Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В дипломном проекте рассматривается разработка цифрового дозатора сыпучих смесей процесса производства бетонных плит и конструкций. В первой части дипломного проекта описывается технологический процесс производства смесей. Во второй и в третьей части работы рассматривается реализация конструкторской и программной части дипломной работы. В четвертой части данной работы проводится анализ условий труда, таких как освещение в помещении, электробезопасность. Расчет затрат на покупку необходимого оборудования, расчет экономии и срок окупаемости приводится в пятой части дипломного проекта.

Annotation

The diploma project is considered the development of a digital metering process bulk mixtures production of concrete slabs and structures. The first part of the diploma project is described manufacturing process mixtures. It was selected as a strain gauge, a solenoid motor. In the second part of the paper discusses the implementation of the design and programming of the thesis. The third and fourth part of the paper analyzes the working conditions such as lighting in the room, electrical. The calculation of the cost of purchasing the necessary equipment, the calculation of cost savings and payback time.

Содержание

• Введение
• 1. Технологическая часть
• 1.1 Назначение и состав систем дозирования сухих смесей
• 1.2 Датчики веса
• 2. Конструкторская часть
• 2.1 AVR - микроконтроллер
• 2.2 Кинематическая схема
• 2.3 Структурная схема цифрового дозатора
• 2.4 Электрическая схема цифрового дозатора
• 3. Программное обеспечение
• 3.1 Программа опроса датчиков веса
• 4. Безопасность жизнедеятельности
• 4.1 Анализ условий труда в помещении
• 4.2 Пожарная безопасность. Расчет эвакуации людей из помещений
• 4.3 Расчет искусственного освещения
• 4.4 Действие на организм электрического тока. Обеспечение электробезопасность
• 4.5 Расчет защитного заземления
• 5. Технико-экономическое обоснование проекта
• 5.1 Цели и задачи проекта
• 5.2 Обоснование необходимости разработки системы
• 5.3 Стоимость прибора до внедрения автоматической системы управления смесительным устройством
• 5.4 Определение затрат в схемах автоматизированной системы после внедрение цифрового дозатора
• 5.5 Расчет экономии затрат с учетом электроэнергии, разработки и оборудование
• Заключение
• Список литературы
• Приложения

Введение

Одну и ту же стандартную микропроцессорную систему можно использовать во многих устройствах. Например, предлагаемая в данной работе микропроцессорная система может быть использована в системе дистанционного управления объектами, системе телеметрии, технической диагностики и автоматического контроля.

Появилась возможность создания интеллектуальных систем управления, т.е. при возникновении отклонений от графика технологических операций, система оценивает ситуацию и принимает самостоятельно соответствующее решение.

В первой главе необходимо произвести анализ систем и элементов автоматики, методы достижения заданной точности, качественные показатели регулирования и разработка структурной схемы цифровой системы, а также сделал постановку задачи проекта.

Во второй главе необходимо выбрать элементы системы, их характеристики и принцип функционирования, разработать принципиальная электрическая схема системы управления с выводом текущей информации на жидкокристаллический индикатор.

В третьей главе программного обеспечения разработаны на Arduino.

В четвертой главе необходимо произвести расчет электробезопасности, освещение в помещение, пожаробезопасноть.

В пятой главе дипломной работы необходимо произвести расчет окупаемости и расчет экономии.

В завершении можно сказать, что будущее стоит за дальнейшим развитием автоматизации технологическим процессом производства, включая и строительство. Данная дипломная работа посвящена разработке микроконтроллерной системы управления дозатора строительных смесей.

1. Технологическая часть

1.1 Назначение и состав систем дозирования сухих смесей

Для создания системы управления дозатором сухих смесей, необходимо для начала определится с назначением этого устройства и основными элементами, из которых он состоит.

При выполнении данной дипломной работы, необходимо разработать цифровую систему управления дозатором, рассчитанном на приготовления двухкомпонентной смеси из сыпучих материалов, в нашем случае это будет два вида цемента.

Принципиально дозирование осуществляется в несколько этапов:

Из первого бункера с помощью специального механизма подачи, материал небольшой, заранее определенной дозой попадает в емкость, в которой система управления с помощью датчиков веса определяет количество материала в емкости. Затем система управления сравнивает текущие показания с датчиков веса, с целевыми, если текущие показания меньше целевых, наполнение емкости продолжается, до тех пор пока целевые показания с датчиков не станут равны целевым. После наполнения емкости нужным количеством материала, материал пересыпается в емкость для смешивая, и затем начинается дозирование второго материала.

Исходя из принципа дозирования, становится понятно, что основным элементом, определяющим точность осуществления дозирования, и соответственно точность приготовления смеси, является система контроля веса.

Для того чтобы понять назначение различных систем контроля, нужно для начала определиться, что представляет собой технический контроль.

Технический контроль включает три основных этапа:

- получение первичной информации о фактическом состоянии объекта контроля, контролируемых признаках и показателях его;

- получение вторичной информации - отклонений от заданных параметров путем сопоставления первичной информации с запланированными критериями, нормами и требованиями;

- подготовка информации для специальных служб по контролю за состоянием объекта, для выработки соответствующих управляющих воздействий на объект, подвергавшийся контролю.

Контролируемый признак - это количественная или качественная характеристика свойств объекта, подвергаемого контролю. Комплекс организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение производства продукции с заданным уровнем качества, составляет предмет организации контроля.

Метод контроля - это совокупность правил применения определенных принципов для осуществления контроля. В метод контроля входят основные физические, химические, биологические и другие явления, а также зависимости (законы, принципы), применяемые при снятии первичной информации относительно объекта контроля.

Под системой контроля понимают совокупность средств контроля и исполнителей, взаимодействующих с объектом по правилам, установленным соответствующей документацией.

Методика контроля - совокупность правил применения определенных принципов и средств контроля. Методика содержит порядок измерения параметров, обработки, анализа и интерпретации результатов [1].

Использование микроконтроллеров в изделиях не только приводит к повышению технико-экономических показателей (надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров), но и позволяет сократить время разработки изделий и делает их модифицируемыми, адаптивными, а также позволяет уменьшить их стоимость. Использование микроконтроллеров в системах управления обеспечивает достижение высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

1.2 Датчики веса

В любой задаче в области компьютерной автоматизации измерений, испытаний и управления технологическим производством самым главным моментом является выбор первичного преобразователя. Первичные преобразователи сигналов внешнего воздействия в электрический сигнал основаны на различных физических эффектах и бывают различного типа и вида. Рассмотрим один из распространенных видов преобразователей - резистивных.

Резистивные датчики широко используются в тензометрии. Тензометрия (от лат. tensus - напряжённый, натянутый и греч. metrйф - измеряю) - экспериментальное определение напряжённого состояния конструкций, основанное на измерении местных деформаций. При механической деформации материала его электрическое сопротивление изменяется. Этот эффект называется тензорезистивным эффектом. На основе этого эффекта реализованы тензодатчики, реагирующие на механическое напряжение.

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

, (1.1)

где с - удельное сопротивление материала.

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

(1.2)

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 e можно записать в виде:

, (1.3)

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

В таблице 1.1 рассмотрим тензосопротивление со следующими характеристиками:

Таблица 1.1 - Параметры тензорезистора

Параметры
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 х 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.).

Рисунок 1.1 - Тензорезисторные весы

Стрела прогиба равна:

, (1.4)

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:

. (1.5)

Для кругового поперечного сечения радиуса r:

. (1.6)

Радиус изгиба балки составит

(1.7)

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

. (1.8)

Пусть стальная балка имеет сечение a = b = 1 см = 10-2м 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 [2].

В таблице 1.2 приведены модуль Юнга и предел прочности для некоторых материалов.

Таблица 1.2 - Предел прочности некоторых материалов

Материал	Модуль Юнга, 109 Н/мІ
Сталь	196
Железо	186
Медь	120
Латунь	102
Алюминий	68
Свинец	1,7

При измерении сопротивления тензорезистора используют мостовую (рисунок 1.2) или полумостовую схему подключения (рисунки 1.3, 1.4). В качестве сопротивлений R₁-R₃ обычно используется такие же тензорезисторы, как и измерительные, только наклеенные на балку в поперечном направлении, нечувствительном к деформации. Это связано в первую очередь с высоким температурным коэффициентом сопротивления тензорезистора. В данном примере при изменении температуры на 1° относительное сопротивление изменится на 10^-4, что соответствует ошибке в измерении веса 10 кг. При использовании в качестве R₁-R₃ таких же тензорезисторов, находящихся в тех же условиях, что и измерительный тензорезистор, существенно упрощается термокомпенсация мостовой схемы. Одна пара проводов служит для питания моста, другая пара проводов служит для измерения подаваемого напряжения, третья пара - для измерения разности потенциалов в мостовой схеме.



Рисунок 1.2 - Мостовая схема подключения

Рисунок 1.3 - Полумостовая схема подключения

Рисунок 1.4 - Полумостовая схема подключения

Рассмотрим мостовую схему с датчиками 120 Ом. При питании схемы напряжением 1,2 В, ток проходящий по каждому резистору будет составлять 5 мА. При нулевой нагрузке разность потенциалов в мостовой схеме Vизм будет равна нулю, при максимальной нагрузке 800 кг - 3 мВ. В полумостовой схеме измерения при нулевой нагрузке разность потенциалов будет равна 600 мВ, при максимальной нагрузке - 603 мВ. Изменению веса на 1 кг соответствует изменение напряжения на 10 мкВ. При проведении измерений разности потенциалов с помощью АЦП в мостовой схеме необходимо использовать 14-16 разрядный АЦП. В полумостовой схеме - 18-20 разрядный АЦП.

На основе тензорезистивного эффекта также изготавливаются датчики давления со встроенной мостовой схемой.

На рисунке 1.5, показаны примеры форм измерительных решеток тензорезисторов.

Рисунок 1.5 - Примеры форм измерительных решеток

1.3 Точность дозирования и методы ее достижения

цифровой дозатор управление затраты

Для точного приготовления заданного кол-ва смеси, в заданных пропорциях большую роль играет точность измерения веса каждого из компонентов смеси. Здесь главную роль играет измерительный преобразователь, с помощью которого происходит определение веса материала.

Результат любого измерения отличается от истинного значения измеряемой величины на некоторое значение, зависящее от точности средств и метода измерения, квалификации оператора, условий, при которых производится измерение. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения. Различают абсолютные погрешности измерения, которые выражаются в единицах измеряемой величины, и относительные погрешности измерения, определяемые как отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

Д = х - хи, (1.9)

д = Д/хи, (1.10)

где Д - абсолютная погрешность измерения;

х - значение, полученное при измерении;

хи - истинное значение измеряемой величины;

д -относительная погрешность измерения.

Относительную погрешность часто выражают в процентах истинного значения измеряемой величины.

В зависимости от характера проявления, погрешности делят на систематические, случайные и грубые. Погрешность Д, определяемая выражением (1.9), является результирующей погрешностью, т.е. суммой систематической Д с и случайной Д0 погрешностей. Результаты измерений, содержащие грубые погрешности, должны быть исключены из рассмотрения.

Систематической погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.. Причиной появления систематических погрешностей могут быть неисправности измерительной аппаратуры, несовершенство метода измерений, неправильная установка измерительных приборов и отступление от нормальных условий их работы, особенности самого оператора. Систематические погрешности в принципе могут быть выявлены и устранены. Для этого требуется проведение тщательного анализа возможных источников погрешностей в каждом конкретном случае.

Случайной погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Наличие случайных погрешностей выявляется при проведении ряда измерений этой величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с другом. Часто случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельности мало влияет на результат измерения.

В некоторых случаях оказывается, что результат того или иного отдельного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же контролируемых условиях. Причиной этого может быть ошибка оператора, возникновение сильной кратковременной помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т.д. Естественно, что такой результат, содержащий грубую погрешность (промах), следует выявить, исключить и не учитывать при дальнейшей статистической обработке результатов измерения.

Существуют некоторые общие причины возникновения систематических погрешностей, в соответствии с которыми их подразделяют на методические, инструментальные и субъективные.

Методические погрешности происходят от несовершенства метода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погрешность, вызванную нарушением температурного режима исследуемого объекта (вследствие внесения термопары).

Инструментальные погрешности зависят от погрешностей применяемых средств измерения. Неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и т.д. являются причинами инструментальных погрешностей.

Погрешности измерения возникают также из-за неправильной установки средства измерения, влияния на него магнитных или электрических полей, наличия дополнительных и динамических погрешностей. Дополнительные погрешности обусловлены отклонением условий, в которых работает прибор, от нормальных. Динамические погрешности возникают из-за инерционности применяемых технических средств, при достаточно быстрых изменениях измеряемой величины. Все эти погрешности отличают от инструментальных, поскольку они связаны не столько с самими средствами измерений, сколько с условиями, при которых они работают. Их устранение производится иными способами, нежели устранение инструментальных погрешностей.

Систематические погрешности могут оставаться постоянными либо закономерно изменяться. В последнем случае их подразделяют на прогрессирующие (возрастающие или убывающие), периодические и изменяющиеся по сложному закону. Обнаружение причин и источников систематических погрешностей позволяет принять меры к их устранению или исключению посредством введения поправки.

Поправкой называется значение величины, одноименной с измеряемой, которое нужно прибавить к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности.

В некоторых случаях используют поправочный множитель - число, на которое умножают результат измерения для исключения систематической погрешности. Поправка или поправочный множитель определяется при помощи поверки технического средства, составления и использования соответствующих таблиц и графиков. Применяются также расчетные способы нахождения поправочных значений. Существуют специальные методы организации измерений, устраняющие систематические погрешности. К ним относятся, например, метод замещения и метод компенсации погрешности по знаку.

Метод замещения заключается в том, что измеряемая величина замещается известной величиной, получаемой при помощи регулируемой меры. Если такое замещение производится без каких-либо других изменений в экспериментальной установке и после замещения установлены те же показания приборов, то измеряемая величина равняется известной величине, значение которой отсчитывается по указателю регулируемой меры. Этот прием позволяет исключить постоянные систематические погрешности. Погрешность измерения при использовании метода замещения определяется погрешностью меры и погрешностью, возникающей при отсчете значения величины, замещающей неизвестную.

При проведении автоматических измерений широко используются схемные методы коррекции систематических погрешностей. Компенсационное включение преобразователей, различные цепи температурной и частотной коррекции являются примерами их реализации.

Новые возможности появились в результате внедрения в измерительную технику средств, содержащих микропроцессорные системы. С помощью последних удается производить исключение или коррекцию многих видов систематических погрешностей. Особенно это относится к инструментальным погрешностям. Автоматическое введение поправок, связанных с неточностями градуировки, расчет и исключение дополнительных и динамических погрешностей, исключение погрешностей, обусловленных смещением нуля - эти и другие корректировки позволяют существенно повысить точность измерений.

Следует, однако, заметить, что какая-то часть систематической погрешности, несмотря на все усилия, остается не исключенной. Эта часть входит в результат измерения и искажает его. Она может быть оценена исходя из сведений о метрологических характеристиках использованных технических средств.

Основной погрешностью называется погрешность, существующая при так называемых нормальных условиях, которые указаны в нормативных документах, регламентирующих правила испытания и эксплуатации данного средства измерения.

Дополнительная погрешность возникает при отклонении условий испытания и эксплуатации средства измерения от нормальных. Она нормируется значением погрешности, вызванной отклонением одной из влияющих величин от ее нормального значения или выходом ее за пределы нормальной области значений. Если температура лежит вне указанного диапазона, то погрешность может быть больше указанной.

Нормирование погрешности средств измерения производится по максимально допускаемым значениям основной и дополнительной погрешностей.

Класс точности - это обобщенная метрологическая характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения. Конкретные ряды классов точности устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Отдельными характеристиками погрешности являются вариации показаний прибора и порог чувствительности. Вариация показаний прибора - это наибольшая разность его показаний при одном и том же значении измеряемой величины. Основной ее причиной является трение в опорах подвижной части прибора. Вариацию определяют, сравнивая показания прибора, считанные один раз после установки требуемого значения измеряемой величины подходом снизу (со стороны меньших значений), а другой раз - подходом сверху (со стороны больших значений).

Порог чувствительности - это изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, различимое при нормальном для данного прибора способе отсчета.

Собственное потребление мощности прибором из цепи, в которой производится измерение, является важной характеристикой прибора. Оно приводит к изменению электрических параметров этой цепи и отрицательно влияет на точность измерения. Особенно сильно это проявляется при измерениях в маломощных цепях.

При использовании многоканальных модулей АЦП ЦАП удобно применять 6-проводную схему подключения датчика. В этом случае исключается погрешность падения напряжения на подводящих 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 запитывании датчиков постоянным током дополнительным источником погрешностей является ЭДС создаваемая на месте скрутки проводов и разности температур мест скруток. Это приводит к дрейфу постоянной составляющей сигнала. При реализации алгоритма вольтметра с использованием АЦП, погрешность полученных результатов может быть достаточно высокой. Это связано, в первую очередь, с тем, что алгоритм вольтметра постоянного тока суммирует все сигналы и полезный сигнал от датчика, и сигнал помехи. Для того чтобы разделить эти сигналы можно подавать в качестве питания датчиков переменный сигнал. Если для оценки уровня сигнала использовать селективный вольтметр, регистрирующий уровень заданной частоты, то при этом происходит отстройка от сетевой помехи 50 Гц и от дрейфа постоянной составляющей сигнала. При таком виде обработки сигнала возрастает и эффективное количество бит АЦП. Например, частота преобразования 16-разрядного АЦП составляет 200 кГц. При обработке алгоритмом селективного вольтметра полоса анализа составляет 10 Гц. Таким образом, полоса анализа в 10000 раз меньше всей полосы сигнала. В предположении, что помеха является случайной и равномерно распределена по спектру сигнала, уровень помехи в полосе анализа селективного вольтметра снизится в 100 раз, и эффективное количество разрядов АЦП составит 21 разряд. Такой метод обработки оправдан только для медленно меняющихся процессов [3].

Дополнительным источником погрешности такого способа является межканальное проникновение высокочастотных сигналов. Эта погрешность является систематической и в основном зависит от длины подводящих проводов от модуля АЦП до датчика и геометрического расположения провода и датчика, но она практически не меняется во времени. При этом необходима калибровка измерительного тракта по месту. Это усложняет процедуру поверки и калибровки измерительных систем. При измерении по мостовой схеме выходной сигнал равен:

. (1.11)

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

. (1.12)

Для полумостовой схемы:

. (1.13)

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

2. Конструкторская часть

2.1 AVR - микроконтроллер

Микроконтроллеры (МК) - разновидность микропроцессорных систем (микроЭВМ), ориентированная на реализацию алгоритмов управления техническими устройствами и технологическими процессами.

МК имеет малый объем памяти и ограниченный состав внешних устройств. В состав универсальной микроЭВМ входят модули памяти большого объема и высокого быстродействия, имеется сложная иерархия ЗУ, поскольку многие задачи (САПР, графика, мультимедийные приложения и др.) без этого решить невозможно. МК реализуют заранее известные, несложные алгоритмы и для размещения программ им требуются меньше емкости памяти, чем у микроЭВМ широкого назначения. Набор внешних устройств также существенно сужается, а сами они значительно проще. В результате модули микроЭВМ конструктивно выполняются отдельно, а МК выполняется на одном кристалле, хотя в его составе имеются модули того же функционального назначения. МК используется в таких областях производства, как бытовая аппаратура, станкостроение, автомобильная промышленность и т. д.

Proteus - это среда для проектирования и отладки электронных устройств, в том числе выполненных на основе микроконтроллеров различных семейств. Предоставляет возможности ввода схемы в графическом редакторе, моделирования её работы и разработки печатной платы, включая трехмерную визуализацию её сборки. Уникальной чертой среды Proteus является возможность эффективного моделирования работы разнообразных микроконтроллеров (PIC, 8051, AVR, HC11, ARM7/LPC2000 и др.) и отладки микропрограммного обеспечения.

Среда PROTEUS имеет огромную библиотеку электронных компонентов, а недостающие компоненты можно сделать самостоятельно. Предусмотрена поддержка SPICE-моделей, которые часто предоставляются производителями электронных компонентов.

В комплект профессиональной версии входят инструменты USBCONN для подключения моделируемой схемы к реальному USB порту компьютера и COMPIM для подключения к COM-порту ПК.

Среда PROTEUS совместима с популярными средами разработки микропрограммного обеспечения, в том числе:

- CodeVisionAVR (только МК AVR);

- IAR (любые МК);

- ICC (МК AVR, msp430, ARM7);

- WinAVR (МК AVR);

- Keil (МК 8051 и ARM);

- HiTECH (МК 8051 и PIC)

Проведем сравнительный анализ характеристик Electronics Workbench (EWB) и Proteus (ISIS).

По модулям моделирования программ Electronics Workbench (Multisim) и Proteus (ISIS) можно сделать следующие сравнительные выводы:

1) при заметно меньшем объеме занимаемого дискового пространства (около 170 Мбайт против 300 Мбайт у EWB) Proteus/ISIS превосходит последние версии EWB по быстродействию в 1,5-2 раза;

2) библиотека компонентов Proteus значительно богаче, чем у EWB. Можно назвать Proteus мощным средством повышения эффективности восприятия результатов моделирования в учебном процессе благодаря наличию анимационных моделей электродвигателей, различного рода оптических и звуковых индикаторов, логических пробников и активаторов, конденсаторов, переключателей и т. п.,. Однако не все модели позволяют реализовать ожидаемые результаты. Так, например, выявлены недостатки у следующих моделей:

- индуктивность REALIND из библиотеки Inductors/Generic и конденсатор REALCAP из Capasitors/Generic отличаются по реактивному сопротивлению на 2-3%;

- 3-фазный генератор: отличается асимметрией фазных напряжений;

- линия с потерями, считающаяся в Proteus наилучшей из трех имеющихся, оказалась неспособной моделировать колебательные явления в таких линиях, тогда как в аналогичной модели EWB это легко реализуется;

- ключ DSWITCH из библиотеки Modeling Primitives/Mixed Mode для коммутации цифровых и аналоговых сигналов: отличается сильной зависимостью параметров от частоты коммутации;

- перемножитель MULTIPLY из библиотеки Laplace Primitives/Operators: неудовлетворительно работает в режиме амплитудного модулятора, что выражается в невозможности реализовать зависимость АМ-колебаний от коэффициента модуляции.

3) по метрологическим характеристикам контрольно-измерительные приборы EWB общего применения заметно превосходят имеющиеся в библиотеке INSTRUMENTS модуля Proteus/ISIS как по диапазону измеряемых величин, так и по возможностям получения цифрового отсчета в удобной форме (по существу только осциллограф Proteus обладает такими характеристиками, хотя и уступает по диапазону разверток и чувствительности). Кроме того, по отдельным приборам выявлены следующие недостатки:

- амперметры и вольтметры постоянного и переменного тока: не имеют режима автомасштабирования, что требует предварительного прогнозирования значения измеряемой величины и внесения соответствующего масштаба в диалоговом окне;

- нестандартное и неудобное масштабирование амплитуды выходного сигнала и частоты функционального генератора (ФГ), а также невозможность точной установки этих параметров; этот же недостаток присущ и кодовому генератору, но только по частоте и времени задержки;

- крайне низкая нагрузочная способность ФГ при подключении заземленной нагрузки; так, соответствие между установленной (и индицируемой на лицевой панели ФГ) амплитудой и измеряемой осциллографом достигается при сопротивлении нагрузки 10000 Мом, при 100

Мом измеряемая амплитуда уменьшается в два раза, при 10 Мом - в 10раз, при 1 Мом - в 100 раз.

Общим недостатком приборов общего применения из группы INSTRUMENTS, в отличие от EWB, является их удаленность от промышленных аналогов как по внешнему виду, так и по органам управления, что снижает учебный эффект по приобретению навыков и умений для работы с реальными приборами.

Другие приборы из библиотеки INSTRUMENTS (VIRTUAL TERMINAL, SPI DEBUGGER, I2C DEBUGGER,COUNTER TIMER) являются специализированными и работают вполне удовлетворительно. В таблице 2.1 представлен сравнительный анализ Electronics Workbench и Proteus.

Таблица 2.1 Сравнительный анализ Electronics Workbench (EWB) и Proteus (ISIS)

Объем занимаемого дискового пространства, Мбайт	170	300
Количество библиотек компонентов	37	11
Логический	"-"	"+"
конвертер
Графопостроители	"+"	"-"
Микроконтроллерные систем и их пошаговая отладка	"+"	"-"
Режим автомасштабирования	"-"	"+"

4) при анализе и синтезе комбинационных элементов цифровой техники ощущается отсутствие в Proteus логического конвертера, имеющегося в EWB;

5) графопостроители из библиотеки GRAPHS, являющиеся в большинстве случаев аналогами команд меню AnalysisEWB, отличаются простотой использования и целым букетом сервисных возможностей, недоступных в EWB;

6) существенным достоинством программы Proteus является возможность комплексного (со всеми периферийными устройствами, включая датчики, исполнительные и устройства отображения информации) исследования микроконтроллерных (МК) систем и их пошаговой отладки по заданной управляющей программе целевого устройства на Ассемблере, СИ или специальном языке. И все это при огромном количестве моделей МК и вспомогательных интегральных микросхем (ИМС) компаний Atmel,Intel, Motorola, Philips, Texas Instruments, Zilog и др. В таблице 2.1 представлен сравнительный анализ Electronics Workbench (EWB) и Proteus (ISIS) [4].

По сравнительному анализу характеристик сред моделирования была выбрана среда моделирования Proteus, так как он имеет возможность достаточно реалистично моделировать микроконтроллеры семейства AVR.

Proteus - интегрированная среда для разработки электронных устройств, в том числе на микроконтроллерах

Поддерживаемые этапы разработки:

- разработка схемы электрической принципиальной (ввод в графическом редакторе);

- моделирование схемы с использованием разнообразных виртуальных приборов;

- разработка печатной платы, включая 3D-визуализацию её сборки.

Возможности отладки микропрограммного обеспечения:

- совместное моделирование работы микроконтроллера, исполняющего заданную программу, и окружающих его аналоговой и цифровой схем;

- широкие отладочные возможности, в т.ч. доступ к содержимому регистров и памяти, задание точек останова программы, пошаговое выполнение;

- отладка на уровне исходного кода (Си, Бейсик, Ассемблер, в зависимости от типа используемого для отладки файла с испытываемым микропрограммным обеспечением);

- поддержка нескольких семейств микроконтроллеров от разных производителей, в т.ч.:

- PIC12, PIC16, PIC18 и PIC24 (Microchip);

- 8051/8052, в т.ч. производные от них, выпускаемые Philips и Atmel;

- AVR, Tiny AVR и Mega AVR (Atmel);

- ARM7, в т.ч. LPC2000 (NXP);

- HC11 (Freescale) и микроконтроллерные модули BASIC Stamp (Parallax).

Преимущества Proteus:

- выполнение всех этапов разработки электронного устройства на основе микроконтроллера в единой среде;

- возможность написания, отладки и тестирования микропрограммного обеспечения еще до физического изготовления опытного образца системы;

- ускоряет процесс разработки электронного устройства;

- поддержка совместной работы с аппаратными устройствами, подключенными через порт компьютера.

Проведем сравнительную оценку инструментальных средств для AVR микроконтроллеров.

Наиболее широкое распространение получили средства разработки программ для AVR микроконтроллеров: CodeVision, IAR AVR, Flow Code. Подавляющее число компиляторов реализованы для программ на языке С, и для них имеются обширные библиотеки, которые содержат функции, необходимые для решения прикладных задач. Производители обычно приводят качественные показатели для отдельных классов задач, что не позволяет определить характеристики программного обеспечения и требования к аппаратной платформе микроконтроллерных устройств.

Сравнение средств разработки состоит в следующем: для выбранных примеров реализуются фрагменты программы для типовой задачи с использованием сред: CodeVision, IAR AVR, Flow Code.

Сравнительная характеристика по размеру программ.

Сравнение на тестовом примере. Пример: управление микроконтроллером ATmega8 двухстрочным 16-символьным жидкокристаллическим индикатором (LCD WH1602B-NYG-CT фирмы Winstar) для вывода двух строчек текста из памяти микроконтроллера. Длина программы определяет требования к ресурсу микроконтроллера - объему Flash-памяти и, как следствие, определяет выбор модели МК (аппаратной платформы).

Сравнительная характеристика по времени выполнения программы.

Время выполнения программ связано с требуемым быстродействием для обеспечения отображения информации в режиме реального времени. В свою очередь, повышение быстродействия приводит к увеличению потребляемой мощности. В устройствах с автономным питанием на потребляемую мощность накладываются жесткие ограничения [5]. В таблице 2.2 представлена сравнительная оценка сред разработки.

Таблица 2.2 - Сравнительная оценка сред разработки.

	CodeVision	IAR AVR	Flow Code
Стоимость, EUR	150	2820	130
Размер программы, Мбайт	1600	2280	1700
Время выполнения программы, мс	72257	73373	35232

Исходя из сравнительной оценки сред разработки CodeVision, IAR AVR, Flow Code была выбрана среда CodeVision. Компилятор CodeVision позволяет создать загрузочный код, который по времени выполнения функций интерфейса оператора умеренно уступает своим коммерческим аналогам. Избыточное время выполнения программы компенсируется выбором аппаратной платформы. Временной анализ процесса выполнения программ позволяет обнаружить критические участки кода. Отличием и достоинством CodeVision от других компиляторов является эффективное использование оперативной памяти: в CodeVisionAVR постоянные строковые величины запоминаются во FLASH-памяти и становятся доступными оттуда, без загрузки в RAM.

Программа CodeVision представляет собой интегрированную среду разработки ПО для AVR микроконтроллеров.

Основными модулями, входящими в состав CodeVisionAVR являются:

- трансляторы программ, составленных на Си-подобных языках или ассемблере, в машинный код для AVR;

- элементы для инициализации периферийных устройств;

- модуль для работы с платой отладки STK-500;

- компоненты взаимодействия с внешними программаторами;

- редактор первичного кода;

- терминальный модуль.

Результат работы в программе CodeVisionAVR может быть представлен в виде HEX, ROM или BIN-файла для прямой прошивки микроконтроллера путем использования стороннего программатора. Кроме этого, программа может быть передана в формате COFF (файл отладчика) или OBJ. Число библиотек CodeVisionAVR растет с каждой новой версией и включает в себя поддержку продукции от таких известных производителей как Philips, National Semiconductor, Maxim-Dallas Semiconductor и многих других. Компилятор CodeVisionAVR отличается от AVR-GCC, который можно наблюдать в программе WinAVR, синтаксисом, количеством поддерживаемых микроконтроллеров и быстродействием конечного кода. Но больше всего по специфике работы, расположению команд и своим возможностям программа напоминает PonyProg.

Специальные расширения AVR для:

- доступа к памяти EEPROM и FLASH;

- доступа по уровню бит к I/O регистрам;

- поддержки прерываний;

- поддержки размещения битовых переменных в основных I/O регистрах, применяемых в последних чипах (ATtiny2313, ATmega48/88/168, ATmega165/169/325/3250/329/3290/645/6450/649/6490, ATmega1280/1281/2560/2561/640, ATmega406 и др.).

CodeVisionAVR обеспечивает автоматическую расстановку абзацев, подсветку синтаксиса как для С-, так и для AVR-ассемблера, автоматическое завершение функций и систематизацию/объединение элементов.

Существует две версии программы: CodeVisionAVR Evaluation - бесплатный ознакомительный вариант с ограничением до четырех килобайт размера программного кода и отсутствием ряда ключевых библиотек и CodeVisionAVR - платная коммерческая, защищенная от установки паролем.

Интерфейс CodeVisionAVR английский и русификатора к нему нет. На рисунке 2.1 изображена структурная схема.

Рисунок 2.1 - Структурная схема ATmega328

2.2 Кинематическая схема

Устройство состоит из двух бункеров рассчитанных, на хранение компонентов смеси, на каждом из бункеров находится по специальному вибратору, применяемому для предотвращения зависания мелких сыпучих материалов, таких как цемент. Вибраторы используются во время работы механизмов подачи материала в емкость для измерения веса.

Рисунок 2.2 - Общая кинематическая схема устройства дозирования сухих смесей

На рисунке 2.2 изображена кинематическая схема устройства дозирования сухих смесей. Как видно на схеме, устройство рассчитано на приготовление двухкомпонентных сухих смесей.

Рисунок 2.3 - Бункер, вибратор, механизм подачи

На каждом бункере установлены свой механизм подачи материала (рисунок 2.3) в измеряющую емкость. Механизмы подачи материала выполнены в виде винтовых конвейеров (шнеков). Шнек - транспортирующая машина непрерывного действия, рабочим органом которой является шнек (винт), вращающийся в закрытом желобе. Материал, поступающий в приемный патрубок, транспортируется вдоль несущей трубы и пересыпается в приемную емкость [6].

Устройство измерения веса состоит из приемного бункера конусной формы, закрепленного на двух силовых тензодатчиках, которые, в свою очередь, консольно закреплены на раме смешивающего устройства (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 - Взвешивающее устройство

Также взвешивающее устройство оборудовано электрической заслонкой сброса, которая при подаче на нее напряжения открывается, при отсутствии напряжения заслонка закрыта.

Тензодатчики подключены через мостовую схему к микроконтроллеру, который с помощью АЦП преобразует их показания в вес.

После взвешивания сыпучие материалы по очереди попадают в специальную емкость, оборудованную перемешивающим устройством, и механической заслонкой (рисунок 2.5)

Рисунок 2.5 - Смешивающее устройство

После попадания обоих компонентов смеси в смешивающее устройство, запускается мешалка. После окончания времени смешивания, материал может быть выгружен оператором, через ручную заслонку. Если смешивающее устройство используется на автоматической линии по производству какой-либо продукции, смешивающее устройство может комплектоваться автоматической заслонкой, управляемой с микроконтроллера.

Данное устройство приготовление сухих смесей, используется вместе с полностью автоматической системой управления, поэтому не требует постоянного внимания оператора.

2.3 Структурная схема цифрового дозатора

При разработке модели прибора в программе Proteus, задачей было смоделировать часть системы управления, которая отвечает за измерение веса при дозировании материала. В нашем случае смесь состоит из 50 кг одного вещества и 50 кг другого вещества, соответственно наша модель в программе будет имитировать сигнал с двух датчиков веса, и будет определять достиг ли вес 50 кг, или нет. При достижении веса в 50 кг, будет загораться лампочка имитирующая переход к следующему этапу работы системы управления. На рисунке 2.6 изображена структурная схема цифрового дозатора.

Структурная схема данной системы достаточно проста и состоит из:

Рисунок 2.6 - Структурная схема прибора

2.4 Электрическая схема цифрового дозатора

Электрическая схема системы управления построена с использованием микроконтроллера ATmega328 производства фирмы AVR, все остальные использованные компоненты российского производства.

Управление исполнительными механизмами производится с помощью реле. Катушуки реле коммутируется через оптосимисторы MOC3021, подключенные к выводам 2, 3, 4 и 5 порта D. Можно было бы воспользоваться оптотранзисторами (например, 4N25), но было решено использовать оптосимисторы без детектора нуля, с перспективой использования в паре с силовыми симисторами для фазовой регулировки мощности. На рисунке 2.7 изображена электрическая схема цифрового дозатора.

Рисунок 2.7 - Электрическая схема цифрового дозатора

В системе управления используется оптроны и оpto - изоляторы большие электронные устройства, которые позволяют устройств, таких как силовые транзисторы и симисторы с управляться с выходной порткомпьютера, цифровой коммутатор или сигнала данных низкого напряжения, например, что с логической схемой. Основным преимуществом оптопар является их высокая электрическая изоляция между входными и выходными, позволяющих сравнительно небольшие цифровые сигналы для управления гораздо большие напряжения переменного тока, токи и мощности. В таблице 2.3 указана характеристика микроконтроллера Atmega328.

Таблица 2.3 Характеристика микроконтроллера ATmega328

Наименование	Характеристика
Микроконтроллер	ATmega328
Рабочее напряжение	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14(6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	6
Постоянный ток через вход/выход	40 мА
Постоянный ток для вывода 3.3 В	50 мА
Флеш-память	32 Кб (ATmega328) из которых 0.5 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	2 Кб (ATmega328)
EEPROM	1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц

3. Программное обеспечение

3.1 Программа опроса датчиков веса

Интерфейс среды разработки Ардуино содержит следующие основные элементы: текстовый редактор для написания кода, область для вывода сообщений, текстовая консоль, панель инструментов с традиционными кнопками и главное меню. Данный софт позволяет компьютеру взаимодействовать с Ардуино как для передачи данных, так и для прошивки кода в контроллер.

Программы, создаваемые в среде разработки Ардуино, иногда еще называют скетчами. Скетчи пишутся в текстовом редакторе и сохраняются в файлах с расширением.ino. Встроенный текстовый редактор имеет стандартные инструменты копирования, вставки, поиска и замены текста. Область сообщений в окне программы является, своего рода, обратной связью для пользователя и информирует его о событиях (в том числе и об ошибках), возникающих в процессе записи или экспорта написанного кода. Консоль отображает в виде текста поток выходных данных среды Ардуино, включая все сообщения об ошибках и пр. генерируемую ею информацию. В нижнем правом углу окна программы показывается модель текущей платы и последовательный порт, к которому она подключена. Кнопки на панели инструментов предназначены для создания, открытия, сохранения и прошивки программ в устройство. Отдельная кнопка запускает программу SerialMonitor [7].

Для опроса датчиков веса, подключенных к микроконтроллеру через мостовую схему необходимо использовать модуль АЦП, на портах к которым подключены датчики. Программа опроса датчиков, в данной системе и вызывается при необходимости опросить датчики веса. На рисунке 3.1 изображена блок - схема.

Рисунок 3.1 - Блок схема программы управления

Листинг программы цифрового дозатора имеет вид:

#include <LiquidCrystal.h>

int ves1, ves2; //объявляем целочисленны переменные для хранения значений веса

LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13);

void setup() {

pinMode(2, OUTPUT);

pinMode(3, OUTPUT);

pinMode(4, OUTPUT);

pinMode(5, OUTPUT); //выбираем направления портов

Serial.begin(9600); //инициализируем последовательный порт

lcd.begin(16, 2); //инициализация символьного ЖК-дисплея 16х 2

}

void loop() {

Serial.println("Nachalas' podacha materiala 1"); //выдаем в терминал оповещение о подаче

lcd.clear(); //очитска ЖК-дисплея

lcd.print("Nachalas podacha"); //выводим на дисплей оповещение о подаче

lcd.setCursor(0,1); //перемещаем курсор на вторую строку

lcd.print("materiala 1"); //выводим продолжение оповещения

while(1)

{

digitalWrite(2,HIGH); //подача материала 1

delay(2000); //ждем 2 секунды

digitalWrite(2,LOW); //останавливаем подачу

ves1=analogRead(0)/10; //считываем значение датчика

if(ves1>=50) // сравниваем значение с заданным

{

digitalWrite(2,LOW);

digitalWrite(4,HIGH); //сброс материала

Serial.print("Ves materiala 1 =");

Serial.print(ves1);

Serial.print("kg. ");

Serial.println("Sbros materiala"); //выдаем в терминал оповещение

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Ves materiala 1");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(ves1);

lcd.setCursor(3,1);

lcd.print("kg.");

break; //выходим из цикла

}

}

delay(2000);

digitalWrite(4,LOW); //прекратить сброс материала

Serial.println("Nachalas' podacha materiala 2"); //выдаем в терминал оповещение

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Nachalas podacha");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("materiala 2");

while(1)

{

digitalWrite(3,HIGH); //подача материала 2

delay(2000); //ждем 2 секунды

digitalWrite(3,LOW); //останавливаем подачу

ves2=analogRead(1)/10; //считываем значение датчика

if(ves2>=50) // сравниваем значение с заданным

{

digitalWrite(3,LOW);

digitalWrite(4,HIGH); //сброс материала

Serial.print("Ves materiala 2 =");

Serial.print(ves2);

Serial.print("kg. ");

Serial.println("Sbros materiala"); //выдаем в терминал оповещение

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Ves materiala 2");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print(ves1);

lcd.setCursor(3,1);

lcd.print("kg.");

break; //выходим из цикла

}

}

delay(2000);

digitalWrite(4,LOW);

Serial.println("Nachalsja process smeshivanija"); //выдаем в терминал оповещение

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Nachalsja process");

lcd.setCursor(0,1);

lcd.print("smeshivanija");

digitalWrite(5,HIGH); //начинаем смешивание

delay(5000); //ждем

Serial.println("Process okonchen"); //выдаем в терминал оповещение

lcd.clear();

lcd.setCursor(0,0);

lcd.print("Process okonchen");

digitalWrite(5,LOW); //останавливаем смешивание

while(1);

}

Примечание программы цифрового дозатора

Функция setup() вызывается, когда стартует скетч. Используется для инициализации переменных, определения режимов работы выводов, запуска используемых библиотек и т.д. Функция setup запускает только один раз, после каждой подачи питания или сброса платы Arduino.

Функция pin номер вывода, режим работы которого будет конфигурироваться. Mode: принимает значения INPUT, OUTPUT или INPUT_PULLUP.

Delay() приостанавливает выполнение программы на указанный промежуток времени (в миллисекундах). (В 1 секунде - 1000 миллисекунд.

Оператор while будет вычислять в цикле непрерывно и бесконечно до тех пор, пока выражение в круглых скобках, () не станет равно логическому ЛОЖНО. Что-то должно изменять значение проверяемой переменной, иначе выход из цикла while никогда не будет достигнут. Это изменение может происходить как в программном коде, например, при увеличении переменной, так и во внешних условиях, например, при тестировании датчика.

DigitalWrite() тправляет на цифровой вывод значение.

Если функцией вывод сконфигурирован как выход (OUTPUT), то при выполнении функции digitalWrite() его напряжение будет изменено на соответствующее значение: 5 В (либо 3.3 В для плат, работающих от 3.3В) при отправке HIGH, 0 В (земля) - при LOW.

Если вывод сконфигурирован как вход INPUT, то отправка функцией digitalWrite() значения HIGH приведет к подключению внутреннего подтягивающего резистора номиналом 20 КОм. Запись значения LOW приведет к отключению подтяжки. Внутренний подтягивающий резистор может обеспечить только тусклое свечение светодиода. Поэтому, если светодиод горит, но очень тускло, наиболее вероятная причина этого - подтягивающий резистор. Для решения данной проблемы необходимо перевести соответствующий вывод в режим выхода с помощью функции pinMode().

Примечание. Существуют некоторые сложности при использовании вывода 13 в качестве цифрового входа. Причиной этого является светодиод и резистор, которые припаяны к этому выводу на большинстве плат Ардуино. При включении внутреннего подтягивающего резистора 20 КОм, напряжение на этом выводе установится на уровне около 1.7 В, вместо ожидаемых 5 В, поскольку светодиод и последовательно соединенный резистор на плате понижают уровень напряжения. Таким образом, вывод будет всегда находится в состоянии LOW. Поэтому, чтобы использовать вывод 13 в качестве цифрового входа, необходимо использовать внешний резистор на землю.

...