Розробка вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних

Корчака, Ілля В’ячеславович

Будь ласка, використовуйте цей ідентифікатор, щоб цитувати або посилатися на цей матеріал: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8030

Назва:	Розробка вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних
Автори:	Мартиненко, Сергій Станіславович Корчака, Ілля В’ячеславович
Дата публікації:	2024
Короткий огляд (реферат):	"Мета роботи – розробка вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних для ефективного моніторингу напруги в електричних системах, з викорис-танням сучасної елементної бази згідно з вимогами ТЗ, розробка повного пакету конструкторської документації. Проведено аналіз побудови схем електронних вольтметрів, оглянуто існуючі пристрої та проведено аналіз окремих схем подібних пристроїв. Згідно технічного завдання розроблена структурна схема пристрою, що проектується."
URI (Уніфікований ідентифікатор ресурсу):	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8030
Розташовується у зібраннях:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Файли цього матеріалу:

Файл	Опис	Розмір	Формат
Б_172_Корчака_Мартиненко.pdf Restricted Access		996.8 kB	Adobe PDF	Переглянути/Відкрити Запит копії

Показати повний опис матеріалу Перегляд статистики

Усі матеріали в архіві електронних ресурсів захищено авторським правом, усі права збережено.

Extracted text

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОННИХ ТЕХНОЛОГІЙ, АВТОТРАНСПОРТУ ТА
МАШИНОБУДУВАННЯ
КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІЧНИХ І ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙНИХ СИСТЕМ
ТА КІБЕРБЕЗПЕКИ

Допущений до захисту
“____” червня 2024 р.
Завідувач кафедри РТСК
д.т.н., професор
_________ Палагін В.В.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи
бакалавра
(освітній ступінь)

на тему: Розробка вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних
.

Виконав: студент 4 курсу, групи РТ-205
спеціальності
172 «Телекомунікації та радіотехніка»
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)
(освітня програма – «Радіотехніка та
робототехнічні системи»)
Корчака І.В.
(прізвище та ініціали)
Керівник Мартиненко С.С.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Бондаренко М.О.
(прізвище та ініціали)

Черкаси – 2024 року

Черкаський державний технологічний університет
(назва вузу)
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра Робототехнічних і телекомунікаційних систем та кібербезпеки
Освітня програма Радіотехніка та робототехнічні системиї
Спеціальність 172 – «Телекомунікації та радіотехніка»

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

« » 2025 р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу здобувачу освітнього ступеня
«бакалавр»
(назва ступеня)
Кривіцькому Даніілу Сергійовичу
(прізвище, ім'я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Розробка пристрою моніторингу та управління мікрокліматом
машинного залу телекомунікаційної системи
затверджена наказом по університету від « 05 » березня 2025 р. № 63/03
2. Термін здачі студентом закінченого проекту (роботи) 9 червня 2025 р.
3. Вихідні дані до проекту (роботи) Пристрій повинен забезпечувати наступні
характеристики: робота з різними моделями датчиків температури, робота з ємнісними
датчиками вологості або іншими датчиками з частотним виходом, робота із датчиками
задимленості, передача інформації та прийом команд по Ethernet каналу зв’язку, силове
керування трьома виконуючими пристроями, напруга живлення 12В.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить
розробити)_________________________________________________________________________
Вступ
1. Патентний пошук та огляд існуючих рішень.
2. Вибір та обґрунтування структурної схеми пристрою.
3. Розробка схеи електричної принципової пристрою
4. Розрахунок та аналіз основних елементів схеми пристрою,
5. Охорона праці.
Висновки.
Список використаної літератури.

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень)

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 05.03.2025
Керівник Ю.Г. Лега
(підпис) (ініціали, прізвище)
Студент Я.В. Федоренко
(підпис) (ініціали, прізвище)

Календарний план
Пор. Назва етапів дипломного Термін виконання етапів Примітка
№ проекту (роботи) проекту (роботи)
1. 05.03.2025-
Аналіз технічного завдання та огляд
літератури. 20.03.2025
2. 21.03.2025-
Патентний пошук та огляд
05.04.2025
аналогічних рішень
3. Обґрунтування технічного завдання 06.04.2025-16.04.2025
4. Розробка структурної схеми 17.04.2025-
пристрою 25.04.2025
5. 26.04.2025-
Розробка електричної принципової
схеми 15.05.2025
6. Розробка розділу з охорони праці 16.05.2025-25.05.2025
7. Оформлення пояснювальної записки 26.05.2025-30.05.2025
8. Захист кваліфікаційної роботи 10.06.2025

Студент Д.С. Кривіцький
(підпис)
Керівник проекту Ю.Г. Лега
(підпис)

ЗМІСТ

ВСТУП ................................................................................................................. 5
1 ПАТЕНТНИЙ ПОШУК ТА ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ................... 7
1.1 Аналіз існуючих схем побудови пристроїв вимірювання
електричних величин(струму, напруги) .........................................................7
1.1.1 Загальні відомості про електричні вимірювання ..........................7
1.1.2 Електронний вольтметр .................................................................... 9
1.1.3 Цифрові мультиметри .......................................................................19
1.2 Методи та засоби передачі даних ………………………………………..22
1.2.1 Метод WiFi ………………………………………………………....23
1.2.2 Метод Bluetooth …………………..……………………………….24
1.2.3 Метод GSM/GPRS ………………………………………………...25
1.2.4 Метод LoRa (Long Range) ………………………………………..25
1.2.3 Метод Zigbee ………………………………………………………26
2 ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ…………………….....27
3 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ ВОЛЬТМЕТРА……………….. . 29
4 РОЗРОБКА СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ
ЕЛЕКТРОННОГО ВОЛЬТМЕТРА .............................................................. 31
4.1 Вибір та опис основних елементів схеми вольтметра ………… ……31
4.2 Опис роботи схеми електричної принципової вольтметра ………… 43
4.3 Розрахунок елементів схеми електричної принципової 45
5 ОХОРОНА ПРАЦІ ....................................................................................... 49
5.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на інженера-
проектувальника в електротехнічній лабораторії ...................................... 49
5.2 Розробка системи кондиціювання повітря в приміщенні

РТ205.024023.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Ко рчака І.В. Розробка вольтметра з Літ. Арк. Аркушів
Перевір. Мартиненко можливістю віддаленого контролю
3 65
Реценз. даних

Н. Контр. Ма ртиненко ЧДТУ
Пояснювальна записка
Затверд. Палагін В.В.

лабораторії ………………………………………………………………..…… 54
ВИСНОВОК ...................................................................................................... 62
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ ............................................... 64
Додаток А. Розробка програмного забезпечення для ESP8266

Арк.
РТ-95.023029.248
4
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата ПКЗРТ37.016.1351.001 ПЗ

ВСТУП
Розвиток сучасних технологій відкриває нові можливості для
вдосконалення вимірювальних приладів, зокрема вольтметрів. Вимоги до
точності, надійності та функціональності вимірювальних приладів постійно
зростають, що зумовлює необхідність створення нових підходів до їх
розробки. В контексті автоматизації та інтернету речей (IoT) значної
популярності набувають пристрої з можливістю віддаленого контролю
даних, які дозволяють не тільки проводити вимірювання, але й здійснювати
моніторинг та аналіз результатів у режимі реального часу з будь-якої точки
світу.
Тема розробки вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних є
актуальною, оскільки такі пристрої можуть бути використані в різних галузях
промисловості, енергетики, наукових дослідженнях, а також у побуті. Вони
забезпечують зручність та оперативність збору даних, що дозволяє
підвищити ефективність управління процесами та своєчасно виявляти
відхилення від нормального режиму роботи обладнання.
Мета даної бакалаврської роботи полягає в розробці вольтметра, який
дозволяє здійснювати точні вимірювання електричної напруги та забезпечує
можливість віддаленого контролю та аналізу отриманих даних за допомогою
мережевих технологій. Для досягнення цієї мети необхідно вирішити ряд
завдань, зокрема:
Провести аналіз існуючих рішень та технологій, що використовуються
для створення вольтметрів з віддаленим контролем.
Розробити схему електронної частини вольтметра, що забезпечить
високу точність вимірювань.
Створити програмне забезпечення для збору, обробки та передачі
даних на віддалений сервер.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
5
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

У ході виконання роботи будуть розглянуті теоретичні аспекти
вимірювання електричних величин, сучасні підходи до проектування
вимірювальних приладів, а також методи та засоби передачі даних через
інтернет. Очікується, що результати роботи дозволять створити
конкурентоспроможний пристрій, який знайде широке застосування у різних
сферах діяльності.
Отже, дана бакалаврська робота спрямована на вирішення актуального
завдання розробки інноваційного вимірювального приладу, що відповідає
сучасним вимогам точності, надійності та функціональності, з
використанням новітніх технологій віддаленого контролю даних.
Саме розробці електронного вольтметра з можливістю віддаленого
контролю даних і присвячена дана кваліфікаційна робота.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
6
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1 ПАТЕНТНИЙ ПОШУК ТА ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ
1.1 Аналіз існуючих схем побудови пристроїв вимірювання
електричних величин(струму, напруги)
Електричні вимірювання є невід'ємною частиною як наукових
досліджень, так і промислових процесів. Вони дозволяють контролювати і
аналізувати різні електричні параметри, такі як напруга, струм, опір,
потужність та енергія.
1.1.1 Загальні відомості про електричні вимірювання.
Всі електровимірювальні прилад призначені для вимірювання
електричних величин, що пов'язані з електричним струмом. Тому при
розробці приладу електровимірювання потрібно знати і добре розуміти ті
фізичні процеси, які протікають в ньому, а також знати їх закономірності і
зв'язки між величинами , що їх характеризують.
Основними електричними величинами у фізиці прийнято вважати
напругу (U), силу струму (I) та опір (R). Між собою вказані величини
пов'язані законом Ома – сила струму в однорідному ділянці кола буде прямо
пропорційна напрузі на цій ділянці та обернено пропорційна опору цієї
ділянки [1]:

U
I  (1.1)
R

Прилад, що призначений для вимірювання вказаних цих трьох величин
носить назву мультиметра. Якщо потрібно вимірювати лише деякі з
приведених величин, використовують окремо вольтметри, амперметри чи
омметри.
Як відомо, основою роботи приладу електровимірювання є дія
електричного поля на заряджені частини. Крім того, заряджені частини є
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
7
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

також джерелом самого поля. В електричних і електронних схемах більшість
елементів виготовляється або з металевих або з напівпровідникових
матеріалів. Електрони, які присутні в цих матеріалах, і є носіями
електричного струму. Під дією прикладеного електричного поля, в
матеріалах виникає спрямований рух електронів, що і є електричним
струмом. Термін «дірки», що використовується у фізиці та техніці
напівпровідників, означає, що електрон відсутній в даному місці. «Дірка» є
уявним об'єктом, який має позитивний електричний заряд, що дорівнює
модулю заряду електрона. Це є досить зручно при математичному опису та
відповідно дає спрощення інтерпретації в напівпровідникових пристроях
деяких фізичних процесів.
В якості характеристики електричного поля, яка і є основною,
використовується напруга. Тому і електричний струм виникає лише під дією
напруги, прикладеної до провідника.
Такі величини, як електрорушійна сила, потенціал, різниця потенціалів,
є величинами спорідненими напрузі. Перераховані величини будуть
визначатися роботою, яка виконується за умови переміщення одиничного
електричного заряду. Ці величини, як і напруга, вимірюються в вольтах (В).
Коли проводиться аналіз електронних схем, використовується вислів
«потенціал в точці дорівнює ...». В цьому випадку йдеться про різницю
потенціалів між вказаною точкою та точкою, з умовно прийнятий рівним
нулю потенціалом. Як відомо із електростатики, вважають потенціали всіх
точок провідника однакові. Це дозволило ввести в електронні і електричні
схеми нульовий провідник, який ще називають «землею». Потенціали всіх
інших точок схеми визначаються саме по відношенню до цього провідника.
Для роботи електронних схем необхідно джерело живлення, яке є
джерелом електричного поля , що змушує переміщуватися електрони, які
створюють електричний струм в схемі.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
8
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

За умови вимірювання напруги чи сили струму в зовнішньому колі
джерелом поля буде саме електричне коло. Якщо ж проводиться
вимірювання таких параметрів, як, наприклад, електроопір резистора або
ємність конденсатора, то необхідно використати додаткове джерело струму.
Для джерела струму основною характеристикою є електрорушійна сила
(ЕРС). Джерела струму, які найчастіше використовуються для «живлення»
електронних схем, є гальванічні. В даних джерелах за рахунок хімічних
реакцій здійснюється поділ зарядів. Так як ЕРС одиничного гальванічного
джерела (елемента) зазвичай має невелике значення і складає близько 2 В, то
в разі потреби елементи з'єднюють в групи (як правило послідовно) або
батареї елементів.

1.1.2 Електронний вольтметр.
Вольтметр служить для вимірювання напруги постійного або змінного
струму. Проведемо аналіз побудови цифрових електронних вольтметрів, так
як вони в даний час займають домінуюче положення при проведенні
вимірювань, в зрівнянні з аналоговими вольтметрами. В цифрових
вольтметрах найчастіше використовується числоімпульсний метод
перетворення напруги в код. Числоімпульсний метод перетворення напруги
в код.
Числоімпульсний метод (або метод перетворення "напруга-частота-
час-код") є одним з методів аналого-цифрового перетворення (ADC), при
якому аналогова напруга перетворюється в частоту або кількість імпульсів,
що потім підраховуються за певний проміжок часу. Цей метод широко
використовується не тільки в цифрових вольтметрах, а й в інших
вимірювальних приладах.
На рис. 1.1 представлена структурна схема числоімпульсного методу
перетворення напруги в код:
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
9
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.1 - Структурна схема числоімпульсного методу
перетворення напруги в код

Розглянемо принцип отримання цифрового коду. Вхідна аналогова
напруга UВХ інтегрується протягом певного періоду часу за допомогою
інтегратора, що дає можливість отримати на виході інтегратора лінійно
зростаючу (або зменшуючу) напругу.
Інтегратор, що інтегрує вхідну напругу UВХ, вміщує операційний
підсилювач, що підсилює вхідний сигнал, та інтегруючу ланку, що
складається із резистора та конденсатора.
Вихідна напуга інтегратора подається на компаратор, де
порівнюється з опорною напругою UОП за допомогою компаратора. Коли
напруга інтегратора досягає UОП , компаратор генерує сигнал, який запускає
генератор імпульсів.
Генератор імпульсів генерує імпульси з фіксованою частотою.
Лічильник підраховує кількість імпульсів, які приходять за час, поки напруга
інтегратора повертається до початкового значення.
Кількість підрахованих імпульсів буде пропорційна вхідній напрузі.
На виході лічильника отримаємо цифровий код. Вихідний цифровий код
відповідає кількості підрахованих імпульсів. Цей код є результатом
перетворення аналогової напруги в цифрову форму Отриманий цифровий
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
10
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

код можна далі обробляти мікроконтролером для відображення або передачі
даних.
На рис. 1.2 наведена структурна схема числоімпульсного методу
перетворення напруги в код:

Рисунок 1.2 - Структурна схема числоімпульсного методу
перетворення напруги в код

Числоімпульсний метод перетворення напруги в код є надійним і
точним способом вимірювання аналогової напруги з використанням
цифрових технологій. Завдяки своїй простоті і високій точності, цей метод
широко застосовується в різних вимірювальних приладах, таких як цифрові
вольтметри, мультиметри та інші пристрої для вимірювання електричних
величин.
При побудові цифрових вольтметрів з порозрядним кодуванням
потрібно відмітити, що в цих вольтметрах вхідна напруга перетворюється
безпосередньо в код (без проміжної стадії). Основною перевагою такого
вольтметра є його висока швидкодія, яка оцінюється виразом:

2n
Е  , (1.2)
n

де n – кількість двійкових розрядів.
Швидкодія в свою чергу визначає значення динамічної похибки.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
11
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Розглянемо принцип дії цифрових вольтметрів порозрядного
кодування, яке полягає в перетворенні U в N (число-код) на прикладі
структурної схеми, що представлена на рис. 1.3

Рисунок 1.3 – Структурна схема вольтметра з порозрядним кодуванням

Схема вольтметра містить наступні блоки:
G - тактовий генератор;
RG – регістр зсуву;
RG-M – регістр пам’яті;
- ЦАП;
= = - компаратор;
DC – дешифратор.
Вхідна напруга Uх в компараторі порівнюється з напругою, яка
сформована за допомогою генератора G. На виході регістру зсуву RG буде
збільшуватися чи зменшуватися код в залежності від знаку напруги на
виході компаратора та фіксуватися в регістрі памяті RG-M. З виходу регістра
RG-M цифровий код подається на ЦАП і дешифратор DC. Претворений код
відтворюється на індикаторі вольтметра.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
12
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Серед переваг даного методу потрібно відмітити високу швидкодію та
ефективність перетворення по швидкодії. Ефективність буде тим вище, чим
більше розрядність.
Існує багато схем побудови електронних вольтметрів, кожна з яких
має свої переваги та недоліки залежно від вимог до точності, швидкості
вимірювання та умов експлуатації. Розглянемо основні типи схем, що
використовуються для побудови електронних вольтметрів.

Вольтметр на основі операційних підсилювачів. Дана схема
використовує операційні підсилювачі для підсилення вхідного сигналу. Вона
може бути як одноступеневою, так і багатоступеневою для забезпечення
необхідного підсилення.
Операційні підсилювачі забезпечують високий вхідний опір та
низький вихідний опір.
Вольтметр з високим вхідним опором можна реалізувати за допомогою
неінвертуючого підсилювача. Пристрій підключається за допомогою
буферного підсилювача з високим вхідним опором до вимірювального
ланцюга. В наслідок цього вхідний опір вольтметра практично визначається
вхідним опором підсилювача.
Резистори та конденсатори, які використовуються в схемі призначені
для налаштування коефіцієнта підсилення та створення схем фільтрації
вхідного сигналу.
Вольтметри, що використовують даний принцип побудови мають
наступні переваги:
- висока точність і стабільність;
- можливість налаштування підсилення.
До недоліків можна віднести наступне:
- Вимагає зовнішнього джерела живлення;
- Може бути чутливим до температурних змін і шуму.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
13
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Структурна схема електронного вольтметра представлена на рис.1.4.
Вхідна напруга UВХ, яку потрібно виміряти, може бути постійна або змінна.
Захисна схема призначена для захисту схеми вольтметра від надмірної
напруги, що може пошкодити компоненти. Це може бути ланцюг з діодами
та резисторами, які обмежують напругу до безпечного рівня.

Рисунок 1.4 – Структурна схема вольтметра на основі операційних
підсилювачів

Інструментальний підсилювач на основі операційних підсилювачів
забезпечує високий вхідний опір і точне підсилення вхідного сигналу. Він
забезпечує підсилення сигналу без спотворення, що є важливим для точних
вимірювань.
Низькочастотний фільтр використовується для усунення
високочастотних шумів і перешкод з вимірюваного сигналу. Це забезпечує
більш стабільний і точний вимірювальний сигнал.
Аналого-цифровий перетворювач (ADC) перетворює підсилений і
фільтрований аналоговий сигнал в цифровий код. Вибір ADC залежить від
необхідної розрядності і швидкості перетворення.
Мікроконтролер приймає цифрові дані від ADC і обробляє їх. Він може
виконувати калібрування, обчислення середніх значень, фільтрацію і
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
14
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

підготовку даних для відображення. Також мікроконтролер може
забезпечувати інтерфейс для передачі даних на зовнішні пристрої або в
мережу.
Дисплей використовується для відображення результатів вимірювання
в зручному для користувача вигляді. Це може бути РК-дисплей,
світлодіодний індикатор або графічний дисплей.
Цифровий вольтметр на основі операційних підсилювачів є точним і
надійним інструментом для вимірювання напруги. Використання
операційних підсилювачів дозволяє забезпечити високу точність і
стабільність вимірювань завдяки високому вхідному опору і точному
підсиленню сигналу. Додаткові компоненти, такі як захисні схеми, фільтри і
мікроконтролери, роблять такий вольтметр універсальним і зручним у
використанні в різних застосуваннях.

Вольтметр на основі аналогово-цифрових перетворювачів (ADC).
Цифровий вольтметр на основі аналого-цифрових перетворювачів (ADC)
широко використовується для точних вимірювань напруги.
Вхідний аналоговий сигнал напруги UВХ перетворюється на цифровий
код за допомогою ADC. Цей цифровий код далі обробляється
мікроконтролером або процесором для відображення або передачі даних.
Структурна схема електронного вольтметра даного типу зображена на
рис.1.5
Вхідна напруга UВХ, яку потрібно виміряти. може бути постійна або
змінна напруга, і відповідно подається на захисну схему.
Захисна схема захищає схему вольтметра від надмірної напруги, яка
може пошкодити компоненти. З вихода захисної схеми сигнал подаєиться на
вхід схеми масштабування (подільник напруги). Дана схема використову-
ється для зниження вхідної напруги до рівня, придатного для вимірювання
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
15
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.5 – Структурна схема вольтметра на основі аналого-
цифрових перетворювачів (ADC)

аналогово-цифровим перетворювачем (ADC). Це важливо для забезпечення
точності вимірювань, особливо при роботі з високими напругами.
З виходу схеми захисному сигнал подається на схему вибірки-
збереження (S/H). Дана схема зберігає поточне значення аналогової напруги
на короткий час для стабільного вимірювання ADC. Вона забезпечує точність
вимірювань, особливо при роботі з сигналами, що швидко змінюються.
Аналого-цифровий перетворювач (ADC) конвертує аналоговий сигнал
в цифровий код. Вибір ADC залежить від необхідної розрядності і швидкості
перетворення. Основні типи ADC можуть будуватися такими методами:
- Прямого перетворення (Flash ADC): швидкий, але з низькою
розрядністю.
- Сигма-дельта (Sigma-Delta ADC): високоточний, але повільний.
- Паралельно-послідовний (SAR ADC), який хороший баланс між
швидкістю і точністю.
З виходу ADC цифровий код поступає на мікроконтролер, який
приймає цифрові дані від ADC і обробляє їх. Він виконує калібрування,
обчислення середніх значень, фільтрацію і підготовку даних для
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
16
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

відображення. Також мікроконтролер може забезпечувати інтерфейс для
передачі даних на зовнішні пристрої або в мережу.
Дисплей використовується для відображення результатів вимірювання
у зручному для користувача вигляді. Це може бути РК-дисплей,
світлодіодний індикатор або графічний дисплей.
Переваги вольтметра на основі аналогово-цифрових перетворювачів
(ADC) будуть наступні:
- Висока точність і швидкість вимірювання.
- Можливість інтеграції з мікроконтролерами для додаткової
обробки даних.
До недоліків можна віднести:
- Залежність точності від характеристик ADC.
- Може вимагати складних схем фільтрації для зменшення шуму.
Таким чином, можемо сказати, що цифровий вольтметр на основі
аналого-цифрових перетворювачів (ADC) забезпечує високу точність і
надійність вимірювань. Використання захисних схем, схем масштабування і
вибірки-збереження забезпечує точність і стабільність вимірювань, тоді як
мікроконтролер та дисплей роблять прилад зручним для користування. Ця
архітектура є універсальною і може бути використана в різних
застосуваннях, від лабораторних досліджень до промислового контролю.

Вольтметри на базі мікроконтролерів з інтегрованими засобами зв'язку.
Вольтметри на базі мікроконтролерів, таких як ESP8266 або STM32,
використовують вбудовані засоби зв'язку для передачі даних через Інтернет
або інші мережі.
Розглянемо побудову(рис.1.6) і роботу вказаного типу вольтметрів.
Вхідна напруга UВХ , яку потрібно виміряти, може бути постійна або змінна.
Дана напруга через захисну схему(обмеження напруги), яка захищає схему
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
17
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

вольтметра від надмірної напруги, що може може пошкодити компоненти
вольтметра, подається на схему масштабування (подільник напруги):

Рисунок 1.6 – Структурна схема вольтметра на базі мікроконтролерів з
інтегрованими засобами зв'язку

Схема масштабування зменшує вхідну напругу до рівня, придатного
для вимірювання ADC. Це важливо для точності вимірювань.
Церез схему вибірки-збереження (S/H), яка зберігає поточне значення
аналогової напруги для стабільного вимірювання ADC, що забезпечує
точність вимірювань, подається вхідна напруга на аналогово-цифровий
перетворювач (ADC):
Перетворювач (ADC) конвертує аналоговий сигнал у цифровий код.
Вибір ADC буде залежати як від необхідної розрядності так і швидкості
перетворення.
Мікроконтролер, що здійснює обробку даних та передає їх по лінії
зв’язку, приймає цифрові дані від ADC і обробляє їх. Він виконує функції
калібрування, обчислення середніх значень, фільтрацію, управління
дисплеєм і засобами зв'язку.
Крім того мікроконтролер може містити інтегровані засоби зв'язку
(Wi-Fi, Bluetooth, GSM, LoRa тощо) для передачі даних на віддалені пристрої
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
18
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

або сервери. Прикладом може бути мікроконтролер ESP8266/ESP32 для Wi-
Fi, STM32 з Bluetooth або LoRa модулями.
Дисплей відображає результати вимірювань у зручному вигляді.
Може бути РК-дисплей, світлодіодний дисплей або графічний дисплей.
Модуль для бездротового зв'язку, може використовувати Wi-Fi,
Bluetooth, GSM, LoRa або інші протоколи для передачі даних. Даний модуль
забезпечує віддалений моніторинг і керування вимірювальним пристроєм.
Віддалений пристрій або сервер, на який передаються дані,
використовується для віддаленого моніторингу і керування. Це може бути
комп'ютер, смартфон або хмарний сервер.
Переваги такої побудови електронного вольтметра будуть наступні:
- можливість віддаленого моніторингу та контролю;
- легка інтеграція з IoT-платформами.
Відмітимо також і недоліки:
- залежність від мережевої інфраструктури;
- потреба в додатковому програмуванні для налаштування зв'язку.
Таким чином, можемо сказати, що вольтметр на базі мікроконтролера
з інтегрованими засобами зв'язку є універсальним і зручним інструментом
для точного вимірювання напруги та віддаленого моніторингу. Використання
сучасних мікроконтролерів та бездротових технологій дозволяє забезпечити
високу точність вимірювань, зручність у використанні та можливість
інтеграції в системи віддаленого контролю і керування.

1.1.3 Цифрові мультиметри (DMM).
Цифрові мультиметри (DMM) є багатофункціональними
вимірювальними приладами, що дозволяють вимірювати різні електричні
параметри, такі як напруга, струм і опір. Вони поєднують у собі кілька
вимірювальних функцій в одному пристрої. Нижче наведена структурна
схема цифрового мультиметра та опис його основних компонентів(рис.1.7).
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
19
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Вхідний блок дозволяє користувачеві вибирати режим вимірювання:
напруга (постійна або змінна), струм (постійний або змінний) або опір.
Для вибору режиму вимірювання використовується перемикач або
кнопки для вибору режиму вимірювання.
Захисна схема (із захистом від перевантаження) забезпечує захист
пристрою від надмірних напруг або струмів, що можуть пошкодити
мультиметр, та включає запобіжники, діоди, варистори та інші елементи
захисту.

Рисунок 1.7 – Структурна схема цифрового мультиметру

Схема вибору діапазону дозволяє автоматично або вручну вибирати
діапазон вимірювань для забезпечення точності. Дана схема може бути
реалізована за допомогою електронних перемикачів або реле.
Схема попередньої обробки сигналу, що включає фільтрацію і
підсилення, вміщує фільтри, які використовуються для усунення шумів і
завад із вимірюваного сигналу, а також операційні підсилювачі, що
підсилюють сигнал до рівня, придатного для подальшого аналого-цифрового
перетворення.
Аналого-цифровий перетворювач (ADC) є основним компонентом,
який конвертує аналоговий сигнал у цифровий код. Вибір типу ADC
визначається необхідною точністю і швидкістю вимірювань.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
20
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Мікроконтролер приймає цифрові дані від ADC і обробляє їх. Він
також виконує функції обчислення, калібрування, управління відображенням
і інтерфейсами. Забезпечує керування дисплеєм і, можливо, інтерфейсами
для передачі даних (наприклад, USB або Bluetooth).
Дисплей відображає результати вимірювань у зрозумілому вигляді. В
якості дисплею може використовуватися РК-дисплей, світлодіодний дисплей
або графічний дисплей. На дисплеї відображуються індикатори режимів
вимірювання, одиниці виміру та стану приладу.
Відмітимо переваги цифрових мультиметрів:
- багатофункціональність;
- висока точність і простота використання.
Серед суттєвих недоліків потрібно відмітити:
- вищі витрати порівняно з спеціалізованими вольтметрами.
- обмежена швидкість вимірювання в порівнянні з окремими
вольтметрами.
Таким чином, можемо сказати, що цифрові мультиметри (DMM) є
комплексними приладами, що поєднують функції вимірювання напруги,
струму та опору. Використання аналого-цифрових перетворювачів (ADC),
разом з іншими компонентами, такими як захисні схеми, фільтри,
підсилювачі та мікроконтролери, забезпечує точність, надійність і зручність
у використанні. Така структура дозволяє мультиметру виконувати широкий
спектр вимірювань, задовольняючи потреби як професіоналів, так і аматорів.
В табл.. 1.1 проведена порівняльна характеристика схем побудови
електронних вольтметрів.
Вибір схеми побудови електронного вольтметра залежить від
конкретних вимог до точності, швидкості, функціональності та вартості.
Операційні підсилювачі забезпечують високу точність за відносно низької
вартості, але мають обмежену функціональність.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
21
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Порівняння схем побудови вольтметрів
Таблиця 1.1
Тип Функціо- Придатність
вольтметра Точність Швидкість нальність Вартість для IoT
Операційні
підсилювачі Висока Середня Низька Низька Обмежена
ADC Висока Висока Середня Середня Висока
Цифрові
мультиметри Висока Середня Висока Висока Середня
Мікроконтро
лери з
зв'язком Висока Висока Висока Висока Висока

ADC схеми надають високу точність і швидкість вимірювання, але
потребують додаткової обробки цифрових даних.
Цифрові мультиметри забезпечують багатофункціональність і
зручність використання, але мають вищу вартість.
Мікроконтролери з вбудованими засобами зв'язку надають
можливість дистанційного моніторингу, що є важливим для сучасних
застосувань у сфері IoT.
В кваліфікаційній роботі акцентуємо увагу на розробці електронного
вольтметра з використанням мікроконтролера із вбудованим засобом зв’язку
для забезпечення передачі даних на відстань.

1.2 Методи та засоби передачі даних.
Передача даних від електронного вольтметра до віддалених пристроїв
або серверів є важливою для віддаленого моніторингу, контролю та аналізу
вимірювань. Розглянемо основні методи та засоби передачі даних, які
можуть бути використані у вбудованих засобах зв’язку в електронному
вольтметрі.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
22
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

1.2.1 Метод Wi-Fi. Першим розглянемо використання пристрою Wi-
Fi, за допомогою якого здійснюється бездротове підключення до локальної
мережі або Інтернету.
Підключення здійснюється за допомогою модулів ESP8266 або ESP32,
які в свою чергу, широко використовуються в IoT-пристроях завдяки своїй
компактності та доступності.
Для забезпечення роботи модуля використовується мікроконтролер з
вбудованим Wi-Fi (наприклад, ESP32 чи ESP8266).
Структурна схема забезпечення предачі даних із електронного
вольтметра має вигляд (рис.1.8).
Перетворена вхідна напруга UВХ із аналогово-цифрового перетворювача
(ADC) подається на мікроконтролер з встроєним Wi-Fi модулем зв’язку
(ESP8266/ESP32). Мікроконтролер здійснює здійснює наступні операції:
- обробка та збереження даних.
- управління дисплеєм.
- керує Wi-Fi модулем.
Через Wi-Fi маршрутизатор, роботу якого забезпечує модуль
живлення, данні передаються в локальну мережу, а потім на віддалений
пристрій. За допомогою цього віддаленого пристрою можна здійснювати як
моніторинг так і керування електронним вольтметром.
Переваги такого методу будуть наступні:
- висока швидкість передачі даних;
- можливість прямого підключення до Інтернету для віддаленого
доступу;
- підтримка стандартних мережевих протоколів (TCP/IP).
Але потрібно й відмітити і ряд недоліків:
- необхідність в наявності Wi-Fi мережі в зоні вимірювань;
- відносно високе енергоспоживання.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
23
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 1.8 - Структурна схема предачі даних із електронного вольтметра
за допомогою Wi-Fi

1.2.2 Метод Bluetooth. Розглянемо інший метод передачі даних із
використанням Bluetooth.
Даний метод використовується для передачі даних на невеликі
відстані. В якості модулів використовуються, наприклад, HC-05, HC-06 або
мікроконтролери з вбудованим Bluetooth (наприклад, ESP32).
Віддалений пристрій або сервер приймає дані через Інтернет або
локальну мережу для моніторингу і керування. Може бути комп’ютером,
смартфоном або сервером у хмарі.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
24
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Відмітимо переваги даного методу:
- низьке енергоспоживання;
- легкість інтеграції з мобільними пристроями.
Але є і ряд суттєвих недоліків:
- обмежена дальність зв’язку (до 10-100 метрів залежно від класу
пристрою);
- нижча швидкість передачі даних порівняно з Wi-Fi.

1.2.3 Метод GSM/GPRS.
Розглянемо метод передачі даних GSM/GPRS, який використовує для
цього мобільні мережі.. В якості GSM модулей використовують, наприклад,
модулі SIM800, SIM900.
Для даного методу можна вказати такі переваги:
- велика дальність зв’язку, залежно від покриття мобільного
оператора;
- можливість передачі даних в будь-якому місці з покриттям
мобільного зв’язку.
До недоліків потрібно віднести:
- вартість послуг мобільного зв’язку.
- відносно високе енергоспоживання.

1.2.4 Метод LoRa (Long Range). Призначений для передачі даних на
великі відстані з низькою швидкістю передачі.
Застосовують в якості прийомопередавачів LoRa модулі, такі як,
наприклад, SX1276, SX1278, які володіють низьким енергоспоживанням.
Використовують дані модулі частотний діапазон 868/915 МГц,
забезпечуючи високу чутливість та дальність зв’язку.
Переваги методу:
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
25
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

- дуже велика дальність зв’язку (до кількох кілометрів у відкритій
місцевості);
- низьке енергоспоживання.
Недоліки методу наступні:
- низька швидкість передачі даних.
- необхідність у LoRa шлюзі для підключення до Інтернету.
Ця технологія є особливо корисною для IoT пристроїв у
важкодоступних місцях або в умовах обмеженого доступу до енергоресурсів.

1.2.5. Метод Zigbee. Даний метод використовується для створення
мережі датчиків з низьким енергоспоживанням.
Zigbee модулі (наприклад, XBee) мають низьке енергоспоживання,
забезпечують можливість створення сітчастих мереж (mesh networks).
Але у них обмежена дальність зв’язку (до 100 метрів), та нижча
швидкість передачі даних порівняно з Wi-Fi.
Можемо зробити такий висновок по методах передачі даних.
Вибір методу та засобів передачі даних для електронного вольтметра
залежить від конкретних вимог до дальності зв’язку, швидкості передачі
даних, енергоспоживання та умов експлуатації. Для стаціонарних
вимірювань у межах приміщень Wi-Fi та Bluetooth є оптимальними
виборами завдяки їх доступності та простоті використання. Для віддаленого
моніторингу в польових умовах більш підходящими є GSM/GPRS або LoRa,
які забезпечують велику дальність зв’язку. Zigbee може бути корисним у
мережах з багатьма датчиками, де важливою є енергоефективність.
В кваліфікаційній роботі використаємо для передачі даних метод Wi-
Fi із застосуванням мікроконтролера із встроєнним пристроєм зв’язку.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
26
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

2 ОБГРУНТУВАННЯ ТЕХНІЧНОГО ЗАВДАННЯ
Згідно технічного завдання в даній дипломній роботі необхідно
розробити електронний вольметр із можливістю віддаленого керування
даними.
Метою розробки є створення надійного та точного електронного
вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних через Wi-Fi, що
забезпечить зручність використання та можливість інтеграції в різні системи
моніторингу.
При виготовленні будь-якого приладу перш за все враховуються його
технічні та експлуатаційні характеристики, а також якісні показники роботи.
Це включає такі аспекти як швидкість обробки даних, точність вимірювань,
тривалість роботи та надійність. Крім того, враховуються техніко-економічні
вимоги, які орієнтовані на оптимізацію витрат на виробництво та
забезпечення конкурентоспроможної ціни на ринку. Всі ці аспекти
взаємодіють, щоб забезпечити створення якісного, функціонального та
економічно вигідного продукту.
Даний пристрій згідно технічного завдання можна побудувати на
цифрових мікросхемах, І-НІ, АБО-НІ, шифраторах, дешифраторах і.т.д., от
тільки даний пристрій мав би не один десяток мікросхем і досить великі масо
габаритні розміри, не велику надійність, споживав би велику потужність. Для
того щоб зменшити кількість елементної бази до мінімуму, і щоб пристрій
споживав невелику потужність, доцільно використовувати сучасну
елементну базу таку як мікроконтролери ПЛІС, STM8/32, AVR, ESP8266
і.т.д, водночас ПЛІС недоцільно використовувати з економічної точки зору
тому що вони коштують в декілька раз більше ніж мікроконтролери тому в
приладі потрібно використати мікроконтролер що дозволить значно
підвищити якість роботи і характеристики приладу, але в свою чергу для
мікроконтролера потрібна програма по алгоритму якої мікроконтролер
виконуватиме ті чи інші команди. Монтаж приладу потрібно виконати на
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
27
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

друкованій платі що значно скорочує пошук несправностей, а також дає
змогу швидкої заміни несправного елементу.
Вольтметр з можливістю віддаленого контролю даних має наступні
електричні характеристики:
- Напруга живлення 5-30 В
- Струм споживання 0,3 А
- Максимальна напруга вимірювання 36 В.
- Мінімальна напруга виміру 0,1 В.
- Точність вимірювання 1 %
- Максимальний струм виміру 3 А.
- Тип напруги вимірювання Постійна.
- Тип мережі для віддаленого контролю даних Wi-fi.

Компоненти системи:
- Мікроконтролер ESP8266: Основний обчислювальний елемент з
вбудованим Wi-Fi модулем.
- Аналого-цифровий перетворювач (ADC): Інтегрований в ESP8266
або додатковий зовнішній ADC для підвищення точності.
- Захисні схеми: застосування діодів, запобіжників та інших
елементів для захисту від перенапруги.
- Схеми масштабування (подільник напруги), які призначені для
приведення вхідної напруги до рівня, придатного для вимірювання
ADC.
- Дисплей для відображення виміряних значень локально
OLED або LCD.
В схемі повинна бути передбачена можливість оновлення
програмного забезпечення віддалено.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
28
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

3 РОЗРОБКА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ
На основі технічного завдання на розробку електронного вольтметра
побудуємо узагальнену структурну схему вольтметра з можливістю
віддаленого контролю даних, яка наведена на рис. 3.1.

Рис.3.1 – Узагальнена структурна схема вольтметра з можливістю
віддаленого контролю даних.

Розглянемо принцип роботи електронного вольтметра. Схема
забезпечує вимірювання як струму, так і напруги/у. Для вимірювання струму
застосовується вхід 1, до якого підєднується шунт, який застосовується для
відведення навантаження на нього. В подальшому на шунті формується
напруга, яка потім іде на аналого-цифровий перетворювач (АЦП), на виході
якого отримуємо цифровий код. Так як більшість АЦП не дозволяють
подавати на свій вхід напругу більше 5 В., а згідно технічного завдання (ТЗ)
вона становить до 35 В., тому для вимірювання напруги застосовується вхід
2, на вході якого підключений подільник напруги, який понижує напругу до
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
29
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

допустимого значення. Для подальшого збирання, опрацьовування даних та
дані та надсилання їх по wi-fi, застосовується арифметично логічний
пристрій (АЛП), який виконує програмне забезпечення, що зберігається в
енергонезалежній пам'яті. Для відображення виміряних значень застосуємо
систему індикації.
Для забезпечення стабільної роботи пристрою в досить широкому
діапазоні напруги живлення а саме 5-30 вольт, необхідно застосувати
стабілізатор напруги.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
30
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

4 РОЗРОБКА СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ
ЕЛЕКТРОННОГО ВОЛЬТМЕТРА

Після розробки структурної схеми перейдемо до розробки схеми
електричної принципової електронного вольтметра.
Як відомо більшість електронних пристроїв, які живляться від
зовнішніх елементів живлення виходять з ладу саме із за не правильного
підключення живлення. Тому для того, щоб це унеможливити таку ситуацію,
поставимо на вході по лінії живлення діодний міст, який буде забезпечувати
правильне підключення полярності для живлення пристрою. Максимальна
напруга живлення модуля ESP8266 повинна бути не більше 5 В., тому для
того щоб забезпечити стабільну роботу модулю ESP8266, використаємо
мікросхему лінійного стабілізатора напруги 7805. Згідно ТЗ вольтметр
повинен мати можливість віддалено контролювати дані, а також повинен
мати інтерфейс обміну даними по wi-fi, тому обираємо контролер ESP8266,
який буде виконувати функцію АЛП. Для вимірювання струму та напруги
застосуємо датчик струму та напруги INA226. Для виводу даних застосуємо
OLED дисплей SSD1306.
Після розробки структурної схеми перейдемо до розробки схеми
електричної принципової.
4.1. Вибір та опис основних елементів схеми вольтметра.
Проведемо опис компонентів, які використаємо при побудові схеми
електричної принципової електронного вольтметра.
Мікроконтролер ESP8266 LoLin.
Компанія Espressif Systems постійно здійснює науково - дослідницьку
та проектну діяльність у галузі Wi-Fi та Bluetooth - технологій. В результаті
чого, продукція Espressif широко відома у всьому світі та використовується в
мобільних пристроях, побутовій техніці та промислових додатках. Високо
інтегровані Espressif Wi-Fi чіпсети та модулі створені таким чином, щоб
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
31
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

займати мінімальне місце на платі, універсальні застосування, економічні за
споживанням та вигідні за ціною. Приблизно в серпні 2014 року на
торговому майданчику aliexpress з'явилися дешеві (близько 4$) WI-FI модулі
ESP8266 китайського розробника. Модуль продається із завантаженою
прошивкою, яка утворює WI-FI-UART міст для підключення до іншого
мікроконтролера, у тому числі до Arduino. Налаштування та обмін даними
відбуваються за допомогою АТ команд [7].
Технічні характеристики ESP8266
Процесор: одноядерний Tensilica L106 частотою до 160 МГц;
Підтримувані стандарти WI-FI: 802.11 b/g/n;
Типи шифрування, що підтримуються: WEP, WPA, WPA2;
Підтримувані режими роботи: Клієнт(STA), Точка доступу(AP),
Клієнт+Точка доступу (STA+AP);
Напруга живлення: 1.7..3.6;
Споживаний струм: до 215мА залежно від режиму роботи;
Кількість GPIO: 16 (фактично до 11). Доступно на модулях: ESP-01 - 4,
ESP-03 - 7+1, включаючи UART. Існують інші варіанти модулів;
Інтерфейси: 1 ADC, I2C. UART, SPI, PWM;
Зовнішня пам'ять Flash може бути встановлена від 512кб до 4мб;
RAM даних 80 кб, RAM інструкцій – 64 кб.

Рисунок 4.1 - Модуль ESP8266 LoLin.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
32
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Мікроконтролер, представлений на рис. 4.2, не має кристалі
енергонезалежної пам'яті. Виконання програми ведеться із зовнішньої SPI
ПЗУ шляхом динамічного підвантаження необхідні ділянки програми в кеш
інструкцій. Підтримується до 16 МБ зовнішньої пам'яті програм. Можливий
Standard, Dual або Quad SPI інтерфейс. Чіп ESP8266 є одним із найбільш
високоінтегрованих рішень для роботи з WiFi [9].

Рисунок 4.2- Структурна схема контролера ESP8266.

Датчик струму та напруги INA226.
Для забезпечення високої точності вимірювання напруги та струму
застосуємо модуль INA226, який буде працювати монітором струму та
напруги, виміряні дані передаються через I2C або SMBUS-сумісний
інтерфейс. Мікросхема моніторить одночасно падіння напруги на шунті (між
висновками IN+ та IN–) та напругу шини живлення (напруга на виводі
VBUS). Програмуються значення калібрування, інтервали перетворення та
усереднення вимірювань, у комбінації з внутрішнім помножувачем, що
дозволяє безпосередньо вимірювати струм споживання в амперах та
споживану потужність у ватах.
Мікросхема INA226 може вимірювати напругу VBUS в діапазоні від
0V до 36V, незалежно від своєї напруги живлення. Напруга живлення
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
33
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

мікросхеми може бути в діапазоні від 2.7V до 5.5V, і вона зазвичай споживає
струм 330 мкА. Робочий діапазон температури –40°C.. 125°C. Для I2C можна
запрограмувати до 16 адрес доступу до мікросхеми.
Основні характеристики INA226:
• Працює з напругою аналізованої шини VBUS від 0V до 36V.
• Датчик струму (шунт) може бути як "вгорі" (High-Side Sensing), так і
"внизу" (Low-Side Sensing).
• Повідомляє про значення струму, напруги та споживаної
потужності.
• Висока точність
– максимальна помилка вимірювання 0.1%.
• Налаштування опції усереднення.
• 16 програмованих адрес.
• Напруга живлення мікросхеми від 2.7V до 5.5V.
• Корпус VSSOP-10.
Області застосування:
• Сервери
• Телекомунікаційне обладнання
• Комп'ютери
• Управління живленням
• Зарядні пристрої
• Блоки живлення
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
34
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.3 - Схема включення INA226 з струмовимірювальним резистором
після навантаження та до навантаження.

Рисунок. 4.4. - Розташування виводів на корпусі VSSOP10 (вид
зверху).

INA226 вбудований цифровий підсилювач для вимірювання струму з
I2C і SMBus-сумісним інтерфейсом. Одночасно вимірюється напруга та
обчислюється споживана потужність. Програмовані регістри дозволяють
гнучко налаштувати роздільну здатність вимірювань і безперервне,
багатопрофільне функціонування.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
35
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Таблиця 4.1. Призначення виводів.
№ Ім'я I/O Опис
Цифровий
1 A1
вхід Ніжка встановлення адреси.
Цифровий З'єднайте з GND, SCL, SDA або VS.
2 A0
вхід
Цифровий Сигнал попередження про
3 Alert
вихід настання події.
Цифровий Сигнал даних інтерфейсу, вхід
4 SDA
вхід/вихід та вихід з відкритим стоком.
Сигнал тактів інтерфейсу
Цифровий
5 SCL підключається до виходу з відкритим
вхід
стоком.
Напруга живлення від 2.7V до
6 VS Живлення
5.5V.
Спільний провід для всіх
7 GND Земля
сигналів, мінус живлення.
Аналоговий Вхід для вимірювання
8 VBUS
вхід напруги, що аналізується.
Аналоговий Підключається до датчика
9 IN-
вхід струму (шунт) навантаження.
Підключається до датчика
Аналоговий
10 IN+ струму (шунт) з боку джерела
вхід
живлення, що аналізується.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
36
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.5 - Функціональна блок-схема INA226.
\
Струм, що протікає через резистор шунта, вимірюється різницею
напруг між виводами IN+ і IN–. Мікросхема також може вимірювати напругу
шини, якщо підключити цю напругу до виводу VBUS. Диференціальна
напруга шунта вимірюється щодо ніжки IN–, тоді як напруга на VBUS
вимірюється щодо землі GND.
Мікросхема INA226 зазвичай живиться від окремого джерела напруги.
При цьому VBUS може мати напругу від 0 до 36V. З регістру напруги шини
(Bus Voltage Register) з вагою молодшого розряду 1.25 mV обчислюється
значення напруги (повна шкала регістра 40.96V).
Важливо: не подавайти на вхідні виводи напругу понад 36V!
Немає спеціальних вимог щодо послідовності подачі напруг, тому що
напруга живлення мікросхеми та напруга вимірюваної шини живлення VBUS
не залежать один від одного. Таким чином, напруга VBUS може бути
присутнім, коли напруга живлення мікросхеми вимкнено, зворотне також
допустиме.
Мікросхема робить 2 виміри - напруга шунта (між IN+ і IN-) і напруга
шини (VBUS), потім ці виміри перетворюються на струм на підставі
значення регістру калібрування (Calibration Register), а потім обчислюється
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
37
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

споживана потужність. У мікросхеми є 2 робочі режими - безперервний
(continuous) і із запуском по команді (triggered), які визначають, як працює
ADC після виконання перетворень.
Режим continuous, коли мікросхема знаходиться в нормальному
робочому режимі (біти MODE в Configuration Register 00h встановлені в
значення '111'), вона безперервно перетворює напругу шунта, за яким слідує
перетворення напруги VBUS. Далі обчислені значення зберігаються в
акумуляторі, і операції вимірювання/обчислення автоматично повторюються,
доки не буде досягнуто кількості усереднень, встановлених у Configuration
Register (00h). Під час набору значень, що усереднюють ся, вони складаються
один з одним і таким чином накопичуються. Після того, як необхідну
кількість значень зібрано, кінцеве значення напруги шунта, напруги VBUS і
потужності, що споживається, оновлюється у відповідних регістрах, які
можна прочитати через інтерфейс управління. Ці значення залишаються у
вихідних регістрах даних до того часу, поки з'являться нові результати
виміру. Читання регістрів даних впливає процес перетворень. Усі обчислення
струму та споживаної потужності виконуються у фоновому режимі та не
впливають на час перетворення.
Управління режимом у Conversion Register (00h) також дозволяє
вибрати режими тільки для перетворення напруги шунта, або тільки напруги
VBUS, щоб дозволити користувачеві налаштувати моніторинг відповідно до
вимог програми.
Режим triggered. У режимі triggered, який запускається записом одного
з режимів Configuration Register (коли біти MODE цього регістру
встановлюються в '001', '010' або '011'), відбувається одноразове
перетворення. Ця дія справляє одиночний набір вимірів; таким чином, щоб
запустити інший одноразовий вимір, Configuration Register має бути
записаний знову, навіть якщо набір необхідних вимірів не змінився.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
38
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

На додаток до двох робочих режимів (continuous і triggered),
мікросхема має режим "вимкнено" (power-down mode), в якому зменшується
струм споживання, і відключається струм, що входить у входи мікросхеми,
тим самим зменшується загальне споживання енергії, коли мікросхема не
використовується. Повне відновлення з power-down потребує 40 мкс.
Регістри мікросхеми можна записувати та зчитувати, коли вона знаходиться
у power-down mode. Мікросхема залишаються в power-down mode доти, доки
в Configuration Register не буде встановлено один з активних режимів.
Хоча мікросхема може бути прочитана будь-якої миті, і при цьому
будуть зчитані дані від останнього перетворення, надається прапор
готовності перетворення Conversion Ready (Mask/Enable Register, біт CVRF),
який допомагає координувати одноразові перетворення. Біт Conversion Ready
(CVRF) встановлюється після завершення всіх операцій перетворення,
усереднення та множення.
Біт Conversion Ready (CVRF) очищається за таких умов:
• Запис у Configuration Register, крім випадку, коли біти MODE
встановлюються для power-down mode.
• Читання Mask/Enable Register (06h).
Обчислення потужності . Струм і потужність обчислюється по напрузі
на шунті та напрузі VBUS. Вимірюється струм, за ним може вимірюватись
напруга, цей процес залежить від значення, встановленого в Calibration
Register. Якщо Calibration Register не завантажено ніяке значення, то
збережене значення струму дорівнює 0. Потужність обчислюється з
наступного вимірювання напруги VBUS на основі попереднього обчислення
струму і вимірювання напруги VBUS. Якщо в Calibration Register не було
завантажено значення, збережене значення потужності також буде нульовим.
Знову ж таки, ці обчислення виконуються у фоновому режимі та не
збільшують загальний час перетворення. Ці значення струму та потужності
вважаються проміжними результатами (якщо усереднення не встановлено 1)
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
39
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

і зберігаються у внутрішньому регістрі накопичення, а не у відповідних
вихідних регістрах. Після кожної виміряної вибірки нові обчислені значення
струму і потужності додаються в цей регістр накопичення до тих пір, поки не
буде зібрано всю необхідну кількість вибірок, що усереднюються (кількість
усереднених вибірок встановлюється в Configuration Register).

OLED дисплей SSD1306.
Для того щоб ми могли бачити виміряні значення струму, напруги та
потужності застосуємо OLED дисплей SSD1306 рис. 4.6.

Рисунок 4.6 – Зовнішній вигляд OLED дисплея SSD1306.

Даний дисплей досить яскравий, економічний, дуже контрастний.
Контрастність дисплея дозволить впевнено зчитувати з нього інформацію
навіть при дуже яскравому світлі. Просте підключення та поширений I2C
інтерфейс дозволить підключити кілька дисплеїв до будь-якого
мікроконтролера або міні-комп'ютера. За замовчуванням вибрана адреса
0x3c.
Характеристики:
Розмір екрана 0.96"
Тип екрану OLED
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
40
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Роз'єм 4-pin
Напруга живлення 3.3-6 -volt
Роздільна здатність дисплея 128*64
Товщина 11 мм.
Ширина 27 мм
Висота 27 мм
Вага 4.0 г

Специфікація:
Драйвер OLED модуля: SSD1306
Кут огляду: > 160 градусів
Роз'єм: 4-pin
Напруга живлення: 3.3V
Рівні вхідних сигналів: 3.3V
Цоколівка роз'єму:
VCC: Напруга живлення
GND: Загальний
SCL: Шина тактування даних
SDA: Шина даних
На рис. 4.7. наведено блок-схему контролера SSD1306. Видно, що в
нього є тактування, RAM пам'ять 1kByte, Декодер команд, контролер
дисплея, чотири інтерфейси на вибір (SPI/I2C/6800/8080) і драйвер
світлодіодної матриці 64x128 пікселів.

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
41
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.7 - Блок-схема контролера SSD1306.

Стабілізатор живлення 7805
Для забезпечення стабільної та надійної роботи пристрою в цілому
застосуємо лінійний стабілізатор 7805 (рис.4.8) у корпусі TO-220, який
дозволяє отримати напругу 5В від джерела з напругою від 7 до 35В. Він має
наступні характеристики:
Таблиця 4.2
Модель L7805CV
Вихідна напруга 5 В
Макс. вихідний струм 1.5А
Макс. вхідна напруга 35 В
Робоча температура 0...125 °С
Тип корпусу TO-220

Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
42
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.8 - Зовнішній вигляд мікросхеми стабілізатора 7805.

4.2. Опис роботи схеми електричної принципової
вольтметра.
Після опису та вибору елементної бази приведемо схему електричну
принципову електронного вольтметра(рис.4.9), на якій показано з’єднання
модулів, з який складається вольтметр.
Розглянемо принцип її роботи. Напруга живлення подається на
діодний міст, який являє собою захист від неправильного підключення
живлення (також він дозволить живити пристрій від змінної напруги), з
виходу якого напруга подається на стабілізатор напруги L7805 DA1 який
забезпечує стабільне живлення модулю А1 напругою 5 В.
Модуль А1 представляє WI-FI контролер ESP8266 який забезпечує
живлення OLED дисплею та збір даних з датчика струму та напруги INA226
(А2). Передача даних з INA226 на ESP8266 відбувається за допомогою
інтерфейса І2С. Також контролер ESP8266 забезпечує передачу даних через
WI-FI та вивід даних на OLED дисплей SSD1306.
Для вимірювання напруги використовуються клеми, які позначені на
схемі XS2, а для вимірювання струму - XS3.
Арк.
РТ-205.0240239.248 ПЗ
43
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 44
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 4.9 - Схема електрична принципова вольтметра з можливістю віддаленого контролю даних

4.3 Розрахунок елементів схеми електричної принципової
Проведемо розрахунок елементів схеми електричної принципової, та
проведемо обґрунтування обраної елементної бази. Перш за все потрібно
організувати систему живлення, тому проведемо розрахунок максимального
струму споживання схеми, для цього скористаємось документами на кожен
елемент схеми який називається datashet.
Отже максимальні струми споживання наступні Імах:
ESP8266 Lolin 200 мА;
INA226 0.3 мА;
OLED дисплей SSD1306 16 мА;
Imax  IESP  I INA  IOLED  219mA.
Отже розрахувавши максимальний струм споживання пристрою
зробимо висновок що стабілізатор напруги DA1 (7805) повністю нас
влаштовує так як дана мікросхема має досить великий запас по струму(рис.
4.10). Коненсатори С1, С3 застосовують у схемі для того, щоб уникнути
збудження мікросхеми, і мають номінал 0,1 мкФ, а конденсатори С2, С4,
застосовують у схемі для уникнення пульсацій у випадку, якщо пристрій
буде живитися від змінної напруги. Номінали цих конденсаторів обираються
з datashet, і мають номінал 450 мкФ.

Рисунок 4.10.1. – Система живлення вольтметра.
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 45
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Після розрахунку струму споживання пристрою обираємо діодний міст
2W10/1.5A 1000V

Рисунок 4.11. – Зовнішній вигляд діодного мосту.

Він має наступні параметри:
Максимальний прямий струм 1.5 А;
Максимальна зворотня напруга 1000В;

Проведемо розрахунок шунта R6 рис. 4.12. Важливий аспект
мікросхеми INA226 – вона не обов'язково вимірює струм чи потужність.
Мікросхема вимірює обидві напруги: напругу, що диференціально
прикладається між входами IN+ і IN-, і напругу, що прикладається до виходу
VBUS.
Щоб мікросхема повідомляла обидва значення струму і потужності,
користувач повинен запрограмувати роздільну здатність Current Register
(04h) і значення резистора шунта, використовуваного в схемі, на якому падає
диференціальна напруга, що прикладається до входів IN+ і IN-. Внутрішній
Power Register (03h) встановлюється значення, в 25 разів більше
запрограмованого Current_LSB. Обидва значення – Current_LSB та значення
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 46
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

резистора шунта – використовуються для обчислення програмованого
значення Calibration Register. Значення Calibration Register використовується
в мікросхемі для обчислення відповідних значень струму та потужності на
основі виміряних величин напруги на шунті та напруги на VBUS.
Таблиця 4.3. Обчислення струму та потужності.
Кр Ім'я Адр HE де L Зна
ок регістру еса регістру X с. SB ч.
Configuration 412
1 00h - - -
Register 7h
1F4 800 2. 20
2 Shunt Register 01h
0h 0 5 μV mV
Bus Voltage 257 958 1. 11.9
3 02h
Register 0h 4 25 mV 8V
Calibra A00 256
4 05h - -
tion Register h 0
Current 271 100 1 10
5 04h
Register 0h 00 мА А
Power 12B 479 2 119.
6 03h
Register 8h 2 5 мВт 82 Вт

Значення для Calibration Register обчислюється за формулою (4.1). Ця
формула містить значення Current_LSB, що відповідає запрограмованому
значенню в молодших бітах Current Register (04h). Дане значення
використовує для перетворення значення Current Register (04h) в реальний
струм в амперах.

0.00512 0.00512
CAL    559,24 (4.1)
Current _ LSB * RSHUNT 0.000091552734375*0.1

0.00512 - це внутрішнє фіксоване значення, яке використовується для
забезпечення правильного масштабування.
Найвища роздільна здатність для Current Register може бути отримана
при найменших допустимих значеннях Current_LSB, зважаючи на
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 47
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

максимальний очікуваний струм, як показано у формулі 5.2. Хоча це
значення дає найбільшу роздільну здатність, зазвичай вибирають значення
Current_LSB до найближчого округленого вгору числа від числа, обчислений
за формулою 5.2. Це спрощує перетворення Current Register (04h) та Power
Register (03h) в ампери та вати відповідно. RSHUNT це значення зовнішнього
резистора шунта, до яких підключені входи IN+ та IN-.

максимальний струм 3
Current _ LSB   =0,000091552734375 (4.2)
215 215

Значення резистора шунта RSHUNT обрали 0.1 Ом, тепер розрахуємо
мінімальну потужніжність даного резистора.
P 2
RSHUNT  Imax * RRSHUNT  9 * 0.1 0.9Вт.
Отже для стабільної роботи амперметра потрібно обрати опір шунта 0.1
Ом і потужністю не менше 1-го вата.

Рисунок 4.12. – Схема електрична принципова модулю INA226.
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 48
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

5 ОХОРОНА ПРАЦІ
5.1 Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на
інженера-проєктувальника в електротехнічній лабораторії

В процесі розробки проєкту вольтметру потрібно використовувати
сучасну комп’ютерну техніку. Тому в даному розділі буде проведений аналіз
умов праці проєктувальника, який виконуватиме таку роботу. За рівнем
фізичних навантажень дана робота відноситься до категорії І а (робота з
витратою до 120 ккал/год, сидячи без фізичної напруги).
Робоче місце співробітника лабораторії є постійним і являє собою стіл,
на якому встановлений персональний комп’ютер та принтер. Біля столу
встановлено сучасне офісне крісло. Тип робочого крісла працівника
обирається у відповідності до ДСТУ 7951:2015 «Дизайн і ергономіка. Крісло
оператора. Загальні ергономічні вимоги» та в залежності від тривалості
роботи: при тривалій – масивне, при короткочасній – крісло легкої
конструкції, яке легко пересувати. Ширина столу 0,9 м, усі предмети, що
знаходяться на ньому розташовані на відстані не більше 75 см від
працівника, отже вони знаходяться в робочій зоні. Висота столу 70 см; висота
стільця 45 см.
Розміри кімнати становлять ширина – 6 м, довжина – 9 м, висота стелі
– 2,8 м, площа кімнати складає 54 м2. Приміщення розраховане на
максимальну кількість працюючих - шість, звідси площа, яка припадає на
одну людину, дорівнює 9 м2. Об’єм приміщення становить - 151,2 м3. Звідси
об’єм, який складає на одну людину, дорівнює 25,2 м3, що відповідає
вимогам ДБН В.2.2.28-2010.
Важливе значення мають фактори мікроклімату в робочому
приміщенні, так як вони безпосередньо впливають на здоров’я та
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 49
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

самопочуття інженера. Згідно 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 - 24 °С (допустима – 21 - 25 °С).
2. Вологість повітря:
 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 – 30 - 32 °С ;
- В холодний період року –21 - 23 °С .
2. Вологість повітря:
 В теплий період року – 50 - 52 %;
 В холодний період року – 55 - 57 %.
3. Швидкість руху повітря:
 В теплий період року – 0,1 м/с;
 В холодний період року – 0,2 м/с.
Фактичні параметри мікроклімату відповідають нормативним вимогам
в холодний період року, але не відповідають в теплій період року згідно ДСН
3.3.6.042-99. Тому в приміщенні лабораторії рекомендовано встановити
систему кондиціонування повітря для підтримання температури повітря в
теплий період року в межах норми.
Для обігріву в холодний період в лабораторії використовується система
централізованого водяного опалення, яка відповідає ДБН В.2.5.67-2013
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 50
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

«Опалення, вентиляції та кондиціювання». Система опалення складається з 8
сучасних плоских секційних радіаторів, які встановлені безпосередньо під
вікнами вздовж стін.
Недостатня освітленість приміщення створює негативний вплив на
психічний стан людини, викликаючи почуття пригніченості, створюючи
гнітючий настрій і навіть доводячи до депресії. Змінюються і фізіологічні
процеси: надмірно напружується зоровий апарат, послаблюється
сприйнятливість слухового центру, стомлюється нервова система,
сповільнюється робота мозку.
Природне освітлення здійснюється через два вікна. Розміри двох вікон
приміщення однакові і становлять 2 х 1,15 м. Робочі столи розташовані таким
чином, що вікна знаходяться збоку від працюючого. Вікна обладнані
сонцезахисними жалюзі.
Нормування природного освітлення приводиться за допомогою
коефіцієнта природної освітленості (КПО), вираженого в відсотках, який для
даного типу зорової праці складає 2,5 % згідно ДБН В.2.5-28-2018. Фактичне
значення КПО становить 20-25 %. Тому рівень природного освітлення
відповідає ДБН В.2.5-28-2018.
Також в приміщенні передбачена система штучного освітлення.
Лабораторія обладнана шістьма світильниками типу ЛСП 02В-2х40, кожний
з яких має дві люмінесцентні лампи денного світла. Для даного типу зорової
праці необхідна величина штучного загального освітлення складає 400 лк,
фактична величина становить 420-450 лк, що відповідає ДБН В.2.5-28-2018.
При роботі інженера-проєктувальника з монітором негативним
фактором є підвищене зорове напруження, а також з іншими. Зокрема,
працівник втомлюється від постійного ефекту миготіння, необхідності частої
переадаптації очей до рівня освітлення екрану дисплея та загального
освітлення приміщення.
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 51
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Оскільки співробітник лабораторії проводить дуже велику кількість
часу поряд з системним блоком комп’ютера, то шум також являється
важливим фактором виробничого середовища. Головним джерелом шуму є
вентилятор охолодження в системному блоці комп’ютера.
Згідно з ДСН 3.3.6.037-99 «Санітарні норми допустимих рівнів шуму
на робочих місцях» нормативне значення еквівалентного рівня шуму при
даному видові діяльності та типу робочого місця складає 60 дБА. Дане
робоче місце відповідає цій вимозі, оскільки фактичний рівень шуму складає
36-39 дБА.
Робоча поза працюючого безпосередньо повязана з тривалим
очікуванням закінчення обрахунків компютером, що в свою чергу
призводить до періодичного перебування в незручній, фіксованій позі до 25%
від загальної тривалості роботи.
Однотипність даних на екрані та очікування закінчення розрахунків
може привести до додаткового виснаження ресурсів організму, швидше
стомлення, значне зниження працездатності. Ступінь складності завдання
полягає в виконанні обчислень, обробці отриманих результатів, визначаючи
їх вірність та коректність, що відповідає допустимому класові умов праці.
Основний вид роботи у приміщенні носить теоретичний характер:
проводяться дослідження різноманітних параметрів і обробка
експериментальних даних. При проведенні цих робіт використовують
контрольно-випробувальну апаратуру, вимірювальні стенди. Тому у
лабораторії знаходиться різного роду прилади, що живляться від мережі
напруги 220 В, 50 Гц. Приміщення відноситься до категорії приміщень без
підвищеної небезпеки ураження працюючих електричним струмом
відповідно ПУЕ-17. В лабораторії періодично проводиться перевірка
справності електроустаткування. У ході роботи у лабораторії можуть
утворюватися заряди статичної електрики, яка утворюється на поверхні
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 52
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

діелектричних та напівпровідникових речовин, матеріалів виробів чи на
ізольованих провідниках. Одним з основних засобів захисту від ураження
електричним струмом чи зарядом статичної електрики в лабораторії є
система захисного заземлення відповідно ДСТУ Б В.2.5-82-2016.
Інструктаж з техніки електробезпеки, який регулярно проводиться з
працівниками лабораторії, складений на основі ДНАОП 0.00-1.32-01.
Правила будови електроустановок. Електрообладнання спеціальних
установок та ДСТУ Б В.2.5-82-2016.
Лабораторія відноситься до приміщень з категорією вибухопожежо-
небезпеки типу В, згідно з ДСТУ Б В.1.1-36:2016. План евакуації розміщений
на стіні біля входу в лабораторію з вільним доступом до нього (ДБН В.1.1.7-
2016). Для попередження пожеж в лабораторії використовується електрична
пожежна сигналізація променевого типу та димові датчики типу (ИП-212) у
кількості 4 штук відповідно ДБН В.2.5.56-2014.
В даній лабораторії забезпечуються необхідні заходи щодо протидії
виникнення пожежонебезпечних ситуацій згідно з НАПБ А.01.001-2014
«Правила пожежної безпеки в Україні». Приміщення лабораторії обладнане
порошковим вогнегасником ВП-5, який знаходиться у кутку кімнати в місці
вільного доступу, згідно «Правил експлуатації та типових норм належності
вогнегасників».
В результаті проведеного аналізу, можливо зробити висновок, що в
теплий період року температура повітря в приміщенні не відповідає
нормативним вимогам. Тому пропонується розробити та встановити в
приміщенні систему кондиціонування повітря.

Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 53
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

5.2 Розробка системи кондиціювання повітря в приміщенні
лабораторії

Розрахунок проводиться для теплого періоду року на охолодження.
Розрахунок необхідно провести для приміщення з розмірами: довжина 9 м,
ширина 6 м, висота 2.8 м, і наступними кліматичними умовами: температура
о
повітря в середині приміщення 24 С, вологість повітря 55%, кількість
працюючих - 6 осіб, категорія робіт - легка, швидкість руху повітря не
о
більше 0.1 м/с. Максимальна температура зовнішнього повітря 30 С.
5.2.1 Розрахунок надходження тепла в приміщення
5.2.1.1 Тепловиділення від обладнання.
Джерелами даного тепловиділення є чотири ПК. Тепловиділення від
обладнання розраховуємо за формулою:
Qоб  F  tпов  tв  , (5.1)
де α - коефіцієнт тепловіддачі від поверхні до повітря приміщення,
ккал/(годм2 о
 С);
F= 0,6 м2 – площа нагрітої поверхні;
t о
пов = 38 С – температура нагрітої поверхні;
tв = 24 оС - температура повітря в приміщенні;
де V = 0,1 м/с - швидкість руху повітря.
Коефіцієнт α розраховують для твердих поверхонь з урахуванням
швидкості руху повітря (V=0,1м/с) за формулою:
 10 0.1  3.16 (5.2)
Звідси знаходимо тепловиділення від обладнання:
Q  3 3.16 0.6  38  24 79.6 ккал / год
об
Тепловиділення від обладнання склало 79,6 ккал/год.
5.2.1.2 Тепловиділення від штучного освітлення
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 54
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Тепловиділення від штучного освітлення розраховуємо за формулою:
Q  860  N , (5.3)
осв осв
де Nосв - сумарна потужність джерела освітлення, кВт;
Враховуючи, що освітлення приміщення здійснюється 6 світильниками
з 2 люмінесцентними лампами по 80 Вт:
Nосв=6·2·80=960 Вт
Звідси кількість тепла:
Qосв=860·0,96=825,6 ккал/год

Отже кількість тепла від світильників становить 825,6 Вт.
5.2.1.3 Виділення тепла та вологи людьми
Виділення тепла та вологи людьми розраховуємо за формулою:
Qл.пов Qявн Qзкр ,
(5.4)
де Qл.пов - повне тепловиділення людиною, ккал/год;
Qявн - явне, тепловиділення людиною ккал/год;
Qскр - скрите тепловиділення людиною, ккал/год;
При температурі в приміщенні t = 24 °С, при категорії робіт – легка та
для чоловіків:
Q  50 ккал / год ;
явн
Qзкр  80 ккал / год
Враховуючи те, що в приміщенні працює 6 осіб:
Qл.пов  6  Qявн Qзкр  (5.5)
Q .  6  50 80 780 ккал / год .
л пов
Виділення тепла від людей в приміщенні становить 780 ккал/год.
5.2.1.4 Надходження тепла через заповнення світлових отворів.
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 55
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Надходження тепла через заповнення світлових отворів розраховуємо
за формулою:
Q11  q1 F11  q2  F12 K відн.п  F  t з  tв / R0 , (5.6)
де q1 і q2 - кількість тепла, що поступає в приміщення через одинарний
засклений світловий отвір, що, відповідно, опромінюються та не
опромінюються прямою сонячною радіацією, ккал/годм2;
F11 і F12 - площа заповнення світлового отвору, що, відповідно,
опромінюється та не опромінюється прямою сонячною радіацією, м2 ,
враховуючи те, що всі світлові отвори не опромінюються прямою сонячною
радіацією:
F11  0 м2
, F12  2.5 м2
;
F  F  F - площа заповнення світлового отвору, що визначається
11 12
його найменшим розміром в світлі;
2
F  F11F12  02.5 2.5 м

(5.7)
Kвідн.п = 0,61 - коефіцієнт відносного проникнення сонячної радіації
через заповнення світлового отвору;
R0 = 0,2 год 2
м °С/ккал - опір теплопередачі заповнення світлового
отвору;
tз = 30 °С, tв = 24 °С - температура зовнішнього та внутрішнього
повітря,
Спочатку знайдемо кількість теплоти q1 і q2:
q1  qп  qр К1 К2 ,
(5.8)
q2  q p K1 K2 ,
де qn = 0 і qp = 55 ккал/(год · м2) - кількість тепла прямої та розсіяної
сонячної радіації відповідно,
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 56
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

К1 = 1,75 - коефіцієнт, що враховує затінення засклення світлових
отворів,
К2 = 0,9 - коефіцієнт, що враховує забруднення скла,
  2
q  0  55 1.75  0.9  86.7 ккал/годм ,
1
2
q  55 1.75  0.9  86.7 ккал/годм .
2
Сумарне надходження тепла через заповнення світлових отворів:
Q  86.7 0  86.7 2.50.61 2.5  30  24 / 0.2  260.1 ккал/год.
11
Через світлові пройми, згідно розрахунків, надходить 260,1 ккал/год.
5.2.1.5 Сумарна кількість надходження тепла в приміщення
Сумарна кількість надходження тепла в приміщення розраховується за
формулою:
Q Q Q Q Q  79.6 825.6  780  260.11945.3 ккал / год .
 об осв л.пов 11
Сумарна кількість тепла, що надходить у приміщення склала 1945,3
ккал/год.
5.2.2 Розрахунок надходження вологи в приміщення
Кількість вологи, що виділяється однією людиною при легкій роботі в
приміщенні з t = 24oC дорівнює:
Qвол =130 г/людгод = 0,13 кг/людгод,
а 6-ма працюючими:
Qвол =6130 = 780 г/людгод = 0,78 кг/людгод.
Кількість вологи, що надходить від людей у приміщення 0,78 кг/люд.
5.2.3. Розрахунок повітрообміну
Тепловологістне відношення процесу асиміляції тепла та вологи:
 Q / Q 1945.3 / 0.78  2494ккал / год (5.9)
 вол
Кількість повітря, потрібного для загальнообмінної вентиляції в
приміщеннях з видаленням тепла, визначається за формулою:
Q1  m Q /(iр  iп ) , (5.10)
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 57
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

де m = 1 - коефіцієнт, який враховує долю тепла, що надходить в
робочу зону;
QƩ - кількість надлишкового повного тепла, що підлягає видаленню,
ккал/люд;
ip та in - ентальпія, відповідно, повітря в робочій зоні та припливного,
вибираються за значенням ɛ по: iрз=14.3 ккал/кг, iпр=12.6 ккал/кг (при робочій
різниці температур Δt o
p = 6 C). Робоча різниця температур задається,
виходячи з систем подачі припливного повітря та характеру роботи. Отже:
t p  tп  to , (5.11)
де t о
p - температура в робочій зоні, С;
t0 - початкова температура повітря, що надходить, оС.
Звідси температура припливного повітря:
о
tп  t p tp  246 18 С
Кількість повітря:
Q1=(11945,3)/(14.3-12.6) = 1144 кг/год.
Об’єм повітрообміну для видалення тепла з приміщення отримано 1144
кг/год.
5.2.4 Продуктивність систем кондиціонування повітря
Повна продуктивність системи кондиціонування повітря
розраховується за формулою:
L  К  L , (5.12)
п
де К=1- коефіцієнт врахування втрат повітря у сітці, якщо кондиціонер
встановлений всередині приміщення.
Корисна продуктивність системи кондиціонування повітря, м3/год:
L  L1 ,
де L1 - визначають, виходячи з максимальних надлишків явного тепла:
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 58
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Q
L  
1 , (5.13)
c   t p  tn 
де QƩ - сума надлишкових виділень тепла в приміщенні, ккал/год.
 - густина повітря (1.22 кг/м3);
с - теплоємність повітря (с = 0.24 ккал/кг о
 С);
tp, tn - температура відповідно вилучаємого і припливного повітря, оС.
L  1945.3 1107 м3
1 / год
0.24 1.22  (24 18)
Звідси повна продуктивність:
3
L 11107 1107 м /год.
п
Отже повна продуктивність кондиціонера становить 1107 м3/год.
5.2.5 Розрахунок потужності повітроохолоджувача
Максимальні витрати холоду в кондиціонері для теплого періоду року
розраховуються за формулою:
Qх  Lп   iр  iп , (5.14)
де Ln - повна продуктивність системи, м3/год.
 - густина повітря припливного повітря, кг/м3.
i0 та in - ентальпія відповідно зовнішнього повітря і припливного
повітря, ккал/кг.
Отримуємо:
Q х =11071.2(14.5-12.6)= 2524 ккал/год.
Переведемо отримане значення потужності охолодження в Вт:
N Q 1.163  2524 1.163  2935 Вт. (5.15)
x
Потужність повітроохолоджувача кондиціонера отримана у 2935 Вт.
5.2.6 Вибір моделі кондиціонера
Провівши розрахунок параметрів кондиціонера, виберемо з існуючих
вітчизняних та зарубіжних зразків найбільш підходящий кондиціонер.
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 59
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

В ході розрахунку були отримані такі параметри:
1. Повна продуктивність системи кондиціонування повітря: Lp=1107
м3/год;
2. Потужність охолодження: P=2935 Вт.
Згідно отриманих за розрахунками даних обираємо кондиціонер
NEOCLIMA NS-12AHEIw з такими технічними параметрами:
- Рекомендована площа приміщення - 35 кв. м;
- Тип компресора - інверторний;
- Тип фреона - R410A;
- Холодопродуктивність - 3,5 кВт;
- Теплопродуктивність - 3,5 кВт;
- Рівень шуму, внутрішній блок - 34 дБА;
- Рівень шуму, зовнішній блок – 55,8 дБА;
- Режими роботи - автоматичний, вентилятор, нічний, обігрів,
осушення, охолодження, очищення повітря, турборежим
- Споживана потужність обігрів/охолодження - 0,967/1,097 кВт;
- Діапазон зовнішньої робочої температури - -15 - +50 °С;
- Напруга/частота живлячої мережі - 220-240 В/50 Гц;
- Осушення - 1,5 л/год;
- Максимальна довжина магістралі - 15 м;
- Максимальний перепад висот - 7 м;
- Габарити внутрішнього блока - 28,5х80,5х19,4 см;
- Габарити зовнішнього блока - 55х70х27,5 см;
- Вага внутрішнього блока – 7,4 кг;
- Вага зовнішнього блока – 24,1 кг.

Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 60
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

Рисунок 5.1 – Зовнішній вигляд кондиціонера NEOCLIMA NS-12AHEIw

Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 61
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

ВИСНОВОК
Електричні вимірювання є ключовими для розуміння і контролю
електричних систем. Вони включають різні методи та прилади для
вимірювання напруги, струму, опору, потужності та енергії. Вибір методу
вимірювання залежить від вимог до точності, складності та умов
експлуатації. Сучасні технології, такі як мікроконтролери і IoT, значно
розширюють можливості електричних вимірювань, дозволяючи створювати
інтелектуальні та дистанційно керовані системи.
Кваліфікаційна робота на тему "Розробка електронного вольтметра з
можливістю віддаленого контролю даних" успішно виконана, і всі поставлені
завдання були реалізовані. В результаті проведених досліджень та розробок
досягнуто наступних результатів:
- Проведено аналіз сучасних схем електронних вольтметрів, вивчено
принципи роботи та особливості побудови аналогічних пристроїв. Було
розглянуто різні методи перетворення аналогових сигналів у цифрові, а
також методи передачі даних через інтернет.
- Розроблено принципову схему електронного вольтметра на базі
мікроконтролера ESP8266, яка включає в себе захисну схему, подільник
напруги, схему вибірки-збереження, аналого-цифровий перетворювач,
дисплей та елементи живлення. Всі компоненти були ретельно підібрані для
забезпечення точності та надійності роботи пристрою.
- Виконано проектування друкованої плати для електронного
вольтметра з урахуванням усіх необхідних вимог. Створено креслення плати,
забезпечено оптимальне розташування компонентів та маршрутизацію трас
для мінімізації перешкод і забезпечення стабільної роботи пристрою.
- Підготовлено всі необхідні документи, включаючи схему структурну,
схему електричну принципову, креслення плати друкованої. Розроблено
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 62
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

складальне креслення плати, на якій розміщенно всі модулі електронного
вольтметра. Ці документи забезпечують можливість відтворення та
використання розробленого пристрою.
В розділі охорона праці був проведений детальний аналіз небезпек та
шкідливостей, що впливають на інженера-проєктувальника в
електротехнічній лабораторії. Всі фактори виробничого середовища, окрім
системи кондиціювання, відповідають своїм нормативним значенням. Тому в
роботі була розроблена система кондиціювання в приміщенні електричної
лабораторії.
Після проведених розрахунків проведено вибір кондиціонера для
встановлення в приміщенні електричної лабораторії типу NEOCLIMA NS-
12AHEIw.
Розробка електронного вольтметра на базі мікроконтролера ESP8266 з
можливістю віддаленого контролю даних є актуальною і корисною задачею.
В ході виконання кваліфікаційної роботи було досягнуто всіх поставлених
цілей, що підтверджує високу ефективність використання сучасних
мікроконтролерів та засобів бездротового зв'язку у створенні вимірювальних
приладів. Результати даної роботи можуть бути використані для подальшого
розвитку систем моніторингу та контролю в різних галузях промисловості та
побуту.

Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 63
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Горовиць П., Хілл В. "Мистецтво схемотехніки". - М.: Мир, 2004. -
1232 с.
2. Мезенцев М.М., Карабіньош О.В. "Основи вимірювань: Підручник".
- Київ: Вища школа, 2015. - 480 с.
3. Седра А., Сміт К. "Мікроелектронні схеми". - М.: Техносфера, 2010. -
1120 с.
4. Ivanov S., Petrov A. "Remote Data Monitoring in Modern Voltmeters" //
Journal of Electrical Engineering, 2018. - Vol. 5, No. 2. - P. 115-123.
5. Smith J., Brown R. "Innovations in Remote Voltage Measurement
Systems" // Proceedings of the International Conference on Measurement and
Control, 2019. - P. 203-210.
6. Коваленко І.І. "Розробка системи віддаленого контролю для
електронних вимірювальних приладів". - Дис. канд. техн. наук: 05.11.16. -
Київ, 2017. - 180 с.
7. Мельник О.В. "Проектування вольтметра з інтерфейсом для
віддаленого моніторингу". - Дипломна робота (бакалавр) - Національний
технічний університет України "Київський політехнічний інститут", 2019. -
95 с.
8. Якименко Ю.І. Мікропроцесорна техніка. /Ю.І. Якименко,Т.О.
Терещенко, Є.І. Сокол,В.Я.Жуйков, Ю.С. Петергеря / -2-ге вид., допов. і
переробл. – К.: Політехніка НТУУ «КПІ», 2004. – 440 с.
9. Texas Instruments. "Design and Construction of Voltmeters".
URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/voltmeters.pdf (дата звернення:
10.04.2024).
10. Analog Devices. "Remote Monitoring Solutions for Electrical
Measurements".
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 64
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

URL:https://www.analog.com/en/applications/technology/remote-
monitoring.html (дата звернення: 22.04.2024).
11. National Instruments. "Building Modern Voltmeters with Remote Data
Capabilities". URL: https://www.ni.com/en-us/innovations/modern-
voltmeters.html (дата звернення: 10.05.2024).
12. Патент US6549872 B2 "Remote Voltage Measurement Device and
Method". Власник: Smith Innovations LLC. Дата публікації: 23.04.2003.
13. Патент US7894321 B2 "System for Remote Monitoring of Electrical
Parameters". Власник: Tech Solutions Inc.. Дата публікації: 11.01.2011.
14. Datasheet на мікроконтролер STM32F103. Виробник:
STMicroelectronics.
URL: https://www.st.com/resource/en/datasheet/stm32f103.pdf (дата
звернення: 05.05.2024).
15. Datasheet на аналогово-цифровий перетворювач AD7705. Виробник:
Analog Devices.
URL: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-
sheets/AD7705.pdf (дата звернення: 15.04.2024).
Арк.
РТ205.024023.248 ПЗ 65
Зм. Арк. № докум. Підпис Дата

ДОДАТКИ

Репозиторій ЧДТУ