Разработка аппаратно-программного комплекса системы контроля приготовления горячих напитков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

им. А.Н. ТИХОНОВА

Выпускная квалификационная работа

Разработка аппаратно-программного комплекса системы контроля приготовления горячих напитков

«Инфокоммуникационные технологии»

Студент Д.А. Филин

Руководитель

Профессор А.Ф. Каперко

Аннотация

В рамках данной работы был спроектирован аппаратно-программный комплекс для приготовления горячих напитков и создан физический прототип комплекса. В ходе работы были созданы чертежи аппарата с учётом особенностей изготовления деталей на 3D принтере, разработаны и протестированы программы для управления комплексом, подобраны электронные компоненты, разведены печатные узлы, изготовлены и протестированы платы.

Abstract

This work represents major steps of development of a hardware and software complex for preparing hot drinks. As a result of this development a physical prototype of the complex was designed and created. During the work drawings of the apparatus with the specificity of making parts on a 3D printer were created, software for the complex control was developed and tested, electronic components were selected, circuit boards were designed and PCB's were manufactured and tested.

Оглавление

Введение

1. Архитектура комплекса

2. Аппаратная составляющая

2.1 Технические характеристики основных компонентов

2.1.1 Микроконтроллер STM32F103RCT6

2.1.2 WI-FI модуль (ESP-12E)

2.1.3 Шифратор SN74HC148DR

2.1.4 Термометр (DS18B20)

2.1.6 Нагреватель

2.1.7 Электромагнитное реле

2.1.8 Сервопривод

2.1.9 Шаговый электродвигатель

2.2 Разработка механических блоков

2.2.1 Проектирование блока подачи заварки

2.2.2 Проектирование блока перемещения нагревателя и термометра

2.2.3 Проектирование блока перемещения сито

2.2.3 Проектирование блока подачи кружек

2.3 Разработка принципиальных схем

2.3.1 Проектирование схемы механических манипуляций и контроля температуры

2.3.2 Проектирование схемы интерфейсного блока

2.4 Проектирование печатных узлов

2.5 Реализация прототипа

3. Разработка программного обеспечения

3.1 Разработка программы для STM32F103RCT6

3.2 Разработка программы для WI-FI модуля ESP-12E

3.2 Разработка приложения для Android

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

В настоящее время “Интернет вещей " как парадигма развития новейших устройств набирает колоссальные обороты по целому ряду причин: современные микроконтроллеры и модули беспроводной связи становятся все более доступными, глобальная сеть значительно эволюционировала, облачные сервисы стали дешевыми, а иногда и бесплатными для некоммерческого использования. Однако новейшие устройства все еще не полностью автоматизированы, и мы не получаем столько преимуществ от современных технологий, сколько можем сегодня. Поэтому разработка нового аппарата может повысить эффективность человеческой деятельности и сэкономить массу времени. Во время исследования ежедневных потребителей времени было замечено, что люди тратят много своего времени на приготовление горячих напитков. Эта проблема была частично решена с помощью аппаратов для приготовления кофе, но далеко не все пьют кофе, к тому же чай более популярен в некоторых странах, таких как Россия и Китай. Никаких практичных устройств для приготовления чайных напитков для домашнего использования на потребительском рынке нет.

Целью данной работы является сокращение времени, затрачиваемого на приготовление горячих напитков в домашних условиях. Для достижения этой цели была поставлена задача проектирования киберфизического аппаратно-программного комплекса для автоматизированного приготовления горячих напитков. В ходе изучения процесса приготовления завариваемых напитков было выявлено, что основные затраты полезного времени обусловлены ожиданием нагрева воды и процесса диффузии. Данные временные затраты можно сократить до минимума если осуществлять перечисленные процессы в автоматизированном режиме с возможностью удалённого управления и оповещения. Помимо выявленных временных и ресурсных утечек, был также замечен ряд неочевидных на первый взгляд проблем, к числу которых относятся определение температуры воды перед завариванием, проблема определения и поддержания насыщенности напитка при последующих приготовлениях, риск ожогов, перерасход воды и, как следствие, перерасход электроэнергии на ее кипячение. Все обнаруженные проблемы были приняты во внимание при проектировании комплекса.

Первый этап работы заключался в создании структуры комплекса и определении основных узлов системы, на данном этапе важно учитывать особенности комплекса, например, представленная система должна иметь возможность внедрения в сети интернета вещей. Второй этап - выбор компонентов для аппаратной части, на данном этапе важно проводить сравнение стоимости и качества компонентов, а также учитывать их совместимость. На третьем этапе работы производилось моделирование и компоновка механических блоков аппарата в системе автоматизированного проектирования. Четвёртый этап работы - проектирование электрических схем аппарата и печатных плат. Пятый этап работы заключался в создании прототипа аппарата. Заключительный шестой этап включал в себя создание программ для узлов комплекса и тестирование разработанной системы.

1. Архитектура комплекса

Для решения поставленной задачи необходимо разработать структурную схему взаимодействия комплекса, определить входящие в него узлы и их функционал. Комплекс должен состоять из 3 основных узлов. Первый узел комплекса - автоматизированный аппарат, который выполняет приготовление напитков по команде пользователя. Данный аппарат должен включать в себя функции контроля температуры воды, подачи кружек, заваривания напитка, подачи заварки. Второй узел комплекса - устройство для удалённого управления автоматизированным аппаратом, данным устройством передачи команд может служить смартфон под управлением операционной системы Android. Наиболее практичной технологией передачи команд для домашнего устройства является WI-FI по причине своей широкой распространённости и возможности создания сетей интернета вещей. Для связи смартфона и аппарата по сети WI-FI необходим WI-FI роутер, который является третьим узлом комплекса. Структурная схема архитектуры комплекса представлена на рис. 1.

Рис. 1 Структурная схема архитектуры комплекса

2. Аппаратная составляющая

Проектируемый аппарат должен иметь следующий функционал:

Кипячение

Контроль температуры

Подача заварки

Автоматическая подача кружек

Дистанционное управление с мобильных устройств

Регулировка насыщенности напитка

Для выполнения перечисленных функций был определён список основных комплектующих:

Устройство управляющее механикой и температурой (микроконтроллер STM32)

WI-FI модуль (ESP-12E)

Дисплей

Тактовые кнопки

Шифратор SN74HC148DR

Термометр (DS18B20)

Нагреватель мощностью 0.5 кВт

Электромагнитное реле

Сервоприводы

Шаговые электродвигатели

Драйвера шаговых двигателей

Насос

Для объединения комплектующих были выделены следующие функциональные блоки:

Блок перемещения сито

Блок подачи заварки

Блок перемещения нагревателя и термометра

Система подачи кружек

Плата управления

Интерфейсная плата

2.1 Технические характеристики основных компонентов

Этот раздел включает в себя информацию об электронных компонентах системы. Приведены краткие описания характеристик и особенности работы.

2.1.1 Микроконтроллер STM32F103RCT6

STM32 -- семейство микроконтроллеров, основанных на 32-битных ядрах ARM Cortex-M7F, Cortex-M4F, Cortex-M3, Cortex-M0+ или Cortex-M0 с уменьшенным набором инструкций. Данные микроконтроллеры производятся компанией STMicroelectronics. Данные микроконтроллеры широко распространены в современных устройствах. Микроконтроллеры STM32 подразделяются на 4 основные группы: высокопроизводительные, широкого назначения, энергосберегающие, беспроводные (рис 2.)

Рис. 2. Разновидности микроконтроллеров STM32

Для разрабатываемой платы управления был выбран микроконтроллер STM32F103RCT6. Данный микроконтроллер выполнен в корпусе для поверхностного монтажа lqfp-64, имеет интерфейсы: can, i2c, irda, lin, spi, uart, usb. Встроенная переферия: dma, pwm, pdr, por, pvd, pwm, tempsensor, wdt. Может работать на тактовой частоте до 72 МГц. Напряжение питания от 2 до 3.3 В. Цоколёвка микроконтроллера представлена на рис. 3.

Рис. 3. Цоколевка микроконтроллера STM32F103RCT6

Для работы с микроконтроллерами STM32 может использоваться официальная библиотека HAL, она содержит в себе готовые инструменты для работы с интерфейсами, таймерами, периферией; это позволяет сэкономить время на разработку программы. Для формирования проекта и настройке параметров под конкретный микроконтроллер компания STMicroelectronics разработала программное средство под названием «STM32CubeMX». На рис. 4 представлена блок схема микроконтроллера, с помощью которой можно более полно ознакомиться с возможностями и ограничениями выбранного микроконтроллера.



Рис. 4. Блок-схема микроконтроллера STM32F103RCT6

Для тактирования работы STM32F103RCT6 и его таймеров используется дерево тактирования представленная на рис. 5.



Рис. 5. Дерево тактирования STM32F103RCT6

2.1.2 WI-FI модуль (ESP-12E)

Для обмена информацией аппарата и мобильного устройства необходим модуль WI-FI. Для представленного аппарата был выбран модуль ESP-12E. Данный модуль представляет собой многослойную плату с распаянным ядром модуля - 32-битным микроконтроллером с ультранизким энергопотреблением ESP8266; также на плате имеются светодиод, микрополосковая антенна и обвязка. Внешний вид и цоколёвка модуля ESP-12E представлены на рис. 6 и 7 соответственно.



Рис. 6. WI-FI модуль ESP-12E

Рис. 7. Цоколёвка WI-FI модуля ESP-12E

Ядро модуля имеет 32-битный MCU с низким энергопотреблением, 10-битный АЦП, стек протоколов TCP/IP, РЧ коммутатор, РЧ трансформатор сопротивлений, LNA, усилитель мощности, блоки фазовой автоподстройки частоты и управления мощностью. ESP8266 поддерживает стандарты связи 802.11 b/g/n, что позволяет использовать его с подавляющим большинством беспроводных сетей WI-FI. Функциональные возможности микроконтроллера показаны на блок-диаграмме на рис. 8.



Рис. 8. Функциональная блок-диаграмма микроконтроллера ESP8266

2.1.3 Шифратор SN74HC148DR

Шифратор - логическое устройство, выполняющее операцию преобразования позиционного кода в двоичный, троичный и более код. В разработке используется приоритетный двоичный шифратор SN74HC148DR с 8 входами и 3 выходами. В разрабатываемой схеме шифратор используется для сокращения занимаемых входов модуля ESP-12E на обработку нажатий тактовых кнопок. Цоколёвка шифратора представлена на рис. 9.

Рис. 9. Цоколёвка шифратора SN74HC148DR

Для работы с шифратором используется таблица состояний на рис. 10 и логическая диаграмма на рис. 11.



Рис. 10. Таблица состояний шифратора SN74HC148DR

Рис. 11. Логическая диаграмма шифратора SN74HC148DR

2.1.4 Термометр (DS18B20)

Цифровой термометр DS18B20 обеспечивает измерение температуры по Цельсию с разрешающей способностью от 9 до 12 бит и имеет функцию сигнализации с энергонезависимыми программируемыми пользователем верхними и нижними триггерными точками. DS18B20 взаимодействует по 1-проводной шине, которая по определению требует только одной линии передачи данных (и заземления) для связи с центральным микропроцессором. Он имеет диапазон рабочих температур от -55°C до +125°C и имеет точность до ±0,5°C в диапазоне от -10°C до +85°C. Кроме того, DS18B20 может получать питание непосредственно от линии передачи данных (“паразитное питание”), устраняя необходимость во внешнем источнике питания. Каждый DS18B20 имеет уникальный 64-разрядный последовательный код, который позволяет нескольким DS18B20 работать на одной и той же 1-проводной шине; таким образом, легко использовать один микропроцессор для управления многими DS18B20, распределенными по большой площади. Приложения, которые могут извлечь выгоду из этой функции, включают в себя контроль окружающей среды ОВиК, системы контроля температуры внутри зданий, оборудования или машин, а также системы контроля и управления технологическими процессами. На рис. 12 показана структурная схема DS18B20.

Рис. 12 Структурная схема DS18B20

Рис. 13. Пример данных для 12-битного разрешения

2.1.6 Нагреватель

Для нагрева воды в системе используется трубчатый электронагреватель (ТЭН) мощностью 500 Вт. Данный нагреватель представляет собой мощный резистор из нихромовой нити окружённой электро-изолятором из кварцевого песка, который в свою очередь покрыт металлической оболочкой из нержавеющей стали. Устройство ТЭН представлено на рис. 14.

Рис. 14. Устройство трубчатого электронагревателя

Такие нагреватели можно встретить в бытовых устройствах, например, в чайниках, кипятильниках и электродуховках. К плюсам таких нагревателей можно отнести их большой срок службы, простоту в использовании и высокий КПД (сильно зависит от конструкции и изоляции сосуда/ шкафа, но можно добиться значений выше 97%). Для питания ТЭН следует использовать сетевой напряжение, это позволяет сэкономить средства на блоке питания, но при работе с высоким напряжением следует соблюдать меры предосторожности, необходимо учитывать, что при перегреве такой нагреватель может взорваться, а поражение сердечной системы электрическим током в 220 вольт может оказаться летальным для человека или оставить ожоги.

Для определения одного из главных параметров провода ТЭНа - диаметра d, м (мм), - используют метод расчета по допустимой удельной поверхностной мощности PF.

Допустимая удельная поверхностная мощность рассчитывается по формуле.

(1)

где Р - мощность проволочного нагревателя, Вт;

F - площадь поверхности нагревателя, м2. Рассчитывается по формуле.

(2)

l - длина провода, м;

(3)

сд - удельное электрическое сопротивление материала провода при действительной температуре, Ом*м;

U - напряжение проволочного нагревателя, В;

PF - допустимые значения удельной поверхностной мощности для различных нагревателей;

Время кипячения воды можно вычислить по формуле.

(4)

Tb - температура кипения, К

Tr - начальная температура, К

V - объём жидкости, м3

з - КПД системы

- плотность жидкости, кг/м3

c - удельная теплоёмкость, Дж/(кг*К)

P - мощность нагревателя, Вт

t - время нагрева, с

Рассчитанное время кипячения воды комнатной температуры (25 °С) в рассматриваемой системе на высоте 0 м над уровнем моря составляет 120 ± 10 секунд, что подтвердилось испытаниями аппарата.

2.1.7 Электромагнитное реле

Для управления нагревом воды необходимо было подобрать надёжное и недорогое устройство для коммутации нагревателя. В качестве самого практичного и доступного устройства для поставленной задачи оказалось электромагнитное реле. Электромагнитное реле - коммутирующие устройство, принцип действия которого основан на электромагнитном взаимодействии катушки проводника и постоянного магнита. К основным достоинствам электромагнитного реле относят:

возможность коммутации проводников, полностью изолированных от управляющего узла

способность коммутации нагрузок мощностью до 4 кВт при объёме реле менее 10 см3

малое паразитное тепловое выделение из-за малого падения напряжения на замкнутых контактах

устойчивость к импульсным скачкам напряжения и деструктивным помехам

цена электромагнитного реле значительно ниже цены ключей, принцип которых основан на полупроводниковых эффектах.

Помимо положительных качеств реле, как и все технические решения имеют и ряд весомых недостатков:

большая задержка при переключении

ограниченный механический и электрический ресурс

коммутация индуктивных нагрузок и нагрузок высокого напряжения при постоянном токе могут оказаться проблематичными

создание радио помех катушкой электромагнита при переключении

возможно залипание реле на постоянный контакт

возможны кратковременные замыкания контактов при механических вибрационных нагрузках частоты, находящейся в резонансе с пружиной.

Электромагнитное реле в общем случае состоит из катушки, ферримагнитного стержня, подвижного якоря, неподвижных контактов, основания и пружины. При прохождении тока через катушку она создаёт магнитное поле и подвижный якорь притягивается к катушке, преодолевая силу натяжения пружины и замыкает контакты. Как правило, чем больше натяжение пружины - тем более виброустойчиво реле и тем больше мощности требуется от управляющего узла. Существует много разновидностей реле по конструктивным особенностям и характеристикам, например, иногда роль пружины выполняет подвижный якорь, исполненный из тонкой пластины, бывают реле с нормально замкнутыми контактами и нормально разомкнутыми контактами или только с нормально разомкнутыми контактами. Устройство электромагнитного реле представлено на рис. 15.

Рис. 15. Структурная схема электромагнитного реле

Тяговая и механическая характеристики являются основными для воспринимающего органа электромагнитного реле. Тяговая характеристика P определяется формулой.

(5)

Где

- воздушный зазор, м

Fv - часть намагничивающей силы, создаваемой обмоткой реле, Н

- производная изменения магнитной проводимости рабочего воздушного зазора по ходу якоря или сердечника, Гн/м

В работе используется реле SRD-05VDC-SL-C (рис. 16)

Рис. 16. Реле SRD-05VDC-SL-C

2.1.8 Сервопривод

Сервопривод - любой тип механического привода, имеющий в составе датчик положения, скорости и т.п. и блок управления приводом. В работе используется модель MG996R производства компании TowerPro. Данный сервопривод состоит из электродвигателя постоянного тока, схемы управления (микроконтроллер, сборка из 2х n-канальных полевых транзисторов и сборка из 2х з-канальных полевых транзисторов), металлического редуктора и потенциометра. Для управления углом поворота используется ШИМ сигнал частотой 50 Гц. Изменяя скважность ШИМ сигнала можно задавать углы от 0 до 180 градусов. Крутящий момент привода может достигать 11 кг*с*см. Устройство сервопривода приведено на рис. 17

Рис. 17. Структурная схема сервопривода

2.1.9 Шаговый электродвигатель

Шаговый двигатель - это синхронный бесщёточный двигатель с несколькими обмотками. Основная функциональная особенность шагового двигателя заключается в преобразовании последовательности входных импульсов (чаще всего прямоугольных) в точно очерченное приращение в пределах положения вала. Каждый импульс смещает вал под заданным углом.

Существует три основных разновидностей шаговых двигателей по конструкционным особенностям ротора. Первый, самый дешёвый тип - реактивный, данный тип двигателя имеет ротор из магнитомягкого материала с выраженными полюсами в количестве n, а статор выраженные полюсы в количестве n*2, чаще всего n равно 3 или 4 и угол поворота 30 и 15 соответственно. Реактивный тип в обесточенном состоянии не имеет фиксирующего момента. Второй тип - с постоянными магнитами, такая разновидность обладает ротором на постоянных магнитах, из-за технологических трудностей при производстве ротора угол поворота при шаге слишком велик и достигает минимального значения всего в 7.5 градусов. Третий тип - гибридный. Гибридный двигатель сочетает в себе лучшее качества реактивного и типа на постоянных магнитах. Такие двигатели используются в современных станках с числовым программным управлением. Устройство гибридного шагового двигателя показано на рис. 18 и 19.

Рис. 18. Конструкция гибридного шагового двигателя (осевой разрез)

Рис. 19. Конструкция гибридного шагового двигателя (радиальный разрез)

Для эффективности шаговые двигатели имеют ряд "зубчатых" электромагнитов, размещённых вокруг зубчатого ротора. Обмотки электромагнитов получают ток от внешней схемы управляющего блока, им может быть микроконтроллер или специальный драйвер шагового двигателя. Для вращения вала двигателя, первый электромагнит получает ток, который генерирует магнитное поле и притягивает зубья центральной шестерни. Когда зубья шестерни выровнены относительно первого электромагнита, они смещены от соседней обмотки на небольшой угол. Это смещение позволяет валу слегка вращаться для выравнивания с соседней обмоткой, когда соседний электромагнит включен, а первый отключен, затем процесс повторяется. Такой сдвиг называется "шагом", важно, что полный оборот укладывается в целое число шагов. Таким образом, двигатель может быть повернут на точный угол.

Обмотки двигателя объединены в группы, такие группы называются фазами. В каждой фазе присутствует равное количество обмоток со стержнями. Численность фаз шагового двигателя определяет минимальный угол поворота вала и может накладывать ограничения на показатели скорости вращения или на момент вала. Частота расположения фаз выбирается производителем шагового двигателя, как правило, чем больше фаз - тем меньше шаг и дороже двигатель. Самые дешёвые образцы имеют 2 фазы и редуктор, это позволяет повысить точность, но значительно снижает скорость вращения, а потери на редукторе могут привести к потерям момента. Расположение фаз должно образовывать симметричное заполнение кругового пространства, например, если мы имеем 3 фазы (а, б, в), то количество обмоток должно быть кратно 3, например, 12, тогда чередование фаз будет выглядеть следующим образом: |а|б|в|а|б|в|а|б|в|а|б|в|а|б|в|а|б|в|а|б|в|а|б|в|.

Катушки одной фазы должны находится под напряжением единовременно, поэтому их соединяют и на каждую фазу приходится по 1 выводному проводу. Поэтому увеличение фаз ведёт за собой увеличение количества соединительных проводов.

В работе использован двигатель модели 28BYJ-48, это четырёх фазный униполярный двигатель с ротором на постоянных магнитах. Двигатель 28BYJ-48 был выбран по причине низкой стоимости самого двигателя и драйвера, для такого двигателя в качестве драйвера подходит сборка из семи независимых транзисторных пар Дарлингтона ULN2003A, схема этого устройства представлена на рис. 20.

Рис. 20. Схема ULN2003A

2.2 Разработка механических блоков

Для выполнения аппаратом задач напрямую связанных с приготовлением напитков необходимо производить механические операции. Для выполнения этих операций необходимо разработать механические блоки. За основу проектирования аппарат лёг системный подход. В итоге механическая часть аппарата была разбита на следующие блоки:

Блок подачи заварки

Блок перемещения сито

Блок перемещения нагревателя и термометра

Блок подачи кружек

Проектирование деталей осуществлялось в системе автоматизированного проектирования AutoCAD. Большая часть составных деталей блоков проектировалась под печать на FDM 3D-принтере, это накладывало определённые ограничения на точность и формы деталей.

2.2.1 Проектирование блока подачи заварки

Блок подачи заварки представляет собой универсальное устройство, способное порционно выдавать сыпучие материалы с возможностью контроля порции и остатка материала в ёмкости. Основные требования к устройству заключаются в размере фракции материала (от 0.4 мм до 10 мм) и к вместимости хранилища вещества (2 л).

Первым этапом проектирования данного блока являлся поиск готовых технических решений, выявление их достоинств и недостатков. В результате исследования было обнаружено 5 типов систем подачи материалов, называемых дозаторами, изображённых на рис. 21.

Рис. 21. Типы дозаторов сыпучих материалов

аппаратный программный контроль

Тарельчатый дозатор (рис. 21 б) подаёт материал путём сбрасывания материала специальным скребком (2) с вращающейся тарелки (1) в приёмник. Критическим недостатком для выбора такой системы было свободное выпадение материала в режиме покоя.

Шнековый дозатор (рис. 21 в) подаёт материал путём вращения червячного винта (1) в кожухе (2). Как и у системы, описанной выше присутствует возможность выпадения материала в состоянии покоя, а также необходим мощный привод для вращения винта из-за риска заклинивания материала между винтом и кожухом.

Ленточный дозатор (рис. 21. г) подаёт материал по ленте (г) и имеет орган настройки подачи - заслонку (3). Данный тип дозатора требует слишком сложной приводной системы и системы натяжения ленты, что увеличивает его стоимость и снижает надёжность. Возможно для аппарата не домашнего использования выбор такой системы оправдан, но в рассматриваемой разработке выбор такой сложной системы не оправдан.

Вибрационный дозатор (рис. 21. д) осуществляет забор материала из бункера вибрационным воздействием. Такая подача не применима по причине создания звукового шума большой амплитуды, крупных габаритов и большой погрешности при порционной выдаче сыпучего сырья.

Барабанный тип (рис. 21 а) подаёт материал путём вращения барабана с карманами (1). Барабанный дозатор имеет возможность масштабирования, универсален по размеру фракции, не требует мощного привода и у такого рабочего органа отсутствует вероятность выпада материала в состоянии покоя. По описанным причинам принцип барабанной подачи являлся наиболее привлекательным для разрабатываемого блока, но требовал значительных изменений в конструкции из-за специфики применения.

Основным изменением в конструкции барабанного дозатора стал переход от вращательного движения кармана к поступательному, это позволило уменьшить габариты органа дозатора и сократить количество карманов до одного. А для контроля уровня остаточного материала был применён лазерный датчик минимально допустимого уровня. Спроектированный блок представлен на рис. 22. Подача заварки из бункера осуществляется при выдвижении кассеты сервоприводом через кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Объём порции регулируется скоростью вращения вала сервопривода и углом поворота вала за один этап.

Рис. 22. Блок подачи заварки

В рассматриваемом блоке был использован центральный КШМ. Особенность центрального КШМ заключается в пересечении линии передвижении поршня (кассеты) и оси вращения коленчатого вала (ось вращения вала сервопривода). Для обозначений в приведённых ниже формулах используются обозначения на рис. 23.

Рис. 23. Конструктивная схема центрального КШМ

При повороте вала сервопривода на угол ц перемещение поршня от его начального положения в ВМТ определяется отрезком АА1 и может быть высчитано по формуле.

(6)

Где

sп - перемещение поршня

r - длина колена

л - отношение длины колена к длине шатуна (r/l)

Скорость кассеты можно получить как функцию 8 угла поворота вала сервопривода из уравнения 7 движения кривошипно-шатунного механизма.

(7)

(8)

Для определения ускорения кассеты jп при расчёте нагрузок используется формула 9. Ускорение кассеты имеет экстремальные значения при ц = 0 или при выполнении условия 1+4 лcos(ц) = 0.

(9)

После расчёта спроектированной системы подачи заварки были получены параметры:

Максимальная скорость линейного перемещения кассеты: 261, мм/с

Объём кассеты: 26, см2

Объём хранилища: 1.38, Л

Минимальный размер гранул: 0.4, мм.

Ход кассеты 200, мм

2.2.2 Проектирование блока перемещения нагревателя и термометра

Аппарат имеет функцию кипячения и контроля температуры. Для реализации этого функционала встал выбор между двумя системами: закрытый кипятильный сосуд с клапаном или открытый блок нагревателя, опускающийся в кружку. Первый вариант реализации безопаснее и эффективнее, но реализация такой системы в прототипе дороже и была невозможна по техническим причинам, поэтому выбран второй вариант реализации с перемещающимся открытым блоком.

Разработка блока перемещения началась с выбора механизма линейного перемещения. Из доступных и наиболее полно описанных механизмов были выделены четыре типа механизмов, представленных на рис. 24.

Первый тип систем линейного перемещения - это шариковинтовая передачи качения (а рис. 24). Шариковинтовая передача считается наиболее точной, грузоподъёмной и эффективной, но имеет недостаток в виде высокой цены на рынке.

Второй тип систем линейного перемещения - это винтовая передача скольжения (б рис. 24). Винтовая передача скольжения стоит дешевле чем шариковинтовая, но быстрее изнашивается и имеет малый ход на один оборот винта.

Третий тип - это приводная цепь (в рис. 24). Звезда приводит в линейное движение цепь, зацепляясь за звенья. Такой привод имеет маленькую точность, низкую эффективность и короткий срок службы. К плюсам можно отнести гибкость, малые габариты и большой шаг на оборот.

Четвёртый тип систем линейного перемещения - это зубчатая рейка (г рис. 24). Зубчатая рейка имеет большой шаг на один оборот, проста в изготовлении и расчёте, имеет среднюю точность среди всех представленных передач. К минусам конструкции можно отнести необходимость прижима и вынесения привода на каретку.

Пятый тип линейного привода - это зубчатая лента (д рис. 24). Зубчатая лента сочетает в себе все положительные стороны цепи и зубчатой рейки, но требует натяжителей и оказывает радиальную нагрузку на вал.

Для систем линейного перемещения в аппарате была выбрана зубчатая река из-за возможности производства её на FDM 3d-принтере и большого шага на оборот.

Рис. 24. Механизмы линейного перемещения

Блок перемещения нагревателя и термометра при подъёме оказывает наибольшую нагрузку на линейный привод из всех спроектированных механических блоков, поэтому рассчитанный привод можно применять и в остальных блоках аппарата. Обозначения для расчёта нагрузок на шаговый двигатель и размера шестерни приведены на рис. 25.

Рис. 25. Расчёт линейного привода на зубчатой рейке

Основными нагрузками на шаговый двигатель в системе являются радиальная нагрузка на вал (F2n), сила тяжести каретки (F1) и момент трения верхнего подшипника (T3). Радиальная нагрузка на вал рассчитывается по формуле 10.

(10)

Сила тяжести каретки рассчитывается по формуле 11.

(11)

Где

М - масса каретки с компонентами, кг

g - ускорение свободного падения, м/с2

Трение верхнего подшипника рассчитывается по формуле 12.

(12)

Где

k - коэффициент трения радиального подшипника

Итоговый момент двигателя сильно зависит от радиальной нагрузки т.к. она увеличивает осевое трение шестерней в редукторе, поэтому необходимо было эмпирическим путём определить момент двигателя при различных радиальных нагрузках по причине отсутствия справочной информации. Для упрощения примем зависимость итогового момента от радиальной нагрузки линейной, тогда достаточно измерить стопорящую радиальную нагрузку при холостом ходе т.к. момент двигателя без радиальных нагрузок известен. Измеренная стопорящая радиальная нагрузка равна 23 ± 1 [Н].

Полученный после проектирования блок с обозначениями показан на рис. 26.

Рис. 26. Блок перемещения нагревателя и термометра

Спроектированный блок имеет следующие параметры:

Максимальная скорость линейного перемещения: 4 (мм/с)

Диаметр верхней части подходящей кружки: 73 (мм)

Длина вертикального хода: 140 (мм)

2.2.3 Проектирование блока перемещения сито

Для заваривания чая в современных заварщиках используют сетчатые изделия, называемые сито, цилиндрической, плоской или сферической формы. В данном блоке было использовано сито в форме полусферы, такая форма позволяет производить сброс заварки вращательным движением. Перемещение сито в системе происходит по двум осям, аналогично тому как двигается каретка в станках с числовым программным управлением. Каретка может перемещаться к одному из двух блоков подачи заварки затем к кружке и поступательными движениями ускоряет процесс диффузии вещества в напиток. После заварки сито движется к приёмнику отходов и с помощью сервопривода переворачивает и трясёт сито, чтобы избавиться от остатков заварки. Устройство рассматриваемого блока с обозначениями представлено на рис. 27.

Рис. 27. Блок перемещения сито

Спроектированный блок имеет следующие параметры:

Максимальная скорость линейного перемещения: 4 (мм/с)

Объём фильтровальной чаши: 65 (см^3)

Длина горизонтального хода: 270 (мм)

Длина вертикального хода: 54.5 (мм)

Угол поворота чаши: 180 (град)

Максимальная угловая скорость поворота чаши: 353 (град/с)

2.2.3 Проектирование блока подачи кружек

При полной автоматизации процесса приготовления горячих напитков требуется система для подачи кружек. Спроектированный блок основан на зубчатой рейке. Крюк движется по согнутой зубчатой рейке и толкает кружки по направляющей. Для определения наличия и положения кружек система имеет 3 тактовых кнопки: одна для кружки и 2 для крюка (начало и конец). На направляющей может разместиться 7 кружек по 250 мл. Спроектированный блок подачи кружек с обозначениями представлен на рис. 28.

Рис. 28. Блок подачи кружек

Спроектированный блок имеет следующие параметры:

Максимальная скорость линейного перемещения: 4 (мм/с)

Максимальное количество кружек: 7

2.3 Разработка принципиальных схем

Управление аппаратом происходит с помощью сигналов с микроконтроллеров, поэтому для работоспособности аппарата требовалось создать схемы электрических узлов аппарата. Для упрощения процесса проектирования и сохранения системного подхода электронная часть аппарата была разделена на две части. Первая часть отвечает за контроль температуры, управление двигателями, реле и остальными комплектующими непосредственно участвующими в процессе приготовления напитка, а вторая часть отвечает за пользовательский интерфейс и обмен данными в беспроводных сетях.

2.3.1 Проектирование схемы механических манипуляций и контроля температуры

Схема механических манипуляций и контроля температуры основана на микроконтроллере STM32F103RCT6. Функционал схемы должен включать в себя:

Управление шаговыми двигателями

Управление сервоприводами

Нагрев воды

Определение исправности реле

Управление насосом

Контроль температуры воды

Обмен данными со схемой интерфейса

Определение критического уровня воды

Определение критического уровня остатка материала в бункере подачи заварки

Для управления шаговыми двигателями достаточно четырёх сигнальных выводов общего назначения микроконтроллера, которые подключены к драйверу биполярного шагового двигателя, представляющему собой сборку транзисторов Дарлингтона ULN2003ADR, а сборка транзисторов Дарлингтона в свою очередь соединена с коннектором формата CWF-5. Схема подключения представлена на рис. 29.

Рис. 29. Схема подключения шагового двигателя к микроконтроллеру

Управление сервоприводами осуществляется с помощью ШИМ сигнала без дополнительной периферии, главное правильно определить и вывести контакт таймера к управляющему проводу сервопривода.

Нагрев воды происходит через нагреватель на 220 вольт, а микроконтроллер и большая часть периферии питается от 3.3 или 5 вольт. Схема разделяется на высоковольтную и низковольтную часть, очень важно избегать прямых соединений высоковольтной и низковольтной части, поэтому управление высоким напряжением ведётся через реле. Но реле может залипнуть на замкнутый контакт и это приведёт к плачевным последствиям, чтобы этого избежать была разработана схема безопасного включения реле. Схема безопасного включения реле имеет два реле, соединённых последовательно контактами замыкания и детекторы сетевого напряжения между соединениями реле и после второго реле. Такое соединение позволяет определить неисправность каждого из реле и избежать перегрева ТЭН. Детекторы сетевого напряжения основаны на оптроне, чтобы изолировать схему управления от высоковольтной части. Включение реле происходит через полевой n-канальный транзистор т.к. микроконтроллер не способен выдавать необходимый ток для катушки реле. Схема безопасного включения реле представлена на рис. 30.

Рис. 30. Схема безопасного включения реле

Управление насосом, как и включение катушки реле происходит через полевой n-канальный транзистор. Подключение термометра происходит согласно описанной в пункте 2.1.4 схеме на рис. 12. Обмен данными со схемой интерфейса производится через асинхронный интерфейс UART. Критический уровень воды определяется датчиком основанном на проводимости воды и делителе напряжения. Определение критического уровня материала происходит путём измерения сопротивления фоторезистора через делитель напряжения и встроенный в микроконтроллер АЦП. Более подробно со схемой механических манипуляций и контроля температуры можно ознакомиться в приложении 1.

2.3.2 Проектирование схемы интерфейсного блока

Схема интерфейса основана на WI-FI модуле ESP-12E. Функционал схемы включает в себя:

Ввод информации от пользователя напрямую

Отображение данных

Обмен данными в беспроводной сети

Обмен данными со схемой механических манипуляций и контроля температуры

Ввод информации напрямую пользователем осуществляется с помощью тактовых кнопок, для экономии портов микроконтроллера был использован шифратор. Отображение информации происходит на дисплее, который подключён к микроконтроллеру и обменивается данными через ассиметричную шину данных I2C. Обмен данными в беспроводной сети осуществляет ESP-12E с помощью, встроенной периферии. Схема интерфейса представлена на рис. 31.



Рис. 31. Схема интерфейсного блока

2.4 Проектирование печатных узлов

Монтаж компонентов по разработанным схемам производился на печатных платах. Разработка печатной платы представляет из себя создание шаблонов, по которым будут удалены части металлической фольги с заготовки. Заготовки для плат бывают разных типов, например, гибкие или жесткие, многослойные или однослойные. Особенности типа платы необходимо учитывать при проектировании шаблонов. Для разрабатываемых электронных блоков были выбраны твёрдые двухслойные платы.

Для создания шаблонов печатных плат была использована программа сквозного проектирования - «EasyEDA». Первым этапом проектирования является создание электрических схем с конкретными компонентами, затем программа создаёт связный граф из имеющихся шаблонов под каждый из добавленных компонентов. После создания графа программа может сама развести плату, это может помочь на первом этапе, но при большом количестве элементов ПО не справляется и плату приходится разводить вручную. При разведении платы важно понимать какой ток должен течь по дорожке и задавать ей соответствующую толщину, чтобы избежать перегрева фольги и потери мощности. На рис. 32 и 33 представлены шаблоны платы интерфейсного блока и платы механических манипуляций и контроля температуры соответственно.

Рис. 32. Наложенные шаблоны платы интерфейсного блока в цвете

Рис. 33. Наложенные шаблоны платы механических манипуляций и контроля в цвете

2.5 Реализация прототипа

Производство прототипа состояло из следующих этапов:

Печать деталей механических блоков

Сборка механических блоков

Создание печатных плат

Монтаж компонентов

Печать деталей механических блоков осуществлялась на FDM 3D-принтере. FDM 3D-принтер - это станок с числовым программным управлением, на каретке которого установлен экструдер с нагревателем. Все детали были напечатаны из Полиэтилентерефталат-гликоля, это модификация полиэтилентерефталата, в которой были устранены некоторые критичные для печати недостатки. Пример напечатанного и собранного блока представлен на рис. 34. Остальные фотографии собранных блоков представлены в приложениях 2-4.

Рис. 34. Блок подачи заварки

Прототипы печатных плат были созданы фотолитографическим методом. Особенность метода состоит в том, чтобы засветить ультрафиолетом участки фоторезистивной плёнки, нанесённой на фольгу, через шаблон, нанесённый на прозрачную плёнку. Фотография верхней стороны готовой платы механических манипуляций и контроля температур с компонентами представлены на рис. 35.

Рис. 35. Фотография верхней стороны готовой платы механических манипуляций и контроля температур

3. Разработка программного обеспечения

Логика процессов работы комплекса задаётся программным кодом для микроконтроллеров и мобильного устройства. Функциональные возможности аппарата и их качество напрямую зависит от алгоритмов программы, поэтому важно учитывать особенности комплектующих при написании программ, выставлении таймеров, коэффициентов и параметров. В работе используются два разных микроконтроллера с разными функциями и назначениями, которые требуют разных подходов к программированию.

3.1 Разработка программы для STM32F103RCT6

Микроконтроллеры STM32 подробно описаны производителем в документации и программы для серии микроконтроллеров производства STM код можно писать на самом базовом уровне, используя Assembler. Но использование такого низкого уровня абстракции требует длительного и тщательного изучения каждого микроконтроллера в отдельности. Чтобы избежать затрат времени и человеческих ресурсов компания производитель предоставляет ПО, которое может значительно облегчить этот процесс. На данный момент для программирования микроконтроллеров STM требуется комплекс из трёх взаимосвязанных программ, образующих официальный фреймворк для разработки.

Первая программа, с которой начинается формирование проекта под конкретный микроконтроллер - «STM32CubeMx». Данная программа является удобным средством для выбора микроконтроллера, определения нужных интерфейсов, настройке тактирования, задания назначения выводам. «STM32CubeMx» не хранит в себе информацию о всех вариантах микроконтроллеров, при создании нового проекта вся информация о нужном устройстве и его библиотеке загружается с сервера производителя. Благодаря такому подходу всегда доступны новые версии библиотек и место на персональном компьютере не занимается ненужными конфигурациями. Интерфейс программы с проектом для платы механических манипуляций и контроля температур представлен на рис. 36.

Рис. 36. Интерфейс «STM32CubeMx»

Вторая программа - «TrueSTUDIO» представляет из себя среду разработки на языке C и C++. Данная программа основана на открытом ПО «Eclipse EDA» и модифицирована специально для работы с кодом для микроконтроллеров. Алгоритмы написанных программ представлены в приложениях 5 - 7.

Третья программа - «STM32 ST-LINK Utility» загружает hex файлы, полученные в результате компиляции проекта с помощью загрузчика «ST-LINK». Интерфейс данной программы представлен на рис. 37.



Рис. 37. Интерфейс «STM32 ST-LINK Utility»

3.2 Разработка программы для WI-FI модуля ESP-12E

Микроконтроллеры ESP8266 не так подробно описаны, как STM32 и не имеют официальных приложений для разработки, поэтому программирование таких микроконтроллеров чаще всего ведётся на высоком уровне абстракции. Микроконтроллеры ESP получили широкую популярность как дополнительные модули для плат Arduino, поэтому все библиотеки для данных микроконтроллеров написаны под окружение разработки для Arduino. Есть много сред разработки для написания кода под ESP32, но наиболее универсальным на данный момент является расширение «PlatformIO» для среды разработки «Visual Studio Code». Данное расширение содержит в себе конфигурации и библиотеки для большинства современных отладочных плат. С помощью «PlatformIO» можно создавать проекты под различные платы на различных микроконтроллерах в привычной оболочке разработки, например, Arduino подобный проект с библиотеками под Arduino может быть скомпилирован для платы c микроконтроллером STM или ESP, но не предоставляет той гибкости настройки как нативные средства разработки. Программа, написанная для интерфейсной платы, обрабатывает запросы на свой IP адрес, даёт команды блоку механических манипуляций и контроля температур, проверяет его состояние, выводит информацию на дисплей и обрабатывает нажатия кнопок.

3.2 Разработка приложения для Android

Приложение для Android разрабатывалось на языке Java в среде разработки Android Studio. Основная задача данного приложения - отправка сообщений на IP адрес аппарата. Интерфейс приложения представлен на рис. 38.

Рис. 38. Интерфейс приложения

Заключение

В итоге проделанной работы был спроектирован комплекс по контролю приготовления горячих напитков и собран работающий физический прототип. В результате разработки было спроектировано 36 уникальных механических деталей, 2 платы, содержащие 82 компонента, 2 программы для микроконтроллеров и одна программа для мобильного устройства. Разработанный комплекс может применяться в различных областях деятельности человека, например, домашнее использование, дегустационный контроль качества, медицина. Уникальность данной разработки заключается в полной автоматизации процесса приготовления чая из рассыпной заварки, возможности встраивания в системы интернета вещей и тонкой настройке приготовления напитка.

Список литературы

[1] Laura M. Hernandez, Elvis Genbo Xu, HansC. Plastic teabags release billions of microparticles and nanoparticlesinto tea. URL: https://www.researchgate.net/publication/336026469_Plastic_Teabags_Release_Billions_of_Microparticles_and_Nanoparticles_into_Tea (дата обращения 20.11.2019)

[2] Мутсванга Д. Разработка автоматичного устройства для приготовления блюд с высокой степенью вязкости. URL: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/55147/1/TPU741373.pdf (дата обращения 22.12.2019)

[3] Жмудь В.А. Рекомендации по быстрой разработке макетов цифровых систем управления на базе микроконтроллеров. URL: http://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/55147/1/TPU741373.pdf (дата обращения 22.12.2019)

[4] Гоц, А.Н. Кинематика и динамика кривошипношатунного механизма поршневых двигателей /А.Н. Гоц; В.А. Маслов, А.Р. Кульчицкий. -- Владимир: Владимирский государственный университет, 2015. Стр. 1-23.

[5] Старжинский, В.Е. Пластмассовые зубчатые колеса в механизмах приборов /В.Е. Старжинский, Б.П. Тимофеев, Е.В. Шалобаев, А.Т. Кудинов; В. И. Поляков. -- СПб - Гомель: ИнфоТрибо, 1998. Стр. 34-67.

[6] Milito R.A. Fog computing and its role in the internet of things. URL: https://www.researchgate.net/publication/235409978_Fog_Computing_and_its_Role_in_the_Internet_of_Things (дата обращения 16.02.2020)

[7] Discovering the STM32 Microcontroller /Geoffrey Brown. -- 2016. Стр. 16-30.

[8] "Printed circuits handbook" / Clyde F. Coombs, Jr. - 2008. Стр. 39-114.

[9] Theodorou, Ф.L. Applying Software Engineering Principles in Android Development. URL: https://www.researchgate.net/publication/338393159_Applying_Software_Engineering_Principles_in_Android_Development (дата обращения 20.02.2020)

[10] K. Vasanth, K. Shri, S. Ajay, N. Prasanna Robust Design Of Readymade Tea-Maker Machine. URL: https://www.researchgate.net/publication/338791859_Robust_Design_Of_Readymade_Tea-Maker_Machine (дата обращения 19.11.2019)

Приложение 1. Схема механических манипуляций и контроля температуры

Приложение 2. Блок перемещения сито

Приложение 3. Блок перемещения нагревателя и термометра

Приложение 4 Система подачи кружек

Приложение 5. Алгоритм подачи кружки

Приложение 6. Алгоритм наполнения кружки водой

Приложение 7. Алгоритм нагрева воды

Приложение 7. Топология платы пользовательского интерфейса

Приложение 8. Плата пользовательского интерфейса (верх)

Приложение 8. Плата пользовательского интерфейса (низ)

Приложение 9. Механическая система аппарата

Размещено на Allbest.ru

...