Главная Налоги и взносы (уплата) Микропроцессорное управление микроклиматом теплицы. Система управления микроклиматом теплицы

Микропроцессорное управление микроклиматом теплицы. Система управления микроклиматом теплицы

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Темой курсового проекта является: «Разработка системы управления микроклиматом в теплице».

На значительной территории нашей страны в связи с продолжительной, нередко суровой зимой и коротким, не всегда теплым летом складываются неблагоприятные условия для выращивания теплолюбивых растений в открытом грунте.

Для расширения возможности выращивания растений и снабжения населения свежими продуктами питания, особенно овощами, в неблагоприятные периоды года применяют различные сооружения защищенного грунта, в которых искусственно создаются необходимые условия для роста и развития растений. По степени удовлетворения потребностей растений в комплексе факторов жизнеобеспечения или по технологической сложности сооружения защищенного грунта подразделяют на парники, утепленный грунт и теплицы.

В сооружениях защищенного грунта необходимо стремиться к созданию оптимальных параметров среды выращивания. К сожалению, в простейших теплицах на приусадебных участках в основном на солнечном обогреве не всегда этому уделяется должное внимание. В результате растения в таких теплицах постоянно находятся в стрессовых условиях. Ночью, как правило, растения переохлаждаются, днем в солнечную погоду перегреваются. Особенно усугубляются неблагоприятные воздействия в теплицах, расположенных на садово-огородных участках, значительно удаленных от мест постоянного проживания владельцев. В таких теплицах, посещаемых, как правило, лишь в выходные дни, нет возможности оперативно вмешаться в формирование климата, в результате чего он нередко далек от оптимального. Правильный тепловой режим в теплицах позволяет повысить урожайность в 2-3 раза.

Существуют многочисленные системы автоматизированного управления микроклиматом теплиц. Как правило, такого рода системы, поставляемые многочисленными фирмами (НПО «Схемотехник», НПФ «Фито», система «Агротем») содержат полный комплекс управления микроклиматом.

Такие системы, конечно, хороши и эффективны, но обладают вполне ощутимым недостатком - высокой стоимостью. Использование такого рода систем в промышленной агротехнике оправдана: территория теплиц огромна, а такая система позволяет экономить на персонале, получать большой урожай, что позволяет увеличить прибыль, а, следовательно, окупить систему.

1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

1.1 Общие сведения

1.1.1 Наименование системы

Система управления микроклиматом в теплице.

1.2 Назначение системы

1. Контроль температуры в теплице;

2. Контроль влажности в теплице;

3. Обеспечение удобного управления микроклиматом в теплице;

1.3 Цель создания системы

1. Точное соблюдение условий выращивания культур для повышения урожайности;

2. Автоматизация операций полива и проветривания, не требующих непосредственного участия в выращивании культур;

3. Слежение за изменением микроклимата для защиты культур от неблагоприятных факторов (резкое изменение температур, засуха).

1.4 Значение показателей

1.4.1 Режимы работы

1) Режим включение системы: При включении системы производится анализ текущих климатических показателей;

2) Режим установки параметров работы: выбирается тип выращиваемой культуры: томат, огурец, перец, розы, баклажаны;

3) Режим проветривания теплицы в случае, когда температура в теплице выше рабочей;

4) Режим нагрева теплицы, когда температура в теплице ниже рекомендуемой.

5) Режим полива, если влажность воздуха ниже рекомендуемой.

6) Режим индикации температуры и номера установленного режима в теплице.

1.4.2 Входные данные

1. Значения фактической температуры в теплице

2. Значение фактической влажности в теплице

3. Установленные значения температуры для выбранного продукта выращивания.

4. Установленные значения влажности для выбранного режима работы.

5. Сигналы нажатия кнопок управления.

1.4.3 Выходные данные

1. Сигналы для индикации температуры в теплице.

2. Сигнал индикации влажности.

3. Сигналы на исполнительные устройства для проветривания, нагрева и полива.

1.5 Требования к системе

1.5.1 Требования по электропитанию

1. Питание системы должно осуществляться от сети 220 В.

2. Не должна потреблять более 100 Вт электроэнергии.

1.5.2 Требования к метрологическому обеспечению

1. Диапазон измеряемых температур: от 0°С до +50°С.

2. Точность индикации: ±1°C .

3. Погрешность измерений температуры: ±1°C.

4. Погрешность измерений влажности: ±1%.

5. Измерение производить не реже, чем 1 раз в час.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ

2.1 Описание функций, которые выполняет система

Для разработки структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы, кратко опишем функции, которые должна выполнять разрабатываемая система:

1. Начальный запуск системы

2. Выбор необходимого для поддержания типа микроклимата.

3. Прием данных с датчиков и обработка этих данных в соответствии с алгоритмом.

4. Вывод текущих параметров микроклимата среды.

5. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания/нагрева, полива.

2.2 Основные модули

Исходя из требований технического задания и функций, которые должна выполнять разрабатываемая система, можно выделить основные модули, из которых должна состоять вычислительная система.

2.2.1 Датчики

Датчики - являются неотъемлемой частью системы, они используются для того, чтобы система могла в реальном времени реагировать на изменения внешних параметров по заранее разработанному алгоритму.

Так как мы проектируем систему, которая будет использоваться в небольших теплицах, поэтому ограничимся одним датчиком температуры и одним - влажности. Однако при выборе устройства управления следует учесть возможность подключения дополнительных датчиков с целью уточнения данных или с целью увеличения функциональных возможностей.

температурный датчик микроклимат теплица

2.2.2 Устройство управления

Устройство управления является главной частью системы, оно необходимо для сбора и обработки информации поступающей с системы датчиков, выработки управляющих сигналов для исполнительных устройств, а также вывода информации на устройство индикации.

2.2.3 Пульт управления и устройство визуальной индикации

Пульт управления и устройство визуальной индикации необходимы для выбора типа микроклимата, для визуального вывода текущей температуры и влажности в теплице.

2.3 Выбор варианта структуры

В соответствии с определенными выше функциями можно определить общую структуру системы. Структурная схема системы представлена на первом листе графической части. Устройство управления получает от датчиков температуры, влажности и кнопок управления данные, преобразует их в соответствии с алгоритмом работы и выдает данные на индикаторы для отображения температуры и влажности, а также при необходимости сигналы на ключевые элементы. Ключевые элементы позволяют включать/выключать исполнительные устройства в том порядке, в который установлен в алгоритме.

3. ВЫБОР ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

3.1 Выбор микроконтроллера

Микроконтроллер решено взять из семейства AVR фирмы Atmel, поскольку данное семейство контроллеров имеет высокое быстродействие, обладает хорошим показателем функциональность/цена и имеет множество моделей различной функциональности. Эти микроконтроллеры широко распространены, для них существуют удобные среды разработки, и они имеют массу документации на различных языках, в том числе и на русском.

Корпорация Atmel (США) хорошо известна как на мировом, так и на российском рынках электронных компонентов и является одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве сложных изделий микроэлектроники - устройств энергонезависимой памяти высокого быстродействия и минимального удельного энергопотребления, микроконтроллеров общего назначения и микросхем программируемой логики.

Одним из самых активно развиваемых Atmel Corp. направлений современной микроэлектроники является линия 8-разраядных высокопроизводительных RISC (Reduced Instruction Set Computers) микроконтроллеров общего назначения, объединенных общей маркой AVR.

Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных контроллеров многоцелевого назначения, в том числе и встраиваемых. На настоящий момент соотношение «цена - производительность - энергопотребление» для AVR является одним из лучших на мировом рынке 8-ми разрядных микроконтроллеров.

В настоящее время в производстве у Atmel Corp. находятся три семейства AVR - «tiny», «classic», «mega».

Области применения AVR многогранны. Для «tiny» AVR это интеллектуальные автомобильные датчики различного назначения, игрушки, игровые приставки, материнские платы персональных компьютеров, контроллеры защиты доступа в мобильных телефонах, зарядные устройства, детекторы дыма и пламени, бытовая техника, разнообразные инфракрасные пульты дистанционного направления. Для «classic» AVR это модемы различных типов, современные зарядные устройства, изделия класса Smart Cards и устройства чтения для них, спутниковые навигационные системы для определения местоположения автомобилей на трассе, сложная бытовая техника, пульты дистанционного управления, сетевые карты, материнские платы компьютеров, сотовые телефоны нового поколения, а также разнообразные промышленные системы контроля и управления. Для «mega» AVR это аналоговые (NMT, ETACS, AMPS) и цифровые (GSM, CDMA) мобильные телефоны, принтеры и ключевые контроллеры для них, контроллеры аппаратов факсимильной связи и ксероксов, контроллеры современных дисковых накопителей и CD-ROM и т.д.

Российские специалисты уже по достоинству оценили высокую скорость работы и мощную систему команд AVR, наличие двух типов энергонезависимой памяти на одном кристалле и активно развивающуюся периферию. Немаловажную роль в этом играет Atmel Corp. в процессе развития и распространения разнообразных, доступных средств поддержки разработок. Это позволяет разработчикам и производителям электронной техники надеяться на сохранение полноценной поддержки для перспективного семейства микроконтроллеров, закладывая AVR в свои новые изделия.

Микроконтроллер семейства AVR фирмы Atmel представляет собой восьмиразрядную однокристальную микро-ЭВМ с упрощенной (сокращенной) системой команд - RISC.

Большинство команд, входящих в систему команд, выбираются из памяти за один такт и выполняются за один такт работы микроконтроллера. При выполнении последовательности таких команд выборка из памяти очередной команды совмещается во времени с исполнением ранее выбранной команды(2-х ступенчатый конвейер). При этом число команд, выполняемых за 1с, совпадает с тактовой частотой работы микроконтроллера.

Микроконтроллеры изготовляются по высококачественной КМОП (CMOS) технологии, содержат энергонезависимые запоминающие устройства для хранения программы и данных, выполненные по Flash и EEPROM технологиям, и отличаются низким энергопотреблением при высокой тактовой частоте. Запись программы и исходных данных в память может выполняться после установки микроконтроллера в аппаратуре, где ему предстоит работать (ISP, In-System Programmable).

В состав семейства AVR входят микроконтроллеры трех серий - AT90(«classic»), ATtiny(«tiny»), ATmega(«mega»). В каждую серию входят микроконтроллеры нескольких типов. Микроконтроллеры серии AT90 по своим структурным характеристикам (объем памяти, состав периферийных устройств) близки к микроконтроллерам семейств AT89 фирмы Atmel и MCS-51 фирмы Intel. По своим вычислительным возможностям они занимают среднее положение между микроконтроллерами серий ATtiny и ATmega. Микроконтроллеры серии ATtiny имеют наименьшие, а микроконтроллеры серии ATmega - наибольшие вычислительные возможности в семействе AVR.

Микроконтроллеры одного типа выпускаются в нескольких вариантах, различающихся диапазоном допустимых значений напряжения питания, максимальным допустимым значением тактовой частоты, типом корпуса и диапазоном допустимых значений температуры окружающей среды.

Фирма Atmel выпускает программные и аппаратные средства поддержки разработок на базе микроконтроллеров семейства AVR.

На данный момент микроконтроллеры серии «classic» семейства AVR снимаются с производства, т.к. в наличии имеются сопоставимые с ними по вычислительной мощности микроконтроллеры серии «tiny», но последние имеют меньшую стоимость. Поэтому выбор микроконтроллера будет производиться из серий «tiny» и «mega» семейства AVR.

В литературе приведены наиболее характерные и подходящие к выполняемой задаче представители серий «tiny» и «mega». Как видно, серия «tiny» не сможет справиться с поставленной задачей, т.к. количество выводов у этих микроконтроллеров невелико (максимальное количество выводов у ATtiny2313 - 20), а для выполнения данной работы требуется большее количество.

Ориентировочно требуется 25 выводов: 12 для организации матрицы индикации на основе двух 7-ми сегментных индикаторов (двухразрядный и трехразрядный), 3 для подключения датчиков, 5 для подключения кнопок управления, 5 для управления исполнительных устройств.

Таким образом, выбор микроконтроллера будет осуществляться из серии «mega». Согласно литературы, оптимальным решением будет микроконтроллер ATmega16, т.к. он обладает достаточным объемом памяти, необходимым количеством выводов, высоким быстродействием и хорошим набором периферии (АЦП, таймеры, внутренний RC-генератор TWI-интерфейс.).

Рисунок 1- Микроконтроллер ATMega16.

Рисунок 2- Архитектура микроконтроллера ATMega16.

3.2 Выбор температурного датчика

В качестве датчика температуры был выбран датчик DS1621 фирмы Dallas, представленный на рисунке 3.

Рисунок 3 - Температурный датчик DS1621.

Основные его свойства:

· Прямое преобразование температуры в цифровой код, без дополнительных АЦП

· Возможность передачи данных через одно-, двух- проводной интерфейс

· Возможность адресации нескольких датчиков на одной шине

· Заводская калибровка и встроенная коррекция нелинейности, не нужно дополнительной подстройки

· Широкий диапазон измерения температуры (-55 … +125°С)

· Высокое быстродействие (время преобразования от 0.5 до 2 с)

· защита от агрессивной среды

Технические характеристики датчика приведены в таблице 1:

Таблица 1

Точность
Время преобразования
Разрешение
Интерфейс
Тип корпуса

Температурный датчик необходимо установить таким образом, чтобы на него не попадали прямые солнечные лучи, а также вода при поливе, стремясь при этом максимально уменьшить удаленность от шкафа с микроконтроллером.

3.3 Выбор датчика влажности

В качестве датчика влажности был выбран HIH 4000-003. Он обеспечивает широкий диапазон измерений, высокую надежность и низкую стоимость при использовании микроэлектронной технологии. Это позволяет производить емкости планарного типа тонкопленочным методом. Благодаря этому мы имеем миниатюрные габариты чувствительного элемента, возможность имплементации на кристалле специализированной интегральной схемы обработки сигнала. Технологичность и высокий выход годных кристаллов обеспечивают малую стоимость продукции данного типа. Параметры датчика влажности приведены в таблице 5. Возможно прямое подключение к АЦП микроконтроллера благодаря стандартному размаху выходного сигнала (от 1.0 до 4.0 В). Установить датчик необходимо таким образом, чтобы капли воды при поливе не попадали не него, а также защитить от воздействия прямых солнечных лучей, во избежание снижения точности измерения.

Рисунок 4 - Датчик влажности HIH 4000-003.

Таблица 2

3.4 Выбор средств индикации

В системе нам необходимо визуально отображать текущую температуру в теплице и выбранный режим работы. Для этого будем использовать семисегментные индикаторы. Можно предположить, что возникнет такая ситуация, когда в теплице будет отрицательная температура, поэтому для визуализации текущей температуры возьмем трехразрядный семисегментный индикатор. Основных рабочих режимов у нас пять, поэтому для отображения рабочего режима используем одноразрядный семисегментный индикатор.

Будем использовать индикаторы BA56-12 фирмы KingBrigth и LDD3051 фирмы LIGI. Технические характеристики приведены в таблице 3.

Таблица 3

Устройства индикации и схемы их включения представлены на рисунке 4(а,б).

Рисунок 4а - Трехразрядный семисегментный индикатор

Рисунок 4б- Двухразрядный семисегментный индикатор и схема подключения

3.5 Выбор ключевых элементов

В качестве ключевых элементов выберем симистор, который как раз и предназначен для коммутации нагрузки на переменном токе. Так как коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт, а контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка -- симисторный оптодрайвер MOC3041 (рисунок 5). Можно не бояться помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений. Характеристики симисторного оптодрайвера приведены в таблице 4.

Таблица 4

Рисунок 5 - Cимисторный оптодрайвер MOC3041

В качестве симистора взят ВТ 139 (рисунок 6)

Рисунок 6 - Симистор ВТ 139

Параметры симистора приведены в таблице 5.

Таблица 5

3.6 Выбор исполнительных устройств

В системе микропроцессор должен управлять открытием двери/фрамуг, поливом и обогреванием теплицы.

Для полива будем использовать капельную систему. Она состоит из труб, капельниц и электроклапана для воды. Электромагнитный клапан предназначен для включения или выключения подачи жидкости или газа в трубопроводе при подаче на него соответствующего электрического сигнала. Будем использовать клапан 2W21(рисунок 7).

Рисунок 7 - Клапан 2W21

Размеры клапана приведены в таблице 6

Таблица 6

Размер, мм

Этот же электроклапан будем использовать для подачи горячей воды в трубы при отоплении теплицы.

Для проветривания теплицы необходимо на дверь, боковую фрамугу и фрамугу в крыше поставить 3 мотор-редуктора, для открытия или закрытия фрамуг. Будем использовать IG32p-02. Параметры мотор-редуктора приведены в таблице 7.

Таблица 7

3.7 Выбор дополнительных элементов

Для питания микропроцессора от сети 220 В необходима схема согласования, так как процессор питается от постоянного напряжения в 5В. Будем использовать импульсный источник питания TP220-12.Параметры приведены в таблице 8.

Таблица 8

В качестве стабилизатора напряжения будем использовать LM340K-5 (рисунок 9). Параметры приведены в таблице 9

Таблица 9

Рисунок 9 - Стабилизатор напряжения LM340K-5

В схеме необходимо использовать 5 транзисторов в ключевом режиме для управления семисегментными индикаторами.

Схема работы: при наличии высокого уровня на базе транзистора, транзистор открывается и на выходе ключа будет низкий уровень. При низком уровне напряжения на базе транзистора транзистор будет закрыт и на выходе ключа будет высокий уровень, определяемый уровнем напряжения, подключенного к коллектору транзистора. Таким образом, транзистор все время либо разомкнут, либо замкнут, его потребляемая мощность практически нулевая, поэтому нам подходит практически любой транзистор. Выберем транзистор КТ315, поскольку он удовлетворяет нужным параметрам, распространен и недорого стоит. Его характеристики приведены в таблице 10.

Таблица 10

Для установки и выбора режима нам необходимы пять кнопочных переключателя. Для этой цели будем использовать переключатели MPS-5802 (рисунок 10), параметры переключателя приведены в таблице 12.

Рисунок 10 - Переключатель кнопочный MPS-5802.

Таблица 11

Параметры:	30В пост. 0,1A
Сопротивление контактов:
Сопротивление изоляции:	>100MOм пост. 125В
Электрический ресурс:	10000 циклов
Сила нажатия:
Сопротивление изоляции:	>100Moм пост. 125В
Температура пайки: 250°C макс.
Выдерживаемое напряжение:	125В oolea. 1 мин.
Механический ресурс:	100000 циклов
Выдерживаемое напряжение:
Рабочая температура:	от _25°C до +65°C

4. ОПИСАНИЕ СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ

Электрическая принципиальная схема приведена на третьем листе графической части работы.

Питание нашей системы будет от стандартной сети 220В, 50 Гц. Для питания микропроцессора и других элементов схемы необходимо постоянное напряжение 5 В.

Импульсный источник питания подключен к сети 220В. В качестве стабилизатора напряжения включена микросхема интегрального стабилизатора U1 -- LM340K-5, схема включения -- стандартная, рекомендованная производителем.

Данные с датчика температуры считывается микропроцессором по интерфейсу I2C, а данные с датчика влажности - через АЦП. Переключение каналов АЦП, обработка данных с датчиков температуры, выработка сигналов на исполнительные устройства, вывод информации на устройство индикации осуществляется программно с помощью соответствующих средств микроконтроллера.

Для вывода визуальной информации об установленной влажности и температуре в теплице используем трехразрядный и двухразрядный семисегментные светодиодные индикаторы.

Принцип индикации следующий. Каждую 16 мс загорается одна цифра индикаторов. Для определения номера цифры в программе микроконтроллера есть счетчик (указатель индикатора), который считает от 0 до 2. Восьмиразрядный таймер счетчик запрограммирован так, что через каждые 16 миллисекунд возникает прерывание. Таким образом, каждые 16 миллисекунд горит одна цифра. В следующую миллисекунду загорается следующая цифра, а эта гаснет. Глаз же человека воспринимает это так, как будто горят одновременно все цифры.

При включении питания микроконтроллер принимает сигнал RESET, который определяет начальную синхронизацию встроенного калибруемого генератора. Узел программирования получает сигналы синхронизации от синхронизатора и управляет работой счетчика команд и FLASH-памятью программ.

Регистр команд содержит команду, которая выбирается из FLASH-памяти программ для выполнения. Дешифратор команд по коду операции определяет, какая команда должна выполняться. Далее происходит последовательная выборка и исполнение команд в соответствии с алгоритмом работы.

При нажатии на кнопки управления происходит прерывание и управление предается соответствующему обработчику прерывания, где по алгоритму происходит установка нужного режима. Заданные значения температур и влажности сохраняются в соответствующих РОН при выборе режима работы.

5. ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМОВ ПРОГРАММЫ

В данном разделе будет приведено описание алгоритма программы микропроцессорной системы управления микроклиматом в теплице.

Алгоритм разрабатываемой программы предназначен для реализации следующих функциональных возможностей:

1.Контроль температуры в теплице.

2. Контроль влажности в теплице.

3. Обеспечение удобного управления микроклиматом в теплице

4. Возможность устанавливать различные типы микроклимата в теплице для выращивания разных видов культур.

Для организации этих возможностей необходимо реализовать следующий алгоритм.

Изначально необходимо инициализировать, используемые в МК порты.

Затем, производится опрос нажатия кнопки 1 и, если было нажатие, то выбирается режим 1. Если нажатия не было, опрашивается кнопка 2. Если снова нажатие не произошло, МК опрашивает следующую кнопку. Так происходит до тех пор, пока одна из кнопок выбора режима работы системы не будет нажата. Переменная Rezim получает соответствующее значение.

Затем, в соответствии со значением переменной, производится выбор соответствующего режима работы с соответствующими параметрами: Tm-температура максимальная, Tn-Температура номинальная, Vm-влажность максимальная, Vn-влажность номинальная. Далее производится считывание температуры в переменную T,а также считывание влажности в V.

Далее происходит индикация старшей цифры влажности, потом младшей цифры влажности, знака температуры, старшей цифры температуры, младшей цифры температуры, методом поджигания каждого сегмента дисплея на короткий промежуток времени (16мс), а наш глаз не видит этого мерцания, поэтому мы видим свечение цифры.

После этого, производится сравнение параметров температуры Т и максимального значения температуры Tm. Если значение температуры превышает максимум, то программа проверяет открыты ли дверь и фрамуга на крыше, если не открыты, то открывает их. Если выбран режим 1 или 5, то открывается фрамуга боковая и программа переходит к сравнению влажности V и влажности номинальной Vn. Если же температура T не превышает максимальную температуру Tm, то программа сравнивает температуру Т и температуру номинальную Тn. Если температура Т меньше Tn, то программа проверяет, открыта ли фрамуга боковая, если да, то закрывает ее, фрамуга на крыше, если да, то закрывает ее, дверь, если да, то закрывает ее. После этого программа дает команду включить обогреватель на 30 минут, затем выключить обогреватель.

Затем программа переходит к сравнению влажности V и влажности номинальной Vn. Если влажность V меньше, чем номинальная влажность Vn, то программа проверяет, выбран ли режим 1 или 3. Если нет, то программа включает капельный полив на 15 минут, потом выключает его, происходит задержка 30 минут и программа начинается сначала. Если же был выбран режим 1 или 3, то программа сравнивает значение влажности V и максимальное значение влажности Vm. Если влажность равна максимальной или больше ее то происходит задержка на 30 минут и программа начинается с начала. А если влажность V меньше максимальной влажности Vm, то программа включает капельный полив на 15 минут, затем выключает его и возвращается к сравнению влажности V и максимальной влажности Vm.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1) Дубров Ф.И.. «Методические указания по выполнению курсового проекта по дисциплине «Микропроцессорные системы»» - Краснодар, ККЭП.

2) Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. - М.Ж Издательский дом «Додэка XXI», 2004

3) Тигранян Р.Э. Микроклимат. Электронные системы обеспечения. - ИП. Радиософт, 2005

4) Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. - М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 176с.

Размещено на Allbest.ur

Подобные документы

Обзор системы управления микроклиматом FC-403-65. Разработка структурной схемы системы управления температурным режимом теплицы. Выбор датчиков и исполнительных механизмов, принципиальная схема их подключения. Разработка инструкций по эксплуатации.

дипломная работа , добавлен 10.04.2017

Разработка микропроцессорной системы управления микроклиматом в теплице. Требования пользователя в автоматизированной системе, алгоритм ее функционирования. Мониторинг и индикация температуры и влажности в соответствии с выбранным режимом работы.

курсовая работа , добавлен 21.12.2015

Проектирование радиолокационного прибора измерения скорости и дальности до помехи. Составление структурной схемы. Выбор элементной базы (радар, микроконтроллер, пульт управления, звуковая сигнализация, панель индикации). Алгоритм функционирования системы.

курсовая работа , добавлен 14.11.2010

Описание алгоритма работы и разработка структурной схемы микропроцессорной системы управления. Разработка принципиальной схемы. Подключение микроконтроллера, ввод цифровых и аналоговых сигналов. Разработка блок-схемы алгоритма главной программы.

курсовая работа , добавлен 26.06.2016

Анализ существующих систем контроля и управления доступом (СКУД). Разработка структурной схемы и описание работы устройства. Выбор и обоснование эмулятора для отладки программы работы СКУД. Отладка программы системы управления охранной сигнализацией.

курсовая работа , добавлен 23.03.2015

Аналитический обзор существующих систем управления. Выбор датчиков и исполнительных механизмов. Разработка структурной схемы системы управления зажиганием двигателя внутреннего сгорания. Внедрение программы в ЭВМ. Расчет надежности системы управления.

дипломная работа , добавлен 19.01.2017

Пульт дистанционного управления на ИК лучах. Протокол RC-5 и принцип его работы. Разработка ИК пульта и приемника дистанционного управления. Алгоритм программы обработки прерывания ИК приемника. Разработка схемы электрической принципиальной ИК пульта.

курсовая работа , добавлен 01.02.2013

Методы цифровой обработки сигналов в радиотехнике. Информационные характеристики системы передачи дискретных сообщений. Выбор длительности и количества элементарных сигналов для формирования выходного сигнала. Разработка структурной схемы приемника.

курсовая работа , добавлен 10.08.2009

Состояние проблемы автоматического распознавания речи. Обзор устройств чтения аудио сигналов. Архитектура системы управления периферийными устройствами. Схема управления электрическими устройствами. Принципиальная схема включения электрических устройств.

дипломная работа , добавлен 18.10.2011

Устройство функционально-диагностического контроля системы управления лучом радиолокационной станции (РЛС) боевого режима с фазированной антенной решеткой. Принципы построения системы функционального контроля РЛС. Принципиальная схема электронного ключа.

Выращивание в промышленных масштабах тепличной сельхозпродукции в условиях искусственного климата представляет собой непростую технологическую задачу. На урожайность и качество продукции влияет множество факторов. Это температурный режим, освещение, полив, распыление химических реагентов, проветривание. Предлагаемая статья знакомит читателей с работой системы автоматики на базе приборов ОВЕН в тепличном хозяйстве «Нефтекамский».

Отопление теплиц в условиях российского климата - дело не дешевое - энергозатраты на содержание в зимний период значительно превышают затраты на отопление жилых зданий. Поэтому при постройке теплиц весьма актуальны проектировочные решения, позволяющие снизить энергопотребление. В этом вопросе основное место отводится современному автоматическому оборудованию. Для создания оптимальных условий выращивания овощей круглый год в тепличном комбинате «Нефтекамский» была разработана и внедрена в эксплуатацию система автоматизированного регулирования микроклимата теплицы (САР МТ).

Тепло, как летом

Оборудование для отопления теплицы включает в себя систему подогрева воздуха и грунта. Прогрев почвы сельскохозяйственных культур уменьшает срок вегетации растений за счет равномерного развития корневой системы (в среднем на две-три недели) и повышает урожайность (на 35-45 %). Сейчас самыми распространенными являются водяные системы, которые обеспечивают равномерное распределение тепла, что положительно сказывается на росте растений. Схема проста - теплоноситель (вода) нагревается в отопительном котле и с помощью циркуляционного насоса прокачивается по системе трубопроводов через трубные радиаторы, отдавая тепло воздуху и почве. Для наиболее эффективного обогрева всего объема теплицы стальные трубы могут быть размещены в нескольких ярусах. В нефтекамских теплицах - два яруса. Нижний - для прогрева грунта - расположен на уровне почвы между рядами растений (шаг укладки труб определяется теплотехническим расчетом и составляет 20-30 см). Верхний - под покрытием. Важно, чтобы была возможность раздельной регуляции отопительных приборов в разных ярусах. Температура теплоносителя в системе подогрева грунта составляет около 40 °С (чтобы не пересушить корневую систему).

Возможности регулировки

Обеспечить теплицу теплом - это полдела, его еще нужно точно дозировать. Температура внутреннего воздуха в теплице должна изменяться в зависимости от культурооборота и вида овощей, а для одних и тех же овощей - в процессе роста и созревания в зависимости от времени суток. Для огурцов, например, температура воздуха в ночное время (около 18 °С) должна быть ниже, чем в дневное время (около 22 °С). Температура корнеобитаемого слоя почвы должна равняться температуре воздуха (или быть несколько выше).

Контролирование микроклимата наиболее эффективно с использованием электронных устройств, обеспечивающих управление температурой. Регуляция осуществляется несколькими способами - например, автоматическим открытием фрамуг, закрытием термостатов, снижением скорости работы циркуляционных насосов. С внедрением автоматизированной системы на комбинате «Нефтекамский» была проведена работа по разделению контуров обогрева на нижний и верхний. В качестве регулирующих органов были использованы имеющиеся трехходовые регулирующие клапаны. Для создания однородного температурного поля в каждом контуре обогрева установлены циркуляционные насосы TP100 фирмы GRUNDFOS.

Распределенная система управления

Распределенная система управления представляет собой двухуровневую сетевую структуру. Структурная схема САР МТ представлена на рис. 1.

Первый уровень объединяет программируемые контроллеры ОВЕН ПЛК100 (по одному на каждую теплицу) с контроллером верхнего уровня (ПЛК100), операторской станцией и модулями дискретного ввода/вывода ОВЕН МДВВ по сети Ethernet. К процессорным модулям можно подключать различные внешние периферийные устройства по последовательному интерфейсу RS-485/RS-232.

Подобная структура обеспечивает большие коммуникационные возможности, позволяющие с помощью стандартных интерфейсов и протоколов подключиться к управляющему устройству верхнего уровня. Второй уровень АСУ реализован на основе модулей ввода/вывода ОВЕН МВА8, операторской панели ОВЕН ИП320, датчиков температуры, других устройств и интерфейса RS-485/RS-232. Полевая сеть построена с несколькими линиями передачи данных.

Операторская станция получает данные с контроллеров по сети Ethernet для ведения журнала событий с регистрацией реального времени, сбоях и нештатных ситуациях. На компьютере отображаются все контролируемые параметры теплицы, задаются новые уставки для регуляторов и фрамуг. В качестве OPC-клиента используется SCADA-система. В рамках системы выполнены все задачи по архивации, сигнализации, протоколированию и организации человеко-машинного интерфейса.

Для обмена данными между контроллерами удобным оказался механизм сетевых переменных, благодаря которым оператор, находясь в удаленной теплице, может видеть на панели оператора ИП320 температуру и влажность наружного воздуха, направление и скорость ветра. Датчики, измеряющие эти физические величины, подключены к ПЛК верхнего уровня и доступны всем контроллерам первого уровня посредством простого и быстрого доступа к сетевым переменным.

Контроллер верхнего уровня обеспечивает работу всего тепличного комбината (без учета особенностей каждой теплицы): регулирует температуру и влажность с учетом состояния наружного воздуха, скорости и направления ветра, а также контролирует температуру и давление теплоносителя на входе и выходе.

В контроллерах теплицы решаются задачи автоматического регулирования температуры по двум контурам обогрева, управления циркуляционными насосами и приводами фрамуг, включением/выключением освещения. В теплице применяется двойная регулировка: один термостат установлен на поверхности пола, второй - в верхней точке, под коньком крыши. Щит управления со встроенными ПЛК100 и панелью оператора ИП320 находится в непосредственной близости от входа в теплицу.

Ввод аналоговых сигналов температуры, влажности, указателей положения регулирующих клапанов и фрамуг осуществлялся с помощью модулей МВА8. Для ввода сигналов состояния оборудования и вывода управляющих сигналов используются каналы контроллера ПЛК100, а также каналы модуля МДВВ. Удобной оказалась и панель оператора ИП320. В результате приобретенного опыта ее эксплуатации пришло решение продублировать на ней все функции местного управления, реализованные с помощью традиционных кнопочных постов.

Развитие проекта носит эволюционный характер

В настоящее время отработаны базовые схемы, обеспечивающие хорошее качество, быстродействие и надежность автоматизированной системы. В дальнейшем алгоритмы и решения будут усложняться для повышения качественных показателей САР МТ. Эта задача решаема - потенциал, заложенный в оборудовании ОВЕН, позволяет на это рассчитывать. Сейчас, например, решается проблема тепловой инерционности теплицы, создаваемой из-за неравномерности температурного поля, зависящего от направления и скорости ветра. Для этого к существующей системе двухконтурного обогрева необходимо будет добавить регулируемые тепловые контуры боковины и торца теплицы.

Отдельная задача - это контроль работы привода фрамуг, которые являются важной и ответственной частью тепличного хозяйства. Механизм привода представляет собой распределенную кинематическую схему, состоящую из электроприводов, валов, редукторов, реечных механизмов. При наличии множества механических сочленений, рассредоточенных под поверхностью прозрачного шатра теплицы, в них нередко появляются повреждения. Из-за этого возникают проблемы автоматического управления. А иметь достоверную информацию работы всех элементов привода фрамуг очень важно.

Заключение

На комбинате «Нефтекамский» с минимальными затратами была создана простая в эксплуатации, надежная, с хорошими рабочими характеристиками система. Анализируя данные, автоматика устанавливает такой климат в теплицах, что смена погоды не оказывает негативного воздействия на растения. Система позволяет снизить издержки при выращивании овощей, экономить энергоресурсы, минимизировать влияние человеческого фактора.

Одним солнечным деньком, придя в универ, я узнал, что в этом семестре у меня курсовой по схемотехнике. Преподаватель предлагал сделать только пояснительную записку «как реализовать проект» или же познать темную сторону инженерии и создать реальное устройство. А так, как я был уже на 4ом курсе, и вспомнив, что единственный раз когда я применял на практике свои навыки инженера был на первом курсе (прикрутил к стене книжную полку), я решил «поработать ручками». После недолгих размышлений, мною была выбрана тема «Система управления микроклиматом теплицы». Скорее всего на выбор повлияла моя любовь к автоматизации процессов, или же то, что я и сам занимался разведением огурцов в теплицах. Но не будем долго тянуть - начинаем.

Поиски материалов

От друзей и преподавателя услышал о платформе Arduino. Немного почитав про ардуинку и посмотрев пару реализованных проектов, желание создать что-нибудь свое стало еще больше. Для реализации проекта решил использовать Arduino Nano v3. Оригинал стоил чуть больше 20$, за копию отдал 10. Конечно дешевле было бы заказать на Aliexpress, но у меня не было ни времени, ни желания ждать целый месяц - хотелось начать немедленно.

C платой микроконтроллера определился и самое время решить, какие мне нужны датчики. Немного поразмышляв, решил в первый раз не делать что-то масштабное (как я люблю говорить «краткость - сестра таланта») и ограничиться тремя основными составляющими микроклимата теплицы - температура, освещенность и влажность почвы. Разберем все по порядку:

С датчиками определился. Самое время подумать о красивом корпусе. Пошарив по волнам интернета нашел вот этого красавца и решил: мой курсач будет в нем.

Но т.к. в нем есть отверстие под дисплей, у меня не осталось выбора как «добавить» в курсовую индикацию с помощью дисплея. Мною было принято решение использовать простой в обращении lcd 1602:

Разбираясь, как он работает натолкнулся на очень , где все подробно описано. Все пины подключал по примеру в статье. Код также прилагается.

В качестве источника питания использую крону на 9В. С материалами покончено. Приступаем к разработке.

Разработка

Зная как работает каждый элемент отдельно, не составляет труда собрать все в единое целое, что я и сделал. После нескольких часов первой пайки получилось что вроде этого:

Датчики сделал отдельно от основного корпуса:

Буду рад любой критике.

Введение
3. Разработка структуры
3.2.1 Датчики
3.2.2 Устройство управления
3.3 Алгоритм работы системы
4. Разработка схемы
4.1 Выбор микроконтроллера
4.2 Структура микроконтроллера ATmega 8535
4.3 Описание выводов микроконтроллера ATmega 8535
4.5 Выбор датчика влажности
4.6 Выбор средств индикации
4.7 Выбор ключевых элементов
Заключение
Библиографический список
Приложения

Введение

Существуют многочисленные системы автоматизированного управления микроклиматом теплиц. Как правило, такого рода системы, содержат полный комплекс управления микроклиматом:

· температура и влажность воздуха

· инфракрасный термометр листа

· температура и влажность почвы

· температура стекла

· температура зоны плодоношения

· температура в контурах отопления

· концентрация СО2 и т.д.

· ультразвуковой датчик ветра

· бесконтактный датчик осадков

Особенностью агротехники нашей страны является то, что 70% населения сами обеспечивают себя овощами в летний и осенний период за счет выращивания культур на приусадебных участках. Естественно, что в таких условиях выращивания человек не может постоянно контролировать микроклимат в теплице, но и покупать дорогостоящую систему тоже нет возможности. Многие из дачников используют подручные, не всегда надежные и эффективные свойства - гидроцилиндры для автоматического открывания форточек при слишком высокой температуре, бочку с небольшим отверстием для полива и прочее. Эти приспособления не дороги, но малоэффективны и не надежны (гидроцилиндры часто выходят строя, течет масло, уплотнительное кольца быстро приходят в негодность, температура, при которой открывается форточка, измеряется эмпирически и т.д.). Поэтому необходимо создать простую систему управления основными параметрами микроклимата: температура и влажность.

1. Формирование требований пользователя к АС

Наша система должна отвечать следующим основным требованиям:

1. должна быть максимально простой и недорогой.

2. иметь понятную систему управления, не требующую особых знаний и навыков.

3. иметь возможность реконфигурирования микроклимата под ту или иную выращиваемую культуру.

4. не должна предъявлять особых требований к конструкции теплицы и максимально от нее не зависеть.

5. обеспечивать надежную и устойчивую работу всех элементов системы

2. Разработка концепции АС

После включения системы производится выбор выращиваемой культуры. Далее считывается температура, выводится на индикатор, анализируется. В случае необходимости - ее корректировка (включение нагревателя или проветривание), потом считывается влажность, анализируется и принимается решение о необходимости полива.

Каждый режим характеризуется своими параметрами, представленными в таблице 1.

Таблица 1.

Выращиваемая культура	температура	проветривание	влажность
		сквозное
		одностороннее
		одностороннее
		одностороннее
баклажаны		сквозное

3. Разработка структуры

3.1 Описание функций, которые выполняет система

1. Начальный запуск системы

2. Выбор необходимого для поддержания типа микроклимата.

3. Прием данных с датчиков и обработка этих данных в соответствии с алгоритмом.

4. Вывод текущих параметров микроклимата среды.

5. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания или нагрева, полива.

3.2 Основные модули

3.2.1 Датчики

3.2.2 Устройство управления

3.2.3 Пульт управления и устройство визуальной индикации

3.3 Выбор варианта структуры

В соответствии с определенными выше функциями можно определить общую структуру системы. Устройство управления получает от датчиков температуры, влажности и кнопок управления данные, преобразует их в соответствии с алгоритмом работы и выдает данные на индикаторы для отображения температуры и влажности, а также при необходимости сигналы на ключевые элементы. Ключевые элементы позволяют включать/выключать исполнительные устройства в том порядке, в который установлен в алгоритме.

3.4 Алгоритм работы системы

Алгоритм работы системы позволяет устанавливать критические параметры в соответствии с выбранным режимом, регулирует температуру и влажность в теплице, учитывая особенности каждой культуры.

микропроцессорное управление микроклимат теплица

Рисунок 1 - Алгоритм работы системы

4. Разработка схемы

4.1 Выбор микроконтроллера

Таким образом, выбор микроконтроллера будет осуществляться из серии "mega". Согласно табл. 1, оптимальным решением будет микроконтроллер ATmega8535, т.к. он обладает достаточным объемом памяти, необходимым количеством выводов, высоким быстродействием и хорошим набором периферии (АЦП, таймеры, внутренний RC-генератор TWI-интерфейс.).

4.2 Структура микроконтроллера ATmega8535

В данном микроконтроллере АЛУ подключено непосредственно к 32-м рабочим регистрам, объединенным в регистровый файл. Благодаря этому АЛУ выполняет одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл) за один машинный цикл.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, которая характеризуется раздельной памятью программ и данных, каждая из которых имеет собственные шины доступа к ним. Такая организация позволяет работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных.

Рисунок 2 - Архитектура микроконтроллера ATmega8535

Счетчик команд.

Размер счетчика команд составляет 12 разрядов. Напрямую (как регистр) счетчик команд из программы недоступен.

При нормальном выполнении программы содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1 или на 2 (в зависимости от выполняемой команды) в каждом машинном цикле. Этот порядок нарушается при выполнении команд перехода, вызова и возврата из подпрограмм, а также при возникновении прерываний.

После включения питания, а также после сброса микроконтроллера в счетчик программ автоматически загружается значение $000. Как правило, по этому адресу располагается команда перехода (RJMP) к инициализационной части программы.

При возникновении прерывания в счетчик команд загружается адрес соответствующего вектора прерывания ($001. $014). Если прерывания используются в программе, по этим адресам должны размещаться команды относительного перехода к подпрограммам обработки прерываний. В противном случае основная программа может начинаться непосредственно с адреса $001.

Регистры общего назначения (РОН) микроконтроллера.

Все 32 РОН непосредственно доступны АЛУ, в отличие от микроконтроллеров других фирм. Любой РОН может использоваться во всех командах и как операнд-источник, и как операнд-приемник. Исключение составляют лишь пять арифметических и логических команд, выполняющих действия между константой и регистром (SBCI, SUBI, CPI, ANDI, ORI), а также команда загрузки константы в регистр (LDI). Эти команды могут обращаться только ко второй половине регистров (R16…R31).

Два старших регистра общего назначения формируют 16-разрядный индексный регистр Z, который используется в качестве указателя при косвенной адресации памяти программ и памяти данных. Так как объем адресуемой памяти составляет всего 32 байт, при обращении к ней используется только младший байт (регистр R30). Содержимое старшего байта индексного регистра (регистр R31) при косвенной адресации памяти данных автоматически очищается процессором.

Регистры ввода/вывода (РВВ) микроконтроллера.

Регистры ввода/вывода (РВВ) располагаются в так называемом пространстве ввода/вывода размером 64 байт. Все РВВ можно разделить на две группы: служебные регистры микроконтроллера и регистры, относящиеся к периферийным устройствам (в том числе порты ввода/вывода). Размер каждого регистра - 8 бит.

Сторожевой таймер используется для защиты от аппаратных сбоев, например, если программа перешла в бесконечный цикл.

Регистр команд содержит команду, которая выбирается из FLASH-памяти программ для выполнения.

Начальная синхронизация происходит с приходом на вход синхронизатора сигнала RESET.

4.3 Описание выводов микроконтроллера ATmega 8535

Рисунок 3 - Выводы микроконтроллера ATmega 8535

Таблица 3. Описание выводов микроконтроллера ATmega8535

Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
			Вход тактового генератора
			Выход тактового генератора
			Вход сброса
			0-й разряд порта А (0-й вход АЦП)
			1-й разряд порта А (1-й вход АЦП)
			2-й разряд порта А (2-й вход АЦП)
			3-й разряд порта А (3-й вход АЦП)
			4-й разряд порта А (4-й вход АЦП)
			5-й разряд порта А (5-й вход АЦП)
			6-й разряд порта А (6-й вход АЦП)
			7-й разряд порта А (7-й вход АЦП)
			0-й разряд порта В (вход внешнего опорного сигнала для USART/вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика 0)
			1-й разряд порта В (вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика 1)
РВ2 (INТ2/AIN0)			2-й разряд порта В (вход внешнего прерывания 2/положительный вход компаратора)
РВЗ (OC0/AIN1)			3-й разряд порта В (выход сравнения таймера/счетчика 0/отрицательный вход компаратора)
			4-й разряд порта В (Вход выбора ведомого SPI)
			5-й разряд порта В (выход ведущего/вход ведомого SPI)
			6-й разряд порта В (вход ведущего/выход ведомого SPI)
			7-й разряд порта В (опорная частота SPI)
			0-й разряд порта C (линия опорной частоты для Two-wire Serial Bus)
			1-й разряд порта C (линия входа/выхода для Two-wire Serial Bus)
			2.5-й разряды порта C



			6-й разряд порта C (вход внешнего тактового генератора для таймера 2)
			0-й разряд порта D (вход для UART)
			1-й разряд порта D (выход для UART)
Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
			2-й разряд порта D (вход внешнего прерывания 0)
			3-й разряд порта D (вход внешнего прерывания 1)
			4-й разряд порта D (выход сравнения A таймера/счетчика 1)
			5-й разряд порта D (выход сравнения B таймера/счетчика 1)
			6-й разряд порта D (вход захвата таймера/счетчика 1)
			7-й разряд порта D (выход сравнения таймера/счетчика 2)
			Общий вывод
			Вывод источника питания цифровой и аналоговой частей
			Вход эталонного напряжения для ЦАП

4.4 Выбор температурного датчика

В качестве датчика температуры был выбран датчик DS1621.

Основные его свойства:

· Прямое преобразование температуры в цифровой код, без дополнительных АЦП

· Возможность передачи данных через одно-, двух - проводной интерфейс

· Возможность адресации нескольких датчиков на одной шине

· Заводская калибровка и встроенная коррекция нелинейности, не нужно дополнительной подстройки

· Широкий диапазон измерения температуры (-55 … +125°С)

· Высокое быстродействие (время преобразования от 0.5 до 2 с)

· защита от агрессивной среды

4.5 Выбор датчика влажности

В качестве датчика влажности был выбран HIH 4000-003. Он обеспечивает широкий диапазон измерений, высокую надежность и низкую стоимость. Возможно прямое подключение к АЦП микроконтроллера благодаря стандартному размаху выходного сигнала (от 1.0 до 4.0 В).

4.6 Выбор средств индикации

В системе нам необходимо визуально отображать текущую температуру в теплице и выбранный режим работы.

Для этого будем использовать семисегментные индикаторы. Можно предположить, что возникнет такая ситуация, когда в теплице будет отрицательная температура, поэтому для визуализации текущей температуры возьмем трехразрядный семисегментный индикатор. Основных рабочих режимов у нас пять, поэтому для отображения рабочего режима используем одноразрядный семисегментный индикатор. Будем использовать индикаторы BA56-12 и LDD3051.

4.7 Выбор ключевых элементов

Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения.

Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка - симисторный оптодрайвер MOC3041. В качестве симистора взят ВТ 139.

4.8 Выбор исполнительных устройств

В системе микропроцессор должен управлять открытием двери/фрамуг, поливом и обогреванием теплицы.

Для полива будем использовать капельную систему. Электромагнитный клапан предназначен для включения или выключения подачи жидкости, а так же для подачи горячей воды в трубы при отоплении теплицы, при подаче на него соответствующего электрического сигнала. Будем использовать клапан 2W21.

4.9 Выбор дополнительных элементов

Для питания микропроцессора от сети 220 В необходима схема согласования, так как процессор питается от постоянного напряжения в 5В. Будем использовать трансформатор понижающий Б3800.

В качестве диодного моста будем использовать схему DB157.

В качестве стабилизатора напряжения будем использовать LM340K-5.

В схеме необходимо использовать 5 транзисторов в ключевом режиме для управления семисегментными индикаторами. Выберем транзистор КТ315. Для установки и выбора режима нам не обходимы пять кнопочных переключателей. Для этой цели будем использовать переключатели MPS-5802.

4.10 Разработка функциональной схемы

Температурный датчик работает по интерфейсу i2с, который поддерживает микроконтроллер, поэтому дополнительных средств согласования и управления не требуется. Обмен информацией поддерживается программно через выходы РС0, РС1, а при подключении датчика необходимо только поставить 2 резистора по 1кОм. У датчика влажности выход аналоговый, поэтому нужно использовать АЦП, который встроен в Atmega 8535, используя РА2. Передача поддерживается программно. Кнопки управления и ключевые элементы подключаются к порту В, а порт D используется для семисегментной индикации.

5. Описание работы принципиальной схемы

Питание нашей системы будет от стандартной сети 220В, 50 Гц. Будем использовать следующую схему: трансформатор понижает переменное сетевое напряжение до 12 В. Диодный мост VD1…4 выпрямляет сетевое напряжение. Интегральный диодный мост выбранного типа DB157 коммутирует токи до 1 А. В качестве стабилизатора напряжения включена микросхема интегрального стабилизатора U1 - LM340K-5.

Таблица 16. Подключение устройств к портам микроконтроллера Atmega8535

№ вывода	Порт: разряд	Подключенное устройство

		Кнопка "режим 1"
		Кнопка "режим 2"
		Кнопка "режим 3"
		Кнопка "режим 4"
		Кнопка "режим 5"
		датчик влажности
		симистор управления клапаном для воды

		младшая цифра двухразрядного индикатора
		первая цифра трехразрядного индикатора
		симистор для обогрева теплицы
		симистор для управления ФК
		симистор для управления ФБ
		симистор для управления дверью
		вторая цифра трехразрядного индикатора
		третья цифра трехразрядного индикатора

		Температурный датчик
		Температурный датчик

		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		старшая цифра двухразрядного индикатора

6. Программное обеспечение для микроконтроллера

Писать программу для микроконтроллера будем на языке С, так как такая программа более проста в написании, наглядна и не требует специфических знаний ассемблера и особенностей данного микроконтроллера. Программировать будем в CodeVisionAVR. Эта программа бесплатна, создана специально для работы с микроконтроллерами AVR, есть библиотеки для каждого микроконтроллера (в том числе и для Atmega8535), а также есть инструмент начального создания кода. С помощью этого инструмента мы можем настроить порты ввода/вывода, настроить работу по интерфейсу I2C, а также таймер и АЦП преобразователь.

Четыре процедуры являются стандартными: main, read_adc, ds1621_temperature_10 (0), timer0_ovf_isr.

· read_adc - процедура для считывания данных с датчика влажности, поддерживает связь с АЦП.

· ds1621_temperature_10 (0) - стандартная процедура для обмена с датчиком ds1621 по интерфейсу i2c.

· timer0_ovf_isr - прерывание таймера по переполнению. Позволяет отображать режим и температуру на семисегментных индикаторах таким образом, чтобы не возникало мерцаний и пропадений цифр с индикатора.

· main - главная процедура, в нее входит пользовательские процедуры:

· zapoln - процедура, осуществляющая запоминание критических параметров по выбранному режиму.

· indik, otobr_chif - процедуры для отображения данных на семисегментных индикаторах, подавая на выводы A-G и транзисторные ключи соответствующие сигналы.

Заключение

Разработанная микропроцессорная система управления микроклиматом в теплице полностью удовлетворяет поставленным требованиям. Осуществляется мониторинг и индикация температуры и влажности, в соответствии с выбранным режимом работы происходит управление фрамугами, капельным поливом и нагревателем.

Результаты моделирования на персональном компьютере показали, разработанная микропроцессорная система функционирует правильно и выполняет возложенные на нее задачи.

Библиографический список

1) Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. - М. Ж Издательский дом "Додэка XXI", 2004

2) Тигранян Р.Э. Микроклимат. Электронные системы обеспечения. - ИП. Радиософт, 2005

3) Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. - М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 176с.

4) Datasheet: Atmel 8-bit AVR Microcontroller

5) Datasheet: BT 139 Series.

6) Datasheet: LM340 Series.

7) http://www.teplitsa-urojay.ru/rasta/ogurtsy/

8) http://www.zooclub.ru/flora/rouse/14. shtml

9) http://www.greeninfo.ru/vegetables/capsicum_annuum.html/Article/_/aID/3354

10) http://www.sadovod. spb.ru/TextShablon. php? LinkPage=222

11) attachment: /26/ds1621. htm

12) attachment: /15/6. htm

13) http://easyelectronics.ru/

14) http://www.superfilter.ru/manual. htm

15) http://www.ruselectric.ru/info/shop/transformatori/2084

16) http://www.chip-dip.ru/product0/874599444. aspx

17) http://www.elfa. lv/cgi-bin/index. cgi? artnr=73-092-06&lng=rus

18) http://clip2net.com/u/the_ghost/rezus/page-62729-mos3041/

19) http://catalog.compel.ru/triac/info/BT139-600.127%20 (NXP)

20) http://www.pcports.ru/articles/avr4. php

21) http://www.gaw.ru/

Приложения

Приложение А

Листинг программы для микроконтроллера

/*****************************************************

Chip type: Atmega8535

Program type: Application

AVR Core Clock frequency: 1,000000 MHz

Memory model: Small

External RAM size: 0

Data Stack size: 128

*****************************************************/

#include

// I2C Bus functions

Equ __i2c_port=0x15; PORTC

Equ __sda_bit=1

Equ __scl_bit=0

#include

// DS1621 Thermometer/Thermostat functions

#include

#define ADC_VREF_TYPE 0x20

// объявление глобальных переменных

int temp_v,T_max,T_min,buf;

unsigned char V,V_max,V_min;

unsigned char rezim,pr;

// процедура отображение цифры на одном из разряде

void otobr_chif (int buf)

{case 0: PORTD=0xbb;

case 1: PORTD=0x82;

case 2: PORTD=0x3e;

case 3: PORTD=0xae;

case 4: PORTD=0x87;

case 5: PORTD=0xad;

case 6: PORTD=0xbd;

case 7: PORTD=0x22;

case 8: PORTD=0xbf;

case 9: PORTD=0xaf;

// процедура индикации температуры и режима

void indik (void)

// отображение температуры

// отображение знака

if (temp_v<0) {PORTB.1=1;

else {PORTB.1=0; }

// отображение младшей цифры

otobr_chif (buf);

// вывод старшей цифры

buf=temp_v %100;

otobr_chif (buf);

// отображение младшей цифры влажности

otobr_chif (buf);

// вывод старшей цифры влажности

otobr_chif (buf);

// функция выполнения задержки и поддержания индикации

// minut - количество времени по 15 минут

void delay_my (unsigned char minut)

{unsigned char j;

for (j=1; j<=minut; j++)

{for (i=1; i<=10000; i++) {

// считывание с АЦП

unsigned char read_adc (unsigned char adc_input)

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);

// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage

// Start the AD conversion

// Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA & 0x10) ==0);

// процедура заполнения значений max min температуры и влажности

void zapoln (unsigned char rezim)

{ switch (rezim)

{case 1: T_max=22;

case 2: T_max=23;

case 3: T_max=21;

case 4: T_max=24;

case 5: T_max=30;

default: break; }}

// функция работы с термодатчиком

void izm_temp (int temp_v)

// считываем температуру

ds1621_start (0);

temp_v=ds1621_temperature_10 (0);

// температурный датчик переводим в режим пониженного энергопотребления

ds1621_stop (0);

// сравниваем с нормой

if (temp_v>T_max) { // охлаждение теплицы

if (PINB.5==0) {PORTB.5=1; }

else if (PINB.3==0) {PORTB.3=1; }

else {if (rezim==1) {PORTB.4=1; }

if (rezim==5) {PORTB.4=1; }} }

if (temp_v

if (PINB.4==1) {PORTB.4=0; }

else if (PINB.3==1) {PORTB.3=0; }

else if (PINB.5==1) {PORTB.5=0; }

else { PINB.2=1;

delay_my (2); // задержка на 30 минут

// функция прерывания таймера по переполнению

interrupt void timer0_ovf_isr (void)

void main (void)

// инициализация портов

// Port A initialization

// Port B initialization

// Port C initialization

// инициализация таймера 0; частота работы 15,625 КГц

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 500,000 kHz

// ADC Voltage Reference: AREF pin

// ADC High Speed Mode: Off

// ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped

// Only the 8 most significant bits of

// the AD conversion result are used

ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;

// инициализация порта i2c

// инициализация термодатчика

ds1621_init (1,0,0,0); // адрес термодатчика 1

// проверяем нажата ли клавиша выбора режима

if (PINA.0==1) {rezim=1; }

if (PINA.1==1) {rezim=2; }

if (PINA.2==1) {rezim=3; }

if (PINA.3==1) {rezim=4; }

if (PINA.4==1) {rezim=5; }

if (rezim! =0) {

// если нет, то считываем температуру

izm_temp (temp_v);

// считываем влажность

if (V

// полив для помидор и перца

if (pr==1) {while (V

for (i=1; i<=900; i++) delay_ms (1000);

// считываем влажность

else { PORTA.6=1;

delay_my (1); // задержка в 15 минут

// задержка на 30 минут

Подобные документы

дипломная работа , добавлен 10.04.2017

Разработка структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания, нагрева, полива. Выбор температурного датчика. Пульт управления и устройство визуальной индикации.

курсовая работа , добавлен 25.03.2015

Требования к микропроцессорной системе управления. Построение систем управления 6-фазным ТВШД на микропроцессорной логике. Алгоритм работы микропроцессорной СУ ТВШД. Режим форсировки (стабилизация тока) с помощью ШИМ, которая реализована программно.

реферат , добавлен 07.04.2017

Назначение и структура автоматизированной системы, её программное обеспечение и алгоритм функционирования. Анализ систем отопления, вентиляции и кондиционирования как объекта управления. Этапы разработки математической модели теплового режима помещений.

курсовая работа , добавлен 10.11.2014

Алгоритм работы микропроцессорной системы управления барокамерой. Подпрограмма контроля температуры. Разработка схемы сопряжения для подключения датчика уровня воды. Подключение светодиодов "Нагрев" и "Низкий уровень воды". Разработка блока питания МПС.

курсовая работа , добавлен 28.05.2012

курсовая работа , добавлен 26.06.2016

Функциональная схема микропроцессорной системы управления, алгоритм ее работы. Инициализация микроконтроллера и листинг соответствующей программы. Преобразование напряжения от датчика температуры. Обработка прерываний. Расчет электрических параметров.

дипломная работа , добавлен 23.05.2012

Разработка системы управления ультразвуковым локатором автомобильной системы безопасности. Структурная схема микропроцессорной системы: пояснения и алгоритм функционирования, выполняющий поставленную задачу. Код и листинг программы, ее быстродействие.

курсовая работа , добавлен 30.11.2011

Проект структурной схемы микропроцессорной системы управления. Блок-схема алгоритма работы МПС; создание программы, обеспечивающей его выполнение. Распределение области памяти под оперативное и постоянное запоминающие устройства. Оценка ёмкости ПЗУ и ОЗУ.

курсовая работа , добавлен 21.05.2015

Разработка принципиальных схем блоков чтения информации с датчиков. Сопряжение с цифровыми и аналоговыми датчиками. Алгоритм работы блока чтения информации с цифровых датчиков. Расчет электрических параметров микропроцессорной системы управления.

Система микроклимата включает в себя управление отоплением, вентиляцией и кондиционированием, то есть помогает поддерживать комфортный для человека, растений, животных и различного оборудования уровень параметров воздуха: температуры, влажности и химического состава в жилых и производственных помещениях. Также управление микроклиматом позволяет снизить общее потребление энергии, за счет рационального использования ресурсов. Контроль микроклимата осуществляется с помощью различных инженерных устройств: кондиционеры, вентиляторы, радиаторы и прочие другие. Устройства не должны конфликтовать друг с другом, поэтому необходимо обеспечить слаженное управление и настройку всех исполнительных устройств. Исходя из требований для помещения, можно реализовать различные сценарии работы системы микроклимата (например, разная логика поддержки температуры при наличии и отсутствии людей в здании).

В данной дипломной работе реализована модель управления отоплением и кондиционированием в квартире, а также организована система теплого пола. Эти системы имеют некоторые общие элементы в принципах проектирования, но и также различны в определенных моментах, которые наглядно продемонстрированы в ходе реализации данного проекта.

Пользователь может выставить желаемую температуру в помещении, которая будет поддерживаться за счет включения/выключения обогревателя и кондиционера, используя сенсорную панель или интерфейс контроллера LogicMachine4. Также реализована функция автоматического отключения системы микроклимата при открытом окне и возможность вручную отключить систему. Это позволяет экономить энергоресурсы. Система теплого поля работает почти по такому же принципу, как и система отопления/кондиционирования, то есть пользователь выставляет нужную температуру, и она поддерживается с помощью обогревателя пола.

Исходя из технического задания были выбраны следующие компоненты для реализации системы управления микроклиматом и теплым полом:

1. EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3);
2. EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX);
3. Сенсорная панель InZennio Z38i;
4. Реле WAGO 788-304 (3 шт.);
5. Датчик температуры PT1000;
6. Геркон.

Для начала рассмотрим реализацию системы микроклимата, которая включает в себя кондиционирование и отопление, на основании температуры, выставленной пользователем. Множество компаний производит различные виды термостатов разной ценовой категорией и имеющих отличный друг от друга функционал. В качестве управляющего микроклиматом устройства использована сенсорная панель InZennio Z38i, которая имеет множество дополнительных возможностей, включая функцию термостата и встроенный датчик температуры. Панель Z38i сравнивает значение, полученное с датчика со значением выставленным пользователем и на основании этого, включает/выключает кондиционер или обогреватель; в данном проекте вместо них задействованы два реле WAGO 788-304, имеющие красный светодиод, срабатывающий при замыкании контактов. Разумеется, необходима еще настройка дополнительных параметров панели (например, "коридор" гистерезиса температуры). Таким образом, пользователь сможет вручную включать или выключать всю систему микроклимата, а также будет происходит автоматическое отключение системы при открытом окне, которое реализовано с помощью геркона.

Существуют несколько способов реализации логики системы отопления/охлаждения. Один из них - принцип пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора (рис. 27). Выходной сигнал регулятора u определяется тремя основными слагаемыми, каждый из которых отвечает за определенную функцию:

где Кp, Кi, Кd -- коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно.

Рис. 27.

В данном случае не столь важен математический принцип работы ПИД-регулятора, а точнее, расчет значений коэффициентов, так как есть готовые библиотеки на языке программирования LUA или прописанный алгоритм в работе устройств для реализации ПИД-регулятора в домашней автоматике.

Вторым вариантом организации системы микроклимата является принцип двухточечного термостата (рис. 28).

Рис. 28.

Помимо установленной температуры, программно задается "коридор" гистерезиса, то есть некоторая дельта возможной температуры. При достижении минимума гистерезиса включается обогреватель, который будет работать до того момента как температура поднимется выше максимума гистерезиса. Обогреватель отключается, и температура начинает падать снова до минимума и т.д. По такому же принципу работает кондиционер. Важно проверить, чтобы устройства охлаждения и обогрева не вступали в конфликт (не включался одновременно и обогреватель, и кондиционер).

Для реализации системы микроклимата, необходимо подключить сенсорную панель InZennio Z38i к шине KNX (вся шина подключена к дросселю и имеет общий блок питания), при этом питания шины достаточно для Z38i и поэтому не требуется подключение непосредственно к блоку питания. Так же, как и в системе управления освещением, реле, отвечающие за обогреватель и кондиционер, подключены к EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) к "2" и "3" каналам соответственно. Подключение каналов реле WAGO 788-304 к UIO8-KNXv3 полностью аналогично подключению реле, управляющего лампой. Геркон, эектромеханическое устройство, работающее по принципу "ключа", одним концом кабеля подключается к "8" каналу UIO8-KNXv3, а другим к общему "плюсу". Таким образом при создании магнитного поля (прикладывании магнита) контакты геркона будут замыкаться и на канал EVIKA Multiport v3 будет подано напряжение, таким образом с помощью геркона имитируется закрытое/открытое окно.

После того как все устройства корректно подключены и проверены на короткое замыкание мультиметром, необходимо настроить систему, используя программное обеспечение ETS3 Professional. Настройка параметров реле, управляющих обогревателем и кондиционером, в аппликационной программе для EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) аналогична настройке реле, управляющего лампой. Каналы "2" и "3", к которым подключены реле, также настраиваются как бинарные выходы, которые могут выдавать значение либо "0", либо "1". При отправлении значения "1" на канал реле, будет происходить замыкание контактов и включение красного светодиода, что позволит имитировать непосредственно кондиционер и обогреватель. Канал "8", к которому подключен геркон, имеет конфигурацию бинарного входа, по аналогии с выключателем, управляющим светом. Однако настройки параметров различны. Параметр "rising edge" имеет значение "send 0", а "faling edge" - "send 1". Это означает, что при замыкании контакта (окно закрыто) на привязанный групповой адрес будет отправлено значение "0". При размыкании контакта (окно открыто) на этот групповой адрес будет отправлено значение "1". Также этот объект связи связан с объектом, включающим и выключающим систему микроклимата. Панель InZennio Z38i настраивается в соответствии с технической документацией . Распределение объектов связи по групповым адресам представлено на рисунке 29.

Рис. 29.

Пользователь может включить или выключить систему микроклимата в целом, выставить необходимую ему температуру и увидеть в каком состоянии сейчас находится окно (открыто или закрыто). Для реализации дополнительных сценариев (например, включение системы по определенным часам) используется контроллер LogicMachine4.

Для реализации теплого пола используется датчик температуры PT1000, который измеряет температуру пола, исполнительное устройство EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) для управления системой и реле WAGO 788-304 для имитации механизма обогрева пола. IPT8-KNX по аналогии с другими логическими элементами подключается к общей сети KNX посредством шинного клеммника. Дополнительное подключение к источнику питания не требуется, так как устройство питается от сети KNX. Датчик температуры PT1000 подключается к каналу "1" устройства IPT8-KNX и к общему "минусу". Реле, которое является эмулятором механизма обогрева пола, подключается так же, как и все остальные реле, к устройству Multiport v3 к "6" каналу. Общая схема подключения для системы микроклимата и теплого пола представлена на рисунке 30.

Канал "6" мультипорта настраивается в режиме бинарного выхода, как и все остальные реле. В аппликационной программе устройства EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) идет настройка термостата для реализации системы управления теплым полом. Параметры "heating control" и "cooling control" по умолчанию настроены как "enabled" (то есть включены), но так как охлаждение пола не требуется (в отличие от системы микроклимата), то параметр "cooling control" необходимо перевести в режим "disabled". Устройство будет сравнивать полученное от датчика PT1000 значение температуры с установленным пользователем значением и регулировать включение обогрева пола. Далее необходимые объекты связи распределяются по групповым адресам. Распределение объектов связи представлен на рисунке 31.

Рис. 31.

Таким образом, пользователь сможет указать необходимую для поддержания температуру пола, а также выключить систему, если это необходимо.

Систему микроклимата можно расширять, учитывая другие различные факторы, например, влажность воздуха или добавляя сценарии включения отопления по датчику нахождения человека в помещении или по времени суток.

Бухгалтеру о налогах и кадрах. Налоги, бухгалтерия, отчетность, ККМ

Микропроцессорное управление микроклиматом теплицы. Система управления микроклиматом теплицы

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Подобные документы

Тепло, как летом

Возможности регулировки

Распределенная система управления

Развитие проекта носит эволюционный характер

Заключение

Поиски материалов

Разработка

Подобные документы