Оглавление
Аннотация
Abstract
Введение
Исследование
Сравнительный анализ существующих датчиков перемещений
Разработка
Разработка алгоритма получения измерительной информации
Разработка структурной схемы датчика перемещений
Выбор элементной базы измерительного модуля
Разработка прикладного ПО
Разработка и тестирование макета оптического датчика перемещений
Аппаратная часть
Программная часть
Руководство пользователя
Заключение
Список литературы
Приложения
Аннотация
перемещение датчик комплекс программный
В работе проводится сравнительный анализ существующих методов измерения перемещений и датчиков, созданных на их основе. Особое внимание уделяется датчикам, работающим на различных оптических принципах. В результате анализа выделяется ниша, среди подобных измерительных устройств, где не хватает бесконтактного оптического датчика перемещений. Также проводится проектирование аппаратно-программного измерительного комплекса, в процессе которого решаются проблемы несовершенства упрощенной физической модели мира, а также, за счет грамотного подбора аппаратной составляющей достигается наилучшее экономическое соотношение цена/функциональность. Кроме того, следует разработать программное обеспечение, позволяющее легко снимать показания с датчика, обрабатывать их и представлять в наглядном формате. В результате проектирования создается рабочий макет устройства, тесты которого подтверждают верность расчетов проектирования и работоспособность ПО. ВКР состоит из 45 страницы, не включая график выполнения, титульный лист и техническое задание, 10 иллюстраций и 14 источников.
Abstract
In this research a comparative analysis of existing methods of measuring linear and angular displacements and sensors based on this methods is carried out. Particular attention is paid to sensors operating on various optical principles. As a result of the analysis, a field, in which there is not enough contactless optical displacement sensor, is revealed. A hardware-software measuring complex is designed. During this process problems of imperfection of a simplified physical model of the world are solved. Also, due to a competent selection of the hardware component, the best economic price/functionality ratio is achieved. In addition, a software, that makes it easy to take readings from the sensor, process them and present them in a visual format is being designed. As a result of the conducted work, a working model of the device is created, tests that were made confirm the correctness of the conducted calculations and software operability.
The paper includes 45 pages, not including the schedule, title page and technical specification, 10 illustrations and 14 sources.
Введение
Актуальность
В современном мире развитие технологий с каждым годом ускоряется. Индустриализация - процесс ускоренного социально-экономического перехода от традиционного этапа развития к индустриальному, с преобладанием промышленного производства в экономике - начавшаяся в девятнадцатом веке продолжает уверенно шагать по Земному шару. Производство становится все больше технологичным и автоматизированным, космические корабли бороздят просторы вселенной, активно ведется разработка новых технологий и исследования в самых разных областях науки. Одна из самых важных систем любой линии автоматизированного производства - контрольно-измерительная. Именно она отвечает за точность во время производства и, кроме того, позволяет находить ошибки, допущенные оборудованием. Некоторому оборудованию необходим постоянный контроль за состоянием его частей, ведь малейший сдвиг некоторых элементов может привести к неприятным последствиям, начиная от потери точности производства и заканчивая поломкой дорогостоящей аппаратуры. В науке измерения не менее важны, ведь любой эксперимент сопровождается постоянными измерениями и контролем состояний оборудования, среды, исследуемого объекта. Для этого применяются различные датчики, способные замерять, а затем передавать или отображать информацию о каких-либо физических величинах. Существует множество различных видов датчиков, один из них - оптические - датчики, работающие на одном или нескольких оптических свойствах, как волновой, так и квантовой природы. Одно из самых важных преимуществ таких датчиков - бесконтактная работа, другими словами, они не воздействуют на исследуемый объект механически, что порой очень и очень важно.
Цели и задачи
Цели данной работы глобально делятся на две категории аппаратная реализация и программная составляющая.
Описывая аппаратную часть, следует указать, что основная цель - создать датчик перемещения, который сочетает в себе преимущества используемых в настоящее время систем. В ходе работы должна быть создана модель системы и дана экспериментальная информация. Для достижения этого представляется целесообразным поставить следующие задачи:
? исследование существующих решений и разработок в области датчиков перемещения,
? моделирование геометрической модели расположения световодов,
? математическое моделирование системы,
? выбор элементной базы и моделирование работоспособности схемы, на ее основе,
? разработка макета системы и его тестирование.
Цели для реализации программной части:
? В работе требуется провести обзор и анализ предметной области с целью обнаружения и изучения существующих реализаций предлагаемого программно-аппаратного комплекса,
? Спроектировать функциональные особенности разрабатываемого комплекса.
? Разработать программное обеспечение для снятия показаний с прототипа.
? Отладить взаимодействие между созданным оборудованием в виде датчика, микрокомпьютером и ПО непосредственного пользователя.
Научная значимость
Вклад системы, описанной в этом исследовании, включает в себя: получение устройства, готового для использования в промышленности и науке. Датчик должен обеспечивать высокую точность измерений и относительно высокую стоимость производства. Это повысит доступность многих научных исследований, снизит стоимость производства автоматизированных систем. Кроме того, исследование создаст основу для дальнейшей разработки волоконно-оптических датчиков различного назначения.
Более того, датчики перемещений уже давно не являются новым словом в науке и технике. Но с каждым днем задачи и потребности людей растут. В том числе меняются требования к уже созданным промышленным изделиям.
Технологии по мониторингу движущихся объектов применяются во многих сферах деятельности. Например, в охранных системах подобные датчики активизируют аварийных режим и посылают сигнал в управляющий центр. Или же в домашнем хозяйстве существуют виды датчиков, которые при приближении человека включают освещение и при его отсутствии в целях экономии ресурсов выключают его. Внедрение разрабатываемой системы позволит автоматизировать процесс мониторинга любой активности.
Этапы разработки аппаратной части
Первым делом в специальном ПО моделируются и рассчитываются различные версии датчиков, а точнее взаимное расположение излучателей и приемников. Затем необходимо определиться с элементной базой. После этого строится принципиальная, функциональная и монтажная электрические схемы. По построенным схемам проводится моделирование работоспособности и по успешному завершению собирается первый прототип. Прототип необходим для тестов работы аппаратной части в также для установления математической зависимости расстояния от информации с оптических приемников.
Этапы разработки программной части
I. Разработка прошивки микроконтроллера - язык программирования C:
1. Исследование прошивок для микроконтроллера серии ATmega от производителя AVR.
2. Выбор среды разработки.
3. Поиск библиотеки для работы с АЦП AD7705.
4. Модификация библиотеки AD770X.h для данного проекта.
5. Написание кода пришивки.
II. Разработка пользовательского ПО - Python часть проекта:
1. Анализ кода программ, в которых используется последовательное подключение микроконтроллера к АЦП.
2. Выбор среды разработки.
3. Разработка скрипта для отладки настроек и первичной визуализации колебаний объектов перед датчиком движения.
4. Разработка скрипта для записи показаний датчика в виде таблицы CSV формата.
5. Разработка скрипта для визуализации полученный данных в виде графика.
Исследование
Сравнительный анализ существующих датчиков перемещений
На данный момент существует огромное количество разнообразных датчиков перемещений. Они имеют разный вид, стоимость и, что самое главное, способ измерения. Все датчики можно разделить на 2 категории: контактные и бесконтактные. Первым необходимо иметь постоянный физический контакт с объектом измерений, соответственно вторым нет. Необходимо подробно рассмотреть каждую из этих категорий. Начнем с контактных датчиков, их основные преимущества:
· Простота
· Надежность
· Помехоустойчивость
Рассмотрим существующие реализации контактных датчиков:
· Вытяжные тросиковые - Принцип действия данных устройств очень простой: имеется катушка с тросиком, один конец которого прикреплен к измеряемому объекту. При перемещении объекта тросик начинается вытягиваться из катушки и, зная длину вытянутого троса можно измерить перемещение. Катушки оснащены пружиной, которая позволяет автоматически втягивать трос при обратном перемещении объекта. Такое устройство отличается простотой, высокой надежностью, но имеет небольшую точность на малых перемещениях.
· Цифровые линейки - также крайне простое устройство. Имеется направляющая, по которой движется каретка, жестко или через систему рычагов, соединенная с измеряемым объектом. При перемещении объекта каретка приходит в движение и сдвигается на равное или пропорциональное (в случае связи через рычаг) расстояние. Бывают резистивные, магнитные и оптические - по способу определения перемещения каретки.
· Цифровые щупы - эти датчики представляют собой подпружиненный щуп, наконечник которого прижимается к измеряемому объекту. Затем различными методами происходит измерение перемещения щупа, который может быть закреплен через рычажную системы, что позволяет измерять даже крайне малые перемещения с высокой точностью.
· Тензометрические датчики - у данных датчиков за основу взят принцип деформации какой-либо поверхности, контактирующей с объектом измерения. Такие датчики довольно точны, но очень сложны и дороги в производстве.
Несмотря на наличие многих преимуществ, данные устройства можно использовать только в случае, если воздействие датчика на объект пренебрежимо мало и не может повлиять на результат измерений или работоспособность системы, в которой производится измерение. Очень важно отметить, что механическая связь позволяет обеспечить полную защиту от внешних помех. Чаше всего такие датчики применяются для автоматизации работы промышленного оборудования.
Для тех случаев, когда воздействовать на объект физической силой невозможно, применяются бесконтактные датчики. Основные преимущества таких устройств:
· Высокая точность
· Отсутствие влияния на объект
· Механическая надежность
По принципу работы такие датчики можно разделить на 2 группы: оптические и не оптические, по основному принципу работы. К оптически относятся: лазерные, фото и современные датчики, основанные на обработке изображений, поступающих с матрицы фотокамеры. К неоптическим относятся: индуктивные, вихретоковые, емкостные и ультразвуковые.
Подробнее рассмотрим принципы работы данных измерительных приборов:
· Индуктивные - металлический объект перемещается внутри катушки, влияя на её индуктивность. Простой, но не очень точный датчик, подходит только для металлических объектов определенной формы. Имеет контактную реализацию - сердечник всегда находится в катушке, однако его конец связан с щупом, контактирующим с объектом измерения. В таком случае сердечник представляет собой магнит и позволяет автоматически активировать измерительной устройство при перемещениях объекта благодаря индуктивному току в катушке.
· Вихретоковые - датчики очень высокой точности. Катушка, разложенная на датчике, генерирует высокочастотное электромагнитное поле, создающее в металле вихревые токи, благодаря чему возникает электрическое поле в измеряемом объекте. Мощность этого поля напрямую зависит от расстояния между катушкой и объектом измерения. Данные датчики обладают высокой точностью, однако подходят только для измерения перемещений металлических объектов, при этом следует учесть, что вихревые токи могут нагревать объект. Внешнее электромагнитное поле может серьезно повлиять на точность работы прибора.
· Ультразвуковые - основаны на принципе отражения ультразвуковой волны от поверхности измеряемого объекта. Излучатель посылает волну, она отражается от объекта и возвращается в приемник, по времени, которое потребовалось на отклик, вычисляется расстояние между датчиком и объектом. Данный датчик крайне прост, имеет довольно высокую точность, однако ему важен размер исследуемого объекта и стойкость к внешним звуковым помехам. Также к недостаткам можно отнести ультразвуковое воздействие, которое в некоторых ситуациях не имеет отличий от механического. Не зависят от проводимости поверхности объекта.
· Емкостные - работают на принципе измерения электрической емкости между чувствительным элементом и токопроводящей поверхностью. Довольно устойчив ко многим внешним помехам, обладает высокой чувствительностью.
· Лазерные - построен на принципе отражаемости лазерного света. Мощный пучок лазера светит на объект, а приёмник, в виде фотодиода замеряет интенсивность отражённого света. Существует более сложная, но более эффективная версия датчика - лазерный триангуляционный датчик. Работает на геометрических принципах вычисления положения через треугольники. Данные датчики обладают высокой помехоустойчивостью, не привязаны к проводимости материала. Являются довольно дорогими и могут представлять опасность для человека, поскольку используется лазерное излучение.
· Фотодатчики - используют метод, аналогичный простым лазерным датчикам. Обладают заметно более низкой точностью и помехоустойчивостью, но при этом цена на них сильно ниже.
· Датчики основанные на обработке изображений с фотокамер - самый современный, но в тоже время самый дорогой и сложный метод. Объект должен быть контрастным по отношению к неподвижному фону. Камера делает снимок и затем, специальное ПО вычисляет перемещение объекта. Позволяет измерять перемещение сразу в двух плоскостях, обладает средней точностью.