Разработка инфракрасного термометра — подробный разбор дипломной работы

Для успешного написания дипломной работы ключевое значение имеет четкое понимание ее структуры и содержания. В этой статье мы подробно разберем все этапы создания проекта на примере разработки микропроцессорного инфракрасного термометра. Мы пройдем путь от постановки задачи и экономического обоснования до проектирования аппаратной части, написания программного обеспечения и анализа безопасности. Этот материал послужит надежным каркасом для вашей собственной исследовательской и инженерной работы.

[Смысловой блок: Введение и постановка задачи]

Точное измерение температуры является критически важной задачей во многих отраслях, от медицины и пищевой промышленности до металлургии и контроля технологических процессов. Инфракрасные (ИК) термометры представляют собой современное решение этой задачи. Принцип их действия основан на преобразовании невидимого инфракрасного излучения, которое испускает любой объект, в электрический сигнал, пропорциональный его температуре.

Главные преимущества таких устройств — это бесконтактность, что обеспечивает безопасность при измерении температуры горячих или труднодоступных объектов, и гигиеничность в медицинском применении. Отсутствие хрупких элементов, как в ртутных градусниках, делает их более надежными. Однако существующие на рынке решения имеют и недостатки, среди которых можно выделить потенциальную погрешность измерений и относительно высокую стоимость некоторых моделей. Именно это поле и открывает возможности для разработки новых, более совершенных приборов.

Цель данной дипломной работы — разработка микропроцессорного инфракрасного термометра с заданными техническими и эксплуатационными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующий ряд задач:

• Провести анализ существующих решений и обосновать актуальность разработки.
• Разработать структурную и принципиальную электрическую схему устройства.
• Спроектировать печатную плату и конструкцию корпуса.
• Разработать встраиваемое программное обеспечение для микроконтроллера.
• Произвести сборку и испытание опытного образца.
• Провести анализ безопасности и экологичности проекта.

Определив цели и задачи, мы должны доказать, что проект не только технически выполним, но и экономически целесообразен. Этот вопрос мы рассмотрим в следующем разделе.

Как проводится технико-экономическое обоснование проекта

Технико-экономическое обоснование (ТЭО) — это обязательный раздел любой инженерной работы, который доказывает, что создание нового продукта является рентабельным и востребованным. Этот этап включает анализ рынка, сравнение с аналогами и расчет предполагаемой себестоимости.

Первым шагом является анализ существующих на рынке ИК-термометров. Для примера рассмотрим характеристики нескольких условных аналогов.

Сравнительный анализ ИК-термометров-аналогов

Параметр	Аналог 1 (Промышленный)	Аналог 2 (Медицинский)
Диапазон температур	-50°C … +2000°C	+32°C … +43°C
Точность	±1.5%	±0.2°C
Оптическое разрешение	150:1	6:1
Спектральный диапазон	8…14 мкм	8…14 мкм
Ориентировочная стоимость	Высокая	Средняя

Анализ показывает, что у промышленных моделей широкий диапазон, но ниже точность в абсолютных значениях, а у медицинских — высокая точность, но узкий диапазон. На основе этого анализа можно сформулировать конкурентное преимущество разрабатываемого прибора: например, создание устройства с точностью медицинского уровня, но по более низкой себестоимости, или прибор с уникальным набором функций, отсутствующих у аналогов.

Далее проводится укрупненный расчет себестоимости, который включает основные статьи затрат:

• Затраты на электронные компоненты (микроконтроллер, сенсор, дисплей и т.д.).
• Стоимость изготовления печатных плат.
• Затраты на сборку, монтаж и настройку устройства.
• Накладные расходы.

После того как мы доказали, что наш прибор нужен рынку и его создание оправдано, можно переходить к самому интересному — инженерной разработке его электронной начинки.

Из чего состоит и как проектируется принципиальная схема термометра

Основой любого электронного устройства является его принципиальная схема. Проектирование начинается с разработки структурной схемы, которая определяет основные функциональные узлы и связи между ними.

Стандартная структурная схема ИК-термометра включает следующие блоки:

1. Оптическая система: Линза, фокусирующая ИК-излучение от объекта на сенсор.
2. Фотоэлектрический приемник: ИК-сенсор (например, термобатарея), который преобразует тепловую энергию в слабый электрический сигнал.
3. Блок усиления и обработки: Операционный усилитель, который усиливает сигнал от сенсора до уровня, достаточного для оцифровки.
4. Микропроцессорный блок: «Мозг» устройства, обычно микроконтроллер (МК), который оцифровывает аналоговый сигнал с помощью встроенного АЦП, производит вычисления и управляет всей периферией. Выбор МК обосновывается достаточной производительностью, наличием необходимых интерфейсов и ценой.
5. Узел индикации: Жидкокристаллический (ЖК) дисплей для отображения температуры и другой информации.
6. Система питания: Батареи и стабилизаторы напряжения, обеспечивающие стабильное и чистое питание для всех узлов, что критически важно для точности аналоговых измерений.

Принципиальная схема детализирует эту структуру. Например, на ней показано, как ИК-сенсор подключается к входу операционного усилителя, а выход усилителя — к входу АЦП микроконтроллера. Особое внимание уделяется цепям питания, фильтрующим конденсаторам и выбору опорного напряжения для АЦП.

Дополнительные функции, такие как лазерный целеуказатель для точного наведения или звуковая сигнализация о превышении порога температуры, также реализуются под управлением микроконтроллера и отображаются на схеме как отдельные узлы.

Когда принципиальная схема готова и компоненты выбраны, наша задача — превратить эту виртуальную концепцию в физический объект. Следующий шаг — проектирование печатной платы.

Как виртуальная схема превращается в реальную печатную плату

Проектирование печатной платы (ПП) — это процесс преобразования абстрактной электрической схемы в физическую конструкцию. Цель этого этапа — разместить все электронные компоненты на плате и соединить их выводы печатными проводниками (дорожками) в строгом соответствии со схемой.

Процесс разработки ПП и корпуса включает несколько ключевых шагов:

1. Расчет предварительной площади платы: На основе габаритных размеров всех выбранных компонентов (микросхем, резисторов, конденсаторов, разъемов) оценивается необходимая площадь ПП.
2. Компоновка элементов: Это логическое размещение компонентов на плате. Здесь действуют важные правила. Например, аналоговую часть (сенсор, усилитель) располагают отдельно от цифровой (микроконтроллер, дисплей), чтобы уменьшить влияние цифровых помех на точность измерений. Разъемы питания и органы управления (кнопки) размещают на краю платы для удобства доступа.
3. Трассировка проводников: Это процесс «рисования» соединительных дорожек. Ширина дорожек выбирается в зависимости от протекающего по ним тока: силовые цепи (питание) делают шире, а сигнальные — уже. Для снижения общего уровня шумов и помех часто используется «земляной полигон» — большая область меди, соединенная с общей землей.
4. Разработка корпуса: Параллельно с проектированием платы разрабатывается ее корпус. В качестве материала часто выбирают прочный и легкий ABS-пластик. Конструкция корпуса должна обеспечивать надежную защиту платы от механических воздействий и пыли, а также быть эргономичной для удобного удержания в руке.

Финальным результатом этого этапа является готовый набор конструкторской документации и 3D-модель устройства в сборе, которая наглядно демонстрирует, как все части интегрируются друг с другом.

У нас есть «железо» — готовая плата и корпус. Теперь необходимо вдохнуть в него жизнь, написав программное обеспечение, которое будет управлять всем процессом измерения.

Какую логику реализует программное обеспечение термометра

Встраиваемое программное обеспечение, или «прошивка», — это код, который исполняется микроконтроллером и определяет всю логику работы устройства. Его архитектура обычно состоит из трех частей: инициализация, основной рабочий цикл и обработка прерываний.

Основной алгоритм измерения, который выполняется в рабочем цикле, можно представить в виде последовательности шагов:

1. Опрос ИК-сенсора: Микроконтроллер подает команду на считывание аналогового сигнала с выхода усилительного блока.
2. Усреднение для точности: Чтобы уменьшить влияние случайных шумов, МК производит быструю серию из 8-16 замеров и вычисляет среднее значение. Это значительно повышает стабильность и точность показаний.
3. Применение калибровочных коэффициентов: В памяти МК хранятся поправочные коэффициенты, полученные при калибровке прибора. Программа умножает усредненный результат на эти коэффициенты для компенсации нелинейности сенсора.
4. Преобразование в градусы: Полученное цифровое значение преобразуется в градусы Цельсия (°C) или Фаренгейта (°F) по заложенной в программу формуле.
5. Вывод на дисплей: Рассчитанное значение температуры отображается на ЖК-дисплее.

Помимо основного алгоритма, программа реализует и пользовательские функции:

• Переключение режимов: Обработка нажатий кнопок для выбора режима измерения (например, «тело» или «поверхность объекта»).
• Хранение данных: Автоматическое сохранение последних нескольких (например, 16) измерений во внутренней памяти микроконтроллера.
• Настройка сигнализации: Возможность установить пороговое значение температуры, при превышении которого сработает звуковой или световой сигнал.

Отладка программы проводится с помощью специальных инструментов, таких как внутрисхемный отладчик, который позволяет пошагово выполнять код прямо на устройстве и контролировать состояние всех переменных.

Разработанное и запрограммированное устройство готово. Но прежде чем его можно будет назвать законченным продуктом, необходимо проанализировать аспекты его безопасного использования и воздействия на окружающую среду.

Почему анализ безопасности и экологии обязателен для любого устройства

Раздел «Безопасность жизнедеятельности и охрана окружающей среды» является обязательной и неотъемлемой частью любой дипломной работы инженера. Он демонстрирует ответственность разработчика и его понимание того, что любое техническое устройство существует не в вакууме, а во взаимодействии с человеком и природой.

Анализ безопасности проводится для разных этапов жизненного цикла прибора.

При сборке и наладке устройства необходимо проанализировать потенциально вредные и опасные производственные факторы. К ним относятся:

• Риск поражения электрическим током при работе с включенным оборудованием.
• Вредное воздействие паров свинцового припоя при ручной пайке.

В качестве мер защиты предлагаются использование диэлектрических перчаток, заземление оборудования и организация вытяжной вентиляции на рабочем месте.

При эксплуатации прибора конечным пользователем анализируются другие риски:

• Безопасность лазерного целеуказателя: Лазер должен иметь низкую мощность (класс I или II), чтобы исключить повреждение глаз при случайном попадании.
• Электрическая безопасность: Корпус должен надежно изолировать все токоведущие части. Если прибор имеет возможность подключения к сети, он должен соответствовать стандартам электробезопасности.

Экологическая оценка рассматривает влияние изделия на окружающую среду. Необходимо проанализировать весь жизненный цикл: от материалов, используемых в производстве, до утилизации. Особое внимание уделяется правильной утилизации отработавших элементов питания (батарей) и самой электронной платы, содержащей тяжелые металлы.

Если прибор позиционируется как медицинский, необходимо упомянуть его классификацию. Например, по европейским стандартам, термометры для измерения температуры тела относятся к медицинским устройствам класса II, тип B.

Пройдя полный цикл от идеи до анализа безопасности, мы готовы подвести итоги и оценить, насколько успешно была решена поставленная задача.

[Смысловой блок: Заключение и выводы]

В ходе выполнения дипломной работы была решена основная задача, поставленная во введении: разработан микропроцессорный инфракрасный термометр, соответствующий заданным требованиям.

Для достижения этой цели были последовательно выполнены все необходимые этапы:

• Проведен анализ предметной области и составлено техническое задание.
• Выполнено технико-экономическое обоснование, подтвердившее целесообразность проекта.
• Разработана принципиальная электрическая схема устройства на современной элементной базе.
• Спроектирована компактная печатная плата и эргономичный корпус.
• Написано и отлажено встраиваемое программное обеспечение, реализующее всю логику измерений и пользовательские функции.
• Проведен анализ безопасности и экологической чистоты проекта.

Главный вывод заключается в том, что цель дипломной работы полностью достигнута. Созданное устройство по своим ключевым характеристикам (точность, скорость измерения, функциональность) не уступает существующим на рынке аналогам, при этом имея потенциал для более низкой себестоимости в серийном производстве.

В качестве перспектив дальнейшего развития проекта можно рассмотреть следующие направления:

• Интеграция беспроводного интерфейса (например, Bluetooth) для передачи данных на смартфон или компьютер.
• Дальнейшая миниатюризация устройства за счет применения более компактных компонентов.
• Повышение точности измерений путем использования более совершенных ИК-сенсоров и алгоритмов обработки сигнала.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств.– М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2005.–528 с.
2. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник / П. П. Мальцев и др. – М.: Радио и связь, 1994. –240 с.
3. Л.Л. Роткоп; Ю.Е. Спокойный; «Обеспечение тепловых режимов при конструировании РЭА» Москва «Советское радио», 1978;
4. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. — К.: «МК-Пресс», 2007. — 288 е., ил.
5. Быстродействующие интегральные микросхемы и измерение их параметров/А.-Й. К Марцинкявичюс, Э.-А. К. Багданскис, Р.Л.Пошюнас и др.; Под. ред. А.-Й. К Марцинкявичюса, Э.-А. К. Багданскиса.– М.: Радио и связь, 1988.-224 с.; ил.
6. Интегральные микросхемы: Микросхемы для линейных источников питания и их применение. Издание второе, исправленное и дополненное – М. ДОДЭКА, 1998 г., 400 с.
7. .Кучеров, Д.П. Источники питания системных блоков ПК/ Д.П. Кучеров. – С-Питербург.: Наука и техника, 2002.
8. Хоровиц, П.А. Искуство схемотехники-1/ П.А. Хоровиц, У.Н. Хилл. – М.: Мир, 1999.
9. Хоровиц, П.А. Искуство схемотехники-2/ П.А. Хоровиц, У.Н. Хилл. – М.: Мир, 2000.
10. 8.Иваченко, И.В. Микросхемы для бытовой радиоаппаратуры/ И.В. Иваченко, В.А. Телец. – М.: Радио и связь, 1996.
11. Типовые нормы времени на разработку конструкторской документации. – 2-е издание., доп. – М.: Экономика, 1991.– 44 с.
12. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. –М.: Высшая школа, 1988. – 450 с.
13. Безопасность жизнедеятельности: Методические указания к самостоятельным работам / Сердюк В.С., Игнатович И.А., Кирьянова Е.Н., Стишенко Л.Г. – Омск: ОмГТУ, 2007.
14. В.Г. Костиков, Е.М. Парфенов, В.А. Шахнов «Источники электропитания электронных средств» Москва, Горячая линия – Телеком 2001г.
15. Измерения в электронике: справочник / В.А. Кузнецов [и др.]; под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.: ил.
16. Полупроводниковые приборы. Диоды высокочастотные, импульсные, оптоэлектронные приборы: справочник / А.Б. Гитцевич [и др.]; под ред. А.В. Голомедова. – 2-е изд. стереотип. – М.: КУбК-а, 1997. – 592 с.: ил.
17. Шило, В.Л. Популярные цифровые микросхемы: справочник / В.Л. Шило. – М.: Радио и связь, 1987. – 352 с.: ил.
18. «Астра-9» Руководство по эксплуатации ЗАО НТЦ «ТЕКО». Казань.2008 г.
19. Техническое описание на датчики влажности воздуха серии ВА100/101/102 ЗАО «НТЦ ИИТ» Юбилейный. 2009 г.
20. Техническое описание на датчики температуры воздуха серии ТА100/101/102ЗАО «НТЦ ИИТ» Юбилейный. 2009 г.
21. Техническое описание на датчики температуры воздуха серии ТВ100/101/102ЗАО «НТЦ ИИТ» Юбилейный. 2009 г.
22. Техническое описание на датчики видимого света серии ОС100М ЗАО «НТЦ ИИТ» Юбилейный. 2009 г.
23. ГОСТ Р 50923-96 «Дисплеи. Рабочее место оператора. Общие эргономические требования и требования к производственной среде. Методы измерения».
24. ГОСТ 12.0.003-74* «ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация»
25. ГОСТ 12.1.038-82* «Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов»
26. ГОСТ Р 50950-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Общие эргономические требования и требования безопасности»
27. ГОСТ Р 50949-2001 «Средства отображения информации индивидуального пользования. Методы измерения и оценки эргономических параметров и параметров безопасности»:
28. ГОСТ 12.1.004-91 «Пожарная безопасность. Общие требования»
29. СанПиН 2.2.2/2.5.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы»
30. СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение»
31. СанПиН 2.2.5.550-96 «Гигиенические требования к микроклимату производственных помещений»
32. СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование»
33. ГН 2.2.6.009-94 «Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны»
34. СН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки»
35. СН 181-170 «Указания по проектированию цветовой отделки интерьеров производственных зданий промышленных предприятий»
36. НПБ 88-2001 «Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования»
37. НПБ 104-03 «Системы оповещения и управления эвакуацией людей при пожарах в зданиях и сооружениях»