Розробка безконтактного пристрою для вимірювання температури

Шкода, Дмитро Олегович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7952

Full metadata record

DC Field	Value	Language
dc.contributor.advisor	Воробкало, Тетяна Василівна	-
dc.contributor.author	Шкода, Дмитро Олегович	-
dc.date.accessioned	2026-03-12T10:44:37Z	-
dc.date.available	2026-03-12T10:44:37Z	-
dc.date.issued	2021	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/7952	-
dc.description.abstract	Мета роботи – розробка безконтактного вимірювача температури з додатковими функціональними можливостями, який можливо використовувати в різних галузях промисловості	uk_UA
dc.language.iso	uk	uk_UA
dc.subject	пірометр	uk_UA
dc.subject	мікроконтролер	uk_UA
dc.subject	інфрочерваний метод	uk_UA
dc.title	Розробка безконтактного пристрою для вимірювання температури	uk_UA
dc.type	Bachelor Thesis	uk_UA
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Шкода_Воробкало.pdf Restricted Access		2.03 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show simple item record

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ І РОБОТОТЕХНІКИ
КАФЕДРА РАДІОТЕХНІКИ, ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ І
РОБОТОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
бакалавра
(освітній ступінь)

на тему: Розробка безконтактного пристрою для вимірювання температури

Виконав: студент 4 курсу, групи CКРТ-97
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
(освітня програма – «Радіотехніка та
робототехнічні системи»)
Шкода Д.В.
(прізвище та ініціали)
Керівник Воробкало Т.В.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Стась С.В.
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2021 року
Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра радіотехніки, телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітня програма Радіотехніка та робототехнічні системи
Спеціальність 172 – «Телекомунікації та Радіотехніка»

ЗАТВЕРДЖУЮ
Зав. кафедри РТРС
д.т.н., професор Палагін В.В.

« » 2021 р.

ЗАВДАННЯ
на дипломний проект (роботу) здобувачу освітнього ступеня
«бакалавр»
(назва ступеня)
Шкоді Дмитру Олеговичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Розробка безконтактного пристрою для вимірювання температури

затверджена наказом по університету від « 19 » 02.2021 р. № 53/01
2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 11.06.2020 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) діапазон вимірювання температур – -50°C …+350°C,
вимірювання температури – ±1°C, функція автоматичного запису показників, кількість записів
показників – не менше 1000, наявність інтерфейсу для підключення до комп’ютера, низька
споживча потужність.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)______
Вступ 1. Аналіз аналогічних пристроїв. 2. Розробка структурної схеми пристрою,
3. розробка та розрахунок принципової схеми пристрою. 4. охорона праці. Висновки.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)
Схема структурна, Схема електрична принципова, Друкована плата, Складальне креслення,
Плакат з охорони праці

6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Розділ Консультант завдання завдання
видав прийняв
1. Охорона праці Кожем’якін Олексій Сергійович

7. Дата видачі завдання
Керівник Т.В. Воробкало
(підпис) (ініціали, прізвище)
Студент О.Д. Шкода
(підпис) (ініціали, прізвище)

Календарний план
Пор. Назва етапів дипломного Т е р м і н виконання етапів П р и мітка
№ проекту (роботи) проекту (роботи)

1. Інформаційно-технічний пошук
11.01.2021
та огляд літератури
08.02.2021
3. Обґрунтування технічного завдання
22.02.2021
4. Розробка структурної схеми пристрою
29.03.2021
5. Розробка принципової схеми пристрою
10.04.2021
6. Розрахунок схеми
30.04.2021
7. Охорона праці
25.05.2021
8. Оформлення пояснювальної записки
11.06.2021
9. Оформлення креслень

Студент О.Д. Шкода
(підпис)
Керівник проекту Т.В. Воробкало
(підпис)

ЗМІСТ
сторінка
Вступ ………………………………………………………………………………...5

Розділ 1. ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ
АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ ……..…................................................................7
1.1. Методи та засоби вимірювання температури …………………………...7
1.1.1. Поняття температури……………………………………………....7
1.1.2. Класифікація методів і приладів для вимірювання
температури……………………………………………………………….8
1.1.3. Безконтактні методи вимірювання температури……………….10
1.1.4. Основні характеристики вимірювачів температури……………12
1.2. Огляд промислових безконтактних вимірювачів температури ……….13
1.3. Радіоаматорські безконтактні вимірювачі температури ………………17

Розділ 2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ……...25
2.1. Обґрунтування технічного завдання........................................................25
2.2. Розробка структурної схеми …….………………………………………26

Розділ 3. РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ
ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ …………............................................................29
3.1. Вибір мікроконтролера ……………………..…………...........................29
3.2. Вибір та підключення термодатчика ………...........................................35
3.3. Вибір та підключення дисплея ………………………………………….40
3.4. Розробка панелі керування ……………………………………………...44
3.5. Розробка вузла захисту …………………………….................................47
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Лист № докум. Підпис Дата
Розроб. Шкода Д.О. Літ. Арк. Акрушів
Є Пведроеквиірм.е нко Розробка безконтактного
Воробкало Т.В. 3 85
пристрою для

Н. Контр. Воробкало Т.В. вимірювання температури ЧДТУ
Затверд. Палагін В.В.
3.6. Реалізація інтерфейсу UART та USB/UART-адаптера ……………….49
3.7. Реалізація інтерфейсу Spy-Bi-Wire …………………………………….52
3.8. Розробка перетворювача напруги ………………………………………53
3.9. Підключення напівпровідникового лазера …………………………….58

Розділ 4. ОСОБЛИВОСТІ ПРОГРАМУВАННЯ ТА НАЛАШТУВАННЯ
ПРИСТРОЮ ...................................................................................................61
4.1. Складання та налаштовування пристрою ……………………………...61
4.2. Розрахунок надійності пристрою……………………………………….63

Розділ 5. ОХОРОНА ПРАЦІ..................................................................................67
5.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають при роботі
на модельній дільниці …………………….............................................67
5.2. Розробка системи звукопоглинання в приміщені модельної
дільниці………………………………………………….……………….73

Висновки ............................................................................................................…..82
Список використаної літератури….....................................................................84
Додатки……………………………………………………………………………..86
Арк
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
4
Змн Арк № докум. Підпис Дата

ВСТУП
У ряді випадків контактні методи дослідження температури неможливі або
пов'язані з великими ризиками для оператора. До таких належать: вкрай високий
нагрів - в сталеливарній або скляної промисловості; вплив сильних
електромагнітних полів - надпотужні приймачі радіочастот, високовольтні лінії
електропередач; велика віддаленість або висока швидкість пересування цілі -
дослідження теплоізоляційних параметрів будівель і споруд, зберігання харчових
продуктів та ін.
Вимірювання температури на відстані засноване на реєстрації теплового
випромінювання в інфрачервоному діапазоні хвиль. Найбільшого поширення
набули безконтактні прилади вимірювання температури, що називаються
пірометрами.
Принцип дії пірометра заснований на визначенні потужності теплового
випромінювання об’єкта переважно в діапазонах інфрачервоного та видимого
спектру [1].
Один з перших пірометрів винайшов голландський фізик Пітер ван
Мушенбрук. Спочатку термін використовувався стосовно приладів, призначених
для вимірювання температури візуально, по яскравості та кольору дуже нагрітого
(розпеченого) об’єкта. Але тепер розуміння цього терміну значно розширено,
зокрема, деякі типи пірометрів вимірюють досить низькі температури – 0°C і
навіть нижче.
Розвиток сучасної пірометрії і портативних пірометрів почалося з середини
60-х років минулого століття і продовжується до цих пір. Саме в цей час були
зроблені найважливіші фізичні відкриття, що дозволили почати виробництво
промислових пірометрів з високими споживчими характеристиками і малими
габаритними розмірами.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
5
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Перший портативний пірометр був розроблений і виготовлений
американською компанією «Wahl» в 1967 році. Новий принцип побудови
порівняльних паралелей, коли висновок про температуру тіла проводився на
основі даних інфрачервоного приймача, дозволив істотно розширити межі
вимірювання температур твердих і рідких тіл.
В наш час безконтактні інфрачервоні вимірювачі температури широко
використовуються в різноманітних галузях промисловості. До таких можна
віднести металургійну промисловість, виробництво пластмас і виробів з них,
виробництво скляних виробів, електротехнічну промисловість, харчову
промисловість та інші. Основною особливістю інфрачервоних вимірювачів
температури є безконтактний метод вимірювання, який дозволяє проводити
вимірювання в місцях, недоступних для контактних методів вимірювання.
Контроль температури в технологічних процесах дозволяє підвищити якість
продукції, передбачити аварійні ситуації, продовжити термін експлуатації
обладнання [2].
Метою випускної кваліфікаційної роботи бакалавра є розробка
безконтактного вимірювача температури з додатковими функціональними
можливостями.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
6
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

1. ІНФОРМАЦІЙНИЙ ПОШУК ТА АНАЛІЗ
АНАЛОГІЧНИХ ПРИСТРОЇВ

1. 1. Методи та засоби вимірювання температури

1.1.1. Поняття температури
Вимірювання температури - предмет теоретичної та експериментальної
дисципліни - термометрії, частина якої охоплює температури понад 500 ° С і
називається пірометрами.
Найбільш загальне визначення поняття температури, що випливає з другого
закону термодинаміки, формулюється виразом:

Т = dQ/dS,

де Т - абсолютна температура ізольованої термодинамічної системи, dQ - приріст
тепла, який надається цій системі, і dS - приріст ентропії цієї системи.
Наведений вираз інтерпретується наступним чином: температура є міра
збільшення тепла, наданого ізольованою термодинамічною системою і
відповідного приросту ентропії системи, що відбувається при цьому, чи, інакше
кажучи, зростанню невпорядкованості її стану.
Мала наочність строгих визначень поняття температури, справедливих до
того ж тільки для термодинамічно рівноважних систем, привела до широкого
поширення "утилітарного" визначення, що виходить із суті явища передачі
енергії: температура - це тепловий стан тіла або системи, що характеризується
його здатністю обмінюватися теплом з іншим тілом (або системою).
"Сенсорна" температуpa суб'єктивно оцінюється людиною безпосередньо,
але лише якісно і у відносно вузькому інтервалі, фізична ж температуpa
вимірюється кількісно і об'єктивно, за допомогою приладів, але тільки побічно -
за значенням будь-якої фізичної величини, що залежить від вимірюваної
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
7
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

температури. Тому в останньому випадку встановлюють певне опорне значення
стану обраної для цієї мети температуро залежної фізичної величини і
приписують йому деяке певне числове значення температури з тим, щоб будь-яка
зміна стану обраної фізичної величини щодо опорного могло бути виражено в
одиницях температури. Сукупність значень температури, що відповідають ряду
послідовних змін стану утворює температурну шкалу. Найбільш поширені
температурні шкали: Цельсія, Фаренгейта, Реомюра, Кельвіна і Ранкіна.
Температурні шкали Кельвіна і Цельсія Основною одиницею виміру
термодинамічної температури і одночасно однією з основних одиниць
Міжнародної системи одиниць (СІ) є градус Кельвіна. Розмір (температурний
проміжок) 1 градуса Кельвіна визначається тим, що значення термодинамічної
температури потрійної точки води встановлено рівним в точності 273,16 ° К. Ця
температура, при якій вода рівносильно співіснує в трьох фазах: твердої, рідкої і
газоподібної, прийнята в якості основного репера внаслідок її високої
відтворюваності, на цілий порядок кращою, ніж відтворюваність температур
замерзання та кипіння води.
Градус Цельсія, в одиницях якого також може бути виражена
термодинамічна температура, за своїм температурним проміжком в точності
дорівнює градусу Кельвіна, але числове значення будь-якої температури в
градусах Цельсія на 273,15 градусів більше значення тієї ж температури в
градусах Кельвіна.

1.1.2. Класифікація методів і приладів для вимірювання температури
Вимірювання температури тіла або середовища може бути здійснено двома
принципово різними непрямими шляхами. Перший шлях веде до вимірювання
значень одного з температуро-залежних властивостей або параметрів стану
безпосередньо самого тіла або середовища, другий - до вимірювання значень
температуро-залежних властивостей або параметрів стану допоміжного тіла,
наведеного (прямо чи опосередковано) в стані теплової рівноваги з тілом або
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
8
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

середовищем, температуpa яких вимірюється . Допоміжне тіло, що служить для
цих цілей і є датчиком комплектного приладу для вимірювання температури,
називається термометричним (пірометричним) зондом, або термоприймачем.
Тому всі методи і прилади для вимірювання температури поділяються на дві
принципово різні групи: беззондові і зондові. Термоприймач або який-небудь
допоміжний пристрій приладу може бути приведено в пряме механічне зіткнення
з тілом або середовищем, температура яких вимірюється, або ж між ними може
здійснюватися лише "оптичний" контакт. Залежно від цього всі методи і прилади
для вимірювання температури діляться на контактні і безконтактні.
Пірометри можна поділяти за кількома основними ознаками.
За принципом роботи пірометри поділяють на:
• оптичні – дозволяють візуально, як правило, без використання спеціальних
пристроїв, визначати температуру нагрітого тіла шляхом порівняння його
кольору з кольором еталонної нитки;
• радіаційні – оцінюють температуру за допомогою перерахованого показника
потужності теплового випромінювання; якщо пірометр вимірює в широкій
смузі спектрального випромінювання, то такий пірометр називають
пірометром повного випромінювання;
• кольорові (або «мультиспектральні» чи «спектрального відношення») –
дозволяють робити висновок про температуру об’єкта, базуючись на
результатах порівняння його теплового випромінювання в різних ділянках
спектру.
За температурним діапазоном пірометри поділяють на:
• низькотемпературні – мають здатність показувати температуру об’єктів від
0°C, а деякі типи низькотемпературних пірометрів – навіть негативну
температуру;
• високотемпературні – оцінюють температуру лише сильно нагрітих
(розпечених) тіл, коли визначення температури «на око» не є можливим;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. 9
№ докум. Підпис Дата

зазвичай такі пірометри мають сильний зсув на користь верхньої межі
вимірювання.
За конструктивним виконанням пірометри поділяють на:
• переносні – зручні для експлуатації в умовах, коли необхідна висока точність
вимірювань в сукупності з хорошими рухливими властивостями, наприклад
для оцінки температури важкодоступних ділянок трубопроводів; зазвичай такі
пірометри мають невеликим дисплей, що відображає графічну або текстово-
цифрову інформацію;
• стаціонарні – призначені для більш точної оцінки температури об’єктів;
використовуються, як правило, у великій промисловості, наприклад, в
металургії для безперервного контролю технологічного процесу виробництва
розплавів металів.
За візуалізацією величин пірометри поділяють на:
• текстово-цифрові – вимірювана температура виражається в градусах на
цифровому дисплеї;
• графічні – дозволяють бачити спостережуваний об’єкт в спектральному
розкладанні областей низьких, середніх та високих температур, виділених
різними кольорами.
Незалежно від класифікації, пірометри можуть забезпечуватися
додатковими джерелами живлення, а також засобами передачі інформації та
зв’язку з комп’ютером або спеціалізованими пристроями (зазвичай через шину
RS- 232) [3].
Найбільше практичне значення мають зондові контактні і безконтактні
методи і прилади.

1.1.3. Безконтактні методи вимірювання температури
Можливість застосування контактних методів при вимірах визначається не
тільки спотворенням контактним термоприймачів вимірюваної температури, але
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 10
Підпис Дата

також реальними фізичними і хімічними характеристиками матеріалів
термоприймача (корозійної і механічної стійкістю, жароміцності та ін..).
Безконтактні методи вимірювання вільні від цих обмежень. Однак
найважливішим з них, тобто заснованим на законах температурного
випромінювання, притаманні особливі похибки, обумовлені тим, що
використовуються закони в точності справедливі лише для абсолютно чорного
випромінювача, від якого по властивостях випромінювання більш-менш значно
відрізняються всі реальні фізичні випромінювачі (тіла і середовища).
Відповідно до законів випромінювання Кірхгофа будь-яка фізична тіло
випромінює енергії менше, ніж чорне тіло, нагріте до тієї ж температури, що і
фізичне. Тому прилад для вимірювання температуру, градуйований по чорному
випромінювачу, при вимірюванні температури реального фізичного
випромінювача покаже температуру, меншу дійсної, а саме таку, при якій
властивість чорного випромінювача, використана під час градуювання (енергія
випромінювання, його яскравість, його спектральний склад і т. п .), збігається за
своїм значенням з властивістю фізичного випромінювача при дійсній його
температурі, що підпадає під визначення. Виміряна занижена псевдо температура
називається чорної температурою. Різні методи вимірювання призводять до
різних, як правило, чорних температур: пірометр радіаційний показує інтегральну
або радіаційну, пірометр оптичний - яскравісну, пірометр колірної - колірну чорну
температуру. Перехід від виміряних чорних до дійсних температур здійснюється
графічно або аналітично, якщо відома випромінювальна здатність об'єкта,
температуpa якого вимірюється.
Випромінювальною здатністю називається відношення значень
використовуваних для вимірювання властивостей випромінювання фізичного і
чорного випромінювачів, що мають однакову температуру: при радіаційному
методі випромінювальна здатність дорівнює відношенню сумарних (по всьому
спектру) енергій, при оптичному - спектральна випромінювальна здатність
дорівнює відношенню спектральних густин енергетичної яскравості. За інших
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
11
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

рівних умов найменші похибки від нечерноти випромінювача дає пирометр
колірної температури.
Радикальне вирішення завдання вимірювання променистими методами
дійсної температури нечорним випромінювача досягається штучним створенням
для нього умов, що перетворюють його в чорний випромінювач (наприклад,
приміщенням його в практично замкнуту порожнину). У деяких окремих
випадках можливе вимірювання дійсної температури нечорним випромінювачів
звичайними пірометрами випромінювання при застосуванні особливих методик
вимірювання температури (наприклад, підсвічування, в променях трьох довжин
хвиль, в поляризованому світлі і ін.).

1.1.4. Основні характеристики вимірювачів температури
Найважливішими характеристиками пірометра, що визначають точність
вимірювання температури, є оптична роздільна здатність та настройка ступеню
чорноти об’єкта.
Іноді оптичну роздільну здатність називають показником візування. Цей
показник розраховується як відношення діаметра плями (кола) на поверхні,
випромінювання з якої реєструється пірометром до відстані до об’єкта. Щоб
правильно вибрати прилад, необхідно знати сферу його застосування. Таким
чином, якщо необхідно проводити вимірювання температури з невеликої відстані,
то краще вибрати термометр з невеликою роздільною здатністю, наприклад, 4:1.
Якщо температуру необхідно вимірювати з відстані кількох метрів, то
рекомендується вибирати пірометр з великою роздільною здатністю, щоб у полі
зору його датчика не потрапили сторонні предмети. Для зручності у багатьох
пірометрів є лазерний вказівник цілі для точного наведення на досліджуваний
об’єкт.
Ступінь чорноти (або коефіцієнт випромінювання) характеризує
властивості поверхні об’єкту, температуру якого вимірює пірометр. Цей показник
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
12
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

визначається як відношення енергії, що випромінюється досліджуваною
поверхнею при певній температурі до енергії випромінювання абсолютно чорного
тіла при тій же температурі. Ступінь чорноти може приймати значення від 0,1 до
близьких до 1.
Неправильний вибір коефіцієнта випромінювання – основне джерело
похибки для всіх пірометричних методів вимірювання температури. На
коефіцієнт випромінювання сильно впливає окисненість поверхні металів.
Наприклад, якщо для сталі окисленої коефіцієнт випромінювання становить біля
0,85, то для полірованої сталі він знижується до 0,075 [4].

1.2. Огляд промислових безконтактних вимірювачів температури

Сучасна промисловість випускає ряд безконтактних вимірювачів
температури. Розглянемо основні характеристики та можливості декількох
типових пристроїв.
Найбільш поширеними є безконтактні вимірювачі температури, які
працюють в інфрачервоному діапазоні спектру. Вибираємо такі пристрої, що
мають невеликі габаритні розміри, гарну функціональність, невелику вартість та з
характеристиками, близькими до технічного завдання.
На рисунку 1.1. зображено термометр-пірометр «FST-300» [5]. Він
сконструйований для моніторингу температур в харчової промисловості.
Пристрій має як інфрачервоний сенсор для дистанційного вимірювання
температури, так і занурювальний датчик для безпечного моніторингу температур
поверхні і всього продукту. Швидкий зонний дисплей дає візуальну індикацію,
коли продукти знаходяться в межах безпечного діапазону температур зберігання,
як для гарячих, так і для холодних харчових продуктів. Модель «FST-300» має
вбудоване джерело для підсвічування зони вимірювання.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
13
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.1. Термометр-пірометр «FST-300»

Основні характеристики термометра-пірометра «FST-300» [6]:
• робочий діапазон інфрачервоного сенсора – -55…+250°C;
• робочий діапазон занурювального датчика – -55…+330°C;
• точність вимірювання – ±0,5°C;
• оптичне співвідношення – 2,5:1;
• діапазон коефіцієнта випромінювання – 0,1…1 (за замовчуванням – 0,95);
• лазерне прицілювання – відсутнє;
• ресурс батареї – 18 годин безперервної роботи.
На рисунку 1.2. представлено ще один інфрачервоний професіональний
пірометр «DT-8869H» [7]. Він призначений для роботи у надзвичайно широкому
діапазоні температур. Наявність лазерного прицілювання дозволяє
використовувати прилад для виявлення проблем електричного, механічного
обладнання, діагностики систем вентиляції, придатний для застосування в
харчовій промисловості, при виробництві пластмасових виробів тощо.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 14
Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.2. Пірометр «DT-8869H»

Основні характеристики пірометра «DT-8869H» [8]:
• діапазон вимірювання температур – -50…+2200°C;
• точність вимірювання в діапазоні до 200°C – ±2°C;
• точність вимірювання в діапазоні від 200°C до 2200°C – ±5°C;
• оптичне співвідношення – 50:1;
• діапазон коефіцієнта випромінювання – 0,1…1;
• подвійний лазерний вказівник цілі;
• функція запам’ятовування максимальної та мінімальної температури;
• інтерфейс USB для підключення до комп’ютера;
• джерело живлення – гальванічна батарея напругою 9 В.
Наступний пристрій стаціонарний безконтактний датчик температури
«Raytek Thermalert MID» [9] (рис. 1.3). Основне призначення цього пристрою –
контроль сушки та ламінування, контроль температури та стану печей,
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
15
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

виробництво промислового обладнання. Невеликі розміри стаціонарного
пірометра дозволяють його установку у важкодоступних місцях.
Пірометр «Raytek Thermalert MID» при використанні різних датчиків
температури змінює свою спеціалізацію: при застосуванні термодатчиків
MID10G5 – скляне виробництво, термодатчиків MTB – металургія та обробка
металів, термодатчиків MID02LT – універсальна спеціалізація.
Пристрій має вбудований інтерфейс RS-485, що дозволяє йому працювати в
мережевому режимі й опитувати одночасно до 32 віддалених термодатчиків. Це
дозволяє за допомогою одного стаціонарного пірометра забезпечувати роботу
складного технологічного процесу.

Рис. 1.3. Стаціонарний пірометр «Raytek Thermalert MID»

Основні характеристики пірометра «Raytek Thermalert MID» [10]:
• діапазони вимірювання температур – +150…850°C для скляного
виробництва, +200…1200°C для металургії, -40…+600°C при загальній
спеціалізації;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
16
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• точність вимірювання температури – ±1°C;
• оптичне співвідношення – 10:1 для скляного виробництва та металургії, 2:1
при загальній спеціалізації;
• діапазон коефіцієнта випромінювання – 0,1…1;
• фіксація максимальної та мінімальної температури, компенсація фонової
температури;
• аналоговий вихід – 0…20 мА, 4…20 мА;
• точність ЦАП вихідного аналогового сигналу – 14 біт;
• релейний вихід для режиму аварійної сигналізації;
• інтерфейси RS-485 або RS-232 (опція);
• максимальна відстань до термодатчиків – 15 м;
• блок живлення – 24 В, 500 мА.

1.3. Радіоаматорські безконтактні вимірювачі температури

Безконтактне вимірювання температури також цікавить й радіоаматорів-
конструкторів.
Як приклад аматорського пірометра розглянемо електричну-принциповау
схему кольорового пірометра зображену на рисунку 1.4. Дана конструкція
пройшла випробовування в лабораторних умовах в НДІ «Гириконд» (м. Санкт-
Петербург), після яких вона отримала впровадження на Череповецькому
металургійному комбінаті.
Принцип дії кольорових пірометрів заснований на вирахуванні
співвідношення інтенсивностей випромінювання об’єкта в двох спектральних
діапазонах.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
17
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.4. Електрична схема аматорського пірометра
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 18
Підпис Дата

Основні характеристики д кольорового пірометра:
• метод вимірювання – пірометр спектрального відношення;
• діапазон вимірювальної температури – +100…1000°C;
• точність вимірювання температури – 4%;
• тривалість визначення температури – 0,2 с;
• споживча потужність – 1 Вт.
В схемі пірометра використовуються фотогальванічні приймачі
інфрачервоного випромінювання ФД722 з областю спектральної чутливості
0,9…3,5 мкм та приймачі ФД724 – з областю чутливості 0,9…4,7 мкм. При їх
сумісному використанні співвідношення сигналу приймача ФД722 до сигналу
приймача ФД724 залежить від температури випромінювання так, як показано на
рисунку 1.5. Ділянка цієї залежності в діапазоні від +100°C до +1000°C близька до
лінійної, з похибкою, що не перевищує 4%. Ця особливість дозволяє побудувати
кольоровий пірометр без цифрової обробки сигналів.
Розглянемо роботу спектрального пірометра. Сигнали короткохвильового
(ФД722) та довгохвильового (ФД724) фотоприймачів почергово подаються на
підсилювальній тракт за допомогою аналогового комутатора. На виході
підсилювача сигнали розділяються. Сигнал довгохвильового фотоприймача
подається на вузол автоматичного регулювання підсилення, який працює таким
чином, що на виході довгохвильового каналу зберігається постійна напруга UОП –
опорна напруга біля 1 В. В результаті підключення довгохвильового
фотоприймача схема встановлює необхідний коефіцієнт підсилення.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
19
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 1.5. Залежність співвідношення сигналів фотоприймачів
від вимірювальної температури

Після цього підключається короткохвильовий фотоприймач, сигнал якого
підсилюється з вже встановленим коефіцієнтом підсилення. В результаті на
виході з’являється сигнал UСИГН, пропорційний співвідношенню
короткохвильового та довгохвильового фотоприймачів. Напруги UОП та UСИГН
подаються АЦП, який перетворює отримане значення в цифровий вигляд та
відображає його на індикаторі.
Електрична схема кольорового пірометра побудована на наступних
основних елементах. В якості комутаторів використовуються аналогові ключі
564КТ3В. Підсилювач побудовано на спеціалізованому презиційному
операційному підсилювачі К140УД24, призначеному для використання в
контрольно-вимірювальній апаратурі, а також на ОП К157УД1 та 140УД1701А. В
якості АЦП використовується поширений перетворювач типу КР572ПВ2А,
навантаженням якого є чотири світлодіодні 7-сегментні індикатори типу
АЛС324А. Генератор керуючих імпульсів реалізовано на ОП 140УД1201А, JK-
тригері 564ТВ1 та логічних елементах «АБО-НІ» 564ЛЕ5. Живиться пірометр від
двополярної напруги ±5 В.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
20
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Основним недоліком розглянутого пірометра можна вважати його
недостатню точність (похибка досягає 4%). Також слід відзначити відсутність
користувацьких настроювань, складність та громіздкість електричної схеми,
необхідність в двохполярній напрузі живлення. Функція даного пірометра
зводиться лише до індикації температури без будь-яких інших вихідних сигналів
(релейних або логічних).
Останнім часом радіоаматори широко застосовую платформу Arduino, не є
винятком і безконтактні вимірювачі температури.
Схема безконтактного настінного термометр на Arduino з можливістю
запису даних на SD карту представлена на рисунку 1.6.

Рис. 1.6. Схема безконтактного термометра на Arduino
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
21
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Даний безконтактний інфрачервоноий термометр на основі плати Arduino,
здатний проводити вимірювання температури без участі людини і вести запис
вимірювань температури в форматі excel на SD карту. Також даний проект можна
використовувати як систему контролю відвідуваності, оскільки час входу кожної
особи, вимірюють температуру, також записується.
Запропонований пристрій складаеться з наступних компонентів:
• Плата Arduino Nano
• MLX90615 IR Temperature Sensor - безконтактний інфрачервоний
датчик температури MLX90615
• TCRT5000 IR Sensor - інфрачервоний датчик TCRT5000
• Модуль годин реального часу (RTC module) DS3231
• ЖК дисплей 16х2
• Модуль для читання SD карт
• Зумер (Buzzer)
• Світлодіоди червоного та зеленого кольору
• Резистори 1 кОм, 4,7 кОм, 10 кОм
• Потенціометр 10 кОм (купити на AliExpress)
• Роз'єм постійного струму (DC Barrel Jack).
• Адаптер живлення постійного струму 12V 1A.
MLX90615 Non-Contact IR Temperature Sensor (безконтактний
інфрачервоний датчик температури): найбільш важливий компонент схеми.
Принцип роботи датчика заснований на тому, що всі нагріті об'єкти (в тому числі
і тіло людини) випускають інфрачервоні промені, інтенсивність яких пропорційна
температурі об'єкта. MLX90615 є цифровим інфрачервоним датчиком
температури, тому у нього є власна внутрішня схема, яка вимірює інтенсивність
інфрачервоних променів від об'єкту і перетворює її в значення температури.
Датчик підключається по інтерфейсу I2C
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
22
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

TCRT5000 IR proximity Sensor (інфрачервоний датчик відображення): цей
датчик термометра використовувється для визначення того, чи помістила людина
свою руку навпроти датчика. Також за допомогою нього вирішується проблема
засвічення сонячним світлом інфрачервоного датчика температури і самого
датчика TCRT5000, Для усунення помилкових спрацьовувань датчика внаслідок
його засвічення Сонцем його прийомний світлодіод (IR receiver LED) підключено
до аналогового контакту плати Arduino, а його передаючий світлодіод - до
цифрового контакту плати Arduino. За допомогою цього способу можливо
вимірювати сигнал, що приймається його інфрачервоним світлодіодом, як під час
роботи його передавального світлодіода, так і коли передавальний світлодіод
датчика не працює. Обчислюючи різницю між цими значеннями можливо
визначити поточний рівень "світлового" шуму і, таким чином, запобігти
помилкові спрацьовування датчика.
DS3231 RTC module (модуль годин реального часу): буде
використовуватися для визначення дати і часу поточного вимірювання
температури. Модуль DS3231 має в своєму складі власну батарею, тому він може
зберігати дані дати і часу навіть в той час, коли основне живлення схеми
відключено. Але перш ніж почати використовувати його, необхідно встановити
правильний час коли ви включите його в перший раз.
Модуль DS3231 використовує обмін даними через свої контакти інтерфейсу
I2C, тому в схемі він підключений до аналогічних контактам датчика MLX90615.
Але обидва ці пристрої будуть мати різні адреси I2C, тому нам не варто
турбуватися про те, чи не будуть вони заважати один одному.
Модуль читання SD карт: використовується для читання SD карт за
допомогою плати Arduino. На SD карту в нашому проекті записуються в
текстовий файл значення температури, виміряні термометром, і час створення цих
вимірів. Цей модуль працює по інтерфейсу SPI, тому ми підключили його до
контактів даного інтерфейсу в платі Arduino.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 23
Арк. № докум. Підпис Дата

РК дисплей 16x2: на його екрані будуть відображатися виміряні значення
температури і часу. Це зазвичай алфавітно-цифровий РК дисплей. Світлодіоди і
зумер: використовуються для цілей індикації. Якщо виміряна температура
відповідає нормі, то загориться світлодіод зеленого кольору і зумер видасть один
тривалий сигнал. Якщо ж температура підвищена, то загориться світлодіод
червоного кольору, і зумер видасть кілька звукових сигналів. Також в схемі
проекту використовуються кілька резисторів, які служать для обмеження струму
через світлодіоди і зумер. Також в схемі використані резистори опором 4,7 кОм,
які служать в якості підтягують резисторів для контактів інтерфейсу
I2C.Потенціометр в схемі використовується для регулювання рівня контрастності
РК дисплея.
Упакувати даний безконтактний термометр запропоновано всередину
металевого корпусу, тому для збірки конструкції проекту застосовано
перфоровані плати: на одній з них розміщено плату Arduino Nano, модуль DS3231
і все пасивні компоненти схеми, а на інший - датчики MLX90615 і TCRT500
Зовнішній вигляд конструкції проекту показано на рисунку 1.7

Рис. 1.7. Зовнішній вигляд безконтактного термометра на Arduino
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
24
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

2. ВИБІР ТА ОБҐРУНТУВАННЯ СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ

2.1. Обґрунтування технічного завдання

Відповідно до технічного завдання в даній випускній кваліфікаційній
роботі ставиться мета розробити безконтактний вимірювач температури, який
повинен відповідати наступним технічним характеристикам:
• діапазон вимірювання температур – не гірше, ніж -50°C …+350°C;
• точність вимірювання – не більше ±1°C;
• функція автоматичного запису показників;
• кількість записів показників – не менше 1000;
• інтерфейс для підключення до комп’ютера;
• низька споживча потужність;
• компактні розміри.
Робочий температурний діапазон від -50°C до +350°C є достатнім для
роботи вимірювача температури, наприклад, в харчовій промисловості, контроль
за температурою радіоелектронних компонентів при ремонті різної апаратури, а
також для побутових потреб. Для всіх цих задач точність ±1°C є цілком
достатньою.
Функція запису показників температури може бути необхідною при
тривалому дослідженні пірометром за роботою різних технічних пристроїв або
при спостереженні фізичних явищ. Наприклад, при здійсненні моніторингу будь-
якого електротехнічного елемента можливо буде чітко визначити, в який момент
часу його температурний режим вийшов за дозволені межі.
Наявність комп’ютерного інтерфейсу дозволить зберігати отримані дані
температурного моніторингу на будь-яких носіях інформації, а також проводити
обробку цих даних.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
25
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Також при розробці безконтактного вимірюванча температури необхідно
передбачити компактні розміри пристрою та низьку споживчу потужність, що
дасть можливість використовувати його не тільки як стаціонарний, але і як
переносний прилад. Це посприяє розширенню сфери його застосування.

2.2. Розробка структурної схеми
Структурна схема розробленого в роботі безконтактного вимірювача
температури зображена на рисунку 2.1.
Роботою пристрою керує мікроконтролер, який працює згідно алгоритму
програми, яка завантажується в нього після збирання пристрою. Сучасні
мікроконтролери мають досить високу продуктивність та розвинену архітектуру,
їх незначна вартість дозволяє застосовувати мікроконтролери в багатьох
пристроях промислової та побутової автоматики.
В даній схемі буде використовуватись 16-розрядний мікроконтролер з
надзвичайно низьким енергоспоживанням та великим розміром вбудованої
пам’яті, достатнім для зберігання кількох тисяч записів показників температури.
Робота безконтактного вимірювача температури, його основні технічні
параметри (діапазон вимірювання температур, точність вимірювання) в першу
чергу залежать від температурного датчика.
Датчиком температури є піроелектричний датчик, який здійснює передачу
результатів вимірювання за допомогою вбудованого цифрового дводротового
інтерфейсу. Це значно спрощує узгодження піродатчика з мікроконтролером та
виключає похибки при передачі даних. Мікроконтролер при ввімкненні пристрою
вказує піродатчику режим, в якому він працюватиме та періодично посилає
запити, у відповідь на які отримує температурні дані.
Показники температури виводяться на рідкокристалічний дисплей. В
схемі використано монохромний дисплей з надзвичайно низьким
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
26
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

енергоспоживанням. Також на дисплей виводиться користувацьке меню різних
режимів роботи, це:
• режим вимірювання;
• режим запису показників в пам’ять;
• режим перегляду записаних показників.
За допомогою панелі керування вибирається необхідний режим роботи
вимірювача температури, коректуються різні параметри роботи вимірювача
(період знімання показників температури, навігація по записаним показникам та
інше).
При необхідності користувач активує режим передачі збережених даних
через послідовний інтерфейс UART або за допомогою спеціального USB/UART-
адаптера – через інтерфейс USB. Це дозволяє зберігати отримані температурні
дані на зовнішніх носіях, а також проводити детальний комп’ютерний аналіз
отриманої інформації.
Безконтактний вимірювач температури можна налаштувати для керування
роботою зовнішніми виконавчими пристроями. Наприклад, щоб при перевищенні
температури досліджуваного об’єкта певної межі спрацьовувала система
аварійної сигналізації або додаткове захисне обладнання. Такий виконавчий
пристрій підключається до вимірювача температури через вузол захисту, який
забезпечує гальванічну розв’язку зовнішнього пристрою з електричною схемою
вимірювача.
Інтерфейс Spy-Bi-Wire використовується для завантаження програми в
мікроконтролер після збирання пристрою та для оновлення програмного
забезпечення.
Враховуючи дуже низький споживчий струм вимірювача температури,
пристрій живиться від лише одного гальванічного елемента. Перетворювач
напруги забезпечує живлення стабілізованою напругою всіх вузлів схеми. При
переведенні перетворювача в режим очікування струм від гальванічного елемента
практично рівний нулю.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
27
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Напівпровідниковий лазер потрібен для точного наведення вимірювача
температури на досліджуваний об’єкт. Заради економності пристрою лазер
працює не постійно, а лише при необхідності при натисканні на спеціальну
кнопку. Для кращої стабільності роботи вимірювача температури
напівпровідниковий лазер має свій окремий елемент живлення.

Рис. 2.1. Структурна схема безконтактного вимірювача температури
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
28
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3. РОЗРОБКА ТА РОЗРАХУНОК ПРИНЦИПОВОЇ
ЕЛЕКТРИЧНОЇ СХЕМИ

3.1. Вибір мікроконтролера

Розробку електричної схеми пристрою починаємо з вибору
мікроконтролера. Для запропонованого безконтактного пристрою для
вимірювання температури потрібен сучасний мікроконтролер з розвиненою
архітектурою, надзвичайно низьким енергоспоживанням та достатньою кількістю
портів введення-виведення для підключення всіх елементів схеми.
Компанія «Texas Instruments» розробила сімейство мікроконтролерів
MSP430 з низьким та ультранизьким споживанням завдяки зростаючому попиту
на продукцію з автономним (батарейним) живленням. Застосовуючи сімейство
MSP430 розробники отримують потужний інструмент для роботи з аналоговими
та цифровими сигналами при надзвичайно низькому споживанні енергії батареї –
літієвого гальванічного елемента достатньо для живлення мікроконтролера на
протязі 5 років, як заявляє виробник [13].
Виберемо мікроконтролер MSP430FR5728 в корпусі VQFN-24 (RGE-24)
американської компанії «Texas Instruments». Основні параметри цього
мікроконтролера [12]:
• ядро – MSP430;
• розрядність – 16 біт;
• частота зовнішнього генератора – до 8 МГц;
• частота вбудованого низькочастотного генератора – 5…13 кГц;
• частота вбудованого високочастотного генератора – до 8 МГц;
• пам’ять FRAM – 16 КБ;
• пам’ять RAM – 1 КБ;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
29
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• кількість портів введення-виведення – 17;
• кількість таймерів-лічильників – три 16-розрядних;
• кількість таймерів RTC – 1;
• кількість каналів компаратора – 10;
• параметри АЦП – 6-канальний з розрядністю 10 біт;
• напруга живлення – 2…3,6 В;
• скидання при включенні живлення (POR), при зниженні живлення
(BOR), при спрацюванні сторожового таймера (WDT) та зовнішнім
сигналом (RST);
• корпус – VQFN-24 (RGE-24);
• робоча температура – -40…+85°С.
Архітектура мікроконтролера MSP430FR5728 показана на рисунку 3.1.
Основною особливістю серій MSP430FR57xx є застосування пам’яті FRAM
замість більш звичної FLASH-пам’яті.

Рис. 3.1. Архітектура мікроконтролера MSP430FR5728

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
30
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Сегнетоелектрична оперативна пам’ять (англ. Ferroelectric RAM, FeRAM
або FRAM) – оперативна пам’ять, за своєю будовою схожа з DRAM, але
використовує шар сегнетоелектрика замість діелектричного шару для
забезпечення енергонезалежності. Це одна з альтернативних технологій
незалежної пам’яті, що пропонує ту ж саму функціональність, що і FLASH-
пам’ять. Ключові особливості вбудованої FRAM-пам’яті [14]:
• швидкість читання/запису у 160 разів більша, ніж у FLASH;
• споживання енергії у 250 разів менше, ніж у FLASH;
• практично невичерпний ресурс перезапису – 1014
циклів;
• робоча напруга пам’яті – всього від 1,5 В, на відміну від FLASH та
EEPROM, де спеціально застосовується технологія підкачки заряду;
• підвищена стійкість до електромагнітних випромінювань;
• після вимкнення живлення стан мікроконтролера зберігається в усіх
його режимах.
Розробку електричної принципової схеми проводимо з врахуванням
функціонального призначення виводів мікроконтролера, яке показано на рис. 3.2.
Слід відзначити зручне розташування контактів підключення живлення (VSS,
VCC) та кварцового резонатора (XOUT, XIN) з однієї сторони корпусу (виводи
19-24), що не заважає підключенню периферійних пристроїв.

Рис. 3.2. Функціональне призначення виводів мікроконтролера MSP430FR5728
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис 31
Дата

Мікроконтролер MSP430FR5728 має виводи для підключення живлення
аналогової частини (AVCC, AVSS) та цифрової частини (DVCC, DVSS). Якщо ж в
схемі пристрою аналого-цифровий перетворювач (АЦП) та аналоговий
компаратор не використовуються або впливом завад на їх роботу можна
знехтувати, живлення аналогової та цифрової частини можна з’єднувати, як
показано на рисунку 3.3.

Рис. 3.3. Підключення живлення до мікроконтролера

Основну напругу живлення безконтактного вимірювача температури
вибираємо рівною 3 В:

UЖ = 3 В . (3.1)

Всі керамічні конденсатори в пристрої вибираємо для поверхневого
монтажу розміром 0805. Ємність конденсатора С2 вибираємо згідно рекомендацій
виробника – 0,1 мкФ типу GRM219F51H104Z.
Вивід живлення мікроконтролера VCORE призначений тільки для
внутрішнього використання і ніяке зовнішнє струмове навантаження є
неможливим. До цього контакту слід підключати лише фільтруючий керамічний
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 32
Арк. № докум. Підпис Дата

конденсатор рекомендованого номіналу – 0,47 мкФ, вибираємо його типу
GRM219R71C474K.
Споживчий струм мікроконтролера залежить в першу чергу від режиму
його роботи. В активному режиму («Active Mode») цей струм приблизно
пропорційний частоті системного генератора. При знаходженні мікроконтролера
в режимах очікування споживчий струм зменшується до кількох мікроампер. Дані
типового споживчого струму показані в таблиці 3.1, а графік залежності від
системної частоти – на рис. 3.4.
Таблиця 3.1.
Режими енергоспоживання мікроконтролера MSP430FR5728
Режим Споживчий струм
Active Mode 81.4 μA/MHz
Standby 6.3 μA
Real-Time Clock 1.5 μA
Shutdown 0.32 μA

Рис. 3.4. Залежність споживчого струму мікроконтролера від системної частоти
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
33
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

З графіка видно, що при максимальній системній частоті в активному
режимі споживчий струм мікроконтролера може змінюватись в межах від 0,4 до
2,2 мА, але при регулярному переході в алгоритмі програми в режим очікування
(режим «Standby») споживчий струм не перевищуватиме десятків мікроампер.
При вимкненні мікроконтролера (режим «Shutdown») споживчий струм буде
нижчий за струм саморозряду гальванічного елемента.
Системний генератор («Clock System») мікроконтролерів сімейства
MSP430 також має свою особливість – це генератор з цифровим контролем
(DCO). Для роботи мікроконтролера достатньо зовнішнього кварцового
резонатора з частотою 32 кГц (частота ACLK). Генератор DCO формує системну
частоту MCLK, помножуючи частоту ACLK на множник з ряду 1, 2, 3…32.
Значення множника задається програмно, при цьому частота MCLK приймає
значення від 32 кГц до 1МГц. Системна частота необхідна для центрального
процесорного пристрою (CPU), АЦП та таймерів. Програміст сам обирає значення
MCLK, керуючись оптимальним співвідношенням продуктивності
мікроконтролера та енергозбереження [13].
Кварцовий резонатор вибираємо з частотою 32768 Гц в мініатюрному
корпусі – типу 32.768K-85SMXR [15]. Конденсатори С3 та С4 вибираємо згідно
рекомендації виробника – ємністю 12 пФ типу GRM2165C1H120J.

Рис. 3.5. Схема підключення кварцового резонатора
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
34
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.2. Вибір та підключення термодатчика

Датчики температури на основі термоелементів дозволяють вимірювати
температуру безконтактним способом, що вигідно відрізняє їх від традиційних
термодатчиков контактного типу.
Безконтактні датчики використовують інфрачервоне (ІЧ) випромінювання
та зазвичай їх застосовують в таких портативних пристроях як інфрачервоні
термометри. Ще однією привабливою сферою застосування датчиків на
термоелементах є моніторинг температури рухомих об'єктів. У цьому випадку
застосування стандартних контактних датчиків температури має серйозні
недоліки.
Розглянемо принцип дії інфрачервоного датчика на термоелементах. Він
складається з ряду послідовно з'єднаних термопар, "гарячі" спаї яких прикріплені
до тонкої, спеціальним чином обробленої пластині кремнію, яка виконує роль
абсорбера - поглинача інфрачервоного випромінювання. В процесі обміну
інфрачервоним випромінюванням температура абсорбера зростає або падає в
залежності від різниці температур між ним і об'єктом. Щоб температура об'єкта
була виміряна точно, він повинен повністю перекривати сектор огляду датчика.
Це гарантує, що впливаюче на термоелемент інфрачервоне випромінювання
приходить тільки від об'єкта вимірювання, а не від навколишнього фону. Крім
того, використання фільтра і лінзи значно підвищує якість роботи інфрачервоних
датчиків. Звичайний кремній є абсолютно непрозорим матеріалом для видимого
світла, але він прозорий для випромінювання з довжиною хвилі більше 2 мкм, де
розташовується більшість спектральних викидів при температурах нижче 500 К
(200 ° C або 450 ° F). Тому кремній може бути використаний для фільтрації
видимого та ультрафіолетового (УФ) спектра для запобігання їх впливу на датчик.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
35
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для того щоб збільшити чутливість датчика (або відстань, на якому датчик
може вимірювати температуру об'єкта фіксованого розміру), широко
використовуються спеціальним чином оброблені кремнієві лінзи, що дозволяють
сконцентрувати більше інфрачервоного випромінювання на датчику або
обмежити його сектор огляду.
В даний час ІК-датчики на основі термоелементів можуть поставлятися з
різними лінзами / фільтрами, що дозволяє використовувати їх в приладах різного
класу і призначення, починаючи від промислових пірометрів і до побутових
пристроїв. Залежно від датчика, вихідний сигнал може бути представлений
стандартним вихідним опором або аналоговим / цифровим вихідним сигналом.
Сучасна промисловість випускає різноманітні датчики. Одним з
популярни інфрачервоних термодатчиків для безконтактного вимірювання
температури є MLX90614 виробництва бельгійської компанії «Melexis»
(«Microelectronic ELEX Integrated SYStems»), що спеціалізується на виготовленні
інтегральних датчиків та інтегральних вимірювальних систем («multi-chip
module»). Він являє собою поєднання в одному 4-контактному корпусі ТО-39
інфрачервоного високочутливого детектора на термоелементах і спеціалізованого
стандартного формувача сигналів. Цей термометр включає в себе малошумний
підсилювач, 17-розрядний аналого-цифровий перетворювач і потужний процесор
цифрових сигналів. Він відкалібрований на заводі-виробнику з можливістю
використання на цифровому виході широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) і
системної шини управління (SMBus) (рис. 3.6).
Основні технічні параметри модуля MLX90614 [16]:
• діапазон вимірювання температури – -70°С…+380°С;
• точність вимірювання – 0,5°С в діапазоні від 0 до +50°С;
• роздільна здатність вимірювання – 0,2°С;
• кут діаграми направленості – варіанти ±70°, ±35° або ±10°;
• дводротовий інтерфейс передачі даних – SMBus;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
36
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• однодротовий інтерфейс передачі даних – PWM;
• розрядність АЦП – 17 біт;
• розрядність даних в режимі PWM – 10 біт;
• напруга живлення – варіанти для 3 В або 5 В;
• струм споживання – 1…2 мА;
• струм споживання під час вимірювання – 1,5…2,5 мА;
• струм споживання в режимі сну – 1…5мкА;
• автоматичне скидання при включенні або зниженні напруги живлення
(POR) – нижче 1,85 В (для версії 3В), нижче 3 В (для версії 5В);
• робочий температурний діапазон – 0…+70°С;
• корпус – SIP-5 (TO-39).

Рис. 3.6. Блок-схема вимірювального модуля MLX90614

Вибираємо варіант вимірювального модуля з напругою живлення 3 В та
вузькою діаграмою направленості ±10° (рис. 3.7) – типу MLX90614ESF-BAF.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
37
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.7. Діаграма направленості вимірювального модуля MLX90614
для варіанту ±10°

Функціональне призначення виводів модуля MLX90614 показано на
рисунку 3.8. В залежності від режиму, який задає йому мікроконтролер, модуль
працює або в режимі дводротового інтерфейсу SMBus з сигналами SDA та SCL,
або в режимі однодротового інтерфейсу з сигналом широтно-імпульсної
модуляції PWM. В останньому випадку вивід 1 модуля можна використовувати за
іншим призначенням – до цього контакту приєднано вбудований в модуль
стабілітрон Vz для утворення простого параметричного стабілізатора для
живлення модуля від підвищеної напруги. Рекомендований виробником варіант
підключення вимірювального модуля показано на рисунку 3.9 [17].

Рис. 3.8. Функціональне призначення виводів модуля MLX90614
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
38
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.9. Підключення модуля MLX90614 в режимі SMBus

До мікроконтролера вимірювальний модуль MLX90614 будемо
підключати в режимі SMBus, тому що в цьому режимі точність вимірювання є
більшою, ніж в режимі PWM. Схема підключення показана на рис. 3.10.
Резистори R1 та R2 підтягують інформаційні шини до напруги живлення,
їх опір вибираємо рекомендований виробником модуля DD2 MLX90614 – 10 кОм.
Всі резистори в схемі вибираємо для поверхневого монтажу розміром 0805,
резистори R1та R2 – типу RC0805JR-0710KL.
Фільтруючий конденсатор C1 розташовується в безпосередній близькості
до модуля DD2, його ємність вибираємо згідно рекомендацій виробника модуля –
0,1 мкФ типу GRM219F51H104Z.

Рис. 3.10. Підключення вимірювального модуля MLX90614
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
39
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

3.3. Вибір та підключення дисплея

Для відображення результатів вимірювання потрібен рідкокристалічний
дисплей з низьким енергоспоживанням та невеликою роздільною здатністю.
Вибираємо дисплей типу DOGS102W-6 німецької компанії «Electronic Assembly
GmbH» [18], зовнішній вигляд якого показано на рисунку 3.11.

Рис. 3.11. Розташування виводів дисплея DOGS102W-6

Основні технічні параметри дисплея DOGS102W-6:
• технологія дисплея – висококонтрастний FSTN (super-twisted nematic
display);
• роздільна здатність – монохромний 102х64 пікселів;
• кількість знакомісць – 8х17 символів або 4х12 великим шрифтом;
• інтерфейс завантаження даних – 4-дротовий SPI;
• напруга живлення – від 2,5 до 3,3 В;
• споживчий струм – типовий 250 мкА;
• струм підсвічування – від 5 до 80 мА;
• робоча температура – від -20°C до +70°C;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
40
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• розмір зображення – 36х26 мм2;
• габарити – 39х41 мм2.
В таблиці 3.2 показано функціональне призначення контактів дисплея
DOGS102W-6. Напруга живлення дисплею відповідає напрузі живлення
мікроконтролера – 3 В. З міркувань кращої економності пристрою, підсвічування
дисплею застосовувати не будемо.
Таблиця 3.2.
Призначення виводів дисплея DOGS102W-6
№ Найменування Призначення
1 A1+ Анод першої лінії підсвічування
2 С1- Катод першої лінії підсвічування
3-12 – Контакти відсутні
13 С2- Катод другої лінії підсвічування
14 А2+ Анод другої лінії підсвічування
15 VLCD Живлення драйверів рідких кристалів
16 VB1- Перетворювач напруги
17 VB0- Перетворювач напруги
18 VB0+ Перетворювач напруги
19 VB1+ Перетворювач напруги
20 VSS Загальний контакт GND
21 VSS Загальний контакт GND
22 VDD2/3 Напруга живлення +2,5…3,3 В
23 VDD1 Напруга живлення +2,5…3,3 В
24 SDA Вхідні дані (SPI: MOSI)
25 SCK Вхідне тактування (SPI: CLK)
26 CD Вибір команди (лог. «0») або даних (лог. «1»)
27 RST Вхід скидання (інверсивний)
28 CS0 Вибір кристалу (інверсивний)
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 41
Арк. № докум. Підпис Дата

Типова схема підключення виводів дисплею DOGS102W-6 показана на
рисунку 3.12,
Дводротовий інтерфейс завантаження даних в дисплей (контакти SDA та
SCK) підключаємо послідовного інтерфейсу мікроконтролера (контакти
UCA0TXD та UCA0CLK відповідно), а решта інформаційних контактів дисплея
до виводів порту PJ.0-PJ.2.

Рис. 3.12. Рекомендована схема підключення дисплею DOGS102W-6

Схема підключення даного дисплея до мікроконтролера в розробленому
пристрої представлена на рисунку 3.13.
Фільтруючий конденсатор C9 вибираємо однотипний з С1 та С2 – ємністю
0,1 мкФ типу GRM219F51H104Z.
Конденсатори перетворювача напруги С11, С12 та фільтруючий
конденсатор С13 вибираємо згідно рекомендацій виробника дисплея – 1 мкФ типу
GRM21BR71C105K. Всі ці конденсатори повинні бути розташовані в
безпосередній близькості до відповідних контактів дисплея HG1.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
42
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Контакти підсвічування дисплея (виводи 1, 2, 13 та 14) не мають з’єднань з
електричною схемою пристрою, але вони повинні бути припаяними з міркувань
кращої вібростійкості дисплея; тому на друкованій платі повинні бути контактні
площадки під цими виводами.

Рис. 3.13. Підключення дисплея до мікроконтролера

На даному дисплеї будуть виводяться показники температури і
користувацьке меню різних режимів роботи.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 43
Підпис Дата

3.4. Розробка панелі керування

В даному безконтактному пристрої для вимірювання температури буде
передбачено три різних режимів роботи: режим вимірювання, режим запису
показників в пам’ять, режим перегляду записаних показників. Тому треба
передбачити панель керування, за допомогою якої можливо обирати необхідний
режим роботи вимірювача температури, а також задавати різні параметри роботи
вимірювача (період знімання показників температури, навігація по записаним
показникам та інше).
Схема панелі керування безконтактного вимірювача температури показана
на рисунку 3.14. Основні ограни керування пристрою складаються з перемикача
SA1 та кнопок SB1-SB3.

Рис. 3.14. Підключення панелі керування

Перемикачем SA1 вибираємо режим роботи пристрою:
• верхнє положення (режим «Record») – запис показників температури в
пам’ять;
• середнє положення (режим «Temperature») – вимірювання поточної
температури;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
44
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• нижнє положення (режим «Play») – виведення збережених показників
температури на екран.
В кожному з цих режимів кнопоки SB1-SB3 матимуть різне призначення.
Функції кнопок в режимі «Record»:
• кнопка SB1 – зменшення періоду запису показників температури;
• кнопка SB2 – запуск або зупинення запису показників температури;
• кнопка SB3 – збільшення періоду часу запису показників температури.
Функції кнопок в режимі «Temperature»:
• кнопка SB1 – зменшення періоду показників температури;
• кнопка SB2 – запуск або зупинення показників температури;
• кнопка SB3 – збільшення періоду показників температури.
Функції кнопок в режимі «Play»:
• кнопка SB1 – перехід на показники температури на 1 крок назад;
• кнопка SB2 – вибір розміру 1 кроку (1, 10, 100, 1000 показників);
• кнопка SB3 – перехід на показники температури на 1 крок вперед.
Період знімання показників температури в режимі «Temperature» може
бути від 1 до 10 секунд, а період запису показників в режимі «Record» від 1
секунди до 1 хвилини. Після встановлення необхідного режиму кнопками SB1 та
SB3 запускається відображення температури або запису її в пам’ять кнопкою SB2.
Крім того, кнопки матимуть додаткові функції, якщо вони були натиснуті
під час ввімкнення пристрою. Про ці режими буде згадано при розгляданні інших
вузлів вимірювача температури. Також додаткові функції можна реалізувати при
натисканні комбінацій з кнопок SB1, SB2 та SB3.
Об’єм феромагнітної пам’яті мікроконтролера складає 16 кБ (16384 байти).
Менша її частина буде використовуватись для зберігання програми 3-5 кілобайт.
Решту частину феромагнітної пам’яті можна використовувати під масив записів
показників температури – не менше 10кБ (10240 байт).
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
45
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для збереження одного показника температури (цілої та дробової частини
числа) потрібно 2 байти. Таким чином, приблизна кількість показників, яка може
бути записана у вбудованій пам’яті мікроконтролера:

ПБД 10240 байт
N = = = 5120 , (3.2)
П1 2 байти

де ПБД – розмір об’єму пам’яті бази даних,
П1 – розмір об’єму пам’яті одного показника.
При такій кількості збережених показників біло б незручно передивлятись
їх почергово, тому й передбачено перегляд записів з кроком ±1, ±10, ±100, ±1000.
Перемикач SA1 вибираємо повзунковий на 3 положення типу SK23D07VG
[19] з робочою напругою до 30 В та струмом до 300 мА. Кнопки SB1-SB3
вибираємо тактові кутові типу TC-0204 [20] з робочою напругою до 12 В та
струмом до 50 мА.
Для правильної роботи кнопок SB1-SB3 в мікроконтролері DD1 програмно
включаються вбудовані підтягуючі резистори на входах портів P1.1-P1.3.
Перемикач SA1 підключається до порту Р1.4 мікроконтролера, який
працює в режимі аналого-цифрового перетворювача – вхід А4. В верхньому
положенні перемикача SA1 на вхід А4 АЦП поступає напруга живлення, в
нижному положенні – 0 В. В передньому положенні перемикача SA1 на вхід АЦП
поступатиме напруга, рівна половині напруги живлення, що забезпечується
подільником напруги R9R10.
Вхідний струм АПЦ мікроконтролера дуже низький, складає одиниці нА,
тому для кращої економності вимірювача температури виберемо струм через
подільник напруги R9R10 біля 1 мкА і розрахуємо опори R9 та R10:

U
I Ж
R9R10 = , (3.3)
R9 + R10
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
46
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

R10 U
UR10 =U  = Ж
Ж , (3.4)
R9 + R10 2

U 3 В
R9 = R10 = Ж  =1,5МОм . (3.5)
2  IR9R10 2 1 мкА

Виберемо резистори R9 та R10 опором 1 МОм, при цьому струм
подільника напруги R9R10 складатиме 1,5 мкА.
Завадозахищаючий конденсатор С10 виберемо ємністю 0,1 мкф,
однотипний з С1 та ін.

3.5. Розробка вузла захисту

Передбачимо в розробленому пристрої можливість керування зовнішніми
виконавчими пристроями: системою аварійної сигналізації, додатковим захистом
досліджуваного обладнання та ін. Тому добавимо в безконтактний вимірювач
температури вузол захисту, через який можливо буде підключати додатковий
виконавчий пристрій, для забезпечення гальванічної розв’язки зовнішнього
пристрою з електричною схемою вимірювача.
Один з поширених варіантів вузлів захисту – застосування оптопари. По-
перше, за допомогою оптопари здійснюється гальванічна розв’язка для захисту
мікроконтролера від сторонньої напруги. По-друге, при використанні оптопари
значно спрощується узгодження з різними схемами виконавчого пристрою – з
входом будь-якої цифрової логіки (ТТЛ, КМОН та ін.), з електромагнітним реле
через додатковий транзистор, з силовими схемами через симистор. Схему
підключення оптопари до мікроконтролера зображено на рисунку 3.15.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
47
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.15. Схема підключення вузла захисту до мікроконтролера

В якості U1 вибираємо оптопару типу LTV817S з наступними основними
характеристиками [21]:
• тип виходу – фототранзистор;
• напруга ізоляції – 5 кВ;
• максимальний вихідна напруга – 35 В;
• типовий прямий струм – від 0,5 до 20 мА;
• типова пряма напруга – 1,2 В;
• тип корпусу – SO-4.
Для підключення оптопари до порту PJ3 мікроконтролера застосовано
транзисторний ключ VT2, який відкривається при високому логічному рівні.
Вибираємо транзистори VT2 типу SI1012R здатний працювати в режимі
низьких напруг [22]. Його основні параметри.
Основні параметри транзисторів 2N3904:
• структура – N-канал;
• максимальний струм стоку – 630 мА;
• максимальна напруга «стік-витік» – 20 В;
• опір каналу «стік-витік» – 0,33 Ом;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
48
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

• тип корпусу – SC-75A.
Розрахуємо опір резистора R11 для забезпечення струму через оптопару
близько 2 мА:

U Ж −U
R11= ПР.U1 − RПР.VT 2 (3.6)
IU1

3 В −1,2 В
R11= − 0,33 Ом = 900 Ом
2 мА

Вибираємо опір резистора R11 – 910 Ом.
Роз’єм Х3 вибираємо типу PBS2-2 (гніздо) [23].

3.6. Реалізація інтерфейсу UART та USB/UART-адаптера

Для можливості передачі та збереження отриманих температурних даних
на зовнішніх носіях передбачемо в схемі послідовний інтерфейс UART. Схему
реалізації інтерфейсу UART вимірювача температури показано на рисунку 3.16.
Роз’єм Х1 вибираємо типу PBS-4R (гніздо), призначення контактів роз’єму
показано в таблиці 3.3.
Опір підтягуючого резистора R3 вибираємо 10 кОм, однотипний з R1 та ін.
Якщо передача даних через інтерфейс не відбувається, то струм через резистор R3
не протікає.
За замовчуванням інтерфейс UART буде неактивним з міркувань кращої
економності пристрою. Його активація буде здійснюватись, якщо під час
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. 49
№ докум. Підпис Дата

ввімкнення вимірювача температури буде натиснута кнопка SB2, якщо виникає
потреба вивантажити збережені дані до персонального комп’ютера.

Таблиця 3.3.
Призначення виводів роз’єму Х1
№ Найменування Призначення
1 RX Приймання даних
2 TX Передача даних
3 VCC Напруга живлення
4 GND Загальний контакт

Рис. 3.16. Схема реалізації інтерфейсу UART

При роботі безконтактного вимірювача температури з комп’ютером, який
не має послідовного СОМ-порту (наприклад, з ноутбуком) передбачимо
можливість підключення пристрою до USB-порту через USB/UART-адаптер.
Типова схема такого адаптера показана на рисунку 3.17. В основі адаптера лежить
спеціалізований мікроконтролер FT232RL.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 50
Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.17. Схема USB/UART-адаптера

З усіх сигналів, які формує мікроконтролер FT232RL, необхідні лише
прийом та передавання даних – RXD та TXD. Ці сигнали підключаються до
відповідних контактів роз’єму Х1 вимірювача температури.
USB/UART-адаптер збирається на окремій друкованій платі і є
опціональним вузлом. Друкована плата адаптера зображена на рисунку 3.18

Рис. 3.18. Друкована плата USB/UART-адаптера

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 51
Підпис Дата

3.7. Реалізація інтерфейсу Spy-Bi-Wire

Інтерфейс Spy-Bi-Wire призначений для програмування та налагодження
роботи мікроконтролерів серії MSP430. Він забезпечує повноцінну
внутрісистемну емуляцію з використанням лише двох сигнальних виводів
мікроконтролера, що не використовуються при звичайній роботі: TEST та RESET
(SBWTCK та SBWTDIO).
Схему реалізації інтерфейсу Spy-Bi-Wire показано на рисунку 3.19. Роз’єм
Х2 вибираємо типу PBS-4 (гніздо), призначення контактів показано в таблиці 3.4.
Таблиця 3.4.
Призначення виводів роз’єму Х2
№ Найменування Призначення
1 GND Загальний контакт
2 SBWTDIO Передача та приймання даних
3 SBWTCK Сигнал синхронізації
4 VCC Напруга живлення

Опір підтягуючого резистора R8 та фільтруючого конденсатора С8
вибираємо згідно рекомендацій виробника – 47 кОм та 2200пФ відповідно. При
неактивному інтерфейсі струм через резистор R8 не протікає.

Рис. 3.19. Схема реалізації інтерфейсу Spy-Bi-Wire
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. 52
№ докум. Підпис Дата

3.8. Розробка перетворювача напруги

Враховуючи дуже низький споживчий струм вимірювача температури,
пристрій живиться від лише одної батарейки (гальванічного елемента). Для
забезпечення живлення стабілізованою напругою всіх вузлів схеми передбачимо
перетворювач напруги.
Визначимо максимальний струм, що споживається схемою вимірювача
температури по основній напрузі живлення – 3 В:

I MAX = I MAX
Ж .3V DD1 + I MAX
DD2 + IHG1 + IR9R10 , (3.7)

I MAX
Ж .3V = 2,2 мА + 2,5 мА + 250 мкА +1,5 мкА  5 мА .

Визначимо типовий струм, що споживається схемою вимірювача
температури в режимі очікування, в якому він знаходиться більшість свого часу:

I MIN MIN MIN
Ж .3V = IDD1 + IDD2 + IHG1 + IR9R10 , (3.8)

I MIN
Ж .3V = 400 мкА + 5 мкА + 250 мкА +1,5 мкА  660 мкА .

Можна вважати, що середній споживчий струм вимірювача температури
по напрузі 3 В складає близько 1 мА. Він тим нижчий, чим частіше
мікроконтролер DD1 переходить в режим очікування та чим рідше відбувається
опитування піродатчика.
Враховуючи низький струм споживання для формування стабілізованої
напруги живлення будемо використовувати мікропотужний підвищуючий
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
53
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

перетворювач напруги. Джерелом живлення буде один гальванічний елемент
напругою 1,5 В.
Схема перетворювача напруги та елементів керування ним показана на
рисунку 3.2о. В основі схеми лежить інтегральний перетворювач TPS61070
компанії «Texas Instruments». Особливістю даного перетворювача є мінімум
елементів обв’язки та високий коефіцієнт корисної дії.

Рис. 3.20. Схема перетворювача напруги

Основні параметри перетворювача напруги TPS61070:
• ККД – 90%;
• вхідна напруга – від 0,9 до 5,5 В;
• регульована вихідна напруга – до 5,5 В;
• максимальний вихідний струм при вхідній напрузі 0,9 В – 75 мА;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 54

• максимальний вихідний струм при вхідній напрузі 1,8 В – 150 мА;
• типовий власний споживчий струм – 19 мкА;
• режим вимикання навантаження та власного споживання «Shutdown»;
• тип корпусу – SOT32-6.
Як видно з параметрів, навіть при кінцевій напрузі гальванічного елемента
GB1 перетворювач напруги DA1 забезпечує необхідний споживчий струм 5 мА.
Внутрішня будова перетворювача напруги показана на рисунку 3.21, а
призначення його виводів – в таблиці 3.5.

Рис. 3.21. Блок-схема перетворювача напруги TPS61070
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
55
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 3.5.
Призначення виводів перетворювача напруги TPS61070

№ Найменування Призначення
1 SW Вхід ключа перетворювача (switch)
2 GND Загальний контакт
3 EN Дозволу роботи (активний при лог. «1»)
4 FB Вхід для регулювання вихідної напруги
5 VOUT Вихідна напруга
6 VBAT Вхідна напруга

Подільник напруги R4R5 потрібно розрахувати таким чином, щоб
отримати вихідну напругу 3 В. Як видно з блок-схеми перетворювача (рис. 3.22),
напруга цього подільника порівнюється з опорною напругою UREF = 0,5 В. Для
розрахунку подільника виробник надає наступну формулу [26]:

U 
R4 = R5   OUT
 −1 . (3.9)
 UFB 

Виберемо опір резистора R4 рівний 1 МОм (однотипний з R9, R10) та
розрахуємо R5:

R4 1 МОм
R5 = = = 200 кОм
U 3 В . (3.10)
OUT −1 −1
UFB 0,5 В

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 56
Арк. № докум. Підпис Дата

Резистори R9 та R10 вибираємо точністю 1%, тому що від цього залежить
точність основної напруги живлення.
Дросель L1 вибираємо згідно рекомендацій виробника – індуктивністю
4,7 мкГн типу LQM21PN4R7NG для поверхневого монтажу розміром 0805.
Ємності конденсаторів С6 та С7 повинна складати 10 мкФ, вибираємо їх типу
GRM188R60J106ME47D з робочою напругою до 6,3 В. Дросель L1 та
конденсатори C6, C7 повинні бути розташовані в максимальній близькості до
перетворювача напруги DA1.
Враховуючи невеликий споживчий струм вибираємо гальванічний елемент
GB1 типорозміром «AAA» (24A, A286, LR03), наприклад, марганцево-цинковий
елемент «GP ALKALINE», тому що вони не містять в собі кадмію та ртуті, мають
електричну ємність більшу, ніж сольові гальванічні елементи.
Роз’єм Х4 – батарейний відсік для гальванічного елемента GB1.
Вибираємо його типу BH411.
Тепер розглянемо схему керування перетворювачем напруги.
Перетворювач DA1 є активним при високому логічному рівні на вході EN.
Відразу після вставлення гальванічного елементу до відсіку перетворювач
неактивний, тому що вхід EN запирається резистором R7. При натисненні на
кнопку SB4 напруга гальванічного елемента через діод VD1 переводить вхід EN
DA1 в активний стан – перетворювач починає працювати і напруга живлення
запускає роботу мікроконтролера. Після старту програми мікроконтролер
встановлює на виході порту P1.0 високий рівень – і сигнал дозволу роботи
перетворювача DA1 залишається в активному високому положенні.
Через кілька секунд після включення пристрою мікроконтролер починає
опитувати вхід порту P2.2. При повторному натисненні на кнопку SB4 сигнал
високого рівня поступає на затвор транзистора VT1, а на вхід Р2.2 надходить
логічний «0». Отримавши цей сигнал мікроконтролер переводить порт Р1.0 в
режим входу – і сигнал дозволу роботи EN перетворювача DA1 знову запирається
резистором R7. Перетворювач перестає працювати і пристрій вимикається.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
57
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Транзистор VT1 вибираємо SI1012R, однотипний з VT2. Резистори R6 та
R7 вибираємо опором 1 МОм, однотипний з R4, R9, R10. Діод VD1 повинен мати
низьку пряму напругу, тому вибираємо діод Шотткі типу BAS40 [30]. Кнопку SB1
вибираємо типу TC-0204, однотипну з SB1-SB3.
Струм через елементи R4R5 та R7 складає приблизно по 3 мкА, що значно
менше за середній споживчий струм по напрузі 3 В приблизно рівний 1 мА.
Розрахуємо середній струм та потужність, що споживаються від гальванічного
елемента GB1 в активному режимі пристрою при ККД перетворювача 90%:

U  I 3 В 1 мА
IGB1 =
OUT Ж .3V + IDA1 = +19 мкА = 2,24 мА , (3.11)
UGB1 DA1 1,5 В 0,9

PGB1 =UGB1  IGB1 =1,5 В 2,24 мА = 3,36 мВт . (3.12)

3.9. Підключення напівпровідникового лазера

Напівпровідниковий лазер живитиметься від окремого джерела живлення,
щоб значно більший споживчий струм через нього та стан його гальванічних
елементів не впливав на роботу вимірювача температури.
Схема підключення напівпровідникового лазера показана на рисунку 3.22.
Лазер HL1 вибираємо типу LD-65052T з наступними параметрами:
• довжина хвилі випромінювання – 650 нм (червоний колір);
• потужність випромінювання – 5 мВт;
• типовий прямий струм – 10 мА;
• типове падіння напруги – 2,2 В.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 58

Вибираємо гальванічні елементи GB2 та GB3 однотипні з GB1 – «GP
ALKALINE» типорозміром «AAA», батарейний відсік Х5 типу BH421-3A для
двох елементів живлення. Кнопку SB5 вибираємо TC-0204, однотипну з іншими
кнопками.
Розрахуємо опір R12 для забезпечення потрібного струму лазера:

UGB2 +UGB3 −U 1,5 В +1,5 В − 2,2 В
R12 = HL1 = = 80 Ом . (3.13)
IHL1 10 мА

Вибираємо резистор R12 опором 75 Ом з вивідними контактами та
потужністю 0,25 Вт.

Рис. 3.22. Підключення напівпровідникового лазера

Отже на основі структурної схеми (рис. 2.1) розроблено електрично-
принципову схему безконтактного пристрою для вимірювання температури, яку
представлено на рисунку 2.23
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
59
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 3.27. Електрична схема безконтактного вимірювача температури
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
60
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

4. ОСОБЛИВОСТІ ПРОГРАМУВАННЯ ТА НАЛАШТУВАННЯ
ПРИСТРОЮ

4.1. Складання та налаштовування пристрою

Пристрій збирається на друкованій платі з фольгованого склотекстоліту.
На одній стороні плати розташовується піродатчик DD2, органи керування
(кнопки SB1-SB4 та перемикач SA1), гальванічний елемент GB1. На іншій стороні
плати розташований мікроконтролер DD1, рідкокристалічний дисплей HG1 та
інші елементи. Напівпровідниковий лазер та елементи його кола (кнопка SB5,
відсік X5 та резистор R12) розташовуються в корпусі навісним монтажем, з
основною схемою вимірювача температури вони не пов’язані. Вісь діаграми
направленості напівпровідникового лазера повинна максимально збігатись з віссю
діаграми направленості піродатчика.
Після збирання пристрою необхідно перевірити значення основної напруги
живлення після перетворювача при натиснутій кнопці SB4 – вона повинна
відповідати 3 В. Потім необхідно запрограмувати мікроконтролер DD1. Для
цього використовується стандартний JTAG-програматор для мікроконтролерів
серії MSP430. Процес завантаження даних в мікроконтролер займає всього кілька
хвилин.
Один з таких програматорів зображено на рисунку 4.1 – програматор
«EKIT05-01», він підключається до комп’ютера через паралельний порт.
Програматор призначений для програмування і внутрішньо схемного
налагодження пристроїв на основі flash-мікроконтролерів серії MSP430
виробництва фірми Texas Instruments. Програматор підключається до
паралельного порту комп'ютера і працює в середовищі розробки IAR Embedded
Workbench for MSP430, безкоштовної обмеженої версії IAR KickStart software, а
також у безкоштовному середовищі GCC. Всі ці інструменти доступні в Інтернеті.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 61
Арк. № докум. Підпис Дата

Рис. 4.1. Програматор для мікроконтролерів серії MSP430

Програматор не вимагають зовнішнього живлення, досить підключення до
COM-порту комп'ютера. Однак, якщо це необхідно, можна підключити зовнішній
блок живлення (в комплект поставки не входить), від якого буде запитаний
програматор. Для вибору способу живлення служить перемикач на правій стінці
корпуса програматора. Деякі з мікроконтролерів MSP430 мають вивід TEST, на
який при програмуванні і налагодженні має подаватися напруга живлення (Vpp).
На лівій стороні програматора розташований перемикач "Test", який для роботи з
такими микроконтроллерами потрібно включити в положення "1".
Програматор на основі завантажувального сектора MSP430 (BSL) дозволяє
користувачеві звертатися до внутрішньої пам'яті мікроконтролера MSP430 в
процесі макетування, виробництва чи обслуговування. Для модифікації доступні
як програмна (флеш) пам'ять, так і пам'ять даних (ОЗУ). Для зв'язку
використовується протокол UART з інтерфейсом RS232, що забезпечує гнучке
використання як програмного, так і апаратного забезпечення.
Для використання програматора на основі завантажувального сектора слід
подати спеціальну послідовність сигналів BSL на певні виводи процесора. Після
цього подається певна послідовність команд відповідно до необхідного режимом.
Режим завантаження може бути перерваний переходом за певним користувачем
адресою або здійсненням апаратного скидання (reset).
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
62
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

4.2. Розрахунок надійності пристрою

При розрахунку надійності будь якого електронного пристрою, враховують
вплив умов експлуатації, температури та електричного режиму. Розрахунок
ймовірності безвідмовної роботи на протягом часу t можливо розрахувати за
наступною формулою:

m
−k  j N j
p (t)= e j=1
c ,

де kλ – поправочний коефіцієнт, що враховує умови експлуатації,
λj – інтенсивність відмов елементів j-тої рівнонадійної групи при експлуатації в
заданих умовах,
Nj – кількість елементів j-тої групи.
λj знаходиться за формулою:

 j = 0 j  j ,

де λ0j – інтенсивність відмов елементів j-тої рівнонадійної групи при експлуатації
в номінальному режимі,
αj – поправочний коефіцієнт інтенсивності відмов j-тої групи, що враховує вплив
температури оточуючого середовища та електричне навантаження елемента.
Поправочний коефіцієнт kλ знаходиться за формулою:

k = k1 k2 k3 ,

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 63
Арк. № докум. Підпис Дата

де kλ1 – коефіцієнт, який враховує вплив механічних факторів (вібрації),
kλ2 – коефіцієнт, який враховує вплив кліматичних факторів (температура,
вологість),
kλ3 – коефіцієнт, який враховує умови роботи при зниженому атмосферному
тиску.
Напрацювання на відмову пристрою знаходиться за формулою.

1
TСЕР.С =
m .
 j N j
j=1

Умови користування пристроєм: вібрація – можлива, температура від 0 до
30˚С, вологість 60–80 % та атмосферний тиск 750–770 мм рт. ст. Тому поправочні
коефіцієнти становлять kλ1 = 50, kλ2 = 2, kλ3 = 1. Отже, коефіцієнт kλ дорівнює:

k = 50 2 1=100 .

Розраховуємо надійність елементів.
Коефіцієнт навантаження конденсаторів kн = 0,3...0,7. При kн = 0,5 та
температурі 20° С поправочний коефіцієнт для конденсаторів становить 0,4, а
інтенсивність відмов дорівнює 2,3 ∙ 10–6 1/год. Отже:

1
С = 2,310−6 0,4 = 0,92 10−6
.
год

Надійність інтегральних схем (α = 0,2, λ0 = 0,02 ∙ 10–6 1/год):

1
DD = 0,02 10−6 0,2 = 0,004 10−6
.
год
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
64
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Надійність транзисторів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):
1
 −6 −6
VT = 0,02 10 0,2 = 0,004 10 .
год

Надійність вимикачів (α = 0,3, λ0 = 3 ∙ 10–6 1/год):

 −6 −6 1
S = 310 0,7 = 2,110 .
год

Надійність діодів (α = 0,85, λ = 0,5 ∙ 10–6
0 1/год):

 = 0,5 10−6 1
VD 0,85 = 0,42510−6
.
год

Надійність резисторів (α = 0,42, λ0 = 0,6 ∙ 10–6 1/год):

1
R = 0,6 10−6 0,42 = 0,252 10−6
.
год

Надійність індикаторів (α = 0,85, λ0 = 0,5 ∙ 10–6 1/год):

1
HL = 0,5 10−6 0,85 = 0,425 10−6
.
год

Надійність роз’ємів (α = 0,62, λ0 = 0,45 ∙ 10–6 1/год):

1
X = 0,45 10−6 0,62 = 0,279 10−6
.
год
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
65
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Розраховуємо ймовірність безвідмовної роботи всієї схеми, що включає 13
конденсаторів, 3 мікросхеми, 2 транзистори, 6 вимикачів, 3 діоди, 12 резисторів, 1
індикатор, 5 роз’ємів, 1 резонатор (рис. 3.27):

pC (t) = exp−1(0,92 10−6 13 + 0,004 10−6 3 + 0,004 10−6  2 +
+ 2,110−6 6+ 0,425 10−6 3+ 0,252 10−6 12+ 0,425 10−6 1+
+ 0,279 10−6 5+ 0,18 10−6 1) 0,99692 .

Розраховуємо напрацювання на відмову всієї схеми:

T = 1 (0,92 10−6
СЕР.С 10 + 0,004 10−6 3 + 0,004 10−6  2 +
+ 2,110−6 6+ 0,425 10−6 3+ 0,252 10−6 12+ 0,425 10−6 1+
+ 0,279 10−6 5+ 0,18 10−6 1) 32384 години .

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
66
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

5. ОХОРОНА ПРАЦІ

5.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що виникають при роботі
на модельній дільниці

В даній бакалаврській роботі проводиться розробка безконтактного
пристрою для вимірювання температури. Ці роботи проводяться на великому
багатопрофільному підприємстві. Однією з найшкідливіших дільниць
підприємства є модельна дільниці цеху пластиків, тому розглянемо умови праці
робітників цієї дільниці.
На роботу в цеху приймаються особи, яким виповнилось 18 років і які
мають відповідну освіту, пройшли медичний огляд та не мають протипоказань.
До роботи допускаються працівники які:
- пройшли вступний інструктаж з охорони праці;
- пройшли навчання та перевірку знань з пожежної безпеки на підприємстві;
- пройшли інструктаж з першої медичної допомоги потерпілим від
нещасних випадків;
- пройшли первинний інструктаж на робочому місці;
- пройшли навчання та перевірку знань з електробезпеки;
- пройшли інструктаж щодо розпорядку дня;
- затвердили проходження інструктажів підписами у відповідних журналах.
Важливе значення мають фактори мікроклімату в робочому приміщенні,
оскільки вони безпосередньо впливають на здоров’я та самопочуття працівників.
Згідно з ДСН 3.3.6.042-99 нормативні значення основних факторів мікроклімату
наступні:
1. Температури повітря:
− В теплий період року – 23-25 °С (допустима – 20-28 °С). ;
− В холодний період року – 22-23 °С (допустима – 21-25 °С).
2. Вологість повітря:
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
67
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

− В теплий період року – 40-60 %;
− В холодний період року – 40-60 %.
3. Швидкість руху повітря:
− В теплий період року – 0,1 м/с (допустима – 0,1-0,2 м/с) ;
− В холодний період року – 0,1 м/с (допустима – менше 0,1 м/с) .
Фактичні значення даних параметрів становлять відповідно:
1. Температури повітря:
– В теплий період року – 22-24 °С ;
– В холодний період року –21-22 °С .
2. Вологість повітря:
− В теплий період року – 45-50 %;
− В холодний період року – 42-44 %.
3. Швидкість руху повітря:
− В теплий період року – 0,1 м/с;
− В холодний період року – 0,05 м/с.
Фактичні параметри мікроклімату модельної дільниці повністю
відповідають нормативним вимогам згідно ДСН 3.3.6.042-99.
Проект електроосвітлення цеху розроблений згідно ПУЕ-17, ДБН В.2.5-28-
2018 та технологічного і будівельного завдань. Проектом передбачено два види
загального освітлення: робоче та аварійне, яке використовується і для евакуації
персоналу. Напруга мережі освітлення 220 В. Встановлена потужність: робочого
освітлення - 17,9 кВт, аварійного освітлення - 3,7 кВт.
В якості джерела світла, в основному, прийняті світильники з
люмінесцентними лампами, частково зі світлодіодними лампами. Типи
світильників вибрані з урахуванням умов оточуючого середовища. В виробничих
приміщеннях категорії «А» класу В-Іа передбачаються люмінесцентні
вибухобезпечні світильники типу Н4Т4Л-2х80. Світильники в виробничих
приміщеннях встановлюються на монтажному профілі, в службово-побутових
приміщеннях - на стелі та стінах.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 68
Підпис Дата

Силова розподільча мережа виконується гнучкими кабелями з мідними
жилами КПГН, КГН до кранів в приміщеннях класу В–Іа. Кабелями ВВг в
коробах і стальних водогазовідвідних трубах до витяжних вентиляторів, кабелями
АВВГ в коробах, відкрито під скобку, частково в стальних водогазопровідних
трубах в підготовці підлоги в інших приміщеннях.
Всі металеві неструмоведучі частини електрообладнання підлягають
заземленню шляхом приєднання до (в приміщеннях класу В–Іа до окремого
захисного нульового проводу) внутрішнього контуру заземлення, який служить
одночасно і контуром захисту від статичної електрики.
Внутрішній контур заземлення виконується по периметру приміщення ст.
25х4 на висоті 20 см від підлоги і приєднується не менше ніж у двох місцях до
фундаментного заземлення. Всі електроспоживачі мають заземлення відповідно
ДСТУ Б В.2.5-36:2016, що гарантує безпечну роботу на дільниці. До
внутрішнього заземлення приєднуються також металеві частини технологічних
трубопроводів та обладнання, вентиляції, металеві вентиляційні короби.
Рівень шуму на робочих місцях, який виникає під час роботи обладнання
дільниці і систем вентиляції перевищує гранично допустимий рівень згідно ДСН
3.3.6.037-99 і становить 82-86 дБА. Тому для зниження рівня шуму на модельній
дільниці рекомендується влаштувати систему звукопоглинання. Рівні вібрації від
обладнання відповідають ДСН 3.3.6.037-99. Джерела інфразвуку та ультразвуку в
приміщеннях відсутні.
В повітря робочої зони виробничих приміщень надходять шкідливі
речовини, що виділяються в процесі формування пластикових виробів їх
полімеризації, при шліфовці виробів, при виготовленні моделей. Їх ГДК у повітрі
робочої зони прийняті у відповідності з ГОСТ 12.1.005-88.
На модельній дільниці проведена перевірка сумарної концентрації
шкідливих речовин однонаправленої дії ізофталевої кислоти і пилу штучних
мінеральних волокон склоподібної структури (алергени): 0,02/0,2 + 1,46/2,0 = 0,87
 1, що відповідає ГОСТ 12.1.005-88.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
69
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Основні шкідливі речовини, що виділяються в повітря робочої зони і їх ГДК
на модельній дільниці:
- гіпериз – 1,0 мг/м3;
- стирол – 10,0 мг/м3;
- розчинники (ацетон, ксилол, сольвент, уайт – спірит, бутилацетат, етанол)
– 50,0 – 1000,0 мг/м3;
- силікатомісткий пил – 6,0 мг/м3;
- пил штучних волокон скло образної структури (аерозоль) – 2,0 мг/м3.
Для того, щоб уникнути нещасних випадків на підприємстві передбачено:
- автоматичне вмикання резервних і витяжних вентиляційних систем, що
обслуговують приміщення, в яких виникає до вибухонебезпечна концентрація
стиролу;
- дистанційне керування робочим пожежним насосом у разі виникнення
пожежі та автоматичне ввімкнення резервного пожежного насосу при відмові
робочого насосу;
- автоматичне відкривання засувки з електроприводом на обвідній лінії
одномірного вузла у разі виникнення пожежі;
- автоматичне відключення всіх вентиляційних систем у разі виникнення
пожежі.
Оскільки в нічний час не виключна можливість перевищення концентрацій
парів стиролу до 50% передбачається встановлення сигналізаторів
вибухонебезпечних концентрацій Щит-2-16 (4 шт.) для контролю повітряного
середовища в приміщенні.
Для контролю ГДК парів стиролу в повітрі робочої зони на початку і на
протязі робочої зміни передбачається переносний газоаналізатор типу ЗОНД.
Проект пожежної сигналізації розроблений згідно вимогам ДБН В.2.5-56-
2014. Проектом передбачено встановлення в кімнаті керівника цеху приладу
приймально-контрольного пожежного ППС-3М на 10 променів.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. 70
Підпис Дата

Електроживлення приладу пожежної сигналізації здійснюється по першій
категорії надійності електропостачання: основне, 220В - від двох секцій ВРП;
резервне, 24В – від двох вбудованих акумуляторів по 12В.
Оповіщення про пожежу передбачається мовне і звукове. Мовне
оповіщення передбачається через абонентські гучномовці і звукові колонки з
місцевого радіовузла, а також через ручний мегафон «Баланс-2». Звукове
оповіщення здійснюється автоматично світлозвуковим оповісником ОСЗ –3 по
сигналу приладу пожежної сигналізації.
Водопостачання цеху по виготовленню пластика здійснюється від існуючої
внутрішньо площадкової водопровідної мережі.
Згідно ДБН В.2.5-74:2013 «Водопостачання. Зовнішні мережі та споруди.
Основні положення проектування» та ДБН В.2.5-64-2012 сумарні витрати води
складають: на внутрішнє пожежогасіння - 10,0 л/сек., а на зовнішнє
пожежогасіння - 15,0 л/сек.
Зовнішнє пожежогасіння здійснюється від існуючих пожежних гідрантів,
розташованих на відстані 6-50 м від цеху в колодязях СВКГ-1, СВКГ-2, СВКГ-3.
Внутрішнє пожежогасіння здійснюється від протипожежного водопроводу
пожежними кранами 65 мм з розрахунку в два струменя по 5,0 л/сек. Для
підвищення тиску в системі протипожежного водопроводу передбачені насоси
типу СР-60-20. Розміщення пожежних кранів забезпечує гасіння кожного
приміщення двома струменями при довжині пожежного рукава 20 м та висоті
компактного струменя 12 м при діаметрі сприску – 16 мм.
Крім того, в якості протипожежних заходів, в пожежних шафах передбачені
порошкові вогнегасники (Правила експлуатації та типові норми належності
вогнегасників), а на будівельному майданчику влаштовується протипожежний
щит з необхідним інвентарем.
Склад одного пожежного щита:
- ящик з піском – 1шт.;
- вогнегасники порошкові ВП-10А – 3 шт.;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. 71
№ докум. Підпис Дата

- покривало з негорючого теплоізоляційного матеріалу – 1 шт.;
- бочка з водою – 1шт.;
- крюки – 3шт.; лопати – 2 шт.; ломи – 2 шт.; сокири – 2 шт.
Працівники забезпечуються спецодягом з типовими галузевими нормами, а
саме:
- костюм бавовняно – паперовий, засоби захисту рук і ніг типу ПС по
ГОСТ 12.4.010-75, засоби захисту очей ДСТУ EN 166:2017, засоби захисту
органів дихання, респіратор фільтруючий газопиловий без примусової подачі
повітря за ДСТУ ГОСТ 12.4.041:2006 «Засоби індивідуального захисту органів
дихання фільтрувальні. Загальні технічні вимоги»;
- розкрійник склотканин, складальник виробів, готувальник матриць -
костюм бавовняно – паперовий, засоби захисту ніг і рук.
Частини одежі, що найчастіше можуть забруднюватись поліефірною
смолою, гелькоутом, необхідно захищати фартухами, нарукавниками разового
користування з плівкових матеріалів.
Якщо в процесі роботи можливе забруднення рук пилом скловолокон,
сировиною, працівники користуються захисними пастами типу «біологічні
печатки». Для осіб, що мають контакт зі скломатеріалами або працюють на
операціях з пилоутворенням, передбачене приміщення для обезпилювання
робочого одягу, обладнане побутовими пилососами.
В результаті проведеного аналізу можна зробити висновок, що майже усі
параметри відповідають нормативним вимогам і на модельній дільниці цеху
створені всі умови для збереження життя та здоров’я працівників, окрім
підвищеного рівня шуму при роботі обладнання. Тому рекомендовано в
приміщенні ділянки змонтувати систему звукопоглинання, зокрема підвісну
стелю та розмістити звукопоглинальні матеріали на стінах приміщення.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
72
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

5.2 Розробка системи звукопоглинання в приміщені модельної
дільниці

Рівень шуму у виробничому приміщенні залежить не лише від прямого, але
й відбитого звуку. Тому, якщо в цеху неможливо знизити енергію прямого звуку,
то необхідно зменшити енергію звукових хвиль, які відбиваються від внутрішніх
поверхонь приміщення. Для цього проводять акустичне оброблення всіх або
частини стін та стелі приміщень шумних виробництв за допомогою
звукопоглинального облицювання та (або) підвішують до стелі штучні
звукопоглинувачі. Процес поглинання звуку відбувається при переході коливної
енергії частинок повітря в теплоту внаслідок втрат на тертя в порах
звукопоглинального матеріалу. Тому для ефективного звукопоглинання матеріал
повинен мати пористу структуру, причому необхідно щоб пори були відкриті зі
сторони звукової хвилі і мали якнайбільше з'єднань між собою. Штучні
звукопоглиначі найдоцільніше розміщувати в зонах, де концентруються звукові
хвилі, що відбиваються від внутрішніх поверхонь приміщення.
Розрахунок системи звукопоглинання проводимо за стандартною
методикою. Визначаємо об’єм приміщення:

V=21·12·4,5 = 1134 м3

Визначаємо постійну приміщення в м2 на середньогеометричній частоті
1000Гц – В1000:

В1000 = V/20 = 1134/20 = 56,7 (5.1)

Визначаємо постійну приміщення В в октавних смугах частот (таблиця 5.1).

Bi = B1000   i (5.2)
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
73
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 5.1

Постійна приміщення В в октавних смугах частот
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ві 28,35 28,35 31,185 39,69 56,7 90,72 170,1 340,2

Для заданого виду робіт знаходимо нормативні значення рівнів звукового
тиску Lнорм.і (ДБН В.1.1-31:2013, ДСН 3.3.6.037-99 (таблиця 5.2):

Таблиця 5.2.

Нормативні значення рівнів звукового тиску
Октавні смуги
середньогеомет- 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
ричних частот, Гц
Фактичні рівні
звукового тиску, 85 85 85 82 78 72 65 49
дБ
Допустимі рівні
звукового тиску. 95 87 82 78 75 73 71 69
дБ

Визначаємо необхідний рівень зниження рівня звукового тиску в кожній
октавній смузі (таблиця 5.3):

Lпотр.і = Lфакт.і – Lнорм. (5.3)

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
74
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 5.3
Необхідний рівень зниження звукового тиску в кожній октавній смузі
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Lпотр.і - - 3 4 3 - - -

В залежності від частотного спектра необхідного зниження рівня звукового
тиску вибираємо звукопоглинальний матеріал з відповідним ревербераційним
коефіцієнтом звукопоглинання обл для облицювання стін та стелі.
Для застосування в системі звукопоглинання пропонується використати
звукопоглинальні плити Heradesign Superfine, оскільки він має найвищий
коефіцієнт звукопоглинання по частотах 250-1000 Гц.
Heradesign Superfine - акустичні плити з деревних волокон, пов'язаних
магнезитом. Унікальна технологія виробництва одношарових плит Heradesign
Superfine належить європейській компанії Heradesign, виробничі потужності якої
розташовані в Австрії.
Плити Heradesign Superfine дають широкі можливості для створення
оптимального акустичного комфорту в приміщеннях різного функціонального
призначення. Панелі можуть монтуватися різними способами як на стіни, так і на
стелю.
До складу звукопоглинаючих панелей Heradesign Superfine входять тільки
екологічно безпечні матеріали - натуральні деревні волокна розміром 1-2 мм, і
магнезитова суміш, що дозволяє з'єднати окремі волокна в плиту. Просте
поєднання цих матеріалів забезпечує прекрасні акустичні властивості і чудові
результати експлуатації плит Heradesign. Плити поставляються вже прогрунтовані
і повністю готовими до установки. Можлива попередня забарвлення згідно
класифікатора RAL.
Переваги плит Heradesign Superfine:
- екологічні і безпечні завдяки натуральній сировині;
- надійні, довговічні і міцні;
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
75
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

- цікавий зовнішній вигляд і простір для використання в дизайні приміщень
завдяки можливості забарвити плити в будь-який колір з палітри RAL;
- плити є вогнестійкими і пожежобезпечними (присвоєно клас Г1, В1, Д1,
Т1);
- точність виробництва плит (можливі відхилення в розмірах - не більше 1
мм);
- максимальна усадка змонтованих плит - не більше 1 мм;
- високий коефіцієнт звукопоглинання - aw = 0,95.

Рис. 5.1 – Зовнішній вигляд звукопоглинальних
панелей Heradesign Superfine

Рис. 5.2 – Ревербераційні коефіцієнти звукопоглинальних
панелей Heradesign Superfine

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
76
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 5.4
Розміри і технічні характеристики звукопоглинальних панелей Heradesign
Superfine
Номінальний розмір, 600 х 600 625 х 625
мм 1200 х 600 1250 х 625
Товщина, мм 15 25 35
Вага, кг/кв.м 7,8 11,3 15
Стандартні кольори білий бежевий
Коефіцієнт звукопоглинання до 0,95
Пожежобезпека Г1, В1, Д1, Т1

Визначаємо величину звукопоглинання звукопоглинальними конструкціями
(таблиця 5.5):
Ai = обл.і  Sобл.і (5.4)

Таблиця 5.5
Величина звукопоглинання звукопоглинальними конструкціями
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ai 196,56 171,36 231,84 226,8 226,8 201,6 231,84 246,96

Визначаємо величину відношення Ві/Sогр (таблиця 5.6):

Таблиця 5.6
Величина відношення Ві/Sогр
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ві/Sогр 0,035 0,035 0,038 0,049 0,07 0,113 0,21 0,42

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 77
Арк. № докум. Підпис Дата

Визначаємо середній коефіцієнт звукопоглинання до устрою
звукопоглинального облицювання (таблиця 5.7):

Bi / Sогр
 i = (5.5)
Bi / Sогр + 1

Таблиця 5.7
Середній коефіцієнт звукопоглинання до устрою звукопоглинального
облицювання

Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
 i 0,034 0,034 0,037 0,047 0,066 0,101 0,175 0,298

Визначаємо величину звукопоглинання конструкцій, що відгороджують
приміщення А1 (м2), на яких немає звукопоглинального облицювання (таблиця
5.8):

A1−i = i  ( Sогр − Sобл ) (5.6)

Таблиця 5.8
Величина звукопоглинання конструкцій, що відгороджують приміщення А1(м
2),
на яких немає звукопоглинального облицювання

Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
A1−i 18,76 18,76 20,57 25,91 36,29 55,85 96,16 163,6

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 78
Арк. № докум. Підпис Дата

Визначаємо середній коефіцієнт звукопоглинання приміщення із
звукопоглинальною конструкцією (таблиця 5.9):

A + A
 = 1−i i
1−i (5.7)
Sогр

Таблиця 5.9
Середній коефіцієнт звукопоглинання приміщення з
звукопоглинальною конструкцією
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1−i 0,27 0,24 0,31 0,31 0,33 0,32 0,41 0,51

Визначаємо постійну приміщення В1 (таблиця 5.10):
A1−i + Ai
B1−i = (5.8)
1−1−i

Таблиця 5.10
Постійна приміщення В1
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
B1−i 294,5 249,3 368,5 369,2 391,7 379,4 555,5 842,5

Визначаємо величину відношення В1і/Sогр (таблиця 5.11):

Таблиця 5.11
Величина відношення В1і/Sогр
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
В1і/Sогр 0,36 0,31 0,46 0,46 0,49 0,47 0,69 1,05

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
79
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Визначаємо Ψ і Ψ1 коефіцієнти, відповідно до та після влаштування
звукопоглинаючих конструкцій (5.12):

Таблиця 5.12
Коефіцієнти, відповідно до та після пристрою звукопоглинаючих конструкцій

Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Ψ 1,02 1,02 1,01 1 0,98 0,9 0,82 0,7
Ψ1 0,73 0,77 0,68 0,68 0,67 0,67 0,6 0,49

Визначаємо величину максимального зниження рівня звукового тиску L
(дБ) при застосуванні звукопоглинальних конструкцій в розрахунковій точці, що
розташована в зоні відбитого звуку за формулою 5.9 (таблиця 5.13):

B
L =10  lg( 1−i  i
i ) (5.9)
Bi  1−i

Таблиця 5.13
Величина максимального зниження рівня звукового тиску L (дБ) при
застосуванні звукопоглинальних конструкцій в розрахунковій точці, що
розташована в зоні відбитого звуку

Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Li 11,6 10,6 12,4 11,3 10,0 7,5 6,5 5,5

За допомогою звукопоглинаючого матеріалу Heradesign Superfine знизився
шум в октавних смугах 1000, 2000 та 4000 Гц. Дані цих розрахунків наведені в
таблиці 5.14 та зображені на рисунку 5.3.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
80
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 5.14
Значення рівнів шуму в октавних смугах до (Lфак) та після встановлення системи
звукопоглинання (Lрозр); Lнорм – вимоги ДСН 3.3.6.037-99.
Частота, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
L 85 85 85 82 78 72 65 49
факт
Lнорм 95 87 82 78 75 73 71 69
L 73,4 74,4 72,5 70,6 67,9 64,5 58,5 43,5
розр

Рис. 5.3.- Рівні звукового тиску на модельній дільниці до (Lфак) та після
встановлення системи звукопоглинання (Lрозр); Lнорм – нормативний рівень
звукового тиску відповідно ДСН 3.3.6.037-99

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 81
Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВКИ

В даній випускній кваліфікаційній роботі бакалавра розроблено
безконтактний пристрій для вимірювання температури, який можливо
використовуються в різних галузях промисловості, до яких можна віднести
металургійну промисловість, виробництво пластмас і виробів з них, виробництво
скляних виробів, електротехнічну промисловість, харчову промисловість та інші.
Основною особливістю інфрачервоних вимірювачів температури є безконтактний
метод вимірювання, який дозволяє визначати температуру в місцях, недоступних
для контактних методів вимірювання.
В роботі розроблено структурну схему пристрою, та на її основі
принципово-електричну схему. Роботою пристрою керує мікроконтролер, який
працює згідно алгоритму програми, яка завантажується в нього після збирання
пристрою. Застосовано 16-розрядний мікроконтролер MSP430FR5728 компанії
«Texas Instruments» із сегнетоелектричною оперативною пам’яттю.
Мікроконтролер має надзвичайно низьке енергоспоживання.
Для реєстрації інфрачервоного випромінювання досліджуваного об’єкта
застосовано вимірювальний модуль MLX90614 компанії «Melexis». Особливістю
цього модуля є можливість його опитування по цифровому дводротовому
інтерфейсу.
Для виведення результатів вимірювання в схемі використано дисплей
DOGS102W-6 компанії «Electronic Assembly GmbH», що також має надзвичайно
низьке енергоспоживання.
Для живлення основної частини вимірювача температури
використовується всього лише один гальванічний елемент напругою 1,5 В. Він за
допомогою перетворювача напруги TPS61070 забезпечує мікроконтролер,
вимірювальний модуль та дисплей стабілізованим живленням напругою 3 В.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
82
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

Для точного націлювання безконтактного вимірювача температури
застосовано малопотужний напівпровідниковий лазер, який має окремий елемент
живлення.
Особливістю безконтактного вимірювача температури є наявність
ізольованого оптоелектронного виходу для можливості автоматичного керування
зовнішнім виконавчим пристроєм. Його можна використовувати:
• як логічний вихід для підключення до основної системи автоматики;
• як сигнал аварійної системи сигналізації;
• як сигнал керування силовою установкою.
При розрахунку надійності були визначені ймовірність безвідмовної
роботи pc(t) та середній час напрацювання на відмову Тсер.с. Відповідно,
pc(t) = 0,99692, а Тсер.с = 32384 години.
В розділі охорони праці було проведено аналіз небезпек та шкідливостей,
що виникають при роботі на модельній ділянці, а також розроблено систему
звукопоглинання в приміщені.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
83
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Снопко В. Н. Спектральные методы оптической пирометрии нагретой
поверхности. – Минск: Наука и техника, 1988. – 151 c., ил.
2. Магунов А. Н. Спектральная пирометрия. – М.: Физматлит, 2012. – 248 с.,
ил., табл.
3. Чернин С. М., Коган А. В. Измерение температуры малых тел пирометрами
излучения. – М.: Энергия, 1980. – 98 с., ил.
4. http://temperatures.ru/.
5. http://www.dwyer-inst.com/Product/Temperature/Thermometers/Infrared/.
6. http://www.svaltera.ua/upload/docs/dwyer/Manuals/FST_300_instruction.pdf.
7. http://reagent-alfa.dp.ua/products/Пирометр_DT8869H.
8. http://general-test.com.ua/UserFiles/Files/DT-8867H.pdf.
9. http://www.promimport.ru/prod_ray_mid.htm.
10. http://www.sensoren.ru/manual/raytek/thermalert_mid.pdf.
11. Кулагов В. Бесконтактное измерение температуры пирометром
спектрального отношения. — Схемотехника, 2001, № 8, с. 10-11.
12. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp430fr5728.pdf.
13. http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/ic/Texas_Instruments/micros/msp430/start.htm.
14. http://www.radioradar.net/news/electronics_news/msp430fr57xx.html.
15. http://www.tme.eu/ru/katalog/?art=32.768K-85SMXR.
16. http://www.melexis.com/mlx90614.
17. http://www.melexis.com/Assets/IR-sensor-thermometer-MLX90614-Datasheet-
5152.aspx.
18. http://www.lcd-module.com/.
19. http://www.chipdip.ru/product1/8085996577/.
20. http://www.chipdip.ru/product/tc-0204-ts-a2pv-130/.
21. http://www.chipdip.ru/product/pc817-ltv817s/.
Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
84
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата

22. http://www.rlocman.ru/i/File/dat/Vishay/MOSFETs_Single/SI1012R_T1_E3.pdf.
23. http://electronics.inf.ua/P12.htm.
24. http://msevm.com/main/jtag/index.htm.
25. http://www.iar.com/.
26. Брамсон М.А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых
тел. Т.1. –М.: Наука, 1964.
27. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред.
Шейндлина А.Е. –М.: Энергия, 1974.
28. Температурные измерения. Справочник / Под ред. О.А. Геращенко. Киев:
Наукова думка, 1989. 472 с.
29. Основи охорони праці: підручник / М. С. Одарченко,. А. М. Одарченко, В. І.
Степанов, Я. М. Черненко. – Х. : Стиль-Издат, 2017. – 334 с.
30. Методичні вказівки до виконання випускних робіт бакалавра та дипломних
робіт для студентів напряму підготовки та спеціальності «Радіотехніка» освітньо-
кваліфікаційних рівнів «бакалавр», «спеціаліст», «магістр» усіх форм навчання /
Укл. В.В. Палагін, В.В. Філіпов. – Черкаси: ЧДТУ, 2016. – 53 с.

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. Арк. 85
№ докум. Підпис Дата

ДОДАТКИ

Арк.
СКРТ97.021.109.248 ПЗ
Змн. 86
Арк. № докум. Підпис Дата

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