ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ГЕЛИОУСТАНОВКИ
С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА

УДК 621.317

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ КОМПЬЮТЕРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ГЕЛИОУСТАНОВКИ

С ДВИГАТЕЛЕМ СТИРЛИНГА

к.т.н., доцент Исмаилов С.У., магистр Сатыбалдиева Ф.А., магистрант Болосбеков А.А.,

магистрантка Шеримбетова Э.Б., студентка Исмаилова М.С.

ЮКГУ им. М.Ауезова, Шымкент, Казахстан

Резюме

Работа посвящена использованию инструментальных средств и программного обеспечения для разработки компьютерных измерительных приборов.

Summary

Operation is devoted use of instrumental resorts and the software for working out of computer measuring apparatuses.

Для выполнения исследования работы гелиоустановки с двигателем Стирлинга необходимо нам приобрести ряд измерительных приборов для измерения и контроля следующих параметров:

- напряжение и ток на выходе электрогенератора и нагрузки [В], [А];

- температура в горячей и холодной зоне двигателя Стирлинга [°С];

- разность температуры [°С];

- давления газа в горячей и холодной зоне двигателя [Па];

- разность давления [Па];

- количество оборотов выходного вала (передаточного колеса) двигателя [об/мин];

- крутящий момент на выходном вале (передаточного колеса) Стирлинга [Н·м]

- координатное положение параболического зеркала [х, у, z];

- координатное положение двух аккуаторов [х, у];

- оценка степени освещённости (солнечной радиации) горячей зоны двигателя Стирлинга [кВтч/м²];

- электрические параметры фотодатчика (от одного до четырёх датчиков) и время;

Измерение перечисленных параметров должно проводиться непрерывно в режиме реального времени, причём с определённой дискретизацией по времени данные с приборов должны непрерывно записываться на электронные носители. Затем полученные данные также в режиме реального времени обрабатываться математическим аппаратом.

Стоимость измерительных приборов для измерения выше перечисленных параметров и устройств сбора информации, а так же учитывая затраты на конструирования самой экспериментальной установки, для нас является весьма дорогостоящим мероприятием для решения поставленной перед нами задачи. Выходом из этого положения на наш взгляд видится в разработке компьютерных измерительных приборов. Ниже мы рассмотрим инструментальные средства и программное обеспечение для разработки компьютерных приборов (виртуальных приборов).

Среди всего многообразия путей построения измерительных систем можно выделить несколько основных направлений, каждое из которых характеризуется своим набором основополагающих принципов.

Два наиболее значимых направления в проектировании недорогих систем можно охарактеризовать следующим образом:

1. Построение узкоспециализированных микропроцессорных измерительных систем (рисунок 1, А). Используется один или несколько микропроцессоров, непосредственно входящих в состав исследовательской аппаратуры, для задания условий измерений, изменения основных параметров воздействий на исследуемый объект, получения и обработки результатов. В состав системы может не входить персональная ЭВМ, но в некоторых случаях обработка данных требует её использования. Изменение программы является достаточно сложной задачей, однако точность измерений и возможность исследования высокоскоростных процессов до некоторой степени компенсируют этот недостаток.

Рисунок 1 Принципы построения измерительных систем с применением персонального компьютера: А) система на микроконтроллерах; Б) система с использованием плат сбора данных и управления (или устройств ввода/вывода)

2. Построение универсальных систем управления экспериментом, ядром которых является персональный компьютер (ПК), осуществляющий взаимодействие с объектом исследований с помощью платы сбора данных и управления и согласующей аппаратуры (рисунок 1, Б). В состав согласующей аппаратуры также может входить микропроцессор (или микроконтроллер), но управление процессом измерения полностью возлагается на ПК. Получение и обработка данных производятся непосредственно в процессе измерения. Изменение программы измерений занимает гораздо меньше времени, чем первом случае, и, в зависимости от используемого языка программирования, может и не требовать специальных знаний по системному программированию. Точность данных и граничные характеристики процессов, доступных для измерений, в значительной степени зависят от характеристик плат сбора данных.

Выбор конкретных принципов построения систем измерения напрямую зависит как от характеристик объекта измерения, так и от возможностей доступной измерительной аппаратуры. В нашем случае мы должны достичь минимальных затрат на разработку измерительных приборов, но при этом достичь качество измерения достаточное для выполнения необходимых экспериментов.

Рассмотрим более подробно принципы построения измерительных систем с использованием различных устройств сбора данных и управления.

Основные элементы компьютерного измерительного прибора, смотрите рисунок 2:

- датчик (первичный преобразователь);

- нормирующий (входной) усилитель (нормализующее устройство);

- аналого-цифровой преобразователь (устройство ввода/вывода);

- управляющая программа на компьютере (программное обеспечение).

Рисунок 2 Структура компьютерного измерительного устройства (пунктиром обозначены устройства, которые могут отсутствовать)

Нами выбран состав компьютерной измерительной системы (КИС), которая показана на рисунке 2. Датчики и нормирующие устройства в разрабатываемом КИС будут использованы промышленного изготовления. Внешнее устройство ввода – вывода мы планируем построить на базе микроконтроллера PIC16F887. Этот микроконтроллер недорогой имеет достаточное количество аналоговых и дискретных портов ввода – вывода и по техническим характеристикам вполне удовлетворяет требованиям качества измерения создаваемой КИС.

Чтобы микроконтроллер работал в качестве внешнего устройства ввода – вывода нужно собрать специальную электронную схему и самое главное написать программу для микроконтроллера PIC16F887. Программу для микроконтроллера мы будем разрабатывать с помощью отладочной платы EasyPIC6 компании MikroElektronika и языка программирования mikroBasic PRO for PIC v5.01, смотрите рисунок 3. На экране ноутбука отображено главное окно mikroBasic PRO for PIC v5.01 по правую сторону ноутбука (смотрите рисунок 3) показан внешний вид отладочной платы EasyPIC6. С помощью отладочной платы производится испытание собранной пользователем электронной схемы, отладка разработанной программы в режиме реального времени и прошивка микроконтроллера программой.

А) Б) С)

Рисунок 3 Отладочная плата EasyPIC6 подключённая к ноутбуку: А) Комплекс для разработки и испытание электронных схем с МК, написание и отладка программы для МК, прошивка программы в микроконтроллер; Б) Функционирование запрограммированного МК в отладочной плате (в данном случае МК проводит измерение температуры с помощью датчика DS18В20); С) Открытые окна языка программирование mikroBasic PRO for PIC v5.01

Листинг программы написанная с помощью mikroBasic PRO for PIC v5.01 выглядит следующим образом, смотрите ниже.

Пример программы для измерения температуры микроконтроллером PIC16F887, датчик температуры DS18В20. Значение контролируемой температуры отображается на ЖК 16х2.

program OneWire

dim LCD_RS as sbit at RB4_bit

LCD_EN as sbit at RB5_bit

LCD_D4 as sbit at RB0_bit

LCD_D5 as sbit at RB1_bit

LCD_D6 as sbit at RB2_bit

LCD_D7 as sbit at RB3_bit

LCD_RS_Direction as sbit at TRISB4_bit

LCD_EN_Direction as sbit at TRISB5_bit

LCD_D4_Direction as sbit at TRISB0_bit

LCD_D5_Direction as sbit at TRISB1_bit

LCD_D6_Direction as sbit at TRISB2_bit

LCD_D7_Direction as sbit at TRISB3_bit

const TEMP_RESOLUTION as byte = 9

dim text as char[9]

temp as word

sub procedure Display_Temperature( dim temp2write as word )

const RES_SHIFT = TEMP_RESOLUTION - 8

dim temp_whole as byte

temp_fraction as word

text = "000.0000"

if (temp2write and 0x8000) then

text[0] = "-"

temp2write = not temp2write + 1

end if

temp_whole = word(temp2write >> RES_SHIFT)

if ( temp_whole div 100 ) then

text[0] = temp_whole div 100 + 48

else

text[0] = "0"

end if

text[1] = (temp_whole div 10)mod 10 + 48

text[2] = temp_whole mod 10 + 48

temp_fraction = word(temp2write << (4-RES_SHIFT))

temp_fraction = temp_fraction and 0x000F

temp_fraction = temp_fraction * 625

text[4] = word(temp_fraction div 1000) + 48

text[5] = word((temp_fraction div 100)mod 10 + 48)

text[6] = word((temp_fraction div 10)mod 10 + 48)

text[7] = word(temp_fraction mod 10) + 48

Lcd_Out(2, 5, text)

end sub

main:

ANSEL = 0

ANSELH = 0

text = "000.0000"

Lcd_Init()

Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR)

Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF)

Lcd_Out(1, 1, " T=(-55...+125)C ")

Lcd_Chr(2,13,178)

Lcd_Chr(2,14,"C")

while (TRUE)

Ow_Reset(PORTE, 2)

Ow_Write(PORTE, 2, 0xCC)

Ow_Write(PORTE, 2, 0x44)

Delay_us(120)

Ow_Reset(PORTE, 2)

Ow_Write(PORTE, 2, 0xCC)

Ow_Write(PORTE, 2, 0xBE)

temp = Ow_Read(PORTE, 2)

temp = (Ow_Read(PORTE, 2) << 8) + temp

Display_Temperature(temp)

Delay_ms(520)

wend

end.

Отладочная плата сконструирована таким образом, что всегда есть возможность подключения к любому порту микроконтроллера различных устройств (датчики, электронные элементы и устройства). Связь микроконтроллера с ПЭВМ осуществляется через COM порт RS 232, смотрите рисунок 4.

Рисунок 4 Сборка на отладочной плате принципиальной схемы интерфейса RS 232

Отладочная плата может комплектоваться аксессуарами и различными электронными устройствами, смотрите рисунок 5. С помощью этих дополнительных устройств разработанных компанией MikroElektronika и разработанных электронных устройств пользователем можно конструировать и испытывать от простейших до сложных КИС.

Рисунок 5 Набор датчиков электронных устройств и аксессуаров для отладочной платы

Сбор данных, обработка и визуализация процесса измерения выше перечисленных параметров работы экспериментальной установки на ПЭВМ будет осуществляться с помощью программного обеспечения компании National Instruments LabVIEW v2010.

Компания National Instruments является разработчиком и лидером технологии виртуальных приборов – революционной концепции, изменившей подходы и методику проведения измерений и разработки систем автоматизации. Максимально используя возможности компьютеров и современных информационных технологий, виртуальные приборы позволили повысить производительность и снизить стоимость решений за счет применения гибкого и простого в освоении программного обеспечения, такого как среда графического программирования LabVIEW, а также модульного оборудования, такого как, например, модули стандарта PXI, предназначенного для сбора данных и управления приборами.

Заказчиками компании являются инженеры, ученые и технические специалисты, работающие в самом широком спектре отраслей и технологий.

Таким образом, в этой работе мы рассмотрели и показали инструментальные средства и программные обеспечения. Данное оборудование будет использовано для исследования экспериментальной установки с целью разработки системы автоматизации гелиостатных установок с двигателями Стирлинга.