Файл: График (план) Производственная (Преддипломная) практика обучающегося группы ххх Шифр и группы Фамилия, имя, отчество обучающегося Содержание практики.docx
Добавлен: 12.01.2024
Просмотров: 440
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
медленное срабатывание, сложность коммутации индуктивных нагрузок и помехи.
Альтернативой электромагнитным реле являются твердотельные, представляющие собой модульные полупроводниковые устройства, производимые по гибридной технологии. В состав такого типа реле входят транзисторы, тиристоры или симисторы. Принцип работы твердотельных реле заключается в следующем: подается управляющий сигнал на светодиод, после чего происходит гальваническая развязка управляющей и коммутируемой цепей, затем сигнал переходит на фотодиодную матрицу. Напряжение регулируется силовым ключом.
Подобно электромагнитным реле, твердотельные реле также имеют обширную классификацию. По типу нагрузки разделяют однофазные и трехфазные реле, по способу управления – происхождение коммутации за счет постоянного напряжения, переменного или ручного управления, а также по методу коммутации выделяют: контроль перехода через ноль (применяется для слабоиндуктивных, емкостных и резистивных нагрузок), случайное включение (индуктивные и резистивные нагрузки, которым необходимо мгновенное срабатывание и фазовое управление (изменение выходного напряжения, регулировка мощности, управление лампами накаливания).
К преимуществам твердотельных реле можно отнести: долгий срок эксплуатации, быстродействие, низкое потребление энергии, малые размеры, отсутствие посторонних шумов, таких как дребезги контактов, отсутствие дугового разряда, качественная изоляция и стойкость к вибрации и ударам. Недостатками же являются – нагрев устройства при коммутации, который приводит к ограничению регулируемого тока – при температурах, превышающих 60 °С, уменьшается величина тока, а максимальная рабочая температура – 80 °С.
Для управления в системах, регулирующих температуру и влажность, выбран четырехканальный релейный модуль с оптоэлектронной развязкой TONGLING JQC-3FF-S-Z, представленный на рисунке 8.
Рисунок 8 – Внешний вид релейного модуля TONGLING JQC-3FF-S-Z
Опторазвязка позволяет разделить цепь питания обмотки реле и сигнальную цепь Arduino, защищая выводы микроконтроллера от скачков напряжения на катушке реле. Основой каждого канала является электромагнитное реле JQC-3FF, основные характеристики которого представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Характеристики JQC-3FF
Электрическая схема выбранного релейного модуля представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Электрическая схема TONGLING JQC-3FF-S-Z
Реле срабатывает при управляющем воздействии в 5 В, но подключение его к контроллеру напрямую невозможно, так как реле потребляет около 70 мА, в то время как порт контроллера способен обеспечить лишь 20 мА. Для решения этой проблемы используется биполярный NPN-транзистор MMBT5551 и небольшая обвязка. Если на базе транзистора нет сигнала – он закрыт, при появлении напряжения транзистор открывается и ток беспрепятственно течет через переход коллектор-эмиттер. Обвязка представляет собой резисторы R1, R2, R5 и R6 номиналом 1 кОм, являющиеся токоограничительными для фотодиода. Резисторы R3, R4, R7, R8 номиналом 510 Ом являются токоограничительными для базы транзистора. Диоды D1, D2, D5, D6 установлены встречно напряжению, чтобы замкнуть катушку реле, являющуюся индуктивностью, на саму себя, так как при резком обрыве тока на ней происходит скачок напряжения, который может вывести транзистор из строя. Использование оптоэлектронной развязки позволяет разделить питание релейного модуля и микроконтроллера [6].
Подключение TONGLING JQC-3FF-S-Z к Arduino проиллюстрировано на рисунке 10. Выводы релейного модуля: Vss подключается напрямую к 5V контроллера для питания модуля, GND подключается к «земле», IN1-IN4 – выводы, управляющие замыканием/размыканием цепи, подключаются соответственно к цифровым портам D8-D11 микроконтроллера Arduino. COM1-COM4 используются для контактов управляемой цепи. NO1-NO4 (Normally Open) замыкаются с выходами COM1-COM4 соответственно при подаче низкого уровня на входы IN1-IN4. NC1-NC4 (Normally Closed) разомкнутся с выходами COM1-COM4 соответственно при подаче низкого уровня на входы IN1-IN4 [7].
Рисунок 10 – Подключение релейного модуля к Arduino
Для измерения температуры объекта или вещества используются датчики температуры. По принципу измерения эти устройства можно классифицировать на:
- термопары;
- термисторы;
- пьезоэлектрические датчики;
- полупроводниковые датчики;
- цифровые датчики;
- аналоговые датчики.
Исходя из области применения, датчики температуры разделяют на датчики температуры воздуха, жидкости и другие. Также они могут быть как наружные, так и внутренние.
Основными параметрами датчиков температуры являются:
- функция преобразования, т.е. зависимость выходной величины от измеряемого значения (измеряется в Ом/С или мВ/К);
- диапазон измеряемых температур;
- метрологические параметры;
- срок службы;
- время отклика;
- надежность (рассматривается механическая устойчивость и метрологическая стойкость);
- эксплуатационные параметры (масса, габариты, потребляемая мощность, стойкость к перегрузкам и другое);
- линейность выходных значений.
Принцип действия термопар основывается на термоэлектрическом эффекте. Термопара представляет собой замкнутый контур из двух проводников или полупроводников. При появлении на месте спаев разности температур, в контуре возникает электрический ток. Для измерения температуры один конец термопары помещается в среду для измерения, второй требуется для снятия значений. Температуры t1 и t2, возникающие на спаях определяют термо-ЭДС E(t2) и E(t2), результирующая термо-ЭДС равна разности E(t2) - E(t1). Как правило, термопары выполняются из платины, хромеля, алюмеля или платинородия, что определяет их высокую стоимость. Наибольшим недостатком использования термопар является большая погрешность измерений. К преимуществам можно отнести возможность измерения высоких температур – до 1300 °С.
Терморезистивные датчики изготавливаются из материалов, обладающим высоким коэффициентом температурного сопротивления (ТКС). Принцип работы заключается в изменении сопротивления проводника в зависимости от его температуры. Такие приборы обладают высокой точностью, чувствительность и линейность измеренных значений. Основными характеристиками устройства являются номинальное электрическое сопротивление при температуре 25 °С и ТКС. Терморезистивные датчики разделяют по температурному коэффициенту сопротивления – существуют термисторы с отрицательным (NTC) и положительным (PTC, позисторы) коэффициентом температурного сопротивления. Для первого типа характерна обратная зависимости температуры от сопротивления, для второго – прямая. Терморезистивные датчики широко применяются в электронике и машиностроении.
Принцип работы пьезоэлектрического датчика основан на пьезоэффекте. Прямой пьезоэффект – изменение линейных размеров под воздействием электрического тока. Колебание пьезорезонатора происходит при подаче разнофазного тока с определенной частотой, которая определяет температурой. Полученная зависимость позволяет определить необходимые данные о частоте и температуре. К преимуществам использования пьезорезистивных датчиков можно отнести широкий диапазон измерения температуры, высокую точность.
Полупроводниковые датчики измеряют температуру в диапазоне от -55 °С до 150 °С. Принцип работы основан на зависимости изменения напряжение на p-n-переходе от температуры. Данная зависимость близка к линейной, поэтому возможно создать датчик без сложной схемы. Так как для таких приборов схема содержит одиночный p-n-переход, то существенными недостатками являются – большой разброс параметров и невысокая точность.
Аналоговые датчики отличаются высокой точностью измерения и невысокой стоимостью готового изделия, что позволяет применять их в микроэлектронике. Схема аналогового датчика содержит 2 чувствительных элемента(транзистора), обладающих различными характеристиками. Выходным сигналом схемы является разностью между падениями напряжений на транзисторах. Имеется возможность увеличить точность измерений, находящуюся в диапазоне от 1 °С до 3 °С с помощью калибровки датчика внешними цепями. Как правило, такие датчики обладают тремя выходами, один из которых возможно использовать для калибровки.
Цифровые датчики, в отличие от аналоговых, содержат дополнительные элементы – встроенный АЦП и формирователь сигнала. Подключение осуществляется по интерфейсам SPI, I2C, 1-Wire, что позволяет подключить несколько датчиков к одной шине. Несмотря на то, что стоимость цифровых датчиков выше, чем аналоговых, использование их значительно упрощает схемотехнику устройства [8].
Наиболее часто используемыми датчиками температуры для Arduino являются цифровой температурный датчик DS18B20, аналоговые термодатчики LM35 и TMP36 и цифровые датчики температуры и влажности DHT11 и DHT22. Выбор подходящего датчика для разрабатываемого инкубатора определяется температурным диапазоном измерения, точностью измерений и ценой готового изделия. Сравнительная характеристика датчиков температуры представлена в таблице 7.
Таблица 7 – Сравнительная характеристика DS18B20, LM35CZ, TMP36, DHT11 и DHT22
В результате сравнительной характеристики выбран аналоговый датчик температуры LM35CZ, имеющий наибольшую точность измерений.
Датчик LM35CZ – это прецизионный интегральный датчик температуры. Напряжение на выходе датчика порпорционально температуре по шкале Цельсия. Датчик изготавливается в пластиковом корпусе типа TO-92, изображенный на рисунке 11.
Рисунок 11 – Датчик температуры LM35CZ
Основные характеристики выбранного датчика температуры представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Характеристики LM35CZ
Следует учитывать, что при подключении датчика на значительное расстояние характеристики его точности могут значительно уменьшиться от интенсивных электромагнитных помех, источником которых может служить электромагнитное реле. В таком случает необходимо шунтировать вывод питания конденсатором относительно земли и подключить демпфирующую цепочку (R = 75 Ом, С = 0,2…1 мкФ) между выходом датчика и землей [9].
В качестве вентиляторов, реализующих обдув лампы и охлаждение, используются
EC6010H12S, представленные на рисунке 12. Полные характеристики данного вентилятора представлены в таблице 8.
Рисунок 12 – Вентилятор EC6010H12S
Таблица 8 – Характеристики EC6010H12S
Альтернативой электромагнитным реле являются твердотельные, представляющие собой модульные полупроводниковые устройства, производимые по гибридной технологии. В состав такого типа реле входят транзисторы, тиристоры или симисторы. Принцип работы твердотельных реле заключается в следующем: подается управляющий сигнал на светодиод, после чего происходит гальваническая развязка управляющей и коммутируемой цепей, затем сигнал переходит на фотодиодную матрицу. Напряжение регулируется силовым ключом.
Подобно электромагнитным реле, твердотельные реле также имеют обширную классификацию. По типу нагрузки разделяют однофазные и трехфазные реле, по способу управления – происхождение коммутации за счет постоянного напряжения, переменного или ручного управления, а также по методу коммутации выделяют: контроль перехода через ноль (применяется для слабоиндуктивных, емкостных и резистивных нагрузок), случайное включение (индуктивные и резистивные нагрузки, которым необходимо мгновенное срабатывание и фазовое управление (изменение выходного напряжения, регулировка мощности, управление лампами накаливания).
К преимуществам твердотельных реле можно отнести: долгий срок эксплуатации, быстродействие, низкое потребление энергии, малые размеры, отсутствие посторонних шумов, таких как дребезги контактов, отсутствие дугового разряда, качественная изоляция и стойкость к вибрации и ударам. Недостатками же являются – нагрев устройства при коммутации, который приводит к ограничению регулируемого тока – при температурах, превышающих 60 °С, уменьшается величина тока, а максимальная рабочая температура – 80 °С.
Для управления в системах, регулирующих температуру и влажность, выбран четырехканальный релейный модуль с оптоэлектронной развязкой TONGLING JQC-3FF-S-Z, представленный на рисунке 8.
Рисунок 8 – Внешний вид релейного модуля TONGLING JQC-3FF-S-Z
Опторазвязка позволяет разделить цепь питания обмотки реле и сигнальную цепь Arduino, защищая выводы микроконтроллера от скачков напряжения на катушке реле. Основой каждого канала является электромагнитное реле JQC-3FF, основные характеристики которого представлены в таблице 6.
Таблица 6 – Характеристики JQC-3FF
| Наименование характеристики | Единица измерения | Значение |
| Номинальное напряжение постоянного тока | В | 5 |
| Напряжение срабатывания реле | В | 3,8 |
| Напряжение возврата реле | В | 0,5 |
| Максимальное время срабатывания при номинальном напряжении | мсек | 10 |
| Максимальное время отпускания при номинальном напряжении | мсек | 5 |
| Ток катушки при 25°С, | мА | 6,5 |
| Сопротивление катушки индуктивности | Ом | 707 |
Электрическая схема выбранного релейного модуля представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Электрическая схема TONGLING JQC-3FF-S-Z
Реле срабатывает при управляющем воздействии в 5 В, но подключение его к контроллеру напрямую невозможно, так как реле потребляет около 70 мА, в то время как порт контроллера способен обеспечить лишь 20 мА. Для решения этой проблемы используется биполярный NPN-транзистор MMBT5551 и небольшая обвязка. Если на базе транзистора нет сигнала – он закрыт, при появлении напряжения транзистор открывается и ток беспрепятственно течет через переход коллектор-эмиттер. Обвязка представляет собой резисторы R1, R2, R5 и R6 номиналом 1 кОм, являющиеся токоограничительными для фотодиода. Резисторы R3, R4, R7, R8 номиналом 510 Ом являются токоограничительными для базы транзистора. Диоды D1, D2, D5, D6 установлены встречно напряжению, чтобы замкнуть катушку реле, являющуюся индуктивностью, на саму себя, так как при резком обрыве тока на ней происходит скачок напряжения, который может вывести транзистор из строя. Использование оптоэлектронной развязки позволяет разделить питание релейного модуля и микроконтроллера [6].
Подключение TONGLING JQC-3FF-S-Z к Arduino проиллюстрировано на рисунке 10. Выводы релейного модуля: Vss подключается напрямую к 5V контроллера для питания модуля, GND подключается к «земле», IN1-IN4 – выводы, управляющие замыканием/размыканием цепи, подключаются соответственно к цифровым портам D8-D11 микроконтроллера Arduino. COM1-COM4 используются для контактов управляемой цепи. NO1-NO4 (Normally Open) замыкаются с выходами COM1-COM4 соответственно при подаче низкого уровня на входы IN1-IN4. NC1-NC4 (Normally Closed) разомкнутся с выходами COM1-COM4 соответственно при подаче низкого уровня на входы IN1-IN4 [7].
Рисунок 10 – Подключение релейного модуля к Arduino
Для измерения температуры объекта или вещества используются датчики температуры. По принципу измерения эти устройства можно классифицировать на:
- термопары;
- термисторы;
- пьезоэлектрические датчики;
- полупроводниковые датчики;
- цифровые датчики;
- аналоговые датчики.
Исходя из области применения, датчики температуры разделяют на датчики температуры воздуха, жидкости и другие. Также они могут быть как наружные, так и внутренние.
Основными параметрами датчиков температуры являются:
- функция преобразования, т.е. зависимость выходной величины от измеряемого значения (измеряется в Ом/С или мВ/К);
- диапазон измеряемых температур;
- метрологические параметры;
- срок службы;
- время отклика;
- надежность (рассматривается механическая устойчивость и метрологическая стойкость);
- эксплуатационные параметры (масса, габариты, потребляемая мощность, стойкость к перегрузкам и другое);
- линейность выходных значений.
Принцип действия термопар основывается на термоэлектрическом эффекте. Термопара представляет собой замкнутый контур из двух проводников или полупроводников. При появлении на месте спаев разности температур, в контуре возникает электрический ток. Для измерения температуры один конец термопары помещается в среду для измерения, второй требуется для снятия значений. Температуры t1 и t2, возникающие на спаях определяют термо-ЭДС E(t2) и E(t2), результирующая термо-ЭДС равна разности E(t2) - E(t1). Как правило, термопары выполняются из платины, хромеля, алюмеля или платинородия, что определяет их высокую стоимость. Наибольшим недостатком использования термопар является большая погрешность измерений. К преимуществам можно отнести возможность измерения высоких температур – до 1300 °С.
Терморезистивные датчики изготавливаются из материалов, обладающим высоким коэффициентом температурного сопротивления (ТКС). Принцип работы заключается в изменении сопротивления проводника в зависимости от его температуры. Такие приборы обладают высокой точностью, чувствительность и линейность измеренных значений. Основными характеристиками устройства являются номинальное электрическое сопротивление при температуре 25 °С и ТКС. Терморезистивные датчики разделяют по температурному коэффициенту сопротивления – существуют термисторы с отрицательным (NTC) и положительным (PTC, позисторы) коэффициентом температурного сопротивления. Для первого типа характерна обратная зависимости температуры от сопротивления, для второго – прямая. Терморезистивные датчики широко применяются в электронике и машиностроении.
Принцип работы пьезоэлектрического датчика основан на пьезоэффекте. Прямой пьезоэффект – изменение линейных размеров под воздействием электрического тока. Колебание пьезорезонатора происходит при подаче разнофазного тока с определенной частотой, которая определяет температурой. Полученная зависимость позволяет определить необходимые данные о частоте и температуре. К преимуществам использования пьезорезистивных датчиков можно отнести широкий диапазон измерения температуры, высокую точность.
Полупроводниковые датчики измеряют температуру в диапазоне от -55 °С до 150 °С. Принцип работы основан на зависимости изменения напряжение на p-n-переходе от температуры. Данная зависимость близка к линейной, поэтому возможно создать датчик без сложной схемы. Так как для таких приборов схема содержит одиночный p-n-переход, то существенными недостатками являются – большой разброс параметров и невысокая точность.
Аналоговые датчики отличаются высокой точностью измерения и невысокой стоимостью готового изделия, что позволяет применять их в микроэлектронике. Схема аналогового датчика содержит 2 чувствительных элемента(транзистора), обладающих различными характеристиками. Выходным сигналом схемы является разностью между падениями напряжений на транзисторах. Имеется возможность увеличить точность измерений, находящуюся в диапазоне от 1 °С до 3 °С с помощью калибровки датчика внешними цепями. Как правило, такие датчики обладают тремя выходами, один из которых возможно использовать для калибровки.
Цифровые датчики, в отличие от аналоговых, содержат дополнительные элементы – встроенный АЦП и формирователь сигнала. Подключение осуществляется по интерфейсам SPI, I2C, 1-Wire, что позволяет подключить несколько датчиков к одной шине. Несмотря на то, что стоимость цифровых датчиков выше, чем аналоговых, использование их значительно упрощает схемотехнику устройства [8].
Наиболее часто используемыми датчиками температуры для Arduino являются цифровой температурный датчик DS18B20, аналоговые термодатчики LM35 и TMP36 и цифровые датчики температуры и влажности DHT11 и DHT22. Выбор подходящего датчика для разрабатываемого инкубатора определяется температурным диапазоном измерения, точностью измерений и ценой готового изделия. Сравнительная характеристика датчиков температуры представлена в таблице 7.
Таблица 7 – Сравнительная характеристика DS18B20, LM35CZ, TMP36, DHT11 и DHT22
| Датчик температуры | Диапазон измеряемой температуры, °С | Точность измерения температуры, °С | Цена, руб. |
| DS18B20 | -55 ÷ +125 | 0,5 | 240,00 |
| LM35CZ | -40 ÷ +110 | 0,4 | 182,00 |
| TMP36 | -40 ÷ +125 | 1 | 90,00 |
| DHT11 | 0 ÷+50 | 2 | 190,00 |
| DHT22 | -40 ÷ +80 | 0,5 | 380,00 |
В результате сравнительной характеристики выбран аналоговый датчик температуры LM35CZ, имеющий наибольшую точность измерений.
Датчик LM35CZ – это прецизионный интегральный датчик температуры. Напряжение на выходе датчика порпорционально температуре по шкале Цельсия. Датчик изготавливается в пластиковом корпусе типа TO-92, изображенный на рисунке 11.
Рисунок 11 – Датчик температуры LM35CZ
Основные характеристики выбранного датчика температуры представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Характеристики LM35CZ
| Название параметра | Единица измерения | Значение |
| Точность | °С | 0,4 |
| Напряжение питания | В | 4 ÷ 30 |
| Диапазон измеряемой температуры | °С | -40 ÷ +110 |
| Выходное напряжение | В | -1 ÷ +6 |
| Выходной ток | мА | 10 |
Следует учитывать, что при подключении датчика на значительное расстояние характеристики его точности могут значительно уменьшиться от интенсивных электромагнитных помех, источником которых может служить электромагнитное реле. В таком случает необходимо шунтировать вывод питания конденсатором относительно земли и подключить демпфирующую цепочку (R = 75 Ом, С = 0,2…1 мкФ) между выходом датчика и землей [9].
В качестве вентиляторов, реализующих обдув лампы и охлаждение, используются
EC6010H12S, представленные на рисунке 12. Полные характеристики данного вентилятора представлены в таблице 8.
Рисунок 12 – Вентилятор EC6010H12S
Таблица 8 – Характеристики EC6010H12S
| Наименование характеристики | Единица измерения | Значение |
| Тип подшипника | - | Скольжения |
| Рабочее напряжение | В | 12 |
| Ток | А | 0,2 |
| Частота вращения | об/мин | 4400 |
| Производительность | м3/мин | 0,5 |
| Шум | дБ | <33 |
| Размеры рамы | мм | 60×60 |
| Толщина | мм | 10 |