Указания к выполнению работы. Разработка измерительных систем с применением контроллеров Arduino

Разработка измерительных систем с применением контроллеров Arduino

Лабораторный практикум по дисциплине «Электроизмерительные приборы и датчики информации»

Тольятти

Издательство ТГУ

УДК

ББК

Рецензент: доктор технических наук В.П. Певчев

Глибин Е.С., В.И. Чепелев Разработка измерительных систем с применением контроллеров Arduino: лабораторный практикум / Е.С. Глибин., В.И. Чепелев – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2015. – 42 с.

Лабораторный практикум содержит задания по работе с электронными осциллографами, генераторами и макетированию устройств, работающими с датчиками информации, а также описание использования среды программирования Arduino для разработки и отладки программного обеспечения измерительных систем на базе микроконтроллеров AVR архитектуры.

Лабораторный практикум предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров «Электроника и наноэлектроника» при изучении ими дисциплины «Электроизмерительные приборы и датчики информации».

УДК

ББК

Рекомендовано к изданию научно-методическим советом Тольяттинского государственного университета.

© ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», 2015

СОДЕРЖАНИЕ

Изучение электронного осциллографа и генераторов электрических сигналов. 4

Знакомство с программированием микроконтроллеров. 11

Подключение ультразвукового датчика расстояния к микроконтроллеру. 24

Измерение расстояний при помощи ультразвукового датчика. 30

Датчики температуры.. 33

Датчики магнитного поля. 39

Литература. 41

Лабораторная работа №1

Изучение электронного осциллографа и генераторов электрических сигналов

Цель работы

Цель работы – научиться работать с электронным осциллографом, настраивать режимы работы генераторов для создания периодических электрических сигналов произвольной формы.

Программа работы

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение лабораторного стенда к работе.

2.2 Научиться задавать форму электрического сигнала с помощью генератора.

2.3 Снять осциллограмму генерируемого сигнала, предварительно зафиксировав ее с помощью триггера.

2.4 Измерить максимальное, среднее и среднеквадратичное значение напряжения на генераторе.

2.5 Рассчитать среднеквадратичное значение сигнала при заданных параметрах, сравнить его с отображаемым программой и заданным (если показывается) в окне настроек генераторе.

2.6 Повторить пункты 2.2 – 2.5 для второго сигнала при использовании встроенного генератора, для третьего при использовании внешнего генератора.

2.7 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

Варианты заданий

Для каждого из трех сигналов, приведенных в таблице 3.1, необходимо настроить соответствующий генератор, зафиксировать осциллограмму полученного сигнала, измерить его параметры согласно программе работы.

Таблица 3.1 - формы и параметры генерируемых сигналов

№	№ сигнала
	синусоида, амплитуда 1,5 В, частота 2 кГц, постоянная составляющая 1 В	размах 2,2 В, частота 10 кГц	униполярный меандр, размах 1В, частота 5 кГц

Продолжение таблицы 3.1

	двухполярный меандр, минимальное значение -1,5 В, максимальное значение 1 В, частота 15 кГц	размах 1,8 В, частота 5,5 кГц	синусоида, амплитуда 2,5 В, частота 900 Гц
	симметричный треугольный сигнал, размах 3 В, частота 500 Гц	размах 3 В, частота 1400 Гц	прямоугольный сигнал, размах 2 В, частота 7,5 кГц, постоянная составляющая 1,5 В
	прямоугольный сигнал, размах 4 В, частота 1,5 кГц, постоянная составляющая 2 В, скважность 3	размах 2 В, частота 3600 Гц	симметричный треугольный сигнал, размах 3 В, частота 200 Гц

В отраслевом стандарте связи ОСТ 45.159-2000 «Отраслевая система обеспечения единства измерений. Термины и определения» термин амплитуда определяется как наибольшее значение, которое принимает какая-либо величина, изменяющаяся по гармоническому закону.

Термин «амплитуда» следует отличать от терминов, применимых к любым сигналам:

Максимальное и минимальное значения сигнала — наибольшее и наименьшее мгновенные значения сигнала на протяжении заданного интервала времени.

Размах сигнала — разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени.

Согласно ГОСТ 16465-70 «Сигналы радиотехнические измерительные. Термины и определения» не следует в общем случае заменять термин максимальное значение сигнала термином амплитуда. ГОСТ отдельно регламентирует использование таких терминов как амплитуда импульса или амплитуда прямоугольного сигнала.

Некоторые термины, встречающиеся в задании, определения которых приведены в ГОСТ 16465-70:

Постоянная составляющая сигнала – среднее значение сигнала , где Tу – интервал времени усреднения.

Скважность – отношение периода прямоугольного сигнала к длительности импульса.

При скважности 2 (длительность импульса равна длительности паузы) прямоугольный сигнал называется меандром. Меандры бывают униполярными (величина напряжения принимает значения одного знака) и двухполярными.

Следует отметить, что в программном обеспечении зарубежного производства определения ряда применяемых терминов могут не соответствовать ГОСТ – воспользуйтесь инструкцией и справкой!

Номер варианта соответствует номеру бригады, назначенной на вводном занятии. Если количество бригад больше 4, то пятая выполняет задание первого варианта, шестая – второго и т.д.

Содержание отчета по лабораторной работе

Отчет должен содержать следующие обязательные пункты:

1. титульный лист;

2. цель работы, программу работы и задание ТОЛЬКО для своего варианта;

3. текстовое описание выполняемых действий в процессе подготовки генератора и осциллографа к работе;

4. описание значений выбираемых настроек программы или установки элементов управления внешнего прибора;

5. осциллограммы всех сигналов задания с ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ указанием масштаба и единиц измерения по осям, а также нулевого уровня;

6. результаты измерений среднеквадратичного, среднего и максимального значений напряжений для каждого сигнала;

7. результаты расчета среднеквадратичных значений для каждого сигнала;

8. выводы по работе.

Указания к выполнению работы

Предварительно самостоятельно ознакомьтесь с инструкцией по работе со стендом и его программным обеспечением, используя материалы, полученные на вводном занятии.

Включите компьютер, а также лабораторный стенд, генератор и осциллограф с помощью соответствующих выключателей. Убедитесь, что лампочки «Сеть», «Генератор» и «Осциллограф» горят. После этого запустите программу PCLAB2000SE с настройками по умолчанию, появится окно подобное изображенному на рисунке 1.1. Если при запуске возникают ошибки, смените учетную запись на администраторскую.

Соедините выход генератора со входом первого канала осциллографа. Нажатием кнопки Function Generator откройте окно настройки сигнала (рисунок 1.2) и установите параметры согласно заданию. ВНИМАНИЕ! Если закрыть окно настроек сигнала, работа генератора прекращается. Другими словами, если сначала Вы зададите сигнал требуемой формы, а затем нажатием на X закроете окно, так как оно закрывает окно осциллографа и мешает работе, сигнал пропадёт. Просто переместите окно в свободную область экрана.

Рисунок 1.1 – Главного окно программы-осциллографа PCLab2000SE

Рисунок 1.2 – Окно настроек генератора

Вручную (то есть без использования функции AUTOSET) настройте осциллограф, чтобы получить устойчивое изображение сигнала на экране: режим измерения, масштабы по осям, триггер (рисунок 1.3). Для получения стабильного изображения все осциллографы содержат систему, называемую схемой синхронизации, в зарубежной литературе, не совсем корректно, часто называют триггером. Назначение схемы синхронизации — задерживать запуск развёртки до тех пор, пока не произойдёт некоторое событие. Система синхронизации имеет как минимум три важные настройки:

1. Уровень запуска (задается бегунком trigger): задаёт напряжение исследуемого сигнала, при достижении которого запускается развёртка.

2. Источник исследуемого сигнала: первый или второй канал, или внешний.

3. Тип запуска: по фронту или по спаду.

Правильная настройка этих органов управления обеспечивает запуск развёртки всегда в одном и том же месте сигнала, поэтому изображение сигнала на осциллограмме выглядит стабильным и неподвижным.

Сохраните, сфотографируйте или зарисуйте полученную осциллограмму, запишите масштабы, RMS (Root Mean Square, среднеквадратичное значение), измерьте амплитуду. Дополнительные параметры сигнала могут быть отображены с использованием пункта меню View→Waveform Parameters...

Для того, чтобы создать сигнал формы пилы и трапеции воспользуйтесь меню Tools→Wave Editor (рисунок 1.4). Для образца используйте кривые из встроенной библиотеки.

Среднеквадратичное значение напряжения (иногда также называемое действующим или эффективным) удобно для практических расчетов. На линейной активной нагрузке (например, лампа накаливания) оно совершает точно такую же работу, как и равное ему постоянное напряжение:

, (1.1)

где T – период напряжения.

Для расчета среднеквадратичного значения каждого сигнала u(t) постройте кривую , определите площадь под ней и разделите на период.

Рисунок 1.3 – Настройка триггера

Рисунок 1.4 – Задание периодического сигнала произвольной формы

Вопросы для защиты лабораторной работы

Для ответа на вопросы к этой и последующим лабораторным работам воспользуйтесь конспектом лекций.

1. Что такое измерение? Зачем необходимы измерения в промышленности? В науке?

2. Что такое электрический сигнал? Что такое датчик? Какие задачи решают датчики в промышленности?

3. Какие типы измерений Вы знаете?

4. Поясните термины «единица», «эталон». Какие системы единиц Вы знаете?

5. Что может являться эталоном физической величины? Приведите примеры.

6. Назовите причины использования датчиков.

7. Каково различие между контактным и бесконтактным устройством измерения?

Лабораторная работа №2

Знакомство с программированием микроконтроллеров

Цель работы

Цель работы – научиться составлять, компилировать и загружать в микроконтроллер простейшие программы на Arduino.

Программа работы

2.1 Подготовить аппаратное и программное обеспечение (установить драйверы) лабораторного стенда к работе.

2.2 Изучить краткие теоретические сведения.

2.3 Ввести, скомпилировать, загрузить в микроконтроллер и отладить программу мигающего светодиода, представленную в кратких теоретических сведениях.

2.4 Разработать программу согласно заданию и номера бригады.

2.5 Оформить и защитить отчет по лабораторной работе.

Поиск по сайту: