ChSTU repository

2 
 
ЗМІСТ 
Стор.    
ВСТУП 3 
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД РОБОТОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ 6 
1.1. Огляд сучасних робото-технічних систем  6 
1.2. Огляд двигунів у робото-технічних системах 10 
1.3. Основні види п'єзокерамічних актюаторів 20 
Висновки до розділу 1 23 
РОЗДІЛ 2. МОДУЛЬ КУРУВАННЯ П'ЄЗОКЕРАМІЧНИМ РОБОТОМ 24 
2.1. Огляд датчиків 24 
2.2. Огляд радіо модулів 31 
2.3. Вибір мікроконтроллерів 36 
2.4. DC /DC інвертори напруги  39 
Висновки до розділу 2 57 
РОЗДІЛ 3. РОЗРОБКА МАЛОГАБАРИТНОГО П'ЄЗОКЕРАМІЧНОГО 58 
ДВИГУНА  
3.1. Моделювання розробленої конструкції 58 
3.2. Програмне середовище LabView  65 
Висновки до розділу 3 68 
ВИСНОВКИ 69 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 70 
ДОДАТКИ 73 
Додаток А. Датчик температури і вологості DHT11 74 
Додаток Б. Датчик тиску MPL1152A2 75 
Додаток В. Datasheet мікроконтроллера PIC16F886 76 
Додаток Г. Розрахунок бустера  77 
Додаток Д. Копії публікацій 79 
Додаток Ж Презентація 81 
 
 
 
3 
 
ВСТУП 
 
Еволюція сучасного суспільства та виробництва привела до появи і розвитку 
нового класу машин - роботів - та відповідного наукового напрямку - робототехніки. 
Робототехніка-інтенсивно розвивається область науки та техніки, що вивчає не тільки 
теорію, методи розрахунку, конструювання систем і елементів роботів, а й 
комплексну автоматизацію виробництва з використанням роботів і проблеми 
наукових досліджень. Слід зазначити, що термін "робототехніка" також 
використовується в іншому контексті і відноситься до набору пристроїв (машин, 
обладнання, агрегатів і т.д.), оснащених роботизованим пристроєм або 
функціонуючих спільно з роботом в рамках єдиного технічного процесу. 
Сукупність механізмів (машина, обладнання, агрегат і т.д.), оснащених 
роботизованим пристроєм або функціонуючих спільно з роботом в рамках єдиного 
технічного процесу. 
Досягнення в галузі робототехніки та систем штучного інтелекту з кожним 
днем роблять все більший вплив на життя людей в прямому сенсі цього слова. 
Технічні та економічні успіхи роботобудівництва призвели до того, що медицина 
стала все частіше вдаватися до допомоги роботів. Сьогодні медичні роботи здатні 
проводити складні хірургічні операції, допомагають ставити точні діагнози, 
доглядають за хворими і цим список їх можливостей не обмежуються.  
Мета і завдання дослідження.  
Мета роботи – є вдосконалення конструкції п’єзоробота та її дослідження.  
Для вирішення поставленої мети потрібно розв'язати такі задачі: 
- ознайомитися з сучасними типами роботів та робототехнічних систем в цілому; 
- виявити та проаналізувати чинники які впливають на роботу робота; 
- розглянути відомі схеми роботів та розробити свою схему. В тому числі написати 
программу управління схемою та розрахувати основні елементи даної схеми. 
- здійснити моделювання отриманих результатів. 
 
 
4 
 
Об'єкт дослідження – є  процеси взаємодії повздовжних згинальних механічних 
коливань п’єзоелементів.  
Предмет дослідження – напівсегмент циліндричного п’єзокерамічного двигуна. 
Методи досліджень. Теоретичні дослідження базуються на наукових засадах 
автоматизації. Розробка експериментальних зразків конструкції пластин 
п’єзокерамічного двигуна за допомогою пакетів програм креслення. Моделювання 
механічної деформації конструкцій пластин п’єзокерамічного двигуна під впливом 
поля електричного проводилося за методом скінченних елементів у програмному 
середовищі Comsol Multiphysics. Статистична обробка отриманих 
експериментальних результатів. 
Наукова новизна одержаних результатів: 
–– розроблено вдосконалену конструкцію елементів  двигуна 
п’єзоелектричного з підвищеними тяговими характеристиками, за рахунок 
модернізації напівсегментів циліндричного п’єзокерамічного двигуна;   
– вперше побудовано та досліджено комп’ютерну 3D модель конструкцій 
напівсегментного циліндричного п’єзокерамічного двигуна, яка дозволила 
проектувати двигуни даних типів з необхідними технічними характеристиками; 
– набула подальшого розвитку теорія проектування п'єзокерамічних двигунів, 
що дозволило розробити двигуни з покращеними технічними характеристиками.    
Практичне значення одержаних результатів роботи:  
–  розширено науково-технічну базу проектування п'єзокерамічних двигунів, 
для використання їх в автоматизації;  
–  використання розроблених моделей п’єзокерамічного двигуна на основі 
напівсегментного циліндричного п’єзоелемента дає можливість більш точніше 
описувати процеси, котрі відбуваються в п’єзокерамічних двигунах, і проектувати 
п’єзокерамічні двигуни з покращеними технічними характеристиками; 
– визначено частоту при якій забезпечується максимальний рух 
п’єзоробота, що відповідає частоті 14,8 кГц. 
– Визначено максимальний струм споживання напівсегмента 
циліндричного п’єзокерамічного двигуна, який складає 48 мА. 
 
 
5 
 
– дані що отримали є можливість використовувати коли проектуємо  
пристрої на основі лінійних п’єзоелектричних двигунів, наприклад в системах 
автоматизації. 
Апробація результатів роботи.  
Основні положення роботи доповідалися та обговорювалися на Всеукраїнській  
науково-практичній конференції «Scientific Research Methodology – 2024». 
Публікації.  
1. Holoborodko D., Filimonov, S. Development of radio-controlled piezoelectric 
robot. Ukrainian Scientific and Practical Conference "Sci-entific Research Method-ology – 
2024", Редакцій-но-видавничий відділ ЧДТУ, Черкаси, 2024, С. 75-76 
Структура та обсяг роботи.  
Кваліфікаційна робота магістра складається зі вступу, 3 розділів, висновків, 
списку використаних джерел (22 посиланя), 6 додатків. 
 
  
 
 
6 
 
РОЗДІЛ 1.ОГЛЯД РОБОТОТЕХНІЧНИХ СИСТЕМ  
 
1.1 Огляд сучасних робото-технічних систем 
 
BionicOpter [1] 
Біонічний вертоліт-бабка за своїми розмірами ближче до стародавніх вимерлих 
бабок (рис.1.1). У довжину корпус безпілотника досягає 43,9 сантиметрів (17,3 
дюйма). Крила виконані з вуглецевого волокна і поліефірної плівки. Кожне крило, як 
видно, має три поперечні "прожилки". Показник частоти змахів крилом у робота 
скромний, порівняно з живими бабками, - всього 20 разів на секунду. Ця частота 
дозволяє BionicOpter більше парити в повітрі, ніж літати.  
При побудові робота використовувалися легкі матеріали та проста конструкція, 
що в сукупності дозволило утримати вагу майже півметрового робота на позначці 
175см. Управлінням польотом робота здійснюється зі смартфона.  
 
 
Рисунок 1.1 - Зовнішній вигляд BionicOpter 
 
Управління просте, потрібно тільки задавати нахил в ту чи іншу сторону під час 
польоту. Однак, BionicOpter так само має вбудований ARM-процесор, керуючий 
мікрконтроллерами і відповідає за стабілізацію польоту. Всього робот оснащений 
дев'ятьма сервопріводамі. Що б робот не врізався в перешкоду в польоті, його 
оснастили чутливими сенсорами. 
 
 
7 
 
Конструкція BionicOpter забезпечує "бабці" тридцять ступенів свободи 
маневрування. Електродвигун і процесор харчується 7,6 вольтную двосекційним 
літій-полімерним акумулятором. 
Японський робот помічник на АЕС - Monirobot [2] 
Після руйнівного землетрусу, що викликав цунамі, на японській АЕС Фукусіма-
1 сталося три вибухи, що призвело до викиду радіаційних речовин в навколишнє 
середовище. За повідомленнями японських ЗМІ для допомоги в боротьбі з наслідками 
трагедії до місця вибуху були спрямовані автоматизовані дистанційно керовані 
роботи Monirobot (рис.1.2). 
Monirobot дослівно перекладається як робот-монітор - просто кажучи, машина, 
яка може замінити людини в небезпечній ситуації. Він був розроблений Японським 
Технологічним центром ядерної безпеки у співпраці з Міністерством економіки і 
торгівлі в 1999 році після нещасного випадку на ядерному об'єкті Токаімура, де 
загинули два працівника. 
 
 
Рисунок 1.2 - Зовнішній вигляд Monirobot 
 
 Робот призначений для роботи на забрудненій території, рівень радіації якої 
небезпечний для життя людини. Monirobot має гусеничний хід і може прибирати з 
шляху перешкоди, які важко обійти. Це дозволяє роботу долати майже будь-які 
перешкоди. Машина має можливість брати зразки матеріалів для подальшого їх 
дослідження. Робот оснащений складною системою камер, що дозволяє сприймати 
 
 
8 
 
3D зображення, датчиками температури, вологості і радіації і має дистанційне 
управління на відстані до 1 км. Вага цього механізму близько 600 кг, але при цьому 
Monirobot може розвинути швидкість до 2,4 км / ч. Робот має достатній захист, щоб 
уникнути збоїв в роботі під впливом радіації. 
Monirobot-и можуть бути двох модифікацій і відрізняються за кольором. 
«Червоні», більш старий варіант, призначені для вимірювання. «Жовті» мають більше 
можливостей - наприклад, брати зразки пилу. На даний момент на АЕС працюють 
тільки «червоні» роботи.  
iRobot PackBot 510 [3] 
Дані роботи готові допомагати рятувальникам різним чином - залежно від 
обстановки. Робот Packbot 510 (рис.1.3) оснащений різним обладнанням для 
моніторингу ситуації в реальному часі. Він здатний визначати температуру повітря, 
рівень радіації, наявність у повітрі газів і парів отруйних і вибухових речовин. 
 
 
Рисунок 1.3 - Зовнішній вигляд iRobot PackBot 510 
 
Для підготовки PackBot до завдання достатньо однієї людини. Завдяки його 
модульності і взаємозамінності частин, PackBot швидко і легко адаптується для 
різних місій. 
PackBot 510 - це швидкий, сильний і простий у використанні тактичний робот. 
Він важить 13,6 кг і рухається зі швидкістю 9,3 км / ч. 
 
 
9 
 
Розробники тепер дають можливість удвічі (до 4-24 годин залежно від 
навантаження) збільшити ресурс автономності свого рішення за допомогою 
додаткового акумулятора. 
Управління PackBot 510 стало ще більш інтуїтивним - воно здійснюється за 
допомогою кольорового дисплея і геймпада, подібного тим, які добре знайомі 
любителям ігор на ПК і консолях. Для зв'язку пульта управління та робота 
використовується радіосигнал на частоті 2,4 ГГц. Дальність зв'язку - до кілометра в 
межах прямої видимості. 
Габарити PackBot 510 (граничні) складають 88 х 52 х 19 см (ДхШхВ), вага - 
19,2кг. 
Робот-розвідник "ISOPOD" [4] 
Робот-розвідник ISOPOD призначений для заміни людської праці у свідомо 
небезпечних видах діяльності (рис.1.4). 
 
Рисунок 1.4 – Фото зовнішнього вигляду ISOPOD 
 
Робот напівавтономний, керується людиною і має власну систему навігації. 
На основі однієї конструкції були розроблені два роботи: для військових і 
рятувальних робіт. Відповідно до цих двох варіантів вирішена форма. 
 
 
10 
 
Військовий робот: непомітний, слабкий, утворений лаконічними з пластики, 
геометричними об'ємами, створює враження міцності, надійності у вузлах і 
з'єднаннях і набуває вигляду військового об'єкту. Цей робот має ноги-щити і здатний 
складатися в міцну оболонку. 
Рятувальний робот ближче до дослідника, ніж до шпигунові, має контрастне 
колірне рішення, яке робить робота помітним, що сигналізує про свою присутність. 
Конструкція робота являє собою систему функціональних модулів, міняючи і 
компонуючи які можна оперативно змінювати основну функцію робота: його 
можливо оснастити маніпулятором, камерою і іншими різними пристосуваннями. 
Також легко можна замінювати акумулятори та вибирати їх кількість за необхідістю, 
оперативно, виходячи з умов конкретної ситуації. 
Конструкція дозволяє істотно збільшити прохідність: робот здатний долати 
перешкоди самої різної геометрії, порівнянні з власною величиною. Симетрична 
структура дозволяє роботу міняти напрям руху, не розгортаючи цілком корпус, що 
робить його більш маневреним. 
 
1.2 Огляд двигунів у робото-технічних системах 
 
У робототехніці використовуються наступні види двигунів. 
Двигуни постійного струму (ДПС) застосовуються найчастіше, оскільки вони 
бувають різних видів залежно від їх призначення і технічних характеристик. Їх 
перевагою є легко доступність на ринку, широкий спектр двигунів, простота в 
підключенні і можливість використовувати для малих роботів. До недоліків можна 
віднести необхідність побудови редуктора для зменшення швидкості, велике 
споживання енергії. 
Робота двигуна електричного постійного струму будується на основі явища 
електромагнітної індукції. Всі електродвигуни постійного струму мають в складі 
індуктор і якір, що розділені повітряним зазором  представлені на рисунку 1.5 [5]. 
 
 
11 
 
 
Рисунок 1.5 - Конструкція електричного двигуна постійного струму 
 
Якір що має електродвигун постійного струму має в своєму складі магнітну 
систему, зібраної з окремих листів і робочої обмотки, що покладена в пази та колектор 
службовець для підведення до робочої обмотки постійного струму що зображено на 
рисунку 1.6. 
 
Рисунок 1.6 - Протікання струму в двигуні 
 
Колектор представляє собою циліндр, який насаджений на вал і обраний із 
ізольованих однієї від одної мідної пластин. Колектор має виступи-півники, якими 
припаяні кінці секцій якірної обмотки. Зняття струму із колектора здійснюється при 
допомозі щіток, які забезпечують ковзний контакт із колектором.  
Процес перемикання та  явища, що пов'язані із ним, мають назву комутація. 
Величина якості комутації оцінюється по ступеню іскріння по-під збігають 
краєм щітки та визначається по шкалі ступенів іскріння що наведено на рисунку 1.7 
[6]. 
 
 
12 
 
 
 
Рисунок 1.7 - ДПС Buehler 1.13.021.343 
 
Колекторний двигун постійного струму Buehler 1.13.021.343 
Номінальна напруга, В  12 
Номінальна потужність, Вт  6,3 
Номінальний крутний момент, мНм  20 
Номінальна частота обертання, об/хв  3000 
Номінальна сила струму, А  0,9 
Крокові електродвигуна використовуються для пересування робототехнічних 
установок, вони не обертаються вільно, а повертаються поетапно на певний кут під 
управління контролера, наявність якого дозволяє обійтися без датчика положення. До 
позитивних якостей можна віднести точність контролю, різноманітність конструкцій, 
хороша швидкість. До негативних - об'ємність, не надто потужні, складне управління, 
велике споживання енергії. 
Принцип дії найпростішого однофазного крокової двигуна[5]. 
Двополюсний ротор з магнитом’якої сталі з дзьобоподібними виступами який 
міститься в чотириполюсовому статорі (рис.1.8).  
 
 
 
13 
 
 
Рисунок 1.8 - Найпростіший однофазний кроковий двигун 
 
Є перевагою крокових однофазних двигунів із постійними магнітами - простота 
конструкції та схеми управління. Задля фіксації ротора під час знеструмленої обмотки 
керування не потрібно споживання енергії, при чому кут повороту своє значення 
зберігає та при перервах в живленні. Двигуни  такі відпрацьовують імпульси із 
частотою до 200-300 Гц. Недоліки двигунів такого типу - низький ККД та 
неможливість реверсу. 
За способом збудження електричні двигуни постійного струму ділять на чотири 
групи (рис.1.9): 
1. З незалежним порушенням. 
2. З паралельним збудженням. 
3. З послідовним збудженням. 
4. Двигуни зі змішаним збудженням. 
 
Рисунок 1.9 - Схеми збудження електродвигунів постійного струму:  
а - незалежне, б - паралельне, в - послідовне, г – змішане 
 
 
14 
 
Двигуни реверсивні крокові. 
Задля здійснення реверсу зубці статора та ротора крокового двигуна мають бути 
симетричними тобто без дзьобоподібних виступів. Робота двофазного двополюсного 
крокового  двигуна наведена на рисунку1.10 із активним ротором в вигляді 
постійного магніту. 
 
 
Рисунок 1.10 - Реверсивний кроковий двигун 
 
Вважатимемо, що намагнічуючі сили (НС) розподілені по синусоїдальному 
закону. При ввімкнені фази під постійну напругу при умовно позитивній полярності 
статорний вектор НС співпаде із віссю фази А. В результаті взаємодії НС статора із 
полем магніту постійного ротора виникне синхронізуючий момент Мс = Mmaxsinq, 
де q – величина кута між віссю ротора та вектором НС. При відсутності гальмівного 
моменту займе ротор положення, під час якого вісь його співпаде із віссю фази А. 
Тепер якщо відключити фазу А та включити фазу В, тоді вектор НС та ротор  
обернутися на кут  90о. При ввімкнені фази А напругу зворотної полярності НС та 
ротор провернуться ще на кут 90о і т.д. Якщо ж до ротора ШД прикладено момент 
 
 
15 
 
навантаження, тоді при перемиканні фаз буде ротор відставати від вектора НС на 
деякий кут  
qн = arcsin (Mн / Mmax). 
Набагато більш невеликий крок (до часток градуса) можна отримати в 
редукторних (індукторних) крокових двигунів. Індукторні крокові двигуни 
виконуються з числом фаз m = 2-4. Вони мають зубчастий ротор з рівномірно 
розташованими zp зубцями і гребенчатие зони статора, зміщені відносно один одного 
на кут 2p / (mzp) (рис.1.11).  
 
 
Рисунок 1.11 - Редукторний кроковий двигун 
 
Число пазів статора і ротора, їх геометричні  розміри вибираються такими, щоб 
забезпечити необхідну величину кроку і синхронізуючого моменту при заданому 
вигляді комутації струмів. Основною особливістю індукторних двигунів є те, що 
магнітне поле в зазорі містить постійну і змінну складові. Постійна складова поля 
збуджується або постійної складової струму обмоток управління - у двигунів з 
самозбудженням, або спеціальною обмоткою збудження - у двигунів з незалежним 
порушенням, або постійними магнітами - у магнітоелектричних двигунів. Змінна 
складова магнітного поля створюється імпульсами струму обмоток управління, які 
надходять від електронного комутатора. 
Крокові двигуни. Режими роботи. 
 
 
16 
 
Рух ротора крокового двигуна визначається частотою та характером зміни 
імпульсів керуючих. Отже, розрізняють режими роботи двигунів крокових: 
квазістатичний, статичний; перехідний, усталеною.  
 
 
Рисунок 1.12 - Крокові двигуни серії FL20STH 
 
Крокові двигуни серії FL20STH 
Величина повного кроку, град  18 
Номінальна напруга, В  3,6 
Номінальний крутний момент, кг*см  0,18 
Номінальна сила струму, А  0,5 
П’єзодвигуни або ультразвукові двигуни є сучасною альтернативою ДПТ.  
Деякі тверді матеріали - кварц здатні у електричному полі змінювати лінійні 
свої розміри. Метали залізо, нікель і сплави, і окисли при зміні магнітного  
навколишнього поля можуть змінювати власні розміри. Залізо та нікель відносяться 
до п'єзоелектричних матеріалів, а сплави, і окисли - до п'єзомагнітних матеріалів. 
Розрізняють п'єзоелектричні та п'єзомагнітні ефекти. 
Двигун п'єзоелектричний може викуватися як з тих  і з інших матеріалів. Але 
найбільш ефективними у даний час  -це п'єзоелектричні двигуни. 
Робота пьезодвигуна заснована на використанні зворотнього п'єзоелектричного 
ефекту - на перетворенні енергії електричної в механічну. Але перетворення малих 
зміщень, що створюються цим п’єзоефектом, у обертання, - це є складною 
інженерною задачею. 
 
 
17 
 
За роботою п'єзоелектричні двигуни можна розділити на дві групи. Перша 
група - двигуни хвильового типу.  
В приводі ударного типу відбувається ударна взаємодія статора та ротора в зоні 
контакту та рухома частина приводиться у рух під дією імпульсів ударних, з частотою 
коливань п’єзоелемента, яка обчислюється десятками кГц. Ці п'єзоприводи 
характеризуються рівномірністю руху, хоча у кожен період коливань  імпульс сили 
діє на протязі його певної частини τк, τк / Т ≈ 0,05 ... 0,70. Група п'єзоприводів 
аналогічна двигунам електричним постійного струму, оскільки якір у останніх 
отримує періодичні високочастотні "поштовхи" від взаємодії поля, тільки в двигунах 
електромагнітних передача крутного моменту відбувається безконтактно,  в 
п'єзоелектричних – контактним чином, а отже, всі властивості взаємодії контактної, 
обумовлені силами тертя у контакті. 
Конструкція п’єзодвигуна є представлена на рисунку 1.13, яка включає 
п’єзоелемент 1, закріплений на підставі, в циліндричній зовнішній стороні якого 
встановлені жорстко штовхачі 2 із пружинного матеріалу, які впираються в частину 
внутрішню ротора 3.  
 
Рисунок 1.13 - Конструкція спрощена п’єзодвигунів: 1 - п’єзоелемент  двигуна;  
2 – штовхачі п’єзодвигуна; 3 – ротор 
 
За допомогою пружної деформації штовхачі притискаються з силою F до 
частини внутрішньої ротора. Відповідна статична картинка формується за допомогою  
деформації штовхачів і здійснюється за рахунок, що діаметр описуваного кола з 
виступаючими частинами штовхачів 2 які трохи більше внутрішнього діаметра 
 
 
18 
 
ротора 3. Отже, при складанні штовхачі згинаються та встановлюються похило із 
певною механічною напругою до внутрішньої частини ротора, об яку вони 
спираються (рис. 1.14). 
 
Рисунок 1.14 - Конструкція статична п’єзодвигунів: 1 - п’єзоелемент двигуна;  
2 - штовхачі; 3 – ротор двигуна 
 
Розглянемо лише випадок, коли частоти коливань рівні. Тоді дотичні точки 
мають рух по еліпсу, рисунок 1.15, частинка якого лежить по поверхні ротора. В 
такому режимі є різні часткові випадки:  
1) Вісь еліпса велика паралельна дотичній площині, яка проходить крізь точку 
дотику ротора (рис. 1.15,а). Тоді двигун має максимальний момент та має найкращу  
навантажувальну характеристику.  
2) Вісь еліпса велика перпендикулярна дотичній площині, яка проходить через 
одну точку торкання ротора (рис. 1.15.б).  
3) Еліпс перетворюється в коло (рис. 1.15.в) і виходять середні параметри поміж 
першим та другим випадком.  
4) Еліпс перетворився у пряму лінію (рис. 1.15.г). Режим є вкрай небажаним з-
за високих втрат  тертя та низький має ККД. 
 
Рисунок 1.15 - Характер сполучення контактної точки штовхача з ротором[8] 
 
 
19 
 
Переваги п’єзоактюаторів, як приводів[9]. 
Не лімітовані можливості по дозволу - п'єзоелектричні актюатори перетворять 
електричну енергію безпосередньо в механічну. Вони здатні здійснювати 
переміщення в субнанометричному діапазоні. 
Швидкість спрацьовування - в діапазоні мікросекунд.  
Розвиток великих сил - існуючі на сьогоднішній день потужні пакетні 
актюатори здатні переміщати конструкції вагою 100 і більше тонн на 250-500 мікрон 
з мінімальним кроком (чутливістю) 0,05 - 0,1 нм.  
Відсутність магнітного поля - дія актюаторів пов'язано з електричними полями. 
Вони не генерують магнітні поля, а також не схильні до впливу таких. Це особливо 
важливо при використанні в обладнанні, де неприпустимі електромагнітні 
перешкоди.  
Низьке споживання енергії - у статичному стані, навіть під впливом великих 
навантажень, актюатори не споживають енергію. Дія п’єзоактюаторов дуже схожа з 
електричним конденсатором. У стані спокою також не виділяється теплова енергія. 
Не схильність зносу - в конструкції п’єзоактюаторов немає шестерень або 
підшипників. Їхнє переміщення обумовлено динамікою твердого тіла. На практиці не 
виявлений у п’єзоактюаторов знос після декількох мільйонів робочих циклів. 
Можливість роботи в екстремальних умовах – п’єзоактюатори не вимагають 
мастила, а п'єзоелектричний ефект присутній навіть при низьких температурах. 
Існують п’єзоактюатори, здатні працювати при кріогенних температурах. А нові типи 
актюаторів з керамічною ізоляцією ідеальні для роботи в умовах надвисокого 
вакууму. 
Полімери електроактивні (ЕАП) - змінюють форму при подаванні на них 
електричної напруги. Можуть використовуватися як двигуни, і як сенсори. Як 
двигуни можуть значно деформуватися та розвивати значне зусилля. Є схожості із 
живими мускулами із розвивального зусиллям, тому їх називають штучними м'язами. 
Ці полімери використовуються у робототехніці в якості приводів лінійних. 
 
 
 
20 
 
1.3 Основні види п'єзокерамічних актюаторів 
 
На сьогоднішній день існує велика кількість різноманітних типів і видів 
п'єзокерамічних актюаторів, але не існує єдиної міжнародної класифікації. 
Пакетні (лінійні) п’єзоактюатори - найбільш широко використовуються. У 
свою чергу вони поділяються на різноманітні типи, наприклад, низьковольтні та 
високовольтні, корпусні та безкорпусні багатошарові дискретні і багатошарові 
монолітні і т.д. Пакетні актюатори можуть генерувати силу величезної величини - 100 
кілоньютон і більше. Максимальний хід не перевищує 500 мкм. Для захисту 
пьезокерамического пакета вони виконуються в металевих корпусах з вбудованою 
системою попереднього механічного напруги. 
Трубчасті п'єзоактюатори - в основі принципу роботи лежить явище звуження 
внутрішнього перерізу полого п’єзокерамичного циліндра. В основному 
застосовуються в скануючих мікроскопах і мікронасосах. 
Защемлюють згинні п'єзокерамічні біморфи і мультиморфи. Відмінною 
особливістю актюаторів такої конструкції є їх специфічне кріплення (защемлення). 
Дана конструкція забезпечує значні переміщення в міліметровому діапазоні, але при 
низькій жорсткості, малої блокуючої силі і резонансної частоті. Залежно від форми 
такі актюатори бувають пластинчастими і дисковими. 
Не дивлячись на те, що п'єзоактюатори мають незначний зсув, вони можуть 
використовуватися для здійснення значних лінійних переміщень або обертання в 
конструкціях, так звані п'єзоелектричні двигуни. Такі двигуни поділяються на такі 
типи: лінійні, осьові штовхаючі, біжучої хвилі і стоячої хвилі. 
Основна конструкція лінійних п'єзодвигунів містить три актюатора (рис. 1.16 
а), два з яких діють як гальмуючі (затискачі), і третій - як рушій. 
 
 
21 
 
 
Рисунок 1.16 - Лінійні двигуни: а - «дюймовий черв'як», б - «клиновий 
черв'як». 
Такі двигуни іноді називають «дюймовим черв'яком», досить характерну назву 
для такого типу пересування. Швидкість такого двигуна регулюється зміною кроку 
(величиною амплітуди) і частоти. Клиновий черв'як (рис. 15,б) більш простий і 
економічний варіант конструкції «дюймового черв'яка». В якості штовхача 
використовується п'єзокерамічний елемент. 
Осьовий штовхаючий двигун (рис.1.17), складається з статора, в який входять 
п'єзокерамічні елементи і вібратор (металевий циліндр), і ротора. При подачі 
керованої напруги, статор входить в механічний резонанс. Осьові переміщення 
перетворяться в еліптичне обертання, що передається ротору, який починає 
обертатися. 
 
 
Рисунок 1.17 - Схема осьового штовхаючого двигуна 
 
 
22 
 
 
У двигунах біжучої хвилі спеціальним чином поляризоване п'єзокерамічний 
елемент  (рис.1.18) приклеєний до кільця статора. П'єзоелектричний елемент в 
двигунах біжучої хвилі являє собою досить складну конструкцію. 
 
 
Рисунок 1.18 -. П’єзокерамічне статорне кільце двигуна біжучої хвилі 
 
Подається змінна електрична напруга викликає резонанс і генерує хвилю. 
Хвиля поширюється по або проти годинникової стрілки, викликаючи еліптичне 
переміщення верхньої частини статорного кільця, яке впливає на поверхню ротора, 
покриту спеціальним фрикційним матеріалом, що зменшують знос. 
Двигун біжучої хвилі (рис.1.19) має ряд важливих характеристик: високий 
обертальний момент, низьку швидкість обертання, велику швидкість реакції, досить 
плоску конфігурацію, непотрібність в гальмах. В якості недоліків можна відзначити 
необхідність застосування складної електроніки для управління ними. Крім цього, 
виготовлення п'єзокерамічного елемента є вельми складною і дорогою технологічної 
процедурою. У зв'язку з цим, вони не можуть замінити прості електродвигуни, і 
застосовуються тільки для спеціальних завдань, де потрібні їхні специфічні 
характеристики. 
 
Рисунок 1.19 - Схема двигуна біжучої хвилі. 
 
 
 
23 
 
У порівнянні з двигуном біжучої хвилі двигун стоячої хвилі не такий складний. 
Для його створення потрібні: однорідно поляризований п'єзоелемент, більш проста 
електроніка і одне джерело живлення. Двигун стоячої хвилі роторного типу близько 
3 мм в діаметрі був сконструйований на основі п'єзокерамічного кільця, склеєного з 
металевим диском, виготовленим у вигляді чотирьох лопатевою «вітряка» (див. рис. 
1.20), що дозволяє генерувати підвищення і зниження торсіонних подвійних 
коливань. Такий двигун простий і недорогий у виготовленні, що дозволяє його 
використання навіть в одноразових системах. 
 
Рисунок 1.20 - Схема двигуна стоячої хвилі 
 
Висновки до розділу 1 
 
В розділі проведено огляд сучасних робото-технічних систем, двигунів у 
робото-технічних системах, види п'єзокерамічних актюаторів. 
Після ретельного огляду привединих конструкцій двигунів, які 
використовуються в сучасних робототехнічних системах встановлено їх основні 
недоліки, а саме обмеження по зменшенню їх габаритів, великий крок переміщення, 
велика споживна потужність та незначні силові характеристики. 
 
 
  
 
 
24 
 
РОЗДІЛ 2. МОДУЛЬ КЕРУВАННЯ П’ЄЗОКЕРАМІЧНИМ РОБОТОМ 
 
2.1. Огляд датчиків 
 
Датчики температур [10]. 
Більшість технологічних процесів в даний час знаходяться на шляху 
автоматизації. Крім того, управління численними механізмами і агрегатами, а часто і 
машинами, неможливо уявити без точних вимірювань різних фізичних величин. 
Вимірювання тиску, кутової швидкості, а також лінійної і багатьох інших має 
важливе значення. Але найбільш поширеним (близько 50%) є вимірювання 
температури. Наприклад, середня атомна електростанція має близько 1500 
контрольних (вимірювальних) точок, тоді як велике хімічне виробництво має близько 
2 мільйонів. 
Були розроблені різні типи датчиків (і первинних перетворювачів) з точки зору 
точності, завадостійкості і швидкодії, оскільки діапазон вимірювань і умови його 
застосування можуть сильно відрізнятися один від одного. Принцип перетворення є 
загальним для всіх, незалежно від типу датчика температури. Тобто виміряна 
температура перетворюється в електричну величину (саме за це відповідає первинний 
перетворювач). Це пов'язано з тим, що електричні сигнали легко передаються на 
великі відстані (висока швидкість прийому і передачі), легко обробляються (висока 
точність вимірювань) і, в кінцевому рахунку, мають високу продуктивність. 
Тип датчика температури за типом дії [5]. 
Термостійкий термодатчик. 
На рисунку 2.1 показаний датчик 702-101bbb-A00, Діапазон вимірювання якого 
становить-50〜+130 це °C. Цей датчик відноситься до групи кремнієвих резистивних 
датчиків (про них читайте в двох абзацах нижче). Зверніть увагу на його розмір. 
Датчик виготовлений компанією Honeywell International. 
 
 
 
25 
 
 
 
Рисунку - 2.1. Датчик 702-101BBB-A00 
 
 
Залежно від матеріалів, використовуваних при виготовленні терморезистивних 
датчиків, розрізняють наступні: 
1. Терморезистивний датчик температури (Rtd). Ці датчики виготовляються з 
металу і найчастіше з платини. Як правило, метали змінюють стійкість під впливом 
температури, в той час як платина використовується для забезпечення довготривалої 
стабільності, міцності і відтворюваності властивостей. Вольфрам також може 
використовуватися для вимірювання температур вище 600°C. Недоліками цих 
датчиків є висока вартість і нелінійність характеристик. 
2. Кремнієвий датчик опору. Перевагами цих датчиків є хороша лінійність і 
висока довготривала стабільність. Ці датчики також можуть бути вбудовані 
безпосередньо в мікроструктуру. 
3. Термістори ці датчики виготовлені з суміші оксидів металів. Датчик вимірює 
лише абсолютну температуру. Істотним недоліком термісторів є необхідність 
калібрування, висока нелінійність і старіння, але при всіх необхідних Налаштуваннях 
їх можна використовувати для точних вимірювань. 
Напівпровідниковий датчик. 
Як приклад на рисунку 2.2 показаний напівпровідниковий датчик температури 
LM75a від компанії NXP Semiconductors. Діапазон вимірювання цього датчика 
становить від -55 до +150 градусів. 
 
 
 
26 
 
 
Рисунок 2.2 - Датчики температури LM75A 
 
Напівпровідникові датчики реєструють зміни властивостей p-n-переходів під 
впливом температури. В якості термодатчика можна використовувати будь-який діод 
або біполярний транзистор. Пропорційна залежність напруги на транзисторі від 
абсолютної температури (в кельвінах) дозволяє реалізувати досить точний датчик. 
Перевагами таких датчиків є простота і дешевизна, лінійність характеристик, 
невеликі похибки. Крім того, ці датчики можуть бути виконані безпосередньо на 
кремнієвій підкладці. Все це робить напівпровідникові датчики дуже популярними. 
Термоелектричний (термопарний) датчик. 
Термоелектричний перетворювач - іншими словами, термопара. Вони засновані 
на принципі термоелектричного ефекту, тобто на тому факті, що якщо точки 
з'єднання відрізняються по температурі, то в будь-який замкнутому ланцюзі (від 2 - х 
різних напівпровідників або провідників) виникає струм так, один кінець термопари 
(робочий) занурений в середу, а інший кінець (вільний) - немає. Отже, ми бачимо, що 
термопара є відносним датчиком, і вихідна напруга залежить від різниці температур 
між двома частинами. І це майже не залежить від їх абсолютної величини. 
Найбільш поширеним способом використання термопари є електронний 
термометр. 
Пірометр. 
Пірометр-це безконтактний датчик, який реєструє випромінювання від 
нагрітого об'єкта. Основною перевагою пірометрів (на відміну від попередніх 
датчиків температури) є те, що їх не потрібно розміщувати безпосередньо в 
контрольованому середовищі. В результаті такого занурення часто відбувається 
 
 
27 
 
спотворення досліджуваного температурного поля, не кажучи вже про зниження 
стабільності характеристик самого датчика. 
Акустичний датчик. 
Акустичний термодатчик в основному використовується для вимірювання 
середньої та високої температури. Акустичні датчики засновані на принципі, згідно з 
яким швидкість поширення звуку в газі змінюється в залежності від зміни 
температури. Він складається з випромінювача і приймача акустичних хвиль 
(просторово рознесених). 
П'єзоелектричні датчики. 
У датчиках цього типу головним елементів є кварцовий п’єзорезонатор. 
Вибір датчиків температури. 
Першим параметром, що визначає вибір датчика температури, вважається 
діапазон виміру. Якщо підходить декілька варіантів, то можна користуватися таким 
правилом: номінальне вимірюване значення має лежати в діапазоні від половини до 
двох третин шкали. Так, наприклад, не бажано використовувати термопару для 
вимірювання кімнатної температури, і навпаки для температур вище 200 градусів 
термопара буде гарним вибором. 
Наступною величиною, яка заслуговує пильної уваги, буде точність 
вимірювань. Якщо за умовами проекту потрібна точність менше одного градуса, то 
практично однозначним вибором стане термометр опору. На щастя такі вимоги 
зустрічаються досить рідко, і в більшості побутових застосувань цілком підійде 
напівпровідниковий датчик з точністю в 1 градус. 
Конструктивні особливості датчика також визначають його область 
застосування. Сьогодні можна знайти безліч варіантів, як виконання вимірювальної 
частини, так і за способом приєднання до процесу. Також при виборі слід враховувати 
і такий параметр як інерційність. Інерційність вимірюється в секундах і показує, 
наскільки швидко зміна температури навколишнього середовища відіб'ється на 
вихідному сигналі датчика. Нехтування даними параметром часто може призвести до 
неточності роботи схеми й інших малоприємних наслідків, особливо якщо показання 
термодатчика використовуються для цілей управління обладнанням. 
 
 
28 
 
Характеристики вибраного датчику приведені в додатку А. 
Датчики вимірювання тиску [11] 
Датчик тиску - пристрій, у якому вихідні параметри мають залежність від тиску 
досліджуваного середовища, будь то рідина чи газ або пар. Сучасні системи не 
можуть обійтися без точних приладів цього типу, вони використовуються в системах 
автоматизації різних галузей: енергетика, харчова промисловість, нафтова і газова 
галузь і багато-багато інших. У нас в каталозі, є розділ датчики тиску за допомогою 
якого, ви зможете вибрати і купити потрібний вам датчик. 
До складу будь-якого датчика тиску входить: 
• первинний перетворювач тиску з чутливим елементом; 
• різні по конструкції корпусні деталі; 
• схеми для повторної обробки сигналу. 
Класифікація датчиків за принципом дії. 
Оптичні датчики. 
Оптичні датчики тиску побудовані на двох принципах виміру: волоконно-
оптичному та оптоелектронному. 
Волоконно-оптичні 
Волоконно-оптичні датчики тиску є найбільш точними та їх робота не дуже 
сильно залежить від коливання температури. Чутливим елементом являється 
оптичний хвилевід. Про вимірюваної величиною тиску у таких приладах судять по 
зміні амплітуди та поляризації проходить крізь чутливий елемент світла. 
П'єзоелектричні датчики. 
Чутливим елементом датчиків цього типу є п'єзоелемент - матеріал, що виділяє 
еклектичний сигнал при деформації (прямий п'єзоефект). П'єзоелемент знаходиться в 
вимірюваної середовищі, він буде виділяти струм пропорційний величині зміни 
тиску. Так як електричний сигнал у п'єзоматеріалів виділяється тільки при 
деформації, а при постійному тиску деформування не відбувається, то цей датчик 
придатний тільки для вимірювання швидко мінливого тиску. 
 
 
29 
 
П'єзорезонансні датчики. 
Цей тип теж використовує п'єзоефект, тільки на відміну від минулого типу тут 
використовується зворотний п'єзоефект - зміна форми п'єзоматеріала залежно від 
подаваємому струму. У датчиках даного типу використовується резонатор 
(наприклад пластина) з п'єзоматеріала, на яку нанесено з двох сторін електроди. На 
електроди по змінно подається напруга різного знака, таким чином пластина 
згинається то в одну то в іншу сторону з частотою подається напруги. Але якщо на 
цю пластину подати силу, наприклад мембраною чутливої до тиску, то частота 
коливання резонатора зміниться. Частота резонатора і буде показувати величину, з 
якою тиск тисне на мембрану, а вона в свою чергу тисне на резонатор. 
Як приклад, на рисунку 2.3 приведений п'єзорезонансний датчик абсолютного 
тиску. 
Він виконаний у вигляді герметичної камери 1. Герметичність досягається 
з'єднанням корпусу 2, підстави 6 і мембрани 10, яка кріпиться до корпусу за 
допомогою електронно-променевого зварювання. На підставі 6 закріплені два 
тримачі: 4 і 9. Тримач 4 кріпиться до основи за допомогою спеціально перемички 3 і 
він тримає силочутливі резонатор 5. Тримач 9, встановлений для кріплення опорного 
п'єзорезонатора 8. 
 
Рисунок 2.3 - Структура п'єзорезонансного датчик абсолютного тиску 
 
Мембрана 10 передає зусилля через втулку 13 на кульку 6, закріплений в 
тримачі 4. Шарик 4 передає силу тиску на силочутливі резонатор 5. Провід 7 
 
 
30 
 
кріпляться на підставі 6 і служать для з'єднання резонаторів 5 і 8 з генераторами 17 і 
16 Вихідний сигнал абсолютного тиску формується схемою 15 з різниці частот 
генераторів. Датчик тиску поміщений в активний термостат 18 з постійною 
температурою 40 градусів Цельсія. Вимірюваний тиск подається через штуцер 12. 
Тонкоплівковий ємнісних гігрометр складається із підкладки, і на нього 
нанесено два електроди що мають гребінчасту форму (рис. 2.4).  
 
 
Рисунок 2.4 - Структура тонкоплівкового ємнісного гігрометра 
 
Оптичні датчики. 
Найточніший гігрометр. В основі роботи цього типу датчиків вологості лежить 
поняття точки роси. 
Точка роси залежить від 2 параметрів: тиску навколишнього середовища і 
вологості. В результаті можна легко визначити характеристики вологості, якщо 
виміряти точку роси і тиск. Цей принцип закладений в оптичний датчик вологості. 
На рисунку 2.5 зображена спрощена схема оптичного гігрометра. 
 
Рисунок 2.5 - Принцип дії оптичного гігрометра 
 
 
31 
 
 
Він складається з діода, який світить на дзеркало. Дзеркало, в свою чергу, 
відбиває світло на фотоприймач. Дзеркало може нагріватися або охолоджуватися за 
допомогою спеціального високоточного пристрою контролю температури. В якості 
таких пристроїв часто використовуються термоелектричні насоси. Дзеркало 
оснащене датчиком температури. На початку вимірювання температура дзеркала 
встановлюється на рівень вище точки роси. Потім воно поступово охолоджується. Як 
тільки температура переходить точку роси, на дзеркалі починають з'являтися 
крапельки, заломлений від них світловий промінь розсіюється, і струм на виході 
фотоприймача зменшується. Фотоприймач підключений через зворотний зв'язок до 
регулятора температури дзеркала. Пристрій використовує сигнали від фотодетектора 
для підтримки температури, рівній точці роси, і не більше, а термодатчик видає 
сигнал, відповідний цій температурі. При відомих тисках всі показники вологості 
(відносна вологість, тиск парів і т. д.) можуть бути визначені на основі цієї інформації. 
Цей тип датчиків володіє незаперечною перевагою-високою точністю, яка не 
може бути досягнута за допомогою інших типів датчиків, а також відсутністю 
гістерезису. Як і недоліки-висока вартість, високе енергоспоживання,  також іноді 
може виникнути необхідність в очищенні дзеркала. 
Характеристики вибраного датчику приведені в додатку А. 
 
2.2 Огляд радіо модулів  
 
Радіопередавальні пристрої (РПГ) використовуються в галузі телекомунікацій, 
теле - і радіомовлення, радіолокації та радіонавігації. Стрімкий розвиток 
мікроелектроніки, аналогових і цифрових мікросхем, мікропроцесорів і 
комп'ютерних технологій робить значний вплив на розвиток технології бездротової 
передачі даних як з точки зору різкого розширення функціональних можливостей, так 
і з точки зору поліпшення її експлуатаційних характеристик. Це досягається шляхом 
побудови структурних схем передавачів і схемних реалізацій їх окремих вузлів, а 
 
 
32 
 
також використання нових принципів для реалізації цифрових методів генерації, 
обробки і перетворення вібрацій і сигналів з різними частотами і рівнями потужності. 
В області телекомунікацій і радіомовлення можна виділити наступні основні 
постійно зростаючі вимоги до систем передачі інформації, елементами яких є Rpg: 
- Забезпечення завадостійкості в перевантажених радіопередачах; 
- Збільшення пропускної здатності каналу; 
- Економічна ефективність використання частотних ресурсів для 
багатоканального зв'язку; 
- Покращена якість сигналу і електромагнітна сумісність. 
Wi-Fi - це скорочення англійських слів wireless fidelity, що значить "бездротова 
вірність". Таким терміном позначають ряд стандартів бездротової передачі даних. 
Для технологій Wi-Fi були розроблені різноманітні протоколи передачі даних. 
Найбільш відомий стандарт IEEE 802.11, що з'явився в 1997р. В "сімейство" також 
входять його численні модифікації: 802.11a; 802.11b; 802.11g. Між собою вони 
різняться максимальною швидкістю передачі даних (пропускною здатністю), 
радіусом дії, застосовуваним частотним діапазоном. У первинному варіанті протокол 
802.11 дозволяв організувати з'єднання з пропускною спроможністю до 1-2 Мбіт / с. 
З часом швидкість з'єднання зросла. Для протоколу 802.11b вона становила 11 Мбіт / 
с, а для 802.11a і 802.11g - вже 54 Мбіт / с. 
Протоколи 802.11b і 802.11g використовують радіозв'язок з частотою 2,4 ГГц, а 
протокол 802.11a - 5 ГГц. Діапазон 5 ГГц забезпечує високу пропускну здатність 
з'єднання. Крім того, він не настільки завантажений (порівняно з діапазоном 2,4 ГГц, 
де "віщають" мікрохвильові печі, бездротові телефони та інша побутова техніка), 
тому радіосигнали з частотою 5 ГГц рідше "страждають" від перешкод. До його 
недоліків відносяться велика вартість обладнання та меншу відстань, на яке можна 
здійснити передачу сигналу (при рівній потужності і однаковою чутливості 
приймачів). При зростанні дистанції між джерелом і приймачем сигналу різко падає 
швидкість передачі даних. Так, для пристроїв, що підтримують протокол 802.11g, 
відстань, на якому вони приймають сигнали з розрахунковою швидкістю 54 Мбіт / с, 
 
 
33 
 
- близько 15 м (в приміщенні), а при збільшенні його до 40-45 м швидкість з'єднання 
знижується майже в 5 разів . 
Більшість високочастотних джерел сигналу, в тому числі і Wi-Fi, повинні бути 
зареєстровані в Державній комісії з радіочастот і отримати дозвіл на "вихід в ефір". 
Рішення цієї комісії, прийняте 04.04.2005 р., дещо спростило життя користувачів 
внутрішньо будинкових мереж Wi-Fi. Тепер, якщо громадяни у себе вдома або на 
роботі застосовують пристрої Wi-Fi потужністю до 100 мВт, дозвіл на користування 
радіочастотою не потрібно - досить лише в повідомному порядку повідомити до 
місцевого Комітет з радіочастот про наявність у вас даного приладу. 
Модуль WizFi210 
Модуль WizFi210 (рис.2.6) володіє компактними розмірами і низькою вартістю.  
 
Рисунок 2.6 - Модуль WizFi210 
 
Головна відмінність модуля WizFi210 від його pin-to-pin аналога WizFi220 
полягає в меншій потужності випромінюваного радіосигналу (вбудований 
підсилювач потужності відсутній) і, як наслідок, у меншому енергоспоживанні в 
режимі передачі і меншою дальності дії. Ключовою особливістю модуля є наявність 
вбудованого програмного забезпечення, здатного реалізовувати міст UART <-> WiFi 
Ethernet зі швидкістю обміну даними до 460800 біт / с. Для реалізації більш складних 
додатків в парі з модулем може використовуватися зовнішній мікроконтролер, для 
взаємодії з яким у модулі WizFi110 передбачений інтерфейс SPI.  
Основні характеристики: 
• Інтерфейси для взаємодії із зовнішніми пристроями 
• UART, швидкість до 921600 біт / с 
 
 
34 
 
• SPI Master, швидкість до 11 Мбіт / с 
• SPI Slave, швидкість до 3 Мбіт / с 
• Час виходу модуля в робочий режим менш 20 мс 
• Функція динамічного управління живленням (5 мкА в режимі Standby і 110 
мкА в режимі Sleep) 
• Стандарт WiFi802.11b зі швидкістю обміну даними по радіоканалу                                    
до 11 Мбіт/с 
• Розміри: 32х23,5х2,9 мм 
Спочатку технологія Bluetooth створювалася з метою об'єднати між собою різні 
офісні та побутові пристрої без використання проводів. Оскільки існує безліч 
різновидів таких пристроїв, то щоб організовувати правильну взаємодію між ними 
треба було створення спеціальних профілів. Іншими словами, профіль - це набір 
способів формування пакетів даних і правил, за якими дві Bluetooth пристрої 
однакового призначення взаємодіють один з одним у рамках однієї мережі.  
Організація зв'язку між Bluetooth пристроями, вибір тимчасових інтервалів і 
частот для обміну даними відбувається автоматично, без участі користувача. Від 
користувача потрібно тільки сформувати дані для передачі або обробити отримані 
дані. В окремих випадках користувач може ще дати команду влаштуванню Bluetooth 
на ініціацію або завершення з'єднання шляхом натискання на відповідну кнопку. 
Залежно від потужності передавача, пристрою Bluetooth діляться на три класи. 
Bluetooth помітно поступається по продуктивності технологіями Wi-Fi, 
оскільки забезпечує порівняно невелику швидкість з'єднання (500 Кбіт / с) з радіусом 
дії, зазвичай складовим 10 м.  
Пристрої відрізняються невисокою вартістю, малою вагою і досить 
компактними розмірами, найвищим на даний момент якістю передачі мови по 
радіоканалу. Вони надають своєму користувачеві відносну свободу переміщення в 
просторі і здатні працювати в автономному режимі (живлення від батарейки) від 
декількох годин до декількох діб. Радіо інтерфейс Bluetooth оптимізовано таким 
чином, щоб ефективно вирішувати проблеми інтерференції і загасання сигналу і 
володіти достатньою безпекою при передачі даних. 
 
 
35 
 
Переваги технології: простота використання готових модулів та малі розміри, 
безпека передачі інформації  - це аутентифікація та кодування, високий рівень 
стандартизації. 
Недоліки технології: неможливість побудови мереж зі складною топологією, 
більша (порівняно з мережами ZigBee) енергоспоживання. 
Модуль HC-05 зображено на рисунку 2.7. 
 
 
 
Рисунок 2.7 - Модуль HC-05 
 
Робоча частота: 2.4 ГГц 
Підтримувані інтерфейси: UART 
Потужність: ≤ 4dBm, клас 2 
Швидкість передачі асинхронної: -2.1 Мбіт / с 
Швидкість передачі синхронної: 1Мбит / с 
Захист: авторизація та шифрування 
Напруга живлення: 3.3 … 5.0 В постійного струму, 50 мА 
Розмір: 28x15x2.35 мм 
ZigBee заснований на стандарті IEEE802.15.4-2006 для бездротових 
персональних мереж, таких як бездротові навушники, що підключаються до 
мобільних телефонів з використанням короткохвильових радіохвиль, невеликого 
розміру і низької потужності. Ця технологія визначається специфікацією ZigBee, яка 
розроблена таким чином, щоб бути простішою та дешевшою, ніж інші персональні 
мережі, такі як Bluetooth. ZigBee розроблений для мобільних пристроїв, де потрібен 
тривалий час автономної роботи і безпеку передачі даних по мережі. 
 
 
36 
 
Протокол заснований на нещодавно розробленому алгоритмі AODV 
(dynamicroutingprotocolformobile a-hoc networks (MANET) та інших радіомережах, 
Neurfon) і призначений для створення однорангових мереж (розподілених 
радіомереж, сформованих випадковими абонентами) або вузлів. У більшості випадків 
мережа являє собою групу кластерів. Вона також може мати форму мережі або 
окремого кластера. Поточний профіль, створений на основі протоколу ZigBee, 
підтримує мережі з увімкненими або вимкненими маяками.JN5139-Z01-R1 (рис.2.8) 
Робоча частота 2.4 ГГц 
Режим роботи приймач, передавач 
Стандарт передачі даних ZigBee 
Підтримувані інтерфейси SPI, UART, I2C, GPIO 
Швидкість передачі даних (макс) 250 кбіт / с 
Напруга живлення 2.7 ... 3.6 В 
Потужність передавача 3 дБ 
Чутливість приймача -97 дБ 
Розмір 18 мм 
 
 
Рисунок 2.8 - Модуль JN5139-Z01-R1 
 
 
2.3 Вибір мікроконтролерів[13]  
 
Однак всі ці моделі можна розділити на наступні основні типи, в яких, якщо 
уявити собі новітні мікроконтролери (МК) всіх типів, можна здивуватися величезній 
кількості різних пристроїв цього класу, доступних споживачам.: 
 
 
37 
 
• Вбудований 8-розрядний МК; 
• 16-розрядні та 32-розрядні мікропроцесори; 
• Цифровий сигнальний процесор. 
 
Рисунок 2.9 - Структура микроконтроллера 
 
Цифрові сигнальні процесори (DSP) - відносно нова категорія процесорів. Мета 
DSP-отримувати поточні дані з аналогової системи, обробляти їх та генерувати 
відповідну відповідь у режимі реального часу. Зазвичай вони є частиною системи, яка 
використовується як пристрій управління зовнішнім обладнанням і не призначена для 
автономного використання. 
Система команд 
Залежно від кількості використовуваних операційних кодів системи команд MC 
можна розділити на 2 групи: CISC і RISC. Термін Cisc означає складну систему 
команд і є скороченням від англійського визначення complex instruction set computer 
(комп'ютер зі складним набором команд). Аналогічно, термін risc означає скорочену 
систему команд і походить від англійського Reduce Instruction set Computer 
(скорочувати набір команд комп'ютера). Командну систему MK8051 можна віднести 
до типу CISC. Однак, незважаючи на широке використання цих понять, сама назва не 
відображає головної відмінності між системою команд CISC і системою команд 
RISC.Основна ідея архітектури RISC полягає в ретельному виборі комбінації 
 
 
38 
 
операційного коду, яка може бути виконана за 1 такт. Основна перевага такого 
підходу полягає в тому, що він значно спрощує апаратну реалізацію центрального 
процесора і значно підвищує його продуктивність. 
Очевидно, що в загальному випадку деякі команди RISC відповідають 1 
команді CISC. Однак вигоди від підвищення продуктивності в рамках RISC зазвичай 
переважають втрати від менш ефективних систем команд, що призводить до 
підвищення загальної ефективності системи RISC порівняно з CISC. 
Однак сьогодні межі між архітектурами CISC та RISC швидко розмиваються. 
Наприклад, AVR сімейства MK від Atmel має систему команд, що містить 120 
інструкцій, що відповідають типу CISC. Однак більшість з них виконуються за 1 такт, 
що є ознакою архітектури RISC. Сьогодні ознакою архітектури RISC вважається 
виконання команд за 1 такт. Кількість команд сама по собі вже не є проблемою.У 
розробленому нами пристрої використовуються один мікроконтролер компанії 
мікрочіп: PIC18F886. Нижче наведені параметри (табл. 2.1) мікроконтролера, 
PIC18F886. 
Таблица 2.1 Параметры микроконтроллера PIC18F2550 
Параметр PIC18F886 
Тактова частота DC-20МГц 
Память данных (байт) 8192 
ЕЕРRОМ Пам’ять даних 256 
(байт)Д жерело перерв 19 
Порти введення / виведення PORT A,B,C 
Таймери 3 
Модулі ССР 1 
Послідовні інтерфейси MSSP, адресованный 
Паралельні інтерфейси USARPTS P 
Модуль 10-розрядного АЦП 11 каналов 
POR, BOR, команда 
Скидання 
RESET, переполнение стека, 
Програмований детектор опустошения стека (PWRT, 
Есть 
низької напруги OST) 
Програмований детектор 
Есть 
скидання по зниженню напруги 
питания (ВО) 
 
 
39 
 
Команди мікроконтролера 75 
Корпус 28 DIP, 28 SOIC 
 
В додатку В приведен даташит микроконтроллера PIC18F886. 
 
2.4 DC / DC інвертори напруги 
 
Інвертори напруги - інвертором напруги (з зарубіжної термінології DC / AC 
converter) називають пристрій, що перетворюють електричну енергію джерела 
напруги постійного струму в електричну енергію змінного струму. 
Потреба в таких пристроях пов'язана з широким впровадженням в різних 
галузях промисловості і бізнесі комп'ютерних технологій. При цьому недостатня 
надійність мереж змінного струму є основним джерелом порушення технологічного 
циклу виробничих процесів і пов'язана з великими економічними ризиками . За 
оцінками фахівців збитки від « перебою » електричної енергії протягом однієї години 
в таких сферах, як фінанси ( брокерські операції, продаж кредитних карток), медіа- 
послуги, обчислюються сотнями тисяч доларів. 
Опис бустерної схеми[14] 
Схема DС / DС конвертора, з якою ми будемо знайомитися докладно, це 
підвищує стабілізатор (boost converter, stер-up converter). Зустрічається такий 
стабілізатор не менш часто. Він знаходить застосування в приладах, де є тільки 
низьковольтне живлення, наприклад, 1-2 гальванічних елемента напругою 1,5 В, але 
потрібно мати підвищену стабільну напругу 5 ... 15 В для живлення вузлів з малим 
струмовим споживанням. Інша «професія» бустерного перетворювача - побудова 
активних коректорів коефіцієнта потужності. Про ці пристрої ми поговоримо в одній 
з наступних глав, поки ж розберемо основні принципи роботи «бустера».  
На рисунку 2.10 показана базова схема бустерного перетворювача. 
 
 
40 
 
 
Рисунок 2.10- Базова схема бустерного перетворювача 
 
Коли ключовий транзистор закривається, схема переходить у фазу передач 
енергії дроселя в навантаження, ЕРС самоіндукції підсумовується з вихідною 
напругою і енергія, запасена в дроселі, заряджає конденсатор Cout  . При цьому 
вихідна напруга Uout  може стати більше вхідної U in  . 
Слід запам'ятати, що, на відміну від чопперної схеми, в «бустері» дросель L не 
є елементом фільтра, а, вихідна напруга стає більше вхідної на величину, яка 
визначається величиною індуктивності L і значенням коефіцієнта заповнення, що 
визначається як відношення часу відкритого стану ключового елемента до періоду 
комутації (duty сусlе). 
Розберемо трохи більш докладно фази роботи бустерного перетворювача і 
спочатку поговоримо про фазу накопичення енергії дроселя, в якій задіяні елементи 
згідно рисунку 2.11, а. 
  
а)       б) 
Рисунок 2.11 - Фаза роботи бустерного стабілізатора: 
а) фаза накопичення енергії дроселя; 
б) фаза передачі енергії дроселя 
 
 
41 
 
У цій фазі транзистор VТ відкритий і потенціал правого (за схемою) виведення 
дроселя L близький до потенціалу загального провідника схеми, лівий висновок 
замкнутий на «плюс» живлячої напруги. Конденсатор Cout  , вважаємо має деякий 
заряд, тому діод VD «підпертий» напругою Uout , струм у навантаженні 
підтримується тільки за рахунок енергії, накопиченої в вихідному конденсаторі.  
Але в даному випадку нас більше цікавлять процеси, що відбуваються в дроселі. 
А відбувається в ньому лінійне зростання струму iL  від нульового значення по 
закону: 
U  t
i = in
L         (2.1) 
L
де t - тривалість фази накопичення енергії. 
Ми бачимо, що чим довше триває фаза накопичення, тим більшу величину 
струму можна отримати до моменту її закінчення. Якщо ж накладається обмеження 
на тривалість фази накопичення (що в реальних схемах частіше вcього і буває), то 
отримати необхідну величину струму можна за рахунок вибору відповідного 
значення індуктивності L. Чим менше значення індуктивності має дросель, тим легше 
йому «набирати» струм. Цей простий, але дуже важливий висновок ми зробили 
виходячи з тoгo, що в отриманому виразі індуктивність L стоїть в знаменнику. 
Перехід до фази передачі енергії в навантаження відбувається при розмиканні 
ключового транзистора VT. У цій фазі лівий (за схемою) висновок дроселя L 
залишається підключеним до «плюса» джерела живлення, а от правий - через що 
відкрився діод VD - набуває потенціал «плюса» вихідної напруги схеми. 
Ми вже добре знаємо, що основна властивість індуктивного елемента 
прагнення до підтримання величини і напрямку протікання через нього струму. Тому 
при розмиканні ключа напрямок розрядного струму індуктивного елемента співпаде 
по напрямку з зарядним струмом. Закон зміни струму дроселя в даній фазі 
записується так: 
 
 
42 
 
U −U
i = out in  (T − t)
L                                         (2.2) 
L
де Т - період комутації. 
Якщо перехід між фазами відбувається в деякий момент tu  , то, підставляючи  
це значення у формули (2.1) і (2.2), прирівнюючи їх праві частини, ми отримаємо 
регулювальну характеристику бустерного перетворювача: 
1
U =U 
out in                                            (2.3) 
1− D
де D - коефіцієнт заповнення (duty cycle). 
Як і, в разі чопперного стабілізатора, індуктивний елемент «бустера» також 
може працювати в двох режимах – з нерозривним струмом і з розривним струмом iL
. На рисунку 2.12 наведено діаграми, відображаючі роботу step-up конвертора. Режим 
нерозривних струмів наведено на рисунку 2.12, а.  
 
Рисунок 2.12 - Характеристики бустерного стабілізатора:   
а) в режимі нерозривних струмів дроселя;  
б) в режимі розривних струмів дроселя 
 
 
43 
 
 
Оскільки діод VD у фазі розряду дроселя не закривається аж до моменту її 
закінчення, напруга «стік-витік» закритого транзистора VТ в цій фазі одно вихідній 
напрузі Uout . Якщо режим струму дроселя розривні (рис. 2.17, б), струм i спадає до 
нуля до закінчення розрядної фази, діод VD закривається і напруга «стік-витік» 
транзистора стає рівним U in  . 
Якщо бути більш точним, то в момент повного розряду дроселя виникає 
коливальний процес (він показаний на рисунку), частоту якого можна визначити за 
формулою: 
1
f =
0                                      (2.4) 
2 L  (C +C )
VT VD
де   CVT  - ємність між стоком і витоком транзистора VТ; 
CVD  - бар'єрна ємність закритого р-n переходу діода VD. 
У режимі безперервних струмів, коли iL  2iin  час відкритого стану ключового 
транзистора VТ визначається за формулою, що є наслідком (2.3): 
1 U −U 
t =  out in 
u                                                (2.5) 
f U
 out 
Амплітуда струму дроселя iL  розраховується за формулою: 
1
i = U  t
L in u                                             (2.6) 
L
При розрахунку параметрів «бустера» важливо знати максимальну вeличину 
струму imax  дроселя L , і її можна розрахувати за формулою: 
1
i = i +  i
max in L                                          (2.7) 
2
де вхідний струм iin  дорівнює: 
 
 
44 
 
U
i = i  out                                             (2.8) 
in out U
in
Тепер наведемо основні розрахункові співвідношення для режиму розривних 
струмів, визначається по умові iL  2iin  . Час відкритого стану транзистора VT в 
цьому режимі визначається так: 

U −U 
t = 2i  L  out in 
                                        (2.9) 
u out
 f U 2 
 in 
Час спаду до нульового значення розрядного струму дроселя (рис. 4.3, б): 
 U 
t = t   out                                     (2.10) 
u1 u U −U 
 out in 
Амплітуда струму дроселя: 
1
i = U  t                                                   (2.11) 
max L in u
Ми розглянули процеси, що відбуваються в ідеалізованому бустері. Як було 
сказано раніше, реальні схеми бустерних перетворювачів не дозволяють значно 
збільшувати напругу на виході із-за наявності деяких паразитних параметрів, про які 
варто поговорити трохи докладніше. У схемі на рисунку 2.18 показані основні 
паразитні параметри: активний опір обмотки індуктивного елемента ( rL ), опір 
ключового елемента у відкритому стані ( rVT ), диференціальний опір діода в прямому 
напрямі ( rVD ). Для простоти будемо вважати, що опір транзистора і діода приблизно 
рівні, тоді загальний опір зарядного і розрядного ланцюгів перетворювача можна 
вважати приблизно однаковим: 
r = r + r = r + r                                      (2.12) 
L VT L VD
Регульована характеристика перетворювача, раніше записана нами у вигляді 
(5.3), для схеми з паразитними параметрами  (рис.2.13) буде виглядати так: 
1 1
U =U                               (2.13) 
out in 1− D  r 
1+    (1− D)2
 Rн 
 
 
45 
 
 
Рисунок 2.13 - Основні паразитні параметри в реальному бустерному часі 
 
Вираз (2.13) справедливо для діапазону коефіцієнтів заповнення D в межах від 
0 до Dкр  , званого критичним коефіцієнтом заповнення. Критичний коефіцієнт 
заповнення визначає гpаницю застосовуваності формули (2.13); при її перевищенні 
peгyльована характеристика стабілізатора набуває падаючий характер. Це 
відбувається тому, що падіння напруги на паразитному опорі r вже не може бути 
скомпенсоване наростанням струму в індуктивності. 
Визначити критичний коефіцієнт заповнення можна за формулою: 
r
D = 1−                                                 (5.14) 
кр R
н
Графічне сімейство регулюючих характеристик показано на рисунку 2.14.  
 
Рисунок 2.14 - Графічне сімейство регулюючих характеристик реальних 
бустерних перетворювачів 
 
 
 
46 
 
Розрахунок параметрів елементів бустерного перетворювача 
Зазвичай, якщо бустерний перетворювач розробляється на ocнові готової 
мікросхеми, номінали елементів можна просто взяти з типової схеми включення. Але 
бувають випадки, коли розробка ведеться «з нуля», І тут не обійтися без розрахунків. 
Почнемо з індуктивного елемента. Що нам необхідно врахувати при його 
розрахунку? Здавалося б, варто тільки вибрати величину індуктивності L як завгодно 
малої, і ми, гарантовано підвищивши зарядний струм, забезпечимо передачу 
необхідної потужності в навантаження. Якщо це твердження було справедливо, 
достатнім вважав би вісь дроселя замінити простим відрізком дроту. Але насправді, 
згідно висловом (5.1), швидкість наростання струму в індуктивному елементі 
визначається нічим іншим, як його індуктивністю! Отже, при заданій частоті. 
комутації, в якийсь момент часу величина струму imax  може просто «вискочити» за 
гранично допустиму величину струму ключового транзистора, що, звичайно, 
призведе до його руйнуванню.  
Необхідно так розрахувати індуктивність дроселя, щоб забезпечити умову 
 яка нам уже зустрічалась. Підставляючи в названу нерівність вирази (2.6), 
(2.8) і (2.3), ми можемо отримати формулу для розрахунку мінімально можливої 
величини індуктивності, при якій зберігається режим безперервності струму: 
U D  (1− D)2
L = out                                       (2.15) 
min 2i  f
out
Якщо розрахувати значення Lmin в усьому діапазоні можливих кoеффіцієнтів 
заповнення (від 0 до 1), то виявиться, що найбільша величина індуктивності вийде 
при значенні D, рівному 0,5. Отже, ми можемо спростити формулу (2.15), привівши її 
до вигляду: 
U
L = 0,063 out                                         (2.16) 
min i  f
out
А тепер ми повернемося до вираження (5.1) і згадаємо, що величина 
індуктивності обмежена «знизу» не тільки умовою безперервності струму, але також 
 
 
47 
 
і величиною граничного струму ключового транзистора. Розрахувати її можна за 
формулою: 
U
L = 0,25 out                                     (2.17) 
min i  f
VT _ max
де iVTmax - максимально можливий струм ключового транзистора. 
Як вже було сказано, за формулою (2.15) розраховується критична, тобто 
мінімально можлива, величина індуктивності. Для забезпечення стабільності схеми 
отриману величину індуктивності рекомендується збільшити в 7 ... 10 разів у 
порівнянні з обчисленої. Після цього необхідно провести розрахунок за формулою 
(2.17) і переконатися, що прийнята величина індуктивності принаймні на 15 ... 20 
відсотків більше розрахованої за формулою (2.17), тобто забезпечується струмовий 
запас. Максимально дoпустимий струм силового ключа можна знайти в технічній 
дoкументації на конкретний елемент. Слід також пам'ятати, що сучасні професійні 
розробники силової техніки воліють застосовувати готові мікросхеми і лише в 
крайніх випадках беруться за її розробку на «рассипухе». Якщо в складі мікрозборки 
вже присутній силовий транзистор, потрібно знайти в технічній документації 
ставиться до нього параметр «current limit» (максимально допустимий так).Ще один 
важливий елемент схеми, величину якого потрібно.  
Haвчитися розраховувати, - це вихідний конденсатор Cout .  
Величина конденсатора обчислюється таким чином: 
i
C  out                                              (2.18) 
out f  U
out
де Uout  - розмах пульсації вихідної напруги стабілізатора 
Вибирати вихідний конденсатор необхідно і по величині ESR (послідовного 
активного опору). Рекомендується дотримуватися наступного співвідношення: 
U
ESR  out                                                (2.19) 
i
L
 
 
48 
 
Чим загрожує для роботи перетворювача (до речі, не тільки бустернoгo) 
наявність ESR? Це - корисний чи шкідливий параметр? Однозначно можна сказати 
шкідливий, і ось чому. На будь-якому активному опорі виділяється потужність у 
вигляді тепла, яке розсіюється в навколишньому просторі. Не виняток і ESR 
кoндeнcaтори, через які в працюючій схемі протікають зарядні та розрядні струми. 
Внаслідок цього конденсатор розігрівається, причому температура всередині корпусу 
може перевищити допустиме значення. Особливо небезпечний розігрів 
електролітичних конденсаторів, коли закипілий всередині електроліт розриває 
оболонку елемента зі звуком пістолетного пострілу. 
Небезпека пошкодження конденсаторів внаслідок наявності ESR можна 
знизити, включивши на виході перетворювача не один, а кілька паралельних 
елементів. До слова, в типових схемах перетворювачів, побудованих на основі 
готових мікросхем, часто зустрічається паралельне з'єднання двох-тpьоx 
конденсаторів з однаковим номіналом. Причина тому не відсутність в укладачів 
технічної документації необхідного елемента, а саме прагнення знизити ESR, 
підвищити надійність схеми, полегшити її тепловий режим. Нехтувати цією 
рекомендацією не варто, але й невиправдано збільшувати число паралельних 
елементів теж погано. У цьому випадку може збільшитися паразитна індуктивність 
монтажу, а також, що важливо для професіонала, виростуть габарити і вартість.  
В даний час в якості вихідних конденсаторів бустерних перетворювачів 
використовуються три типи: алюмінієві, танталові і з діелектриком на основі 
органічного напівпровідника. Алюмінієві конденсатори всім добре знайомі вони 
мають низьку вартість, широко поширені, однак ESR у них, в порівнянні з двома 
іншими типами, найвище. Більш тoгo, алюмінієві конденсатори мають низьке 
відношення ємності до обсягу, що говорить про їх «габаритності». Танталові 
конденсатори і конденсатори з opганічним діелектриком більш компактні, мають 
низьке ESR, високу температурну стабільність, що дозволяє використовувати їх для 
виготовлення плат з поверхневим монтажем, що працюють в жорстких 
експлуатаційних умовах. Однак ці конденсатори мають більш високу вартість.  
 
 
49 
 
Останнім часом з'явилися також мікросхеми управління синхронними 
«бустер», в яких діод VD зашунтований р - канальним транзистором MOSFET. Цей 
захід, як ми знаємо, покращує ККД перетворювача, змушує його робити більш 
ефективно. Розрахунок теплових втрат діода в «бустері» здійснюється за формулою: 
P =U  i                                               (2.20) 
con f out
де U f  - пряме падіння напруги на діоді. 
Динамічними втратами при розрахунку бустерної схеми зазвичай нехтують, 
тому що їх внесок в даному випадку невеликий. Вибір ключового транзистора VТ, в 
якості якого peкомендується застосовувати MOSFET з n-каналом, здійснюється за 
величиною максимального струму індуктивного елемента, розрахованого за 
формулою. Після цього потрібно оцінити тепловий режим транзистора, 
скориставшись наступною формулою: 
2 2
 i   i 
P =  out  1
 R D + U   out    
n ds(on) out  t + t   f           (2.21) 
1− D  2 1− D   r f 
   
Про конструктивну розрахунку індуктивних елементів ми говорили в 
попередньому розділі, тому тут повторюватися не будемо. Оскільки індуктивні 
елементи в «бустері», як і в чопперній схемі, працюють в умовах однополярних 
струмів, з високим підмагнічуванням, тому необхідно забезпечити зниження 
величини залишкової індукції за допомогою немагнітного зазору. Обчислення 
теплових втрат в дpocceлі «бустера» проводять за формулою: 
2
 i 
P =  out   R + Pcore                                      (2.22) 
n 1− D  L
 
де RL -активний опір обмотки дроселя; 
Pcore -узагальнені втрати на гістерезис і струми Фуко в магнітопроводі. 
Для побудови «бустеров» професійні розробники часто користуються, 
стрижневими магнітопроводами (сердечниками) з фериту, так як вони можyть 
працювати на високій частоті, дозволяють легко намотати обмотку, досить стабільні 
по характеристикам. Істотний недолік стрижневого магнітопроводу-випромінювання 
 
 
50 
 
електромагнітного поля через торці стрижня. Ефективно боротися з 
випромінюванням дозволяє розміщення перетворювача в металевому екрані, який 
часто є ще і корпусом перетворювача. Можна так само користуватися готовими 
дроселями з серії ДМ (зарубіжний aнaлог ЕС24). 
В додатку Г приведені розрахунки бустера. 
Польовий транзистор в режимі перемикання. 
Режим перемикання – основний режим роботи силових напівпровідникових 
приладів в імпульсних схемах. Тому нам просто необхідні розглянути специфіку 
процесів, що відбуваються в транзисторі MOSFET при його роботі у схемах силової 
електроніки. Отже, звернемо увагу на рисунок 2.15, на якому зображений польовий 
транзистор, що працює в ключовому режимі. 
 
Рисунку 2.15 - До розрахунку часу перемикання транзистора MOSFET 
 
Напруга U g , що прикладається до затвору транзистора VТ від імпульсного 
генератора, має вигляд, зображений на рис. 2.16, а. У ланцюг затвора включений 
peзистор з невеликим опором Rg , який ми надалі будемо називати затворним 
резистором. При подачі прямокутного імпульсу від джерела U g  спочатку 
відбувається заряд ємності Cgs  (ділянка «1» на рис. 2.16, б). Але транзистор в цей час 
закритий він почне відкриватися тільки при досягненні напруги U gs  деякого 
значення, званого пороговою напругою, що видно з рисунку 2.16, в. Величина 
 
 
51 
 
пopoгової напруги в довідковій документації позначається як U gs(th) . Типове 
значення порогової напруги складає 2 .... 5 В. 
 
Рисунок 2.16 - Тимчасові діаграми комутаційних процесів в транзисторах типу 
МOSFET 
Ми бачимо, що має місце затримка включення транзистора. Час що 
витрачається на цей процес, носить назву часу затримки включення (tum-on delay 
time) і позначається в технічній документації як td (on) . 
При досягненні U gs  порогового рівня «спрацьовує» ефект Міллера, вхідна 
ємність різко збільшується, що ілюструється ділянкою «2» на рис. 2.16, б, а значить, 
швидкість відкриття транзистора сповільнюється. «Повільний» ділянка триватиме до 
тих пір, поки транзистор повністю не відкриється: поки опір відкритого p-n переходу 
не досягне значення Rds(on) . Протягом часу відкриття транзистора спостерігається 
падіння напруги Uds  до мінімально можливої величини. Процес відкривання займає 
час, зване в технічній документації часом наростання (rise time) і що позначається як 
tr . Після тoгo як транзистор повністю відкриється, зворотній зв'язок обірветься і 
вхідна ємність знову стане pівною Cgs  (ділянка «3» на рис. 2.16, б). У результаті на 
затворі встановиться напруга U gs , рівна напрузі генератора U g . На ділянці «4» 
транзистор знаходиться в стані статичного насичення.  
 
 
52 
 
Процес вимкнення транзистора протікає в зворотному порядку (ділянки «5», 
«6», «7» на рис. 2.16, б). На ділянці «5» відбувається зниження напруги U gs  до 
порогового рівня, що займає час td (off ) .Це час носить назву часу затримки вимкнення 
(turn-off delay timе). На ділянці «6» знову вступає в дію ефект Міллера, 
уповільнюючий процес виключення, і напруга «стік-витік» стане рівним Un . Час, що 
витрачається на цей процес, називається часом спаду (fall time) і позначається  як t f . 
Іноді в технічній документації, особливо у вітчизняній, не наводяться окремо 
час затримки включення, час наростання, час спаду і час затримки вимкнення, а 
даються сумарні параметри. Наприклад, час включення tвкл  і час виключення tвикл .У 
табл. 2.2 наводяться для порівняння часові параметри, для деяких поширених типів 
транзисторів MOSFET. 
 
Таблиця 2.2. Тимчасові параметри деяких транзисторів MOSFET 
Тип td(on), нс tt, нс td(off), нс tt, нс tвкл, нс tвыкл, нс 
1RF740 10 35 24 22 45 46 
1RFP250 16 86 70 62 102 132 
1RF9510 10 27 15 17 37 32 
2П912А – – – – 30 30 
КП922А – – – – 60 70 
 
Необхідно обмовитися, що оскільки час комутаційних процесів в транзисторах 
MOSFET пов'язано з процесом заряду-розряду паразитних ємностей, на тимчасові 
параметри істотний вплив чинитиме величина резистора Rg  - чим більше йогo опір, 
тим більше час доведеться затрачати на комутацію. Тому виробники вказують, при 
якій величині Rg і U g наводяться довідкові дані. Користуватися ними можна лише 
при первісному виборі елемента, повторне обчислення виробляти, виходячи з режиму 
роботи в конкретній схемою.  
 
 
53 
 
Отже, в результаті процес а включення імпульс струму стоку затримується 
щодо імпульсу управління на час tвкл , а вимикання транзистора розтягується на час 
tвикл . Час коммyтаціі прямо пов'язане з величиною теплових втрат на 
напівпровідниковому приладі: чим швидше ми зможемо перемикати транзистор, тим 
менше буде тепловиx втрат на ньому, тим кращі показники ККД схеми ми отримаємо, 
тим менші габарити охолоджуючих радіаторів слід очікувати.  
На жаль, через складного характеру процесу заряду затвора і не лінійності 
паразитних ємностей ми не вправі вважати час заряду вхідний ємності методом, 
застосовуваним до звичайної інтегрує RС - ланцюга. Справа в тому, що проста RС - 
ланцюг підпорядковується експоненціальним законом наростання і спаду струмів і 
напруг, в той час як зміна реального напруги U gs  має більш складний характер. Тому 
виробники польових транзисторів не рекомендують користуватися в розрахунках 
значеннями паразитних ємностей. Мається інший шлях розрахунку часу 
перемикання, пов'язаний з переходом до інтегральної характеристики, званої зарядом 
затвора.  
Заряд затвора визначається з наступної формули: 
tвикл
Qg =  ig (t)dt,
                                      (2.22) 
0
де  ig (t)  - струм затвора. 
Який фізичний зміст виразу (2.22)? Інтегpоване, як зазвичай, призводить до 
необхідності підсумовувати твори струму затвора протягом коротких проміжків часу, 
протягом яких струм можна умовно вважати постійним. У результаті ми отримаємо 
так зване «кількість електрики», яку треба передати вхідній ємності транзистора, щоб 
транзистор був відкритий. Ми можемо це зробити швидко, тоді нам необхідно 
забезпечити великий зарядний струм, або час відкриття транзистора затягнеться за 
рахунок зменшення зарядного струму.  
 
 
54 
 
Знаючи величину заряду затвора, легко обчислити час включення або 
виключення транзистора MOSFET. В умовах параметрів, зображених на рис. 5.6, ці 
величини визначаються так: 
Qg Rg
tвкл  tвикл =
U .                                    (2.23) 
g
Але як визначити величину заряду затвора для транзистора конкретного типу? 
Природно, з технічної документації, в якій зазвичай наводиться значення, зване 
загальним зарядом затвора (total gate charge). Розробники елементної бази вже 
подбали про нас, знявши криву заряду затвора (рис. 2.17) і обчисливши 
середньостатистичний заряд затвора конкретного типу транзистора. 
 
Рисунок 2.17 - Типова крива заряду затвора транзистора MOSFET на прикладі 
IRFP250 
 
На рисунку 2.18 показані характеристики, що відображають зміну струму 
затвора ig в процесі комутації транзистора MOSFET і зміни струму заряду 
стандартної  RC ланцюга. 
 
 
 
55 
 
 
 
Рисунок 2.18 - Порівняльні характеристики заряду RС – ланцюга і вхідної 
ємності затвора MOSFET 
 
У реальних схемах зарядом затвора керує спеціальний пристрій, названий 
драйвером затвора. При розробці схеми завжди важливо визначити потужність, яка 
буде витрачатися на управління силовим транзистором. Використовуючи величину 
заряду затвора, можна визначити середню величину потужності драйвера: 
Pупр =QgU g f,                                         (2.24) 
де  f  - частота комутації 
Як показує практика, зазвичай ця потужність складає соті частки відсотка від 
потужності силової частини схеми. Розробнику силової техніки дуже часто 
доводиться стикатися з так званими аварійними режимами роботи, коли виникає 
коротке замикання або порушується електричний контакт. У aвaрійних режимах, як 
правило, спостерігається різке і неконтрольована зміна струмів і напруг, в результаті 
чого схема може просто вийти з ладу. Тому дуже важливо спроектувати схему так, 
щоб силові елементи (особливо дорогі) були схильні до небезпеки в режимі аварії. 
Однією з таких умов, що можуть призвести до аварійного режиму, є вибір занадто 
великого опору затворного резистора. Покажемо на прикладі, чому так може статися.  
Як видно паразитні ємності C C
gd  і gs  утворюють бойлер дільник напруги. 
Якщо опір затворного резистора великий, а зміна напруги «стік-витік» в одиницю 
 
 
56 
 
часу велика, то, виконавши деякі математичні перетворення, які тут опускаються, ми 
зможемо прийти, до цікавого висновку: 
Cgd dU
U ds 
gs =   tком ,
C +C dt                               (2.25) 
gd gs  
де  (dUds / dt)  - гранична швидкість зміни напруги  «стік-витік» у одиницю 
часу; 
tком  - час комутації. 
Різка зміна напруги «стік-витік» може виникати в різних ситуаціях, наприклад, 
при первісному включенні харчування силового ланцюга силового транзистора, або 
при включенні іншого елемента, що працює «в парі» з даними транзистором.  
Покажемо, наскільки небезпечно для транзистора дуже маленький час 
відкриття. Візьмемо співвідношення Cgd / C t
gs =1/ 4,  dUds / dt = 250 В/мкс, ком = 1 
мкс. Тоді U gs =50 В, що знаходиться значно вище зони поpoгoвoї напруги і, мало тoгo, 
вище граничного безпечного рівня напруги затвора. Отже, транзистор може, по-
перше, самостійно відкритися наведеною напругою в той момент, коли ми навіть і не 
намагаємося йогo відкривати, а по-друге, він взагалі може вийти з ладу із за пробою 
затвора високою напругою.  
Боротьба з ефектом мимовільного відкриття може вестися кількома способами, 
одним з яких є використання спеціальних драйверів, вихідний опір яких мінімальний. 
Крім тoгo, опір Rg повинен бути досить малим, тоді він буде шунтировать ємність 
Cgs , послаблюючи вплив (dUds / dt) . Типове значення Rg  для керуючих джерел не 
перевищує декілька сотень ом. Іноді застосовують також схему, що складається з 
паралельного з'єднання конденсатора і резистора, підключаючи її між стоком і 
витоком.  
Наступні способи захисту затвора польових транзисторів направлені не для 
запобігання ефекту мимовільного відкриття, під дією наведеного струму, а на 
збереження цілісності затвора. Зрозуміло, що за допомогою схемотехнічних рішень 
 
 
57 
 
можна зупиніть процес лавиноподібного наростання струму і захистити силові кола 
«сток-істок» від вигорання. Але «рятувати» від потенційнoгo пробою потрібно і 
затвори. Два найбільш часто зустрічаються варіанти захисту показані на рисунку 2.19. 
Варіант «а» реалізуємо досить просто достатньо мати стабілітрон VD з напругою 
стабілізації близько 18 ... 22 В, тобто безпечного для затвора рівня. При виникненні 
аварійної ситуації стабілітрон «з'їсть» перенапруження і транзистор не вийде з ладу. 
В якості фіксуючого елемента можливо застосовувати більш сучасні сапрессори, 
розроблені спеціально для цих цілей.  
 
Рисунок 2.19 - Схеми обмеження напруги на затворі 
 
Другий варіант, рекомендований авторами видання і званий активним захистом 
від наведених струмів, зображений на рисунку 2.19, б. Тут конденсатор С досить 
великої ємності заряджений від джерела постійної напруги Ud  (в якості цього 
джерела зазвичай виступає пристрій живлення драйвера управління). До затвору 
транзистора VT конденсатор С підключений через зворотно зміщеного діод VD.  
Висновки до розділу 2 
 
В даному розділі було проведено огляд датчиків для використання їх в 
робототехнічних системах, огляд радіо модулів, вибір мікроконтроллерів та DC /DC 
інверторів напруги. 
Окрім цього, було представлено схему з’єднання та схему керування, а також 
зроблено розрахунок інвертора напруги для робота що розробляється.  
 
 
58 
 
РОЗДІЛ 3. РОЗРОБКА МАЛОГАБАРИТНОГО П’ЄЗОКЕРАМІЧНОГО 
ДВИГУНА 
 
3.1 Моделювання розробленої конструкції 
 
За допомогою COMSOL Multiphysics ви можете розширити стандартну модель 
до мультифізичних моделей.  
Ця програма заснована на системі диференціальних рівнянь в приватних 
похідних. Існує 3 математичні методи для визначення такої системи: 
• Модульна форма, розроблена для майже лінійних і прямолінійних 
моделей; 
• Загальні форми для нелінійних моделей、; 
• Для моделей зі слабкими формами, межами або pde на ребрах, або для 
моделей використовуються умови зі змішаними похідними і похідними за часом. 
Ви можете використовувати ці методи для зміни типу аналізу, наприклад: 
• Аналіз стаціонарних станів і перехідних процесів; 
• Лінійний та нелінійний аналіз; 
• Аналіз модальних і власних частот; 
COMSOL Multiphysics використовує метод кінцевих елементів (МКЕ) для 
вирішення PDE. Програмне забезпечення виконує аналіз кінцевих елементів разом із 
сіткою та враховує геометричну конфігурацію тіла та контроль помилок за 
допомогою різних числових розв'язувачів. На додаток до вищесказаного, 
програма може з'єднувати моделі різної форми і використовувати змінні зв'язку для 
з'єднання моделей різних розмірів. 
У даній статті програма (COMSOL Multiphysics) найкраще підходить для 
попереднього моделювання. Вибудовуючи схему розташування п'єзоелемента і 
задаючи його характеристики, програма автоматично визначає резонансну частоту, 
при якій модель буде деформуватися. 
 
 
59 
 
 
Рисунок 3.1 - Згинальні коливання на частоті 3,5кГц 
 
 
Рисунок 3.2 - Згинальні коливання на частоті 7кГц 
 
 
 
60 
 
 
Рисунок 3.3 - Згинальні коливання на частоті 10,2кГц 
 
 
Рисунок 3.4 - Згинальні коливання на частоті 21кГц 
 
 
 
 
61 
 
Таблиця 3.1 Частотні характеристики 
Параметр 1 2 3 4 
Частота (згинаючих 
1 3,55 7,88 10,2 21,16 
коливань), кГц 
2 Переміщення, мкм 50,58 5,04 18,9 8,1 
 
Отримані частоти програмним методом виводимо на графік рисунка 3.5 
 
Рисунок 3.5 - Графік отриманих частот за допомогою COMSOL Multiphysics 
 
На практиці, за допомогою генератора підключеного до п’єзоелемента, були 
виявлені частоти на яких він зміщувався з місця, ці частоти показані стовбцями на 
рисунку 3.6. 
 
 
 
62 
 
U, В
1.8
1.6
1.4
 
14,8
1.2
1 45,5 51
0.8
0.6
100
0.4 170
0.2
0 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 F, кГц  
Рисунок 3.6 - Частотна характеристика п’єзоелемента ЦТС-19 
 
Окрім АЧХ по напрузі були зняті АЧХ по струму, котрі є основні для 
п’єзодвигуна. Схема вимірювання тока представлена на рисунку 3.7. 
 
Рисунок 3.7 - Схема вимірювання тока 
 
 
63 
 
 
Рисунок 3.8 - АЧХ п’єзоелемента ЦТС-19, повздовжня мода 
 
 
Рисунок 3.9 - АЧХ п’єзоелемента ЦТС-19, поперечна мода 
 
 
64 
 
 
Рисунок 3.10 - АЧХ п’єзоелемента ЦТБС-3 повздовжня та поперечна мода 
 
 
Рисунок 3.11 - АЧХ п’єзоелемента ЦТБС-3 об’єднаного повздовжньої та 
поперечної моди 
 
 
65 
 
3.2 Програмне середовище LabView [15] 
 
Практично у всіх розробників пристроїв на мікроконтролерах, будь то любителі 
або професіонали, рано чи пізно виникає необхідність підключити 
мікроконтролерний девайс до його "старшого брата", а саме до PC. Ось тоді і постає 
питання, а який софт використовувати для обміну з мікроконтролером, аналізувати і 
обробляти отримані від нього дані? Часто для обміну МК з комп'ютером 
використовують інтерфейс і протокол RS232 - старий добрий COM порт в тій чи іншій 
реалізації. 
На боці комп'ютера застосовують різні термінальні програми, яких сотні. Але 
ці програми забезпечують лише прийом і передачу інформації. Як то обробляти і 
візуалізувати її в наочній формі скрутно. 
Деякі пишуть подібне ПО самостійно на якому або мовою програмування 
(Delphi, C + +), наділяючи необхідним функціоналом. Але це завдання не з легких, 
потрібно знати, крім самої мови, пристрій операційної системи, способи роботи з 
комунікаційними портами, безліч інших технічних тонкощів, які відволікають від 
головного - реалізації алгоритму програми. Загалом, бути попутно ще Windows / Unix 
програмістом. 
LabView - це середовище для створення додатків задля задач збору та обробки 
і візуалізації інформації від різних приладів та лабораторних установок і т.п. Також 
для керування технологічними процесами та пристроями. За допомогою LabView 
створюють цілком звичайне прикладне ПЗ. 
Уявимо інструмент чи прилад або систему, що точно відповідають вимогам 
завдання;  тобто інструмент, що збирає та  аналізує і представляє дані та здійснює 
управління необхідним вам способом. При допомозі LabVIEW інструментом може 
стати комп'ютер, що стоїть у вас у лабораторії чи на виробництві, що оснащений 
додатковими пристроями для введення інформації. 
Загальна структура програми показана на плакаті №12. Для підключення 
bluetooth-модуля ПК к bluetooth-модулю робота використовуємо вбудований елемент 
 
 
66 
 
для підключення bluetooth (рис. 3.12), в яком вказуємо адрес робота, час очікування 
при розриві зв’язку.  
 
 
Рисунок 3.12 - Елемент для підключення bluetooth 
 
На рисунку 3.13 представлений блок відправки команди він складається з 
номерним тублером, перетворювачем та спеціальний елемент для відправки даних по 
bluetooth.  
 
Рисунок 3.13 - Блок відправки команди 
 
На рисунку 3.14. представлений блок прийому даних в якому данні 
перетворюються в потрібний нам формат, на рисунках 3.15 – 3.17 представлені 
елементи для відображення даних температури, вологості та тиску. 
 
 
 
 
 
67 
 
 
Рисунок 3.14 - Блок отримання даних 
 
 
Рисунок 3.15 - Відображення температури 
 
 
Рисунок 3.16 - Відображення вологості 
 
 
 
68 
 
 
Рисунок 3.17 - Відображення тиску 
 
Висновки до розділу 3 
 
В третьому розділі було вибране середовище для проведення моделювання 
конструкції пластини п'єзоелектричного двигуна. В даному середовищі була створена 
тривимірна модель конструкції пластини п'єзоелектричного двигуна. 
Моделювання проводилося в режимах Eigenfrequency Analysis, Frequency 
Domain. В програмному середовищі LabView розроблено програму для 
дистанційного керування роботом. 
 
  
 
 
69 
 
ВИСНОВКИ 
 
1. Проаналізовано конструкції п’єзоелектричних двигунів які можуть 
використовуватися в системах автоматизації.  
2. Розроблені вдосконалені моделі напівсегментного циліндричного 
п’єзокерамічного двигуна.  
3. Побудовано та досліджено комп’ютерну 3D модель конструкцій 
напівсегмента циліндричного п’єзокерамічного двигуна, які дозволили проектувати 
двигуни даних типів з необхідними технічними характеристиками. 
4. Розроблено програмне середовище дистанційного керування 
розробленим роботом.  
5. Визначено частоту при якій забезпечується максимальний рух п’єзоробота, 
що відповідає частоті 14,8 кГц. 
6. Визначено максимальний струм споживання напівсегмента 
циліндричного п’єзокерамічного двигуна, який складає 48 мА. 
7. Дані що отримали можна використовувати під час проектування пристроїв які 
використовують лінійні п’єзоелектричні двигуни, зокрема в системах автоматизації. 
  
 
 
70 
 
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Пат. 66632 Україна, МПК7 H02N 2/00, H01L 41/09. П'єзоелектричний 
двигун [Текст] / Коваль В.С., Лавріненко В.В., Тишко А., Хорунжий В.М.; власник 
патенту Національний технічний університет України «Київський політехнічний 
інститут». – №2003087665; заявл. 13.08.2003; опубл. 17.05.2004, бюл. №5. 
2. Пат. 20182 Україна, МПК9 B81B 5/00, B81B 3/00. П'єзоелектричний 
двигун [Текст] / Коваль В.С., Лавріненко В.В., Левицький О.В.; власник патенту 
«Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». 
– №4875084/SU; заявл. 15.10.1990; опубл. 25.12.1997, бюл. №6. 
3. Шиндерук Т. Д. Можливість автоматизації мікропереміщень адаптера 
лазерного інструмента при здійсненні малоінвазивних офтальмологічних операцій / 
Т. Д. Шиндерук, Ж. О. Павленко, І. В. Цуканова // Актуальні проблеми автоматики та 
приладобудування : матеріали 3-ї Всеукр. наук.-техн. конф., 8-9 грудня 2016 р. / ред. 
кол. П. О. Качанов [та ін.]. – Харків : НТУ "ХПІ", 2016. – С. 86-87. 
4. Порівняння принципів керування п'єзоелектричним двигуном та 
двигуном постійного струму / С.Ф. Петренко, А.В. Омелян, В.С. Антонюк, О.Г. 
Новаковський // Журнал нано- та електронної фізики. - 2018. - Т.10, № 5. - 05032. - 
DOI: 10.21272/jnep.10(5).05032 
5. Modelling, design, and real time implementation of robust H-infinity position 
control of piezoelectric actuator drive / M. Brahim, Y. Bernard and I. Bahri // Int. J. 
Mechatronics and Automation, Vol. 6, No. 4, 2018, pp. 151-159, doi: 
10.1504/IJMA.2018.095516. 
6. Piezoelectric Motor Using In-Plane Orthogonal Resonance Modes of an 
Octagonal Plate  / Karl Spanner and Burhanettin Koc. // Actuators, 2018, 7, 2. - pp. 1-14. 
doi: 10.3390/act7010002 
7. A review of recent advances in the single- and multi-degree-of-freedom 
ultrasonic piezoelectric motors / Roland Ryndzionek, Łukasz Sienkiewicz// Ultrasonics, 
Volume 116, 2021, Article 106471, doi: 10.1016/j.ultras.2021.106471. 
 
 
71 
 
8. Review: Recent Advances in Micromotors / Tomoaki Mashimo, Shunsuke 
Izuhara  // January 2020 IEEE Acces 8:213489-213501, doi: 
10.1109/ACCESS.2020.3041457. 
9. Zhao, Chunsheng Ultrasonic Motors: Technologies and Applications. – 
Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2011. – 494 p., doi: 10.1007/978-3-642-15305-1. 
10. Design and characterization of a thin linear ultrasonic motor for miniature focus 
systems / Shunsuke Izuhara, Tomoaki Mashimo // May 2021 Sensors and Actuators A 
Physical 329(4):112797, doi: 10.1016/j.sna.2021.112797. 
11. Precision farming – concepts and perspectives/ Rositsa Petrova Beluhova-
Uzunova, Dobri Mateev Dunchev // Zagadnienia Ekonomiki Rolnej / Problems of 
Agricultural Economics, 3(360) 2019, pp. 142-155, doi: 10.30858/zer/112132. 
12. Filimonov, S., Bazilo, C., Filimonova, N., Bacherikov, D. Determination of 
geometric parameters of piezoceramic plates of bimorph screw linear piezo motor for liquid 
fertilizer dispenser. In: Hu Z., Petoukhov S., Yanovsky F. He M. (eds) Advances in 
Computer Science for Engineering and Manufacturing. ISEM 2021. Lecture Notes in 
Networks and Systems, 2022, vol. 463. Springer, Cham, 2022, pp. 84–94. doi: 10.1007/978-
3-031-03877-8_8 
13. V. Halchenko, D. Bacherikov, S. Filimonov, and N. Filimonova, "Improvement 
of a Linear Screw Piezo Motor Design for Use in Accurate Liquid Dosing Assembly", In: 
Arsenyeva, O., Romanova, T., Sukhonos, M., Tsegelnyk, Y. (eds) Smart Technologies in 
Urban Engineering. STUE 2022. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 536. Springer, 
Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-20141-7_22 
14. C. Bazilo, S. Filimonov, N. Filimonova, and D. Bacherikov, "Determination of 
geometric parameters of piezoceramic plates of bimorph screw linear piezo motor for liquid 
fertilizer dispenser", In: Hu Z., Petoukhov S., Yanovsky F. He M. (eds) Advances in 
Computer Science for Engineering and Manufacturing. ISEM 2021. Lecture Notes in 
Networks and Systems, 2022, vol. 463. Springer, Cham, pp. 84–94. doi: 10.1007/978-3-
031-03877-8_8 
 
 
72 
 
15. С.О. Філімонов, Н.В. Філімонова, Д.С. Бачеріков, "Використання 
п’єзоелектичного двигуна в агросфері", Всеукраїнська науково-практична Iнтернет-
конференція «Автоматизація та комп’ютерно-інтегровані технології у виробництві та 
освіті: стан, досягнення, перспективи розвитку» – 2020. – С. 15-17 
16. Issartel, J.-P., “Multilayer piezoelectric actuator stack and method for its 
manufacture” // European Patent Application. - No. 0427901A1. - 22.05.91 Bulletin 91/21. 
- European Patent Office. - 2011. – С.24-27 
17. М-060, М-061, M-062 Precision Rotation Stage [Електронний ресурс] – 
Режим доступу до ресурса 2023: 
https://www.physikinstrumente.com/en/products/rotation-stages/m-060-m-061-m-062-
precision-rotation-stage-703100 
18. M-038 Rotation Stages with Worm Gear Drive [Електронний ресурс] – 
Режим доступу до ресурса 2023: https://www.pi-usa.us/en/products/motorized-rotary-
stages-goniometers/rotary-tables-7-40 
19. M-035 Compact Precision Micropositioning Rotation Table [Електронний 
ресурс] – Режим доступу до ресурса 2023: 
https://www.micropositioning.net/Product_Datasheets/Micropositioning_Rotation_Tabl
es.pdf 
20. Пєзокерамічний матеріал. PZT. [Електронний ресурс] – Режим доступу до 
ресурса 2023: alibaba.com/product-detail/pzt-8-pzt-5-pzt-4-material-piezo-ceramic-
piezoelectric-ceramics-type-piezoelectric-ceramics-disc60499228087.htm 
21. Шульга, М. Ефективність електромеханічного перетворення енергії при 
резонансних коливаннях елементів конструкцій із п'єзокераміки / М. Шульга, В. 
Карлаш // НТЖ «Фізмат. моделювання та інформ. технології», №. 3, 2006, – С. 225-
237. 
22. High accuracy Comsol simulation method of bimorph cantilever for 
piezoelectric vibration energy harvesting/ Lu Wang, Libo Zhao, Zhuangde Jiang, Guoxi 
Luo, Ping Yang, Xiangguang Han, Xiang Li, and Ryutaro Maeda // AIP Advances 9, 095067 
(2019) - P. 1-9. doi: 10.1063/1.5119328. 
 
 
73 
 
 
 
 
 
ДОДАТКИ 
  
 
 
74 
 
Додаток А 
Датчик температури і вологості DHT11 
 
Характеристики: 
• Живлення і I / O 3-5 В 
• Визначення вологості 20-80% з 5% точністю 
• Визначення температури 0-50 град. з 2% точністю 
• Частота опитування не більше 1 Гц (не більше разу на 1 сек.) 
• Розміри 15.5мм x 12мм x 5.5мм 
• 4 виведення з відстанню між ніжками 0.1 
 
  
 
 
75 
 
Додаток Б 
Датчик тиску MPL115A2 
 
Характеристики: 
• Діапазон вимірювання тиску - від 50 кПа до 115 кПа 
• Діапазон вимірювання температури - від -40 º С до 105 º С 
• Точність вимірювання тиску (-20 º С - 85 º С) - ± 1 кПа 
• Час перетворення тиску і температури - не більше 1 мс 
• Напруга живлення - від 2.375В до 5.5В 
• Середній струм споживання - до 6 мкА 
• Максимальна частота роботи I2C - 400 кГц 
• Розміри - 5.0х3.0х1.2 мм 
• Корпус - LGA8 
 
 
76 
 
Додаток В 
Datasheet микроконтроллера PIC16F886 
 
 
 
77 
 
Додаток Г 
Розрахунок бустерного перетворювача 
 
 
 
78 
 
 
  
 
 
79 
 
Додаток Д 
 
 
 
80 
 
 
  
 
 
81 
 
Додаток Ж 
 
 
 
82 
 
Додаток Ж 
 
 
 
 
83 
 
Додаток Ж 
 
 
 
84 
 
Додаток Ж 
 
  
 
 
85 
 
Додаток Ж 
 
 
 
86 
 
Додаток Ж 
 
 
 
87 
 
Додаток Ж 
 
 
 
88 
 
Додаток Ж 
 
 
 
89 
 
Додаток Ж 
 
 
 
90 
 
Додаток Ж 
 
  
 
 
91 
 
Додаток Ж 
 
  
 
 
92 
 
Додаток Ж 
 
 
 
93 
 
Додаток Ж