Разработка системы сбора и передачи данных для вибродиагностики на базе микроконтроллера

Рассчитаем номинал резистора : где – напряжение насыщения база-эмиттер. Коэффициент – глубина насыщения. Данный интерфейс обеспечивает надежную гальваническую развязку/Расчёт стабилизатора напряженияЗададимся параметрами блока питания (БП):– Напряжение на выходе БП – UВЫХ1 = 5 В;– Номинальный ток нагрузки БП – IН1 = 0,1 А;– Нестабильность входного напряжения БП – δUВХ = 0,25;– Нестабильность выходного напряжения– δUВЫХ = 0,02;– Уровень пульсации на выходе – UПУЛ = 2 мВ;БП построим по схеме компенсационного стабилизатора. Рассчитаем минимальное значение входного напряжения [11]:,где – наименьшее значение разности напряжений коллекторно-эмиттерного перехода транзистора. Для кремниевых транзисторов данный показатель примем равным – величина падение напряжения на данном диоде. Для кремниевых выпрямительных диодов величина равна В этом случае получаем:.Определим номинальное величину выходного сигнала:.Следовательно, получаем после подстановки данных:.Определим суммарный КПД данной схемы стабилизатора компенсационного типа:.Следовательно, получаем после подстановки данных:.Как правило, коэффициент полезного действия трансформатора лежит в диапазоне от 84 до 86%. Примем среднее значение:.Определим суммарную мощность используемого силового трансформатора [11]:,где.Тогда.Рассчитаем максимальное входное напряжение:.Тогда.Рассчитаем максимальное падение напряжения на транзисторе:.Тогда.Рассчитаем максимальную мощность, рассеиваемую на регулирующих элементах:.Тогда.Определяем величину входного напряжения:.Тогда.Определяем относительный коэффициент стабилизации каналов [11]:.Абсолютный коэффициент стабилизации [11]:/Тогда.Определим необходимый коэффициент усиления схем усилителей. Коэффициенты передачи изменяется в пределах: . Примем значение коэффициента .При использовании простейшей схемы выполнения компенсационного стабилизатора параметр , как правило, принимают равным единице: . Коэффициент усиления транзистора, включается по схеме ОК, близок к единице. Принимаем KУР = 1.Таким образом,.Тогда.Примем .Расчет необходимого коэффициента усиления схем усилителей проводится по формуле для определения коэффициента стабилизации:.Тогда.Итак, получены все данные для выбора и расчета всех элементов стабилизатора. Рассчитаем элементы электрической принципиальной схемы. Для расчёта коэффициента передачи тока задаемся базовым током транзистора IБ.РЭ в диапазоне 50...150 мА. Рассчитываем необходимый коэффициент передачи тока транзистора.Тогда.Так как βРЭ < 100, то регулирующий элемент целесообразно выполнить по схеме эмиттерного повторителя.Предельный ток коллектора транзистора должен быть больше чем максимальный ток нагрузки в 1,5...2 раза. При этом, максимальное напряжение на коллекторе транзистора должно превышать предельное входного напряжения в 1,5 раза.Выберем транзистор BDP949, у которого максимально–допустимый ток коллектора составляет 5 А, коэффициент передачи тока – 60, предельно–допустимое напряжение на коллекторе – 90 [12].Рисунок 2.11 – Принципиальная схема стабилизатора напряжения питанияОпределим значения резистивного делителя R5, R6, R7.Ток, протекающий через резистивный делитель датчика должен быть значительно больше входного тока ИСН (вход 3). Поэтому задаемся внутренним сопротивлением датчика по крайней мере на порядок меньшим, чем Rвх3:,,, .Для нахождения R5, R6, R7 необходимо решить систему уравнений:Решая данную систему получимR5 = 13 кОм,R6 = 27 кОм,R7 = 91 кОм.Найдем ток, протекающий через делитель:.Тогда.Рассчитаем мощность, рассеиваемую каждым резистором делителя:,,.Выходное сопротивление схемы компенсационного стабилизатора напряжения примерно в Kу ≈ Kст раз меньше, чем выходное сопротивление регулирующего элемента, , ,, ,.Определим сопротивление эмиттера [13]:.Тогда.Выходное сопротивление холостого хода определяется по формуле [13]:.Тогда.где Тогда .Выходное сопротивление схемы компенсационного стабилизатора определяется как.Тогда.Рассчитаем элементы схемы защиты от перегрузок по току.Резистор R3 должен быть много больше R2, а их сумма должна несущественно уменьшать входное сопротивление регулирующего элемента, т.е. должно выполняться следующее условие [13]:Рассчитаем резистор R3:.Тогда.Примем .Резистор R2 рассчитывается из следующего условия:.Откуда.Тогда .Примем .Рассчитаем резистор R4:.где , Тогда.Примем Произведём расчет и выбор конденсаторов сглаживающего фильтра.Исходными данными для расчета величины емкости сглаживающих фильтров являются ток нагрузки Iн и допустимый уровень (размах) пульсаций напряжения на нагрузке Uп:,где fс – частота пульсаций.Тогда.Рабочее напряжение выбранных конденсаторов должно превышать Uвхном как минимум в 1,4 раза.К50-35 С1 = 100 мкФ 50 В.Также в схеме используются следующие конденсаторы:С2 = 0,1 мкФ (SMD), С3 = 10 мкФ (SMD)2.5 Конструкторский разделВыбор и обоснование компоновочного решенияПроектируемая конструкция устройства должна обеспечивать его соответствие требованиям, заданным в техническом задании и обеспечивающих корректное функционирование устройства. Целесообразно также предусмотреть возможность простой замены отдельных элементов схемы и иных комплектующих на аналогичные, в случае если возникнут сложности с поставкой или данные элементы будут сняты с производства.Разработка печатной платы системыРаботы по проектированию и трассировке печатной платы системы ПОС выполняются при помощи ПО P-CAD 2006. Разобьём процесс работы с САПР P-CAD на последовательность из следующих действий:1. Создание библиотеки используемых элементов РЭА;5. Ввод принципиальной электрической схемы;2. Подготовка схемы к проектированию ПП;5. Размещение элементов РЭА по полю конструктива;В данном случае используемая библиотека содержит необходимые элементы, используемые при проектировании РЭА. На рисунке 2.12 и 2.13 представлен процесс ввода принципиальной электрической схемы в программе Schematic.Рисунок 2.12 – Ввод схемы электрической-принципиальной цифровой части системы в программе SchematicРисунок 2.13 – Окно параметров элемента (PartProperties)После распределения компонентов по поверхности печатной платы начинается трассировка, т.е. необходимые соединительные провода (проводники) размещаются между контактными площадками. Рекомендуется собирать печатную плату вручную, используя встроенную функцию автоматической трассировки. Для ручного отслеживания система PCAD предлагает инструменты, которые можно разделить на три группы:- Ручной трекер- Интерактивный трекерНа следующем рисунке показаны последующие результаты плана аудита SP.В данном проекте технологический контроль при разработке топологии печатной платы помог выявить узкие места и нарушения зазоров. Топология фиксированная. Ошибка исправлена.3 Сбор информации данных с датчика за сутки3.1 Разработка алгоритма работыНа рисунке 3.1 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера системы вибродиагностики.В блок-схеме применены условные обозначения:N – счетчик выборок, переменная в которой хранится текущее количество сделанных выборок;K – счетчик времени.При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера.. Блок-схема подпрограммы таймера представлена на рисунке 3.2.После измерения временных интервалов происходит обработка результатов – вычисление температуры и давления, вывод результата измерения на экран. Функция обработки запросов по интерфейсу UART-USB реализована в виде подпрограммы обработки прерываний (рисунок 3.3) После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную программу [31].Рисунок 3.1 – Блок схема работы системыРисунок 3.2 – Блок-схема подпрограммы таймераРисунок 3.3 – Блок схема подпрограммы приема данных3.2 Интегрированная система разработки AVRStudioAVRStudio – представляет собой программную среду отладки для разработки приложений для 8-битных RISC - микроконтроллеров семейства AVR (Tiny, Classic, Mega) (рис. 3.4). Рисунок 3.4 – Внешний вид программы AVRStudioПрограмма работы микроконтроллера написана на языке С++ восьмиразрядных RISC микроконтроллеров семейства AVR фирмы ATMEL. Текст программы приведен в приложении 1.4. РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ4.1 Расчет надежностиИнженерный расчет надежности на этапе проектирования позволяет определить уровень соответствия надежности разрабатываемого изделия заданным в ТЗ требованиям.Требования по надежности обычно задаются значением одного или нескольких показателей:средней наработки на отказ Тср;вероятности безотказной работы в течение заданного временикоэффициента готовности Кг.Данные о надежностных характеристиках элементов сведем в табл. 3.12. 1. Интенсивность отказов платы вычисляется по формуле:,где Ni – количество элементов, i – интенсивность отказов элемента. Таблица 4.1– Расчет надежности устройстваПодставляя в формулу данные из таблицы 4.1. получаем:БЛ = 14,3210-6 час-13. Средняя наработка на отказ:,Т = 69826,75 часов.3. вероятность безотказной работы за время t, равное 5000 часам равно:,P(t) = 0,97 > =0,95Таким образом, расчет показал, что требования по надежности, предъявляемые к разрабатываемому прибору, выполняются.Количественная оценка технологичности устройства по конструкторским показателямПод технологичностью конструкции следует понимать сочетание конструктивных и технологических требований, обеспечивающее наиболее простое и экономичное изготовление изделий при любых технических и эксплуатационных условиях.Они стремятся к технологическому дизайну, от разработки проекта до изготовления прототипа и ряда продуктов. Способ проверки конструкции изделия на технологичность зависит не только от этапа проектирования, но и от типа производства и объема производства. Тип и назначение товара; Способ производства; Изощренность оборудования и аксессуаров; Организация производства (ГОСТ 14.201-73, 14.203-73, 14.204-73.3.121-73, 18831-73) [28].Для обеспечения технологичности необходимо строгое соблюдение технических и эксплуатационных параметров конструкции изделия с учетом специфики производителя (тип производства, оборудование, использование стандартных технологических процессов, программа внедрения продукции и т. Д.). а также требования ко всем этапам производственного процесса, начиная с формирования заготовки детали и заканчивая сборкой и испытанием готового изделия.Работа по обеспечению технологичности конструкции предусматривает: унификацию и стандартизацию элементов конструкции; Оценка технического уровня продукции, заключающаяся в определении новизны и перспективности конструкции, степени ее соответствия целевому назначению и эксплуатационным требованиям; Анализ технологичности изготовления деталей, сборочных единиц и изделий, а также производственного оборудования, преемственности деталей и сборочных единиц, возможности использования стандартных и стандартных деталей при технологической подготовке производства [25].ЗАКЛЮЧЕНИЕВ процессе выполнения ВКР был разработан модуль выполнения вибродиагностики оборудования, предназначенный для поддержания заданных параметров при стерилизации консервов. Основная цель использования данного устройства – повышение точности и надежности измерительных систем, а также автоматизация процессов управления. При проектировании этого устройства была использована современная элементная база и применены новейшие достижения в дизайне электронных систем.Устройство отличается высокой надежностью, что является следствием отсутствия подвижных деталей и механизмов, защиты от импульсного шума высокого напряжения, наличия ЖК-индикатора и коммуникационных интерфейсов для отображения результатов измерений и настроек.Через большую сложность и сложность проведения работ по созданию радиоаппаратуры, одновременное участие многих исполнителей, необходимость параллельного выполнения работ, зависимость начала одной работы от результатов других, методов в этом разделе использовались планирования и управления сетью.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВОборудование и автоматизация перерабатывающих производств: Учеб. для с.-х. вузов. – М.: КолосС, 2007. - 590 Меркулова Н.Г.Производственный контроль в молочной промышленности: Практ. руководство / Рос.Союз предприятий молочной отрасли (Молочный Союз России). - СПб.: Профессия, 2009. – 576 с. Николайчук О.И. Современные средства автоматизации[Текст]. – М.: СОЛОН – Пресс, 2010. 256 с. Нсанов, М. П. Цифровые устройства [Текст]: учебник для колледжей 2018. – 400 с.: 284 ил. – ISBN 9785449318817.Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы [Текст]. – М.: Высшая школа, 1988. – 448 с.Трамперт, В. Измерение, управление и регулирование с помощью AVR–микроконтроллеров[Текст]: Пер. с нем.– Киев.: «МК – Пресс», 2006. – 208 с.; ил. Поиск отказов в сложных технических системах / П.П. Павлов [и др.] // Актуальные вызовы современной науки: сб. науч. тр. ІХ Междун. науч. конф. Переяслав-Хмельницкий, 2017. Вып. 9., ч. 2. С. 65–67 Павлов П.П., Гараева А.Р., Истопленников М.А. Определение технического состояния электротехнического оборудования электро-подвижного состава // Молодежная наука в XXI веке: традиции, инновации, векторы развития: матер. Междунар. науч.-исслед. конф. молодых ученых, аспирантов, студентов и старшеклассников. Самара – Оренбург, 2017. С. 37–38. Диагностирование отказов электротехнического оборудования электроподвижного состава / П.П. Павлов [и др.] // Вопросы образования и науки теоретический и методический аспекты: сб. науч. тр. Междунар. науч.-практ. конф. Тамбов, 2015. Ч. 2. С. 108–109. Карпатенко А.В. Диагностика технического состояния машин: учеб. пособие. М.: ФГБУ ДПО «УМЦ ЖДТ», 2017. 90 с. Оценка технического уровня сложных систем на этапе разработки / Р.С. Литвиненко [и др.] // Вестник машиностроения. 2015. № 6. С. 35–39. Волович, Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово – цифровых электронных устройств[Текст]. – М.: Издательский дом «Додэка – XXI», 2005. –528 с.Васьковский, А.М. Программирование микроконтроллеров AVR (Atmel) [Текст]: учебное пособие/ А.М. Васьковский, О.И. Максимычев, А.Б. Маврин, Л.А. Литвинов. – М.: Московский автомобильно – дорожный институт, 2008. – 96 с.ATMEL 168 – разрядный AVR – микроконтроллер ATmega 168 [Электронный ресурс]. – datasheet.–atmel, june 2005. – Режим доступа: http://atmel.ru. (дата обращения 4.06.2021).MAX 13410E. RS – 485 Transceiver. datasheet.– maxim, october 2007[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://atmel.ru. (дата обращения 4.06.2021).Кравченко, А.В. 10 Практических устройств на AVR – микроконтроллерах [Текст]: Книга 1. – М.: Издательский дом «Додэка – XXI», Киев «МК – Пресс», 2008. –224с.; ил.Дятлова, Е.П. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами [Текст].: учебно – методическое пособие/ Е.П. Дятлова. – Санкт – Петербург: ВШТЭ СПбГУПТД, 2019. – 68 с.Сурина, Н.В. САПР технологических процессов [Текст]: учебное пособие/Н.В. Сурина. – М.: МИСиС, 2016. – 104 с. – ISBN 978 – 5 – 87623 – 959 – 4.Агеев, О.А., Мамиконова, В.М., Петров, В.В. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин [Текст]: уч. пос./ О.А. Агеев, В.М. Мамиконова, В.В Петров. – Таганрог: Изд – во ТРТУ, 2000. – 153 с.Балашов, К.Е., Донис, Е.О. Совершенствование методов градуировки пьезоэлектрических датчиков быстропеременных давлений[Текст] //Мир измерений. – 2007. №8. – С. 13 – 15.Прокофьев, Е.В. Системы автоматизации и управления[Текст]. учебное пособие/ Е.В. Прокофьев. – Екатеринбург: Уральская государственная горно – геологическая академия, 2014. – 118 с. – ISBN 5 – 8019 – 0047 – 0.Шпак, Ю.А. Программирование на языке С для AVR и PIC микроконтроллеров [Текст]. / Ю.А. Шпак. – К.: "МК – Пресс", СПб.: "Корона – Век", 2015. – 544 с. – 2 – е изд.СанПиН 2.2.2 – 2.4.1340 – 03. Гигиенические требования к персональным электронно – вычислительным машинам и организации работы [Текст]: санитарные правила. – М.: Информ. – изд. центр Минздрава России, 2003. Свод правил естественное и искусственное освещение: СП 52.13330.2011 : утв. М – вом регионального развития Рос. Федерации 27 12 2010 г. N 783 : введ. в действие с 20.05.2011 г. М.: Изд – во стандартов, 2011. ГОСТ 8.009 – 84 Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 2006. – 14 с. ГОСТ 8.256 – 77 Государственная система обеспечения единства измерений. Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. Основные положения [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 1977. – 6 с. ГОСТ Р 8.673 – 2009 Государственная система обеспечения измерительные единства измерений. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 2010. – 9 с.Агеев, О.А., Мамиконова, В.М., Петров, В.В. Микроэлектронные преобразователи неэлектрических величин [Текст]: уч. пос./ О.А. Агеев, В.М. Мамиконова, В.В Петров. – Таганрог: Изд – во ТРТУ, 2000. – 153 с.Балашов, К.Е., Донис, Е.О. Совершенствование методов градуировки пьезоэлектрических датчиков быстропеременных давлений[Текст] //Мир измерений. – 2007. №8. – С. 13 – 15.Клаассен, К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике[Текст] / М.: Постмаркет, 2000 – 109 с.Косых, А.В. Моделирование полупроводникового датчика температуры, используемого в интегральных системах температурной стабилизации частоты источников опорных колебаний [Текст] / А.В. Косых, С.А. Завьялов, К.В. Мура – сов. Ползуновский вестник. – № 3/1. – 2011, – С. 43 – 47.Михайлов, П.Г. Микроэлектронные датчики: вопросы разработки // Микросистемная техника, 2003 – № 1. – С. 4 – 7