Дипломная работа: Разработка системы автоматизации измерений метеопараметров с помощью переносных устройств

Содержание

Введение…………………………………………………………………....7
1 Система измерений метеопараметров………………………………….8
1.1 Постановка задачи…………………………………………………..8
1.2 Краткое описание системы измерений метеопараметров -
переноснойметеостанции…………………………………………...8
Выбор средств измерения метеопараметров……………………..9
Выбор программного обеспечения………………………………12
3.1 Построение структурной схемы программного обеспечения
системы автоматизации измерений метеопараметров…………..12
3.2 Описание пакета программ Proteus VSM……………………….15
3.3 Разработка программного обеспечения для микроконтроллера ATMega16
в интегрированной среде разработк
CodeVisionAVR…………………………………………………….16
3.4 Описание среды графического программирования Delphi…….18
Разработка системы автоматизации метеопараметров с помощью

переносных устройств - переносной метеостанции…………………………..19
4.1 Построение принципиальной схемы переносной метеостанции в
программной среде ISIS Proteus………………………………….19
4.2 Разработка интерфейса переносной метеостанции в среде
графического программирования Delphi………………………..19
Безопасность жизнедеятельности………………………………....25
5.1 Анализ условий труда при эксплуатации переносных
метеостанций………………………………………………………25
5.2 Расчет кондиционирования и вентиляции помещения…………..27
5.3 Расчет зануления…………………………………………………...31
5.4 Вывод по разделу безопасность жизнедеятельности…………....33
Технико-экономическое обоснование…………………………….34
6.1 Описание переносной метеостанции…………………………..…34
6.2 Расчет затрат первого варианта системы автоматизации………35
6.3 Расчет затрат второго варианта системы автоматизации………40
6.4 Вывод по разделу технико-экономического обоснования……...44
Заключение………………………………………………………………..45
Список литературы……………………………………………………….46
Приложение А. Код программы на CodeVisionAVR………………….47
Приложение Б. Код программы в среде Delphi………………………..5
Постановка задачи
Цель дипломной работы заключается в разработке системы
автоматизации измерений метеопараметров с помощью переносных
устройств на базе микроконтроллера ATMega16. Для достижения этой цели
необходимо выполнить ряд задач.
Задачи:
- выбор и анализ средств измерения температуры, давления,
влажности, скорости воздушного потока - ветра;
- выбор и анализ программного обеспечения;
- разработка системы автоматизации измерений метеопараметров;
- решение вопросов по безопасности жизнедеятельности;
- решение вопросов технико-экономического обоснования.
Краткое описание системы измерений метеопараметров –
переносной метеостанции
Метеонаблюдения осуществляются посредством метеокомплекса и
программного обеспечения, предназначенных для визуализации 4-х
основных метеопараметров : скорости ветра, температуры , давления ,
влажности. Остальные метеопараметры являются производными.
Метеостанция выдает информацию о 4-х метеопараметрах. WXT520
измеряет скорость и направление ветра, осадки, атмосферное давление,
температуру и относительную влажность воздуха. Метеостанция использует
питание +5-32 v и выдает данные по выбранному протоколу связи : SDI-12,
ASCII, NEMEA 0183, по одному из 4-х последовательных интерфейсов RS
232, RS-422, RS-485 и SDI-12.
Датчик ветра имеет три равноудаленных ультразвуковых
преобразователя, расположенных в горизонтальной плоскости. Скорость
определяется по времени, за которое ультразвук приходит от одного
преобразователя до двух других. Датчик ветра измеряет время прохождения
сигнала по трем сторонам треугольника преобразования ( в обоих
направлениях). Он постоянно контролирует качество сигнала измерения
ветра, если качество сигнала плохое, то данные бракуются и заполняются
"нулями".
Для измерения атмосферного давления, температуры и влажности
используется датчик на RC-генераторе и двух эталонных конденсаторах, у
которых непрерывно измеряется электролитическая емкость.
Микропроцессор преобразователя производит компенсацию температурной
зависимости датчиков влажности и давления.
Цифровой термометр DS18B20. Диапазон измерений от –55°C до
+125°C и точностью 0.5°C . Важная особенность – каждый датчик имеет
индивидуальный 64-разрядный идентификационный номер. Это дает
возможность кидать на одну линию множество датчиков (до 256) и
опрашивать каждый по отдельности.
Другая особенность DS18B20 - способность работать без внешнего
питания. Эта возможность предоставляется через подтягивающий резистор.
Высокий сигнал шины заряжает внутренний конденсатор (CPP), который
питает прибор, когда на шине низкий уровень. Этот метод носит название
«Паразитное питание».
Функциональные возможности DS18B20 — его температурный
преобразователь. Выходные температурные данные DS18B20 калиброваны
в градусах Цельсия.
Рисунок 2.1 - Цифровой термометр DS18B20
Манометр с датчиком MPX4115 отличается высокой точностью
долговременной стабильной работой, отсутствием вариации, устойчивостью
к ударным и знакопеременным нагрузкам.Погрешность интегральных
датчиков в диапазоне температур 0…85°С не превышает 0,5%.
Измерительный элемент – тонкоплёночный пьезорезистор.
Он имеет низкое энергопотребление от источника питания 6…15 В.
Датчик имеет низкую температурную зависимость, высокую линейность и
долговременную
стабильность характеристик, компактную и прочную механическую
конструкцию в корпусе из нержавеющей стали для тяжелых условий
эксплуатации.
Meteo стали водостойкими и с подсветкой. Главное в этих анемометрах — чашка дает
возможность получать точные значения, не направляя прибор строго по
ветру. Кроме текущей скорости и максимальных порывов на дисплее можно
увидеть среднюю скорость ветра за определенный период.
Особенность модели Meteos37 — датчик температуры, с помощью
которого прибор показывает не только текущую температуру воздуха, но и
вычисляет так называемый виндчил-фактор (коэффициент охлаждения). Вы
знаете, что при температуре 0 градусов и скорости ветра 8 м/с эффект
воздействия холода такой же как и при температуре минус 13 градусов без
ветра. Эта температура минус 13 градусов и называется виндчил-фактор. В
холодную погоду хорошо ориентироваться на эти показания, чтобы не
допустить переохлаждения на ветру.
Датчик влажности Н1Н Honeywell. Компания Honeywell производит
семейство емкостных датчиков влажности, применяя метод многослойной
структуры, образуемой двумя плоскими платиновыми обкладками и
диэлектрическим термореактивным полимером, которая обеспечивает
датчику широкий диапазон рабочих температур и высокую химическую
стойкость к агрессивным жидкостям, как изопропил, бензин, толуол и
аммиак. Основные характеристики в таблице 1.3
Рисунок 2.4 - Датчик влажности Н1Н Honeywell
Таблица 2.1 – Технические характеристики датчика влажности Н1Н
Honeywel
Таким образом, были выбраны средства измерения температуры,
давления, скорости воздушного потока – ветра, влажности.
3. Выбор программного обеспечения
3.1 Построение структурной схемы программного обеспечения
системы автоматизации измерений метеопараметров
Proteus VSM – программа-симулятор, заменяющая реальные детали и
приборы, виртуальными моделями, позволяет очень достоверно
моделировать и отлаживать достаточно сложные устройства, в которых
может содержаться несколько микроконтроллеров, даже разных семейств, в
одном устройстве.
Также существуют программа Multisim 12 Professional компании
National Instruments – эмулятор схем, позволяет объединить процессы
разработки электронных устройств на основе технологии виртуальных
приборов для учебных и производственных целей. Особенностью программы
является присутствие контрольно-измерительных приборов, по наружному
виду и характеристикам приближенных к их промышленным аналогам.
Сравнительный анализ программ-эмуляторов в таблице 3.1

Таблица 3.1 – Сравнительный анализ программ Proteus VSM и
Multisim 12 Professiona Из таблицы 3.1 видно, что программа Multisim 12 Professional уступает
программе Proteus VSM в возможности моделирования работы
микроконтроллера. В данной работе по автоматизации процесса
синхронизации нельзя обойтись без этого пункта, то есть в качестве
подсистемы имитации оборудования будет использована программа Proteus
VSM.
Для обеспечения работы микроконтроллера необходимо загрузить в
него программу, написанную на определенном языке программирования. Для
выбранного микроконтроллера ATmega16 программу можно написать на
языке Assembler или С. Для создания программы для ATmega1
используются программы CodeVisionAVR и WinAVR.
WinAVR — программный пакет для операционных систем
семейства Windows, включающий в себя кросс-компилятор и инструменты
разработки для микроконтроллеров серий AVR и AVR32 фирмыAtmel.
Входящий в состав пакета кросскомпилятор AVR-GCC поддерживает не
только входные языки C и C++, но и Objective-C, и обеспечивает полную
среду разработки для AVR32. WinAVR не имеет мастера исходного кода
настройки аппаратуры AVR и интерфейса с различными устройствами.

Таблица 3.2 – Сравнительный анализ программ CodeVision AVR и
WinA микроконтроллеров (последние версии, в том
числе серию ATXMega)
Судя по данным таблицы 3.2 можно сделать вывод, что программа
CodeVision AVR более проста и удобна в использовании благодаря
генератору начального кода программы, который позволяет произвести
инициализацию периферийных устройств, также этой программой
поддерживается широкий набор серий микроконтроллеров.
Программа VSPE (Virtual Serial Ports Emulator) –программа для эмуляции СОМ - портов. VSPE предназначена для создания / отладки /
тестирования приложений, которые используют последовательные порты.
Она может создавать различные виртуальные устройства для приема /
передачи данных. В отличие от обычных последовательных портов,
виртуальные устройства имеют специальные возможности: например, то же
устройство может быть открыто несколько раз по различным приложениям,
которые могут быть полезны во многих случаях.
Для эмуляции СОМ - портов может использоваться любая другая
программа с подобными возможностями. VSPE была выбрана, как наиболее
известная и бесплатная программа.
В программе Delphi 7.0 будет создана Scada система. Delphi –
императивный,структурированный, объектно-ориентированный язык
программирования, диалект Object Pascal. Сочетание возможностей быстрого
прототипирования приложений с технологиями уровня предп риятия
обеспечивает плавное и предсказуемое развитие проектов любого масштаба.
Следование стандартам индустрии и открытость к взаимодействию с
любыми частными решениями гарантирует успех проектов, разрабатываемых
с использованием Delphi. Программа Delphi 7.0 была выбрана для
проектирования Scada системы, потому что необходимо обеспечить связь с
виртуальным оборудованием с помощью СОМ-порта, передачу данных от
оборудования, и управляющие воздействия из Scada системы оборудованию.
Также выбор Delphi7.0 обусловлен наилучшей работой с
микроконтроллером ATmega16, дешевизной и доступностью. Другие
программы для создания Scada систем не отвечают этим требованиям.
Для разработки системы автоматизации измерений метеопараметров
будут использоваться следующие программы:CodeVision AVR
(интегрированная среда разработки, предназначенная для разработки
программного обеспечения и программирования микроконтроллеров AVR на
языке С), Proteus VSM (программа-симулятор, заменяющая реальные детали
и приборы, виртуальными моделями), Delphi 7.0 (среда визуального
программирования),также для эмуляции COM-порта используется
программа VSPE – Virtual Serial Ports Emulator.
Таким образом, составим структурную схему программного
обеспечения....