Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ им. А.Н. ТИХОНОВА

ЗАДАНИЕ

на выпускную квалификационную работу бакалавра

студенту группы БИТ163 Гордеевой Анастасии Павловне

1. Тема работы

Разработка автоматизированного комплекса слежения за питанием домашних животных

1. Требования к работе

Разработать модель автоматизированной системы, состоящей из раздатчика сухого корма и устройства, подающего воду в миску. Система должна контролировать объем порции и предоставлять возможность пользователю задавать собственный режим кормления. Кроме того, необходимо обеспечить постоянное наличие воды в миске.

2. Содержание работы

1. Анализ существующих датчиков

2. Анализ возможностей среды разработки Arduino для создания автоматизированной системы

3. Обзор прототипа системы

4. Обзор используемых элементов

5. Описание разрабатываемой системы



Аннотация

Целью данной работы является разработка автоматизированного комплекса слежения за питанием домашних животных, в задачи которого входит выдача еды по заданному расписанию и контроль за наличием воды в миске. автоматизированный устройство слежение животное

В результате были разработаны алгоритм работы и схема устройства, даны рекомендации по использованным элементам, их характеристики и примерная стоимость, а также рассмотрен один из возможных дизайнов устройства. Устройство предназначено для использования пользователями без специальной подготовки. Возможно использование в медицинских целях в случае необходимости соблюдения строгой диеты. В качестве дальнейшей работы предлагается продумать возможность извлечения контейнера для корма и добавления жидких витаминов в воду.

Работа написана на 59 страниц, было использовано 39 иллюстраций, 1 таблица и 30 источников.



Annotation

The purpose of this work is to develop an automated pet food tracking system, which is used to issue food according to the specified schedule and control the presence of water in the bowl.

As a result, an operation algorithm and a device circuit were developed. Also were given recommendations on the used elements, their characteristics and approximate cost, and one of the possible device designs was considered. The device is intended for use by people without special training. It is possible to use for medical purposes if it is necessary to observe a strict diet. As further work, it is proposed to consider the possibility of removing the feed container and adding liquid vitamins to the water.

The work is written in 59 pages. Were used 39 illustrations, 1 table and 30 sources.



Оглавление

Введение

1. Анализ прототипа

2. Анализ возможностей среды разработки Arduino

3. Анализ основных видов датчиков

4. Описание используемых элементов

4.1 Печатная плата

4.2 Сервопривод

4.3 Дисплей

4.4 Индикатор

4.5 Модуль часов реального времени

4.6 Кнопка

4.7 Датчик веса

4.8 Датчик уровня

5. Описание устройства

5.1 Принцип действия

5.2 Внешний вид

5.3 Внутреннее устройство

Заключение

Список литературы

Приложение

Принципиальная схема и распиновка платы Arduino Uno



Введение

В 21 веке процент людей, у которых дома есть какое-либо животное очень велик. По сей день наиболее популярными питомцами являются кошки и собаки. Однако также известно, что темп жизни современного городского жителя гораздо выше, нежели это было раньше. Подобная ситуация приводит к тому, что не всегда хозяева имеют возможность вовремя кормить своего питомца. Есть еще одна характерная для многих семей ситуация: отсутствие ответственного за выдачу корма животному, отчего питомца либо начинают кормить все, либо никто из-за мысли, что об этом позаботится кто-то другой.

Для решения подобных проблем были придуманы автоматические раздатчики корма. В их функционал зачастую входит возможность запрограммировать режим питания, а именно размер порции и частоту кормления. Помимо этого, хозяин может записывать свой голос для привлечения внимания и даже видеть питомца через камеру. Встроенный в устройство таймер контролирует время, в которое система приводится в действие и выдает порцию в лоток, а специальные датчики не дают выдавать слишком много еды.

Кроме того, очень удобны в использовании питьевые фонтанчики, которые совмещают до трех видов подачи воды: стационарную, проточную и бурлящую. Принцип их действия заключается в постоянной циркуляции воды через сменный фильтр с помощью моторчика. Размеры устройства позволяют вмещать от 1 до 3 литров воды.

Бывают случаи, когда необходимо приобрести оба устройства. Рынок предлагает широкий выбор на любой вкус и цвет, однако найти конкурентоспособное предложение, совмещающее в себе оба девайса, крайне сложно. Обычно это может быть кормушка и поилка, работающие по законам физики без какой-либо автоматизации, за счет перевернутого контейнера с постоянно открытым отверстием для подачи еды и воды, либо фидер будет автоматизированным устройством, а питьевой фонтанчик все равно представлять из себя перевернутую вверх дном емкость.

Таким образом, целью создания автоматизированного комплекса является обеспечение подачи корма по индивидуальному расписанию, а также постоянного доступа животного к питьевой воде. Особенностью комплекса станет объединение двух устройств в одно и обеспечение порционной подачи воды, что позволит избежать бактериального заражения жидкости, хранящейся в контейнере, от кошачьей слюны. В задачи разработки комплекса входит подбор подходящей элементной базы, разработка алгоритма работы и разработка принципа действия кормового раздатчика и питьевого фонтанчика как единой системы ухода за животным.

Программирование комплекса слежения за питанием возможно в среде разработки Arduino. Предполагается, что устройство будет отвечать следующим задачам:

· Система должна позволять учитывать следующие сведения, вводимые пользователем вручную:

o Объем суточной нормы корма животного

o Желаемое количество порций в день

· Система должна позволять учитывать следующие сведения, собираемые с датчиков:

o Количество оставшегося корма в контейнере

o Количество оставшейся воды в контейнере

· Система должна позволять автоматически рассчитывать следующие сведения:

o Размер порции корма

o Время кормления

· Система должна позволять выполнять следующие действия без регулярного вмешательства пользователя:

o Выдавать порцию корма по расписанию

o Обеспечивать постоянное наличие воды в миске

Ожидается создание модели, способной соответствовать всем выдвинутым требованиям и поставленным задачам.



1. Анализ прототипа

В интернете можно найти реализацию многих устройств, выполненных в среде разработки Ардуино, в том числе и самодельных автоматических кормушек, и питьевых фонтанчиков. Как правило, все они простые в реализации и не содержат большого функционала, но есть и исключения. Если же говорить о коммерческих моделях, их внутреннее устройство и программный код строго засекречены, поэтому найти документацию, скорей всего, не выйдет. Тем не менее, встречаются исследования и разработки с открытым исходным кодом, чтобы помочь другим исследователям и просто любопытным людям поглубже вникнуть интересующий вопрос.

Группа австрийских исследователей [1] разработала модель автоматической кормушки для экспериментов с животными для тех, кто не мог позволить покупать дорогие модели с возможностью подстраивать программу под конкретный эксперимент. Исследователи отмечают, что кормушка предназначена для работы с сухим кормом и подходит кошкам, голубям и обыкновенным игрункам.

Корпус кормушки сделан из оргстекла. Вид устройства представлен на рисунке 1.

Рис. 1 Автоматическая кормушка на базе Ардуино

В качестве микроконтроллера была выбрана плата Arduino Uno, которая управляла шаговым двигателем, соединенным с диском. В этом диске были проделаны вырезы для прохода корма. Кроме того, ниже крепился идентичный диск. В результате вращения, отверстия обоих дисков совпадали и корм мог попасть в трубу, в начале которой был закреплен пьезодатчик для детектирования падающего корма и отсчета размера порции.

К сожалению, данное устройство подходит только для проведения экспериментов. Система не предусматривает возможность работы с водой, поэтому данный аспект необходимо проработать отдельно. Кроме того, если это устройство будет использовать обычный человек для домашних целей, он не сможет контролировать многие процессы. Например, автоматическая кормушка не предполагает возможность перепрограммирования режима кормления без разбора устройства и вторжения в код программы. Она не может избежать ситуации, когда миска с кормом переполняется в виду того, что предыдущая порция по каким-либо причинам не была съедена.

Непременно, разработанная автоматический раздатчик корма полезен исследователям, но перед использованием модели в качестве домашнего устройства, его необходимо серьезно доработать.



2. Анализ возможностей среды разработки Arduino

Одним из вариантов программирования микросхем для работы с датчиками является программирование в среде Arduino, а именно в программе Arduino IDE. Стоит отметить, что Ардуино не является отдельным языком программирования, он лишь упрощает язык С/С++ для пользователя, и работает именно на нем. Рассмотрим некоторые возможности данной программы.

В первую очередь, стоит упомянуть две основные функции любой программы: setup (), которая инициирует переменные, устанавливает режимы работы портов и вызывается только один раз в начале программы, и loop (), в которой описываются все необходимые действия, исполняемые раз за разом по порядку [2]. Функция pinMode () устанавливает тип порта - вход или выход. DigitalWrite (порт, значение) помогает задать высокий (единица) или низкий (ноль) уровень напряжения. Для считывания цифрового сигнала со входа используется функция digitalRead (порт), а для подключения любой библиотеки будет полезна команда #include <библиотека>. Ещё одна полезная и часто встречающаяся вещь - команда Serial.begin(9600), которая помогает установить связь с компьютером и другими внешними устройствами через последовательный порт, а 9600 - скорость обмена данных по умолчанию.

Один из простейших примеров использования указанных функций - включение и выключение светодиода. Для реализации примера сначала определяют нужный порт как выход (pinMode (порт, OUTPUT)), а затем посылают одну из двух команд в зависимости от условий:

· digitalWrite (порт, HIGH), если нужно включить светодиод;

· digitalWrite (порт, LOW), если нужно выключить светодиод.

Примером использования функции считывания служит обработка нажатия кнопки - digitalRead (пинКнопки), которая считывает состояние порта и позволяет принимать программе дальнейшие решения. Однако у кнопки, как у механического объекта есть недостаток - дребезг. Это явление проявляется в получении последовательности единиц и нулей вместо единичного переключения состояния. Для решения данной проблемы можно воспользоваться специальной библиотекой или использовать задержку delay(мсек), так как дребезг - явление кратковременное, и затем переключать состояние.

Почти для каждого датчика или контроллера нужна библиотека. Часть из них необходимо скачивать дополнительно, а часть встроена в стандартную среду разработки. К примеру, для управления сервоприводом используется встроенная библиотека, позволяющая указывать, на какой угол поворачивать рычаг, с помощью команды имяСервопривода.write(угол поворота). Для привязки сервопривода к определённому выходу используется команда имяСервопривода.attach(порт), а для удержания в постоянном положении можно использовать delay(мсек).

При использовании некоторых датчиков, к примеру, датчика веса, перед непосредственной работой необходимо провести калибровку. Еще одной особенностью является то, что потребуется дополнительный модуль, который сможет перевести аналоговые данные в цифровые. Именно этот модуль подключается непосредственно к плате, и к нему необходимо установить библиотеку. Команда scale.get_units() позволит получить данные с датчика, а команда scale.set_scale(calibration_factor) позволит применить заданную калибровку.

При работе со временем будут полезны функции millis () и delay (время_мс). Первая возвращает число, равное количеству миллисекунд, прошедших с момента выполнения программы (счетчик при этом обнуляется каждые 9 часов). Вторая задерживает программу на указанное число миллисекунд. Однако у данных функций есть существенные недостатки, способные помешать работе программы в некоторых проектах. Millis () обнуляется при включении таймера, а delay (время_мс) заставляет программу «зависнуть», не позволяя выполнять какие-либо операции. Для компенсации данных недостатков используют модули часов реального времени, которые позволяют получать данные о времени даже при отключении устройства от сети. Для их использования необходимо заранее задать дату и время, однако сделать это достаточно один раз, если не вытаскивать их собственную батарею, что приведет к сбросу настроек.

Для работы с модулем потребуется соответствующая библиотека, после подключения которой станет возможным использование дополнительных функций времени: begin (), которая инициализирует работу модуля; gettime () - считывает время; period () - позволяет указать в минутах период обращения к модулю. Кроме того, в библиотеке можно найти и функции, позволяющие отдельно запрашивать секунды, минуты, часы в 12-ти и 24-х часовом формате, дни месяца, дни недели, месяцы и года.

Пользователю удобнее работать с устройством, если он видит некую ответную реакцию на свои действия. Одним из способов продемонстрировать эту реакцию является использование дисплея. Для работы с ним придётся установить специальную библиотеку, после чего можно будет выводить необходимую информацию с помощью команды LCD.print(). Для включения подсветки потребуется команда LCD.backlight(), а для указания желаемого места для надписи необходимо установить курсор с помощью команды LCD.setCursor (символ, строка). Стоит отметить, что нумерация строк и символов начинается с 0.

Ниже представлен пример использования в разрабатываемом комплексе некоторых перечисленных функций:



В примере реализован ввод размера суточной нормы и числа порций в день посредством кнопок, после чего идет расчет параметров и запуск отсчёта. Вся информация выводится на дисплей. Стоит отметить, что время настроено заранее, а ввод с кнопок реализован без учёта дребезга. Также в качестве примера при наступлении времени кормления загораются светодиоды и поворачиваются сервоприводы.



3. Анализ основных видов датчиков

При создании любой автоматизированной системы активно используются различные виды датчиков.

«Датчик - преобразователь измеряемой физической величины в величину, удобную для дальнейшего преобразования или измерения». [3]

Среди датчиков физических величин выделяют:

· резистивные;

· электромагнитные;

· магнитные;

· электрохимические;

· оптоэлектрические;

· электростатические;

· гальваномагнитные;

· тепловые;

· пьезоэлектрические;

· волновые.

Кроме того, в датчиках физических величин используются некоторые физические эффекты, такие как токи Фуко, электротепловой эффект, электромагнитная индукция, закон всемирного тяготения, закон Ома и эффект Томсона.

Существуют статические (например, функция преобразования, чувствительность преобразователя, порог чувствительности, воспроизводимость и надежность) и динамические характеристики датчиков (видны только при работе в динамическом режиме, то есть величина при этом будет функцией времени).

Каждый преобразователь обладает следующими метрологическими характеристиками:

· точность измерения - описывает близость результата измерения к истинному значению;

· погрешность измерения - в противоположность точности, показывает отклонение результата от истинного значения и подразделяется на абсолютную, относительную и приведенную, а также погрешности бывают систематические и случайные;

· неопределенность результата измерения - описывает диапазон значений, в котором лежит истинное значение величины.

Говоря о датчиках, нельзя не упомянуть резистивные датчики, так как чаще всего используют электрическое сопротивление в качестве параметра преобразователя. Качество резистора характеризуется номинальной мощностью, уровнем собственных шумов и температурным коэффициентом сопротивления. Примерами резистивных датчиков служат реостатные датчики перемещений, тензорезистивные датчики и полупроводниковые тензодатчики.

Следующую большую группу представляют емкостные датчики. Как следует из названия, принцип действия основан на свойствах конденсатора, а именно на емкости. Примерами реализации данной группы преобразователей являются емкостные датчики давления, датчики уровня и емкостные датчики перемещений.

Еще одна группа представляет собой пьезоэлектрические датчики, использующие создание поляризации диэлектрика при механическом напряжении и наоборот. Помимо этого, пьезоэлектрические преобразователи обладают знакочувствительностью, то есть могут менять знак заряда при изменении воздействия от сжатия к растяжению.

При создании автоматических раздатчиков корма разработчики используют самые разнообразные датчики и сенсоры, в том числе и вышеупомянутые. У современных дорогих моделей среди всего многообразия функций можно заметить и возможность распознавания животного, и измерение его веса, и даже возможность поддерживать голосовую или видеосвязь хозяина со своим питомцем. Тем не менее, в рамках выпускной квалификационной работы предполагается создание упрощенной системы с контролем размера выдаваемой порции и количества оставшихся запасов в резервуарах хранения. Отличительной особенностью станет объединение функций кормораздатчика и питьевого фонтанчика в одном устройстве. Таким образом, для реализации задуманного предполагается использовать датчики веса и уровня воды, описание которых приведено ниже.

Практически на каждой современной кухне есть электронные кухонные весы, способные взвешивать с различной точностью продукты. Принцип их действия основан на работе тензорезистивного датчика: под действием механического давления со стороны продукта и измерительной чаши деформируется стержень, к которому прикреплен сам преобразователь. Принимая данные о возникшей деформации, датчик посылает генерируемый сигнал в управляющую микросхему, которая выводит на экран значение веса объекта в привычном для человека виде. Более дорогие модели, несомненно, обладают более затратными, сложными и точными датчиками, но при создании модели автоматизированной системы использование дорогих элементов будет бессмысленным.

Среди тензодатчиков выделяют несколько конструкций в зависимости от типа чувствительного элемента [4]:

· фольговые;

· пленочные;

· проволочные.

Первый вариант используется в качестве наклеиваемого элемента, к которому могут быть добавлены дополнительные контакты. Второй вариант похож на фольговые, но используемые материалы отличаются повышенной чувствительностью благодаря особому напылению. Наконец, проволочные имеют довольно широкий диапазон измеряемой нагрузки. Они снимают показания в одной точке, в отличие от фольговых и пленочных моделей.



Рис. 2 Мостовая схема включения тензорезисторов

Среди достоинств тензодатчиков можно выделить высокую точность, возможность измерения как статических, так и динамических напряжений без искажений, а также небольшой размер. Тем не менее, у тензодатчиков есть и недостатки вроде уменьшения чувствительности при изменении температуры. На рисунке 2 изображена наиболее часто используемая в датчиках схема включения тензорезисторов.

Датчики уровня жидкости делятся на две группы: контактные и бесконтактные. [5] Принцип действия первого варианта основан на работе поплавков, а вторая группа подразделяется на магнитные, ультразвуковые, емкостные и оптические.

Говоря о поплавковых датчиках (рис. 3), можно выделить следующие варианты реализации:

· Вертикальное положение - магниты, расположенные в полой трубке, в центре которой находится другая полая вертикальная трубка с герконами, поднимаются вверх при заполнении резервуара жидкостью до тех пор, пока не достигнут уровня, на котором герконы срабатывают.

· Горизонтальное расположение - как следует из названия, датчик крепится горизонтально к стенке, в результате чего поплавок, находящийся на рычаге с шарниром, поднимается, пока магнит на этом рычаге не дойдет до контактов и устройство не сработает.



Рис. 3 Принцип действия поплавкового датчика

Емкостные датчики могут быть установлены как снаружи контейнера, так и внутри. В первом случае, в месте крепления датчика со стенкой необходима вставка из стекла, например, чтобы была видна разница раздела сред. При использовании преобразователя внутри емкости можно размещать его в любом месте, в том числе и под давлением.

Электродные датчики работают следующим образом: в жидкость помещают два электрода разной длины, один из которых должен быть на самом верхнем уровне, а второй на самом нижнем, последний обычно взаимодействует с металлическим корпусом. Когда жидкости в резервуаре нет, все электроды находятся в воздухе. Система подачи воды, обычно соединенная с датчиком, начинает работу. Когда жидкость достигает верхнего электрода, возникает ток управления, который посылает сигнал о прекращении подачи воды. Основная проблема всех этих датчиков - окисление контактов, из-за чего приходится использовать, к примеру, нержавеющую сталь.

Иногда необходимо не просто знать о достижении жидкостью некоего уровня, а получать непрерывный сигнал с датчика. С этой целью используют магнитострикционные поплавковые датчики [6], где используется поплавок с постоянным магнитом, перемещающийся вдоль направляющей с волноводом из магнитострикционного материала (рис. 4). Периодически посылается импульс тока по волноводу, а когда он доходит до места, где остановился поплавок с магнитом, магнитные поля импульса и поплавка начинаю взаимодействовать друг с другом, из-за чего возникают механические колебания, регистрируемые чувствительным пьезоэлементом. Таким образом, уровень жидкости определяется по расстоянию до поплавка, которое, в свою очередь, определяется по временной задержке между отправкой электрического импульса и получением механического ответа. Недостатками таких датчиков являются высокая стоимость, техническая сложность и то, что их необходимо погружать в воду.

Рис. 4 Принцип действия магнитострикционного датчика

Радарные датчики уровня используют радиолокатор для определения расстояния от жидкости до самого датчика, который можно расположить на крышке резервуара. Принцип действия заключается в генерации сигнала излучателем, после чего приемник получает отраженный сигнал с некоторым частотным сдвигом. Если считать, что частота меняется по линейному закону, то по частотному сдвигу возможно однозначно определить временную задержку, а, следовательно, и расстояние до поверхности жидкости. Из достоинств данного вида датчиков можно назвать высокую точность, отсутствие необходимости погружения в жидкость, способность работать почти с любым веществом и то, что конструкция полностью неподвижна. Главным же недостатком является высокая стоимость.

Ультразвуковой датчик уровня схож с датчиком радарного типа по принципу действия, но имеет более низкую точность. Кроме того, возможность его применения в системе кормления стоит под большим вопросом, так как животные довольно чувствительны к высоким частотам.

Гидростатический датчик уровня использует измерение гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом преобразователя. Преимуществами этих датчиков являются компактность, невысокая цена, способность формировать непрерывный сигнал, но они обязательно должны быть расположены в самой жидкости.



4. Описание используемых элементов

4.1 Печатная плата

При выборе печатных плат можно отдать предпочтение готовым моделям или сделать вручную.

Плата - пластина, состоящая из одного или нескольких слоёв диэлектрика, на которых нанесен токопроводящий рисунок. [7] Выделяют несколько типов плат:

· В зависимости от количества слоёв:

o односторонние - диэлектрические пластинки с токопроводящим рисунком, нанесенным с одной стороны;

o двусторонние - отличаются от односторонних тем, что рисунок наносится с двух сторон;

o многослойные - конструкции, состоящие из нескольких слоёв односторонних и двусторонних плат.

· В зависимости от материалов:

o гибкие - сделаны на гибком основании, соединяют отдельные элементы;

o жесткие - представляют собой твердые пластины, которые не дают деформироваться плате;

o теплопроводные - при изготовлении используется керамика, чтобы обеспечить защиту от воздействия высоких температур.

Изготовить плату можно самостоятельно, но это потребует специального оборудования, а можно приобрести готовый вариант.

На рынке можно найти огромный выбор плат, подходящих под разные задачи. В связи с тем, что разрабатываемое устройство не требует большой вычислительной мощности, а также его должен иметь возможность собрать любой желающий, можно остановиться на описании плат семейства Arduino.

Выделяют несколько разновидностей плат [8]:

· Arduino Uno;

· Arduino Mega;

· Arduino Leonardo;

· Arduino Nano;

· Arduino Due;

· Arduino Pro Mini;

· Arduino Micro;

· Arduino M0;

· Arduino LilyPad.

Сравнение плат Arduino приведено на рисунках 5-6.

Рис. 5 Сравнение плат Arduino

Рис. 6 Сравнение плат Arduino

Плата Arduino Uno работает на базе чипа ATmega328 и является наиболее популярным и доступным вариантом [9]. Имеет 14 цифровых входов и выходов, а также 6 аналоговых входов. Аналоговые входы идут на встроенный десятиразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Рабочее напряжение составляет 5 В, рекомендуемое напряжение питания 7-12В. Flash-память равна 32 КБ, а тактовая частота - 16 МГц.

Рис. 7 Плата Arduino Uno

На рисунке 7 цифрами обозначены основные элементы, расположенные на плате:

1) Микроконтроллер ATmega328;

2) Аналоговые входы (0-5);

3) Входное напряжение;

4) Контакт земли;

5) Контакт рабочего напряжения 5В;

6) Контакт рабочего напряжения 3.3В;

7) Контакт сброса;

8) Внешний источник питания;

9) USB-разъем;

10) AREF (выдает опорное напряжение для встроенного АЦП);

11) Цифровая земля;

12) Цифровые входные/выходные контакты (2-13);

13) Последовательный вход;

14) Последовательный выход;

15) Кнопка сброса;

16) Внутрисхемный программатор.

Распиновка микроконтроллера ATmega328 представлена на рисунке 8. Распиновка и принципиальная схема платы приведены в приложении.

Рис. 8 Описание элементов

При разработке комплекса слежения за питанием домашних животных данная плата подходит для использования в качестве управляющей микросхемы, так как удовлетворяет требованиям, установленным в техническом задании. Далее платы будут коротко рассмотрены в ознакомительных целях.

В отличие от Arduino Uno предназначение Arduino Mega заключается в создании более сложных проектов. Этому способствует 54 цифровых входа и выхода, 16 аналоговых входов и большой объем встроенной памяти [10].

В основе Arduino Leonardo лежит микроконтроллер ATmega32u4 [11]. Особенностью является возможность выступать в роли компьютерной мышки или клавиатуры. Таким образом, данную плату обычно используют в проектах, где необходимо частое взаимодействие с компьютером. Содержит 20 цифровых входов и выходов и 12 аналоговых входов.

Arduino Nano не менее популярно, чем Arduino Uno [12]. Эту плату используют в случае, когда необходимо создать компактное устройство и каждый миллиметр на счету. Использует тот же микроконтроллер, что и Arduino Uno, а работает от microUSB. Содержит 14 цифровых входов и выходов, а также 8 аналоговых входов.

Arduino Due работает на основе AT91SAM3X8E. Имеет высокую тактовую частоту - 84 МГц и 32-битную архитектуру, что позволяет выполнять более ресурсоёмкие задачи. [13] Содержит 54 цифровых входа/выхода и 12 аналоговых входов, 2 цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), 4 аппаратных последовательных порта, а также 512 КБ flash-памяти. В отличие от других плат, рабочее напряжение составляет 3.3 В.

Arduino Pro Mini, в свою очередь, является наиболее миниатюрной платой и больше похожа на флешку по размерам. [14] Работает на основе ATmega 168 с напряжениями 3.3 и 5 В и тактовой частотой 8 и 16 МГц, соответственно. Используется в небольших по размеру проектах. Отличие платы заключается в том, что скорость работы ниже и ее нельзя прошить привычным образом - через USB-порт. Есть еще минус у этой платы - если ее сжечь, вытащить из устройства и заменить не удастся. Содержит 14 цифровых контактов и 16 КБ flash-памяти.

Arduino Micro работает на чипе ATmega32u4 и является аналогом Arduino Leonardo в более компактном виде. [15] Используется mini-USB для подключения и нет гнезда внешнего питания. Содержит 6 аналоговых входов и 14 цифровых контактов, среди которых 6 могут быть аналоговыми, что в сумме дает 12 аналоговых входов. Может выступать в качестве мышки или клавиатуры.

Arduino M0 работает на базе ATSAMD21G18 и обладает 48 МГц тактовой частоты, 256 КБ flash-памяти и 20 портами ввода/вывода, а также имеет АЦП и ЦАП. [16] Может выполнять энергозатратные операции за счет мощного чипа.

И, наконец, плата Arduino LilyPad используется преимущественно в одежде. [17] Данную плату можно пришивать к ткани, а схему собирать с использованием токопроводящих нитей. Плату можно стирать. Работает на микроконтроллерах ATmega32u4 или ATmega328V. Содержит 14 цифровых контактов и 6 аналоговых. Flash-память составляет 16 КБ.

При выборе платы можно руководствоваться разными параметрами. В разрабатываемом комплексе на данном этапе не стоит вопрос размера устройства, поэтому, как уже было сказано, для работы рекомендуется выбрать плату Arduino Uno, но при необходимости, например, добавления дополнительных функций, можно выбрать иной вариант.

4.2 Сервопривод

Сервопривод - устройство, способное управлять движением объекта посредством поворота на определенный угол. Есть ещё одно определение: «это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения». [18] Сервопривод работает на основе получаемого значения определенного параметра, которое он сравнивает со значением на своем датчике. Если значения не совпадают, сервопривод начинает работу, стараясь максимально уменьшить разницу.

На рисунке 9 изображено устройство сервопривода. Мотор постоянного тока необходим для того, чтобы преобразовать электрический сигнал в механическое движение, а шестерни редуктора призваны снизить скорость вращения мотора. Шестерни, в свою очередь, соединены с выходным валом и вращают его. К валу же крепится предмет, который необходимо вращать. Потенциометр выполняет задачу энкодера, то есть датчика обратной связи, чтобы сервопривод мог контролировать положение. Принцип действия заключается в изменении сопротивления пропорционально углу поворота.

Сервопривод подключается тремя проводами: один принимает управляющий сигнал, а два других подключаются к питанию.

Рис. 9 Устройство сервопривода

Для управления устройством, плата посылает сигнал в виде импульсов разной ширины (рис. 10). Сервопривод его принимает, но при этом генерирует свой собственный сигнал на основании показаний потенциометра, затем сравнивает два импульса. Если сигналы не совпадают, включается привод и работает до тех пор, пока длины импульсов не сравняются. Направление движения определяется тем, какой из импульсов короче.



Рис. 10 Связь между шириной импульса и направлением вращения

Стоит учитывать, что на каждом конкретном устройстве параметры могут отличаться от общепринятых, поэтому всегда необходима калибровка перед началом работы.

Говоря о сервоприводах, выделяют цифровые и аналоговые. Аналоговый, получая сигнал, принимает решение о необходимости вращения. Обычно минимальное время реакции составляет 20 мс (рис. 11). Кроме того, мощность подаваемого на электромотор сигнала прямо пропорциональна величине отклонения, поэтому при небольших отклонениях мотор будет вращаться медленно.

Цифровые сервоприводы решают данные проблемы с помощью процессора, который увеличивает частоту отклика, но данный вид сервоприводов из-за этого более сложный в производстве, а значит, стоит дороже.

Рис. 11 Сравнение отклика аналогового и цифрового сервоприводов

У любого сервопривода есть две важные характеристики: крутящий момент (рис. 12) и скорость поворота. Первую характеристику также называют моментом силы, она показывает то, какой максимальный вес груза устройство может удержать в покое на рычаге, а скорость поворота определяется интервалом времени, за который рычаг поворачивается на 60°.

Рис. 12 Определение крутящего момента

Различаются устройства и по материалу, из которых изготавливают шестерни. Выделяют пластиковые, карбоновые и металлические. Первые достаточно легкие, не изнашиваются, но предназначены для небольших нагрузок. Вторые тоже не изнашиваются, более долговечны, гораздо прочнее пластиковых, но и цена выше. И, наконец, третий вариант самый тяжелый, выдерживает наибольшие нагрузки, но сильно изнашиваются.

Мотор сервопривода может быть трех видов: с сердечником, без сердечника и бесколлекторный. Мотор с сердечником имеет железный ротор с проволочной обмоткой и магнитами вокруг него. У ротора есть секции, поэтому при вращении возникает вибрация, снижающая точность. Эту проблему решает мотор без сердечника, который не имеет секций и легче, из-за чего происходит более быстрый отклик, обеспечивается более высокий уровень контроля и плавная работа без вибраций. Тем не менее, они будут дороже обычных моторов с сердечником.

Третий вид моторов не имеет щеток, из-за чего не создается сопротивление вращению, а скорость и момент вращения выше, но они обойдутся гораздо дороже стандартных.

Стоит также отметить, что существуют как обычные сервоприводы с максимальным углом вращения 180°, так и с неограниченным углом поворота. Их называют сервоприводы постоянного вращения, и они способны вращаться на 360°.

При разработке комплекса слежения за питанием будут использованы 2 сервопривода. Они должны будут открывать и закрывать отверстия для подачи корма и воды. С учетом требований к устройству, можно сделать вывод, что подойдет сервопривод с пластмассовыми шестернями и максимальным углом поворота 180°. Причем, для корма сервопривод нужен немного мощнее, чтобы устранить застрявшие при закрытии гранулы, поэтому подойдет сервопривод SG-5010 (рис. 13) повышенной мощности. Данная модель имеет нейлоновые шестерни с шарикоподшипником, способна выдерживать до 6.5 кг/см и поддерживать скорость 0.15-0.19 с/60° без нагрузки. [19]

Для контроля воды можно использовать тот же сервопривод, что и для корма, но ввиду отсутствия препятствий возможно использование и более простого устройства, например, SG92R (рис. 14), который тоже имеет нейлоновую начинку, но выдерживает меньшую нагрузку - 2.5 кг. [20]

Рис. 13 Сервопривод SG-5010

Рис. 14 Сервопривод SG92R

У обеих моделей необходим 1 цифровой контакт для подключения сигнального провода.

4.3 Дисплей

Для удобства взаимодействия пользователя с устройством необходимо позаботиться о способах вывода информации. Одним из первых приходит на ум использование дисплея.

Выделяют 3 вида дисплея [21]:

· сегментные;

· алфавитно-цифровые;

· графические.

Первый вид (рисунок 15) используют, например, в часах, калькуляторах, для индикации температуры или в качестве счетчика.

Алфавитно-цифровые дисплеи (рисунок 16) способны наравне с числами показывать и буквы на разных языках. Этот вид называют еще знакосинтезирующими или символьными. При изготовлении используется LCD-технология, которая позволяет создать монохромный дисплей, выводящий определенное число символов.



Рис. 15 Сегментный дисплей

Рис. 16 Знакосинтезирующий дисплей

Графические дисплеи (рисунок 17) представляют собой экран с поддержкой цветов, к ним также относят экран телефона или ноутбука. Способны выводить картинки, а некоторые выступают в роли сенсорных. Используются TFT и OLED-технологии. Первые являются жидкокристаллическими, а вторые используют светодиоды.

Рис. 17 Графический дисплей

Для разрабатываемого комплекса подойдет алфавитно-цифровой дисплей, так как нет необходимости выводить картинки, но и обойтись только цифрами не получится.

Как правило, знакосинтезирующие модели имеют в составе названия цифры, например, 1602 или 20S4. Они говорят о том, что есть 2 или 4 строки по 16 или 20 символов в каждой, соответственно. Дисплеи также делят по типу ввода данных на те, что с параллельным вводом, и на те, что с вводом данных по протоколу I2C. Первый вариант занимает много входов, что может быть критично при ограниченном числе контактов, а второй помогает избежать данную проблему.

Дисплеи могут быть с подсветкой, регулировать которую можно с помощью внешнего переменного резистора.

Для LCD экрана можно использовать конвертер I2C (рисунок 18), который припаивается к дисплею, а сам он имеет 4 контакта на выходе, которые подключаются к пинам платы Arduino. Данная мера позволяет уменьшить количество занятых дисплеем пинов. Схема конвертера изображена на рисунке 19.

Рис. 18 Графический дисплей



Рис. 19 Схема конвертера I2C

Для данной работы можно выбрать знакосинтезирующий LCD дисплей MT-16S2H-2KLW от российской компании МЭЛТ (рисунок 16). Для вывода сообщений предлагаемого количества символов вполне достаточно. Её преимуществом является поддержка русского языка. Тем не менее, для этой модели в целях экономии контактов необходимо использовать дополнительный модуль.

Другим подходящим вариантом служит LCD дисплей HJ1602A 16x2 со впаянным I2C переходником. [22] Главным достоинством этой модели является I2C переходник, позволяющий использовать только 2 сигнальных контакта вместо 6. Тем не менее, для работы с кириллицей придется скачивать дополнительную библиотеку либо выводить сообщения только на английском.

Ввиду ограниченности количества выводов платы рекомендуется использовать второй вариант.



4.4 Индикатор

Часто происходит ситуация, когда пользователь не обращает внимания на дисплей, а привлечь внимание к возникшей проблеме нужно. В этом случае может помочь дополнительный световой индикатор, а именно светодиод. В комплексе слежения за питанием предполагается использование двух светодиодов: один для оповещения о нехватке корма, а второй для сигнализации о недостатке воды.

«Светодиод - полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение». [23] Также при упоминании светодиода используют аббревиатуру LED, что расшифровывается как «light emitting diode». Строение светодиода представлено на рисунке 20.

Принцип работы заключается в пропускании тока через полупроводниковый кристалл p-n-типа, где электроны рекомбинируют с дырками. Для того, чтобы кристалл излучал свет, необходимо обеспечить подходящую ширину запрещенной зоны в активной области, чтобы получить диапазон видимого света. На яркость сильно влияет ток, поэтому чем больше он будет, тем ярче свет. Однако бесконечно увеличивать яркость не получится из-за риска перегрева диода, что выведет его из строя.

Преимущества светодиодов перед иными видами ламп очевидны: особо мощные светодиоды способны работать 20-50 тысяч часов, а одиночные индикаторные - до 100 000 часов, они имеют широкий цветовой спектр, обладают антивандальным свойством из-за материала купола, потребляют меньше электроэнергии и имеют широчайший спектр применения.



Рис. 20 Устройство светодиода

В связи с тем, что индикатор будет сигнализировать о нехватке запасов, привычнее человеческому восприятию будет использование красного цвета. По этой причине был выбран красный светодиод GNL-5013HT, размер линзы которого равен 5 мм, а максимальная сила света 20 мКд (рисунок 21). На рисунке 22 приведены геометрические размеры индикатора. При подключении одна нога подключается к цифровому контакту через резистор, а вторая идет на землю.

Рис. 21 Вид светодиода GNL-5013HT



Рис. 22 Геометрические размеры GNL-5013HT

4.5 Модуль часов реального времени

Для реализации выдачи еды по расписанию необходимо, чтобы устройство имело представление о реальном времени. Конечно, это возможно реализовать программно, так как современные платы оснащены собственным тактовым генератором, однако данный метод имеет ряд недостатков, решить которые способен модуль часов реального времени, отсчитывающий время в привычном человеку виде.

Для работы данного модуля необходим источник питания, например, аккумулятор или батарея, чтобы время не сбивалось даже при отключении устройства от сети.

Определенной классификации модулей нет, поэтому разделить на группы можно по-разному. Например, есть классификация по типу управления. Выделяют микросхемы с последовательным, например, I2C и SPI, интерфейсом управления и с параллельным. [24] Есть и другое разделение: на календарные и бинарные. Первые способны сказать, какой сегодня день, месяц и год, а также какое время вплоть до секунд. Вторые же выступают в роли счетчика.

Наиболее популярными в настоящее время стали модули часов реального времени на базе одной из трёх микросхем: DS1302, DS1307 и DS3231.

DS1307 (рисунок 23) имеет точность 1-2.5 секунды в сутки, подключается по протоколу I2C, обладает энергонезависимой памятью на 32 Кб, дополнительным питанием в виде батареи, при этом потребляет мало электроэнергии. Является календарным, хранит данные календаря до 2100 года. Данное устройство лучше применять в проектах, где запрос времени происходит довольно редко.

Рис. 23 Вид DS1307 спереди и сзади

DS3231 (рисунок 24) обладает особо высокой точностью, тоже работает по протоколу I2C, имеет внутренний термокомпенсированный кварцевый генератор и питается как от сети, так и от батареи. Способен выступать в роли генератора прямоугольного сигнала и будильника.



Рис. 24 Вид DS3231 спереди и сзади

DS1302 (рисунок 25) не такой точный, как другие модели, имеет 5 секунд разброса в сутки, зато способен подключаться не только про I2C протоколу, но и по SPI, что позволяет использовать цифровые контакты и проще размещать элементы по свободным пинам платы. Работает на частоте 32.768 кГц. При подключении придётся задействовать 3 цифровых контакта.

Рис. 25 Внешний вид DS1302

В виду того, что на плате Arduino Uno число контактов ограничено и в плате предусмотрена возможность подключить только одно устройство по протоколу I2C, которым стал дисплей, единственным подходящим вариантом становится модуль часов реального времени DS1302. Еще одной причиной является отсутствие необходимости в особо точном отсчете времени.



4.6 Кнопка

Для ввода данных о рационе необходимы кнопки. С учетом потребностей планируется использовать 4 кнопки, которые будут программироваться на запуск/остановку, выбор режима и увеличение/уменьшение величин.

Разные цели требуют разные подходы, поэтому существует несколько способов реализации ввода информации посредством кнопок. В некоторых проектах необходимо подключить, в среднем, 9-12 кнопок, что сильно загружает плату и является нерациональным. Для решения данной проблемы можно использовать клавиатуру одного из двух типов [25]:

· матричная - самый доступный и дешевый вариант. Принцип работы заключается в отправке сигнала на первую четверку контактов и получении этого сигнала обратно по второй четверке. Сигнал пройдет там, где нажата кнопка.

· аналоговая - все кнопки объединены в одну схему, в результате чего сигнал выходит по одному каналу, что существенно экономит контакты. Напряжение меняется с помощью резисторов.

Тем не менее, большинство проектов, в том числе и данный, не стребуют такого большого числа кнопок, и оставлять лишний функционал нерационально. Именно поэтому удобнее воспользоваться одиночными кнопками, способными подключаться к цифровому входу.

Сама по себе кнопка - устройство, способное замыкать и размыкать электрическую цепь. [26]

Существует несколько разновидностей подобных механизмов. Один из видов называется тактовым. Принцип действия заключается в замыкании или размыкании цепи только во время нажатия. Второй тип представляет из себя кнопки с фиксацией, способные держать цепь замкнутой или разомкнутой, пока не последует второе нажатие. Этот вариант удобно использовать для включения и выключения работы системы.

Модель KLS7-TS6607 (рисунок 26), выбранная для реализации проекта, имеет 2 контакта, а также размеры 6х6х7 мм. Стоит отметить, что не обязательно использовать именно эту модель. К примеру, существуют иные варианты с более крупным размером кнопки, а именно 12х12 мм и высотой от 5 до 8 мм. В отличие от первого варианта, эти кнопки имеют по 4 ножки, однако для работы все равно используются 2. Таким образом, для каждой кнопки используется по 1 цифровому входу.

Рис. 26 Внешний вид и геометрические характеристики KLS7-TS6607

4.7 Датчик веса

Ранее рассматривались виды датчиков, в которых упоминались и те, что могут измерять вес, а именно тензорезистивные датчики. В разрабатываемом комплексе предполагается измерение в двух диапазонах весов - 0-7 кг и 0-500 г.

В связи с тем, что в проекте используется плата семейства Arduino, для работы с тензодатчиком необходимо подключать аналого-цифровой преобразователь НХ711. Преобразователь имеет 2 входных канала, что позволит подключить 2 разных тензодатчика. [27] Правда, есть ограничение: коэффициент усиления канала А может быть 64 или 128, а у канала В только 32. От коэффициента усиления зависит точность измерения - чем выше, тем точнее. В составе также присутствует стабилизатор напряжения и встроенный малошумящий операционный усилитель. Соединяется АЦП с платой через 2 аналоговых контакта и 2 контакта питания.

Для измерения веса в мисках подходит тензодатчик для весов на 1 кг для Ардуино (рисунок 27) размером 14х14х80.5 мм, а для контейнера - та же модель, но рассчитанная на 10 кг. Датчик выполнен из алюминия в виде бруска с отверстиями.

Рис. 27 Внешний вид тензодатчика

Рис. 28 Принципиальная схема НХ711

На рисунке 28 изображена принципиальная схема аналого-цифрового преобразователя НХ711 и подключение к нему мостового резистивного сенсора. Потребуется 2 АЦП, так как обе миски имеют малый вес, поэтому им необходимы точные измерения, и коэффициент усиления должен быть равен 128. Для контейнера таких требований к точности нет, поэтому его датчик можно подключить к каналу с коэффициентом усиления 32.



4.8 Датчик уровня

В главе 3 рассматривались различные виды датчиков, способных измерять уровень воды. Среди них особо выделяются бесконтактные варианты, однако достойны внимания и погружные модели.

Одним из датчиков, подходящих разрабатываемому комплексу, является датчик уровня воды для Ардуино (рисунок 29). [28] Он относится к устройствам погружённого типа, а его принцип работы заключается в изменении сопротивления между двумя соседними проводами в зависимости от степени погружения в воду. Размер рабочей зоны датчика - 16х30 мм. Минусом данного варианта является то, что в проекте необходимо учитывать только момент, когда воды остается совсем мало, чтобы пользователь смог пополнить запасы, поэтому датчик придется располагать ближе ко дну изнутри. Это приводит к тому, что появляется необходимость в герметизации соединительных контактов датчика уровня и создании дополнительных отверстий для вывода проводов из контейнера, что, в свою очередь, делает контейнер статичным, лишая пользователя возможности достать ёмкость и помыть в случае загрязнения.

Рис. 29 Датчик уровня воды

С этими проблемами способен справиться другой вариант - бесконтактный датчик уровня жидкости XKC-Y25-V (рисунок 30). [29] Данный датчик относится к группе ёмкостных и может располагаться вне контейнера, что позволит создать съёмную тару для воды. Использование данного варианта возможно при неметаллическом материале стенок контролируемого сосуда и их ширине не более 12 мм. Ещё одно преимущество - возможность регулировать чувствительность.

Рис. 30 Бесконтактный датчик уровня воды

Принцип работы заключается в реагировании на изменение диэлектрической проницаемости. При детектировании жидкости на выходе подается сигнал из единиц и загорается встроенный светодиод. Если же жидкость находится ниже сенсора, светодиод гаснет и на выход подаются нули. Чувствительность сенсора составляет от 0 до 20 мм, напряжение питания - 3.3-24 В, датчик защищен от влаги и имеет провод длиной 50 см. Габариты пластикового корпуса датчика - 28х28 мм. Для подключения к плате потребуется один аналоговый вход.

Оба представленных варианта подходят для использования, но второй обойдётся дороже. При строго ограниченном бюджете выбор может пасть на первый датчик, но придётся поработать над креплением и герметизацией, а также сделать контейнер не снимаемым. Использование второй альтернативы допускает возможность создания мобильной ёмкости и избегает необходимости трогать контейнер.



5. Описание устройства

5.1 Принцип действия

«Автоматизированная система - система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций». [30] Персоналом в данном случае является конечный пользователь, деятельность по уходу за животным которого автоматизируется разрабатываемым комплексом. Таким образом, в состав автоматизированного комплекса слежения за питанием домашних животных входит единое устройство, выполняющее роль кормушки и питьевого фонтанчика одновременно.

Разработанная модель автоматизированной системы включает комплекс аппаратных и программных средств, предназначенных для автоматизации процесса кормления и контроля наличия воды в миске животного. Система предусматривает возможность выбора пользователем режима питания посредством тактовых кнопок. Контроль объёма выдаваемой порции осуществляется посредством отслеживания изменения веса миски. Проверка наличия воды реализована за счет периодического измерения веса миски с водой. При недостаточном весе система запускает подачу жидкости до необходимого уровня.

На рисунке 31 изображен алгоритм работы разрабатываемого комплекса.

При запуске устройства загорается дисплей, в котором с помощью кнопок пользователь выбирает количество порций в день (k) и суточную норму (N). Для корректной работы выбор пользователя будет ограничен 1-4 порциями и 30-240 г суточной нормы.

Далее автоматизированная система рассчитывает часы, в которые будет выдаваться корм, и размер порции на основании введенных данных. После окончания расчетов запускается основной процесс, а именно система начинает вести отсчет оставшегося до следующего приема пищи времени. Для вывода этого времени на экран система запрашивает данные с модуля часов реального времени и заодно определяет, пришло ли время еды. В случае положительного результата программа



Рис. 31 Алгоритм работы автоматизированного комплекса слежения за питанием домашних животных

...