Файл: Автоматизированная беспроводная система измерений параметров окружающей среды.pdf

30
г) оптические датчики влажности в основе своей работы содержат яв- ление, связанное с понятием «точка росы». На рисунке 9 изображена упрощен- ная схема оптического гигрометра. Он состоит из диода, который светит на зеркало, зеркало в свою очередь отражает свет на фотодетектор. Зеркало может подогреваться или охлаждаться специальным высокоточным устройством регу- лирование температуры. На зеркале установлен датчик измерения температуры.
В начале измерения температура зеркала выставляется на уровень выше точки росы. Затем происходить его постепенное охлаждение. Как только температура пересекает точку росы, на зеркале начинают появляться капли и луч света пре- ломляясь от них, рассеивается, что влечет уменьшение тока на выходе фотоде- тектора. Фотодетектор с помощью обратной связи соединен с устройством ре- гулирования температуры зеркала. Это устройство с помощью сигналов от фо- тодетектора будет удерживать температуру равную точке росы, не больше и не меньше, а термодатчик выдаст сигнал, соответствующий этой температуре. При известном давлении по этой информации можно будет определить все показа- тели влажности [13];
Рисунок 9 – Оптический датчик влажности
Достоинствами емкостных датчиков влажности являются их низкий температурный коэффициент, возможность работы на высоких температурах, а также полное восстановление от попадания конденсата и умеренная стойкость к химическим испарениям.

31
2.1.3 Атмосферное давление
Атмосферное давление – давление, производимое атмосферой на нахо- дящиеся в ней предметы и на земную поверхность, выражаемое в паскалях, ба- рах или миллиметрах ртутного столба.
Датчики абсолютного давления – это датчики для измерения давления атмосферного воздуха, других газов, паров, жидкостей, отсчитываемого от нуля давлений, т.е. от абсолютного вакуума. Любой преобразователь давления от- считывает измеряемое давление относительно опорного. Так датчик абсолют- ного давления отсчитывает измеряемое давление относительно нуля. Суще- ствуют также преобразователи давления, в которых измеряемое давление от- считывается относительно атмосферного, преобразователи давления, в которых относительно атмосферного давления отсчитывается давление разряжения, преобразователи давления, в которых измеряется разность двух давлений.
В основе конструкции датчика абсолютного давления лежит чувстви- тельный элемент, с одной стороны которого расположена вакуумная камера, а с другой стороны воздействует давление газа или жидкости. Получая выходной сигнал от сенсора, электронный блок оценивает абсолютное давление [14].
Последнее время большое распространение получили пьезорезистивные электронные датчики давления. Выполнение пьезорезистивных датчиков воз- можно двух типов: для работы в агрессивной и неагрессивной среде. Отличие исполнения в передаче давления на чувствительный элемент. При работе в не- агрессивной среде воздействие производится непосредственно на чувствитель- ный элемент, либо чувствительный элемент заливается силиконовым гелем, ко- торый передаёт воздействие давления. Для агрессивных сред используются датчики с мембраной из нержавеющей стали. Полость между мембраной и чув- ствительным элементом заполняют кремнийорганической жидкостью.
Чувствительный элемент датчика представляет собой мембрану из мо- нокристаллического кремния с диффузионными пьезорезисторами на диэлек-

32
трическом основании. На рисунке 10 показан пьезорезистивный датчик давле- ния.
Рисунок 10 – Пьезорезистивный датчик давления
Пьезоризисторы соединены в мост Уинстона. Принцип работы такого датчика основан на разбалансировке моста при прогибании мембраны под воз- действием измеряемой среды. Чем больше прогибается мембрана, тем выше степень разбалансирования моста. Кристаллы монокремния обладают большой упругостью, что способствует устойчивости показаний при любом давлении.
Подключение в пьезоризисторном датчике так же возможно по аналогии с дат- чиком Холла. Это упрощает конструкцию, так как нет необходимости в согла- совании элементов между собой. В этом случае при прогибании мембраны бу- дет изменяться изменение напряжения. Давление прикладывается перпендику- лярно напряжению и под его воздействием в резисторе образуется электриче- ское поле прямо пропорциональное приложенному давлению, значение которо- го снимается.
Одним из достоинств пьезорезистивных датчиков давления является широкий диапазон измеряемого давления, также они чувствительны к темпера- туре и обычно имеют возможность ее измерения с целью последующей коррек- тировки результатов измерений.
2.1.4 Освещенность
Освещенность – это физическая величина, определяемая отношением светового потока, падающего на элемент поверхности, содержащий рассматри-

33
ваемую точку, к площади этого элемента. Единицей измерения освещенности является люкс.
Для измерения освещенности используются люксметры с измеритель- ными преобразователями излучения. Поток света, попадая на фотоэлемент, вы- свобождает поток электронов в теле полупроводника. Благодаря этому фото- элемент начинает проводить электрический ток. Величина этого тока прямо пропорциональна освещённости фотоэлемента.
Фотоэлементом может служить фоторезистор – полупроводниковый ра- диоэлемент, который меняет свое сопротивление в зависимости от освещения.
На рисунке 11 показан фоторезистор.
Рисунок 11 – Фоторезистор
На основании материалов, используемых при производстве, фоторези- сторы могут быть разделены на две группы: с внутренним и внешним фотоэф- фектом. В производстве фоторезисторов с внутренним фотоэффектом исполь- зуют нелегированные материалы, такие как кремний или германий.
Фотоны, которые попадают на устройство, заставляют электроны пере- мещаться из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса

34
появляется большое количество свободных электронов в материале, тем самым улучшается электропроводность и, следовательно, уменьшается сопротивление.
Фоторезисторы с внешним фотоэффектом производятся из материалов, с добавлением примеси. Эта примесь создает новую энергетическую зону поверх существующей валентной зоной, заселенную электронами. Этим электронам требуется меньше энергии, чтобы совершить переход в зону проводимости бла- годаря меньшей энергетической щели. В результате этого фоторезистор стано- вится чувствителен к различным длинам волн света [15].

35
3 Разработка системы измерений параметров окружающей среды
3.1 Выбор элементной базы
3.1.1 Датчик абсолютного давления и температуры Inertial
measurement unit
В качестве датчиков давления и температуры был выбран модуль Inertial measurement unit (IMU-сенсор) на 10 степеней свободы. IMU-сенсор содержит акселерометр, гироскоп, компас и барометр. Внешний вид IMU-сенсора пока- зан на рисунке 12.
Рисунок 12 – IMU-сенсор
Для данной работы была использована только микросхема LPS331AP, которая определяет атмосферное давление, высоту над уровнем моря и темпе-
ратуру. Микросхема разработана с использованием технологии VENSENS компании STMicroelectronics, позволяющей изготавливать датчики давления как монолитный чип, что устраняет разброс параметров от пластины к пластине и повышает надежность. Мембрана очень мала по сравнению с традиционными кремниевыми мембранами и лучше защищена от повреждений.
Микросхема LPS331AP имеет в составе ультракомпактный пьезорези- стивный датчик абсолютного давления и полупроводниковый датчик темпера- туры. Имеет монолитный чувствительный элемент, цифровую схему с возмож- ностью принимать информацию от чувствительного элемента и обеспечивать цифровой канал связи с внешним устройством. Чувствительный элемент состо- ит из мембранного датчика внутри одной монолитной кремниевой подложки
[16].

36
В таблице 3 представлена информация об основных метрологических характеристиках датчиков абсолютного давления и температуры микросхемы
LPS331AP.
Таблица 3 – Метрологические характеристики микросхемы LPS331AP
Параметр
Значение параметра
Минимальное Максимальное
Диапазон измерения температур, °C минус 40 85
Предел абсолютной погрешности измерения температуры,
°C
± 2
Диапазон измерения давления, мбар
260 1260
Предел относительной погрешности измерения давления, мбар
± 0,1
± 0,2
Предел абсолютной погрешности измерения давления, мбар
± 2
В таблице 4 приведены электрические характеристики микросхемы
LPS331AP.
Таблица 4 – Электрические характеристики микросхемы LPS331AP
Параметр
Значение параметра
Напряжение питания, В от 1,7 до 3,6
Напряжение питания ввода-вывода, В от 1,7 до 3,6
Ток питания, мкА от 5,5 до 30
Ток питания в режиме пониженного энергопотребления, мкА
0,5
Данные с датчика передаются через интерфейс I
2
C, делая устройство подходящим для непосредственного взаимодействия с микроконтроллером.

37
Рисунок 13 – Датчик влажности DHT22
Датчик включает емкостный датчик, влажные компоненты и высокоточ- ные приборы для измерения температуры и подключается к высокопроизводи- тельному 8-битовому микроконтроллеру. Продукт характеризуется быстрым откликом и хорошей способностью к подавлению помех [17].
Данный датчик имеет ряд преимуществ:
– низкое энергопотребление;
– дальность передачи сигнала до 20 метров;
– полностью автоматическая калибровка;
– использование емкостного датчика влажности;
– полностью взаимозаменяемый;
– стандартный цифровой одноканальный выход;
– высокая точность измерения температуры.
Метрологические характеристики датчика DHT22 представлены в таб- лице 5, на рисунке 14 показан график зависимости погрешности от значений относительной влажности.
Таблица 5 – Метрологические характеристики датчика влажности DHT22
Параметр
Значение
Разрешение, %
0,1
Диапазон, % от 0 до 99,9
Погрешность
1)
, %
± 2
Воспроизводимость, %
± 0,3
Отклик, с менее 5
Инертность, % менее 0,3
Дрейф
2)
, % в год менее 0,5
Примечания
1) Точность заводской инспекции, точность спецификации условий испытаний, не вклю- чает гистерезис и нелинейность, и подходит только для безконденсатной среды.
2) В летучих органических соединениях значения могут быть выше.

38
Рисунок 14 – Зависимость погрешности от значений относительной влажности
Электрические характеристики, такие как потребление энергии, высо- кое, низкое, входное, выходное напряжение, в зависимости от источника пита- ния приведены в таблице 6.
Таблица 6 – Электрические характеристики датчика влажности DHT22
Параметр
Условие
Значение
Единица измерения
Минимум Типовое Максимум
Напряжение
3,3 5
5,5
В
Потребляемая мощность
1)
Спящий режим
10 15
– мкА
Измерение
–
500
– мкА
Среднее
–
300
– мкА
Выходное напряже- ние низкого уровня
I
OL
2)
0
–
300 мВ
Выходное напряже- ние высокого уровня
–
U
п
(90-100) %
В
Входное напряже- ние низкого уровня
Спад
U
п
(0-30) %
В
Входное напряже- ние высокого уровня
Подъем
U
п
(70-100) %
В
R
pu
3)
U
п
= 5V
30 45 60 кОм
Выходной ток вкл.
–
8
– мА выкл.
10 20 мкА
Период дискретиза- ции
–
2
–
– с
1) Это значение при U
вх
= 5 В при температуре 25 °C.
2) Малый выходной ток.
3) Нагрузочный резистор.
Датчик влажности DHT22 имеет собственный интерфейс передачи дан- ных.

39
3.1.3 Фоторезистор PDV-P9203
Фоторезистор PDV-P9203 – это фотопроводящий фотоэлемент, имею- щий переменное сопротивление в зависимости от интенсивности света видимо- го спектра с длиной волны от 400 до 700 нм. Этот зависимый от света резистор доступен в широком диапазоне значений сопротивления. Он упакован в кера- мический корпус с двумя выводами с пластмассовым покрытием [18].
В таблице 7 представлены метрологические характеристики фоторези- стора, в таблице 8 – электрические параметры. На рисунке 15 показан внешний вид фоторезистора.
Рисунок 15 – Фоторезистор PDV-P9203
Таблица 7 – Метрологические характеристики фоторезистора
Параметр
Значение параметра
Приложенное напряжение, В
150
Непрерывное рассеяние мощности, мВт/°C
90
Рабочая температура и температура хранения, °C от минус 30 до 75
Таблица 8 – Электрические параметры
Параметр
Условие
Значение параметра
Темновое сопротивление, МОм
После 10 с, 10 лк
5
Световое сопротивление, кОм
10 лк от 10 до 30
Чувствительность, Ом/лк
*
( 100)
( 10)
( 100)
( 10)
Lg R
Lg R
Lg E
Lg E


0,9
Спектральный диапазон, нм от 400 до 700
Время нарастания, мс
10 лк
60
Время спада, мс
10 лк
25
* R100, R10: сопротивление при 100 люкс и 10 люкс соответственно; E100, E10: освещен- ность при 100 люкс и 10 люкс соответственно.

40
На рисунке 16 представлен график зависимости сопротивления фоторе- зистора от освещенности. По данному графику была выведена формула (1).
0,778 60
E
R

,
(1) где E – освещенность, лк;
R – сопротивление фоторезистора, кОм.
Рисунок 16 – Зависимость сопротивления фоторезистора от освещенности
3.1.4 Устройство National Instruments myRIO
Устройство National Instruments myRIO (NI myRIO) – портативное ре- конфигурируемое устройство ввода-вывода, которое может быть использовано для проектирования систем управления, робототехники и мехатроники. NI myRIO представлен на рисунке 17.
Он содержит двухъядерный программируемый процессор ARM Cortex-
A9 с тактовой частотой 667 МГц и подстраиваемую под потребителя програм- мируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) Xilinx. NI myRIO включа- ет программируемый чип Zynq-7010, позволяющий в полную силу использо- вать возможности программной среды, как для приложений реального времени, так и для ПЛИС.

41
Рисунок 17 – Устройство National Instruments myRIO
Возможности работы с ПЛИС и реальным временем, а также встроен- ный Wi-Fi модуль позволяют запускать приложения удаленно и без подключе- ния к компьютеру. NI myRIO имеет возможность подключения к компьютеру по проводному интерфейсу USB и беспроводному интерфейсу 802.11 b, g, n
(Wi-Fi).
Три разъема (2 порта расширения NI myRIO и один порт NI miniSystems) передают и получают сигналы от датчиков и электрических схем.
NI myRIO содержит:

40 цифровых линий ввода/вывода (DIO) с поддержкой интерфейсов
SPI, UART и I
2
C;

восемь односторонних аналоговых входов (AI);

два дифференциальных аналоговых входа (AI);

четыре односторонних аналоговых выхода (AO);

два общих аналоговых выхода, позволяющие подключать большое количество сенсоров, устройств и программируемых контроллеров системы.
Вся необходимая функциональность встроена и предварительно настро- ена в базовом функционале ПЛИС, что устраняет необходимость в платах рас- ширения [19].
Основные параметры NI myRIO представлены в таблице 9.