Проектирование переносного микропроцессорного измерителя емкости: структура и содержание дипломной работы

В современной измерительной технике все большую роль играют цифровые методы обработки информации. Использование микропроцессорных систем позволяет не только существенно повысить точность, надежность и быстродействие приборов, но и наделить их дополнительными сервисными и вычислительными функциями. Такой подход открывает новые горизонты для создания компактных и эффективных устройств.

Целью данной работы является разработка переносного цифрового измерителя емкости на базе микроконтроллера. Для достижения этой цели необходимо решить ряд ключевых задач:

• Провести анализ существующих методов измерения емкости и выбрать оптимальный.
• Разработать структурную и принципиальную электрическую схемы устройства.
• Обосновать выбор элементной базы.
• Создать алгоритм работы и программное обеспечение.
• Провести калибровку и тестирование прибора.
• Выполнить экономическое обоснование проекта и проанализировать вопросы безопасности.

1. Аналитический обзор методов и средств измерения емкости

Перед началом проектирования необходимо изучить существующие подходы к измерению электрической емкости, чтобы сделать осознанный выбор. Существует несколько фундаментальных методов, каждый со своими преимуществами и недостатками.

К классическим относятся мостовые методы (например, мост Вина), которые обеспечивают высокую точность, но требуют тщательной балансировки и сложны для автоматизации в портативном устройстве. Резонансный метод, основанный на изменении частоты колебательного контура, отлично подходит для измерения малых емкостей, но чувствителен к внешним наводкам и сложен в реализации для широкого диапазона. Для современных цифровых приборов наиболее рациональным и часто применяемым является метод, основанный на измерении времени заряда или разряда конденсатора через резистор с известным сопротивлением. Время, за которое напряжение на конденсаторе достигнет определенного порога, прямо пропорционально его емкости.

Этот метод идеально сочетается с архитектурой микроконтроллеров, которые оснащены высокоточными таймерами и аналого-цифровыми преобразователями, что позволяет реализовать весь измерительный процесс программно с минимальным количеством внешних компонентов.

Благодаря своей универсальности и точности, микропроцессорные измерительные приборы находят применение в самых разных сферах — от промышленной автоматики и систем связи до медицинского оборудования и научных исследований.

2. Разработка структурной схемы измерительного прибора

После выбора теоретической основы следующим шагом является создание структурной схемы. Это высокоуровневое представление устройства, которое определяет его основные функциональные блоки и логические связи между ними. Структурная схема служит фундаментом для дальнейшего проектирования, облегчая анализ и понимание принципов работы будущего прибора на самых ранних этапах.

Разрабатываемый измеритель емкости состоит из следующих ключевых узлов:

• Микропроцессорный блок: Центральный элемент, «мозг» устройства, который управляет всеми процессами, выполняет вычисления и обрабатывает команды пользователя.
• Измерительная схема: Узел, содержащий RC-цепь, к которой подключается измеряемый конденсатор. Микроконтроллер управляет процессами заряда/разряда и измеряет временные интервалы.
• Блок индикации: Жидкокристаллический (LCD) дисплей, предназначенный для вывода результатов измерений и служебной информации.
• Органы управления: Кнопки для включения прибора, выбора диапазона измерений или запуска процесса калибровки.
• Блок питания: Обеспечивает все узлы устройства стабилизированным напряжением, получая энергию от USB-порта или автономного источника (батареи).

Логика работы такова: по команде от органов управления микропроцессорный блок через измерительную схему производит замер, вычисляет значение емкости и выводит результат на блок индикации. Такой модульный подход упрощает как разработку, так и последующую отладку устройства.

3. Обоснование выбора ключевых электронных компонентов

Выбор конкретных электронных компонентов является критически важным этапом, определяющим будущие характеристики, стоимость и сложность сборки прибора. Каждый ключевой элемент должен быть выбран на основе аргументированного сравнения альтернатив.

Центральным компонентом является микроконтроллер (МК). Рассмотрим двух популярных кандидатов: STM32F103C8T6 и ATmega328P.

Сравнительный анализ микроконтроллеров

Параметр	STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3)	ATmega328P (AVR)
Производительность	Высокая (32-бит, до 72 МГц)	Достаточная (8-бит, до 20 МГц)
Периферия	Богатый набор (несколько АЦП, таймеры высокого разрешения, DMA)	Базовый набор (один АЦП, стандартные таймеры)
Стоимость и доступность	Конкурентоспособная, широкая доступность (например, плата Blue Pill)	Очень низкая, крайне популярен (основа Arduino Uno)

Хотя ATmega328P достаточен для базовой реализации, выбор STM32F103C8T6 является более стратегическим. Его высокая производительность и таймеры с высоким разрешением позволяют достичь большей точности измерений, особенно в диапазоне малых емкостей, а богатая периферия оставляет задел для будущего расширения функционала. Для отображения информации выбран стандартный символьный LCD-дисплей 1602 (2 строки по 16 символов), так как он дешев, легко подключается и потребляет мало энергии. В качестве источника питания предусмотрено подключение через порт USB, что обеспечивает универсальность и избавляет от необходимости использовать отдельные батареи.

4. Проектирование принципиальной электрической схемы

Принципиальная электрическая схема — это детальный чертеж, который показывает, как все выбранные компоненты соединяются между собой электрически. Она является руководством для создания печатной платы и сборки устройства.

Схема разрабатывается на основе ранее определенной структуры и включает несколько ключевых узлов:

1. Узел микроконтроллера: Включает сам МК STM32F103C8T6, цепи тактирования (кварцевый резонатор) и программирования/отладки (разъем SWD). Также предусмотрены блокировочные конденсаторы по линиям питания для стабильной работы.
2. Узел питания: Состоит из разъема Micro-USB, через который подается напряжение 5В, и линейного стабилизатора напряжения (например, LM1117-3.3), который преобразует 5В в 3.3В для питания микроконтроллера и остальной логики.
3. Измерительный узел: Это сердце прибора. Один из выводов МК, настроенный как выход, используется для заряда измеряемого конденсатора через калибровочный резистор. Другой вывод МК, подключенный к аналоговому компаратору или АЦП, отслеживает напряжение на конденсаторе.
4. Узел индикации и управления: Включает схему подключения LCD-дисплея к портам ввода-вывода МК, а также подстроечный резистор для регулировки контрастности. Кнопки управления подключаются к другим свободным выводам МК и «подтягиваются» к линии питания или земле через резисторы для предотвращения ложных срабатываний.

Тщательная проработка этой схемы гарантирует, что все компоненты будут работать в штатных режимах и корректно взаимодействовать друг с другом.

5. Разработка алгоритма и программного обеспечения

Программное обеспечение «оживляет» аппаратную часть, реализуя логику измерения и взаимодействия с пользователем. Разработка ведется на языке C/C++, который обеспечивает прямой контроль над аппаратными ресурсами микроконтроллера и высокую скорость выполнения кода.

Основной алгоритм работы программы можно представить в виде последовательности шагов, которая циклически выполняется:

1. Инициализация системы: При включении питания МК настраивает тактовую частоту, конфигурирует порты ввода-вывода, инициализирует периферийные модули (таймер, АЦП/компаратор) и выводит на LCD-дисплей приветственное сообщение.
2. Ожидание команды: Программа входит в основной цикл, где ожидает нажатия кнопки для начала измерения.
3. Процесс измерения:
   • Сначала измеряемый конденсатор полностью разряжается путем установки соответствующего вывода МК в низкое логическое состояние.
   • Затем запускается высокоточный таймер, и одновременно на вывод МК подается высокое логическое состояние, начиная процесс заряда конденсатора через калибровочный резистор.
   • Программа непрерывно отслеживает напряжение на конденсаторе. Как только оно достигает порогового значения (например, 63.2% от напряжения питания, что соответствует одной постоянной времени τ), таймер останавливается.
4. Расчет емкости: Микроконтроллер считывает зафиксированное значение таймера (t). Зная сопротивление резистора (R), емкость (C) вычисляется по формуле, вытекающей из закона заряда: C = t / R.
5. Вывод результата: Рассчитанное значение емкости форматируется в удобный для чтения вид (например, с автоматическим выбором приставок пФ, нФ, мкФ) и выводится на дисплей.

Кроме основного алгоритма, программно реализуются и сервисные функции, такие как автоматический выбор измерительного резистора для разных диапазонов емкостей и внесение поправочных коэффициентов после калибровки для коррекции погрешностей.

6. Конструкторская проработка и технология сборки

Конструкторская проработка определяет физическое воплощение прибора — его корпус, расположение элементов управления и общую компоновку. Цель этого этапа — создать надежное, эргономичное и удобное в использовании устройство.

В качестве материала для корпуса оптимально использовать ударопрочный пластик (например, ABS), который легко поддается обработке и обеспечивает достаточную защиту электронных компонентов. Корпус может быть изготовлен методом 3D-печати, что позволяет быстро получить прототип с точными размерами и креплениями под печатную плату, дисплей и разъемы.

Технология сборки включает следующие этапы:

• Монтаж компонентов на печатную плату: Все электронные компоненты (микроконтроллер, резисторы, конденсаторы, стабилизатор) монтируются на предварительно разработанную печатную плату методом пайки.
• Установка в корпус: Печатная плата крепится внутри корпуса на специальные стойки. В соответствующие окна устанавливаются LCD-дисплей, разъем USB и клеммы для подключения измеряемых конденсаторов.
• Финальное подключение: Дисплей, кнопки управления и клеммы соединяются с печатной платой с помощью гибких проводов или шлейфов.

Особое внимание уделяется эргономике: дисплей должен быть легко читаем под разными углами, кнопки управления — удобно расположены, а измерительные клеммы — легкодоступны. Это обеспечивает не только комфорт, но и безопасность эксплуатации прибора.

7. Методика калибровки и тестирования прибора

Сразу после сборки прибор еще не является точным измерительным инструментом. Для достижения заявленных характеристик необходима процедура калибровки — процесс настройки и внесения поправок для минимизации систематических погрешностей, вызванных разбросом номиналов компонентов и паразитными емкостями монтажа.

Методика калибровки состоит из следующих шагов:

1. Подготовка набора эталонных конденсаторов с известной, предварительно измеренной высокоточным лабораторным прибором емкостью (например, 100 пФ, 1 нФ, 100 нФ, 1 мкФ).
2. Перевод прибора в режим калибровки (например, через специальное меню или удержание кнопки при включении).
3. Последовательное подключение эталонных конденсаторов к прибору и проведение измерений.
4. На основе полученных данных программа автоматически вычисляет поправочные коэффициенты, которые сохраняются в энергонезависимой памяти микроконтроллера и в дальнейшем используются для коррекции результатов измерений.

После калибровки проводится финальное тестирование. Оно заключается в сравнении показаний разработанного устройства с показаниями эталонного промышленного измерителя в широком диапазоне емкостей (от пикофарад до микрофарад). По результатам тестов оценивается итоговая погрешность прибора, которая для устройств такого класса должна находиться в пределах ±1-5%.

8. Экономическое обоснование проекта

Экономическое обоснование позволяет оценить затраты на создание прибора и его потенциальную конкурентоспособность. Этот анализ является неотъемлемой частью любого инженерного проекта, даже если он не нацелен на массовое производство.

Расчет начинается с определения себестоимости одного экземпляра. Для этого составляется спецификация всех используемых компонентов (Bill of Materials, BOM) и материалов, после чего суммируются их розничные цены. Основные статьи затрат включают:

• Микроконтроллер (в составе отладочной платы).
• LCD-дисплей.
• Электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, стабилизатор).
• Печатная плата.
• Материалы для корпуса (пластик для 3D-принтера).
• Разъемы и крепеж.

После расчета себестоимости проводится краткий анализ рынка для определения потенциальной рыночной стоимости аналогичных устройств. Сравнение себестоимости и рыночной цены позволяет оценить экономическую эффективность проекта в случае его запуска в мелкосерийное производство. Даже для дипломного проекта такой расчет демонстрирует понимание инженером полного жизненного цикла продукта — от идеи до потенциальной коммерциализации.

9. Анализ вопросов безопасности и экологичности

Любой технический проект должен разрабатываться с учетом требований безопасности жизнедеятельности и минимизации воздействия на окружающую среду. Хотя разрабатываемый прибор является низковольтным, необходимо проанализировать потенциальные риски.

Охрана труда и электробезопасность:
На этапе сборки и пайки основным вредным фактором является вдыхание паров канифоли и свинцового припоя. Рабочее место должно быть оборудовано вытяжной вентиляцией. При работе с паяльником необходимо соблюдать осторожность во избежание ожогов. В процессе эксплуатации прибор является полностью безопасным, так как питается от низкого напряжения (5В через USB), что исключает риск поражения электрическим током.

Экологичность:
Проект использует современные электронные компоненты, которые соответствуют директиве RoHS (ограничение содержания вредных веществ). Однако, как и любое электронное устройство, по окончании срока службы прибор подлежит специальной утилизации. Нельзя выбрасывать печатные платы и компоненты с бытовым мусором. Это демонстрирует ответственный подход к разработке и понимание жизненного цикла электронных изделий.

Заключение

В ходе выполнения данной работы был пройден полный цикл разработки сложного электронного устройства. Начиная с теоретического анализа методов измерения и заканчивая экономическим обоснованием и тестированием готового изделия, были последовательно решены все поставленные задачи. В результате был создан функционирующий прототип переносного цифрового измерителя емкости, соответствующий заданным требованиям по точности и функциональности.

Таким образом, основная цель работы — разработка прибора — может считаться успешно достигнутой. Возможными направлениями для дальнейшего усовершенствования устройства являются расширение диапазона измерений, добавление функции измерения индуктивности (LC-метр) и интеграция с ПК для ведения статистики и протоколирования измерений.

Список источников информации

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. Багданскис.– 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. – 448 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 50948-2001 «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 2.2.5.548-96 «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»