РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В настоящее время актуальна проблема безопасности транспортирования каких-либо изделий. Над ее решением задумались еще в начале XX века. В 1930-х годах был создан первый бортовой самописец, так называемый «черный ящик». В настоящий момент такие самописцы используются в основном только при перевозке людей, они имеют достаточно большие массогабаритные характеристики и не пригодны для транспортирования, например измерительных установок или приборов [2].

Отсутствие универсального регистрирующего устройства является весомой проблемой. В связи с этим было принято решение создать такое устройство, которое будет регистрировать несколько параметров, у которого будет отсутствовать речевой сегмент, а так же его размеры и масса будут в разы меньше современных прототипов. Корпус устройства должен быть ударопрочным. Так же важным требованием к разрабатываемому устройству является его малое энергопотребление для того, чтобы регистрация параметров осуществлялась без подзарядки аккумуляторов на протяжении большого промежутка времени.

В рамках данной работы рассматривается проектирование устройства регистрации параметров транспортирования на основе микроконтроллера компании Silicon Lab.

Спроектированное устройство имеет несколько возможных вариантов питания, небольшие массогабаритные характеристики в сравнении с существующими самописцами, а так же несколько датчиков, регистрирующих основные параметры окружающей среды, а так же датчик, фиксирующий ударные ускорения. Кроме перечисленного ранее устройство имеет спящий режим, благодаря чему увеличивается продолжительность его автономной работы.

Основными элементами разработанного устройства являются:

1. Плата с микроконтроллером серии C8051F3x [1];

2. Датчик ударного ускорения модели LIS3DSH;

3. Датчик давления серии SSCDNNN160KAAA3;

4. Датчик относительной влажности и температуры типа SI7013-A20-IM;

5. Трехосевой датчик удара SQ-ASD.

Несколько датчиков имеют цифровой выходной сигнал, а датчик относительной влажности и температуры окружающей среды имеет аналоговый выходной сигнал, который поступает на вход встроенного аналого-цифрового преобразователя, а затем с помощью интерфейса I²C данные передаются на микроконтроллер. Трехосевой датчик удара используется в данном устройстве для вывода его из спящего режима, стоит отметить, что даже в спящем режиме устройство регистрирует параметры окружающей среды (это осуществляется за счет программирования микроконтроллера).

Устройство имеет два режима работы:

- стандартный (нормальный);

- аварийный.

Основное отличие режимов работы заключается в сохранении полученных данных. При нормальном режиме работы измерения происходят каждые две минуты, так же как и в аварийном режиме, но сохранение данных происходит единожды в полчаса, в то время как при аварийном режиме работы сохранение полученных результатов измерений происходят каждые две минуты.

Алгоритм программы достаточно простой, однако у него есть три подпрограммы прерываний, именно в них заключается вся работа устройства. Алгоритм заключается в инициализации всех датчиков, встроенного аналогово-цифрового преобразователя, а так же встроенных часов реального времени. Затем происходит разрешение всех прерываний (это необходимо для полного функционирования прибора). Прерывания принимаются от таймера (встроенных часов), аналогово-цифрового преобразователя, трехосевого датчика удара и компьютера. Время пробуждения составляет от 2 мкс до 10 мкс в зависимости от типа и количества батарей (при питании от аккумулятора время пробуждения будет составлять 2 мкс).

Одной из подпрограмм прерываний является прерывание от таймера. Данное прерывание происходит каждые две минуты. По истечении этого времени устройство производит тестовые измерения всех параметров. Как только полученные данные поступают на микроконтроллер, происходит сравнение этих данных с заранее запрограммированными пределами. Если определяется превышение допускаемого предела хотя бы по одному параметру, вся система переходит в аварийный режим работы. Измерения будут осуществляться каждые две минуты до тех пор, пока величина воздействующих факторов не установится в допускаемых пределах. Как только происходит «успокоение» окружающей среды, устройство уходит в стандартный режим работы. Если же превышения запрограммированных значений параметров не наблюдается, тогда устройство проверяет сколько времени прошло с последнего сохранения данных (если прошло тридцать минут, тогда происходит очередное сохранение результатов измерений, если полчаса еще не прошли, тогда устройство уходит в спящий режим).

Прерывание от трехосевого датчика удара происходит, как только датчик фиксирует удар (падение, сильный толчок). Принцип работы датчика заключается в замыкании контакта, соответственно, как только контакт замыкается, сигнал идет на компаратор, тем самым сигнал проходит на микроконтроллер. Устройство выходит из спящего режима и начинает измерения ударного ускорения, если запрограммированные пределы не превышены, то устройство «засыпает», если же наблюдается превышение величины измеряемого параметра, тогда устройство переходит в аварийный режим работы, который был описан ранее.

Третьей подпрограммой прерываний является прерывание от аналогово-цифрового преобразователя (в данном случае сигналы принимаются с датчика атмосферного давления, имеющего аналоговый выходной сигнал). В реальных условиях эксплуатации резкий скачок атмосферного давления или выход значения его величины за допускаемые пределы практически нереален (не рассматривается пробоина в корпусе самолета, резкое погружение на глубину и т.п.). Таким образом, при работе с данным прерыванием аварийного режима не предполагается.

Как было сказано ранее устройство имеет несколько вариантов питания: во время работы за счет двух щелочных или литиевых батареек типа АА, во время переноса данных – от подключенного USB-кабеля.

Для того чтобы оповещать оператора о том, что осуществляется питание всей схемы и устройство готово к работе, использовалась миниатюрная жидкокристаллическая панель, которая производится на заказ фирмой «МЭЛТ».

Как только устройство будет включено, через специальное «окно» в верхней крышке корпуса можно наблюдать индикатор, который будет показывать цифру «1». Это и будет сигнализировать о работоспособности устройства. Помимо этого, жидкокристаллический индикатор оповещает и о других режимах работы, их всего 6:

0 – питание осуществляется через разъем USB или DEBUG;

1 – питание осуществляется от батарей, схема работает;

2 - самокалибровка;

3 – спящий режим;

4 – аварийный режим;

5 – нормальный режим.

Во время работы была спроектирована конструкция устройства. Печатная плата устройства со всеми элементами, расположенными с одной стороны, представляет собой квадрат со стороной 70 мм. На данной плате располагаются разъемы DEBUG и USB, разъемы для двух батарей типа АА, три датчика для измерения параметров, трехосевой датчик удара, микроконтроллер две кнопки, светодиод, семисегментный светодиод, а так же микросхема для передачи данных. Так же предусмотрено крепление внутри внешней оболочки в виде 7 пластиковых ножек.

Внешний корпус устройства выполнен из прочной стали, имеет отверстия для доступа к основным кнопкам (утоплены в корпусе), а так же к разъемам USB (питание и передача данных) и DEBUG (разъем для подключения программатора).

Таким образом, устройство является достаточно универсальным, все элементы можно заменить аналогами. В работе показано, что схема может работать с аналоговыми и цифровыми выходными сигналами датчиков. Размеры устройства составляют 52х72х72 мм, а масса не превышает 1,5 кг. Так же преимуществом разработки является продолжительность работы: в обычном режиме – 436 часов, а в аварийном режиме – 144 часа.

Список литературы:

1. Datasheets C8051F93x – C8051F92x. Silicon Labs – 2008. – 324 c.
2. Черный ящик в самолете - что это такое, как выглядит и устроен [Электронный ресурс] – Режим доступа – URL: http://samoleting.ru/raznoe/chernyj-yashhik-v-samolete-chto-eto-takoe-kak-vyglyadit-i-ustroen.html (дата обращения 15.07.2019)