Разработка системы для измерения уровня жидкости в резервуарах промышленных масштабов на основе ультразвукового уровнемера.

В ходе дипломного проектирования было разработано устройство измерения уровня жидкости. Основная цель использования ультразвуковых уровнемеров – повышение точности и надежности систем измерения, а также автоматизации технологических процессов управления. Измерение уровня жидкости позволяет контролировать протекание различных технологических процессов на производстве, возможные ошибки в работе системы измерения уровня жидкости. При проектировании данного устройства использовалась современная элементная база, а также применялись последние достижения проектирования электронных систем.
Данный ультразвуковой уровнемер отличается высокой надежностью, что является следствием отсутствия подвижных деталей и механизмов, защитой от импульсных помех высокого напряжения, наличием ЖК индикатора и инте ...

Содержание

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА 7
1.1 Принципы измерения уровня 7
1.2 Принцип работы ультразвукового уровнемера 14
2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ 19
3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ 22
3.1 Выбор микроконтроллера 22
3.2 Выбор дисплея 29
3.3 Выбор интегральных микросхем 33
3.4 Датчики пьезоэлектрические ПЭП 40
4. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСТРОЙСТВА 42
4.1 Расчет принципиальной схемы 42
4.2 Расчет Блока питания и сетевого трансформатора 44
5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 48
5.1 Анализ технологичности уровнемера 48
5.2 Расчет надежности устройства 49
5.3 Поверочный конструкторский расчет вибропрочности. 54
5.4 Расчет технологических параметров 55
5.5 Разработка конструкции 59
5.5 Разработка технологического процесса сборки высотомера 65
6. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ 67
6.1 Разработка алгоритма работы 67
6.2 Интегрированная система разработки AVR Studio 71
6.2 Программа работы микроконтроллера 78
7. Технико-Экономическое обоснование 79
7.1. Расчет производственных затрат 79
7.1.1. Материальные издержки 79
7.1.2. Калькуляционные издержки 81
7.1.3. Издержки на оплату услуг сторонних организаций 82
7.2. Затраты реализации проекта 83
7.3. Цена изделия 83
7.4 Инвестиции, необходимые для реализации проекта 83
7.5. Эксплуатационные расходы 84
7.6 Потоки денежных поступлений и выплат 85
7.7. Расчет показателей оценки эффективности инвестиций 89
8. ОХРАНА ТРУДА И БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 92
8.1. Введение 92
8.2. Анализ опасных и вредных производственных факторов воздействующих на электромеханика управления 94
8.3. Требования безопасности во время работ 101
8.4 Расчет освещения 102
8.5 Мероприятия пожарной безопасности 105
8.6 Мероприятия по электробезопасности 107
8.7 Экологичность проекта 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 116

Автоматизация является одним из важнейших факторов роста производительности труда в промышленном производстве. Непрерывным условием ускорения темпов роста автоматизации является развития технических средств автоматизации. К техническим средствам автоматизации относятся все устройства, входящие в систему управления и предназначенные для получения информации, ее передачи, хранения и преобразования, а также для осуществления управляющих и регулирующих воздействий на технологический объект управления.
Для удовлетворения этих требований необходимо изыскание, изучение и практическое использование аппаратурных и методических путей повышения точности измерения уровня жидкости в промышленном производстве.
Уровнемеры успешно применяются в различных отраслях промышленности и используются для измерени я уровня очень разнообразных жидких и сыпучих материалов. В настоящее время они достаточно востребованы на рынке, поэтому с ростом науки и техники появятся новые типы уровнемеров, более точных и удобных в использовании.
С развитием измерительной техники, каждый метод приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки.
Уровнемеры применяются во многих отраслях промышленности: химической и нефтехимической, нефтегазовой, целлюлозно-бумажной; фармацевтической; пищевой промышленности и производстве напитков; контроле питьевой воды и сточных вод; энергетике (плотины и гидро- и электростанции) и др.

Рассчитанной значение наработки до отказа удовлетворяет предъявленным требованиям.5.5 Разработка конструкцииОсновная задача при разработке конструкции – снизить влияние на результат измерений. Для достижения этого предприняты следующие меры:Уменьшена длина дорожек аналогового сигнала.«Вывод "земли" АЦП соединен с общим проводом только в одной точке.Аналоговые и цифровые дорожки разнесены на максимальное расстояние.Источники питания также удалены друг относительно друга.Монтаж МК выполнен на печатной плате из двухстороннего фольгированного стеклотекстолита. По причине малой потребляемой мощности стабилизатор напряжения DA2 может быть установлен без дополнительного теплоотвода.Данное изделие выполняется полностью на печатной плате и предназначено для работы в нормальных климатических условиях, а именно:Диапазон рабочих температур -5 ÷ +40 0СДиапазон предельно допустимых температур -40 ÷ +60 0СВоздействие повышенной влажности (при температуре 25 0С ) 80 %Воздействие пониженного давления 6,1×104 ПаМеханические условия:Диапазон частот 10÷30 ГцДлительность удара 5÷10 мсУдарное ускорение 9,8 м/с2Виброускорение 10,7 м/с2Разрабатываемая конструкция устройства должна соответствовать данным требованиям. Необходимо обеспечить технологичность конструкции, минимизировать экономические затраты, а также предусмотреть возможность замены на аналогичное устройство.При компоновке элементов следует придерживаться следующих правил:Максимально разносить на плате компаненты аналоговой и цифровой частей;Фильтрующие емкости по питанию для микросхем следует располагать как можно ближе к последним;Следует избегать закольцовывания цепи питания или земли (особенно последней), так же рекомендуется делать земляную площадку под цифровыми и мощными микросхемами для снижения помех и лучшего отвода тепла.Плата устройства представляет собой печатную плату с односторонним расположением радиоэлементов.В качестве материала печатной платы используется стеклотекстолит фольгированный гальваностойкий марки СФ1 (ГОСТ 10316-78) толщиной 2 мм. Диаметр отверстий под радиоэлементы составляет 0.7мм .Печатная плата имеет 4 отверстия для крепления к корпусу. Крепление платы к корпусу осуществляется с помощью саморезов, которые ввинчиваются в специальные бобышки, отлитые на днище корпуса и имеющие отверстия для более легкого ввинчивания саморезов.На верхней панели расположены разъём ВЧ и тумблер подключения питания. Разъемы ВЧ и тумблер “Вкл.” крепятся гайками. На корпусах этих деталей есть специальная резба.Каркас корпуса состоит из дюралевых брусков с отверстиями для крепления панелей.Панели состоят из ударопрочного полистирола с отверстиями под крепление к каркасу. Изготовление печатной платыМетод изготовления печатной платы будет определяться требованиями технического задания и конструктивно-технологическими особенностями изделия, а также типом производства.Все процессы изготовления печатных плат можно разделить на субтрактивные, аддитивные и полуаддитивные.Субтрактивный процесс получения проводящего рисунка заключается в избирательном удалении участков проводящей фольги путем травления; аддитивный процесс - в избирательном осаждении материала на нефольгированный материал основания; полуаддитивный процесс предусматривает предварительное нанесение тонкого (вспомогательного) проводящего покрытия, впоследствии удаляемого с пробельных мест.Наиболее распространенными методами изготовления печатных плат в настоящее время являются химический, электрохимический и комбинированный. Размеры ПП определены чертежом 100 x 150 мм;Толщина диэлектрика: 1,5 мм; Шаг координатной сетки: 1,25 ммДля ПП установлены 5 классов точности монтажа: первый, допускающий минимальные ширину проводников и расстояние между проводниками 0,75 мм; второй – 0,45 мм; третий – 0,25 мм; четвертый – 0,15 мм; пятый 0,10 мм [13]. Согласно ТЗ точность печатного монтажа соответствует третьему классу, что накладывает ограничения на выбор методов изготовления ПП и параметры ее конструкции.Окончательный выбор материала основания может быть определен только после выбора варианта изготовления ПП. Выбор материала основания определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и климатических условий, себестоимостью [13]. Для основания ПП стоит применить дешевые недефицитные материалы (гетинакс, стеклотекстолит). ПП на слоистом диэлектрике просты по конструкции и экономичны в изготовлении. Для субтрактивных методов изготовления ПП используются фольгированные диэлектрики, для полуаддитивных и аддитивных методов – нефольгированные.Входной контроль фольгированного диэлектрикаПри входном контроле диэлектрика визуально устанавливают наличие царапин, проколов и других повреждений. Коробление и изгиб диэлектрика проверяют путем погружения материала в расплавленный припой. При этом выявляются трещины на поверхности и дефекты сцепления между слоями. Прочность сцепления фольги с диэлектриком характеризуется усилием, необходимым для отрыва полоски фольги от основания.Нарезка заготовокВыбор метода получения заготовок определяется типом производства. В серийном производстве раскрой листового материала осуществляется штамповкой на кривошипных и эксцентриковых прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий. В качестве инструмента для получения заготовок целесообразно применить роликовые или гильотинные ножницы. Нарезку заготовок осуществляют с припуском по контуру на одну или несколько плат.Получение фиксирующих и монтажных отверстийДля установки заготовок при выполнении отдельных операций технологического процесса предусматривают фиксирующие и технологические отверстия. Существует два метода выполнения отверстий в печатных платах: пробивка на специальных штампах и сверление. Для получения всех отверстий используем сверление, которое имеет более низкую стоимость по сравнению с пробивкой. Стенки отверстий под металлизацию должны быть гладкими, без заусенцев, расслаивания, ожогов и вмятин диэлектрика. Они должны быть перпендикулярными наружной поверхности платы и свободными от следов инструмента, смазочных веществ и стружки. Сверление отверстий производят на специализированных одношпиндельных и многошпиндельных сверлильных станках, на станках с программным управлением или на станках с автоматической сменой сверл. Контроль качества отверстий производят визуально с помощью специальных широкоугольных микроскопов с развертыванием поверхности. Наличие отверстий проверяется на специальных компараторах методом сканирования изображения контролируемой и эталонной платы.Химическая и предварительная электролитическая металлизацияХимическая металлизация печатных плат заключается в последовательности химических реакций осаждения меди, используемой в качестве подслоя при нанесении основного слоя токопроводящего рисунка гальваническим способом. Слой химической меди толщиной 0,25…1,0 мкм должен полностью покрывать поверхность диэлектрика и стенки отверстий. Получаемый слой меди должен обладать пластичностью и хорошим сцеплением с диэлектриком. Процесс химической металлизации основан на окислительно-восстановительной реакции ионов металла из его комплексной соли в определенной среде, при которой для восстановления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых восстановителями.Подготовка поверхности заготовокПодготовку поверхностей к проведению технологических операций осуществляют на многих этапах процесса производства ПП.В зависимости от характера и степени загрязнения поверхности подготовка может быть механической, химической и комбинированной, сочетающей механический и химический способы. Подготовка поверхности включает в себя: химическую очистку поверхности; щелочное обезжиривание поверхности моющими средствами; водную промывку; декапирование в растворе кислоты; промывку в холодной и горячей воде; сушку поверхности; контроль качества подготовки поверхности.Качество подготовки поверхности под металлизацию контролируют путем определения прочности сцепления металлического покрытия с основанием.Получение рисунка схемыНанесение рисунка схемы на печатную плату необходимо для получения защитной маски требуемой конфигурации для осуществления процессов металлизации. Защитная маска должна выполнятся в виде негативного изображения для металлизации открытых участков. Рисунок должен иметь четкие границы между областями защищенных и незащищенных участков схемы с точным воспроизведением узких линий, быть стойким в процессе подготовки поверхности и металлизации; не загрязнять платы, растворы и электролиты какими-либо примесями; иметь окраску для контроля качества его нанесения и хорошо сниматься после выполнения своих функций.Наибольшее распространение в промышленности нашли сеткографический и фотохимический способ нанесения рисунка схемы. В обоих случаях инструментом переноса изображения на плату служат позитивные или негативные фотошаблоны, выполненные на пленке или стекле. Сеткографический способ нанесения рисунка схемы наиболее рентабелен для массового и крупносерийного производства печатных плат. Следовательно, для заданного типа производства он не подходит.Фотографический способ нанесения рисунка схемы при производстве печатных плат позволяет получить минимальную ширину проводников и расстояний между ними 0,15 мм с точностью воспроизведения изображения ±0,03 мм. На подготовленную поверхность платы наносят светочувствительный фоторезист, который затем экспонируют через фотошаблон и проявляют, в результате чего образуется заданный рисунок схемы. Данный способ целесообразно применять при мелкосерийном типе производства.ЭкспонированиеЦелью экспонирования является полимеризация фотополимера, расположенного под прозрачными участками фотошаблона, под воздействием источника света, что делает эти участки нерастворимыми в проявляющих растворах. При обработке в проявляющих растворах позитивных фоторезистов их засвеченные участки растворяются и вымываются. Наибольшее применение нашли негативные фоторезисты. Оптимальным источником света считают ртутные ультрафиолетовые лампы среднего давления, дающие излучение с длинами волн 365 нм. Среднее время экспонирования составляет 30 с, однако процесс полимеризации фоторезиста продолжается и после экспонирования в течение последующих 15…45 мин.5.5 Разработка технологического процесса сборки высотомера При разработке конструкции уровнемера решаются конструктивно-технологические вопросы: конструктивное исполнение деталей корпуса, выбор материалов, выбор способов крепеления, оптимальный способ монтажа платы внутри корпуса и т.д.Выбор материалов для деталей разрабатываемого изделия осуществляется исходя из типа производства (среднесерийного) и выбранного варианта конструкции. Материалы должны обладать следуюшими свойствами:иметь малую стоимость;легко обрабатываться;обладать достаточной прочностью и лёгкостью; внешний вил корпуса должен отвечать требованиям ТЗ; сохранять свои физико-химические свойства.Применение унифицированных материалов конструкций, ограничения номенклатуры применяемой детали позволяет уменьшить себестоимость разрабатываемого изделия, улучшить производственную и эксплуатационную технологичность.Согласно ГОСТ2.101-68 разобьем изделие на детали, сборочные единицы и узлы и построим схему сборочного состава с базовой деталью и приведем ее описание.К нулевому уровню сборки принадлежат все детали изделия:Основание Крышка НаклейкаВторой уровень сборки содержит сборочную единицу, полученную сборкой из деталей и покупных элементов:2- ФУ на ППЧтобы указать последовательность операций сборки, необходимо привести схему сборочного состава с базовой деталью. За базовый элемент принимаем основание, к которому крепятся все остальные детали и сборочные единицы. Разработанная схема сборки позволяет проанализировать технологический процесс с учетом технико- экономических показателей и выбрать оптимальный, а также облегать процесс нормировки времени выполнения операций и процесс описания маршрутных карт.6. Разработка программного обеспечения6.1 Разработка алгоритма работы На рисунке 6.1 представлена блок схема алгоритма работы микроконтроллера ультразвукового уровнемера.В блок-схеме применены условные обозначения:N – счетчик выборок, переменная в которой хранится текущее количество сделанных выборок;K – счетчик времени.При подаче питания микроконтроллер инициализирует порты ввода-вывода, переводя их в высокоимпедансное состояние, производит настройку и запуск таймера. Таймер отсчитывает время между переданным и полученным ультразвуковым импульсом. После измерения временных интервалов происходит обработка результатов – вычисление уровня жидкости и вывод результата измерения на экран. Функция обработки запросов по интерфейсу UART-USB реализована в виде подпрограммы обработки прерываний (Рисунок 6.3) После сохранения измеренных значений происходит возврат в основную программу.данетСтартНастройка и запуск таймераНастройка и запуск таймераОбнуление счетчика выборок N=0Вычисление усредненного уровня жидкостиВычисление мгновенного уровня жидкостиОбнуление счетчика времени К=0Настройка АЦПНастройка UARTИнкрементировать счетчик временисчетчик выборок переполнен?Обнуление счетчика выборокданетСтартНастройка и запуск таймераНастройка и запуск таймераОбнуление счетчика выборок N=0Вычисление усредненного уровня жидкостиВычисление мгновенного уровня жидкостиОбнуление счетчика времени К=0Настройка АЦПНастройка UARTИнкрементировать счетчик временисчетчик выборок переполнен?Обнуление счетчика выборокРисунок 6.1 – Блок схема работы системыНет Нет дадаФормирование одиночного ультразвукового импульсаВычисление времени распространения импульсаВозвращение в основную программуПрерывание от таймераформирование завершено?Измерение времени движения звуковой волныИмпульс полученНет Нет дадаФормирование одиночного ультразвукового импульсаВычисление времени распространения импульсаВозвращение в основную программуПрерывание от таймераформирование завершено?Измерение времени движения звуковой волныИмпульс получен570865146685Рисунок 5.2 – Блок схема подпрограммы таймера00Рисунок 5.2 – Блок схема подпрограммы таймерададанет нетВозвращение в основную программуПрерывание от UARTПрием посылкиПосылка принята полностью?Сравнение адреса посылки со своим Адрессовпал?Анализ полученной командыФормирование посылки в буфереПередача данныхСброс приемного буферададанет нетВозвращение в основную программуПрерывание от UARTПрием посылкиПосылка принята полностью?Сравнение адреса посылки со своим Адрессовпал?Анализ полученной командыФормирование посылки в буфереПередача данныхСброс приемного буфера38100012065Рисунок 5.3 – Блок схема подпрограммы приема данных00Рисунок 5.3 – Блок схема подпрограммы приема данных6.2 Интегрированная система разработки AVR StudioAVR Studio – это интегрированная отладочная среда разработки приложений для 8-разрядных RISC – микроконтроллеров семейств AVR (Tiny, Classic, Mega). Версия AVR Studio 4 объединяет средства управления проектами, текстовый редактор, Ассемблер и отладчик программ на языках Си и Ассемблер. Таким образом, AVR Studio 4 поддерживает проектировщика на стадиях разработки, отладки и верификации программного обеспечения. Кроме того, AVR Studio 4 поддерживает аппаратную платформу STK500, которая позволяет программировать все устройства AVR, и внутрисхемные эмуляторы ICE40, ICE50, ICE200, JTAG ICE.Характеристики AVR Studio:Интегрированный Ассемблер;Интегрированный симулятор;Поддержка инструментов Atmel, совместимых с 8-разрядной AVR архитектурой, в том числе AVR ONE!, JTAGICE mkI, JTAGICE mkII, AVR Dragon, AVRISP, AVR ISPmkII, AVR Butterfly, STK500 и STK600;Поддержка плагина AVR RTOS;Поддержка AT90PWM1 и ATtiny40;Интерфейс командной строки с поддержкой TPI.Программа не имеет команды останова и выполняется циклически пока микроконтроллер подключен к питанию. Основные команды и процессы описаны в комментариях в тексте программы.Так, использование интегрированной среды проектирования AVR Studio, свободно распространяемой, дает возможность не только разрабатывать, но и отлаживать создаваемое программное обеспечение с помощью встроенного симулятора.Наконец, подключив к AVR Studio 4 стартовый набор разработчика STK500, можно проверить созданную программу непосредственно в целевом микроконтроллере, а подключив через разъем расширения дополнительные устройства, - и в составе системы. Попутно отметим сравнительно невысокую стоимость STK500, что немаловажно для учебных заведений.AVR Studio состоит из нескольких панелей и модулей, каждый из которых выполняет часть общей задачи. Создание программ в среде AVR Studio происходит в виде проектов, каждый из которых имеет файл, сохраняющий информацию о проекте и входящих в него файлах, установки Ассемблера, пользовательские настройки и т. д.Описание: Atmel Studio 6 позволяет осуществлять разработку и отладку на платформах AVR, AVR32 и ARM, поддерживает большое количество средств программирования и отладки для этих платформ, содержит встроенный компилятор С/С++ (GNU GCC).Рисунок 6.4 – Внешний вид программы AVR StudioРедактор служит для написания программного кода, он полнофункционален, имеет подсветку синтаксиса, которая может быть изменена и дополнена пользователем. Окно редактора также используется при отладке, при этом точки возможного программного останова могут быть размещены на левой границе поля.Рабочее пространство разделено на несколько областей, расположение и комбинации которых можно изменять. Основная часть рабочего пространства отведена для написания кода, а все остальные элементы для отображения состояния микроконтроллера в режиме пошаговой отладки. Таким образом, пока не будет запущена пошаговая отладка, эти элементы не активны.Наиболее важными и полезными рабочими областями являются: «Processor», «I/O View», «Memory». Рабочая область Processor отображает указатель команд, указатель вершины стека, частоту процессора, регистр SREG, а также 32 РОН во вкладке Registers. Регистры X, Y, Z, входящие в число 32-х регистров общего назначения, для удобства вынесены отдельно. Параметр Stop Watch отображает время после включение питания контроллера (в данном случае это начало пошаговой отладки). С его помощью можно быстро определить сколько времени занимает та или иная команда, цикл и т.д.Рисунок 6.5 - Рабочая область ProcessorРабочая область I/O View отображает состояние всех регистров, отвечающих за управление периферийными устройствами контроллера. По каждому из устройств можно получить подробную информацию, если раскрыть соответствующую вкладку. Для примера рассмотрим вкладку TIMER_COUNTER_1 (вкладка была открыта во время пошаговой отладки).Рисунок 6.6 - Информация о периферийных устройствах микроконтроллераПри раскрытии списка TIMER_COUNTER_1 отображаются все регистры, имеющие отношению к данному таймеру, их адреса (относительные и абсолютные) и значения (в шестнадцатеричном и побитовом представлении). Значения этих регистров доступны для изменения во время отладки программы. Рисунок 6.7 - Состояние таймера TIMER_COUNTER_1Рабочая область Memory отображает содержимое памяти контроллера. На рисунке показано, что можно выбрать память данных (Data), память программ (Program)б EEPROM, регистров ввода/вывода (I/O), остальных регистров (Register).В графе Address можно ввести адрес интересуемого сегмента памяти в шестнадцатеричном виде, чтобы быстро перейти к отображению его содержимого, что является весьма удобным средством при отладке программ.Рисунок 6.8 - Окно MemoryУстановка ПОДля поддержки STK500 требуется AVR Studio версии 3.2 и выше.Для инсталляции AVR Studio вставьте компакт-диск в компьютер и скопируйте файл «AvrStudio416Setup.exe» в любую свободную папку на жестком диске, запустите. В ходе инсталляции будем предложено ввести директорию, в которую будет устанавливаться AVR Studio.