Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Молодежная весна 2022

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
27.08.2022
Размер:
24.75 Mб
Скачать

Проектирование устройства старт/финиш на основе оптоэлектронных пар (изготовление макета устройства)

Д. С. Федосеев

студент гр. ТКБ-20, энергетический факультет ЗабГУ, г. Чита

В настоящее время широкое распространение при изготовлении приборов получили оптоэлектронные компоненты, такие, как:светоизлучающийдиод,светодиодныйэкран,лазерныйдиод, фотоприёмное устройство различного исполнения, оптоэлектронная пара и другие. В связи с этим возникает необходимость в контроле работоспособности данных элементов, в частности, определение показателей, присущих непосредственно рассматриваемому компоненту. Для того, чтобы производить контроль показателей оптоэлектронных элементов существуют тестиру­ ющие устройства.

Проектирование устройства старт/финиш. Разработка принципиальной схемы устройства

Устройство старт/финиш будет изготовлено из микроконтроллера ATMEGA328, Oled экран, который будет служить для вывода данных о пробежавшем, светодиод отвечающий за готовность устройства к работе.

При разработке схемы не учитывалась обвязка микроконтроллера и сложных компонентов, так как они изготовлены на заводах и их компоненты меняются по мере обновления модулей, таковыми является Oled-дисплей, модуль зарядки батареи

TP4056.

Вторая часть устройства представляет из себя простейший лазер с зарядкой. Решением делать отдельное устройство стала возможность размещать устройства на разном расстоянии между друг другом и не прокладывать провод под ногами бегунов, об который можно запнуться.

Такимобразом,обеспечиваетсяработаустройства,дляизмерения показателей спортсменов.

Принцип работы устройства

Принцип работы основан на следующем. Самый главный отвечающий за работу всего оборудования является микроконтроллер. Микроконтроллер ATMEGA328 используют в любых

51

электронных устройствах для осуществления контроля. Кроме того, они находятся во всех бытовых приборах – микроволновках, электрочайниках, утюгах, стиральных машинах – микроконтроллер можно запрограммировать под любую функцию. Несмотря на сложное устройство принцип работы микроконтроллера очень прост. Он основан на аналоговом принципе действия. Система понимает лишь две команды («есть сигнал», «нет сигнала»). Из этих сигналов в его память вписывается код определенной команды. Когда микроконтроллер считывает команду, он ее выполняет.

В каждом из микроконтроллер прописаны свои базовые наборы команд и только их он способен принимать и выполнять. Сочетая отдельные команды между собой, можно написать уникальную программу, по которой будет работать любое электронное устройство именно так, как требуется.

Основнуюработуустройствабудетвыполнятьсвет,испускаемый столбиком под номером 2, и фоторезистор из столбика под номером 1. Принцип работы схемы элементарен, при прохожденииобъектавлучелазера,самобъектбудетзакрыватьдоступфотонам к фоторезистору, то есть, таким образом перекрывать оптопару. Затем микроконтроллер будет считывать с фоторезистора сопротивление и запоминать время. При нехитрых вычислениях мы можем получить время, за которое пробежал человек трассу и выводить данные на oled-дисплей.

Проектирования корпуса в программеAutoCAD 2005

Проектирование корпуса нужно для того, чтобы упаковать все радиодетали в корпус. Для проектирования корпуса воспользуемся программой AutoCAD 2005. В ходе проектирования корпуса для устройства AutoCAD 2005 мы получили 2 корпуса устройств.

Проектирования печатной платы в программе FritZing

Печатные платы широко применяются в различных радиоэлектронных устройствах и электротехники. Также они отлично подходят для соединения микроконтроллеров и датчиков. Процесс конструирования этих плат базируется на автоматизированном программном обеспечении и прокладки проводников (или разводка).

В ходе осмотра свежих программ для создания печатной платы была найдена программа FritZing. Из себя она представля-

52

ет аппаратную инициативу с открытым исходным кодом, которая позволяет в удобном и не слишком сложном формате собрать не только на макетной плате в режиме реального времени устройство, но также составить принципиальную схему устройства, сделать и заказать печатную плату, но и написать собственный код для устройства, а затем передать другому проектировщику всего одним файлом. При нехватке компонентов в программе, можно выйти в сеть и посмотреть заготовленные микросхемы от других проектировщиков, а если по итогу не было найдена нужная микросхема или компонент, можно самостоятельно не тратя много времени с помощью функций программ добавить свой радио-элемент.

Удобный и интуитивно понятный интерфейс программы позволил закончить поиск и создание макетной платы в удобно быстрые сроки. Данные платы возможно заказать в самой программе за определенную сумму, но так как устройство будет иметь характер макета для проведения испытания можно обойтись макетной платой.

Выбор элементной базы

Для проведения тестирования устройства была сконструирована своя оптоэлектронная пара:

1. CJMCU-TEMT6000 – аналоговый датчик освещенности с аналоговым входом, поэтому он совместим с любым микроконтроллером, способным принимать аналоговые сигналы. Представляет собой биполярный фототранзистор, который работает точнее фоторезисторов, в спектре для видимости света человеческим глазом. TEMT6000 используется в качестве датчика внешней освещенности для управления подсветкой в мобильных телефонах, ноутбуках, фотоаппаратах и других потребительских устройствах. Это устройство чувствительно ко всему световому диапазону видимого света. Если уровень света очень низок, то уровень напряжения на выходе SIG будет также очень мал. При увеличении освещенности на выходе также будет увеличиваться напряжение. Для подключения датчика требуется всего три провода: питание, земля и сигнальный провод.

2. Микроконтроллер ATMega328 является 8-разрядным CMOS микроконтроллером с низким энергопотреблением, основанным на усовершенствованной AVR RISC архитектуре.

53

ATmega328/P – микроконтроллер семейства AVR, как и все остальные имеет 8-битный процессор и позволяет выполнять большинство команд за один такт.

3. SSD1306 – это однокристальный CMOS драйвер матричных индикаторов OLED/PLED, совмещенный с графическим контроллером. Он обрабатывает матрицу из 128 сегментов и 64 общих сигналов. Эта микросхема разработана для OLED-панелей с общим катодом. На основе SSD1306 наибольшее распространение получили монохромные индикаторы 96x16, 128x32 и 128x64 точек. Такие индикаторы можно купить на AliExpress и Ebay в виде готовогомодуля,снабженногоинтерфейсом I2C или SPI.SSD1306 имеет встроенное управление контрастностью, ОЗУ экрана и генератор. Все это уменьшает количество необходимых внешних компонентов и общее энергопотребление. Управление яркостью имеет 256 градаций. Данные и команды отправляются от MCU через аппаратно выбираемый интерфейс. Это может быть параллельный интерфейс, совместимый 6800/8080 MCU, I2C или SPI. Контроллер SSD1306 подходит для многих приложений портативных устройств, такие как дополнительный индикатор для телефона, MP3 плеер, калькулятор и т. п.

4. Стабилизатор AMS1117-3.3 – Серия микросхем AMS1117 это линейные стабилизаторы с малым падением напряжения питающуюся от USB и имеющую потребители на 3.3V.

5. Li-pol аккумулятор номиналом 3.7 V током 370mA, чтобы запитать каждое устройство и работало на длительное время.

6. S05 – лазер для легкого выставления по аналоговому датчику.

Разработка конструкции устройства

При создания макета устройства не будет создан корпус, но будетсобраннебольшойстенддляподтвержденияработоспособности кода и проверки его на ошибки и недоработки. В дальнейшем если понадобиться изготовить корпус, то для этого придется воспользоваться заготовленным корпусом из AutoCAD, а также доработать соединения и заменить систему проводов на печатные платы.

Разработка программного кода для микроконтроллера

При разработки программного кода для оптоэлектронного влагомера будем использовать язык программирования С++ в программе Arduino IDE. Программа Arduino IDE – обеспечивает

54

для пользователей, позволяющее писать свои программы (скетчи) для различных платформ. Эта платформа в первую очередь ориентируетсянаконструкторов-любителей,которыеприменяют Arduinoдляпостроенияпростыхсистемавтоматикииробототехники. Программное обеспечение очень удобное в написании различных программ, еще одна особенность в том, что программа бесплатная для пользователей. В программном обеспечении есть инструменты, которыми можно управлять и проверять код. При написании кода используем библиотеку жк-дисплея и датчика и кодовых функций.

Теперь разберем исходный код подробнее:

#include<Библиотека.h> – указывают для компилятора на необходимость подключить заголовочный файл стандартной библиотеки ввода/вывода;

#defineимямакросапоследовательностьсимволов–опре-

деляет идентификатор и последовательность символов, которой будет замещаться данный идентификатор при его обнаружении в тексте программы;

voidsetup(){} – используется для инициализации переменных, определения режимов работы выводов, запуска используемых библиотек и т. д;

voidloop() {} – который будет повторять переход до тех пор, пока на плату подано питание;

delay(число)–времязадержкипрограммыназаданноеко- личество миллисекунд.

Выбор электрического монтажа и его конструктивных элементов

Устройство разрабатывалось на основе печатного монтажа, который применяется для соединения между собой элементов, входящих в функционально законченный узел – печатную плату. Но, из-за того, что это только макет устройства, печатная плата заменена на систему проводов. Электрическое соединение было осуществлено с помощью простого подключения отдельных элементов к микроконтроллеру и пайки компонентов для второй части устройства. В качестве материала припоя был использован припой с каналом канифольного флюса. Дополнительно в качестве материала флюса была применена сосновая канифоль марки ASolins. Для того, чтобы пайка компонентов прошла удачно следует соблюдать температурный режим компонентов, а также

55

припоя.Внашемслучаенужнойтемпературойоказалось190градусов, ее было достаточно для плавления припоя и наименьшего воздействия на провода и компоненты.

Конструкторские решения, обеспечивающие удобства ремонта и обслуживания устройства

В ходе проектирования конструкции были предусмотрены в корпусе отверстия для плат, кнопок, экрана, а также подзарядки, которая должна осуществляться в обеих устройствах посредством USB.

При возникновения различных проблем с радиоэлектронных оборудований можно с легкостью вытащить оборудование и корпуса и произвести ремонта, имеется возможность замены элементов, таких, как: подстроечные резисторы, микроконтроллера. Замена осуществляется аналогичными компонентами в случае неисправности перепайкой. В случае обрыва проводов, ведущих к батарейным отсекам, в местах спайки с контактными площадками необходимо зачистить имеющиеся провода и спаять их снова в месте контакта. Поэтому имеется дополнительный запас длины проводов. В случае нехватки длины проводов заменить батарейные отсеки.Всекомпонентылегконаходимыидоступнывближайших радиоэлектронных магазинах или доступны в интернете на заказ.

Обеспечение требований стандартизации, унификации и технологичности устройства

Стандартизация направлена на достижение оптимальной степени упорядочения в определённой области посредством установления положений для всеобщего и многократного применения в отношении реально существующих или потенциальных задач. Стандартизация и унификация обеспечиваются для данного устройства наличием максимального количества унифицированных серийно выпускаемых компонентов, таких как стабилизаторыAMS1117, а также возможностью применения различных оптоэлектронных оборудований для установки в соответству­ ющие панели. Таким образом, в электрической схеме устройства отсутствуют элементы несерийного производства. Единственной изготавливаемой деталью является печатная плата, необходимая для обоих устройств, но может быть изготовлена на одной плате и разделена в дальнейшем, а также они имеют одинаковый размер, который может быть использован при массовой заготовке. Принципиальная схема устройства была разработана в соответствии с ЕСКД ГОСТ 2.702-75.

56

Понятиеобеспечениятехнологичностиконструкцииустройства охватывает подготовку производства, предусматривающего взаимосвязанное решение конструкторских и технологических задач, направленных на повышение производительности труда, достижение оптимальных трудовых и материальных затрат и сокращение времени на производство, техническое обслуживание и ремонт изделия.

Технологичность печатной платы обеспечивается двусторонностью. Как следствие, такой тип печатных плат является наиболее дешёвым и простым в производстве. При этом используется максимально возможное количество элементов печатного монтажа при сведении к минимуму количества отверстий. Из этого следует, что ресурсные и энергетические затраты также минимальны при производстве.

Проведение испытаний устройства

Занятия спортом в свободном проявлении не имеют выраженных стандартов, но существуют нормативы, для которых данноеустройствоможетподойти.Кпримеру,насоревнованиях олимпиад, где точность пробега важна до долей секунд. Данное устройство выгодно ставить только на круговых треках, потому оно имеет в названии слово старт и финиш. То есть оно должно фиксировать начало и конец забега, а также дополнительные круги. Измерение происходит после выставления устройств и включении. Затем необходимо направить лазер дополнительного устройства на фоторезистор основного устройства, Когда устройство будет выставлено правильно на первом устройстве наэкранепоявитсянадпись«Ready…»затемнеобходимонажать 2 кнопку и начинать забег. Устройство начнет отсчет времени после пробега первым человеком лазера устройства, затем не будет фиксировать других бегущих в течении 4 секунд. После каждого раза когда лазер будет пересекаться бегущим в дальнейшем будет производиться отсчет времени и запоминаться значение бегущих. После конца пробега для получения доступа к данным необходимо зажать 1 и 2 кнопку одновременно и на экране покажется 1 значение, с помощью кнопок можно листать вперед и назад по значениям и снимать показания. Чтобы устройство начало работать заново необходимо нажать кнопку

Reset.

57

Входевыполненияработыбылоспроектированоустройство старт/финиш и проведены испытания. Были выполнены следующие практические задачи:

– спроектирована оригинальная принципиальная схема устройства;

– разработана конструкция устройства. Основным преимуществом является простота изготовления и использования;

– произведено испытание в ходе которого были исправлены недочеты и устранены недостатки. Таким образом, с помощью разработанного макета существует возможность изготовить полноценное устройство, в основу которого пойдут только правильные наработки.

Конструкция данного устройства является оригинальной разработкой. Выбранная элементная база, использованная при разработке устройства старт/финиш, доступна и недорога, а устройство изготавливается достаточно просто, так как выбранная элементная база сведена к минимуму. Следовательно, данное устройство может производится при минимальных ресурсных и энергетических затратах.

Список литературы

1.Гребнев А. К. Оптоэлектронные элементы и устройства / А. К. Гребнев, В. Н. Гридин, В. П. Дмитриев / под ред. Ю. В. Гуляева. М.: Радио и связь, 1998. 336 с.

2.Электронные, квантовые приборы и микроэлектроника: учеб. пособиедлявузов/Ю. Л. Бобровникова,С. А. Корнилов,И. А. Кратиков

идр. / под ред. Н. Д. Федорова. М.: Радио и связь, 2002. 560 с.

3.Обработка результатов физического эксперимента: метод. указания / разраб. А. П. Дружинин, С. Ю. Бурилова. Чита: ЧитПИ, 1993. 32 с.

4.Трофимова Т. И. Курс физики: учеб. пособие. 18-е изд., стер. М.:

Академия, 2010. 557 с.

5.Матвеева Н. Н. Графические дисциплины: учеб. пособие. Чита:

ЗабГУ, 2016. 189 с.

6.Виблый С. Г. Теория электрических цепей: учеб. пособие / С. Г. Виблый, И. В. Свешников, Ю. А. Цыпылов. Чита: ЧитГУ, 2009. 227 с.

Научный руководитель С. Г. Виблый, старший преподаватель кафедры физики и техники связи, Забайкальский государственный университет.

58

Расширение доступа лиц с ограниченными возможностями к ИКТ

Е. А. Уфимцева

студент гр. ПИ-21, энергетический факультет ЗабГУ, г. Чита

Люди и сами не замечают, насколько быстро растут их потребности, как стремительно общество становится информаци- онно-зависимым. Ежедневно пользуясь информационными ресурсамиитехнологиями,ониинезадумываютсяотом,какэтими же инновациями пользуются люди с ограниченными возможностями здоровья.

Согласно статистике 2021 года, более одного миллиарда человек, или 15 % населения мира, имеют ту или иную форму инвалидности. Поскольку люди с различными видами ОВЗ, такими как нарушение слуха, зрения, речи, опорно-двигательного аппарата, и др., достаточно часто сталкиваются с неудобствами в повседневной жизни, адаптация лиц с инвалидностью является важным направлением государственной политики. Благодаря развитию данного направления создаётся большое количество технологий, способствующих инклюзии и комфортному существованию людей, имеющих какие-либо нарушения здоровья.

Вот лишь несколько типов специальных возможностей, которые, возможно, уже есть на устройствах пользователей:

слепым и слабовидящим пользователям особенности настроек компьютера, такие как преобразование текста в речь, позволяют слышать то, что происходит на экране, а высококонтрастные темы и увеличенные курсоры, облегчают его просмотр;

для глухих и слабослышащих пользователей компьютеров скрытые субтитры помогают передать звуковую информацию в визуальной форме. Моно-аудиосистемы передают правый и левый аудиосигналы через вкладыши и наушники, поэтому пользователи с ограниченным слухом на одно ухо не пропустят часть того, что они слушают;

сочетания клавиш удобны для многих людей, они особенно полезны для тех, кому физически трудно манипулировать мышью, т. е. для пользователей компьютеров с ограниченной подвижностью. Для тех, кому трудно нажимать несколько клавиш одновременно, залипание клавиш позволяет нажимать их по одной, чтобы активировать ярлык.

59

Существует достаточно много интересных инновационных технологий, предназначенных для лиц с ОВЗ, однако наиболее подробно хотелось бы рассказать о технологиях Eye tracking и

Assistive Touch для Apple Watch.

Eyetrackingилиуправлениевзглядом–технологиядляопре- деления положения взгляда человека относительно монитора компьютера. Данная технология также применяется для управления компьютером с помощью взгляда, вместо использования традиционной клавиатуры или мыши.

Eye tracking –жизнеспособноерешение,помогающеелюдям с физическими и умственными отклонениями жить более насыщенной и независимой жизнью. Идея управления взглядом является довольно простым процессом:

айтрекер излучает свет ближнего инфракрасного излу­

чения;

свет отражается в глазах;

эти отражения улавливаются камерой айтрекера;

путем фильтрации и расчетов устройство определяет положение взгляда.

Для наиболее точной работы устройства ему необходимо тщательно исследовать глаза пользователя, чтобы провести калибровку. Айтрекер анализирует отблеск света от глаз пользователя. Калибрование проводится в процессе следования взглядом за точкой, видео или другим графическим элементом, который передвигается по монитору. Полученные данные объединяются с уникальной3Dмодельючеловеческогоглаза,ивместеонисоздают оптимальный образ eye tracking.

Apple представила новую революционную функцию специ-

альных возможностей для Apple Watch. AssistiveTouch для watchOS позволяет пользователям с разницей в верхней части тела пользоваться преимуществами Apple Watch, даже не прикасаясь к дисплею или элементам управления. Используя встроенные датчики движения, такие как гироскоп и акселерометр, наряду с оптическим датчиком сердечного ритма и машинным обучением на устройстве, Apple Watch могут обнаруживать тонкие различия в движении мышц и активности сухожилий, что позволяет пользователям перемещать курсор по дисплею через серию жестов рук, таких как щипок или сжатие.AssistiveTouch наApple Watch позволяет пользователям с разницей в конечностях легче

60