Разработка устройства «Тлеющий разряд» на базе платформы Arduino
Муратшин А.И., студент Уфимского государственного колледжа радиоэлектроники
Фридман Г.М., научный руководитель, преподаватель Уфимского государственного колледжа радиоэлектроники
Современную жизнь невозможно представить без таких основополагающих благ, как электричество и тепло. Энергетика – величайшее достижение цивилизации.
Одним из величайших открытий в области энергетики является газовый разряд - процесс протекания электрического тока через газ. При обычных условиях газы почти полностью состоят из нейтральных атомов или молекул и, следовательно, являются диэлектриками.Электрический ток в газах не может существовать из-за отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах газов прочно связаны с ядрами электростатическими силами). Однако, при передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая свободным электроном при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно большое расстояние).
В газах существуют несамостоятельные и самостоятельные электрические разряды.
При самостоятельном разряде одним из способов ионизации атомов является ионизация электронным ударом. Ионизация электронным ударом становится возможна тогда, когда электрон на длине свободного пробега приобретает кинетическую энергию достаточную для совершения работы по отрыву электрона от атома.
Виды самостоятельных разрядов в газах - искровой, коронный, дуговой и тлеющий разряды.
Разряд, возникающий при пониженном давлении, называется тлеющим разрядом. При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной.
Тлеющий разряд нашел применение в различных областях науки техники. Наиболее широко его используют в качестве источника света в различных газоразрядных трубках. В лампах дневного света излучение тлеющего разряда поглощается слоем специальных веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки, которые под действием поглощенного излучения в свою очередь начинают светиться. Подходящим подбором этих веществ (люминофоров) испускаемое ими излучение можно сделать близким к дневному свету. Такие лампы являются более экономичными, нежели обычные лампы накаливания.
Газоразрядные трубки применяются также для рекламных и декоративных целей, для чего им придают очертания различных фигур и букв. Свечения разной окраски, в зависимости от рода газа, представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 – Газоразрядные трубки
Пользуясь тем, что катодное падение потенциала зависит от материала катода, можно сделать газоразрядные трубки с малым напряжением зажигания. Так, например, в неоновой лампе, в которой электродами служат два железных листочка, покрытых слоем бария, вследствие малости работы выхода электронов у бария, катодное падение потенциала составляет только около 70 вольт. Поэтому лампа зажигается уже при включении в обычную осветительную сеть. Такие лампы употребляют для целей сигнализации в различной аппаратуре (индикаторные лампы).
В промышленности и лабораторной практике используют тлеющий разряд для катодного распыления металлов, так как вещество катода, бомбардируемого положительными ионами, постепенно переходит в парообразное состояние и оседает в виде металлического налета на стенках трубки. Помещая в тлеющем разряде против катода различные предметы, оказывается возможным покрыть их равномерным и прочным слоем металла. Этим способом, в частности, пользуются для изготовления металлических зеркал высокого качества. Метод катодного распыления используется также в атомно-эмиссионной спектроскопии, позволяя провести послойный анализ различных материалов.
Важнейшее применение тлеющий разряд получил в сравнительно недавно созданных квантовых источниках света - газовых лазерах
Устройство «Тлеющий разряд» состоит из вакуумного насоса, высоковольтного генератора, стеклянной пробирки, анода, катода, программируемого контроллера Arduino Nano V3.0, двухканального релейного модуля и элементов соединения. Так же для наглядной демонстрации работы устройства была изготовлена подставка для стеклянной пробирки.
Вакуумный насос был изъят из отечественного холодильника. В его конструкцию были введены изменения в виде ножек, для эксплуатации без элементов крепления. После проведения всех работ была произведена покраска.
Высоковольтный генератор изготовлен из модуля питания цветного телевизора МП-3-3 и из элементов модуля строчной развертки, таких как умножитель УН9/27-1.3 и трансформатора строчной развертки ТВС-110ПЦ-15. Принципиальная схема высоковольтного генератора представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Принципиальная схема высоковольтного генератора
Так же для работы данной схемы добавляются конденсатор С36, для реализации безопасного подключения между трансформаторами, и резистор R40, для увеличения срока службы умножителя.
Стеклянная пробирка должна быть полой. В нее при помощи резиновых пробок устанавливается анод, виде полой трубки, и катод, в виде обычного болта.
ArduinoNanoV3.0 управляет каналами релейного модуля, к которому подключены высоковольтный генератор и вакуумный насос. В зависимости от установленного времени в программе, в определнный промежуток времени каналы будут замыкать цепь или же разъединять.
Структурная схема устройства «Тлеющий разряд» представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Структурная схема устройства «Тлеющий разряд»
Вакуумный насос при помощи шланга подключается к аноду, а высоковольтный генератор при помощи зажимов, исходящих от умножителя, подключается к аноду и к катоду (необходимо соблюдать полярность).
При подаче питания на устройство «Тлеющий разряд», срабатывает вакуумный насос. После создания низкого давления, к сети подключается высоковольтный генератор и в стеклянной пробирке можно наблюдать яркое свечение. Яркость свечения будет зависеть от материала катода, давления и напряжения.
Разработка магнитоиндукционной мешалки для проведения химических реакций
Нилов А.О., студент Уфимского государственного колледжа радиоэлектроники
Туктаров Р.Ф., научный руководитель, кандидат физико-математических наук, ИФМК УНЦ РАН.
Невозможно представить современную фармацевтическую, клиническую, медицинскую, исследовательскую или научную лабораторию без устройства автоматического перемешивания. В фармацевтической промышленности она является незаменимым лабораторным оборудованием для приготовления суспензий, эмульсий и обычных растворов. В научных лабораториях данный вид лабораторного оборудования применяется при проведении синтеза различных реактивов и анализов. В настоящее время устройства автоматического перемешивания всевозможных модификаций широко используются в химических, микробиологических, биологических и медицинских исследованиях. Многие анализы и исследования даже в обычных аптечных или эпидемиологических лабораториях требуют тщательного перемешивания или растворения используемых химических веществ. Поэтому устройство автоматического перемешивания – незаменимый атрибут в любой лаборатории, особенно, если процесс перемешивания вручную занимает несколько часов.
Микроконтроллер (MCU) микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами. Типичный микроконтроллер сочетает в себе функции процессора и периферийных устройств, может содержать ОЗУ и ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Использование одной микросхемы, вместо целого набора, как в случае обычных процессоров, применяемых в персональных компьютерах, значительно снижает размеры, энергопотребление и стоимость устройств, построенных на базе микроконтроллеров. Микроконтроллеры являются основой для построения встраиваемых систем, их можно встретить во многих современных приборах, таких, как телефоны, стиральные машины и т. п.Для правильной работы микроконтроллера, необходимо его запрограммировать на выполнение определенных действий.
Магнитоиндукционная мешалка для проведения химических реакций подключается к сети 220 Вольт с помощью обычной вилки. 220 Вольт питающего напряжения проходят через блок питания, где напряжение снижается до приемлемого для последующего выпрямления.
Далее сниженное напряжение попадает в выпрямительную схему, где напряжение выпрямляется и обеспечивает питание для Arduino Uno и для схемы обеспечения подачи напряжения.
Получив питающее напряжение, Arduino Uno обеспечивает функционирование кнопок, подключив их к заземлению и к двум входам для ввода сигналов. Также Arduino Uno подключается к схеме обеспечения подачи напряжения для установки последовательности включения вращательных катушек.
Схема обеспечения подачи напряжения, подключенная к питанию и получающая входящие сигналы на определённые входы, начинает подавать напряжение на пары вращательных катушек в соответствии с получаемым сигналом от Arduino Uno.
Вращательные катушки, получая напряжение от схемы обеспечения подачи напряжения, создают магнитоиндукционное поле в соответствии с подаваемыми сигналами, тем самым заставляя вращаться якорь, расположенный в центре, между вращательными катушками.
Структурная схема устройства представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структурная схема магнитоиндукционной мешалки для проведения химических реакций
В качестве блока питания использован электронный балласт энергосберегающей лампы. Питание из розетки 220 Вольт попадает в схему DA2, где напряжение опускается до 9 Вольт. Далее, два вывода с DA2 поступает на входные концы диодного моста (VD19, VD20, VD21, VD22), предназначенного для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение. Преобразованное напряжение проходит через параллельно подключенный конденсатор C1 поддерживающий напряжение в 9 Вольт, который выполняет роль фильтра перед подачей напряжения Arduino Uno, и даёт питающее напряжение в 9 Вольт для Arduino Uno DA1. На этом работа выпрямительной схемы на заканчивается. К плюсу подключается стабилизатор фиксированного напряжения КР142ЕН5 DA3, который дополнительно понижает питающее напряжение до 5 Вольт для схемы обеспечения подачи напряжения, далее также параллельно подключается конденсатор C2, поддерживающий напряжение до 5 Вольт и сглаживающий пульсаций после выпрямления переменного тока, и получившееся питающее напряжение в 5 Вольт поступает на схему обеспечения подачи напряжения.
Плата микроконтроллера Arduino Uno требует питание от 9 до 12 Вольт, которые она уже получил от выпрямительной схемы. Шесть выводов платы микроконтроллера подключены к транзисторам VT3, VT6, VT9, VT12, VT15 и VT18. Для управления частотой вращения якоря установлены две кнопки – для увеличения и для уменьшения скорости вращения якоря. Входы кнопок подключены к заземлению (GND) платы микроконтроллера Arduino Uno, а выходы подключены к логическим входам (xxx, xxx) платы микроконтроллера Arduino Uno.
В исходном состоянии транзисторы VT3 и VT6 открыты, а VT1 и VT4 закрыты. На концах катушек L1 и L4 одинаковые потенциалы и ток по ним не протекает. При подаче логической единицы на базу транзистора VT3, он открывается, закрывая транзистор VT2 и открывая транзистор VT1. Таким образом ток от плюсового вывода через транзистор VT1, катушки L1, L4 транзистор TV5 проходит на минусовую, так как транзистор VT5 открыт. Если подать логическую единицу базу VT6, выключив транзистор VT3, откроется транзистор VT4, VT5 закроется и ток через катушки пойдёт в обратном направлении. Стабилитрон VD1 исполняет роль вольтодобавки, исключающий сквозные токи через транзисторы VT1 и VT2. Диоды VD2 и VD3 служат для гашения обратных импульсов тока, возникающей за счёт самоиндукции во время выключения.
Принципиальная электрическая схема устройства представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема магнитоиндукционной мешалки для проведения химических реакций
Конструкция устройства автоматического перемешивания состоит из пластины пластмассы длиной 307 миллиметров, шириной 130 миллиметров и толщиной 5 миллиметров; пластины оргстекла длиной 307 миллиметров, шириной 130 миллиметров и толщиной 3 миллиметра; 16 стоек для печатных плат высотой 6 миллиметров и 3 стоек для печатных плат высотой 15 миллиметров. К нижней пластине присоединены все стойки для печатных плат для крепления всех составных частей схемной части устройства – три пары обмоток, плата Arduino Uno, плата обеспечения напряжения на обмотках, плата преобразования напряжения, плата блока питания. К верхней пластине крепятся лишь две кнопки изменения скорости вращения якоря.
Крепление двух пластин друг с другом осуществляется шпилькой с диаметром резьбы 5 миллиметров и длиной 50 миллиметров. На шпильку нанизывается гайка потом уголок пластины с проделанным отверстием 5,1 миллиметра и далее ещё одна гайка для предотвращения вращения шпильки. Далее предыдущее действие повторяется для второй пластины с соответствующей стороны. Такая последовательность проделывается со всех четырёх углов устройства для обеспечения прочности и устойчивости конструкции и для предотвращения касания верхней пластины оргстекла с элементами схемы устройства.
Разработка машины-робота, построенного на платформе Arduino
Севастьянов В.А., Ордентлих Р.С., студенты Уфимского государственного колледжа радиоэлектроники
Королькова Г.М., научный руководитель, преподаватель Уфимского государственного колледжа радиоэлектроники
Создание самодельного собранного робота начинается с определения класса задач, решаемых этим роботом, и его технических характеристик. В отличие от готового робота, конструкция и характеристики самодельного определяются теми задачами, которые он, предположительно, будет решать. Студент при использовании самодельного собранного робота приспосабливает конструкцию и выбор программного обеспечения робота под решаемую задачу.
Структурная схема отображает принцип работы устройства в общем виде. Действительное расположение составных частей изделия не учитывается, способ связи не раскрывается. Построение схемы дает наглядное представление о последовательности взаимодействия функциональных частей устройства в целом.
Достоинством структурных схем является то, что по ним можно получить представление о составе, структуре и выполняемой ими функции, не отвлекая внимания на схемную реализацию функциональных частей.
Рисунок1 – Машина-робот на платформе Arduino. Схема электрическая структурная
Структурная схема машины-робота состоит из следующих блоков:
- платформа Arduino NanoV3;
- драйверы двигателей L298N;
- Bluetooth модуль HC-05;
- моторчики;
- ультразвуковой дальномер HC-SR04;
Основой схемы машины-робота на платформе Arduino является микроконтроллер Arduino Nano, который построен на микроконтроллере ATmega 328.
Первым звеном схемы является микроконтроллер Arduino Nano 3.0. Arduino предназначен для управления всеми устройствами схемы. На 1 контакт поступает сигнал со 2 контакта Bluetooth модуля через резистор. На 2 контакт сигнал поступает с 1 контакт Bluetooth модуля. 4 и 29 контакты заземляется. На 30 контакт подается питание. С 5 контакта сигнал поступает на 4 контакт заднего драйвера моторов. С 6 контакта сигнал поступает на 5 контакт заднего драйвера моторов. С 7 контакта сигнал поступает на 6 контакт заднего драйвера моторов. С 8 контакта сигнал поступает на 7 контакт заднего драйвера моторов. С 9 контакта сигнал поступает на 6 контакт переднего драйвера моторов. С 10 контакта сигнал поступает на 7 контакт переднего драйвера моторов. С 11 контакта сигнал поступает на 2 и 3 контакты заднего дальномера. С 12 контакта сигнал поступает на 9 контакт заднего драйвера моторов. С 13 контакта сигнал поступает на 8 контакт заднего драйвера моторов. С 14 контакта сигнал поступает на 9 контакт переднего драйвера моторов. С 15 контакта сигнал поступает на 2 и 3 контакты переднего дальномера.
Рисунок2 – Машина-робот на платформе Arduino. Схема электрическая принципиальная
Вторым звеном схемы является Bluetooth модуль HC-05. Предназначен для подачи и приема управляющих сигналов. На 1 контакт сигнал поступает с 2 контакта Arduino. На 2 контакт сигнал поступает с 1 контакта Arduino. С 12 контакта сигнал поступает на 13 контакт через конденсатор и 34 контакт Bluetooth модуля, на 12 контакт сигнал поступает с 4 контакта стабилизатора. 13,21 и 22 контакты заземляются. С 31 контакта сигнал поступает на светодиод через резистор. С 32 контакта сигнал поступает на светодиод через резистор.
Третьим звеном схемы является стабилизатор. Предназначен для стабилизации напряжения в схеме. На 1 контакт подается питание. 2 контакт заземляется, 4 контакт заземляется через резистор.
Четвертым звеном схемы является передний дальномер. Предназначен для определения расстояния до препятствия. На 1 контакт подается питание, на 2 и 3 контакты поступает сигнал с 15 контакта Arduino. 4 контакт заземляется.
Пятым звеном схемы является задний дальномер. Предназначен для определения расстояния до препятствия. На 1 контакт подается питание. На 2 и 3 контакты поступает сигнал с 11 контакта Arduino. 4 контакт заземляется.
Шестым звеном схемы является передний драйвер моторов. Предназначен для подключения и подачи управляющего сигнала на моторы. На 1 контакт сигнал поступает с 30 контакта Arduino. 2 контакт заземляется. На 6 контакт поступает сигнал с 9 контакта Arduino. На 7 контакт поступает сигнал с 10 контакта Arduino. На 9 контакт сигнал поступает с 14 контакта Arduino. С 10 и 11 контактов сигнал поступает на мотор.
Седьмым звеном схемы является задний драйвер моторов. Предназначен для подключения и подачи управляющего сигнала на моторы. На 1 контакт сигнал поступает с 30 контакта Arduino. 2 контакт заземляется. На 4 контакт сигнал поступает с 5 контакта Arduino. На 5 контакт сигнал поступает с 6 контакта Arduino. На 6 контакт сигнал поступает с 7 контакта Arduino. На 7 контакт сигнал поступает с 8 контакта Arduino. На 8 контакт сигнал поступает с 13 контакта Arduino. На 9 контакт сигнал поступает с 12 контакта Arduino. С 10-13 контактов сигнал поступает на моторы.
Блок схема программы для машины-робота на платформе Arduino.
Рисунок3- Блок схема машины-робота на платформеArduino
При разработке данной блок - схемы (рисунок 3) применялся циклический алгоритм. Циклический алгоритм предусматривает многократное повторение одной и той же последовательности действий. Количество повторений обусловливается выполнением условия.
В данной блок – схеме циклический алгоритм использовался несколько раз с одной целью. Если какой либо из элементов не прошел инициализацию и от него нет данных, то он пройдёт повторную инициализацию.
Рисунок 2- Цикл инициализации
При отсутствии препятствий на пути следования и при отсутствии команд машина-робот останавливается.
Машина-робот может использоваться в различных сферах человеческой деятельности, а также при обучении студентов в лабораторных условиях для знакомства и изучения Arduino.
Конструкция выполнена максимально просто, что обеспечивает удобство технического обслуживание и ремонта. Монтаж опор и других устройств, для обеспечения транспортабельности изделия не требуется. Надежность и ремонтопригодность конструкции высокая, так как радиоэлементы и материалы дешевые и распространенные. Изготовление не требует применения высокопроизводительных типовых технологических процессов и средств технического оснащения. Цена не высокая, но основной эффект – социальный.
|
