Проектування мікропроцесорної метеостанції

3.1.4 Датчики тиску

Ємнісні датчики. Якщо звернутись до Рис. 3.1.4.1., то датчик сили можна побудувати, якщо між пластинами конденсатора встановити пружини, а на верхню пластину подати силове навантаження. Тоді, чим більше прикладена сила, тим більше будуть стиснуті пластини, тим менша буде відстань між ними, тим більша ємність. Але, оскільки такі датчики залежать від факторів зовнішнього середовища, то використання цього принципу потребує значних конструктивних зусиль.

А ось як безконтактні кнопки ємнісні датчики застосовуються часто. Використовується різка зміна ємності при натисненні пальцем кнопки. Конструкція датчика сили з кнопкою показана на Рис. 3.1.4.1.

Рис. 3.1.4.1 Конструкція датчика сили з кнопкою

При натисненні на кнопку відстань між провідною силіконовою шайбою та електродами змінюється. Тому змінюється і ємність між обкладками електродів на друкованій платі. Мікросхема контролера перетворює ємність датчика у напругу, а потім у цифровий код. Такі датчики використовують у клавіатурах комп'ютерів, пультах мобільних телефонів, відеокамерах тощо.

Для вимірювання тиску використовується гнучка пластина конденсатора. Якщо на цю гнучку пластину поданий тиск, вона наближується до іншої постійної пластини конденсатора, тому ємність конденсатора змінюється в залежності від тиску. На Рис. 3.1.4.2. зображена така конструкція датчика тиску.

Рис. 3.1.4.2 Конденсаторний датчик тиску

У конкретних конструкціях формуються складні форми діафрагм, що дозволяють одержати комбінації лінійності, чутливості та частотної характеристики.

П'єзоелектричні датчики. Дія цього датчика основана на використанні п'єзоелектричного ефекту, при якому при стисненні кристалу на його гранях з'являються електричні заряди. Такі датчики не потребуються зовнішнього збудження. Схема датчика показана на Рис. 3.1.4.3.

Рис. 3.1.4.3 П'єзоелектричний датчик тиску

Під дією тиску діафрагма натискає на кристал і на тому з'являється напруга, що пропорційна тиску. Ці датчики доцільно застосовувати, якщо вимірюється тиск, що швидко змінюється. Головна якість цих датчиків - високі динамічні характеристики (частоти до десятків МГц).

Тензорезистивні датчики. Тензорезистивний ефект - зміна електричного опору резистора під впливом розтягування або стиснення. Опір будь-якого дроту залежить від його довжини та зрізу у відповідності до формули (3.1.4.1.):

R = L/S, (3.1.4.1.)

де - питомий опір металу при заданій довжині та зрізу, L - довжина дроту, S - його зріз.

Якщо до цього дроту надати фізичне зусилля, він витягнеться, а його

зріз зменшиться. Обидва фактори збільшують опір дроту як резистора. При стисненні ці фактори впливають у зворотному напрямку. Для збільшення впливу тиску дріт вкладають у вигляді багатьох витків на непровідній основі, як це показано на Рис. 3.1.4.4.

Рис. 3.1.4.4 Конструкція тензорезистивного датчика

Для збільшення чутливості тензорезистивний датчик встановлюють як елемент моста, діагональ якого підключається до входів операційного підсилювача, як це показано на Рис. 3.1.4.5.



Рис. 3.1.4.5 Схема використання тензорезистивного датчика

Зміна опору тензорезистивного датчика Rs1 призводить до зміни напруги в діагоналі мосту, яка підключена до протифазних входів операційного підсилювача А1. Тому на виході операційного підсилювача напруга V0 є підсиленим сигналом збільшення або зменшення сигналу тензорезистивного датчика.

Сенсорні датчики тиску. Сенсорні датчики атмосферного тиску складаються з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів. Датчики атмосферного тиску калібрують виробником. Калібровані коефіцієнти вказуються для кожного датчика на зворотній стороні його корпуса. Датчики тиску підключають до одному з пристроїв введення аналогових сигналів RL-8AІ, RL-88АС, RL-40AІ або RL-32RTD.

Для проектуємого пристрою було обрано сенсорний датчик, тому що він найкраще підходить за технічними даними та для виміру атмосферного тиску не доцільно використовувати більш потужні та дорожчі датчики.

мікропроцесорний метеостанція датчик плата

3.1.5 Огляд символьних індикаторів

Рідкокристалічні індикатори. В даний час в мікропроцесорних системах для відображення інформації широко використовують рідкокристалічні індикатори (РКІ). Умовно всі РКІ можна розділити на дві категорії: символьні, або знакосинтезуючі, та графічні. Графічні індикатори являють собою матрицю з m рядків і n стовпців, на перетині яких знаходяться пікселі. У символьному ж РКІ матриця пікселів розбита на підматриці, кожна підматриця призначена для формування одного символу: цифри, букви або знака пунктуації. Як правило, для формування одного символу використовують матрицю з восьми рядків і п'яти стовпців. Символьні індикатори бувають одно-, двох- і чотирирядкові.

Семисегментний індикатор - пристрій відображення цифрової інформації. Це - найбільш проста реалізація індикатора, який може відображати арабські цифри. Для відображення букв використовуються більш складні багатосегментні і матричні індикатори. Семисегментний індикатор, як говорить його назва, складається з семи елементів індикації (сегментів). Часто семисегментні індикатори роблять в курсивному кресленні. Цифри, 6, 7 і 9 мають по два різних подання на семисегментний індикаторі. У ранніх калькуляторах Casio і Електроніка цифра 0 відображалася в нижній половині індикатора. Сегменти позначаються буквами від A до G; восьмий сегмент - десяткова точка, що має назву DP (decimal point), призначена для відображення дробових чисел. Зрідка на семисегментний індикаторі відображають літери. Сучасні семисегментні індикатори, зроблені на основі світлодіодів, виготовляють у формі сегментів, тому світлодіодні індикатори мають гранично просту, уніфіковану форму: чим менше різних світлодіодів, тим дешевше пристрій

Матричний індикатор - пристрій відображення інформації, елементи відображення якого згруповані по рядкам та стовпцям. Матричний індикатор відноситься до знакосинтезучих цифро-буквеним індикаторами і призначений для відображення інформації у вигляді букв, цифр, математичних і спеціальних знаків, знаків пунктуації, мнемонічних символів. Матричним індикатором вважається пристрій, об'єднаний в закінченому конструктиві - корпусі. На відміну від матричних моніторів, дисплеїв або екранів, матричним індикатором прийнято вважати пристрій з відносно невеликою кількістю пікселів, або пристрій, призначений для виведення одного або декількох символів, хоча межа досить розмита.

Газорозрядний екран (також широко застосовується англійська калька «плазмова панель») - пристрій відображення інформації, монітор, заснований на явищі свічення люмінофора під впливом ультрафіолетових променів, що виникають при електричному розряді в іонізованому газі, інакше кажучи в плазмі. Плазмова панель є матрицею газонаповнених осередків, укладених між двома паралельними скляними пластинами, усередині яких розташовані прозорі електроди, що утворюють шини сканування, підсвічування і адресації. Розряд в газі протікає між розрядними електродами (сканування і підсвічування) на лицьовій стороні екрану і електродом адресації на задній стороні.

Органічний світлодіод (англ. Organic Light-Emitting Diode (OLED) - органічний светоизлучающий діод) - напівпровідниковий прилад, виготовлений з органічних сполук, який ефективно випромінює світло, якщо пропустити через нього електричний струм. Основне застосування технологія OLED знаходить при створенні пристроїв відображення інформації (дисплеїв). Передбачається, що виробництво таких дисплеїв буде набагато дешевше, ніж виробництво рідкокристалічних дисплеїв.

З всіх вищеперерахованих типів індикаторів, для пристрою було обрано рідкокристалічний індикатор. Він являється найбільш оптимальним варіантом тому, що, порівняно з іншими індикаторами його ціна порівняно не висока, також в нього невелика споживана потужність. Простота у використанні, та його доступність, надійність і ефективність спонукали до вибору даного індикатора.

3.2 Алгоритм

Алгоритм роботи мікропроцесорної метеостанції приведено на Рис. 3.2.1.





Рис. 3.2.1 Алгоритм роботи мікропроцесорної метеостанції

3.3 Пояснення роботи алгоритму програми

Блок «Початок» - підготовка приладу до роботи. Підключення приладу та виконання налаштувань;

Блок «Ініціалізація» - запуск мікроконтролера, виконання основної програми, ввімкнення датчиків;

Блок «Запит датчика температури» - виконується запит датчика температури;

Блок «Готовий?» - якщо датчик готовий, відбувається замір даних про температуру, якщо ні, то запит проводиться повторно;

Блок «Дані про температуру» - інформація з датчика потрапляє на мікроконтролер;

Блок «Запит датчика вологості» - виконується запит датчика вологості;

Блок «Готовий?» - якщо датчик готовий, відбувається замір даних про вологу, якщо ні, то запит проводиться повторно;

Блок «Дані про вологість» - інформація з датчика потрапляє на мікроконтролер;

Блок «Запит датчика тиску» - виконується запит датчика тиску;

Блок «Готовий?» - якщо датчик готовий, відбувається замір даних про тиск, якщо ні, то запит проводиться повторно;

Блок «Дані про тиск» - інформація з датчика потрапляє на мікроконтролер;

Блок «Вивід інформації на екран» - дані про температуру повітря, вологість повітря та атмосферний тиск, передаються з мікроконтролера на екран;

Блок «Передача інформації в ЕОМ» - дані про температуру повітря, вологість повітря та атмосферний тиск, передаються з мікроконтролера до ЕОМ, за допомогою USB-порта.

Принцип роботи системи згідно алгоритму. При ввімкненні пристрою (Початок), відбувається ініціалізація, тобто завантаження програми, ввімкнення датчиків, запуск основної програми (Ініціалізація). Далі слідує запит датчиків. Спочатку відбувається запит датчика температури, якщо датчик готовий до роботи, то з нього знімаються дані про температуру, якщо датчик знаходиться в неготовому стані, то програма виконує повторний запит і так доки датчик не стане готовим до роботи. Наступним датчиком запитується датчик вологості. Процес запиту аналогічний попередньому. Так само відбувається й запит датчика тиску.

Після виконання збору інформації з датчиків, мікроконтролер виконує її обробку та виводить готові дані на пристрій відображення інформації та за допомогою USB порту, виконується передача даних до ЕОМ.

4. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

4.1 Вибір елементної бази

4.1.1 Мікроконтролер

Види існуючих мікроконтролерів наведено в таблиці Табл. 4.1.1.1.

Табл. 4.1.1.1

Модель	Максимальна тактова частота, МГц	Розрядність АЦП	Кількість каналів АЦП	Таймери	Корпус	Напруга живлення, В
АТmega8	16	8	8	1	PDIP28	2,5-5,5
АТmega48	20	10	8	3	PDIP28, TQFP32	1,8-5,5
ATtiny26	20	10	11	2	PDIP20, SOIC20	4,5-5,5
PIC16F819	20	10	5	3	DIP18	2,5
PIC16F873	40	12	5	4	PDIP 28	2,0-5,5

Мікроконтролер який було обрано для приладу реалізований по AVR RISC архітектурі (Гарвардська архітектура з роздільною пам'яттю і роздільними шинами для пам'яті програм і даних). Цей мікроконтролер найкраще підходить за своїми технічними характеристиками та можливостям. Використовувати більш потужний та дорожчий мікроконтролер в даній схему буде не доцільно. Виконуючи команди за один тактовий цикл, прилади забезпечують продуктивність, що наближається до 1 MIPS/МГЦ. Блок-схема процесора показана на Рис. 4.1.1.1.

AVR ядро об'єднує потужну систему команд з 32 та 8-розрядними регістрами загального призначення і конвеєрне звернення до пам'яті програм. Шість з 32 регістрів можуть використовуватися як три 16-розрядних регістра-покажчика при побічній адресації простору пам'яті. Виконання відносних переходів і команд виклику реалізується з прямою адресацією всього обсягу (4К) адресного простору. Адреси периферійних функцій містяться в просторі пам'яті вводу/виводу. Архітектура ефективно підтримує як мови високого рівня, так і програми на мовах асемблера.

Мікроконтролери містять: 4 Кбайт програмованого Flash, 128 байт СОЗП і 256 байт програмованого ЕСППЗП, 20 ліній вводу/виводу загального призначення, 32 регістри загального призначення, два таймера/лічильника з режимом захоплення і порівняння, 6-канальний 10-розрядний аналого-цифровий перетворювач, систему внутрішніх і зовнішніх переривань, програмований послідовний UART, програмований сторожовий таймер з внутрішнім генератором, послідовний порт з інтерфейсом SPI. Програмно управляються два режими енергозбереження. В пасивному режимі (idle) ЦПУ зупиняється, але СОЗУ, таймери/лічильники, порт SPI, сторожовий, таймер і система переривань залишаються активними. В стоповому режимі (power down) зупиняється тактовий генератор і, отже зупиняються всі функції, доки не надійде сигнал зовнішнього переривання або апаратного скидання, але зберігається вміст регістрів.

Вбудована Flash пам'ять програм може перепрограмовуватися безпосередньо в системі шляхом інтерфейсу SPI (в послідовному низьковольтному режимі) або програмуватися стандартними програматорами енергонезалежної пам'яті (в 12-вольтовому паралельному режимі).

Максимальне споживання приладів в активному режимі складає 3.0 мА і в пасивному режимі 1.2 мА (при VCC =3 В і f = 4 МГЦ). В стоповому режимі, при працюючому сторожовому таймері, мікроконтролер споживає 15 мкА.

Об'єднання на одному кристалі вдосконаленого 8-розрядного RISC ЦПУ з Flash ПЗУ, яка завантажується дозволило фірмі створити потужний мікроконтролер, що забезпечує високу гнучкість і економічність в використанні приладу в якості вбудованого контролера.

Port B (PB5... PB0) 6-розрядний двонаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт B використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

Port C (PC5... PC0) 6-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА. При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Входи порта використовуються також як аналогові входи аналого-цифрового перетворювача.

Port D (PD7.. PD0) 8-розрядний двунаправлений порт I/O із вбудованими навантажувальними резисторами. Вихідні буфери забезпечують втікаючий струм 20 мА.

При використанні виводів порта в якості входів і установці зовнішнім сигналом в низький стан, струм буде витікати тільки при підключених вбудованих навантажувальних резисторах. Порт D використовується також при реалізації різноманітних спеціальних функцій.

RESET Вхід скидання. Для виконання скидання необхідно утримувати низький рівень на вході протягом двох машинних циклів.

XTAL1 Вхід інвертуючого підсилювача генератора і вхід схеми вбудованого генератора тактової частоти.

XTAL2 Вихід інвертуючого підсилювача генератора.

AVCC Напруга живлення аналого-цифрового перетворювача. Виводи під'єднується до зовнішнього VCC через низькочастотний фільтр.

AREF Вхід аналогової напруги порівняння для аналого-цифрового перетворювача. На цей вивід, для забезпечення роботи аналого-цифрового перетворювача, подається напруга в діапазоні між AGND і AVCC.

AGND Цей вивід повинен бути під'єднаний до окремої аналогової землі, якщо плата оснащена нею. В іншому випадку вивід від'єднується до загальної землі.

Мікроконтролер ATMega-8 має такі технічні характеристики:

діапазон напруги живлення: від 2,7 до 6,0 В;

діапазон тактової частоти: від 0 до 4 МГц;

діапазон роботи АЦП: від 0 до 6 В;

час перетворення АЦП: 70...280 мс;

клас точності 0,05.

Для реалізації задачі дипломного проекту було обрано 8-розрядний мікроконтролер фірми Atmel серії ATMega-8. Він найбільш оптимальний варіант для створювального пристрою, тому, що він порівняно з іншими мікроконтролерами має невисоку ціну, простий в програмуванні. Для виконання поставлених завдань, було вирішено, що недоцільно буде використання більш потужних типів мікроконтролерів, ніж 8-розрядний мікроконтролер фірми Atmel серії ATMega-8.



Рис. 4.1.1.1 Блок-схема процесора

4.1.2 Датчик відносної вологості

Існуючі типи датчиків вологості, представлені в таблиці 4.1.2.1.

Таблиця 4.1.2.1

З вищенаведених датчиків вологості було обрано HCH-1000-001, тому, що він має порівняно з іншими датчиками відносно невелику ціну, та технічні характеристики, які найбільш оптимально підходять для проектованого пристрою. Діапазон вимірювальних границь інших датчиків недоцільний порівняно з датчиком HCH-1000-001.

Датчик відносної вологості HCH-1000-001 (Рис. 4.1.2.1) побудований на основі сенсорного елемента HІН-3610-002 фірми Honeywell, виготовленою у виді інтегральної схеми. Сенсор використовує планерний ємнісний полімерний елемент, чуттєвий до вологості повітря. Другий шар полімеру захищає сенсор від бруду, пилу, жиру й інших шкідливих факторів навколишнього середовища. Датчик має калібрований лінеаризований вихід.

Область застосування:

- теплиці;

- холодильники;

- сушарки;

- метеорологія;

Основні властивості:

- похибка ± 2% RH;

- діапазон виміру 0-100% RH;

- лінійність ± 0.5% RH;

- гістерезис ± 1.2% RH;

- відтворюваність + 0.5% RH;

- постійна часу 15 сек. при 30% відносної вологості до 90%

- стабільність ± 1% RH за 5 років;

- температурний діапазон -40 є C до 120 °

Датчик вологості складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів.

Датчики вологості калібрують виготовлювачем, у зв'язку з чим кожен датчик вологості має індивідуальні калібровані коефіцієнти. Ці коефіцієнти заносяться в калібрований файл пристрою введення інформації типу RL. При цьому відносна вологість визначається по формулі 4.1.2.1.:

RH=(a1 +a2*Vout)*100%, (4.1.2.1)

де: RH - відносна вологість повітря в%; а1 і а2 - калібровані коефіцієнти;

Vout - вихідна напруга датчика;

Характеристика перетворення датчика HCH-1000 визначаються наступною формулою 4.1.2.2:

(4.1.2.2)

Де:

* S - чутливість (пФ% RH),

* СC - розрахункова місткість датчика, відповідна вимірюємій вологості,

* CS (55% RH) - нормальна ємність датчика при 55% RH,

*% RH (CM) - вимірювана вологість,

*% RH (CS)] - стандартна вологість.

Величина вимірюваної відносної вологості у відсотках

обчислюється за формулою 4.1.2.3.:

(4.1.2.3)

Вимірюючи величину CM (% RH),отримуємо значення відносної вологості. На практиці вимірювання ємності проводиться за рахунок подачі сигналу збудження на електроди датчика. Зміна ємності датчика перетворює зміну напруги, струму, частоти або ширини імпульсів. Існує кілька типових методів вимірювання ємності. Перший, або «прямий», метод це заряд конденсатора від джерела струму протягом визначеного часу і потім виміру напруги на конденсаторі. Цей метод вимагає наявності прецизійного джерела дуже маленького струму і високоімпедансного входу вимірювання напруги.

Рис. 4.1.2.1 Датчик відносної вологості HCH-1000-001

4.1.3 Датчик атмосферного тиску

Існуючі датчики тиску наведені в таблиці 4.1.3.1.

Табл. 4.1.3.1

Серія	Максимальний рівень тиску Psi	кПа	Надлишковий тиск, кПа	Повний діапазон mV	Чутливість mV/kПa	Точність 0-85°C%
MPX4100A	15.2	105	400	4.59	54	±1.8
MPX4101A	14.7	102	400	4.59	54	±1.8
MPX4115A	16.6	115	400	4.59	45.9	±1.5
MPX4250A	36.2	250	400	4.69	20	±1.5
MPX5010D	1.45	10	75	4.5	450	±5.0
MPX5050D	7.3	50	200	4.5	90	±2.5

Для проектованого пристрою було обрано датчик тиску МРХ4115A. Датчик має найбільш оптимальні технічні характеристики, помірну ціну та простоту у використанні. Використання інших датчиків недоцільне в даному пристрої, бо мають значно більші або менші зони вимірювання.

Датчик атмосферного тиску МРХА4115A побудований на основі сенсорного елемента МРХА4115A6LJ фірми Motorola, виконаного у виді інтегральної схеми. Датчик має калібрований лінеаризованный вихід. MPX4115A/MPXA4115A компанії Motorola серії датчиків об'єднує на

кристалі біполярних ОУ схеми і тонкою плівкою резисторних мереж, щоб забезпечити високий вихідний сигнал і температури компенсації. Датчик має малий формфактор і високу надійність на чипі фірми Motorola датчик тиску логічних і економічний вибір для проектувальника системи.

Область застосування :

- метеорологія ;

- барокамери ;

- теплиці ;

Основні властивості :

- похибка ±1.5% ;

- діапазон виміру 15-115 кПа ;

- часу встановлення 0,02 сек. ;

- температурний діапазон -40 °С to 85 °С.

Датчик атмосферного тиску складається з інтегрального чуттєвого елемента (сенсора), що живиться від вбудованого стабілізатора напруги, і повторювача напруги який необхідний для ослаблення електромагнітних перешкод, виключення впливу опору навантаження і сполучної лінії на результати вимірів. Датчики атмосферного тиску калібрують виготовлювачем, при цьому атмосферний тиск визначається по формулі 4.1.3.1.:

Р=а1 + a2*Vout, (4.1.3.1.)

де: Р - атмосферний тиск у кПа. а1 і а2 - калібровані коефіцієнти.

а1=10,6, а2=21,8;

Vout - вихідна напруга датчика.

Калібровані коефіцієнти вказуються для кожного датчика на зворотній стороні його корпуса. Датчик тиску підключають до одному з пристроїв введення аналогових сигналів RL-8AІ, RL-88АС, RL-40AІ або RL-32RTD. Після підключення датчика й експорту каліброваного файлу. У програму відображення даних RLDataVіew на екрані монітора комп'ютера будується графік залежності тиску від часу, що обновляється в міру надходження даних. Дані можуть бути збережені у файлі, роздруковані або експортовані в іншу програму, як, наприклад, MS Excel.

Граничні режими :

- Атмосферний тиск 15- 114 кПа ;

- Температура збереження +5...+40 °С ;

- Напруга живлення +5 В ;

- Відносна вологість, не більш... 100% ;

- Струм навантаження 5 мА.

4.1.4 Датчик температури

Існуючі датчики температури наведені в таблиці 4.1.4.1.

Табл. 4.1.4.1

Серія	Корпус	Особливості	Робоча Напруга В	Вимірювальна температура мін. °C	Вимірювальна температура макс. °C	Точність %
LM135	TO-92	Джерело струму	2,7...5,5	-55	150	3
STCN75	MSOP	Цифровий	2,7...5,5	-55	125	3
STTS2002	TDFN8	для м/с пам'яті	2,3...3,6	-40	125	3
STTS751	DFN6	Цифровий	2,25...3,6	-40	125	2,6
DS1820	PR-35	Цифровий	4,3…5,5	0	70	1,4
DS18B20	TO-92	Цифровий	4,3…5,5	-55	+125	0,5

Для проектованого пристрою було обрано датчик DS18B20. Даний датчик найкраще підходить за технічними даними які актуальні для вимірювання температури навколишнього середовища. Датчик має найпростіший інтерфейс - однопровідну шину - в широкому діапазоні температур від -55 ° С до +125 ° С, з хорошою завадостійкістю. Ця мікросхема дозволяє створювати багатоточкову систему температурного контролю. Однак цьому датчику був притаманний один суттєвий недолік - при обробці інформації всередині мікросхеми можливе виникнення збою і видача неправдивої інформації. Тому фірма Dallas Semiconductor припинила випуск цієї мікросхеми з грудня 2000 року і випустила на заміну з усунутої помилкою перетворення: DS 18S20 - пряма заміна (в корпусі SOIC) і більш досконалий - DS 18B20, тому від і був обраний для проектуємого пристрою.

DS18B20 цифровий термометр з програмованим дозволом, від 9 до 12-bit, яке може зберігатися в EEPROM пам'яті приладу. DS18B20 обмінюється даними по 1-Wire шині і при цьому може бути як єдиним пристроєм на лінії так і працювати в групі. Всі процеси на шині управляються центральним мікропроцесором. Загальний вигляд датчика показано на Рис. 4.1.4.1.



Рис. 4.1.4.1 Загальний вигляд датчика

Діапазон вимірювань від -55 ° C до +125 ° C і точністю 0.5 ° C в діапазоні від -10 ° C до +85 ° C. На додаток, DS18B20 може живитися напругою лінії даних ("Паразитне живлення "), при відсутності зовнішнього джерела напруги. Кожен DS18B20 має унікальний 64-бітний послідовний код, який дозволяє, співпрацювати з безліччю датчиків DS18B20 встановлених на одній шині. Такий принцип дозволяє використовувати один мікропроцесор, щоб контролювати безліч датчиків DS18B20, розподілених на великій ділянці. Додатки, які можуть отримати вигоду з цієї особливості, включають системи контролю температури в будівлях, і обладнанні або машинах, а так само контроль і управління температурними процесами.

Датчик має 64-бітовий ROM, який запам'ятовує унікальний послідовний код приладу. Оперативна пам'ять містить 2-байтовий температурний регістр, який зберігає значення температури по закінченню температурного перетворення. Два однобайтових регістри температури контролю температури (критичної схеми TH і TL), і до регістру конфігурації. Регістр конфігурації дозволяє користувачеві встановлювати роздільну здатність цифрового перетворювача температури до 9, 10, 11, або 12 бітам, це і впливає на час конвертації температури. TH, TL і регістри конфігурації енергонезалежний (EEPROM), таким чином вони збережуть дані, коли прилад - вимкнений. DS18B20 використовує виключно 1-Wire протокол - при цьому формується сполука, яка здійснює комунікацію на шині, використовуючи всього один керуючий сигнал. Шина повинна бути підключена до джерела живлення через підтягуючий резистор, так як всі пристрої пов'язані із шиною, використовують з'єднання через Z-стан або вхід відкритого стоку. Використовуючи цю шину мікропроцесор (пристрій управління) ідентифікує і звертається до датчиків температури, використовуючи 64-бітовий код приладу. Оскільки кожен прилад має унікальний код, число приладів, до яких можна звернутися на одній шині, фактично необмежена.

Інша особливість DS18B20 - здатність працювати без зовнішнього живлення. Ця можливість надається через підтягуючий резистор. Високий сигнал шини заряджає внутрішній конденсатор (CPP), який живить прилад, коли на шині низький рівень. Цей метод носить назву «Паразитне живлення». При цьому максимальна вимірювана температура становить + 100 ° C. Для розширення діапазону температур до + 125 ° C необхідно використовувати зовнішнє живлення.

Режим - конвертації температури. Основні функціональні можливості DS18B20 - його температурний перетворювач. Роздільна здатність температурного перетворювача може бути змінена користувачем і складає 9, 10, 11, або 12 бітів, відповідаючи приростам (дискретності виміру температури) 0.5 ° C, 0.25 ° C, 0.125 ° C, і 0.0625 ° C, відповідно. Роздільна здатність за замовчуванням встановлена ??12-біт. У початковому стані DS18B20 знаходиться в стані спокою (в не активному стані). Щоб почати температурне вимірювання і перетворення, ведучий повинен подати команду початку конвертації температури.

Після конвертації, отримані дані запам'ятовуються в 2-байтовому регістрі температури в оперативній пам'яті, і DS18B20 повертається до неактивного стану. Якщо DS18B20 включений з зовнішнім живленням, ведучий може контролювати конвертування температури (після команди [0х44]) станом шини. DS18B20 формуватиме (відповідь на слот часу читання від пристрою управління) логічний «0» коли відбувається температурне перетворення. І логічну «1», коли конвертування виконано. Якщо DS18B20 включений з паразитним харчуванням, ця технологія повідомлення не може бути використана, так як шину потрібно подати високий рівень (напруга живлення) протягом усього часу температурного перетворення. В цьому випадку пристрій управління повинно самостійно контролювати час конвертування. Вихідні температурні дані DS18B20 калібровані в градусах Цельсія. Температурні дані запам'ятовуються як 16-бітове число зі знаком (див. рис. 2). Біти ознаки (S) вказують, чи є температура позитивна чи негативна: для позитивних S = 0, а для негативних чисел S = 1. Якщо DS18B20 буде налаштований для конвертації 12-бітної дозволу, то всі біти в температурному регістрі будуть містити дійсні дані. Для 11-бітної роздільної здатності, біт 0 невизначений. Для 10-бітної роздільної здатності, біти 1 і 0 невизначені, і для 9 бітної роздільної здатності 2, 1 і 0 невизначені.

4.1.5 Вибір пристрою відображення інформації

Для відображення інформації, пристрою я обрав, символьний рідкокристалічний індикатор (РКІ) WH1602A. У назві WH1602A зашифровано кількість символів в рядку: 16, кількість рядків: 2. Загальний вигляд РКІ WH1602A, зображено на Рис. 4.1.5.1.

Рис. 4.1.5.1 Загальний вигляд РКІ WH1602A

Символьний РКІ WH1602A побудований на основі контролера HD44780 компанії Hitachi. РКІ WH1602A має кілька варіантів кольору підсвітки: синій, зелений, оранжевий. Так само є триколірне підсвічування RGB. Цими трьома кольорами можна відобразити велику кількість відтінків. Останнім часом вартість WH1602A піднялася майже в два рази, тому для простих експериментальних пристроїв краще застосовувати однорядкові символьні РКІ, ціна нижче, а можливості практично такі ж. WH1602A дуже широко застосовується радіоаматорами в своїх виробах, так як в принципі це універсальний індикатор режиму роботи пристрою або процесу виконання операції пристроєм. На WH1602A доступно зробити своєрідну простеньку анімацію, що виконує наприклад роль заставки при включенні пристрою або після виконання певної операції. Тому для свого приладу я обрав саме цей РКІ.

4.2 Опис роботи схеми

Схема автоматизованої системи вимірювання метеоданих працює наступним чином. При ввімкненні приладу відбувається запуск основної програми. Мікроконтролер виконує запит датчиків. Спочатку відбувається запит датчика температури, якщо датчик готовий відбувається зняття даних про температуру повітря. Якщо датчик знаходиться в неготовому стані, виконуюча програма виконує повторний запит датчика і так доти, доки датчик не буде готовим до роботи. Після датчика температури виконується запит датчика вологості повітря. Якщо датчик готовий, відбувається зняття інформації про вологість повітря, якщо ж датчик не готовий, то програма виконує повторний запит. Наступним слідує датчик тиску. Програма виконує аналогічну операцію запиту, що й з попередніми датчиками. Коли інформація з датчиків була отримана і передана в мікроконтролер, останній виконує обробку й передає дані на екран пристрою відображення інформації. Також оброблені дані передаються до ЕОМ за допомогою USB порту.

4.3 Розробка програми

Запуск основної програми пристрою. Відбувається ініціалізація змінних. Дана частина програми виконує запуск мікроконтролера.

#define CRC8INIT 0x00

#define CRC8POLY 0x18 //0X18 = X^8+X^5+X^4+X^0

uint8_t crc8 (uint8_t *data_in, uint16_t number_of_bytes_to_read)

{

uint8_t crc;

uint16_t loop_count;

uint8_t bit_counter;

uint8_t data;

uint8_t feedback_bit;

crc = CRC8INIT;

for (loop_count = 0; loop_count != number_of_bytes_to_read; loop_count++)

{

data = data_in[loop_count];

bit_counter = 8;

do {

feedback_bit = (crc ^ data) & 0x01;

if (feedback_bit == 0x01) {

crc = crc ^ CRC8POLY;

}

crc = (crc >> 1) & 0x7F;

if (feedback_bit == 0x01) {

crc = crc | 0x80;

}

data = data >> 1;

bit_counter--;

} while (bit_counter > 0);

}

return crc;

}

Програма підключення та запуску датчика температури. Відбувається запит датчика та зняття даних.

void DS18X20_uart_put_temp(const uint8_t subzero,

const uint8_t cel, const uint8_t cel_frac_bits)

{

uint8_t buffer[sizeof(int)*8+1];

int i;

uart_putc((subzero)?'-':'+');

uart_puti((int)cel);

uart_puts_P(".");

itoa(cel_frac_bits*DS18X20_FRACCONV,buffer,10);

for (i=0;i<4-strlen(buffer);i++) uart_puts_P("0");

uart_puts(buffer);

uart_puts_P("°C");

}

Дані з датчика передаються до мікроконтролера.

void DS18X20_show_id_uart(uint8_t *id, size_t n)

{

size_t i;

for(i = 0; i < n; i++) {

if (i == 0) uart_puts_P("FC:");

else if (i == n-1) uart_puts_P("CRC:");

if (i == 1) uart_puts_P("SN: ");

uart_puthex_byte(id[i]);

uart_puts_P(" ");

if (i == 0) {

if (id[0] == DS18S20_ID) uart_puts_P ("(18S)");

else if (id[0] == DS18B20_ID) uart_puts_P ("(18B)");

else uart_puts_P ("(?)");

}

}

if (crc8(id, OW_ROMCODE_SIZE))

uart_puts_P(" CRC FAIL ");

else

uart_puts_P(" CRC O.K. ");

}

void show_sp_uart(uint8_t *sp, size_t n)

{

size_t i;

uart_puts_P("SP:");

for(i = 0; i < n; i++) {

if (i == n-1) uart_puts_P("CRC:");

uart_puthex_byte(sp[i]);

uart_puts_P(" ");

}

}

/* verbose output rom-search follows read-scratchpad in one loop */

uint8_t DS18X20_read_meas_all_verbose(void)

{

uint8_t id[OW_ROMCODE_SIZE], sp[DS18X20_SP_SIZE], diff;

uint8_t i;

uint16_t meas;

uint8_t subzero, cel, cel_frac_bits;

for(diff = OW_SEARCH_FIRST; diff != OW_LAST_DEVICE;)

{

diff = ow_rom_search(diff, &id[0]);

if(diff == OW_PRESENCE_ERR) {

uart_puts_P("No Sensor found\r");

return OW_PRESENCE_ERR;

}

if(diff == OW_DATA_ERR) {

uart_puts_P("Bus Error\r");

return OW_DATA_ERR;

}

DS18X20_show_id_uart(id, OW_ROMCODE_SIZE);

if(id[0] == DS18B20_ID || id[0] == DS18S20_ID) { // temperature sensor

uart_putc ('\r');

ow_byte_wr(DS18X20_READ); // read command

for (i=0 ; i< DS18X20_SP_SIZE; i++)

sp[i]=ow_byte_rd();

show_sp_uart(sp, DS18X20_SP_SIZE);

if (crc8(&sp[0], DS18X20_SP_SIZE))

uart_puts_P(" CRC FAIL ");

else

uart_puts_P(" CRC O.K. ");

uart_putc ('\r');

meas = sp[0]; // LSB Temp. from Scrachpad-Data

meas |= (uint16_t) (sp[1] << 8); // MSB

uart_puts_P(" T_raw=");

uart_puthex_byte((uint8_t)(meas>>8));

uart_puthex_byte((uint8_t)meas);

uart_puts_P(" ");

if(id[0] == DS18S20_ID) { // 18S20

uart_puts_P("S20/09");

}

else if (id[0] == DS18B20_ID) { // 18B20

i=sp[DS18B20_CONF_REG];

if ((i & DS18B20_12_BIT) == DS18B20_12_BIT) {

uart_puts_P("B20/12");

}

else if ((i & DS18B20_11_BIT) == DS18B20_11_BIT) {

uart_puts_P("B20/11");

}

else if ((i & DS18B20_10_BIT) == DS18B20_10_BIT) {

uart_puts_P(" B20/10 ");

}

else { // if ((i & DS18B20_9_BIT) == DS18B20_9_BIT) {

uart_puts_P("B20/09");

}

}

uart_puts_P(" ");

DS18X20_meas_to_cel(id[0], sp, &subzero, &cel, &cel_frac_bits);

DS18X20_uart_put_temp(subzero, cel, cel_frac_bits);

uart_puts("\r");

} // if meas-sensor

} // loop all sensors

uart_puts_P("\r");

return DS18X20_OK;

}

void LCDsendChar(uint8_t ch) //Sends Char to LCD

{

LDP=((ch&0b11110000)>>2);

LCP|=1<<LCD_RS;

LCP|=1<<LCD_E;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

LCP&=~(1<<LCD_RS);

_delay_ms(5);

LDP=((ch&0b00001111)<<2);

LCP|=1<<LCD_RS;

LCP|=1<<LCD_E;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

LCP&=~(1<<LCD_RS);

_delay_ms(5);

}

void LCDsendCommand(uint8_t cmd) //Sends Command to LCD

{

LDP=((cmd&0b11110000)>>2);

LCP|=1<<LCD_E;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

_delay_ms(5);

LDP=((cmd&0b00001111)<<2);

LCP|=1<<LCD_E;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

_delay_ms(5);

}

void LCDinit(void)//Initializes LCD

{

_delay_ms(10);

LDP=0x00;

LCP=0x00;

LDDR|=1<<LCD_D7|1<<LCD_D6|1<<LCD_D5|1<<LCD_D4;

LCDR|=1<<LCD_E|1<<LCD_RS;

//---------one------

LDP=0<<LCD_D7|0<<LCD_D6|1<<LCD_D5|1<<LCD_D4; //4 bit mode

LCP|=1<<LCD_E|0<<LCD_RS;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

_delay_ms(5);

//-----------two-----------

LDP=0<<LCD_D7|0<<LCD_D6|1<<LCD_D5|1<<LCD_D4; //4 bit mode

LCP|=1<<LCD_E|0<<LCD_RS;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

_delay_ms(5);

//-------three-------------

LDP=0<<LCD_D7|0<<LCD_D6|1<<LCD_D5|0<<LCD_D4; //4 bit mode

LCP|=1<<LCD_E|0<<LCD_RS;

_delay_ms(5);

LCP&=~(1<<LCD_E);

_delay_ms(5);

//--------4 bit--dual line---------------

LCDsendCommand(0b00101000);

//-----increment address, cursor shift------

LCDsendCommand(0b00001110);

}

void LCDclr(void) //Clears LCD

{

LCDsendCommand(1<<LCD_CLR);

}

void LCDhome(void) //LCD cursor home

{

LCDsendCommand(1<<LCD_HOME);

}

void LCDstring(uint8_t* data, uint8_t nBytes) //Outputs string to LCD

{

register uint8_t i;

// check to make sure we have a good pointer

if (!data) return;

// print data

for(i=0; i<nBytes; i++)

{

LCDsendChar(data[i]);

}

}

void LCDGotoXY(uint8_t x, uint8_t y) //Cursor to X Y position

{

register uint8_t DDRAMAddr;

// remap lines into proper order

switch(y)

{

case 0: DDRAMAddr = LCD_LINE0_DDRAMADDR+x; break;

case 1: DDRAMAddr = LCD_LINE1_DDRAMADDR+x; break;

case 2: DDRAMAddr = LCD_LINE2_DDRAMADDR+x; break;

case 3: DDRAMAddr = LCD_LINE3_DDRAMADDR+x; break;

default: DDRAMAddr = LCD_LINE0_DDRAMADDR+x;

}

// set data address

LCDsendCommand(1<<LCD_DDRAM | DDRAMAddr);

}

5. Розрахунок надійності

Надійність - це властивість виробу виконувати задані функції в певних умовах експлуатації при збереженні значень основних параметрів в заданих межах.

При розрахунку безвідмовності технічного пристрою по раптовим відмовам визначають такі показники: ймовірність безвідмовної роботи за заданий час інтенсивність відмов або параметр потоку відмов та напрацювання до відмови або на відмову .

Розрахунок проводиться при таких допущеннях:

? Кожний елемент та пристрій в цілому знаходяться в одному з двох можливих станів: працездатному або непрацездатному;

? Відмови елементів є подіями випадковими і незалежними;

? Інтенсивність відмов елементів є величина постійна, тобто не залежить від часу;

? Середній час напрацювання до відмови елементів розподілений по показниковому закону.

Порядок проведення розрахунку такий:

1. На основі електричної схеми пристрою складається логічна схема надійності, на якій зображають всі елементи та зв'язки між ними;

2. Визначається кількість груп однотипних елементів, що входять в пристрій, та кількість елементів в кожній групі;

3. Визначається електричний режим роботи кожного елемента з урахуванням умов роботи пристрою;

4. Визначається критерій відмови пристрою.

Розрахунок загального параметра потоку відмов пристрою проводиться за формулою (5.1.):

, (5.1.)

де п - загальна кількість груп однотипних елементів, що входять до складу пристрою; N_i, л_i - число та інтенсивність відмов елементів, і-ї групи відповідно.

Однотипні елементи з приблизно однаковими коефіцієнтами електричного навантаження допускається об'єднувати в одну групу.

Інтенсивність відмов елементів i-ї групи л_i, в робочому режимі визначається за формулою (5.2.):

, (5.2.)

де а_1i - корегуючий коефіцієнт, який враховує умови роботи (кліматичні та, механічні дії) в залежності від призначення та умов експлуатації пристрою; - корегуючий коефіцієнт, який враховує електричне навантаження елементів та температуру зовнішнього середовища; л_0i - інтенсивність відмов елементів (комплектуючих виробів) в нормальних умовах (при температурі зовнішнього середовища 25±5°С, відносній вологості 30-70% та атмосферному тиску 618,9...795,2 мм рт. ст., без механічних дій).

Коефіцієнт a_1i визначається за формулою (5.3.):

, (5.3.)

де K_i - коефіцієнти, призначення яких та номера таблиць їх значень, приведені в довідниках; п - кількість коефіцієнтів.

Температура у середині пристрою визначається для найгірших умов за формулою (5.4.):

, (5.4.)

де t_{оточ.макс.} - максимальна температура зовнішнього середовища; и - температура перегріву у середині пристрою по відношенню до зовнішнього середовища.

Значення температури зовнішнього середовища для кожного варіанта завдання слід визначати згідно з варіантом його кліматичного виконання та кліматичної категорії.

При розрахунку інтенсивності відмов інтегральних мікросхем (ІМС) коефіцієнт електричного навантаження дорівнює одиниці.

По знайденому значенню параметра потоку відмов визначають ймовірність безвідмовної роботи пристрою для заданого часу t за формулою (5.5.):

, (5.5.)

Напрацювання на відмову визначають за формулою (5.6.):

, (5.6.)

5.1 Дані для розрахунку

Система призначена для роботи в умовах помірного клімату: діапазон робочих температур від -30°С +40°C, відносна вологість повітря до 80% при 30°С, конструктивне виконання УЗ (для роботи в закритих приміщеннях із природною вентиляцією без штучно регульованих умов).

Обчислимо значення коефіцієнту для даних умов (5.1.1.).

(5.1.1.)

де , , , - коефіцієнти, значення яких обираємо з довідкової літератури згідно вищевказаних умов.

.

Критерієм відмови схеми вважається відмова будь-якого елементу, що призводить до порушення працездатності системи.

При розрахунку приймаємо такі припущення:

? Відмова елементу схеми є подією випадковою;

? Відмова будь-якого елементу призводить до відмови вузла системи в цілому;

? Інтенсивність відмов елементів протягом періоду їх служби при незмінних робочих режимах та умовах є постійною;

? Коефіцієнт навантаження всіх елементів, окрім ІМС, рівний 0,7, що відповідає найгіршим умовам експлуатації.

5.2 Розрахунок надійності для автоматизованої системи вимірювання метеоданих

Розрахунок надійності проводимо в такій послідовності:

1. Складаємо таблицю вихідних даних для розрахунку, визначаємо конструктивну характеристику компонентів, кількість компонентів по групах, розраховуємо інтенсивність відмов л_і для кожної з груп компонентів, враховуючи корегуючі коефіцієнти, розраховуємо інтенсивність відмов.

Вихідні дані для розрахунку надійності зводимо в таблицю 5.2.1.

Таблиця 5.2.1

№ з/п	Елементи	Інтенсивність відмов елементу , 1/год.	Коеф.	Коеф.	Кількість елементів	Загальна інтенсивність , 1/год.
1	Цифрові мікросхеми	0,3	1,131	1,6	4	1,6824
2	Резистори	0,008	1,144	0,66	19	0,5157
3	Конденсатори	0,01	1,132	0,59	14	0,5298
4	РКІ дисплей	0,1	1,121	0,54	1	0,3568
5	Стабілізатор напруги	0,2	1,135	0,51	1	0,314
6	Датчики	0,01	1,145	0,58	3	0,2316
7	Пайки на платі	0,0001	1,113	-	124	0,01
	Інтенсивність відмов Л 106, 1/год.	3,1105

2. Розраховуємо середній наробіток до відмови (формула 5.2.1.):

год. (5.2.1.)

3. Проводимо розрахунок імовірності безвідмовної роботи пристрою для заданого часу по формулі 5.5 і будуємо графік Рис. 5.2.1.

Рис. 5.2.1 Графік імовірності безвідмовної роботи настільного зчитувача

6. Конструкторське оформлення

6.1 Монтаж друкованих плат

Складально-монтажні роботи повинні проводитись згідно з вимоги ТУ 5.633-5087-83, ТУ 5.663-18304-80, ТУ 5.633-18303-80 та ОСТ 4ГО.091.202 Організація робочих місць складально-монтажних робіт повинна відповідати ОСТ 4ГО.091.092.

6.2 Складання друкованих плат

Складання друкованих плат спектр поліграфічних електрорадіоелементів (ЕРЕ) та інтегральних схем (ІС) є дере необхіднім етапом монтажу прилади чи системи. Вона характеризується тим, що ЕРЕ та ІС геометрично розміщуються на друкованій платі згідно складального креслення П91.994...

Так як складання є першим етапом монтажу, то дефекти складання в разі, коли вони залишаються не виявленими, негативно впливають на подальші етапи монтажу і є причиною додаткових витрат.

Незалежно від методу складання можна сформулювати принцип збірки друкованих плат: плати і компоненти повинні так переміщуватися один до одного, щоб в результаті цього переміщення всі виводи компонентів зайняли свої місця, зумовлені електричною схемою вузла і необхідним контактуванням з друкованою платою.

Із аналізу цього принципу визначаються робочі операції, які повинні робитися при складанні друкованих плат.

Перед монтажем всі ЕРЕ повинні проходити вхідний контроль по електричних параметрах. Організація вхідного контролю поклади від типу виробництва. В масової виробництві контроль здійснюють на спеціальних стендах, де на шкалах приладів нанесені граничні значення параметрів ЕРЕ. Всі прилади на стендах повинні мати точність у відповідності з ТУ на ці вироби. Інколи вхідній контроль здійснюють разом з підготовкою до монтажу.

Підготовка ЕРЕ до монтажу включає слідуючи операції :

* розпаковка елементів;

* вхідний контроль;

* формування виводів;

* обрізання виводів;

* лудіння виводів.

Лудіння ЕРЕ винне проводитись тими ж припоями, що і наступне паяння. При лудінні ЕРЕ чутливих до теплового впливу, дозволяється лудіння припоєм зі зниженою температурою плавлення.

В індивідуальному виробництві всі ці роботи виконують вручну.

В масовому виробництві згинання та обрізання виводів ЕРЕ виконуються на спеціальних напівавтоматах.

Встановлення ЕРЕ на друковану плату складається із наступних операцій:

- подача ЕРЕ в зону встановлення;

- орієнтування виводів відносно монтажних отворів;

- фіксація ЕРЕ в потрібному положенні.

Встановлюють ЕРЕ в такій послідовності: резистори, конденсатори, мікросхеми. Розміщення ЕРЕ на друкованій платі повинне сприяти спрощенню технологічного процесу і можливості застосовувати механізацію.

Найзручніше розташовувати всі елементи на тій стороні плати, де немає друкованих провідників. Таке розташування полегшує процес паяння. При розміщенні ЕРЕ необхідно дотримуватись паралельності. Всі ЕРЕ повинні бути міцно закріпленні на платі, щоб не було зміщень при механічних впливах. Закріплення ЕРЕ виконується в основному за допомогою виводів. Виводи вставляють в отвори й підгинають, після чого з'єднують з друкованим провідником паянням. Таке з'єднання забезпечує механічну міцність і електричний контакт. Встановлення и закріплення ЕРЕ на друкованих платах може бути здійснене повністю на автоматичних лініях. Застосування автоматичних и механічних пристроїв має сенс тільки в багатосерійному чи масовому виробництвах, так як ці пристрої складні й дорого коштують.

6.3 Паяння друкованих плат

Одним з останніх етапів у складанні друкованих плат є паяння. При паянні необхідно забезпечити механічне закріплення і електричний контакт між провідником і ЕРЕ. Паяння проводитися на повітрі з застосуванням різних флюсів, які захищають поверхні з'єднуваних елементів від окислення в процесі нагріву.

Окремі технологічні операції, що забезпечують якісні паяні з'єднання наступні:

- отримання металевих поверхонь шляхом очищення від поверхневих шарів при допомозі флюсу;

- нагрівання вище точки плавлення припою;

- витіснення флюсу з допомогою наступального припою;

- розтікання рідкого припою по металевій поверхні - процес змочування;

- дифузія атомів з твердої металевої фази в рідкий припій і навпаки - утворення сплавної зони;

- наступна обробка паяних з'єднань - очищення, коли видаляються флюси, що сприяють корозії.

Перед паянням всі зпаювальні поверхні очищають від захисних покрить. Припій, який застосовується при паянні, повинен мати температуру плавлення не менше, ніж на 60 С⁰ нижче температури плавлення з'єднуваних металів і майже всіх ЕРЕ і друкованих плат. Найчастіше для гарячого лудіння провідників друкованих плат використовується сплав Розе (олово - 28%, свинець - 22%, вісмут - 50%), а для паяння - олов'яно-свинцевий припій ПОС-61 (олово - 60-62%, свинець - 40 - 38%). Флюс є неметалевим матеріалом, який створює передумови для міцності у місці паяння. При флюсуванні здійснюються наступні операції:

- швидке і повне змочування металевої поверхні завдяки впливу сил поверхневого натягу;

- видалення окислених шарів на контактуючих металах, а також розчинення і видалення продуктів реакцій при температурі нижче температури плавлення припою;

- захист очищеної металевої поверхні від окислення.

Автоматизована система вимірювання метеоданих була створена таким чином. Для розміщення елементів було використано односторонній фольгований склотекстоліт. Схему розводу контактів та доріжок було розроблено в програмному продукті Sprint Layout 6.0. Після чого рисунок схеми було перенесено на склотекстоліт і витравлено в хлорному залізі. Після травлення, плату було залужено, та припаяно деталі.

Прилад складається з двох основних частин. Перша - друкована плата з елементами керування датчиком вологості. Розташовані елементи на ній призначені для перетворення аналогового сигналу в цифровий. Загальний вигляд плати показано на рисунку 6.3.1. Друга, вона ж основна - друкована плата з мікроконтролером та РКІ, Рис. 6.3.2.

Рис. 6.3.1 Загальний вигляд плати датчика

Друкована плата датчика вологості була розроблена в програмному продукті Sprint Layout 6.0. і показана на рисунку 6.3.2.

Рис. 6.3.2 Друкована плата датчика вологості

Загальний вигляд основної плати з РКІ показана на рисунку 6.3.3.

Рис. 6.3.3 Загальний вигляд основної плати з РКІ

Висновки

В даному дипломному проекті була розроблена автоматизована система вимірювання метеоданих. Пристрій був розміщений на друкованих платах і складається з датчика вологості HCH-1000-001, датчика температури DS18B20, та датчика тиску MPX4115А. Для керування приладом було обрано мікроконтролер ATMega8. Для відображення інформації було використано символьний двостроковий рідкокристалічний індикатор WH1602A.

Автоматизована система вимірювання метеоданих працює при температурі навколишнього середовища від +10°С до +50°С, при відносній вологості повітря до 90% та при температурі +35°С, атмосферному тиску від 630 мм рт. ст. до 800 мм рт. ст. Механічні удари, тряски, вібрації не впливають на роботу пристрою. Робота інших медико-біологічних приладів також не впливає на роботу пристрою. Живлення системи - крона або блок живлення (+9В). Хімічно активні компоненти в пристрої не присутні, тому його можна використовувати в жилих приміщеннях без вентиляції. Виходячи з вищеперерахованих характеристик створена вимірювальна система задовольняє поставлені вимоги.

Додаток 1



Додаток 2

#define CRC8INIT 0x00

#define CRC8POLY 0x18 //0X18 = X^8+X^5+X^4+X^0

uint8_t crc8 (uint8_t *data_in, uint16_t number_of_bytes_to_read)

{

uint8_t crc;

uint16_t loop_count;

uint8_t bit_counter;

uint8_t data;

uint8_t feedback_bit;

crc = CRC8INIT;

for (loop_count = 0; loop_count != number_of_bytes_to_read; loop_count++)

{

data = data_in[loop_count];

bit_counter = 8;

do {

feedback_bit = (crc ^ data) & 0x01;

if (feedback_bit == 0x01) {

crc = crc ^ CRC8POLY;

}

crc = (crc >> 1) & 0x7F;

if (feedback_bit == 0x01) {

crc = crc | 0x80;

}

data = data >> 1;

bit_counter--;

} while (bit_counter > 0);

}

return crc;

}

void DS18X20_uart_put_temp(const uint8_t subzero,

const uint8_t cel, const uint8_t cel_frac_bits)

{

uint8_t buffer[sizeof(int)*8+1];

int i;

uart_putc((subzero)?'-':'+');

uart_puti((int)cel);

uart_puts_P(".");

itoa(cel_frac_bits*DS18X20_FRACCONV,buffer,10);

for (i=0;i<4-strlen(buffer);i++) uart_puts_P("0");