик или прибор, но такое решение не соответствует поставленной цели настоящей НПР.
С этой точки зрения наиболее доступным для разработки и изготовления с участием школьников является датчик скорости ветра Windmesser, краткое описание способа и устройства которого, приведено в [12]. На рисунке 3, приведены формулы алгоритма работы датчика Windmesser, выполненного на основе теннисного шарика, подвешенного на тонкой нити, а на рисунке 4 изображён шаблон шкалы для Windmesser, изготовленный с учётом результата расчёта по формулам алгоритма его работы (см. рисунок 3).
Принцип работы Windmesser достаточно прост. Если ветра нет, (т. е. скорость ветра равна нулю), то на шарик действует только сила тяжести, поэтому угол отклонения нити от вертикали также равен нулю. Если ветер есть, то на шарик действует и сила тяжести, и сила от напора ветра, поэтому угол отклонения нити от вертикали больше нуля. При этом, чем больше скорость ветра, тем больше и угол отклонения. С помощью шаблона шкалы для каждого угла отклонения нити с шариком, можно определить соответствующее значение скорости ветра.
Существенными недостатками датчика Windmesser являются:
1 Необходимость (перед каждым измерением) ориентации датчика по направлению ветра;
2 Отсутствие электрического сигнала, пропорционального скорости ветра, а следовательно невозможность реализации дистанционного измерения;
3 Сложность считывания показаний из-за неизбежного колебания нити при действии ветра;
4 отсутствие функции формирования электрического сигнала о направлении ветра.
2.3 Дополнительные требования для разрабатываемого устройства
Основные Технические требования (ТТ) на разработку и изготовление образцов датчика температуры воздуха, скорости и направления ветра приведены в Приложении 1 к настоящему отчёта..
При разработке устройства и датчика скорости и направления ветра в процессе выполнения настоящей НПР, должны быть учтены и по возможности устранены перечисленные выше (в разделе 2.2.2 отчёта) недостатки датчика Windmesser. Для этого необходимо:
1 Исключить необходимость (перед каждым измерением) ориентации датчика по направлению ветра;
2 Предусмотреть формирование электрического сигнала, пропорции-онального скорости ветра, а следовательно и возможность реализации дистанционного измерения;
3 Исключить сложность считывания показаний из-за неизбежного колебания подвижного элемента датчика при действии ветра;
4 Предусмотреть функцию формирования электрического сигнала о направлении ветра.
3 Разработка устройства автоматизации
3.1 Разработка электронного термометра
3.1.1 Основные требования к устройству с электронным датчиком температуры воздуха (далее – термометр) отражены в документе Технические требования (ТТ), приведённом в приложении 1.
Функциональная схема разработанного термометра, соответствующая характеристикам, изложенным в ТТ приведена на рисунке 5. Термометр рассчитан на работу в автоматизированном режиме с участием одного оператора А1. Оператор выдаёт задания и подаёт команды на вход блока управления и контроля. БУИ и вход персонального компьютера РС, которые отображают оператору значение температуры для заданного датчика и выполняют дополнительные операции по обработке, регистрации и хранению накапливаемой информации об изменении температуры во времени.
В состав устройства согласно функциональной схемы (Рисунок 5) входят:
В1…Вn датчики температуры типа DS18B20, установленные на объекте в точках, где необходимо измерять или контролировать температуру Т1…Тn;
А2 – линия 3-х проводная для передачи сигнала от датчиков температуры на вход блока управления и индикации. Линия одна для всех датчиков.
БУИ – блок управления и индикации, соединён с датчиками температуры с помощью трёхпроводной линии А2 и выполняет непрерывный циклический опрос сигнала о температуре на выходе каждого датчика;
РС - персональный компьютер, который соединён с блоком БУИ через USB вход,.
БП - блок питания обеспечивает преобразование переменного сетевого напряжения 220В частотой 50 гц в напряжение постоянного тока +12В (с током потребления до 0,5 А). В блоке БУИ напряжение +12В преобразуется в
Рисунок 5 Устройство для измерения температуры с датчиком DS18B20
Схема электрическая функциональная Э2
напряжение +5В, необходимого для работы блока БУИ и датчиков температуры типа DS18B20;
Работа термометра осуществляется следующим образом. Оператор проверяет наличие и исправность всех элементов системы и устанавливает задания, например, задаёт или один из имеющихся номеров датчика, или два номера, или все номера датчиков, температуру на входе которых следует контролировать. В соответствии с программой, имеющейся в блоке БУИ начинается опрос сигнала на выходе выбранных датчиков.
В результате циклического опроса выходов датчиков температуры на вход блока БУИ непрерывно поступают сигналы о температуре на входе датчиков. Эти сигналы, по желанию оператора, отображаются на цифровом индикаторе и передаются на USB вход компьютера. В компьютере по специальной программе производится последующая обработка, например в виде графика во времени, и хранение результатов, т. е. регистрация информации.
3.1.2 Конструкция блока БУИ выполнена в виде пластикового корпуса. На задней стенке блока установлен соединитель для подключения 3-х проводной линии с элементами х1, х2, …хn для подключения отводов к датчикам температуры В1, В2,… Вn. На передней панели блока установлен цифровой индикатор для отображения номера датчика и значения температуры, действующей на его входе.
Внешний вид блока БУИ приведён на рисунке 6.
Рисунок - 6. Термометр электронный. Блок управления индикации БУИ.
3.2 Разработка датчика скорости и направления ветра
3.2.1 Исходные данные для датчика скорости и направления ветра
Технические требования (ТТ) на разработку и изготовление образца датчика скорости и направления ветра приведены в Приложении 1.
В разделе 2.2 Анализ аналогов разрабатываемого устройства было отмечено, что наиболее доступным для разработки и изготовления с участием школьников является датчик скорости ветра Windmesser, краткое описание способа и устройства которого приведено в [12]. На рисунке 3, приведены формулы алгоритма работы датчика Windmesser, выполненного на основе теннисного шарика, подвешенного на тонкой нити, а на рисунке 4 изображён шаблон шкалы для Windmesser, изготовленный с учётом результата расчёта по формулам алгоритма его работы (см. рисунок 3).
Принцип работы Windmesser достаточно прост. Если ветра нет, (т. е. скорость ветра равна нулю), то на шарик действует только сила тяжести, поэтому угол отклонения нити от вертикали также равен нулю. Если ветер есть, то на шарик действует и сила тяжести, и сила от напора ветра, поэтому угол отклонения нити от вертикали больше нуля. При этом, чем больше скорость ветра, тем больше и угол отклонения. С помощью шаблона шкалы для каждого угла отклонения нити с шариком, можно определить соответствующее значение скорости ветра.
Существенными недостатками датчика Windmesser являются:
1 Необходимость ориентации датчика по направлению ветра;
2 Отсутствие электрического сигнала, пропорционального скорости ветра, а следовательно невозможность реализации дистанционного измерения;
3 Сложность считывания показаний из-за неизбежного колебания нити при действии ветра;
4 отсутствие функции формирования сигнала о направлении ветра.
3.2.1 Принцип действия датчика скорости и направления ветра
Датчик скорости и направления ветра, разработанный в процессе выполнения НПР работает на следующем принципе. Для устранения недостатков датчика Windmesser введены следующие условия.
1 Введена прямоугольная система координат oxyz. Плоскость oxy устанавливается горизонтально так, чтобы направление оси oy совпадало с направлением на Север (С). Тогда ось ox будет совпадать с направлением на Восток (В), а ось oz будет совпадать по направлению с вектором силы земного тяготения (см. рисунок 5).
2 Принята за основу математическая модель скорости горизонтального потока ветра в следующем виде:
. . .
. V = Vx +Vy (1.1),
где V . - вектор скорости ветра
Vx и Vy - компоненты вектора скорости
Параметры Основные элементы:
Вектор V = Vx +Vy Vx = V*cos α Vy = V*sin α (1)
Угол α = arc tg (Vx/Vy) (2)
ПП Vx + ПП Vy Пластина верхняя Пластина нижняя
Площадь геом. S(стат.) Sx = B*C Sy = B*C (3)
Масса пластины Mx My (4)
Сила Fg Fgx = Mx*g Fgy = My*g (5)
Сила Fw Fwx = Cwx*Sαwx *V2x/2 Fwy = Cwy* Sαwy *V2y/2 (6)
Коэф-т формы Cwx = 1 Cwу = 1 (7)
Ось шарнира Ось О11_О12 Ось О21_О22 (8)
Угол β = arc tg (Fw/Fg) βx = arc tg (Fwx/Fgx) βy = arc tg (Fwy/Fgy) (9)
Площадь дин. S(w) Swx = Sx*cos β Swy = Sy*cos γ (10)
Рисунок 5 – Датчик скорости и направления потока воздуха (ДСН ПВ)
Преобразователь первичный (ПП). Схема кинематическая.
При этом компоненты вектора скорости ветра равны
Vx = V*cos α (1.2), Vy = V*sin α (1.3),
α = arc tg (Vx/Vy) (2)
где α - угол направления вектора скорости горизонтального потока ветра относительно оси ox (см..рисунок 5).
3 В состав датчика входит вертикальная жёсткая стойка, которая устанавливается так, чтобы ось стойки совпадала с осью oz системы отсчёта.
4 В состав датчика входят две одинаковые, прямоугольные (А*В*С) с площадью S = B*C). жёсткие, лёгкие (массой М = ρ*U = ρ*A*B*C) пластины
Пx и Пy.
4.1 Пластина Пx по узкой верхней стороне В жёстко соединена с валом О11'О12, который установлен горизонтально на шарнирах в верхней части стойки так, чтобы пластина имела возможность поворачиваться в шарнирах на угол
β = ±90 град., лежащий в плоскости xoz.
4.2 Пластина Пy по узкой верхней стороне В жёстко соединена с валом О21'О22, который установлен горизонтально на шарнирах в нижней части стойки так, чтобы пластина имела возможность поворачиваться в шарнирах на угол γ
±90 град., лежащий в плоскости yoz.
4.3 Угол в горизонтальной плоскости между осями О11'О12 и О21'О22, валов равен 90 градусов.
Датчик работает следующим образом.
Если ветра нет (V = 0), то на пластины Пx и Пy действует только вертикальная сила тяжести Fg, равная:
Fgx = Mx*g Fgy = My*g (5).
Поэтому угол отклонения
β = γ = 0 (5.1).
Если поток ветра есть (V > 0), то на пластины Пx и Пy действует и вертикальный вектор силы тяжести Fg (5), и горизонтальный вектор силы аэродинамического сопротивления, равный [12]:
для пластины Пx
Fwx = Cwx*Swx *V2x/2 (6.1),
для пластины Пy
Fwy = Cwy* Swy *V2y/2 (6.2),
где Cwx и Cwу - коэффициент формы аэродинамического сопротивления, который для плоской пластины равен Cwx = Cwу = 1 ;
Swx и Swy – площадь пластин динамическая с учётом угла поворота
для пластины Пx
Swx = Sx*cos β (7.1),
для пластины Пy
Swy = Sy*cos γ (7.2).;
а Vx и Vy компоненты вектора скорости согласно (1.2) и (1.3), равные
для пластины Пx
Vx = V*cos α (1.2),
для пластины Пy
Vy = V*sin α (1.3).
Поэтому,
угол отклонения Пластины Пx будет равен
β = arc tg (Fwx/Fgx) (7.1).
а угол отклонения Пластинs Пy будет равен
γ = arc tg (Fwy/Fgy) (5.1).
Таким образом, согласно разработанной математической модели скорости потока ветра и датчика в виде двух взаимно перпендикулярных пластин Пx и Пy
1 Пластина Пx реагирует на компоненту Vx (1.2) вектора скорости и преобразует его в сигнал в виде угла β (7.1) отклонения пластины от вертикали лежащего в плоскости xoz.Следовательно, электрический сигнал на выходе электронного преобразователя Ах с коэффициентом преобразования Кх будет иметь вид:
Ux = Кх * β = Кх * кх * Vx (8.1).
2 Пластина Пy реагирует на компоненту Vy (1.3) вектора скорости и преобразует его в сигнал в виде угла γ (7.2) отклонения пластины от вертикали лежащего в плоскости yoz. Следовательно, электрический сигнал на выходе электронного преобразователя Аy с коэффициентом преобразования Кy будет иметь вид:
Uy = Кy * γ = Кх * кy * Vy (8.2).
3 Тогда, согласно (2), можно определить угол α направления скорости потока ветра по сигналам согласно (8.1) и (8.2), приняв Кх = Кy = К
α = arc tg (Vx/Vy) = arc tg (β / γ ) (2.1),
4 Зная угол α, согласно (1.1) или (1.2) по сигналам согласно (8.1) или (8.2), можно определить модуль скорости ветра
V = Vx *cos α (1.2), V = Vy *sin α (1.3),
Или V = (V2x + V2y)1/2 (8.3).
Рисунок 6 Результаты расчёта зависимости угла отклонения пластины
от её массы и скорости потока ветра.
Рисунок 7 Результаты расчёта зависимости угла отклонения пластины
от скорости потока ветра при фиксированной массе.
4 Обобщение и оценка результатов научной работы
Научно-производственная работа выполнена в объёме, предусмотренном техническими требованиями на разработку и изготовление датчиков и блока БУИ
для школьной метеостанции и в соответствии с планом научно-производственной работы на учебный год.
На основании результатов выполненной настоящей научно-производственной работы, можно сделать следующие выводы:
1 Возможность создания в условиях СКБ ЮТ экспериментальных датчиков температуры, а также скорости и направления потока ветра для школьной метеостанции является решаемой задачей.
2 В процессе выполнения НПР разработаны оригинальный способ измерения скорости и направления потока ветра, а таакже устройство для его реализации на основе первичного преобразователя из двух взаимно перпендикулярных пластин, шарнирно закреплённых на стойке.
3 Для принятия решения о практическом использовании полученных результатов необходима экспериментальная проверка работоспособности устройства на реальном объекте.
Заключение
В процессе научно-производственной работы автором настоящего отчёта в СКБ ЮТ в отделении Автоматизации технологических процессов при малой сельскохозяйственной академии (МСХА) СО Россельхозакадемии разработан и изготовлен макет измерителя температуры на основе цифровых датчиков типа DS18B20, а также экспериментальный образец первичного преобразователя для измерения скорости и направления ветра.. В названном СКБ ЮТ, учредителем которого (с 2000г.) является научно-производственная фирма ЗАМК, с участием школьников планируется продолжение работы по созданию различных электронных приборов, датчиков и систем для автоматизации различных технологических процессов, научных исследований, в том числе и для технической диагностики машин и механизмов.
Решены задачи, поставленные по теме НПР на 2012/2013 учебный год:
§ ознакомление с основными видами работ (НИР и ОКР) по созданию изделий новой техники.
§ ознакомление с понятиями: ОКР - основные стадии; ЕСКД – единая системы конструкторской документации; основные сведения о ГОСТ, ОСТ, ТУ, ТТ, ТЗ.
§ участие в разработке образца электронного устройства в виде электронного термометра датчика скорости ветра.
§ обобщение и оценка результатов НПР: оформлен промежуточный отчет за 2012/2013 учебный год.
Список источников информации
1 Единая система конструкторской документации: Справочное пособие/ , , и др. 2-е издание, переработанное и дополненное - М: Издательство стандартов, 1с.
2 Основы автоматизации: Под редакцией кандидата технических наук .- М., "Высшая школа", 1990.
3 Микроэлектронная схемотехника: Учебное пособие / - Новосибирск.: НЭТИ, 1983-77с.
4 Новые элементы автоматики сельских установок. , - М Издательство “Колос”.; 1971.
5 Логинов измерения механических величин. – М.: Энергия, 1976. –104 с.
6 , Новицкий измерения физических величин. (Измерительные преобразователи): Учеб. пособие для вузов. –Л.: Энергоатомиздат, 1983. –320с.
7 Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Перспективные технические средства на ХII пятилетку: Номенклатурный каталог. ч.1/ЦНИИТЭИ приборостроения. ДСП. –М., 1986. –152 с.
8 Приборы и средства автоматизации. Т-4. Приборы для измерения и регулирования уровня: Каталог. –М.: ЦНИИТЭ приборостроения. ДСП. –М., 1987. –97 с
9 А. ЗУЙКОВ, И. КВАСОВ. Домашняя метеостанция с часами, календарем и
будильниками. г. Тула Журнал Радио №9 2007г. http://*****/site/programms. php
10 Комбинированные датчики скорости и направления ветра серии Vaisala WM30
http://www. *****/wind_sensors/vaisala_windcap_ultrasonic_wind_sensor_wmt52/
11 Измерители ветра компании JDC. Из Швейцарии. Чашечные и крыльчатые, сигнальные, с памятью. 12 моделей. www. *****/
12 Windmesser Hier ist ein einfacher, aber dennoch genauer Windmesser zum
Selberbauen. http://es. kiteplans. org/planos/windmesser/windmesser. html
13 MP707R Цифровой USB термометр/термостат. Разработано для "Мастер Кит".
Htpp://www. *****
УТВЕРЖДАЮ
Руководитель СКБ ЗАМК
___________
«_____» _________ 2012 г.
Метеосистема школьная
Технические требования от 01.01.2001.
1 Наименование:
Метеосистема школьная (МСШ1-2012).
2 Назначение:
2.1 получение информации о параметрах погоды снаружи помещения школы;
2.2 получение информации о температуре теплоносителя (воды) и воздуха внутри помещений школы;
3 Область применения:
МСШ1-2012 применяется в школе № 1 (МСОШ) п. Краснообск для учебных целей.
3 Состав:
3.1 Датчики параметров погоды снаружи помещения:
3.1.1 Датчик скорости ветра (ДСВ1);
3.1.2 Датчик направления ветра (ДНВ1);
3.1.3 Датчик температуры наружного воздуха (ДТ1 НВ);
3.2 Датчики температуры внутри помещений школы:
3.2.1 Датчики температуры внутри помещения №1;
3.2.2 Датчики температуры теплоносителя на входе;
3.2.3 Датчики температуры теплоносителя на выходе;
3.3 Блок управления и индикации БУИ
4 Принцип действия:
Информация с датчиков обрабатывается в БУИ и отображается на индикаторе;
5 Технические характеристики
МСШ1-2012 должна обеспечить индикацию параметров контролируемых физических величин, приведённых в таблице 1.
Таблица 1 Характеристики параметров на входе МСШ1-2012
Наименование параметра | Диапазон значений | Ед. измерения |
Скорость потока ветра (СПВ) | от 1,0 до 30 | м/сек |
Направление потока ветра (НПВ) | С; СВ; В; ЮВ; Ю; ЮЗ; З; СЗ От 1 до 8 | n =45/360 = 1/8 1/8 часть круга |
Дискретность направления (ДН ПВ) | от 1*(1/16) до 1*(1/8) | m =22,5/360= 1/16 1/6 часть круга |
Температура потока воздуха (ТПВ) | от -35 до 40 | º С |
Дискретность температуры (ДТ ПВ) | от 0,5 до 1,0 | º С |
Приложение 2
А. ЗУЙКОВ, И. КВАСОВ. Домашняя метеостанция с часами, календарем и будильниками. г. Тула Журнал Радио №9 2007г. http://*****/site/programms. php
Домашняя метеостанция с часами, календарем и будильником
Предлагаемый прибор отличается от аналогов использованием современной базы, исчерпывающим в домашних условиях набором измеряемых параметров, высокой точностью, простотой тарировки, наличием интерфейса USB, что существенно для связи с современными компьютерами, не имеющими зачастую других интерфейсов, большой внутренней памятью, сохранением работоспособности при отсутствии части датчиков, наличием часов, обычного и лунного календарей.
Идея создания домашней метеостанции появилась, когда надоели ежеутренние попытки разглядеть с фонарем в руках сквозь оконное стекло показания наружного термометра. Описания радиолюбительских конструкций приборов, измеряющих различные параметры окружающей среды, можно найти, например, в [1—3]. Но после их изучения было решено разработать собственную, соблюдая принцип сохранения работоспособности метеостанции при отсутствии или неисправности любых предусмотренных в ней датчиков: датчики давления и влажности, в отличие от датчиков температуры, дороги, а датчик скорости ветра еще не готов. Это дало возможность постепенно расширять функциональность уже действующего прибора.
Кроме измерения метеоданных, указанных в табл. 1, станция имеет дополнительные функции: часы, календарь, лунный календарь, восемь будильников. Жидкокристаллический индикатор снабжен подсветкой. Станция каждый час автоматически запоминает текущие значения метеоданных, памяти хватает на 300 суток. Имеется возможность предварительно установить до ста контрольных точек (меток времени, заданных с точностью до минуты). Измеренные в эти моменты времени значения также будут записаны. Память данных и контрольных точек энергонезависима. Накопленную и текущую информацию о погоде можно по интерфейсу USB 2.0 передать для анализа в компьютер. При соединении происходит автоматическая синхронизация часов метеостанции и компьютера. Установить точное время можно и вручную.
Напряжение внешнего источника питания метеостанции — 9...15 В. Потребляемый от него ток в обычном режиме — 17 мА, во время связи с компьютером он возрастает на 23 мА. Включение подсветки увеличивает потребляемый ток на 20 мА. Резервная батарея из четырех гальванических элементов типоразмера AAA обеспечивает полноценную работу метеостанции продолжительностью до двух суток без внешнего питания. Ток, потребляемый от батареи, не превышает 9 мА.
Схема метеостанции изображена на рис. 1. Основной элемент — МК ATmega32 (DD1). Он имеет четыре восьмиразрядных универсальных двунаправленных порта ввода—вывода, кроме них использованы следующие узлы МК:
— АЦП преобразует в цифровую форму аналоговые сигналы датчиков давления и влажности;
— таймер Т1 генерирует звуковые сигналы;
— таймер Т2 поддерживает ход часов реального времени, выводит МК из "спящего" режима;
— модуль USART поддерживает связь с компьютером (9600 Бод, восемь информационных и один стоповый разряд без контроля четности);
— сторожевой таймер в случае "зависания" МК обеспечивает его перезапуск;
— внешнее прерывание INT0 зарезервировано для датчика скорости ветра.
После подачи питания записанная в МК программа инициализирует его периферию, разрешает необходимые прерывания и устанавливает начальные значения даты (01.01.2005) и времени (00:00:00). Учтите, пока установленное значение года меньше 2006, запись метеоданных в энергонезависимую память не ведется. Затем инициализируется ЖКИ HG1, из EEPROM МК извлекаются необходимые для дальнейшей работы программы константы.
Основной бесконечный цикл программы включает в себя обработку нажатий на клавиши, команд компьютера, считывание и запоминание показаний датчиков. Если установлена связь с компьютером или подается звуковой сигнал, МК переходит в режим IDLE, обеспечивающий работу всей периферии, в противном случае — в режим Extended Standby, обеспечивающий минимальное энергопотребление при сохранении функционирования таймера Т2 и реакции на внешние прерывания.
Тактовая частота МК задана кварцевым резонатором ZQ2 на 16 МГц. Резонатор ZQ3 ("часовой" на 32768 Гц) подключен к выводам OSC1 и OSC2 и обеспечивает работу встроенного в МК таймера Т2. Установку МК в исходное состояние выполняет цепь R3C1VD1.
ЖКИ WH1602L подключен по четырехпроводной шине данных (РА0—РАЗ), его управляющие входы RS, RW, Е соединены с выходами РСЗ—РС5 МК. Подсветку экрана ЖКИ включают кнопкой SB5.
Опрос датчиков температуры, давления, влажности, опрос клавиатуры, вывод информации на индикатор, сохранение результатов измерений, обслуживание часов и будильников осуществляются по прерываниям от переполнения таймера Т2, следующим с частотой 128 Гц. Все операции происходят раз в секунду.
Измерение температуры датчиком DS18B20 с точностью 0,1 °С занимает около 0,6 с. По этой причине МК сначала считывает из датчика результат прошлого измерения, а затем запускает новое, результат которого будет считан через секунду. Каждый час взводится флаг сохранения текущих результатов. Само сохранение выполняется в основном цикле. Результаты записываются в организованный в памяти микросхемы DD2 кольцевой стек, адреса начала и конца которого хранятся в EEPROM МК. Этим обеспечивается энергонезависимость хранения накопленной информации. Календарь, также работающий по прерываниям от таймера Т2, имеет автоматическую коррекцию високосного года.
Метеостанция допускает подключение одного или двух датчиков температуры DS18B20, один из которых (находящийся вне помещения) подключают через разъем XI. Второй датчик температуры (ВЗ) смонтирован на основной печатной плате прибора. Эти датчики подключены по трехпроводной схеме и обмениваются информацией с процессором по протоколу 1-Wire. Протокол реализован программно, информационным входом и выходом служит вывод PD4 МК.
В режиме настройки метеостанции (после первого нажатия на кнопку SB6) происходит автоматический поиск подключенных датчиков температуры с указанием при необходимости их расположения (в помещении или вне его). Индивидуальные номера датчиков сохраняются в энергонезависимой памяти МК.
Атмосферное давление измеряет датчик В2. Такие датчики имеют очень хорошую повторяемость угла наклона измерительной характеристики, однако нуждаются в компенсации ее смещения. Такая регулировка также предусмотрена в меню настройки.
Для измерения влажности служит датчик В1. Если приобретен датчик HIH-4000 группы 002 или 004, в приложенной этикетке должны быть указаны индивидуальные значения его параметров. Метеостанция допускает их ввод в режиме настройки.
Любой из датчиков допускается не устанавливать, на работоспособности метеостанции это не скажется, показания всех оставшихся датчиков будут правильными.
Связь станции с компьютером по интерфейсу USB 2.0 организована с помощью микросхемы FT232RL (DD1), тактируемой кварцевым резонатором ZQ1. Описание этой микросхемы, драйверы (архив drv. rar), необходимые для создания в компьютере виртуального СОМ-порта для работы с ней, и утилиту ее конфигурирования (MProg2.9_Setup. exe) можно найти в архиве, или на сайте производителя.
Компьютер подает метеостанции команды согласно табл. 2, в ответ на которые получает от нее сообщения - Обмен информацией происходит только по инициативе компьютера, сама метеостанция работает автономно и полностью сохраняет свою функциональность независимо от подключения к компьютеру.
Чертеж основной печатной платы метеостанции изображен на рис. 2. Микросхема DD1 установлена со стороны печатных проводников. Фольга со стороны деталей сохранена и служит общим проводом. Везде, где это возможно, соединяемые с ним выводы деталей должны быть пропаяны с обеих сторон платы. Отверстия для этих выводов показаны на рис. 2 залитыми. Фольга вокруг других отверстий удалена со стороны деталей сверлом диаметром 3 мм. Вывод 3 датчика В2 изогнут и припаян к "верхней" фольге. Для МК DD3 должна быть предусмотрена панель.
Кнопки SB1— SB6 и соединяемые с ними диоды и резисторы смонтированы на отдельной печатной плате, показанной на рис. 3. Ее соединения с основной платой выполнены жгутом гибких изолированных проводов А—Ж. Метеостанция в сборе (без корпуса) изображена на рис. 4.
В МК должны быть запрограммированы разряды конфигурации SUT1, BODEN и СКОРТ, остальные остаются незапрограммированными. Без изменений в схеме вместо микросхемы ATmega32-16PU можно применить ATmega 16-16PU. При этом станет недоступным лунный календарь, а число контрольных точек уменьшится до 50. Программы для обоих МК прилагаются к статье.
Микросхему памяти АТ24С512 можно заменить любой другой из серии АТ24С (EEPROM с интерфейсом I2C), в соответствии с ее информационной емкостью уменьшив константу MAX_SAVE в файле serv. h и перекомпилировав программу.
Если связь с компьютером не требуется, микросхему FT232RL можно вообще не устанавливать. При соответствующем изменении печатной платы вместо нее можно установить преобразователь уровней RS-232—ТТЛ, например, серий МАХ220—МАХ249. Связь с компьютером после такой замены будет происходить через обычный, а не виртуальный СОМ-порт.
Вместо интегрального стабилизатора КР142ЕН5А можно использовать 7805 или другой стабилизатор на 5 В. ЖКИ подойдет любой, имеющий две строки по 16 символов и встроенный контроллер, совместимый с HD44780.
Закончив и проверив монтаж метеостанции, включают ее, не устанавливая МК в предназначенную для него панель. Подстроечным резистором R13 добиваются наилучшей контрастности верхней строки на экране ЖКИ. Если эта строка не видна, проверяют еще раз монтаж, при отсутствии ошибок остается заменить ЖКИ исправным.
Убедившись в исправности ЖКИ, устанавливают в панель МК. После подачи питания будет выведена информация об изделии и его авторах, за ней последует короткий гудок. Это свидетельствует о нормальной работе. Нажатием на кнопку SB2 переходят в режим настройки. Устанавливают время, дату и включают режим "Поиск датчиков" для автоматической регистрации датчиков температуры. При необходимости в пункте меню "Обмен" меняют местами датчики температуры "Дом" и "Улица". Тарировку измерителя давления производят по образцовому барометру или по информации на интернет-сайтах. Если для датчика влажности известны индивидуальные значения параметров, их вводят, пользуясь соответствующими пунктами меню "Настройка". Датчики температуры в тарировке не нуждаются.
В рабочем режиме после включения питания на ЖКИ будут выведены время и дата. Кнопками SB1 и SB2 можно выбрать величину, значение которой отображается в верхней строке, а кнопками SB3 и SB4 — в нижней. Кнопкой SB6 переводят метеостанцию в режим настройки, следующим нажатием на нее — в режим просмотра накопленной информации (при ее наличии) или возвращаются в рабочий режим.
В режиме настройки кнопками SB1 и SB2 выбирают настраиваемый параметр, а кнопками SB3 и SB4 изменяют его. В режиме просмотра накопленной информации в верхней строке отображаются дата и время, а в нижней — хранящееся в памяти значение. Кнопками SB1 и SB2 выбирают время, а кнопками SB3 и SB4 — отображаемую величину.
Лунным фазам соответствуют числа от 0 до 1с одной десятичной цифрой после запятой. Знак числа показывает направление изменения фазы: "+" — растет,"-" — убывает.
Одновременное нажатие на кнопки SB1 и SB2 переводит метеостанцию в режим настройки будильников. Номер будильника выбирают кнопкой SB2, кнопками SB3 и SB4 выбирают параметр, а кнопкой SB1 изменяют его значение. Возможна настройка каждого будильника на срабатывание в установленное время в любой комбинации дней недели. Выход из режима настройки будильников производится одновременным нажатием на кнопки SB1 и SB2. Чтобы выключить звуковой сигнал сработавшего будильника, достаточно нажать на любую кнопку.
Программное обеспечение метеостанции, прошивка и исходный код
ЗУЙКОВ, И. КВАСОВ, г. Тула Журнал Радио №9 2007г. Обсудить статью на форуме
