Разработка схемы бесконтактного термометра на базе микроконтроллера на базе arduino

Содержание

Введение

Глава 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

1.1. Понятие температуры и её физическая сущность

1.2. Принципы инфракрасной термометрии и показатель визирования

1.3. Выводы по главе

Глава 2. Аналитическое исследование характеристик и подбор компонентов бесконтактного термометра

2.1. Принципиальные особенности архитектуры Arduino и возможности интеграции с отечественными программно-аппаратными решениями

2.2. Технический анализ объекта исследования и формирование требований к точности бесконтактного измерения

2.3. Обоснование выбора элементной базы и сенсорного оборудования

2.4. Сравнительный анализ контактных и бесконтактных методов измерения

2.5. Анализ современных интегральных инфракрасных датчиков

Глава 3. Техническое проектирование и практическая реализация проекта

3.1. Разработка и верификация принципиальной электрической схемы бесконтактного измерителя

3.2. Написание и отладка управляющего программного кода на базе открытых стандартов и реестрового ПО

3.3. Экспериментальная проверка работоспособности системы и технико-экономическое обоснование эффективности внедрения разработки

Заключение

Список использованной литературы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Разработка схемы бесконтактного термометра на базе микроконтроллера Arduino

ВВЕДЕНИЕ

Современная цифровая трансформация российской промышленности и социальной сферы предъявляет повышенные требования к точности, оперативности и безопасности контрольно-измерительных систем. Бесконтактные методы термометрии, основанные на регистрации инфракрасного излучения, приобрели особую актуальность в условиях эпидемиологических вызовов 2020–2023 годов, когда массовый контроль температуры граждан стал неотъемлемой частью санитарно-эпидемиологических мероприятий [12, c. 45]. Однако зависимость от импортных измерительных приборов и микроконтроллерных платформ выявила критическую уязвимость отечественной приборостроительной базы. Указ Президента РФ № 166 от 30.03.2022 «О мерах по обеспечению технологической независимости и безопасности критической информационной инфраструктуры» обозначил императив создания собственных технических решений в области встраиваемых систем и измерительных комплексов [1, c. 2].

Архитектура Arduino, несмотря на зарубежное происхождение, представляет собой открытую аппаратно-программную платформу, допускающую адаптацию к отечественным стандартам разработки и интеграцию с российскими программными средствами, включенными в реестр Минцифры. Данное обстоятельство определяет возможность использования микроконтроллеров семейства AVR в качестве базовой элементной основы для создания прототипов измерительных систем в образовательных и исследовательских целях. Впрочем, здесь возникает принципиальный вопрос метрологической аттестации и соответствия требованиям ГОСТ Р 8.009-84 к средствам измерений – поскольку открытая архитектура не всегда обеспечивает воспроизводимость характеристик в серийном производстве [7, c. 112].

Разработка бесконтактного термометра на базе микроконтроллерной платформы решает задачу практического освоения студентами специальности 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» принципов проектирования встраиваемых вычислительных устройств, аппаратно-программного взаимодействия периферийных модулей, алгоритмов обработки сигналов и реализации интерфейсов человеко-машинного взаимодействия. Практическая значимость проекта определяется возможностью применения разработанного прототипа в учебных лабораториях, медицинских пунктах образовательных организаций, на контрольно-пропускных пунктах предприятий и в бытовых условиях.

Цель работы – разработать функциональную схему и программно-аппаратный комплекс бесконтактного измерителя температуры на базе микроконтроллера Arduino с инфракрасным датчиком, обеспечивающий точность измерения не менее ±0,5 °C в диапазоне 32–42 °C.

Задачи исследования:

• изучить физические основы инфракрасной термометрии, принцип работы пирометрических датчиков и зависимость точности измерения от показателя визирования;
• провести аналитический обзор архитектуры микроконтроллеров семейства AVR и возможностей интеграции платформы Arduino с отечественными программными инструментами разработки;
• сформировать технические требования к бесконтактному термометру на основе анализа условий эксплуатации и нормативных документов в области медицинской техники;
• обосновать выбор элементной базы: микроконтроллерного модуля, инфракрасного датчика, индикатора и источника питания – с учетом критериев точности, энергопотребления и стоимости;
• разработать принципиальную электрическую схему устройства, программный код управления и алгоритм калибровки измерений;
• провести экспериментальную проверку работоспособности прототипа и выполнить технико-экономическое обоснование целесообразности внедрения разработки в условиях образовательной организации.

Объект исследования – процесс проектирования встраиваемых измерительных систем на базе микроконтроллерных платформ открытой архитектуры.

Предмет исследования – методы и средства аппаратно-программной реализации бесконтактного термометра с использованием инфракрасных датчиков и микроконтроллера Arduino.

Методологическая база включает теоретические положения теории автоматического управления, цифровой обработки сигналов, метрологии и встраиваемых систем, изложенные в трудах ведущих российских научных школ МГТУ им. Н.Э. Баумана и МФТИ. Инструментарий разработки: среда Arduino IDE версии 2.3, язык программирования C++ для микроконтроллеров, система управления версиями Git, программа моделирования Proteus Design Suite. Нормативно-правовую основу составляют ГОСТ Р 55062-2012 «Системы встраиваемые. Термины и определения», ГОСТ Р 58983-2020 «Интернет вещей. Термины и определения», ГОСТ Р ИСО/МЭК 12207-2010 «Процессы жизненного цикла программных средств», приказы ФСТЭК по сертификации средств вычислительной техники.

Научная новизна работы состоит в адаптации открытой микроконтроллерной платформы Arduino к задачам прецизионной инфракрасной термометрии с разработкой алгоритма программной компенсации температурного дрейфа датчика и калибровки по эталонному источнику.

Теоретическая значимость заключается в систематизации принципов проектирования встраиваемых измерительных систем на базе микроконтроллеров семейства AVR, анализе метрологических характеристик инфракрасных датчиков класса MLX90614 и обосновании требований к аппаратно-программному обеспечению бесконтактных термометров.

Практическая значимость определяется возможностью использования разработанного прототипа в учебном процессе по дисциплинам «Микропроцессорные системы», «Проектирование цифровых устройств», «Периферийные устройства вычислительной техники», а также внедрения в системы контроля доступа образовательных организаций и предприятий.

Структура работы: введение, три главы основного текста, заключение и список использованной литературы. Первая глава раскрывает теоретические основы бесконтактного измерения температуры. Вторая глава посвящена аналитическому исследованию характеристик компонентов и обоснованию выбора элементной базы. Третья глава описывает техническое проектирование, пр

…