Ультразвуковий вимірювач відстаней

Размещено на http://www.allbest.ru/

Зміст

Вступ

1. Відомості про підприємство (лабораторію)

2. Аналіз існуючих рішень

3. Обґрунтування впровадження проектного рішення

4. Опис проектного рішення

4.1 Опис схеми електричної структурної

4.2 Опис схеми електричної принципової

4.3 Вибір та обґрунтування елементної бази

5. Розробка програмного забезпечення

5.1 Розробка алгоритму програми

5.2 Вибір програмного середовища та засобів реалізації алгоритму

5.3 Лістинг програми

6. Комп'ютерне моделювання пристрою

7. Розробка та монтаж друкованої плати

Вступ

вимірювач моделювання розробка

Вимірювання - одна з найважливіших справ у сучасному житті, але не завжди було так. Коли первісна людина робила кам'яну сокиру, технічних умов не існувало і все визначалося розміром каменя, який вдавалося знайти. Все робилося на око, так як підказувало чуття майстра.

Пізніше люди стали жити великими групами. Почався обмін товарами, які перейшли потім в торгівлю, виникли перші держави. Тоді з'явилася потреба у вимірах. Царські писці повинні були знати, яка площа поля у кожного селянина. Цим визначалося, скільки зерна він повинен віддати царю. Треба було виміряти урожай з кожного поля, а при продажу лляного масла, вина та інших рідин - об'єм проданого товару. Коли почали будувати кораблі, потрібно було заздалегідь намітити правильні розміри, інакше б корабель затонув. І вже, звичайно, не могли обійтися без вимірювань будівельники пірамід, палаців і храмів, які досі вражають нас своєю домірністю і красою.

Зараз в багатьох сферах діяльності людини виникає необхідність у вимірюванні відстаней. Наприклад, дорожнім службам необхідно знати точний кілометраж для того, щоб розрахувати потрібну кількість фарби для нанесення як розмітки. У сільському господарстві при землемірних роботах теж важлива точність для планування ділянок під ті чи інші культури - це допомагає обчислити кількість насіння і добрив, які будуть затребувані. У будівництві вимірювання відстаней переслідує багато цілей, одна з яких - розрахунок матеріалу, необхідного для зведення будівель або їх ремонту. Також і в транспортних перевезеннях не обійтися без вимірювань відстані.

З глибокої давнини наші предки вимірювали відстань природними засобами, які завжди були поряд: кроками, довжиною ліктя, стопи, шириною пальця і т.д. З відти і походять: верста, сажень, аршин, лікоть, п'ядь і вершок.

Згодом прийшла метрична система вимірювання. Метрична система вважається найзручнішою з усіх придуманих через свою простоту. Однією з основних одиниць вимірювання в метричній системі є метр. Всі інші одиниці вимірювання є кратними ступенями десяти від метра, що дозволяє полегшити підрахунки.

Був виготовлений брусок довжиною в один метр із сплаву платини (90%) та іридію (10%) - так званий «архівний» метр, який і був прийнятий за еталон («такий, який він є»).

До 1960 року міру довжини звіряли з цим бруском. Він і досі зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг в місті Севр (передмістя Парижа), але за призначенням вже не використовується.

Сьогодні, за визначенням, метр дорівнює відстані, яку проходить світло у вакуумі за 1/299792458 частку секунди.

В наш час з'явилися більш нові й кращі пристрої для вимірювання довжини: лазерні, оптичні, звукові вимірювачі довжини. Вони мають велику точність, за допомогою лазерних далекомірів можна виміряти відстань з точністю до 1 мм, а за допомогою ультразвукових з точністю до 0,01 м.

З розвиток вимірювальних засобів з'явилися і нові можливості. Наприклад, система навігації GPS базується на визначенні відстаней до супутників. Це робиться за допомогою вимірювання часу, за який радіосигнал від супутника доходить до приймача на Землі, а потім по цьому часу обчислюється відстань. Після визначення відстані не менш ніж до 3 супутників можна визначити координати приймача.

1. Відомості про підприємство (лабораторію)

Компанія ТОВ «Навіс-Україна» входить до групи компаній «НАВІС Груп».

Склад групи компаній «НАВІС Груп»:

- ЗАТ «КБ Навіс» (Москва);

- NVS Technologies AG (Швейцарія);

- ТОВ «НВС Навігаційні Технології» (Москва);

- ТОВ «НВС Телематичні Системи» (Москва);

- Санкт-Петербурзька філія ЗАТ «КБ Навіс»;

- представництво ЗАТ «Конструкторське бюро навігаційних систем» (м. Черкаси, Україна);

- ТОВ «Навіс-Україна» (м. Сміла, Україна).

ТОВ «Навіс-Україна» було створено в січні 2005 року підприємством ЗАТ «КБ Навіс» на базі фахівців з навігаційних технологій конструкторського бюро ДП «Орізон-Навігація», Україна.

Штат ТОВ «Навіс-Україна» налічує 70 фахівців, включаючи 57 дипломованих фахівців з вищою освітою.

Основний склад колективу підприємства - це провідні фахівці з більш ніж 15-ти річним досвідом роботи в галузі розробки апаратури споживачів супутникових радіонавігаційних систем ГЛОНАСС/GPS, які брали участь у створенні навігаційної апаратури споживачів усіх попередніх поколінь.

Зараз підприємство працює над апаратурою споживачів супутникових радіонавігаційних систем:

- АП СНС ГЛОНАСС/GPS серії «Бриз» для військових і цивільних споживачів, АП СНС ГЛОНАСС/GPS серій СН-3000, «Навіор-14», «Навіор-S» і «Навіор-Т» для цивільних споживачів;

- АП СНС серії «Бриз-М», «Базальт», «Тонік», обладнання функціональних доповнень ГНСС серії СН-3500, тимчасової синхронізації СН-3836 і СН-3837 для систем зв'язку стандартів DECT і CDMA для військових і цивільних споживачів;

- АП СНС серії «Бриз-КМ», апаратура функціональних доповнень ГНСС серії СН-3500М, імітатори сигналів СНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO СН-3803, комплекс імітації СН-3805, малогабаритні 24 канальні навігаційні модулі серії NAVIOR-24.

У рамках проекту «GALILEO Research and Development Activities - Area 1B: User Segment, Technological Development-Galileo Safety of Life Receiver Development», що проводиться під егідою Європейського космічного агентства (ESA) за тематикою «Maritime SoL Preliminary Receiver Specification», за участю фахівців ТОВ «Навіс-Україна» були розроблені і виготовлені діючі прототипи мультисистемного приймача СНС ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/SBAS для морських застосувань і робочі екземпляри імітатора сигналів GPS/GALILEO/SBAS.

У рамках проекту "GAlileo-Glonass Advanced Receiver INtegration" «Safety-of-Life GNSS Receiver using GALILEO and GLONASS, technological development under EU-Russian Cooperation», що проводиться під егідою Європейського космічного агентства(ESA) за тематикою «GALILEO-2007-4.3-01 International Activities in Area 7.4.4.3 Thematic 2b(GALILEO Technology Development under International Cooperation), Receiver innovative aspects and development Domain», за участю фахівців ТОВ «Навіс-Україна» виконується розробка прототипу мультисистемного приймача СНС ГЛОНАСС К/GPS/GALILEO/SBAS для авіаційних застосувань і імітатора сигналів СНС ГЛОНАСС К/GPS/GALILEO/SBAS.

З метою модернізації існуючого навігаційного обладнання та розробки нової апаратури супутникової навігації, на підприємстві ведуться роботи зі створення перспективних технологій і технічних рішень в наступних областях:

- підвищення завадостійкості навігаційної апаратури для морських і авіаційних застосувань (програма антитерор);

- мініатюризації приймачів сигналів супутникової навігації (приймач в одному чипі);

- розробки програмного мультисистемного приймача сигналів космічних навігаційних систем;

- розробки апаратно-програмної платформи для створення навігаційних приймачів різного застосування;

- вдосконалення схем і алгоритмів сигнальної обробки СНС ГЛОНАСС, GPS, GALILEO та їх функціональних доповнень типу WAAS;

- розробки технології застосування електронної картографії в навігаційній апаратурі.

Підприємство ТОВ «Навіс-Україна» розробляє продукцію, сертифіковану в системі якості ISO 9001: 2008.

При розробці обладнання ТОВ «Навіс-Україна» використовує:

- власні оригінальні технічні та системні рішення (know how), що є інтелектуальною власністю ТОВ «Навіс-Україна»;

- передові технічні та технологічні рішення в галузі радіо приладобудуванні, мікроелектроніки та наноелектроніки;

- новітні вітчизняні розробки в області програмно-математичного забезпечення;

- сучасні апаратно-програмні засоби та комплекси, що забезпечують процес розробки апаратури;

- сучасні САПР, що забезпечують розробку і випуск конструкторської документації адаптованої під будь-яке підприємство радіоприладного профілю, що дозволяє забезпечити підготовку виробництва обладнання без значних витрат;

- вільне програмне забезпечення, серед якого є Linux, Qt Creator та Git Bash.

ТОВ «Навіс Украина» у своїй роботі використовує наступне обладнання: ГЛОНАСС/GPS - радіонавігаційна супутникова система, створена за підтримки уряду Російської Федерації. Розгортання системи у космосі буде зроблено за допомогою супутників «Глонасс_К» та «Глонасс-М» (ГЛОНАСС 2-го покоління).

Координати визначаються за принципом, узятим за аналогією американської системи глобального позиціонування GPS. Як альтернатива обом системам у Європі розробляється система Галілео.

Супутники системи ГЛОНАСС стало розповсюджують (передають) радіовипромінювання двох типів: навігаційний сигнал СТ діапазону L1 (1,6 ГГц) та навігаційний сигнал високої точності ВТ діапазонів L1 и L2 (1,2 ГГц).

Підприємство ТОВ «Навіс-Україна» включає в себе відділ диференційного сервісу, відділ радіоприймальних приладів, лабораторію приладобудування, лабораторії сегментної обробки, лабораторію конструювання, лабораторію випробувань та лабораторія цифрових пристроїв.

2. Аналіз існуючих рішень

Існує багато типів вимірювачів відстані, але їх можна поділити на кілька груп: механічні, звукові, оптичні і лазерні. До механічних відносяться звичайні рулетки, курвіметри, дорожні курвіметри.

Курвіметр - прилад для вимірювання довжини звилистих ліній, найчастіше на картах, планах і кресленнях.

Курвіметр складається з зубчастого ролика, відомого діаметра на ручці і лічильника пройденого кількості зубців. Для вимірювання довжини кривої по ній прокочують роликом курвіметра.

Електронний курвіметр забезпечений РК-дисплеєм, на якому відображаються результати вимірювань. При цьому прилад може брати на себе додаткову функцію перерахунку відстані на карті в реальне відстань на місцевості з урахуванням масштабу картографічного матеріалу. Такі прилади можуть відображати результати вимірювань в кілометрах, милях і морських милях.

Похибка вимірювання електронних курвіметрів зазвичай становить, залежно від виробника і моделі, близько 0,2%. Для механічних це число, як правило, більше і зазвичай досягає 0,5%. Приклад такого курвіметра зображено на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 - Курвіметр

Проведення топографічних досліджень, а також складання карт і маршрутів припускають використання курвіметрів. Прилад швидко і точно збирає й обробляє дані, дозволяючи чітко визначати відстані на місцевості.

Точно невідомо, коли для вимірювання відстаней стали використовувати дорожнє колесо, але навіть зараз, незважаючи на розвиток техніки, воно продовжує залишатися затребуваним. Дорожні колеса (інша їх назва - дорожні курвіметри) застосовують для визначення відстані в тих випадках, коли неможливо використовувати інші, більш традиційні, методи. Часто для інвентаризації різних об'єктів, промірів ділянок доріг простіше використовувати вимірювальне дорожнє колесо, ніж вдаватися до використання інших інструментів.

Механічні дорожні колеса відрізняє простота і універсальність використання. Вони можуть застосовуватися для розрахунку відстаней на різних типах місцевості, в тому числі і в районах, віддалених від цивілізації. Для електронних приладів характерна велика точність, крім того вони мають масу додаткових функцій і налаштувань, необхідних у роботі фахівця. На рисунку 2.2 зображені механічні дорожні колеса.

Рисунок 2.2 - Механічні дорожні колеса

Принцип роботи такого інструменту простий: знаючи довжину кола і кількість обертів, можна легко обчислити пройдену ним відстань.

Але хоча у різних моделей курвіметрів загальний принцип роботи, вони відрізняються розмірами, типами застосовуваних конструкційних елементів, діапазоном, точністю результатів. Крім того, вони діляться на аналогові й електронні. У першому випадку визначення відстані здійснюється механічним способом, а в другому застосовуються більш сучасні методи, що дозволяють робити математичні розрахунки з наступним запам'ятовуванням результатів. Кожен з типів має свої переваги і недоліки. Наприклад, аналоговий інструмент не вимагає підзарядки, надійно працює в складних польових умовах, а у електронного курвіметра більш висока точність, а результати можна бачити відразу на дисплеї. З його допомогою можна також розраховувати площі і периметри, а вбудовае підсвічування дуже зручну для роботи в умовах обмеженої видимості.

У таких приладах передбачена можливість відображення результатів у різних системах координат. Вимірювальні колеса найбільш затребувані при проведенні замірів залізничних шляхів, при виконанні будівельних та ландшафтних робіт, а також при складанні схем дорожньо-транспортних пригод.

Багатоцільовий курвіметр Курвіметр CST / berger 32-401M F0340745N3 зображено на рис. 2.3, відповідний найвищим вимогам в галузі будівництва та комунально-побутового обслуговування. Висока міцність і довговічність. 6-розрядний лічильник легко читається і стійкий до ударів. Просте скидання одним натисканням кнопки. В таблиці 2.1 описано характеристики CST.

Перевагами такого пристрою є: простота використання, надійність і достатня точність. Використовується такий пристрій переважно на будівництві, на підприємствах комунально-побутового обслуговування та при землевпорядних роботах.

Рисунок 2.3 - Курвіметр CST / berger 32-401M F0340745N3

Таблиця 2.1 - Параметри курвіметра CST / berger 32-401M F0340745N3

Параметри:	Значення:
Діаметр колеса(об'єм)	31,83 см(1 м)
Макс. результат вимірювання	9999,9 м
Рукоятка	складн.
Матеріал	сталь

Промислові вимірювання відстані сьогодні асоціюються з двома методами - вимірювання часу проходження ультразвукового імпульсу до об'єкта вимірювання і назад до датчика, або тріангуляційним методом, що складається з вимірювання положення відбитого лазерного проміня на лінійці оптичного детектора.

Лазерний далекомір - прилад для вимірювання відстаней із застосуванням лазерного променя.

Лазерні далекоміри по праву можна називати універсальними оптичними інструментами, широко вживаними при виконанні будівельних та оздоблювальних робіт. З їх допомогою можна виміряти відстань з точністю до 1 мм. Застосування лазерних далекомірів дозволяє вимірювати лінійні величини, площу об'єктів. Принцип дії лазерного далекоміра базується на відбиванні лазерного променя від об'єкта, при цьому відстань визначається за часом повернення імпульсу.

Лазерний далекомір широко застосовують в інженерній геодезії, при топографічній зйомці, у військовій справі, в навігації, в астрономічних дослідженнях, у фотографії. Сучасні лазерні далекоміри в більшості випадків компактні і дозволяють в найкоротші терміни і з великою точністю визначити відстані до об'єктів, які цікавлять. Лазерні далекоміри розрізняються за принципом дії на імпульсні і фазові. Імпульсний лазерний далекомір це пристрій, що складається з імпульсного лазера і детектора випромінювання. Вимірюючи час, який витрачає промінь на шлях до відбивача і назад і знаючи значення швидкості світла, можна розрахувати відстань між лазером і об'єкта. Здатність електромагнітного випромінювання поширюватися з постійної швидкістю дає можливість визначати дальність до об'єкта.

Так, при імпульсному методі вимірювання відстані використовується наступне співвідношення:

L = ct/2n (2.1)

де L - відстань до об'єкта, c - швидкість світла у вакуумі, n - показник заломлення середовища, у якому поширюється випромінювання, t - час проходження імпульсу до цілі і назад.

Розгляд цього співвідношення показує, що потенційна точність вимірювання дальності визначається точністю вимірювання часу проходження імпульсу енергії до об'єкта і назад. Ясно, що чим коротше фронт імпульсу, тим краще. Проходження імпульсу до об'єкту і назад показано на рисунку 2.4.

Рисунок 2.4 - Проходження імпульсу енергії до об'єкта і назад

Фазовий лазерний далекомір - це далекомір, принцип дії якого заснований на методі порівняння фаз відправленого і відбитого сигналів. Фазові далекоміри мають вищу точність вимірювання в порівнянні з імпульсними далекомірами. Також фазові далекоміри дешевші у виробництві. Саме фазові далекоміри набули широкого поширення в побуті.

Лазерні далекоміри мають ряд переваг:

- простота використання для вимірювання;

- достатньо навести червону точку на протилежну стіну, стоячи біля іншої стіни, і прочитати число на індикаторі;

- даний прилад передбачає мінімальну кількість виконавців

- за допомогою лазерного далекоміра можна перевірити паралельність і прямокутність об'єкта.

- лазерний далекомір сам вираховує площу і об'єм об'єкта, досить буде визначити довжину і висоту для того, щоб пристрій визначив результат у квадратних або кубічних метрах.

Далекомір лазерний Bosch GLM 250 VF - лазерна рулетка з інтегрованим прицілом для професійних вимірювальних робіт (зображена на рис. 2.5) як в приміщення, так і зовні. Точне вимірювання довжини, висоти, площіни та об'єму приміщення, визначення висоти різних сегментів, розрахунку висоти та ухилів дахів. Характиристики Bosch GLM 250 VF приведені в таблиці 2.2.

Рисунок 2.5 - Далекомір лазерний Bosch GLM 250 VF

Таблиця 2.2 - Характеристика - Bosch GLM 250 VF

Параметри:	Значення:
Клас	професійний
Лазерний діод, нм	635
Клас лазеру	2
Діапазон вимірювання, м	0.05-250
Точність вимірювання, мм	1
Захист від пилу та бризок	IP 54
Джерело живлення	4 батареї 1.5 B LR03(AAA)
Вага, кг	0.24
Гарантія, міс	36
Гарантія, міс	36

Лазерний далекомір GLM 250 VF має:

- інтегрований оптичний приціл для оптимальної видимості лазерної точки на відстані до 250 м;

- міцний та надійний корпус із захистом від пилу та водяних бризок IP 54;

- просту та зрозумілу клавіатуру;

- великий 4-рядковий дісплей з підсвічуванням;

- функцію таймера для точного вимірювання у важких умовах;

- функцію автоматичного збереження результатів останніх 30 вимірювань та однієї незмінної величини.

Велике поширення свого часу набули оптичні далекомірні пристрої і базувалися на спрощеному механічному варіанті бінокулярного зору. Такі пристрої використовуються і на даний час в основному у фотоапаратах, але також вони використовуються і в військовій справі (зокрема на флоті).

Принципова схема далекомірного пристрою зображена на рисунку 2.6 і виглядає так: світло, проходячи через віконце 1, формує картинку, яку ми і бачимо через видошукач 2. Додаткове віконце 3 призначено для появи у видошукачі тієї самої маленької жовтуватої плями, яка, рухаючись при обертанні оправи об'єктива, і показує нам момент, коли об'єктив встановлений на різкість. Віконце 4 (з'явилося в історичній ретроспективі не відразу) призначено для формування рамок, що показують межі поля зору оптики з фокусною відстанню від 21 до 135 мм - по різному в різних камерах.

Рисунок 2.6 - Принцип роботи оптичного далекоміра

Оптичні далекоміри мають ряд переваг:

- відсутності механізму приводу дзеркала є зменшення робочого відрізка і можливість конструювати оптику таким чином, щоб задній оптичний блок об'єктивів міг бути максимально наближений до площини;

- зменшений робочий відрізок, що дає нам спрощення конструкції оптики; полегшення ваги пристрою і зменшення розміру і як наслідок, підвищення їх надійності та довговічності.

Недоліками оптичних далекомірів є паралакс, тобто розбіжність оптичних осей об'єктива і видошукача та неможливість використовувати зум-оптику.

Далекомір Nikon Laser 1000A S - дозволяє вимірювати фактичну відстань, горизонтальні відстані, висоту і відстань з поправкою на ухил (горизонтальну відстань ± висота) на відстані до 915ті метрів. Вся інформація компактно відображається на вбудованому дисплеї далекоміра. Такий далекомір зображено на рисунку 2.8.

Рисунок 2.7 - Оптичний далекомір Nikon Laser 1000AS 6x

Більш того, Laser 1000A S має 2 режими вимірювання відстані:

1. режим пріоритету найближчої цілі показує відстань до найближчої цілі з числа декількох результатів, отриманих при одному вимірюванні;

2. режим пріоритету далекої цілі відображає відстань до самої далекої мети з числа декількох результатів, отриманих при одному вимірюванні.

Видошукач приладу Nikon Laser 1000A S має функцію активного регулювання яскравості для простого чіткого огляду: помаранчеве підсвічування світлодіодного дисплея автоматично включається при використанні приладу в умовах недостатнього освітлення, а його яскравість регулюється залежно від рівня освітлення навколишнього середовища.

Завдяки високому світлопропусканню лінзи об'єктива і окуляра забезпечується яскраве і широке (7,5°) поле зору при 6-кратному збільшенні. Збільшений винос вихідної зіниці окуляра дозволяє без дискомфорту використовувати прилад користувачам, що носять окуляри. Параметри Nikon Laser 1000A S приведені в таблиці 2.3.

Таблиця 2.3 - Параметри Nikon Laser 1000A S

Параметри:	Значення:
Виробник	Nikon
Модель	LRF 1000 AS
Кратність(збільшення)	6
Діаметр об'єктива, мм	21
Діапазон вимірювання, м	10-915
Живлення	1 батарея CR2
Довжина / Габарити	118 x 73 x 41 мм
Водонепроникний	прогумований корпус
Вага	195 г(без батареї)

Ультразвукове вимірювання відстані безконтактним способом, без необхідності переміщатися між об'єктами вимірювання відкриває великі можливості перед людиною. Одним з найбільш простих і дешевих апаратів, розроблених вченими і конструкторами, є ультразвуковий далекомір. Подібні прилади ще називають ехолотами. Вони знайшли досить широке застосування в різних сферах життєдіяльності людства.

Схема ультразвукового далекоміра досить проста. Він складається з приймальної і передавальної частин, а також мікропроцесора, які використовують для запам'ятовування, обробки і відображення отриманих даних.

Принцип роботи даного пристрою полягає в тому, що випускається на певний предмет звук, що знаходиться за межами чутності людей, відбивається від даного предмета і вловлюється приймальною частиною приладу. Швидкість проходження звуку в повітрі має певне значення при фіксованій густині, що дозволяє розрахувати відстань.

У міру вдосконалення знань людини і розширення можливостей виробничих технологій, удосконалювалася і конструкція приладу. Так, для більш точного напрямку звукового пучка на предмет, до якого потрібно виміряти відстань, був розроблений далекомір ультразвуковий з лазерною указкою. Це значно підвищило зручність проведення робіт і точність вимірювань.

Сучасні апарати, використовуючи останні досягнення в розробці програмного забезпечення і виробництві мікропроцесорів, володіють можливістю проведення більш складних операцій, ніж просто фіксація результатів вимірювань, Так, наприклад, вони можуть розраховувати площу обміряної території, а також кутові координати цілі. Нові можливості, які отримав ультразвукової далекомір, ціна на який значно нижче, ніж у лазерного аналога, значно підвищили популярність даних приладів.

При цьому потрібно відзначити суттєві недоліки, які притаманні приладам, що працюють з використанням ультразвукової локації. У першу чергу це стосується точності вимірювання, яка визначається середовищем, в якій поширюється ультразвук. Її характеристики та їх значення, в першу чергу густини, не є постійними і можуть змінюватися в процесі проведення вимірювальних робіт. До інших недоліків можна віднести обмеженість по відстані вимірювання. Мінімальна дистанція для даних приладів складає 0,3 м., а максимальна 20 м.

Ультразвуковий далекомір EM55 показано на рисунку 2.8.

Рисунок 2.8 - Ультразвуковий вимірювач відстані EM55:

Цей прилад дозволяє швидко і точно вимірювання відстані до 12 метрів, фіксувати суму, здійснювати лазерне наведення, обчислювати площу та об'єм, має пам'ять результатів для подальшого обчислення, точність даного приладу складає: ±0.5% +1 цифра, роздільна здатність 0.01м.

За тим принципом як і лазерний далекомір працюють ультразвукові датчики рівня.

Ультразвукові датчики рівня застосовують для безконтактного вимірювання безперервного і граничного рівня рідких або сипучих продуктів. Датчик складається з генератора ультразвукового сигналу, приймального пристрою та електронного контролера. Ультразвуковий датчик працює за принципом радара. Випромінюваний ультразвуковий імпульс відбивається від поверхні рідини або сипучого матеріалу і потрапляє назад в датчик. За часом поширення прямого і відбитого сигналу судять про рівень рідини. Залежно від галузі застосування, випускаються датчики рівня з граничним або аналоговим виходами, а так само цифровими інтерфейсами, наприклад PrifiBus, RS485. Ультразвукові датчики компактні, мають надійну конструкцію, не мають рухомих частин і практично не потребують обслуговування. Сучасна електроніка ультразвукових датчиків рівня і їх правильний монтаж дозволяє прибрати перешкоди, що виникають від відображення сигналу від стінок ємності, обігрівачів або охолоджувачів всередині ємності, а так само працюючих мішалок.

Ультразвуковий датчик рівня The Probe - компактний ультразвуковий датчик рівня для невеликих діапазонів вимірювання, може бути використаний для вимірювання рівня рідин і суспензій у відкритих і закритих резервуарах. Зовнішній вигляд датчика показаний на рисунку 2.9.

Рисунок 2.9 - Ультразвуковий датчик рівня The Probe

Перевагами такого датчика є простий монтаж, програмування і обслуговування, точність і надійність, гігієнічне виконання. В датчику використовуються сенсори з PVDFа або ETFE.

Завдяки сенсору з ETFE або PVDFа прилад може використовуватися в різних областях. The Probe відрізняється простотою встановлення та обслуговування, а також швидким демонтажем для чищення в харчовій і фармацевтичній промисловості. Надійність вимірювання рівня грунтується на алгоритмах обробки сигналів Sonic Intelligence. Фільтр виділяє відбитий сигнал від рівня середовища, відокремлюючи його від помилкових відображень, які виникають через акустичні або електричні шуми та перешкоди. Час проходження ультразвукових імпульсів від матеріалу і назад проходить температурну компенсацію. Для індикації, аналогового виходу і включення реле він перетвориться в величину відстані.

3. Обґрунтування впровадження проектного рішення

У промисловості широко використовуються різноманітні вимірювачі відстаней, зокрема ультразвукові, сюди також можна віднести вимірювачі відстаней які використовуються на будівництві, ультразвукові датчики рівня і т.д. Ці технічні засоби вивчаються в курсі метрології та в технічних засобах робототехнічних систем. В ході вивчення цих предметів вивчаються різні способи вимірювання величин в тому числі і способи вимірювання лінійних розмірів. Прилад який розробляється в даному дипломному проекті може бути використаний при вивченні цих предметів, як наочний посібник та при виконанні лабораторних робіт. Він демонструє принцип роботи таких приладів і разом з тим є недорогим та працездатним, оскільки промислові ультразвукові вимірювачі відстані дуже дорогі, а для вивчення принципів роботи досить буде і такого приладу.

4. Опис проектного рішення

4.1 Опис схеми електричної структурної

Основою приладу є мікроконтролер, який виконує вкладену в нього програму. Мікроконтролер видає оптичні імпульси на випромінювач, він перетворює ці імпульси в звукові коливання, які поширюються в просторі відбиваються від перешкоді і повертаються на приймач. Приймач перетворює звукові імпульси в електричний сигнал та подає їх на контролер, він визначає час проходження сигналу, робить необхідні обчислення і відображає результат на індикаторі. Для живлення приладу служить блок живлення. Структурна схема приладу показана на рисунку 4.1 та на кресленику ДП.5.05020102.10.11 Е1.

Рисунок 4.1 - схема електрична структурна

4.2 Опис схеми електричної принципової

Основою схеми є мікроконтролер, до якого підключений індикатор та датчик. Для зменшення навантаження на виводи мікроконтролера сегменти індикатора підключенні через струмообмежувальні резистори. Підключення індикатора до мікроконтролера показано в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1 - Підключення індикатора до мікроконтролера

Вивід мікроконтролера	Номер виводу мікроконтролера	Вивід індикатора	Номер виводу індикатора
RC3	7	сегмент А	11
RC5	5	сегмент B	7
RC0	10	сегмент C	4
RC1	9	сегмент D	2
RC2	8	сегмент E	1
RC4	6	сегмент F	10
RA2	11	сегмент G	5
RA0	13	анод A1	12
RA1	12	анод A2	9
RA5	2	анод A3	8

Підключення датчика до мікроконтролера показано в таблиці 4.2.

Таблиця 4.2 - Підключення датчика HC-SR04 до мікроконтролера

Вивід мікроконтролера	Номер виводу мікроконтролера	Вивід індикатора	Номер виводу індикатора
RA3	4	TRIG	2
RA4	3	ECHO	3

До мікроконтролера та датчика підключено живлення. Підключення кіл живлення показано в таблиці 4.3.

Таблиця 4.3 - Підключення кіл живлення

Коло живлення	Вивід мікроконтролера	Вивід датчика
+5В	1	1
GND	14	4

Принципова електрична схема показана на кресленику ДП.5.05020102.10.11 Е3.

4.3 Вибір та обґрунтування елементної бази

Відповідно до завдання використовується контролер PIC16F688. Параметри цього мікроконтролера показані в таблиці 4.4.

Таблиця 4.4 - Параметри мікроконтролера

Параметри	Значення
Тип пам'яті програм	Flash
Об'єм програмної пам'яті, кілобайт	7
Частота процесора (MIPS)	5
RAM, байт	256
Цифровий зв'язок периферія	1-UART, 1-A/E/USART, 1-SPI, 1-I2C
Таймери	1 х 8 біт, 1 х 16-біт
АЦП	8 каналів, 10 біт
Компаратори	2
Діапазон робочих температур, °С	від -40 до +125
Діапазон напруги живлення, Вольт	2…5,5
Число виводів	14

Призначення виводів мікроконтролера показано на рисунку 4.2.

Рисунок 4.2 - Призначення виводів мікроконтролера

Для відображення результатів вимірювання використовується індикатор типу BA56-12EWA. Це світлодіодний індикатор, параметри якого показані в таблиці 4.5, а зовнішній вигляд та призначення виводів на рисунку 4.3

Таблиця 4.5 - Параметри світлодіодного індикатора BA56-12EWA

Параметри	Значення
Тип дисплея	Сегментний
Висота символів, мм	14.22
Кількість цифр	3
Кількість точок	8
Колір світіння	червоний
Схема включення	спільний анод
Типова яскравість, мкд	16
Робоча температура, °С	-40…85
Розмір, мм	37.6 Ч 19.0 Ч 8.1

Рисунок 4.3 - Зовнішній вигляд та призначення виводів індикатора BA56-12EWA

Для вимірювання довжини використовується датчик HC-SR04. Сенсор випромінює короткий ультразвуковий імпульс (в момент часу 0), який відбивається від об'єкта і приймається сенсором. Відстань розраховується виходячи з часу до отримання луни і швидкості звуку в повітрі. Схема послідовності показана на рисунку 4.4.

Рисунок 4.4 - Схема послідовності

Таким чином сенсор отримує відбитий сигнал, і видає відстань, яка кодується тривалістю електричного сигналу на виході датчика (Echo).

Наступний імпульс може бути випроміненим, тільки після зникнення відбиття від попереднього. Цей час називається періодом циклу (cycle period). Рекомендований період між імпульсами повинен бути не менше 50 мс.

Якщо на сигнальний пін (Trig) подається імпульс тривалістю 10 мкс, то ультразвуковий модуль буде випромінювати вісім пачок ультразвукового сигналу з частотою 40кГц і виявляти їх відбиття. Виміряна відстань до об'єкту пропорційно ширині відбиття (Echo) і може бути розрахована за формулою, наведеною на графіку вище. Параметри датчика показані у таблиці 4.6, а зовнішній вигляд на рисунку 4.5

Таблиця 4.6 - Параметри датчика HC-SR04

Параметри	Значення
Робоча напруга, В	5
Споживаний струм, мА	<2
Ефективний кут огляду, °	<15
Робоча відстань, см	2-500
Крок, см	0,3

Рисунок 4.5 - Зовнішній вигляд датчика HC-SR04

5. Розробка програмного забезпечення

5.1 Розробка алгоритму програми

Для даного ультразвукового вимірювача відстані необхідно розробити алгоритм програми, що значно полегшить роботу над створенням коду програми на мікроконтролер PIC16F688 для керування датчиком HC-SR04 та індикатором для отримання даних з датчика.

Алгоритм програми полягає в тому, що подається імпульс на випромінювач і засікається час через який цей імпульс повернеться на приймач потім ці данні обробляє контролер і на індикатор виводиться значення відстані в сантиметрах. На рисунку 5.2 зображена блок-схема алгоритму програми.

Рисунок 5.2 - Блок схема алгоритму програми

5.2 Вибір програмного середовища та засобів реалізації алгоритму

Для мікроконтролерів PIC існують різні серидовища програмування, але найбільш пошириними є MPLAB IDE, оскільки в цьому серидовищі в найкращій мірі реалізовані всі необхідні можливості з управління апаратними засобами мікроконтролерів.

MPLAB - це інтегроване середовище розробки (IDE) для сімейства мікроконтролерів. PICmicro фірми Microchip Technology Incorporated. MPLAB дозволяє писати, налагоджувати і оптимізувати програми для розробок. MPLAB включає текстовий редактор, симулятор (віртуальний відладник), менеджер проектів і підтримує емулятори (внутрісхемні відладники) MPLAB-ICE і PICMASTER, програматори PICSTART Plus і PRO MATE II та інші засоби та інструменти розробок фірми Microchip і інших фірм. MPLAB дозволяє писати програми на двох мовах: СІ і Асемблер.

Інструментальні засоби MPLAB, організовані як спадаюче меню і зумовлені швидкі клавіші, дозволяють:

- ассембліровать, компілювати вихідний текст;

- налагоджувати логіку роботи, спостерігаючи за допомогою симулятора або, в реальному часі, з емулятором MPLAB-ICE;

- переглядати змінні у вікнах перегляду;

- програмувати кристали за допомогою программаторов PICSTART Plus або PRO MATE II

MPLAB складається з наступних основних модулів:

- MPLAB Project Manager - засоби роботи на проектами

- MPLAB-SIM Software Simulator - симулятор програм

- MPLAB Editor - повноцінний текстовий редактор

- MPASM Universal Macro Assembler - компілятор з асемблера, компонувальник

Вбудований програмний симулятор дозволяє переглядати вміст пам'яті даних і програм. Симулятор працює в режимі покрокового виконання і дозволяє виконувати трасування програм у різних режимах.

Отладочная середу MPLAB легко освоюється і включає вбудовану систему

Контролер працює за певною програмою. Програму в машинних кодах, готову для запису в контролер називають прошивкою. Для запису програми використовують програматор.

Програма для контролера - це набір машинних кодів, записаний у файлі з розширенням "hex", який і потрібно записувати в контролер за допомогою програматора. Ніякої іншої мови контролер не розуміє. Отже, потрібна спеціальна програма, яка буде перекладати текст програми, написаний на якій-небудь мові програмування, в машинні коди. Найбільш зручними в цьому плані є інтегровані середовища розробки (IDE - integrated development environment), оскільки вони можуть не тільки здійснювати переклад тексту програми в машинний код, але і проводити симуляцію її роботи. Причому симуляцію можна проводити покроково, при цьому можна спостерігати стан регістрів або навіть міняти їх стан за своїм бажанням.

Програматор - апаратно-програмний пристрій, призначений для запису/зчитування інформації в постійний запам'ятовуючий пристрій.

Особливості програматора EXTRAPIC:

Функціонально сумісний з П.О (Програмним Забезпеченням) программаторів JDM, але на відміну від них, завдяки більш якісному схемотехнічному рішенню, а також використанню зовнішнього джерела напруги живлення:

Працездатний з будь-якими COM-портами, як стандартними (+ /-12v; + /-10v) так і з нестандартними COM-портами деяких моделей сучасних ноутбуків, що мають знижені напруги сигнальних ліній, аж до + /-5v.

Чи не перевантажує по струму COM-порт комп'ютера, так як використовує стандартний формувач інтерфейсу RS232 (MAX232 або аналогічний), і при правильній експлуатації не становить небезпеки для COM-порту.

Має роз'єм внутрисхемного програмування (ICSP - In Circuit Serial Programming).

Підтримується поширеними програмами IC-PROG, PonyProg, WinPic 800 (WinPic800) та іншими, як програматор JDM.

Програматор підключається до COM-порту комп'ютера, через стандартний кабель-подовжувач COM-порту (DB9M - DB9F). Кабель отримується окремо.

Для живлення програматора повинен використовуватися стабілізований джерело живлення напругою від +15,5 v до +24,0 v або від +13,0 v до +14,0 v. Джерело живлення повинен бути обладнаний стандартним роз'ємом "Jack", центральний "+", товщина центрального виведення 2,1 мм. Джерело живлення купується окремо.

На платі програматора є:

Світлодіоди, що вказують режим роботи програм (POWER, VPP).

Вбудовані інтегральні стабілізатори напруг +5 v (VDD) і +13,5 v (VPP).

Роз'єм внутрісхемного програмування (ICSP).

Панельки для установки мікросхем в поширених корпусах DIP8, DIP18, DIP28, DIP40 (мікросхеми в інших корпусах поключаются через роз'єм ICSP).

Програматор призначений для експлуатації без корпусу.

Провідники друкованої плати захищені механічно і електрично міцної, діелектричної паяльною маскою (зазвичай зеленого кольору).

5.3 Лістинг програми

#include <pic.h>

__CONFIG(0x031D4);

#define SetBit(x,y) (x|=(1<<y))

#define ClrBit(x,y) (x&=~(1<<y))

void delay(unsigned int p)

{

unsigned int i;

for(i=0;i<p;i++){asm("NOP");}

}

void delay1000(unsigned int p)

{

unsigned int i;

for(i=0;i<p;i++){delay(1000);}

}

char v_s[3];

char vn;

unsigned int in;

void main()

{

int i,v;

vn=0;

// ініціалізація

CMCON0=0x07;

TRISA=0b00001000;

TRISC=0x00;

PORTA=0;

OPTION=0b00000000; // Настройка TMR0

INTCON=0b11101000; // Настройка переривань

IOCA3=1; // Дозволити переривання від RA3

T1CON =0b00000000; // Настройка TMR1

TMR1IE=1; // Дозволити переривання від TMR1

// ініціалізація

while(1)

{

0IE=0;

SetBit(PORTA,4);

delay(10);

ClrBit(PORTA,4);

while(TMR1ON){delay(10);}

T0IE=1;

v=in/58;

v=v%1000;

for(i=2;i>-1;i--)

{

v_s[i]=v%10;

v=v/10;

}

delay(5000);

}

}

void interrupt isr(void)

{

if(RAIF)

{

if(RA3)

{

TMR1ON=0;

TMR1H=0;

TMR1L=0;

TMR1ON=1;

}else

{

TMR1ON=0;

in=TMR1H<<8;

in=TMR1L+in;

}

RAIF=0;

}

if(TMR1IF)

{

TMR1ON=0;

TMR1IF=0;

}

if(T0IF) // при переповненні TMR1

{

unsigned char t;

PORTA=0b00000000; // oA

switch(vn)

{

// oA

case 0 :{ if(v_s[0]){t=1;}else{t=0;}}break;

case 1 :{ if((!v_s[0])&&(!v_s[1])){t=0;}else{t=2;}}break;

case 2 :{ t=32;}break;

}

switch(v_s[vn])

{

// Формування відображення цифр на індикаторі

case 0 : {PORTC=0b00000000;PORTA=t+4;}break;

case 1 : {PORTC=0b00011110;PORTA=t+4;}break;

case 2 : {PORTC=0b00010001;PORTA=t;}break;

case 3 : {PORTC=0b00010100;PORTA=t;}break;

case 4 : {PORTC=0b00001110;PORTA=t;}break;

case 5 : {PORTC=0b00100100;PORTA=t;}break;

case 6 : {PORTC=0b00100000;PORTA=t;}break;

case 7 : {PORTC=0b00010110;PORTA=t+4;}break;

case 8 : {PORTC=0b00000000;PORTA=t;}break;

case 9 : {PORTC=0b00000100;PORTA=t;}break;

}

vn++;

if(vn==3)vn=0;

TMR0=100;

T0IF=0; // скидаємо ознаку переривання

}

}

6. Комп'ютерне моделювання пристрою

Для перевірки працездатності пристрою перед його виготовленням було здійснено комп'ютерне моделювання пристрою за допомогою програми Proteus 7.9 SP1. Програма має моделі основних компонентів, тому були вибрані такі компоненти: 7 резисторів (220R), мікроконтролер PIC16F688.

В зв'язку з тим, що в програмі Proteus відсутня модель трьохрозрядного індикатора, був взятий чотирьохрозрядний індикатор і використані лише 3 розряди.

Модель датчика HC-SR04 також відсутня, але модель такого датчика була знайдена в інтернеті (http://blogembarcado.blogspot.com/2013/06/sensor-ultrassonico-v2.html), в даному випадку зміна відстані до перешкоди моделюється за допомогою зміни напруги на резисторі RV1, також добавлений вольтметр для індикації цієї напруги.

Аналіз показав, що причиною цього є не зовсім повне моделювання індикатора. В зв'язку з цим на місце інвертора на транзисторі був встановлений інвертор на елементі U2.

Перелік вибраних елементів схеми показаний на рисунку 6.1.

Рисунок 6.1 - Перелік вибраних елементів схеми

Компоненти були встановлені на робоче поле, з'єднані відповідно до схеми пристрою, як показано на рисунку 6.2

Рисунок 6.2 - Моделювання пристрою у програмі Proteus

Моделювання показало, що схема виконує свої функції.

7. Розробка та монтаж друкованої плати

При розробці друкованої плати для навчального стенду на основі мікроконтролера PIC16F688 необхідно дотримуватись загальноприйнятих правил розробки друкованих плат. Зокрема:

- доріжки, які призначені для пропускання високого струму мають бути ширші за інші;

- усі пристрої комутації повинні бути розташовані у зручному місці, для того, щоб пристроєм було легко і зручно керувати;

На друкованій платі розміщені такі елементи пристрою: 10 резисторів, мікроконтролер, індикатор, транзистор, конденсатор.

Зображення друкованої плати показано на рисунку 7.1 та на кресленику ДП 5.05020102.10.11 ДП.

Рисунок 7.1 - Зображення друкованої плати

В промислових умовах, за допомогою спеціалізованого обладнання, розміри друкованих плат максимально мінімізуються, але пристрій, який розробляється мінімізується максимально, за даних умов.

Плата має ширину - 42 мм, висоту - 69 мм. Контактні площадки для елементів схеми мають діаметр 2,2 мм. Для координатної сітки прийнятий стандарт кроку 1,27 мм. Матеріал друкованої плати - фольгований склотекстоліт СФ-35-1,5, товщина матеріалу з фольгою складає 1 мм.

Характеристика матеріалу типу СФ після витримки в продовж 24 годин при температурі 40 ^оС і відносної вологості до 98 %, питомий об'ємний опір 5•10¹²Ом•см, тангенс кута діелектричних втрат не більше 0,03, міцність з'єднання фольги з основою не менше 10,0 Н/см².

Плата розроблена за допомогою спеціалізованої програми, SprintLayout 6.0. Вона являється найбільш зручною програмою для розробки друкованих плат серед аналогів. Тому що тут уже є готові макроси з елементами, які потрібно лише правильно розташувати на платі. А також у програмі SprintLayout 6.0 є можливість зміни товщини доріжок, зміни внутрішнього та зовнішнього діаметру контактних площадок. Крім цього програма має доволі простий та зрозумілий інтерфейс навіть для того користувача, який раніше нею не користувався.

Рисунок друкованої плати був перенесений на фольгу термічним способом, видалення зайвого струмопровідного шару виконувалося травленням в розчині хлорного заліза. Після цього плата промивається розчинником для видалення захисного шару і облужується. На плату встановлюються всі елементи відповідно до складального креслення яке показано на кресленику ДП 5.05020102.10.11 СБ, паяння виконувалось припоєм ПОС60 з використанням малопотужного паяльника з напругою живлення 36В. В якості флюсу використовувалась каніфоль. Після монтажу плата промита спиртом для видалення залишків флюсу.

Размещено на Allbest.ru

...