Загальна характеристика метеорологічних приладів: термометрів, барометрів, психрометрів, гігрометрів. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції, розрахунок її надійності. Вибір мікроконтролера і датчиків, монтаж друкованих плат.
Краткое сожержание материала:

Анотація

В даному дипломному проекті спроектована мікропроцесорна метеостанція. В приладі використовується 8-розрядний мікроконтролер фірми Atmel серії ATMega-8, та три датчики: HCH-1000-001 - датчик відносної вологості, датчик атмосферного тиску МРХА4115A, датчик температури типу DS18B20. В проекті проводяться розрахунки основних елементів електричної принципової схеми. В додатках наведена електрична принципова схема приладу та перелік всіх її елементів.

Зміст

Вступ

1. Технічне завдання

2. Аналіз існуючих систем

2.1 Метеорологічні прилади

2.2 Існуючі метеостанції

3. Розробка структурної схеми

3.1 Обґрунтування вузлів структурної схеми

3.1.1 Вибір мікроконтролера

3.1.2 Датчики температури

3.1.3 Датчики вологості

3.1.4 Датчики тиску

3.1.5 Огляд символьних індикаторів

3.2 Алгоритм

3.3 Пояснення роботи алгоритму програми

4. Розробка електричної принципової схеми мікропроцесорної метеостанції

4.1 Вибір елементної бази

4.1.1 Мікроконтролер

4.1.2 Датчик відносної вологості

4.1.3 Датчик атмосферного тиску

4.1.4 Датчик температури

4.1.5 Вибір пристрою відображення інформації

4.2 Опис роботи схеми

4.3 Розробка програми

5. Розрахунок надійності

5.1 Дані для розрахунку

5.2 Розрахунок надійності для автоматизованої системи вимірювання метеоданих

6. Конструкторське оформлення

6.1 Монтаж друкованих плат

6.2 Складання друкованих плат

6.3 Паяння друкованих плат

Висновки

Додатки

Вступ

Завжди точність прогнозу погоди залежала винятково від величини спостережницької мережі. Чим більше в ній було датчиків, які могли відслідковувати зміни і повідомляти про них у центр, тим точніше був прогноз. Тисячу років тому ніяких метеостанцій, звичайно, не було, однак спостереження за погодою вже велися. Зараз майже всю космічну метеоінформацію Україна одержує з-за кордону.

Сучасні метеостанції діляться як правило на дві категорії: побутові і виробничі. Побутові метеостанції при доступній ціні для звичайних людей, дозволяють збирати інформацію про вологість, температуру та інші параметри навколишнього середовища, однак з невеликою точністю і вірогідністю вимірювань. Виробничі метеостанції придатні для використання у вузькоспеціалізованих завданнях, там, де необхідна інформація про параметри навколишнього середовища і на вірогідність якої можна покластися. Прикладом такого застосування може бути метеостанція в аеропорті, родильному будинку, лікарні, на підприємствах де товар повинен зберігатися в спеціальних умовах і т.д.

Крім того, сучасні професійні метеостанції за спеціальними алгоритмами здатні прогнозувати інформацію про навколишнє середовище на підставі отриманих даних за певний термін і їх аналізу. Метою даної роботи є розробка метеостанції, що буде збирати а також аналізувати інформацію про вологість, температуру, тиск повітря. Розроблений пристрій повинен по точності вимірювань не поступатись аналогічним промисловим пристроям, а по своїй надійності перевершувати їх.

1. Технічне завдання

Підстава для розробки, призначення і область застосування

ь Підстава для розробки: завдання на дипломне проектування.

ь Призначення: автоматизована система вимірювання метеоданих.

ь Область застосування: в промисловості та в домашніх умовах.

Умови експлуатації

ь Кімнатні умови:

1) температура навколишнього повітря від +10°С до +50°С;

2) відносна вологість до 90% при температурі +35°С;

3) атмосферний тиск від 630 мм рт. ст. до 800 мм рт. ст.;

ь Механічні удари, тряски, вібрації : незначні.

ь Хімічно активні компоненти не присутні.

Технічні параметри системи

ь Частота вимірювані: постійне вимірювання.

ь Діапазон вимірювання температури повітря: від -55 ° C до +125 °C із точністю 0.5 ° C.

ь Діапазон вимірювання вологості від 0 до 100% RH із точністю.

ь Діапазон вимірювання тиску 15-115 кПа із точністю.

ь Кількість датчиків: 3.

Вимоги до конструктивного оформлення

ь Пристрій виконати на стандартній друкованій платі.

2. Аналіз існуючих систем

2.1 Метеорологічні прилади

Метеорологічні прилади призначені як для безпосередніх термінових вимірів (термометр або барометр для виміру температури або тиску), так і для безперервної реєстрації тих же елементів у часі, як правило, у виді графіку або кривої (термограф, барограф). Нижче описуються тільки прилади для термінових вимірів, але майже усі вони існують також і у виді самописців. По суті, це те ж вимірювальні прилади, але мають перо, що малює лінію на рухомій паперовій стрічці

Термометри. Рідинні скляні термометри. У метеорологічних термометрах найчастіше використовується здатність рідини, укладеної в скляну колбочку, до розширення і стиску. Звичайно скляна капілярна трубочка закінчується кулястим розширенням, що служить резервуаром для рідини. Чутливість такого термометра знаходиться в зворотній залежності від площі поперечного перерізу капіляра й у прямій - від обсягу резервуара і від різниці коефіцієнтів розширення даної рідини і скла. Тому чуттєві метеорологічні термометри мають великі резервуари і тонкі трубки, а використовувані в них рідини зі збільшенням температури розширюються значно швидше, ніж скло. Вибір рідини для термометра залежить в основному від діапазону вимірюваних температур. Ртуть використовується для виміру температур вище -39° С - точки її замерзання. Для більш низьких температур застосовуються рідкі органічні сполуки, наприклад етиловий спирт. Точність перевіреного стандартного метеорологічного скляного термометра ± 0,05° С. Головна причина похибки ртутного термометра зв'язана з поступовими необоротними змінами пружних властивостей скла. Вони приводять до зменшення обсягу скла і підвищенню точки відліку. Крім того, помилки можуть виникати в результаті неправильного зчитування показань або через розміщення термометра в місці, де температура не відповідає щирій температурі повітря в околицях метеостанції. Похибки спиртових і ртутних термометрів подібні. Додаткові помилки можуть виникати через сили зчеплення між спиртом і скляними стінками трубки, тому при швидкому зниженні температури частина рідини утримується на стінках. Крім того, спирт на світлі зменшує свій обсяг.

Мінімальний термометр призначений для визначення найнижчої температури за дану добу. Для цих цілей звичайно використовується скляний спиртовий термометр. У спирт занурюється скляний штифт-покажчик зі стовщеннями на кінцях. Термометр працює в горизонтальному положенні. При зниженні температури стовпчик спирту відступає, захоплюючи за собою штифт, а при підвищенні - спирт його обтікає, не зрушуючи з місця, і тому штифт фіксує мінімальну температуру. Повертають термометр у робочий стан, перекидаючи резервуаром нагору, щоб штифт знову прийшов у зіткнення зі спиртом.

Максимальний термометр використовується для визначення найвищої температури за дану добу. Звичайно це скляний ртутний термометр, схожий на медичний. У скляній трубці поблизу резервуара є звуження. Ртуть видавлюється через це звуження під час підвищення температури, а при зниженні звуження перешкоджає її відтокові в резервуар. Такий термометр знову підготовлюють до роботи на спеціальній обертовій установці.

Біметалічний термометр складається з двох тонких стрічок металу, наприклад мідної і залізної, котрі при нагріванні розширюються в різному ступені. Їхні плоскі поверхні щільно прилягають одна до іншої. Така біметалічна стрічка скручена в спіраль, один кінець якої жорстко закріплений. При нагріванні або охолодженні спіралі два метали розширюються або стискуються по-різному, а спіраль або розкручується, або тугіше скручується. По покажчику, прикріпленому до вільного кінця спіралі, судять про величину цих змін. Прикладами біметалічних термометрів є кімнатні термометри з круглим циферблатом.

Електричні термометри. До таких термометрів відноситься пристрій з напівпровідниковим термоелементом - терморезистор, або термістор.

Термоелемент характеризується великим негативним коефіцієнтом опору (тобто його опір швидко зменшується з підвищенням температури). Перевагами терморезистора є висока чутливість і швидкість реакції на зміну температури. Калібрування терморезистора згодом міняється. Терморезистори застосовуються на метеорологічних супутниках, кулях-зондах і в більшій частині кімнатних цифрових термометрів.

Барометр. Барометр, прилад для вимірювання тиску атмосферного повітря. Тиск є сила, що діє на одиницю площі по...