Дослідження побудови анемометра на основі ультразвукових датчиків

Мельник, Олександр Васильович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8224

Title:	Дослідження побудови анемометра на основі ультразвукових датчиків
Authors:	Клопотовський, Павло Анатолійович Мельник, Олександр Васильович
Keywords:	анемометр;датчик;Arduino;ультразвук
Issue Date:	2020
Abstract:	"Робота присвячена проектуванню анемометра. Була створена структурна схема анемометра, а також обрані компоненти із яких даний прилад складається. Основою ультразвукового анемометра являється платформа Arduino Uno, до якої підключаються чотири ультразвукових датчиків далекомірів HC-SR04. Корпус виконаний з пластика і захищений від зовнішніх впливів. Датчики розташовані перпендикулярно один одному, наодному рівні, що дозволило забезпечити більшу точність отриманих даних."
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8224
Appears in Collections:	172 Електронні комунікації та радіотехніка (Радіотехніка та робототехнічні системи)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Б_172_Мельник_Клопотовський.pdf Restricted Access		4.56 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

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

Пояснювальна записка
до дипломного проекту (роботи)
бакалавр
(освітньо-кваліфікаційний рівень)

на тему: " Дослідження побудови анемометра на основі ультразвукових
датчиків "

Виконав: студент 4 курсу, групи СКРТ-88
напряму підготовки (спеціальності)
172 – телекомунікації та радіотехніка
(шифр і назва напряму підготовки, спеціальності)

Мельник О.В.
(прізвище та ініціали)
Керівник Клопотовський П.А.
(прізвище та ініціали)
Рецензент Григор’ян М.Б.
(прізвище та ініціали)

Черкаси - 2020 року

Форма № Н-9.01

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет електронних технологій і робототехніки
Кафедра радіотехніки,телекомунікаційних і робототехнічних систем
Освітньо-кваліфікаційний рівень бакалавр
Спеціальність 172 – телекомунікації та радіотехніка

ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри В.В. Палагін
“_____” ___________________ 2020 року

ЗАВДАННЯ
НА ВИПУСКНУ РОБОТУ СТУДЕНТУ

Мельника Олександра Васильовича _____________
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема проекту (роботи) Дослідження побудови анемометра на основі ультразвукових
датчиків

керівник проекту (роботи) Клопотовський Павло Анатолійович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
затверджені наказом вищого навчального закладу від «24» лютого 2020 року № 76/01

2. Термін здачі студентом закінченої роботи “ 06 ” червня 2020 року _________

3. Вихідні дані до роботи: Напруга живлення: +5В; струм споживання: до 1А; вимірювання
напрямку і швидкості вітру; мікропроцесорна платформа.

4. Зміст розрахунково-пояснювальної записки (перелік питань, що їх належить розробити)
Аналіз існуючих рішень та прототипів; побудова структурної та електричної принципової
схем, розробка конструктивних та програмних рішень; охорона
праці.________________________________________________________________________

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень, плакатів)
1. Схема структурна пристрою; 2 Схема електрична принципова; 3. Плакат по охороні праці.
.
6. Консультанти з проекту (роботи) із зазначенням розділів проекту, що їх стосуються
Підпис, дата
Прізвище, ініціали та посада
Розділ завдання завдання
консультанта
видав прийняв
Охорона праці Кожем’якін О.С.
старший викладач кафедри

безпеки життєдіяльності

7. Дата видачі завдання 11 січня 2020 року

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН

Термін
№ Назва етапів дипломного проекту
виконання етапів Примітка
з/п (роботи)
проекту (роботи)
1. Аналіз технічного завдання та
пошук літератури 11.01.20 – 18.02.20
2. Аналіз методів побудови
пристрою 19.02.20 – 04.03.20
3. Побудова та обґрунтування
схеми функціональної пристрою 05.03.20 – 24.03.20
4. Побудова та обґрунтування
схеми структурної пристрою 25.03.20 – 06.04.20
5. Побудова та обґрунтування
схеми електричної пристрою 07.04.20 – 30.04.20
7. Виконання розділу охорони праці 01.05.20 – 15.05.20
8. Оформлення пояснювальної записки 16.05.20 – 29.05.20
9. Оформлення плакатів 30.05.20– 05.06.20

Студент Мельник О.В.
( підпис ) (прізвище та ініціали)

Керівник проекту (роботи) Клопотовський П.А.
( підпис ) (прізвище та ініціали)

ЗМІСТ
ВСТУП……………………………………………………………………...................................4
1. АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ ТА ПРОТОИТПІВ...………….......................................5
1.1. Принципи вимірювання швидкості та напрямку вітру ……….……………………..7
1.2. Флюгери…………………………….………………………….………………………..8
1.3. Анемометри чашкові…………………………………...……………………………...10
1.4. Термоанемометри…………………….………………………………………………...15
1.5. Ультразвукові анемометри…………………………………………………………….19
1.6. Висновки………………………………………………………………………………..23
2. ПОБУДОВА СТРУКТУРНОЇ ТА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРИНЦИПОВОЇ СХЕМ, РОЗРОБКА
КОНСТРУКТИВНИХ ТА ПРОГРАМНИХ РІШЕНЬ….....................................................26
2.1 . Побудова структурної схеми……………………..…………………..........................26
2.2 . Вибір та обґрунтування мікроконтролера для ультразвукового анемометра.........27
2.3 .Вибір компонентів для вимірювання напрямку та швидкості вітру………….…....34
2.4 .Математичний спосіб розрахунку швидкості звуку та вивід формул для
ультразвукового анемометра……………………………………..…………………....38
2.5 . Метод зміни швидкості……………………………………………………………….40
2.6 . Знаходження напрямку повітряного потоку………………………………………...41
2.7 . Обґрунтування середовища розробки………………………………………………..42
2.8 . Програмна частина…………………………………………………………………….46
2.9. Практичне застосування…………………………………………………………….....47
2.10.Висновки……………………………………………………………………………….49
3. ОХОРОНА ПРАЦІ……………………………………………………………........................50
3.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника наукової технічної
лабораторії………………………..……………………..…………………..........................50
3.2. Розрахунок штучного освітлення. Вибір джерела штучного освітлення……..........56
3.3. Висновки………………………………………………………………………………..63
ВИСНОВКИ……………………………………………………………………………………...64
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ………………………………………………………..65
ДОДАТКИ………………………………………………………………………………………..67

СКРТ.020.8059.248 ПЗ
Змн. Арк. № докум. Підпис Дата
Розроб. Мельник О. В. ДОСЛІДЖЕННЯ ПОБУДОВИ Літ. Арк. Аркушів
Перевір. Клопотовський АНЕМОМЕТРА НА ОСНОВІ 3 66
Реценз. П.А.
УЛЬТРАЗВУКОВИХ
Н. Контр. ДАТЧИКІВ ЧДТУ
Затверд.

ВСТУП

Вітер – це потік повітря, який рухається навколо Земної поверхні. Вітри
зазвичай класифікують по їх силі та напрямку. Вимірювання швидкості та
напрямку вітру необхідне в багатьох сферах життєдіяльності людини. Найбільш
ефективним методом для виміру швидкості та напрямку вітру є застосування,
спеціального пристрою, анемометра.
Темою мого дипломного проекту являється дослідження, проектування та
реалізація анемометра на ультразвукових датчиках. Даний тип анемометра є,
дуже, актуальним, оскільки використовує новий принцип вимірювання
швидкості вітру. Ця реалізація має переваги перед термоанемометрами та,
класичними реалізаціями, флюгерами та чашковими (крильчастими)
анемометрами. Основними перевагами ультразвукового анемометра на
ультразвукових датчиках є:
 швидкодія вимірювання;
 чутливість;
 великий діапазон виміру швидкості потоку повітря;
 автономність;
 тип реалізації, який не використовує рухомі механічні частини, що
робить його більш надійним.
Принцип дії вимірювання ультразвукового анемометра полягає у виміру
затримки проходження ультразвукових (акустичних) імпульсів від передавача до
приймача, які знаходяться на заданій відстані. При відомій відстані між
передавачем та приймачем появляється можливість обчислити швидкість
проходження сигналу.
Актуальність даного приладу є використання ультразвукового анемометра
в багатьох галузях: наукових дослідженнях і спостереженнях, метеорології,
військової діяльності, аеропортах, суднохідстві та сільському господарстві.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
4
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ РІШЕНЬ ТА ПРОТОТИПІВ

Анемометр – прилад для вимірювання швидкості руху газів, повітря в
системах, наприклад, вентиляції. У метеорології застосовується для
вимірювання швидкості вітру.
За принципом дії розрізняють: механічні анемометри, в яких рух газу
приводить в обертання чашкове колесо або крильчатку (схожу до повітряного
гвинта); теплові анемометри, принцип дії яких заснований на вимірюванні
зниження температури нагрітого тіла, зазвичай розжарюються дроту, від руху
газу; ультразвукові анемометри, засновані на вимірюванні швидкості звуку в газі
в залежності від його руху, так і назустріч вітру швидкість звуку нижче, ніж в
нерухомому повітрі, за вітром - навпаки, вище.
Рух повітря відносно земної поверхні називається вітром. Утворення
повітряних потоків відбувається завдяки дії таких чинників, як:
- градієнти тиску, що забезпечують рух повітря від зони високого тиску до
зони низького;
- гравітаційна сила, що прискорює рух повітря до величини g = 9,8 м ∙ с2.
Дія вертикального градієнта тиску врівноважується гравітаційною силою;
- сила тертя (F). Сила тертя пропорційна швидкості вітру і має
протилежний останньому напрямок;
- сила Коріоліса, що відхиляє напрямок руху повітря (вправо в Північній
півкулі, вліво - в Південній);
- відцентрова сила. За великих швидкостей і малих радіусів кривизни вона
може значно перевищувати градієнтну силу (тропічні циклони, смерчі).
Основні параметри вітру - швидкість, напрямок і поривчастість.
Швидкість вітру вимірюється в м/сек, хоча можуть застосовуватися такі
одиниці як вузол або км /год.
Швидкість вітру оцінюється за допомогою шкали Бофорта (табл. 2.1).
При виконанні приземних метеорологічних спостережень вимірюються:
середня швидкість вітру, найчастіше, за 10 хвилин, максимальне значення за той
самий інтервал часу (швидкість вітру при поривах) і напрямок вітру, а також
максимальна швидкість вітру між термінами. Напрямок вітру осереднюється
сучасними приладами за 10 хвилин, а за відсутності цих приладів визначається
візуально при безпосередньому спостереженні його зміни, тому усереднювання
напрямку проводиться за дві хвилини. Якщо на станції немає приладу з
автоматичним осередненням швидкості вітру за 10 хвилин, то доводиться і
швидкість вітру усереднювати за безпосередніми спостереженнями за її зміною.
Таке усереднювання застосовують при визначенні швидкості та напрямку вітру
за флюгером.
Таблиця 1.1 – Шкала Бофорта
Бал Характеристика м/сек вузол км/год
0 Безвітря 0,0...0,2 <1 <1
1 Легкий вітрець 0,3...1,5 1...3 1...5
2 Легкий бриз 1,6...3,3 4...6 6...11
3 М’який бриз 3,4...5,4 7...10 12...19
4 Помірний бриз 5,5...7,9 11...16 20...28
5 Свіжий бриз 8,0...10,7 17...21 29...38
6 Сильний бриз 10,8...13,8 22...27 39...49
7 Близький до штормового вітер 13,9...17,1 28...33 50...61
8 Штормовий вітер 17,2...20,7 34...40 62...74
9 Сильний штормовий вітер 20,8...24,4 41...47 75...88
10 Шторм 24,5...28,4 48...55 89...102
11 Надзвичайно сильний шторм 28,5...32,6 56...63 103...11 7
12 Ураган >32,7 >64 >118

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк..
65
Зм. Лист № докум.. Піідпис Дата
мн. рк.. ата

1.1 Принципи вимірювання швидкості та напрямку вітру

Для вимірювання швидкості вітру застосовуються прилади, дія яких
заснована на перетворенні енергії вітрового потоку в механічне обертання
різноманітних вертушок, вітрових коліс або повітряних гвинтів і визначенні
швидкості обертання цих агрегатів. Такого роду пристрої для вимірювання
швидкості вітру називають обертальними анемометрами. Їх зазвичай розділяють
на анемометри з вертикальною та горизонтальною віссю обертання.
До цієї ж групи приладів належать термоанемометри, акустичні
(ультразвукові) анемометри, іонізаційні анемометри та інші, кожен з яких
заснований на дії вітру на температуру нагрітого тіла, швидкість
розповсюдження звуку або перенесення іонізованих частинок.
Усі ці прилади вимірюють швидкість повітряного потоку.
До іншої групи приладів належать пристрої, що вимірюють силову дію
повітряного потоку на різні тіла: пластини, кулі, циліндри та інші тіла більш
складної конфігурації. За цими пристроями не встановилося будь-якої
узагальненої назви, але вони принципово відрізняються від анемометрів тим, що
в результаті вимірювання безпосередньо виходить сила вітру, яка залежить від
щільності повітря. До таких приладів належать флюгер Вільда (з легкою і з
важкою дошкою). Можна назвати прилади, які вимірюють безпосередньо
динамічний тиск вітрового потоку. Вони складають групу манометричних
вітровимірювальних приладів. Приладом такого типу є ураганомер.
Для визначення напрямку вітру в більшості випадків застосовуються різні
флюгери, що обертаються навколо вертикальної осі та встановлюються в потоці
під впливом вітру на її хвостову частину.
В окремих випадках (на польових посадочних майданчиках для
сільськогосподарської авіації) використовується вітровий конус. Тканина
натягується широким конусом на металеве кільце, яке вільно обертається на
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
7
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
вертикальній осі. Наповнюючись вітром, повертається вздовж потоку.
У польових, похідних умовах можна використовувати вимпел, що є
шматком матерії у формі витягнутого трикутника, широким кінцем вільно
підвішений на вертикальній жердині.
При застосуванні конуса і вимпела необхідно знати напрям сторін світу.
Лише в окремих випадках застосовуються інші, більш складні пристрої, які
зазвичай використовують на морських судах, де при вимірюваннях (або при
обробці результатів) необхідно виключати власну швидкість корабля.

1.2 Флюгери

Флюгер – виріб із дерева, металу та іншого матеріалу, який розташований
на вертикальній осі і повертається під впливом вітру. Напрямок вітру може
визначатися по горизонтальних штифтах, орієнтованими по восьми румбах, а на
сучасних флюгерах за допомогою електронного приладу. Флюгер часто
використовують як декоративний елемент – для прикраси будинку. Флюгер
може використовуватися і для захисту димової труби від задування. Часто
садівники застосовують флюгер з пропелером для позбавлення від кротів,
землерийок і інших подібних шкідників. Вібрації, що передаються в землю від
обертання пропелера відлякують гризунів, і вони в свою чергу, покидають
ділянку.
В 60-х роках XIX ст. Г. І. Вільд створив конструкцію, яка в собі зміщувала
конструкції флюгера і анемометра (флюгер Вільда). Він дає можливість
вимірювати середню швидкість 20 або до 40 м/с залежно від ваги дошки,
максимальні пориви і напрям вітру, максимальні значення швидкості вітру і
характеристику його поривчастості (рис 1.1).
Флюгер встановлюється на висоті 6 - 12м, над відкритою поверхнею. Під
флюгером кріпляться стрілки, які показують напрямок вітру, а над ним до трубки
на горизонтальній осі шарнірно прикріплена до рамки вітромірна дошка
розміром 300 х 150мм. Вага дошки – 200г. Від рамки відходить назад
прикріплений відрізок дуги радіусом 160мм, який має вісім штифтів, з яких
чотири – довгі (по 140мм) і чотири – короткі (по 100мм). Кожен штифт має свій
кіт під яким він закріплений: 1 – 0°; 2 – 4°; 3 – 15,5°; 4 - 31°; 5 – 45,5°; 6 – 58°;
7 – 72°; 8 – 80,5°.
Швидкість вітру можна дізнатись за допомогою відліку кута відхилення
дошки. Визначивши положення вітромірної дошки між штифтами дуги, можна
звернутись до таблиці 1.2, де з цим положенням відповідає певна швидкість
вітру.
Таблиця 1.2 – Визначення швидкості вітру за допомогою штифтів дуги
анемометра (флюгера Вільда)
Значення Швидкість вітру,
показників штифтів м/с
1 0
1-2 1
2 2
2-3 3
3 4
3-4 5
4 6
4-5 7
5 8
5-6 9
6 10
6-7 12
7 14

Положення дошки між штифтами може надати лише приблизне уявлення
про швидкість вітру, тим більше що швидкість вітру часто і швидко змінюється.
Дошка ніколи не залишається в одному положенні, а постійно коливається в
певних межах. Щоб визначити приблизно силу вітру потрібно спостерігати на
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк..
8
Зм.. Лист № докум.. П 9
іідпис Дата
мн.. рк.. ата
протязі одної хвилини за дошкою, а потім визначити її середній нахил. При
визначенні великої швидкості вітру, що перевищує 12-15м/с, показники цього
приладу мають малу точність.

Рисунок 1.1 – Флюгер Вільда
де, 1 – вертикальна трубка з завареним та загостреним кінцем; 2 – передній
горизонтальний стержень; 3 – крильчатка флюгера; 4 – верхня рамка; 5 –
горизонтальна вісь шарніра дошки; 6 – вітромірна дошка; 7 – нижній нерухомий
вертикальний стержень з укріпленими на ньому покажчиками сторін світу; 8 –
штифт для вимірювання швидкості вітру.

1.3 Анемометри чашкові

Найбільш розповсюдженим типом анемометра являється – чашковий
анемометр. Він був винайденим доктором Джоном Робінсоном, який працював
в Арманській обсерваторії, в 1846 році. Даний анемометр складається із
чотирьох напівсферичних чашок, які симетрично насаджені на хрестоподібні
шпиці ротора, що обертається на вертикальній осі. Робінсон припускав, що для
такого анемометра лінійна швидкість кругового обертання чашок становить
одну третю від швидкості вітру і не залежить від розміру чашок і довжини
шпиць. В той час виконані в той час експерименти це підтверджували. Ротор з
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
10
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
трьома чашками, був запропонований канадцем Джоном Патерсоном в 1926
році, і наступні удосконалення форми чашок були Бретвортом і Джойнером в
1935-му році зробили чашковий анемометр лінійним в діапазоні 100 км/год (27
м/с) з похибкою близько 3%. Патерсоном було виявлено, що кожна чашка дає
максимальний крутий момент, будучи поверненою на 45° до напрямку вітру.
Анемометр з трьома чашками відрізняється більш крутим моментом і швидше
відпрацьовує пориви, ніж з чотирма чашками. У 1991 р. даний анемометр був
удосконалений австралійцем Дереком Вестоном. Він давав можливість не тільки
визначати швидкість, але й знаходити напрямок вітру. Дана модифікація полягає
в установці на одну із чашок прапорця, через якого швидкість ротора
нерівномірна протягом одного обороту. Половину обороту прапорець рухається
в напрямку вітру, половину обороту – проти. Визначивши сектор щодо
метеостанції, в якому швидкість збільшується або зменшується, визначається
напрямок вітру.
Обертання ротора в найпростіших анемометрів передається на механічний
лічильник числа оборотів, який підраховує швидкість за кількістю оборотів за
заданий час, наприклад, хвилину. У більш досконалих чашкових анемометрів
ротор пов’язаний з тахогенератором, вихідний сигнал (напруга) якого подається
на вторинний вимірювальний прилад (вольтметр), також використовують
тахометри на інших принципах роботи. Такі анемометри дозволяють миттєво
показувати швидкість вітру реальному часі без додаткових обчислень.
Найпоширенішими моделями чашкових анемометрів є: МС-13, М-95ЦМ,
анемометр АРЕ.
Розглянемо наступний прилад.
Анемометр чашковий МС-13 ГОСТ 6376-74 призначений для вимірювання
середньої швидкості повітряного потоку в промислових умовах і середньої
швидкості вітру на метеорологічних станціях (рис 1.1).
Приймачем вітру в конструкції даного анемометра служить чотирьох
чашкова вертушка, насаджена на вісь, що обертається в опорах. На нижньому
кінці осі нарізаний черв’як, пов’язаний з редуктором, що передає рух трьом
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
11
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
стрілкам. Циферблат має шкали одиниць, сотень, тисяч. Черв’як через колесо і
триб передає рух центральному колесу, на осі якого закріплена стрілка шкали
одиниць. Триб центрального колеса через проміжне колесо приводить в
обертання мале колесо, на осі якого насаджена стрілка (шкали сотень). Від
малого колеса через друге проміжне колесо обертання передається другому
малому колесу, вісь якого несе на собі стрілку шкали тисяч. Включення і
вимикання механізму проводиться аретиром, один кінець якого знаходиться під
вигнутою пластинчатою пружинкою, що є підп’ятником черв’ячного колеса. Для
виключення лічильного механізму аретир повертають за годинниковою
стрілкою. Інший кінець аретира при цьому піднімає пластинчату пружинку, яка,
переміщаючи вісь колеса в основному напрямку, виводить черв’ячне колесо із
зачеплення з черв’яком. При повороті аретира проти годинникової стрілки
черв’ячне колесо входить в зачеплення з черв’яком і приймача вітру анемометра
з’єднується з редуктором. Механізм анемометра закріплений в корпусі з
пластмаси, нижня частина корпусу закінчується гвинтом, яка служить для
кріплення анемометра на поверхні предмету. У корпусі анемометра по обидва
боки аретира вкручені вушка, через які пропускається шнур для включення і
виключення анемометра. Шнур прив’язується за вушко аретира.

Рисунок 1.2 – Анемометр чашковий МС-13
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
12
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
де, 1 – стрілка шкали сотень; 2 – циферблат; 3 – стрілка; 4 – вертушка; 5 – вісь; 6
– черв’як; 7 – стрілка шкали тисяч; 8 – вушка; 9 – аретир; 10 – гвинт.
Більш сучасним рішенням чашкового анемометра являються цифрові
крильчасті анемометри. Крильчасті анемометри застосовують для вимірювань
швидкостей потоків повітря з незмінним напрямком. Найбільш кращим його
застосуванням можна виділити вимірювання швидкості вітру в трубах,
вентиляційних шахтах та каналів, в системах кондиціонування. Ці анемометри
сильніше чутливі і здатні вимірювати швидкості від 0,1 м/с. Приймаючий
пристрій виконаний у вигляді крильчатки, яка являється джерелом в рух потоком
газу. Крильчатка прироблена до трубчастої осі, яка у свою чергу прироблена до
механізму підрахунку оборотів за незмінний проміжок часу. У звичайних
моделях крильчатка жорстко прироблена до вимірювального блоку. В більш
дорогих анемометрів крильчатка відділена від корпусу і підключається за
допомогою гнучкого проводу, це було зроблено для вимірювань у
важкодоступних місцях.

Рисунок 1.3 – Крильчатий анемометр Xintest HT-383 (GM-816)
Одним із прикладів можна виділити портативний анемометр Xintest HT-
383 (GM-816), який зображений на рисунку 1.3. Даний анемометр являться
легким і компактним, він може вимірювати як вимірювати швидкість вітру так і
має влаштований датчик температури. Крильчатий анемометр забезпечений 6-ти
лопатевою пластмасовою крильчаткою, яка інтегрована в корпус. Датчик
швидкості вітру (повітряного потоку) в залежності від числа обертів, виробляє
різну кількість електричних імпульсів за одиницю часу. Аналоговий сигнал про
швидкість потоку повітря (вітру) надходить в анемометр для перетворення в
цифровий вигляд і виведення на дисплей в одиницях виміру швидкості. Технічні
характеристики даного анемометра приведені в таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Технічні характеристики анемометра Xintest HT-383 (GM-816)
Автоматичне вимкнення є
Час вимірювання 0.5 с
Діаметр крильчатки 40 мм
Діапазон вимірювання вітру 0.3-30 м/с
Діапазон виміру температури від 0 до +45°C
Діапазон робочих температур від -10 до +45°C
Одиниці виміру швидкості повітря м/сек; фути/хв; вузли; км/год; милі/год
Конструкція корпусу моноблок
Джерело живлення батарейка CR2032, ЗВ 1шт
Підсвічування дисплею є
Спеціальні функції Max/Avg
Температура зберігання від -40 до +60°C
Датчик температури є
Тип детектора крильчастий
Тип приладу анемометр
Точність вимірювання ± 5 м/с; температура ± 2°C
Частота вимірів 0.5 с
Країна виробник Китай
Розмір 10.5 х 4 х 1.5 см
Вага 0.052 кг

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
143
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

1.4 Термоанемометри

Термоанемометр – це один із видів анемометрів, який використовується
для вимірювання температури та швидкості газових потоків в газах, які
виділяються в результаті технологічних процесів (рис 1.3). Вони отримали
широке застосування, завдяки реалізації термоанемометричного методу, в
основу якого покладена залежність швидкості потоку щодо тепловіддачі
чутливого елемента, що встановлюється в потік і піддається нагріванню
електричним струмом. Термоанемометри мають невелику інерційність, дуже
високу чутливість, надійність і компактність. Головною частиною приладу є
вимірювальний міст, в одне його плече включається чутливий елемент. При
нагріванні чутливого елемента отримується кількість тепла, яка залежить від
фізичних властивостей середовища, що рухається, геометричною складовою і
орієнтації чутливого елемента. Чутливість термоанемометра підвищується при
підвищенні температури чутливого елемента. За способом нагріву чутливого
елемента термоанемометри поділяються на прямі, непрямі, безперервні і
імпульсні. За родом струму, який застосовується для живильного моста, вони
діляться на постійні і змінні. Термоанемометри класичних схем, до яких
відносяться термоанемометри постійного струму і термоанемометри постійної
температури, являють собою велику залежність показників приладу від
температури досліджуваного середовища. Термоанемометр діє на принципі
вимірювання властивостей, властивих платиновим датчиків. Живлення приладу
здійснюється автономно, підзарядка проводиться від електричної мережі.
Прилад оснащується цифровою індикацією, двома шкалами вимірювання. Являє
собою об'єднання блоку індикації з вимірювальним зондом. Відрізняється
компактними габаритами і доступністю в експлуатації.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
15
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 1.4 – Схематичне зображення термоанемометра
Основні відмінні риси приладу: нескладний процес вимірювання; великий
температурний діапазон газових потоків; автономне живлення; маса і розміри
приладу невеликі; наявність сигналізації розряду акумулятора. Параметри
приладу: повітряно-пилові потоки з температурою не вище 300 ° C; діапазон
робіт - температурний режим від +5 до +300 ° C і швидкість 0,1-20 м / с, точність
- температура ± 2 ° C і швидкість ± 5%, діапазон робочих температур - від -20 до
+40 ° C. Термоанемометр здатний проводити безперервну роботу протягом
години, між перезарядками акумулятора, маса апарата не перевищує 1 кг.
Портативний термоанемометр являє собою прилад компактного і
переносного типу, оснащений вбудованим зондом, для розрахунку обсягу
витрати повітря. Застосовується для вимірювання малих швидкостей і
температури повітря у внутрішніх частинах приміщень, при виробництві
контрольних і налагоджувальних дій в системах кондиціонування і вентиляції.
Температура вимірюється в межах від -20 до +50 ° С, точність приладу складає
± 0,5 ° С, швидкість потоку визначається в діапазоні 0-5 м / с при температурі
нижче 0 ° С і 0-10 м / с при температурі вище позначки 0 ° C. Маса приладу не
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
16
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
перевищує 300 г. Також прилад може використовувати зовнішній електронний
блок з зондом, який приєднується за допомогою дроту.
Імпульсний термоанемометр діє за принципом залежності швидкості
потоку речовини, що характеризується постійною температурою чутливого
елемента приладу. При цьому чутливий елемент за допомогою імпульсу струму
розігрівається до доступної температури. Залежно від зміни температури газу
або рідини швидкість потоку речовини практично не залежить від температури.
Імпульсний термоанемометр має здатність перебувати в режимі термометра і в
режимі термоанемометра, для цього використовуються електронні ключі,
керовані мікроконтролером.
Прикладом термоанемометра можна навести Benetech GM8903. Цей
пристрій призначений для виміру повітряного потоку у важкодоступних місцях.
Він оснащений термоструною і датчиком температури. А вузький зонд може
бути використаний у вузькому просторі. Анемометр GM8903 дуже простий в
експлуатації і надійний. Оснащений пам'яттю на 350 значень і можливістю
підключення до ПК. Головною особливістю термоанемометрів є надчутливість
датчика. Він реагує навіть на незначні коливання повітряних мас, навіть не
вловимі органами почуттів людини. При швидкості повітряного потоку 0,030 м /
с жоден крильчасті або чашковий анемометр ні чого не відчує - в той же час для
термоанемометра це не проблема. Зображення цього анемометра наведене на
рисунку 1.5.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
17
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 1.5 – Термоанемометр Benetech GM8903
Особливості та переваги термоанемометра Benetech GM8903:
1. Виносний щуп для вимірювання швидкості, температури і об'ємної
витрати повітря в важкодоступних місцях (наприклад системах
вентиляції, витяжках, димоходах, трубах);
2. Передача даних на ПК через USB;
3. Пам'ять на 350 значень;
4. Пило і вологозахищений корпус в гумовому чохлі для захисту від
ударів;
5. Великий діапазон виміру швидкості повітряного потоку: 0,03-45 м/с;
6. Дискретність (крок вимірювання): 0,001 м/с;
7. Відображення максимального, мінімального, середнього і поточного
значення швидкості;
8. Підсвічування дисплея;
9. Індикатор розряду батареї;
10. Звукова сигналізація;
11. Автоматичне відключення;
12. Наявність на прилад протоколу калібрування Європейського зразка,
сертифікатів RoSH і CE.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
18
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Технічні характеристики наведені в таблиці 1.4.
Таблиця 1.4 – Технічні характеристики термоанемометра Benetech GM8903
Діапазон вимірювання температури від 0 до 45℃
Похибка вбудованого термометра ± 1℃
Джерело живлення ААА 1.5 В 4 шт.
Діапазон вимірювання від 0.3 до 30 м/с
Похибка при вимірюванні ± 3%
Одиниці виміру швидкості вітру м/сек; вузли; км/год; …
Одиниці виміру температури ℃, ° F
Габарити корпусу 164X77X36 мм
Габарити виносного датчика 1000X30X30 мм
Вага 330 г
Діапазон розрахунку об’ємної витрати повітря 999900 м3 / хв
Країна виробник Китай

1.5 Ультразвукові анемометри

Принцип роботи ультразвукового анемометра полягає в вимірюванні часу
поширення ультразвукової хвилі від випромінювача до передавача в залежності
від швидкості вітру. Під час роботи приладу два випромінювача почергово
виконують функції випромінювача і приймача: спочатку вимірюється час
проходження ультразвуку від першого випромінювача. Також можна
використати кілька датчиків в яких на одну сторону ставиться приймач одного
датчика і передавач іншого, а на іншу сторону навпаки. У стоячому повітрі час
поширення буде однаковим в обох випадках і буде залежати тільки від відстані
між випромінювачами. При наявності вітру затримка поширення акустичного
коливання уздовж вітру буде менше, ніж проти. Якщо вітер спрямований не
паралельно осі, що з'єднує центри випромінювачів, то внесок вносить проекція
швидкості вітру на цю вісь. При цьому величину проекції швидкості вітру на
вісь, яка з'єднує два випромінювача, можна обчислити за такою формулою 1.1:
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
19
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
a  (t  t )
v  21 12  const  (t21  t12 ) (1.1)
2  t12  t21
де v – проекція швидкості вітру (м/с);
a – відстань між випромінювачами (м);
t12 і t21 - час розповсюдження ультразвуку від передавача до приймача.
Найбільш простий метод вимірювання затримки поширення ультразвуку –
імпульсний. Даний метод полягає в формуванні короткого потужного імпульсу
на передавальному випромінювачі і вимірі часу приходу фронту цього імпульсу
на приймач. Однак цей метод забезпечує низьку точність, тому що ультразвукові
випромінювачі мають високу добротністю (Q ~ 103 при резонансній частоті 40
КГц). Через високу добротності амплітуда сигналу не може різко збільшитися,
тобто випромінювач не може швидко «розгойдатися» до максимальної
амплітуди. Схематично передача сигналу між передавачами і приймачами
приведені на рисунках 1.4 та 1.5.

Рисунок 1.6 – Вимірювальна вісь реалізована на комбінованих приймачах і
передавачах

Рисунок 1.7 – Вимірювальна вісь реалізована на окремих приймачах і
передавачах
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
20
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Тому фронт імпульсу на приймачі виходить дуже пологий (рис. 1.8), що
призводить до значного зниження точності вимірювань. Підвищення точності
при цьому досягається тільки збільшенням відстані між приймачем і
випромінювачем.

Рисунок 1.8 – Зміна форми імпульсу при проходженні через ультразвуковий
випромінювач
Більш точним методом є метод вимірювання різниці фаз генерується і
прийнятого сигналів (рис. 1.9). В цьому випадку випромінювання ультразвуку
проводиться безперервно, при цьому амплітуда сигналу, що передається може
бути набагато менше, ніж при імпульсному режимі роботи. Це пояснюється тим,
що тоді спектр корисного сигналу не виходить за межі смуги пропускання
ультразвукових випромінювачів.

Рисунок 1.9 – Різниця фаз двох гармонічних сигналів
Прикладом ультразвукового анемометра можна навести Thies Clima
(4.3820.00.000) (рис.1.10). Даний анемометр служить для двомірного визначення
горизонтальної та вертикальної складових швидкості та напрямку вітру. У
порівнянні з класичними анемометрами, ультразвуковий принцип вимірювання
дозволяє проводити без інерційний вимір поточних значень вітру з високою
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
21
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
точністю і достовірністю. Особливо підходить для вимірювання значення
поривів і максимальних значень. Характеристики ультразвукового анемометра
Thies Clima (4.3820.00.000) приведені в таблиці 1.5.

Рисунок 1.10 – Ультразвуковий анемометр Thies Clima (4.3820.00.000)
Таблиця 1.5 – Технічні характеристики ультразвукового анемометра Thies
Clima (4.3820.00.000)
Діапазон вимірювання напрямку вітру від 0 до 360°
Діапазон вимірювання швидкості вітру від 0 до 75 м/с
Захист IP 67
Робоча температура від -50°C до +80°C
Вивід даних RS 485
Точність вимірювання швидкості вітру > 5 м/с ± 2%
Точність вимірювання напрямку вітру ≤ 5 м/с ± 0.1 м / с
Діапазон вимірювання віртуальної температури від -50 до +70°C
Точність вимірювання віртуальної температури ± 0.5 K
Габарити 600 x 300 мм
Вага 2.5 кг
Країна виробник Німеччина
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
22
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
1.6. Висновки.

Проведемо аналіз кожного із методів вимірювання швидкості вітру:
1. Флюгер;
Флюгер – виріб із дерева, металу або іншого матеріалу, який розташований
на вертикальній осі і повертається під впливом вітру. Вихідні значення
швидкості вітру розраховуються в процесі візуального спостереження за
дошкою із стержнями, які слугують ціною поділки. Даний прилад доволі не
точний та має похибку приблизно в 1 – 4 м/с. Все це обумовлюються людським
фактором, тобто фізіологічними особливостями спостерігача та досвіду його
роботи. У порівнянні з іншими приладами вони не дорогі та не складні в
виготовлені. Діапазон вимірювання флюгерів 2 – 40 м/с. Чутливість цих приладів
залежать від дошки яка встановлена на приладі. Дані прилади доволі громіздкі
та габаритні, у порівнянні із іншими анемометрами.
2. Чашкові анемометри;
Чашкові анемометри це переважно компактні та портативні прилади,
якими зручно вимірювати швидкість вітру в польових умовах. Вихідні значення
швидкості вітру беруться з таблиць, це мінус в швидкодії виміру. Чашкові
анемометри доволі точні, з похибкою вимірювання швидкості вітру до 1 м/с.
Також в порівнянні із іншими анемометрами вони не дорогі. Діапазон
вимірювання в цих приладах 2 – 30 м/с, цим вони уступають іншим приладам.
Чутливість приладів доволі висока. Прилади даного виду досить маленькі, що
дозволяє їм зручно вміщуватись у руку, проте саме через це вони не автономні, і
вимагають присутності людини на метеомайданчику для того щоб провести
вимір швидкості вітру.
3. Термоанемометр;
Термоанемометри це переважно портативні прилади, ними як і чашковими
можна вимірювати швидкість вітру в польових умовах. На відмінну від інших
анемометрів, дані обладнані датчиком температури та електронним дисплеєм
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
23
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
куди виводиться інформація виміру. Термоанемометри мають похибку виміру до
1 м/с. Діапазон вимірювання мають не великий діапазон вимірювання 1-30 м/с,
чим вони уступають іншим приладам. Чутливість приладів доволі висока.
Прилади даного виду досить маленькі, що дозволяє їм зручно вміщуватись у
руку, проте саме через це вони не автономні, і вимагають присутності людини на
метеомайданчику для того щоб провести вимір швидкості вітру.
4. Ультразвуковий анемометр;
Ультразвуковий анемометр – це прилад який використовується стаціонарно та
встановлюється на метеомайданчику. Інформація із приладу виводиться на пульт
керування (ПК, ноутбук). Ці прилади доволі точні, з похибкою вимірювання
швидкості вітру до 1 м/с. У порівнянні із іншими типами анемометрів вони
доволі дорогі. Вони мають діапазон вимірювання в 1 – 40 м/с, цим вони є
кращими за інші анемометри. Ультразвукові анемометри мають високу
чутливість. Вони мають великі габарити, у порівнянні з іншими. Прилади даної
конструкції не мають рухомих частин, що поліпшує їх експлуатацію.
Таблиця 1.6 – Порівняльний аналіз методів вимірювання швидкості вітру
Флюгер Чашкові Термо- Ультразвуковий
анемометри анемометр анемометр
Точність - + + +
Вартість + + + -
Діапазон вимірювання + - - +
Швидкодія - - + +
Чутливість - + + +
Габаритність - + + -
Автономність + - - +
Довговічність - - - +
Загальна кількість 3 4 5 6
плюсів

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
24
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Виходячи із аналізу усіх вище розглянутих анемометрів, було обрано
дослідження і розробку анемометра на ультразвукових датчиках. Даний пристрій
має найбільше переваг та найменше недоліків порівняно із іншими реалізаціями.
Ультразвуковий анемометр відноситься до сучасних типів реалізації
анемометрів без використання рухомих механічних частин, що робить його
більш надійним, а також у нього є інші особливості такі як великий діапазон
вимірювання швидкості потоку повітря, швидкодія виміру, чутливість та
автономність. Із недоліків можна виділити досить велику вартість, дефіцитність
та габаритність.

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
25
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
РОЗДІЛ 2
ПОБУДОВА СТРУКТУРНОЇ СХЕМИ, РОЗРОБКА КОНСТРУКТИВНИХ
ТА ПРОГРАМНИХ РІШЕНЬ

2.1 . Побудова структурної схеми

Анемометр на ультразвукових датчиках, який досліджується та
розробляється, має архітектуру модульного типу.
Дана система складається із:
 ультразвукових датчиків HC-SR04;
 центральний контролер, який реалізований на Arduino UNO.
Розроблювана система буде мати наступні функціональні блоки:
 Arduino UNO;
 чотири датчика HC-SR04, які передають сигнал та приймають сигнал.
Структурна схема даного виробу приведена на рисунку 2.2.

Рисунок 2.1 – Структурна схема «Анемометра на ультразвукових датчиках».
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
26
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
2.2 . Вибір та обґрунтування мікроконтролера для ультразвукового
анемометра

Мікроконтролер або мікро-ЕОМ — виконана у вигляді мікросхеми. Вона
являється спеціалізованою мікропроцесорною системою, що включає
мікропроцесор, блоки пам'яті для збереження коду програм і даних, порти вводу-
виводу і блоки зі спеціальними функціями (лічильники, компаратори, АЦП та
інші).
В даному проекті використовується плата Arduino (рис 2.2). Насамперед
Arduino – це торгова марка апаратно-програмних засобів для побудови простих
систем автоматики і робототехніки, орієнтована на непрофесійних користувачів.
Програмна частина складається з безкоштовної програмної оболонки (Arduino
IDE) для написання програм, їх компіляції та програмування апаратури.
Апаратна частина являє собою набір змонтованих друкованих плат, що
продаються як офіційним виробником, так і сторонніми виробниками.
Найпоширенішими та основним моделями Arduino можна виділити: класичні
(Uno, Pro, Leonardo), мініатюрні (Nano, Micro). Повністю відкрита архітектура
системи дозволяє вільно копіювати або доповнювати лінійку продукції Arduino.
Arduino може використовуватися як для створення автономних об'єктів
автоматики, так і підключатися до програмного забезпечення на комп'ютері
через стандартні дротові і бездротові інтерфейси.

Рисунок 2.2 – Плата Arduino Uno
Для реалізації даного приладу було обрано Arduino Uno. Arduino Uno – це
універсальний контролер, який побудований на мікропроцесорі ATmega328.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
27
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Дана платформа має 14 цифрових входів із них можна використати 6 виходів як
виходи ШІМ, а також є в наявності 6 аналогових входів, кварцовий генератор
16МГц, роз’єм USB, силовий роз’єм, роз’єм ICSP і кнопку перезавантаження.
Для роботи необхідно підключити платформу до комп'ютера за допомогою
кабелю USB, або подати живлення за допомогою адаптера AC / DC або батареї.
Технічні характеристики Arduino Uno приведені в таблиці 2.1.
Таблиця 2.1 – Технічні характеристики Arduino Uno
Мікроконтролер ATmega328
Робоча напруга 5 В
Вхідна напруга (рекомендується) 7-12 В
Вхідна напруга (гранична) 6-20 В
Цифрові входи/виходи 14 (6 із них можуть використовуватись як
виходи ШІМ)
Аналогові входи 6
Постійний струм через вхід/вихід 40 мА
Постійний струм для виводу 3.3В 50 мА
Флеш-пам’ять 32 Кб (ATmega328) із яких 0.5 Кб
використовуються для завантажувача
ОЗП 2 Кб (ATmega328)
EEPROM 1 Кб (ATmega328)
Тактова частота 16 МГц

Arduino Uno може отримувати живлення через підключення USB або від
зовнішнього джерела живлення. Джерело живлення вибирається автоматично
при підключенні. Зовнішнє живлення (не через USB) може передаватись через
AC/DC перетворювач напруги (блок живлення) або із акумуляторної батареї.
Перетворювач напруги підключається за допомогою роз'єму 2.1 мм з
центральним позитивним полюсом. Провід від батареї підключаються до виводів
живлення Gnd і Vin. Платформа може працювати при зовнішньому живленні від
6 В до 20 В. При напрузі живлення нижче 7 В, вивід може видавати менше 5 В,
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
28
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
при цьому платформа може працювати нестабільно. При використанні напруги
вище 12 В регулятор напруги може перегрітися і пошкодити плату.
Рекомендований діапазон від 7 В до 12 В.
Виводи живлення:
 VIN. Вхід використовується для подачі живлення від зовнішнього джерела
(за відсутності 5 В від роз'єму USB або іншого регульованого джерела
живлення). Подача напруги живлення відбувається через даний вивід;
 5V. Регульоване джерело напруги, що використовується для живлення
мікроконтролера і компонентів на платі. Живлення може подаватися від
виведення VIN через регулятор напруги, або від роз'єму USB, або іншого
регульованого джерела напруги 5 В;
 3V3. Напруга на виводі 3.3 В генерується вбудованим регулятором на
платі. Максимальне споживання струму 50 мА;
 GND. Виводи заземлення.
Мікроконтролер ATmega328, який встановлений в Arduino Uno має 32 кБ
флеш пам'яті, з яких 0.5 кБ використовується для зберігання завантажувача, а
також 2 кБ ОЗУ (SRAM) і 1 Кб EEPROM. (Яка читається і записується за
допомогою бібліотеки EEPROM). Мікроконтролер ATmega328 зображений на
рисунку 2.3.

Рисунок 2.3 – Мікроконтролер ATmega328
Кожен з 14-ти цифрових виводів Arduino Uno може бути налаштований як
вхід або вихід, використовуючи функції: pinMode (), digitalWrite (), і digitalRead
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
29
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
(). Виводи працюють при напрузі 5 В. Кожен вивід має навантажувальний
резистор (за замовчуванням відключений) 20-50 кОм і може пропускати до 40
мА.
Деякі виводи мають особливі функції:
 Послідовна шина: 0 (RX) та 1 (TX). Виводи використовуються для
отримання (RX) і передачі (TX) даних TTL. Дані виводи підключені до
відповідних виводів мікросхеми послідовної шини ATmega8U2 USB-to-
TTL;
 Зовнішнє переривання: 2 та 3. Дані виводи можуть бути налаштовані на
виклик переривання або на молодшому значенні, або на передньому чи
задньому фронті, або при зміні значення. Детальна інформація знаходиться
в описі функції attachInterrupt ();
 ШІМ: 3, 5, 6, 9, 10 та 11. Будь-який з виводів забезпечує ШІМ з роздільною
здатністю 8 біт за допомогою функції analogWrite ();
 SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). За допомогою даних виводів
здійснюється зв'язок SPI, для чого використовується бібліотека SPI;
 LED: 13. Вбудований світлодіод, підключений до цифрового виводу 13.
Якщо значення на виводі має високий потенціал, то світлодіод горить.
На платформі Arduino Uno встановлені 6 аналогових входів (позначених як
A0 .. A5), кожен з роздільною здатністю 10 біт (тобто може приймати 1024 різних
значень). Стандартно виводи мають діапазон вимірювання до 5 В відносно землі,
проте є можливість змінити верхню межу за допомогою виведення AREF і
функції analogReference ().
Деякі виводи мають додаткові функції:
 I2C: 4 (SDA) та 5 (SCL). За допомогою виводів здійснюється зв’язок I2C
(TWI), для створення якої використовується бібліотека Wire.
Додаткова пара виводів платформи:
 AREF. Опорна напруга для аналогових входів. Використовується з
функцією analogReference ().
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
30
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
 Reset. Низький рівень сигналу на виводі перезавантажує мікроконтролер.
Зазвичай застосовується для підключення кнопки перезавантаження на
платі розширення, що закриває доступ до кнопки на самій платі Arduino.
Коротко можна ще розглянути виводи на мікроконтролері ATmega328 (рис
2.4). Цифрові входи / виходи 11,12 і 13 використовуються ICSP конектором для
MISO, MOSI, SCK з'єднань (контакти 17, 18 і 19 на ATmega 328).

Рисунок 2.4 – Розпіновка виводів на мікроконтролері ATmega328
На платформі Arduino Uno встановлено кілька пристроїв для здійснення
зв'язку з комп'ютером, іншими пристроями Arduino або мікроконтролерами.
ATmega328 підтримують послідовний інтерфейс UART TTL (5 В), здійснюваний
виводами 0 (RX) і 1 (TX). Встановлена на платі мікросхема ATmega8U2
направляє даний інтерфейс через USB, програми на стороні комп'ютера
"спілкуються" з платою через віртуальний COM порт. Прошивка ATmega8U2
використовує стандартні драйвера USB COM, ніяких сторонніх драйверів не
потрібно, але на Windows для підключення потрібний файл ArduinoUNO.inf.
Моніторинг послідовної шини (Serial Monitor) програми Arduino дозволяє
посилати і отримувати текстові дані при підключенні до платформи. Світлодіоди
RX і TX на платформі будуть мигати при передачі даних через мікросхему FTDI
або USB підключення (але не при використанні послідовної передачі через
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
31
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
виводи 0 і 1). Бібліотекою SoftwareSerial можливо створити послідовну передачу
даних через будь-який з цифрових виводів Arduino Uno. ATmega328 підтримує
інтерфейси I2C (TWI) і SPI. В Arduino включена бібліотека Wire для зручності
використання шини I2C.
Платформа програмується за допомогою програмного забезпечення
Arduino IDE. З меню Tools> Board вибирається «Arduino Uno» (згідно зі
встановленим мікроконтролером). Мікроконтролер ATmega328 поставляється з
записаним завантажувачем, що полегшує запис нових програм без використання
зовнішніх програматорів. Зв'язок здійснюється оригінальним протоколом
STK500. Є можливість не використовувати завантажувач і запрограмувати
мікроконтролер через виводи ICSP.
Arduino Uno розроблена таким чином, щоб перед записом нового коду
перезавантаження здійснювалася самою програмою Arduino на комп'ютері, а не
натисканням кнопки на платформі. Одна з ліній DTR мікросхеми ATmega8U2,
керуючих потоком даних (DTR), підключена до виводу перезавантаження
мікроконтролеру ATmega328 через конденсатор (100 нФ). Активація даної лінії,
тобто подача сигналу низького рівня, перезавантажує мікроконтролер. Програма
Arduino, використовуючи цю функцію, завантажує код одним натисканням
кнопки Upload в самому середовищі програмування. Подача сигналу низького
рівня по лінії DTR скоординована з початком запису коду, що скорочує таймаут
завантажувача. Функція має ще одне застосування. Перезавантаження Arduino
Uno відбувається кожного разу при підключенні до програми Arduino на
комп'ютері з ОС Mac X або Linux (через USB). Наступні пів секунди після
перезавантаження працює завантажувач. Під час програмування відбувається
затримка декількох перших байтів коду, щоб уникнути отримання платформою
некоректних даних (всіх, окрім коду нової програми). Якщо проводиться разова
налагодження скетчу, записаного в платформу, або введення будь-яких інших
даних при першому запуску, необхідно переконатися, що програма на
комп'ютері очікує протягом секунди перед передачею даних. На Arduino Uno є
можливість відключити лінію автоматичної перезавантаження розривом
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
32
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
відповідної лінії. Контакти мікросхем з обох кінців лінії можуть бути з'єднані з
метою відновлення. Лінія маркована «RESET-EN». Вимкнення автоматичного
перезавантаження також можливо підключивши резистор 110 Ом між джерелом
5 В і даною лінією.
В Arduino Uno вбудований самовідновлюючий запобіжник (автомат), що
захищає порт USB комп'ютера від струмів короткого замикання і надструмів.
Хоча практично всі комп'ютери мають подібний захист, тим не менш, цей
запобіжник забезпечує додатковий бар'єр. Запобіжник спрацьовує при
проходженні струму більше 500 мА через USB порт і розмикає коло до тих пір
поки нормальні значення струмів не будуть відновлено.
Довжина і ширина друкованої плати Arduino Uno складають 6,9 x 5,3 см
відповідно. Роз'єм USB і силовий роз'єм виходять за межі даних розмірів. Чотири
отвори в платі дозволяють закріпити її на поверхні. Відстань між цифровими
виводами 7 і 8 дорівнює 0,4 см, хоча між іншими виводами воно становить 0,25
см. Схема електрична принципова Arduino Uno приведена на рисунку 2.5.

Рисунок 2.5 – Схема електрична принципова Arduino Uno
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
33
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
2.3. Вибір компонентів для вимірювання напрямку та швидкості вітру

Ультразвукові датчики відстані Arduino дуже поширені в робототехнічних
проектах. В даному дипломному проекті ультразвукові датчики
використовуються для вимірювання швидкості та напрямку вітру. Одним з
поширених варіантів такого пристрою є датчик відстані, в конструкцію якого
входить ультразвуковий далекомір HC-SR04 (рис 2.6).

Рисунок 2.6 – Ультразвуковий далекомір HC-SR04
Датчик відстані HC-SR04 є приладом безконтактного типу, і забезпечує
високоточне вимірювання і стабільність. Діапазон дальності його вимірювання
складає від 2 до 400 см. На його роботу не робить істотного впливу
електромагнітні випромінювання і сонячна енергія, що дає змогу отримувати
більш точні виміри. У комплект модуля з HC-SR04 також входять ресивер і
трансмітер. Технічні характеристики HC-SR04 приведені в таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 – Технічні характеристики HC-SR04
Напруга живлення 5 В
Робочий параметр сили струму 15 мА
Сила струму в пасивному стані < 2 мА
Оглядовий кут 15°
Сенсорна роздільна здатність 0,3 см
Вимірювальний кут 30°
Ширина імпульсу 10−6с
Датчик оснащений чотирма виводами (стандарт 2, 54 мм) (рис 2.6):
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
34
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
 Контакт живлення - +5 В;
 Trig (Т) - вихід сигналу входу;
 Echo (R) - вивід сигналу виходу;
 GND - вивід «Земля».

Рисунок 2.7 – Виводи ультразвукового далекоміру HC-SR04
Для отримання даних, необхідно виконати таку послідовність дій:
 Подати на вихід Trig імпульс тривалістю 10 мкс;
 В ультразвуковому далекоміри HC-SR04 підключеному до Arduino
відбудеться перетворення сигналу в 8 імпульсів з частотою 40 кГц, які
через випромінювач будуть послані вперед;
 Коли імпульси дійдуть до перешкоди, вони відіб'ються від нього і будуть
прийняті приймачем R, що забезпечить наявність вхідного сигналу на
виході Echo;
 На стороні контролера отриманий сигнал за допомогою формул слід
перевести в відстань.
Схематично принцип роботи HC-SR04 можна розглянути на
рисунку 2.8.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
35
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 2.7 – Принцип роботи датчика HC-SR04
При розподілі ширини імпульсу на 58.2, можна отримати дані в
сантиметрах, при розподілі на 148 – в дюймах. Приклад вихідних імпульсів
ультразвукового далекоміру HC-SR04 приведений на рисунку 2.9.

Рисунок 2.9 – Імпульси на виході HC-SR04
Точність датчика залежить від декількох факторів:
 температури і вологості повітря;
 відстані до об'єкта;
 розташування щодо датчика (згідно діаграми випромінювання);
 якості виконання елементів модуля датчика.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
36
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
В основу принципу дії будь-якого ультразвукового датчика закладено
явище відображення акустичних хвиль, що поширюються в повітрі. Швидкість
поширення звуку в повітрі залежить від властивостей цього самого повітря (в
першу чергу від температури). Датчик випускаючи хвилі і заміряючи час до їх
повернення бере для розрахунків середню величину, або її потрібно вказати в
прошивці. В реальних умовах через фактор температури повітря HC-SR04 може
помилятися від 1 до 3-5 см. Діаграма направленості HC-SR04 приведена на
рисунку 2.10.

Рисунок 2.10 – Діаграма направленості датчика HC-SR04
Схема електрична принципова HC-SR04 приведена на рисунку 2.11.

Рисунок 2.11 – Електрична принципова схема HC-SR04
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
37
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Для використання HC-SR04 в виміру сили вітру, приймач і передавач
необхідно випаяти із плати, а потім потрібно розмістити один напроти одного. В
наслідок чого сигнал буде напряму рухатись від передавача до приймача.
Завдяки цьому можна отримати затримку акустичного сигналу в залежності від
повітряного потоку.

2.4. Математичний спосіб розрахунку швидкості звуку та вивід формул
для ультразвукового анемометра

Перед тим як починати виконувати програмну частину для пристрою,
потрібно вивести формулу для розрахунку швидкості звуку, щоб скористатися
нею для розрахунку швидкості звуку для пари датчиків.
Швидкість звуку в повітрі в залежності від тиску, висоти, вологості та
температури можна розрахувати, використовуючи формули:
j R(t  273.5)
c  , (2.1)
M
P
M  28.9510.934 RH  n , (2.2)
P
7
j  , R  8.31447 , (2.3)
5
де, t – температура, P – тиск, RH – відносна вологість, Pn - тиск насиченого
водяного пару в залежності від температури повітря, можна визначити за
таблицею 1.3.

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
38
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Таблиця 1.3 – Залежність тиску P і щільності ρ насиченого водяного пару від
t, 0С P, кПа ρ, г/м 3 t, 0С P, кПа ρ, г/м 3
-5 0,4 3,2 11 1,33 10
0 0,61 4,8 12 1,4 10,7
1 0,65 5,2 13 1,49 11,4
2 0,71 5,6 14 1,6 12,1
3 0,76 6 15 1,71 12,8
4 0,81 6,4 16 1,81 13,6
5 0,88 6,8 17 1,93 14,5
6 0,93 7,3 18 2,07 15,4
7 1 7,8 19 2,2 16,3
8 1,06 8,3 20 2,33 17,3
9 1,14 8,8 25 3,17 23
10 1,23 9,4 50 12,3 83

Формула насиченого пару для всього діапазону розрахунків:
T
P , (2.4)
n  k 4.579 exp(17.14  )
235.3T
де, Pn - тиск насиченої пари, t – температура насиченої пари (повітря), k –
перекладний коефіцієнт розмірності для Паскалів дорівнює 133.3.
Дослідження доводять, що склад повітря у віддалених від землі шарах
атмосфери майже не змінюється і відсотковий вміст кисню в ньому такий, як і на
поверхні землі. Тому молярна маса повітря може змінюватися лише від вологості
за рахунок більшої масової частки H2O. За спрощеною формулою тиск з висотою
зменшується згідно із законом:
P  P (0.87)h  P 100.06h
0 0 , (2.5)
Таким чином, зі зменшенням тиску, зменшується і кількість кисню.
Наприклад, на висоті в 5 кілометрів може нудити, буде крутитися голова і навіть
можливо втрата свідомості. Тому згідно з розрахунками, на висоті 5 кілометрів
тиск і вміст кисню впаде на 50%. Отже, на вершині Евересту кисню в 3 рази
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
39
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
менше, ніж на рівні моря. Вологість надає дуже мало впливу. Різниця швидкості
звуку при температурі 25 ℃ між сухим повітрям (0%) і туманом (100%)
становить 2 м/с, а при температурі рівній 0 ℃ всього лише 0,4 м/с. Тиск також
майже не впливає на швидкість звуку. Так на висоті 3 км над рівнем моря
швидкість звуку збільшується всього на 0,5 м/с, при цьому температура і
вологість залишаються незмінними. Основний вплив на зміну швидкості звуку
надає температура. Наприклад, зменшивши температуру з 25 ℃ до 0 ℃,
швидкість звуку знижується на 15.5 м/с, отже, іншими значеннями можна
знехтувати.

2.5. Метод вимірювання швидкості повітряного потоку

Метод вимірювання швидкості вітру полягає в вимірі затримки
проходження ультразвукових імпульсів від передавача до приймача, які
розставлені на деяку відстань. Якщо відстань між датчиками буде відомо, то
можна легко обчислити швидкість проходження сигналу. Тоді справжня
швидкість вітру буде дорівнює різниці між еталонною розрахунковою
швидкістю і виміряної швидкістю. Знак буде показувати напрямок вітру. Якщо
ж перпендикулярно до першої пари датчиків додати ще одну пару, то по теоремі
Піфагора буде легко визначити повний вектор швидкості вітру, включаючи
напрямок. Для системи із використанням однієї пари датчиків швидкість вітру
можна буде визначити за формулою:
7
8.31447  (T  273.5)
dist
V  c  c 8
0   , (2.6)
t T
133.34.579 exp(17.14  )
28.9510.934 RH  235.3T
P
де, t –виміряний час проходження імпульсу, с; T – виміряна температура,
0С ; RH – виміряна вологість, виміряна вологість, в.о. [0-1]; виміряний тиск, Па.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
40
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Так як можна обійтись без виміру температури, тиску та вологості повітря,
то в формулу можна підставити типові значення для місця установки
анемометра.
2.6. Знаходження напрямку повітряного потоку
Напрямок вітру в метеорології – це показник руху атмосферного повітря,
звідки він дує. Одиницями для визначення напрямку вітру можна використати
румби, тобто сторони світу, або вказати кут в градусах, який утворює
горизонтальний вектор швидкості вітру з меридіаном, тобто азимут (рис 2.12).

Рисунок 2.12 – Сторони світу по яким можна визначити напрямок вітру
де, N (North) – північ, S (South) – південь, W (West) – захід, E (East) – схід.
Визначивши швидкість повітря, отримавши результати у вигляді чотирьох
значень, появляється можливість точно визначити напрямок вітру для основних
сторін світу: північ – 3600 (00), схід – 900, південь – 1800, захід – 2700. Для більш
точного визначення напрямку та швидкості вітру, який досліджується, необхідно
знайти середнє арифметичне значення швидкості вітру сусідніх сторін.
Наприклад для знаходження швидкості вітру для північно-західного (3150)
напрямку, необхідно знайти середнє арифметичну швидкість вітру, сторін
півночі (3600 (00)) та заходу (2700).
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
41
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Під час тривалих вимірів швидкості та напрямку вітру появляється
можливість створити, за допомогою отриманих значень, розу вітрів. Роза
вітрів – це векторна діаграма, що характеризує режим вітру в заданому місці, яке
досліджується під час багаторічних спостережень.

2.7. Обґрунтування середовища розробки

У даному дипломному проекті у якості мікроконтролера була використана
плата Arduino. Тому для створення було використане програмне середовище
Arduino IDE (рис 2.13).

Рисунок 2.13 – Програмне середовище Arduino IDE
Arduino IDE – це інтегроване середовище розробки, дана програма
створена для створення, настройки, тестування та обслуговування програмного
забезпечення. Інтегроване середовище розробки характеризується наявністю
складної функціональності, включаючи редагування і компіляцію вихідного
коду, створення програмних ресурсів, створення баз даних. В рамках проекту
Arduino було створено програмне забезпечення, що відповідає основним
вимогам типової середовища IDE.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
42
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Проста структура Arduino IDE є перевагою, так як забезпечує швидке
освоєння програми і перехід до розробки додатків для Arduino. Незважаючи на
свою простоту і інтуїтивно зрозуміле управління, варто звернути увагу на
найбільш важливі елементи програми. Після запуску програми можна знайти
чотири головних функціональних елементи:
 меню програми;
 панель швидкого доступу до найбільш важливих функцій;
 редактор (для розміщення коду програми);
 панель повідомлень і статусу програми.
Меню програми дозволяє здійснювати управління проектом, наприклад,
створення нового проекту, збереження поточного, роздрукувати на принтері
вихідний код. Цікавою особливістю програми є вбудований набір прикладів
програм. Це дуже зручно, так як приклади програм можна відразу перевірити,
завантаживши їх в мікроконтролер. При необхідності можна зберегти приклад і
змінити його відповідно до потреб користувача. Меню «Файл» та «Правка»
містять стандартні параметри (рис 2.14).

Рисунок 2.14 – Параметри меню «Файл» та «Правка»
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
43
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Меню «Скетч» містить параметри для компіляції проекту і імпорту
необхідних бібліотек (рис 2.15).

Рисунок 2.15 – Параметри меню «Скетч»
Цікавим і корисним елементом Arduino IDE є меню «Інструменти», яке
включає в себе функції автоматичного форматування коду, архівування проекту,
включення монітора послідовного порту (USB в Arduino розглядається як
звичайний послідовний порт). Дане меню зображене на рисунку 2.16.

Рисунок 2.16 – Параметри меню «Інструменти»
Найбільш важливим елементом меню «Інструменти» є можливість вибору
відповідної плати, тобто системи Arduino підключеної до комп'ютера. У списку
знаходяться всі офіційні версії Arduino. Якщо тип плати відсутній в списку, то
можна додати його, змінивши один з файлів програми. У меню «Інструменти»
також можна встановити порт, до якого підключена плата Arduino. Пакет Arduino
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
44
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
IDE сам визначає порт, але іноді потрібно вручну встановити номер порту в
налаштуваннях. За допомогою Arduino IDE можна також завантажити, тобто
запрограмувати Bootloader (завантажувач) для нового, чистого мікроконтролера
Atmega, що дозволяє клонувати чіпи або просто замінити несправний
мікроконтролер в Arduino. Для нормальної роботи з Arduino IDE
використовується панель швидкого доступу, яка оснащена найбільш важливими
кнопками. Це рішення, що полегшує роботу з пакетом IDE, дає прямий доступ
до практично всім необхідним параметрам при написанні і тестуванні програми
Панель швидкого доступу зображена на рисунку 2.17.

Рисунок 2.17 – Панель швидкого доступу
1. Скомпілювати програму;
2. Завантажити програму в мікроконтролер (перед прошивкою кд програми
компілюється);
3. Почати роботу над новим проектом;
4. Відкрити існуючий проект;
5. Зберегти проект на диск;
6. Включити монітор послідовного порту;
7. Меню для управління вкладками.
Всі опції, розташовані на панелі швидкого доступу, продубльовані в меню
програми. Додатковим корисним елементом, що знаходяться під кнопкою
включення монітора послідовного порту – це меню для управління вкладками
(7). Вкладки в Arduino IDE спрощують написання складних проектів, а так само
дозволяють працювати з декількома проектами одночасно (рис 2.18).
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
45
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 2.18 – Меню управління вкладками
Найбільша частина вікна програми призначена для написання
безпосередньо самого коду програм. Редактор в Arduino IDE має найважливіші
елементи, що дозволяють полегшити написання простих програм. До таких
можна відвести підсвічування синтаксису і блоків (дужки). Це не багато, але
достатньо для простих проектів.
Останнім елементом програми є вікно повідомлень і статусу. Видима там
інформація дозволяє користувачеві знайти помилки в програмному коді і
отримати підтвердження про завершення компіляції і завантаження програми в
мікроконтролер.
Підводячи підсумок можна сказати, що Arduino IDE – це простий
програмний пакет, який дозволяє запрограмувати будь-яку відому плату Arduino.

2.8. Програмна частина

Для підсумкового коду не потрібно ніяких додаткових бібліотек, крім
стандартних. Він працює використовуючи чотири датчика НS-SR04. Також
містить в собі вбудоване калібрування і збереження калібрувальних значень в
незалежну пам'ять. І найголовніше. В даному коді неважлива відстань між
датчиками. Щоб провести перевірку працездатності, пристрій потрібно
помістити в безвітряний простір і через термінал прописати дві команди:
 t21.5 – поточна температура з будь-якого вуличного термометру (можна
обрати інше значення);
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
46
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
 u – повідомляє мікроконтролеру, що в даний момент швидкість вітру
дорівнює 0.
Після цього буде відбуватися обчислення відстані між датчиками і запис
результату в EEPROM. Всі подальші вимірювання будуть відштовхуватися від
цих значень.
Підсумковий код анемометра для 4-х датчиків HC-SR04 знаходиться в
додатку [1].

2.9. Практичне використання

Пристрій необхідно встановити на відкритому просторі і на певній відстані
від землі. Приймачі і передавачі мають бути розташовані на однаковій відстані
від плати, перпендикулярно один одному. Щоб перевірити працездатність для
початку на датчики необхідно просто дути у напрямку по відношенню до
приймачів. Варто відмітити, що легені людини здатні дати лише 0.5 м/с. Тому
для подальших випробувань був включений великий підлоговий вентилятор і
спрямований в тому ж напрямку. Було визначено, що вентилятор, приблизно, дує
зі швидкістю близько 2 м/с. Пізніше, для дослідження, даний прилад
використовувався в польових умовах у вітряну погоду.
Під час перших практичних дослідів був використаний макет із одним
датчиком HC-SR04. Відстань між передавачем і приймачем сягала 15 см.
Результатом даних дослідів можна було побачити затримку сигналу (рис 2.19).

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
47
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 2.19 – Результати досліду на макеті із використанням одного датчика
HC-SR04
Новий, створений, макет дав змогу підключити всі чотири датчики.
Відстань між ними становить приблизно 30 см. Також при новому дослідженні
були введені команди: «t21.5», яка вказує поточну температуру повітря та
команда «u», яка повідомляє мікроконтролеру, що а даний час швидкість вітру
дорівнює нулю. В наслідок цього можна побачити силу вітру по 12-и бальній
шкалі Бофотра, а також частково напрямок вітру (можливість точно визначити
напрямок вітру для основних сторін світу: північ – 3600 (00), схід – 900, південь –
1800, захід – 2700). Результати досліджень приведені на рисунку 2.20, а графік
досліджень приведений на рисунку 2.21.

Рисунок 2.20 – Результати досліду на новому макеті із використанням чотирьох
датчиків HC-SR04
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
48
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 2.21 – Графік із результатами досліду другого макету

2.10. Висновки

В даному розділі в розгорнутому вигляді була описана структура та
принцип роботи ультразвукового анемометра, який досліджується та
розробляється. Суть даного проекту полягає в дослідженні нового методу
вимірювання швидкості потоку повітря. При проектуванні анемометра була
створена структурна схема, яка має такі основні блоки:
 Arduino Uno;
 Ультразвукові далекоміри HC-SR04.
Результати вимірювань із анемометра можна побачити на ПК за
допомогою програми Arduino IDE, також ця програма в даній роботі
застосовувалась для написання програмного коду та компіляції.
Даний прилад не потребує складних налаштувань, єдиним винятком
являється введення двох команд під час калібрування та налаштування:
 t21.5 – поточна температура з будь-якого вуличного термометру (можна
обрати інше значення);
 u – повідомляє мікроконтролеру, що в даний момент швидкість вітру
дорівнює 0.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
49
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
РОЗДІЛ 3
ОХОРОНА ПРАЦІ

3.1. Аналіз небезпек та шкідливостей, що впливають на співробітника
наукової технічної лабораторії

В процесі розробки анемометра на ультразвукових датчиках на
співробітника технічної лабораторії впливають різноманітні параметри
виробничої обстановки, в якій проходить його праця. До таких чинників можна
віднести: температура, вологість та швидкість руху повітря, шум, вібрація,
шкідливі речовини, різноманітні випромінювання та інші чинники.
В залежності від умов праці залежить здоров’я і працездатність людини, її
відношення до праці і результати її діяльності. При поганих умовах праці
знижується продуктивність і створюються передумови для виникнення травм і
професійних захворювань. Для цілеспрямованої діяльності по поліпшенню умов
праці необхідно знати чинники, що вливають на їхнє формування.
Виходячи з цього, можна проаналізувати фактори, що впливають на
здоров’я і працездатність робітника, який працює в технічній лабораторії.
Розміри приміщення становлять: довжина – 5м; ширина – 4м; висота –
3.5м. Відповідно площа лабораторії складає 20м 2 . Найбільша кількість
одночасно працюючих становить 4 особи. Звідси площа, що припадає на
робітника 5м 2 , що відповідає ДБН В.2.2.28-2010. Об’єм лабораторії становить
70м 3 . Об’єм, що припадає на одну людину становить 17.5м 3 . Нормативне
значення складає 15м 3 . З даних які були наведені можна зробити висновок, що
дане приміщення задовольняє вимогам ДБН В.2.2.28-2010.
Дана лабораторія має один вихід, оскільки в ньому працює лише 4 людини.
Споруда має два виходи – головний та запасний для евакуації. Коридор між
приміщеннями має два виходи на різні сходи, одні ведуть до головно виходу, а
інші – до виходу для евакуації.
На працездатність робітників може вплинути також організація робочого
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
50
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
місця. Розміри робочого столу становлять: довжина – 1,5 м; ширина – 0,9 м;
висота 0,72 м. Висота стільців становить 0,45 м. Також в приміщенні розташовані
шафи із інвентарем та робочим одягом необхідним для виробництва. З
урахуванням середнього росту людини, який складає 160-180 см, можна сказати,
що положення, яке співробітник лабораторії займає при роботі відповідає
нормативним інструкціям і рекомендаціям ДСТУ 8604:2015. Всі робітники
лабораторії забезпечені спеціальним захисним одягом, взуттям згідно
ДСТУ 7239:2011. Також в лабораторії є витяжки для роботи при монтажі плати.
На робочих місцях знаходиться все необхідне обладнання та інструменти.
Монітори на столах розташовані так, щоб відстань від монітору до користувача
складає не менше 70 см, при цьому кут зору становить приблизно 30 0 .
Положення моніторів вибрано таким чином, щоб світло, яке потрапляє з лівого
чи правого боку від працюючого в залежності від розташування робочого місця
не засліплювало йому очі. Задля уникнення негативного ефекту, пов’язаного з
надмірною освітленістю, вікно обладнано жалюзі. План приміщення зображений
на рисунку 3.1.
Рисунок 3.1 – План приміщення лабораторії
де, 1 – робочий стіл; 2 – стілець; 3 – робоче місце; 4 – шафа.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
51
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Більш якісно і раціонально виконане освітлення надає позитивний
психофізичний вплив на працюючих, сприяє підвищенню якості виготовленої
продукції та продуктивності праці, забезпеченню її безпеки, знижує втому і
травматизм під час процесу праці, зберігає високу працездатність на
виробництві.
Дане приміщення має два типи освітлення (комбіноване): природнє
однобічне освітлення через віконний отвір та штучне верхнє освітлення за
допомого світильників, які розташовані на стелі. В приміщенні вздовж однієї із
стін розташоване одне вікно, розміри якого становлять 2м на 1,15м.
Величина необхідного освітлення в приміщенні на робочому місці
нормується за ДБН В.2.5-28-2016. При штучному освітленні нормується
величина Люксах (Лк). Дана величина обирається в залежності від
характеристики зорової праці з урахуванням розмірів предметів, фону,
контрасту.
Згідно із ДСН 3.3.6.042-99 окремо для двох періодів року, визначаємо
оптимальні і допустимі значення температури, відносної вологості та швидкості
руху повітря для категорії важкості роботи Іа. Джерелами тепла в приміщенні є
зовнішнє опалення. Нормовані величин температури, відносної вологості і
швидкості руху повітря в робочій зоні виробничого приміщення в холодний
період року приведені в таблиці 3.1.

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
52
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Таблиця 3.1 – Параметри мікроклімату приміщення лабораторії
Період року Теплий Холодний
Оптимальна температура 23-25 0 С 22-24 0 С
Допустима температура 22-28 0 С 21-25 0 С
Фактична температура 23-25 0 С 22-24 0 С
Оптимальна відносна вологість 40-60% 40-60%
Допустима відносна вологість 70% 70%
Фактична відносна вологість 40-50% 45-55%
Оптимальна швидкість повітря ≤0,1 м/с ≤0,1 м/с
Допустима швидкість повітря ≤0,1-0,2 м/с ≤0,1 м/с
Фактична швидкість повітря ≤0,1 м/с ≤0,1 м/с

Приміщення лабораторії характеризується відсутністю сирості,
неструмопровідною підлогою та нормативними параметрами мікроклімату та
нормативними параметрами мікроклімату. Виходячи із цього, приміщення
лабораторії відноситься до приміщень без підвищеної небезпеки ураження
працюючих електричним струмом, згідно ПУЕ-14. Комп’ютери, та обладнання
живляться напругою 220 В і споживають потужність менше ніж 3 кВт. Для
виключення ураження працівників електричним струмом всі електронні прилади
під’єднані до системи захисного занулення, згідно ДСТУ Б В.2.5-82:2016.
Шум є одним із важливих факторів в середовища, який може негативно
впливати як на стан робітника. Шум може зменшувати увагу, збільшувати
розвиток втоми, а також сповільнювати реакцію людини при небезпеці.
Внаслідок цього зменшується працездатність та підвищується ймовірність
нещасних випадків. В лабораторії рівень шуму, який в основному зумовлений
одночасною роботою системних блоків комп’ютерів не перевищує 45 дБ. Інколи
це значення може перевищуватись при роботі термоповітряної паяльної станції і
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
53
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
роботи принтера та досягати 55-60 дБ. Відповідно ДСН 3.3.6.037-99 нормативне
значення допустимого рівню звукового тиску, рівню звуку та еквівалентного
рівню звуку на робочому місці в лабораторії становить 60 дБ. Таким чином,
фактичні рівні шуму в приміщенні лабораторії не перевищують нормативні
значенні цього параметру.
Під час роботи з обладнанням при раптовому припиненні подачі
електричного струму потрібно необхідно негайно вимкнути електрообладнання.
Категорично забороняється ремонтувати електрообладнання, вмикати та
вимикати його, якщо це не передбачено в ході роботи, а також проводити будь-
які перемикання на головному розподільному щиті. У випадку ураження
електричним струмом слід терміново звільнити потерпілого від дії струму і
прийняти міри по наданню першої допомоги, при необхідності викликати лікаря.
Приміщення лабораторії, згідно ДСТУ Б В.1.1-38:2016, відноситься до
приміщень з категорією вибухопожежонебезпеки типу В (горючі та важкогорючі
рідини, тверді горючі та важкогорючі речовини і матеріали (в тому числі пил та
волокна), речовини та матеріали, здатні при взаємодії з водою, киснем повітря
або одне з одним горіти, за умови, що приміщення, в яких вони знаходяться
(використовуються), не належать до категорії А та Б). Для попередження пожеж
в лабораторії, відповідно ДБН В.2.5-56-2014, змонтована електрична пожежна
сигналізація променевого типу та теплові датчики типу (ИП-105-2) у кількості 6
шт. Також дана лабораторія обладнана двома ручними вуглекислотними
вогнегасниками ВВК-5, відповідно НАПБ Б.03.001-2004.
При виникненні пожежі в приміщенні лабораторії працівники зобов'язані:
1. Сповістити про пожежу за телефоном 101. Назвати своє прізвище та
прізвище керівника установи;
2. Повідомити про пожежу керівника установи;
3. Негайно організувати евакуацію людей, використовуючи наявні засоби;
4. Відключити електроенергію, вентиляцію та провести інші заходи, що
запобігають поширенню пожежі та задимленості у приміщенні;
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
54
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
5. Приступити до гасіння пожежі наявними засобами пожежогасінь-ня,
а при неможливості виконання даних дій вийти з приміщення, зачинивши за
собою двері, та діяти згідно з розпорядженнями свого керівника або команди,
яка організовує гасіння пожежі;
6. Одночасно з гасінням пожежі організувати евакуацію та захист майна,
матеріальних цінностей;
7. Забезпечити дотримання техніки безпеки працівниками, які беруть
участь у гасінні пожежі;
8. Після прибуття на пожежу пожежних підрозділів забезпечити їм
вільний доступ на території об'єкта.
Для гасіння пожежі кожна кімната обладнана ручними вуглекислотними
вогнегасниками ОУ-2 (типу ВВК-1,4). У загальному коридорі встановлені пінні
вогнегасники ВП-5 (типу ВВП). Назначена на посаду людина, котра слідкує за
дотримання вимог пожежної безпеки персоналом, а також приймала участь при
розробці плану евакуації персоналу з найбільш коштовним обладнанням (тобто
майна), евакуаційні виходи ненагромаджені стороннім обладнанням та
відповідають нормам ДБН В.1.1-7-2016.
Вплив електромагнітного випромінювання на людину відбувається на
частоті системної шини персонального комп’ютера. Відповідно ДСН 3.3.6.096-
2002 знаходимо, що гранично допустимий рівень напруженості
електромагнітного поля (ЕМП) по електричній складовій (В/м) на робочих
місцях персоналу протягом робочого дня у діапазоні частот від 50 до 300 МГц не
повинен перевищувати встановленої межі у 5 В/м. У даному випадку
напруженість ЕМП становить 0,1 В/м. Таким чином, фактичне значення
параметру не перевищує нормативне. Можна зробити висновок, що клас умов
праці за даним параметром відноситься до допустимих.
Виходячи із усіх переглянутих умов праці в розглянутому робочому
приміщенні. Можна з’ясувати, що всі фактори які впливають на умови праці
відповідають всім стандартизованим вимогам, не рахуючи систему загального
освітлення, яку потрібно модернізувати.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
55
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
3.2. Розрахунок штучного освітлення. Вибір джерела штучного освітлення

Загальним називаються освітлення, при якому світильники розміщуються
у верхній зоні приміщення (не нижче 2,5 м над підлогою рівномірно (загальне
рівномірне освітлення) або з врахуванням розташування робочих місць (загальне
локалізоване освітлення). Комбіноване освітлення складається із загального та
місцевого. Його доцільно застосовувати при роботах високої точності, а також,
якщо необхідно створити певний або змінний, в процесі роботи, напрямок світла.
Місцеве освітлення створюється світильниками, що концентрують світловий
потік безпосередньо на робочих місцях. Застосовування лише місцевого
освітлення не допускається з огляду на небезпеку виробничого травматизму та
професійних захворювань.
Для розрахунку загального рівномірного штучного освітлення приміщень
застосовується метод коефіцієнта використання світлового потоку, за
допомогою якого визначають кількість світильників для даного приміщення.
Для визначення нормованого освітлення – Ен, визначаємо:
- перелік основних предметів, які повинна розглядати людина у процесі
роботи на заданому робочому місці: надписи на екрані монітору, шрифт у книзі;
- за найменшим або еквівалентним розміром об’єктом розрізнення, який
повинна розглядати людина під час робочого процесу орієнтовано обирається
0,15…0,3 мм;
- характеристику фону – поверхні, на якій розглядається найменший
об’єкт розрізнення, в залежності від коефіцієнта відбиття поверхні ρ. Фон є
світлим (ρ > 0,4), оскільки в основному маємо справу з написами на білому фоні,
як в книзі так і на екрані монітору. Для вказаного фону коефіцієнт відбиття
поверхні ρ = 0,9.
- контраст об’єкта розрізнення з фоном, тобто наскільки чітко
сприймається найменший об’єкт розрізнення на вищерозглянутому фоні.
Контраст є великим (між білим і чорним).
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
56
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Користуючись ДБН В.2.5-28-2016 визначаємо, що розмір обраного
найменшого об’єкта розрізнення відноситься до діапазону розмірів в межах 0,15-
0,3мм, що відповідає IІг розряду зорової праці.
Нормативне значення штучного загального освітлення Ен з врахуванням
характеристики фону та контрасту складає: Ен = 750 лк.
Для даної технічної лабораторії обирається накладний стельовий лінійний
LED світильник BIOM 36W 6500K 1200 мм IP20.
Світлодіодний світильник BIOM 36W 6500K 1200 мм IP20 може
застосовуватись в найрізноманітніших сферах. Даний світильник може
застосовуватись на робочій кухонній робочій поверхні, освітленні коридорів,
цехових приміщень, складських приміщень, освітлення робочого місця в
майстернях та лабораторіях. Процес монтажу даного світильника виконується за
допомогою монтажних кліпс в комплекті світильника. Монтажні кліпси
прикручуються до поверхні монтажу, а безпосередньо світильник замикається
кліпсами. Характеристики та зображення світильника наведені на таблиці 3.2 та
рисунку 3.2.

Рисунок 3.2 – Світильник BIOM 36W 6500K 1200 мм IP20
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
57
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Таблиця 3.2 – Характеристики світильника BIOM 36W 6500K 1200 мм IP20
Тип освітлення Світильник
Тип світильника Загального освітлення
Форма Лінійний, прямокутний
Спосіб монтажу Накладний/підвісний
Колір корпусу Білий, сірий
Матеріал корпусу Сталь
Тип розсіювання Матовий (Frosted)
Напруга 165-265 В
Частота 50 Гц
Потужність 36 Вт
Еквівалентна потужність 280 Вт
Світловий потік 3290 лм
Світлова віддача 80 лм/Вт
Температура світла 6500 К
Колір світіння Холодний білий
Тип світлодіодів B-LED SMD5730
Клас енергоефективності A
Кут світіння 160 0
Клас якості Стандарт
Термін служби 40000 годин
Степінь захисту IP20
Довжина 1205 мм
Висота 25 мм
Ширина 75 мм
Провід живлення 2х0.75 200±10 мм

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
58
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Для обраного типу світильнику кількість ламп – n = 1, потужність кожної
лампи становить 36 Вт.
Для обраної лампи визначаємо світловий потік Fл. За освітлення в
світильнику відповідає світлодіодна стрічка B-LED SMD5730, світловий потік
якої, Fл = 3290 лм.
Даний світильник являється світлодіодним. Світлодіодні лампи – це
освітлювальні пристрої, в якості джерела світла в якому застосовуються
світлодіоди. Вони позначаються абревіатурою LED. Світлодіодні лампи
застосовуються для освітлення вулиць, побутових і промислових приміщень.
Вони вважаються одними з найбільш екологічно чистих джерел світла. Дане
обладнання випромінює видиме світло при пропущенні струму за рахунок
електронно-діркового переходу при протіканні струму. Іншими словами, такі
лами світяться від того, що напруга, яка через них проходить перетворюється в
фотони світла. Світлодіодні лампочки не вимагають особливої утилізації, як а,
наприклад, ртутні. Світлодіодні світильники були обранні, тому що мають
переваги над іншими аналогами: високий термін служби та надійність до 40000
годин роботи, мають велику світловіддачу 80 лм/Вт, також сюди можна
привести, що світлодіодні лампи можуть мати великий діапазон температури
світла.
LED лампи мають переваги перед газорозрядними лампами та лампами
розжарювання. Оскільки в газорозрядних лампах виникають пульсації
світлового потоку під в період розгорання. Період розгорання може досягати 10
хвилин, утворення радіоперешкод, при використовуванні газорозрядних ламп
через пульсацію світлового потоку можлива поява стробоскопічного ефекту.
Перевагою перед лампами розжарювання є більша економічність електроенергії.
Якщо лампа розжарювання світиться за рахунок нагріву вбудованої в неї спіралі
до краю, а точніше до температури понад 30000С, то майже все споживання
енергії йде саме на отримання тепла, і лише 3% на вироблення світла. У разі ж зі
світлодіодним освітленням струм проходить через напівпровідниковий кристал
випромінює фотони з меншим нагріванням. Цей принцип створення світла
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
59
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
дозволяє добитися ККД в 10 разів вище, і довести його до рівня 30%. Таким
чином, застосування світлодіодів є набагато більш економічним рішенням для
освітлення приміщень.
Розрахунок штучного освітлення виконується методом коефіцієнту
використання світлового потоку. Основною задачею розрахунку штучного
освітлення є визначення необхідної кількості світильників для забезпечення
нормативного рівня штучного освітлення за формулою:
Eн  S  z К з
N  (3.1)
n Fл 
де:
Ен – нормоване освітлення, лк (ДБН В.2.5-28-2006);
Кз – коефіцієнт запасу, який враховує зниження освітлення в процесі
експлуатації (для заданого приміщення Кз = 1,4);
S = А·В – освітлююча площа приміщення, (А – довжина приміщення, В –
ширина приміщення);
z – коефіцієнт мінімального освітлення; z = 1 (для LED ламп);
n – кількість ламп у світильнику;
Fл – світловий потік лампи;
 – коефіцієнт використання, відн. од.
750 20 11.4 100
N   7.979  8
13290 80
Виходячи із результатів даної формули визначаємо, що для даної
лабораторії потрібно розташувати 8 світильників рівномірно на усій площі стелі
заданого приміщення з врахуванням габаритних розмірів приміщення та
світильників. Кількість світильників не відповідає наявній, тому рекомендується
додати нові світильники, та замінити старі встановивши на існуючі місця
розташування. Розташування світильників зображено на рисунку 3.3.
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
60
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

Рисунок 3.3 – Схематичне зображення місць розташування світильників
Визначаємо коефіцієнт використання в залежності від групи світильника
(третя група), коефіцієнтів відбиття стелі (75%), стін (50%) і підлоги (20%) та
індексу приміщення і:
AB
i (3.2)
h(AB)
де:
А – довжина приміщення, м;
В – ширина приміщення, м;
h = Н – 0,8 = 3 – 0,8 = 2,2 м – висота підвісу світильників.
Згідно виразу (4.2) знаходимо:
6 6
i  1,36 .
2,2  (6  6)
Для живлення освітлювальної мережі використовується напруга 220 В.
Перетин дроту повинен задовольняти таким вимогам:
- дроти повинні допускати протікання по ним розрахункового струму
освітлювального навантаження, не нагріваючись вище допустимої температури;
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
61
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
- напруга на джерелах світла повинна бути не нижче мінімальних
значень;
- механічна міцність дротів повинна бути достатньою для даного типу
електропроводки.
Розрахунок встановленої потужності усіх світильників проводиться за
наступною формулою:
n n
Pв Pi  0.2 Pi 1.2 Pi (3.3)
i1 i1
де:
Pi – потужність i-ої лампи;
n – кількість ламп.
Згідно (3.3) отримуємо:
Рв 1.2 36 8  345.6 Вт.
Розрахункове навантаження освітлювальної мережі визначаємо за
наступною формулою:
Рр  Рв Кс (3.4)
де Kс – коефіцієнт попиту.
Оскільки в нашому випадку приміщення являє собою адміністративну
будівлю, Kс = 0,9. Отже:
Рр  345.6 0.9  311.04 Вт
Визначаємо розрахунковий струм освітлювальної мережі:
Pp
I p  (3.5)
Uф cos
де:
Pp - розрахункове навантаження освітлювальної мережі, Вт;
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
62
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Uф = 220 В – фазна напруга;
cosφ – коефіцієнт потужності навантаження, для LED ламп з потужністю
20 Вт. Обираємо cosφ = 0.95.
311.04
І р  1.49 А.
220 0.95
Отримавши результати розрахунку визначаємо допустимий мінімальний
перетин дроту, яким можливо провести з’єднання світильників в освітлювальну
мережу для забезпечення пожежної безпеки. Обираємо дріт з ПВХ
(полівінілхлоридною) ізоляцією та мідними жилами площею поперечного
перерізу 1 мм2.
За механічною міцністю для з’єднання світильників загального освітлення
всередині приміщення, рекомендується використовувати дроти перетином не
менше 0,5 мм2. Тому за механічною міцністю усі дроти перетином 1 мм 2 та
більше є задовільними.
1.3. Висновки
Аналіз умов праці в розглянутій в науковій технічній лабораторії показав,
що умови праці з ПК та паяльною станцією відповідають вимогам, оскільки
площа та об’єм не менше нормативних значень. Різні чинники які впливають на
працівника: рівні шуму, вібрації і загазованості не перевищують нормативних
обмежень. Для підтримання параметрів мікроклімату в приміщенні встановлено
радіатор центральної водяної системи опалення, що складається з 7 секцій.
Ергономіка робочого місця і режим зорової роботи задовольняють вимогам і
сприяють зниженню втоми.

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
63
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
ВИСНОВКИ

В ході написанні даного дипломного проекту були розглянуті та вивчені
всі типи існуючих анемометрів та принципи їх роботи. Був проведений
порівняльний аналіз характеристик представлених на ринку ультразвукових
анемометрів, що дозволило визначити необхідні технічні характеристики для
розроблюваного анемометра. Для розробки та дослідження мій вибір був
зупинений на ультразвуковому анемометрі, оскільки даний тип анемометра є
більш сучасним та кращий за інші види.
При проектуванні анемометра була створена структура схема анемометра,
а також обрані компоненти із яких даний прилад складається. Основою
ультразвукового анемометра являється платформа Arduino Uno, до якої
підключаються чотири ультразвукових датчиків далекомірів HC-SR04. Корпус
виконаний з пластика і захищений від зовнішніх впливів. Датчики розташовані
перпендикулярно один одному, на одному рівні, що дозволило забезпечити
більшу точність отриманих даних.
Середовищем розробки прошивки була використана програма Arduino IDE
для написання, редагування, налаштування та компіляції.
В результаті проведених попередніх дій було створено та проведено
перевірку роботи ультразвукового анемометра, в наслідок чого були отримані
перші результати дослідження за напрямком та сили вітру.

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
64
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

1. Анемометр – Википедия. – Режим доступу:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Анемометр
2. Направление ветра – Википедия. – Режим доступу:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Направление_ветра
3. Ультразвуковой анемометр на двух HC-SR04. – Режим доступу:
http://blog.regimov.net/ультразвуковой-анемометр-на-двух-hc-sr04/
4. На дне пятого океана. – Режим доступу:
http://www.t-z-n.ru/preokean/doit.html
5. Анемометр чашечный МС-13. – Режим доступу:
http://www.atmosfera-npk.ru/instruments/ms13.htm
6. Студопедия – Измерения параметров ветра. – Режим доступу:
https://studopedia.info/1-69182.html
7. Термоанемометр. Большая энциклопедия техники. – Режим доступу:
https://info.wikireading.ru/83710
8. Особенности построения датчиков ветра работающих в составе объектов
специального назначения. – Режим доступу:
https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-postroeniya-datchikov-vetra-
rabotayuschih-v-sostave-obektov-spetsialnogo-naznacheniya/viewer
9. Arduino Uno | Аппаратная платформа Arduino. – Режим доступу:
http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardUno
10. Датчик расстояния HC-SR04 – ультразвуковой модуль Ардуино. – Режим
доступу:
https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/ultrazvukovoj-dalnomer-hc-sr04/
11. Способ определения скорости и направления ветра. – Режим доступу:
https://findpatent.ru/patent/233/2331904.html
12. Линейный LED свеильник Biom 36W 6500K IP20. – Режим доступу:
https://svetum.com.ua/catalog/lineynye-svetilniki/lineynyy-led-svetilnik-biom-36w-
6500k-ip20/
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
65
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
13. Портативний анемометр Xintest HT-383. – Режим доступу:
https://ozonet.com.ua/anemometr-xintest-ht-383-gm-
816?gclid=Cj0KCQjw2PP1BRCiARIsAEqv-pRjPiqisa_xpH0alNTLf-
4_0qYgoIqwCH0Fzln3V0zm2pAELKE_b7caArJWEALw_wcB
14. Термоанемометр 0,3-30м/с, 0-450С. – Режим доступу:
https://prom.ua/ua/p1130030720-termoanemometr-30ms-45c.html
15. Thies Clima. – Режим доступу:
https://www.thiesclima.ru/catalog/sensors/windsensors/ultrasonic/?product_id=9312
#prodopt
16. Перевод единиц измерения направлений. Роза направлений. – Режим
доступу:
https://dpva.ru/Guide/GuideUnitsAlphabets/GuideUnitsAlphabets/WindRoseRuEng
/
17. Направление ветра. – Режим доступу:
https://studopedia.su/5_32174_napravlenie-vetra.html
18. Розробка та дослідження ультразвукового анемометра. – Режим доступу:
http://eprints.library.odeku.edu.ua/1420/1/Voronov%20OA%20_Rozrobka_ta_dosli
dzhennya_ul%CA%B9trazvukovoho_anemometra_KMR_2018.pdf
19. Ультразвуковой анемометр скорости и направлення ветра. – Режим
доступу:
http://elibrary.asu.ru/xmlui/bitstream/handle/asu/7518/vkr.pdf?sequence=1
20. Шкала Бофорта – Википедия. – Режим доступу:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Шкала_Бофорта

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
66
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

ДОДАТКИ

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
67
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
Приміт
Позначення Найменування
ки.

Документація

А1 СКРТ.020.8059.248 Е1 Схема структурна пристрою 1
А1 СКРТ.020.8059.248 ЕЗ Схема електрична принципова 1
А4 СКРТ.020.8059.248 ПЕ Перелік елементів(Arduino Uno) 2
А4 СКРТ.020.8059.248 ПЕ Перелік елементів(HC-SR04) 2

Стандартні вироби(Arduino Uno)

Кварцові резонатори

KX-3H – 12МГц 1 BQ1
HC-49S – 16МГц 1 BQ2

Конденсатори

SMD 0805 – 100нФ 1 C1
SMD 0805 – 22пФ 1 C2
SMD 0805 – 47мкФ 1 C3
SMD 0805 – 100нФ 1 C4
SMD 0805 – 1мкФ 1 C5
SMD 0805 – 22пФ 1 C6
SMD 0805 – 47мкФ 1 C7

СКРТ.020.8059.248 СП
Изм Лист № докум. Підп. Дата
Розроб. Мельник О.В. Лит. Лист Листів
Перев. Клопотовський ДОСЛІДЖЕННЯ ПОБУДОВИ 1 6
АНЕМОМЕТРА НА ОСНОВІ
Н.контр. УЛЬТРАЗВУКОВИХ ДАТЧИКІВ ЧДТУ
Утв.

Форм.
Зона
Поз.
Кіл.
Приміт
Позначення Найменування
ки

Конденсатори

SMD 0805 – 100нФ 2 C8, C9
SMD 0805 – 100пФ 5 C10–C14

Мікросхеми

DC2.1MMX 1 DA1
LM358 1 DA2
LM6206-3.3N3 1 DA3
NCP1117ST50T3G 1 DA4
CH340G 1 DA5
ATmega328 (TQFP) 1 DA6

Запобіжник

SMD100 1206 1 F1

Світлодіоди

SMD 0805 White 4 HL1–HL4

Резистори

SMD 0805 – 10кОм 2 R1, R2
SMD 0805 – 1кОм 5 R3 – R7

Лист
СКРТ.020.8059.248 СП 2
Изм Лист № докум. Подп. Дата

Форм.
Зона
Поз.
Кіл.
Приміт
Позначення Найменування
ки

Резистори

SMD 0805 – 10кОм 1 R8
SMD 0805 – 1МОм 1 R9
SMD 0805 – 1кОм 2 R10, R11

Перемикач

TACTM-64N-F 1 SA1

Діод

1N4148W 1 VD1

Транзистор

A1SHB 1 VT1

Роз’єми

USB-1J 1 X1
4x1M 1 X2
3x2M (ICSP) 1 X3
4x1M 3 X4 – X6
8x1F-A8.5 (Power) 1 X7
8x1F-A8.5 (TOH) 1 X8

Лист
СКРТ.020.8059.248 СП 3
Изм Лист № докум. Подп. Дата

Форм.
Зона
Поз.
Кіл.
Приміт
Позначення Найменування
ки

Роз’єми

8x1F-A8.5 (AD) 1 X9
8x1F-A8.5 (TOL) 1 X10

Стандартні вироби (HC-SR04)

Динамік

SR04 1 BA1

Мікрофон

SR04 1 BM1

Кварцовий резонатор

HC-49S 4МГц 1 BQ1

Конденсатори

SMD 0805 – 1.2мкФ 1 C1
SMD 0805 – 104нФ 2 C2, C3
SMD 0805 – 22пФ 1 C4
SMD 0805 – 104нФ 1 C5
SMD 0805 – 22пФ 1 C6

Лист
СКРТ.020.8059.248 СП 4
Изм Лист № докум. Подп. Дата

Форм.
Зона
Поз.
Кіл.
Приміт
Позначення Найменування
ки

Конденсатори

SMD 0805 – 104нФ 2 C7, C8
SMD 0805 – 150нФ 3 C9 – C11
SMD 0805 – 104нФ 1 C12
SMD 0805 – 102нФ 2 C13, C14
SMD 0805 – 150нФ 2 C15, C16

Мікросхеми

EM78 1 DA1
TL074 1 DA2
ST202 1 DA3

Резистори

SMD 0805 – 1кОм 2 R1, R2
SMD 0805 – 120кОм 1 R3
SMD 0805 – 10кОм 1 R4
SMD 0805 – 1кОм 1 R5
SMD 0805 – 3.3МОм 1 R6
SMD 0805 – 10кОм 1 R7
SMD 0805 – 1кОм 1 R8
SMD 0805 – 10кОм 1 R9
SMD 0805 – 2кОм 1 R10
SMD 0805 – 75кОм 1 R11

Лист
СКРТ.020.8059.248 СП 5
Изм Лист № докум. Подп. Дата

Форм.
Зона
Поз.
Кіл.
Приміт
Позначення Найменування
ки

Резистори

SMD 0805 – 10кОм 2 R12, R13
SMD 0805 – 47кОм 1 R14
SMD 0805 – 1кОм 1 R15
SMD 0805 – 10кОм 1 R16
SMD 0805 – 1кОм 1 R17
SMD 0805 – 6.8кОм 1 R18
SMD 0805 – 47кОм 1 R19
SMD 0805 – 160кОм 1 R20
SMD 0805 – 75кОм 1 R21
SMD 0805 – 10кОм 1 R22

Транзистори

BC848 1 VT1
BC857 1 VT2

Роз’єм

4x1M 1 X1

Лист
СКРТ.020.8059.248 СП 6
Изм Лист № докум. Подп. Дата

Форм.
Зона
Поз.
Кіл.
Позначення Найменування Примітки

Кварцові резонатори

BQ1 KX-3H – 12МГц 1
BQ2 HC-49S – 16МГц 1

Конденсатори

C1 SMD 0805 – 100нФ 1
C2 SMD 0805 – 22пФ 1
C3 SMD 0805 – 47мкФ 1
C4 SMD 0805 – 100нФ 1
C5 SMD 0805 – 1мкФ 1
C6 SMD 0805 – 22пФ 1
C7 SMD 0805 – 47мкФ 1
C8, C9 SMD 0805 – 100нФ 2
C10 – C14 SMD 0805 – 100пФ 5

Мікросхеми

DA1 DC2.1MMX 1
DA2 LM358 1
DA3 LM6206-3.3N3 1
DA4 NCP1117ST50T3G 1
DA5 CH340G 1
DA6 ATmega328 (TQFP) 1

Запобіжник

F1 SMD100 1206 1

СКРТ.020.8059.248 ПЕ

Зм. Лист № докум. Підпис Зм.
Виконав Мельник О.В. ДОСЛІДЖЕННЯ Література Лист Листів
ПОБУДОВИ АНЕМОМЕТРА
Перевірив Клопотовський У 1 2
НА ОСНОВІ
УЛЬТРАЗВУКОВИХ
Н.Контр. ДАТЧИКІВ
Перелік елементів (Arduino ЧДТУ
Uno)
Кіл.
Позначення Найменування Примітки

Світлодіоди

HL1 – HL4 SMD 0805 White 4

Резистори

R1, R2 SMD 0805 – 10кОм 2
R3 – R7 SMD 0805 – 1кОм 5
R8 SMD 0805 – 10кОм 1
R9 SMD 0805 – 1МОм 1
R10, R11 SMD 0805 – 1кОм 2

Перемикач

SA1 TACTM-64N-F 1

Діод

VD1 1N4148W 1

Транзистор

VT1 A1SHB 1

Роз’єми

X1 USB-1J 1
X2 4x1M 1
X3 3x2M (ICSP) 1
X4 – X6 4x1M 3
X7 8x1F-A8.5 (Power) 1
X8 8x1F-A8.5 (TOH) 1
X9 8x1F-A8.5 (AD) 1
X10 8x1F-A8.5 (TOL) 1

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЕ 2
Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Кіл.
Позначення Найменування Примітки

Динамік

BA1 SR04 1

Мікрофон

BM1 SR04 1

Кварцовий резонатор

BQ1 HC-49S 4МГц 1

Конденсатори

C1 SMD 0805 – 1.2мкФ 1
C2, C3 SMD 0805 – 104нФ 2
C4 SMD 0805 – 22пФ 1
C5 SMD 0805 – 104нФ 1
C6 SMD 0805 – 22пФ 1
C7, C8 SMD 0805 – 104нФ 2
C9 – C11 SMD 0805 – 150нФ 3
C12 SMD 0805 – 104нФ 1
C13, C14 SMD 0805 – 102нФ 2
C15, C16 SMD 0805 – 150нФ 2

Мікросхеми

DA1 EM78 1
DA2 TL074 1
DA3 ST202 1
СКРТ.020.8059.248 ПЕ

Зм. Лист № докум. Підпис Зм.
Виконав Мельник О.В. ДОСЛІДЖЕННЯ Література Лист Листів
Перевірив Клопотовський ПОБУДОВИ АНЕМОМЕТРА
У 1 2
НА ОСНОВІ
УЛЬТРАЗВУКОВИХ
Н.Контр. ДАТЧИКІВ
ЧДТУ
Перелік елементів (HC-SR04)
Кіл.
Позначення Найменування Примітки

Резистори

R1, R2 SMD 0805 – 1кОм 2
R3 SMD 0805 – 120кОм 1
R4 SMD 0805 – 10кОм 1
R5 SMD 0805 – 1кОм 1
R6 SMD 0805 – 3.3МОм 1
R7 SMD 0805 – 10кОм 1
R8 SMD 0805 – 1кОм 1
R9 SMD 0805 – 10кОм 1
R10 SMD 0805 – 2кОм 1
R11 SMD 0805 – 75кОм 1
R12, R13 SMD 0805 – 10кОм 2
R14 SMD 0805 – 47кОм 1
R15 SMD 0805 – 1кОм 1
R16 SMD 0805 – 10кОм 1
R17 SMD 0805 – 1кОм 1
R18 SMD 0805 – 6.8кОм 1
R19 SMD 0805 – 47кОм 1
R20 SMD 0805 – 160кОм 1
R21 SMD 0805 – 75кОм 1
R22 SMD 0805 – 10кОм 1

Транзистори

VT1 BC848 1
VT2 BC857 1

Роз’єм

X1 4x1M 1

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЕ 2
Зм. Лист № докум. Підпис Дата

Кіл.
ЛІСТИНГ ПРОГРАМИ

#define DEFINE_DISTANCE 0.3 // Виміряна відстань між передавачем і
приймачем, в метрах.
#define MES_PAUSE 90 // Пауза між вимірами для затухання відбиття.
#define MES_AVERAGE 8 // Значення, скільки вимірювань усереднювати
для температури.
#define PRINT_PERIOD 500 // Період виводу значень через термінал, ms.

#include <EEPROM.h>
#define FALSE 0
#define TRUE 1
#define Echo1 2
#define Echo2 3
#define Echo3 8
#define Echo4 5
#define Trig1 6 // HC-SR04 №1
#define Trig2 7 // HC-SR04 №2
#define Trig3 4 // HC-SR04 №3
#define Trig4 9 // HC-SR04 №4
#define Pow1 10
#define Pow2 11
#define Pow3 12
#define Pow4 13

#define T_ABS 273.15 // Температура абсолютного нуля.
#define PRINT_LOOP PRINT_PERIOD/(4*(MES_PAUSE)) // Скільки повних
циклів пропустити перед виведенням вимірювань в термінал.

float defDist1 = DEFINE_DISTANCE;
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
1
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
float defDist3 = DEFINE_DISTANCE;
float defDist2 = DEFINE_DISTANCE;
float defDist4 = DEFINE_DISTANCE;
float Tcalc = 0; // Температура повітря (розрахована).
const float DHThum = 50; // Відсоток вологості.
float M = 0.02895; // Молярна маса кг/моль.
const float R = 8.31447; // Універсальна газова постійна Дж/(моль*К).
const float P = 761 * 133.3; // Тиск в Па. 101325 на рівні моря
float X = 1.4 * R / M ;
float c = sqrt( X * (Tcalc + T_ABS)); // Швидкість звуку м/с.
float impulseTime1 = defDist1 / c;
float impulseTime2 = defDist2 / c;
float impulseTime3 = defDist3 / c;
float impulseTime4 = defDist4 / c;
unsigned char count = 0; // Лічильник циклів.

// Простий фільтр-усереднювач.
float filterA(float y1, float y)
{
return ((MES_AVERAGE - 1) * y1 + y) / MES_AVERAGE;
}

// Вимір затримки проходження звуку між датчиками, сек.
float measument(unsigned char Trig, unsigned char Echo, unsigned char Pow) {
float y;
digitalWrite(Pow, HIGH);
delay(MES_PAUSE);
digitalWrite(Trig, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(Trig, LOW);
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
2
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
y = pulseIn(Echo, HIGH);
if (count > PRINT_LOOP) Serial.print(String(y, 0) + char(9));
digitalWrite(Pow, LOW);
return y * 1e-6;
};

// Запам'ятовування в flash-пам'яти відстані між датчиками.
void StoreDefDist()
{
EEPROM.put(0, defDist1);
EEPROM.put(1 * sizeof(float), defDist2);
EEPROM.put(2 * sizeof(float), defDist3);
EEPROM.put(3 * sizeof(float), defDist4);
}

// Читання з flash-пам'яті відстані між датчиками.
float GetDefDist(int adress)
{
float dd;
EEPROM.get(adress, dd);
if (dd <= 0) dd = DEFINE_DISTANCE;
return dd;
}
// Розрахунок швидкості звуку в залежності від температури, тиску та вологості.
void GetC(float t) {
M = (28.95 - 10.934 * DHThum * 0.01 * (133.3 * 4.579 * exp(17.14 * t / (235.3 +
t))) / P) / 1000;
X = 1.4 * R / M ;
c = sqrt( X * (t + T_ABS));
}
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
3
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
void setup() {
pinMode(Pow1, OUTPUT);
pinMode(Pow2, OUTPUT);
pinMode(Pow3, OUTPUT);
pinMode(Pow4, OUTPUT);
pinMode(Trig1, OUTPUT);
pinMode(Trig2, OUTPUT);
pinMode(Trig3, OUTPUT);
pinMode(Trig4, OUTPUT);
pinMode(Echo1, INPUT);
pinMode(Echo2, INPUT);
pinMode(Echo3, INPUT);
pinMode(Echo4, INPUT);
digitalWrite(Pow1, HIGH);
digitalWrite(Pow4, HIGH);
digitalWrite(Pow3, HIGH);
digitalWrite(Pow2, HIGH);
defDist1 = GetDefDist(0); // Читання з flash-пам'яті відстані між датчиками.
defDist2 = GetDefDist(1 * sizeof(float));
defDist3 = GetDefDist(2 * sizeof(float));
defDist4 = GetDefDist(3 * sizeof(float));
Serial.begin(57600);
while (!Serial) {
; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only
}

Serial.println("impT1\timpT3\timpT2\timpT4\tdist1\tdist3\tdist2\tdist4\tTcalc\tv1\tv2
\tWD\tv3 " + String(PRINT_LOOP));
}

Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
4
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
void loop() {
// Період вимірів = 1 / ( 4e-3 * (MES_PAUSE + 1))
impulseTime1 = measument(Trig1, Echo1, Pow1);
impulseTime3 = measument(Trig3, Echo3, Pow3);
impulseTime2 = measument(Trig2, Echo2, Pow2);
impulseTime4 = measument(Trig4, Echo4, Pow4);
//if (count > MES_AVERAGE) Serial.print(String(impulseTime1*1e6) + char(9));

Tcalc = filterA(Tcalc, sq((defDist2 + defDist4 + defDist1 + defDist3) /
(impulseTime1 + impulseTime3 + impulseTime2 + impulseTime4) )
/ X - T_ABS);
if ((Tcalc > 70) | (Tcalc < -50)) Tcalc = 0;

GetC(Tcalc);
float Speed_of_sound1 = defDist1 / impulseTime1 ;
float Speed_of_sound2 = defDist2 / impulseTime2 ;
float Speed_of_sound3 = defDist3 / impulseTime3 ;
float Speed_of_sound4 = defDist4 / impulseTime4 ;

float v1 = ((Speed_of_sound3 - Speed_of_sound1) / 2);
float v2 = ((Speed_of_sound2 - Speed_of_sound4) / 2);
float v3 = sqrt(sq(v1) + sq(v2));
int wd = int(atan(v2 / v1) * 180 / 3.1416);
if (v1 < 0) {
wd += 180;
} else if (v2 < 0) {
wd += 360;
}
if (count > PRINT_LOOP) {
Serial.println(
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
5
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата
String(c, 5) + char(9) + String(Tcalc) + char(9) + String(v1) + char(9)
+ String(v2) + char(9) + String(wd) + char(9) + String(v3)
);
count = 0;
}

while (Serial.available() > 0) {
char inCh = Serial.read();
// Встановлення температури, формат команди: t21.5
if (inCh == 't') {
String a = Serial.readString();
Tcalc = a.toFloat();
GetC(Tcalc);
}
// u - юстирування (встановлення на 0), формат команди: u
if ((inCh == 't') | (inCh == 'u')) {
defDist1 = impulseTime1 * c ;
defDist2 = impulseTime2 * c ;
defDist3 = impulseTime3 * c ;
defDist4 = impulseTime4 * c ;
StoreDefDist();
}
}
count++;
}
Лист
СКРТ.020.8059.248 ПЗ рк.
6
Зм. Лист № докум. Підпис Дата
мн. рк. ата

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