презентация для диплома финал

1.

Разработка моделирующего
комплекса на базе Arduino для
исследования разветвленных
нелинейных цепей постоянного
тока
Руководитель:
Ст. пр. Сковородко М.А. (м.т.н.)
Выполнил студент: Политов Д.И.(22-КФ)

2.

Актуальность и цель работы
Заключается в разработке малозатратного, но функционально полного
исследовательского комплекса для изучения нелинейных элементов постоянного
тока. Применение платформы Arduino делает доступными сложные физические
эксперименты.
Цель работы:
Разработка универсального моделирующего комплекса для исследования
разветвлённых нелинейных цепей постоянного тока, включающего аппаратную
часть, программное обеспечение и методику экспериментов.
Задачи:
Анализ теоретических основ нелинейных элементов; разработка структуры
комплекса; проектирование аппаратных модулей; создание ПО Arduino и
пользовательского интерфейса для ПК; сборка макета комплекса и проведение
экспериментального исследования характеристик нелинейных элементов.

3.

Нелинейные элементы: классификация и характеристики
Нелинейные элементы — диоды, стабилитроны, транзисторы, термисторы — имеют криволинейную ВАХ.
Делятся на симметричные (терморезисторы) и несимметричные (диоды, туннельные диоды). Управляемые
элементы (транзисторы, тиристоры) имеют дополнительную управляющую цепь. Различают статическое
сопротивление и дифференциальное сопротивление.
Статическое сопротивление
Дифференциальное сопротивление
Определяется как отношение напряжения к току в
Характеризует поведение элемента при малых
конкретной рабочей точке A на ВАХ:
отклонениях от установившегося режима:
Пропорционально тангенсу угла между прямой,
Может быть как положительным (восходящий участок
соединяющей рабочую точку с началом координат, и
ВАХ), так и отрицательным (нисходящий участок). В
осью тока. Всегда положительно.
точке перегиба равно нулю.

4.

Вольт-амперные характеристики нелинейных элементов
ВАХ полупроводникового диода
ВАХ туннельного диода
Участок отрицательного Rдиф
Пропускает ток только при одной
N-образная форма с участком
На нисходящем участке AB ток растёт
полярности напряжения
отрицательного дифференциального
при снижении напряжения
сопротивления

5.

Методы расчёта нелинейных цепей постоянного тока
1
2
3
Аналитический метод
Графический метод
Составление и решение
Построение результирующей
Графоаналитический
метод(линеаризации)
уравнений по законам Кирхгофа.
ВАХ всей цепи на основе
Применяется, когда заданы
характеристик её отдельных
аналитические выражения ВАХ
элементов. При
элементов. На практике
последовательном соединении –
используется ограниченно из-за
сложение ординат, при
громоздких вычислений.
параллельном — абсцисс.
Точность зависит от качества
Наиболее распространён.
Рабочий участок ВАХ заменяется
отрезком прямой (касательной в
точке A). Погрешность снижается
уменьшением ширины участка
линеаризации.
построения.
Метод линеаризации применяется при незначительных отклонениях режима работы от исходного рабочего состояния. После
замены нелинейного элемента эквивалентной схемой замещения цепь рассчитывается любым методом анализа линейных цепей.

6.

Анализ существующих средств моделирования
Традиционные
лабораторные стенды
Профессиональные
ВАХ-метры
Программные
симуляторы
Обеспечивают работу с реальными
Высокая точность, автоматизация,
LTspice, Multisim, LabVIEW и др.
компонентами и достоверные
широкий диапазон. Однако высокая
Удобны и доступны, но не учитывают
результаты. Однако большинство
стоимость, сложность эксплуатации и
реальные факторы: температуру,
остаются аналоговыми, требуют
необходимость специализированного
разброс параметров, паразитные
ручного снятия характеристик, что
ПО делают их малодоступными для
ёмкости. Не формируют практических
приводит к временным затратам,
учебных лабораторий.
навыков работы с измерительным
снижению точности и
оборудованием.
невозможности многоточечных
измерений.
Ни один из существующих подходов не обеспечивает одновременно доступность, гибкость, автоматизацию измерений и
исследование реальных нелинейных элементов — что обосновывает разработку универсального комплекса на базе Arduino.

7.

Структурная схема и функциональные блоки
Питание 12 В → фильтр (47 мкФ + 1 мкФ)
→ шина +12V_ФИЛЬТР.
Блок
Назначение
Источник питание
12в; + 12V_фильтр
Питание,подавление
пульсаций
Arduino Nano
Управление и связь
UART
INA226 (0x40, 0x41)
Две измерительные
ветви
MOSFET-ключ
Программируемая
нагрузка
Узел тока базы
Исследование
транзисторов

8.

Выбор микроконтроллерной
платформы
Микроконтроллер выполняет ключевые задачи: формирование
управляющего сигнала для MOSFET-ключа, управление узлом тока базы
транзистора, обмен данными с двумя INA226 по I²C и передача
результатов на ПК через UART. Выбранная платформа должна быть
компактной,
функциональной,
надёжной
и
удобной
в
программировании.
Arduino Nano
ATmega328P, 16 МГц, 8 аналоговых входов, встроенный USB-mini. Компактна,
низкое энергопотребление, широкая экосистема библиотек, предсказуемое
поведение с аналоговыми сигналами и I²C.
Arduino Uno — крупнее; Pro Mini — требует USB-UART адаптера; Mega 2560
— избыточные габариты; Micro — USB-HID не востребован; ESP32 и
Raspberry Pi Pico — требуют низкоуровневого программирования и
нестандартных библиотек.

9.

Сравнение микроконтроллерных платформ
Платформа
Процессор
Arduino Nano ✓
Память
Интерфейсы
Аналог. вх.
Питание
Подключе
ние к ПК
ATmega328P, 16 МГц 32 КБ Flash, 2 КБ
RAM
UART, I²C, SPI
8
5В
Arduino Uno
ATmega328P, 16 МГц 32 КБ Flash, 2 КБ
RAM
UART, I²C, SPI
6
3,3/5 В
Arduino Pro Mini
ATmega328P, 16 МГц 32 КБ Flash, 2 КБ
RAM
UART, I²C, SPI
8
3,3/5 В
USB-mini
встроенн
ый
USB-B
встроенн
ый
Требуется
USB-UART
Arduino Mega 2560
ATmega2560, 16 МГц 256 КБ Flash, 8 КБ
RAM
4×UART, I²C, SPI
16
5В
ESP32
240 МГц, 2 ядра
520 КБ RAM, Flash
до 16 МБ
UART, I²C, SPI, Wi-Fi, BT
18
3,3 В
Raspberry Pi Pico
RP2040, 133 МГц, 2
ядра
264 КБ RAM, Flash
до 16 МБ
UART, I²C, SPI, ADC
3
3,3 В
USB-B
встроенн
ый
USB через
CP2102
USB-micro
встроенн
ый
Arduino Nano представляет наиболее рациональный выбор с учётом совокупности факторов: от аппаратных характеристик
до удобства разработки и стабильности работы с INA226.

10.

Полная электрическая схема комплекса
Система щупов (5 каналов)
01
Щуп 1 — VBUS1
IN– INA226 (0x40), верх первой ветви
02
Щуп 2 и 4 — Сток MOSFET
Общий низ обеих ветвей, силовые выводы
03
Щуп 3 — VBUS2
IN– INA226 (0x41), верх второй ветви
04
Щуп 5 — Ток базы
После шунта 10 Ом, узел A1
Комплекс обеспечивает
автоматизированное снятие
ВАХ, расчёт статического и
дифференциального
сопротивлений, передачу
данных на ПК через UART
для визуализации в
LabStand.

11.

Расчётные выражения и итоги проектирования
Создана полноценная измерительная установка,
Ключевые формулы
Измерение тока бызы (для транзисторов) (щуп 5):
включающая:
Стабилизированную линию 5 В с фильтрацией
Систему шунтов (0,1 Ом ×2 и 10 Ом) для измерения
токов
Напряжение на исследуемом элементе:
Датчики INA226 для регистрации токов, напряжений и
мощности
где U_I1− — напряжение на выходе первого шунта, U_I2+
— на входе второго шунта. Использование двух
независимых точек измерения исключает влияние
сопротивления проводников.
Цепь измерения тока базы транзистора на основе
шунта 10 Ом
Блок программируемой нагрузки на MOSFET IRLZ44N
Конструкция обеспечивает подключение исследуемых
элементов через систему щупов, измерение токов и
напряжений в нескольких точках цепи и построение вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов.

12.

АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
ПО комплекса разработано на Python
(PyCharm). Архитектура разделена на уровни:
Верхний уровень — ПК: GUI, обработка данных,
диагностика
Нижний уровень — Arduino: управление аппаратурой,
генерация PWM, измерения INA226
Модули ПО:
o main.py
o main_window.py
o measurement.py
o analysis.py,
o dialogs.py
o diagnostics.py.
o styles.py
o element_selector.py
o LabStand Arduino.ino

13.

Функциональные области главного окна
• Панель выбора режима
измерений
• Область настройки
параметров
• Графическая панель для
отображения вольт-амперных
характеристик
• Текстовая область для вывода
диагностических сообщений

14.

Модули выбора режима и диалоговые окна
Для выбора исследуемого элемента и соответствующего режима работы используется отдельный модуль element_selector.py,
реализующий окно выбора режима. Это окно позволяет пользователю переключаться между исследованием отдельных
элементов, транзисторов и электрических цепей.

15.

Модули выбора режима и диалоговые окна
Выбор режима измерений
Для
выбора
исследуемого
элемента
и
соответствующего режима работы используется отдельный
модуль element_selector.py, реализующий окно выбора
режима. Это окно позволяет пользователю переключаться
между исследованием отдельных элементов, транзисторов
и электрических цепей.
Диалоговые окна
Важной частью интерфейса являются диалоговые окна,
реализованные в модуле dialogs.py. Они используются для
ввода параметров измерений, настройки ограничений тока
и напряжения, выбора профилей и отображения
предупреждений.
Диалоговые
окна
обеспечивают
корректность данных и предотвращают ошибки ввода.

16.

Окно обработки ошибок
Окно предупреждения об ошибке выбранного значения информирует пользователя о неправильном
выборе параметра и предотвращает запуск некорректного эксперимента.

17.

Исследование одиночных
нелинейных элементов
Объект — стабилитрон 1N4728A (3,3 В, 1 Вт). Режим линейного
разгона: 50 точек, диапазон 0–1 В. Данные передаются на ПК,
визуализируются и экспортируются в Excel.
Прямое включение
Порог 0,4–0,9В
Обратное включение
Пробой при 3,0–3,3 В, область стабилизации напряжения

18.

Прямое включение: экспериментальная ВАХ и сравнение с LTspice
Результаты эксперимента
Напряжение разгонялось от 0 до 1 В.
Зафиксировано 50 точек измерений.
Порог проводимости: 0,4–0,8 В
Максимальный ток: ~11,5 мА
Сравнение 50 точек
эксперимента и модели
позволило оценить точность
стенда и выявить различия
реального прибора и SPICEмодели.

19.

Анализ параметров: прямая ветвь
Значение
(эксперимент)
Параметр
Значение (LTspice)
Относительное
расхождение
Статическое
сопротивление
кОм