Міністерствоосвіти і науки України
Вінницький національний технічний університет
Інститутавтоматики, електроніки та комп’ютерних систем управління
ФакультетАКСУ
Кафедра АІВТ
Датчикинаближення
Курсова робота
з дисципліни
«Мікропроцесорна техніка»
Перевірив: к.т.н. Кучерук В.Ю.
Виконав: ст. гр. 1АВ-06 Кіт О.О.
Вінниця2009
ЗМІСТ
ВСТУП
1. Класифікаціядавачів наближення
2. Методи виявлення об’єктів фотоелектричнимидавачами наближення
2.1 Метод перетину променя
2.2 Метод відбиття від рефлектора
2.3 Метод відбиття від об’єкта
2.3 Метод фіксованого відбиття відоб’єкта
3. Конструктивні особливості реальнихфотоелектричних давачів наближення
4. Основні принципи побудовиінфрачервоного давача наближення
5. Розробка методики розрахунку давачанаближення
ВИСНОВКИ
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
Додатки
Додаток Б Давач наближення. Перелікелементів
Додаток В Приклад розрахунку давачанаближення
Додаток Г Алгоритм розрахунку давачанаближення
Додаток Д Лістинг програми розрахункудавача наближення
Додаток Е Результати роботи програмирозрахунку давача наближення
ВСТУП
Давачі наближеннязнайшли широке застосування в різних галузях науки і техніки. Їх розповсюдженістьобумовлена високою надійністю і стійкістю до жорстких умов експлуатації.
Давач — первиннийвимірювальний перетворювач величини, що вимірюється і контролюється, у вихіднийсигнал для дистанційної передачі та використання в системах керування [1].
Давач являє собоюелектронний пристрій, що реагує на наближення до чутливої поверхні датчика певнихпредметів, в залежності від принципа дії давача, критерії до об’єкта визначенняможуть мінятися. Так, наприклад, для ємнісних давачів наближення головнимпараметром являється діелектрична проникність об’єкта, якщо вона відмінна відодиниці, то наближення об’єкту до сенсору викличе відповідну реакцію. Дляінфрачервоних давачів головним є кількість світла, що відбивається від об’єкта.Так наприклад людина у білому одязі буде розпізнана швидше ніж у чорному.
Крім того, кожентип давача має свої типові схеми ввімкнення, кожна із яких використовується прирішенні певного кола задач. Більш детальну класифікацію типів давачів і схем їхввімкнення розглянемо в першому і другому розділах курсової роботи.
1. Класифікація давачів наближення
Класифікаціядавачів наближення по методу спрацювання, і за структурою наведена в таблиці 1 [2].
Таблиця 1Класифікація датчиків наближенняТип давача Опис Інфрачервоні активні Являє собою оптичну систему з ІЧ-випромінювача й ІЧ-приймача, що дозволяє сформувати невидимий оком рубіж охорони довжиною до 100 метрів. Принцип дії активного ІЧ давача заснований на формуванні випромінювачем імпульсного ІЧ випромінювання, що вловлюється приймачем. У момент перетинання охоронюваного рубежу ІЧ випромінювання перестає попадати на приймач, і давач формує сигнал тривоги. Такі давачі бувають як однопроменевими так і багатопроменевими. При кількості променів більше двох зменшується можливість появи помилкового спрацьовування, тому що формування сигналу тривоги відбувається тільки при одночасному перетинанні всіх променів. Радіохвильові об'ємні Призначені для виявлення проникнення в приміщення й допускають маскування матеріалами, що пропускають радіохвилі (тканини, деревні плити). Електромагнітне поле СВЧ діапазону, створюване оповіщувачем, не має шкідливого впливу на організм людини. Лінійні радіохвильові Забезпечують виявлення людини, що перетинає зону виявлення. Оповіщувач складається з передавального й прийомного блоку, які розміщаються на протилежних кінцях охоронюваної ділянки. Передавальний блок випромінює електромагнітні коливання в напрямку прийомного блоку. Прийомний блок приймає ці коливання, аналізує амплітудні й часові характеристики прийнятого сигналу й у випадку їхньої відповідності закладеній моделі «порушника» формує тривожне повідомлення Об'ємні ультразвукові Призначені для виявлення проникнення або спроби проникнення в охоронюваний об’єм, переміщення предметів в охоронюваному об’ємі. Магнітоконтактні Призначені для блокування дверних і віконних прорізів, а також для блокування інших конструктивних елементів будинків і споруд. Оповіщувачі складаються з магнітокерованого давача на основі геркона й задаючого елемента (магніту). Магнітоконтактні оповіщувачі відрізняються один від одного по типу установки (накладні, урізні), матеріалу з якого вони виготовлені (метал або пластик), а також величині робочого зазору, при якому оповіщувач перебуває в черговому режимі
2. Методи виявлення об’єктівфотоелектричними давачами наближення
По методувиявлення об'єкта фотоелектричні давачі підрозділяються на 4 основні групи: перетинання променя,відбиття від рефлектора, відбиття від об'єкта, фіксоване відбиття від об'єкта.Розглянемо кожний з видів більш детально.
2.1 Методперетину променя
У методіперетинання променя передавач і приймач розділені по різних корпусах, щодозволяє встановлювати їх навпроти один одного на робочій відстані, як показанона рисунку 1. Принцип роботи заснований на тому, що передавач постійно посилаєсвітловий промінь, що приймає приймач. Якщо світловий сигнал давача перериваєтьсявнаслідок перекриття стороннім об'єктом, приймач негайно реагує міняючи станвиходу./> />
Рисунок 1 – Методперетину променя
2.2 Методвідбиття від рефлектора
У методі відбиттявід рефлектора приймач і передавач давача перебувають в одному корпусі, якпоказано на рисунку 2. Напроти давача встановлюється рефлектор (відбивач).Світловий сигнал, що посилається передавачем, відбиваючись від рефлекторапопадає в приймач давача. Якщо світловий сигнал припиняється, приймач негайнореагує міняючи стан виходу.
/> />
Рисунок 2 – Методвідбиття від рефлектора
2.3 Методвідбиття від об’єкта
У методі відбиттявід об'єкта приймач і передавач давача перебувають в одному корпусі. Приробочому стані давача всі об'єкти, що попадають у його робочу зону, стаютьсвоєрідними рефлекторами, дивись рисунок 3. Як тільки світловий проміньвідбившись від об'єкта попадає на приймач давача, той негайно реагує міняючистан виходу.
/> />
Рисунок 3 – Методвідбиття від об’єкту
2.4 Методфіксованого відбиття від об’єкта
У методіфіксованого відбиття від об'єкта приймач і передавач давача перебувають водному корпусі. Ці давачі мають два режими роботи: нормальний і «зона».Принцип дії давача при нормальному режимі такий самий як і у відбиття відоб'єкта, але більш чутливий. Наприклад, можливо визначення роздутої пробки напляшці з кефіром, неповне наповнення вакуумного впакування із продуктами й т.д.При роботі давача в режимі «зона»можна обмежити границі реагування на об'єкти в межах робочої відстані [3].
3 Конструктивні особливостіреальних фотоелектричних давачів наближення
Фотодавачі можутьвипромінювати світло в інфрачервоному, червоному або зеленому спектрі. Вихіднийкеруючий сигнал датчика працює за принципом так/ні. Завдання датчика виявитиоб'єкт на відстані. Ця відстань варіюється в межах 0,3мм-50м, залежно відобраного типу датчика й методу виявлення. Вихідний сигнал датчиків може бутитранзисторний, тиристорним або контакт реле.
Основна частинафотоелектричних давачів виконана в прямокутних корпусах: металевих абопластикових. Давачі можуть бути вертикального виконання або горизонтального,залежно від розташування оптичної системи на корпусі давача, рисунок 4. Деякітипи давачів мають підковоподібну форму корпуса або циліндричну, котра у своючергу ділиться на осьову й радіальну.
/>
/>
/>
Рисунок 4 – Різнітипи корпусів давачів: циліндричні, прямокутні, підковоподібні
В окрему групу посвоїх конструктивних особливостях можна виділити типи давачів з оптоволокном. Уцьому випадку електрична частина давача перебуває в доступному й безпечному місці, а приймач і передавач давачавинесені безпосередньо в зону детектування. Вони передають світловий сигнал допідсилювача по оптоволоконному кабелі. У цих типах давачів також існують всі методивиявлення. Фотодавачі з оптоволокном незамінні при рішенні завдань виявлення уважкодоступних місцях і зонах з тяжкими умовами навколишнього середовища, азавдяки мініатюрності такої оптичної системи можливе виявлення об'єктів до0,012мм у діаметрі. До того ж вихід з ладу чутливого елемента давача в тяжкихумовах роботи незначно впливає на вартість відновлення давача. Одинпідсилювальний блок працює з безліччю оптичних кабелів, що розрізняються й пометоду виявлення, й по конструктивних особливостях, так що вам не буде потрібноміняти весь давач при зміні завдання керування[4].
4. Основніпринципи побудови інфрачервоного давача наближення
Розглянемоінфрачервоний давач наближення, що працює за схемою відбиття від об’єкта. Сигналтривоги зазвучить у тому випадку, якщо в охоронюваному приміщенні будевиявлений рухомий або нерухомий об'єкт, що був відсутній в момент ввімкненняпристрою.
Такі давачівикористовуються в основному для контролю ближньої зони. Це — простір білядверей, частина коридору, сходового маршу, стіл, сейф і т.п.
В додатку Апоказана схема приладу, що формує короткі інфрачервоні (ІЧ) імпульси йприймаюче їхнє відбиття від об'єкта, що з'явився поблизу. Тут ВI1 — ІЧ діод,періодично порушуваний імпульсами струму, амплітуда яких Iімп=(Uживл-3,5)/R5може багаторазово перевищувати середнє припустиме значення. Тривалість цихімпульсів tімп=0,7R3C2, а період їх надходження T=1,4R2C1.
Відбитий ІЧімпульс попадає на фотодіод BL1. Після посилення й обмеження мікросхемою DA1він надходить на один із входів елемента DD2.1 (вивід 13). Якщо відбитийімпульс збігається з тим, що випромінюється (імпульс, що збуджує ІЧ діод,надходить на вивід 12 DD2.1), то на виході DD2.1 виникає короткий (tімп)імпульс низького рівня, що запускає одновібратор (DD2.2, DD2.3). На виходіодновібратора виникає імпульс тривалістю Tзв=0,7R8C7. Він надходитьна вхід звукового генератора (DD2.4, DD1.6). Динамік НА1 видає короткийзвуковий сигнал. Так прилад «озвучує» відбиті ІЧ імпульси. Серіятаких імпульсів буде трансформуватися їм у тривожно звучну послідовність, щовипливає із частотою ІЧ імпульсів.
Щоб уникнутипідсвічування фотодіода з боку виводів, «донні» частини ІЧ діода йфотодіода заклеюють кружками чорної ізоленти. У мікросхему DA1 входитьвисокочутливий підсилювач, тому її потрібно екранувати.
Правильнозібраний пристрій звичайно відразу починає працювати в режимі тривоги — стеля,стіни, меблі дають цілком достатній відбитий сигнал. Але якщо він продовжуєзвучати й покладений лицьовою стороною на стіл, то буде потрібно виявити йліквідувати шляхи проникнення ІЧ випромінювання на фотодіод усередині самогоприладу. Після цього залишиться визначити отриману дальність спрацювання івиставити потрібну, підбором резистора R5. Іноді безпосередня реакція приладу,що озвучує кожен відбитий імпульс, зовсім не обов'язкова. На рисунку 5 показаначастина схеми пристрою, яку потрібно змінити, щоб сигнал тривоги формувавсялише при проходженні компактної групи відбитих сигналів.
/>
Рисунок 5 — Модифікація схеми для уникненняхибного спрацювання
Сигнал тривогипролунає лише в тому випадку, якщо на вхід СР лічильника DD3.1 надійдуть чотиривідбитих імпульси. Але відбутися це повинно на часовому інтервалі тривалістю16Т (3,2 с), оскільки спадом кожного шістнадцятого імпульсу генератора, лічильникDD3.1 повертається в нульовий стан (імпульс скидання тривалістю 20 мксформується на виході елемента DD2.2). Тобто, якщо на одному з таких часовихінтервалів датчик зафіксує чотири відбитих імпульси, він включить тривожнусигналізацію. Час її звучання — tтр.
Пристрій можеввійти в охоронну систему в якості одного з її давачів. Для неї буде становитиінтерес лише сигнал, що виникає на виході елемента DD2.1 [5].
5. Розробкаметодики розрахунку давача наближення
Розглянемозалежність параметрів схеми від номіналів її елементів. ІЧ діод, періодичнозбуджується імпульсами струму, амплітуда яких Iімп=(Uживл-3,5)/R5.Саме від цього параметра залежить чутливість схеми й дальність їїспрацьовування. Однак, залежність відстані від амплітуди є нелінійною й не можебути обчислена аналітично, тому встановлюється експериментально шляхом змінирезистора R5. Відстань спрацьовування при певних значеннях величини резистораR5 записані в таблиці 2. Виміри проводилися при напрузі живлення 6В. Мінімальнезначення Dлюд відповідає людині в темному халаті.
Таблиця 2Залежність чутливості схеми від амплітуди імпульса
Iімп, А (R5, Ом)
Dлюд, м
Dст, м 0,04 (62) 0,5..0,9 1,5 0,16 (16) 1..1,6 3 0,64 (3,9) 1,8..2,5 4,3
Графік залежностівідстані спрацювання схеми від амплітуди імпульсу зображений на рисунку 6.
/>
Рисунок 6 – Залежність відстані спрацювання відамплітуди імпульсу
Тривалістьгенерованих схемою імпульсів може бути полічена по формулі 3.1:
tімп=0,7R3C2,(3.1)
де R3 – номінал резистора R3 з схеми в додатку А
С2 – номінал конденсатора С2 з схеми в додатку А
Період появиімпульсів 3.2:
T=1,4R2C1, (3.2)
де R2 – номінал резистора R2 з схеми в додатку А
С1 – номінал конденсатора С1 з схеми вдодатку А
Приспрацьовуванні схеми на виході виникає імпульс тривалістю 3.3:
Tзв=0,7R8C7,(3.3)
де R8 – номінал резистора R8 з схеми в додатку А
С7 – номінал конденсатора С7 з схеми в додатку А
ВИСНОВКИ
В даній курсовійроботі були розглянуті різні типи давачів наближення: інфрачервоні,радіохвильові ( об'ємні та лінійні ), ультразвукові, магнітоконтактні. Кожен ізцих типів має свої переваги і свої недоліки, а також свою галузь застосування.Так, для виявлення рухомих об’єктів, якими можуть бути, наприклад злодії,широкого використання набули інфрачервоні давачі, через простоту та надійність.Саме через це такий давач і був обраний для розробки та розрахунку в курсовійроботі.
При розробціпринципової схеми були дані практичні рекомендації по полагодженню проблем, якіможуть виникнути при роботі з приладом. Також для випадків коли не потрібнавелика чутливість наведена схема, що дає змогу зменшити її до необхідного рівня.
Після розробкипринципової схеми була розроблена методика розрахунку номіналів її елементів.Розроблена методика включає в себе розрахунок номіналів схеми для отриманнябажаної величини таких параметрів:
- амплітудигенерованих імпульсів;
- довжинигенерованих імпульсів;
- періодгенерації імпульсів;
- тривалістьвихідного імпульсу.
Було встановлено,що хоча відстань виявлення об’єкту і залежить від амплітуди, але є нелінійною іне може бути встановлена аналітично. По експериментально встановленим точкам задопомогою інтерполяції була побудована функція, що дає уявлення про характерзалежності.
За розробленоюметодикою розрахунку був складений алгоритм та розроблена програма, щорозраховує номінали схеми таким чином, щоб вони співпадали із введенимикористувачем. Програмарозрахунку написана на мові C++ в середовищі Visual C++ 6.0.
Через те, щодосить складно отримати необхідний результат із першого разу, після проведеннярозрахунків користувачу пропонується повторити введення даних, якщо користувачпогоджується, то програма починається спочатку, інакше вона завершується.
Принципова схемадавача наближення наведена в додатку А, перелік елементів схеми – в додатку Б. Прикладрозрахунку давача приведений в додатку В, алгоритм роботи програми – в додатку Г.Текст програми розрахунку та результати її роботи наведені в додатках Д та Евідповідно.
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ
1. Электроннаябиблиотека (18.12.2007) –
www.avto.oglib.ru/bgl/3367/90.html
2. ФрайденДж. Современные датчики. Изд-во Техносфера,2005 – 592 с.
3. ДжексонР.Г. Новейшие датчики. Изд-во Мир электроники, 2007 – 380 с.
4. КотюкА.Ф. Датчики в современных измерениях. Изд-во «Радио и связь», 2006 — 96 с.
5. Инфракрасныйдатчик присутствия (10.10.2007) –
www.guarda.ru/guarda/data/infra_red/txt_06.php
6. Каталогелементів (20.12.2007) –
www.voltmaster.ru/cgi-bin/qweryv.pl?pg=1&group=10605
7. ВасюраА.С. «Електромагнітні елементи та пристрої систем управління і автоматики»,ч. ІІ. «Електромагнітні елементи цифрової техніки». Навчальнийпосібник. – Вінниця, ВДТУ, 2001. – 162 с.
8. ВасюраА.С., Компанець М.М., Кривогубченко С.Г., Кулік А.Я., МізернийВ.М. Принципипроектування електронних засобів автоматики. / Навчальний посібник. – Вінниця,ВДТУ, 1999. – 121 с.
9. ВасюраА.С. „Електромагнітні елементи та пристрої систем управління і автоматики",ч.I. „Електромагнітні елементи аналогових пристроїв"/Навчальний посібник –Вінниця:, ВДТУ, 2000.
10. Мікроелектроннісенсори фізичних величин: Науково-навчальне видання. В 3 томах. Том 1./ ВуйцинВ.В., Гонта З.Ю., Григор'єв В.В., Калита В.М., Мельник О.М. За редакцією З.Ю.Гонти, – Львів: Ліга-Прес,2002. – 475с.
Додатки
Додаток В –Приклад розрахунку давача наближення
Розрахувати давачнаближення з амплітудою генерованих імпульсів 0,25А, довжиною генерованихімпульсів 10,5мкс, періодомгенерації імпульсів 0,16 с, тривалістювихідного імпульсу 0,08 с.
Напругу живленняможна обрати рівною 6В. Далі розрахунок проводиться за методикою, розробленою в розділі 3.
/>
/>
/>
/>.
Решта елементівберуться з такими номіналами, які вказані в додатку Б.
Додаток Г –Алгоритм розрахунку давача наближення
/>
Додаток Д –Лістинг програми розрахунку давача наближення
#include
#include
#include
void findRC(double &r, double &c, double res, double delta = 0.0, double step =0.00000000001 )
{
int sign = 1;
if ( ( r * c )> res )
{
sign = -1;
}
doubleminDelta = fabs( res — r * c );
while (minDelta > delta )
{
r += step *sign;
c += step *sign;
if ( fabs( res- r * c ) > minDelta )
{
r -= step *sign;
c -= step *sign;
break;
}
minDelta =fabs( res — r * c );
}
}
void main( )
{
doubleinpVolt;
double iImp;
double tImp;
double T;
double tZv;
char choose;
do
{
printf(«Enter input voltage: „);
scanf(“%lf», &inpVolt );
printf(«Enter impulse amplitude: „);
scanf(“%lf», &iImp );
printf(«Enter generated impulses length: „);
scanf(“%lf», &tImp );
printf(«Enter impulses period: „);
scanf(“%lf», &T );
printf(«Enter output impulse length: „);
scanf(“%lf», &tZv );
double r5 = (inpVolt — 3.5 ) / iImp;
printf(«R5 = %.3lf Ohm\n», r5 );
double r3 = 10* pow( 10, 3 );
double c2 =1000 * pow( 10, -12 );
findRC( r3,c2, tImp / 0.7 );
printf(«R3 = %.2e Ohm, C2 = %.2e Farad\n», r3, c2 );
double r2 =300 * pow( 10, 6 );
double c1 =0.047 * pow( 10, -6 );
findRC( r2,c1, T / 1.4 );
printf(«R2 = %.2e Ohm, C1 = %.2e Farad\n», r2, c1 );
double r8 =300 * pow( 10, 6 );
double c7 =0.047 * pow( 10, -6 );
findRC( r8,c7, tZv / 0.7 );
printf(«R8 = %.2e Ohm, C7 = %.2e Farad\n», r8, c7 );
printf("\n TESTING:\n" );
printf(«Iimp = (V — 3.5) / R5 = ( %.2e — 3.5 ) / %.2e = %.2e\n», inpVolt,r5, ( inpVolt — 3.5 ) / r5 );
printf(«timp = 0.7*R3*C2 = 0.7 * %.2e * %.2e = %.2e\n», r3, c2, 0.7 * r3 *c2 );
printf(«T = 1.4*R2*C1 = 0.7 * %.2e * %.2e = %.2e\n», r2, c1, 1.4 * r2 * c1);
printf(«Tzv = 0.7*R8*C7 = 0.7 * %.2e * %.2e = %.2e\n», r8, c7, 0.7 * r8 * c7);
while( kbhit() )
{
getche( );
}
printf("\nDo you want to repeat calculation (y/n)? " );
choose =getche( );
printf("\n\n" );
} while( choose != 'n' );
}
Додаток Е –Результати роботи програми розрахунку давача наближення
Enter inputvoltage: 6
Enter impulseamplitude: 0.25
Enter generatedimpulses length: 0.0000105
Enter impulsesperiod: 0.16
Enter outputimpulse length: 0.08
R5 = 10.000 Ohm
R3 = 1.00e+004Ohm, C2 = 1.50e-009 Farad
R2 = 3.00e+008Ohm, C1 = 3.80e-010 Farad
R8 = 3.00e+008Ohm, C7 = 3.80e-010 Farad
TESTING:
Iimp = (V — 3.5)/ R5 = ( 6.00e+000 — 3.5 ) / 1.00e+001 = 2.50e-001
timp = 0.7*R3*C2= 0.7 * 1.00e+004 * 1.50e-009 = 1.05e-005
T = 1.4*R2*C1 = 0.7* 3.00e+008 * 3.80e-010 = 1.60e-001
Tzv = 0.7*R8*C7 =0.7 * 3.00e+008 * 3.80e-010 = 7.98e-002
Do you want torepeat calculation (y/n)? n