Разработка электронного блока для ИИС мониторинга тепловых полей растений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техническое задание

Настоящее техническое задание распространяется на разработку электронного блока для ИИС мониторинга тепловых полей растений. Предназначенного для автономной работы в полевых условиях в течении 3 месяцев.

1. Основания для разработки

Электронный блок для ИИС мониторинга тепловых полей растений разрабатывается на основании задания на дипломное проектирование.

Тема: «Разработка электронного блока для ИИС мониторинга тепловых полей растений».

2. Источники разработки

Электронный блок для ИИС мониторинга тепловых полей растений разрабатывается на основании схемы электрической принципиальной разработанной на кафедре ПиП ЭВС

3. Технические требования

3.1. Основные требования к изделию

3.1.1 Электронный блок для ИИС мониторинга тепловых полей растений является электронным устройством и должен соответствовать ГОСТ 25868-83

3.1.2 основные требования к устройству согласно ГОСТ 21552-84

3.2. Технические параметры

Напряжение питания, В 9±0,5

Количество измерительных каналов 8

Период опроса, мин 1-180

Автономность работы, мес, не менее 3

Потребляемая мощность, вт, не более 0,1

3.3. Требования к надежности

Общие требования надежности, предъявляемые к разрабатываемому изделию по ГОСТ 23.359-82. Время наработки на отказ часов.

3.4. Конструктивные требования.

3.4.1. Размеры конструкции ИИС не более мм. 140x120

3.4.2. Масса прибора, кг, не более, 1

3.4.3. Основные конструктивные требования ГОСТ 14201, ГОСТ 14202.

3.4.4. Основные требования к материалам и покрытиям по ОСТ 4.029.091-81 ”Несущие конструкции устройств. Материалы и покрытия ”.

3.4.6. Требования технической эстетики по ОСТ 4Г0.11218.

3.4.7. Требование эргономики по ОСТ 4Г0.10236.

3.5. Условия эксплуатации.

Исходя из назначения изделия, условия его эксплуатации по ГОСТ15150-69 - УХЛ 1.1

Температура окружающего воздуха, С от -60 до +40

Относительная влажность воздуха

при температуре 25 С, не более, % 98

Атмосферное давление, кПа от 86,6 до 10,7

Механические воздействия М3:

- Частота вибраций, Гц от 1 до 55

- ускорение вибрации, g 1

- ударые нагрузки, g 15

3.6. Требования к упаковке, маркировке, транспортированию и хранению

3.6.1. Транспортная упаковка и условия хранения должны обеспечивать сохранность изделия при транспортировке и хранении, и выполняться по соответствующим стандартам, отраслевым нормам и инструкциям.

3.6.2. Устройство должно храниться в складских помещениях, защищённых от воздействия атмосферных осадков, при отсутствии в воздухе паров кислот, щелочей и др. агрессивных примесей.

3.6.3. Длительное хранение прибора должно производиться при температуре окружающего воздуха от +100С до +350С при относительной влажности до 70-80 %.

3.6.4. После вынужденного пребывания прибора в условиях низкой температуры, включение производить только после выдержки его в течение 24 часов в нормальных комнатных условиях. При этом ИИС не должна подвергаться резкому изменению температур.

3.6.5. В каждый тарный ящик должен быть вложен упаковочный лист, составленный по форме, принятой предприятием изготовителем и согласованной с представителем заказчика. Упаковочный лист и сопроводительная документация должны находиться в пакете из полиэтиленовой плёнки ГОСТ 10354-82. С последующей герметизацией швов.

3.6.6. Транспортировку прибора производить в таре предприятия изготовителя, с учётом предупредительной маркировки, любым видом транспорта в закрытых средствах, без ограничения расстояния, скорости движения и количества взлётов посадок.

3.7 Экономические показатели

Масштабность выпуска изделия - мелкосерийное производство (1000шт.)

4. Порядок испытаний

Испытания ИИС производить на предприятии изготовителе путём проверки на предмет соответствия технических показателей устройства, в соответствии с ГОСТ 16.962-79 “Изделия электронной техники. Механические, климатические воздействия. Требования и методы испытаний”.

Аннотация

В данном дипломном проекте был разработан электронный блок для ИИС мониторинга тепловых полей растений. В дипломном проекте был произведен расчет надежности изделия по внезапным отказам, расчет автономности работы в, расчет на вибропрочность, компоновочные расчеты, проанализированы возможнее варианты компоновки плат. В технической части проведена оценка технологичности конструкции, разработан технологически процесс сборки ИИС. В экономической части произведен расчет себестоимости изготовления конструкции разрабатываемого изделия и анализ конкурентоспособности и позиционирование. В графе по безопасности жизнедеятельности проведен анализ опасных внешних факторов и мероприятий по их исключению. В графической части представлен комплект из ,,, чертежей и ,,, плакатов.

The summary

In the given degree project the electronic block for IMS monitoring of thermal fields of plants has been developed. In the degree project there was proizveden calculation of reliability of a product on sudden refusals, a thermal calculation, races-couples on vibration strength, layout calculations, are analysed возможнее variants of configuration of payments. In a technical part the estimation tehnologichnosti designs is spent, process of assemblage IMS is developed technologically. In an economic part calculation of the cost price of manufacturing konstruktsii a developed product and the analysis конкуренто abilities and pozitsionirovanie is made. In the column on safety of ability to live the analysis of dangerous external factors and actions for their exception is carried out. In a graphic part the complete set from, drawings and, posters is presented.

Введение

Возрастающее действие антропогенных факторов на среду обитания человечества привело к возникновению глобальных экологических проблем, таких как парниковый эффект, исчезновение лесов, загрязнение воды тяжелыми металлами, изменение климата и т.д. Негативные последствия антропологических воздействий в большинстве случаев являются следствием грубых ошибок в технической и экологической политике, низким уровнем технического развития, отсутствием достаточно глубоких экологических знаний у специалистов и руководителей различного уровня, отсутствием или недостаточностью значимой экологической информации, необходимой для принятия управленческих решений по вопросам, связанным со средой обитания человека.

Поэтому одной из важнейших задач современности является экологический мониторинг окружающей среды. Забота об экологическом состоянии в стране является одной из стратегических задач безопасности России.

Все это диктует необходимость разработки современных информационно-измерительных систем (ИИС) для мониторинга окружающей среды.

Почти во всех вузах, имеющих в своем составе факультеты лесного профиля, имеются учебно-опытные лесхозы и ботанические сады. Там сосредоточены многочисленные учебные натурные объекты. При этом возникает необходимость в организации длительных измерений параметров среды с целью определения зависимостей между отдельными параметрами среды и продуктивностью биологических объектов. В настоящее время в нашей стране и за рубежом существуют различные метеостанции с автоматическими и полуавтоматическими режимами работы; существуют приборы для определения отдельных параметров среды, например, температуры, давления, влажности, радиации и т.д. Общими для всех этих станций явится их большая стоимость и сложность обслуживания. К тому же они не являются универсальными, многофункциональными и не обеспечивают требуемую автономность работы.

В данном дипломном проекте представлен электронный блок для мониторинга температуры деревьев, предназначенный для мониторинга окружающей среды. Предложенное устройство обладает небольшой стоимостью, удобством эксплуатации и хорошими метрологическими характеристиками.

Функциональный состав ИИС несомненно влечет за собой применение в принципе построения принципиальных схем цифровых интегральных микросхем с разной степенью интеграции.

Целью дипломного проекта являлось создание недорогого, и в тоже время достаточного для проведения контроля и регистрации температуры растений электронного блока (далее блока).

Блок отличается удобством эксплуатации и минимальной потребляемой мощностью, простой схемотехникой. Блок обеспечивает длительные измерения и регистрацию температуру стволов деревьев в атомном режиме.

Информационно-измерительная система мониторинга тепловых полей может быть расширена по каналам измерения Метеорологических, экологических, биологических и других параметров и усовершенствована по структуре и программному обеспечению.

1. Аналитический обзор технической и периодической литературе по теме

Изложены теоретические сведения и описания экспериментальных работ по разделам курса: физиология растительной клетки, водный режим растений, фотосинтез, минеральное питание, рост и развитие растений, устойчивость растений к неблагоприятным факторам и др.

Обобщен опыт автора по разработке в учебном процессе новых методов комплексных эколого-физиологических исследований с применением средств автоматизации.

Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник/ Под ред. С.В. Якубовского.-М.: Радио и связь, 1990.

Приводятся классификация, условные обозначения основных типов ИС и их корпусов. Рассмотрены структурные схемы и принцип действия всех основных типов базовых логических элементов (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП, И2Л), комбинационных устройств, микросхем памяти, микропроцессоров, аналоговых ИС и др. Приведены их основные параметры и особенности применения. Зельдин Е.А. Цифровые интегральные микросхемы в информационно-измерительной аппаратуре.-Л.:Энергоиздат. Ленинградское отделение, 1986. Применительно к информационно-измерительной технике рассмотрены элементная база, особенности и способы включения ИС малого и среднего уровня интеграции (ТТЛ, КМОП, ДТЛ). Приведены примеры их практического применения.

Лаврентьев Б.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Уч. пособие.-Йошкар-Ола, МарГТУ, 2001. Рассмотрена элементная база электроники. Изложены принципы построения аналоговых и импульсных электронных устройств. Основное внимание уделено операционным усилителям и устройствам на их базе. Рассмотрены также основные устройства цифровой электроники. Евстифеев А. В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL -- М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2004.

Практическое применение однокристальных микроконтроллеров AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL. Рассмотрена архитектура, ее особенности. Приведены основные электрические параметры и временные характеристики. Подробно описано внутреннее устройство микроконтроллеров, системы команд, периферия, а также способы программирования с примерами реализации некоторых алгоритмов для конкретных цифровых устройств.

2. Тепловые поля растений, методика и средства измерений

печатный плата датчик температура

2.1 Тепловые поля

Между состоянием деревьев их водным режимом и температурой стволов существует определенная связь. Охарактеризовав эту связь, т.е. дав ей определенную количественную оценку, представляется возможным произвести диагностику жизнеспособности древесных растений по их температурным параметрам

Исследования этой проблемы на кафедре ботаники, дендрологии и садово-паркового строительства МарГТУ завершились разработкой принципиально нового биофизического метода ранней диагностики физиологического состояния древесных растений по температуре стволов (Карасев, 1983). В США и Канаде проводятся экспериментальные исследования по дистанционному зондированию лесных экосистем с целью изучения спектрального отражения древесной растительности теплового излучения крон (Murta, 1971, 1972; Olson, 1977; Rohde, Olson, 1971; Сухих, 1984;Жирин, 1993).

Температуре деревьев свойственен свой суточный ход, который коррелирует с суточным ходом солнечной радиации и температуры воздуха и оказывается, смещен по сравнению с ними во времени, в зависимости от теплоемкости, теплопроводности, теплоотдачи, диаметра деревьев, расхода воды деревом, степени жизнеспособности и др.

В зимнее время колебания температуры стволов целиком связаны с изменениями погодных условий этого периода года (оттепели, резкие похолодания и др.).

Весной, после появления водного тока температура стволов в нижней части снижается из-за низкой температуры поступающей из почвы воды, несмотря на возрастание среднесуточной температуры воздуха.

В летний период у древесных растений устанавливается определенный температурный градиент: более низкие температуры свойственны основанию ствола, а более высокие - его верхней части. Разница температур по высоте ствола может достигать 10... 15°С.

В зимнее время также имеет место градиент температур по высоте ствола, но имеющий противоположное направление.

У деревьев малых диаметров влияние температуры воздуха и солнечной радиации на температуру стволов выражено более значительно, чем у деревьев больших диаметров. Тонкие деревья быстрее нагреваются и быстрее остывают, чем деревья больших диаметров. Связь между температурой ствола и параметрами диаметров обратная и очень высокая: для деревьев диаметром 8-16 см коэффициент корреляции (г) равен 3,996 ± 0,003, для деревьев диаметром 26-36 см r = -0,884 ± 0,098. С увеличением диаметра, с 24 см и более, температура стволов на высоте 1,3 м изменяется менее значительно, в пределах ступени толщины различия по температуре стволов не существенны.

Для деревьев одного диаметра и одинакового ранга жизнеспособности устанавливается определенный ход температуры по высоте ствола при конкретном типе погоды. Связь между температурой и высотой по стволу прямая и очень высокая, r = 0,942 ± 0,034. У деревьев меньших диаметров градиент температуры по высоте ствола выражен более значительно, чем у деревьев с толстыми стволами. Зона наибольших инверсий температур расположена в нижней части ствола и у взрослых деревьев простирается до высоты 4-6 м. На формирование температур по высоте ствола, помимо факторов окружающей среды, оказывает определенное влияние и уровень жизнеспособности дерева. По всем вертикальным отметкам температура стволов поврежденных деревьев достоверно отличается от здоровых.

Теория теплового метода диагностики жизнеспособности деревьев по температуре стволов основывается на представлениях о биологической и физической (тепловой) моделях объекта.

Модель биологическая - сам объект, деревья с различным уровнем жизнеспособности и характеризуемые различными биологическими параметрами, представляющими основные измеряемые величины.

Модель физическая представленная на рисунке 1 - кольцевая пористая проводящая структура (ПВС), ориентированная вертикально, с концевыми двигателями, заполненная теплопроводящей жидкостью, передвигающейся в виде потока вертикально вверх с определенной скоростью и расходом. В результате теплообмена температура ствола дерева (Тпвс) изменяется по высоте от значения температуры входящей воды (Тв) до температуры окружающей среды (Твозд).

Скорость водного тока и расход воды определенным образом соотносятся с уровнем жизнеспособности дерева, следовательно, при одинаковом притоке тепла извне динамика изменения Тпвс отражает жизнеспособность дерева как целостной биологической системы, так как любые существенные нарушения водного тока в корнях, стволовой части либо кроне немедленно сказываются на температуре ствола.



Рисунок 1 - Физическая модель объекта исследования: ПВС - кольцевая пористая водопроводяшая структура; Тв - температура воды на входе в модель; ( V) - скорость перемещения теплоносителя; Т пвс - температура ПВС в заданной точке; Т возд. - температура воздуха; Q - приток тепла в модель извне; НС - наружный слой с низкой теплопроводностью, ЦПС - цилиндрическая пористая структура

Из совместного анализа биологической и физической моделей объекта исследования следует, что между расходом воды на транспирацию и массой хвои на дереве, а также между расходом воды и температурой ствола существует определенная связь. Так, для деревьев сосны обыкновенной диаметром 25,0 ± 1,0 см при суточной максимальной температуре воздуха 28°С связь между расходом воды на транспирацию и температурой ствола с северной стороны (на высоте 1,3 м, в средней части водопроводящей зоны) обратная и очень высокая (г = -0,985) и описывается уравнением

Y= 19,756-0,767 X

где Y - расход воды деревом на транспирацию, кг/ч;

X - температура ствола в заданной точке, °С.

График этой зависимости приведен на рисунке 2. Из анализа моделей объекта исследования следует также, что для реализации диагностики жизнеспособности деревьев по тепловому методу достаточно одной измеряемой величины - температуры ствола в заданной точке, которая выявлена на основании исследований зависимости температуры ствола от диаметра, высоты, сторон света, времени суток, времени года и находится в нижней чести ствола в зоне наибольших инверсий температур.

Рисунок 2. Связь температуры стволов в заданных точках деревьев сосны диамером 25 ±1 см с расходом воды: X - температура ствола дерева в заданной точке. У - расход воды деревом на транспираиию, кг/ч

Впервые этот метод был использован для диагностики жизнеспособности деревьев сосны обыкновенной, поврежденных во время лесных пожаров 1972 года. Комплексные физиологические исследования деревьев сосны различной жизнеспособности проводились в древостоях полнотой 0,6-0,7 ед., пройденных низовым пожаром средней интенсивности. Средняя высота деревьев 19 ± 0,6 м, диаметр 25 ±1,0 см, возраст 40-50 лет, состав ЮС, местоположение участка возвышенное, почва дерново-среднеподзолистая, песчаная, тип леса сосняк лишайниково-мшистый.

Биологическая характеристика деревьев сосны различной жизнеспособности на второй год после пожара приведена в таблице1.

Таблица 1

Биологическая характеристика деревьев сосны на гарях (р = 0,95)

Наименование показателей	Единицы измерения	Категории жизнеспособности деревьев
		здоровые	средне- поврежденные	сильно- поврежденные	усыхающие
Масса сырой хвои на дереве	кг	42.2	18,0	7,6	2,0
Интенсивность транспирации (на сырую массу)	г/кг * ч	131,6	122,0	98,1	59,3
Скорость водного тока	м/ч	0,32	0,21	0,14	0,04
Расход воды деревом	кг/ч	5,53	2,20	0,75	0,12 *
Влажность водопроводяшей ксилемы (Н - 1,3 м): через 1 год через 2 года	% к абс. сух. массе	143,0 125,0	120,0 111,0	115,0 86,0	159,0 25,6
Влажность хвои: 1-летней 2-летней	%	150,0 117,0	142,3 108,8	131,2 105,1	104,4 81,5
Содержание хлорофилла: в 1-летней хвое в 2-летней хвое	мг/г сухой хвои	1.246 1,623	1,026 1,262	0,902 1,073	0,608 0,644
Абсолютно сухая масса 100 штук хвоинок: 1-летних 2-летних	г	3,66 3,84	3,33 3.51	2,98 2,67	0,92 1,03
Повреждение камбия по окружности (Н - 0,5 м)	%	-	20,0	65,0	85,0
Высота нагара ствола	м	-	3.0	4,5	4,5

Деревья различных рангов жизнеспособности существенно отличались по основным биологическим параметрам, причем по таким, как влажность ксилемы и хвои, масса 100 шт. хвоинок, содержание общего хлорофилла, существенное различие наступает не ранее, чем через 1-2 года. Различие в скорости водного тока, интенсивности транспирации, расходе воды деревом, а также и в температуре стволов в заданных точках становится существенным уже 1-2 недели после повреждения Четкой связи усыхания деревьев с высотой нагара ствола, повреждением корневых лап и др. не прослеживается. Степень повреждения камбия хотя и определяет состояние дерева, но установление количественной меры этого показателя сопряжено с риском еще большего ослабления сохранивших жизнеспособность деревьев.

Дневной ход температуры водопроводящей зоны для деревьев сосны различного состояния на высоте 1,3 м с северной стороны стволов приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Дневной ход температуры стволов в заданных точках для деревьев сосны обыкновенной диаметром 25 см, в различной степени поврежденных пожаром: 1 - деревья здоровые; 2 - среднеповрежденные; 3 - сильноповрежденные; 4 - усыхающие и мертвые; 5 - температура воздуха; 6 - почвы на глубине 0,7м

В полуденное время, в результате периодического суточного термического воздействия, резко выражены аномалии цикличности температуры (изменение фазы, амплитуды и др.) стволов поврежденных деревьев, по сравнению со здоровыми одинакового диаметра. Так, у деревьев сосны, поврежденных лесным пожаром средней интенсивности (принятые здесь категории жизнеспособности близко соответствуют Европейской шкале оценки состояния деревьев), разница температур в заданных точках между стволами здоровых и усыхающих деревьев.достигает при антициклоническом типе погоды Ю...14°С и более. С учетом существенности различий в этом температурном интервале можно выделить до 9-11 градаций жизнеспособности деревьев. Наименьшей температурой обладают неповрежденные деревья, более высокие температуры свойственны усыхающим и мертвым. Деревья остальных рангов жизнеспособности занимают по этому параметру промежуточное положение. Стволы здоровых деревьев, благодаря большей скорости водного тока и значительной теплоемкости, противостоят нагревающему действию солнечной радиации и окружающего воздуха намного эффективнее, чем стволы ослабленных и, тем более, усыхающих деревьев.

Из-за различий в скорости распространения тепловых полей в радиальном направлении имеют место и сохраняются в течение многих лет аномалии цикличности температуры и в центре стволов поврежденных пожаром деревьев рисунок 4. Изменения температур в центре стволов поврежденных деревьев, по сравнению со здоровыми, происходят в противофазе и являются следствием термического суточного воздействия предыдущего дня.



Рисунок 4 - Суточный цикл температуры в центре стволов на высоте 1,3 м деревьев сосны обыкновенной диаметром 28 см различной жизнеспособности (через 6 лет после пожара) 1 - деревья здоровые, 2 - среднеповрежденные; 3 - сильноповрежденные, 4 - температура воздуха; 5 - температура почвы на глубине 0,7 м

Динамика температуры стволов деревьев сосны, в различной степени поврежденных пожаром, за вегетационный период также свидетельствует о том, что более высокие значения температуры ствола свойственны усыхающим и мертвым деревьям. Наибольших значений разница температур между стволами деревьев различной жизнеспособности достигает в середине лета. Во второй половине вегетационного периода температура стволов закономерно снижается в связи с уменьшением среднесуточных температур воздуха. Сохраняется существенное различие в температуре стволов деревьев различных рангов жизнеспособности в течение всего лета, захватывая частично и осенний период. При выравнивании максимальных суточных температур воздуха и температуры корнеобитаемого слоя почвы, примерно с середины сентября, различия в температуре стволов деревьев различных рангов жизнеспособности несущественны.

Аномалии в цикличности температуры стволов деревьев свидетельствуют об изменении их физиологического состояния вследствие воздействия неблагоприятных факторов окружающей среды и предоставляют новые возможности для ранней диагностики жизнеспособности древесных растений. Тепловые методы оценки состояния деревьев, по сравнению с электрофизиологическими, обладают перспективой дистанционного получения информации.

2.2 Методика измерения тепловых полей

Измерение температуры стволов деревьев производиться в особых так называемых заданных точках обращенных к северу и защищенных от прямого воздействия солнечной радиации.

Предварительно, по внешним признакам, следует произвести подборку групп деревьев, включающей деревья без признаков ослабления, а так же деревья, в той или иной степени ослабленные и отличающиеся по размеру и цвету листьев, степени ажурности крон, приростом побегов, наличию механических повреждений и др. желательно чтобы в опытной группе были деревья и усыхающие и летально поврежденные, т.е. по возможности опытная группа должна состоять из деревьев, представляющих как можно большее количество градаций жизнеспособности, что повышает качество эксперимента и учебной работы, деревья, входящие в одну опытную групп, не должны существенно различаться по диаметру ствола.

Датчики температуры закрепляются на кронштейне, который в свою очередь закрепляется резиновыми жгутами к стволу дерева. Датчики крепятся с северной стороны стволов на высоте 1,3 м для деревьев диаметром 15 см и более и на высоте 0,7-0,5 м для деревьев меньших диаметров.

2.3 Средства измерений

Для измерения температуры стволов деревьев в 1992 году Карасевым В.Н. были специально разработаны 24-канальные электротермометры рисунок 5. В основу конструкции прибора положен равновесный измерительный мост. Равновесие измерительного моста достигается с помощью четырех виткового спирального реохорда, шкала которого состоит из 400 равномерных угловых относительных делений. Нуль-индикатор представлен микроамперметром М261М. Датчики температуры выполнены на основе малогабаритных полупроводниковых терморезисторов с диаметром активной части 2,0 и 4,0 мм. Суммарная погрешность измерительного процесса ±0,1ОС. Диапазоны измерений 0... 10°С, 10...20°С и 20...35°С.

Рисунок 5 - 24-канальный электротермометр для измерении температуры растительных тканей: 1 - комплекс датчиков температуры; 2 - переключатель диапазонов измерений; 3 - нуль - индикатор измерительного моста; 4 - гнезда для присоединения датчиков температуры; 5 - реохорд измерительного моста; 6 - переключатель датчиков температуры

При выполнении измерении данными электротермометрами необходимо вести регистрацию показаний прибора в относительных единицах шкалы реохорда, диапазона измерений, даты и времени производства измерений. Необходим перевод относительных значений показаний прибора в градусы шкалы Цельсия. Что не очень удобно. В настоящее время на рынке большое количество дешевых микроконтроллеров позволяющих автоматизировать эти измерения. Разрабатываемая в данном дипломном проекте информационно измерительная система (ИИС) решает эти задачи и делает возможным проводить мониторинг тепловых полей автономно в течение не менее трех месяцев. Система будет автоматически замерять параметры каждые 180 мин в течении одной минуты и сохранять их в памяти. При необходимости оператор будет прихоть в место установки системы, и, подключив ИИС к переносному персональному компьютеру, будет копировать сохраненные данные на компьютере для обработки и изучения.

3. Сравнение вариантов оценки жизнеспособности растений

Термоэкспресс-метод обладает высокой информативностью в течение всего вегетационного периода, а также и в ранневесенний период, когда многие электрофизиологические методы достоверной информации дать не могут по ряду причин. Например, жизнеспособность деревьев по величинам биоэлектрических потенциалов (БЭП) рекомендуется оценивать в середине лета, так как в ранневесенний период амплитуда БЭП находится на подъеме и еще недостаточно выражена. Это обстоятельство вообще не позволяет развернуть работы по оценке жизнеспособности данным методом в начале вегетационного периода, например в случае повреждения деревьев, в первую очередь хвойных пород, ранневесенней засухой, которая начинается задолго до оттаивания корнеобитаемого слоя почвы.

Результаты дисперсионного анализа свидетельствуют, что в 97,4 % случаев температура стволов, поврежденных пожаром, связана с их состоянием, а в 2,6 % обусловлена другими причинами. Величины БЭП в данной ситуации лишь в 13,7 % случаев отражают жизнеспособность деревьев, а импеданс при камбиального комплекса тканей (ПКТ) -- в 61,0 %. Высокие значения коэффициента детерминации, характеризующие связь температуры стволов деревьев с их жизнеспособностью, получены и при других типах повреждений.

Такие параметры, как содержание общего хлорофилла и биометрические показатели, дают информацию не менее чем через год после повреждения, а оценка жизнеспособности по величинам БЭП и импедансу ПКТ часто вообще не дает достоверной информации о состоянии, что объясняется случайным подключением электродов к участкам растительных тканей, сохранившим жизнеспособность, так как повреждение, например, при камбиального комплекса тканей стволов деревьев во время пожаров имеет неравномерный характер из-за различной толщины корки. В случае ослабления деревьев длительно действующими факторами среды электрофизиологические методы дают хорошие результаты.

Термоэкспресс-метод, по сравнению с электрофизиологическими, характеризуется высокими достоверностью результатов, точностью и малыми значениями коэффициента вариации измеряемого параметра при всех типах повреждений (Таблица 2).

Таблица 2

Метод оценки жизнеспособности деревьев	Коэффициент вариации С, %	Точность опыта Р, %	Достоверность результатов t	Нижний предел коэффициента детерминации ?2
Экстремальное, тепловое при низовых пожарах (сосна)
Термоэкспресс-метод	2,02	0,50	187,4	0,974
По величинам БЭП	27,20	7,83	12,7	0,137
По импедансу ПКТ	8,62	3,11	35,9	0,610
Экстремальное, во время ранневесенней засухи (ель)
Термоэкспресс-метод	1,81	0,57	187,7	0,709
По величинам БЭП	Н е п р и г о д е н
По импедансу ПКТ	46,58	7,27	18,05	0,439
Длительно действующее, при корневой губке (сосна)
Термоэкспресс-метод	1,73	0,43	237,0	0,767
По величинам БЭП	12,83	3,87	26,4	0,910
По импедансу ПКТ	20,18	6,70	18,6	0,909
Длительно действующее, при избыточном увлажнении (сосна)
Термоэкспресс-метод	2,31	0,70	139,8	0,965
По величинам БЭП	20,70	5,97	18,1	0,757
По импедансу ПКТ	19,52	5,43	21,6	0,909

Таким образом, результаты комплексных эколого-физиологических исследований показывают, что при всех типах повреждений, связанных с нарушением водного режима растений, и в течение всего вегетационного периода наиболее информативен термоэкспресс-метод ранней диагностики физиологического состояния древесных растений. Связь температуры стволов с состоянием деревьев высокая и обратная, коэффициент детерминации варьирует в пределах 0,710 … 0,974. Электрофизиологические методы низкоинформативны на объектах с экстремальными типами повреждений (?2 = 0,137 … 0,610) и высокоинформативны (?2 = 0,757 … 0,910) при ослаблении деревьев какими-либо длительно действующими факторами среды. Тепловые методы оценки состояния деревьев, по сравнению с электрофизиологическими, обладают перспективой дистанционного получения информации.

4. Датчики температуры

4.1 Типы датчиков температуры

Используемые в промышленности датчики температуры можно разделить по типу измерения на контактные и бесконтактные датчики температуры. Бесконтактные датчики используют принцип измерения мощности инфракрасного излучения, идущего от каждого объекта, будь то расплавленный металл или кусок льда. Инфракрасное излучение с длиной волны 3 - 14 мкм от измеряемого объекта попадает на чувствительный элемент бесконтактного датчика температуры и преобразуется в электрический сигнал, который затем усиливается, нормируется, а в новых моделях датчиков и оцифровывается для передачи по сети.

Существует несколько видов бесконтактных датчиков температуры, отличающиеся по принципу измерения:

- Квазимонохроматические (оптические) пирометры. Действие этих переносных приборов основано на сравнении яркости монохроматического излучения двух тел, тела температуру которого измеряют, и эталонного. В качестве последнего обычно используют нить лампы накаливания с регулируемой яркостью излучения. Наиболее распространенный прибор данной группы-пирометры с "исчезающей" нитью. Внутри телескопич. трубки в фокусе линзы объектива находится питаемая от аккумулятора через реостат пирометрич. лампа с подковообразной нитью. Для получения монохроматич. света окуляр снабжен красным светофильтром, пропускающим лучи только определенной длины волны (l 65-66 мкм). В объектив помещен серый поглощающий светофильтр, служащий для расширения пределов измерений.

- Фотоэлектрические пирометры. В приборах различных типов чувствительности элементами служат фотоэлементы с внешним фотоэффектом, в которых фототок пропорционален энергии излучения волн определенного участка спектра. В пирометрах этого типа изображение раскаленного тела с помощью объектива и диафрагмы создается в плоскости одного из отверстий диафрагмы, расположенной, наряду с красным светофильтром, перед фотоэлементом. Последний через отверстие этой диафрагмы освещается регулируемым источником света электрической лампой. Благодаря колебаниям заслонки модулятора фотоэлемент поочередно с частотой 50 Гц освещается раскаленным телом и лампой. При неравенстве освещенностей от них в цепи фотоэлемента возникает фототок, усиливаемый электронным усилителем. Его выходной сигнал изменяет ток накала лампы до выравнивания указанных освещенностей. Сила тока, однозначно связанная с яркостной температуройрой тела, на сопротивлении Rвых преобразуется в напряжение, измеряемое автоматически потенциометром, шкалы которого градуированы в градусах

- Пирометры спектрального отношения (цветовые пирометры). В пром. приборах находится отношение так называемой спектральной энергетической яркости (излучение определенной длины волны, или яркости) реального тела с двумя заранее выбранными значениями длины волны. Для каждой температуры это отношение неодинаково, но вполне однозначно. Действие большей части конструкций основано на определении цвета нагретого тела по отношению яркостей для не очень близких одна к другой двух длин волн в видимой части спектра.

Измеряемое излучение через защитное стекло и объектив попадает на фотоэлемент. Между ним и объективом установлен вращаемый синхронным двигателем обтюратор. Последний выполнен в виде диска с двумя отверстиями, закрытыми красным и синим светофильтрами, при вращении обтюратора на фотоэлемент попеременно попадают излучения разной интенсивности. Предварительно усиленный переменный ток, напряжение которого пропорционально соответствующим интенсивностям излучения, преобразуется электронным логарифмическим устройством в постоянный ток, зависящей от 1/Т. Сила выходного тока устройства определяется показывающим или регистрирующим милливольтметром.

- Пирометры полного излучения (радиационные пирометры) служат для измерения температуры по мощности излучения нагретого тела. Испускаемые им лучи с помощью оптической системы (рефракторной - преломляющей с линзой и диафрагмой или рефлекторной - отражающей с зеркалом) фокусируются на преобразователе - обычно миниатюрной термоэлектрической батарее. Для наводки на нагретое тело используют окуляр с красным либо дымчатым светофильтром. Возбуждаемая в батарее термоэдс фиксируется потенциометром, шкала которого градуирована в градусах по температуре излучения абсолютно черного тела.

Контактные датчики температуры - это прежде всего термопары и термосопротивления. Основным преимуществом данного типа датчиков является высокая точность измерения и их относительная дешевизна. Наибольшее применение получили термопары Хромель-Копель (тип L) и Хромель-Алюмель (тип J). Эти типы термопар обеспечивают высокую точность и стабильность измерений в широком диапазоне температур.

Измерение температуры термосопротивлением основано на том, что такие материалы, как полупроводники и металлы изменяют свое электрическое сопротивление с изменением температуры. Полупроводниковые термосопротивления, обычно называемые термисторами, имеют среднюю точность и стабильность показаний, однако такие датчики весьма дешевы и применяются там, где отсутствует необходимость в высокой точности измерений. Напротив, термосопротивления с металлическим чувствительным элементом обеспечивают высокую точность и стабильность измерений. В качестве металлов для термосопротивлений используется платина, медь, реже никель.

Принцип измерения кремниевыми датчиками температуры основан на том, что кремний как полупроводник в значительной степени изменяет свое сопротивление с температурой. Поскольку кремний также применяется для производства интегральных микросхем, то такие датчики температуры могут иметь схемы усиления и обработки сигнала, схемы цифровых интерфейсов, позволяющие напрямую подключать датчик к компьютеру или микропроцессору.

4.2 Выбор датчика

Микродатчик температуры NTC - 833

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6 Микродатчик температуры NTC - 833

Микродатчик NTC - 833 - точный, универсальный датчик. Обладает высокой скоростью срабатывания 0,7с. и малыми размерами. Благодаря большому сопротивлению в 103,6 кОм датчик очень слабо нагревается и имеет малый ток измерения. Датчик обладает высокой стабильностьюи высокой чувствительностью. Измеряемая температура от -40 до +100 оC. Погрешность сопротивления ±0,2%при 37 оC.

Размеры: диаметры 1,5 мм длина 4 мм., длина проводов 80 мм.

Инфракрасный термодатчик ES1B

Электродвижущий выходной сигнал ES1B соответствует одной из термопар, поэтому возможно непосредственное соединение с входной клеммой термопары регулятора температуры. Измерения, возможно, проводить в четырех диапазонах температуры, предназначенных для широкого спектра применений с целью измерения температуры как в пищевой промышленности, упаковочном оборудовании, литьевом производстве, так и в электронном производстве. Высокая точность измерения температуры обеспечивается за счет высокоскоростного отклика 300 мс (при 63% отклика) и повторяемости индикации ±1% параметра техпроцесса. В отличие от термопары термодатчик не подвержен износу.

Рисунок 7 - Инфракрасный термодатчик ES1B

Таблица 3 - параметры инфракрасного термодатчика ES1B

Описание	ES1B
Напряжение питания	9-18В
Потребляемый ток	20мА
Диапазон измеряемых температур	-25?260
Отклонение температуры	Макс 0,4оC
Длина замеряемой волны	6,5 - 14µМ
Полное выходное сопротивление	1- 4 кОМ

Для измерения температурных полей для нашей системы подходят оба эти датчика. Но у каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Микродатчик NTC - 833 обладает малой стоимостью, малыми размерами, а так же имеет широкий диапазон измеряемых температур и большую скорость срабатывания. Но данный датчик хоть и имеет малые размеры, но его необходимо вводить в ствол дерева, чем мы наносим, хоть и небольшие, но все же повреждения дереву.

Инфракрасный термодатчик хоть и имеет большую стоимость и большие размеры, но при его помощи можно измерять температуру дерева, не нанеся ему повреждений. С его помощью можно проводить экспресс мониторинг. Исходя из выше сказанного, для ИИС мониторинга тепловых полей растений выбираем инфракрасный термодатчик ES1B.

5. Расчетно-теоретическая часть

5.1 Анализ технического задания, описание работы электронного блока для мониторинга потенциальных полей растений

В соответствии с техническим заданием в данном дипломном проекте необходимо разработать электронный блок для мониторинга тепловых полей растений.

Данный прибор должен удовлетворять ряду требований. В частности разработанная аппаратура должна быть технологичной, отличаться простотой, обладать небольшой стоимостью, хорошими метрологическими характеристиками. Необходимо, чтобы для работы с электронным блоком не требовалось специальной подготовки обслуживающего персонала.

Кроме эксплутационных требований к изделию предъявляются технологические требования. В конструкции необходимо максимально использовать стандартные и нормализованные детали и элементы.

Электронный блок для мониторингатепловых полей растений построен на базе микропроцессора Atmega128 DD3. В него также входит регистр памяти DD4, внешнее ОЗУ на 32 кБ DD5, flash память на 32 МБ DD6, мультиплексор DD2, интерфейс UART DD1. Микроконтроллер работает в экономичном режиме Power Save. В обычном состоянии микроконтроллер DD3 выключен, работает только таймер/счетчик микроконтроллера. После отсчета требуемого количества времени (180 минут), происходит прерывание от таймера/счетчика микроконтроллера DD3. Затем происходит опрос температурных датчиков. Сигналы с датчиков через усилительный блок поступают на входы электронного блока, а затем на АЦП микроконтроллера DD3. Полученные данные обрабатываются микроконтроллером и записываются во flash память DD6. По окончании записи таймер/счетчик отключает схему от питания.

Записанные во flash память данные считываются по последовательному интерфейсу UART микросхемы DD1 на внешний носитель информации (например, ноутбук). Для программирования и отладки электронного блока используется внутрисхемный программатор AS2 и внутрисхемный эмулятор JTAG, которые подключаются к блоку через интерфейс ISP на разъем XP3 и XP4 соответственно. При внутрисхемном программировании микроконтроллера DD3 используются выводы 2 и 3, которые в основном режиме подключены к UART. Для переключения этих выводов к программирующему разъему на время программирования, установлен мультиплексор DD2. Управляющий сигнал формируется программатором AS2.

5.2 Анализ исходных данных

Электронный блок для мониторинга тепловых полей растений должен иметь 8 температурных датчиков. Датчики должны опрашиваться с периодом от 1 до 180 минут. Напряжение питания прибора 9 В. При этом он должен иметь автономность работы не менее 3 месяцев с потребляемой мощностью не более 1 Вт. Чтобы закреплять электронный блок на исследуемом объекте (например, на стволе дерева), он должен иметь минимальные габариты и малый вес. Блок должен выдерживать диапазон температур от -60 до +40°C и влажность 98 % при температуре 25°C. Поэтому он должен иметь герметичный и прочный корпус для закрепления на большой высоте.

5.3 Инженерные расчеты

5.3.1 Расчет надежности по внезапным отказам

Расчет надежности сводиться к определению средней наработки на отказ и вероятности ее безотказной работы за заданное время с учетом электрических режимов и воздействующих эксплутационных факторов: температура, влажность, давление и др. Исходными данными являются схема электрическая принципиальная и перечень элементов. Расчет надежности электронного блока для мониторинга потенциальных полей растений по внезапным отказам производиться по методике предложенной Ю.В. Захаровым [4].

Исходные данные:

- Схема электрическая принципиальная КНФУ.411711.002 Э3

- Перечень элементов КНФУ.411711.002 ПЭ3

- Количество элементов на печатной плате, шт. 50

- Рабочая температура окружающей среды Т = 22°С.

- Давление Р = 760 мм.рт.ст.

- Влажность r = 75%.

- Условия эксплуатации аппаратуры наземная подвижная

- Время tзад, часов 2000

Определяется обобщенный эксплуатационный коэффициент Кэ. Значение Кэ выбирается из таблицы 1[4]. Для наземной подвижной аппаратуры Кэ=4. Далее определяются поправочные коэффициенты Кr, Kp. Значения Кr, Kp выбираются соответственно таблицы 2 и таблицы 3 [4] исходя из исходных данных. Кr=1,5, Kp=1.

Для расчета интенсивности отказа диода используется формула, учитывающая электрическую нагрузку и температуру, при которой работает диод:

(1)

где-интенсивность отказа диода в номинальном режиме работы (значение берется из прил. 3[24); - постоянные коэффициенты (значения данных коэффициентов выбираются из табл. 5[24]);

t - рабочая температура окружающей среды или корпуса диода, ;

-коэффициент электрической нагрузки, рассчитываемый по формуле:

для диода

,

- обратное напряжение в рабочем режиме;

- допустимые электрические параметры по ТУ или ГОСТ на диод.

Величина КН не должна превышать значения 0,7.

Определяется коэффициент электрической нагрузки для диода

.

Таблица 4

Диод	Uобр, В	Uобр.доп, В	Кн
VD1	0,8	30	0,026

По формуле (1) находим интенсивность отказов диода (см. табл.5).

Таблица 5

Диод	?0*10-61/ч	Коэффициенты	?эк,*10-6 1/ч
		A	NT	TM	P	?t
VD1	0,07	44,1	-2138	448	17,7	150	0,00241

Для расчета интенсивности отказов конденсаторов используется формула, учитывающая электрическую нагрузку и температуру, при которых конденсатор работает в аппаратуре:

 (2)

где - интенсивность отказа конденсатора в номинальном режиме работы (значение выбирается из прил. 5 [4]); A, С, NS, B, NT, Д - постоянные коэффициенты (значения их выбираются из табл. 7 [4]);

t - рабочая температура окружающей среды, 0C;

KH - коэффициент электрической нагрузки конденсатора, рассчитывается по формуле

,

где - рабочее напряжение на обкладках конденсатора, а - допустимое напряжение конденсатора по ТУ или ГОСТ.

Определяем коэффициент нагрузки конденсатора (см. табл.6)

Таблица 6

Конденсатор	Uраб, В	Uдоп, В	Кн
С1…C3, C5, C6, C8…C15, C18	5	50	0,1
С4	9	50	0,18
С7	5	16	0,31
С16	3	25	0,12
С17	2,5	50	0,05
С19	3	50	0,06

Рассчитаем интенсивность отказов для конденсатора, результаты расчета вносим в таблицу 7.

Таблица 7

Конденсатор	Группа	?0*10-61/ч	А	Ns	C	B	NT	Д	?эк*10-6 1/ч
С1…C3, C5, C6, C8…C15, C18	Керамический U<1600B	0,015	5,9*10-7	0,3	3	14,3	398	1	0,0003561
С4	Керамический U<1600B	0,015	5,9*10-7	0,3	3	14,3	398	1	0,0003618
С7	Оксидно-электрические фольговые алюминиевые	0,05	3,6*10-2	0,6	3	4,1	358	5,9	0,006993
С16	Керамический U<1600B	0,015	5,9*10-7	0,3	3	14,3	398	1	0,000357
С17	Керамический U<1600B	0,015	5,9*10-7	0,3	3	14,3	398	1	0,0003551
С19	Керамический U<1600B	0,015	5,9*10-7	0,3	3	14,3	398	1	0,0003552

Для расчете интенсивности отказов резисторов используется формула, учитывающая электрическую нагрузку и температуру, при которых резистор работает в аппаратуре:

(3)

где 0 интенсивность отказа резистора в номинальном режиме работы (значение 0 выбирается из прил. 6 [4]), A, B, NT, C, NS, I, H - постоянные коэффициенты (значения из табл. 9 [4

t - рабочая температура окружающей среды, 0С;

Кн - коэффициент электрической нагрузки резистора, рассчитывается

Кн =Ррас/Рдоп ,

где Ррас =Рпост. + Рпер. + Римп).

Рассчитываем коэффициент электрической нагрузки для резисторов. Результаты расчета заносим в таблицу 8.

Таблица 8

Резистор	Uраб, В	Ррас, Вт	Рдоп, Вт	Кн
R1	4,5	0,02	0,125	0,16
R2	1,28	0,019	0,125	0,152
R3	3,72	0,0066	0,125	0,053
R4	4,5	0,02	0,125	0,16
R5	2,5	0,003	0,125	0,024
R6	2,5	0,0625	0,125	0,5
R7	4,5	0,02	0,125	0,16
R8	4,5	0,02	0,125	0,16
R9	3	0,0004	0,125	0,0032
R10	5	0,0025	0,125	0,02
R11	3	0,0004	0,125	0,0032

Находим интенсивность отказов для резисторов, пользуясь табличными значениями коэффициентов и интенсивности отказов в номинальном режиме работы (см. табл.9). Результаты расчетов заносим в таблицу 9.

Таблица 9

Резистор	?0*10-61/ч	А	В	NT	C	NS	I	H	?эк*10-6 1/ч
R1	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0116
R2	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0115
R3	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,00979
R4	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0116
R5	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0093
R6	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0186
R7	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0116
R8	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,0116
R9	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,00892
R10	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,00923
R11	0,03	0,26	0,51	343	9,28	0,75	1	0,89	0,00892

Затем определяется интенсивность отказов всех остальных компонентов.

Данные берем из табл.10 [4], которые получены по результатам испытаний и эксплуатации изделий.

Пайка печатного монтажа, количество 127: ?эк=127*0,01*10-6=1,27*10-6 1/ч,

Проводники печатных плат, количество 78: ?эк=78*0,2*10-6=15,6*10-6 1/ч. Определяется суммарная интенсивность отказов активных, пассивных и конструктивно-технологических элементов

Суммарная интенсивность отказов находиться по формуле:

,1/ч (4)

где m-общее число компонентов блока усилительного тракта (ИС, ПП, резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов, паек и т.д.). Результат суммирования приведен в таблиц...