Курсовая работа: Разработка системы управления микроклиматом в теплице

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

температурный полив автоматизация теплица

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

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

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

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.