Разработка подсистемы мониторинга и анализа процессов тензоизмерений в SCADA

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт информатики, электроники и робототехники

Кафедра информационных технологий в управлении техническими системами

Курсовая работа по дисциплине «Программная инженерия»

на тему: «Разработка подсистемы мониторинга и анализа процессов тензоизмерений в SCADA.»

Руководитель: Хакулов В.А.

Выполнил: Магистр 1-го г.о. УвТС

Ширин Александр Сергеевич



Содержание

датчик программный тензометрия контроллер

Введение

1. Основной раздел

1.1 Краткая история развития

1.2 Краткий анализ Тензометрических датчиков. Виды и работа

1.3 Анализ предметной области

1.4 Логика решений задач

1.5 Основной выбор среды реализаций

2. Специальный раздел

2.1 Информационное обеспечение. Теория измерений, схема подключения тензорезисторов

2.2 Структурна схема АПК

2.3 Технические средства, для АПК

2.3.1 Выбор программируемого логического контроллера

2.3.2 Выбор датчика веса и модуль усиления HX711

2.3.3 Выбор ЖК дисплея Arduino LCD 1602

2.3.4 Выбор WI-FI модуль ESP-01

2.4 Программная часть АПК

3. Технологический раздел

3.1 Новые возможности - бортовые весы

3.2 Реализация аппаратно-программного комплекса

Заключение

Список использованных источников

Приложение 1

Приложение 2



Введение

Тензодатчики, представляющие собой приборы электромеханического действия, используются в различных отраслях промышленности, а также в повседневной жизни достаточно широко.

В каждом из них размещаются тензорезисторы, деформация которых преобразуется в электрический сигнал. На этом принципе работают тензодатчики веса. Тензорезистор от лат. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр.

При растяжении проводящих элементов тензорезистора увеличивается их длина и уменьшается поперечное сечение, что увеличивает сопротивление тензорезистора, при сжатии - наоборот. Относительные изменения сопротивления весьма малы менее и для их измерений требуются чувствительные вольтметры, прецизионные усилители или АЦП.

Таким образом, деформации преобразуются в изменение электрического сопротивления проводников или полупроводников и далее - в электрический сигнал, обычно сигнал напряжения.

Цель работы - изучение технологий тензоизмерений, а также разработать аппаратно-программный комплекс по тензометриям, на базе Arduino.

Актуальность работы заключается в применении данного метода, который позволяет контролировать перевозки насыпного груза из карьера или из вагонов, исключить недогрузку и перегрузку автомашин, тем самым собирать данные во время измерений, и передавать информацию для постоянного мониторинга технологической составляющей рабочего процесса.

В результате выполнения данного раздела были освоены следующие компетенции:

· способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики;

· способность организовать метрологическое обеспечение производства систем и средств автоматизации и управления.

1. Основной раздел

1.1 Краткая история развития

Практический метод экспериментального определения механических напряжений основан на открытии, сделанном в 1678 году английским ученым Робертом Гуком (1635 - 1703). Он обнаружил связь между механическим напряжением и возникающей деформацией. Эта деформация также возникает на поверхности объектов и поэтому доступна для измерения[1].

Важная часть экспериментального анализа механических напряжений основана на принципе измерения деформации.

В начале применялись громоздкие механические устройства для измерения деформации, которые отображали напряжение, используя отношение рычага один к тысяче или более. Пример показан ниже.

Рис. 1.1 Рычажный тензометр Гугенбергера

Устройства подобного типа в течение долгого времени являлись единственным методом проведения измерений, которые были необходимы для анализа механических напряжений. Несмотря на оригинальный дизайн и точную конструкцию, они обладали рядом недостатков, которые ограничивали область их применения:

· Возможность наблюдать только статические процессы;

· Необходимы мощные зажимы для предотвращения скольжения устройств в условиях вибрации;

· Испытуемый образец должен быть зафиксирован в прямой видимости наблюдателя для считывания показателей;

· Условия испытаний могут исключать наличие наблюдателя;

· Размер устройства накладывает ограничения на их использование для небольших тестовых образцов, а в некоторых случаях такое измерение было в принципе невозможно;

· Относительно длинная измерительная база дает правильные результаты только для однородных условий деформации, а близко расположенные концентрации напряжений не могли быть измерены;

· Автоматическая запись результатов измерений невозможна.

В результате этих недостатков ограничивалось применение механических тензометров. Электрические методы измерения были призваны решить эти проблемы.

Появление металлических тензорезисторов

В второй половине 1930-хбыло обращено внимание на эффект, который Чарльз Уитстон упомянул еще в 1843 году в своей первой публикации про мостовую схему, которую он изобрел. Этот эффект был основан на изменении сопротивления электрического проводника в результате воздействия на него механической нагрузки[2]. Эта теория позднее нашла подтверждение в экспериментах Уильяма Томсона (1824-1905, после 1892 лорд Кельвин) и в его работах, опубликованных в 1856 году.

Рис. 1.2 Испытательная установка Уильяма Томсона для исследования изменения сопротивления электрических проводников при механическом воздействии

Есть ряд причин из-за чего прошло более 80 лет, прежде чем это явление нашло техническое применение. Это была удачная теория, на тот момент не нашедшая практического применения. Изменение сопротивления проволоки при растяжении очень мало. Для его измерения Томсон использовал высокочувствительный гальванометр, который был непригоден для общего технического применения и для использования в промышленности. Он был также непригоден только для измерения динамических процессов. И только с появлением электрического усилителя этот метод получил широкое применение.

Первые исследования для объяснения этого эффекта были проведены в Германии в Научно-исследовательском институте авиации, но они не были последовательны. Разработанные им углеродные пленочные полоски для измерения деформации оказались малопригодны.

Примерно в то же время в 1938 году в США почти одновременно и независимо друг от друга над этим вопросом работали два человека, работа называлась «использование "эффекта Томсона" для целей измерения деформации».

Первый из двух людей, Эдвард Е. Симмонс, работал в Калифорнийском технологическом институте. Используя шелковую ткань в качестве основы и тонкую металлическую проволоку, он сделал прибор, который прикрепил к стальному цилиндру. Далее он изготовил электрическое устройство для измерения импульсов силы, воздействующих на образец от машины для воспроизведения удара (маятниковый плунжер). Схема из патентной заявки ниже.

Рис. 1.3 Устройство измерения силы Э. Симмонса. Измеряемый импульс силы действует в осевом направлении

Второй из американских исследователей Артур Клод Руге работал на факультете сейсмологии в Массачусетском технологическом институте. Он хотел измерить механическое напряжение, возникающее вследствие моделируемых колебаний воздействия землетрясения на модель сейсмостойких резервуаров для воды.

Имеющееся в то время оборудование для измерения деформации не могло использоваться на тонкостенной модели. Из множества различных устройств ни одно из них не подходило. В одной из попыток провести испытание Руге взял очень тонкий металлический провод, приклеил его в форме меандра к тонкой папиросной бумаге и прикрепил к концам более толстые провода. Чтобы понять свойства получившегося прототипа, он приклеил его к упругому образцу и сравнил результаты измерений с традиционным устройством измерения деформации. Руге обнаружил хорошую корреляцию линейной связи между механическим напряжением и получаемым сигналом на всем диапазоне измерения, как и в положительных, так и отрицательных фазах, то есть при сжатии и растяжении. Более того, он выявил хорошую стабильность нулевой точки. Таким образом был изобретен «электрический тензодатчик сопротивления с наклеенной сеткой». Форма тензорезистора, используемая в тех первых испытаниях, была такой же, которая, как правило, используется и в настоящее время.

Именно Руге и Симмонса принято считать пионерами в создании тензорезистора. Основное различие между их идеями было в том, что Руге фиксировал измерительный провод на материале-носителе, что представляло собой независимый измерительный датчик, который был прост в обращении и мог быть приклеен к любой поверхности. Это было очень тонкое и легкое изделие, не требующее специальных крепежных устройств и не привносящее практически никаких сторонних эффектов в измерение, позволяя при этом производить измерения на очень тонких и миниатюрных объектах. Уже первые прототипы тензорезистора оказались лучше предыдущих устройств для измерения деформации во всех отношениях.

Второе достижение Руге состояло в том, что именно он развил свою идею дальше до стадии серийного промышленного производства. Именно это стало последним шагом, который возвестил верховенство тензорезисторов.

Поэтому именно Руге принято считать отцом современного тензорезистора. У него была не только идея, но и способность увидеть широкие возможности ее практического применения, у него была решимость, необходимая для превращения тензорезисторов в самый надежный инструмент в области анализа деформации.

Сперва идея состояла в том, что проволока с толщиной жилы 25 мкм - чувствительный элемент - должна быть закреплена на твердую подложку и должна быть защищена войлочным покрытием [3]. Рисунок ниже показывает пример первого серийного тензорезистора.

Рис. 1.4 Первый серийный тензорезистор Руге a - измерительная решетка, приклеенная к бумаге на целлюлозный лак b - соединительные провода c - изоляционный носитель d - войлок для защиты измерительной решетки e - установочный кронштейн, удаляемый после наклеивания

Спрос на это изделие, особенно со стороны американской авиационной промышленности, был настолько велик, что от этой конструкции пришлось отказаться (в 1941 году упоминается оборот в 50 000 тензорезисторов за 2 месяца). В конце концов опыт показал, что сложная несущая конструкция не нужна и была создана упрощенная модель, показанная на рисунке ниже. Именно эта форма была сохранена на десятилетия вперед с небольшими модификациями. Многочисленные патенты Руге свидетельствуют о его продолжающихся усилиях в улучшении метрологических характеристик.

Рис. 1.5 Характерный дизайн тензорезистора с его проволочной измерительной решеткой а - материал-носитель b - измерительная сетка с - контакты

В последующий период предпринимались попытки упростить производство. Здесь следует упомянуть технику «печатной схемы» Пола Эйслера, которая в своей усовершенствованной форме привела к созданию современного «фольгового тензорезистора» примерно с 1952 года.

Рис. 1.6 Характерный дизайн тензорезистора из травленой металлической фольги с подсоединенными выводами а - подложка б - измерительная решетка с - вывода d - эффективная длина чувствительного элемента

По сравнению с методами закрепления проволоки на подложке этот метод существенно расширил возможности проектирования, поскольку все формы чувствительного элемента могут быть представлены в одной плоскости без каких-либо дополнительных усилий.

В Советском союзе тензорезисторы начали применяться с 1940-х годов и практически сразу вытеснили все другие типы тензометров. В Союзе производство тензорезисторов было освоено в Чехословакии (предприятие Микротехна), в ГДР (TPW-Thalheim). Позднее многие предприятия самостоятельно производили тензорезисторы для собственных нужд мелкими сериями.

Рис. 1.7 Схема советского тензорезистора: 1 - чувствительный элемент 2 - связующее 3 - подложка 4 - исследуемая деталь 5 - защитный элемент 6 - узел пайки (сварки) 7 - выводные проводники

В настоящее время изготавливается огромное количество типов тензорезисторов, которые соответствуют каждой конкретной задаче и условиям.

Основными областями применения тензорезисторов являются:

· экспериментальный анализ механических напряжений;

· производство датчиков.

Принимая во внимание высокую гибкость применения тензорезисторов в части изучения деформаций, не вызывает вопросов их ширкое распространение во всем мире. Тензорезистор является аналоговым прибором, что обеспечивает высокую точность и чувствительность измерений. Оба типа тензорезисторов, как проволочные, так и фольговые, известны как «металлические тензорезисторы» за счет изготовления чувствительного элемента из металла.

В результате выполнения данного раздела были освоены следующие компетенции:

· способность анализировать основные этапы и закономерности исторического развития общества для формирования гражданской позиции.

1.3 Краткий анализ Тензометрических датчиков. Виды и работа

На многих предприятиях существует необходимость для измерения различных параметров, изменения состояния деталей, различных конструкций. Для решения этих задач используются тензометрические датчики. Они преобразовывают величину деформации в электрический сигнал. Это получается за счет уменьшения или увеличения сопротивления датчика во время деформации, нарушения геометрии формы датчика от сжатия или растяжения. В результате определяется значение деформации[4].

Резистивный преобразователь, является главной составной частью высокоточных устройств и приборов. Изготавливают датчик из чувствительного тензорезистора, представляющего собой тонкую алюминиевую проволоку или фольгу. Резистор в результате деформации изменяет свое сопротивление, подает сигнал на индикатор.

Виды

В разных отраслях промышленности используется множество видов тензометрических датчиков:

· Приборы, измеряющие силу и нагрузку.

· Контроль давления.

· Измерители ускорения.

· Измерители перемещения.

· Датчики контроля момента для станков, моторов автомобилей.

Модели датчиков разнообразны, но чаще всего используется датчик определения веса, который изготавливается в различных вариантах: шайбовый, бочковой, S-образный. Исходя из назначения подбирается необходимое исполнение.

Тензометрические датчики имеют классификацию, как по форме, так и по особенностям конструкции, которая зависит от вида чувствительного элемента.

Применяются следующие виды датчиков:

· Из фольги.

· Пленочные.

· Из проволоки.

Датчик из фольги

Применяется в виде наклеивания на поверхность. Конструкция датчика состоит из фольговой ленты 12 мкм. Частично пленка плотная, остальная часть решетчатая. Эта конструкция отличительна тем, что к ней можно припаять вспомогательные контакты. Такие датчики легко используются при низких температурах.

Пленочный датчик

Рис. 1.8 Пленочный датчик

Пленочные датчикиизготовлены по аналогии с фольговыми, кроме материала. Такие виды производятся из тензочувствительных пленок, имеющих специальное напыление, повышающее чувствительность датчика. Эти измерители удобно применять для контроля динамической нагрузки. Пленки изготавливаются из германия, висмута, титана.

Проволочный вариант

Рис. 1.9 Проволочный вариант

Проволочный вариантдатчика может измерить точную нагрузку от сотых частей грамма до тонн. Они называются одноточечные, так как измерение происходит не на площади, а в одной точке, в отличие от датчиков из фольги и пленки. Проволочными датчиками можно контролировать растяжение и сжатие.

Принцип действия тензодатчиков

Тензометрические датчики представляет собой конструкцию из тензорезистора, имеющего контакт на панели. Она соприкасается с телом для измерения. Принципиальная схема действия датчика заключается в действии на чувствительный элемент исследуемой детали. Для подключения датчика к питанию используются электроотводы, соединенные с чувствительной пластиной.

В контактах существует постоянное напряжение. На тензодатчик кладется деталь через подложку. Вес детали разрывает цепь путем деформации. Деформация видоизменяется в сигнал тока.

Мост измерения тензодатчика дает возможность измерить минимальные нагрузки, расширяя этим применяемость прибора. Схема подключения мостом датчика основывается на законе Ома. Если сопротивления равны, то проходящий ток будет одинаковым. Действие снаружи обрело название «внешний фактор», изменение сигнала - «внутренний фактор». Тогда можно сказать, что принцип работы датчика заключается в определении внешнего фактора с помощью внутреннего.

В быту тензометрические датчики работают в весах. Тензорезисторы подключены с поверхностью работы весов. Подключение к питанию весов осуществляется через батареи.

Этот контрольный прибор имеет высокую точность. Погрешность чувствительных элементов составляет менее 0,02%, это высокий показатель. Существуют приборы с чувствительностью гораздо выше этого. Их работа основана наконтроле действия силы. Значение силы давления прямопропорционально преобразованному сигналу тензодатчика.

Принцип действия датчиков силы

Датчики силы, другими словами динамометры входят в состав приборов, измеряющих вес. Их отсутствие делает невозможным работу системы по автоматизированию техпроцессов на производстве. Они используются в сельском хозяйстве, строительстве, металлургии.

Рис. 1.10 Схема примененния тензодатчика силы

Работа основывается на изменении деформации в сигнал. В действии происходит много разных явлений, которые обусловили несколько типов тензодатчиков:

· Тактильные.

· Резистивные.

· Пьезорезонансные.

· Пьезоэлектрические.

· Магнитные.

· Емкостные.

Тактильные датчики

Этот тип датчиков самый новый, появился после возникновения робототехники. Тактильные датчики делятся на: датчики усилия, касания, проскальзывания. Первые два определяют силу и отличаются сигналом. От других они отличаются небольшой толщиной из-за применения специальных материалов, обладающих прочностью, эластичностью, гибкостью.

Рис. 1.11 Конструкция тактильного датчика

Конструкция состоит из 2-х пластин (1 и 2). Между ними находится прокладка (3) с ячейками из изоляционного материала. Один провод соединен с верхней, второй с нижней пластиной. При воздействии силы на верхнюю пластину она прогибается и замыкается с нижней. Падение напряжения на резисторе является сигналом выхода.



Рис. 1.12 Принцип работы тактильного датчика

Резистивный тензодатчик

Это широко применяемый вид датчиков, так как интервал усилий работы составляет от 5 Н до 5 МН, используются для разных нагрузок. Преимуществом его стала линейность сигнала выхода. Рабочий элемент - тензорезистор, состоящий из проволоки на гибкой подложке.

Рис. 1.3 Резистивный тензодатчик 1 - Подложка 2 - Чувствительный элемент 3 - Контакты

Датчик приклеивают к измеряемому предмету. Под действием деформации изменяется сопротивление резистора, а соответственно подающего сигнала.

Пьезорезонансный тензодатчик

В этом типе датчиков применяются два эффекта: обратный и прямой. Элемент чувствительности датчика - резонатор. Пьезоэффект обратный обуславливается напряжением, которое вызывает заряды, это называется прямым пьезоэффектом.



Рис. 1.14 Принцип пьезорезонансный тензодатчик

Колебания резонатора вызывают резонансные колебания. Пьезорезонансные датчики подключаются по разным схемам. На рисунке изображена схема с генератором частоты и фильтра резонанса. Сила действует на резонатор, изменяет настройки частоты фильтра, от которых зависит напряжение выхода.

Пьезоэлектрические тензометрические датчики

Работа заключается на основе прямого пьезоэффекта. Им обладают такие материалы: кристаллы титаната бария, турмалина, кварца. Они химически устойчивы, имеют высокую прочность, их свойства мало зависят от окружающей температуры.

Суть эффекта состоит в действии силы на материал. Возникают заряды разной полярности, величина которых зависит от силы. Датчик состоит из корпуса, двух пьезопластин, выводов. При воздействии силы пластины сжимаются, возникает напряжение, поступающее на усилитель сигнала.

Рис. 1.15 Принцип пьезоэлектрические тензометрические датчики

Такие тензометрические датчики используются для контроля динамических сил.

Магнитные тензометрические датчики

Магнитострикция является основным явлением для работы датчиков этого типа. Такой эффект меняет геометрию размеров в магнитном поле. Изменение геометрии изменяет магнитные свойства, что называется магнитоупругого эффекта. При снятии усилия свойства тела возвращаются.

Это определяется изменением расположения атомов в решетке кристаллов в магнитном поле или под действием силы. В нашем варианте катушка индуктивности расположена на ферромагнитном сердечнике. От силы сердечник деформируется, получая состояние напряженности.

Рис. 1.16 Магнитные тензометрические датчики

Изменение сердечника дает изменение его проницаемости, а, следовательно, изменяется магнитное сопротивление и индуктивность катушки.

Широко применяемыми стали датчики с двумя катушками. Первичная - запитана генератором, во вторичной образуется ЭДС. Во время деформации магнитная проницаемость меняется. В результате меняется ЭДС 2-й обмотки.

Емкостные датчики

Это параметрический тип датчиков, представляющий собой конденсатор. Чем больше площадь пластин, тем больше емкость. А чем больше промежуток между пластинами, тем меньше емкость.

Это свойство применяют для конструкции емкостных датчиков. Чтобы было удобно пользоваться измерениями, емкость преобразуют в ток. Для этого пользуются разными схемами подключения.

Обычно применяют вариант со сжатием диэлектрика между пластинами.

Рис. 1.17 Емкостные датчики

Преимущества тензометрических датчиков

· Повышенная точность измерения.

· Сочетаются с измерениями напряжений, не имеют искажений данных измерения. Это удобство незаменимо при применении датчиков на транспорте или в критических ситуациях и условиях.

· Малые размеры дают возможность применять их в любых измерениях.

К недостаткам тензометрических датчиков, можно отнести снижение чувствительности при резких изменениях температуры. Для получения точных результатов рекомендуется делать контроль измерения при комнатной температуре.

В результате выполнения данного раздела были освоены следующие компетенции:

· способность осуществлять поиск, хранение, обработку и анализ информации из различных источников и баз данных, представлять ее в требуемом формате с использованием информационных, компьютерных и сетевых технологий

· способность учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности

1.4 Анализ предметной области

Наиболее распространенное устройство для учета перевозимого автотранспортом груза ? классические платформенные автомобильные весы. Их располагают в узлах транспортных потоков, и автомобиль взвешивают дважды: до загрузки и после загрузки. Разница результатов двух взвешиваний ? искомый вес груза нетто. Если траектории транспортных потоков неизменны, то такие автомобильные весы можно установить в одном месте на долгие годы. Например, на производствах, непрерывно перерабатывающих большое количество насыпных материалов (химические, пищевые, строительные, и т.п.). Конструкции таких весов и методы взвешивания постоянно совершенствуются, их возможности растут.

Но на некоторых видах производств (кормозаготовительные, зернозаготовительные, перевалка грузов, добыча минерального сырья из карьеров и т.п.) бывает, что траектории транспортных потоков часто изменяются, места загрузки и места разгрузки отстоят друг от друга на многие километры, часто переносятся с одного места на другое. В этих случаях решение задачи взвешивания c помощью классических платформенных автомобильных весов становится затруднительным.

Например, нужно контролировать перевозки насыпного груза из карьера или из вагонов, исключить недогрузку и перегрузку автомашин. Но экскаватор или кран, загружающие самосвал, сегодня стоят в одном месте, а завтра перемещаются в новое, т.е. место погрузки часто меняется. Если разместить классические платформенные автомобильные весы с мощным железобетонным фундаментом в узле транспортного потока ? въезде-выезде из карьера или рабочего двора, и производить взвешивание до и после загрузки, то в случае недогрузки или перегрузки самосвалу придется возвращаться в зону погрузки для приведения веса груза в норму. А это в разы увеличит маневровую работу, создаст дополнительные трудности в организации погрузочно-разгрузочных работ. Соответственно упадет производительность перевозок.

В результате выполнения данного раздела были освоены следующие компетенции:

· способность выявлять естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, привлекать для их решения соответствующий физико-математический аппарат.

· способность использовать основные приемы обработки и представления экспериментальных данных;

· способность к самоорганизации и самообразованию;

1.5 Логика решений задач

Одной из возможностей для замены классических автомобильных весов является «взвешивание на борту», т.е. размещение датчиков веса на самом транспортном средстве, между кузовом и рамой шасси. Рама шасси выполняет функции фундамента, а кузов является грузоприемной платформой. Современные тензорезисторные датчики веса, серийно выпускаемые ЗАО «ВИК «Тензо - М», позволяют решить эту задачу. Таким образом, транспортное средство возит весы «с собой».

Достигаемая при этом одновременность выполнения операций погрузки, разгрузки и взвешивания груза повышает производительность грузоперевозок.

Такие весы будут отличаться своей логикой.

По изменению массы можно не только узнать массу, но также отследить и фиксировать изменения объекта, а затем и выполнить какие-то действия. В этой работе мы будем подключить датчик веса к Ардуино на примере тензодатчика и микросхемы HX711 в качестве аналого-цифрового преобразователя.

Для реализаций такого проекта, мы будем использовать: микроконтроллер ArduinoUNO; датчик веса, на примере тензодатчика; микросхему HX711, в качестве аналого-цифрового преобразователя; и ЖКдисплей;Wi-Fiмодули.

В настоящее время наиболее востребованными оказались системы для сельского хозяйства.

В результате выполнения данного раздела были освоены следующие компетенции:

· способность решать задачи анализа и расчета характеристик электрических цепей;

· способность использовать основные приемы обработки и представления экспериментальных данных;

· готовностью применять современные средства выполнения и редактирования изображений и чертежей, и подготовки конструкторско-технологической документации.

1.6 Основной выбор среды реализаций

Arduino IDE

Среда разработки Arduino IDE состоит из следующих компонентов:

· Текстовый редактор кода программы (1);

· Область сообщений (2);

· Консоль (3);

· Панель инструментов (4);

· Панель с часто используемыми командами (5).

Написанная в среде ArduinoIDE программа называется «скетч»[5]. Сама программа пишется в текстовом редакторе. В области сообщений выводятся ошибки и пояснения. В консоли отображается полный отчёт о компиляции программы, различные ошибки, подсказки и другая полезная информация. Панель инструментов представляет собой набор полезных функций при разработке программы. На панели с часто используемыми командами всего несколько кнопок, но они являются самыми основными при разработке программы.

Язык программирования Arduino:

Фактически нет особого языка программирования Arduino. Модули Arduino программируются на C/C++. Особенности программирования сводятся к тому, что существует набор библиотек, включающий некоторые функции (pinMode, digitalWrite и т.д.) и объекты (Serial), которые значительно облегчают процесс написания программы.

Настройка среды Arduino IDE:

Открыть настройки среды можно из пункта меню Файл -> Настройки или с помощью комбинации клавиш Ctrl +,



Рис. 1.18 Меню настроек

В меню настроек можно изменить путь сохранения программ по умолчанию, изменить размер шрифтов и т.д.

Различные примеры:

Одной из особенностей Arduino IDE является довольно обширная база различных примеров, что очень удобно. Открыть пример можно из пункта меню Файл -> Примеры.

Рис. 1.19 Примеры

Создание новой программы:

Итак, с настройками среды мы разобрались. Что теперь? А сейчас нужно создать новую программу. Это можно сделать несколькими способами:

· из пункта меню Файл -> Новый;

Рис. 1.20 Создание новой программы

· при помощи комбинации клавиш Ctrl + N;

· из панели с часто используемыми командами

Сохранение программы:

Допустим мы написали программу. Далее нужно сохранить. Сделать это можно несколькими способами:

· из пункта меню Файл -> Сохранить;



Рис. 1.21 Сохранение

· при помощи комбинации клавиш Ctrl + S;

· из панели с часто используемыми командами

Далее нужно только ввести имя вашей программы (оно не должно содержать русских символов!) и выбрать место, куда её сохранить. Сохранённая программа автоматически помещается в одноимённую папку, которая создаёт сама Arduino IDE.

Открытие программы:

Теперь мы научились создавать и сохранять программу. Но как теперь открыть сохранённую программу? Что бы открыть сохранённую программу этого в Arduino IDE предусмотрено несколько способов:

· из пункта меню Файл -> Открыть;



Рис. 1.22 Открытие программы

· при помощи комбинации клавиш Ctrl + O;

· из панели с часто используемыми командами

В открывшимся окошке нужно выбрать папку, в которой находится нужная программа.

Редактирование текста программы:

Удобный редактор текста программы очень важен при разработке какой-либо программы. В Arduino IDE он довольно неплох, однако уступает конкурентам, таким как Eclipse, Visual Studio и т.д. Однако, его вполне достаточно. В редакторе присутствуют все основные команды, необходимые при редактировании кода. Они находятся в меню Правка. Для самых часто используемых команд (копировать, ставить и т.д.) существуют комбинации, способствующие быстрому доступу к нужной команде правки, что очень удобно. Другими отличительными особенностями встроенного редактора кода являются возможность копирования кода для форумов и в html формате, что позволяет делится Вашими программами, сохраняя наглядность разметки в виде BB кодов или html разметки соответственно.

Давайте остановимся на основных командах, необходимых для редактирования программы:

· Копировать. Пункт меню Правка -> Копировать или комбинация клавиш Ctrl + C;

· Вставить. Пункт меню Правка -> Вставить или комбинация клавиш Ctrl + V;

· Вырезать. Пункт меню Правка -> Вырезать или комбинация клавиш Ctrl + X;

· Выделить всё. Пункт меню Правка -> Выделить всё или комбинация клавиш Ctrl + A;

· Найти. Пункт меню Правка -> Найти или комбинация клавиш Ctrl + F;

· Отменить. Пункт меню Правка -> Отменить или комбинация клавиш Ctrl + Z;

· Вернуть. Пункт меню Правка -> Вернуть или комбинация клавиш Ctrl + Y;

· Форматировать текст программы. Пункт меню Инструменты -> АвтоФорматирование или комбинация клавиш Ctrl + T. Эта команда позволяет исправить неточности в разметке программы и привести её в более читабельный вид.



Рис. 1.23 Редактирование программы

Рис. 1.24 Пункт Автоформатирование

Подключение библиотеки:

Библиотека- это набор функций, предназначенных для того, чтобы максимально упростить работу с различными модулями, датчиками и т.д., например, библиотека LowPower позволяет легко управлять режимами энергосбережения модулей Arduino. Существует огромное количество различных модулей и датчиков. Но как ими управлять? Для этого разработаны специальные библиотеки, которые значительно облегчают работу. Но перед тем, как использовать дополнительные библиотеки, необходимо установить и подключить их. А как подключить библиотеку, спросите Вы? Есть несколько способов:

· через среду Arduino IDE. Для этого перейдите в меню Скетч -> Подключить библиотеку.

Рис. 1.25 Подключение библиотеки

Если нужная библиотека есть в списке, то необходимо просто кликнуть на неё мышкой и она автоматически подключится к Вашей программе. А что же делать, если нужной библиотеки нет в списке? В таком случае перейдите во вкладку Скетч -> Подключить библиотеку -> Управление библиотеками.

Перед Вами откроется следующее окошко:

Рис. 1.26 Управление библиотеками

В правом верхнем углу необходимо ввести название нужно библиотеки. Далее, из списка надо выбрать нужную библиотеку, её версию и нажать кнопку установить. Обратите внимание, что есть возможность отсортировать результаты поиска (вкладки Тип и Тема). Теперь она появится в списке установленных библиотек и её можно подключить через меню Скетч -> Подключить библиотеку.

Выбор платы:

Существует довольно большое количество модулей Arduino. Загружать написанную программу нужно именно в тот тип модуля, который подключён к компьютеру. Выбрать модуль можно в меню Инструменты -> Плата.



Рис. 1.27 Выбор платы

В списке находятся все официальные версии модулей Arduino. Если нужного модуля нет в списке, то его можно добавить.

Далее необходимо выбрать тип контроллера, который установлен на модуле Arduino (на каждом контроллере есть маркировка). Это можно сделать в меню Инструменты -> Процессор.

Рис. 1.28 Меню Инструменты

Компиляция программы:

Теперь, когда выбран конкретный модуль Arduino, можно переходить к компиляции написанной программы. Давайте разберёмся, что же такое компиляция. Если говорить простым языком и касательно среды Arduino IDE, то компиляция - это перевод написанной в IDE программы в эквивалентную, но в машинных кодах. Программа записывается в микроконтроллер именно в машинных кодах, а не в том виде, в котором она написана в IDE. Компиляция также помогает найти ошибки в программе, т.к. компиляция не будет выполнена, если в прорамме есть ошибки.

С понятием компиляции мы разобрались. А как теперь открыть скомпилировать написанную программу? Для этого в Arduino IDE предусмотрено несколько способов:

· из пункта меню Скетч -> Проверить/Компилировать;

Рис. 1.29 Проверить/Компилировать

· при помощи комбинации клавиш Ctrl + R;

· из панели с часто используемыми командами

После успешной компиляции будет выведено сообщение об этом. Также в области сообщений можно найти информацию о том, сколько памяти занимает написанная программа. Если в программе есть ошибки, тогда в области сообщений будет выведено сообщение с указанием конкретной строки и ошибки в ней.

Выбор программатора:

Пункт меню Инструменты -> Программатор используется для выбора аппаратного программатора, если программирование модуля или микроконтроллера осуществляется не при помощи встроенного USB-последовательного соединения. Как правило, эта команда используется довольно редко, однако может пригодиться, например, при записи загрузчика в новый микроконтроллер.

Т.к. в модулях Arduino уже есть свой встроенный программатор, то в качестве программатора в меню Инструменты -> Программатор нужно оставить стандартный AVRISP mkII.

Рис. 1.30 Выбор программатора

Запись загрузчика:

При помощи команды Инструменты -> Записать загрузчик в микроконтроллер можно записать загрузчик. При использовании Arduino этого не требуется, однако эта команда может пригодиться если Вы хотите прошивать обычный микроконтроллер фирмы Atmel (именно микроконтроллеры фирмы Atmel стоят в модулях Arduino и как правило, они продаются без встроенного загрузчика) аналогично Arduino.

Рис. 1.31 Запись загрузчика

Загрузка программы:

Теперь, когда почти со всеми элементами среды Arduino IDE мы разобрались, можно приступать к финальному этапу - загрузке программы в модуль Arduino.

Прежде чем загружать программу, нужно выбрать порт, к которому подключён Ваш модуль Arduino. Выбрать его можно в меню Инструменты -> Порт.



Рис. 1.32 Выбор Порта

Когда выбран соответствующий модуль Arduino, нужный порт, процессор и программатор, можно приступать к загрузке программы.

Для этого в Arduino IDE предусмотрено несколько способов:

из пункта меню Скетч -> Загрузка;

Рис. 1.33 Загрузка

· при помощи комбинации клавиш Ctrl + U;

· из панели с часто используемыми командами

В процессе загрузки программы первым этапом код будет скомпилирован, а только потом, если не возникло ошибок в ходе компиляции, будет записан в модуль Arduino. При успешной загрузке программы в области сообщений появится сообщение об этом.

Рис. 1.34 Успешная загрузка

Монитор последовательного порта:

Между Arduino и компьютером можно обмениваться данными через последовательный порт (он же интерфейс UART). Монитор последовательного порта может использоваться как для вывода отладочной информации от модуля Arduino, так и для других целей. Через него можно как отправлять данные в модуль Arduino, так и получать данные от него. Не забудьте выбрать порт, к которому подключён модуль Arduino, иначе монитор последовательного порта не откроется! При его открытии модуль Arduino перезагрузится!

Открыть окно монитора последовательного порта можно несколькими способами:

· из пункта меню Инструменты -> Монитор порта;



Рис. 1.35 Мониторинг порта

· при помощи комбинации клавиш Ctrl + Shift + M;

· из панели с часто используемыми командами (в правом верхнем углу)

После открытия монитора последовательного порта появится следующее окошко:



Рис. 1.36 Монитора последовательного порта

В самом низу этого окошка, можно изменить скорость работы порта (она должна совпадать с той, которая указана в программе!) очистить окно и т.д.



2. Специальный раздел

2.1 Информационное обеспечение. Теория измерений, схема подключения тензорезисторов

Рассмотрим цилиндрический проводник (провод), который растягивается с силой F. Объем провода v остается постоянным, при этом сечение уменьшается, и длина увеличивается[6]. Сопротивление проводника можно записать в виде:

где с -- удельное сопротивление материала.

После дифференцирования получим выражение для определения чувствительности сопротивления к удлинению провода:

Чувствительность повышается при увеличении длины провода и его удельного сопротивления и уменьшается при увеличении сечения провода. Относительное изменение сопротивления провода в зависимости от относительной деформации можно записать в виде:

где Sk -- коэффициент тензочувствительности. Для металлических проводов он лежит в пределах 2-6, а для полупроводников -- 20-200.

Например, рассмотрим тензосопротивление со следующими характеристиками:

Чувствительность (Sk)	2,0
Материал подложки	Полиамид
Измерительная решетка	Константовая фольга
База (длина измерительной решетки), мм	20; 50; 100; 150
Температурный коэффициент чувствительности, 1/К	115 * 10-6
Поперечная чувствительность, %	0,1
Температурный диапазон эксплуатации, °C	-70…+200 статические измерения -200…+200 динамические измерения
Номинальное сопротивление, Ом	120; 350; 700; 1000

Рассмотрим тензометрические весы, основанные на измерении стрелы прогиба центра балки лежащей на двух опорах (рисунок 1).

Рис. 2.1 Тензометрические весы

Стрела прогиба равна:

где F -- приложенная сила в середине балки, l -- длина балки, I -- момент инерции поперечного сечения балки. Если поперечное сечение балки имеет форму прямоугольника с шириной a и высотой b, то

Для кругового поперечного сечения радиуса r:

Радиус изгиба балки составит:

Если на нижнюю сторону балки прямоугольного сечения наклеить тензорезистор, то относительная деформация резистора будет:

Пусть стальная балка имеет сечение a = b = 1 см = 10-2 м и длину l = 10 см =10-1 м, тогда стреле прогиба л = 1 мм будет соответствовать усилие F = 8000 Н, что соответствует весу массы 800 кг. Относительная деформация тензорезистора наклеенного на нижнюю сторону балки будет составлять 0,006 и относительное изменение сопротивления 0,012. Для создания весов имеющих разрешающую способность 1 кг, необходимо регистрировать относительное изменение сопротивления до 10-5.

В таблице ниже приведены модуль Юнга и предел прочности для некоторых материалов.



Материал	Модуль Юнга, 109 Н/м2	Предел прочности, 107 Н/м2
Сталь	196	127
Железо	186	33
Медь	120	24
Латунь	102	35
Алюминий	68	7,8
Свинец	1,7	1,5

Схема измерений

Обычно применяются три схемы подключения резистивных датчиков. Первая схема (рисунок 2.2) - мостовая, вторая (рисунок 2.3) и третья (рисунок 2.4) - полумостовые схемы. В первой и второй схеме происходит контроль подаваемого напряжения и измеряется относительное падение напряжения V1/V2. В третей схеме проводится измерение напряжения V1относительно подаваемого напряжения.

В качестве сопротивлений R1 - R3 обычно используется такие же тензорезисторы, как иизмерительные, только наклеенные на балку в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезистора. При использовании в качестве R1 - R3 таких же тензорезисторов, находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор, существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Для этого необходимо использовать 6-проводную схему измерения. Одна пара проводов служит для питания моста, другая пара проводов служит для измерения подаваемого напряжения, третья пара - для измерения разности потенциалов в мостовой схеме.



Рис. 2.2 Схема подключения резистивных датчиков

Рис. 2.3 Полумостовая схемы

Рис. 2.4 Полумостовая схемы

При использовании 6-проводной схемы подключения датчика исключается погрешность падения напряжения наподводящих проводах и изменения падения напряжения на подводящих проводах из-за температурной зависимости сопротивления. Другим источником погрешности является наводимая помеха от других цепей. Самой значимой является сетевая помеха 50 Гц. Чем длиннее подводящие провода, тем выше уровень наводимой помехи. Для снижения уровня наводки необходимо использовать витые пары проводов в экране.

При измерении по мостовой схеме выходной сигнал равен:

Если сопротивления R1 = R2 = R3 = R, то можно записать:

Для полумостовой схемы:

Дополнительными источником помех является нелинейная зависимость падения напряжения от значения измеряемого сопротивления.



Рис. 2.5 Четырехпроводная схема соединения

2.2 Структурная схема АПК

В этой работе, мы будем собирать беспроводные весы. Плата Arduino UNO будет управлять всеми процессами. Датчик нагрузки измеряет вес и передает электрический аналоговый сигнал на модуль усиления HX711, который усиливает и превращает в цифровую форму сигнал с выхода датчика нагрузки. Затем это усиленное значение сигнала подается на вход платы Arduino, которая измеряет величину этого сигнала, конвертирует его в значение веса в граммах. Далее, с помощью Wi-fiмодуля, данные отправляются на ЖК дисплее. Структурная схема работы нашего проекта показана на следующем рисунке.

Рис Структурная схема работы

2.3 Технические средства, для мониторинга тензоизмерений

2.3.1 Выбор программируемого логического контроллера

В рамках выполнения работы было выбрано микроконтроллер Arduino UNO

Arduino - это открытая, программируемая аппаратная платформа для работы с различными физическими объектами и представляет собой простую плату с микроконтроллером, а также специальную среду разработки для написания программного обеспечения микроконтроллера.

Давай поссмотрим из каких блоков и деталей состоит, к примеру, Arduino UNO.



Рис. 2.6 Плата Arduino Uno

1. МК AVR ATMega328P-PU

2. МК AVR ATMega8U2

3. Встроенный керамический резонатор на 16 МГц

4. ISP разъем для внутрисхемного программирования

5. USB порт для подключения к PC и загрузки программ

6. Разъем для подключения внешнего питания (может питаться от USB)

Термин «Arduino» используется для обозначения физических плат Arduino, наибольшей популярностью из которых пользуется модель Arduino Uno, и системы Arduino в целом. Система включает также программное обеспечение для компьютера (применяется для программирования платы) и периферийные платы, которые можно подключать к основной плате Arduino.

Arduino может использоваться для разработки интерактивных систем, управляемых различными датчиками и переключателями. Такие системы, в свою очередь, могут управлять работой различных индикаторов, двигателей и других устройств. Проекты Arduino могут быть как самостоятельными, так и взаимодействовать с программным обеспечением, работающем на персональном компьютере (например, приложениями Flash, Processing, MaxMSP). Плата Arduino может подключаться к порту USB компьютера.

Arduino Uno - это устройство на основе микроконтроллера ATmega328 (datasheet). В его состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с устройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.

Arduino Uno может быть запитан от USB либо от внешнего источника питания - тип источника выбирается автоматически.

В качестве внешнего источника питания (не USB) может использоваться сетевой AC/DC-адаптер или аккумулятор/батарея. Штекер адаптера (диаметр - 2.1мм, центральный контакт - положительный) необходимо вставить в соответствующий разъем питания на плате.

В случае питания от аккумулятора/батареи, ее провода необходимо подсоединить к выводам Gnd и Vin разъема POWER.

Напряжение внешнего источника питания может быть в пределах от 6 до 20 В. Однако, уменьшение напряжения питания ниже 7В приводит к уменьшению напряжения на выводе 5V, что может стать причиной нестабильной работы устройства. Использование напряжения больше 12В может приводить к перегреву стабилизатора напряжения и выходу платы из строя. С учетом этого, рекомендуется использовать источник питания с напряжением в диапазоне от 7 до 12В.

Ниже перечислены выводы питания, расположенные на плате:

· VIN. Напряжение, поступающее в Arduino непосредственно от внешнего источника питания (не связано с 5В от USB или другим стабилизированным напряжением). Через этот вывод можно как подавать внешнее питание, так и потреблять ток, когда устройство запитано от внешнего адаптера.

· 5V. На вывод поступает напряжение 5В от стабилизатора напряжения на плате, вне независимости от того, как запитано устройство: от адаптера (7 - 12В), от USB (5В) или через вывод VIN (7 - 12В). Запитывать устройство через выводы 5V или 3V3 не рекомендуется, поскольку в этом случае не используется стабилизатор напряжения, что может привести к выходу платы из строя.

· 3V3. 3.3В, поступающие от стабилизатора напряжения на плате. Максимальный ток, потребляемый от этого вывода, составляет 50 мА.

· GND. Выводы земли.

· IOREF. Этот вывод предоставляет платам расширения информацию о рабочем напряжении микроконтроллера Arduino. В зависимости от напряжения, считанного с вывода IOREF, плата расширения может переключиться на соответствующий источник питания либо задействовать преобразователи уровней, что позволит ей работать как с 5В, так и с 3.3В-устройствами.

В Arduino Uno есть 6 аналоговых входов (A0 - A5), каждый из которых может представить аналоговое напряжение в виде 10-битного числа (1024 различных значения). По умолчанию, измерение напряжения осуществляется относительно диапазона от 0 до 5 В. Тем не менее, верхнюю границу этого диапазона можно изменить, используя вывод AREF и функцию analogReference(). Помимо этого, некоторые из аналоговых входов имеют дополнительные функции:

TWI: вывод A4 или SDA и вывод A5 или SCL. С использованием библиотеки Wire данные выводы могут осуществлять связь по интерфейсу TWI.

Помимо перечисленных на плате существует еще несколько выводов:

· AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Может задействоваться функцией analogReference().

· Reset. Формирование низкого уровня (LOW) на этом выводе приведет к перезагрузке микроконтроллера. Обычно этот вывод служит для функционирования кнопки сброса на платах расширения.

Arduino UNO R3 выполнен на микроконтроллере ATmega328. У него:

· 14 цифровых портов входа-выхода (6 из них поддерживают режим ШИМ модуляции);

· 6 аналоговых входов;

· частота тактирования 16 МГц;

· USB порт;

· разъем питания;

· разъем внутрисхемного программирования;

· кнопка сброса.

Arduino -это небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает от электричества.

2.3.2 Выбор датчика веса и модуль усиления HX711

Датчик веса представляет собой полупроводник, который преобразует приложенные силу или давление в электрическое напряжение [7]. Величина этого напряжения прямо пропорциональна приложенной к датчику силе. Датчик веса имеет измеритель деформации (strain gauge), который деформируется под действием приложенной силы (давления). Измеритель деформации генерирует электрический сигнал, когда в результате деформации изменяется его эффективное сопротивление. Обычно датчик нагрузки состоит из 4-х измерителей деформации, объединенных по принципу моста Уитстона (моста для измерения сопротивления). Мы в нашем проекте будем использовать датчик нагрузки, способный измерять вес тел до 40 кг, однако производятся датчики нагрузки и с другим диапазоном измеряемых весов - до 5 кг, до 10 кг, до 100 кг и более.



Рис. 2.7 Тензодатчик

Но электрические сигналы, генерируемые датчиком веса, весьма слабы - всего несколько милливольт. Поэтому перед их обработкой в плате Arduino они нуждаются в усилении - и для этой цели подходит модуль усиления датчика нагрузки HX711, показанный на нижеприведенном рисунке. Этот модуль содержит чип HX711, представляющий собой высокоточный 24-разрядный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). HX711 имеет два аналоговых входных канала, коэффициент усиления для которых можно программировать. Таким образом, модуль HX711 усиливает слабые электрические сигналы от датчика нагрузки и затем эти усиленные и оцифрованные сигналы подает на плату Arduino для их дальнейшей обработки (извлечения информации о весе).



Рис. 2.8 Модель усилитель НХ711

Основные технические характеристики НХ711:

· Разрядность АЦП - 24 бит

· Усиление по входу А - 64 или 128

· Усиление по входу В - 32

· Частота измерений - 10 или 80 раз в секунду

· Питающее напряжение - 2,6-5,5 В

· Потребляемый ток - менее 10 мА

· Входное напряжение - ± 40 мВ

На плате с АЦП имеются два разъёма - J1 и JP2, на которых имеются следующие обозначения:

· J1

· E -, E + питание тензорного моста

· A -, A + дифференциальный вход канала А

· В -, В + дифференциальный вход канала В

· JP2

· GND, VCC питание

· DT, SCK - информационные шины



2.3.3 Выбор ЖК дисплея Arduino LCD 1602

CD дисплей - частый гость в проектах ардуино. Но в сложных схемах, возникает проблема с недостаткой портов Arduino из-за необходимости подключить экран, у которого очень много контактов. Выходом в этой ситуации может стать I2C /IIC переходник, который подключает практически стандартный для Arduino экран 1602 к платам Uno, Nano или Mega всего лишь при помощи 4 пинов.

...