УДК 538.975

А.В. Сидоров

РАЗРАБОТКА АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ СХЕМЫ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКСИДА АЗОТА

В связи с поставленной задачей бы разработано устройство на основе итальянских наработок учёных, которое определяет степень заболевания бронхиальной астмой.

Для работы газоанализатора собственной разработки мы использовали литиевый аккумулятор емкостью 3000 мАч с платой контроля заряда, которая служит для стабильной работы и защиты аккумулятора от перегрева и глубокого разряда. Для подачи напряжения на плату повышающего напряжения, плату датчика и отладочную плату мы используем плату питания с индикатором заряда.

Также в газоанализаторе были использованы два датчика серии MQ. Первый датчик измеряет уровень паров спирта в воздухе, он нужен первоначально этапа разработки устройства, а так же отработки программного кода отладочной платы. Второй датчик используется для непосредственной работы устройства с углекислым газом.

Для работы отладочной платы Arduino Mega 2560 и измерительной части датчика необходимо напряжение 4,2 В, а на подогрев подложки датчиком необходимо подавать напряжение 7 В для его корректной работы. Вследствие чего мы используем плату повышающего преобразователя MP-7022 с сегментным индикатором для контроля напряжения и тока. На данной плате присутствует подстрочный резистор для корректировки выходного напряжения, что позволят выставить напряжения для более точного подогрева подложки датчика. Для вывода информации, полученной с датчика, мы используем OLED i2c дисплей 128×64 пикселя. На нем отображается информация о времени загрузки прибора и уровень паров спирта или углекислоты в ppm.

40

УДК 621.8

М.Н. Лубкин

РАЗРАБОТКА ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ СХЕМЫ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКСИДА АЗОТА

В данной работе газоанализатор оксида азота представляет собой компактное соединение отладочной платы Arduino, двух датчиков серии MQ (для углекислого газа и этилового спирта), цветного дисплея, аккумулятора с контроллером заряда и платой управления питания данной схемы.

Производились измерения углекислого газа датчиком MQсерии в двух удаленных друг от друга помещениях:

–1 помещение: Rs/Ro(СО2)=4,3 при 200ррm;

–2 помещение: Rs/Ro(СО2)=2,6 и примеси Rs/Ro(H2)=1,5, Rs/Ro(CH4)=0,8 при 200ррm.

Сопротивление также изменяется из-за подачи двух различных напряжений. Первое из них используется для подогрева подложки в течении 15 минут для повышения точности измерений. При изменении сопротивления второе напряжение подается на ЦАП, который преобразует сигнал с датчика на дисплей.

Показатели измерялись при относительной влажности в 65

%и температуре 20 ˚С. Из полученных результатов можно сделать вывод о постоянном и подчиняющемся спецификации на датчик

изменении Rs/Ro.

Для написания корректного программного кода и калибровки СО2 – датчика MQ – серии необходимо использовать C2H5 – датчик, потому что отсутствует возможность производить измерения в идеальной среде с идеальной концентрацией углекислого газа.

Временно за точную информацию принимались показания C2H5 – датчика, на основе показаний которого работает СО2 – датчик MQ – серии.

41

УДК 621.8

Д.А. Мохов, А.В. Сидоров

РАЗРАБОТКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛНИЯ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКИСИ АЗОТА

Для диагностики степени заболевания бронхиальной астмы у взрослых и детей, предлагается использовать газоанализатор окиси азота с микроконтроллерной схемой управления с применением платы Arduino Mega 2560. Было разработано программное обеспечение для газоанализатора окси азота и макет модели устройства для оценки концентрации компоненты газа, отвечающей за степень заболевания бронхиальной астмой больного. При реализации проекта использовались следующие компоненты: отладочная плата Arduino Mega, цветной дисплей разрешением 130×64; два датчика MQ – 5 Gas Sensor; литий – ионный аккумулятор с контроллером заряда и платой управления питания. MQ–датчики, выполняют функцию распознавания газовых составляющих CO2 и C2H5 на основе концентрации исследуемых газов.

Всистемном коде программного обеспечения была решена задача фильтрации информации и повышения уровня чувствительности параметров, получаемых с MQ–датчиков. Для увеличения точности визуализации выходных параметров разработанного газоанализатора в единицах PPM вывод информации осуществляется на экран OLED дисплея.

Входе работы были выявлены недостатки для мобильных применений с батарейным питанием, которые предполагается устранить в дальнейшем: длительный прогрев датчика, который составляет 15 минут, для получения точных измерений приводит к большому энергопотреблению отладочной платы; высокое напряжение питания 7.4 В; большие габариты; сложная структура кода и обработки взаимосвязей; сильные шумы.

42

УДК 621.382

Р.С. Гусев,

ПРОЕКТИРОВАНИЕ БЛОКА ПИТАНИЯ ДЛЯ МОДУЛЯ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ

Суперконденсатор – это тот же аккумулятор, но на порядок с лучшими свойствами. В первую очередь это относится к существенно более быстрому заряду и разряду. Суперконденсатор представляет элемент с двумя электродами, между ними располагается электролит. Электроды выполнены в виде пластины из определенного материала. Для улучшения электрических параметров суперконденсатора пластины могут дополнительно покрываться пористым материалом, к примеру, активированным углем. В качестве электролита может применяться неорганическое или органическое

вещество.

Целью данной работы является проектирование блока питания для модуля суперконденсаторов. Принцип построения наборных суперконденсаторов состоит в соединении в едином герметичном корпусе элементарных суперконденсаторов для достижения заданных значений рабочего напряжения, электрической емкости (запасенной энергии) и мощности.

Из достоинств можно выделить меньшую массу и размеры. Высокий КПД получается за счет снижения потерь, связанных с процессами перехода в электрических цепях. Меньшая цена в сравнении с линейными БП. Возможность использования одних и тех же БП в разных странах мира, где параметры электросети отличаются между собой. Наличие защиты от короткого замыкания. Недостатками импульсных БП является их невозможность работы на слишком высоких или слишком низких нагрузках. Не подходят для отдельных видов точных устройств, поскольку создают радиопомехи.

43

УДК 621.9

С.А. Акулинин, А.А. Дорофеев

УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОЦЕССОВ МОНТАЖА МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ ВЫСОКОЙ СЛОЖНОСТИ DATACON 2200 EVO PLUS

Установка Datacon 2200 evo plus, сконструированная специально для процессов монтажа микроэлектронных компонентов высокой сложности, таких как многокомпонентные модули (MCM) и CMOS-элементы, обеспечивает высочайшую производительность и возможность выполнения широкого диапазона смежных операций. Datacon 2200 evo plus является самым современным устройством, построенным на платформе 2200.

Первой стадией является монтаж кристаллов - установка их на подложки корпусов микросхем; в англоязычной терминологии эта стадия называется Attach Print. Подложки, на которые устанавливаются кристаллы, представляют собой многослойные печатные платы, объединенные в мультизаготовку. На верхнюю сторону подложки с использованием какого-либо типа адгезива устанавливаются кристаллы, на нижнюю - шариковые выводы корпусов типа BGA. Перед установкой кристаллов на посадочные места мультизаготовки наносится адгезив (клей). Нанесение выполняется дозатором, интегрированным в монтажный автомат, в соответствии с заданным рисунком - паттерном. Затем автомат, сверяясь с картой пластины, вакуумным захватом снимает с пленочного носителя годные кристаллы, помещает их на подложки и выдерживает заданное время, прижимая с заданным усилием. Для точного позиционирования кристаллов на подложках в составе автомата имеется оптическая система. После установки кристалла (кристаллов) на подложку необходимо выполнить операцию, называемую Attach Cure - обработку в сушильной печи, в процессе которой происходит полимеризация адгезива, а также удаление влаги из продукта. Температурный профиль подбирается индивидуально для каждого изделия, и верный его выбор критически важен, поскольку ошибка ведет к ряду неблагоприятных последствий, основными из которых являются деламинация и пустоты в склеивающем слое.

44

УДК 621.8

С.Ю. Яковлев

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ ГАЗОАНАЛИЗАТОРА ОКИСИ АЗОТА

Подразумевается, что газоанализатор работает за счет изменения сопротивления газочувствительной пленки при появлении газа. Так как у нас нет возможности провести эксперимент с газочувствительной пленкой, то в дальнейшем будем рассматривать вместо пленки переменный резистор (изменение сопротивления от 100 кОм до 10 кОм). Питание схемы осуществляется от 5 В.

При проектировании аналоговой части газоанализатора окиси азота следует учитывать: точность; быстродействие; стабильность; простоту. Исходя из этого, схема будет состоять из измерительного моста, измерительного усилителя, инвертора напряжения, фильтра, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), микроконтроллера и дисплея.

Схема работает следующим образом. Измерительный мост состоит из четырех резисторов, где два резистора имеют сопротивление 10 МОм, и два по 100 кОм (один из них переменный). Если мост сбалансирован, то в результате разности потенциалов получим ноль. Как только начнем изменять сопротивление переменного резистора, то появляется небольшая разница между потенциалами. Эта разница составляет буквально милливольты, поэтому дальше сигнал будем усиливать с помощью измерительного усилителя. Сам усилитель состоит из трех операционных усилителей (ОУ) и семи резисторов. Для ОУ характерно двухполярное питание, в результате чего в схеме используется инвертор напряжения. После того как сигнал усилился, он фильтруется от шумовых помех и поступает в АЦП. Благодаря этому сигнал переводится из аналогового в цифровой и отправляется в микроконтроллер. Там он обрабатывается, и информация передается на дисплей.

45

УДК 62.543

Н.В. Авцинов СИСТЕМА СМЕШИВАНИЯ ЭТАЛОННЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ

Всовременном мире приобрести некоторые готовые газовые смеси не составляет труда, но применение сложносоставных газовых смесителей по-прежнему актуально. Приготовление смесей в производстве экономически выгоднее, чем закупка смесей в баллонах. Подобранные смеси позволяют оказывать влияние на технологический процесс за счет изменения состава. Поэтому предприятия предпочитают иметь свои собственные системы смешивания газовых смесей.

Вданной работе будет рассмотрена классическая пневматическая схема системы приготовления газовых смесей, состоящей из электропневмоклапанов и вентилей, предназначенных для открытия

иперекрытия линий, а также манометров.

Схема системы смешивания газовых смесей:

МН1 – МН5 – манометры; ЭК1, ЭК2 – электропневмоклапаны; ВН1-ВН3 – вентили; КО1 – КО2 – клапаны обратные

Принцип смешивания газовых смесей с нужной концентрации состоит в поэтапной подаче газов-компонентов в емкость. Таким образом, используя классическую схему подачи, можно изготовить систему смешивания газовых смесей любой сложности в зависимости от поставленной задачи и необходимой точности оборудования.

46

УДК 621.382.001

Д. И. Черепенников

СИСТЕМА ЦИРКУЛЯЦИИ ГАЗА В ПРИБОРЕ NoBreath

Прибор NoBreath относится к микро-флюидным устройствам. Это значит, что прибор не может нормально функционировать без микро-насосов, микро-клапанов и прочих микро-устройств. Циркуляция газа в системе напрямую зависит от того, какой используется микро-насос. В оригинальном приборе используется

Schwarzer Precision SP 270 EC-HR. В макете используется микро-

насос YIMAKER DC3-6V DIY, этот насос в разы дешевле и схож с параметрами оригинального насоса, а самое главное, что его размеры очень подходят для создания компактного устройства, его размер 32×26×16 мм. Также этот микро-насос требует напряжение 3 – 6 В, что позволяет нам использовать обычные батарейке.

Трубка, в которой будет циркулировать газ, имеет диаметр, равный 4 мм, насос для создания макета расходует 0.5 л/мин, это идеально подходит для циркуляции газа в системе.

В системе присутствуют два контура циркуляции. Первый контур осуществляет измерение отношения азота, выдыхаемого человеком, второй контр калибрует прибор. Калибровка происходит при прогонке воздуха из окружающей среды. Для того чтобы переключаться между контурами в макетном устройстве, были взяты соленоидные микро-клапаны размерами с обычную монету. Используются двухпозиционные и трехпозиционные клапаны. Двухпозиционные используются для перекрытия входного и выходного воздуха, вдыхаемого человеком. Трехпозиционные для переключения систем циркуляций, то есть, эти клапаны переключаются между калибровочной системой и рабочей системой. Они требуют 3 – 5 В.

47

УДК 620.3

Л.С. Сальников, С.А. Акулинин

ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОРПУСА ПРИБОРА ДЛЯ АНАЛИЗА СОДЕРЖАНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ

ВСОСТАВЕ ВОЗДУХА

Внашем мире, за последние годы, увеличилось не только количество, но и назначение датчиков : большое число измеряемых физических величин или параметров исследуемого объекта (температура, тепловые потоки, давление, расходы, скорости и т.д.); разнообразие физических зависимостей, используемых для измерительных преобразователей (терморезистивный, термоэлектрический, фотоэлектрический, пьезоэлектрический и другие эффекты)

ит.д.

Сигнал с датчиков попадает на устройства обработки информации, после которых приобретает удобную для оператора или исследователя форму, по которой можно судить о том или ином параметре исследуемого объекта.

От характеристик устройств обработки информации зависят основные свойства измеряемого канала: точность, быстродействие, устойчивость к внешним воздействиям.

При разработке конструкции приборов применяются различные конструктивные решения по защите прибора от внешних воздействий в зависимости от условий труда, и применяемости самого датчика: на производстве или быту.

Внедрение микроэлектроники в разработку датчиков ведет к расширению функциональных возможностей аппаратуры, резкому повышению надежности, уменьшению габаритных размеров, массы, потребляемой мощности и в ряде случаев – к снижению стоимости.

При миниатюризации датчика, основной задачей, остается возможность использования современных методов создания герметичных и вакуумплотных неразъемных соединений между металлическими и неметаллическими деталями.

48

УДК 621.3

К.А. Минаков

РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ И ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ГАЗОАНАЛИЗАТОРЕ

Для разработки системы обработки и отображения информации в газоанализаторе необходимы составные части (готовые модули), которые бы отвечали за ряд функций прибора.

Одним из важных модулей системы является графический дисплей, с его помощью будет реализован вывод информации прибора для анализа отображаемых результатов измерения концентрации окиси азота в выдыхаемом воздухе. Для реализации системы подойдёт любой графический дисплей, который отвечал бы заданным требованиям, а именно: иметь не большие габаритные размеры (готовый прибор должен иметь минимальные габариты), вмещать в полном объеме выводимую информацию газоанализатора, иметь низкое энергопотребление (для достаточной автономной работы газоанализатора от собственной аккумуляторной батареи). Немаловажным требованием является приемлемая цена, которая ляжет в итоговую стоимость прибора. LCD Keypad Shield 1602 на основе микроконтроллера HD44780 соответствует всем вышеперечисленным требованиям.

Ещё одним важным модулем системы является микроконтроллер. Платформа Arduino Leonardo имеет достаточное количество цифровых входов/выводов, которые позволяют наладить связь между чувствительным датчиком системы, микроконтроллером управления и дисплеем, а так же упростить в целом создание системы путём написания программного кода на основе встроенных библиотек платформы. Arduino Leonardo реализована на базе микроконтроллера ATmega32u4, который и позволит наладить выше описанную связь в системе обработки и отображения информации.

Немаловажным модулем систем является АЦП, который отвечает за преобразование значений сопротивления датчика при воздействии на него окиси азота в выдыхаемом воздухе. АЦП системы заимствован у датчика MQ-3 платформы Arduino.

49