Терморегулятор со светодиодной индикацией

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Тема дипломной работы: «Терморегулятор со светодиодной индикацией».

Электроника является универсальным средством при решении проблем в самых различных областях сферы деятельности человека. Каждая современная техническая система представляет собой электронное устройство. Функции электронных устройств становятся всё более разнообразными. Не один из технологических процессов не осуществляется без контроля каких-либо электронных устройств. Наилучшим радиотехническим устройством является то, устройство, которое выполняет все необходимые функции и остается при этом незаметным. Одним из таких является терморегулятор. Терморегулятор представляет собой устройство, предназначенное для обеспечения контроля за температурой воздуха, жидкости или различных поверхностей, с целью управления работой нагревательного или охлаждающего оборудования.

Терморегуляторы являются незаменимыми устройствами во многих сферах промышленности, сельского хозяйства, да и просто в повседневной жизни. Они необходимы там, где требуется поддерживать определённую температуру для процессов производства, либо для поддержания нормального функционирования узлов. Очень важно не только знать величину температуры, но и управлять ею, так как изменение температуры может привести к порче устройств, либо объектов для регулирования которых применяются эти устройства.

Современная термометрия предполагает использование различных методов измерения температуры, каждый из которых специфичен и не универсален. Выбор оптимального для данных условий метода будет зависеть от начальных требований к точности и продолжительности измерений, необходимости регистрации и автоматического регулирования температуры [1].

Методы измерений температуры можно разделить на два контактные (средство измерения непосредственно соприкасается с контролируемым объектом) и бесконтактные. Контактные методы являются наиболее доступными, точными и надежными.

К устройствам измерения и регулирования температуры обычно предъявляются определенные требования [2]. К ним можно отнести, во-первых, возможность измерения и индикации температуры в удобной для человека форме; во-вторых, возможность стабилизации температуры в заданном диапазоне; в третьих, соответствие определённому уровню качества (точность, надежность); в-четвертых, низкое энергопотребление.

Современные устройства регулирования температуры реализуются, как правило, на основе микроконтроллеров. Сегодняшний рынок микроконтроллеров очень разнообразен [2]. В предлагаемой дипломной работе используется микроконтроллер Atmel328, который обладает совершенной архитектурой и может выполнять команды в каждом такте. В разрабатываемом терморегуляторе будет использовать не просто микроконтроллер, а платформа Arduino Uno, которая работает на основе данного микроконтроллера.

К достоинствам платформы Arduino можно отнести: низкую стоимость, программное обеспечение Arduino, которое работает под операционные системы Windows, Macintosh OSX и Linux, простую и понятную среду программирования.

Разрабатываемое устройство является универсальным, так как его можно использовать для регулирования температуры в различных средах, в зависимости от типа используемого датчика.

В основу работы устройства заложены традиционные методы регулирования по отклонению температуры. То есть, сначала температура должна отклониться от заданной, а затем управляющий блок изменит величину мощности, подводимой к объекту управления. В качестве устройств индикации будет использоваться светодиодная шкала и жидкокристаллический индикатор. Светодиодная шкала, включает ряд светодиодов различных цветов свечения. Выбор того или иного цвета будет зависеть от измеренной температуры. Такое техническое решение для индикации работы устройства позволит отслеживать состояние терморегулятора на дальнем расстоянии, что может быть удобным при использовании устройства на больших площадях.

1. Разработка структурной схемы терморегулятора

1.1 Терморегуляторы. Основные виды и принцип работы

Процесс терморегуляции относится к процессам автоматического регулирования.

Под автоматическим регулированием понимается автоматическое поддержание вблизи постоянного значения некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс.

Автоматический регулятор в этом случае называется устройство, которое вырабатывает регулирующее воздействие в соответствии с требуемым законом регулирования.

Терморегулятор предназначен для обеспечения контроля за температурой воздуха, жидкости или различных поверхностей, с целью управления работой нагревательного или охлаждающего оборудования [3].

В автоматизированном производстве человек призван лишь периодически воздействовать на главные машины, механизмы и установки, определяющие нормальный ход технологического процесса, и наблюдать за наиболее важными его параметрами по показаниям приборов. При автоматизации процесса регулирования температуры, как правило, предусматривается:

- дистанционное управление, или управление на расстоянии;

- теплотехнический контроль, то есть измерение текущих значений параметров технологического процесса;

- технологическая сигнализация о состоянии основного и вспомогательного оборудования;

- автоматическая защита основного и вспомогательного оборудования от возможных повреждений в процессе эксплуатации;

- автоматическое непрерывное регулирование, обеспечивающее автоматическое поддержание технологических параметров вблизи заданного значения;

- логическое управление, обеспечивающее автоматическое включение или отключение регуляторов, машин, механизмов и установок в заданной последовательности.

Сфера применения терморегуляторов достаточно разнообразна, они используются в системах электроотопления, инкубаторах, аквариумах, холодильниках, духовых шкафах, системах кондиционирования и т.п.

Применение терморегулятора позволяет менять параметры температуры нагрева или охлаждения.

Классификация терморегуляторов осуществляется по различным признакам. Например, по назначению терморегуляторы можно разделить на бытовые и промышленные [4].

Бытовые терморегуляторы применяются в быту, например, для управления котлом, нагрева электрических теплых полов, в системах кондиционирования и др.

Промышленные терморегуляторы являются незаменимыми частями в таких отраслях промышленности, как деревообрабатывающая, пищевая, химическая, металлургическая, нефтеперерабатывающая, упаковочная, машиностроительная, энергетическая. Они помогают регулировать температуру, давление, влажность, расход и другие параметры в системах водоснабжения, отопления, в сушильных установках, в холодильниках, в печах, в пастеризаторах и во многом другом технологическом оборудовании.

Данные терморегуляторы получают информацию о текущем состоянии оборудования или среды от соответствующих датчиков: температуры, влажности, давления, уровня, расхода и т. д. - в зависимости от сферы применения. На разном оборудовании также имеют место различные температурные диапазоны, и для работы в конкретных условиях подбирают конкретный терморегулятор. Терморегулятор монтируют на дверцу шкафа, щита, на стену или на DIN-рейку, а к клеммникам подключают соответствующие провода.

Терморегуляторы различаются как по принципу действия, так и по характеристикам.

По принципу действия они подразделяются на регуляторы прямого и непрямого действия. Регуляторы прямого действия не используют внешнюю энергию для процессов управления, а используют энергию самого объекта управления (регулируемой среды).

По виду используемой энергии они подразделяются на электронные, пневматические, гидравлические, механические и комбинированные. Выбор регулятора по виду используемой энергии определяется характером объекта регулирования и особенностями автоматической системы.

Технические характеристики терморегуляторов зависят от их вида. К общим в этом случае можно отнести:

диапазон измерения температур;

диапазон напряжения питания и силы тока, при которых гарантирована нормальная работа устройства;

количество каналов;

условия подключения.

По роду действия регуляторы делятся на непрерывные и дискретные. Дискретные регуляторы, в свою очередь, подразделяются на релейные, цифровые и импульсные [5].

По закону регулирования они делятся на двух- и трехпозиционные регуляторы, типовые регуляторы (интегральные (И), пропорциональные (П), пропорционально-дифференциальные (ПД), пропорционально- интегральные (ПИ) и пропорционально- интегрально- дифференциальные (ПИД) регуляторы, регуляторы с переменной структурой, адаптивные (самонастраивающиеся) и оптимальные регуляторы. Двухпозиционные регуляторы нашли широкое распространение благодаря своей простоте и малой стоимости.

По виду выполняемых функций регуляторы подразделяются на регуляторы автоматической стабилизации, программные, корректирующие, регуляторы соотношения параметров и другие.

По принципу регулирования (управления) можно выделить три принципа построения терморегуляторов.

Первый принцип - по отклонению регулируемой величины (принцип Ползунова).

Второй принцип - по компенсации возмущения.

Третий принцип - комбинированный.

На рисунке 1.1 представлена структурная схема САР, отображающая первый принцип регулирования [6] .

На рисунке 1.1 введены следующие обозначения:

РО - регулирующий орган (задвижка, клапан);

Д - датчик (измеряет регулируемую величину x);

РУ - регулирующее устройство;

З - задатчик;

ИМ - исполнительный механизм.

Рисунок 1.1 Структурная схема САР по отклонению регулируемой величины

Принцип работы данной САР можно описать следующим образом.

Если выходная величина системы х₁ - измеренная температура, не равна заданной величине на входе х_зад (заданной температуре), то, регулирующее устройство РУ посылает сигнал x_уп на вход исполнительного механизма ИМ, в результате чего регулирующий орган РО поворачивается для изменения величины x.

Системы автоматического регулирования, работающие по принципу отклонения, являются основными в практике автоматизации различных производственных объектов, включая объекты систем регулирования температуры. Такие системы характеризуются наличием обратной связи, осуществляющей подачу части выходного сигнала на вход САР и образующей замкнутый контур регулирования. Сущность этого принципа регулирования состоит в том, что фактическое значение регулируемой величины постоянно сравнивается с ее заданным значением. При наличии разности этих значений выше заранее установленного порога в системе вырабатывается регулирующее воздействие, направленное на устранение этой разности или на уменьшение ее до некоторого допустимого значения.

К достоинствам схемы можно отнести то, что регулируемая величина x постоянно находится под контролем и в случае возникновения отклонения ее от заданной величины, система автоматически устраняет данное отклонение.

Недостаток схемы является то, что регулятор вступает в действие лишь после появления рассогласования между заданными значениями (x_зад) и действительным (x₁) регулируемой величины, что может отразиться на точности работы системы на начальном этапе работы. Кроме того, данный тип системы обладают некой инерционностью, что снижает их быстродействие.

Низкое быстродействие таких систем обусловлено тем, что

1. В замкнутый контур автоматического регулирования, созданный автоматическим регулятором и обратной связью, включен и объект регулирования. На практике объект регулирования практически всегда является самым инерционным звеном автоматической системы;

2. Они реагируют не на причину, вызывающую рассогласование между заданным и фактическим значением регулируемой величины, а на следствие - рассогласование между заданным и фактическим значением регулируемой величины.

Схема, работающая по второму принципу: САР по компенсации возмущения показана на рисунке 1.2. Такие САР предназначены для уменьшения влияния возмущающих воздействий на объект регулирования путем измерения этих воздействий и компенсации их влияния за счет обратного искусственного воздействия на объект регулирования.

При разработке этого принципа инженеры исходили из предположения, что для уменьшения или устранения отклонения регулируемой величины от заданного значения, вызываемого влиянием того или иного фактора, необходимо, чтобы управляющее воздействие было определенной функцией этого фактора и характеристик объекта регулирования.

При регулировании по принципу компенсации возмущения ставиться задача компенсации влияния возмущающего воздействия на регулируемую величину.

Рисунок 1.2 Структурная схема САР по компенсации возмущения

На рисунке 1.2 введены следующие обозначения:

ЭСИ - элемент сравнения сигналов;

Д - датчик (измеряет регулируемую величину x);

РУ - регулирующее устройство;

З - задатчик;

ИМ - исполнительный механизм;

РО - регулирующий орган (задвижка, клапан).

В данном случае заданная величина х определяется значением возмущающего воздействия, то есть, по сути, возмущающее воздействие - это и есть входная величина.

Рабочей информацией в этих системах служат возмущающие воздействия, вредное влияние которых подлежит компенсации. Поэтому в этих системах возможна полная компенсация влияния возмущающего воздействия на управляемую величину, т. е. возможно достижение инвариантности (независимости) управляемой величины относительно данного возмущающего воздействия. Рассмотренным способом можно компенсировать влияние каждого из возмущающих воздействий в отдельности. Однако на практике обычно не удается компенсировать влияние всех возмущающих воздействий, так как значительная часть воздействий не поддается измерению, а при попытке компенсации всех возможных возмущающих воздействий получается крайне сложная система.

Такие автоматические системы требуют начальной информации даже более полной, чем автоматические системы, работающие по принципу отклонения. Действительно, для компенсации влияния какого-либо возмущения в установившемся и тем более переходном режимах необходимо точно знать это влияние.

В этом случае выбирается одно (главное) или два (не более) возмущения и определяется, как они влияют на регулируемую величину. Регулирующее воздействие, прикладываемое к объекту регулирования со стороны исполнительного органа, зависит от возмущения так, что изменения регулируемой величины не выходят за заданные пределы. Такие системы просты и устойчивы в работе, но они не способны реагировать на другие возмущения, вызывающие отклонение регулируемой величины.

В отличие от предыдущего класса систем, данные системы относятся к разомкнутым, так как в них отсутствует контроль за выходной величиной.

Достоинство схемы: простота, устойчивость, высокое быстродействие.

Недостаток схемы: регулируемая величина может значительно отклониться от требуемого значения, что влияет на точность работы.

Полное соответствие между заданным и фактическим значениями регулируемой величины может иметь место только в случае, когда характеристики отдельных звеньев автоматической системы будут стабильными и будет исключено воздействие внешних возмущений.

Кроме того, все элементы схемы должны быть тщательно настроены, т. е. каждому положению задающего устройства должно строго соответствовать значение регулируемой величины. Однако сохранение настроек при износе деталей или старении элементов, а также при изменении температуры окружающей среды представляет трудную задачу. Поэтому разомкнутые системы не могут обеспечить высокую точность регулирования. В них не измеряется результат, вызываемый управляющим воздействием, и не осуществляются действия, влияющие на этот результат с тем, чтобы он соответствовал желаемому.

Системы, работающие по принципу компенсации возмущения, имеют частное применение.

Следующий принцип регулирования - это комбинированный. На рисунке 1.3 представлена структурная схема, работающая по данному принципу.



Рисунок 1.3 Структурная схема комбинированной САР

Здесь скомбинированы два первых принципа управления, таким образом, регулирования осуществляется и по отклонению выходной величины от заданной и по возмущению, действующему извне на объект регулирования, то есть к рабочей информации об отклонении регулируемой величины добавляется информация о возмущающем воздействии. Такие автоматические системы объединяют положительные стороны рассмотренных ранее принципов автоматического регулирования и исключают их недостатки [7].

Такой принцип считается наиболее эффективным, так как В комбинированных автоматических системах компенсационная связь по основному возмущению (задающему воздействию) устраняет составляющую ошибки, вызываемую этим возмущением (изменением задающего воздействия), а в результате действия обратной связи уменьшаются ошибки, вызываемые второстепенными возмущающими воздействиями, по которым нет компенсационных связей. Если с помощью компенсационных связей не полностью устраняются ошибки, вызываемые основными возмущающими (задающими) воздействиями, то остаточные ошибки также уменьшаются с помощью обратной связи.

Для формирования управляющего воздействия в комбинированных автоматических системах используется как непосредственная информация об основных возмущающих воздействиях (изменении задающего воздействия), так и отклонение регулируемой величины от требуемого значения, вызываемое всеми возмущающими воздействиями (изменением задающего воздействия). Благодаря этому:

1) в комбинированных автоматических системах с помощью компенсационных связей возможно достижение полной компенсации ошибок, вызывае­мых основными возмущающими и задающим воздействиями (возможно достижение инвариантности);

2) наряду с возможностью полной компенсации ошибок, вызываемых основными воздействиями, в комбинированных автоматических системах с помощью обратной связи уменьшаются ошибки, вызываемые второстепенными возмущающими воздействиями, по которым нет компенсационных связей, а также недокомпенсированные ошибки от основных воздействий;

3) при нарушении условий компенсации возмущающего воздействия возникающая ошибка уменьшается замкнутой автоматической системой, т. е. комбинированные автоматические системы менее чувствительны к изменениям параметров разомкнутых каналов, чем разомкнутые автоматические системы;

4) благодаря наличию разомкнутых компенсационных каналов в комбинированных автоматических системах не так остро стоит проблема устойчивости, как в замкнутых автоматических системах.

Естественно, что и точность регулирования, достижимая в комбинированных системах, выше точности всех других автоматических систем. На практике такие автоматические системы сложны и дорогостоящи.

Таким образом, комбинированные автоматические системы являются наиболее совершенными системами, обладающими высокой точностью поддержания регулируемой величины. На рассмотренных принципах строятся не только технические системы автоматического регулирования, но также и системы управления в обществе и регуляционные системы в живых организмах. Поэтому методы исследования технических систем автоматического регулирования в определенной мере могут быть использованы для исследования систем управления в обществе и живой природе [7]. 

1.2 Структурная схема терморегулятора

По своему функциональному назначению терморегуляторы можно отнести к системам стабилизации температуры, так как основная цель управления данных устройств - поддержание (стабилизация) температуры на заданном уровне [4].

На рисунке 1.4 показана общая структура стабилизаторов.

Рисунок 1.1 Структурная схема стабилизатора с замкнутым контуром

На рисунке 1.4 приняты следующие обозначения:

АР - автоматический регулятор;

УМ - усилитель мощности;

ИМ - исполнительный механизм;

РО - регулируемый орган;

ОУ - объект управления;

Д - датчик;

ЗД - задатчик;

х₀ - задающий сигнал (задаваемая температура);

е - ошибка регулирования;

U_P - выходной сигнал регулятора;

Uх - управляющее напряжение;

h - перемещение регулирующего органа;

Qr - расход вещества или энергии;

F - возмущающее воздействие;

T - выходная величина (температура нагрева);

х_о.с. - сигнал обратной связи.

Описание работы схемы.

С помощью задатчика ЗД формируется входная величина напряжения х₀, пропорциональная температуре стабилизации. Автоматический регулятор АР в зависимости от значения ошибки регулирования е, которая представляет собой разность между входным сигналом х₀ и выходным сигналом х_о.с, формирует величину выходного сигнала U_P. Данный сигнал, как правило, имеет небольшое значение, поэтому его необходимо усилить с помощью блока усилителя мощности УМ. Усиленный сигнал поступает на вход исполнительного механизма ИМ, который представляет собой двигатель и цепь редукторов. В результате запуска двигателя осуществляется перемещение цепи редукторов, осуществляя, таким образом, перемещение регулирующего органа РО. Перемещение РО влияет на изменение величины расхода вещества или энергии Qr, которая поступает на вход ОУ. ОУ, в свою очередь, нагревается до температуры Т. Датчик Д переводит температуру в напряжение х_О.С., которое по обратной связи поступает на вход сумматора для сравнения с заданной величиной х₀. Цель управления в таких САР - достичь равенства между заданной величиной х₀ и выходной х_О.С, то есть равенства желаемой установленной температуры нагрева и действительной.

Особенностью управления является то, что одним и тем же выходным параметром объекта можно управлять по разным входным каналам.

При выборе нужного канала управления исходят из следующих соображений:

1) Из всех возможных регулирующих воздействий выбирают такой поток вещества или энергии, подаваемый в объект или отводимый из него, минимальное изменение которого вызывает максимальное изменение регулируемой величины, то есть коэффициент усиления по выбранному каналу должен быть, по возможности, максимальным. Тогда, по данному каналу можно обеспечить наиболее точное регулирование.

2) Диапазон допустимого изменения управляющего сигнала должен быть достаточен для полной компенсации максимально возможных возмущений, возникающих в данном процессе, то есть должен быть обеспечен запас по мощности управления в данном канале.

3) Выбранный канал должен иметь благоприятные динамические свойства, то есть запаздывание t₀ и отношение t₀/T₀ , где T₀ - постоянная времени объекта, должны быть как можно меньшими. Кроме того, изменение статических и динамических параметров объекта по выбранному каналу при изменении нагрузки или во времени должны быть незначительными [6].

Основные показатели качества регулирования.

К автоматическим системам стабилизации и регулирования предъявляются требования не только по устойчивости процессов регулирования во всем диапазоне нагрузок на объект, но и по обеспечению определенных качественных показателей процесса автоматического регулирования.

Ими являются:

- ошибка регулирования (статистическая или среднеквадратическая составляющие).

- время регулирования.

- перерегулирование.

- показатель колебательности.

В дипломной работе будет проводиться разработка электронного терморегулятора, который включает в свой состав блок управления на основе микроконтроллера. Блок управления в данном случае будет выполнять функции блоков автоматического регулятора АР, усилителя мощности УМ, регулирующего органа РО (рисунок 1.4), поэтому структурная схема, изображенная на рисунке 1.4 поменяет свой внешний вид на изображение, показанное на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 Структурная схема терморегулятора

На рисунке 1.5 приняты следующие сокращения:

ЗД - задатчик температуры;

ДТ - датчик температуры;

БУ - блок управления;

СИ1, СИ2, СИ3 - светодиодная индикация;

ИД - индикаторный дисплей;

Р - реле;

Н - нагревательный элемент.

Описание работы схемы.

Необходимая температура формируется на выходе задатчика температуры ЗД и поступает на вход блока управления БУ. Для измерения температуры в систему включен датчик ДТ, выходной сигнал которого также поступает на вход блока управления БУ.

Если измеренная температура на выходе ДТ не достигла заданного уровня температуры на выходе ЗД, БУ формирует управляющий сигнал для реле Р, которое подключает напряжение питания к нагревательному элементу НЭ, происходит нагрев. Когда температура достигнет заданного уровня, БУ перестает подавать управляющий сигнал на Р, отключая, таким образом, нагревательный элемент от источника питания.

Текущая и заданная температура отражаются на дисплеи ИД. Светодиодные индикаторы СИ1-СИ3 служат в качестве дополнительной индикации измеренной температуры. В зависимости от ее величины начинают светиться определенные светодиодные индикаторы. Когда температура нагрева ниже заданной величины больше, чем на 5⁰С, то светодиоды не горят. При разнице температуры в меньшую сторону в пределах 4⁰С и при равенстве температур светятся зеленые светодиоды группы СИ1. Если температура превышает заданное значение в переделах от 1⁰С до 3⁰С, то светятся желтые светодиоды группы СИ2. Когда температура начинает превышать заданный порог на 3⁰С и более градусов, то загораются красные светодиоды группы СИ3.

2. Разработка электрической принципиальной схемы терморегулятора

2.1 Платформа Arduino в качестве блока управления

Согласно техническому заданию на дипломную работу в качестве микроконтроллера необходимо использовать микроконтроллер Atmega328 платформы Arduino.

Arduino - это платформа с открытым кодом на основе встроенного микроконтроллера и среды разработки с программным интерфейсом API для микроконтроллеров. Для взаимодействия между человеком и микроконтроллером могут присоединяться различные аналоговые и цифровые датчики, которые регистрируют состояние окружающей среды и передают данные в микроконтроллер.

В данном случае при разработке устройства используется плата Arduino Uno (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 Изображение платы Arduino Uno

На рисунке 2.2 показаны выводы микроконтроллера ATmega328 обозначены определенным цветом, с помощью рисунка 2.3 и таблицы 2.1 можно узнать их назначение [9].

Рисунок 2.2 Обозначение выводов ATmega328

Рисунок 2.3 Цветовые обозначения на рисунках 2.2, 2.3

Таблица 2.1

Назначение выводов микроконтроллера ATmega328

Номер вывода	Обозначение	Назначение
Порт B. 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими резисторами
14-19, 9, 10	РВ0… РВ7/PCINT	Вход/выход порта В/ Вход внешнего прерывания по изменению сигнала
12, 11, 15, 16, 17, 5	ОС0А, ОС0В…ОС2А, ОС2В	Выходы А или В таймера Т0 или Т1 или Т2
9,10	XTAL1, XTAL2	Вход, выход тактового генератора
14	ICP1	Вход захвата таймера/счетчика 1
17, 18	MOSI, MISO	Вход, выход (Master)
Номер вывода	Обозначение	Назначение
19	SCK	Выход (Master)/Вход (Slave) тактового сигнала модуля SPI
16	SS	Выбор Slave-устройства на шине SPI
5, 11, 12, 15-17	PWM	Выходы широтно-импульсного модулятора
Порт C. 7-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими резисторами
23-28, 1	РС0… РС6/PCINT	Вход/выход порта С/ Вход внешнего прерывания по изменению сигнала
1	RESET	Вход сброса
23-28	ADC0…ADC5	6 аналоговых входов (АЦП), каждый из которых обеспечивает 10-разрядное аналого-цифровое преобразование
27	SDA	Линия данных модуля TWI
28	SCL	Тактовый сигнал модуля TWI
Порт D. 8-разрядный двунаправленный порт ввода/вывода с внутренними подтягивающими резисторами
2-6, 11-13	РD0… РD 6/PCINT	Вход/выход порта D/ Вход внешнего прерывания по изменению сигнала
6	XCK	Вход/выход внешнего тактового сигнала USART (последовательный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик)
2, 3	RXD, TXD	Вход, выход USART
4, 5	INT0, INT1	Входы внешнего прерывания
6, 11	T1	Вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика T0 и Т1
12, 13	AIN0, AIN1	Положительный и отрицательный входы компаратора
21	AREF	Вход опорного напряжения для АЦП
2-6, 11-19, 23-28		Входы и выходы Arduino

С помощью рисунка 2.4, рисунка 2.3 и таблицы 2.1 можно определить назначение разъемов ввода/вывода платформы Arduino Uno.



Рисунок 2.4 Назначение разъемов ввода/вывода платформы Arduino Uno

2.2 Выбор датчика температуры

Рынок температурных датчиков также обширен и широк. Производители представляют различные схемные реализации, как цифровые, так и аналоговые. С настраиваемыми параметрами, различными интерфейсами связи и т.д.

Использование аналоговых температурных датчиков заставляет столкнуться с рядом проблем, связанных с передачей информации по каналу связи к АЦП.

Цифровые температурные датчики позволяют избежать многих проблем, связанных с передачей аналогового сигнала от полупроводникового датчика к входу АЦП или компаратора. Объединяя на одном кристалле чувствительный элемент, цепи коррекции нелинейности, АЦП, стандартный интерфейс, для подключения к микроконтроллеру и стабилизатор питания, эти приборы позволяют значительно упростить схемотехнику проектируемого устройства, повысить его надежность и снизить стоимость. Все микросхемы датчиков дополнительно содержат встроенную оперативную память и схему слежения, для контроля выхода температуры за установленное пользователем пороговое значение.

Выбор был сделан в пользу цифрового датчика Использование аналоговых температурных датчиков заставляет столк-нуться с рядом проблем связанных с передачей информации по каналу связи к АЦП. - это датчик (термометр) с программируемым разрешением, от 9 до 12-бит, которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18b20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть, как единственным устройством на линии, так и работать в группе.

Все процессы на шине управляются МК. Диапазон измерений температуры от -55°C до +125°C и точность 0,5°C в диапазоне от -10°C до +85°C. Данные термометры поддерживают схему включения с «паразитным» питанием, т.е. когда они функционируют без питания на линии VDD [10].

На рисунке 2.5 изображен датчик в различных корпусах. В таблице 2.2 представлено описание назначения выводов датчика [10].

Рисунок 2.5 Датчик температуры DS18b20 в разных корпусах

Таблица 2.2

Назначение выводов DS18b20

Тип корпуса	СИМВОЛ	ОПИСАНИЕ
SO*	SOP*	TO-92
5	4	1	GND	Общий.
4	1	2	DQ	Вывод данных ввода/вывода (Input/Output pin). Open-drain 1-Wire interface pin. По этой линии подается питание в режиме работы с паразитным питанием.
3	8	3	VDD	Вывод питания. Для режима работы с паразитным питание VDD необходимо соединить с общим проводом.

*Все остальные выводы должны оставаться не подключенными.

2.3 Выбор жидкокристаллического дисплея

В качестве жидкокристаллического дисплея был выбран дисплей типа LCD1602. Данная модель обладает рядом преимуществ: низкая стоимость, наличие готовых библиотек под Arduino.

На экран данного дисплея можно, например, выводить информацию в пределах 32 символов, получаемую от различных датчиков или просто делать вывод каких-то сообщений характеризующих ход выполнения программы. терморегулятор электрический температура датчик

Положительным моментом также является то, что данный экран оснащен дополнительной платой IIC/I2C интерфейса (последовательный интерфейс), позволяющей работать с микроконтроллерами с помощью всего двух проводов (без учета проводов питания). Плата последовательного интерфейса с обратной стороны экрана выглядит следующим образом (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 Интерфейсная плата IIC/I2C

На плате IIC/I2C интерфейса установлен потенциометр, который необходим для настройки контрастности экрана. Джампер подсветки экрана позволяет во время работы отключить вручную подсветку дисплея.

На рисунке 2.7 показано подключение дисплея к плате Arduino Uno [11].

Рисунок 2.7 Подключение дисплея к плате Arduino Uno

В таблице 2.3 казано к каким выводам подключается интерфейсная плата дисплея и платы Arduino Uno.

Таблица 2.3

Подключение дисплея к плате Arduino Uno

Наименование вывода на плате Arduino Uno	Наименование вывода на интерфейсной плате IIC/I2C	Цвет проводов на рисунке 2.4
GND	GND	Черный
5V	VCC	Красный
A4	SDA	Коричневый
A5	SCL	Белый

2.5 Подключение светодиодной индикации

В разрабатываемом устройстве также присутствует светодиодная индикация. Всего используется десять светодиодов, которые подключаются к выводам 4-13 платформы Arduino Uno. В схеме используются три типа светодиодов, их технические характеристики указаны в таблице 2.4.

Для подключения каждого из светодиодов необходимо использовать токоограничивающий резистор, номинал которого можно рассчитать по формуле (2.1) [13].

Таблица 2.4

Основные технические характеристики светодиодов

Тип светодиода	Цвет свечения	Напряжение падения на светодиоде, В	Прямой ток Светодиода, мВ
BL-L101SRC	красный	1,85	25
BL-L101UYC	желтый	2,1	30
BL-L101UGC	зеленый	2,2	30

R=(U_ПИТ - U_ПАД)/I_ПР, (2.1)

где U_ПИТ - напряжение питания (5 В);

U_ПАД - напряжение падения на светодиоде;

I_ПР - прямой ток светодиода.

Путем подстановки данных из таблицы 2.4 далее рассчитывается сопротивления для светодиодов красного, зеленого и желтого цветов свечения

R_К=(5 - 1,85)/0,025=126 Ом, (2.2)

R_Ж=(5 - 2,1)/0,03=97 Ом,

R_З=(5 - 2,2)/0,03=93 Ом,

Для всех резисторов удобнее выбрать резистор одного номинала ближайшее наибольшее значение к рассчитанному: 130 Ом.

2.6 Компоновка электрической принципиальной схемы

На рисунке 2.12 изображена электрическая принципиальная схема разрабатываемого терморегулятора. В таблице 2.5 представлен перечень используемых элементов.

Описание работы схемы.

Величина необходимой температуры нагрева задается с помощью кнопок SB1, SB2. Для увеличения значения используется кнопка SB1, для уменьшения - кнопка SB2. Датчик температуры XS2 передает информацию на микроконтроллер платформы Arduino Uno (DD1). Микроконтроллер, в свою очередь, в зависимости от поступившей информации с датчика, формирует управляющие сигналы, которые поступают на светодиоды HL1-HL10, на дисплей HG1 и на релейный модуль XP1.

При температуре нагрева ниже заданной величины, больше, чем на 5⁰С, светодиоды не светятся. Если измеренная температура меньше заданного значения на 4⁰ С, то начинает светиться зеленый светодиод HL1, если меньше на 3⁰ С, то дополнительно загорается зеленый светодиод HL2, если меньше на 2⁰ С, то загорается зеленый светодиод HL3, если меньше на 1⁰ С, то загорается зеленый светодиод HL4. Когда температура устанавливается равной заданному значению, то загорается последний зеленый светодиод HL5, таким образом, светятся все пять зеленых светодиодов.

Если температура становится больше на 1⁰С, то дополнительно начинает светиться желтый светодиод HL6, если на 2⁰С - то желтый светодиод HL7. В случае превышения заданной температуры на 3⁰С загорается красный светодиод HL8, на 4⁰С - красный светодиод HL9, на 5⁰С - красный светодиод HL10. Таким образом, начинает светиться вся светодиодная шкала.

Информацию о величинах задаваемой и фактической температурах можно увидеть на индикационном дисплее HG1.

Если температура ниже заданной, то управляющий сигнал поступает также на вход релейного модуля XP1, в результате чего включается нагревательный элемент.

Когда температура достигнет заданного уровня, микроконтроллер перестает подавать управляющий сигнал на релейный модуль XP1, отключая, таким образом, нагревательный элемент от источника питания.

Таблица 2.5

Перечень элементов

Обозначение	Тип элемента	Номинальное значение
DD1	Arduino Uno
HG1	LCD1602
HL1-HL5	BL-L101UGC
HL6, HL7	BL-L101UYC
HL8-HL10	BL-L101SRC
R1	CF-100 (С1-4) 1 Вт, 5%	5,1 кОм
R2-R11	CF-100 (С1-4) 1 Вт, 5%	220 Ом
SB1, SB2	1825910-6 (FSM4JH)
XP1	релейный модуль Songle SRD-05VDC-SL-C
XS1	USB-B
XS2	DS18b20

3. Разработка программы для блока управления

3.1 Выбор программной среды для программирования Arduino

В качестве базового языка для платформы Arduino используется С/С++, однако с некоторыми упрощениями и доработками. Но при использовании различных библиотек и IDE можно создавать код программы в таких языках программирования как Python, C#, Go и т.д. Среды программирования для Arduino бывают следующих видов [14]:

- среды программирования типа блокнот;

- текстовые среды разработки;

- графические среды, визуализирующие структуру кода;

- графические среды, отображающие код в виде графики;

- визуальные среды программирования, не использующие код.

Далее будут рассмотрены некоторые программные среды для программирования Arduino.

Программная среда ArduinoIDE.

ArduinoIDE - это программная среда разработки предназначенная для программирования платы Arduino, среда разработки типа Блокнот. В основе этой программной среды язык программирования С++. Для успешного создания кода разработчику необходимо иметь базовые знания языка С++. Программа доступна каждому, так как является бесплатной и подходит к операционным системам Windows, MacOS и Linux. В программе имеется большое количество стандартных библиотек, но присутствует возможность добавлять новые библиотеки или писать их самому. На рисунке 3.1 показан интерфейс программной среды ArduinoIDE [14].



Рисунок 3.1. Интерфейс программной среды ArduinoIDE

Следующая среда программирования - AVR Studio, является альтернативой Arduino IDE.

Код в этой среде программируется на языке С и внешне схож с Arduino IDE. В этой среде намного больше возможностей, благодаря большому количеству настроек и библиотек, но и навык программиста должен быть на соответствующем уровне [14]. Пример скетча, написанного в программной среде AVR Studio приведен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2. Скетч, написанный в программной среде AVRStudio

Следующая графическая среда - Ardublock, визуализирующая структуру кода.

Ardublock - это графическая среда программирования для Arduino. Программирование в данной среде осуществляется путем создания кода из отдельных блоков, подобно мозаике. Эта среда программирования встраивается в среду Arduino IDE. Пример одного скетча в Arduino IDE и Ardublock приведен на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3. Скетч, написанный в ArduinoIDE(слева) и в Ardublock (справа)

Достоинствами среды программирования Ardгblock являются:

- наличие простого, интуитивно понятного графического интерфейса, благодаря чему может использовать начинающими разработчиками;

- программная среда преобразует алгоритм, написанный в среде Ardublock, в программную среду Arduino IDE.

Недостатками данной среды программирования являются:

- управлять устройством из программной среды невозможно;

- для того чтобы проверить правильность написанного алгоритма необходимо скомпилировать код и загрузить в микроконтроллер, если код большой, то эта операция занимает много времени.

Графическая среда Flowcode.

Flowcode - графическая среда программирования, отображающая код в виде картинки. Данная графическая среда обладает очень простым графическим интерфейсом, благодаря чему программирование в данной среде осуществляется очень просто и интуитивно понятно, даже начинающим программистам. Программирование в среде Flowcode осуществляется поблочно, то есть путем перемещения и соединения различных блоков. В этой среде программирования поддерживается множество необходимых интерфейсов, таких как USB, I2C, SPI, TCP/IP и многие другие. В программной среде разработчику дается возможность создать лицевую панель разрабатываемого устройства, после разработки алгоритма для него. Для этого есть все необходимые компоненты: светодиоды, дисплеи, кнопки и многое другое. Пример скетча, написанного в программе Flowcode представлен на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4. Скетч, написанный в графической среде Flowcode

Визуальная среда программирования, не использующая кода - FLProg. В данной программной среде разработчику предлагается выбрать между двумя графическими языками программирования:

- функциональные схемы (FunctionBlockDiagram);

- релейные схемы (LadderDiagram).

FunctionBlockDiagram (FBD) - графический язык программирования, в котором алгоритм создается из блоков логических элементов, таких как, И, ИЛИ, различные триггеры счетчики и многое другое (рисунок 3.5).

LadderDiagram (LD) - графический язык программирования, в котором алгоритм создается с помощью релейной или лестничной логики. Данный язык будет удобен специалистам автоматизации технологических процессов, так как этот язык часто применяется на промышленных предприятиях (рисунок 3.6) [14].

На основе вышеперечисленных фактов, было принято решение программировать платформу Arduino в графической среде FLProg на языке FBD. Данная среда программирования обладает большим функционалом, благодаря графическому интерфейсу наглядно прослеживается алгоритм работы и упрощается процесс программирования платформы Arduino.

Рисунок 3.5. Скетч, написанный в FLProg на языке FBD



Рисунок 3.6. Скетч, написанный в FLProg на языке LadderDiagram

3.2 Разработка модели в программе FLProg

Перед тем как составить модель в программной среде FLProg, необходимо представить общий алгоритм работы микроконтроллера в виде структурной схемы (рисунок 3.6).

Рисунок 3.7 Структурная схема алгоритма работы микроконтроллера

На рисунке 3.7 приняты следующие сокращения.

ДТ - датчик температуры;

ИД - индикационный дисплей;

БСИ - блок светодиодной индикации;

К1 - компаратор условия вх.1 >= вх.2;

К2 - компаратор условия вх.1 <= вх.2;

Т - триггер;

Р - реле;

КН1 - кнопка, для увеличения порогового значения температуры;

КН2 - кнопка, для уменьшения порогового значения температуры;

СЧ - счетчик;

ПМК - память микроконтроллера;

БИ - блок инкремента.

Описание работы схемы.

С помощью кнопок КН1 и КН2 пользователь устанавливает необходимую температуру нагрева. Счетчик подсчитывает количество нажатий, и записывает установленное значение температуры в память микроконтроллера. Так же это значение сохраняется в самом счетчике для того, чтобы при повторном включении устройства показания сохранялись.

Установленное пороговое значение температуры считывается из ПМК и поступает на вход 2 компаратора К1. На вход 1 этого же компаратора поступает информация с датчика ДТ. Если измеренная температура меньше установленного порога, то выполняется условие данного компаратора: вх.1 >= вх.2, что приводит к появлению на выходе К1 логической единицы. Высокий уровень сигнала на выходе К1 обеспечивает срабатывание триггера Т, а значит и реле Р. Таким борзом нагревательный элемент начинает работать.

Когда температура нагрева превысит значение установленного порога, сработает компаратор К2. Что приведет к сбросу триггера Т и соответственно к отключению реле. Причем, для компаратора К2 пороговое значение, благодаря наличию блока инкремента БИ, увеличено на единицу. Данная операция необходима для того, чтобы реле не срабатывало при незначительных отклонениях температуры, так как это может отрицательно сказаться на работе всего устройства. Таким образом формируется гистерезис пороговых значений срабатывания реле.

Информация о текущей и установленной температуре отображается на дисплее индикатора. Светодиодный блок срабатывает, когда температура нагрева становится в пределах заданного значения или выше.

На рисунке 3.8 отдельно представлена структурная схема блока светодиодной индикации.

Рисунок 3.7 Структурная схема алгоритма работы светодиодного блока

На рисунке 3.8 приняты следующие сокращения:

ДТ - датчик температуры;

ПМК - память микроконтроллера;

ВБ - вычитающий блок;

СБ - суммирующий блок;

К1 - К10 - компараторы условия вх.1 >= вх.2;

1, 2, 3….10 - числовые константы от единицы до десяти;

СЗ1 - СЗ5 - светодиоды зеленого цвета свечения;

СЖ1, СЖ2 - светодиоды желтого цвета свечения;

СК1 - СК3 - светодиоды красного цвета свечения.

Описание работы схема на рисунке 3.8.

В светодиодный блок входят десять светодиодов. Пять светодиодов зеленого цвета свечения, три светодиода желтого цвета свечения и три светодиода красного цвета свечения.

Вычитающий блок ВБ находит разность между значениями действительной температуры и заданной. К полученной разности в блоке суммирования СБ прибавляется константа 4 для того, чтобы сместить сигнал и обеспечить одновременное свечение светодиодов СЗ1-СЗ5.

Компараторы К1-К10 сравнивают выходной сигнал с СБ с числовой константой, подаваемой на второй вход этих компараторов. При выполнении условия вх.1 >= вх.2 на выходе компаратора устанавливается высокий логический уровень и светодиод н, подключенный к выходу компаратора начинает светиться.

Так, например, если измеренная температура равна установленному значению, то на выходе блока СБ будет число равное четырем, что приведет к срабатыванию компараторов К1-К4, т.е. начнут светиться зеленые светодиоды СЗ1-СЗ4.

Если измеренная температура будет превышать установленное значение на один градус, то на выходе блока СБ будет число большее пяти, что приведет к срабатыванию компараторов К1-К6, т.е. начнут дополнительно светиться СЗ5 и СЖ1.

И далее с превышением температуры на один градус будет загораться следующий светодиод. Таким образом, первый светодиод СК1 - соответствует превышению температуры на три градуса, светодиод СК2 - соответствует превышению температуры на четыре градуса, СК3 - соответствует превышению температуры на пять градусов.

На рисунках 3.9 и 3.10 представлены модели для программной среды FLProg, собранные на основе структурных схем (в соответствии с рисунками 3.7 и 3.8). В таблице 3.1 дано описание используемых блоков в модели.

Описание работы моделей.

В модели на рисунке 3.9 практически все блоки идентичны блокам, в структурной схеме на рисунке 3.7. Так как данная модель представляет собой программу для микроконтроллера, то были внесены некоторые коррективы. Например, подключение датчика температуры DS1820 к дисплею DISP осуществляется через блоки SConv и SSum. Согласно описанию, представленному в таблице 3.1, они необходимы для установления необходимой формы записи показаний датчика. В данном случае показания будут отображаться в строчку с сохранением двух знаков после запятой. Через эти же блоки на дисплей выводится информация о заданном пользователем значении температуры.

В схему добавлены также блоки триггера RTrig, которые необходимы для формирования переднего фронта импульса.

В качестве счетчика был выбран блок CTDU, имеющий все необходимые входы.

Так вход С предназначен для считывания импульсов, подаваемых с выхода логического элемента ИЛИ, которые появляются при условии, если хотя бы одна из кнопок КН1 или КН2 нажата.

Вход UD - для выбора направления счета. Если кнопка КН1 нажата, то счетчик считает на увеличение, если нет, то на уменьшение.

Вход SP является входом предустановки, на который поступает импульс со выхода триггера RTrig, что обеспечивает запись значения, поступающего на вход Р. К этому входу подключен блок REEPROM, позволяющий загружать из энергонезависимой памяти контроллера значения предварительно записанной туда переменной. Для записи переменной в энергонезависимую память контроллера используется блок SEEPROM, подключенный через блок изменения числа Number Change, к выходу счетчика. Таким образом осуществляется запись установленного пользователем значения температуры в память микроконтроллера. Блок Number Change необходим для фиксации изменения этого значения, чтобы в память микроконтроллера постоянно не записывалось одно и то же значение температуры.

В качестве блока инкремента, который на структурной схеме (рисунок 3.7) обозначен, как БИ, в модели (рисунок 3.9) используется блок сложения. На вход I1 поступает сигнал с выхода счетчика, на вход I2 - константа равная единице. Таким образом, осуществляется увеличение заданного значения температуры на единицу.

Модель на рисунке 3.10 полностью повторяет структуру схемы, показанной на рисунке 3.8.

Рисунок 3.9 Модель алгоритма работы микроконтроллера в программной среде FLProg

Рисунок 3.10 Модель алгоритма работы светодиодного блока в программной среде FLProg

Таблица 3.1 Описание блоков модели FLProg

Изображение и название блока	Назначение
1	2
Датчик температуры	Блок позволяет использовать в проекте датчики температуры DS18B20, DS18S20, DS1822. Датчики подключаются шине OneWare.
Блок преобразования строк	Блок служит для преобразования чисел в строки и обратно, что задается настройками блока.
Блок сложения строк	Блок служит для сложения нескольких строк. Количество входов настраивается в параметрах блока.
Дисплей	Блок служит для отображения информации на дисплее который.
Блок записи переменной в память МК	Блок служит для записи переменной в энергонезависимую память контроллера. По переднему фронту импульса на входе EN значение со входа V записывается в энергонезависимую память контроллера.
1	2
Блок записи чтения переменной из памяти МК	Блок предназначен для вычитывания из энергонезависимой памяти контроллера значения предварительно записанной туда переменной.
Компаратор	Компаратор - блок сравнения, сравнивает два аналоговых сигнала, подаваемых на входы I1 и I2 в соответствии с выбранным условием и, в случае выполнения этого условия, выдаёт на выход Q логическую единицу. В данном случае условия следующие: I1 >= I2 I1 <= I2.
R триггер	Блок служит для выделения переднего фронта импульса поступающего на вход I. В момент появления на входе I логической единицы на выходе Q выставляется логическая единица на время выполнения одного цикла программы.
RS триггер	RS-триггер работает согласно приведенной ниже диаграмме
	Цифровой выход на реле. Кнопка 1 - используется для увеличения заданного значения температуры; Кнопка 2 - используется для уменьшения заданного значения температуры; Цифровой выход на светодиод
Логический элемент ИЛИ	Элемент, работающий согласно логической функции ИЛИ.
1	2
Счетчик	Счетчик, считывающий импульсы, подаваемые на вход С. Направление счета зависит от наличия сигнала на входе UD. При наличии сигнала счетчик считает на увеличение, при отсутствии сигнала счетчик считает на уменьшение. Вход SP является входом предустановки. При наличии на этом входе сигнала, в счетчик записывается значение. Это значение может подаваться через вход Р.
Блок сложения	Операция сложения формирует на выходе (Q) значение, равное сумме значений на входах I1 и I2.
Блок вычитания	Операция вычитания формирует на выходе (Q) значение, равное разнице значений на входе I1 и на входе I2.

4 Разработка макета терморегулятора

В данном разделе будет продемонстрирована работа макета. Макет терморегулятора был собран на макетной плате. Все элементы на макете соответствуют перечню элементов, указанных в таблице 2.5, за исключением реле. Для упрощения демонстрации работы устройства реле, с помощью которого осуществляется управление состоянием нагревательного элемента, было заменено на светодиод синего цвета свечения. Если светодиод начинает светиться, то это свидетельствует о срабатывании реле и, как следствие, о подключении нагревательного элемента к источнику питания.

На рисунке 4.1 представлено изображение макета разрабатываемого терморегулятора.

...