Разработка измерительных систем с применением контроллеров Arduino

Разработка измерительных систем с применением контроллеров Arduino

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине «Электроизмерительные приборы и датчики информации»

 

Тольятти

Издательство ТГУ

2015

УДК

ББК

 

Рецензент: доктор технических наук В.П. Певчев

 

Глибин Е.С., В.И. Чепелев Разработка измерительных систем с применением контроллеров A rduino: лабораторный практикум / Е.С. Глибин., В.И. Чепелев – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2015. – 42 с.

 

Лабораторный практикум содержит задания по работе с электронными осциллографами, генераторами и макетированию устройств, работающими с датчиками информации, а также описание использования среды программирования Arduino для разработки и отладки программного обеспечения измерительных систем на базе микроконтроллеров AVR архитектуры.

Лабораторный практикум предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Электроника и наноэлектроника» при изучении ими дисциплины «Электроизмерительные приборы и датчики информации».

 

 

УДК

ББК

 

 

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

 

 

© ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2015

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Изучение электронного осциллографа и генераторов электрических сигналов. 4

Знакомство с программированием микроконтроллеров. 11

Подключение ультразвукового датчика расстояния к микроконтроллеру. 24

Измерение расстояний при помощи ультразвукового датчика. 30

Датчики температуры.. 33

Датчики магнитного поля. 39

Литература. 41

Лабораторная работа №1

 

Изучение электронного осциллографа и генераторов электрических сигналов

 

Цель работы

Цель работы – научиться работать с электронным осциллографом, настраивать режимы работы генераторов для создания периодических электрических сигналов произвольной формы.

 

Программа работы

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение лабораторного стенда к работе.

2.2 Научиться задавать форму электрического  сигнала с помощью генератора.

2.3 Снять осциллограмму генерируемого сигнала, предварительно зафиксировав ее с помощью триггера.

2.4 Измерить максимальное, среднее и среднеквадратичное значение напряжения на генераторе.

2.5 Рассчитать среднеквадратичное значение сигнала при заданных параметрах, сравнить его с отображаемым программой и заданным (если показывается) в окне настроек генераторе.

2.6 Повторить пункты 2.2 – 2.5 для второго сигнала при использовании встроенного генератора, для третьего при использовании внешнего генератора.

2.7 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

 

Варианты заданий

Для каждого из трех сигналов, приведенных в таблице 3.1, необходимо настроить соответствующий генератор, зафиксировать осциллограмму полученного сигнала, измерить его параметры согласно программе работы.

 

Таблица 3.1 - формы и параметры генерируемых сигналов

№	№ сигнала
	1	2	3
1	синусоида, амплитуда 1,5 В, частота 2 кГц, постоянная составляющая 1 В	размах 2,2 В, частота 10 кГц	униполярный меандр, размах 1В, частота 5 кГц

Продолжение таблицы 3.1

2	двухполярный меандр, минимальное значение -1,5 В, максимальное значение 1 В, частота 15 кГц	размах 1,8 В, частота 5,5 кГц	синусоида, амплитуда 2,5 В, частота 900 Гц
3	симметричный треугольный сигнал, размах 3 В, частота 500 Гц	размах 3 В, частота 1400 Гц	прямоугольный сигнал, размах 2 В, частота 7,5 кГц, постоянная составляющая 1,5 В
4	прямоугольный сигнал, размах 4 В, частота 1,5 кГц, постоянная составляющая 2 В, скважность 3	размах 2 В, частота 3600 Гц	симметричный треугольный сигнал, размах 3 В, частота 200 Гц

 

В о траслевом ст андарте связи ОСТ 45.159-2000 «Отраслевая система обеспечения единства измерений. Термины и определения» термин амплитуда определяется как наибольшее значение, которое принимает какая-либо величина, изменяющаяся по гармоническому закону.

Термин «амплитуда» следует отличать от терминов, применимых к любым сигналам:

Максимальное и минимальное значения сигнала — наибольшее и наименьшее мгновенные значения сигнала на протяжении заданного интервала времени.

Размах сигнала — разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени.

Согласно ГОСТ 16465-70 «Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения» не следует в общем случае заменять термин максимальное значение сигнала термином амплитуда.  ГОСТ отдельно регламентирует использование таких терминов как амплитуда импульса или амплитуда прямоугольного сигнала.

Некоторые термины, встречающиеся в задании, определения которых приведены в ГОСТ 16465-70:

Постоянная составляющая сигнала – среднее значение сигнала , где Tу – интервал времени усреднения.

Скважность – отношение периода прямоугольного сигнала к длительности импульса.

При скважности 2 (длительность импульса равна длительности паузы) прямоугольный сигнал называется меандром. Меандры бывают униполярными (величина напряжения принимает значения одного знака) и двухполярными.

Следует отметить, что в программном обеспечении зарубежного производства определения ряда применяемых терминов могут не соответствовать ГОСТ – воспользуйтесь инструкцией и справкой!

Номер варианта соответствует номеру бригады, назначенной на вводном занятии. Если количество бригад больше 4, то пятая выполняет задание первого варианта, шестая – второго и т.д.

 

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет должен содержать следующие обязательные пункты:

1. титульный лист;

2. цель работы, программу работы и задание ТОЛЬКО для своего варианта;

3. текстовое описание выполняемых действий в процессе подготовки генератора и осциллографа к работе;

4. описание значений выбираемых настроек программы или установки элементов управления внешнего прибора;

5. осциллограммы всех сигналов задания с ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ указанием масштаба и единиц измерения по осям, а также нулевого уровня;

6. результаты измерений среднеквадратичного, среднего и максимального значений напряжений для каждого сигнала;

7. результаты расчета среднеквадратичных значений для каждого сигнала;

8. выводы по работе.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы

 

Для ответа на вопросы к этой и последующим лабораторным работам воспользуйтесь конспектом лекций.

 

1. Что такое измерение? Зачем необходимы измерения в промышленности? В науке?

2. Что такое электрический сигнал? Что такое датчик? Какие задачи решают датчики в промышленности?

3. Какие типы измерений Вы знаете?

4. Поясните термины «единица», «эталон». Какие системы единиц Вы знаете?

5. Что может являться эталоном физической величины? Приведите примеры.

6. Назовите причины использования датчиков.

7. Каково различие между контактным и бесконтактным устройством измерения?

Лабораторная работа №2

 

Знакомство с программированием микроконтроллеров

 

Цель работы

Цель работы – научиться составлять, компилировать и загружать в микроконтроллер простейшие программы на Arduino.

 

Программа работы

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение (установить драйверы) лабораторного стенда к работе.

2.2 Изучить краткие теоретические сведения.

2.3 Ввести, скомпилировать, загрузить в микроконтроллер и отладить программу мигающего светодиода, представленную в кратких теоретических сведениях.

2.4 Разработать программу согласно заданию и номера бригады.

2.5 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

 

Варианты заданий

4.1 Составьте программу, циклически формирующую световые импульсы светодиодом в последовательности, указанной в таблице 2.1.

 

№ бригады	Последовательность световых импульсов
1	Короткий -длинный-длинный
2	Короткий - короткий -длинный
3	Короткий -длинный
4	Короткий - короткий -длинный-длинный
5	Длинный-длинный-длинный- короткий
6	Короткий - короткий - короткий -длинный

 

Длительность паузы всегда постоянна и равна половине секунды, длительность короткого импульса полсекунды, длительность длинного импульса полторы секунды.

 

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет должен содержать следующие обязательные пункты:

 

1. титульный лист;

2. цель работы, программу работы и задание для своего варианта;

3. текстовое описание выполняемых действий в процессе отладки программы из пункта «Краткие теоретические сведения»;

4. блок-схему алгоритма Вашей программы согласно заданию.

5. исходный текст программы.

6. выводы по работе.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы

 

1. Поясните работу программ, приведенных в отчете.

2. Поясните основные конструкции языка Си, приведенные в кратких теоретических сведениях.

3. Перечислите основные методы измерений.

4. В чем заключаются компенсационный метод, метод отклонений? Приведите примеры.

5. В чем заключаются методы аналогий, повторений и перечисления? Приведите примеры.

6. В чем заключаются методы чередований и подстановки? Приведите примеры.

7. Что такое когерентная выборка? Как данная стратегия измерений используется в осциллографах?

8. Каковы различия между дискретными и аналоговыми датчиками?

Лабораторная работа №3

 

Подключение ультразвукового датчика расстояния к микроконтроллеру

 

Цель работы

 

Цель работы – научиться работать с ультразвуковым датчиком расстояния, формировать управляющие импульсы с помощью микроконтроллера, определять программным способом длительность импульсов.

 

Программа работы

 

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение (установить драйверы) лабораторного стенда к работе.

2.2 Изучить краткие теоретические сведения.

2.3 Ввести, скомпилировать, загрузить в микроконтроллер и отладить программу опроса датчика, представленную в кратких теоретических сведениях.

2.4 Модифицировать программу согласно заданию.

2.5 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

 

Задание на лабораторную работу

 

Задание к этой работе едино для всех бригад и звучит следующим образом: модифицируйте приведенную выше программу, чтобы она отображала расстояние в сантиметрах. Используйте скорость звука равной 340 м/с для пересчета длительности импульса Echo в сантиметры.

 

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет должен содержать следующие обязательные пункты:

 

1. титульный лист;

2. цель работы, программу работы и задание;

3. текстовое описание выполняемых действий в процессе отладки программы из пункта «Краткие теоретические сведения»;

4. блок-схему алгоритма Вашей программы.

5. исходный текст программы.

6. выводы по работе.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы

 

1. Объясните работу ультразвукового датчика расстояния.

2. Поясните работу программ, приведенных в отчете.

3. Объясните работу датчика приближения индуктивного типа.

4. Опишите схему, используемую в индуктивных датчиках приближения для обнаружения металлических объектов.

5. Чем определяется уровень вихревых токов в объекте, помещенном в электромагнитное поле индуктивного датчика?

6. Как влияет экранирование на работу индуктивных датчиков?

7. Объясните работу емкостного датчика приближения? Каких типов они бывают?

8. Опишите структуру датчика расстояния фотоэлектрического типа.

9. Какие режимы применяются в датчиках фотоэлектрического типа. Опишите несколько на выбор.

10. Какие светодиоды применяются в фотоэлектрических датчиках?

Лабораторная работа №4

 

Измерение расстояний при помощи ультразвукового датчика

 

Цель работы

 

Цель работы – научиться задавать реакции микропроцессорной системы на показания измерительных датчиков.

 

Программа работы

 

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение лабораторного стенда к работе.

2.2 Изучить работу условного оператора с помощью кратких теоретических сведений и литературы.

2.3 Разработать, ввести, скомпилировать, загрузить в микроконтроллер и отладить программу согласно заданию.

2.4 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

 

Задание на лабораторную работу

 

Варианты заданий приведены в таблице 4.1.

 

№ Бригады	Задание
1	Если в сторону датчика двигается объект, индикаторный светодиод загорается (в противном случае не горит).
2	Если от датчика удаляется объект, индикаторный светодиод загорается (в противном случае не горит).
3	Индикаторный светодиод загорается, если расстояние до объекта менее 10 см, если больше 1м – мигает, в остальных случаях не горит.
4	Индикаторный светодиод мигает, если расстояние до объекта менее 15 см, если больше 80 см – непрерывно горит, в остальных случаях не горит.
5	См. задание для бригады №1
6	См. задание для бригады №3

 

Содержание отчета

 

Отчет должен содержать следующие обязательные пункты:

 

1. титульный лист;

2. цель работы, программу работы и задание;

3. блок-схему алгоритма Вашей программы согласно варианту.

4. исходный текст программы.

5. выводы по работе.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы

 

1. Какие предосторожности необходимы при использовании ультразвуковых датчиков?

2. Опишите, как работают выходы высокого и низкого уровня. Почему выходы низкого уровня связаны с npn-, а высокого с pnp- транзисторами?

3. Опишите области применения систем технического зрения.

4. Каковы требования к интерфейсу связи датчиков и контроллеров?

 

Лабораторная работа № 5

 

Датчики температуры

 

Цель работы

 

Цель работы заключается в изучении принципов работы датчиков температуры, знакомстве с основными типами датчиков и экспериментальном снятии их основных характеристик.

 

Программа работы

 

2.1 Ознакомиться с теоретическим материалом по теме работы.

2.2 Измерить зависимость температуры радиатора транзистора от величины потребляемого от источника питания тока с помощью термопары и мультиметра.

2.3 Снять зависимость сопротивления терморезистора от тока потребления.

2.4 Измерить зависимость выходного напряжения аналогового датчика от температуры.

2.5 Разработать и отладить программу микроконтроллера, осуществляющего индикацию с помощью светодиода превышения температуры 60 градусов.

2.6 Измерить температуру с помощью цифрового датчика температуры, снять временные диаграммы импульсов датчика.

 

Содержание отчета

 

1 титульный лист;

2 цель и программу работы;

3 описание лабораторной установки;

4 ход работы с результатами измерения;

5 программу для микроконтроллера;

6 выводы по результатам работы.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы

 

1. Объясните принцип работы резистивного детектора температуры.

2. Когда следует выбирать термистор с положительным, а не с отрицательным тепловым коэффициентом.

3. Поясните работу термопары.

4. Почему опорный переход термопары назван холодным спаем?

5. Расскажите, как работает интегральный датчик температуры, применяемый в микроэлектронике?

6. Объясните работу датчиков давления двух типов на выбор.

7. Объясните работу датчиков расхода двух типов на выбор.

Лабораторная работа № 6

 

Датчики магнитного поля

 

Цель работы

 

Цель работы заключается в изучении принципов работы датчиков магнитного поля, знакомстве с основными типами датчиков и экспериментальном снятии их основных характеристик.

 

Программа работы

 

2.1 Ознакомиться с теоретическим материалом по теме работы.

2.2 Измерить зависимость выходного напряжения аналогового датчика Холла от тока катушки индуктивности, используя микроконтроллер со встроенным АЦП.

2.3 Рассчитать зависимость магнитной индукции от тока катушки индуктивности.

2.4 Снять релейную характеристику цифрового датчика Холла.

2.5 Оформить и защитить отчет.

 

Вопросы для защиты лабораторной работы

 

1. Что создает электрическое поле? Магнитное поле? Что такое индукция магнитного поля?

2. Поясните работу датчика магнитного поля на эффекте Холла.

Литература

 

 

1. Павловская Т. А. C/C++: Программирование на языке высокого уровня: учеб.для вузов / Т. А. Павловская. - Гриф МО. - СПб.: Питер, 2007. - 460 с. - (Учеб.для вузов). - Библиогр.: с. 383. - Прил.: с. 384-449. - Алф. указ.: с. 450-460. - ISBN 5-94723-568-4: 149-00

2. Подбельский В.В., Фомин С.С. Программирование на языке Си / В.В. Подбельский, С.С. Фомин. – СПб.: Финансы и статистика, 2005. ISBN 5-279-02180-6, 5-279-02180-2.

3. Рег Дж. Промышленная электроника. – М.: ДМК Пресс; 2011. -1136 c.: ил.

4. Клаассен К.Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике. - М.: Постмаркет, 2002. - 352 с. - ISBN: 5-901095-02-2.

 

Лабораторный практикум

 

 

Е.С. Глибин, В.И. Чепелев

 

 

Разработка измерительных систем с применением контроллеров Arduino

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине «Электроизмерительные приборы и датчики информации»

 

Тольятти

Издательство ТГУ

2015

УДК

ББК

 

Рецензент: доктор технических наук В.П. Певчев

 

Глибин Е.С., В.И. Чепелев Разработка измерительных систем с применением контроллеров A rduino: лабораторный практикум / Е.С. Глибин., В.И. Чепелев – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2015. – 42 с.

 

Лабораторный практикум содержит задания по работе с электронными осциллографами, генераторами и макетированию устройств, работающими с датчиками информации, а также описание использования среды программирования Arduino для разработки и отладки программного обеспечения измерительных систем на базе микроконтроллеров AVR архитектуры.

Лабораторный практикум предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Электроника и наноэлектроника» при изучении ими дисциплины «Электроизмерительные приборы и датчики информации».

 

 

УДК

ББК

 

 

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

 

 

© ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2015

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Изучение электронного осциллографа и генераторов электрических сигналов. 4

Знакомство с программированием микроконтроллеров. 11

Подключение ультразвукового датчика расстояния к микроконтроллеру. 24

Измерение расстояний при помощи ультразвукового датчика. 30

Датчики температуры.. 33

Датчики магнитного поля. 39

Литература. 41

Лабораторная работа №1

 

Изучение электронного осциллографа и генераторов электрических сигналов

 

Цель работы

Цель работы – научиться работать с электронным осциллографом, настраивать режимы работы генераторов для создания периодических электрических сигналов произвольной формы.

 

Программа работы

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение лабораторного стенда к работе.

2.2 Научиться задавать форму электрического  сигнала с помощью генератора.

2.3 Снять осциллограмму генерируемого сигнала, предварительно зафиксировав ее с помощью триггера.

2.4 Измерить максимальное, среднее и среднеквадратичное значение напряжения на генераторе.

2.5 Рассчитать среднеквадратичное значение сигнала при заданных параметрах, сравнить его с отображаемым программой и заданным (если показывается) в окне настроек генераторе.

2.6 Повторить пункты 2.2 – 2.5 для второго сигнала при использовании встроенного генератора, для третьего при использовании внешнего генератора.

2.7 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

 

Варианты заданий

Для каждого из трех сигналов, приведенных в таблице 3.1, необходимо настроить соответствующий генератор, зафиксировать осциллограмму полученного сигнала, измерить его параметры согласно программе работы.

 

Таблица 3.1 - формы и параметры генерируемых сигналов

№	№ сигнала
	1	2	3
1	синусоида, амплитуда 1,5 В, частота 2 кГц, постоянная составляющая 1 В	размах 2,2 В, частота 10 кГц	униполярный меандр, размах 1В, частота 5 кГц

Продолжение таблицы 3.1

2	двухполярный меандр, минимальное значение -1,5 В, максимальное значение 1 В, частота 15 кГц	размах 1,8 В, частота 5,5 кГц	синусоида, амплитуда 2,5 В, частота 900 Гц
3	симметричный треугольный сигнал, размах 3 В, частота 500 Гц	размах 3 В, частота 1400 Гц	прямоугольный сигнал, размах 2 В, частота 7,5 кГц, постоянная составляющая 1,5 В
4	прямоугольный сигнал, размах 4 В, частота 1,5 кГц, постоянная составляющая 2 В, скважность 3	размах 2 В, частота 3600 Гц	симметричный треугольный сигнал, размах 3 В, частота 200 Гц

 

В о траслевом ст андарте связи ОСТ 45.159-2000 «Отраслевая система обеспечения единства измерений. Термины и определения» термин амплитуда определяется как наибольшее значение, которое принимает какая-либо величина, изменяющаяся по гармоническому закону.

Термин «амплитуда» следует отличать от терминов, применимых к любым сигналам:

Максимальное и минимальное значения сигнала — наибольшее и наименьшее мгновенные значения сигнала на протяжении заданного интервала времени.

Размах сигнала — разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени.

Согласно ГОСТ 16465-70 «Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения» не следует в общем случае заменять термин максимальное значение сигнала термином амплитуда.  ГОСТ отдельно регламентирует использование таких терминов как амплитуда импульса или амплитуда прямоугольного сигнала.

Некоторые термины, встречающиеся в задании, определения которых приведены в ГОСТ 16465-70:

Постоянная составляющая сигнала – среднее значение сигнала , где Tу – интервал времени усреднения.

Скважность – отношение периода прямоугольного сигнала к длительности импульса.

При скважности 2 (длительность импульса равна длительности паузы) прямоугольный сигнал называется меандром. Меандры бывают униполярными (величина напряжения принимает значения одного знака) и двухполярными.

Следует отметить, что в программном обеспечении зарубежного производства определения ряда применяемых терминов могут не соответствовать ГОСТ – воспользуйтесь инструкцией и справкой!

Номер варианта соответствует номеру бригады, назначенной на вводном занятии. Если количество бригад больше 4, то пятая выполняет задание первого варианта, шестая – второго и т.д.

 

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет должен содержать следующие обязательные пункты:

1. титульный лист;

2. цель работы, программу работы и задание ТОЛЬКО для своего варианта;

3. текстовое описание выполняемых действий в процессе подготовки генератора и осциллографа к работе;

4. описание значений выбираемых настроек программы или установки элементов управления внешнего прибора;

5. осциллограммы всех сигналов задания с ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ указанием масштаба и единиц измерения по осям, а также нулевого уровня;

6. результаты измерений среднеквадратичного, среднего и максимального значений напряжений для каждого сигнала;

7. результаты расчета среднеквадратичных значений для каждого сигнала;

8. выводы по работе.