Курсач беспроводная. Холкин. Беспроводная метеостанция

• Название: Беспроводная метеостанция
• Анкор: Курсач беспроводная
• Дата: 05.10.2021
• Размер: 1.97 Mb.
• Имя файла: Холкин.docx
• Тип: Практическая работа; #241901

Министерство образования и молодежной политики Свердловской области

государственное автономное профессиональное

образовательное учреждение Свердловской области

«Уральский радиотехнический колледж им. А.С. Попова»

Научно-практическая работа
на тему: «Беспроводная метеостанция»
Автор: обучающийся 3 курса

ГАПОУ СО «УРТК имени

А.С. Попова»

Мирасов Илья Александрович

Руководитель:

Быльцев Илья Алексеевич,

преподаватель ГАПОУ СО «УРТК имени А.С. Попова»
Екатеринбург, 2021

Оглавление

Введение 3

1 Общий раздел 4

1.1 Анализ технического задания 4

1.2 Анализ схемы электрической принципиальной 5

1.3 Анализ элементной базы 5

2. Схема электрическая структурная 11

3. Схема электрическая принципиальная 13

4. Работа устройства: 17

5. Практическая часть 18

5.1 Импульсные стабилизаторы напряжения 18

5.2 Пайка подтягивающих резисторов, конденсаторов к радиомодулю, выводных ножек МК 20

5.3 Программирование микроконтроллера 21

5.4 Подключение модулей и настройка часов реального времени 21

5.5 Сборка тестового стенда на печатной плате 24

5.6 Оформление технической документации 26

Заключение 28

Список использованных источников 29

Введение

Целью данного курсового проекта является разработка комплекта документации для беспроводной метеостанции с единичным типом производства и условиями эксплуатации УХЛ2.

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить следующие задачи:

· систематизировать и закрепить теоретические знания по курсу «Методы организации сборки и монтажа радиотехнических систем, устройств и блоков»;

· сформировать навыки по оформлению конструкторской и технологической документации;

· разработать комплект конструкторской документации (чертеж печатной платы, сборочный чертеж, принципиальная схема, перечень элементов) на изготовление печатного узла Беспроводной метеостанции на базе микроконтроллера Arduino NANO.

· разработать комплект технологической документации (маршрутная карта) с использованием необходимых материалов и оборудования при единичном производстве.

Для решения поставленных задач необходимо воспользоваться: справочной литературой и государственными стандартами; средой sPlan 7.0 для создания сопутствующих схем; средой Sprint Layout для создания проводящего рисунка печатной платы, средой программирования Arduino для управления микроконтроллером.

1 Общий раздел

1.1 Анализ технического задания

Проведение анализа технического задания необходимо для того, чтобы определить характеристики проектируемого изделия, его эксплуатационные требования и тип производства.

Анализ технического задания проводится в следующей последовательности:

· наименование изделия – Беспроводная метеостанция;

· назначение изделия – устройство необходимо для получение информации о времени, температуре и влажности на улице и дома, показ информации на экране.

· технические параметры, характеризующие основные свойства изделия: напряжение электропитания 7.2-12В, потребляемый ток печатного узла передатчика не более 7мА, приемника;

· условия эксплуатации УХЛ2 – для макроклиматических районов с умеренным и холодным климатом, под навесом или в помещениях (объемах), где колебания температуры и влажности воздуха несущественно отличаются от колебаний на открытом воздухе и имеется сравнительно свободный доступ наружного воздуха, например, в палатках, кузовах, прицепах, металлических помещениях без теплоизоляции, а также в оболочке комплектного изделия категории 1 (отсутствие прямого воздействия солнечного излучения и атмосферных осадков) а индекс «1» также означает, что устройство должно быть предназначено для эксплуатации Для эксплуатации в качестве встроенных элементов внутри комплектных изделий, температура окружающей среды в этом случае варьируется от -60 оС до + 40 оС, а относительная влажность воздуха должна составлять 75% при 15 оС;

· тип производства – единичное, особенностью которого является большая номенклатура изделий различного назначения, изготавливаемых в ограниченных количествах, а каждая единица конечной продукции уникальна по конструкции, выполняемым задачам и другим важным признакам.

1.2 Анализ схемы электрической принципиальной

Схему электрическую принципиальную можно разделить на несколько функциональных блоков, а именно:

· Модуль часов;

· 2 Микроконтроллера;

· 2 Радиомодуля;

· Дисплей;

· 2 Датчика влажности и температуры;

Модуль часов обеспечивает отсчет секунд, минут, часов, дней недели, дней месяца и года. Дата конца месяца определяется автоматически с учетом високосного года.

Микроконтроллеры осуществляют коммутацию узлов, управление модулями подключенные к микроконтроллерам.

2 Радиомодуля используется для образования приема и передачи информации между микроконтроллерами, образуют при правильной настройке и подключении между собой канал радиосвязи приемника и передатчика

Дисплей обеспечит показ информации полученные с датчиков влажности и температуры и с модуля часов.

Датчики влажности и температуры измеряют параметры атмосферы

Автоподстройка частоты гетеродина является обратной связью и служит для

Для обеспечения работы всего устройства необходим ИЭП, рассчитанный на напряжение 7.2-12В (один гальванический источника тока форм фактора 6F22– 9В).

1.3 Анализ элементной базы

Для грамотного выбора элементной базы исходными данными являются климатические условия эксплуатации.

Основой данной беспроводной метеостанции является микроконтроллер фирмы Arduino – Nano, имеющая диапазон рабочих температур от -40°С до +60°С.

Данные для проектирования печатного узла мы получаем, исходя из выбора конструктивных параметров элементов. В таблице 1.3.1 указаны характеристики элементной базы. В таблице 1.3.2 приведены условия эксплуатации элементной базы.

Таблица 1.3.1 – Допустимые уровни эксплуатации элементной базы

Тип элемента	Количество, шт.	Диапазон температур, оС	Влажность, %
Конденсаторы электролитические	6	-25 100	–
Конденсаторы постоянной емкости	14	-50 120	–
Конденсаторы блочные переменной емкости	1	-60 50	–
Резисторы постоянные	3	-55 155	–
Резисторы подстроечные	2	-25 85	–
Фильтр пьезокерамический	1	0 65	–
Индуктивность	3	-50 150	–
Светодиод	1	-60 70	–
Гальванический источник тока	2	-10 40	–
Антенна штыревая (телескопическая)	1	-30 50	–
Динамическая головка	1	-20 55	–

Конструктивные параметры элементной базы занесены в таблицу 1.3.2

Таблица 1.3.2 – Конструктивные параметры элементной базы

Наименование ЭРЭ	Кол-во, шт.	Конструктивные параметры
		Масса, г.	Кол-во выводов, шт.	Диаметр или ширина и толщина выводов, мм.	Штыревые (Ш) или планарные (П) выводы	Установочная площадь, мм2
1	2	3	4	5	6	7
Индикаторы
Светодиод АЛ307ВМ	1	0,35	2	0,5	Ш	5
Индуктивность
EC24-R27M, 0.27мкГн, 20%	1	0,2	2	0,5	Ш	30
EC24-R10M, 0.1мкГн, 20%	2	0,2	1	0,5	Ш	30
Гальванический источник тока
Duracell Ultra AA (LR6)– 1.5В	2	61	2	–	–	–
Конденсаторы
КПП-4/270нФ	1	25	3	0,8	Ш	184
К50-35, 4.7мкФ, 6.3В	3	0,30	2	0,8	Ш	50
ECAP, 10мкФ, 25В	1	0,44	2	0,8	Ш	78,5
К50-35, 470мкФ, 6.3В	2	0,30	2	0.8	Ш	50
КД-2, 0.01мкф, 50В	3	0,19	2	0,5	Ш	28
К10-17Б, 0.022мкФ, 50В	1	0,14	2	0,5	Ш	16
КД-2, 0.047мкФ, 50В	1	0,15	2	0,5	Ш	25
К10-17А, 0.1мкФ, 50В	2	0,06	2	0,5	Ш	38
К73-17, 3.3мкФ, 63В	1	5,6	2	0,5	Ш	75,6
К10-17Б М47, 39пФ, 50В	1	0,14	2	0,5	Ш	16
К10-17Б М47, 68пФ, 50В	2	0,14	2	0,5	Ш	16
К10-17А М47, 100пФ, 50В	1	0,06	2	0,5	Ш	38
К10-17Б М47, 220пФ, 50В	1	0,16	2	0,5	Ш	18
К10-17Б М47, 1000пФ, 50В	1	0,18	2	0,5	Ш	20

2. Расчетный раздел

2.1 Расчет параметров элементов печатного монтажа

2.2 Расчет надежности функционального узла

2.3 Расчет комплексного показателя технологичности

3. Конструкторско-технологический раздел

3.1 Разработка конструкции печатной платы

3.2 Компоновка элементов на печатную плату

3.3 Описание конструкции изделия

3.4 Разработка технологического процесса сборки и монтажа

3.4.1

2. Схема электрическая структурная

Метеостанцию можно разделить на два функциональных блока: передатчик и приемник. Между данными блоками осуществляется связь с помощью радиоканала, по которому передается информация о погоде (влажность и температура воздуха), это представлено на рисунке 1.



Рисунок 1 – Структурная схема устройства

Модуль передатчика необходимо размещать за пределами помещения, т.е. на улице. Данный блок оснащен двумя датчиками, которые необходимы для определения температуры и влажности воздуха на улице. Основным узлом блока является аппаратно-программное средство (микроконтроллер), которое осуществляет коммутацию узлов, входящий в состав блока передатчика; управление этими функциональными узлами; и кодирование информации о погоде для дальнейшей передачи по радиоканалу.

Блок приемника метеостанции необходимо размещать в помещении. Данный блок оснащен такими же датчиками, что и передатчик, а также часами реального времени. И также как в передатчике, в данном блоке основным узлом является – микроконтроллер, которые выполняет все те же функции, что и микроконтроллер в передатчике, но заместо кодирования информации микроконтроллер в приемнике осуществляет декодирование информации с дальнейшим отображением данной информации в удобном для человека виде на дисплее.

3. Схема электрическая принципиальная
Схема электрическая принципиальная показана на рисунке 2.



Рисунок 2 – Схема электрическая принципиальная

В качестве модулей приемника и передатчика используются два радиомодуля NRF24L01, образующие при правильной настройке и подключении между собой канал радиосвязи, необходимый для передачи информации. Данный датчик показан на рисунке 3.



Рисунок 3 – Радиомодуль NRF24L01

Основные технические характеристики модуля NRF24L01:

• 
  напряжение питания: 1,9 – 3,6 В;
  
• 
  интерфейс обмена данными – SPI;
  
• 
  частота приёма и передачи: 2,4 ГГц;
  
• 
  расстояние приёма/передачи данных: 100м – прямая видимость; 30м – помещение;
  
• 
  диапазон рабочей температуры: -40^оС +85^оС
  

В качестве источника питания в блоке передатчика могут служить два последовательно включенных гальванических источников тока (аккумулятора) типа 18650 Li-ion, номинальное напряжение каждого из аккумулятора – 3,7 В. Либо же один гальванический источник тока типа крона, номинальное напряжение которого 9В.

В качестве источника питания блока приемника может использоваться отдельное устройство – блок питания, преобразующий высоковольтное переменное входное напряжение в малое прямое выходное напряжение, либо использовать питание по USB, либо использовать гальванические источники тока типа крона, номинальное напряжение которого 9В.

В качестве датчиков влажности и температуры используются два датчика: DHT22 и DHT11, показанные на рисунке 4.



Рисунок 4 – Датчики DHT22 и DHT11

Основные технические характеристики датчика DHT22:

• 
  напряжение питания: 3,5 – 5,5 В
  
• 
  интерфейс обмена данными – однопроводной протокол;
  
• 
  диапазон измерения температуры 0^оС +50^оС с точностью 2%
  
• 
  диапазон измерения относительной влажности воздуха 20–80 % с точностью 5 %
  
• 
  каждую 1 секунду датчик способен выдавать обновлённую информацию.
  

Основные технические характеристики датчика DHT22:

• 
  напряжение питания: 3,3 – 6 В;
  
• 
  интерфейс обмена данными – однопроводной протокол;
  
• 
  диапазон измерения температуры: -40^оС +80^оС; с точностью в 1%
  
• 
  диапазон измерения относительной влажности воздуха: 0 – 100%; с точностью 2%
  
• 
  каждые 2 секунды датчик способен выдавать обновлённую информацию.
  

В качестве индикатора для индицирования основных показателей используется 0,96-дюймый OLED-дисплей, который показан на рисунке 5.



Рисунок 5 – 0,96-дюймый OLED-дисплей

В OLED-дисплеях используется технология, в которой светодиоды сами излучают свет без дополнительного подсвечивания, как например в LCD дисплеях.

Основные технические характеристики 0,96-дюймового OLED-дисплей:

• 
  не требует подцветки дисплея;
  
• 
  разрешение: 128 * 64 пикселей;
  
• 
  угол обзора: больше 160 градусов;
  
• 
  напряжение питания: 3 – 5 В;
  
• 
  рабочая температура: -30 ^оС 70 ^оС;
  
• 
  интерфейс обмена данными - I²C.
  

В качестве модуля часов используется модуль реального времени DS3231 RTC, показанный на рисунке 6.



Рисунок 6 – Модуль часов реального времени DS3231 RTC

Данный модуль обеспечивает отсчет секунд, минут, часов, дней недели, дней месяца и года. Дата конца месяца определяется автоматически с учетом високосного года.

Основные технические характеристики модуля часов реального времени DS3231 RTC:

• 
  календарь до 2100 года;
  
• 
  работают в 24 или 12- часовом формате с индикацией текущей половины суток (AM/PM)
  
• 
  два будильника;
  
• 
  напряжение питания: 2,7 – 5,3 В;
  
• 
  напряжение батарейки: 2,3 – 5,3 В;
  
• 
  ток потребления: 250 мкA;
  
• 
  интерфейс обмена данными - I²C.
  

4. Работа устройства:
При подаче электропитания в схему, устройство начинает замерять информацию с уличного датчика DHT22 и датчика в помещении DHT11, далее по радиомодулям данные о температуре и влажности с улицы передаются на основной микроконтроллер, в это же время начнется отсчет времени на часах и на дисплее поочередно отображаться информация о времени, влажности и температуре.

5. Практическая часть
Цели практической части являются: исследование способов управления датчиками, общение радиомодулей по радиоканалу, программирование в среде Arduino на языке C, сборка устройства, оформление технической документации.

Для выполнения поставленных целей были изучены различные источники информации по данным темам. При разработке схем консультировались с руководителями, за основу структурной и принципиальной схемы брали данные, взятые из технических документаций модулей, где так же нашли информацию о технических характеристиках, технических возможностях, а также о управлении и программировании каждого из модулей.

5.1 Импульсные стабилизаторы напряжения

В общем виде импульсный стабилизатор включает в себя импульсный преобразователь с устройством регулировки, генератор, выравнивающий фильтр, снижающий импульсы напряжения на выходе, сравнивающее устройство, подающее сигнал разности входного и выходного напряжения.

Схема основных частей стабилизатора напряжения показана на рисунке 7.



Рисунок 7 – Схема стабилизатора напряжения

Напряжение на выходе прибора поступает на сравнивающее устройство с базовым напряжением. В результате получают пропорциональный сигнал. Его подают на генератор, предварительно усилив его.

При регулировании в генераторе разностный аналоговый сигнал модифицируют в пульсации с постоянной частотой и переменной продолжительностью. При регулировании частотно-импульсном продолжительность импульсов имеет постоянное значение. Она меняет частоту импульсов генератора в зависимости от свойств сигнала.

Образованные генератором управляющие импульсы проходят на элементы преобразователя. Транзистор регулировки действует в режиме ключа. Изменяя частоту или интервал импульсов генератора, есть возможность менять нагрузочное напряжение. Преобразователь модифицирует значение напряжения на выходе в зависимости от свойств управляющих импульсов. По теории в приборах с частотной и широтной регулировкой импульсы напряжения на потребителе могут отсутствовать.1

При релейном принципе действия сигнал, который управляется стабилизатором, образуется с помощью триггера. При поступлении постоянного напряжения в прибор транзистор, работающий в качестве ключа, открыт, и повышает напряжение на выходе. сравнивающее устройство определяет сигнал разности, который достигнув некоторого верхнего предела, поменяет состояние триггера, и произойдет коммутация регулирующего транзистора на отсечку.

Напряжение на выходе станет уменьшаться. При падении напряжения до нижнего предела сравнивающее устройство определяет сигнал разности, переключающий снова триггер, и транзистор опять войдет в насыщение. Разность потенциалов на нагрузке прибора станет повышаться. Следовательно, при релейном виде стабилизации напряжение на выходе повышается, тем самым выравнивается. Предел срабатывания триггера настраивают с помощью корректировки амплитуды значения напряжения на сравнивающем устройстве.

Стабилизаторы релейного типа имеют повышенную скорость реакции, в отличие от приборов с частотным и широтным регулированием. Это является их преимуществом. В теории при релейном виде стабилизации на выходе прибора всегда будут импульсы. Это является их недостатком.
Преимущества и недостатки:

Как и все приборы, импульсный стабилизатор не идеален. Поэтому ему присущи минусы и плюсы. Выделим основные из преимуществ:

• 
  Простое достижение выравнивания.
  
• 
  Плавное подключение.
  
• 
  Компактные размеры.
  
• 
  Устойчивость выходного напряжения.
  
• 
  Широкий интервал стабилизации.
  
• 
  Повышенный КПД.
  

Недостатки прибора:

• 
  Сложная конструкция.
  
• 
  Много специфических компонентов, снижающих надежность устройства.
  
• 
  Необходимость в использовании компенсирующих устройств мощности.
  
• 
  Сложность работ по ремонту.
  
• 
  Образование большого количества помех частоты.
  

5.2 Пайка подтягивающих резисторов, конденсаторов к радиомодулю, выводных ножек МК
Для правильной работы датчиков влажности и температуры выполнил монтаж резисторов, сопротивлением 10 кОм, между шиной питания и информационными выводам датчика. Для предотвращения влияния электрических помех от источника питания 3.3В, выполнил монтаж фильтра по питанию (конденсатор на 10 мкФ) к силовым выводам датчика.
5.3 Программирование микроконтроллера
Для программирования микроконтроллера была выполнена следующая работа: установка среды программирования Arduino и подключение всех необходимых библиотек для работы с модулями и дисплеем.

Список использованных библиотек: Adafruit_Sensor-master, DHTlib, DS3231, Low-Power-master, RF24-master, RTC_DS1307-master, Time, U8g2_Arduino-master.

Пояснение использование библиотек и скетчей:

Low-Power-master – используется для снижения энергопотребления схемы благодаря обеспечению задержки в 2 минуты на датчиках и радиомодулях.

Скетч «DS3231_Serial_Easy» из библиотеки «DS3231» используется для настройки часов реального времени DS3231.

При подключении различных датчиков DHT11 и DHT22 необходимо соблюдать правильное наименование в коде программы.
5.4 Подключение модулей и настройка часов реального времени
Дальность действия радио модуля сравнима с Bluetooth модулем
HC-05/06, но с помощью nRF24L01 можно создать многоканальную связь, т.е. можно объединить в общую сеть до семи устройств, которые могут одновременно принимать и отправлять сигнал.

Модуль приемопередатчика nRF24L01 передает и принимает данные на определенной частоте, называемой каналом. Кроме того, чтобы два или более приемопередающих модуля могли обмениваться данными друг с другом, они должны находиться на одном канале. 

Каждый канал занимает полосу частот менее 1 МГц. Это дает нам 125 возможных каналов с интервалом 1 МГц. Таким образом, модуль может использовать 125 различных каналов, что дает возможность иметь сеть из 125 независимо работающих модулей в одном месте как показано на рисунке 8.



Рисунок 8 – Каналы данных

Кроме сложной схемы подключения nRF24L01 к Arduino Nano как показано на рисунке 9, плата требовательна к питанию. Поэтому необходимо поставить стабилизатор напряжения на 3.3В к портам питания модуля (GND и VCC) и поставить конденсатор 10мкФ – это снизит электрические помехи по питанию.



Рисунок 9 – Распиновка радио модуля nRF24L01

Распиновка датчиков DHT11 и DHT22 показано на рисунке 10.



Рисунок 10 – Распиновка датчиков DHT11/DHT22

На рисунке 11 представлена схема подключения часов реального времени к микроконтроллеру.



Рисунок 11 – Схема подключения часов реального времени к микроконтроллеру

OLED модуль с расширением 128×64 (0.96 дюйма) состоит из двух частей, из самого дисплея, который в свою очередь можно разделить на две части, графический дисплей и контроллер SSD1306 от которого идет гибкий шлейф на обратную сторону платы. Вторая часть, модуля, представляет собой печатную плату (которая по сути является переходником), на которой установлена минимальная электрическая обвязка.

Для изменения протокола работы, предусмотрены три линии BS0, BC1 и BS2 с помощью которых, контроллер дисплея определяет по какому протоколу ему работать.

На рисунке 12 приведена принципиальная схема OLED дисплея на микросхеме SSD1306, работающая по интерфейсу I2C, из нее видно, что микросхема U2 выполняет функцию стабилизатора напряжение (3.3В), конденсатор C8 необходим для сглаживания выходного напряжения. Резисторы R6 и R7 выполняют функцию подтяжки линии SCL и SAD, если к шине I2C, подключено не одно устройство, необходимо использовать подтягивающие резисторы только на одном устройстве. С помощью резистора на 0 Ом (без обозначении), можно произвести смену адреса 0x78 или 0x7A.



Рисунок 12 – Принципиальная схема OLED дисплея

Назначение контактов J2:

• 
  SCL: линия тактирования (Serial CLock)
  
• 
  SDA: линия данных (Serial Dфta)
  
• 
  VCC: «+» питание
  
• 
  GND: «-» питание
  

5.5 Сборка тестового стенда на печатной плате
Макет собранного и работающего устройства показан на рисунках
13 - 16.



Рисунок 13 – Макет собранного устройства



Рисунок 14 – Показ влажности в помещении



Рисунок 15 – Показ температуры в помещении

Рисунок 16 – Показ температуры и влажности на улице

5.6 Оформление технической документации

При трассировке печатной платы использовал техническую документацию, где на каждый блок имеется схема подключения. На рисунке 17 представлена трассировка печатной платы, выполненной в программе Sprint – Layout



Рисунок 17 – Трассировка печатной платы

При составлении схем электрической структурной, функциональной, принципиальной использовал технические документации модулей, ГОСТ 2.701-2008.

Заключение

В заключении хочу отметить, что данный проект находиться на стадии доработки и будет усовершенствоваться в дальнейшем. Так же в дальнейшем а именно добавление модуля измерения атмосферного давления, изменение имеющихся компонентов на аналоги с лучшими характеристиками.

В ходе выполнения проекта исследованы принципы работы частей устройства по отдельности, методы их подключения. Исследована схема и собрана метеостанция, проведены испытания собранной станции на изменение климата, сделаны выводы о проделанной работе, поставленные задачи решены.

Список использованных источников

1. 
   https://voltiq.ru/dht22-and-arduino/ / Спецификация, схема включения датчика температуры и влажности
   
2. 
   https://robotchip.ru/obzor-chasov-realnogo-vremeni-ds3231/ / описание и принцип работы часов;
   
3. 
   https://mcucpu.ru/index.php/pdevices/172-ds3231 / Типовая схема включения часов;
   
4. 
   https://robotchip.ru/obzor-oled-displey-na-ssd1306/ / Описание и схема включения дисплея;
   
5. 
   http://www.joyta.ru/12366-kak-rabotaet-radiomodul-nrf24l01-s-arduino-opisanie-raspinovka-podklyuchenie-datasheet/ / Описание работы с радиоканалами nrf24l01
   
6. 
   https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/arduino-nrf24l01-podkluchenie/ / Схема подключения nrf24l01
   

7) https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-nano/ / Описание по микроконтроллеру, методы подключения модулей, виды питания, программирование.

8) http://ostabilizatore.ru/impulsnyj-stabilizator-naprjazhenija.html/ / Об импульсных стабилизаторах напряжения.

9) http://www.paygid.ru/articles/domashnie-meteostancii-vidi-i-parametri/?q=726&n=2425/ / Дoмaшниe мeтeocтaнции: виды и пapaмeтpы