Рисунок 1. Структурная схема устройства контроля климатических параметров
Автор: Хохлов О.А., Шумяцкий В.М.
Источник: Глудкин О.П. Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс: Учебник для вузов / О.П. Глудкин, А.И. Гуров, Ю.Ф. Опадчий. Под редакцией О.П. Глудкина - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 768 с.
В любом помещении будь то офис, склад либо завод по производству полупроводниковых элементов требуется поддержание определенных климатических параметров.
Создание нужного микроклимата в помещении достигается согласованной работой целого ряда приборов. Это могут быть электрические и газовые котлы, радиаторы, системы «теплого» пола, кондиционеры, увлажнители воздуха, система вентиляции.
Управление этими приборами в ручном режиме создает массу неудобств. Необходимо каждый раз настраивать их работу в соответствии с погодными условиями, временем суток и т.п.
В данное время управление климатом осуществляется чаще всего с помощью персонального компьютера (ПК), в сочетании с дополнительным оборудованием.
Целью данной работы является создание устройства, приема и оцифровки аналоговых сигналов и программы сбора, и обработки полученных сигналов. В дальнейшем, они будет использоваться для контроля климатических параметров и мониторинга в реальном времени.
Для реализации данной работы была разработана структурная схема устройства контроля климатических параметров, которая изображена на рис. 1
Рисунок 1. Структурная схема устройства контроля климатических параметров
В структурную схему входит:
- Первичные преобразователи сигналов (датчики)
- Аналогово-цифровой преобразователь
- Оптическая развязка
- Персональный компьютер
Поскольку требуемые параметры: влажность, температура и освещение не являются электрическими в схеме установлены соответствующие датчики которые преобразовывают эти параметры в электрические величины, дальнейшей обработкой которых занимается АЦП.
В качестве аналогово-цифрового преобразователя был выбран микроконтроллер PIC16F876A который имеет в себе 5 каналов 10-битного АЦП
После выбора всех основных элементов устройства на основе структурной схемы была разработана функциональная схема которая приведена на рис.2
Рисунок 2. – Функциональная схема устройства контроля климатических параметров
Сигналы с датчиков приходят на микроконтроллер который занимается обработкой этих сигналов, в качестве гальванической развязки служит оптопара, связь с персональным компьютером осуществляется интерфейсом RS-232 (СОМ порт). В качестве ПК служит любой ПК с разъёмом RS-232 (СОМ порт) и программным обеспечением windows xp и выше. Для обеспечения устройства необходимым питанием служит блок питание который преобразовывает переменное напряжение сети 220 вольт в постоянное напряжение +5 вольт.
В качестве оптопары была применена оптопара АОТ 101принципиальная схема которой приведена на рис.3
Рисунок 3. Схема оптопары АОТ 101
На базе структурной и функциональной схемы была разработана принципиальная схема устройства которая изображена на рис.4
Рисунок 4. Принципиальная схема устройства контроля климатических параметров.
Устройство собрано на микроконтроллере PIC16F876A.
Резисторы (R10-R19) служат делителями напряжение, определяют ширину диапазона и рассчитываются таким образом, чтоб на вход микроконтроллера подавалось не больше 5 вольт.
Связь с ПК происходит по протоколу RS-232 (COM порт).
Скорость обмена данными RS-232 - 9600.
Для повышение помехоустойчивости в устройстве установлен кварцевый резонатор на частоту 4 МГц.
Устройство имеет 5 входов для подключение различных датчиков и 6 выходов для подключение различной нагрузки.
После создания принципиальной схемы был собран макетный образец устройства, фото которого изображено на рис.5
Рисунок 5. Собранное устройство.
После сборки макетного образца были проведены исследования в реальном времени.
В качестве исследуемого помещения берем помещение в котором необходимо поддерживать следующие значение климатических параметров: влажность 30-40% освещенность не ниже 2000-2500 тыс. люкс, температуру 24-26 °C. В качестве нагрузки были подключены соответствующие приборы и система была настроена на нужный диапазон. Графики работы системы в нормальном состоянии представлены на рис.6
Рисунок 6. Графики работы системы в нормальном состоянии, где 1-график освещения, 2-график влажности, 3-график температуры.
Был проведен эксперимент, который позволил проверить роботу устройства в режиме, при отклонении одного из параметров (освещения) от заданного значения графики которого представлены на рис.7
Рисунок 7 – График стабилизации системы при изменении освещения.
Устройства в случае отклонения одного из параметром (освещения) от необходимого значения дает сигнал на выход RS0 (рис.4) который включает контакт реле управляющий работой осветительных приборов.
С развитием научно-технического прогресса увеличиваются и требования к точности проведенных измерений, как на промышленных предприятиях, так и в лабораториях институтов. Это способствует тщательному и эффектном изучению процессов, происходящих в исследуемых объектах. Наглядность результатов экспериментальных данных и возможность их обработки также имеют большое значение.
Использование достижений в области цифровой техники позволяет создавать измерительные схемы высокой степени точности и быстродействия. Сочетание их с соответствующим программным обеспечением и компьютером делает процесс построения переходных характеристик и получения данных об объекте быстрым, легким и понятным пользователю.
Эти принципы реализованы в данной работе. Устройство контроля климатических параметров совместно с дополнительной программой пользователя позволяет получать сигнал с датчика, установленного на объекте исследования, превращать его в цифровую форму, передавать по высокоскоростной шине RS232 (COM) в персональный компьютер, где информация об объекте представляется в виде графика и последовательности значений измеряемого параметра. График можно подробно рассматривать, сохранять и распечатывать его. Также есть возможность сохранять значения, полученные с датчика, в виде текстового файла. В целом разработанное устройство является актуальным и может применяться как в реальной системе контроля климатических параметров, так и в качестве стенда для выполнения лабораторных работ по курсу электроники и микросхемотехники.
1. Бокуняев А.А. Энциклопедия радиолюбителя / А.А. Бокуняев. - М.: Радио и связь, 1990. - 365 с
2. Билибин К.И. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов / К.И. Билибин, А.И. Власов, С.В. Журавлева. - М.: Издательствово МГТУ им. Н.Э. Баумана,
3. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, 2-е издание/ Г. И. Волович. – М.: Додэка-XXI, 2007. 33 с.
4. Гелль П. Как превратить персональный компьютер в измерительный комплекс Пер. с франц. - 2-е изд., испр. / П. Гелль. - М.: ДМК, 1999.
5. Глудкин О.П. Аналоговая и цифровая электроника. Полный курс: Учебник для вузов / О.П. Глудкин, А.И. Гуров, Ю.Ф. Опадчий. Под редакцией О.П. Глудкина - М.: Горячая линия - Телеком, 2002. - 768 с.