ChSTU repository

Similarity Report ID: oid:2945:243517925
PAPER NAME
КМР-Бугайчук.pdf
WORD COUNT CHARACTER COUNT
15385 Words 93990 Characters
PAGE COUNT FILE SIZE
97 Pages 5.7MB
SUBMISSION DATE REPORT DATE
Nov 13, 2024 6:50 AM GMT+2 Nov 13, 2024 6:51 AM GMT+2
17% Overall Similarity
The combined total of all matches, including overlapping sources, for each database.
16% Internet database 3% Publications database
Crossref database Crossref Posted Content database
4% Submitted Works database
Summary
3 
 
ЗМІСТ 
 
Вступ 5 
РОЗДІЛ 1. Аналіз існуючих способів позиціонування об‘єктів  
для регулювання та наладки вузлів автоматики…………………….… 7 
1.1. Конструкція, структурна схема та алгоритм роботи  
вимірювальних роботів ………………………………………..……………. 7 
1.2. Вплив окремих конструкційних елементів вимірювальних  
роботів на точність проведених вимірювань……………………………….. 17 
1.3. Відомі методи та алгоритми позиціонування об‘єктів в робочій  
зоні…………………………………………………………………………….. 22 
Висновок до розділу 1……………………………………………….. 26 
РОЗДІЛ 2.  Алгоритми прецизійного позиціонування об’єкта в  
робочій зоні та зменшення впливу зовнішніх факторів на точність  
вимірювань…………………………………………………………….……... 28 
2.1. Узагальнений алгоритм керування виконавчими органами  
вимірювального робота…………………………………….………………… 28 
2.2. Алгоритм керування органами переміщення в робочій зоні  
вимірювального робота……………………….……………………………… 31 
2.3. Алгоритм керування вимірювальним процесом робота….……. 33 
2.4. Алгоритм обміну інформацією з пультом оператора…….. 34 
Висновок до розділу 2 35 
РОЗДІЛ 3. Розробка конструкції та схеми електричної  
принципової вузлів вимірювального робота……………………………… 36 
3.1. Розробка структурної схеми блоку керування вимірювального  
робота ………………………………………………..……………………… 36 
3.2. Розрахунок параметрів вимірювання та інтерфейсу передачі  
інформації вимірювального робота……………………………………….…. 42 
4 
 
3.3. Розробка та результати тестування мікропроцесорної системи  
керування вимірювальним роботом…………………………………………. 44 
3.4. Система діагностування положення об‘єкту в процесі  
переміщення в робочій зоні…………………………….……………………. 52 
3.4.1. Безконтактні датчики контролю переміщення……………… 52 
3.4.2. Контактні датчики контролю переміщення …………………. 58 
3.5. Розробка керуючої програми мікропроцесорної системи  
керування вимірювальним роботом ………………………….…………… 61 
Висновок до розділу 3……………………………………………….. 72 
РОЗДІЛ 4. Дослідження впливу параметрів керованості  
розробленої мікропроцесорної системи на точність позиціонування та  
вимірювання в робочій зоні робота……………………………………… 73 
4.1. Вплив параметрів керованості на точність позиціонування та  
вимірювань робота ………………………………………… 73 
4.1.1. Вплив динамічних та статичних параметрів на точність …… 73 
4.1.2. Вплив коливань електромеханічної автоматичної системи на  
точність…………………………………………………..……………………. 87 
4.2. Оцінка відтворюваності точності позиціонування  
вимірювальної системи…………………….…………………………………. 92 
4.3. Прогнозування надійності та часу безвідмовної експлуатації  
вимірювального робота………………………………………………….…… 94 
23
ВИСНОВКИ 99 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 101 
ДОДАТОК А Акт впровадження 
ДОДАТОК Б Публікація 
ДОДАТОК В Презентація кваліфікованої роботи 
 
 
 
  
5 
 
ВСТУП 
 
27
Останнім часом у процесі створення систем керування об'єктами різного 
рівня складності все більше уваги приділяється мікроконтролерній техніці. Це 
зумовлено її стрімким розвитком і розмаїттям доступних рішень. Завдяки 
використанню мікроконтролерів можна створювати пристрої, що вирізняються 
компактністю, відносною дешевизною, простотою та надійністю, а також 
можливістю підключення до персонального комп'ютера через стандартні 
інтерфейси. 
Під час проєктування пристрою важливим етапом є вибір мікроконтролера, 
який би відповідав вимогам щодо продуктивності, надійності та умов експлуатації. 
Це рішення є одним із ключових, адже від нього залежить успіх усього проєкту. 
Вибір мікроконтролера здійснюється на основі багатьох критеріїв, які будуть 
розглянуті в цьому розділі. 
Основна мета полягає у виборі мікроконтролера з найнижчою вартістю, щоб 
мінімізувати загальні витрати на систему, водночас забезпечуючи відповідність 
технічним вимогам щодо продуктивності, надійності та умов експлуатації. 
Загальна вартість включає витрати на розробку, виробництво, обслуговування, 
модернізацію, гарантійне обслуговування тощо. 
Перший етап передбачає підбір мікроконтролерів, які відповідають 
системним вимогам. Це може включати аналіз технічної документації, 
відвідування демонстраційних сесій і консультацій. Останній етап — це звуження 
вибору до одного мікроконтролера шляхом оцінки його вартості, доступності, 
засобів розробки, підтримки виробника та інших факторів. 
8
Системний аналіз проєкту допомагає визначити вимоги до 
мікроконтролера, серед яких:   
- розрядність обчислювального ядра;   
- набір вбудованих периферійних пристроїв (таймери, АЦП тощо);   
- підтримка бітових операцій;   
- структура обробки даних;   
6 
 
- можливість роботи за перериваннями чи зовнішніми сигналами;   
- кількість і тип портів введення/виведення;   
- тип пристроїв, якими буде керувати мікроконтролер (реле, датчики, 
дисплеї тощо);   
- методи завантаження програм у мікроконтролер;   
- споживана напруга;   
- надійність джерела живлення;   
21
- розміри та умови експлуатації.   
Вибір мови програмування (наприклад, C або Pascal замість Assembler) 
також впливає на продуктивність системи, що може диктувати вибір архітектури 
мікроконтролера (8, 16 або 32 біт). Тактова частота визначає швидкість виконання 
обчислень. Деякі мікроконтролери підтримують широкий діапазон тактових 
частот, що може бути корисним для синхронізації з іншими компонентами системи. 
Також слід враховувати технологію виготовлення мікроконтролера: NMOS 
чи HCMOS. HCMOS забезпечує менше енергоспоживання, менший нагрів і високу 
щільність схем, що дозволяє підвищити швидкість роботи та знизити вартість 
пристрою. 
Мікроконтролери зазвичай мають вбудовані периферійні пристрої, такі як 
таймери, пам’ять, порти введення/виведення, що зменшує потребу в додаткових 
компонентах. Це підвищує надійність і зменшує розміри пристроїв. Вбудовані 
компоненти, зокрема оперативна пам’ять, таймери, аналого-цифрові 
перетворювачі, є важливими для забезпечення ефективної роботи системи. 
Мета роботи – розробка мікропроцесорної системи керування 
електровимірювальним роботом з можливістю обміну інформацією з 
персональним комп’ютером.  
Об’єкт дослідження – мікропроцесорна система керування. 
Предмет дослідження – алгоритми прецизійного позиціонування об’єкта в 
двовимірному просторі, а також точність вимірювання зовнішніх сигналів. 
7 
 
РОЗДІЛ 1 
АНАЛІЗ ІСНУЮЧИХ СПОСОБІВ ПОЗИЦІОНУВАННЯ ОБЄ’КТІВ 
ДЛЯ РЕГУЛЮВАННЯ ТА НАЛАДКИ ВУЗЛІВ АВТОМАТИКИ 
 
 
1.1 Конструкція, структурна схема та алгоритм роботи 
вимірювальних роботів. 
 
Сучасні обчислювальні пристрої, незалежно від їх призначення — чи то 
загального використання, чи для керування бортовим або технологічним 
36
обладнанням — проектуються на основі однієї з двох базових архітектур: фон 
Неймана або Гарвардської. Основу кожної архітектури становить процесор — 
пристрій, який обробляє цифрові дані. Обмін інформацією між процесором та 
іншими компонентами всередині обчислювальної системи здійснюється через 
2
набори паралельних провідників, що називаються шинами (bus) або магістралями 
передачі даних. 
Типова структура обчислювальної системи, побудованої на архітектурі фон 
Неймана, проілюстрована на рисунку 1.1-а (відображено напрямки потоків даних, 
2
а не самі шини). Процесор взаємодіє з трьома основними типами запам’ятовуючих 
пристроїв: постійною пам’яттю (ПЗП), оперативною пам’яттю (ОЗП) та 
зовнішніми накопичувачами (ВДЗУ). Обсяг ПЗП зазвичай становить кілька 
кілобайт або десятки кілобайт і використовується для збереження програм 
2
початкового запуску та тестування системи. Основне програмне забезпечення 
розташовується на зовнішніх накопичувачах. 
ОЗП має значно більший обсяг (до десятків або навіть сотень мегабайт) і 
використовується для тимчасового зберігання програм, які виконує процесор, а 
також для проміжних даних. Перед виконанням будь-яка програма завантажується 
в ОЗП, оскільки час доступу до нього суттєво менший, ніж до ВДЗУ. Архітектура 
фон Неймана також забезпечує стандартизований набір інтерфейсів вводу-виводу, 
8 
 
включно з типовими шинами, паралельними та послідовними портами. Усі сучасні 
персональні комп’ютери побудовані саме за цією архітектурою.. 
 
 
а)        б) 
2
Рисунок. 1.1. Структура обчислювача на основі архітектури Фон 
Неймана (а) і Гарвардської архітектури (б): 1 - процесорний блок;  
2 - постійне запам'ятовуючий пристрій (ПЗП); 3 - оперативний 
запам'ятовуючий пристрій (ОЗП); 4 - контролер зовнішніх накопичувачів; 
 5 - порти введення -виводу; 6 - зовнішні дискові накопичувачі; 7 - 
пристрою сполучення з об'єктом (УСО) 
 
Типову структуру обчислювача, побудованого за Гарвардською 
архітектурою, можна побачити на рисунку 1.1-б. Її характерною рисою є 
відсутність ВДЗУ, а також відмінне співвідношення обсягів ПЗП та ОЗП. Обсяг 
постійної пам'яті значно перевищує обсяг оперативної. Усі програмні інструкції 
зберігаються безпосередньо в мікросхемах ПЗП, і перед виконанням вони не 
копіюються в оперативну пам’ять. Процесор виконує команди, зчитуючи їх 
напряму з ПЗП, яку часто називають пам’яттю програм. Оперативна пам’ять 
2
використовується для збереження даних, отриманих від датчиків або інших 
бортових підсистем, а також для тимчасового зберігання проміжних результатів 
обчислень і вихідних даних, що передаються на виконавчі пристрої чи інші 
підсистеми. Ця область отримала назву пам’яті даних. 
 
9 
 
Гарвардська архітектура також відзначається наявністю численних 
2
пристроїв сполучення з об'єктом (УСО), які забезпечують обробку інформації та 
зв'язок із датчиками, виконавчими механізмами і іншими обчислювачами. 
Спеціалізовані обчислювальні системи, як бортові, так і наземні, здебільшого 
створюються на основі цієї архітектури. Важливо відзначити, що бортові 
обчислювачі функціонують у багатозадачному режимі та забезпечують виконання 
програм у реальному часі. 
 
Узагальнена структура мікропроцесора  
Процесор — це ключовий функціональний модуль обчислювальної 
системи, що відповідає за обробку цифрових даних та керування процесом цієї 
обробки. Усі операції, які він виконує, базуються на командах, що автоматично 
зчитуються з пам'яті.  
39
Функціонування процесора можна представити як циклічний процес, що 
складається з двох основних етапів: (1) вибірка (зчитування) команд із пам’яті та їх 
декодування, і (2) виконання цих команд.  
Процес вибірки команд є автоматизованим і здійснюється під дією 
імпульсів від генератора тактових сигналів (ГТВ). Цей механізм є незалежним від 
дій програміста, оскільки визначається апаратною архітектурою процесора.  
Декодування команд передбачає створення послідовності керуючих 
сигналів для всіх компонентів процесора і додаткових блоків обчислювальної 
системи. Основою для цього є код, що міститься в команді.  
Команди можуть задавати виконання різноманітних операцій: 
арифметичних чи логічних обчислень, переміщення даних, генерацію адрес 
наступних команд або зміну режимів роботи процесора. Ці операції програміст 
задає в межах системи команд, яка доступна для конкретної моделі процесора. 
Після завершення виконання поточної команди процесор автоматично переходить 
до обробки наступної.  
Сучасні мікропроцесори різняться за складом функціональних блоків та їх 
взаємозв’язками. Проте в їх структурі можна виділити основні елементи, які 
10 
 
визначають процесор як керуючий центр обчислювальної системи. Основними 
компонентами є пристрій управління (ПУ) та операційний пристрій (ОП).  
Пристрій управління виконує функції вибірки, декодування команд і 
керування обміном та обробкою інформації, формуючи керуючі сигнали.  
Операційний пристрій забезпечує виконання арифметичних і логічних 
операцій, зсувів, аналізу даних тощо.  
37
Загальна структура мікропроцесора представлена на рисунку 1.2. 
 
Рисунок. 1.2 Узагальнена структура мікропроцесора 
 
Головними елементами для збереження даних усередині процесора є 
регістри, які забезпечують функціонування оперативної пам’яті з надзвичайно 
коротким часом запису та читання.   
Регістр команд (РГК) або instruction register (IR) зберігає код команди після 
її зчитування з пам'яті. Зазвичай у ньому фіксується лише код операції (КОП) — 
частина команди, що визначає дії процесора та спосіб адресації операндів 
(детальніше — нижче). 
Регістри операндів зберігають дані під час їхньої обробки, що дозволяє 
мінімізувати звернення до пам'яті. У сучасних процесорах кількість таких регістрів 
11 
 
може сягати 10–15, утворюючи внутрішню пам’ять процесора. У мікроконтролерах 
їх кількість може досягати кількох десятків, створюючи реєстровий файл. Деякі з 
цих регістрів використовуються для зберігання або формування адрес інших 
операндів, забезпечуючи непряму адресацію даних. Інформація з регістрів 
операндів надходить до арифметико-логічного пристрою (АЛУ) для подальшої 
обробки. У певних типах процесорів один із регістрів завжди приймає результати 
операцій АЛУ — це так званий регістр-акумулятор. Такі процесори мають 
акумуляторно-орієнтовану структуру, де операції виконуються за схемою:   
<акумулятор> (операція) <операнд> → <акумулятор>.   
Лічильник команд (PC — program counter) зберігає адресу наступної 
команди, формуючи її під час виконання поточної. Зміна вмісту цього регістра 
дозволяє керувати послідовністю вибірки команд, що є основою для реалізації 
алгоритмічних розгалужень. 
Покажчик стека (SP — stack pointer) фіксує адресу межі пам’яті, яка 
використовується за принципом послідовного доступу до даних (стековий 
протокол).   
Регістр адреси відповідає за формування адреси зовнішнього пристрою 
(пам’яті чи порту вводу/виводу) перед зверненням до нього. Він виступає як буфер, 
що накопичує адресну інформацію для передачі на зовнішню шину адреси. 
Регістр ознак (F — flags) зберігає у вигляді окремих бітів ознаки, що 
характеризують результат виконаних у АЛУ операцій (наприклад, нульовий 
результат або переповнення розрядної сітки). 
АЛУ — ключовий функціональний блок процесора, який виконує операції 
обробки даних. Результат операцій записується або до регістрів, або до пам’яті, 
залежно від інструкції. Водночас у регістрі ознак автоматично оновлюються 
відповідні показники. 
Робота процесора синхронізується імпульсами від зовнішнього генератора 
тактових імпульсів (ГТВ). Завдяки цим імпульсам блок керування процесора 
автоматично виконує дії з вибірки та дешифрування команд.   
12 
 
Процес виконання кожної команди включає кілька періодів тактової 
частоти, що складаються з послідовних елементарних дій — машинних циклів 
(МЦ). Під час кожного МЦ генеруються певні комбінації керуючих сигналів для 
всіх компонентів процесора та обчислювальної системи в цілому.   
Узагальнену структуру мікропроцесора можна побачити на рисунку 1.2. 
Архітектура ядра мікроконтролера 
Ядро мікроконтролерів AVR побудоване на базі вдосконаленої RISC-
архітектури (enhanced RISC). Арифметико-логічний пристрій (АЛУ), який 
відповідає за виконання обчислень, безпосередньо з'єднаний із 32 робочими 
регістрами, об'єднаними в регістровий файл. Завдяки такій структурі, АЛУ 
23
здійснює повний цикл операцій (читання даних із регістрів, виконання обчислень і 
збереження результату в регістровий файл) за один машинний цикл. Майже всі 
20
інструкції, за винятком тих, де одним із операндів є 16-розрядна адреса, займають 
лише одну комірку пам'яті програм. 
Мікроконтролери AVR використовують Гарвардську архітектуру, яка 
відрізняється роздільним зберіганням програм і даних, кожен із типів пам’яті має 
5
окремі шини доступу. Така організація дозволяє одночасно працювати як із 
пам’яттю програм, так і з пам’яттю даних. Поділ шин забезпечує можливість 
16
застосування різної розрядності для кожного типу пам’яті, при цьому способи 
адресації та доступу до них також відрізняються. 
Для підвищення продуктивності в AVR застосовується технологія 
16
конвеєризації. Її суть полягає в тому, що під час виконання однієї інструкції 
одночасно здійснюється вибірка та дешифрування наступної. Тривалість одного 
машинного циклу в мікроконтролерах AVR дорівнює лише одному періоду роботи 
тактового генератора. 
На рисунку 1.3 зображена структурна схема мікроконтролера ATmega16. 
2
Файл регістрів швидкого доступу містить 32 робочих регістри загального 
призначення по 8 біт кожен, які безпосередньо підключені до АЛУ. За один 
тактовий цикл АЛУ може отримати два операнди з регістрів, виконати обчислення 
й записати результат назад у регістровий файл. 
13 
 
34
Шість із цих 32 регістрів можуть функціонувати як три 16-розрядні регістри 
для непрямої адресації, що дозволяє ефективно обчислювати адреси в просторі 
2
даних. Один із цих регістрів також використовується як покажчик адрес для 
безперервного перегляду таблиць. Ці регістри позначаються як X-регістр, Y-
регістр і Z-регістр. 
2
Крім операцій із регістрами, регістровий файл може застосовуватись для 
адресації звичайної пам’яті. Це пояснюється тим, що регістровий файл займає 
перші 32 молодші адреси простору даних, що дозволяє звертатися до них так само, 
як до стандартних комірок пам’яті. 
Простір пам’яті I/O охоплює 64 адреси, які використовуються для 
периферійних функцій центрального процесора, таких як регістри управління, 
таймери/лічильники, аналого-цифрові перетворювачі та інші функції вводу-
виводу. Доступ до пам’яті I/O здійснюється безпосередньо або через адреси у 
файловому регістрі в діапазоні $20 - $5F.  
30
Під час виконання обробки переривань або викликів підпрограм, адреса 
лічильника команд (PC) зберігається в стеку, який розташований у SRAM даних. 
Для коректного виконання програм користувач повинен ініціалізувати покажчик 
стека (SP) перед тим, як викликати підпрограми чи обробники переривань.  
2
Архітектура AVR підтримує п’ять різних режимів адресації байтів у SRAM 
даних. Гнучкий модуль обробки переривань має власний керуючий регістр у 
просторі I/O, а також глобальний біт дозволу переривань, який розташований у 
регістрі статусу.  
Кожне переривання має власний вектор у таблиці векторів, яка 
розміщується на початку пам’яті програм. Пріоритет обробки переривань 
5
визначається порядком векторів: чим менша адреса вектора, тим вищий пріоритет 
переривання. 
 
14 
 
 
Рисунок.1.3 Структурна схема мікроконтролера ATmega16 
 
15 
 
Структура контролера переривань  
Обробка внутрішніх і програмних переривань виконується безпосередньо 
2
процесором, тоді як для попередньої обробки зовнішніх запитів використовуються 
13
спеціалізовані пристрої — контролери переривань. Їх застосування зумовлене тим, 
що процесор або мікроконтролер має обмежену кількість вхідних ліній для 
прийому сигналів переривань (зазвичай 1-2 у однокристальних мікропроцесорів і 
2-10 у мікроконтролерів). Водночас, у реальних системах кількість пристроїв, що 
потребують взаємодії з процесором через сигнали переривань, може сягати кількох 
2
десятків. Таким чином, контролер переривань виконує функцію селекції запитів. 
На схемі, зображеній на рис. 1.4, показано, як відбувається взаємодія між 
процесором і контролером переривань під час обробки групи зовнішніх запитів. 
2
Важливою характеристикою сучасних контролерів переривань, реалізованих у 
вигляді інтегральних схем, є можливість їхньої програмної конфігурації для 
налаштування під потрібні режими роботи. 
 
 
2
Рисунок. 1.4 Структура контролера переривань і його взаємодію з 
процесором 
16 
 
 
Контролери переривань є складними технічними пристроями, у структурі 
13
яких можна виокремити чотири основні модулі: фіксації запитів, дозволу запитів, 
аналізу пріоритетів і керування.  
Модуль фіксації запитів базується на регістрі фіксації запитів переривань 
(РФЗ) і призначений для реєстрації асинхронних сигналів від зовнішніх пристроїв.  
Модуль дозволу запитів відповідає за відбір тих сигналів, які є найбільш 
2
актуальними для обробки на конкретному етапі виконання основних алгоритмів. 
Основу цього блоку складає регістр дозволу переривань (РРП), у який програмним 
шляхом записується двійковий код. Цей код визначає набір запитів, які дозволені 
до обробки в конкретний момент часу. Наприклад, якщо в РРП контролера з 
2
вісьмома входами записано код 01100010, це означає, що наразі дозволені 
переривання за входами 1, 5 і 6 (нумерація починається з нуля, з правого боку). 
Найпростішу структуру модуля дозволу запитів ілюструє рисунок 1.5.. 
 
2
Рисунок. 1.5. Схема побудови блоку фіксації та аналізу запитів 
переривань 
17 
 
Код, що зберігається в РРП, зазвичай називають маскою переривань, 
оскільки нульові біти в цьому коді блокують (маскують) обробку певних запитів. 
Блок аналізу пріоритетів запитів призначений для вибору одного найбільш 
важливого запиту з усієї групи, тобто такого, що має найвищий пріоритет для 
2
обробки. Шкала пріоритетів задається програмно і визначає порядок реакції на 
сигнали, які пройшли через РМП, у разі їх одночасного надходження. На процесор 
пропускається той сигнал, який був виявлений першим у порядку опитування. 
Код, що визначає шкалу пріоритетів, записується в регістр пріоритетів 
13
переривань (РПП) за допомогою програмних засобів. Зазвичай контролери 
переривань мають вбудовану апаратну шкалу, де входи з меншими номерами 
2
мають вищий пріоритет. Таким чином, запис коду в РПП фактично змінює 
стандартну апаратну шкалу пріоритетів. 
Як видно з рисунка 1.4, процесор також оснащений вбудованим блоком 
дозволу переривань і перевірки їх пріоритетності. Цей блок забезпечує узгодження 
зовнішнього запиту INT із внутрішніми та програмними запитами, якщо вони 
надходять одночасно.. 
 
 
1.2  Вплив окремих конструкційних елементів вимірювальних роботів 
на точність проведених вимірювань 
 
Крім зовнішніх чинників, що впливають на ефективність локалізації 
дефектів в кабелі, а також застосовуваних у рефлектометра механізми їхнього 
обліку, розглянемо також методи визначення невідомого коефіцієнта 
розповсюдження, роблять значний вплив на точність будь-якого вимірювання.  
Вплив кабелю. На відстань, в межах якого рефлектометр здатний виявити 
пошкодження, впливають також перетин жив перевіряється кабелю, його якість і 
спосіб підключення до нього рефлектометра.  
18 
 
Перетин жив чинить на відстань найбезпосередніший вплив: чим воно 
більше, тим менше загасання зазнає електричний імпульс, що подається 
рефлектометри в цей кабель, і тим більше перекриваємо відстань.  
Старі кабелі або кабелі з дефектами можуть мати знижену ізоляцію або 
підвищений загасання, що приводить до скорочення граничного відстані.  
Крім того, на відстань дії рефлектометра впливає спосіб його підключення 
до кабелю. На практиці це підключення повинне бути таким, щоб у перевіряється 
кабель була передана максимально можлива енергія імпульсу приладу. Існуючі 
способи підключення рефлектометри були розглянуті в одній з попередніх статей 
даного циклу.  
Фільтрація шумів. На проблемі усунення шумів, які присутні в будь-якому 
кабелі, хотілося б зупинитися трохи докладніше. Багато рефлектометри мають 
функцію автоматичного цифрової фільтрації шумів. Ця функція забезпечує 
унікальну багаторівневу систему фільтрації, що дозволяє усунути різні типи шумів, 
що виникли від максимального посилення, наведень від енергетичних кабелів (від 
50 до 400 Гц), звукових (від 100 Гц до 20 000 Гц), передачі даних (від 50 кГц до 10 
МГц) і радіочастотних (від 500 кГц до 1 ГГц) сигналів. Оператор має можливість 
підбирати для кожної окремої перевірки типи фільтрів з необхідними 
характеристиками, щоб забезпечити прийнятну якість приймається 
рефлектограммі. При виборі фільтра інформація про нього відображається на 
дисплеї приладу.  
Фільтрація шумів може також включатися автоматично, якщо під час 
вимірювання в перевіряється лінії з'являється випадкове напруга.  
Багаторівнева та багатофункціональна система фільтрації дозволяє 
користувачеві перевіряти антени і вузли стільникового зв'язку, на яких може бути 
присутнім прийнятий сигнал.  
Слід зазначити, що в деяких випадках включення системи фільтрації 
перешкод може сповільнити функціонування рефлектометра до такої міри, що 
робота з дисплеєм стає практично неможливою. Прикладом може служити 
фільтрація шумів лінії електроживлення. Тривалість одного періоду змінного 
19 
 
струму з частотою 50 Гц складає 20 мс, отже для створення однієї точки на дисплеї 
рефлектометра також необхідно 20 мс. А для оновлення зображення на дисплеї в 
256 точок буде потрібно більше 5,12 с. Один із способів обійти таку велику 
затримку полягає у використанні фільтра, який дозволяє провести перевірку, а 
після фільтрації зберегти отриману характеристику в пам'яті приладу. Введення 
характеристики в пам'ять приладу може зайняти досить великий час, але подальша 
робота зі збереженою характеристикою буде такою ж швидкої, як при 
відключеному фільтрі.  
Виключення не становить і режим «усереднення», який часто 
передбачається виробником для усунення перешкод, що виникли у разі 
максимального посилення. Цей режим може уповільнювати регенерацію 
зображення на дисплеї. Так, придушення шумів в 4 рази може знизити швидкість 
регенерації зображення в 16 разів. При значному зниженні швидкості регенерації 
зображення з дисплеєм стає важко працювати. Тому даними режимом слід 
користуватися тільки при необхідності.  
Ще одне зауваження, щодо перевірки кабелів, не відключати від обладнання 
передачі даних. Краще всього використовувати короткі імпульси тривалістю 2, 10 
або в крайньому випадку 100 нс. Тоді система виявлення помилок апаратури 
передачі даних не виявить даний імпульс і не прийме його за помилку в передачі 
даних.  
Немаловажне вплив на якість відображення знімається рефлектограммі 
робить також конструкція рефлектометра, а точніше його прийомного блоку.  
Взагалі існують лише два типи приймального блоку рефлектометра - кожен 
зі своїми перевагами і недоліками. Найбільш часто використовується узкополосний 
приймальний блок. Він дозволяє застосовувати вузькосмуговий підсилювач і АЦП 
(отже, споживає меншу потужність і має меншу вартість); перед підсилювачем 
розташовується схема вибірки та зберігання. Дана схема дозволяє використовувати 
імпульси тривалістю до 2 нс, але має і негативний бік: вона вносить перешкоди на 
що виводиться на дисплей зображення характеристики і тому не може 
використовуватися в рефлектометра з великою дальністю дії.  
20 
 
Широкосмуговий приймальний блок не має схеми вибірки й зберігання, 
тому що в ній використовуються широкосмуговий підсилювач і АЦП. Перевагою 
такої конструкції є низький рівень шумів, що дозволяє ідеально використовувати її 
в рефлектометра з великою дальністю дії. Однак така схема не підтримує дуже 
короткі імпульси, що є необхідним для рефлектометри малої дальності дії.  
Коефіцієнт розповсюдження як уже говорилося, прилад визначає відстань 
до неоднорідності, виходячи з швидкості поширення сигналу в кабелі та часу його 
проходження до неоднорідності і назад. Швидкість звичайно представляється у 
вигляді коефіцієнта, який показує, наскільки швидкість розповсюдження сигналу в 
даному кабелі відрізняється від швидкості світла, і береться з таблиць або 
визначається дослідним шляхом. В імпортних приладах найчастіше 
використовується коефіцієнт розповсюдження (VOP або PVF), виражений у 
відсотках (αlt;100%), у вітчизняних - коефіцієнт укорочення (g). 
Коефіцієнт розповсюдження і коефіцієнт укорочення пов'язані між собою 
таким співвідношенням: g = 1/VOP = 1/PVF Дане співвідношення допоможе 
визначити невідомий коефіцієнт укорочення імпортного кабелю, якщо відомий 
коефіцієнт поширення - для використання приладів російського виробництва.  
Правильність вибору коефіцієнта розповсюдження значно впливає на 
точність будь-якого зробленого вимірювання, отже для отримання як можна більш 
точних результатів необхідно знати технологію визначення коефіцієнта поширення 
для кожного конкретного кабелю.  
І методи його визначення Якщо коефіцієнт поширення імпульсу для 
перевіряється кабелю невідомий, його можна розрахувати або використовувати 
альтернативні методи вимірювання.  
1. Відома швидкість розповсюдження. У даній ситуації коефіцієнт 
розповсюдження розраховується за формулою:  
    VOP = V/C,                                     (1.1) 
де V — швидкість поширення електричного імпульсу з даного кабелю.  
С — швидкість світла у вакуумі (300 м/мкс).  
21 
 
2. Відома діелектрична константа (e) ізоляційного матеріалу. Для цього 
випадку маємо: 
VOP = 1/e,                                                        (1.2)  
де e являє собою відносну діелектричну постійну для даного кабелю. 
Наприклад, для поліетилену e = 2,25. Отже,  VOP = 1/ 2,25 = 0,667.  
Надійність автоматизованих систем керування технологічними процесами 
(АСКТП) є критично важливим параметром, який визначає їх якість і забезпечує 
безпеку функціонування об’єктів. Вимоги державних та міжнародних стандартів 
[146-148] передбачають проведення оцінки надійності й безпеки таких систем. 
Організації та підприємства, що займаються розробкою та експлуатацією АСКТП, 
17
зобов'язані здійснювати відповідний аналіз для проходження державної та 
міжнародної сертифікації. Цей аналіз проводиться на всіх етапах життєвого циклу 
системи, особливо під час її проектування. Основною метою аналізу є отримання 
достовірних даних, які необхідні для обґрунтування та впровадження проектних 
рішень. 
АСКТП мають низку специфічних характеристик, які впливають на процес 
моделювання та розрахунок показників їх надійності й безпеки. Основні 
особливості включають: 
1. Велика кількість елементів. Сучасні системи можуть налічувати сотні або 
навіть тисячі компонентів. 
2. Різноманітність складових. До складу АСКТП входять технічні, ергатичні 
компоненти, засоби забезпечення, а також події, що можуть спричинити аварії. 
3. Складність структури. Сучасні системи нерідко мають структури, які не 
зводяться до простих послідовно-паралельних схем. Вони можуть містити циклічні 
зв’язки, багатофункціональні компоненти, вбудовані підсистеми та елементи з 
залежними відмовами. 
4. Наслідки відмов. У небезпечних виробничих умовах відмови окремих 
елементів можуть спричиняти аварійні ситуації, тому необхідно аналізувати 
надійність і безпеку комплексно. 
22 
 
5. Багатофункціональність. АСКТП виконують кілька ключових функцій, 
що потребує аналізу їх надійності як окремо для кожної функції, так і для різних 
комбінацій умов роботи. 
6. Варіативність структурних рішень. Для вибору оптимальних проектних 
рішень необхідно розглядати різні варіанти структурної організації, режимів 
роботи та умов експлуатації системи. Для кожного варіанту створюються 
математичні моделі з відповідними розрахунками. 
 
Зважаючи на ці особливості, аналіз надійності та безпеки є складним, але 
необхідним завданням для забезпечення ефективної експлуатації сучасних 
АСКТП. ( 
 
 
1.3 Відомі методи та алгоритми позиціонування об‘єктів в робочій зоні 
 
Методи позиціонування 
Методи позиціонування поділяються на дві основні групи: визначення 
абсолютних координат розташування за псевдодальностями, отриманими за 
допомогою дальномірних кодів (C/A, P, СТ, ВТ) — автономні та диференційні 
методи; та визначення приросту координат (вектора) між пунктами з приймачами 
на основі вимірювань фаз несучої частоти супутникових сигналів — відносний 
метод. 
Автономне позиціонування здійснюється незалежно від вимірювань інших 
приймачів. Цей метод чутливий до різних джерел похибок: помилок у координатах 
супутників, впливу середовища розповсюдження сигналів і зовнішніх факторів, а 
також геометричного положення супутників. Для цивільних користувачів точність 
абсолютного позиціонування за C/A-кодом становить приблизно 25-100 м, тоді як 
для військових користувачів за P-кодом — близько 30 см. Автономне 
позиціонування застосовується для отримання попередніх координат при 
виконанні точних вимірювань. 
23 
 
Диференційне позиціонування ґрунтується на одночасних вимірюваннях 
псевдодальностей на двох (або більше) станціях: базовій, координати якої відомі, 
та мобільній, розташованій у визначеній точці. На базовій станції виміряні 
псевдодальності порівнюються з обчисленими за відомими координатами, а різниці 
між ними формують диференційні поправки. Цей метод базується на припущенні, 
що більшість похибок є спільними для обох станцій. Наприклад, похибки через 
режим SA чи вплив атмосфери на лінії зв’язку для обох станцій є практично 
ідентичними, особливо якщо відстань між ними не перевищує 10 км. 
Похибки в координатах супутників також суттєво зменшуються. За умови, 
що похибка координат супутника становить 10 м, а відстань між станціями — 10 
км, різниця у спотвореннях псевдодальностей для базової та мобільної станцій 
дорівнює лише 5 мм. Чим менша відстань між станціями, тим точніша корекція. 
Поправки передаються на мобільну станцію для корекції вимірювань у реальному 
часі або враховуються при обчисленні координат після завершення вимірювань. 
Для передачі поправок використовуються радіомодеми у форматі RTCM. Оскільки 
поправки швидко застарівають, разом із ними передаються їхній "вік" та швидкість 
змін. Точність диференційного позиціонування становить 1-5 м. 
Відносне позиціонування передбачає одночасне супутникове вимірювання 
з двома або більше приймачами. Цей метод дозволяє визначати приріст координат 
(просторовий вектор або baseline) між пунктами, мінімізуючи похибки, характерні 
для абсолютного позиціонування. Якщо один приймач знаходиться в точці з 
відомими координатами, а інший — у визначеній точці, то координати останньої 
обчислюються через приріст координат. У разі, коли координати обох пунктів 
невідомі, визначається лише приріст координат, який дозволяє обчислити відстань, 
перевищення між пунктами та азимут лінії..  
 
Драйвер двигуна на основі L293D. 
Мікросхема драйвера двигунів L293D розрахований на струм навантаження 
до 600 мА на кожен канал. Іноді 600 мА буває недостатньо. Особливо в тих 
випадках, коли ротор мотора зустрічає серйозне навантаження аж до повної 
24 
 
зупинки. Найбільш часто така ситуація зустрічається у роботів для мінісумо. У 
цьому випадку струм споживання мотора сильно зростає і мікросхема драйвера 
двигунів починає перегріватися. В результаті у L293D спрацьовує тепловий захист, 
і вона відключає управління навантаженням.  
Одним з найпростіших способів боротьби з цією проблемою є здвоювання 
каналів драйвера, як показано на рисунку 1.6. У цьому випадку допустимий струм 
навантаження збільшується вдвічі і може досягати 1,2 А. 
 
Рисунок. 1.6. Схема включень мікросхеми L293D. 
 
Кожна мікросхема L293D має чотири канали управління. При здвоювання 
каналів ми отримаємо два посилених каналу керування двигуном, що дозволить 
побудувати повнофункціональний драйвер двигуна з можливістю реверсу. При 
цьому для керування кожним мотором на практиці використовують окрему 
мікросхему L293D. У цьому випадку можна підключити мотор так, як це показано 
на наступному Рисунок. 1.7. 
 
Рисунок. 1.7. Керування мотором за допомогою мікросхеми L293D 
25 
 
Ще одним способом є здвоювання мікросхем. Так виконують в тих 
випадках, коли необхідно заощадити місце на платі або плата вже готова і при 
цьому необхідно збільшити її “сили”. Мікросхеми кладуться, як бутерброд, одна на 
5
одну, і відповідні висновки припаюються один до одного, як показано на рисунку 1.8. 
 
Рисунок. 1.8. Схема здвоєння мікросхеми. 
 
При такому способі може знадобитися додаткове охолодження, яке 
виконують у вигляді невеликого радіатора. Радіатор, вирізаний з металевої смужки, 
прокладають між мікросхемами. А для кращого тепловідводу з'єднують з 
корпусами мікросхем за допомогою термоклея. Крім того, на радіаторі роблять 
невеликі “вуса”, які припаюють до “заземлення” (GND) висновків мікросхеми як 
показано на рисунку 1.9.  
Для економії місця на платі крила радіатора можна загнути вгору. 
 
 
Рисунок. 1.9. Схема встановлення радіатора охолодження. 
 
26 
 
Висновок до розділу 1 
 
У процесі розробки пристрою важливим завданням стає вибір 
мікроконтролера, який відповідає вимогам щодо продуктивності, надійності та 
умов експлуатації. Правильний вибір мікроконтролера (МК) є ключовим фактором, 
що впливає на успіх або невдачу проекту. Вибір МК базується на численних 
критеріях, які детально розглядаються у цьому розділі. 
Основною метою є вибір мікроконтролера з найменшою вартістю, щоб 
знизити загальні витрати на систему, але водночас забезпечити відповідність 
специфікаціям. До цих специфікацій належать вимоги щодо продуктивності, 
надійності та умов експлуатації. Загальні витрати системи охоплюють усі аспекти: 
від інженерного проектування і розробки до виробництва, включаючи вартість 
компонентів, робочу силу, гарантійне обслуговування, оновлення, підтримку, 
сумісність та зручність у користуванні. 
8
Другим кроком є пошук мікроконтролерів, які задовольняють усім 
визначеним системним вимогам. Це включає аналіз технічної документації, 
комерційних каталогів, статей і консультаційних демонстрацій. 
Фінальний етап вибору передбачає кілька кроків, спрямованих на звуження 
списку потенційних варіантів до одного оптимального рішення. Цей процес 
включає оцінку вартості, доступності, інструментів розробки, рівня підтримки від 
виробника, стабільності постачань та наявності аналогів від інших постачальників. 
8
Системний аналіз проекту дозволяє визначити конкретні вимоги до 
мікроконтролера, зокрема: 
- розрядність обчислювального ядра; 
- набір інтегрованих периферійних модулів (таймери, АЦП тощо); 
- підтримка бітових операцій; 
- апаратна організація обробки даних (структура машинного циклу, 
співвідношення тактів ГТИ та машинних циклів); 
32
- можливість роботи за перериваннями, зовнішніми сигналами готовності 
або командами оператора; 
27 
 
- кількість і тип портів введення/виведення, спосіб передачі даних (байтовий 
чи бітовий), можливість програмного налаштування напрямку передачі; 
- типи пристроїв, які має обслуговувати МК (термінали, перемикачі, реле, 
сенсори, цифрові індикатори, АЦП, ЦАП, модулятори тощо); 
- методи завантаження програм у мікроконтролер, можливість 
внутрішньосистемного програмування (ISP) з використанням стандартних 
21
інтерфейсів (SPI, I2C); 
- кількість і тип напруги живлення; 
- стійкість до збоїв джерела живлення; 
- масо-габаритні та естетичні обмеження; 
- умови навколишнього середовища для експлуатації. 
Цей ретельний підхід гарантує оптимальний вибір мікроконтролера для 
конкретного проекту. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
28 
 
РОЗДІЛ 2 
АЛГОРИТМ ПРЕЦИЗИЦІЙНОГО ПОЗИЦІОНУВАННЯ 
ОБ’ЄКТА В РОБОЧІЙ ЗОНІ ТА ЗМЕНЬШЕННЯ ВПЛИВУ 
ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ НА ТОЧНІСТЬ ВИМІРЮВАНЬ 
 
 
2.1. Узагальнений алгоритм керування виконавчими органами 
вимірювального робота 
 
Алгоритми прецизійного позиціонування об’єкта в робочій зоні та 
зменшення впливу зовнішніх факторів на точність вимірювань 
реалізовано на рисунку. 2.1 
 
Рисунок.2.1 Алгоритм керування виконавчими органами 
вимірювального робота 
29 
 
Блок ініціалізації LCD дисплею на порту С. 
Спочатку в програмі необхідно ініціалізувати бібліотеку роботу з 
рідкокристалевими індикаторами.Для цього необхідно підключити бібліотеку 
lcd.h. 
В нашому випадку використовується індикатор WH1602A який підтримує 
два шістнадцяти розрядних рядка. Для його підключення необхідно задіяти один 
восьми розрядний порт мікроконтролера згідно алгоритму 
Згідно алгоритму вибираємо для підключення індикатора порт С. В 
подальшому для виводу інформації на екран будемо використовувати наступні 
функції: 
a) lcd_clea.- повне очищення індикатора 
b) lcd_gotoxy – переведення курсору на потрібну позицію індикатору 
c) lcd_pvtsf – виведення рядка на індикатор 
Блок ініціалізації АЦП на порту А. 
Після ініціалізації рідкокристалічного індикатора необхідно підготувати до 
роботи АЦП. В мікроконтролер mega АЦП розміщується на порту А і змінити його 
на інший порт не можливо. Тому програма автоматично його проініціалізує на 
порту А. 
Підчас ініціалізації необхідно обрати який розряд порту А буде 
використовуватись для вимірювання. В нашому випадку це нульовий розряд. 
Крім того необхідно обрати робочу частоту перетворення сигналів. В 
нашому випадку це 100 кГц. 
Ініціалізація UART на порту D 
Для обміну повідомленнями між контролером та мікроконтролером 
необхідно ініціалізувати інтерфейс UART. Цей інтерфейс використовує послідовне 
з’єднання з синхронною передачею даних. 
Перший ввід UART (D0) відповідає за передачу даних до комп’ютера, а 
другий ввід (D1) за зчитування даних які приходять від комп’ютера. 
В мікроконтролері АТmega 16 виводи UART задіяні на виходах D0 та D1. 
30 
 
Під час ініціалізації UART необхідно вказувати швидкість з якою буде 
проходити обмін даними в нашому випадку це 9600 Bod. При цьому буде задіяний 
один Bit парності. Цей Bit буде відповідати за правильність передачі даних на 
нашому UART. 
Ініціалізація переривань від АЦП 
Організація вимірювання аналогового сигналу по перериванню дозволяє 
автоматизувати процес вимірювання. В процесі вимірювання після виклику цього 
переривання програма повинна зупинитись на 200 мс (в цей час мікроконтролер 
перетворює аналоговий сигнал в цифровий) 
Ініціалізація переривання від UART 
Так само як і виконання вимірювання в фоновому режимі необхідно 
організувати обмін інформацією мікроконтролера з комп’ютером. Це дозволить 
спростити основну програму і примусить її працювати значно швидше. 
Налаштовуємо порт В на виведення (керування двигунами) 
У вихідному стані всі порти мікроконтролера налаштовані на прийом 
інформації але в нашому випадку ті розряди які відповідають за керування 
двигунами необхідно настрой на видачу інформації. Але керування одним 
двигуном використовується пара виводів В0, В1, а для керування другим двигуном 
В2, В3. 
В залежності від комбінації сигналів на цих парах розрядів двигун буде 
обертатися в одну або іншу сторону, або буде зупинений. 
Дозвіл на переривання 
На початку роботи всі переривання мікроконтролера ЗАБОРОНЕНІ. Тому 
після ініціалізації переривання від АЦП та UART їх потрібно ввімкнути. 
Обробка сигналів в робочій зоні. 
Після налаштування всіх переривань та вихідних сигналів починає роботу 
програма яка відстежує положення робота, керує його переміщенням та 
обмінюється контрольними даними з комп’ютером. 
 
31 
 
2.2. Алгоритм керування органами переміщення в робочій зоні 
вимірювального робота 
 
Оскільки мікроконтролер повинен опрацювати програму не один раз то 
необхідно організувати нескінченний цикл. В цьому випадку програма буде 
виконуватись поки існує напруга живлення і не буде сформований сигнал на 
перезапуск мікроконтролера. 
Всі дії мікроконтролера по керуванню двигунами і виконанню вимірювань 
підпорядковуються користувачеві. Тому програма в першу чергу опитує інтерфейс 
UART. Якщо по ньому прийшла якась команда то програма її виконує. Якщо 
команда не прийшла то мікроконтролер виконує ту команду яка прийшла 
останньою. 
Якщо по UART прийшов сигнал “f” то на порт В буде виведено комбінація 
$06 яка примусить двигуни обертатися в прямому напрямку. При цьму робот буде 
рухатись в перед. Крім цього на рідкокристалічний дисплей буде виведений напис 
“Sorvard”. 
Якщо по UART прийшов “s” то на порт В буде виведена комбінація $00 
цепримусить двигуни зупинитись, що призвиде до зупинки робота. Крім цього на 
LCD дисплей буде виведений напис “stop”. 
Якщо по інтерфейсу UART  прийде символ “r” то на порту В виведеться 
комбінація $05. При цьому двигуни будуть обертатися в одному напрямку, що 
приведе до повороту робота праворуч. Крім того на LCD індикатор буде виведений 
напис “right”. 
Якщо по UART прийде символ “b” то на порт В буде виведена комбінація 
$0В яка примусить двигуни обертатися в різні напрямки при цьому робот буде 
переміщуватись назад. Крім того на LCD індикатор буде виведено напис “back”. 
 Якщо по UART прийде символ “v” то буде виконуватися переривання від 
АЦП після чого програма зупиниться на 200 мс. В цей час АЦП буде 
перетворювати аналоговий сигнал в цифровий. 
32 
 
Якщо по UART прийде символ “а” то відбудеться очищення LCD 
індикатора і на нього будуть виведено прізвища розробника програми. 
Рисунок. 2.2. Схема алгоритму керування органами переміщення. 
 
 
 
 
 
 
33 
 
2.3. Алгоритм керування вимірювальним процесом робота 
Переривання 
від АЦП
Int adc_data 
char disp [10] 
float volt
Int adc_data = результат 
вимірювання 
АЦП 10/1023
Volt=Int adc_data/1023*5
Перетворити 
змінну volt в 
рядок disp
Вивести disp в 
UART
Вивести disp на 
індикатор
 
Рисунок. 2.3 Схема керування вимірювальним процесом робота 
 
При організації переривання від АЦП необхідно об’явити три основні 
змінні: 
a) adc_data – тут будуть зберігатися результати вимірювань; 
b) disp [10] – в цей рядок будуть виводитись результати перетворень; 
c) volt – тут будуть зберігатись цифрові значення вхідного сигналу. 
В першу чергу виконуються вимірювання сталого сигналу і перетворення 
його в цифровий код. Цей цифровий код заноситься в зміну adc_data. Після цього 
34 
 
результат перетворення представляється в п’яти вольтовому значенні і записується 
в змінну volt. 
Після того як змінна volt перетворилась в символьний рядок для виводу 
через інтерфейс UART на LCD індикатор, після цього виконується вихід з 
переривання. 
 
2.4. Алгоритм обміну інформацією з пультом оператора 
 
Якщо мікроконтролер виявить, що по інтерфейсу UART прийшов якийсь 
символ або рядок то він визначає його довжину і переносить цей рядок в буфер 
даних для подальшої обробки  
В подальшому програма мікроконтролера вибирати дані з цього буфера і 
аналізувати їх на наявність команд 
 
Рисунок. 2.4. Схема обміну інформацією з пультом оператора. 
 
 
 
35 
 
Висновок до розділу 2 
 
Методи позиціонування поділяються на дві основні категорії:   
- Визначення абсолютних координат місця розташування з використанням 
псевдовідстаней, отриманих через далекомірні коди (C/A, P, СТ, ВТ). До цієї групи 
належать автономні та диференціальні методи.   
- Визначення приросту координат або вектора між точками, де розташовані 
приймачі, на основі вимірювань фаз несучої частоти сигналів супутників. Цей 
підхід відомий як відносний метод.   
Автономне позиціонування передбачає визначення координат приймача 
незалежно від даних, які збирають інші приймачі. Однак цей метод піддається 
впливу різноманітних джерел похибок, зокрема: неточностей у визначенні 
координат супутників, впливу середовища, крізь яке проходять сигнали, зовнішніх 
факторів і геометричних характеристик. Як уже зазначалося, точність абсолютного 
позиціонування в системі GPS для цивільних користувачів становить приблизно 
25–100 метрів за допомогою C/A-коду, тоді як для військових користувачів 
точність сягає близько 30 сантиметрів за P-кодом. У випадках, коли необхідна 
висока точність, автономне позиціонування застосовується для визначення 
наближених координат. 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
36 
 
РОЗДІЛ 3. 
РОЗРОБКА КОНСТРУКЦІЇ ТА СХЕМИ ЕЛЕКТРИЧНОЇ 
ПРИНЦИПОВОЇ ВУЗЛІВ ВИМІРЮВАЛЬНОГО РОБОТА. 
ДОСЛІДЖЕННЯ ТА КОНСТРУЮВАННЯ. 
 
 
3.1. Розробка структурної схеми блоку керування вимірювального 
робота  
 
 
Рисунок. 3.1. Структурна схема блоку керування вимірювального 
робота 
 
Структурна схема пристрою блоку керування вимірювального робота 
складається з наступних блоків. 
Блок живлення – призначений для подачі напруги живлення на електричну 
схему. Вхідна напруга живлення складає 5 В. 
Стабілізатор напруги – призначений для підтримання сталої заданої 
напруги 5 В. 
Тактовий генератор – призначений для задання робочої частоти 
мікроконтролера (робоча частота становить 8 МГц). 
37 
 
Блок скидання схеми – призначений для перезапуску керуючої програми 
мікроконтролера. 
 
Мікропроцесорний блок – призначений для керування електродвигунами 
та обробки інформації яка надходить з комп’ютера. Структуру мікропроцесорного 
блоку можна побачити на рисунку 
Блок керування двигунами – призначений для перетворення керуючого 
сигналу мікроконтролера в більш потужний вихідний сигнал для керування 
двигунами. 
Блок двигунів – складається з двох електродвигунів постійного струму які 
призначені для переміщення робота в двовимірному просторі по вісі X і Y 
Блок індикації – призначений для виводу на LCD дисплей текстової 
інформації яка характеризує напрям руху робота та вимірювальну напругу. 
Перетворювач UART / RS- 232 C – призначений для перетворення 
вихідного малопотужного сигналу з виводів мікроконтролера в біль потужній 
сигнал стандарту RS- 232 C. 
Персональний комп’ютер – призначений для керування роботом та 
зберігання інформації про вимірювальні сигнали. 
Блок формування вхідного аналогового сигналу – призначений для 
отримання аналогового значення напруги та перетворення його на заданий 
діапазон напруги (за замовчуванням 5 В). 
25
Ядро мікроконтролерів AVR серії Mega базується на вдосконаленій RISC-
архітектурі (enhanced RISC), що впроваджує низку інновацій для покращення 
продуктивності.  
Арифметико-логічний блок (АЛУ), який відповідає за всі обчислювальні 
операції, безпосередньо з'єднаний із 32 робочими регістрами, що утворюють 
реєстровий файл. Це дозволяє АЛУ виконувати одну операцію (зчитування даних 
5
із регістрів, проведення обчислень і запис результатів назад у реєстровий файл) за 
один такт. Крім того, майже всі команди (за винятком тих, що використовують 16-
25
бітні адреси як операнди) займають лише одну комірку пам’яті програм. 
38 
 
 
Вдосконалена архітектура (enhanced RISC) ядра мікроконтролерів AVR 
Mega, зображена на Рисунку 3.2, включає рішення, які сприяють підвищенню 
ефективності роботи системи. 
 
Рисунок. 3.2. Структура мікропроцесорного блоку 
 
Арифметико-логічний блок (АЛУ), що виконує всі обчислювальні операції, 
безпосередньо пов’язаний із 32 робочими регістрами, які об’єднані в реєстровий 
файл. Це забезпечує можливість виконання однієї операції (зчитування даних із 
5
регістрів, обробка та запис результату назад у реєстровий файл) за один такт. Крім 
того, майже всі команди (за винятком тих, які використовують 16-бітну адресу як 
один із операндів) займають лише одну комірку пам’яті програм. 
Підвищення точності перетворення АЦП. 
Для мінімізації похибки самого АЦП необхідно правильно підібрати 
тактову частоту модуля. Важливим фактором, який також впливає на точність 
39 
 
перетворення, є різноманітні завади та шуми. Їхній вплив особливо відчутний під 
час обробки слабких сигналів. 
Відомо, що мікроконтролер у процесі роботи є джерелом електромагнітних 
завад. Щоб мінімізувати завади, спричинені ядром процесора, в АЦП передбачено 
можливість роботи в режимі Idle. Для цього необхідно виконати такі дії: 
1. Переконатися, що АЦП увімкнений і не зайнятий процесом перетворення. 
Далі перевести його в режим одиночного перетворення та дозволити обробку 
переривань від АЦП. 
2. Встановити мікроконтролер у режим Idle. Після зупинки процесора 
автоматично розпочнеться цикл перетворення. 
3. По завершенні перетворення АЦП згенерує переривання, яке переведе 
мікроконтролер у робочий режим і запустить виконання підпрограми обробки 
цього переривання. 
Однак завади можуть виникати не лише через ядро процесора, але й через 
інші компоненти, зокрема зовнішні. Щоб мінімізувати ці завади, при розробці 
пристрою і проектуванні друкованої плати рекомендується дотримуватися таких 
правил: 
1. На друкованій платі слід передбачити суцільний шар металізації для 
аналогової «землі». Усі аналогові компоненти мікроконтролера та пристрою 
повинні розташовуватися над цим шаром. Аналогову та цифрову «землі» потрібно 
з'єднати в єдиній точці на платі. 
2. Провідники, що передають аналогові сигнали, мають бути якомога 
коротшими та прокладеними над аналоговою «землею». Вони також повинні бути 
віддалені від високошвидкісних цифрових ланцюгів. 
20
3. Вивід AVСС необхідно підключити до джерела живлення VCC через LC-
фільтр, як показано на рисунку 3.3 (розташування виводів умовне). 
20
4. Якщо деякі виводи порту використовуються як цифрові виходи, вони не 
повинні перемикатися під час роботи АЦП (це зауваження не стосується моделі 
AT90C8534). У такому випадку LC-фільтр, зображений на рисунку, слід 
виключити. 
40 
 
 
Рисунок. 3.3. Підключення кола живлення АЦП 
 
Параметри АЦП 
Основні параметри АЦП приведені в  Таблиці. 3.1. Усі значення вказані для 
діапазону температур довкілля - 40.+80°C. 
Для переводу напруги в діапазон 5В використовуємо формулу: 
�� ��
�� ;       (3.1) 
��������
де n – значення АЦП 
 
 
 
 
 
 
 
41 
 
Таблиця. 3.1 
Параметри АЦП 
Позн. Параметр Умова min typ max Одн. Модель 
виміру 
 Дозвіл   10  біт Все 
  �� 4 ��  1 2 МЗР ����90��…  
Абсолютна �� 200 кГц 
похибка �� 4 ��  4  МЗР 
�� 1 МГц 
�� 4 ��  16  МЗР 
�� 2 МГц 
1
���� 3.3 … .6.0 ��   2 МЗР АТ90С8534 
INL Інтегральна �� 2 ��  0.5  МЗР ����90��…  
нелінійність ���� 3.3 … .6.0 ��  1  МЗР АТ90С8534 
DNL Деференційна �� 2 ��  0.5  МЗР ����90��…  
нелінійність ���� 3.3 … .6.0 ��  2  МЗР АТ90С8534 
 Помилка   1  МЗР ����90��…  
1
зміщення ���� 3.3 … .6.0 ��  0.5  МЗР АТ90С8534 
 Час  65  260 мкс ����90��…  
перетворення  76  175 мкс АТ90С8534 
   50  200 кГц ����90��…  
��  Тактова  80  170  АТ90С8534 
 частота 
 Напруга  ��    Все 
живлення 
0.3  
 Опорна      ����90��…  
напруга 
 Вхідний опір      Все 
каналу опорної 
напруги 
 Вхідний опір      Все 
аналогового 
входу 
 
 
42 
 
3.2. Розрахунок параметрів вимірювання та інтерфейсу передачі 
інформації вимірювального робота 
 
Швидкість прийому/передачі 
Управління швидкістю прийому і передачі даних здійснюється 
контроллером швидкості передачі, який є звичайним дільником частоти. 
Швидкість передачі залежить від утримуваного регістра контроллера. У моделях 
AT90S/LS2333 і AT90S/LS4433 цей регістр являєтся 12 розрядним і фізично 
1
розміщується в двох РВВ UBRRHI : UBRR, розташованих по адресах $03 : $09 ($23: 
$29). У інших моделях він розміщується в одному регістрі UBRR, розташованому 
за адресою $09 ($29). Власне швидкість передачі визначається наступним 
вираженням: 
     (3.2) 
5
де BAUD — швидкість передачі (у бодах); fCLK — тактова частота 
мікроконтролера, Гц; UBR — вміст регістра контроллера швидкості передачі 
1
(0.4095 для моделей AT90S/LS2333 і AT90S/LS4433 і 0.255 для інших моделей). 
 
Як відомо, існує ряд значень швидкості передачі даних, що являються, по 
суті справи, стандартними. Значення регістра UBR, передачі, що дозволяють 
5
отримати ці швидкості, при використанні різних резонаторів, а також величини 
24
помилок значень, що набувають, відносно їх теоретичного значення приведені в 
Таблиці. 3.2. 
 
 
 
 
 
 
 
43 
 
Таблиця. 3.2 
Значення регістра UBR для різних значень тактової частоти 
мікроконтролера 
Швидкість 1 МГц Помилка 1.8432 МГц Помилка 2 МГц Помилка 2.4576 МГц Помилка 
1
[бод] [%] [%] [%] [%] 
2400 UBR=25 0.2 UBR=47 0.0 UBR=51 0.2 UBR=63 0.0 
4800 UBR=12 0.2 UBR=23 0.0 UBR=25 0.2 UBR=31 0.0 
9600 UBR=6 7.5 UBR=11 0.0 UBR=12 0.2 UBR=15 0.0 
14400 UBR=3 7.8 UBR=7 0.0 UBR=8 3.7 UBR=10 3.1 
19200 UBR=2 7.8 UBR=5 0.0 UBR=6 7.5 UBR=7 0.0 
28800 UBR=1 7.8 UBR=3 0.0 UBR=3 7.8 UBR=4 6.3 
38400 UBR=1 22.9 UBR=2 0.0 UBR=2 7.8 UBR=3 0.0 
57600 UBR=0 7.8 UBR=1 0.0 UBR=1 7.8 UBR=2 12.5 
76800 UBR=0 22.9 UBR=1 33.3 UBR=1 22.9 UBR=1 0.0 
115200 UBR=0 84.3 UBR=0 0.0 UBR=0 7.8 UBR=0 25.0 
1
2400 UBR=84 0.4 UBR=95 0.0 UBR= 0.2 UBR=119 0.0 
4800 UBR=42 0.8 UBR=47 0.0 UBR= 0.2 UBR=59 0.0 
9600 UBR=20 1.6 UBR=23 0.0 UBR= 0.2 UBR=29 0.0 
14400 UBR=13 1.6 UBR=15 0.0 UBR= 2.1 UBR=19 0.0 
19200 UBR=10 3.1 UBR=11 0.0 UBR= 0.2 UBR=14 0.0 
28800 UBR=6 1.6 UBR=7 0.0 UBR= 3.7 UBR=9 0.0 
38400 UBR=4 6.3 UBR=3 0.0 UBR= 7.5 UBR=7 6.7 
57600 UBR=3 12.5 UBR=5 0.0 UBR= 7.8 UBR=4 0.0 
76800 UBR=2 12.5 UBR=2 0.0 UBR= 7.8 UBR=3 6.7 
115200 UBR=4 12.5 UBR=1 0.0 UBR= 7.8 UBR=2 20.0 
4
2400 UBR=191 0.0 UBR=207 0.2 UBR=239 0.0 UBR=287 - 
4800 UBR=95 0.0 UBR=103 0.2 UBR=119 0.0 UBR=143 0.0 
9600 UBR=47 0.0 UBR=51 2.2 UBR=59 0.0 UBR=71 0.0 
14400 UBR=31 0.0 UBR=34 0.8 UBR=39 0.0 UBR=47 0.0 
19200 UBR=23 0.0 UBR=25 0.2 UBR=29 0.0 UBR=35 0.0 
28800 UBR=15 0.0 UBR=16 2.1 UBR=19 0.0 UBR=23 0.0 
38400 UBR=11 0.0 UBR=12 0.2 UBR=14 0.0 UBR=17 0.0 
57600 UBR=7 0.0 UBR=8 3.7 UBR=9 0.0 UBR=11 0.0 
76800 UBR=5 0.0 UBR=6 7.5 UBR=7 6.7 UBR=8 0.0 
115200 UBR=3 0.0 UBR=3 7.8 UBR=4 0.0 UBR=5 0.0 
 
5
Значення регістра UBR, при яких отримувана швидкість передачі 
відрізняється від необхідного значення менше ніж на 2%, виділені в таблиці 
44 
 
жирним шрифтом. Проте оскільки при збільшенні помилки завадозахищеність лінії 
передачі знижується, швидкості передачі, що мають помилку установки більше 1%, 
використовувати не рекомендується. 
 
 
3.3. Розробка та результати тестування мікропроцесорної системи 
керування вимірювальним роботом 
 
В моделі був використаний мікроконтролер ATmega16. Для керування 
двигунами використовуємо мікросхеми L293D. Призначення її виводів 
представлено на рисунку   
Для сполучення мікроконтролера з комп’ютером використовується 
мікросхема MAX 232. Призначення її виводів представлено на рисунку3.4. 
 
Рисунок.3.4. Схема сполучення мікроконтролера з комп’ютером. 
 
Для виводу інформації використовується LCD дисплей WH 1602 A. 
16
Призначення її виводів представлено на рисунку 3.5. 
45 
 
 
Рисунок. 3.5. Схема підключення LCD дисплею WH 1602 A. 
 
Для перевірки правильної роботи програмного забезпечення була 
розроблена модель вимірювального робота. Моделювання проводилось в програмі 
16
Proteus 7 Professional. Зовнішній вигляд моделі представлено   на   Рисунок. 3.6. 
46 
 
 
Рисунок. 3.6. Зовнішній вигляд моделі 
 
16
Приклад виводу вимірювальної інформацій представлено на Рисунку 3.7. 
 
Рисунок. 3.7. Приклад виводу вимірювальної інформацій 
47 
 
Для тестування роботи системи керування роботом було використано 
чотири теста: 
 похибка вимірювань напруг 
 похибка при передачі даних на комп’тер 
 стабільність роботи схеми при зміні напруги живлення 
 дослідження точності вимірювання напруги при різних відстанях до 
об’єкту вимірюваня 
1. Похибка вимірювань напруг 
При дослідженні схеми на похибку вимірюванням була поставлена мета 
виявити з яким діапазоном напруг може працювати вбудований АЦП. 
Нижче наведена Таблиця. 3.3 в якій наведені похибки для різних значень 
напруги. 
Згідно таблиці похибка набуває критичних значень при значенні вхідної 
напруги менше 0,1 V 
Таблиця. 3.3 
Таблиця похибки вимірювань напруг 
Uреал. Uвимір. Δδабсо. пох. 
5 5 0 
4 4,003 0,003 
3 3,001 0,001 
2 2,004 0,004 
1 1,002 0,002 
0,1 0,098 0,902 
0,05 0,049 0,451 
0,0125 0,015 0,0025 
0,005 0,005 0 
0,0025 0,005 0,0025 
0,0001 0,000 0,0001 
 
48 
 
2. Похибка при передачі даних на комп’тер. 
Підчас тестування ми змінюємо частоту інтерфейсу UART при не змінній 
робочій частоті процесора 8 МHz. 
Результати наведені в Таблиця. 3.4.  
Таблиця. 3.4 
Таблиця похибки при передачі даних на комп’тер 
f UART біт/с Похибка % 
300 0,0 
600 0,00 
1200 -0,01 
2400 0,2 
4800 0,2 
9600 0,2 
14400 -0,8 
19200 0,2 
38400 0,2 
56000 -0,8 
57600 -3,7 
115200 -7,8 
 
При таких частотах як 14400 – 115200 інтерфейс UART використовувати не 
можливо, оскільки похибка передачі даних складає дуже великі значення. 
Серед частот у яких похибка не велика доцільно використовувати частоту 
9600 біт/с, оскільки це стандартна частота для передачі даних по інтерфейсу UART. 
3. Стабільність роботи схеми при зміні напруги живлення. 
В процесі дослідження була поставлена мета: визначити мінімальну робочу 
напругу безвідмовної роботи процесорного блоку. 
За даними розробника мікроконтролера ATmega 16 діапазон оптимальних 
робочих напруг складає 4,8 – 5,4 V. 
49 
 
Підчас тестування було виявлено, що мінімальна робоча напруга 
мікроконтролера складає 3,55 V. Це може бути корисним при живленні пристрою 
від акумуляторного блоку живлення. 
Крім того при необхідності можна використати мікроконтролер з 
пониженою напругою живлення. Наприклад ATmega 16 PL, у якого мінімальна 
напруга живлення становить 3,2 V. 
4. Дослідження точності вимірювання напруги при різних відстанях до 
об’єкту вимірюваня. 
Підчас досліду вимірювалась напруга під впливом зовнішнього сигналу 
(лампочка) на різних відстанях від джерела світла. При цьому на результат на 
результат вимірювання впливає власна похибка АЦП та динамічна падіння 
напруги. 
Результати досліду наведені в Таблиця. 3.5. 
Таблиця. 3.5 
Таблиця точності вимірювання напруги при різних відстанях 
Відстань Uдійсне Uвиміряне Δδабсо. пох. 
1 4,9 4,86 0,03 
2 4,53 4,47 0,06 
3 4,51 4,49 0,03 
4 4,47 4,42 0,05 
5 4,45 4,38 0,07 
6 4,39 4,32 0,07 
7 4,33 4,24 0,09 
8 4,27 4,15 0,12 
9 4,1 3,93 0,17 
10 3,8 3,61 0,19 
 
Результати так представлені на нижче наведених графіках: графік 
залежності падіння напруги від відстані, залежність виміряної напруги від відстані 
вимірювання, залежність абсолютної похибки вимірювання від відстані. 
50 
 
U, В
6
5
4
3
U, В
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L, м
 
Графік 1. Графік залежності падіння напруги від відстані 
 
U, B
6
5
4
3
U, В
2
1
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L, м
 
Графік 2. Залежність виміряної напруги від відстані вимірювання 
51 
 
Δδ
0,2
0,18
0,16
0,14
0,12
0,1
Δδ
0,08
0,06
0,04
0,02
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 L, м
 
Графік 3. Залежність абсолютної похибки вимірювання від відстані. 
 
В результаті отриманого досліду ми бачимо. На відстані більш як 7 м 
вимірювати не можливо. 
Модель цього досліду представлена на рисунку3.8 Proteus 7 Professional 
 
Рисунок. 3.8 Схема вимірювання напруги при різних відстанях до 
об’єкту вимірювання 
52 
 
3.4. Система діагностування положення об‘єкту в процесі дослідження 
 
14
Залежно від типу взаємодії АСМ може працювати в одному з наступних 
режимів.  
Розрізняють контактний, неконтактний і переривчасто-контактний 
(«напівконтактний») способи проведення силової мікроскопії.  
 
3.4.1. Безконтактні датчики контролю процесу позиціонування 
 
18
В якості датчика в АСМ можуть бути використані будь-які надточні та 
надчутливі (прецизійні) вимірювачі переміщень, наприклад оптичні, ємнісні або 
тунельні датчики. 
При використанні неконтактного способу зонд віддалений від поверхні і  в 
області дії далекодіючих притягуючих сил. Сили тяжіння та їх градієнти слабкіші 
за відштовхуючі контактні сили, тому для їх детектування, зазвичай, 
використовується модуляційна методика. Для цього за допомогою п’єзовібратора 
кантилевер розгойдується по вертикалі на резонансній частоті. Далеко від поверхні 
амплітуда коливань кантилевера має максимальну величину. У міру наближення 
до поверхні внаслідок дії градієнта сил тяжіння резонансна частота коливань 
кантилевера змінюється, при цьому зменшується амплітуда його коливань. Ця 
3
амплітуда реєструється за допомогою оптичної системи за відносною зміною 
змінної освітленості верхньої і нижньої половинок фотодетектора.  
При “напівконтактному” способі вимірювань також застосовується 
модуляційна методика вимірювання силової взаємодії. У “напівконтактному” 
режимі зонд частково торкається поверхні, чи позмінно як в області тяжіння, так і 
в області відштовхування. Існують також інші, простіші, способи детектування 
силової взаємодії, при яких відбувається пряме перетворення силової взаємодії в 
електричний сигнал. Один з таких способів заснований на використанні прямого 
п’єзоефекту, коли вигин п’єзоматеріалу під дією силової взаємодії приводить до 
появи електричного сигналу. 
53 
 
При неконтактному способі вимірювань руйнування зразка відсутнє, проте 
вимірювані сигнали також дуже малі. Тому найчастіше для візуалізації різних 
властивостей поверхні в силовій мікроскопії використовується “напівконтактний” 
спосіб детектування взаємодії. При цьому,  короткочасного контакту, дія зонда на 
поверхню мінімальна, а вимірювані сигнали достатні для їх надійного 
детектування. Додатковою перевагою “напівконтактного” способу є відсутність 
силової зсувної дії на досліджувану поверхню, що істотно зменшує спотворення 
отримуваних зображень. 
8
Як вже згадувалося, при неконтактному режимі роботи АСМ зонд   далеко 
від поверхні зразка в області дії сил тяжіння. Зазвичай, в контактному режимі 
використовуються жорсткі I-подібні кремнієві кантилевери з циліндричними 
зондами. Кантилевери мають пружну константу k=10÷100 Н/м. 
 
19
Рисунок. 3.17. Схема сканую чого атомно-силового мікроскопу 
(неконтактний режим роботи): 1 – зонд; 2 – кантилевер; 3 – п’єзовібратор; 4 – 
генератор змінної напруги; 5 – напівпровідниковий лазер; 6 – квадрантний 
фотодетектор; 7 – синхронний детектор; 8 - компаратор 
 
Для детектування сил тяжіння та їх градієнтів використовується 
модуляційна методика. Для цього на п’єзовібратор, на якому закріплений 
кантилевер із зондом, прикладається змінна напруга (Рисунок. 3.17), яка  зміну його 
геометричних розмірів. Частоту змінної напруги вибирають рівною власній частоті 
коливань кантилевера. Внаслідок цього кантилевер коливається над зразком з 
резонансною частотою 0:  
54 
 
 k
0  ,      (3.3) 
m
де m – маса системи «зонд-кантилевер».  
Рівняння, що описує рух зонда при малій амплітуді коливань має вигляд:  
 
2z 
 0 z 
2 0  z z0  z 2
0cost    (3.4) 
t Q t
 
5
де   – частота вимушуючих коливань п’єзодрайва, z0  – відстань зонд-зразок при 
нульовій амплітуді коливань, z(t) – відстань зонд-зразок у момент часу t,  z  – 
амплітуда вимушуючих коливань (кінця кантилевера, закріпленого на 
п’єзовібраторі), амплітуда збудження, Q – добротність (безрозмірна величина), що 
залежна від коливальної системи і умов зовнішнього середовища (повітря, рідина 
або вакуум). Величина Q пов'язана з характерним часом загасання  
співвідношенням:  
 
2Q0       (3.5) 
 
5
Вимушені коливання утворюються з двох різних типів коливань – 
перехідного процесу і стаціонарного коливання. Перехідний процес є загальним 
вирішенням рівняння (3.39) при  z  0 ; він затухає з часом та інтересу не 
представляє. Стаціонарне коливання є чисто гармонійним коливанням з частотою 
ω і амплітудою збудження ∆z ≠ 0.  
Амплітуда стаціонарних коливань зонда дорівнює:  
 
Q2 4
  z 0     (3.6) 
 2 2  Q2  2
0 0 
2 2
 
55 
 
З фази   коливань вільного кінця кантилевера  закріпленого визначається 
виразом: 
tg   1 
 0      (3.7) 
Q  2
0 
2
 
Наближення зонда до поверхні зразка  до виникнення сили взаємодії між 
5
ними, що еквівалентно збільшенню маси зонда. Це  до зсуву амплітудно-частотної 
характеристики (АЧХ) і фазо-частотної характеристики (ФЧХ) коливань 
кантилевера вліво в порівнянні із зміряними далеко від поверхні (Рисунок. 3.18). 
5
Резонансна частота коливань кантилевера змінюється при зміні градієнта 
dF
сили  (при наближенні зонда до поверхні) в порівнянні з вільно резонуючим 
dz
кантилевером (далеко від поверхні) відповідно до виразу: 
 
  1 dF
0  0 1      (3.8) 
k dz
 
 
Рисунок. 3.18. Залежність амплітуди   та фази   коливань зонда на 
5
відставі від поверхні (а) та при наближенні до поверхні зразка (б) 
 
3
Оскільки частота вимушених коливань кантилевера підтримується 
постійною і рівною 0 у вільному стані, то при наближенні зонда до поверхні 
амплітуда коливань вільного кінця кантилевера зменшується. Ця амплітуда 
коливань реєструється за допомогою оптичної системи і може бути визначена за 
56 
 
3
відносною зміною змінної освітленості верхньої і нижньої половинок 
фотодетектора. Далі за допомогою синхронного детектора виділяється постійний 
сигнал, узгоджений з синхросигналом від генератора напруги (Рисунок. 3.17). 
Компаратор порівнює поточний сигнал в ланцюзі сенсора із наперед 
заданим VS (характеризує рівень сили, на якому зонд утримується від поверхні 
зразка) і, при його відхиленні виробляє коректуючий сигнал VFB. Взаємодія зонда 
із зразком підтримується постійною за рахунок наближення і відведення зонда від 
поверхні системою зворотного зв'язку, яка керує Z-п’єзоприводом, так, щоб сила 
взаємодії між зондом і зразком (а як наслідок, і амплітуда коливань зонда) була 
постійною (режим постійної сили). Сигнал про висоту z в кожній точці зображення 
(x, у) береться з каналу Z-п’єзопривода.  
Оскільки в неконтактному режимі немає фізичного контакту із зразком, 
сила взаємодії між зондом і зразком дуже мала, цей режим більш підходить для 
сканування з високим дозволом м’яких та "липких" зразків (полімерів) або дуже 
твердих зразків. 
Конструкція і принцип дії датчика силової взаємодії скануючого зондового 
мікроскопа NanoEducator. 
3
Датчик силової взаємодії приладу NanoEducator виконаний у вигляді 
п’єзокерамічної трубки довжиною l = 7 мм, діаметром d = 1,2 мм і товщиною 
стінки h = 0,25 мм, жорстко закріпленої з одного кінця. На внутрішню поверхню 
трубки нанесений провідний електрод. На зовнішню поверхню трубки нанесені два 
електрично ізольованих напівциліндрових електроди. До вільного кінця трубки 
прикріплений вольфрамовий дріт діаметром 100 мкм (Рисунок. 3.19).  
 
 
57 
 
3
Рисунок. 3.19. Конструкція датчика силової взаємодії приладу 
NanoEducator 
 
Вільний кінець дроту, що використовується як зонд, заточений 
електрохімічним способом, радіус закруглення має величину 0,2 – 0,05 мкм. Зонд 
має електричний контакт із внутрішнім електродом трубки, сполученим із 
заземленим корпусом приладу. 
Одна частина п'єзоелектричної трубки використовується як п’єзовібратор, а 
3
інша – як датчик механічних коливань. До п’єзовібратору підводиться змінна 
електрична напруга з частотою, що дорівнює резонансній частоті силового датчика 
(Рисунок. 3.20).  
 
 
Рисунок. 3.20. Принцип роботи п’єзоелектричної трубки в якості 
датчика силової взаємодії 
 
3
В процесі коливань зонда на другій частині п’єзоелемента (датчика 
коливань) виникає змінна електрична напруга, що пропорційна зсуву зонда, яка і 
вимірюється приладом. 
 
58 
 
3.4.2. Контактні датчики положення об‘єкту дослідження 
 
Використання контактного способу припускає, що зонд упирається в зразок. 
3
При вигині кантилевера під дією контактних сил відбитий від нього промінь лазера 
зміщується  центру квадрантного фотодетектора. Таким чином, відхилення 
кантилевера може бути визначене за відносною зміною освітленості верхньої і 
нижньої половинок фотодетектора. 
14
У контактному режимі зонд притискається до зразка і його відхилення 
викликане взаємним відштовхуванням атомів вістря голки і поверхні в результаті 
перекривання їх електронних оболонок і кулонівського відштовхування ядер. 
14
В якості датчика можуть використовуватися будь-які особливо точні та 
чутливі вимірювачі переміщень, наприклад оптичні, ємкісні або тунельні датчики. 
Контактний спосіб вимірювань найбільш зручний з погляду детектування 
силової взаємодії, оскільки величини сил відштовхування в області контакту 
можуть значно перевищувати величини сил тяжіння. Проте при його використанні 
існує небезпека виникнення порушень структури поверхні зразка і швидкого зносу 
або навіть поломки зонда. 
8
У цьому режимі роботи взаємодія зонда і зразка здійснюється в області дії 
сил відштовхування. Зазвичай, в контактному режимі використовуються 
тонкоплівкові V-подібні кантилевери з Si3N4 з пірамідальними зондами. 
19
Кантилевери мають пружну константу k = 0,03 ÷ 1 Н/м. 
Сила F, що діє на зонд з боку поверхні,  до вигину кантилевера x, 
співвідношення між якими визначається за законом Гуку: 
 
F  kx       (3.9) 
 
Величина вигину реєструється, як правило, за допомогою оптичної системи 
(Рисунок. 3.21), що складається з напівпровідникового лазера і чотирьохсекційного 
(квадрантного) фотодіода[137].  
59 
 
 
Рисунок. 3.21. Схема силового сенсора 
 
Оптична система АСМ юстується так, щоб випромінювання лазера 
фокусувалося на кінці кантилевера, а відбитий промінь потрапляв в центр 
3
фотодетектора. При вигині кантилевера під дією контактних сил відбитий від нього 
промінь лазера зміщується  центра фотодетектора. Таким чином, відхилення 
кантилевера може бути визначене за відносною зміною освітленості верхньої і 
нижньої половинок фотодетектора. На такому оптичному датчику взаємодії зараз 
заснована дія більшості сучасних зондових мікроскопів. 
Разом з використанням стандартного оптичного датчика для реєстрації сил 
взаємодії зонд-зразок, існує можливість застосування п’єзорезистивних 
кантилеверів (п’єзолеверів) (Рисунок. 3.22). 
Застосування п’єзолеверів засноване на використанні п’єзорезистивного 
ефекту, що полягає в зміні об’ємного електроопору при механічної напруги. 
Кремній, що застосовується для виготовлення кантилеверів, володіє сильним 
п’єзорезистивним ефектом. Принцип дії п’єзолевера простий – при вигині 
кантилевера виникає сильна механічна напруга, що приводить до зміни 
електроопору резистивного шару. В якості п’єзорезистивного матеріалу 
використовують сформовані іонною імплантацією області аморфного кремнію на 
60 
 
поверхні кантилевера. Конструкція п’єзорезистивного кантилевера показана на 
рисунку 3.22.  
 
Рисунок. 3.22. Конструкція п’єзорезистивного кантилевера 
(п’єзолевера) 
 
Форма кантилевера дозволяє електричному струму протікати по плечах 
кантилевера, що піддається найбільшій механічній деформації. Кантилевер 
електрично ізольований від підложки тонким шаром діоксиду кремнію. Дуже 
важливо, щоб шар резистивного елементу був якомога тоншим, щоб забезпечити 
протікання струму в області найбільшого вигину кантилевера. 
На Рисунку. 3.23 показана схема АСМ сенсора з п’єзорезистивним 
елементом. Два контакти п’єзолевера підключаються в схему моста Уїнстона, що 
дозволяє безпосередньо за зміною електроопору вимірювати вигин кантилевера. 
 
61 
 
 
Рисунок. 3.23. Схема АСМ сенсора з п’єзолевером 
 
Найважливіша перевага п’єзолеверів – це простота настройки приладу. 
Якщо настройка оптичного датчика вимагає точного підведення лазерного променя 
на кінчик кантилевера і балансування фотодетектора, тобто прецизійного 
юстування, то у разі використання п’єзолеверів робота приладу можлива відразу 
після встановлення п’єзолевера. 
 
 
3.5. Розробка керуючої програми мікропроцесорної системи керування 
вимірювальним роботом 
 
Програма наводиться згідно алглритмів представлених в пунктах 2.1, 2.2, 
2.3, 2.4. Програма розроблялася в середовищі Code Vision AVR. 
/ *************************************** ************** 
Ця програма створена на основі програмного емулятора  
CodeWizardAVR V2.03.9 Стандарт 
Автоматизований генератор програм 
29
© Copyright 1998-2008 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l. 
Http: // www.hpinfotech.com 
 
Проект:  
Версія:  
Дата: 21.12.2009 
62 
 
Автор: Admin 
Компанія: Microsoft 
Коментарії: 
 
Тип чіпа (мікроконтролера): ATmega16 
Тип Програми: Заява (застосування) 
AVR Основна робоча частота: 8,000000 MHz 
Модель пам’яті: Маленька 
Зовнішній розмір памяті: 0 
Розмір стека даних: 256 
*************************************** **************/ 
 
*include <mega16.h> 
 
// Алфавітно-цифрові LCD функція модуля 
9
*asm 
   .equ __ lcd_port=0x15; PORTC 
*endasm 
*include <lcd.h> 
 
*define RXB8 1 
*define TXB8 0 
*define UPE 2 
*define OVR 3 
*define FE 4 
*define UDRE 5 
*define RXC 7 
 
*define FRAMING_ERROR (1 < < FE) 
*define PARITY_ERROR (1 < < UPE) 
63 
 
*define DATA_OVERRUN (1 < < OVR) 
*define DATA_REGISTER_EMPTY (1 < < UDRE) 
*define RX_COMPLETE (1 < < RXC) 
 
// USART буфер прийому 
#define RX_BUFFER_SIZE 100 
char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE]; 
 
#if RX_BUFFER_SIZE<256 
unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter; 
#else 
unsigned int rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter; 
#endif 
 
// Ця помітка встановлена на USART буфері приймача, коли виходять за 
межі дані rx_buffer_overflow; 
 
// USART приймач перериває  обслуговування (роботи) 
12
interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void) 
{ 
char status,data; 
status=UCSRA; 
data=UDR; 
if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | 
DATA_OVERRUN))==0) 
   { 
   rx_buffer[rx_wr_index]=data; 
   if (++rx_wr_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_wr_index=0; 
   if (++rx_counter == RX_BUFFER_SIZE) 
      { 
64 
 
      rx_counter=0; 
      rx_buffer_overflow=1; 
      }; 
   }; 
} 
 
#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_ 
// Отримати знак від USART буфера приймача 
10
#define _ALTERNATE_GETCHAR_ 
#pragma used+ 
char getchar(void) 
{ 
char data; 
while (rx_counter==0); 
data=rx_buffer[rx_rd_index]; 
if (++rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0; 
#asm("cli") 
--rx_counter; 
#asm("sei") 
return data; 
} 
#pragma used- 
#endif 
 
// Стандартна функція вводу/виводу даних 
31
#include <stdio.h> 
 
#include <delay.h> 
 
#define ADC_VREF_TYPE 0x40 
65 
 
 
// ADC приймач перериває  обслуговування (роботи) 
 
33
interrupt [ADC_INT] void adc_isr(void) 
{ 
  unsigned int adc_data; 
  char disp[5]; 
// Зчитування результату перетворення 
  Adc_data=ADCW; 
// Вивести результати  
    sprintf(disp,"%i",adc_data); 
  printf("U="); 
  puts(disp); 
  printf("/1023*5 V\r\n"); 
11
  lcd_gotoxy(1,0); 
  lcd_putsf("U=") ;  
  lcd_puts(disp) ;  
  lcd_putsf("/1023*5 V\r\n") ;  
} 
 
// Оголосити ваші глобальні змінні 
 
void main(void) 
{ 
unsigned char Dat; 
 
// Оголосити ваші місцеві змінні 
 
// Порти входу / вихідних даних initialization 
6
// Порт A initialization 
66 
 
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In 
Func0=In  
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTA=0x00; 
DDRA=0x00; 
 
// Порт B initialization 
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In 
Func0=In  
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTB=0x00; 
DDRB=0xFF; 
 
// Порт C initialization 
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In 
Func0=In  
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTC=0x00; 
DDRC=0x00; 
 
// Порт D initialization 
// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In 
Func0=In  
// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T  
PORTD=0x00; 
DDRD=0x00; 
 
// Таймер / кінець 0 initialization 
// Джерело часу: Годинник системи 
// Ціна Часу: Таймер 0 Зупинився 
67 
 
// Спосіб: Нормальний top=FFh 
// OC0 виведення даних: Роз’єднати 
10
TCCR0=0x00; 
TCNT0=0x00; 
OCR0=0x00; 
 
// Таймер / кінець 1 initialization 
// Джерело часу: Годинник системи 
// Ціна Часу: Таймер 1 Зупинився 
10
// Спосіб: Нормальний top=FFFFh 
// OC1A виведення даних: Discon. 
// OC1B виведення даних: Discon. 
// Шум Canceler: Off 
// Захват Входу на падаючому краю 
// Таймер 1 Виходить за межі, переривання: Off 
// Захват входу перериває: Off 
// Зрівняти,  порівняння А, переривання:Off 
10
// Зрівняти,  порівняння B, переривання: Off 
TCCR1A=0x00; 
TCCR1B=0x00; 
TCNT1H=0x00; 
TCNT1L=0x00; 
ICR1H=0x00; 
ICR1L=0x00; 
OCR1AH=0x00; 
OCR1AL=0x00; 
OCR1BH=0x00; 
OCR1BL=0x00; 
 
// Таймер / кінець 2 initialization 
68 
 
// Джерело часу: Годинник системи 
// Ціна Часу: Таймер 2 Зупинився 
// Спосіб: Нормальний top=FFh 
// OC2 виведення даних: Роз’єднати 
15
ASSR=0x00; 
TCCR2=0x00; 
TCNT2=0x00; 
OCR2=0x00; 
 
// Зовнішнє переривання (s) initialization 
// INT0: Off 
// INT1: Off 
// INT2: Off 
MCUCR=0x00; 
MCUCSR=0x00; 
 
// / Кінець (s) Таймера (s) Переривання (s) initialization 
TIMSK=0x00; 
 
// USART initialization 
// Параметри зв’язку: 8 Даних, 1 Зупинка, Відсутній Parity 
// USART приймач: On 
// USART Передатчик: On 
// USART Спосіб: Асинхронний 
// USART Норма: 9600 
UCSRA=0x00; 
UCSRB=0x98; 
UCSRC=0x86; 
UBRRH=0x00; 
UBRRL=0x33; 
69 
 
 
// Аналог компаратор initialization 
// Аналог компаратор: Off  
28
// Аналог компаратор Захват входу Таймером / завершенням 1: Off 
ACSR=0x80; 
SFIOR=0x00; 
 
// ADC initialization 
// ADC частота годинника: 125,000 кГц 
// ADC Посилання (рекомендація) напруги: AVCC pin 
22
// ADC Авто джерело пускового механізму: None 
ADMUX=ADC_VREF_TYPE и 0xff; 
ADMUX=0b01000000;  
ADCSRA=0x8E; 
 
// LCD модуль initialization 
Lcd_init (16); 
 
// Глобальний дозвіл, переривання 
#asm("sei") 
  
while (1) 
      { 
      // Place your code here 
        if (rx_counter){ 
43
//          lcd_gotoxy(2,0);  
          while(rx_counter!=0){ 
            Dat=getchar(); 
//          lcd_putchar(getchar()); 
            if (Dat=='v') 
70 
 
            { 
              ADCSRA.6 = 1; 
              delay_us(200);  
            } else 
            if (Dat=='f') 
            { 
              PORTB=0x06; 
11
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("                ") ;  
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("Forvard") ;  
            } else 
            if (Dat=='b') 
            { 
              PORTB=0x09; 
11
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("                ") ;  
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("Back") ;  
            } else 
            if (Dat=='r') 
            { 
              PORTB=0x05; 
11
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("                ") ;  
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("Right") ;  
            } else 
            if (Dat=='l') 
            { 
71 
 
              PORTB=0x0A; 
11
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("                ") ;  
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("Left") ;  
            } else 
            if (Dat=='s') 
            { 
              PORTB=0x00; 
11
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("                ") ;  
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("Stop") ;  
            } else 
            if (Dat=='a') 
            { 
              lcd_clear(); 
              lcd_gotoxy(1,0); 
              lcd_putsf("") ;  
              lcd_gotoxy(1,1); 
              lcd_putsf("Snigur") ;  
            } 
 
          } 
        } 
      } 
} 
End. 
 
Висновок до розділу 3 
72 
 
 
В тестуванні роботи системи керування роботом було використано чотири 
теста: 
 похибка вимірювань напруг 
 похибка при передачі даних на комп’тер 
 стабільність роботи схеми при зміні напруги живлення 
 дослідження точності вимірювання напруги при різних відстанях до 
об’єкту вимірюваня 
В результаті цього були зафіксовані і зняті дані на основі яких побудовані 
таблиці і побудовані графіки. 
18
В якості датчиків в АСМ можуть бути використані будь-які надточні та 
надчутливі (прецизійні) вимірювачі переміщень, наприклад оптичні, ємнісні або 
тунельні датчики. 
І з даних отриманих в дослідах безконтактних і контактних датчиків ми 
8
бачимо що, при неконтактному режимі роботи АСМ зонд   далеко від поверхні 
зразка в області дії сил тяжіння. Зазвичай, в контактному режимі використовуються 
жорсткі I-подібні кремнієві кантилевери з циліндричними зондами. Кантилевери 
мають пружну константу k=10÷100 Н/м. 
А найважливіша перевага п’єзолеверів – це простота настройки приладу. 
Якщо настройка оптичного датчика вимагає точного підведення лазерного променя 
на кінчик кантилевера і балансування фотодетектора, тобто прецизійного 
юстування, то у разі використання п’єзолеверів робота приладу можлива відразу 
після встановлення п’єзолевера. 
 
 
 
 
 
  
73 
 
РОЗДІЛ 4. 
ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ ПАРАМЕТРІВ КЕРОВАНОСТІ 
РОЗРОБЛЕНОЇ МІКРОПРОЦЕСОРНОЇ СИСТЕМИ НА ТОЧНІСТЬ 
ПОЗИЦІОНУВАННЯ ТА ВИМІРЮВАННЯ В РОБОЧІЙ ЗОНІ РОБОТА 
 
 
4.1. Вплив параметрів керованості на точність позиціонування та 
вимірювань робота 
 
4.1.1. Вплив динамічних та статичних параметрів на точність 
 
Точність позиціонування по кожній з 5-ти координат визначалася 
відповідно до ISO-2 1997 (точність позиціонування при двосторонньому підході до 
точки позиціонування). В якості вимірювального засобу застосовувався лазерний 
інтерферометр ML-10. Крива точності позиціонування по координаті Y при одній 
38
реалізації вимірювань показана на рисунку 4.1.  
 
Рисунок. 4.1. Крива точності позиціонування по координаті Y при 
одній реалізації вимірювань: 1 - «прямий» хід, 2 - «зворотний» хід, 3 - середнє 
значення 
 
 
74 
 
Багатократні вимірювання показали, що:  
1. Точність позиціонування електродвигуна вздовж лінійних координат X,Y 
знаходиться в межах норм точності.  
2. Поведінка кривих середніх (накопичених) відхилень характеризується 
точністю проведення «внутрішнього» калібрування електродвигуна. Для 
зменшення цього виду відхилень потрібні додаткові дослідження по уточненню 
алгоритму калібрування і вдосконалення засобів вимірювання.  
3. Погрішність зворотного ходу характеризує якість конструкції системи 
електродвигуна з погляду контактних деформацій в рухомих стиках. Зміна напряму 
руху приводить до зміни напряму контактних і інших деформацій, що, у свою 
чергу, приводить до повороту вузлів у зворотний бік, а це викликає погрішність 
зворотного ходу. 
26
4. Випадкова складова (розкид) характеризує правильність вибору натягу у 
всіх рухомих і нерухомих стиках вузлів електродвигуна а також характеризує сили 
тертя в рухомих вузлах електродвигуна. У даній конструкції електродвигуна натяг 
вибраний вдало і випадкова складова на порядок менше накопичених відхилень.  
Точність позиціонування є інтегральною оцінкою точності електродвигуна 
що включає точність виготовлення основних базових деталей його системи, якість 
його збірки, юстування і калібрування. Точність позиціонування визначається 
сукупною дією всіх первинних погрішностей механізмів системи електродвигуна і 
є оцінкою точності електродвигуна в статиці (при нульовій швидкості руху).  
 
Точність відтворення еталонного кола 
Для оцінки точності електродвигуна при русі застосовується метод 
вимірювання точності відробітку еталонної траєкторії, зокрема, кола заданого 
радіусу. Як вимірювальний засіб при цьому методі в даний час широко 
застосовується прилад QC-10 ф. Renishaw. 
 
75 
 
Рисунок. 4.2. Круглограма Рисунок. 4.3 Круглограма 
обходу кола R=150мм в площині XY обходу кола R=150 мм в площині 
(рух здійснюється платформою і столом XY (рух здійснюється тільки 
на контурній швидкості  платформою на швидкості F=1500 
F =500 мм/хв) мм/хв): 1-6 сплески відхилень при 
реверсі приводів 
 
 
При дослідженні точності вказаним методом вдалося виявити особливості 
відробітку кола платформою Гауфа Стюарта:  
1. Низькочастотні «хвилі» в поведінці кривої відхилення від кола не 
залежать від швидкості обходу контура і визначаються кінематичними 
погрішностями платформи, які можуть бути зменшені, як вже наголошувалося, 
вдосконаленням алгоритму калібрування і підвищенням точності її проведення. На 
рисунку 4.2 показана поведінка кривої відхилення відтворення еталонного кола, що 
реалізовується одночасним рухом платформи по Y і столу АСМ по X. 
2. При русі, що реалізовується тільки платформою, спостерігається 
відсутність відхилень зворотного ходу (Рисунок. 4.3) в порівнянні з рухом по колу 
столом і платформою (Рисунок. 4.2). 
3. Спостерігається відмінність в місцеположенні «сплесків відхилень при 
реверсі» при реалізації руху по колу тільки платформою (6 сплесків на рисунку 4.3 
76 
 
співпадає з числом штанг підвіски платформи) в порівнянні з рухом за допомогою 
столу і платформи (Рисунок. 4.3). 
4. Амплітуда високочастотних коливань («брязкіт» на рисунку4.3) залежить 
від швидкості обходу кола, частота коливань знаходиться на рівні 17,5 Гц. Як 
показали дослідження динамічної жорсткості, вказана частота близька до 1-ої 
власної частоти системи електродвигуна. 
Статична жорсткість. 
Статична жорсткість системи електродвигуна [142] визначалася при 
навантаженні статичною силою 300-2000 Н в 3-х напрямах (X,Y) і в 3-х найбільш 
характерних точках робочого простору електродвигуна:  
1) нижнє, центральне положення платформи;  
2) нижнє, зміщене положення по осі Y вглиб столу;  
3) верхнє, центральне положення платформи. 
Жорсткість системи електродвигуна не залежить від положення столу 
(координата X), тому всі точки навантаження розташовані в площині YO. 
При навантаженні вимірювалися переміщення електродвигуна по 2-х 
координатах (X, Y), що дозволило виявити вплив навантаження на деформації не 
тільки у напрямі дії сили, але і в перпендикулярних напрямах, а також повороти 
навколо 2-х осей. Навантаження і розвантаження системи електродвигуна 
проводилися по три рази. Отримані результати усереднювалися і по ним 
будувалися залежності деформацій від прикладеної сили (крива навантаження і 
крива зняття навантаження). 
У даній роботі жорсткість визначалася як відношення величини 
переміщення робочих деталей робота до величини навантаження, що 
регламентувалося. Така оцінка жорсткості електродвигуна дозволяє проводити 
порівняння з нормами жорсткості аналогічних п’єзодвигунів.  
Як приклад, на рисунку. 4.4,а представлені лінійні переміщення dl = dl(F+y) 
у функції сили навантаження (F+y) і на рисунку. 4.4,б кутові переміщення df = 
df(F+y).  
77 
 
Відповідно до отриманих залежностей «переміщення – сила» були 
розраховані жорсткості системи електродвигуна представлені в таблицях 1 і 2.  
У таблиці. 4.1 представлена лінійна жорсткість J1 (Н/мкм) і кутова Jf 
(Н/кут.сек) системи електродвигуна (1-а буква в індексі жорсткості Jlxy указує на 
напрям дії сили X, а 2-а на напрям вимірюваного переміщення Y).  
З таблиці. 4.1 видно, що найнижча лінійна жорсткість – це «центральна» 
жорсткість у напрямі навантажуючої сили (жорсткості, розташовані по діагоналі і 
виділені жирним шрифтом). 
 
 
Рисунок. 4.4. Переміщення: а) лінійні dl (сила F+y): 1 - вздовж осі X 
(dlуу), 2 - вздовж осі Y (dlyy), 3 – вздовж осі Z (dlyz); б) кутові df (сила F+y): 1 – 
навколо осі Z (dfус), 2 – навколо осі X (dfуа), 3 – навколо осі Y (dyb) 
 
Таблиця. 4.1 
Розраховані жорсткості системи електродвигуна в напрямі дії сили X 
та в напрямі вимірюваного переміщення Y 
 
 
78 
 
 
Спостерігається взаємовплив, тобто при дії навантажуючої сили існують 
поперечні переміщення, але їх величина на порядок менше, ніж повздовжні 
переміщення. Спостерігається симетричність в оцінках жорсткості щодо діагоналі. 
Величина центральної жорсткості істотно залежить від напряму навантажуючої 
сили (мінімальна J1xx = 4,6 Н/мкм, близька до неї Jlyy = 4,8 Н/мкм і сильно Jlzz, що 
відрізняється = 15,5 Н/мкм).  
У таблиці 4.2 представлені результати досліджень жорсткості системи 
електродвигуна у положенні платформи 3. 
Таблиця. 4.2 
Результати досліджень жорсткості системи електродвигуна у 
положенні платформи 3 
 
Порядок величин кутової жорсткості практично не міняється з підйомом 
платформи.  
 
Рисунок. 4.5. «Вібраційний слід» при обробці «ребра» на зразку 
 
79 
 
У таблиці 4.1 в нижньому рядку представлена лінійна жорсткість J1 (Н/мкм) 
і кутова Jf (Н/кут.сек) системи електродвигуна в положенні платформи 1 при 
протилежному напрямі навантажуючої сили F-х.  
Лінійна жорсткість системи електродвигуна так само як і кутова якісно не 
міняється при зміні напряму навантажуючої сили на протилежне (з F+x на F-х). 
Дослідження також показали, що жорсткість системи електродвигуна істотно не 
міняється при зсуві платформи в площині XY, тобто під час переходу платформи з 
положення 1 в положення 2. 
Знання статичної жорсткості системи електродвигуна дозволяє оцінити 
здатність електродвигуна чинити опір статичним навантаженням. У п’єзодвигуні 
під час сканування зразка разом із статичними навантаженнями можуть виникати 
динамічні сили, вплив яких на стан електродвигуна може бути істотним. 
 
Динамічна податливість 
Низька статична жорсткість системи електродвигуна може приводити до 
недостатньої вібростійкої верстата.  
Вивчення динамічної податливості системи електродвигуна показало, що 
динамічна жорсткість електродвигуна недостатня. Це приводить до його зниженої 
вібростійкої. Статична жорсткість системи електродвигуна є недостатньою - 5 
Н/мкм і потрібно її збільшити до 20-30 Н/мкм [143]; 1-а власна частота знаходиться 
в діапазоні 15-17 Гц, що відповідає низькій вібростійкій. Ґрунтуючись на цих 
висновках, було проведено посилювання систем електродвигуна. Нижче 
представлені результати дослідження статичної жорсткості і точності 
позиціонування електродвигуна після посилювання систем. 
 
80 
 
 
Рисунок. 4.6. Результати дослідження статичної жорсткості і точності 
позиціонування електродвигуна після посилювання систем 
 
При методі гармонійної силової дії динамічна податливість визначається як 
відношення амплітуди вимушених коливань корпусу шпінделя до  амплітуди сили 
(відцентровою), що вимушує, впливає на корпус шпінделя від його обертання. 
Величина відцентрової сили визначається аналітично, а амплітуда вимушених 
коливань вимірюється лазерним інтерферометром.  
На рис 4.6, як приклад, показана динамічна податливість, визначена за 
допомогою оправлення № 4 для нижнього положення платформи. Тут: 1 – 
динамічна податливість Wx у напрямі X, 2 - Wу у напрямі Y, 3 - Wz у напрямі Z. 
1
AF  , 

де ω - кругова частота. При «сходинці» з фронтом наростання сигналу по 
експоненті з коефіцієнтом β спектр обчислюється за формулою: 
2
1  
AF  1        (4.1) 
   
де β - коефіцієнт «наростання – спаду» сили.  
У нашому випадку β визначається по тимчасовому сигналу прискорення в 
системі електродвигуна передній фронт якого рівний фронту наростання – спаду 
81 
 
сили. Для даного випадку часовий сигнал прискорення представлений на 
рисунку 4.7. 
Коефіцієнт β визначається як: 
 2,3
  
tô ŕ
де tфа – час активного фронту спаду прикладеного навантаження.  
У свою чергу, час tфа визначається як 
tô ŕ  0,8tô  
де tф – час фронту спаду прикладеного навантаження (Рисунок. 4.7).  
Для даного випадку tф = 0,086 - 0,072 = 0,014 с, β = 205,4 с-1. 
 
Рисунок. 4.7. Часовий сигнал прискорення при силовій дії типу 
«сходинка» 
 
Використовуючи дані таблиці «амплітуда AS, мкм частота f, Гц» і залежність 
(4.1), будується динамічна податливість W для систем АСМ як 
A  f 
W  S
AF   , мкм/Н 
f
82 
 
На рисунку 4.8, а представлена крива 1 динамічної податливості Wyy у 
напрямі Y для позиції платформи 1, отримана при силовій дії «сходинка». Для 
порівняння на цьому рисунку представлена крива 2 динамічної податливості Wу, 
отримана методом збудження відцентровою силою і пряма 3 податливості при 
статичному режимі навантаження. Динамічна податливість на 1-ій власній частоті 
(15 Гц) може бути приблизно в 8 разів більше податливості при статичному режимі 
навантаження. 
 
 
Рисунок. 4.8. Криві динамічної податливості Wyy: 
а) у напрямі Y для позиції платформи 1: 1 – крива, отримана при 
силовій дії «сходинка»; 2 – крива, отримана методом збудження 
відцентровою силою; 3 – крива при статичному режимі навантаження; 
б) вимірювання при двох спусках: 1-перша реалізація «спуску», 2 - 
друга реалізація «спуску». 
 
Для перевірки «повторюваності» результатів вимірювання при одних і тих 
же настройках верстата були проведені вимірювання при двох спусках 
(Рисунок. 4.8,б): 1-перша реалізація «спуску», 2 - друга реалізація «спуску».  
Ступінчастий метод збудження дозволяє визначати динамічну податливість 
в напрямі, перпендикулярному до напряму дії збудливої сили, тобто визначати 
поперечну динамічну податливість, і оцінювати взаємовплив. На рисунку 4.9 
83 
 
показана крива поперечної динамічної податливості Wух (силова дія Y, 
вимірювання переміщень X). 
 
 
Рисунок. 4.9. Динамічна податливість по напряму X при силовій 
ступінчастій дії по напряму Y: 1-крива поперечної динамічної податливості 
Wух, 2 - поперечна податливість при статичному режимі вантаження 
 
З рисунка 4.9 видно, що в динаміці взаємовплив координат XY значно 
сильніший (у 20 разів), ніж при статичному навантаженні. Вказаний факт дуже 
важливий для пояснення виникнення «вібраційного сліду» на обробленій поверхні 
(Рисунок. 4.5), а саме, сили, можуть викликати коливальні рухи в поперечному 
напрямі. По-друге, зміряна частота «вібраційного сліду» відповідає 1-ій власній 
частоті (f = 15,5Гц, див. нижче). 
Оброблені поверхні вимірювалися на контурографі Mar Surf XC-10. 
84 
 
 
Рисунок. 4.10. Профілограма поверхні, обробленої з подачею: 
а) F = 540 мм/хв і S = 6000 об/хв, при «плавному» врізуванні 1, F – 
напрям подачі; б) F = 720 мм/хв і S = 6000 об/хв, при «ступінчастому» 
наростанні подачі; 1 - вистій, 2 - ділянка розгону, 3 - ділянка вільних 
затухаючих коливань, 4 - ділянка із сталим рухом, F – напрям подачі 
 
Ще виразніше зображення «вібраційного сліду», що показує вільні 
5
затухаючі коливання можна побачити на рисунку 4.11. 
 
 
Рисунок. 4.11. Профілограма поверхні, обробленої з подачею F = 1440 
мм/хв і S = 6000 об/хв (після вистою з розгоном) 
 
На рисунку 4.11, б показана розширена профілограма по шляху, де добре 
видно затухаючі вільні коливання з кроком tср = 1,59 мм, що відповідає частоті  
85 
 
f = 15,08 Гц. Тут же ми бачимо незгасаючі коливання з розмахом 1,4 мкм і 
кроком tср = 0,24 мм, що відповідає частоті f = 99,33 Гц. 
На рисунку 4.12 представлена профілограма «вібраційний слід» за Рисунок. 
4.5. Середня величина кроку рівна t = 2,328 мм, що відповідає частоті коливань 
(автоколивань) f = 14,32 Гц. (подача F = 2000 мм/хв). Подвійна амплітуда складає 
20 мкм. 
 
 
Рисунок. 4.12 Профілограма «вібраційний слід» на поверхні «ребра» 
зразка – виробу (Рисунок. 4.5). 
 
Точність позиціонування 
Криві точності позиціонування за координатою Y до і після проведення 
посилювання конструкції системи представлені на рисунку 4.13 та 4.14. 
Як видно з рисунків в результаті посилювання конструкції точність 
позиціонування по координаті Y істотно збільшилася. Показник E зменшився з 61 
мкм до 42 мкм в основному за рахунок зменшення похибки зворотного ходу з 20 
мкм до 7 мкм. 
 
86 
 
 
Рисунок. 4.13 Крива точності позиціонування до проведення 
посилювання систем 
 
 
Рисунок. 4.14. Крива точності позиціонування після проведення 
посилювання систем 
 
В результаті посилювання конструкції точність позиціонування по 
координаті Z також істотно збільшилася. Показник A зменшився з 73 мкм до 26 
мкм за рахунок зменшення накопиченої похибки з 68 мкм до 19 мкм 
87 
 
 
Рисунок. 4.15. Крива точності позиціонування до проведення 
посилювання систем 
 
Рисунок. 4.16. Крива точності позиціонування після проведення 
посилювання систем 
 
 
4.1.2. Вплив коливань електромеханічної автоматичної системи на 
точність 
 
Основною метою даного дослідження є оцінка впливу на точність 
позиціонування коливань електромеханічної системи, що складається з ротора 
двигуна і еквівалентної механічної частини приводу подач. 
88 
 
Зупинимося на основних співвідношеннях, що визначають перехідні 
процеси при роботі САР з урахуванням крутильних коливань приводу подач. Для 
цього розглянемо двоступеневу електромеханічну систему, в якій враховані 
коливання ротора ( ) і коливання приведеної механічної частини ( ). Запишемо 
спочатку рівняння крутильних коливань двох зв'язаних підсистем 
 
J1φ``(t)+h1φ`(t)+c(φ(t)-ψ(t)) = Mдв,   (4.2) 
J2ψ ``(t)+h2 ψ`(t)+c(ψ(t)- φ(t)) = 0, 
 
де J1,J2- моменти інерції ротора двигуна і приводу подач відповідно,  
h1,h2  - параметри, що характеризують розсіювання енергії,  
c  - жорсткість хвильового редуктора,  
Mдв = h1Kcuв - рушійний момент,  
uв - вхідна напруга двигуна у вольтах.  
Вирішивши її відносно змінної ω, знайдемо передаточну функцію, що 
визначає вихід безперервної частини САК через її вхід – рушійний момент ротора 
M(p) 
 
 c p
 ( p )  M ( p ).   (4.3) 
( J p 2  h p  c )( J p 2 2
1 1 2  h2 p  c )  c
 
Використовуючи це співвідношення, можна записати передавальну 
функцію лінійної безперервної частини системи 
 
w ( q ) P(q ) K
W(q )    c ,    (4.4) 
u( q ) Q( q ) a q3 a q2
3 2 a1 qa0
 
де q - безрозмірний комплексний параметр,  
J J 1  J h     
 1 2 , a   1 2 J2 1 h J  J
  , a   1  1 2 1 h2
a 2 1  , a0  1   - 
3 3 2
c h1 T  c h1 c  T  c h1  T  h1 
безрозмірні параметри системи регулювання, Ęc - коефіцієнт передачі двигуна по 
кутовій швидкості, Т- тактова частота ШИМ 
89 
 
Розрахунок показав, що для досліджуваної системи полюси комплексної 
функції (4.4) розташовуються завжди зліва від уявної осі площини комплексного 
параметра q. 
Для подальших викладень вираз (4.4) зручно представити у вигляді  
 
1
W ( q )  K  ,    (4.5) 
c q 3  a q 2
2  a1 q  a0
 
де  a a1 a0 K c
 2 , a  , a  , K  . 
a 2 1
a a 0
3 a c
3 3 a3
7
Позначимо  q1  1 ,q2  2  i 2 , q3 2 i 2 , 1 0 ,2 0. 
Цей вираз можна перетворити, врахувавши зв'язок кутової швидкості з 
кутом повороту (   ) 
40
 ( q ) P( q ) K 
  c , 
Uâ( q ) q Q( q ) q ( q3  a q2
2  a1q  a0 )
де  K' K T
 c . 
c a3
Згідно (4.3) алгоритм розрахунку перехідних процесів в даному випадку 
описується рекурентними співвідношеннями вигляду 
 
7
3 n1
x[n,0]  f [n,0] K  C  H ( x[m,0])eq ( nm )
c   ,  (4.6) 
70 m0
1eq ( x[ m,0 ])
H ( x[m,0]) AT signx[m,0] ,  (4.7) 
q
де 
1
C , 
0  1 ( 2
2   2
2 )
 
4   2  2
C 1 2 2 2
1   ( 2  2 )( 2  2 , 
1 2 2 2 2  2
1 21 2 )
 
90 
 
1 3 I 1 2  2 1 ( 2  2 ) I 2 I  2
C  2 2 2 2 2 2
2    , 
2 ( 2
2  2
2 ) ( 2  2 2
2 2 2 1 21 2 )
 
1 I( 2
2 3 2
2  31 C  2  2 I  2 2  2 1 I )
3 . 
2 ( 2  2 2 2 2
2 2 ) 2( 2 2 1  21 2 )
 
Для того, щоб скористатися рекурентними співвідношеннями (4.6, 4.7), 
запишемо вирази H , 0,1,2,3 у вигляді  
 
7
C0 H0( x[m,0])C0 sign x[m,0] ( x[m,0])  , 
1e1 ( x[ m,0 ])
C1H1( x[ m,0])C1 signx[m,0] ,   (4.8) 
1
 
Після деяких перетворень і підстановки (4.8) в (4.6) прийдемо до 
рекурентних співвідношень в дійсних змінних  
xn,0  f n,0   
де 
7
B  x m ,0  K T  K C    x m ,0    (4.9) 
0 c c 0
 
42
1e1 [ x( m,0 )]
B1 xm,0  Kc T K 
c C1 e1( nm )   (4.10) 
1
 
7
B2( x[ m,0 ])  2 e 2 ( nm ) a cos 2( n  m ) b sin 2( n  m )   
e2  a cos(   ( n m )) b sin(   ( n m ))  ,   (4.11) 
 
 2 Re C2  a  2 Im C2  
412
2   2
2


1
x , x  ,
 
 ( x[ m,0])    
 1
1 , x  .
 
91 
 
Вираз (4.7) визначає послідовну схему обчислення помилки регулювання 
7
xn,0  у момент n-го такту роботи ШИМ по значеннях, де m  n 1 . 
Отримані рекурентні співвідношення можуть бути використані для 
дослідження вільних затухаючих і вимушених коливань взаємно зв'язаної 
крутильної системи приводу для різних зовнішніх дій f t . Ці коливання сприяють 
робочим процесам двигуна і повинні бути проаналізовані на предмет їх впливу на 
точність позиціонування.  
Можна записати граничні співвідношення для В0, В1 і В2 при збільшенні 
частоти  2  (жорсткість с росте). Із зростанням жорсткості с частота  2  росте, при 
цьому, 1
C  , а 1
C .  
0   2 1  
2
1 2 1 2
При c вони прямують до нуля. В результаті граничного переходу 
отримуємо значення: 
 
B0  K T   xm,0   , 
c
 
1e
7
1 ( x[ m,0 ])
B1 Kc T e1( nm ) ,    (4.12) 
1
 
B2 0. 
 
Вирази (4.12) відповідають тим формулам, які використовувалися раніше 
для розрахунків перехідних процесів без урахування відносних крутильних 
коливань системи “ротор-привід“. В цьому випадку, при c передаточна 
функція безперервної частини системи приймає вигляд  
 h K u
( q )  ( q ) q  1 c â ,     (4.13) 
( J q  h )
де J=J1+J2, hh1 h2 . Відповідне цій передавальній функції 
диференціальне рівняння двигуна можна записати у вигляді  
 
J (t )h1 (t )h1 Kc uâ .    (4.14) 
92 
 
 
Все сказане вище дозволяє здійснити прийнятність отриманих раніше 
результатів і внести до них поправки на точність позиціонування супорта при 
обліку високочастотних відносних крутильних коливань ротора і приводу. 
 
 
4.2. Оцінка відтворюваності точності позиціонування вимірювальної 
системи 
 
Для оцінки відтворюваності знову звеннемося до основних співвідношень, 
що визначають перехідні процеси при роботі САР з урахуванням крутильних 
коливань приводу подач (4.2) – (4.14).  
Аналіз впливу високочастотних крутильних коливань приводу подач на 
точність позиціонування був здійснений на достатньо широкому полі значень 
параметрів. Отримані співвідношення (4.8) – (4.11) дозволяють оцінити вплив 
високочастотних крутильних коливань системи “вал двигуна - привід“ на перехідні 
процеси при включенні і виключенні двигуна.  
Аналіз точності позиціонування був виконаний при виключенні двигуна з 
27В до 1В, потім з 1В на нуль. При цьому було вивчено вплив на перехідні процеси 
вібрацій приводу подач. Виявилось, що при кінцевій крутильній жорсткості валу 
хвильового редуктора ( с5 = 0,35×104 Нм/рад і с4= 106 Нм/рад) час перехідних 
процесів збільшується в два рази в порівнянні з приводом, де жорсткість с = ∞.  
При Кс =5 рад/сВ перехідний процес у разі нежорсткого валу хвилевого 
редуктора триває більше 10 с, що робить неможливим рішення задачі про 
позиціонування супорта.  
Для оцінки впливу на точність позиціонування аперіодичних процесів, що 
виникають в САР без коливань приводу, можна використовувати ці ж 
співвідношення при Кс` = 0. При цьому вони приймуть вид 
 
7
n1
xn,0  f n,0 KcT  sign xm,0B0 xm,0 B1 xm,0 ,nm  (4.15) 
m0
93 
 
де 
35
B0   xm,0 ,
1 e1  xm,0
B1 
 
e1xm
1
 
В результаті досліджень можна зробити наступні висновки: 
- основною причиною порушення точності позиціонування при стійкій 
системі регулювання є перехідні процеси, викликані перемиканням двигуна з 
швидкості v1=0,05 м/с на нижчу - v2=0,02 м/с, 
- для оцінки точності позиціонування можна використовувати 
співвідношення: 
 
 N 7
li 
i  x k Tm i  1,2  
uk k 1
 
де NTm - тривалість перехідного процесу, vi - швидкість переміщення супорта, 
- необхідна точність позиціонування при лінійній ідеалізації безперервної 
частини САР при Кс = 5; 50 рад/сВ може бути досягнута лише при використанні 
двоступінчатого режиму регулювання, 
- облік кінцевої крутильної жорсткості валу хвильового редуктора 
негативно впливає на точність позиціонування супорта. В окремих випадках вона 
погіршується в два рази. 
 
 
4.3. Прогнозування надійності та часу безвідмовної експлуатації 
вимірювального робота 
 
Надійність автоматизованих систем керування технологічними процесами 
(АСКТП) є критично важливим параметром, який визначає їх якість і забезпечує 
безпеку функціонування об’єктів. Вимоги державних та міжнародних стандартів 
94 
 
передбачають проведення оцінки надійності й безпеки таких систем. Організації та 
підприємства, що займаються розробкою та експлуатацією АСКТП, зобов'язані 
17
здійснювати відповідний аналіз для проходження державної та міжнародної 
сертифікації. Цей аналіз проводиться на всіх етапах життєвого циклу системи, 
особливо під час її проектування. Основною метою аналізу є отримання 
достовірних даних, які необхідні для обґрунтування та впровадження проектних 
рішень. 
АСКТП мають низку специфічних характеристик, які впливають на процес 
моделювання та розрахунок показників їх надійності й безпеки. Основні 
особливості включають: 
1. Велика кількість елементів. Сучасні системи можуть налічувати сотні або 
навіть тисячі компонентів. 
2. Різноманітність складових. До складу АСКТП входять технічні, ергатичні 
компоненти, засоби забезпечення, а також події, що можуть спричинити аварії. 
3. Складність структури. Сучасні системи нерідко мають структури, які не 
зводяться до простих послідовно-паралельних схем. Вони можуть містити циклічні 
зв’язки, багатофункціональні компоненти, вбудовані підсистеми та елементи з 
залежними відмовами. 
4. Наслідки відмов. У небезпечних виробничих умовах відмови окремих 
елементів можуть спричиняти аварійні ситуації, тому необхідно аналізувати 
надійність і безпеку комплексно. 
5. Багатофункціональність. АСКТП виконують кілька ключових функцій, 
що потребує аналізу їх надійності як окремо для кожної функції, так і для різних 
комбінацій умов роботи. 
6. Варіативність структурних рішень. Для вибору оптимальних проектних 
рішень необхідно розглядати різні варіанти структурної організації, режимів 
роботи та умов експлуатації системи. Для кожного варіанту створюються 
математичні моделі з відповідними розрахунками. 
 
95 
 
Зважаючи на ці особливості, аналіз надійності та безпеки є складним, але 
необхідним завданням для забезпечення ефективної експлуатації сучасних 
АСКТП.Вказані і інші особливості складних АСКТП великої розмірності привели 
до того, що головною проблемою оцінки їх надійності і безпеки давно стали не 
розрахунки показників, а громіздкість і трудомісткість процесів побудови 
необхідних математичних моделей Неможливість побудови таких моделей 
старими, традиційними ручними (не автоматизованими) технологіями привела до 
17
того, що в організаціях і на підприємствах промисловості практичне моделювання 
17
і оцінка надійності і безпеки АСКТП давно не проводиться ні на стадіях 
проектування, ні в процесі експлуатації. Вирішення вище вказаної проблеми 
можливе тільки шляхом розробки і впровадження в проектування нових технологій 
(теорій, методів, спеціалізованих програмних засобів і методик), в основі яких 
лежить комплексна автоматизація складних процесів постановки завдань, що 
важко формалізуються, побудови математичних моделей, розрахунків показників і 
організації їх ефективного використання для вироблення і обґрунтування рішень 
по забезпеченню надійності і безпеки АСКТП. Центральне місце у вирішенні цієї 
проблеми займає повна автоматизація процесів побудови розрахункових 
математичних моделей надійності і безпеки АСКТП великої розмірності і високої 
структурної складності.  При організації робіт із створення програмного комплексу 
оцінки надійності і безпеки АСКТП було виконанно порівняльний аналіз 
технологій, що існують в даний час, і програмних комплексів автоматизованого 
моделювання систем (Risk Spectrum, SAPHIRE, RiskWave, RAY, CRISS, ПК АСМ 
2001 і ін.). Результати цього аналізу дозволили зробити вибір технології 
автоматизованого структурно-логічного моделювання (АСЛМ), в основі якої 
лежить загальний логіко-імовірнісний метод аналізу систем (ЗЛІМ). Головними 
достоїнствами цієї технології і ЗЛІМ є:  
- реалізовані всі можливості основного апарату математичного 
моделювання - алгебри логіки у функціонально повному базисі логічних операцій 
"І", "АБО" і "НІ";  
96 
 
- використовуються нові зображувальні засоби опису структур систем - 
схеми функціональної цілісності (СФЦ), які дозволяють представляти практично 
всі використовувані в інших технологіях види структурних схем систем - 
послідовно-паралельні з'єднання елементів, списки подій, відмов, графи зв'язності 
і ін.), а також будувати принципово новий клас немонотонних структурних 
моделей складних системних об'єктів і процесів; 
- користувачеві надана можливість за допомогою СФЦ будувати як прямі 
(працездатність, безпека), так і зворотні (відмова, аварія) структурні схеми 
досліджуваних АСКТП, тобто вибирати той вид початкової структури, який є 
зручнішим, простішим і точнішим;  
- в ЗЛІМ і СФЦ реалізовані можливості представлення циклічних 
(мостових) зв'язків, багатофункціональності елементів і систем, стохастично 
залежних подій і множинних (більше двох) власних станів елементів, що дозволяє 
коректно врахувати багато особливостей сучасних АСКТП;  
- всі етапи побудови логічних і імовірнісних аналітичних моделей, і 
розрахунків показників надійності і безпеки систем повністю автоматизовані, що 
забезпечує можливість побудови безлічі різних моделей надійності і безпеки 
АСКТП великої розмірності і високої структурної складності;  
- теорія і ПК АСМ орієнтовані на автоматичну побудову точних 
математичних моделей (логічних і імовірнісних) різних видів (найкоротших шляхів 
успішного функціонування, мінімальних відмов, їх різних немонотонних 
комбінацій, многочленів розрахункових імовірнісних функцій, а також 
статистичних і мережевих моделей великої розмірності);  
- повнота, математична строгість і автоматизація основних етапів ЗЛІМ, 
дозволяють ставить і вирішувати задачі його подальшого розвитку, адаптації до 
особливостей аналізу надійності АСКТП на стадії проектування і створення 
спеціалізованого програмного комплексу автоматизованого моделювання.  
 
Висновок до розділу 4 
 
97 
 
В розробленому пристрої реалізовано наступний набір функцій: 
5
регулювання частоти обертання двигуна в проміжку від 0 до 100% з кроком 0,1%; 
підтримка заданої частоти обертання з точністю до ±1%, яка забезпечується 
використанням принципу замкненого керування за відхиленням: фактичне 
значення частоти обертання порівнюється заданим, і при наявності відхилення 
програмно змінюється до зникнення відхилення обертання від заданої; для 
підвищення точності керування використано алгоритм ПІ-регулювання; зміна 
напрямку обертання вала (реверс) електродвигуна; автоматичне відключення 
24
електродвигуна за сигналом кінцевих датчиків та датчиків аварійного режиму; в 
момент відключення живлення двигуна подається сигнал на пристрій гальмування, 
що забезпечує повну зупинку привода за мінімальний час (використовується при 
отриманні сигналу з кінцевих датчиків або при виникненні аварійної ситуації); 
датчик переміщення і позиціонування об’єкта обробки, побудований за принципом 
квадратурного енкодера з оптичним детектором. 
 
  
98 
 
ВИСНОВКИ 
 
1. Вибір мікроконтролера та технічних рішень: 
o У роботі детально розглянуто критерії вибору мікроконтролера, 
враховуючи продуктивність, надійність і вартість. 
o Було обрано AVR-мікроконтролер з використанням RISC-архітектури, 
що забезпечує високу продуктивність і ефективність роботи завдяки 
конвеєрній обробці команд. 
2. Алгоритми керування: 
o Розроблено узагальнений алгоритм керування виконавчими органами 
вимірювального робота, який включає ініціалізацію ключових 
компонентів (LCD дисплей, АЦП, UART), обробку сигналів і 
забезпечення коректного обміну даними між мікроконтролером та ПК. 
o Алгоритми прецизійного позиціонування об’єкта в робочій зоні 
зменшують вплив зовнішніх факторів, таких як шуми і перешкоди. 
3. Конструктивні рішення: 
o Розроблено структурну схему блоку керування вимірювального 
робота, яка складається з мікропроцесорного блоку, блока живлення, 
блока керування двигунами та блока індикації. 
o Особливу увагу приділено підвищенню точності вимірювань, зокрема 
мінімізації впливу завад під час роботи АЦП. 
4. Підвищення ефективності: 
o Впроваджено механізми для обробки переривань, що автоматизує 
процес збору даних і покращує швидкодію системи. 
o Удосконалено способи передачі даних між мікроконтролером і ПК, що 
забезпечує надійний та швидкий обмін інформацією. 
5. Практична значимість: 
o Представлені розробки можуть бути використані для створення 
робототехнічних систем із високими вимогами до точності 
позиціонування та вимірювань. 
99 
 
o Розроблена система підходить для впровадження в автоматизовані 
системи керування, що робить її придатною для застосування в різних 
галузях. 
Загалом, робота демонструє комплексний підхід до розробки 
мікропроцесорних систем управління з високими вимогами до точності та 
надійності. 
 
Similarity Report ID: oid:2945:243517925
17% Overall Similarity
Top sources found in the following databases:
16% Internet database 3% Publications database
Crossref database Crossref Posted Content database
4% Submitted Works database
TOP SOURCES
The sources with the highest number of matches within the submission. Overlapping sources will not be
displayed.
electroff.narod.ru
1 2%
Internet
microchipinf.com
2 2%
Internet
3ddroid.ru
3 1%
Internet
dodeca.gaw.ru
4 1%
Internet
ela.kpi.ua
5 1%
Internet
edaboard.com
6 <1%
Internet
vntr.ru
7 <1%
Internet
ua-referat.com
8 <1%
Internet
Sources overview
Similarity Report ID: oid:2945:243517925
kelaselektronika.blogspot.com
9 <1%
Internet
spkt.net
10 <1%
Internet
repository.usd.ac.id
11 <1%
Internet
wangready.wordpress.com
12 <1%
Internet
uk.wikipedia.org
13 <1%
Internet
docplayer.net
14 <1%
Internet
electronics-base.com
15 <1%
Internet
essuir.sumdu.edu.ua
16 <1%
Internet
mkdgma.org.ua
17 <1%
Internet
repo.btu.kharkov.ua
18 <1%
Internet
lib.convdocs.org
19 <1%
Internet
elartu.tntu.edu.ua
20 <1%
Internet
Sources overview
Similarity Report ID: oid:2945:243517925
radio.bobrodobro.ru
21 <1%
Internet
eugenemcu.ru
22 <1%
Internet
besof.ru
23 <1%
Internet
ena.lp.edu.ua:8080
24 <1%
Internet
learn.ztu.edu.ua
25 <1%
Internet
kntu.kr.ua
26 <1%
Internet
tvclpnu on 2024-06-03
27 <1%
Submitted works
repositorio.uniceub.br
28 <1%
Internet
ar.scribd.com
29 <1%
Internet
dgma.donetsk.ua
30 <1%
Internet
text-id.123dok.com
31 <1%
Internet
bibliofond.ru
32 <1%
Internet
Sources overview
Similarity Report ID: oid:2945:243517925
projectik.eu
33 <1%
Internet
5fan.ru
34 <1%
Internet
Markus Müllner. "Solutions of an extended KdV equation describing si...
35 <1%
Crossref
diplomforum.ru
36 <1%
Internet
ir.nmu.org.ua
37 <1%
Internet
eprints.kname.edu.ua
38 <1%
Internet
infopedia.su
39 <1%
Internet
phsciencedata.cn
40 <1%
Internet
American University in the Emirates on 2014-12-10
41 <1%
Submitted works
Nataša Djurdjević. " Some classes of CR submanifolds with an umbilic...
42 <1%
Crossref
engineering.purdue.edu
43 <1%
Internet
Sources overview