Diplomna Rabota Final - gotsov.files.wordpress.com · РУ ”А.Кънчев ”, кат .Електроника , „Електронна система за измерване

РУ “Ангел Кънчев” Катедра Електроника

Дипломна работа

Дипломант: Цветомир Антонов Гоцов

Факултетен : 073129

Специалност: Електроника

РУСЕ

2011 г.

РУ”А.Кънчев”, кат.Електроника, „Електронна система за измерване на климатични елементи”

4

Анотация

Целта на настоящата дипломна работа е да представи съвременен метод

за изграждане на автономна метеорологична станция, която да измерва

климатичните елементи: температура на въздуха и почвата, атмосферно

налягане, относителна влажност на въздуха, скорост и посока на вятъра.

Визуализирането на данните става както от стандартен матричен LCD

HD44780 – базиран дисплей или чрез сериен обмен по стандартен

протокол за обмен, връзка с вграден уеб сървър с цел отчитане от

разстояние.

В проектирането са използвани следните програмни продукти:

• Текстообработващи – Microsoft Office Word 2003

• Чертане и обработка на електронни схеми – Proteus 7

Professional, Eagle 5.4.0, sPlan 5.0

• Редактори на графични оригинали – Proteus 7 Professional, Eagle

5.4.0

• Симулатори на електронни схеми – Proteus 7 Professional

• “С” компилатор – Mikro C for AVR

• Изследвания на полиноми - MATLAB


5

Благодарности

Искам да изкажа благодарности към хората, които ме подкрепяха и

помагаха при реализацията на този проект. Благодарности към научния

ръководител доц. Анелия Манукова за предоставената ни възможност да

работим в университета, за помощта която ни оказа през целия период на

конструиране и съставяне на дипломния проект.

Също така искам да изкажа благодарности към някой колеги от

специалност Електроника и също приятели които ми помагаха:

• Деян Левски и Камен Кръстев за тяхната подкрепа, помощ и

съвместна работа по прототипа на метеорологичната станция.

Благодаря им за съветите и помощта при „оживяването” на

системата.

• Георги Младенов и Лъчезар Димитров за помощта оказана в

механичните части на системата и въпроси свързани с

Географията и измерването на климатични елементи.

• Христо Христов и Симеон Иванов за помощта при дискутиране

на различни въпроси свързани с метеорологичната станция и

програмното и обезпечаване.

• Любомира Димитрова, Ивайло Иванов и Мирослав Борисов за

помощта по организирането на изложба на готови прототипи.

В заключения искам да благодаря на моето семейство, което ме

подкрепяше и окуражаваше да продължавам напред в това начинание.


6

Увод

Терминът „време” се използва в исторически и метеорологически

смисъл. Под време в метеорологията се разбира моментното състояние на

атмосферата на дадено място [1]. То се обуславя от температурата и

влажността на въздуха, атмосферното налягане, ветровете, облачността и

валежите, т.е. от метеорологичните елементи в тяхното единство. Времето

непрекъснато се променя. Изменението на всеки метеорологичен елемент

дава отражение върху останалите. Чрез постоянно наблюдение на тези

елементи и чрез определяне на тенденциите в тяхното изменение се прави

предсказване за промените във времето. За научното прогнозиране на

времето работят специалисти в много страни. На Земята има над 20 000

метеорологични станции, в които се извършват ежедневни наблюдения на

времето и данните от тях се изпращат в национални и международни

метеорологични центрове.

В XXI век темите, касаещи климата и измерване на климатични

елементи, стават все по-актуални. Това се дължи преди всичко на

„Глобалното затопляне”. Поради този феномен все повече човечеството се

замисля за климата и развива технологии за производство на енергия от

възобновяеми енергийни източници. Именно при изграждането на

съоръжения, които произвеждат екологично чиста енергия се появява

нуждата от предварително изучаване на климатичните елементи над

дадена местност и получаване на икономическа оценка за

целесъобразността на инвестицията. Освен за тясно специализирани и

научни цели, климатичните елементи представляват интерес и за бита на

човек, както и за всички отрасли на промишлеността. Всеки по определен

начин е свързан с времето и елементите, които го съставляват.

Изследването и прогнозирането на климатичните елементи е задача

свързана с дългосрочни наблюдения. В голяма част от досега

съществуващите метеорологични станции, наблюдението се осъществява


7

от метеоролог като и отчитането става от аналогови измервателни

прибори, при което има субективен фактор влияещ на измерването, а

именно метеоролога. Недостатък на голямата част от досега

съществуващите станции е тяхната мобилност. Също така трудности има и

при измерването на климатични елементи в трудно достъпни места. Това

налага употребата на автоматични станции, които да могат да правят

нужните измервания без намесата на персонал. За регионални изследвания

и изследвания за частни лица и организации е необходимо

метеорологичната станция да работи определен период от време, при което

не е оправдан строежа на класическа метеорологична станция.

Автоматичните метеорологични станции имат общи критерии за отчитане

което прави грешката им еднаква за всички станции. Употребата на

стандартни интерфейси и мрежи позволява информацията да достига до

всеки потребител в реално време, без да бъде манипулирана, което е

изключително предимство пред досега съществуващите станции.

Употребата на съвременна елементна база може да намали цената на

готовото изделие, като също така увеличи точността на измерванията и

направи информацията удобна за съхранение и обработка.


8

1. Литературен обзор

1.1. Метеорологична станция

Метеорологичните станции са съоръжения предназначени за измерване

на климатични елементи и извършване на наблюдения върху климата над

даден район. Най-често наблюдаваните елементи са [2]: температура на

въздуха и почвата, влажност на въздуха, атмосферно налягане, валежи –

количество и вид, снежна покривка, посока и скорост на вятъра, облачност

- обща и ниска, общо състояние на почвата, слънчево греене – времетраене

и интензивност, вид на облаците, видимост, атмосферни явления.

Наблюденията в метеорологичните станции се извършват трикратно в

денонощието — 7 (8), 14 и 21 часа. Базово изискване за системата на

Световната метеорологична организация в Женева е всички наблюдения да

стават при еднакви положения на слънцето по отношение на всяка

станция.

1.2. Видове метеорологични станции

1.2.1 В зависимост от целите на наблюдение съществуват два вида

станции:

1.2.1.1 Синоптични

Наблюденията в тях се извършват на 3 часа (8 пъти в денонощието)

по така нареченото единно време (време по Гринуич) т.е. едновременно

във всички станции по света. Синоптичните станции участват в

международния метеорологичен обмен и данните от наблюденията

показват моментно състояние на времето в даден регион.

1.2.1.2 Климатични

В тях наблюденията се извършват 3 пъти в денонощието в 7,14 и 21

часа местно време т.е. при еднаква височина на слънцето по отношение на

всяка станция. Данните от наблюденията в тези станции се подлагат на

климатична обработка за получаване на климатични характеристики.


9

1.2.2 В зависимост от начина на отчитане биват класически и

автономни.

1.2.2.1 Класически метеорологични станции

Това са станции при които отчитането на климатичните показатели

става от дежурен метеоролог. Голяма част от измервателните прибори са

аналогови и за отчитането е необходимо човешка намеса. Проблема на

тези станции е нуждата от персонал, което ги прави неприложими на

трудно достъпни места.

1.2.2.2 Автономни метеорологични станции

Автономните метеорологични станции са електрони системи за

отчитане на климатични елементи, при които няма нужда от редовен

персонал за наблюдения. Отчитането става по електронен път като също

така информацията може да се съхранява. Премахнат е субективния

фактор при отчитането, а именно човека. По този начин всички отчитания

стават по еднакъв критерии за отчитане. Недостатък на тези станции е

нуждата от електричество и също така риска от дефектиране.

1.3 Измервания извършвани от електронната метеорологична

станция:

За бита на човека както и за изследвания в по широк аспект е нужно

да бъдат измервани само някой от основните климатични елементи. С най-

голямо значение са: температура на въздуха, атмосферно налягане,

относителна влажност на въздуха, скорост и посока на вятъра. Голям

интерес за земеделските производители би представлявал температурата

на почвата при което, и това допълнително измерване е заложено в

системата.

1.4 Първични преобразователи в метеорологичните станции:

1.4.1 Измерване на температура на въздуха и почвата.


10

Температурата като физична величина е най-измерваната и

контролирана величина в световен мащаб както в промишлеността така

също и в бита и ежедневието на човек. За нея има разработени

изключително много методи и принципи за нейното измерване. Основния

подбор на преобразовател и принцип за измерване става на база: обхват на

измерване, точност на измерване, достъп до измервания обект (възможно е

и безконтактно измерване!), цена на измерването. Температурния обхват

на изменение на температурата на въздуха е в интервала -35...+50 °С. Този

интервал за температурата на почвата е по-малък поради нейната

инертност, но за опростяване на подбора приемаме, че температурата на

почвата ще се изменя в същия диапазон както и температурата на въздуха.

Зависимостта на точността и цената е правопропорционална, поради което

се прави компромис за точността за сметка на ниска цена.

Първични преобразуватели за измерване на температура са терморезистор,

термодвойка, PN-преход [3,4,5,6,7].

- Терморезисторите

Действието на термосъпротивителните преобразователи

(терморезисторите) се основава на свойствата на електропроводимите

материали да изменят електрическото си съпротивление при промяна на

температурата. Повечето химически чисти метали имат положителен

температурен коефициент (ТКС) т.е. специфичното им съпротивление

нараства с увеличаване на температурата. За широк температурен обхват

зависимостта на съпротивлението R на даден проводник от температурата

се описва с формулата на Календър (1.1) :

R=R0@1+ A HT-T0L+B HT-T0L2D (1.1)

Където R0 е съпротивление при температура Т0 , а A и B са температурни

коефициенти. На практика се избира температурен интервал, в който

зависимостта (1.1) може да се приеме за линейна (1.2).

R=R0@1+ A HT-T0LD = R0 H1+ar DTL (1.2)


11

и температурния коефициент ar = А е постоянен. По широко

разпространение като материали за изработване на терморезистори са

получили платина, никелът и медта. Основното изискване към

материалите от които се произвеждат терморезисторите е да имат висок

температурен коефициент. Също така важно е да имат и значително

високо специфично съпротивление с цел да може да се минимизират

преобразувателите. Терморезистори от платина имат много широк обхват

на измерване -200...+700°С. Функцията им на преобразуване в областта на

положителните температури е линейна, а в отрицателния температурен

обхват от -200 до 0°С се описва с израза (1.3)

R=R0@1+ AT+BT2+C HT- 100L3D (1.3)

където, А, B и C са константи. Недостатък на този преобразувател е

сравнително високата цена, която го прави приложим при по отговорни

измервания в широк температурен обхват. Точността, която може да се

достигне с този тип терморезистори е 0,1°С. Никеловите терморезистори

имат нелинейна характеристика, но са устойчиви към агресивни среди като

горната граница на температурният им обхват достига 300°С. Основното

предимство е голямото специфично съпротивление и големият

температурен коефициент на съпротивлението, което позволява да се

изработват терморезистори с малки размери. Медните терморезистори

имат много ниска цена и се използват широко за измервания в обхвата

20...180°С. При по високи температури медта се окислява и параметрите на

преобразувателя се променят. Ниското специфично съпротивление налага

терморезисторите от мед да се изработват от тънък меден проводник с

голям брой навивки.

Полупроводниковите терморезистори (термистори) представляват

окиси или сулфиди на различни метали, полупроводници и редки

химически елементи. Те имат много голям отрицателен ТКС.

Зависимостта на съпротивлението от температурата се описва достатъчно

точно с зависимостта (1.4)


12

R=AeBT = Ae

B273,15+Tx

(1.4)

където:

Т е абсолютна температура, К;

Тх е измерваната температура, °С;

А е константа с размерност на съпротивление;

B е коефициент с размерност на температура;

Термисторите са сравнително високоомни. При 20°С те имат

съпротивление над 1 кΩ. Чувствителни са към влага поради което са

покрити с лакова изолация. Коефициентите А и В за даден термистор са

известни и постоянни за даден температурен интервал. Терморезисторите

се употребяват за измерване на температура в мостови схеми фиг.1.1 и

схеми при които имаме преобразуване на съпротивлението в пад на

напрежение фиг.1.2.

Фиг.1.1 Мостова схема с

терморезистор

Фиг.1.2 Схема с преобразуване на

съпротивление в пад на напрежение

-Термоелектрически преобразуватели (термодвойки)

Термоелектрическите преобразуватели са вериги от два разнородни

проводника (термоелектроди А и B) фиг.1.3, съединени в едните си


13

Фиг.1.3 Термоелектрически преобразувател (термодвойка)

краища в точка 1, която се нарича работна точка или спойка. Ако

съществува температурна разлика между работната точка 1 и свободните

(неработни) краища a и b на термодвойката, във веригата се появява термо-

електродвижещо напрежение (т.е.д.н.), което зависи от температурната

разлика Т1-Т0 и от физикохимичните свойства на проводниците. Това

явление се нарича термоелектрически ефект. Възникналото т.е.д.н. може

да се измери директно с миливолтметър. Препоръчително е

измервателния уред да е с високо входно съпротивление за да не указва

влияние върху измерваното напрежение. Входна величина е

температурната разлика между работните и неработни краища на

термодвойката, а изходната величина е EAB. За функцията на

преобразуване може да се запише:

EAB = fAB HT1, T0L = fAB HT1L −fAB HT0L (1.5)

При постоянна стойност на температурата Т0, например Т0 = 0 °С, и

задаване на различни стойности на Т1 се получава градуировачна

характеристика на дадена термодвойка:

EAB0 = fAB0 HTxL (1.6)

Тази зависимост в общия случай е нелинейна. Ако температурата на

студените краища е различна от 0 то и ЕАВ ще се различава от ЕАВ0 по

градуировъчната характеристика. Възникналата разлика зависи нелинейно

от температурата, поради което ЕАВ0 може да се намери чрез въведени

специални таблици с поправки или с коригиращи устройства. Решението


14

на този проблем е измерването на температурата в студения край на

термодвойката с някакъв друг тип преобразувател и отчитането му в

зависимостта (1.5) или термостатиране на студения край, което пак е

свързано с мерене на температура с друг тип преобразовател. При всички

случаи точното измерване на температура с термоелектрически

преобразовател се свежда до измерване на поне още една температура

(температурата на студените краища) с друг тип преобразовател, което

прави измерването икономически нецелесъобразно за нуждите на

станцията. Също така винаги функцията на преобразуване е нелинейна,

което обуславя сложни изчисления, които заемат много процесорно време

в изчислителните машини. Понякога се налага въвеждането на коригиращи

таблици, което от своя страна изисква памет. Това също е съществен

недостатък и прави този тип преобразователи по-рядко използваеми. Едно

съществено предимство е голямата динамика, която притежават. На

практика тези преобразуватели са безинерциони и могат да правят локални

измервания в много малки точки. Температурния диапазон в който, могат

да бъдат използвани зависи от типа на металите използвани за направата

на термодвойката като варира в границите -200...1600°С. Грешката на

преобразуване силно зависи от последващите обработки и изчислителната

мощ, която има отчитащото устройство.

- Измерване на температура с PN-преход

При преобразувателите с PN-преход се използва температурната

зависимост на характеристиката им в права посока. Добре известно е, че

всеки PN-преход има температурен коефициент –1,8 ÷ 2,5mV/°C . И този

факт често се използва за измерване на температура с помощта на диод

или транзистор в диодно включване. Този метод за измерване е получил

доста голяма популярност, поради ниската цена на преобразувателя и

точността която може да осигури. Нелинейността на характеристиката

температура-напрежение при константен ток на силициевите преходи не

надхвърля 1% от температурния обхват 100...150°C, т.е 0,4°C. Трябва да се


15

отбележи, че тази характеристика има по-голяма нелинейност в областта

на отрицателните температури. В обхвата 0...100°C нелинейността не

надхвърля 0,1°C [6] Недостатък на този тип преобразуватели е малкия

температурен обхват в който, те могат да работят -55....125°C. Тази

граница на измерване е напълно достатъчна за много от измерваните

температури в промишлеността и бита. Поради възможността,

преобразователя да има малки размери и ниска цена фирмата MAXIM

(DALLAS) [7] e разработила серия от температурни преобразователи [8]

работещи на този принцип. В повечето от преобразователите на фирмата е

интегриран освен измервателния PN-преход така и схема за отчитане и

блок служещ за унифициране на измерената стойност с някакъв

стандартен цифров интерфейс използван в микроконтролерите и

изчислителната техника. Този тип готови преобразователи не се нуждаят

от допълнително калибриране, което ги прави уникални в случаите когато

не разполагаме с добре оборудвана лаборатория за тариране. На фиг. 1.4 е

дадена принципна схема на термометър с PN преход.

Фиг. 1.4 Преобразувател температура-постоянно напрежение с Si диод.

1.4.2 Измерване на относителна влажност на въздуха.


16

Относителната влажност представлява отношението между

количеството водна пара, намираща се във въздуха и максималното

количество водна пара, което въздуха може да поеме при една и съща

температура на въздуха. Изразява се в проценти [9]. Уреда, който измерва

относителната влажност на въздуха се нарича хигрометър. По старото

поколение уреди, които още се употребяват в класическите

метеорологични станции използват свойството на обезмасления косъм да

изменя дължината си с изменение на влажността на въздуха. Понякога,

вместо косъм в някои хигрометри се използва специално обработена кожа.

Принципната схема на класическия хигрометър включва: рамка, скала,

косъм и показалец. Съвременните хигрометри се състоят от първичен

преобразувател (капацитивен или резистивен), електронен преобразувател,

микропроцесор и визуализация. Почти всички имат стандартен изход за

връзка с персонален компютър.

Електронни методи за измерване на влажност:

- Електронни влагомери, използващи метода на измерване на

електропроводимостта.

При тези влагомери се използва свойството на телата да изменят

съпротивлението (или електропроводимостта) си при навлажняване.

Зависимостта на съпротивлението на твърдо тяло от влажността е (1.7)

R =A

Bn

(1.7)

където,

R е електрическо съпротивление на тялото;

А е константа, която зависи от размерите и съдържанието на примеси в

тялото;

B е абсолютната влажност на тялото;

n е специфичен показател, който е характерен за всяко вещество.

При този род влагомери отчитащия уред по своята сънощст представлява

омметър. При навлажняване на твърдо тяло или повишаване на влажността


17

в газ, неговото съпротивление намалява. Този метод е приложим само за

материали, които имат диелектричен характер и са лоши проводници на

електрически ток.

- Електронни влагомери по метода на диелектричната проницаемост.

Диелектричната проницаемост на даден материал обикновенно се

определя като отношение на капацитета на кондензатор при наличие на

този материал между електродите му и капацитета на същият кондензатор,

когато пространството между електродите му е запълнено с вакуум

зависимост (1.8).

∂r =C

C0

(1.8)

Диелектричната проницаемост на водата εr ≈ 80, която се отличава рязко от

стойностите на другите тела. При навлажняване на тялото неговата

диелектрична проницаемост и капацитетът му значително се увеличават.

Обикновено измерването става чрез сравнение на капацитета на

кондензатор в суха среда и капацитета на същия кондензатор с поставен

твърд материал или газ между електродите му. Този тип преобразователи

се наричат капацитивни. Други схеми чрез които, се осъществява

отчитането са генератори в чиято честотно задаваща верига участва

капацитивния преобразовател. Основно методите за отчитане са чрез

директно измерване на честотата (фиг.1.5) на генератора и по известни

зависимости да се изчисли влажността или променливото напрежение от

генератора да се смеси с друго напрежение от еталонен генератор при

което взаимодействие се получава резултатно напрежение

пропорционално на разликата между честотите на измервателния

генератор и еталонния. При този тип схеми регистриращото устройство

представлява волтметър фиг.1.6.


18

Фиг.1.5 Принципна схема за измерване на относителна влажност с

директно отчитане на честотата

Фиг.1.6 Измерване на относителна влажност чрез пропорционално

напрежение.

- Електронни влагомери по метода на диелектричните загуби.

Диелектричните загуби в диелектрик, поместен в електрическо поле,

представляват част от електрическата енергия, преминаваща в топлина.

Големината на диелектричните загуби се измерва с разсейваната мощност,

отнесена за единица обем. Загубите в диелектрика се характеризират чрез

ъгъла на диелектричните загуби δ или чрез тангенса на този ъгъл.


19

Наличието на влага в даден диелектрик повишава силно диелектричните

загуби и ъгъла δ. Измерването на δ е по-сложна задача и затова този тип

влагомери имат по тясно приложение. Схемата в която става измерването

представлява генератор с трептящ кръг. При промяна на диелектричните

загуби се променя и качествения фактор на кръга, при което има блок

регистриращ тази промяна и преобразуващ е в удобна величина за

визуализиране.

- Уреди за измерване на влажността на газове.

Влагосъдържанието на газове се характеризира с абсолютна или

относителна влажност. Абсолютната влажност се нарича количеството

водна пара, което се съдържа в един кубически метър газ. Относителната

влажност като величина е пояснена в началото на глава 1.3.2.

Относителната влажност на газовете се измерва с уреди, чието действие се

основава на психометричния ефект, на свойствата на точката на оросяване,

на зависимостта на топлопроводимостта на газа от количеството водни

пари, съдържащи се в него или на зависимостта на електропроводимостта

на хигроскопичните материали от влажността.

Психометричния ефект се изразява в охлаждане на овлажнената

повърхност на телата вследствие на изпарение. Изпарението, а оттам и

охлаждането ще бъдат толкова по-интензивни, колкото е по-сух околния

въздух или газ. Електронния психометричен влагомер, който основава

действието си на горния ефект, се състои от преобразувател и измерителна

схема. Преобразувателя фиг. 1.7 съдържа два съпротивителни

термометъра. Единия от термометрите 1 служи за измерване

температурата на изпитваната среда и се нарича „сух” термометър.


20

Фиг.1.7 Електронен психометричен влагомер

Вторият термометър 2 се навлажнява с помощта на чорапчето 3 от

памучна тъкан и се нарича „влажен”. Краят на чорапчето е потопен във

водната вана 4, в която постъпва вода от резервоарчето 5 през тръбата 6.

Посредством кабелите 7 преобразувателят се свързва с измерителния уред

8. Този принцип на измерване е свързан с периодична поддръжка и не е

удобен за автономни станции. От изброените принципи най-удобен за

изграждане на метеорологична измервателна станция е капацитивния

преобразувател. Принципът му на работа е по метода на диелектричната

проницаемост. При увеличаване на относителната влажност на въздуха

капацитета на кондезатора се увеличава, което лесно може да се отчете.

Разгледани са една блокова фиг.1.6 и една принципна схема фиг.1.5 за

подобен тип преобразователи.

1.4.3 Измерване на атмосферно налягане.

Уредът с който се измерва атмосферното налягане се нарича

барометър. Атмосферното налягане представлява: натискът, оказан от

атмосферата върху единица земна повърхност [10]. Измерва се в

милиметри живачен стълб (mmHg) или по разпространената напоследък

единица хектопаскал (hPa). Атмосферното налягане е величина, която

постоянно се променя и силно зависи от надморската височина. Като

нормално налягане е прието налягането на морското ниво при географска


21

ширина 45° и температура на въздуха 0°C което е 760 mmHg (101 325 Pa),

с решение на Десетата генерална конференция по мерки и теглилки

(1954 г.) [11] .

Налягането е силата, с която дадено вещество (течност, пара или газ)

действува нормално и равномерно върху единица площ. Разликата между

абсолютната стойност на измерваното налягане и барометричното

налягане се нарича манометрично налягане. Тъй като повечето от

измервателните уреди не са изолирани от атмосферата, те измерват именно

манометрично налягане и се наричат манометри. Електрическите

манометри се конструират по два принципа – с преобразуване на

механичното въздействие в електрически параметър или с измерване

изменението на свойствата на някой материали под въздействие на

налягането – изменение на електрическо съпротивление, топлопроводност,

степен на йонизация. По-голяма част от електрическите манометри са

изградени на принципа на преобразуване на налягането в механични сили

или преместване. Като възприемащи органи се използват мембрани,

силфони или пружини. Наименованието на манометъра се дава или от вида

на възприемащия орган, или от вида на преобразувателя т. е. различават се

мембрани, силфони и т. н. или капацитивни, индуктивни и т. н. манометри.

За измерването на атмосферното налягане е уместна употребата на

развилите се в голяма степен през последните години микро

електромеханични системи MEMS (Microelectromechanical systems) [12].

Поради еволюцията на технологиите и предимно развитието на

микроелектрониката стават възможни нови подходи при изграждането на

подобни микро структури. През последните 5 години има бум на пазара на

подобен тип преобразователи. Като цяло принципите на опериране не са

нещо ново. Те работят на принципи от механиката, електромагнетизъм,

оптика, електрохимия и т. н. Разликата е в технологията, конструкцията,

материалите, степента на интеграция и естествено – в уникалните

възможности за комбиниране с интегрална микроелектроника.


22

Микросистемите се изработват чрез стандартна микроелектронна

технология и някой специфични методи. Груповата им обработка

позволява радикално намаляване на цената спрямо класическите обемни

преобразователи. Този тип преобразователи са бъдещето на модерната

електроника. В процес на разработка са и NEMS (nanoelectromechanical

systems), които ще дадат нови възможности на инженерите по

електроника. Фирмата Frescale предлага барометри изградени на базата на

MEMS. Като пример мога да дам преобразувател MPL115A1, който е

употребен и в настоящата дипломна работа. Това което предлага този

преобразовател е ниска цена, висока точност съчетана със стандартен

изходен интерфейс за връзка с микроконтролер. Изключително малки

размери, което го прави много използван и в мобилни системи например

мобилни телефони, GPS системи и др. Преобразователя има ниска

консумация, което е още едно негово предимство може да работи

продължителни периоди на автономно захранване.

1.4.2 Измерване посока и скорост на вятъра.

Уредите за измерване силата на вятъра се наричат анемометри. Най-

общо се разделят на два вида в зависимост дали измерват скоростта или

налягането на вятъра, но двата показателя са взаимно свързани.

Анемометрите са измервателни уреди със сравнително несложно

устройство и принцип на работа. Според исторически сведения, първият

анемометър е създаден през петнайсети век от италианския архитект Леон

Батиста Алберти. През изминалите векове, конструкцията им е претърпяла

сериозно развитие, разработени са различни видове. Значително е

подобрена и точността им. Към съвременните модели анемометри се

отнасят ултразвуковите и лазер доплеровите уреди. Конструкцията на

анемометъра се състои от три основни части – приемно устройство,

вторичен преобразувател и отчитащо устройство. Приемното устройство е

познато още като чувствителен елемент на анемометъра или първичен

преобразовател. Вторичният преобразовател представлява механичен,


23

пневматичен или електронен блок, който, както личи от наименованието

му, преобразува, усилва и предава деформацията на чувствителния

елемент към отчитащото устройство. Самото отчитащо устройство

обикновено е във вид на скала, индикатор или дисплей, върху които лесно

могат да бъдат отчетени получените резултати.

1.4.2.1 Видове анемометри:

Групата на анемометрите [13] включва разнообразие от различаващи

се като конструкция уреди, които могат да се класифицират на основата на

различи признаци. Най-често се систематизират в пет основни групи -

механични, манометрични, акустични и оптични уреди, както и

термоанемометри.

Към групата на механичните анемометри се отнасят уреди, работата

на които се базира на аеродинамичните сили, възникващи при обтичане на

тела със специфична форма с въздушен поток. Сред най-често

използваните уреди от тази група са чашковите и крилчатите анемометри.

Манометричните прибори измерват динамичното налягане, което

въздушен поток оказва върху течност в специална тръбичка.

При термоанемометри те измерването на скоростта се базира на промените

в температурата на нагрято тяло, зависещи от скоростта на обтичащия го

въздушен поток. Към групата на акустичните анемометри се включват

уреди, използващи зависимостта между скоростта на звука и скоростта на

въздушния поток. Работата на оптичните анемометри се основава на т.нар.

ефект на Доплер.

- Чашкови анемометри

Неслучайно са определяни като най-разпространения и широко

използван вид анемометри. Сред причините за това са сравнително

елементарната им конструкция и добрите им метрологични

характеристики. Основен конструктивен елемент на чашковите

анемометри са полусферични чашки (три или четири на брой), въртящи се

около вертикална ос. Принципът им на действие се основава на разликата


24

между съпротивленията на въздуха при обтичане на вдлъбнатата и

изпъкналата част на полусферичната чашка. Съпротивлението при

обтичане на вдлъбнатата част е три пъти по-голямо от съответстващото му

при обтичане на изпъкналата. Между съпротивлението на въздуха и

оборотите на въртене на уреда съществува пропорционална зависимост.

Ако съпротивлението на въздуха нараства пропорционално на квадрата на

скоростта на флуида, то чашковият анемометър следва да се върти със

скорост, равна на 1/4 от скоростта на флуида. Тъй като съпротивлението

зависи от числото на Рейнолдс [14], при измерване на високи скорости е

необходима индивидуална градуировка. Обикновено ръчните чашкови

анемометри се препоръчват за измерване на скорости от 2 до 30 m/s, при

които относителната грешка е около 2%. Уредите с преобразуване в

електрически сигнал могат да покриват измервателни обхвати от 1,2 до 60

m/s. За връзка на анемометъра с микроконтролер е нужна употребата на

преобразувател, който да преобразува скоростта на въртящата се ос в

пропорционално напрежение или честота. Широко приложение намират

фоторастерните преобразуватели (ФРП). Те преобразуват пропорционално

скоростта на въртене на вала в импулси. Импулсите от своя страна лесно

може да бъдат отчитани в микроконтролера или изчислителна машина и с

последваща обработка да визуализират скоростта на вятъра в m/s или km/h.

Всички електронни метеорологични станции използват именно такъв вид

анемометри. Това е така поради ниската цена която предоставят, лесна

връзка с цифрови системи и неизменна работа при лоши метеорологични

условия. Недостатъци които, могат да се изтъкнат са ниска точност и

ниска чувствителност. На практика скорости по-ниски от 2 m/s е

невъзможно да бъдат измерени.

- Крилчати анемометри – измерват средна скорост

При тях ролята на първичен приемник се изпълнява от пропелер. За

разлика от чашковият анемометър, който се върти около вертикална ос,

перпендикулярна на посоката на вятъра, крилчатият трябва да се постави


25

успоредно на нея. Следователно, оста на пропелера следва винаги да е

успоредна на посоката на въздушния поток. По тази причина се

препоръчва крилчатите анемометри да се комбинират с ветропоказател.

За този вид уреди е характерно, че броят на оборотите на пропелера за

единица време е пропорционален на скоростта на измервания поток.

Преобразуването на оборотите на пропелера в електрически сигнал

обикновено се осъществява чрез електрически контакт, който се затваря

при всеки негов пълен оборот. Генерираното изходно напрежение е

пропорционално на скоростта на въртене. Крилчатите анемометри

измерват директно средната скорост на въздушния поток. По-рядко се

употребяват в метеорологични станции поради факта, че измерват

осреднена стойност на вятъра за продължителен период и също така

нуждата от преобразуване на напрежението в цифров код (Употреба на

АЦП, което внася грешка от квантуване).

- Принцип на работа на термоанемометри

Както вече бе посочено, термоанемометрите използват зависимостта

между промяната на температурата на едно нагрято тяло, обтичано от

въздушен поток, и неговата скорост. Ако тялото се подгрява непрекъснато,

то зависимостта е между неговата равновесна температура и скоростта на

потока. Във вид на чувствителен елемент при термоанемометрите се

използват тънки проводници и ленти, с малка топлинна инерционност и

висока устойчивост на вибрации, в някой по-стари конструкции се

използва и лампа с нажежаема жичка. Обикновено термоанемометричните

чувствителни елементи се изработват от волфрамов проводник с

платиново покритие, с диаметър около 0,05 mm и дължина 1 mm. При

работа на уреда в тежки експлоатационни условия е целесъобразно да се

използва специален чувствителен елемент, имащ тяло от огнеупорно

стъкло, върху което е напластено платинено фолио, с дебелина 0,2 mm и

дължина 1 mm. Термоанемометрите поддържат два режима на работа:

Метод на постоянен ток - при изменение на скоростта на потока се


26

променя и температурата на нишката, т.е. нейното съпротивление;

Метод на постоянна температура - съпротивлението и температурата на

нишката се поддържат постоянни с помощта на система за автоматично

регулиране на тока, който в случая е база за определяне скоростта на

въздушния поток. Термоанемометричният метод на измерване се отличава

с висока чувствителност. Сериозни негови недостатъци, обаче, са

намаляване на чувствителността при увеличаване скоростта на потока,

както и невъзможност за осигуряване на оптимален режим на работа на

чувствителния елемент. За да се поддържа чувствителността на прибора

достатъчно висока, е необходимо температурата на чувствителния елемент

да бъде значително по-голяма от температурата на въздушния поток.

Обикновено температурата на проводника е само с около 200 - 300 К по-

висока. Това намалява възможностите за приложение на метода и той се

използва при температури на потока, не по-високи от 700 - 800 К.

Недостатък на метода е и високата чувствителност на елемента към

замърсяване, което обяснява затрудненото му използване в запрашени

потоци. Предимства на термоанемометрите са подчертаната вече висока

чувствителност, както и широкият диапазон на измерване. Недостатъци са

чупливост на нишката, нелинейна измервателна характеристика, загуба на

чувствителност с времето и др. Поради малката механична якост на

чувствителните елементи с проводник и сравнително сложните

електрически схеми са изработени специални сонди, с вградени

съпротивителни нишки. Те се използват за въздушни потоци със скорости

от 0,02 до 5 m/s, отличават се с относителна грешка ±5% и обхват на

работната температура от 0 ÷ 40°С.

- Акустични анемометри – измерват скоростта и посоката.

С акустичните анемометри се определя както скоростта на потока,

така и посоката му, на базата на ултразвукови вълни. За тази цел

анемометърът е оборудван с две двойки ултразвукови преобразователи,


27

разположени едни срещу други. Последователно, всеки преобразовател

излъчва ултразвуков сигнал, с посока през въздушния поток към

срещуположния преобразувател. Ако посоките на потока и ултразвуковия

сигнал съвпадат, сигналът ще премине разстоянието от излъчващия до

приемащия преобразовател по-бързо. Съответно, ако потокът има

противоположна на сигнала посока, времето, за което ултразвуковият

сигнал ще достигне до срещуположния преобразувател, ще е по-дълго.

Чрез пресмятане на времето, необходимо на звуковия сигнал да достигне

до срещуположния преобразовател и да се върне обратно, се определя

скоростта на потока. Посоката на въздушния поток се определя в

зависимост от ъгъла, под който той пресича ултразвуковите вълни.

Акустичните анемометри се използват широко, тъй като се отличават с

висока точност и конструкция, в която отсъстват движещи се части. Също

така те запазват оптималните си експлоатационни характеристики в

турбулентна среда. Недостатък е висока цена съчетани със сложни схемни

решения. Употребява се при много отговорни измервания.

- Лазер доплеров анемометър – високо точен

Скоростта на въздушните потоци при лазер-доплеровите анемометри

се измерва, благодарение на лазерен лъч. За разлика от вече разгледаните

уреди тези анемометри осигуряват безконтактно измерване на скоростта

на газообразни, течни и твърди среди, съдържащи светоотразяващи

частици. Принципът им на действие се основава на измерване разликата в

честотите на вълните, възникващи в резултат от отражението на лазерния

лъч в движещите се частици. Оптическите анемометри се характеризират с

висока точност и бързодействие, както и вече подчертаното отсъствие на

контакт между уреда и контролирания поток. Измерват скоростта на

въздушния поток в много широк диапазон от няколко микрометра в

секунда до няколко километра в секунда. Въпреки предимствата си,


28

лазерните анемометри са сложни като конструкция и скъпи уреди, поради

което се използват по-широко в индустрията.

1.4.2 Ветропоказател.

Ветропоказателя е уред, който показва посоката на вятъра от която

той духа. Така например северният вятър духа от север на юг. Принципът

му на работа се крие в механичната конструкция. Опашката се изработва

така, че да има голямо съпротивление при удар с въздушен поток.

Въздушният поток се стреми винаги да поставя ветропоказателя в

положение с най-малко съпротивление и по този начин ветропоказателя се

позиционира. Посоката се определя по посоките на света и се означават с

латински букви [15], като следва N – север, S – юг, W – запад, E – изток. За

главни са възприети посоките N и S. Междинните посоки североизток,

северозапад, югоизток и югозапад се записват с 2 букви, първата от които

е на главната посока, а именно NE, NW, SE, SW. В първоразредните

метеорологични станции и обсерваториите е задължително посоката на

вятъра да се записва за 16 посоки, като посоката между основните и

междинните се записва с 3 букви. Примери когато вятърът духа от посока

между запад и северозапад, той се записва като „западно-северозападен“

със символите WNW. Връзката на ветропоказателя с електронните системи

се осъществява с някой от познатите принципи за следене позицията на

вал. Това най-често се осъществява с фоторастерни преобразователи

(ФРП) както при анемометрите. Но също така може да се използват и

друго принципи основаващи се на магнетизма например датчици на Хол

през определен ъгъл или рид ампули. На вала на ветропоказателя е

закрепен магнит, който при движението на вала би давал информация за

ъгъла на завъртане. Като позиционираме ветропоказателя спрямо посоките

на света и знаем броя импулси за един оборот, лесно може да разберем

посоката на движение на вятъра. Предимство на ветропоказатели с ФРП е

голямата точност, която осъществяват по отношение на измерването. На

практика те могат да измерват с точност от порядъка на 1 градус. За


29

съжаление това е придружено с много висока цена, което ги прави по

тясно приложими. За сметка на това ветропоказатели използващи

принципите на магнетизма са с много ниска цена което, ги прави по често

употребявани, когато цената на изделието е от значение.

Както беше споменато в началото на този раздел избора на първичен

преобразовател се прави на база точност на измерването и съответно цена

на преобразователя. С приоритет са преобразователи, които не се нуждаят

от обработка на сигналите и могат директно да бъдат свързвани към

микроконтролер. При необходимост от сметки, трябва да се има в предвид

изчислителната мощност на микроконтролера, която не е голяма. Сметки с

плаваща запетая е редно да бъдат избягвани или ако има такива които са

неизбежни, трябва да бъдат опростявани максимално.


30

2. Проектиране на електронната система

2.1. Блокова схема

Фиг. 2.1 Блокова схема на електронната система.

На фиг.2.1. е показана блоковата схема на изработената система,

която се състои от следните елементи:

• Микроконтролер осигуряващ отчитането и интерфейса с

потребителя.

• Захранващ блок осигуряващ захранване на микроконтролера и

всички останали блокове.

• Цифров преобразувател за измерване на температура на въздуха

DS18S20

• Цифров преобразувател за измерване на температура на почвата

DS18S20

• Цифров преобразувател зa измерване на атмосферно налягане

MPL115A1


31

• Капацитивен преобразувател за измерване на относителна

влажност HS1100

• Релаксационен генератор участващ в измерването на относителна

влажност.

• Анемометър базиран на оптичен преобразовател за отчитане на

скоростта на вятъра.

• Ветропоказател изграден с магнитен преобразувател за отчитане

на посоката на вятъра.

Проектирането на системата протича основно в два етапа:

- Проектиране на електрониката (хардуерна част).

- Проектиране на програмата (софтуерна част).

2.2. Реализация на отделните блокове

В тази част ще се разгледа проектирането на хардуерната

част. Като това ще става по блокове както е показано на фиг.2.1.

2.2.1 Микроконтролер

Микроконтролера се избира в зависимост от нужната ни

изчислителна мощ, периферия която е нужна, програмна и RAM памет.

Също така не на последно място при избора е важно цена на

микроконтролера, достъпност и популярност на пазара. Не е тайна, че

много от конструкторите избират контролери и в зависимост от това дали

са имали предишен опит с микроконтролери на дадена фирма за това и

този фактор понякога оказва влияние върху избора. За нуждите на

метеорологичната станция избирам микроконтролер на фирмата Atmel [16]

ATMEGA32 [17]. В таблица 2.1 са записани по важните характеристики на

контролера. На фиг.2.2 е показано разположението на изводите.


32

Фиг.2.2 Разположение на изводите

Таблица 2.1

Памет

Програмна памет 32kB

Енергонезависима памет 1024B

Оперативна памет 2kB вътрешна SRAM

Ядро

Производителност 16 MIPS

Тактова честота 16 MHz

Архитектура RISC

Брой инструкции 131

Периферия

8-битови порта 4 броя

UART 1 брой

TWI (I2C) 1 брой

SPI 1 брой

АЦП 10-битов мултиплексиран с 8 входа

16-битов таймер T1 1 брой

8-битов таймер T0 и T2 2 броя

JTAG interface 1 брой

Корпус PDIP-40

Програмирането на контролера става чрез персонален компютър по

стандартен SPI. Записването на програмата в контролера се осъществява с

SPI-Flash Programmer 3.7 и AVR-Programmer. На фигура 2.3 е показано как


33

се конфигурират Fuse битовете на микроконтролера за външен 16 MHz

кварцов резонатор.

Фиг.2.3 Конфигуриране на Fuse битове за 16 MHz кварцов резонатор.

Програмата на контролера е написана на програмния език C. Компилатора,

който е използван е Mikro C PRO for AVR [18]. Схема на групата за

начално установяване (НУ) и кварцовия резонатор свързани към

микроконтролера е показана на фиг.2.4.

Фиг.2.4 Микроконтролер със свързани кварцов резонатор и схема за НУ


34

С тактова честота 16 MHz микроконтролера работи с максималната си

производителност от 16 MIPS. Кондензаторите C40 и C41 се задават от

производителя на микроконтролера. Те са включени във веригата на

вътрешния осцилатор, който по своята същност представлява осцилатор на

Пирс. Групата за НУ R1 и C1 се подбират така, че тяхната времеконстанта τ

да бъде най-малко два машинни цикъла според справочната информация

на производителя. При 16 MHz това време трябва да е по-голямо от 4,1 mS.

Времеконстантата τ на така избраната RC- група е 10 mS което е в два пъти

повече от даденето като минимален праг в справочната информация на

контролера. Съответно стойностите на елементите R1 и C1 са 10 кΩ и 1 µF.

Избраните стойности са стандартни и могат да имат толеранс от 10 %.

Работно напрежение на кондензатора 6,3 V. Елементите R1 и C1 се поставят

само в случай при който, измервателния модул работи като самостоятелно

устройство. В общата система ролята на Reset група играят елементи R18 и

C27 които, участват в Reset групата на мастер контролера. Тази връзка се

осъществява през буфериращият логически елемент IC10D, който

представлява двувходов логически елемент „И”. Този елемент с

останалите 3 елемента на интегрална схема IC10 (74HCT08N) буферират

изцяло SPI връзката на контролера с паралелния порт на персоналния

компютър чрез който става програмирането на микроконтролера.

2.2.2 Преобразувател за измерване на температура на въздуха и

почвата.

Изборът на този преобразувател става по същия критерии, който е

описан в глава 1.4.1. За нуждата на метеорологичната станция се избира

преобразувател DS18S20 [20]. Той представлява цифров преобразувател с

1-wire interface. Диапазона, в който може да измерва е -55...125°С. Точност

на измерване ±0,5°С в диапазона -10...85°С. Преобразувателят е много

популярен поради което се намира лесно на пазара и също така цената му

е ниска което го прави привлекателен за голяма част конструктори по

света. На фиг.2.5 е показана блоковата схема на преобразувателя.


35

Фиг.2.5 Блокова схема на преобразувател DS18S20

В своята архитектура преобразувателя има АЦП с 9-битова

разрядност. Разделителната способност на преобразувателя е 0,5°С.

За правилното функциониране на 1-wire интерфейса е необходимо на

информационната шина DQ (фиг.2.5) да има отвеждащ резистор (pull-up)

към Ucc. Стойността на този резистор е дадена по спецификациите и

неговата стойност е 4,7 кΩ. В системата са употребени два

преобразувателя от този тип. Разлика има в схемата на свързване и

стойността на pull-up резистора. Когато се налага измерването да е

отдалечено какъвто е случая с измерване на температурата на почвата

резистора се поставя в близост до преобразователя. Когато връзката е с

дълъг проводник L > 1m , стойността на този резистор е 1кΩ. Поради

специфични особености свързани с защита на електронния модул от

агресивното влияние на атмосферата е препоръчително преобразувателя

за измерване температурата на въздуха да бъде отдалечен на разстояние

от електронния модул, което също налага изменение в стойността на pull-

up резистора. Стойността на pull-up резистора и за двата преобразувателя

е 1кΩ ±10%, резистори R20 и R35. Преобразувателя се нуждае от

захранващо напрежение Ucc=5V. Употребените преобразуватели се

намират в корпус TO-92.


36

2.2.3 Преобразувател за измерване на относителна влажност на

въздуха.

Измерването на относителна влажност на въздуха става чрез

капацитивен преобразувател HS1100 [20]. Преобразувателя участва във

честотнозадаващата верига на един релаксационен генератор с таймер 555.

Фирмата производител на преобразувателя дава в своята документация

примерна схема чрез която, може да се преобразува относителната

влажност в честотата, както и 11 реперни точки. На фиг.2.6 е показана

принципната схема със стойностите на елементите давани от

производителя както и връзката към микроконтролера.

Фиг.2.6 Релаксационен генератор с таймер 555 за измерване на относителна влажност.

Стойностите на резистора R38 и R36 силно зависят от фирмата

производител на таймера. Фирмата произвеждаща капацитивния

преобразувател дава тези стойности в таблица за най-разпространените

производители на таймер 555 на пазара таблица 2.2. В таблица 2.3 са

показани 11 реперни точки давани от производителя.


37

Таблица 2.2

Таймер 555 R38 R36

TLC555 (TI) 909kΩ 576 kΩ

TS555 (STM) 100nF (кондензатор) 523 kΩ

7555 (Haris) 1732 kΩ 549 kΩ

LMC555 (National) 1238 kΩ 562 kΩ

Таблица 2.3 Rh, % 0 10 20 30 40 50 55 60 70 80 90 100

Честота,Hz 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6660 6600 6468 6330 6186 6033

За всички останали стойности на относителната влажност може да се

използва полинома 2.1.

Fmes = F55 I1.1038− 1.9368∗10−3∗Rh + 3.0114∗10−6∗Rh2− 3.4403∗10−8∗Rh3M (2.1)

където:

Fmes е изчислена честота;

F55 e честотата при относителна влажност на въздуха 55% която е 6660Hz;

Rh е относителна влажност на въздуха;

Като задаваме като параметър Rh може да пресметнем останалите

точки на функцията на преобразуване. За получаването на относителната

влажност е нужно решаването на обратната задача, при която параметрите

на полинома са честотата, измервана от контролера при промяна на

влажността. За синтеза на тези полиноми се използва специализираният

програмен продукт MATLAB, чрез който се получава обратната функция

на зададения полином (2.1) [21]. За преобразуването на измерената

честота в относителна влажност се използва полинома (2.2).

Rh = p1∗Fmes +p2 (2.2)

където:

Rh e относителна влажност на въздуха в %;

Fmes е честотата генерирана от таймера 555 и измерена от микроконтролера; p1 е коефициент от MATLAB равен на: -0.07675;

p2 е коефициент от MATLAB равен на: 565.3;


38

В таблица 2.4 са показани полиномите синтезирани от MATLAB

[21]. Обработени са два полинома съответно от първи и трети ред като

чрез изследвания в MATLAB се вижда, че полинома от трети ред има

силна нелинейност в краищата на функцията. От друга страна полинома от

първи ред е по-точен и в същото време по-лесен за пресмятане в

микроконтролера.

Таблица 2.4 Определяне на полиномните функции чрез MATLAB

fittedmodel1 = Linear model Poly1: fittedmodel1(x) = p1*x + p2 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = -0.07675 (-0.0786, -0.07489) p2 = 565.3 (552.9, 577.8)

fittedmodel3 = Linear model Poly3: fittedmodel3(x) = p1*x^3 + p2*x^2 + p3*x + p4 Coefficients (with 95% confidence bounds): p1 = 6.262e-009 (4.848e-009, 7.676e-009) p2 = -0.0001321 (-0.0001605, -0.0001037) p3 = 0.8478 (0.6582, 1.037) p4 = -1583 (-2004, -1161)

Полином от първи ред Полином от трети ред

Характерна особеност на схемата от фиг.2.6 е нуждата от резистори

с малък температурен коефициент. В фирмения каталог на

преобразувателя се задава като максимален праг 100 ppm за резистори R38

и R36. Подобен темепературен коефициент може да бъде постигнат чрез

свързването на 2 резистора последователно с различни по знак

темепературни коефициенти. За това резисторите R38 , R37 и R36 всъщност

представляват два последователно свързани резистора един металослоен с

положителен температурен коефициент и един въглеродослоен с

отрицателен температурен коефициент чрез което сумарния температурен

коефициент е по-малък от 100 ppm и схемата е температурно

стабилизирана. Резистора R34 осъществява връзката между

микроконтролера и генератора. Ролята на този резистор е да ограничи тока

който, постъпва към порта на микроконтролера. За измерването на

честотата е необходима употребата на периферните таймер/ броячи на

микроконтролера [22] и по конкретно 16-битовия таймер T1 чийто вход е

изведен на извод 2 на микроконтролера. Захранващото напрежение на


39

таймера е препоръчително да бъде 5V при което се премахва нуждата от

съгласуване на изходното ниво с входа на микроконтролера. Също така

важна особеност е монтажа на първичния преобразовател. Монтирането на

капацитивния преобразувател към измервателния генератор трябва да

става с минимално къси проводници с нисък собствен капацитет. Самият

генератор се намира непосредствено до преобразувателя при монтажа в

кутия и поставянето му в работно положение. Връзката между генератора

и микроконтролера е препоръчително да става по усукана двойка и при по-

дълги разстояния е препоръчително да има екраниращ кожух.

Преобразувателя трябва да бъде монтиран в подходяща кутия с жалузи

така, че да има пряк контакт с атмосферата и в същото време да бъде

защитен от директно попадане на вода или други замърсители, които биха

довели до дефект в преобразувателя или грешка в измерването.

2.2.4 Преобразувател за измерване на атмосферно налягане.

Измерването на атмосферното налягане се осъществява с цифровия

сензор MPL115A1 [23]. По своята същност той представлява MEMS

структура. На фиг.2.7 е дадена блоковата схема на преобразувателя.

Измерването се осъществява както е видно от фиг.2.7 по мостова схема.

Фиг.2.7 Блокова схема на преобразувателя за атмосферно налягане MPL115A1 и връзка с микроконтролера по стандартен SPI интерфейс.


40

В състава си този преобразувател има Аналогово Цифров

Преобразувател (АЦП) с 10 битова разрядност. АЦП е мултиплексиран с 2

входа. От единия вход отчита стойността на атмосферното налягане. От

другия вход отчита стойността на температурата, която е необходима за

компенсиране на преобразувателя. Също така в преобразувателя има

вътрешна ROM памет и интерфейсна схема за връзка с микроконтролера.

Поради ниската цена на сензора в него няма интегрирана изчислителна

мощ поради което се налага всички сметки да бъдат извършвани в

микроконтролера. Пресмятането на атмосферното налягане с температурна

компенсация става чрез полинома (2.3)

Pcomp = a0 +Hb1 +c11∗Padc +c12∗TadcL∗Padc +Hb2 +c22∗TadcL∗Tadc (2.3)

където:

Pcomp е компенсираната (крайна) стойност на атмосферното налягане в

kPa;

Padc е 10-битова стойност на преобразователя измерващ налягане;

Tadc е 10-битова стойност на преобразователя измерващ температура;

a0 е коефициент за тариране на налягането;

b1 е коефициент определящ чувствителността на преобразователя за налягането;

c11 е коефициент линеаризиращ налягането;

c12 е коефициент определящ чувствителността на преобразователя за температурна компенсация;

b2 е първи коефициент за тариране на преобразователя за температура;

c22 е втори коефициент за тариране на преобразователя за температура.

Тези коефициенти са дефинирани от производителя и са записвани

във вътрешна ROM памет на преобразователя. Контролерът адресира,

прочита и преобразува тези коефициенти по разработен алгоритъм така,

че да са удобни за употреба. Чрез MATLAB е изследван полинома (2.3)

и е установено, [21] че някой от коефициентите не са значещи и

полинома може да се опрости (2.4), което е за предпочитане имайки

предвид слабата изчислителна мощ която притежава контролера.


41

Pcomp = a0 +Hb1 +c12∗TadcL∗Padc +b2∗Tadc (2.4)

Фиг.2.8 Адресно пространство на вътрешната ROM памет.

На фиг.2.8 е показано адресното пространство и коефициентите на

вътрешната ROM памет на преобразувателя. След направени опити се

установява, че АЦП на преобразувателя е доста шумен и е необходимо

усредняване на измерените стойности или някъква филтрация. За целта е

създаден алгоритъм, който усреднява стойността на атмосферното

налягане от 100 отчета. Средноквадратичната грешка на извадка от 100

отчета е 0,108297 при средно-аритметично налягане 1010,17 hPa. В

таблица 2.5 е покзана извадката, която е обработена в Ексел. Стойностите

са свалени от Compact Flash™ памет във формат *.CSV. Грешката, която

се внася от преобразованията и усредняването е с порядъци по-малка от

общата грешка на прибора и може да се пренебрегне. Както другите

преобразуватели до сега и този се нуждае от 5V захранване стандартно за

цифровите системи.


42

Таблица 2.5

P,hPa delta P delta P^2 1012 1,83 3,3489 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289 1009 -1,17 1,3689

1009 -1,17 1,3689 1009 -1,17 1,3689 1009 -1,17 1,3689

1008 -2,17 4,7089 1012 1,83 3,3489 116,11

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289 0,011728

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289 P,avg Greshka

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289 1010,17 0,108297

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289

1008 -2,17 4,7089 1011 0,83 0,6889

1012 1,83 3,3489 1010 -0,17 0,0289

1012 1,83 3,3489 1012 1,83 3,3489

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1009 -1,17 1,3689

1009 -1,17 1,3689 1008 -2,17 4,7089

1008 -2,17 4,7089 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289

1012 1,83 3,3489 1010 -0,17 0,0289

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289

1011 0,83 0,6889 1009 -1,17 1,3689

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1012 1,83 3,3489

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1011 0,83 0,6889

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1009 -1,17 1,3689

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289

1012 1,83 3,3489 1012 1,83 3,3489

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289

1011 0,83 0,6889 1011 0,83 0,6889

1010 -0,17 0,0289 1008 -2,17 4,7089

1010 -0,17 0,0289 1009 -1,17 1,3689

1010 -0,17 0,0289 1011 0,83 0,6889

1011 0,83 0,6889 1011 0,83 0,6889

1012 1,83 3,3489 1012 1,83 3,3489

1011 0,83 0,6889 1011 0,83 0,6889

1009 -1,17 1,3689 1009 -1,17 1,3689

1009 -1,17 1,3689 1008 -2,17 4,7089

1011 0,83 0,6889 1010 -0,17 0,0289

1012 1,83 3,3489 1011 0,83 0,6889

1011 0,83 0,6889 1011 0,83 0,6889

1010 -0,17 0,0289 1012 1,83 3,3489

1010 -0,17 0,0289 1012 1,83 3,3489

1009 -1,17 1,3689 1010 -0,17 0,0289

1010 -0,17 0,0289 1010 -0,17 0,0289


43

2.2.5 Преобразувател за измерване скоростта на вятъра (анемометър).

Измерването на скоростта на вятъра става с класически чашков

анемометър фиг.2.8.

Фиг.2.8 Чашков анемометър за измерване скоростта на вятъра.

Анемометъра задвижва вал на който, в единия край има изграден

фото-растерен преобразувател с оптрон и перфориран диск фиг.2.9.

Перфорирания диск съдържа 36 отвора поставени на 10 ъглови градуса

един от друг. При своето движение диска манипулира светлинния поток на

оптрона поради което, в приемника на оптрона се получават правоъгълни

импулси с честотата пропорционална на честотата на въртене на диска.

Микроконтролера по своята същност измерва честота както и при

преобразувателя за относителна влажност. В този случай се използва един

от 8-битовите таймер/ броячи на контролера а именно таймер Т0. Схемата

на оптрона и елементите нужни за правилната работа на преобразувателя

са дадени на фиг. 2.10.


44

Фиг.2.9 Фоторастерен преобразувател на анемометъра

U1 на фиг.2.10 представлява оптрон с въздушна междина. Избран е оптрон

GP1S51VJ000F [24] на фирмата SHARP. Негови по-важни параметри са

дадени на фиг.2.11. Въз основа на IF избираме ток през светодиода на

оптрона и пресмятаме резистора R41 по закона на Ом отчитайки и пада в

права посока през светодиода (2.5). За IF избирам 10 mA при което,

стойността на резистора R41 e 375Ω. Избирам стандартна стойност 330 Ω с

толеранс 20% като по този начин токът през светодиода ще е малко по-

голям, но в рамките на нормалното за него. Токът ще бъде 11 mA. Резистор

R42 е товарен резистор за транзистора на оптрона. Неговата стойност се

избира на база максимален колекторен ток, който може да протече през

транзистора. Максималния ток IC e 20 mA. За работен ток на оптрона

избирам стойност 1mA при което стойността на резистора R42 се пресмята

по закона на Ом и е равна 5 кΩ. И тук избирам по ниската стандартна

стойност която е 4,7 кΩ с толеранс 20% при което ще има незначително

повишаване на този ток.


45

Фиг.2.10. Принципна схема на фоторастерен преобразувател за анемометър

Фиг.2.11 Максимални стойности на параметрите на оптрона

R41 =Ucc− UF

IF (2.5)


46

Транзистора Т6 със свързаните към него R43 и R44 играят ролята на

буфер между оптрона и микроконтролера. Пресмятането им се извършва

по същите методики както досега. Резистора R43 служи за ограничаване на

базовия ток на Т6. Транзистора Т6 може да бъде всеки един NPN

маломощен транзистор с общо предназначение. Към него няма някакви по

специални изисквания и затова е избран транзистор BC547 [25] който, е

популярен и разпространен на пазара. Всички елементи включени в

състава на анемометъра се монтират в кожуха на анемометъра. Така

изградения анемометър дава по 36 импулса на един пълен оборот на вала.

При ниски скорости на вятъра има слаба чувствителност. От направени

опити с механичен анемометър е установен минимален праг на сработване

от 2 m/s. Функцията на преобразуване е нелинейна, но с допускания и

апроксимиране на функцията може да се сведе до линейна. В този случай

функцията на преобразуване е 10 импулса на m/s. При така създадената

постановка обхвата на измерване е в интервала 2÷25,5 m/s при грешка

±15%. При така направените допускания се услесняват изчисленията в

микроконтролера.


47

2.2.6 Преобразувател за посока на вятъра (ветропоказател).

Ветропоказателя има вида показан на фиг.2.12.

Фиг.2.12 Ветропоказател

Ветропоказателят съдържа 8 рид ампули поставени на 45 ъглови

градуса неподвижно към дъното на кожуха. Върху вала на ветропоказателя

има закрепен диск с закрепен на него магнит в единия край. При въртенето

си магнитът обхожда рид ампулите, като по този начин ги кара да затварят

своите контакти. Това нещо се регистрира от контролера и той постоянно

знае текущата посока на вятъра. Връзката на ветропоказателя към

микроконтролера се осъществява с 8-битовия порт А, който е

мултиплексиран с АЦП на контролера фиг.2.13. Поради факта, че няма да

бъде употребяван АЦП на микроконтролера е удобно да се ползва именно

този порт. С цел по висока шумоустойчивост всички пинове на

микроконтролера са сетнати във високо ниво. При затваряне на контакт на

някоя от рид ампулите се сменя нивото на съответния пин от високо в

ниско и това се регистрира от микроконтролера. Резистори от R45 до R54


48

служат за задаване на високо ниво това са така наречените pull-up

резистори.

Фиг.2.13 Принципна схема на ветропоказател.

Стойността на тези резистори се избира въз основа на максималния

ток който може да протече през порта на микроконтролера. Този ток е 20

mA при лог. „1” и 50 mA при лог. „0”. Като цяло по-малък ток е по-добре

от гледна точка на енергийна ефективност. Световната практика е приела

този ток да е от порядъка на 1 mA при захранващо напрежение 5V,

стойността на тези pull-up резистори е 4,7кΩ. Важна особеност при този

ветропоказател е първоначалното позоциониране при монтаж на

метеорологичната станция да става с помоща на компас. Този тип

ветропоказатели могат да функционират правилно само при правилен

монаж и позоциониране. Също така основата на която, ще бъде монтиран

трябва да е идеално нивелирана.


49

2.3. Реализация на програмната част.

Програмата на микроконтролера е разработена в средата mikroC for

AVR. Използвания език за програмиране е C. На фиг.2.14 е показан реда на

обхождане на подпрограмите включени в главната програма (main).

Фиг.2.14 Ред на извикваните подпрограми в главната програма.

Изпращането на стринга с климатични елементи става по Манчестър

протокол с леки модификации. На фиг. 2.15 е показан вида на изпращаната

информация към мастер контролера. Характерна особеност е добавената

CRC проверка както и един контролен байт. Новообразувалият се

протокол може да бъде кръстен Whether Station Transfer Protocol (WSTP).


50

Фиг.2.15 Вид на стринга изпращан към мастер контролера.

Байтовете 0x0B и 0x0E са служебни за Манчестър комуникацията

като съответстват на старт на комуникацията и стоп. Байтовете RH

предават десетици и единици на относителната влажност. WD показва

посоката на вятъра . WS изпраща данни за скоростта на вятъра съответно

десетици и единици. MNS изпраща информация за знак на температурата.

ST дава информация за температурата съответно десетици, единици и

дробна част. BP атмосферно налягане в hPa съответно хилядни, стотици,

десетици и единици. CS е служебен байт свързан с CRC проверката.

Предаването на числа с няколко разряда става от по-старшия към по-

младшия разряд. Комуникацията между микроконтролерите става изцяло

по софтуерен път. Предимство на този протокол за обмен е възможността

за безжично предаване на данни с много голяма сигурност на предаваните

данни и малка вероятност за възникване на грешка. Изпращаните символи

се кодират в ASCII код. Посоката на предаване е от Slave устройствата към

Master устройството. Няма предвидена възможност за обратна връзка от

Master към Slave. След всяко измерване Slave контролера изпраща

информацията по канала за връзка. Master контролера е този, който

преценява кога да опресни своята информация.

Описанието на алгоритмите ще бъдат илюстрирани чрез фрагменти

от сорса. В карета са заградени някой по-важни функции придружени с

съответния коментар.

Инициализацията на променливи се извършва във функция

InitGlobal() както и инициализирането на хардуера на микроконтролера.

Функцията void Timer2Overflow_ISR() генерира прекъсване от

таймер 2, в което прекъсване се обработват данните натрупани в броячите


51

Т0 и Т1. Чрез тази функция всъщност се отчита честотата от

преобразователите за относителна влажност и анемометъра. Системата е

void Timer2Overflow_ISR() org IVT_ADDR_TIMER2_OVF // Вектор на прекъсване от таймер 2

count1 = ((TCNT1H<<8)+TCNT1L); // count1 за измерване на Rh се използва T1

count2 = TCNT0; // count2 за измерване скорост на вятъра се използва T0

if (counter >= _THRESHOLD)

count = (count1*2*2*1.0435); // Корекция на честотата

oldCount = count; // Честотата за относителна влажност

oldCount2 = (count2*2*2); // Честотата за скорост на вятъра

oldCount2 = oldCount2 - (oldCount2*0.11); // Корекция на честотата

count2 = 0; // Reset count2

TCNT0 = 0; // Нулирай регистър TCNT0

count = 0; // Нулирай брояча count

counter = 0; // Нулирай брояча counter

TCNT1H = 0; // Нулирай старшия байт на Т1

TCNT1L = 0; // Нулирай младшия байт на Т1

else

counter++; // Инкрементирай брояча counter

counter2++; // Инкрементирай брояча counter2

калибрирана с честотомер като при това калибриране се налагат някой

корекции в честотата.

При пресмятането на полинома за относителна влажност се прави

проверка дали измерената честотата е в нормалните граници ако да се

пресмята, ако отговора от проверката е не се присвоява старата стойност

измерена за относителна влажност. При изискване за самодиагностика

може да бъде добавено системно съобщение за грешка, което да насочи

техническите лица за възможна повреда.

Функция directionF() прочита информацията от ветропоказателя.

Предвидена е възможност за изобразяване на посоката върху дисплей 2х16

HD44780 базиран.


52

int directionF (void)

switch (PINA) //Провери ветропоказателя

case 0b11111110:

//Lcd_Out(2,1," N"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 1 + 48; //Текущата посока е N

break;

case 0b11111101:

//Lcd_Out(2,1,"NE"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 2 + 48; // Текущата посока е NE

break;

case 0b11111011:

// Lcd_Out(2,1," E"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 3 + 48; // Текущата посока е E

break;

case 0b11110111:

//Lcd_Out(2,1,"SE"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 4 + 48; // Текущата посока е SE

break;

case 0b11101111:

//Lcd_Out(2,1," S"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 5 + 48; // Текущата посока е S

break;

case 0b11011111:

//Lcd_Out(2,1,"SW"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 6 + 48; // Текущата посока е SW

break;

case 0b10111111:

//Lcd_Out(2,1," W"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 7 + 48; // Текущата посока е W

break;

case 0b01111111:

//Lcd_Out(2,1,"NW"); // Ако има дисплей покажи

return serial[3] = 8 + 48; // Текущата посока е NW

break;

default: '1';

break;

// Край на функция directionF()


53

Ако към системата бъде закачен LCD дисплей той е дефиниран за

присъединяване на PORTD. Със следващите дефиниции става по ясно кои

изводи как трябва да бъдат свързани:

// LCD модул връзки

sbit LCD_RS at PORTD2_bit;

sbit LCD_EN at PORTD3_bit;

sbit LCD_D4 at PORTD4_bit;




sbit LCD_RS_Direction at DDD2_bit;

sbit LCD_EN_Direction at DDD3_bit;

sbit LCD_D4_Direction at DDD4_bit;




// Край на LCD модул връзки

Управлението му става по 4 битова информационна шина.

Измерването на атмосферно налягане се осъществява във функция

Pressure Air()

void Pressure_Air(void)

Chip_Select = 0;

Delay_ms(5);

SPI1_Write(0x24);

Delay_ms(5);

SPI1_Write(0x00);

Delay_ms(5);

Chip_Select = 1;

Delay_ms(5);

Chip_Select = 0;

Delay_ms(5);

SPI1_Write(0x80);

Delay_ms(5);

uiPH = SPI1_Read(0x00);

Delay_ms(5);


54

SPI1_Write(0x82);

Delay_ms(5);

uiPL = SPI1_Read(0x00);

Delay_ms(5);

SPI1_Write(0x84);

Delay_ms(5);

uiTH = SPI1_Read(0x00);

Delay_ms(5);

SPI1_Write(0x86);

Delay_ms(5);

uiTL = SPI1_Read(0x00);

Delay_ms(5);

Chip_Select = 1;

uiTadc = (((uiTH << 8) + uiTL)>>6);

uiPadc = (((uiPH << 8) + uiPL)>>6);

Pcomp = a0 + ((bz + c11*uiPadc + c12*uiTadc)*uiPadc) + ((bx +c22*uiTadc)*uiTadc);

//Pcomp = a0 + (((bz + c12*uiTadc)*uiPadc) - 265); //((bx +c22*uiTadc)*uiTadc));

pressure_pKa = (((0.0635386*Pcomp)+50)*10);

if (i==100)

i=0;

avrPressure=sumaPress*0.01;

sumaPress=0;

else

i++;

sumaPress=sumaPress+pressure_pKa;

serial[11] = ( avrPressure / 1000 ) % 10 + 48;




В тази функция става прочитането на информацията от MPL115A1

обработката и подготовката за изпращане. Събраната информация от

всички сензори се записва в масива serial[] и се подава към функциите за

обслужване на комуникацията с Master контролера.

Измерването на температура се осъществява във функция

Display_Temperature()


55

int Display_Temperature(unsigned int temp2write)

// Провери ако температурата е отрицателна

if (temp2write & 0x8000)

temperature[0] = '-';

temp2write = ~temp2write + 1;

else

temperature[0] = '+';

// конвертирай temp_whole

temp_whole = temp2write >> RES_SHIFT ;

temperature[1] = (temp_whole/10)%10 + 48; // Изведи десетици

temperature[2] = temp_whole%10 + 48; // Изведи единици

temp_fraction = temp2write << (4-RES_SHIFT);

temp_fraction &= 0x000F;

temp_fraction *= 625;

// Конвертирай temp_fraction в символ

temperature[3] = temp_fraction/1000 + 48; // Изведи дробна част

return 0;

//Край на функция за измерване на температура

2.4. Прототип.

Изградения модул е част от една по-голяма система за измерване,

записване и визуализиране на климатични елементи. Настоящия модул

фиг.2.17 както и останалите два модула, които също са описани във вид на

дипломна работа представлява разпределена система [26,27]. Изграден е

прототип на цялостната система фиг.2.16.


56

Фиг.2.16 Прототип на цялостната система.

Фиг.2.17 Електронния модул “Slave 2”за измерване на климатични

елементи на „експериментална платка”- прототип.


57

Заключение и бъдеща работа:

Изградена е система за измерване на климатични елементи със

следните по-важни параметри таблица 2.6. Цялостната система е

изследвана в продължение на два месеца и данните измерени от системата

съвпадат напълно с данните от други метеорологични станции в района.

Отклоненията на някой от измерваните климатични елементи е в

границите на грешката за конкретните прибори.

Таблица 2.6

Измерван елемент Обхват на измерване Грешка на измерването

Температура на въздуха -55 ÷ 125°C ± 0,5°C за (-10°C÷ 85°C)

Температура на почвата -55 ÷ 125°C ± 0,5°C за (-10°C÷ 85°C)

Относителна влажност 1% ÷ 99% ± 2% за (10% ÷ 90%)

Атмосферно налягане 50kPa ÷ 115kPa ± 1kPa

Скорост на вятъра 2 m/s ÷ 25,5 m/s ± 10%

Посока на вятъра 8 основни посоки

Бъдещата работа е насочена в оптимизиране на сорса, добавяне на

нови измервания, добавяне на алгоритъм показващ 16 посоки. Бежично

предаване на информацията от slave към master контролера. Създаване на

алгоритъм регистриращ и записващ поривите на вятъра както и средна и

моментна скорост на вятъра. Минимизиране и оптимизиране на хардуера.

Добавяне на алгоритъм показващ предпоставки за валежи. Разширяване на

измерванията свързани с почвата.


58

3. Надеждностен анализ

Поради спецификата на устройството е трудно да бъдат пресметнати

величините характеризиращи надеждността на устройството. По точни

данни биха се получили при изследване на няколко прототипа в

продължение на по продължителен период. Също така е добре да бъдат

проведени тестове при изкуствено създадени различни метеорологични

условия. Надеждността [28] като свойство на изделието се обуславя от

следните показатели:

• безотказност; • дълготрайност; • ремонтопригодност; • съхраняемост.

За пресмятането на параметрите характеризиращи надеждността е

удобна употребата на софтуерния калкулатор RelCalc MTBF на T-

Cubed Systems, Inc. Според спецификацията на производителя този

калкулатор работи със стойностите дадени в наръчника MIL-HDBK-

217F [29]. Качествената характеристика за определяне на надеждността

е средното време за безотказна работа Тср. Според симулатора това

време е (Mean Time Between Failures) MTBF = 366566.2358 часа, което е

приблизително равно на 42 години.

В приложение 5 е качен лог файла на програмата. На фиг.3.1 е

представена графичната зависимост на честотата на отказите FR

(Failure Rates) в зависимост от работната температурата.

Фиг.3.1 Зависимост на честота на отказите от температура


59

4. Икономически анализ

В съвременната световна практика един от най-важните показатели на

всяко едно изделие е цената. До голяма степен борбата на фирмите е

съсредоточена в това да се изработват електронни изделия на

изключително ниски цени. Предизвикателствата пред инженерите е

огромно и постоянно се търсят по евтини решения на досега

съществуващите системи. Настоящия проект предлага изключително

ниска цена на готовия прототип. Цената е конкурентоспособна на досега

съществуващите решения и може да конкурира голяма част от гигантите в

този бранш. В таблица 4.1 е направена спецификация на елементите с

техните цени и брой. Изчислена е себестойността на устройството. В тази

цена не са включени интелектуалния труд и труда свързан при

изработката на изделието. Едно от предимствата на метеорологичната

станция, е възможността за конфигуриране на измерванията от

потребителя. Това би спестило много средства и труд с ненужни

измервания.


60

Таблица 4.1.

Себестойност на отделните материали

Наименование Брой Единична цена Лв.

1. Резистори 18 0,01 0,18

2. Кондензатори керамични 2 0,10 0,20

3. Кондензатори електролитни 3 0,15 0,45

4. Рид-ампули 8 1,00 8,00

5. Транзистори 1 0,25 0,25

6. Микроконтролер 1 12,00 12,00

7. Интегрална схема 74HCT08 1 0,60 0,60

8. Таймер 555 1 1,00 1,00

9. Сензор MPL115A1 1 0,50 0,50

10. Капацитивен преобразувател HS1100 1 20,00 20,00

11. Сензор DS18S20 2 8,00 16,00

12. Ветропоказател 1 50,00 50,00

13. Анемометър 1 50,00 50,00

15. Кварцов резонатор 1 1,00 1,00

16. Оптрон с въздушна междина 1 1,50 1,50

17. Куплунзи RJ-45 3 0,10 0,30

Обща стойност 161,98


61

6. Приложения

Приложение 1

• Принципна схема на цялостната система.


62


Печатна платка – графични оригинали:

Печатна платка – горен и долен слой с елементите


63


Печатна платка горен слой


64


Долен слой


65


Спецификация на елементите за Slave 2:

Озн. Наименование Кол. Забележка

Кондензатори БДС 3940–80

C40, C41 22pF; ±10% 2 Керамичен

Резистори постоянни БДС 10151–81

R20,R35, R43 1k Ω; ±10%; 0,250W; 3 РПМ

R47÷R54, R44 4,7кΩ; ±10%; 0,250W; 9 РПМ

R41 330Ω; ±5%; 0,250W; 1 РПМ

R42 4,7kΩ; ±5%; 0,250W; 1 РПМ

R34 1kΩ; ±20%; 0,250W; 1 РПМ

R37 49,9кΩ; ±1%; 0,250W; 1 РПМ/ 100 ppm

R36 536kΩ; ±1%; 0,250W; 1 РПМ/ 100 ppm

R38 909kΩ; ±1%; 0,250W; 1 РПМ/ 100 ppm

Интегрални схеми

IC11 NE555 1 Таймер

IC10 74HCT08N; 1 Двувдодови „И”

Транзистор

Т6 BC547; NPN; Si; 1 Биполярен

Кварцов резонатор

Q5 16 MHz 1 -

Микроконтролер

IC5 ATMEGA 32 1 Atmel

Оптрон с въздушна междина.

U1 GP1S51VJ000F 1 оптрон

Куплунзи

J2, J5 ,J6 RJ-45 3 8-пина

J8÷J10 Рейки 3 8-пина

J11÷J13 Джъмпери 3 2-пина


66


Озн. Наименование Кол. Забележка

Капацитивен преобразувател

C43 HS1100 1 Hymirel

Цифрови сензори

IC14 MPL115A1 1 SPI

IC12, IC13 DS18S20 2 One-Wire


67


Приложение 4 съдържа CD:

• Source - код на микроконтролера (*.h, *.c, *.hex)

• PCB – печатна платка и принципна схема (*.sch, *brd, *,pdf)

• Datasheet – справочни данни на компонентите (*.pdf)

• Other – други документи и архиви.


68


• Log файл от: RelCalc for Windows, Version 5.1-TELC2 (Build 2010.4795)


69



70

Използвана литература

1. Лазаров П., Желев Ж., „География”,София, Анубис 1995 г. 2. http://bg.wikipedia.org/wake/Метеорологична_станция

3. Колев Н.,Лазаров А.,Манов Е.,Матраков Б.,Туренков В., „Електрически

измервания”, София, Техника, 1989 г.

4. Русев Д., Пенкова Д., „Електрически измервания на неелектрически

величини”, София, Техника, 1985 г.

5. Ангелов А., Колев Х., „Промишлена електроника”, София, Техника,

1979 г.

6. Досев К., „Цифров мултиметър”,София,Техника,1978 г.

7. http://www.maxim-ic.com

8. http://www.maxim-ic.com/app-notes/index.mvp/id/4679

9. http://bg.wikipedia.org/wiki/Влажност_на_въздуха

10. http://bg.wikipedia.org/wiki/Атмосферно_налягане

11. Джаков Е., „Международна система измерителни единици”,София,

Техника, 1975 г.

12. Тренков Й., „Интегрални схеми и сензори”,София, Техника, 2010 г.

13. http://www.tech-dom.com/statii.aspx?id=1054

14. http://bg.wikipedia.org/wiki/Критерий_на_Рейнолдс

15. http://bg.wikipedia.org/wiki/Вятър

16.http://www2.atmel.com/

17. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf

18. http://www.mikroe.com/eng/home/index/

19. http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS18S20.pdf

20. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/humirel/HS1100.pdf

21. Гоцов Цв. Левски Д. Кръстев К. „Разпределена електронна система за измерване на климатични елементи”. Сборник доклади на Студентска

научна сесия– СНС’11 на Русенски Университет ”А. Кънчев”, ISSN 1311-

3321, Русе, 2011г. с.27-31


71

22. Гоцов Цв. “Универсален високоскоростен брояч с микроконтролер”

Сборник доклади на Студентска научна сесия– СНС’10 на Русенски

Университет ”А. Кънчев”, ISSN 1311-3321, Русе, 2010г. с.9-13

23. http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPL115A1.pdf

24. http://sharp-

world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/gp1s51v_e.pdf

25. http://lab.binus.ac.id/pk/databook/transistor/BC547.pdf

26. Кръстев К. Гоцов Цв. Левски Д. „Електронна система за измерване на радиационния и естествен гама-фон”. Сборник доклади на Студентска

научна сесия– СНС’11 на Русенски Университет ”А. Кънчев”, ISSN 1311-

3321, Русе, 2011г. с.32-36

27. Левски Д. Гоцов Цв. Кръстев К. „Вграден TCP/IP сървър за

автоматизирано събиране на метеорологични данни”. Сборник доклади на

Студентска научна сесия– СНС’11 на Русенски Университет ”А. Кънчев”,

ISSN 1311-3321, Русе, 2011г. с.37-41

28. http://mladtehnik.com/?p=3745

29. Department of defense USA, “Military handbook –Reliability prediction of

electronic”, 1991 г.

30. „Наръчник по електронни измервателни уреди”, под общата редакция

на Кумбс К., София, Техника, 1978г.

31. Шилдт Х. „С-практически самоучител”, Софтпрес, София, 2001г.

32. Манукова А. , Щерева К. „Ръководство за дипломно проектиране”,

Русе, 2007г.

33. Lipovski J., „Single- and Multi –Chip Microcontroller Interfacing”,

Academic Press Series in Engineering, 1999г.

34. Ganssle J. “Embedded Systems- World Class Designs ”, Newnes, 2002г.

35. Morton J. “AVR an Introductory Course”, Newnes, 2002г.

36. http://www.mikroe.com/eng/home/index/

37. Parab J., Shelake V., Kamat R., Naik G., “Exploring C for

Microcontrollers”, Springer, 2007г.

38. Bates M. “Programming 8-bit PIC Microcontrollers in C”, Newnes, 2005 г.


72

Съдържание

Анотация................................................................................................................................................................................................4

Увод………………………………………………………………………………………….......................................................................6

1. Литературен обзор...............................................................................................................................................................8

1.1. Метеорологична станция.…………………….....................................………………………………..…..8

1.2. Видове метеорологични станции………………………………………..……………………..…...8

1.3 Измервания извършвани от електронната метеорологична станция…9

1.4 Първични преобразователи в метеорологичните станции…………………….9

1.4.1 Измерване на температура на въздуха и почвата………...…………………..9

1.4.2 Измерване на относителна влажност на въздуха…………………………..15

1.4.3 Измерване на атмосферно налягане…………………………………………………...20

1.4.4 Измерване посока и скорост на вятъра……………………………………...………22

1.4.5 Ветропоказател…………………………………………………………………………………….…….28

2.Проектиране на електронната система………………………………………………………………..30

2.1 Блокова схема………………………...................................................………………………………….…………30

2.2. Реализация на отделните блокове……………………………………………………………….31

2.2.1 Микроконтролер…………………………………………………………………………..……………31

2.2.2 Преобразувател за измерване на температура на въздуха и

почвата....................................................................................................................................................................................................34

2.2.3 Преобразувател за измерване на относителна влажност на

въздуха……………………………………………………………………………………………...………………………………….36

2.2.4 Преобразувател за измерване на атмосферно налягане……………....39

2.2.5 Преобразувател за измерване скоростта на вятъра………………………41

2.2.6 Преобразувател за посока на вятъра ............................................................................45

2.3. Реализация на програмната част…………………………………………….……………………49

3.Надеждностен анализ…………………………………………..............................................……………….…..…...58

4.Технико – икономически анализ………………………………...................................……………....…….59

6.Приложение……………………………………………………………..........................................................…………….….61

7. Литература……............................…………………………………………….....................................................……………70

Documents

Diplomna Rabota Final - gotsov.files.wordpress.com · РУ ”А.Кънчев ”, кат .Електроника , „Електронна система за измерване