Дипломная работа: Система автоматизированной очистки воздуха

Недостатки: маленькая емкость для воды 5,7л., несоответствие увлажненной площади помещения с заданными значениями в паспорте прибора, неудобная круглая конструкция бака водой (сложно мыть поддон и менять воду), максимальный уровень влажности, поддерживаемый устройством 45%, некорректная работа встроенного гигрометра.

Рисунок 8 - Ballu AW-320/AW-325

Обзор аналогов моек воздуха выявил несколько основных недостатков: завышенная цена, некорректная работа датчика влажности, дополнительные расходы на замену фильтров, недостаточная емкость поддона с водой, несоответствие увлажненной площади с заявленной в техническом паспорте, отсутствие возможности установки требуемого уровня влажности.

1.3 Сравнение рециркуляторов различных производителей

Принцип действия рециркулятора сводится к бактерицидному воздействию ультрафиолетовых ламп, размещённых в корпусе устройства. В корпусе обычно размещён вентилятор, засасывающий воздух для дальнейшего обеззараживания ультрафиолетовым излучением. Данный способ обеззараживания воздуха обеспечивает почти 100% защиту от микроорганизмов и вредных бактерий.[4] Для обзора выбраны модели рециркулятора-облучателя с закрытым типом корпуса, так, как только при такой конструкции прибора человек может находиться в помещении во время действия ультрафиолетового излучения (таблица 1).

Таблица 1 - Рецеркуляторы

Исходя из таблицы 1 можно сделать вывод, что существенно данные модели отличаются лишь стоимостью и потребляемой мощность, что напрямую зависит от количества ультрафиолетовых ламп, размещенных в корпусе рециркулятора. Первые две модели предназначены для применения не только в медицинских учреждениях, но и в образовательных заведениях. Последняя модель представляет собой промышленный передвижной рециркулятор, его высокая мощность говорит о применения в специализированных больничных помещениях, где требуется большая проходимость обеззараженного воздуха в единицу времени.

1.4 Постановка цели и этапов разработки

Разрабатываемая система автоматизированной очистки воздуха будет представлять собой гибрид мойки воздуха и рециркулятора воздуха.

Для того чтобы будущая система очистки воздуха могла конкурировать с другими аналогами в ней будет предусмотрено автоматическое изменение режима работы в соответствии с уровнем влажности. У пользователя будет возможность пользоваться ночным режимом работы на более низких мощностях. Помимо этого, будет учтена оптимальная емкость резервуара с водой 10-15 л. В устройстве не будет системы дополнительной фильтрации, что значительно удешевит его разработку, и полностью сократит дополнительные затраты на обслуживание системы. В верхней части системы очистки воздуха будет закреплена бактерицидная лампа, работающая в автономном режиме с заданным интервалом времени и периодом работы.

Таким образом, разрабатываемая система очистки воздуха будет представлять собой синтез мойки воздуха и рециркулятора с корректировкой недостатков рассмотренных аналогов.

Стадии разработки прототипа:

1. Разработка структурной схемы системы

2. Разработка электрической принципиальной схемы и составление элементной базы

3. Разработка печатной платы

4. Разработка системы обеззараживания

5. Создание алгоритма работы системы

6. Прошивка микроконтроллера

7. Проектирование корпуса

8. Создание и тестирование прототипа устройства

2. Разработка прототипа устройства

2.1 Структурная схема системы автоматизированной очистки воздуха

Структурная схема устройства предназначенного для комплексной очистки воздуха и его увлажнения представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Структурная схема разрабатываемой системы

Центральным узлом системы является блок управления, состоящий из микроконтроллера Atmega 328P, обладающего низким энергопотреблением и при этом высоким быстродействием [5]. Микроконтроллер корректирует скорость вращения кулера и мотора постоянного тока. Кроме этого, он управляет временем включения и выключения ЭПРА, который в свою очередь обеспечивает безопасную работу бактерицидной лампы. Вывод информации на дисплей также осуществляет Atmega328P. Блок управления принимает решения о изменение информации, отображённой на дисплей, основываясь данных с датчика уровня воды и температуры и влажности.

Для питания системы используется блок питания на +12В, от него напрямую питаются кулер и DC мотор. На блок управление напряжение питания поступает со стабилизатора и составляет +5В, также от стабилизированного напряжения питается дисплей и датчик температуры и влажности. Питание бактерицидной лампы осуществляется от сети 220В.

2.2 Разработка схемы электрической принципиальной

Принципиальная электрическая схема системы автоматизированной очистки воздуха с учетом внешних модулей и устройств представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Принципиальная электрическая схема

В качестве управляющего устройства выбран микроконтроллер Atmega328P (U1). Для повышения быстродействия к микроконтроллеру подключён внешний кварцевый резонатор (X1) с обвязкой в виде конденсаторов (С1, С2), стабилизирующих его работу. Конденсатор C3 является сглаживающим фильтром питания микроконтроллера. Для перезагрузки к выводу reset подключена кнопка через подтягивающий резистор (R1).[5]

Датчик температуры и влажности DHT11 (U2) передаёт данные микроконтроллеру через цифровой вывод PB0 за счёт встроенного АЦП, питается от напряжения 5В. Между шиной данных и питания подключен подтягивающий резистор для обеспечения уровня логической 1 при передаче данных. Датчик получает показания о температуре окружающей среды с помощью встроенного термистора. Изменения влажности датчик отслеживает с помощью двух пластинок электродов, между которыми влагоудерживающая пластина. DHT 11 отслеживает показания влажности за счёт изменения сопротивления электродов. [6]

Датчик уровня воды подсоединен к цифровому выводу PD7, который сконфигурирован как вход с подтягиванием сигнала до уровня логической 1. Принцип работы датчика основан на замыкание и размыкание встроенного геркона.

Вывод информации обеспечивает LCD 1602 (LCD1). В дисплеи встроена синяя подсветка экрана, за которую отвечает светодиод (D5). Обмен данными между дисплеем и микроконтроллером происходит по протоколу данных I2C, что даёт существенное сокращение линий подключения дисплея к микроконтроллеру. Дисплей подключен к Atmega328P через расширитель портов (U6). Таким образом, передача данных происходит по шине данных SDA и шине синхронизации SCL [7]. Напряжение питание дисплея 5В.

Для управления мощной индуктивной нагрузкой такой как компьютерный кулер (Кулер1, Кулер2) и мотор постоянного тока (DC мотор) в устройстве используются транзисторные ключи на МОП транзисторе IRF1010E (Q1, Q2). Данная модель способна выдержать большие токи и имеет низкое сопротивление исток-сток, за счёт чего рассеиваемая мощность на транзисторе в открытом состояния составляет не более 2 Ватт. Благодаря низкому пороговому напряжению уже при 2-4В транзистор полностью открыты. Таким образом, управлять транзисторным ключом можно даже при малых значениях ШИМ сигнала от микроконтроллера. Резисторы R3, R6 защищают транзистор от самопроизвольной активации. Для защиты выводов микроконтроллера от обратных токов при закрытии и открытие транзисторов в разрыв к затвор подключены резисторы R2, R5. Для защиты транзисторов от токов самоиндукции параллельно нагрузки подключены выпрямительные диоды 1N4007 (D2, D3).[8][9]

Питание схемы обеспечивает блок питания на 12 В и 2 А. На микроконтроллер поступает напряжение 5 В с выхода стабилизатора напряжения LM7805 (U4), в обвязку которого входят два конденсатора (С4,С5), фильтрующие входной и выходной сигнал, и выпрямляющий диод 1N4007 (D1) [10]. Для питания кулеров предусмотрено два напряжение питания 5В со стабилизатора напряжения (U3) и 12В от блока питания. Выбор напряжения питания осуществляется переключателем, который замыкает или размыкает соответствующие линии питания. В обвязку стабилизатора U3 входит шунтирующий выпрямительный диод 1N4007 (D4). Подключение D4 с выхода на вход защищает выход стабилизатора от напряжения 12В при замыкании переключателя на первом выводе. DC мотор питается напрямую от 12В.

Компонентная база системы автоматизированной очистки воздуха приведена в таблице 2.

Таблица 2 - Компонентная база

2.3 Разработка печатной платы блока управления

Для питания узла управления будет использоваться блок питания на 12 В. В качестве микроконтроллера в схеме на рисунке 11 был выбран Atmega328P из-за низкого энергопотребления. Выпрямительный диод D1 используется для корректировки полярности питания. Стабилизатор напряжения LM7805 U2 на выходе выдаёт постоянное напряжение 5 В, а конденсаторы С1 и С2 в обвязке стабилизатора используются для предотвращения его самовозбуждения [10]. Кнопка SB1 используется для перезагрузки микроконтроллера и подключена к соответствующей ножке Atmega328P. Обвязка микроконтроллера включает в себя внешний кварцевый резонатор Y1 на 16 МГц и два керамических конденсатора С3, С4.