Индикатор концентрации нитратов в продуктах

 

3.2 Разработка аккумуляторной батареи

 

           Для зарядки аккумулятора используется  мини-USB разъём X1, ключи на VT2, VT3, гасящий резистор R7 и датчик D1, VT1 присутствия напряжения на контактах 1-5 X1. При наличии напряжения зарядки +5В открывается D1, VT1, и на линии PB1 МК, сконфигурированной как вход с подтягивающим резистором, появляется лог 0. В свою очередь МК выставляет лог.1 на линии PB0, открывая ключи VT2, VT3. Ток зарядки не стабилизирован, его максимальное значение определяется в основном сопротивлением резистора R7 и при его сопротивлении 10 Ом не превышает 130 мА при разряженном аккумуляторе. Контроль напряжения зарядки осуществляется МК по линии PA4 через делитель R25, R26. После достижения напряжения на аккумуляторе +4.15 В зарядка прекращается, МК снимает управляющие напряжения с ключей VT2…VT5 и прибор выключается. Зарядка возможна только во включенном состоянии прибора. Это небольшая плата за простоту схемы и отсутствие отдельных специализированных микросхем для зарядки литиевых аккумуляторов.

           Во время работы прибора напряжение  аккумулятора периодически измеряется  по линии PA4 МК через делитель R25, R26. Для защиты аккумулятора  от глубокой разрядки при снижении  напряжения ниже 3,0 В питание прибора автоматически выключается, если была выключена подсветка. В противном случае производится последовательное уменьшение яркости подсветки с измерением напряжения аккумулятора после каждого шага.

 

           МК DD3 тактируется от внутреннего  RC-генератора частотой 2 МГц. Для  формирования напряжения переменного  тока для проверки продуктов  использован таймер-счётчик 0 МК. На линии PB3 МК формируется  меандр с частотой 7,8125 кГц и  через R11 подаётся на управляющие  входы S микросхем DD1, DD2 SN74LVC1G3157. Это  достаточно мощные  (ток коммутации  до 100 мА) быстродействующие ключи,  выполненные в малогабаритном  корпусе SOT-23-6 и имеющие типовое  сопротивление открытого канала 6 Ом. При низком уровне логического  сигнала на управляющем выводе  “S” вывод “A” микросхемы  соединяется с выводом “B1”,  а при высоком – с выводом  “B2”. Микросхема DD1 использована  в качестве повторителя напряжения. С её вывода “A” прямоугольные  импульсы частотой 7,8125 кГц через  разделительный конденсатор C2, отсекающий  постоянную составляющую, поступают  на разъём X2, предназначенный для  подключения щупов. Сопротивление  проверяемого продукта является  верхним плечом делителя, сопротивление  резистора R1 -  нижним. Импульсы  с R1 через разделительный конденсатор  C1 поступают на синхронный детектор, выполненный на коммутаторе DD2. С нагрузки синхронного детектора  R10 выпрямленное напряжение через  фильтр C6, R13, C9 поступает на вход  АЦП МК (линия PA2). В качестве  источника опорного напряжения  для АЦП использован встроенный в МК ИОН на 2,56В. Вычисление проводимости проверяемого продукта осуществляется программной обработкой измеренного напряжения.

Сама схема представляет собой вольтметр с высоким  входным сопротивлением, который  измеряет ЭДС между двумя этими  электродами, погруженными в анализируемый  раствор. Зависимость ЭДС от концентрации анализируемого иона описывается уравнением Нернста, а более точно - уравнением Никольского.

Уравнение Нернста:

E = const + 0.059 / z * lg(А)

E - ЭДС (В),

z - заряд иона (для нитрата  равен минус 1)

А - активность измеряемого  иона (моль/л) (в разбавленных растворах  примерно равна концентрации)

const - константа, определяемая при калибровке прибора. Зависит от концентрации внутреннего раствора ставнения электрода.

Может потребоваться калибровка по нескольким стандартным растворам  и корректировка коэффициента 0.059, так как работа электрода может  отклоняться от уравнения Нернста  в силу разных непреодолимых причин.

К тому же электрод имеет  ограниченный диапазон линейной зависимости E(lg(А)). Для нитратселективного электрода она составляет примерно от -4 до -1, то есть от 0,0001 до 0,1 моль/л. На результат измерения влияют и посторонние ионы, это влияние учитывается в уравнении Никольского.

 

4.Выбор элементной базы

 

Основным требованием  к элементной базе разрабатываемого индикатора нитратов  является небольшие размеры, высокая надежность, достаточная точность измерений, доступность элементов. При выборе элементной базы будем руководствоваться этими требованиями.

Резисторы и конденсаторы применены для поверхностного монтажа  типоразмера 1206. Стабилизатор +3В DA1 TPS76330.

 

 

 

 

 

Таблица 3. TPS76330 технические  характеристики

 

Напряжение выходное	3В
Напряжение входное	10В
Число регуляторов	1
Ток выходной	150mA (Max)
Ток минимальный предел тока	500mA
Рабочая температура	-40°C ~ 125°C
Тип монтажа	Поверхностный
Корпус (размер)	SC-74A, SOT-753
Корпус	SOT-23-5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Напряжение питания через DA1 поступает на микроконтроллер DD3 ATmega32A.

 

Таблица 4. TPS76330 технические характеристики

 

RAM-память	2 КБайт
EEPROM-память	1 КБайт
Flash-память	32 КБайт
Ядро	AVR, 8-бит
Корпус	TQFP-44
Кол-во каналов АЦП	8
Разрешение АЦП	10
Кол-во каналов ШИМ	4
Сторожевой таймер	1
Кол-во интерфейсов UART	1
Напряжение питания ядра	2.7...5.5 В
Напряжение питания периферии	2.7...5.5 В
Рабочая температура	-40...85 °C

 

Рисунок 5.  Микроконтроллер TPS76330

 

 

 

 

Рисунок 6. Схема блокировки

 

 

Так как данный микроконтроллер  импортного производителя , то и блок-схема представлена на английском языке.

 

 

 

Рисунок 7. Блок- схема

 

 

 

Таблица 5. Микросхема SN74LVC1G3157-Q1технические характеристики

 

Конфигурация	1xSPDT
Тип переключателя	Switch
Сопротивление во включенном состоянии	50 Ом
Напряжение питания	0…0
Ток потребления	10 мкА
Рабочая температура	-40...125 °C
Температура хранения	-65...150 °C
Тип монтажа	Поверхностный
Ток выходной	1А

 

Рисунок 8.  Микросхема SN74LVC1G3157-Q1

 

 

 

Выбранная элементная база доступна по цене, имеет широкое  распространение и обеспечивает требуемые параметры от проектируемого прибора.

 

 

 

 

 

 

 

5. Разработка методики измерения.

 

Разнообразие показателей, характеризующих состояние нитратов в продуктах, и требование одномоментной фиксации их значения заставляет в программу исследований включать разные по природе и продолжительности процедуры, использовать системы различных измерительных преобразователей. Совокупность методов воздействия и другие приемы исследований, сочетание которых не всегда возможно и оправдано. Одновременное использование нескольких разных методов может сопровождаться взаимными влияниями и помехами, искажающими результаты измерений и регистраций.

При оценке достоверности  результатов анализа концентрации нитратов особое внимание следует обращать на источники погрешностей, сопровождающих их. Так как при исследованиях используются технические средства, то точность измерений, конечно же зависит от инструментальных погрешностей, но не только. Главное значение для медико-биологических исследований приобретают методические погрешности, которые проявляются во взаимном влиянии друг на друга объекта и технических средств, в неточности выполнения методики эксперимента, изменяемости свойств объекта в процессе исследования, в шумах различного происхождения и т.д. Поэтому так необходимы тщательный анализ качества выполнения всех этапов схемы, а также создание условий их проведения.

 

5.1 Разработка алгоритма работы программы микроконтроллера.

В качестве МК в данном курсовом проекте был применен микроконтроллер ATmega32A.

Работа микропроцессорного блока управления осуществляется при  помощи отлаженного и четкого  действия микроконтроллера. Для создания бесперебойной и качественной работы в программной части реализации функций прибора запускается бесконечный цикл. Функции, выполняемые микропроцессорным блоком, условно можно разделить на 2 группы: подача информации с датчика и вывод её на ЖК-индикатор.

 Начальным этапом работы  микроконтроллера является его  инициализация. Во время инициализации  задаются необходимые параметры  и значения для правильной  работы микроконтроллера. После пуска и инициализации регистров микроконтроллера программа переходит к поразрядному выводу на ЖК индикатор.

      После нажатия  кнопки включения питания раздаётся  звуковой сигнал и на экране  на 1,5 секунды выводится заставка, показанная на рис.9.

Рисунок 9.

Если продолжать удерживать кнопку включения, заставка будет выводиться, пока кнопка не будет отпущена. После  этого появится основное меню, показанное на рис.10.

Рисунок 10.

В правом верхнем углу выводится  символ батарейки, показывающий уровень  заряда аккумулятора. В самом низу выводится напряжение аккумулятора в вольтах.

        Перемещение  между пунктами основного меню  осуществляется кнопками “▲”, “▼”. Вход в пункт меню – кнопкой “►”.

 На экране выводятся  подсказки о возможных вариантах  навигации в виде треугольников-указателей.

        Для  регулировки контрастности ЖКИ  необходимо войти в пункт“Настройки” и выбрать пункт “Контраст”, как показано на рис.11.

Рисунок 11.

 

  После нажатия кнопки  “►” пустой треугольник-подсказка  в конце строки “Контраст”  изменится на две вертикальных  стрелки, как показано на рис.12.

Рисунок 12.

 

  После этого можно  изменять контрастность изображения  кнопками “▲” и “▼” (только  для китайского дисплея).

          Выход из пункта регулировки  контрастности – кнопкой “◄”.

          При желании также можно настроить  таймер выключения (время до отключения  питания после последнего отпускания  нажатой кнопки), яркость подсветки  и время включенной подсветки  (после последнего отпускания  нажатой кнопки). После этого необходимо  провести калибровку, смотреть далее.

5. Проведение замеров.

        Для  проведения замера необходимо  в основном меню (рис.13) войти в пункт “Измерение”, после чего появится меню выбора продукта, как показано на рис.13.

Рисунок 13.

Выбор требуемого продукта производится кнопками “▲” и “▼”, вход в режим замера – кнопкой  “►”. На рис.14 показан скриншот дисплея с отсутствующей статистикой замеров.

Рисунок 14.

 

Для проведения замера необходимо воткнуть щупы прибора на всю длину  в проверяемый продукт и кратковременно нажать кнопку “►”. Изображение на экране во время замера примет вид, показанный на рис.15.

Рисунок 15.

 

После успешного завершения измерения в третьей строке экрана появится пункт “Сохранить”.

    В противном случае, если измеренная проводимость выходит за допустимые пределы, вместо измеренного значения проводимости выведутся знаки вопроса, а пункт “Сохранить” будет недоступен. Если не отпускать кнопку “►” после запуска процесса измерения, то на экране будет выводиться измеряемая проводимость в реальном времени. После отпускания кнопки “►” показания будут зафиксированы.

          Для сохранения замера необходимо  переместить курсор на строку  ниже, как показано на рис.16, и нажать на кнопку “►”.

Рисунок 16.

 

      На экран  выведется сообщение об успешном  сохранении замера, как показано  на рис.17

Рисунок 17.

 

После этого обновятся  показания максимума и минимума, а счётчик замеров увеличится на единицу, как показано на рис.18.

Рисунок 18.

 

После накопления нескольких результатов измерений после  названия продукта будет выведено процентное соотношение измеренной проводимости по отношению к разности (Макс-Мин),

как это показано на рис.19.

Рисунок 19.

 

   Для просмотра  статистики замеров необходимо  кнопкой “▼” перейти на страницу  статистики, показанную на рис.20.

            

Рисунок 20.

 

  Символ ▲ снизу шкалы показывает текущее положение измеренной проводимости по отношению к минимуму и максимуму для выбранного продукта. Разница между измеренными максимумом и минимумом программно разбивается на 20 равных частей.  Для каждого продукта в EEPROM памяти МК зарезервировано соответственно 20 однобайтных ячеек, в которых хранится статистика замеров, а также 3 двухбайтных ячейки для хранения минимума, максимума проводимости и количества замеров. На каждый продукт приходится 26 байт памяти EEPROM, на 30 продуктов – 780 байт, а с учётом ещё 6-ти пользовательских продуктов с собственными названиями – 984 байта из доступных 1024. В каждой из 20-ти ячеек хранится не величина проводимости, а количество замеров, соответствующее диапазону проводимости для каждой разбитой части. После очередного сохранения замера обновляются соответствующие 3 двухбайтные ячейки, а также производится пересчет 20-ти ячеек массива статистики. Если измеренная величина попадает между уже имеющимися максимумом и минимумом, то просто вычисляется номер изменяемой ячейки и производится её инкремент. Если измеренная проводимость больше максимальной измеренной, то максимуму присваивается текущая измеренная величина и производится перераспределение данных во всех 20-ти ячейках.