Проектування мікропроцесорної метеостанції

Анотація

В даному дипломному проекті спроектована мікропроцесорна метеостанція. В приладі використовується 8-розрядний мікроконтролер фірми Atmel серії ATMega-8, та три датчики: HCH-1000−001 — датчик відносної вологості, датчик атмосферного тиску МРХА4115A, датчик температури типу DS18B20. В проекті проводяться розрахунки основних елементів електричної принципової схеми. В додатках наведена електрична принципова схема приладу та перелік всіх її елементів.

Зміст

Вступ

1. Технічне завдання

2. Аналіз існуючих систем

2.1 Метеорологічні прилади

2.2 Існуючі метеостанції

3. Розробка структурної схеми

3.1 Обґрунтування вузлів структурної схеми

3.1.1 Вибір мікроконтролера

3.1.2 Датчики температури

3.1.3 Датчики вологості

3.1.4 Датчики тиску

3.1.5 Огляд символьних індикаторів

3.2 Алгоритм

3.3 Пояснення роботи алгоритму програми

4. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

4.1 Вибір елементної бази

4.1.1 Мікроконтролер

4.1.2 Датчик відносної вологості

4.1.3 Датчик атмосферного тиску

4.1.4 Датчик температури

4.1.5 Вибір пристрою відображення інформації

4.2 Опис роботи схеми

4.3 Розробка програми

5. Розрахунок надійності

5.1 Дані для розрахунку

5.2 Розрахунок надійності для автоматизованої системи вимірювання метеоданих

6. Конструкторське оформлення

6.1 Монтаж друкованих плат

6.2 Складання друкованих плат

6.3 Паяння друкованих плат

Висновки

Додатки

Вступ

Завжди точність прогнозу погоди залежала винятково від величини спостережницької мережі. Чим більше в ній було датчиків, які могли відслідковувати зміни і повідомляти про них у центр, тим точніше був прогноз. Тисячу років тому ніяких метеостанцій, звичайно, не було, однак спостереження за погодою вже велися. Зараз майже всю космічну метеоінформацію Україна одержує з-за кордону.

Сучасні метеостанції діляться як правило на дві категорії: побутові і виробничі. Побутові метеостанції при доступній ціні для звичайних людей, дозволяють збирати інформацію про вологість, температуру та інші параметри навколишнього середовища, однак з невеликою точністю і вірогідністю вимірювань. Виробничі метеостанції придатні для використання у вузькоспеціалізованих завданнях, там, де необхідна інформація про параметри навколишнього середовища і на вірогідність якої можна покластися. Прикладом такого застосування може бути метеостанція в аеропорті, родильному будинку, лікарні, на підприємствах де товар повинен зберігатися в спеціальних умовах і т.д.

Крім того, сучасні професійні метеостанції за спеціальними алгоритмами здатні прогнозувати інформацію про навколишнє середовище на підставі отриманих даних за певний термін і їх аналізу. Метою даної роботи є розробка метеостанції, що буде збирати, а також аналізувати інформацію про вологість, температуру, тиск повітря. Розроблений пристрій повинен по точності вимірювань не поступатись аналогічним промисловим пристроям, а по своїй надійності перевершувати їх.

1. Технічне завдання

Підстава для розробки, призначення і область застосування

ь Підстава для розробки: завдання на дипломне проектування.

ь Призначення: автоматизована система вимірювання метеоданих.

ь Область застосування: в промисловості та в домашніх умовах.

Умови експлуатації

ь Кімнатні умови:

1) температура навколишнього повітря від +10°С до +50°С;

2) відносна вологість до 90% при температурі +35°С;

3) атмосферний тиск від 630 мм рт. ст. до 800 мм рт. ст.;

ь Механічні удари, тряски, вібрації: незначні.

ь Хімічно активні компоненти не присутні.

Технічні параметри системи

ь Частота вимірювані: постійне вимірювання.

ь Діапазон вимірювання температури повітря: від -55 ° C до +125 °C із точністю 0.5 ° C.

ь Діапазон вимірювання вологості від 0 до 100% RH із точністю.

ь Діапазон вимірювання тиску 15−115 кПа із точністю.

ь Кількість датчиків: 3.

Вимоги до конструктивного оформлення

ь Пристрій виконати на стандартній друкованій платі.

2. Аналіз існуючих систем

2.1 Метеорологічні прилади

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірів (термометр або барометр для виміру температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, як правило, у виді графіку або кривої (термограф, барограф). Нижче описуються тільки прилади для термінових вимірів, але майже усі вони існують також і у виді самописців. По суті, це те ж вимірювальні прилади, але мають перо, що малює лінію на рухомій паперовій стрічці

Термометри. Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, укладеної в скляну колбочку, до розширення і стиску. Звичайно скляна капілярна трубочка закінчується кулястим розширенням, що служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться в зворотній залежності від площі поперечного перерізу капіляра й у прямій — від обсягу резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чуттєві метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а використовувані в них рідини зі збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить в основному від діапазону вимірюваних температур. Ртуть використовується для виміру температур вище -39° С — точки її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра ± 0,05° С. Головна причина похибки ртутного термометра зв’язана з поступовими необоротними змінами пружних властивостей скла. Вони приводять до зменшення обсягу скла і підвищенню точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає щирій температурі повітря в околицях метеостанції. Похибки спиртових і ртутних термометрів подібні. Додаткові помилки можуть виникати через сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт на світлі зменшує свій обсяг.

Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої температури за дану добу. Для цих цілей звичайно використовується скляний спиртовий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик зі стовщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положенні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи за собою штифт, а при підвищенні - спирт його обтікає, не зрушуючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру. Повертають термометр у робочий стан, перекидаючи резервуаром нагору, щоб штифт знову прийшов у зіткнення зі спиртом.

Максимальний термометр використовується для визначення найвищої температури за дану добу. Звичайно це скляний ртутний термометр, схожий на медичний. У скляній трубці поблизу резервуара є звуження. Ртуть видавлюється через це звуження під час підвищення температури, а при зниженні звуження перешкоджає її відтокові в резервуар. Такий термометр знову підготовлюють до роботи на спеціальній обертовій установці.

Біметалічний термометр складається з двох тонких стрічок металу, наприклад мідної і залізної, котрі при нагріванні розширюються в різному ступені. Їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до іншої. Така біметалічна стрічка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріплений. При нагріванні або охолодженні спіралі два метали розширюються або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або тугіше скручується. По покажчику, прикріпленому до вільного кінця спіралі, судять про величину цих змін. Прикладами біметалічних термометрів є кімнатні термометри з круглим циферблатом.

Електричні термометри. До таких термометрів відноситься пристрій з напівпровідниковим термоелементом — терморезистор, або термістор.

Термоелемент характеризується великим негативним коефіцієнтом опору (тобто його опір швидко зменшується з підвищенням температури). Перевагами терморезистора є висока чутливість і швидкість реакції на зміну температури. Калібрування терморезистора згодом міняється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зондах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

Барометр. Барометр, прилад для вимірювання тиску атмосферного повітря. Тиск є сила, що діє на одиницю площі поверхні. Земна атмосфера, що простирається на сотні кілометрів вгору, натискає на поверхню Землі, барометр і служить для виміру цього тиску. Атмосферний, або барометричний, тиск вимірюється в міліметрах ртутного стовпа й у Паскалях. Зміни атмосферного тиску, як правило, бувають зв’язані зі змінами погодних умов. Тиск звичайно падає перед негодою, а його підвищення передвіщає гарну погоду. Відзначаючи на карті зміни тиску, можна визначати напрямок вітрів і переміщення циклонів. Лінії рівного тиску називаються ізобарами від грец. isos (рівний) і baros (вага). Барометри були пристосовані для виміру висоти, тому що тиск атмосферного повітря зменшується зі збільшенням висоти над рівнем моря. Такими приладами (альтиметрами) обладнаються літаки, їх беруть із собою альпіністи. Існують два основних типи барометрів — ртутний і анероїд.

Ртутний барометр більш точний і надійний, ніж анероїд. Анероїд же більш компактний і зручний, його можна зробити кишеньковим. Ртутний барометр показує атмосферний тиск як висоту ртутного стовпа, яку можна виміряти по прикріпленій поруч шкалі. Ртутний барометр — це скляна трубка довжиною біля 90 см, заповнена ртуттю, запаяна з одного кінця і перекинута в чашку з ртуттю. Під дією сили ваги частина ртуті виливається з трубки в чашку, а через тиск повітря на поверхню чашки ртуть піднімається по трубці. Коли між цими двома протидіючими силами встановлюється рівновага, висота ртуті в трубці над поверхнею рідини в резервуарі відповідає атмосферному тискові. Якщо тиск повітря зростає, рівень ртуті в трубці піднімається. Середня висота ртутного стовпа в барометрі на рівні моря складає біля 760 мм.

Барометр-анероїд складається з запаяної коробки, з якої частково відкачано повітря. Одна її поверхня являє собою еластичну мембрану. Якщо атмосферний тиск збільшується, мембрана прогинається всередину, якщо зменшується — вигинається назовні. Прикріплений до неї покажчик фіксує ці зміни. Барометри-анероїди компактні і порівняно недорогі і використовуються як у приміщенні, так і на стандартних метеорологічних радіозондах. В анероїді рідини немає (грец. «анероїд» — «безводний»). Він показує атмосферний тиск, що діє на гофровану тонкостінну металеву коробку, у якій створене розрідження. При зниженні атмосферного тиску коробки злегка розширюється, а при підвищенні - стискується і впливає на прикріплену до неї пружину.

На практиці часто використовується кілька (до десяти) анероїдних коробок, з'єднаних послідовно, і встановлюється підоймова передатна система, що повертає стрілку, яка рухається по круговій шкалі, проградуйованій по ртутному барометру. Як і в сифонного ртутного барометра, на шкалі анероїда можуть бути зроблені написи («дощ», «змінно», «ясно», «дуже сухо»), що вказують на погодні умови. Анероїд менше ртутного барометра, і його показання легше знімати. Ним можна користуватися в експедиційних умовах, на морських суднах, літаках і ін. Якщо до його стрілки прикріпити перо, то він буде записувати показання. Такі барографи, тобто анероїди, що реєструють барометричний тиск є на всіх метеостанціях.

Прилади для вимірювання вологості. Психрометр складається з двох розташованих поруч термометрів: сухого, що вимірює температуру повітря, і змоченого, резервуар якого обернуто тканиною (батистом), зволоженою дистильованою водою. Повітря обтікає обидва термометри. Через випаровування води з тканини змочений термометр звичайно показує більш низьку температуру, ніж сухий. Чим нижче відносна вологість, тим більша різниця показань термометрів. На основі цих показань за допомогою спеціальних таблиць і визначається відносна вологість.

Волосяний гігрометр вимірює відносну вологість на підставі змін довжини людської волосини. Для видалення натуральних жирів, волосся спочатку вимочують в етиловому спирті, а потім промивають у дистильованій воді. Довжина підготовленої в такий спосіб волосини має майже логарифмічну залежність від відносної вологості в діапазоні від 20 до 100%. Час, необхідний для реакції волосся на зміну вологості, залежить від температури повітря (чим нижче температура, тим він більший). У волосяному гігрометрі при збільшенні або зменшенні довжини волосини спеціальний механізм пересуває покажчик по шкалі. Такі гігрометри звичайно використовують для виміру відносної вологості в приміщеннях.

Електролітичні гігрометри. Чуттєвим елементом цих гігрометрів служить скляна або пластмасова пластинка, покрита вуглецем або хлоридом літію, опір яких змінюється в залежності від відносної вологості. Такі елементи звичайно використовуються в комплектах приладів для метеорологічних куль-зондів. При проходженні зонда крізь хмару прилад зволожується, а його показання протягом досить тривалого часу (поки зонд не виявиться за межами хмари і не висохне чуттєвий елемент) спотворюються.

Прилади для вимірювання швидкості вітру. Чашкові анемометри. Швидкість вітру звичайно вимірюють за допомогою чашкового анемометра. Цей прилад складається з трьох або більш конусоподібних чашок, вертикально прикріплених до кінців металевих стержнів, що симетрично відходять від вертикальної осі. Вітер діє з найбільшою силою на увігнуті поверхні чашок і змушує вісь повертатися. У деяких типах чашкових анемометрів вільному обертанню чашок перешкоджає система пружин, по величині деформації яких і визначається швидкість вітру. В анемометрах з вільно обертовими чашками швидкість обертання, приблизно пропорційна швидкості вітру, виміряється електричним лічильником, що сигналізує, коли визначений обсяг повітря обтікає анемометр. Електричний сигнал включає світловий сигнал і записуючий пристрій на метеостанції. Часто чашковий анемометр механічно з'єднують з магнето, і напругу або частоту генерованого електричного струму співвідносять зі швидкістю вітру.

Анемометр із мірошницькою вертушкою складається з трьох або чотирьох лопатного пластмасового гвинта, укріпленого на осі магнето. Гвинт за допомогою флюгера, усередині якого розміщено магнето, постійно направляється проти вітру. Дані про напрямок вітру надходять по телеметричних каналах на спостережливу станцію. Електричний струм, вироблюваний магнето, змінюється в прямій залежності від швидкості вітру.

Прилади для вимірювання опадів. Атмосферні опади складаються з часток води як у рідкому, так і твердому виді, що надходять з атмосфери на земну поверхню. У стандартних не записуючих опадомірах приймальня лійка вставлена у вимірювальний циліндр. Співвідношення площі верхньої частини лійки і поперечного перерізу мірного циліндра 10:1, тобто 25 мм опадів, що випали, будуть відповідати в циліндрі оцінці 250 мм. Записуючі опадоміри — плювіографи — автоматично зважують зібрану воду або підраховують, скільки разів маленька вимірювальна посудина наповниться дощовою водою й автоматично спорожниться. Якщо очікується випадання опадів у виді снігу, лійка і вимірювальна склянка забираються, а сніг збирається в опадомірне цебро. Коли сніг супроводжується помірним або сильним вітром, кількість снігу, що попадає в посудину, не відповідає дійсній кількості опадів. Висота сніжного покриву визначається виміром потужності шару снігу в межах типової для даного району території, причому береться середнє значення щонайменше трьох вимірів. Для установлення водного еквівалента на ділянках, де вплив металевого переносу мінімально, у товщу снігу занурюють циліндр і вирізують стовпчик снігу, що розтоплюють або зважують. Кількість опадів, вимірювана опадоміром, залежить від його розташування. Турбулентність повітряного потоку, викликана самим приладом або навколишніми його перешкодами, приводить до заниження кількості опадів, що попадають у вимірювальну склянку. Тому опадомір установлюється на рівній поверхні якнайдалі від дерев і інших перешкод. Для зниження впливу вихрів, створюваних самим приладом, використовується захисний екран.

Аерологічні спостереження. Найпростіший спосіб визначення висоти хмари складається у вимірі часу, що потрібно невеликій повітряній кулі, відпущеній з поверхні землі, для досягнення основи хмари. Висота його дорівнює добуткові середньої швидкості підйому повітряної кулі на час польоту. Інший спосіб полягає в спостереженні плями світла, утвореного на основі хмари, спрямованим вертикально нагору променем прожектора. З відстані біля 300 м від прожектора виміряється кут між напрямком на цю пляму і променем прожектора. Висота хмари розраховується методом тріангуляції подібно тому, як виміряються відстані при топографічній зйомці. Запропонована система може працювати автоматично вдень і вночі. Для спостереження за плямою світла на основах хмар застосовується фотоелемент. Висота хмарності вимірюється також за допомогою радіохвиль — імпульсів, що посилаються радіолокатором, довжиною 0,86 см. Висота хмари визначається за часом, що потрібно радіоімпульсові для досягнення хмари і повернення назад. Оскільки хмари частково проникні для радіохвиль, цей метод застосовується для визначення висоти шарів при багатошаровій хмарності.

Метеорологічні кулі-зонди. Найпростіший тип метеорологічної повітряної кулі - куля-пілот — це невелика гумова куля, наповнена воднем або гелієм. Шляхом оптичних спостережень за змінами азимута і висотою польоту кулі і припускаючи, що швидкість його підйому постійна, можна розрахувати швидкість і напрямок вітру як функцію висоти над земною поверхнею. Для нічних спостережень до кулі прикріплюється невеликий ліхтар, що працює на батарейках. Метеорологічний радіозонд — це гумова куля, що несе радіопередавач, терморезисторний термометр, барометр-анероїд і електролітичний гігрометр. Радіозонд піднімається зі швидкістю 300 м/хв. до висоти 30 км. В міру підйому дані вимірів постійно передаються на станцію запуску. Спрямована приймаюча антена на Землі простежує азимут і висоту радіозонда, по яких розраховуються швидкість і напрямок вітру на різних висотах.

Супутники. Для денних зйомок хмарного покриву свічення забезпечується сонячним світлом, у той час як інфрачервоне випромінювання, що випускається всіма тілами, дозволяє вести зйомки і вдень і вночі спеціальною інфрачервоною камерою. Використовуючи фотографії в різних діапазонах інфрачервоного випромінювання, можна навіть розрахувати температуру окремих шарів атмосфери. Супутникові спостереження мають високу поверхневу роздільну здатність, однак їхнє вертикальне розділення набагато нижче забезпечуваного радіозондами. Деякі супутники, як, наприклад, американський TIROS, виведені на кругову полярну орбіту на висоті біля 1000 км. Оскільки Земля обертається навколо своєї осі, з такого супутника кожна крапка земної поверхні видна звичайно двічі в добу. Ще більше значення мають так звані геостаціонарні супутники, що обертаються над екватором на висоті біля 36 тис. км. Такому супутникові потрібно 24 год. для повного обороту. Оскільки цей час дорівнює тривалості доби, супутник залишається над одною і тією же точкою екватора, і з його відкривається постійний вид на земну поверхню. Таким чином, геостаціонарний супутник може повторно фотографувати ту саму територію, фіксуючи зміни погоди. Крім того, по русі хмар можуть бути розраховані швидкості вітру.

Метеорологічні радіолокатори. Сигнал, що посилається радіолокатором, відбиває дощем, снігом або температурною інверсією, і цей відбитий сигнал надходить на приймаючий пристрій. Хмари звичайно не видні на екрані радіолокатора, тому що утворюючі їхні крапельки занадто малі, щоб ефективно відбивати радіосигнал. До середини 1990;х років Національна метеорологічна служба США була переоснащена радіолокаторами з ефектом Допплера. В установках такого типу для виміру швидкості наближення часток, що відбивають, до радіолокатора або видалення від нього використовується принцип т.зв. допплерівського зсуву. Тому ці радіолокатори можуть застосовуватися для виміру швидкості вітру. Особливо вони корисні для виявлення смерчів, оскільки вітер по одну сторону смерчу швидко несеться назустріч радіолокаторові, а по іншу — стрімко від нього віддаляється. Сучасні радіолокатори можуть виявляти метеорологічні об'єкти на відстані до 225 км.

2.2 Існуючі метеостанції

Метеостанція Red Lava. Метеостанція Red Lava (Рис. 2.2.1) має анімований дисплей (змінює колір з червоного (сонячно) до білого (дощ), індикація зовнішньої температури, внутрішньої температури і вологості, тиску.

На передній панелі базового блоку розташований цифровий ЖК-дісплей. Кнопки управління метеостанцією розташовані на бічній і задній поверхні. На нижній панелі базового блоку розташований відсік для батарей живлення. Час відображається в 24-х годинному форматі.

Календар відображає число, місяць, день тижня. Прогноз погоди у вигляді 6-ти символів — ясно, мінлива хмарність, хмарність, опади, гроза, сніг. Анімірованіє індикатор фази Місяця і індикатор зміни погоди. Температура повітря усередині приміщення і на вулиці відображається в градусах за Цельсієм (° С).

Відносна вологість повітря відображається в%. Зовнішня температура: −50… +70 °. Внутрішня температура: −10… +60 °, Вологість 25… 95%. Для вимірювання температури на вулиці застосовується виносний бездротовою датчик (одночасно можна використовувати до п’яти датчиків).

Максимальна відстань до 75 м. Функція максимум / мінімум зареєстрованих значень температури / вологості з відображенням часу та дати їх реєстрації. Індикатор розряду батарей. Живлення: станція 4 батареї 1,5 «АА» (або блок живлення), датчик 2 батареї 1,5 «ААА» .

Виносний бездротовий датчик. Виносний датчик передає інформацію про температуру на радіочастоті 433 Mhz. Корпус датчика захищений від проникнення вологи. Датчик може встановлюватися на стіл або вмонтовуватися на стіну. Габарити: 245×145×50 мм. Температура повітря усередині приміщення і на вулиці відображається в градусах за Цельсієм.

Відносна вологість повітря відображається в%. Зовнішня температура: −30… +70°С. Вологість 1…99%.

Внутрішня температура: −10… +60 °. Вологість 1… 99%

Для вимірювання температури і вологості на вулиці застосовується виносний бездротовою датчик (одночасно можна використовувати до трьох датчиків). Максимальна відстань до 100 м. Функція максимум / мінімум зареєстрованих значень температури / вологості з відображенням часу та дати їх реєстрації. Індикатор розряду батарей.

Живлення: станція 2 батареї 1,5 «АА», датчик 2 батареї 1,5 «АА».

Виносний бездротовий датчик. Виносний датчик передає інформацію про температуру і вологість на радіочастоті 433 Mhz. Максимальна відстань до 100 м. Корпус датчика захищений від проникнення вологи. Датчик забезпечений знімною підставкою, за допомогою якої може встановлюватися на стіл або вмонтовуватися на стіну.

Рис. 2.2.1 Метеостанція Red Lava

Цифрові погодні станції TFA. Цифрові погодні станції TFA (Рис. 2.2.2.) прогнозують погоду на найближчі 12−24 години для місцевості в радіусі 50 км.

На передній панелі базового блоку розташований цифровий ЖК-дісплей з підсвічуванням і кнопки управління метеостанцією. На задній панелі базового блоку розташовані: відсік для батарей живлення і фігурний отвір для кріплення метеостанції на стіні. Є також підставка для установки метеостанції на столі. Прогноз погоди у вигляді 3-х символів — ясно, мінлива хмарність, опади.

Графічне відображення зміни тиску за останні 24 години. Індикатор фази Місяця. Температура повітря усередині приміщення і на вулиці відображається в градусах за Цельсієм (° С). Відносна вологість повітря відображається в %. Зовнішня температура: −30… +70 °. Вологість 1… 99%, внутрішня температура:-10…+60°.

Для вимірювання температури і вологості на вулиці застосовується виносний бездротовою датчик (одночасно можна використовувати до трьох датчиків). Максимальна відстань до 100 м. Функція максимум / мінімум зареєстрованих значень температури / вологості з відображенням часу та дати їх реєстрації.

Живлення: станція 2 батарейками 1,5 «АА», датчик 2 батарейками 1,5 «АА» Виносний датчик передає інформацію про температуру і вологість на радіочастоті 433 Mhz. Максимальна відстань до 100 м. Корпус датчика захищений від проникнення вологи. Датчик забезпечений знімною підставкою, за допомогою якої може встановлюватися на стіл або вмонтовуватися на стіну.

Рис. 2.2.2 Цифрові погодні станції TFA

Метеостанція WS3600. Лазерна локація супутників Землі - вимірювання часу прольоту оптичного імпульсу до супутника і назад. Для забезпечення результатів спостережень на рівні 10 мм точності та довготривалої стабільності необхідно враховувати миттєвий стан атмосфери. Таке завдання вирішують методом моделювання метеопараметрів уздовж прольоту оптичного імпульсу за наземними даними, виміряними на станції.

У випадку лазерної локації супутників (ЛЛС) на станції вимірюють миттєвий час прольоту короткотривалого лазерного імпульсу до супутника, обладнаного спеціальними відбивачами. Це забезпечує миттєве вимірювання геоцентричної відстані на міліметровому рівні точності, що в підсумку дає змогу отримати надточну орбіту супутника та низку інших наукових даних:

* ЛЛС сьогодні є найточнішою методикою для вимірювання геоцентричного положення штучного супутника Землі, яка забезпечує точне калібрування космічних радіолокаційних висотомірів і розділення довготермінових інструментальних дрейфів від вікових змін у топографії Океану;

* ЛЛС забезпечує вимірювання часових варіацій у гравітаційному полі Землі та у власних рухах станцій мережі щодо геоцентра, у тому числі й вертикального руху в абсолютній системі. Завдяки цьому вона є унікальною методикою для моделювання та розрахунку довготермінових змін клімату;

* ЛЛС забезпечує можливість перевірки законів загальної теорії відносності;

* мережа ЛЛС станцій є важливою частиною міжнародної мережі обсерваторій космічної геодезії;

* ЛЛС забезпечує аварійну резервну навігацію супутника під час відмови інших, радіотехнічних, систем спостережень.

Похибки вимірювання метеорологічних параметрів — одна з проблем підвищення точності спостережень ЛЛС. Якщо на сучасному рівні розвитку техніки ЛЛС прагнути до 1 мм точності, то необхідно максимально уникати впливу похибок метеорологічних параметрів. Похибки вимірювання абсолютного атмосферного тиску в 1 мБар спричинюють залежну від висоти (кута місця) похибку у вимірюванні відстані 7 і 3 мм на висотах 20 і 90°, відповідно. Не можна нехтувати впливом точності вимірювання відносної вологості.

Похибка вимірювання в 10% за температури 20 °C, зумовлює залежну від висоти (кута місця) похибку у вимірюванні відстані 1,0 і 0,4 мм на висотах 20 і 90°, відповідно. Вплив похибки вимірювання відносної вологості прямо залежить від температури навколишнього середовища.

Похибки вимірювання температури не є суттєвими для розрахунку тропосферної рефракції, проте впливають на калібрувальне вимірювання відстані до далеких (понад 1 км) наземних цілей (відбивачів).

Для підвищення точності та поліпшення ефективності спостережень ЛЛС на станції «Львів-1831» була інстальована цифрова метеорологічна станція WS3600.

Комплект поставки метеостанції з сенсорним екраном WS3600 охоплює базову станцію (приймач), термогідросенсор (передавач 433 МГц), сенсор дощу і сенсор вітру (Рис. 2.2.3).

Рис. 2.2.3 Цифрова метеорологічна станція WS3600

Базова станція обладнана сенсорним рідкокристалічним екраном і дає змогу за допомогою простого меню контролювати велику кількість часових і погодних даних.

Головні технічні характеристики метеостанції такі:

Атмосферний тиск, гПа 300 — 1099 0,1

Зовнішня температура, °С (-29,9) — (+59,9) 0,1

Зовнішня вологість,% 1 — 99, 3

Метеостанцію приєднують до послідовного порта (COM1-COM4) комп’ютера. Приєднання зовнішніх датчиків до основного блока реалізовано по кабелю (а не по радіо 433 МГц), оскільки основний блок розміщений у приміщенні з апаратурою, а термогідросенсор винесений за межі павільйону, який містить металеві конструкції - ці чинники можуть негативно впливати як на передавання метеоданих, так і на роботу прецизійної апаратури.

Автоматизація відображення та передавання метеоданих. Розробка відповідного програмного забезпечення для використання метеостанції є продовженням роботи з автоматизації проведення спостережень ЛЛС на станції «Львів-1831».

Програми для роботи з метеоданими поділяють на дві частини які оновлюють дані і використовують метеодані, тобто для забезпечення збереження метеоданих у базі, і програми, які використовують дані для подальших розрахунків. Програми написані мовами С/С++, PHP для операційної системи Linux. Модуль взаємодії з метеостанцією розроблено у вигляді програмного демона, який через заданий проміжок часу (1 хвилина + 0±3с — залежить від завантаження процесора) зчитує дані з метеостанції, формує запит до бази даних для запису у базу даних (MySQL), після цього дані стають доступні всім клієнтам бази даних.

За основу взято, з деякими змінами, пакет програмного забезпечення OPEN3600. Для роботи з метеостанцією, для якого дописано код для періодичного запису даних у базу даних.

3. Розробка структурної схеми

Підхід до вибору блоків, з яких складається структурна схема здійснювався на основі сучасних, модернізованих та ефективних мікроелектронних компонентів. Структурна схема пристрою показана на рисунку 3.1.

Рис. 3.1 Структурна схема Умовні скорочення:

ДТ — датчик тиску; ДВ — датчик вологості повітря;

Д t⁰ — датчик температури;

ПУ1, 2, 3 — пристрій управління;

АК — аналоговий комутатор;

АЦП — аналогово-цифровий перетворювач;

МК — мікроконтролер;

Призначення блоків:

— датчик тиску, призначений для вимірювання тиску повітря;

— датчик вологості, призначений для вимірювання вологості повітря;

— датчик температури, призначений для вимірювання температури повітря;

Блоки ПУ1, 2, 3:

ПУ1, 2, 3 — пристрій узгодження, призначений для обробки вимірювальної інформації та забезпечення обміну даними між датчиками та АЦП.

— Блок АК, аналоговий комутатор служить для перемикання безперервно змінюючих електричних сигналів.

— Блок АЦП, призначений для перетворення аналогового сигналу цифрову форму.

— Блок МК — мікроконтролер — виконує обробку та передачу даних між вузлами схеми.

— Блок індикатор — служить для відображення інформації з Датчиків;

— Блок інтерфейс ЕОМ — служить для зв’язку пристрою з ЕОМ.

3.1 Обґрунтування вузлів структурної схеми

3.1.1 Вибір мікроконтролера

Можна вважати що мікроконтролер (МК) — це комп’ютер, що розмістився в одній мікросхемі. Звідси і його основні привабливі якості: малі габарити; високі продуктивність, надійність і здатність бути адаптованим для виконання самих різних завдань.

Мікроконтролер крім центрального процесора (ЦП) містить пам’ять і численні пристрої введення/виводу: аналого-цифрові перетворювачі, послідовні і паралельні канали передачі інформації, таймери реального часу, широтно-імпульсні модулятори (ШІМ), генератори програмованих імпульсів і т.д. Його основне призначення — використання в системах автоматичного управління, вбудованих в самі різні пристрої: кредитні картки, фотоапарати, стільникові телефони, музичні центри, телевізори, відеомагнітофони та відеокамери, пральні машини, мікрохвильові печі, системи охоронної сигналізації, системи запалювання бензинових двигунів, електроприводи локомотивів, ядерні реактори і багато, багато іншого. Вбудовані системи управління стали настільки масовим явищем, що фактично сформувалася нова галузь економіки, яка отримала назву Embedded Systems (вбудовані системи).

Якщо уявити всі типи сучасних мікроконтролерів (МК), то можна здивуватися величезною кількістю різноманітних приладів цього класу, доступних споживачеві. Однак всі ці пріори можна розділити на такі основні типи:

* Вбудовані (embedded) 8-розрядні МК;

* 16-і 32- розрядні МК;

* Цифрові сигнальні процесори.

Промисловістю випускаються дуже широка номенклатура вбудованих МК. У них всі необхідні ресурси (пам'ять, пристрої введення-виведення і т.д.) розташовуються на одному кристалі з процесорним ядром (Рис. 3.1.1.1.).

Рис. 3.1.1.1 Структура мікроконтролера

Якщо подати живлення і тактові імпульси на відповідні входи МК, то можна сказати, що він як би «оживе» і з ним можна буде працювати. Зазвичай МК містять значну кількість допоміжних пристроїв, завдяки чому забезпечується їх включення в реальну систему з використанням мінімальної кількості додаткових компонентів. До складу цих МК входять:

* Схема початкового запуску процесора (Reset);

* Генератор тактових імпульсів;

* Центральний процесор;

* Пам’ять програм (E (E)PROM) і програмний інтерфейс;

* Засоби введення/виведення даних;

* Таймери, що фіксують число командних циклів.

Загальна структура МК показана на Рис. 3.1.1.1. Ця структура дає уявлення про те, як МК зв’язується із зовнішнім світом. Більш складні вбудовані МК можуть додатково реалізовувати такі можливості:

* Вбудований монітор/відгадчик програм;

* Внутрішні засоби програмування пам’яті програм (ROM);

* Послідовний введення/виведення (синхронний і асинхронний);

* Підключення зовнішньої пам’яті (мікропроцесорний режим).

Всі ці можливості значно збільшують гнучкість застосування МК і роблять простішим процес розробки систем на і основі.

Деякі МК (особливо 16 — і 32-розрядні) використовують тільки зовнішню пам’ять, яка включає в себе як пам’ять програм (ROM), так і певний обсяг пам’яті даних (RAM), необхідний для даного застосування. Вони застосовуються в системах, де потрібен великий обсяг пам’яті і відносне не велика кількість пристроїв (портів) введення/виведення. Типовим прикладом застосування такого МК із зовнішньою пам’яттю є контролер жорсткого диска (HDD) з буферної кеш-пам'яттю, який забезпечує проміжне зберігання і розподіл великих обсягів даних (порядку декількох мегабайт). Зовнішня пам’ять дає можливість такому мікроконтролеру працювати з більш високою швидкістю, ніж вбудований МК.

Цифрові сигнальні процесори (DSP) — відносно нова категорія процесорів. Призначення DSP полягає в тому, щоб отримувати поточні дані від аналогової системи, обробляти дані і формувати відповідний відгук у реальному масштабі часу. Вони зазвичай входять до складу систем, використовуючись як пристрої керування зовнішнім устаткуванням, і не призначені для автономного застосування.

Залежно від числа використовуваних кодів операцій системи команд МК можна розділити на дві групи: CISC і RISC. Термін CISC означає складну систему команд і є абревіатурою англійського визначення Complex Instruction Set Computer. Аналогічно термін RISC означає скорочену систему команд і походить від англійського Reduce Instruction Set Computer. Систему команд МК 8051 можна віднести до типу CISC. Проте, не дивлячись на широку поширеність цих понять, необхідно визнати, що самі назви не відображають головного відмінності між системами команд CISC і RISC. Основна ідея RISC архітектури — це ретельний підбір таких комбінацій кодів операцій, які можна було б виконати за один такт тактового генератора. Основний виграш від такого підходу — різке спрощення апаратної реалізації ЦП і можливість значно підвищити його продуктивність.

Очевидно, що в загальному випадку одній команді CISC відповідає кілька команд RISC. Проте зазвичай виграш від підвищення швидкодії в рамках RISC перекриває втрати від менш ефективної системи команд, що призводить до більш високої ефективності RISC систем в цілому в порівнянні з CISC.

Проте в даний час грань між CISC і RISC архітектурою стрімко стирається. Наприклад, МК сімейства AVR фірми Atmel мають систему команд з 120 інструкцій, що відповідає типу CISC. Однак більшість з них виконується за один такт, що є ознакою RISC архітектури. Сьогодні прийнято вважати, що ознакою RISC архітектури є виконання команд за один такт тактового генератора. Число команд саме по собі значення вже не має.

Для проектуємого приладу було обрано восьми розрядний мікроконтролер який побудований по AVR RISC архітектурі (Гарвардська архітектура з роздільною пам’яттю і роздільними шинами для пам’яті програм і даних). Використання більш потужних мікроконтролерів недоцільне.

3.1.2 Датчики температури

Датчиками називаються електронні прилади, які перетворюють параметр зовнішнього середовища у напругу, або струм, значення яких пов’язане з параметром зовнішнього середовища.

В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного управління, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними перевагами електричних вимірювань: електричні величини зручно передавати на відстань, причому передача здійснюється з високою швидкістю; електричні величини універсальні в тому сенсі, що будь-які інші величини можуть бути перетворені в електричні та навпаки, вони точно перетворюють в цифровий код і дозволяють досягти високої точності, чутливості і швидкодії засобів вимірювань.

Спектр використання температурних датчиків надзвичайно широкий: від зарядних пристроїв до дорогих портативних приладів. Всюди, де характеристики системи залежать від температурних чинників, застосовуються ці прилади. Всі термодатчики, за винятком зібраних на ІС, мають нелінійну залежність вихідною сигналу від температури. В минулому для корегування цієї нелінійності був розроблений широкий спектр аналогових схемотехнічних рішень. Ці схеми часто вимагали індивідуальною калібрування. Щоб досягнути заданої точності, в них використовувалися прецизійні резистори. Сьогодні, завдяки наявності АЦП з високою роздільною здатністю, сигнали з датчиків можуть бути оцифровані безпосередньо, без попереднього посилення і лінеаризації. Лінеаризація, компенсація напруги на опорному спаї і інша обробка виконуються потім цифровими способами, що дозволяє понизити складність і вартість системи.

Інтегральні датчики температури. Ці датчики являють собою стабілітрони, у яких напруга стабілізації залежить від температури з коефіцієнтом 10 мВ/K. Еквівалентний стабілітрон має динамічний опір менший за 1 Ом і працює в діапазонах температур від -55 до +150С. Для таких мікросхем, як LM135, LM235, LM335 похибка вимірювань складає менша за 1С. Схема включення мікросхем такого типу показана на рис. 3.1.2.1.

Рис. 3.1.2.1 Схема включення мікросхемного датчика температури

Термоперетворювачі опору. Принцип дії термоперетворювачів опору (терморезисторів) заснований на зміні електричного опору провідників і напівпровідників в залежності від температури. Матеріал, з якого виготовляється такий датчик, повинен володіти високим температурним коефіцієнтом опору, по можливості лінійною залежністю опору від температури, хорошою відтворюваністю властивостей інертності до впливів навколишнього середовища. Найбільшою мірою всіма вказаними властивостям задовольняє платина;

Платинові терморезистори призначені для вимірювання температур в межах від -260 до 1100 ⁰С. У діапазоні температур від 0 до 650 0С їх використовують в якості зразкових та еталонних засобів вимірювань, при чому стабільність градуйованої характеристики таких перетворювачів не перевищує 0,001⁰С.

Платинові терморезистори володіють високою стабільністю і відтворювальними характеристиками. Їх недоліками є висока вартість і не лінійність функції перетворення. Тому вони використовуються для точних вимірювань температур у відповідному діапазоні. Широке поширення на практиці отримали дешевші мідні терморезистори.

Недоліком міді є невелике її питомий опір і легка окислюваність при високих температурах, внаслідок чого кінцевий межа застосування мідних термометрів опору обмежується температурою 1800C. За стабільності та відтворюваності характеристик мідні терморезистори поступаються платиновим.

Теплова інерційність стандартних термометрів опору характеризується показником теплової інерції (постійної часу), значення якого лежать в межах від десятків секунд до одиниць хвилин. Постійна часу спеціально виготовлених малоінерційних термометрів опору може бути зменшена до 0,1 с. Знаходять застосування також нікелеві термометри опору. Напівпровідникові терморезистори при значно малих розмірах мають високі значення опору (до 1 МОм). Для вимірювання температури найбільш поширені напівпровідникові терморезистори типів КМТ (суміш оксидів кобальту і марганцю) і ММТ (суміш оксидів міді і марганцю).

Термістори мають лінійну функцію перетворення. Серйозним недоліком термісторів, що не дозволяє з великою точністю нормувати їх характеристики при серійному виробництві, є погана відтворюваність характеристик (значна відмінність характеристик одного примірника від іншого). Напівпровідникові датчики температури мають високу стабільністю характеристик у часі і застосовуються для зміни температур в діапазоні від -100 до 200 0С. Вимірювальна схема за участю термоперетворювачів опору частіше за все є мостовий; урівноваження моста здійснюється за допомогою потенціометра.

При зміні опору терморезистора відповідно змінюється положення потенціометра, положення щодо шкали формує показання приладу; шкала градуюється безпосередньо в одиницях температури.

Недоліком такої схеми включення є внесена проводами підключення терморезистора похибка; оскільки через зміну опору проводів при зміні температури навколишнього середовища компенсація зазначеної похибки неможлива, застосовують трьохпровідну схему включення проводів, при використанні якої опору підвідних проводів виявляються в різних гілках, і їх вплив значно зменшується.

Пірометри. Серйозним недоліком розглянутих вище термоперетворювачів опору і термоелектричних перетворювачів є необхідність введення датчика в контрольоване середовище, в результаті чого відбувається перекручування досліджуваного температурного поля. Крім того, безпосередній вплив середовища на датчик погіршує стабільність його характеристик, особливо при високих і надвисоких температурах і в агресивних середовищах. Від цих недоліків вільні пірометри — безконтактні датчики, засновані на використанні випромінювання нагрітих тіл. Теплове випромінювання будь-якого тіла можна характеризувати кількістю енергії, що випромінюється тілом з одиниці поверхні в одиницю часу і припадає на одиницю діапазону довжин хвиль. Така характеристика є спектральна щільність і називається спектральною світністю (інтенсивністю монохроматичного випромінювання). Інтенсивність випромінювання будь-якого реального тіла завжди менше інтенсивності абсолютно чорного тіла при тій же температурі. Зменшення спектральної світності реального тіла в порівнянні з абсолютно чорним враховують введенням коефіцієнта неповноти випромінювання; його значення різне для різних фізичних тіл і залежить від складу речовини, стану поверхні тіла та інших факторів. Використовують енергію випромінювання нагрітих тіл пірометри діляться на радіаційні, яскравості і колірні. Радіаційні пірометри використовуються для вимірювання температури від 20 до 2500 0С, причому прилад вимірює інтегральну інтенсивність випромінювання реального об'єкта; у зв’язку з цим при визначенні температури необхідно враховувати реальне значення коефіцієнта неповноти випромінювання.

Радіаційні пірометри. Градуюються по випромінюванню абсолютно чорного тіла, тому неточність оцінки коефіцієнта неповноти випромінювання викликає похибка вимірювання температури. Яскравості (оптичні) пірометри використовуються для вимірювання температур від 500 до 4000 0С. Вони засновані на порівнянні у вузькому ділянці спектра яскравості досліджуваного об'єкта з яскравістю зразкового випромінювача (фотометричної лампи). Фотометрична лампа вбудована в телескоп, який має об'єктив і окуляр.

Кольорові пірометри, засновані на вимірі відносини інтенсивностей випромінювання на двох довжинах хвиль, обираних зазвичай в червоній або синій частині спектра; вони використовуються для вимірювання температури в діапазоні від 800 до 0С. Зазвичай колірний пірометр містить один канал вимірювання інтенсивності монохроматичного випромінювання зі змінними світлофільтрами.

Головною перевагою колірних пірометрів є те, що неповнота випромінювання досліджуваного об'єкта не викликає похибки зміни температури. Крім того, показання колірних пірометрів принципово незалежний від відстані до об'єкта вимірювання, а також від коефіцієнта випромінювання у проміжній середовищі, якщо коефіцієнти поглинання однакові для обох довжин хвиль.

Кварцові термоперетворювач. Для вимірювання температур від -80 до +250 0С часто використовуються так звані кварцові термоперетворювачі, що використовують залежність власної частоти кварцового елемента від температури. Робота даних датчиків заснована на тому, що залежність частоти перетворювача від температури і лінійність функції перетворення змінюються в залежності від орієнтації зрізу щодо осей кристала кварцу.

Кварцові термоперетворювачі мають високу чутливість (до 103 Гц / К). високу тимчасову стабільність і роздільну здатність, що і визначає перспективність. Дані датчики широко використовуються в цифрових термометрах.

ЯКР датчики. ЯКР — термометри (термометри ядерного квадрупольного резонансу) засновані на взаємодії градієнта електричного поля кристалічної решітки та квадрупольного електричного моменту ядра, викликаного відхиленням розподілу заряду ядра від сферичної симетрії. Ця взаємодія обумовлює процеси ядер, частота якої залежить від градієнта електричного поля решітки та для різних речовин має значення від сотень кілогерц до тисяч мегагерц. Градієнт електричного поля решітки залежить від температури, і з підвищенням температури частота ЯКР знижується. Датчик ЯКР-термометра являє собою ампулу з речовиною, укладену всередину котушки індуктивності, включеної в контур генератора. При збігу частоти генератора з частотою ЯКР відбувається поглинання енергії від генератора. Похибка вимірювання температури -263 0С складає ± 0.02 0С, а температури 27 0С — ± 0.002 0С. Перевагою ЯКР-термометрів є його необмежена у часі стабільність, а недоліком — істотна нелінійність функції перетворення.

Дилатометрічні перетворювачі. Дилатометрічні (об'ємні) датчики вимірювання температури засновані на явищі розширення (стиснення) твердих тіл, рідин або газів при збільшенні (зменшенні) температури. Температурний діапазон роботи перетворювачів, заснованих на розширені твердих тіл, визначається стабільністю властивостей матеріалів при зміні температури. Звичайно за допомогою таких перетворювачів вимірюють температури в діапазоні -60 — 400 0С. Похибка перетворення становить 1 — 5%. Температурний діапазон роботи перетворювача з розширюється рідиною залежить від температур замерзання та кипіння останньої (для ртуті - 39 — 357 0С, для амилового спирту — 117 — 132 0С, для ацетону — 94 — 570С. Похибки рідинних перетворювачів становлять 1 — 3% із значною мірою залежать від температури навколишнього середовища, змінює розміри капіляра.

Нижня межа вимірювання перетворювачів, що використовують як робочого середовища газ, обмежується температурою скраплення газу (- 195 0С для азоту, — 269 0С для гелію), верхній же — лише теплостійкістю балона.

Акустичні датчики. Акустичні термометри засновані на залежності швидкості поширення звуку в газах від їх температури і використовуються в основному діапазоні середніх і високих температур. Акустичний термометр містить просторово рознесені випромінювач акустичних хвиль і їх приймач, зазвичай включаються в ланцюг автогенератора, частота коливань якого змінюється зі зміною температури; зазвичай такий датчик використовує різні по типу резонатори.

Для проектуємого приладу було обрано інтегральний датчик температури. Він найбільш оптимально підходить за технічними характеристиками та якостями роботи. Діапазон вимірювальних температур становить від -55 до +150С, що задовольняє поставлене завдання. Похибка вимірювання менша за 1С, що робить вимірювання доволі точним.

3.1.3 Датчики вологості

Сорбційно-ємкісні датчики. Принцип дії таких датчиків заснований на залежності діелектричної проникливості сорбенту від кількості вологи, яка в ньому знаходиться. Шар сорбенту знаходиться між двома пласкими електродами, що утворюють конденсатор. У якості сорбенту використовують окисли металів та кремнію. Сорбційно-ємкісні датчики мають практично лінійну залежність «вологість-ємкість». Сучасні датчики такого типу мають діапазон вимірювання вологості від 0 до 100%, лінійність у цьому діапазоні 1%.

Резистивні датчики вологості. У датчиків цього типу при зміні вологості змінюється опір сорбенту (чергування шарів пористої платини та полімеру, що нанесені на підложку з кремнію). Вони є менш точними і мають велику залежність від температури (до 0,6% опору на 1 градус Цельсія). Без кіл температурної компенсації їх можна використовувати тільки у приміщеннях зі стабільними температурними умовами (комори, овочесховища). Діапазон вимірювання вологості: від 30 до 90%, лінійність у цьому діапазоні 5%.

Термісторні датчики вологості. У схемі (Рис. 3.1.3.1) у вимірювальний міст включені два однакові термістори Rt1 та Rt2, що прогріваються струмом від джерела +U.

Рис. 3.1.3.1 Термісторний датчик вологості

Різниця між ними у тому, що один з них поміщений у скляну оболонку, а другий — ні. Чим більша вологість, тим більше охолоджується термістор, що не знаходиться у скляній оболонці, тим більше розбаланс мосту, що підсилюється операційним підсилювачем ОП. Тому напруга на виході прямо пропорційна вологості. Перевага такої схеми — у незалежності від температури, бо опори термісторів від температури змінюються однаково.

Для проектуємого пристрою було обрано сорбційно-ємкісний датчик, який являє собою ємнісний полімер. Датчик призначений для вимірювання відносної вологості від 0 до 100%, лінійність у цьому діапазоні 1%.

Датчик перетворить значення вологості в ємність, яка може бути виміряна в електронному вигляді.

3.1.4 Датчики тиску