УДК 504.064.36

Разработка устройства контроля воздушной среды

Саракаев Сослан Михайлович – магистрант кафедры Промышленной электроники Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Кабышев Александр Михайлович – кандидат технических наук, доцент кафедры Промышленной электроники Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

Аннотация: В статье рассматривается, актуальная на сегодняшний день проблема, связанная с оперативным мониторингом и содержанием загрязняющих веществ в окружающей среде.

В данной работе представлена структурная схему устройства, предназначенного для оперативного сбора и передачи информации о состоянии воздушной среды городов. А также представлена компьютерная модель и были получены временные диаграммы работы модуля передачи данных по радиоканалу.

Устройство выполнено по модульному принципу с использованием современной элементной базы. Объектом мониторинга является приземный слой атмосферного воздуха.

Ключевые слова: экология, загрязнение, датчики, атмосфера, воздух, мониторинг, информация.

Одной из самых актуальных проблем охраны окружающей среды является предотвращение антропогенного загрязнения атмосферного воздуха в городах. От чистоты атмосферного воздуха зависит устойчивое функционирование биосферы.

Атмосферный воздух - жизненно важный компонент окружающей среды, его качество вносит существенный отпечаток в формирование патологических изменений состояния здоровья, как отдельных людей, так и популяции в целом [1].

Изменение уровня загрязнения воздуха обусловлено изменениями выбросов промышленных объектов, автотранспорта и метеорологическими условиями, также обладающими значительной временной изменчивостью. Опасные вещества, попадающие в атмосферу, подвергаются физико-химическим превращениям, вымываются или рассеиваются из атмосферы. Уровень загрязнения атмосферы от антропогенных источников зависит от того, будут ли эти вещества переноситься на большие расстояния от источника или скапливаться в районе их выброса [2].

Рассмотрим структурную схему разработанного устройства, предназначенного для оперативного сбора и передачи информации о состоянии воздушной среды городов. Схема устройства выполнена по модульному принципу с использованием средств микропроцессорной техники, что значительно расширяет ее функциональные возможности.

На рис.1 изображена схема, показывающая взаимодействие модулей, входящих в состав устройства, предназначенного для мониторинга состояния воздушной среды.

Разработанное устройство предназначено для установки на борту средств городского общественного транспорта, движущегося по фиксированному маршруту, что позволяет проводить непрерывный мониторинг состояния окружающей среды, и расширяет возможности оперативного контроля состояния приземный слой атмосферного воздуха.

1

Рисунок 1. Структурная схема устройства сбора информации о состоянии воздушной среды.

На структурной схеме показаны все основные функциональные части устройства и стрелками обозначено направление передачи информации между модулями. Работой модулей управляет высокопроизводительный микроконтроллер (МК).

Такой способ построения схемы позволяет получать различные модификации устройства, с различными функциональными возможностями, путем комплектования схемы соответствующими модулями.

В модуле датчиков расположены датчики газа, которые предназначенные для регистрации диоксида серы, оксида углерода и диоксида азота. Информация, поступающая с датчиков, записывается в модуль памяти по сигналу, формируемому модулем управления, на остановках общественного транспорта.

Модуль передачи информации используется для передачи по радиоканалу на центральный диспетчерский пункт собранной в модуле памяти информации, во время движения транспортного средства в непосредственной близости от центрального диспетчерского пункта. Передачу информации инициирует сигнал WR, который поступает из модуля управления.

Для анализа электромагнитных процессов, протекающих в модуле передачи информации, была разработана компьютерная модель этого модуля.

2

Рисунок 2. Компьютерная модель модуля передачи информации.

На рис.2 показана схема модуля передачи информации, адаптированная для моделирования в среде программного продукта OrCAD.

В состав схемы входит генератор высокочастотных импульсов, усилитель и модулятор [3, 4, 5].

Генератор выполнен на основе транзистора T1. Элементы L1, C2, входящие в состав генератора, образуют резонансный контур, который задает частоту импульсов генератора. Сигнал, формируемый генератором, подается на вход усилителя, выполненного на транзисторе Т2. Элементы C6, C7, L2 входят в состав резонансного контура, настроенного на частоту передаваемого сигнала.

Для управления процессом передачи информации используется транзисторный ключ (модулятор) T3. В схеме применяется амплитудная манипуляция сигнала основанная на модуляции длительности передаваемых пачек высокочастотных импульсов. При передачи логической единицы формируется сигнал в виде пачки высокочастотных импульсов, длительность которой превышает длительность пачки импульсов формируемой при передаче логического нуля. Для управления модуляцией используется схема выполненная на элементах DD1А, DD2А, V2, V3, Элементы V2, V3 выполняют функции генераторов прямоугольных импульсов, длительности которых различаются, что позволяет моделировать процесс передачи двоичного кода.

Элементы DD1А, DD2А,V2, V3 на функциональном уровне заменяют работу микроконтроллера, выполняющего передачу информационной посылки в виде последовательности единиц и нулей: 1 0 1 0 1…...

На рис.3 – рис.7 показаны временные диаграммы, поясняющие процесс формирования и передачи фрагмента двоичного кода: 1 0 1 0 1.

3

Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входах элемента DD1А.

На рис.3 показан процесс формирования информационной посылки, состоящей из последовательности единиц и нулей, импульсы разной длительности формируются с помощью генераторов V2, V3.

4

Рисунок 4. Временная диаграмма сигнала на выходе DD2А.

На рис.4 показаны импульсы, которые должны формироваться в схеме рис.1 на выходе микроконтроллера, управляющего работой модуля передачи информации, короткие импульсы соответствуют логическому 0, импульсы большей длительности соответствуют логической 1.

5

Рисунок 5. Временная диаграмма сигнала на коллекторе модулятора T3.

На рис.5 сигналы низкого уровня соответствуют открытому состоянию транзистора Т3, в эти моменты времени модулем передачи информации (рис.1) осуществляется передача информации по радиоканалу.

Временная диаграмма высокочастотных импульсов, формируемых на коллекторе транзистора T1, показана на рис. 6.

6

Рисунок 6. Временная диаграмма сигнала на выходе высокочастотного генератора.

На рис.7 и рис.8 отображены диаграммы сигнала в точке подключения передающей антенны (между конденсаторами С7 и С6). Диаграммы сигнала соответствуют различным величинам сопротивления резистора R4.

7

Рисунок 7. Временная диаграмма сигнала на выходе усилителя при R4=1.5K.

8

Рисунок 8. Временная диаграмма сигнала на выходе усилителя при R4=4.5K.

Показанные временные диаграммы подтверждают работоспособность схемы модуля передатчика информации. Разработанная компьютерная модель, показанная на рис.2, позволяет проводить оптимизацию параметров схемы. Результаты полученные в ходе работы, могут найти применение при разработке системы мониторинга состояния атмосферного воздуха.

Список литературы

  1. Особенности загрязнения атмосферы в городах в современных условиях. URL: http://mrmarker.ru/p/page.php?id=1542
  2. Исследование загрязнения городских антропогенных ландшафтов. URL: http://www.dslib.net/fiz-geografia/issledovanie-zagrjaznenija-gorodskih-antropogennyh-landshaftov-na-primere-g-nalchik.html
  3. Головин, О.В. Системы и устройства коротковолновой радиосвязи. / О.В. Головин, С.П. Простов. - М.: ГЛТ , 2006. - 598 c.
  4. Комашинский, В. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации / В. Комашинский. - М.: ГЛТ, 2007. - 176 c.
  5. Комашинский, В.И. Системы подвижной радиосвязи с пакетной передачей информации. Основы моделирования. / В.И. Комашинский, А.В. Максимов. - М.: ГЛТ , 2007. - 176 c.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail