Дослідження компонентів автоматизованої системи контролю виробничого процесу металообробки

Нетахата, Юрій Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6579

Title:	Дослідження компонентів автоматизованої системи контролю виробничого процесу металообробки
Authors:	Лукашенко, Валентина Максимівна Нетахата, Юрій Володимирович
Issue Date:	Jan-2025
Abstract:	Метою кваліфікаційної роботи магістра є підвищення ефективності системи автоматичного керування металообробних верстатів шляхом імплементування кращих контролюючих компонентів,що забезпечують високі швидкодію, точність та поліпшення умов безпеки праці оператора. Об'єкт дослідження – процеси контролю виробничим процесом металообробки в автоматизованих системах. Предмет дослідження – компоненти автоматизованої системи контролю виробничим процесом металообробки. У кваліфікаційній роботі магістра вирішені наступні задачі: Проведено аналіз автоматизованих систем контролю виробничих процесів металообробки, що дозволило вивчити ключові компоненти таких систем, як сенсори, програмне забезпечення, інтерфейси користувача та елементи управління. Зроблено висновки про значущість використання штучного інтелекту в АСКВП для покращення точності, швидкодії та безпеки процесів, а також про переваги автоматизованих систем у зменшенні витрат на матеріали, енергоресурси та виявленні аномалій в режимі реального часу. Розроблено систему автоматичного вимкнення металообробних верстатів при переході на резервне живлення на базі мікроконтролера Atmega16. Для цього використано програмне середовище CodeVisionAVR, створено електронну модель системи та виконано її тестування за допомогою Proteus Design Suite. Розроблено алгоритм, який забезпечує безпечне вимкнення обладнання після завершення обробки деталі. Створено альтернативну систему автоматичного вимкнення на базі Arduino Uno. Вона додатково включає функцію контролю освітлення робочої зони, а програмне забезпечення розроблено в Arduino IDE. Аналогічно до попередньої системи, проведено симуляційне тестування для перевірки працездатності. Обґрунтовано вибір датчиків для системи шляхом порівняння різних типів сенсорів та розроблено узагальнену інформаційну модель. Це дало змогу визначити найкращі технічні характеристики для забезпечення надійного функціонування системи. Розроблено апаратну модель для тестування та впровадження розробленої системи. Створено електричні принципові схеми для обох типів системи, які враховують можливості сучасних мікроконтролерів. Проведені випробування підтвердили ефективність роботи системи в умовах імітації реальних виробничих процесів. Таким чином, проведені дослідження та розробки підтвердили доцільність використання розроблених рішень для підвищення ефективності, надійності та безпеки роботи металообробних верстатів в умовах нестабільного енергопостачання.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6579
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Автоматизація та комп'ютерно-інтегровані системи та компоненти)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
М_174_2024_Нетахата.pdf Restricted Access		1.37 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ
СИСТЕМ

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
освітнього ступеню «магістр»

на тему: Дослідження компонентів автоматизованої системи
контролю виробничого процесу металообробки

Виконав: здобувач вищої освіти 2 курсу,
групи МАКІТ-2309
спеціальності 174 Автоматизація,
комп’ютерно-інтегровані технології
та робототехніка (освітня програма
«Автоматизація та комп’ютерно-
інтегровані системи та
компоненти»)

Юрій НЕТАХАТА
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Керівник Валентина ЛУКАШЕНКО
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)
Рецензент
(ім'я та ПРІЗВИЩЕ)

Черкаси 2024 року
2
ЗМІСТ
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ......................................... 4
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ............................................................................. 6
РОЗДІЛ 1 СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ФОРМУВАННЯ
ЗАВДАННЯ ............................................................................................................11
1.1 ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ АВТОМАТИЗОВАНИХ СИСТЕМ КОНТРОЛЮ ВИРОБНИЧОГО
ПРОЦЕСУ МЕТАЛООБРОБКИ ............................................................................ 11
1.2 АНАЛІЗ НАПРЯМКІВ РОЗВИТКУ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМ
МЕТАЛООБРОБКИ ........................................................................................... 13
1.3 ШТУЧНИЙ ІНТЕЛЕКТ В АСКВП МЕТАЛООБРОБКИ ........................................ 16
1.4 СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО ВИМКНЕННЯ ВЕРСТАТІВ ................................... 18
1.5 ОГЛЯД АНАЛОГІВ ........................................................................................... 20
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 1 ..................................................................................... 23
РОЗДІЛ 2 РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО ВИМКНЕННЯ
МЕТАЛООБРОБНИХ ВЕРСТАТІВ ПРИ ПЕРЕМИКАННІ НА РЕЗЕРВНЕ
ЖИВЛЕННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ МІКРОКОНТРОЛЕРА ................................. 24
2.1 ЗАГАЛЬНА ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ .................................................................... 24
2.2РОЗРОБКА СИСТЕМИДЛЯ ВИРІШЕННЯ ЗАДАЧІ НА МІКРОКОНТРОЛЕРІ
ATMEGA16 ..................................................................................................... 25
2.2.1 ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ЗАДАЧІ ................................... 29
2.2.1.1 CODEVISIONAVR ..................................................................................... 30
2.2.1.2 PROTEUS DESIGN ...................................................................................... 34
2.2.2 СТВОРЕНЯ МОДЕЛІ СХЕМИ В PROTEUS ........................................................ 39
2.2.3РОЗРОБКА ПРОГРАМИ ДЛЯ МІКРОКОНТРОЛЕРА ATMEGA16 .......................... 47
2.3РОЗРОБКА СИСТЕМИ ДЛЯ ВИРІШЕННЯ ЗАДАЧІ НА ARDUINO UNO ................... 55
2.3.1ЗМІНИ В ПРОГРАМНОМУ ЗАБЕЗПЕЧЕННІ ДЛЯ РЕАЛІЗАЦІЇ ЗАДАЧІ НА
ARDUINO UNO................................................................................................ 59
2.3.2 СТВОРЕННЯ МОДЕЛІ СТЕНДУ ...................................................................... 63
2.3.3РОЗРОБКА ПРОГРАМИ ARDUINO UNO ........................................................... 66
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 2 ..................................................................................... 69
РОЗДІЛ 3 МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ НАЙКРАЩОГО ДАТЧИКА ДЛЯ
СИСТЕМИ ............................................................................................................. 71
3.1 ФОРМУВАННЯ ВИМОГ ТА ВИБІР ТИПУ ДАТЧИКА ............................................ 71
3.2.1 ВИМОГИ ДО ДАТЧИКА ................................................................................. 71
3
3.2.2 ВИБІР ТИПУ ДАТЧИКА ............................................................................ 73
3.2 ТЕНЗОРЕЗИСТИВНІ ДАТЧИКИ ......................................................................... 76
ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 86
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ................................................................. 88
4
СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ
ARM – 32-бітові мікроконтролери
AVR, PIC – восьмибітові мікроконтролери
B – Вольти
BPS – Backup Power Supply / Резервне живлення
DIY – Do It Yourself / Зроби сам
EEPROM – Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory /
Постійний запам'ятовувач
GND – Вивід землі
GPIO – General Purpose Input/Output / Порти введення-виведення
I2C – Inter-Integrated Circuit / Послідовна шина даних
IDE – Integrated Development Environment / Інтегроване середовище
розробки
PWM (ШІМ) – Pulse-Width Modulation / Широтно-імпульсна
модуляція
SPI – Serial Peripheral Interface / Послідовний периферійний інтерфейс
SRAM – Static Random Access Memory / Статична оперативна пам'ять
TWI – Two-Wire Interface / Альтернативна назва I2C
USART – Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter /
Універсальний синхронно-асинхронний прийомопередатчик
VCC – Виводи джерела живлення
АСКВП – Автоматизована система контролю виробничого процесу
АЦП – Аналогово-цифровий перетворювач
БД – База даних
БІ – Біометрична ідентифікація
КЗ – Коротке замикання
МГц – Мегагерц
МК – Мікроконтролер
ПЗ – Програмне забезпечення
5
ПК – Персональний комп'ютер
ШІ – Штучний інтелект
LED -
6
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальність теми.
Сучасна автоматизована система контролю виробничого процесу
(АСКВП) у сфері металообробки є незамінною частиною ефективного та
конкурентоспроможного виробництва. В умовах стрімкого розвитку
промисловості та зростання вимог до якості продукції, автоматизація
технологічних процесів стає критично важливою. АСКВП охоплює
широкий комплекс технологічних рішень та програмного забезпечення, які
забезпечують моніторинг, управління та оптимізацію всіх етапів
металообробки, від підготовки матеріалів до кінцевої обробки.
Використання таких систем дозволяє мінімізувати людський фактор,
підвищити продуктивність і забезпечити стабільну якість продукції, що
особливо важливо на сучасному ринку з високим рівнем конкуренції та
потребою швидко адаптуватися до змін у попиті[1].
АСКВП може використовуватися в різних сегментах виробництва,
включаючи старі верстати, які пройшли модернізацію завдяки
впровадженню програмованих реле, що є економічно доцільним рішенням.
Це значно знижує витрати на оновлення обладнання, порівняно з
придбанням нових верстатів із числовим програмним управлінням. Завдяки
цьому підприємства можуть зекономити кошти, водночас збільшуючи
продуктивність, що створює конкурентні переваги[2].
Додатково, аналітичні алгоритми та прогнозні моделі, які
інтегруються в АСКВП, дозволяють ефективно прогнозувати попит на
продукцію, оптимізувати використання ресурсів, планувати виробничі
процеси та підвищувати виробничу потужність підприємства. Це також
сприяє підвищенню точності обробки деталей, зменшенню кількості
дефектів, зниженню витрат на матеріали та енергоресурси. АСКВП дозволяє
забезпечити безперебійне функціонування обладнання навіть в умовах
7
інтенсивної експлуатації, покращуючи загальну безпеку виробничого
процесу та знижуючи ризики аварійних ситуацій[1].
Слід враховувати й актуальні виклики, з якими стикаються
підприємства, зокрема можливі перебої з електроживленням, що можуть
призвести до втрати якості продукції та пошкодження обладнання. У зв’язку
з цим особливу увагу привертає розробка системи автоматичного вимкнення
металообробних верстатів при перемиканні на резервне живлення. Така
система допоможе уникнути поломок, зменшити втрати, пов’язані з
простоєм обладнання, і забезпечити стабільність технологічного процесу
навіть в умовах нестабільного енергопостачання. Це не лише підвищить
ефективність роботи підприємств, а й сприятиме їх довготривалій
надійності та стійкості.
На підставі викладеного, розробка та впровадження АСКВП у
металообробних виробництвах, зокрема системи автоматичного вимкнення
верстатів, є надзвичайно актуальними завданнями, що дозволяють
підвищити продуктивність, оптимізувати ресурси та забезпечити високу
якість продукції в сучасних умовах

Мета і завдання дослідження
Метою роботи є підвищення ефективності системи автоматичного
керування металообробних верстатів шляхом імплементування кращих
контролюючих компонентів,що забезпечують високі швидкодію, точність та
поліпшення умов безпеки праці оператора.
Для досягнення цієї мети необхідно виконати такі завдання:
1. Провести системний аналіз автоматизованих систем контролю
виробничих процесів металообробки, надати загальну інформацію
про такі системи, дослідити їхній вплив на виробничу галузь та
можливість впровадження штучного інтелекту в АСКВП; виконати
8
аналіз існуючих систем автоматичного вимкнення верстатів при
перемиканні на резервне живлення та дослідити наявні аналоги.
2. Розробити моделі компонентів систем автоматичного керування
відповідними сигналамипроцесу подачі живлення для верстатів.
3. Побудова алгоритмів спільним процесом керування верстатами
металообробки
4. Розробити знакові моделі програмних кодів
5. Створення реляційної моделі даних параметрів існуючих датчиків.
6. Визначити узагальнену інформіційну модель датчика
7. Запропонувати метод для визначення датчика за найкращими
параметрами

Об'єкт дослідження – процеси контролю виробничим процесом
металообробки в автоматизованих системах.
Предмет дослідження – компоненти автоматизованої системи
контролю виробничим процесом металообробки.
Методи досліджень. У процесі дослідження застосовувались методи:
теорії схемотехнічних рішень; теорії проектування електричних
принципових схем, структурних схем; теорії умовного моделювання,
знакових і образно-знакових моделей; теорії алгоритмів; теорії
розмірностей;теорії основ програмування; теорія візуалізації; теорії
об’єктивного оцінювання результатів контроля.

Апробація результатів.
Результати роботи доповідались на наступних двох міжнародних, одної
науково-практичної та студентській конференціях, а саме:
1) Міжнародна науково-практична конференція "КМОСС-2023" –
обговорено підходи до автоматизації металообробних процесів із
9
використанням АСКВП, зокрема розроблену систему автоматичного
вимкнення верстатів при перемиканні на резервне живлення.
2) Міжнародна конференція "INFORMATION SYSTEMS AND
TECHNOLOGY: RESULTS AND PROSPECTS (IST 2024)" –
представлено результати дослідження щодо ефективності систем
автоматизації в металообробці, а також можливості масштабування
системи на великі підприємства.
3) Науково-практична конференція "ІНФОРМАЦІЙНІ МОДЕЛЮЮЧІ
ТЕХНОЛОГІЇ, СИСТЕМИ ТА КОМПЛЕКСИ (ІМТСК-2024)" –
проаналізовано перспективи розвитку та вдосконалення алгоритмів
автоматизації на основі мікроконтролерів для підвищення надійності
роботи обладнання в умовах можливих перебоїв з електроживленням.
4) Студентська науково-практична конференція ЧДТУ
"СТУДЕНТСЬКА НАУКА ЧДТУ 2024" – розглянуто особливості
впровадження та тестування системи автоматичного вимкнення на
базі мікроконтролерів Atmega16 та Arduino.

Публікації. За матеріалами кваліфікаційної роботи магістра
опубліковано:
Нетахата Ю. В. Система автоматичного вимкнення металообробних
верстатів при перемиканні на резервне живлення за допомогою
мікроконтролера / Ю. В. Нетахата, О. В. Нечипоренко // Збірник тез
доповідей студентської науково-практичної конференції ЧДТУ: 23-24
квітня 2024 р. [Електронний ресурс] / [упоряд. : Єгорова О. В.,
Захарова О. В., Тичков В. В. та ін.] ; М-во освіти і науки України,
Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси : ЧДТУ, 2024. – С. 14-15.
Нетахата Ю. Розробка блоку управління системами верстата DECKEL
MAHO DC 50 V / О. Нечипоренко, Ю. Нетахата, Д. Семененко //
10
Інформаційні моделюючі технології, системи та комплекси (ІМТСК-
2024): V міжнародна науково-практична конференція. 18-19 квітня
2024 р., Черкаси, Україна. – Черкаси: Черкаський національний
університет імені Богдана Хмельницького, 2024. – С. 54-55.
Нетахата Ю. Система дистанційного управління верстата для
перемотування плівки / О. Нечипоренко, Ю. Нетахата, Д. Семененко
// Матеріали 1-ї Міжнародної науково-практичної конференції
«Інформаційні системи та технології: результати і перспективи» (IST
2024), 6 березня 2024 р. (Київ, Україна). К.: ФІТ КНУТШ, 2024 р. – С.
191-194.
Нетахата Ю. Автоматизована система контролю виробничого
процесу металообробки / О. В. Нечипоренко, Ю. В. Нетахата, Д. А.
Семененко // Комп’ютерне моделювання та оптимізація складних
систем (КМОСС-2023): матеріали VІІI Міжнародної науково-
технічної конференції (м. Дніпро, 1-3 листопада 2023 року);
Міністерство освіти і науки України, Державний вищий навчальний
заклад «Український державний хіміко-технологічний університет».
Дніпро : ДВНЗ УДХТУ, 2023. С. 196-197.

11
РОЗДІЛ 1
СТАН ПРЕДМЕТУ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ФОРМУВАННЯ ЗАВДАННЯ

1.1 Основні поняття автоматизованих систем контролю виробничого
процесу металообробки

Автоматизована система контролю виробничого процесу(АСКВП)
металообробки є комплексом різноманітних технологічних рішень та
спеціалізованого програмного забезпечення, розробленого з метою
ефективного моніторингу, точного керування та оптимізації всіх етапів
металообробного процесу. Ця комплексна система впроваджується з метою
автоматизації виробничих ліній, і вона виявляється надзвичайно корисною
в покращенні продуктивності та підвищенні якості виробництва[1].
Основні компоненти АСКВП включають сенсори та вимірювальні
прилади, системи керування, програмне забезпечення для аналізу даних та
інтерфейс користувача. Сенсори збирають дані про параметри обробки, які
передаються системі керування для обробки та прийняття рішень.
Програмне забезпечення аналізує ці дані, виявляє аномалії та допомагає
операторам у покращенні процесів. Інтерфейс користувача надає зручний
спосіб відстежування та налаштування параметрів системи[1].
Використання АСКВП має численні переваги, включаючи підвищену
точність обробки, зменшення відхилень, зниження витрат на матеріали та
енергію, поліпшення безпеки роботи та забезпечення стабільної якості
продукції. Вона застосовується в різних областях металообробки, таких як
автоматичні лінії зварювання, гнуття металу та термообробка.
Автоматизована система контролю виробничого процесу
металообробки дозволяє досягти ряду значних переваг для підприємств.
Нижче перераховано деякі з них:
12
1. Підвищення продуктивності: АСКВП допомагає оптимізувати робочі
процеси, автоматизувати виробничі лінії та забезпечити більш
ефективне використання обладнання. Це призводить до збільшення
виробничої потужності та зниження часу циклу, що дозволяє більше
деталей виготовляти за коротший період[2].
2. Покращення якості продукції: АСКВП дозволяє контролювати
параметри обробки в реальному часі та вживати необхідні корективи
для забезпечення високої якості виготовлених деталей. Вона також
допомагає виявляти непередбачені аномалії та запобігати
виникненню бракованих виробів[1].
3. Зниження витрат: АСКВП допомагає знизити витрати на матеріали та
енергію шляхом оптимізації процесів. Вона контролює параметри
обробки, що дозволяє ефективніше використовувати різальні
інструменти та матеріали, а також раціонально розподіляти
енергетичні ресурси.[4]
4. Підвищення безпеки: АСКВП дозволяє виявляти потенційно
небезпечні ситуації та вживати відповідних заходів для запобігання
аваріям та травмам. Вона забезпечує постійний моніторинг
параметрів обладнання та реагує на відхилення, що допомагає
забезпечити безпеку працівників[4].
5. Збільшення гнучкості: АСКВП може бути налаштована для
виконання різних завдань металообробки. Вона може працювати з
різними типами обладнання та процесів, що дає можливість
підприємствам гнучко адаптуватися до змінних виробничих
потреб[1].
6. Оптимальне управління ресурсами: АСКВП допомагає
підприємствам ефективно використовувати ресурси, такі як робочий
час, матеріали та обладнання. Вона допомагає планувати та
13
розподіляти ресурси таким чином, щоб досягти найкращих
результатів з мінімальними витратами[2].

Загалом, АСКВП є незамінним інструментом для підвищення
продуктивності, якості та ефективності виробництва в сфері металообробки.
Вона допомагає підприємствам досягти конкурентної переваги,
забезпечуючи оптимальне функціонування обладнання та процесів
металообробки.

1.2 Аналіз напрямків розвитку основних параметрів систем
металообробки

АСКВП мають значний вплив на галузь металообробки, забезпечуючи
численні переваги та покращення. Розглянемо декілька способів якими
автоматизовані системи контролю виробничого процесу вплинули на галузь
металообробки:
1. Підвищена точність та якість обробки: АСКВП дозволяють
контролювати та керувати процесами металообробки з високою
точністю. Системи здатні моніторити різні параметри обробки, такі як
швидкість різання, температура, тиск та розміри деталей. Це дозволяє
досягати більш точних і однорідних результатів, знижуючи
відхилення та помилки виробництва.
2. Підвищення продуктивності: АСКВП забезпечують автоматизацію та
оптимізацію процесів металообробки. Вони здатні аналізувати дані
про продуктивність, ефективність та час виконання завдань. За
допомогою автоматичної корекції параметрів та оптимізації режимів
обробки, АСКВП допомагають збільшити продуктивність, скоротити
час виробництва та знизити витрати.
14
3. Підвищення безпеки праці: Автоматизовані системи контролю
виробничого процесу металообробкизначно впливають на галузь
металообробки, особливо щодо безпеки праці. Ці системи вводяться з
метою забезпечення безпечного та надійного функціонування
виробничих ліній і захисту операторів та працівників від потенційних
ризиків і небезпек.
АСКВП впливають на безпеку праці в галузі металообробки
через декілька способів. Вони постійно моніторять різні параметри
безпеки, такі як тиск, температура, вібрація та рівень шуму,
аналізуючи їх у реальному часі. У разі виявлення небезпечних
відхилень або перевищення допустимих значень, АСКВП
спрацьовують і ініціюють безпечні заходи, такі як автоматичне
зупинення обладнання або відключення джерел енергії.
Крім того, АСКВП оснащені сенсорами та датчиками, які
виявляють потенційно небезпечні ситуації або аварії, такі як перегрів
обладнання, витоки рідин або газів, затримки в руху частин машини
тощо. Ці системи негайно спрацьовують і сповіщають операторів або
відповідний персонал для подальших дій.
АСКВП також можуть автоматично виконувати безпечні
процедури або установки перед початком роботи. Наприклад, система
може перевіряти наявність необхідних захисних пристроїв,
відсутність перешкод для руху обладнання або належну фіксацію
деталей. Це допомагає уникнути небезпечних ситуацій, спричинених
неправильною настройкою або незадовільними умовами для роботи.
Крім того, АСКВП можуть бути налаштовані для автоматичного
реагування на небезпечні події або аварії. Наприклад, система може
автоматично зупиняти рух обладнання або відключати джерела енергії
в разі виявлення небезпечної ситуації. Це допомагає попередити
15
подальші ушкодження обладнання, зменшити ризик для працівників
та забезпечити швидку реакцію на небезпеку[2].
4. Ефективне управління ресурсами: Автоматизовані системи контролю
виробничого процесу металообробки надають велику перевагу в
ефективному управлінні ресурсами. Ці системи сприяють зниженню
витрат, оптимізації використання ресурсів та покращенню
енергоефективності.
Вони здатні моніторити та аналізувати енергоспоживання обладнання
та процесів металообробки, що дозволяє виявляти енергоефективність та
ідентифікувати можливості для зменшення споживання енергії.
Крім того, АСКВП контролюють використання матеріалів, що сприяє
виявленню шляхів покращення управління матеріалами та зменшенню
відходів.
Використання аналітичних алгоритмів та моделей у прогнозуванні
попиту, ресурсних потреб та виробничої потужності дозволяє
підприємствам планувати використання ресурсів та оптимізувати виробничі
процеси.
Крім того, АСКВП можуть інтегруватись з системами управління
ланцюгом постачання, що сприяє покращенню координації та ефективності
процесів постачання матеріалів та компонентів.
Впровадження АСКВП сприяє ефективному управлінню ресурсами,
зниженню витрат та підвищенню енергоефективності, що приносить значні
економічні переваги та сприяє збереженню ресурсів.
5. Підвищення конкурентоспроможності: Впровадження АСКВП
дозволяє підприємствам в галузі металообробки підвищити свою
конкурентоспроможність. Завдяки поліпшенню точності, якості та
продуктивності, підприємства можуть виготовляти високоякісні
вироби швидше та ефективніше. Автоматизовані системи також
16
дозволяють швидко реагувати на змінні потреби ринку та
забезпечувати гнучкість виробництва.
В цілому, АСКВП мають значний позитивний вплив на галузь
металообробки, забезпечуючи покращення продуктивності, якості, безпеки
та управління ресурсами. Ці системи допомагають підприємствам досягати
високих стандартів виробництва та залишатися конкурентоспроможними на
ринку.

1.3 Штучний інтелект в АСКВП металообробки

Багато сучасних Автоматизовані системи контролю виробничого
процесу металообробки використовують штучний інтелект для покращення
своїх можливостей. Штучний інтелект є ключовою технологією, що
дозволяє системам автоматизованого контролю виробничого процесу
металообробки розуміти, аналізувати та приймати рішення на основі
складних даних та ситуацій[19].
Ось деякі способи, якими штучний інтелект використовується в
АСКВП:
1. Аналітика даних: ШІ допомагає обробляти та аналізувати великі
обсяги даних, зібраних з датчиків та інших джерел, що стосуються
виробничих процесів. Він може виявляти корисні зв'язки, тренди та
закономірності, що допомагають зрозуміти причини неполадок,
виявляти можливості для покращення та робити передбачення[19].
2. Автоматичне прийняття рішень: штучний інтелект може
використовувати алгоритми прийняття рішень для автоматичного
реагування на відхилення та небезпечні ситуації. Він може аналізувати
дані з сенсорів та систем контролю, порівнювати їх зі заздалегідь
заданими стандартами та вимогами безпеки, і при потребі запускати
17
відповідні заходи безпеки, наприклад, зупинку обладнання або
активацію аварійних систем.
3. Прогнозування та планування: ШІ може використовуватись для
прогнозування попиту, визначення оптимального розподілу ресурсів,
а також планування виробництва. Він аналізує історичні дані,
зовнішні фактори та інші вхідні параметри, щоб зробити прогнози та
рекомендації для ефективного використання ресурсів та покращення
планування.
4. Оптимізація параметрів процесів: ШІ може використовуватись для
оптимізації робочих параметрів процесів металообробки. Він аналізує
дані з сенсорів та інших джерел, шукає оптимальні комбінації
параметрів та робить рекомендації для досягнення найкращої
продуктивності, ефективності та якості виробництва.
5. Підтримка прийняття рішень: АСКВП, що використовують штучний
інтелект, можуть надавати підтримку прийняття рішень менеджерам
та операторам металообробки. Вони аналізують дані з виробничих
процесів, включаючи параметри обладнання, якість виробів, витрати
ресурсів та інші фактори, і надають рекомендації щодо оптимальних
дій. Наприклад, система може пропонувати оптимальні налаштування
обладнання або варіанти оптимізації виробничих процесів[19].
6. Прогнозування обсягів виробництва: Штучний інтелект допомагає
виробництву прогнозувати обсяги виробництва на основі різних
факторів, таких як попит, ринкові тенденції, історичні дані та інші. Це
дозволяє підприємствам планувати свої виробничі потужності, запаси
та постачання, що сприяє зниженню витрат та покращенню
ефективності.
7. Автоматичне налаштування та оптимізація: АСКВП можуть
використовувати штучний інтелект для автоматичного налаштування
параметрів виробничих процесів та оптимізації робочих умов. Вони
18
аналізують дані з датчиків та систем контролю, і, за допомогою
алгоритмів машинного навчання, самостійно визначають оптимальні
налаштування, що призводить до зниження відхилень, покращення
якості та ефективності виробництва.
Застосування штучного інтелекту в АСКВП значно підвищує їх потенціал
і дозволяє досягти більш точного контролю, ефективності та оптимізації
металообробки. Це допомагає підприємствам підвищити
конкурентоспроможність, знизити витрати та покращити якість
продукції[19].

1.4 Системи автоматичного вимкнення верстатів

Системи автоматичного вимкнення верстатів при перемиканні на
резервне живлення за допомогою мікроконтролера є розповсюдженими в
автоматизованих промислових процесах і допомагають забезпечити безпеку
та надійність роботи верстатів. Основна ідея таких систем полягає в тому,
щоб автоматично вимкнути верстат у разі виявлення втрати основного
живлення та переключення на резервне живлення. Для цього
використовуються мікроконтролери або інші програмовані електронні
пристрої[4].
Основні компоненти та функції системи автоматичного вимкнення
верстатів можуть включати:
1. Мікроконтролер – він виконує центральну роль в системі,
контролюючи та керуючи процесом автоматичного вимкнення
верстату. Мікроконтролер отримує дані з датчиків і приймає
рішення про вимкнення верстата, коли виявляється втрата
основного живлення.
19
2. Датчики – вони використовуються для моніторингу перемикання
резервного живлення, також додатково встановлюють датчики які
вимірюють значення струму або напруги верстату та передають ці
дані до мікроконтролера для подальшого аналізу.
3. Реле або керуючі пристрої, – ці компоненти відповідають за
керування перемиканням між основним та резервним живленням.
Мікроконтролер може використовувати реле або інші керуючі
пристрої для управління живленням верстата відповідно до
виявленої ситуації.
4. Логіка керування – Мікроконтролер програмується для виконання
необхідної логіки керування системою. Це включає визначення
порогових значень для виявлення втрати основного живлення,
прийняття рішення про перемикання на резервне живлення,
вимкнення верстата та виконання інших необхідних дій[4].
5. Інтерфейс користувача: Деякі системи можуть мати інтерфейс
користувача для налаштування параметрів системи, відображення
статусу живлення та повідомлення про події.
Системи автоматичного вимкнення верстатів з використанням
мікроконтролера можуть бути розроблені та налаштовані з урахуванням
конкретних потреб і характеристик верстата та живлення. Ці системи
сприяють безпеці операторів та зменшенню можливих ризиків в разі втрати
живлення, а також можуть покращити продуктивність та ефективність
верстату.
Системи можуть мати ряд додаткових функцій та особливостей:
1. Послідовність вимкнення та включення: Система може
встановлювати визначену послідовність дій для безпечного
вимкнення та повторного включення верстата при перемиканні на
резервне живлення. Наприклад, може бути встановлений часовий
інтервал між вимкненням та включенням верстата для запобігання
20
несприятливим ефектам, які можуть виникнути під час перехідного
процесу[4].
2. Моніторинг стану живлення: Система може постійно моніторити
стан основного та резервного живлення, а також контролювати
параметри, такі як напруга, струм, частота тощо. Це дозволяє
виявити аномалії або нестабільність живлення та прийняти
відповідні заходи для забезпечення безпеки та надійності роботи
верстата.
3. Додаткові сигналізаційні засоби: Система може бути обладнана
додатковими сигналізаційними пристроями, такими як світлові і
звукові сигнали, щоб інформувати оператора про стан живлення та
вимкнення верстата. Це допомагає операторам своєчасно реагувати
на події та вживати необхідні заходи.
4. Запис та аналіз подій: Деякі системи можуть здійснювати запис та
зберігання історії подій, пов'язаних з вимкненням верстата та
перемиканням на резервне живлення. Це дозволяє проводити
аналіз та виявлення проблем, які можуть виникати в процесі
роботи, а також допомагає вдосконалювати систему та
забезпечувати високу доступність верстата[4].

1.5 Огляд аналогів

Існують різні аналоги систем автоматичного вимкнення верстатів при
перемиканні на резервне живлення за допомогою мікроконтролера. Ось
кілька прикладів:
1. Комерційні системи автоматичного вимкнення: Існують
спеціалізовані компанії, які пропонують комерційні рішення для
автоматичного вимкнення верстатів при перемиканні на резервне
живлення. Ці системи можуть включати мікроконтролери, датчики
21
струму або напруги, реле та інші компоненти для забезпечення
автоматичного вимкнення верстатів у разі втрати основного
живлення.
2. DIY (зроби сам) проекти: Деякі ентузіасти і розробники створюють
власні системи автоматичного вимкнення верстатів з
використанням мікроконтролерів, датчиків та інших електронних
компонентів. Ці проекти можуть бути засновані на відкритих
платформах, таких як Arduino або Raspberry Pi, і можуть бути
налаштовані відповідно до потреб користувача.
3. Індивідуальні рішення виробників верстатів: Деякі виробники
верстатів можуть включати в свої продукти вбудовані системи
автоматичного вимкнення при перемиканні на резервне живлення.
Ці системи можуть бути розроблені з використанням
мікроконтролерів або інших електронних пристроїв, які
дозволяють контролювати та керувати живленням верстату в разі
втрати основного живлення.
Існує багато компаній, які розробляють системи автоматичного вимкнення
для промислового обладнання, включаючи металообробні верстати.
Ось деякі з них:
1. Siemens: Siemens є одним з провідних світових постачальників
автоматизаційних та систем безпеки. Вони пропонують широкий
спектр систем безпеки, включаючи системи аварійного вимкнення та
контролю живлення для промислових верстатів.
2. Rockwell Automation: Rockwell Automation є відомим
постачальником програмованої автоматики та систем безпеки. Вони
пропонують різноманітні рішення безпеки, включаючи системи
автоматичного вимкнення для промислового обладнання.
3. ABB: ABB є глобальним постачальником промислової автоматики та
систем безпеки. Вони мають в своєму асортименті системи безпеки,
22
які можуть включати функцію автоматичного вимкнення для
металообробних верстатів.
4. Schneider Electric: Schneider Electric є компанією, що спеціалізується
на системах автоматизації та управління електроживленням. Вони
пропонують рішення безпеки, які можуть включати системи
автоматичного вимкнення для верстатів та іншого промислового
обладнання.
5. Pilz: Pilz є відомим постачальником систем безпеки та автоматизації.
Вони розробляють рішення безпеки, включаючи системи
автоматичного вимкнення, які можуть використовуватися для різних
видів верстатів.
Це лише кілька з багатьох компаній, які займаються розробкою систем
автоматичного вимкнення для промислових верстатів. Кожна компанія може
мати свої власні продукти та рішення.
Системи автоматичного вимкнення можуть бути встановлені прямо в
безперебійні пристрої для металообробних верстатів або іншого
обладнання. Безперебійні пристрої призначені для забезпечення
неперервного живлення під час вимкнення основного джерела
електроживлення.
Встановлення системи автоматичного вимкнення в безперебійний
пристрій може забезпечити додатковий рівень безпеки та захисту
обладнання. При виявленні збою або перемикання на резервне живлення,
система автоматичного вимкнення може вимкнути верстати або зупинити їх
роботу, запобігаючи можливим пошкодженням або аваріям.
Однак, при встановленні такої системи в безперебійний пристрій,
важливо враховувати сумісність та інтеграцію між системою автоматичного
вимкнення та самим безперебійним пристроєм. Необхідно дослідити
можливості та документацію безперебійного пристрою, щоб переконатися,
23
що він підтримує підключення та інтеграцію з додатковими системами
безпеки.

Висновки до розділу 1

Перший розділ дослідження висвітлює важливість автоматизованих
систем контролю виробничого процесу (АСКВП) для металообробки.
АСКВП — це комплекс технологій та програмного забезпечення, що
оптимізує і контролює всі етапи обробки металів, підвищуючи ефективність
і точність виробництва. Основні компоненти системи включають сенсори,
програмне забезпечення для аналізу даних, інтерфейси користувача та
керуючі елементи, що забезпечують стабільну якість продукції та безпеку
праці.
Застосування АСКВП позитивно впливає на виробничі процеси,
дозволяючи зменшити витрати на матеріали, знизити енерговитрати та
покращити безпеку. Штучний інтелект у складі цих систем сприяє
автоматичному налаштуванню параметрів обробки, підтримує аналіз
великих обсягів даних і прогнозує можливі неполадки або оптимізації,
забезпечуючи стабільність та надійність функціонування обладнання.
Автоматичні системи вимкнення верстатів, що також розглядаються у
цьому розділі, використовуються для переведення на резервне живлення та
забезпечення безпечного завершення робіт у разі перебоїв із живленням.
Завдяки цьому підприємства можуть уникнути втрат продуктивності і
ризиків для обладнання.
Таким чином, АСКВП у металообробній галузі значно підвищують
конкурентоспроможність підприємств, дозволяючи їм забезпечувати високу
якість продукції, адаптивність та ефективне використання ресурсів

24
РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО ВИМКНЕННЯ
МЕТАЛООБРОБНИХ ВЕРСТАТІВ ПРИ ПЕРЕМИКАННІ НА
РЕЗЕРВНЕ ЖИВЛЕННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ МІКРОКОНТРОЛЕРА

2.1 Загальна постановка задачі

Завдання полягає в розробці системи автоматичного вимкнення для
металообробних верстатів, яка працюватиме на основі мікроконтролерів
Atmega16 та Arduino Uno. Система має забезпечувати автоматичне
відключення верстатів при переході живлення на резервне при закінченні
обробки поточної деталі.
У першій частині роботи передбачається розробка програмного
забезпечення для мікроконтролера Atmega16. Програма створюється в
середовищі розробки CodeVisionAVR і покликана постійно моніторити стан
основного живлення. У разі переходу на резервне живлення система
автоматично вимикатиме верстат. Щоб перевірити працездатність
програмного коду, необхідно спочатку створити спеціальний тестовий
стенд, що включатиме всі ключові компоненти системи. Після цього
програма буде протестована за допомогою емуляції в програмному
забезпеченні Proteus Design Suite.
У другій частині проєкту розробляється аналогічна система, але на
основі мікроконтролера Arduino Uno, з урахуванням необхідних змін у
функціоналі та середовищі розробки. Для цього використовується
середовище програмування Arduino IDE. Окрім автоматичного вимкнення
верстату при переході на резервне живлення, додатково передбачається
контроль освітлення робочої зони. Також як і в першій частині, розроблена
програма буде протестована за допомогою емуляції в середовищі Proteus
25
Design Suite. В процесі тестування на стенді будуть додані нові вузли,
необхідні для виконання всіх вимог задачі.
Таким чином, обидві частини проєкту спрямовані на забезпечення
стабільного й автоматичного керування металообробними верстатами під
час перебоїв у живленні, забезпечуючи їх безпечне вимкнення та надійність
у випадках перемикання на резервне джерело живлення.

2.2Розробка системидля вирішення задачі на мікроконтролері
Atmega16

Розробка наступного алгоритму роботи программи необхідна для
забезпечення безпечного та надійного вимкнення верстатів у разі
переведення виробництва на резервне джерело живлення. В сучасних
виробничих системах забезпечення безперебійності роботи обладнання є
ключовим завданням, але у випадках аварійного відключення основного
живлення резервне джерело, зазвичай, використовується лише для
короткочасної підтримки роботи. Данний алгоритм повинен дозволити
завершити поточні процеси та уникнути пошкодження деталей або
обладнання.
Запропонований алгоритм дозволяє автоматизувати процес
моніторингу стану верстатів та управління їх вимкненням, забезпечуючи
оптимальну взаємодію з резервним живленням. Його впровадження знижує
ризики, пов’язані з людським фактором, і підвищує загальну ефективність
системи
Алгоритм задачі для виконання на мікроконтролері Atmega16
наведений на рис. 2.1.
26

Рис. 2.1.Алгоритм керування спільним процесом роботи верстатів
металообробки
Зображений алгоритм стосується управління системою живлення для
двох верстатів із використанням резервного джерела живлення та
автоматизованого контролю його стану. Його реалізація базується на
мікроконтролері на чипі ATmega16.
При запуску програми контролер здійснює цикл перевірки стану
резервного живлення. У випадку, якщо резервне живлення не активовано,
виконується затримка на 1 хвилину, після чого перевірка повторюється.
Якщо резервне живлення увімкнене, програма переходить до наступного
етапу.
27
На другому етапі контролер отримує дані від датчика стану першого
верстата. Якщо верстат працює (обробляє деталь), програма очікує
завершення обробки, отримуючи відповідний сигнал. Якщо перший верстат
не увімкнений, програма переходить до перевірки другого верстата.
Аналогічно, якщо другий верстат працює, програма очікує сигналу про
завершення його роботи. Після завершення обробки деталі обома
верстатами здійснюється їхнє вимкнення.
На фінальному етапі система подає сигнал для відключення
резервного живлення, завершуючи процес. Алгоритм не передбачає
додаткової індикації чи перевірок, що забезпечує його простоту і
мінімізацію вимог до апаратної складової.
Використання мікроконтролера ATmega16 є обґрунтованим вибором
завдяки його достатнім апаратним ресурсам для реалізації зазначених
функцій, включаючи циклічну перевірку стану, зчитування даних із датчиків
та подачу керуючих сигналів.

ATmega16 – це мікроконтролер, розроблений компанією Microchip
Technology (раніше Atmel Corporation). Він належить до сімейства
мікроконтролерів AVR і має наступні характеристики[18]:
1. Архітектура: ATmega16 базується на оптимізованій гарвардській
архітектурі, що дозволяє виконувати ефективні та швидкі операції
з пам'яттю та периферійними пристроями.
2. Частота роботи: Здатний працювати на високій частоті, зазвичай
до 16 МГц. Однак, частота роботи може бути зменшена для
зниження споживання енергії або для роботи при низьких
напругах живлення.
3. Розмір пам'яті: ATmega16 має 16 КБ вбудованої флеш-пам'яті для
зберігання програмного коду. Крім того, він має 1 КБ EEPROM для
зберігання даних, а також 1 КБ вбудованої статичної оперативної
28
пам'яті (SRAM) для зберігання змінних під час виконання
програми.
4. Кількість виводів: Мікроконтролер ATmega16 має 40 виводів
загального призначення (GPIO), які можуть використовуватися
для з'єднання з різними зовнішніми пристроями, такими як
сенсори, дисплеї, кнопки, індикатори тощо.
5. Інтерфейси: Він підтримує різноманітні інтерфейси, включаючи
USART, SPI (Serial Peripheral Interface), TWI (Two-Wire Interface)
(I2C-compatible) та інші. Це дозволяє зв'язувати мікроконтролер з
різними пристроями та комунікувати з ними.
6. АЦП: ATmega16 має вбудований 10-бітний аналого-цифровий
перетворювач (АЦП) з 8 аналоговими входами, що дозволяє
зчитувати аналогові сигнали з датчиків чи інших джерел.
7. Таймери та лічильники: Мікроконтролер має кілька 8-бітних та
16-бітних таймерів/лічильників, які можуть використовуватися
для вимірювання часу, генерації пульсацій, затримок тощо.
8. Інші особливості: ATmega16 підтримує режими споживання
енергії для зниження енергоспоживання, має вбудований захист
від перевантажень та захист від статичного розряду.
9. Вбудовані периферійні пристрої: ATmega16 має різноманітні
вбудовані периферійні пристрої, такі як порти введення/виведення
(GPIO), пристрій USART для зв'язку з іншими пристроями за
допомогою протоколу UART, пристрій SPI для послідовного
обміну даними, пристрій TWI для зв'язку по протоколу I2C, а
також пристрої PWM (ШІМ) для генерації сигналів змінної
ширини і таймери для вимірювання часу і затримок.
10. Низькопотужний режим: ATmega16 підтримує режими зниженого
споживання енергії, такі як режими сну (Sleep Mode) і Power-down
Mode. Ці режими дозволяють зменшити споживання енергії, що
29
робить його ідеальним вибором для пристроїв, які працюють від
батарей або джерел з обмеженим живленням.
11. Розширення пам'яті: ATmega16 має можливість розширення
пам'яті за допомогою зовнішньої пам'яті, такої як EEPROM,
SRAM або флеш-пам'ять. Це дозволяє зберігати більше даних або
програмного коду, що розширює функціональні можливості
мікроконтролера.
12. Розширені можливості програмування: ATmega16 може бути
програмований за допомогою мови програмування C або
асемблера, а також підтримує вбудовані розробницькі середовища
(наприклад, Atmel Studio) та сторонні інструменти для розробки
програмного забезпечення.
13. Широке застосування: Завдяки своїм характеристикам, ATmega16
широко використовується в різних галузях, таких як промислові
автоматизація, системи контролю та моніторингу, робототехніка,
побутова електроніка, освітні проекти та багато інших.

Враховуючи свої можливості, ATmega16 є потужним
мікроконтролером з розширеними функціями, який дозволяє розробникам
реалізувати різноманітні проекти та системи, використовуючи
мікроконтролерну технологію[18].
Всі ці контакти можуть бути керовані програмним забезпеченням, що
дозволяє розробникам забезпечити потрібну функціональність і взаємодію
зовнішніх пристроїв з мікроконтролером ATmega16[18].

2.2.1 Програмне забезпечення для реалізації задачі

30
Написання коду в програмному забезпеченні CodeVisionAVR фірми
Atmel, яка підходить для мікроконтролерів AVR, програма базується на мові
програмування С[11].
Для візуалізації роботи програми використовуєься proteus design від
компанії Labcenter Electronics

2.2.1.1 CodeVisionAVR

CodeVisionAVR - це інтегроване середовище розробки (IDE) та
компілятор для мікроконтролерів AVR, таких як ATmega16. Воно
розроблено компанією HP InfoTech і надає зручні інструменти для
програмування та розробки вбудованих систем на основі мікроконтролерів
AVR.
Основні особливості та можливості CodeVisionAVR включають [11]:
1. CodeVisionAVR має вбудований компілятор, який перетворює
вихідний код на мові програмування C або асемблер AVR в
машинний код, зрозумілий мікроконтролеру.
2. Інтегроване середовище розробки (IDE) – CodeVisionAVR надає
зручне інтерфейсне середовище, де розробник може створювати,
редагувати та компілювати свій програмний код. IDE містить
текстовий редактор з підсвічуванням синтаксису, вікна для
налаштувань проекту, налагоджувальний віконний інтерфейс та
інші корисні інструменти.
3. Підтримка AVR-периферії – CodeVisionAVR має вбудовані
бібліотеки та функції, що спрощують програмування різних
периферійних пристроїв AVR, таких як GPIO, АЦП, таймери,
засоби комунікації (USART, SPI, I2C) та багато інших. Це дозволяє
розробникам швидко налаштовувати та використовувати
периферійні пристрої мікроконтролера.
31
4. Візуальний дизайнер інтерфейсу (Graphic LCD Designer):
CodeVisionAVR має вбудований інструмент для візуального
створення графічних інтерфейсів на графічних LCD-дисплеях. Цей
інструмент дозволяє розробникам створювати графічні об'єкти,
налаштовувати їх властивості та генерувати відповідний
програмний код.
5. Інструменти налагодження: CodeVisionAVR надає інструменти для
налагодження програмного коду, зокрема підтримку емуляції,
стеження за змінними, відлагодження по крокам та інші корисні
функції, які допомагають знайти та виправити помилки в програмі.
6. Підтримка широкого спектру мікроконтролерів AVR:
CodeVisionAVR підтримує багато моделей мікроконтролерів AVR,
включаючи ATmega16. Це дозволяє розробникам використовувати
одне середовище для розробки програмного забезпечення для
різних мікроконтролерів AVR без необхідності перекомпіляції коду.
CodeVisionAVR є популярним інструментом для розробки
програмного забезпечення для мікроконтролерів AVR, зокрема ATmega16,
завдяки своїм зручним інструментам, широкій функціональності та
надійності.

32
Проаналізуємо основну інформацію про програму. На рис.2.2
зображений інтерфейс програми.

Рис. 2.2.Інтерфейс програми CodeVisionAVR
Основні елементи інтерфейсу CodeVisionAVR:
1. Головне меню та панелі інструментів:
• Містить стандартні опції для роботи з проєктом: File, Edit,
Project, Tools, Help.
• Панелі інструментів дозволяють швидко отримати доступ до
частих дій, таких як компіляція, завантаження програми на
мікроконтролер, налагодження.
2. Редактор коду:
• Основне поле для написання і редагування коду на мові C.
• Підтримує кольорове підсвічування синтаксису, що допомагає
легше орієнтуватися в коді.
33
• Також є підтримка автоматичного доповнення коду
(автокомпліт), що прискорює процес розробки.
3. Проєктна панель:
• Відображає структуру проєкту, включаючи всі файли, які
входять до складу проєкту (файли коду, бібліотеки, заголовкові
файли).
• Допомагає в організації і швидкому доступі до файлів.
4. Конфігуратор мікроконтролера:
• Інструмент для налаштування периферійних модулів
мікроконтролера (таймери, UART, SPI, I2C тощо).
• Дозволяє легко задавати параметри конфігурації через
графічний інтерфейс, а не вручну прописувати реєстри.
5. Вікно компіляції та налагодження:
• Показує процес компіляції програми, виводить повідомлення
про помилки або попередження.
• Також дозволяє налагоджувати код, відстежуючи стан регістрів,
змінних і апаратних ресурсів мікроконтролера.
6. Вікно налагодження (debugger):
• Дає можливість відслідковувати виконання програми
покроково, ставити точки зупинки (breakpoints), переглядати
значення змінних та стан регістрів.
7. Інструменти для прошивки:
• Інтерфейс для програмування мікроконтролера через різні
програматори (USBasp, STK500 тощо).
• Дає можливість завантажити згенерований HEX-файл в
мікроконтролер.

Додаткові особливості CodeVisionAVR включають[11]:
34
1. Підтримка багатозадачності: CodeVisionAVR надає можливості
для розробки багатозадачних програм, використовуючи систему
переривань та планувальник завдань (Task Scheduler). Це дозволяє
виконувати різні функції одночасно і забезпечувати ефективне
використання ресурсів мікроконтролера.
2. Вбудована бібліотека функцій: CodeVisionAVR постачається з
великою кількістю вбудованих бібліотек функцій, які спрощують
розробку різних додатків. Ці бібліотеки включають графічні
функції, функції для роботи з LCD-дисплеями, звукові ефекти,
роботу з EEPROM, засоби комунікації та багато інших.
3. Швидкість компіляції: CodeVisionAVR володіє швидким процесом
компіляції, що дозволяє розробникам ефективно працювати над
проектами та скорочувати час розробки.
4. Інтеграція з експериментальними платами: CodeVisionAVR
підтримує різні експериментальні плати та системи розробки, що
дозволяє легко почати роботу з мікроконтролерами AVR. Воно
інтегрується з популярними платами, такими як Arduino та AVR
Dragon, забезпечуючи зручний розробку та завантаження
програмного коду на мікроконтролер.
Це потужне середовище розробки, яке допомагає спростити процес
розробки вбудованих систем на базі мікроконтролерів AVR, зокрема
ATmega16, та забезпечує ефективну роботу з ними.

2.2.1.2 Proteus Design
Proteus - це інтегроване середовище моделювання та розробки
електронних схем і вбудованих систем. Воно розроблено компанією
Labcenter Electronics і широко використовується в інженерній галузі для
проектування та тестування електронних пристроїв.
Особливості та можливості Proteus включають [12]:
35
1. Моделювання електронних схем: Proteus надає інструменти для
створення та моделювання електронних схем з використанням
графічного інтерфейсу. Користувачі можуть розташовувати
елементи схеми, підключати їх, налаштовувати параметри
компонентів та проводити симуляцію роботи схеми.
2. Симуляція в реальному часі: Proteus дозволяє виконувати
симуляцію роботи електронних схем в реальному часі. Це означає,
що користувачі можуть спостерігати, як схема реагує на зміну
вхідних сигналів і взаємодіє з компонентами в режимі реального
часу.
3. Моделювання вбудованих систем: Proteus має підтримку для
моделювання вбудованих систем, включаючи мікроконтролери
AVR, PIC, ARM та багато інших. Користувачі можуть створювати
схеми з мікроконтролерами, підключати периферійні пристрої,
програмувати їх та виконувати симуляцію роботи всієї системи.
4. Інтерактивна візуалізація: Proteus надає можливість візуально
спостерігати роботу електронної схеми під час симуляції.
Користувачі можуть відстежувати стани виводів, переглядати
сигнали на схемі, спостерігати за змінами станів під час виконання
програми на мікроконтролері та багато іншого.
5. Віртуальне тестування: Proteus дозволяє віртуально тестувати
електронні пристрої та вбудовані системи перед фізичною
реалізацією. Це дозволяє виявити й виправити помилки в дизайні,
зменшити час та витрати на розробку та підвищити надійність
кінцевого пристрою.
6. Імпорт/експорт проектів: Proteus підтримує імпорт та експорт
проектів у різних форматах, що дозволяє розподіляти схеми та дані
між різними інструментами проектування та виробництва.
36
Proteus є потужним інструментом для розробки електронних
пристроїв та вбудованих систем, зокрема для мікроконтролерів AVR, PIC,
ARM тощо. Воно дозволяє ефективно моделювати, симулювати та тестувати
пристрої перед їх фізичною реалізацією, що допомагає прискорити процес
розробки та покращити якість кінцевого продукту.

Рис. 2.3.Інтерфейс програми Proteus

Основні елементи інтерфейсу Proteus:
1. Головне меню:
• Включає стандартні вкладки: File, Edit, View, Design, Tools, Graph,
System, Help.
37
• Через ці вкладки користувач отримує доступ до різних функцій, таких
як збереження та відкриття файлів, зміна налаштувань симуляції,
редагування елементів схеми тощо.
2. Панель інструментів:
• Розташована під головним меню і містить набір іконок для швидкого
доступу до часто використовуваних функцій.
• Серед них: збереження, відкриття проєктів, запуск та зупинка
симуляції, збільшення/зменшення масштабу, вибір елементів для
схеми та їх редагування.
3. Бібліотека компонентів:
• Panel Components або Pick Devices дозволяє додавати електронні
компоненти на схему (резистори, конденсатори, мікросхеми,
мікроконтролери тощо).
• Пошук компонентів здійснюється через вбудовану бібліотеку, де
можна фільтрувати елементи за типом або назвою.
4. Робоче поле (Design Workspace):
• Це основна область, де користувач створює і редагує електричні
схеми.
• Тут можна розміщувати компоненти, підключати їх проводами,
змінювати позиції елементів, додавати живлення, вимірювальні
прилади тощо.
• Користувач може також налаштовувати рівень деталізації схеми.
5. Схема підключень:
• У робочій області також можна побачити різні зв'язки між
компонентами. Користувач малює провідники для з'єднання
компонентів, що дозволяє моделювати роботу схеми.
6. Панель симуляції:
38
• Дає можливість запускати та зупиняти симуляцію. Після запуску ви
можете бачити, як функціонує схема в реальному часі (наприклад, як
змінюються рівні сигналів на виходах або змінюються параметри
вимірювальних приладів).
• Симуляція може бути зупинена для внесення змін до схеми та
подальшого повторного запуску.
7. Оглядові вікна (Debugging Tools):
• Містить інструменти для налагодження схеми. Відображає різні
параметри симуляції, наприклад, напругу, струм, частоту сигналів
тощо.
• Дає можливість робити покрокову симуляцію для детального аналізу
роботи схеми.
8. PCB дизайн (модуль для проектування друкованих плат):
• Дозволяє автоматично створювати друковану плату на основі вашої
схеми.
• Включає інструменти для редагування плат, маршрутизації
провідників, розміщення компонентів, перевірки правил
проектування (DRC).
• Дає можливість експортувати файли для виробництва плати (Gerber,
NC Drill тощо).
9. Вікно консолі повідомлень:
• Відображає повідомлення про помилки та попередження під час
симуляції або проектування.
• Також містить інформацію про прогрес симуляції чи компіляції
прошивок для мікроконтролерів.
10. Моделювання мікроконтролерів:
• Важлива особливість Proteus — це можливість завантаження
прошивок (HEX або ELF файлів) у моделі мікроконтролерів.
39
• Після цього можна моделювати роботу реальної прошивки в
поєднанні з іншими електронними компонентами на схемі.
11. Панель властивостей компонентів:
• Після вибору компонента на схемі користувач може змінювати його
властивості: номінали, робочу напругу, модель симуляції тощо.
• Це дозволяє налаштувати компоненти відповідно до їх реальних
аналогів.

2.2.2 Створеня моделі схеми в Proteus

Cпочатку свторюється образно знакова модель для керування
двигуном верстату за допопомогою мікроконтроллера(зображено на рис.
2.4)
Створена модель є імпровізованою і відображає лише потрібні для
реалізації проекту частини а , отже потрібно додати в модель блок ручного
увімкнення і вимкнення верстату, блок управління двигуном верстату від
контролера, датчик роботи верстата та двигун верстата для візуалізації
роботи програми[11].
40

Рис. 2.4.Образно знакова модель керування двигуном верстата №1за
допомогою мікроконтроллера
Основні елементи схеми:
• Кнопка Е1 – кнопка включення верстату. При замиканні верстат
вважається увімкненим.
• Транзистор VT1 – являється логічним перемикачем схеми який вмикає
верстат в увімкнений стан.
• Транзистор VT2 – логічний перемикач, який призначений для
розмикання кола при поданні сигналу від мікроконтролера, в реальних
верстатах це модуль числового програмного управліня або
програмоване реле, яке приймає сигнали з зовні, наприклад від ПК,
МК.
• CHPU – використовується для формування звязку між електричною
схемою керування верстатом №1 та мікроконтроллера для вимкнення
верстата після завершення обробки деталі.
41
• SENSOR1 – датчик роботи верстату, конвертує фізичну величину в
елетктроний сигнал та подає йогона МК, коли датчик
замикаєтьсявважається що верстат закінчив обробку, вільний вихід в
подальшому під’єднується до вхідного порту мікроконтроллера.
• MACHINE1 – електродвигун, потрібен для візуального відображення
роботи верстату.
• R1-R3 – резистори, необхідні для зменшення струму та правильної
роботи схеми в Proteus.
• C1 – Конденсатор, для більш плавного увімкнення і вимкнення
верстату.

Проводиться створенняобразно знакової моделі для керування
двигуном верстата за допомогою мікроконтроллераверстата №2 (Рис. 2.5)
Рис. 2.5.Образно знакова модель керування двигуном верстата №2 за
допомогою мікроконтроллера
42
Розглянемо основні елементи схеми:
• Кнопка Е2: Електричний контакт, який при замиканні подає сигнал на
включення верстата.
• Транзистор VT3: Напівпровідниковий прилад, що виконує роль
ключа, який замикає електричне коло живлення верстата при
активному стані.
• Транзистор VT4: Напівпровідниковий прилад, що розмикає
електричне коло живлення верстата при отриманні сигналу від
зовнішнього пристрою (наприклад, мікроконтролера), що свідчить
про необхідність зупинки верстата.
• CHPU – Застосовується для встановлення комунікацій між схемою
управління верстатом №2 та мікроконтролером для реалізації функції
автоматичного відключення після виконання заданої програми
обробки.
• SENSOR2: Датчик, який виявляє момент завершення обробки за
рахунок падіння деталі на чутливий елемент і передає цю інформацію
мікроконтролеру.
• MACHINE2: Електродвигун, який імітує роботу верстата в програмі,
допомагаючи візуально перевірити роботу схеми.
• R5-R7: Резистори, які обмежують силу струму в схемі і забезпечують
її стабільну роботу.
• C2: Конденсатор, який згладжує перепади напруги і забезпечує
плавний пуск та зупинку двигуна.

Створюєтьсяобразно знакова модельпередачі сигналу про
перемикання живлення до мікроконтролера. Найкращим для візуалізації
роботи перемикача живлення буде створення схеми з використання реле, та
під’єднання до його виходів LEDсвітлодіодів які будуть інформувати
43
користувача про зміну основного живлення на резервне. Для візуальної
наглядності активації реле перемикання під’єднується кнопка(рис 2.6).
До МК
Рис. 2.6.Образно-знакова модель блокуформування сигналу керування
роботою в часірезервного живлення
• Кнопка Е3 – кнопка подачі сигналу про увімкнення резервного
живлення. при замиканні, активує реле RL1 яке в свою чергу
перемикається і сигнал подається на мікроконтролер.
• C3– Конденсатор, для правильної роботи реле.
• R3– резистор, необхідний для зменшення струму який буде проходити
в мікроконтролер, для запобігання КЗ.
• LED лампа D1 – сигналізує про те що резервне живлення вимкнено,
має зелений колір світіння
• LED Лампа D2 – сигналізує про те що резервне живлення увімкнуто ,
має червоний колір світіння.

44
Створення ообразно знакову модель перемикання живлення на
основне, найкращим варіантом буде використання реле яке в замкненому
стані під’єднане до резервного живлення а при розмиканніперемкнеться на
основне джерело живлення.

Рис. 2.7.Образно знакова модель перемикання резервного живленняна
основне
Як у випадку з схемами верстатів, використовується транзистор VT5 в
якості ключа, та BPS для запам’ятовування сигналу від мікроконтролера, як
і в варіанті з верстатом сигнал інвертований для початкової активації реле,
реле RL2аналогічноз випадкому схемі передачі сигналу перемикає
живлення з резервного на основне у випадку розімкнення.
Отже при завершені роботи двох верстатів потрібно лише подати
сигнал на BPS що перемкне резервне живлення на основне і після цього
цикл програми буде завершеним.
Підключення мікроконтроллера доланцюга живлення та кнопки
скидання RESET(рис 2.8), вона необхідна наприклад в тих випадках, коли
програма зависає або якщо перехід на резервне живлення був короткочасним
45
і завершувати роботу не потрібно. Щоб скидання відбулось правильно
кнопка підведена до мікроконтролера замикається на 0

Рис. 2.8.Образно знакова модельсхемипідключення мікроконтроллера до
кнопки скидання та ланцюга живлення
• Роз'єм для скидання (RESET): Ланцюг RESET використовується для
скидання мікроконтролера. Тут він підключений через резистор (R10)
до землі і має кнопку, яка замикається на землю, викликаючи низький
рівень на вході RESET. Це дозволяє виконувати апаратний скидання
мікроконтролера..
• Фільтрувальний ланцюг живлення: Піни AVCC (аналогове живлення)
і AREF (референсна напруга для АЦП) підключені до LC-фільтра,
який складається з індуктивності (L1) на 100 нГн і конденсаторів (C4
та C5) на 1 нФ. Це фільтрування знижує шум в аналоговій частині
46
мікроконтролера, покращуючи стабільність і точність вимірювань
АЦП.

7

Рис. 2.9.Образно-знакова модель структуримоніторингуроботи двигунів
верстатів металообробки.
На даному рисунку зображені такі елементи:
1. Блок схеми керування передачі сигналу на перемикання живлення до
мікроконтроллера.
2. Модель схеми для скидання мікроконтроллера.
3. Модель схеми керування двигуном (MACHINE1) верстата №1.
4. Модель схеми фільтрувального ланцюга живлення мікроконтролера.
5. Модель схеми керування двигуном (MACHINE2) верстата №2
47
6. Модель схемимоніторингу роботи резервного живлення на вимкнення.
7. Блок резервного живлення.
Робота образно-знакової моделі(рис. 2.9.) полягає в наступному:через
з’єднання відповідних елементівмоделідані від датчиків надходять до портів
B5, В6, В7.
Зворотній зв’язок здійснюється через додаткове підключення двох
датчиків (SENSOR1, SENSOR2) від верстатів до портів В3, В4 для
сигналізації при закінченні металообробки деталі. Відключення резервного
живлення здійснюється по команді мікроконтролера з порту D5.
Відключення двигунів верстатів здійснюється по команті мікроконтролера з
портів D6 та D7.
Наступним етапом розробки доцільно створити код програми.

2.2.3Розробка програми для мікроконтролера Atmega16

Розпочнемо зі створення нового проекту в CodeVisionAVR, вибору
чіпу налаштувань частоти та портів які задіяні у схемі, в середовищі
розробки Сode Visoin це виконується за допомогою інтерфейсу
створення(рис.2.10)[12].
Рис. 2.10Вибір мікроконтролера, налаштування портів
48
Налаштовуємо порти відповідно до скомпонованої схеми в Proteus, а
саме PORTB3-7 у режим «ввід» а PORTD5-7 у режим «вивід»
Для даної схеми обраємо частоту 1МГц, її буде більше чим достатньо
для виконання роботи програми. Хоча контролер може працювати з
частотою до 16 МГц.
Отже після генерації програма має такий вигляд:
#include <mega16.h>
#include <delay.h>
В цьому фрагменті коду відбувається підключення біблотек які будуть
використовуватись в програмі.
void main(void)
{
DDRA=(0<<DDA7) | (0<<DDA6) | (0<<DDA5) | (0<<DDA4) | (0<<DDA3) |
(0<<DDA2) | (0<<DDA1) | (0<<DDA0); //port A initialization
PORTA=(0<<PORTA7) | (0<<PORTA6) | (0<<PORTA5) | (0<<PORTA4) |
(0<<PORTA3) | (0<<PORTA2) | (0<<PORTA1) | (0<<PORTA0);
DDRB=(0<<DDB7) | (0<<DDB6) | (0<<DDB5) | (0<<DDB4) | (0<<DDB3) |
(0<<DDB2) | (0<<DDB1) | (0<<DDB0); //Port B initialization
PORTB=(0<<PORTB7) | (0<<PORTB6) | (0<<PORTB5) | (0<<PORTB4) |
(0<<PORTB3) | (0<<PORTB2) | (0<<PORTB1) | (0<<PORTB0);
DDRC=(0<<DDC7) | (0<<DDC6) | (0<<DDC5) | (0<<DDC4) | (0<<DDC3) |
(0<<DDC2) | (0<<DDC1) | (0<<DDC0); //port C initialization
PORTC=(0<<PORTC7) | (0<<PORTC6) | (0<<PORTC5) | (0<<PORTC4) |
(0<<PORTC3) | (0<<PORTC2) | (0<<PORTC1) | (0<<PORTC0);
DDRD=(1<<DDD7) | (1<<DDD6) | (1<<DDD5) | (0<<DDD4) | (0<<DDD3) |
(0<<DDD2) | (0<<DDD1) | (0<<DDD0); //Porty D initialization
PORTD=(0<<PORTD7) | (0<<PORTD6) | (0<<PORTD5) | (0<<PORTD4) |
(0<<PORTD3) | (0<<PORTD2) | (0<<PORTD1) | (0<<PORTD0);
49
В даній частині коду виконана автоматична генерація налаштування
портів, але вона також дозволяє робити в ній зміни, тому не потрібно
генерувати проект з самого початку. Також тут виконано налаштуваня
підтягуючих резисторів до кожного з портів, але для реалізації програми
вони не потрібні так як на мікроконтролер підходять високі потенціали,
тобто 1 а не 0.

TCCR0=(0<<WGM00) | (0<<COM01) | (0<<COM00) | (0<<WGM01) |
(0<<CS02) | (0<<CS01) | (0<<CS00);
TCNT0=0x00;
OCR0=0x00; //timer 0 disable
В цьому фрагменті коду відбувається ініціалізація таймера 0 який
вимкнений тому що система не потребує додаткових налаштування
переривань.

TCCR1A=(0<<COM1A1) | (0<<COM1A0) | (0<<COM1B1) | (0<<COM1B0) |
(0<<WGM11) | (0<<WGM10);
TCCR1B=(0<<ICNC1) | (0<<ICES1) | (0<<WGM13) | (0<<WGM12) |
(0<<CS12) | (0<<CS11) | (0<<CS10);
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
ICR1H=0x00;
ICR1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;
50
В даному відрізку коду відбувається налаштування системного
годинника мікроконтролера, через те що програма не потребує спеціальних
налаштувань переривань він вимкнений.

MCUCR=(0<<ISC11) | (0<<ISC10) | (0<<ISC01) | (0<<ISC00);
MCUCSR=(0<<ISC2);
Цей фрагмент коду відповідає за додаткові налаштування
переривань, які може виконувати програма, але для виконання поставлених
завдань додаткові налаштування переривань не обов’язкові тому і
вимкнені.

{
{
while (!(PINB & (1 << 7)))
{
delay_ms(60000);
}
52
В даному відрізку коду відбувається створення першого зовнішнього
циклу який відбувається за умови якщо PINB.7 не дорівнює 1 тобто
виконується перевірка значення біта 7 регістра PINB, якщо ж умова не
виконується встановлюється затримка водну хвилину. Це значення може
змінюватися в залежності від потреб підприємства на якому буде
встановлюватись це обладнання.

while (1)
{
if (!(PINB & (1 << 6)))
{
delay_ms(500);
}
else
{
if (PINB & (1 << 7))
{
PORTD |= (1 << 7);
}
break;
}
}
В цьому фрагменті коду відбувається створення другого зовнішнього
циклу умовою якого PINB.6 не дорівнює 1 якщо ж рівність виконується
слідують такі дії:
Якщо значення біта 6 регістра PINB дорівнює 1, виконується затримка 500
мілісекунд, а якщо значення біта дорівнює 0, встановлюється біт регістра 7
PORTD в 1 тим самим відмикає верстат №1.
53
Але слідує зауважити що перемикання не відбудеться якщо PINB.7 не
буде мати значення 1, тобто сигнал про увімкнення резервного живлення
повинен бути активним.

while (1)
{
if (!(PINB & (1 << 5)))
{
delay_ms(500);
}
else
{
if (PINB & (1 << 7))
{
PORTD |= (1 << 6);
}
break;
}
}
В цьому фрагменті коду відбувається створення другого зовнішнього
циклу умовою якого PINB.5 не дорівнює 1 якщо ж рівність виконується
слідують такі дії:
Якщо значення біта 5 регістра PINB дорівнює 1, виконується затримка 500
міллісекунд, а якщо значення біта дорівнює 0, встановлюється біт регістра
6 PORTD в 1 тим самим відмикає верстат №2. Як і в попередньому циклі
перемикання не відбуваються без сигналу PINB.7 в значені 1.
Такі зовнішні цикли можна повторювати ще декілька разів в
залежності від кількості необхідних верстатів або пристроїв на підприємстві
які можуть керуватися від мікроконтролера.
54
if (!(PINB & (1 << 4)) && !(PINB & (1 << 3)))
{
PORTD |= (1 << 5);
}
Цей фрагмент коду виконує перевірку значень бітів 4 та 3 регістра
PINB. Якщо обидва дорівнюють 0, встановлюється біт 5 регістра PORTD в
1 тим самим вимикаючи резервне живлення.

while (1)
{
MCUCR = (1 << IVCE);
MCUCR = 0;
}
}
}
В даному фрагменті коду відбується перехід на початок програми
який виконано за допомогою вектора переривань.

Отже програма працює таким чином:
При вмиканні мікроконтролер перевіяє наявність високого потенціалу
тобто 1 на контакті порту B7 при його відсутності виконується затримка 1хв
та повторна перевірка. Далі відбувається перевірка стану кожного з верстатів
за допомогою SENSOR1 та SENSOR2 які приєднані до портів B6 і B5, в свою
чергу сигналізують про закінчення роботи верстатів та дозволяють програмі
за наявності вхідного сигналу порту B7 видавати керуючі сигнали на порти
D7 та D6 для вимкнення верстатів. Далі програма аналізує значення з портів
B4 і B3 які дають інформацію про повне вимкнення верстатів, і якщо обидва
сигнали мають низький потенціал програма подає сигнал на порт D5 тим
самим перемикає живлення з резервного на основне. На цьому програма
55
закінчує роботу та переходить на початок циклу щоб в наступне
перемикання живлення повторити процес.

2.3Розробка системи для вирішення задачі на Arduino Uno

Алгоритм задачі для виконання на мікроконтролері Arduino Unoнаведений
на рис. 2.11
Рис. 2.11.Алгоритм вимикання верстатів та контролю внутрішнього
освітлення для Arduino Uno
56
Задача є схожою до попередньої але має декілька змін тепер контролер
повинен керувати і освітленням, тобто на початку програми вмикати світло
або тримати його увімкненим якщо увімкнення відбулося зовні далі
програма повинна виконувати постійну перевірку з датчика резервного
живлення і при наявності сигналу переходити на наступний етап перевірки
роботи верстату №1 а потім і до верстата №2вони є аналогічними задачі для
контролера Atmega16, тому перейдемо до наступного етапу, після
завершення роботи останього верстату повинно вимикатись світло
задопомогую Arduino UNO та останьою дією буде вимкнення/розмикання
резервного живлення аналогічне до першої задачі.
Чому саме Arduino Uno?
Можливо деякі підприємства уже використовують технології
мікроконтролерів інших виробників, і тому щоб перекрити цей
фактпотрібно розробити альтернативну версію програми на Arduino, тому
далі буде йти мова про цю платформу

Рис. 2.12. Плата Arduino Uno
57
Фізичні розміри плати Arduino Uno:
• Довжина: 68.6 мм (2.7 дюйма) та 72.48мм(2.85 дюйма) з уахуванням
роз’ємів
• Ширина: 53.4 мм (2.1 дюйма)
• Висота (без підключених компонентів): приблизно 15 мм (з
урахуванням роз'ємів)
• Відстань між монтажними отворами:
o 53.3 мм (відстань між отворами по довжині)
o 48.3 мм (відстань між отворами по ширині)
• Діаметр монтажних отворів: 3.2 мм
Arduino UNO[5] - це одна з найпопулярніших і доступних плат
Arduino, яка має наступні характеристики:
1. Мікроконтролер – Arduino UNO використовує мікроконтролер
ATmega328P. Це 8-бітний мікроконтролер з тактовою частотою 16 МГц і має
32 кБ флеш-пам'яті для зберігання програмного коду. [20]
2. Вхідні/вихідні піни – Arduino UNO має 14 цифрових вхідно-
вихідних пінів (включаючи 6 пінів, які можуть бути використані для
формування шім-сигналу) і 6 аналогових вхідних пінів. Всі ці піни можуть
бути використані для підключення зовнішніх пристроїв і сенсорів. [20]
3. Пам'ять – Arduino UNO має 2 кБ оперативної пам'яті (SRAM), де
зберігаються змінні під час виконання програми. Також є 1 кБ EEPROM для
зберігання постійних даних і 32 кБ флеш-пам'яті для зберігання
програмного коду. [20]
4. Інтерфейси –плата має USB-порт для підключення до комп'ютера
або іншого пристрою для програмування та комунікації. Крім того, є 6-
контактний роз'єм ICSP (In-Circuit Serial Programming), який дозволяє
програмувати мікроконтролер безпосередньо на платі Arduino UNO. Також
є UART-порт для зв'язку з іншими пристроями через UART протокол. [20]
58
5. Живлення –плата Arduino UNO може бути живлена від USB-порту
комп'ютера або зовнішнього джерела живлення через роз'єм живлення. Вона
працює з напругою 5V, і є регулятор напруги, який дозволяє живити плату
від джерела живлення з напругою 7-12V. [20]
6. Сумісність – Arduino UNO є сумісним з більшістю стандартних
компонентів та додаткових модулів Arduino, таких як сенсори, дисплеї,
модулі зв'язку, моторні шилди та багато іншого. Це робить його вельми
гнучким для розширення функціональності і використання в різних
проектах. [20]
7. Програмування – Arduino UNO може бути програмований за
допомогою Arduino IDE (інтегроване середовище розробки), яке надає
простий і зрозумілий інтерфейс для написання програмного коду. Він
базується на мові програмування C/C++ і має багато вбудованих функцій та
бібліотек, що спрощують розробку програм для Arduino UNO. [20]
8. Розміри і компактність – Arduino UNO має компактний розмір,
стандартна версія плати має приблизні розміри 68.6мм x 53.4мм. Це робить
його легким у використанні і зручним для вбудовування в різні прототипи та
пристрої.
9. Відкритий вихідний код – Arduino UNO базується на відкритому
вихідному коді, що означає, що схеми, схематичні креслення та програмне
забезпечення доступні для використання та модифікації спільнотою. Це
сприяє співпраці, обміну знаннями та розвитку широкого спектру проектів.
[20]
10. Вартість – Arduino UNO є відносно доступною платою, яка має
досить низьку ціну порівняно з іншими мікроконтролерами або платами
розробки. Це робить його популярним в освітніх закладах, хобі-проектах та
прототипування.

59
2.3.1Зміни в програмному забезпеченні для реалізації задачі на
Arduino Uno

Через зміну мікроконтролера змінилось і ПЗ а саме:
Написання коду в програмному забезпеченніArduino IDE
Arduino IDE (Integrated Development Environment) є інтегрованою
середовищем розробки для програмування мікроконтролерів Arduino.
Arduino IDE надає зручні інструменти для написання коду, компіляції та
завантаження програм на плати Arduino. Воно доступне для використання
на різних операційних системах, таких як Windows, macOS і Linux. [14]
Інтерфейс програми зображений на рис. 2.17

Рис.2.13.Інтерфейс програми Arduino IDE
Основні елементи інтерфейсу ArduinoIDE:
1. Головне меню[14]:
60
• Містить вкладки: File, Edit, Sketch, Tools, Help.
• Через ці вкладки можна виконувати базові дії: відкриття та
збереження скетчів (кодів), редагування, компіляція, налаштування
плати, порту та інші операції.
Основні функції головного меню:
• File: відкриття, збереження, імпорт та створення нових скетчів, а
також налаштування середовища.
• Edit: базові операції редагування (копіювання, вставка, пошук тощо).
• Sketch: дозволяє компілювати та завантажувати код на плату, а також
керувати бібліотеками.
• Tools: вибір плати, порту для підключення та інших налаштувань
середовища і плати.
• Help: доступ до документації та довідки.
2. Панель інструментів:
• Знаходиться під головним меню і містить основні кнопки для
швидкого доступу до функцій:
o Verify (перевірка/компіляція коду): перевіряє код на наявність
синтаксичних помилок і компілює його без завантаження на
плату.
o Upload (завантаження): компілює код і завантажує його на
підключену Arduino-плату.
o New: створює новий скетч.
o Open: відкриває раніше збережений скетч.
o Save: зберігає поточний скетч.
o Serial Monitor: відкриває монітор послідовного порту для обміну
даними між платою та комп'ютером під час виконання коду.
3. Вікно редактора коду[14]:
• Центральна частина інтерфейсу, де користувачі пишуть та редагують
код.
61
• Має базові функції підсвічування синтаксису для кращого сприйняття
коду, автоматичне доповнення та нумерацію рядків.
• Вікно підтримує одночасне відкриття кількох скетчів (розміщених у
вкладках), що дозволяє швидко перемикатися між ними.
4. Консоль повідомлень:
• Розташована під вікном редактора коду.
• Показує результат компіляції, зокрема повідомлення про помилки або
успішне завантаження коду на плату.
• Якщо під час компіляції чи завантаження виникають помилки, вони
будуть відображені тут для аналізу та виправлення.
5. Статусна панель:
• Знаходиться внизу вікна і відображає інформацію про поточну плату
Arduino і COM-порт, до якого вона підключена.
• Якщо плата не підключена або не вибрано порт, тут з’явиться
відповідне повідомлення.
6. Монітор послідовного порту (Serial Monitor):
• Це вбудований інструмент для налагодження, який дозволяє
обмінюватися даними з платою в режимі реального часу через
послідовний порт.
• Він відкривається окремим вікном і показує дані, що надходять з
плати, а також дозволяє користувачу вводити команди для передачі на
плату.
7. Бібліотеки та приклади коду:
• Arduino IDE має інтегровану підтримку бібліотек. Через меню Sketch
-> Include Library користувач може підключати стандартні та сторонні
бібліотеки для роботи з різними пристроями.
• Також є можливість переглядати і відкривати приклади коду, які
ілюструють базову роботу з різними функціями та датчиками.
8. Налаштування плати та порту:
62
• У меню Tools можна вибрати модель Arduino-плати, яку ви
використовуєте, і COM-порт, до якого вона підключена.
• Це важливо для правильного завантаження коду на плату і взаємодії з
нею.

Arduino IDE є дуже популярним серед розробників, особливо серед
початківців, завдяки своїй простоті використання та широким
можливостям. Однак, існують також альтернативні середовища
розробки, такі як PlatformIO, які надають розширені функції та
інтеграцію з іншими платформами.
1. Можливість програмування на мові Arduino –ПЗ використовує
спеціальну мову програмування, яка базується на мові C/C++. Ця мова
має спеціальні функції та бібліотеки, спрощуючи роботу з платами
Arduino. Користувачі можуть використовувати функції для керування
вводом-виводом, роботи з аналоговими та цифровими пінами,
таймерами, перериваннями та іншими функціями платформи Arduino.
[14]
2. Підтримка інших мікроконтролерів –крім плат Arduino, Arduino IDE
також підтримує інші мікроконтролери, такі як ESP8266 та ESP32, що
дає змогу розширити можливості розробки Інтернету речей (IoT) та
бездротових додатків. [14]
3. Відлагодження коду – Arduino IDE надає прості інструменти для
відлагодження коду, такі як можливість додавати точки зупинки
(breakpoints) для зупинки виконання програми та перегляд значень
змінних у режимі реального часу. Це допомагає виявити й усунути
помилки в програмі.
4. Підтримка багатьох платформ– крім офіційних плат Arduino, Arduino
IDE також підтримує плати від інших виробників, таких як Adafruit,
SparkFun, Seeed Studio та інші. Це дозволяє розробляти програми для
63
різних мікроконтролерних плат, розширюючи можливості розробки.
[14]
5. Розширення функціональності – середовище розробки можна
розширити за допомогою додаткових плагінів та бібліотек. Існує
багато сторонніх плагінів, які додають нові функції, інтеграцію з
іншими середовищами розробки та покращену роботу зі складними
проектами. [14]
6. Можливість роботи офлайн – Arduino IDE може працювати в офлайн-
режимі, що дозволяє розробляти програми без необхідності
підключення до Інтернету. Це особливо зручно в ситуаціях, коли
доступ до мережі обмежений або відсутній. [14]
Arduino IDE є потужним інструментом для розробки програм для плат
Arduino та інших мікроконтролерів. Воно спрощує процес
програмування та дозволяє швидко розпочати роботу з розробкою
електронних проектів.
Так як Proteus Design може працювати і з платами Arduino лише
під’єднавши бібліотеку та не має проблем у візуалізації роботи програми
тому використання цього середовища моделювання залишається
актуальним.

2.3.2 Створення моделі стенду

Виконується створення нового проекта в Proteus.
Використавши бібліотеку плат Arduino обирається небхідна для
виконання проекту плата Arduino(рис. 2.14).
Arduino Uno уже готова плата, а не просто мікроконтролер як у
попередньому варіанті, тому кнопка скидання є уже вбудованою в плату і не
потребує зовнішнього підключення в реальній платі.
64
Живлення в реальній платі під’єднується по USB порту тому додатково
встановлюватись в Proteus не буде.

Рис.2.14.Образно знакова модель плати Arduino Uno.

Створення схеми освітлення LEDлампах.
Ця схема подібна до схеми перемикання живлення, тобто при подачі
сигналу на блок управлінняLIGHT відбувається розмикання та замикання
схеми освітлення, але в даному випадку він інвертує вихідні сигнали, тобто
початково розмикає схему(рис. 2.15)

Рис.2.15.Образно знакова модель керуванням освітлення
Надана модель керування освітлення приміщення може
використовуватись незалежно від блоків керування вимкнення верстату,
тому являється універсальним варіантом для підприємств.

Виконується компоновка схеми.
65
На цьому етапі всі раніше описані елементи об'єднуються в одну
функціональну систему, забезпечуючи злагоджену роботу. Важливо
врахувати модульність схеми освітлення, що дозволяє легко адаптувати її до
різних умов та потреб. Модульний підхід дає можливість змінювати чи
доповнювати компоненти без значних змін у всій системі, що знижує
витрати на обслуговування.

Рис.2.16.Модель структорної схемиз’єднання блоків керування до
монтажуплати ArduinoUno
На даному рисунку зображені такі елементи:
1. Блок схеми керування передачі сигналу про перемикання живлення до
мікроконтроллера.
2. Схема керування двигуном верстата №1.
3. Схема керування двигуном верстата №2.
66
4. Схема керування освітленням приміщення підприємтсва.
5. Схема перемикання резервного живлення на основне.
Під'єднання компонентів:
Інформаційні сигнали від датчиків роботи верстату, зворотній зв'язок
верстатів та інформація про живлення під’єднані до пінів 0-4 керуючі
сигнали відмикання верстатів, вимкнення світла та перемикання живлення
до пінві 8,9 та 12,13.
Перейдемо донаписання коду.

2.3.3Розробка програми Arduino Uno

const int inputPin1 = 1;
const int inputPin2 = 2;
const int inputPin3 = 3;
const int inputPin4 = 4;
const int outputPin1 = 8;
const int outputPin2 = 9;
const int outputPin3 = 13;
const int outputPin4 = 12;
В даному фрагменті коду відбувається ініціалізація та присвоєння
значень пінів для зчитування і видачі сигналів
void setup() {
pinMode(inputPin1, INPUT); // Установка піна 1 режим входу
pinMode(inputPin2, INPUT); // Установка піна 2 режим входу
pinMode(inputPin3, INPUT); // Установка піна 3 режим входу
pinMode(inputPin4, INPUT); // Установка піна 4 режим входу
pinMode(outputPin1, OUTPUT); // Установка піна 8 режим виходу
pinMode(outputPin2, OUTPUT); // Установка піна 9 режим виходу
pinMode(outputPin3, OUTPUT); // Установка піна 13 режим виходу
67
pinMode(outputPin4, OUTPUT); // Установка піна 12 режим виходу}
На цій діляці коду виконується установка пінів в режим входу і виходу
сигналів
void loop() {
int inputState1 = digitalRead(inputPin1);
int inputState2 = digitalRead(inputPin2);
if (inputState1 == HIGH && digitalRead(0) == HIGH) {
digitalWrite(outputPin1, HIGH);
} else {
digitalWrite(outputPin1, LOW);
}
В даній частині коду виконується перевірка стану вхідних пінів 1 та 2
та виконання умови з подачею сигналу на вимкнення верстату №1 при
увімкненому резервному живлені, якщо верстат працює або ж навпаки
резервне живлення не увімкнуто дія не відбувається.
if (inputState2 == HIGH && digitalRead(0) == HIGH) {
digitalWrite(outputPin2, HIGH);
} else {
digitalWrite(outputPin2, LOW);
}
В Даній частині коду виконується така ж сама умова вимкнення але
для верстату №2. Як і у випадку з мікроконтролером Atmega16 ця частина
коду може дублюватись в залежності від заданих задач підприємства і мають
обмеження тільки кількість доступних портів підключення.
if (inputState1 == HIGH && inputState2 == HIGH) {
int inputState3 = digitalRead(inputPin3);
int inputState4 = digitalRead(inputPin4);
if (inputState3 == LOW && inputState4 == LOW) {
digitalWrite(outputPin3, HIGH);
68
delay(5000);
digitalWrite(outputPin4, HIGH);
} else {
digitalWrite(outputPin3, LOW);
digitalWrite(outputPin4, LOW);
}
} else {
digitalWrite(outputPin3, LOW);
digitalWrite(outputPin4, LOW);
}
}
В даній частині коду виконується перевірка стану вхідних пінв 3 та 4
та виконання умов з подачею сигналів на вимкнення світла та виконання
затримки 5 секунд до перемикання живлення на постійне. Затримка може
бути змінена на будь яке інше значення потрібне для підприємства, також
вимкнення світла може бути не обов’язковим і також ситуативне для
кожного підприємства.

Робота программи:
При вмиканні плата ArduinoUno перевіяє наявність високого
потенціалу наконтакт 0 при його відсутності програма не виконує ніяких дій.
Далі відбувається перевірка стану кожного з верстатів за допомогою
SENSOR1 та SENSOR2 які приєднані до контактів 1 і 2 , в свою чергу
сигналізують про закінчення роботи верстатів та дозволяють програмі за
наявності вхідного сигналу PIN0 видавати керуючі сигнали на контактах 8
та9 для вимкнення верстатів. Далі програма аналізує значення з контактів 3
і 4 які дають інформацію про повне вимкнення верстатів, і якщо обидва
сигнали мають низький потенціал програма подає сигнал на контакт 13 тим
самим вимикаючи світло, після цього виконується затримка 5 секунд та
69
подача сигналу на контакт 12 для перемикання живлення з резервного на
основне. На цьому програма закінчує роботу та переходить на початок циклу
щоб в наступне перемикання живлення повторити процес.

Висновки до розділу 2

Другий розділ роботи зосереджений на розробці системи
автоматичного вимкнення металообробних верстатів при перемиканні на
резервне живлення, використовуючи мікроконтролери Atmega16 та Arduino
Uno. Основна задача полягає у створенні програмного забезпечення та
моделі системи, яка зможе автоматично вимикати обладнання під час
переходу на резервне живлення, тим самим забезпечуючи його захист та
запобігаючи можливим аваріям.
У першій частині розділу детально описується процес створення
системи для Atmega16, де основний акцент зроблено на програмуванні в
середовищі CodeVisionAVR, а для моделювання — на використанні Proteus
Design. Розроблена програма відслідковує стан живлення і забезпечує
автоматичне вимкнення верстатів у разі перемикання на резервне живлення.
Модель включає основні вузли, такі як датчики стану верстатів і керуючі
елементи для вимкнення живлення.
Друга частина розглядає створення аналогічної системи для Arduino
Uno, з використанням середовища розробки Arduino IDE. Описано
особливості Arduino, які можуть бути корисними для масштабних проектів,
як-от функції розширення та спілкування між платами. Програмний код
дозволяє здійснювати моніторинг стану верстатів і виконувати автоматичне
вимкнення та керування живленням у разі потреби.
Загалом, другий розділ показує гнучкість та ефективність різних
мікроконтролерів для реалізації систем автоматичного вимкнення,
70
акцентуючи на важливості налаштування відповідно до особливостей
підприємства та потреб у безпеці.

71
РОЗДІЛ 3
МЕТОД(И) ВИЗНАЧЕННЯ НАЙКРАЩОГО ДАТЧИКА ДЛЯ
СИСТЕМИ

3.1 Формування вимог та вибір типу датчика

У сучасному виробництві забезпечення точності та контролю на всіх
етапах обробки деталей є критично важливим завданням. Одним із
найважливіших моментів для правильної роботи розробленої програми є
отримання даних про падіння деталей після їх обробки на верстатах.
Виявлення падінь необхідне для оптимізації виробничого процесу. Для
цього необхідно вибрати відповідний датчик, який зможе ефективно
фіксувати цей процес у реальному часі, забезпечуючи зворотний зв'язок для
системи управління.

3.2.1 Вимоги до датчика
1. Швидкість реагування: Датчик повинен забезпечувати швидке
реагування на падіння, щоб своєчасно фіксувати цю подію.
2. Чутливість: Важливо, щоб датчик мав високу чутливість, щоб
виявляти навіть незначні удари або падіння.
3. Діапазон вимірювання: Датчик повинен мати адекватний діапазон
вимірювання, щоб охоплювати всі можливі сценарії падіння деталей
різної ваги та розмірів.
4. Стійкість до умов середовища: Оскільки виробниче середовище може
бути різноманітним, датчик має бути стійким до пилу, вібрацій і змін
температури.
5. Легкість інтеграції: Датчик повинен легко інтегруватися в існуючі
системи моніторингу та контролю якості.

72
Для обрання необхідних параметрів датчика для збору інформації
виконується розрахунок падіння металевої деталі у формі куба вагою 100
грам (0.1 кг) з висоти 40 сантиметрів (0.4 м).
Потенційна енергія Ep:
���� = �� ⋅ �� ⋅ ℎ (3.1)
Де:
• m— маса,
• g — прискорення вільного падіння (9.81 м/с²),
• h — висота.

���� = 0.1 ⋅ 9.81 ⋅ 0.4 = 0.3924Дж
Швидкість при ударі (використовуючи закон збереження енергії):
�� = √2 �� ℎ (3.2)
Де:
• v — швидкість при ударі,
• g — прискорення вільного падіння,
• h — висота.

�� = √2 ⋅ 9.81 ⋅ 0.4 ≈ √7.848 ≈ 2.8м/с

Сила удару (через зміну імпульсу):
��∗��
�� = (3.3)
��
Де:
• m — маса,
• v — швидкість при ударі,
• t — час контакту.

73
0.1 ⋅ 2.8
�� = = 2.8Н
0.1
Тиск в паскалях (Па):
��
�� = (3.4)
��
• F — сила,
• A — площа контакту.
22.8Н
�� = = 280Па
0.01м2

3.2.2 Вибір типу датчика

Розглядається декілька типів датчиків для зчитування інформації про
падіння деталі після проведення обробки на верстаті.
1. Датчики вібрацій
Вібраційні датчики (акселометри) використовуються для виявлення вібрацій
і коливань, які можуть свідчити про падіння деталі.
Переваги:
• Чутливість до змін вібрацій, що дозволяє швидко виявити падіння.
• Можливість встановлення на різних типах верстатів.
Недоліки:
• Можуть реагувати на зовнішні вібрації (наприклад, від інших
верстатів), що призводить до хибних спрацьовувань.
• Вимагають калібрування для точного визначення порогових значень.
• Погана робота в умовах високих вібрацій або шуму.
2. Оптичні датчики
Оптичні датчики використовують світло для виявлення об'єктів. Вони
можуть бути лазерними або інфрачервоними.
Переваги:
• Висока точність і швидкість виявлення.
74
• Можливість безконтактного зчитування, що зменшує ризик
пошкодження деталі.
Недоліки:
• Чутливість до забруднень (пил, бруд) на оптичних елементах, що може
призвести до помилок у зчитуванні.
• Потребують прямої видимості, тому можуть бути неефективними в
умовах обмеженого простору.
• Можуть не спрацювати при швидкому падінні, якщо деталь виходить
за межі зони зчитування.
3. Магнітні датчики
Магнітні датчики (наприклад, герконові) реагують на зміни магнітного поля.
Вони можуть бути використані для фіксації положення деталей.
Переваги:
• Стійкість до забруднень і пилу.
• Простота установки та експлуатації.
• Довговічність і надійність.
Недоліки:
• Потребують наявності магнітних елементів у деталях (можливість
обмеженого застосування).
• Можуть бути чутливими до змін навколишнього магнітного поля, що
призводить до помилкових спрацьовувань.
• Виявлення падіння може бути непрямим, що вимагає додаткових
систем для точної фіксації.
4. Тензометричні датчики
Тензометричні датчики, або тензодатчики, — це пристрої, які
використовують для вимірювання деформації матеріалів. Вони працюють на
принципі зміни електричного опору в результаті механічних деформацій, які
виникають при навантаженні. Тензометри зазвичай виготовляються з тонкої
75
металевої стрічки (зазвичай з нікелю або золота), закріпленої на основі, яка
деформується під навантаженням.
Переваги тензометричних датчиків:
1. Висока точність:Тензометричні датчики забезпечують високу точність
вимірювань, що особливо важливо для контролю якості в
металообробці.
2. Чутливість: вони чутливі до малих змін у деформації, що дозволяє
виявляти навіть незначні падіння або зміщення деталей.
3. Широкий діапазон вимірювань: Тензодатчики можуть
використовуватися для вимірювання різних навантажень і
деформацій, що робить їх універсальними для різних типів верстатів.
4. Надійність: Вони мають високу стійкість до механічних впливів і
довгий термін служби, що є важливим фактором у промисловому
середовищі.
5. Простота інтеграції: Тензометричні датчики легко інтегруються в
системи автоматизації та управління, що дозволяє безперешкодно їх
використовувати в існуючих технологічних процесах.
Недоліки тензометричних датчиків:
1. Чутливість до температури: Тензометричні датчики можуть бути
чутливими до змін температури, що може вплинути на точність
вимірювань. Для компенсації температури можуть знадобитися
додаткові вимірювальні системи.
2. Калібрування: Необхідність регулярного калібрування для підтримки
точності та надійності вимірювань.

Виходячи з вище наведених типів датчиків, було вирішено обрати для
проекту тензометричні датчики через такі позитивні характеристики для
проекта:
76
• Висока чутливість і точність вимірювань дозволяє точно
контролювати процеси обробки, що сприяє покращенню якості
продукції та зменшенню відходів.
• Надійність і довговічність забезпечують стабільну роботу в умовах
виробництва, де можливі механічні навантаження та вібрації.
• Гнучкість у використанні: тензодатчики можуть бути адаптовані до
різних типів верстатів і процесів, що дозволяє знизити витрати на
обладнання та його обслуговування.
• Легкість інтеграції в автоматизовані системи управління робить їх
ідеальним вибором для сучасних виробничих підприємств.

3.2 Тензорезистивні датчики

Ринок тензорезистивних датчиків є досить конкурентним, і на ньому
представлені як великі міжнародні компанії, так і спеціалізовані виробники.
Серед відомих брендів, що виробляють тензорезистивні датчики, можна
виділити:

1. TE Connectivity
• TE Connectivity — один з провідних світових виробників компонентів
для підключення та передачі даних у різних галузях, включаючи
автомобільну, промислову та медичну. Компанія має репутацію
завдяки надійності своїх компонентів та рішень, які відповідають
високим стандартам якості та безпеки.
• Датчик: TE Connectivity FX1901 (FX1901-0001-0050-L)
o Особливості: Цей тензодатчик компактний і підходить для
вимірювань у діапазоні до 500 Н. Використовується в медичних
пристроях та лабораторних вимірюваннях. Має корпус із
77
алюмінію, що дозволяє працювати у температурному діапазоні
від -40°C до +85°C та забезпечує захист IP65.
2. Sensotec (Honeywell)
• Sensotec, підрозділ Honeywell, спеціалізується на виробництві
датчиків і систем для вимірювань сили, тиску та переміщення.
Honeywell — міжнародний технологічний гігант, відомий своєю
надійною продукцією для аерокосмічної, оборонної, медичної та
інших галузей.
• Датчик: Sensotec Model 31 (Model 31-10N)
o Особливості: Призначений для точного вимірювання сили до
1000 Н. Цей тензодатчик може працювати при екстремальних
температурах (від -55°C до +125°C) і має захист IP66, що
дозволяє використовувати його у промислових умовах.
3. Honeywell
• Honeywell відомий розробкою продуктів для широкого спектру
ринків, від авіації до побутових електронних приладів. Їхні
тензодатчики вирізняються високою надійністю та точністю, що
робить їх популярними в промислових і лабораторних вимірюваннях.
• Датчик: Honeywell Model 41 (41-10N)
o Особливості: Датчик може вимірювати сили до 1000 Н із
чутливістю 3 мВ/В. Підходить для використання у температурах
від -55°C до +93°C та має корпус з нержавіючої сталі,
забезпечуючи захист IP65, що дозволяє використовувати його як
у лабораторіях, так і в промислових середовищах.
4. ATI Industrial Automation
• ATI Industrial Automation спеціалізується на розробці та виробництві
інструментів для робототехніки, зокрема датчиків для вимірювання
сили та моменту. Продукти компанії використовуються у точних
додатках, таких як складальні роботи та автоматизоване тестування.
78
• Датчик: ATI Industrial Automation Nano17 (Nano17)
o Особливості: Nano17 розроблений для високоточного
вимірювання сил до 700 Н. Має дуже високу чутливість (0.5
мВ/В) та компактний розмір, що робить його придатним для
робототехніки та точних лабораторних застосувань. Корпус із
нержавіючої сталі та захист IP65 дозволяють використовувати
його в умовах із підвищеними вимогами до чистоти та точності.
5. Transducer Techniques
• Transducer Techniques спеціалізується на виробництві тензодатчиків та
аксесуарів для вимірювання навантаження. Вони відомі широким
асортиментом рішень для вимірювання сил у промисловості та
тестових лабораторіях.
• Датчик: Transducer Techniques MDB Series (MDB-1K)
Особливості: MDB-1K має максимальний діапазон вимірювань до
1000 Н. Завдяки температурному діапазону від -40°C до +85°C і захисту
IP67, цей датчик підходить для жорстких промислових умов. Корпус із
нержавіючої сталі забезпечує стійкість до зовнішніх факторів.
6. Interface
• Interface — американський виробник тензодатчиків, відомий якісними
рішеннями для вимірювання сили, ваги та тиску. Їх продукція
використовується в багатьох галузях, включаючи оборонну,
аерокосмічну та медичну.
• Датчик: Interface SSB Sealed Beam Load Cell (SSB-1K)
Особливості: SSB-1K може вимірювати навантаження до 1000 Н.
Завдяки корпусу з нержавіючої сталі, захисту IP67 та температурному
діапазону від -20°C до +80°C, цей тензодатчик підходить для промислових
вимірювань та застосувань у жорстких умовах.

Таблиця 3.1
79
Реляційна модель даних тензодатчиків
Параметри Діапазон Чутлив Температу Допусти Ціна
вимірюва ість рний ме (Грн) Лінійність
№ нь (Н) (мВ/В) діапазон Перенава /повторюваніст
з/п (K) нтаження ь (%)
Виробник (%)
Модель
1 TE Connec- 0 — 500 1 233 — 358 150 4000 ±0.1/±0.05
tivity
FX1901-
0001-0050-L
2 Sensotec 0 — 1000 2 218 — 398 200 7000 ±0.2/±0.05
Model 31-10N
3 Honeywell 0 — 1000 3 218 — 366 150 8500 ±0.25/±0.1
41-10N
4 ATI Industrial 0 —700 0.5 233 — 358 200 5000 ±0.1/±0.05
Auto-
mationNano1
7

5 Transducer 0 — 1000 2 233 — 358 150 6000 ±0.15/±0.1
Techniques
MDB-1K
6 Interface SSB 0 — 1000 2 253 — 353 300 10000 ±0.2/±0.1
SSB-1K

Розрахунок критеріїв для параметрів тензодатчиків:
Критерій, безрозмірна величина якого,що характеризує діапазон
вимірюваннятензодатчика:
ДВ
К = датчика
ДВ (3.5)
ДВМакс

Критерій, безрозмірна величина якого,що характеризує чутливість
тензодатчика:
Ч
К = датчика
Ч (3.6)
ЧМакс

80
Критерій, безрозмірна величина якого,що характеризує температурного
діапазону тензодатчика:

∆��
К = датчика
ТД (3.7)
∆��Макс

Критерій, безрозмірна величина якого,що характеризує допустимого
перевантаження тензодатчика:
ДП
К = датчика
ДП (3.8)
ДПМакс

Критерій, безрозмірна величина якогощо характеризуєціновий діапазон
тензодатчика:
Ц
К = датчика
Ц (3.9)
ЦМакс

Критерій, безрозмірна величина якого,що характеризуєлінійність:
Л
К датчика
Л = (3.10)
ЛМакс
Критерій, безрозмірна величина якого,що характеризує повторюваність:
П
К = датчика
П (3.11)
ПМакс

Всі розрахованні критерії наведені в таблиці 3.2

Таблиця 3.2
81
Реляційна модель розрахованих критеріїв для параментів
тензодатчиків

Параметри КДВ КЧ КТД КДП КЦ КЛ КП

№

з/п
ВиробникМоде
ль
1 TE Connec- 0.5 0.333 0.694 0.5 0.4 0.4 0.5
tivity FX1901-
0001-0050-L
2 Sensotec Model 1 0.667 1.000 0.667 0.7 0.8 0.5
31-10N

3 Honeywell41- 1 1 0.822 0.5 0.85 1 1
10N

4 ATI Industrial 0.7 0.167 0.694 0.667 0.50 0.4 0.5
Auto-
mationNano17

5 Transducer 1 0.667 0.694 0.5 0.60 0.6 1
Techniques

MDB-1K

6 Interface SSB 1 0.667 0.556 1 1 0.8 1

SSB-1K

Для прискорення процесу вибора найкращих, запропонованно гістограма
основних технічних параметрів у безрозмірних координатах , на таких
рисунках: (рис 3.1.);(рис 3.2.);(рис. 3.3);(рис 3.4).

82
На базі критеріальних рівнянь (3.5) та (3.6) і даних параметрів тензодатчиків
(табл. 3.2) створюється гістограма основних технічних параметрів у
безрозмірних координатаха, зображено на рис. 3.1.
1,2
3
1
2,5,6
0,8
0,6
1 4
0,4
0,2
0
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
Кдв
Рис. 3.1.Гістограма залежностей критеріїв чутливості і діапазону
вимірювань датчиків.
Примітка:цифри 1,2, …, 6 відповідають тензодатчикам з табл 3.2.
Виходячи з аналізу гістограми наведеної на рис. 3.1. найкращим
тензодатчиком по критеріям діапазону вимірювання і чутливості є датчик
Honeywell 41-10N

На базі критеріальних рівнянь (3.7) та (3.8) і даних параметрів
тензодатчиків (табл. 3.2) створюється гістограма основних технічних
параметрів у безрозмірних координатаха, зображено на рис. 3.2.

Кч
83
1,2
6
1
4
0,8 2
1,5 3
0,6
0,4
0,2
0
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3
Кдп
Рис. 3.2.Гістограма залежностей критеріївтемпературного діапазону і
діапазону перенавантажень датчиків.
Примітка:цифри 1,2, …, 6 відповідають тензодатчикам з табл 3.2.
Виходячи з аналізу гістограми наведеної на рис. 3.2. найкращим
тензодатчиком по критеріям температурного діапазону і діапазону
перенавантаження є датчик Sensotec Model 31-10N маючи найвищу оцінку
по критерію діапазона перенавантаження та достатьньо високий критерій
температурного діапазону.
Слід зазначити що датчик Interface SSB-1K має також високий результат за
критерієм оцінки температурного діапазону, що може бути корисним для
інших виробництв.

На базі критеріальних рівнянь (3.6) та (3.9) і даних параметрів
тензодатчиків (табл. 3.2) створюється гістограма основних технічних
параметрів у безрозмірних координатаха, зображено на рис. 3.3.

Ктд
84
1,2
3
1
0,8 5 2
6
0,6 1
0,4
4
0,2
0
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
Кц

Рис. 3.3.Гістограма залежностей критеріїв чутливості і ціни тензодатчиків.
Примітка: цифри 1,2, …, 6 відповідають тензодатчикам з табл 3.2.
Виходячи з аналізу гістограми наведеної на рис. 3.3. найкращим
тензодатчиком по критеріям чутливості і ціни є датчик Sensotec Model 31-
10N, маючи найвищий критерій чутливості, та високий критерій ціни.
Слід зазначити що тензодатчик Transducer Techniques MDB-1K має
достатньо високий критерій чутливості, та більш малим критерієм ціни, що
може бути хорошим варіантом для низькобюджетних проектів яким не
потрібна максимальна чутливість тензодатчиків.

На базі критеріальних рівнянь (3.10) та (3.11) і даних параметрів
тензодатчиків (табл. 3.2) створюється гістограма основних технічних
параметрів у безрозмірних координатаха, зображено на рис. 3.3.

Кч
85

1,2
5 6 3
1
0,8
2
0,6 1,4
0,4
0,2
0
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1
Кп
Рис. 3.4.Гістограма залежностей критеріїв лінійності і повторюваності
тензодатчиків.
Примітка: цифри 1,2, …, 6 відповідають тензодатчикам з табл 3.2.
Виходячи з аналізу гістограми наведеної на рис. 3.4. найкращими
тензодатчикоми по критеріям лінійності і повторюваності є датчики TE
Connec-tivity FX1901-0001-0050-L та ATI Industrial Auto-mationNano17, які
мають найнижчі критерій лінійності та повторюваності.
Кл
86
ВИСНОВКИ

У кваліфікаційній роботі магістра вирішені наступні задачі:
• Проведено аналіз автоматизованих систем контролю виробничих
процесів металообробки, що дозволило вивчити ключові компоненти
таких систем, як сенсори, програмне забезпечення, інтерфейси
користувача та елементи управління. Зроблено висновки про значущість
використання штучного інтелекту в АСКВП для покращення точності,
швидкодії та безпеки процесів, а також про переваги автоматизованих
систем у зменшенні витрат на матеріали, енергоресурси та виявленні
аномалій в режимі реального часу.
• Розроблено систему автоматичного вимкнення металообробних
верстатів при переході на резервне живлення на базі мікроконтролера
Atmega16. Для цього використано програмне середовище
CodeVisionAVR, створено електронну модель системи та виконано її
тестування за допомогою Proteus Design Suite. Розроблено алгоритм,
який забезпечує безпечне вимкнення обладнання після завершення
обробки деталі.
• Створено альтернативну систему автоматичного вимкнення на базі
Arduino Uno. Вона додатково включає функцію контролю освітлення
робочої зони, а програмне забезпечення розроблено в Arduino IDE.
Аналогічно до попередньої системи, проведено симуляційне тестування
для перевірки працездатності.
• Обґрунтовано вибір датчиків для системи шляхом порівняння різних
типів сенсорів та розроблено узагальнену інформаційну модель. Це дало
змогу визначити найкращі технічні характеристики для забезпечення
надійного функціонування системи.
• Розроблено апаратну модель для тестування та впровадження
розробленої системи. Створено електричні принципові схеми для обох
87
типів системи, які враховують можливості сучасних мікроконтролерів.
Проведені випробування підтвердили ефективність роботи системи в
умовах імітації реальних виробничих процесів.
Таким чином, проведені дослідження та розробки підтвердили
доцільність використання розроблених рішень для підвищення
ефективності, надійності та безпеки роботи металообробних верстатів в
умовах нестабільного енергопостачання.
88
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

[1] A.K. Ghosh, Introduction to Measurement and Instrumentation,
Великобританія, 568 с.
[2] Arduino Uno [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим доступу:
https://doc.arduino.ua/ru/hardware/Uno/ (дата звернення 20.11.2024) – Назва
з екрана.
[3] Mikell P. Groover, Automation, Production Systems, and Computer-
Integrated Manufacturing, USA, Lehigh University.—Fourth edition, 2015.
[4] Tuan Anh Nguyen, Digital Manufacturing: Principles, Systems and
Applications, Australia Queensland University of Technology, 2016.
[5] О.П. Гришко, І.А. Бугай, Сенсори і перетворювачі в автоматизації,
Україна, 340 с.
[6] Ю.М. Хміль, В.В. Коваль, Тензорезисторні сенсори в системах
вимірювання, Україна, 224 с.
[7] М.І. Барабаш, В.М. Коваль, Штучний інтелект у технологіях і
виробництві, Україна, 256 с.
[8] Блок схема [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим доступу:
https://uk.wikipedia.org/wiki/Блок-схема (дата звернення 21.10.2024).
[9] Лимаренко В.В., Гугнин В.Н. Использование нейронных сетей для
прогнозирования износа инструмента. International scientific and practical
conference «Modern Scientific Researches and Developments: theoretical value
and practical Results». (15-18 March, 2016, Bratislava) Bratislava, 2016. P. 78.
[10] Лимаренко В.В. Использование технологий искусственного
интеллекта для параметрической оптимизации процессов
механообработки материалов. Матеріали шостої міжнародної конференції
студентів і молодих вчених «Сучасні інформаційні технології 2016». (25-27
квітня, 2016, м. Одеса) Одеса, 2016. С. 57-58.
[11] Лимаренко В.В., Хавина И.П., Гугнин В.Н. Использование аппарата
89
искусственного интеллекта для расчета слабо формализованных
параметров механообработки изделий точением. Матеріали міжнародної
наукової конференції «Інтелектуальні системи прийняття рішень і
проблеми обчислювального інтелекту». (25-28 травня, 2016, м. Залізний
порт) Херсон, 2016. С. 197-199.
[12] Нетахата Ю. В., Нечипоренко О. В. Система автоматичного вимкнення
металообробних верстатів при перемиканні на резервне живлення за
допомогою мікроконтролера // Збірник тез доповідей студентської науково-
практичної конференції ЧДТУ: 23-24 квітня 2024 р. Черкаси : ЧДТУ, 2024.
С. 14-15.
[13] Нетахата Ю., Нечипоренко О., Семененко Д. Розробка блоку
управління системами верстата DECKEL MAHO DC 50 V // Інформаційні
моделюючі технології, системи та комплекси (ІМТСК-2024): V міжнародна
науково-практична конференція. 18-19 квітня 2024 р., Черкаси, Україна.
Черкаси : Черкаський національний університет імені Богдана
Хмельницького, 2024. С. 54-55.
[14] Нетахата Ю., Нечипоренко О., Семененко Д. Система дистанційного
управління верстата для перемотування плівки // Матеріали 1-ї
Міжнародної науково-практичної конференції «Інформаційні системи та
технології: результати і перспективи» (IST 2024), 6 березня 2024 р., Київ,
Україна. Київ : ФІТ КНУТШ, 2024. С. 191-194.
[15] Нетахата Ю., Нечипоренко О., Семененко Д. Автоматизована система
контролю виробничого процесу металообробки // Комп’ютерне
моделювання та оптимізація складних систем (КМОСС-2023): матеріали
[16] О.І. Ляшенко, Ю.І. Дідковський, Інтелектуальні системи в
автоматизації, Україна, 368 с.
[17] Пальчевський Б. О. Дослідження технологічних систем (моделювання,
проектування, оптимізація) / Б. О. Пальчевський. – Львів : Світ, 2001.
90
[18] Посібник по роботі з CodeVisionAVR [Електронний ресурс] : [Веб-
сайт]. – Режим доступу: https://www.thierry-lequeu.fr/data/CodeVisionAVR-
3-20-User-Manual.pdf (дата звернення 20.10.2024) – Назва з екрана.
[19] Посібник по роботі з Proteus [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. –
Режим доступу: https://labcenter.s3.amazonaws.com/downloads/Tutorials.pdf
(дата звернення 22.10.2024) – Назва з екрана.
[20] Практичний курс (Arduino) [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. –
Режим доступу: https://coursehunters.net/course/kurs-arduino-arduino-
prakticheskiy-kurs/ (дата звернення 21.11.2024) – Назва з екрана.
[21] Програмування Ардуіно [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим
доступу: https://docs.arduino.cc/software/ide-v2 (дата звернення 22.11.2024)
– Назва з екрана.
[22] Сайт Arduino [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим доступу:
www.arduino.cc/ (дата звернення 20.11.2024) – Назва з екрана.
[23] Сайт програми CodeVisionAVR [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. –
Режим доступу: https://www.codevision.be (дата звернення 22.11.2024) –
Назва з екрана.
[24] Сайт програми Proteus [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим
доступу: https://www.labcenter.com (дата звернення 20.11.2024) – Назва з
екрана.
[25] Специфікація Atmega16 [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим
доступу: https://octopart.com/datasheet/atmega16-16pu-microchip-77759861
(дата звернення 21.11.2024) – Назва з екрана.
[26] Специфікація Arduino Uno [Електронний ресурс] : [Веб-сайт]. – Режим
доступу: https://docs.arduino.cc/resources/datasheets/A000066-datasheet.pdf
(дата звернення 22.11.2024) – Назва з екрана.
[27] Павленко М. А., Шило С. Г., Борозенець І. О., Дмитрієв О. М. Напрями
розробки інтелектуальних моделей та методів обробки інформації для
управління процесом інформаційної підтримки прийняття рішень в
91
автоматизованих системах управління повітряним рухом. Системи
управління, навігації та зв'язку. Полтава, 2018. Вип. 5(51). С. 24–28. URL:
http://nbuv.gov.ua/UJRN/suntz_2018_5_7.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets