Розробка програмнокерованої системи підтримання мікроклімату інкубатора

The automatic remote control system by the parameters of microclimate of incubator is offered on the base of the microprocessor system. Planning of construction of model of incubator which will realize the developed microprocessor device on the Arduino Uno platform is conducted.

Key words: temperature, humidity, microprocessor, control system, control of parameters.

Анотація

Запропоновано систему автоматичного дистанційного керування параметрами мікроклімату інкубатора на базі мікропроцесорної системи. Проведено проектування конструкції макету інкубатора, який реалізує розроблений мікропроцесорний пристрій на платформі Arduino Uno.

Ключові слова: температура, вологість, мікропроцесор, система керування, контроль параметрів.

Вступ

Постановка проблеми. Успішна інкубація яєць домашніх та промислових птахів залежить від підтримки та забезпечення оптимальних значень температури, вологості, повітрообміну та періодичного їх перевертання [1]. Тому недотримання цих умов викликає потворність в розвитку зародка, що приводить до його загибелі.

Так як існуючі автоматичні системи керування мікрокліматом промислових інкубаторів мають низку недоліків, які суттєво знижують їх якість та надійність, то одним із найбільш прогресивних напрямків інкубаційних підприємств - це підвищення продуктивності за рахунок реалізації новітніх технологій, сучасного обладнання, модернізації систем керування.

Всі сучасні автоматизовані системи керування побудовані на базі управляючої обчислювальної техніки мікропроцесорних засобів (мікропроцесорних контролерів (МПК) та електронних обчислювальних машин (ЕОМ)).

Але в умовах кризи та недостатнього фінансування дуже важко вирішувати задачі модернізації шляхом обладнання інкубаторів сучасними мікропроцесорними комплексами та цифровими терморегуляторами (ІСІДА, КЛІМАТ, ІСТА та ін.) з широкими межами керування та вимірювання параметрів внаслідок їх високої вартості.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Проблеми розвитку інноваційної інфраструктури економіки в цілому та питання функціонування інкубаторів як невід'ємної частини інноваційної системи знайшли відображення у наукових працях таких вчених як У.Б. Бережницької, А.Б. Немченко, О.М. Паламарчука, 1.1. Проданової, Ю.М. Смаковської, В.Ю. Філіпова та ін.

Хоча існує велика кількість досліджень в галузі впровадження новацій, проблема керування параметрів мікроклімату інкубаторів як однієї із сучасних організаційних форм підтримки реалізації інновацій все ще не достатньо розроблена.

Мета роботи - Набуття теоретичних та практичних навичок розробки пристрою для підтримання температурно-вологісних параметрів інкубатора на базі мікропроцесора.

Виклад основного матеріалу

В застарілих конструкціях інкубаторів вологість повітря визначається за допомогою вимірювання різниці температур сухої та вологої термопар з використанням психрометричного графіка, ввімкнення механізму перевертання яєць здійснюється за допомогою електромагнітних реле [2]. На даний час до сучасних методів вимірювання технологічних параметрів мікроклімату інкубатора висуваються досить високі вимоги: точність, надійність та можливість подальшої комп'ютерної обробки результатів, то вказані недоліки конструкцій інкубаторів призводять до погіршення продуктивності. Тому при інкубації яєць важливу роль відіграє автоматичне регулювання, яке підтримує незмінною на протязі часу яку-небудь важливу величину, яка характеризує цей технологічний процес, або змінює ці величини по визначеному закону. Тобто, регулююча величина (вологість, температура і ін.) порівнюється з заданим значенням, а регулятор здійснює дію на технологічний процес.

Оптимальні значення вказаних параметрів мікроклімату визначені на основі аналізу природних умов та в результаті експериментальних досліджень, які показують, що для відповідного періоду інкубації рекомендуються відповідні значення параметрів мікроклімату. Наприклад, в інкубаторі в різні терміни розвитку зародка температура повинна бути в перші 2 дні 38°С, з 3-го по 10-й - 37,8; з 11-го по 16-й - 37,5; з 17-го по 19-й - 37,2; з 20-го по 21-й день - 36,9-37,0°С. Однак дотримуватися таких рекомендацій дуже важко, тим більше, якщо в камері перебувають яйця з ембріонами різних вікових груп, тому оптимальними вважають: температуру 37,5-37,7°С, відносне значення вологості 70%, швидкість переміщення повітря в інкубаторі 0,5--1,6 м/сек.

Аналізуючи обладнання різних типів інкубаторів розроблений пристрій, який відповідає сучасним тенденціям техніки, дозволяє вимірювати значення відповідного параметру та записувати його у пам'ять комп'ютера для подальшого використання. А у ході проведення досліджень розроблено макет інкубатора.

Для нагріву інкубаційної камери вибрано звичайні лампи розжарювання, які мають дуже маленький гістерезис, чим обумовлена точна підтримка температури в інкубаторі, що не можна сказати про використання спіралей, ТЕНів, опорів. Так як від величини гістерезису залежить точність підтримки температури в інкубаторі, від того залежить частота ввімкнення і вимкнення нагрівальних елементів.

Дослідження показали, що не реально використовувати для обігріву в інкубаторі спіралі, ТЕНи, оскільки перепади температури зростають до 4 градусів між ввімкненням і вимкненням нагрівальних елементів, що неприпустимо для режиму інкубації, так як вони мають високий гістерезис. А ще більше ускладнюється ситуація в другій половині інкубації, коли для нормального розвитку зародка потрібне зниження температури і вологості, щоб збільшити випаровування води, але цього не відбувається внаслідок високої температури в інкубаторі. Враховуючи зростання температури можна задавати значення температури для вимкнення нагрівальних елементів при 34-35 градусів, так щоб вона відповідала після охолодження нагрівальних елементів 37,8 градусів. Але тоді відбувається недогрів яєць, що викликає уповільнення і відставання розвитку зародка. Тому для нормальної роботи інкубатора використовують нагрівні елементи з маленьким гістерезисом, який не перевищує десятих часток градусів.

Можна в інкубаторах використовувати стрічкові обігрівачі, при цьому зменшуються їх розміри і вага, що звичайно дуже добре. Але, якщо подивитися з другого боку, то при цьому зменшиться внутрішній об'єм інкубатора, що може викликати недостатню кількость кисню під час інкубації при природній вентиляції.

Основним параметром, який впливає на розвиток ембріонів в інкубаторі, є кількість вуглекислого газу, що виділяється в його об'ємі. При перевищенні допустимого значення концентрації вуглекислого газу в об'ємі інкубатора процеси розвитку ембріонів завмирають. Величина повітрообміну за вуглекислим газом в об'ємі інкубатора Lco₂, м³/год, визначається співвідношенням [3, с. 244]

де Gco2 - кількість вуглекислого газу, що виділяється в об'ємі інкубатора, м³/год; С_дп - концентрація вуглекислого газу в повітрі, який видаляється з інкубатора, л/м³; С_з - концентрація вуглекислого газу в повітрі, що подається в інкубатор, л/м³.

Щоб уникнути приклеювання ембріонів до шкаралупи, яйця обов'язково треба періодично повертати. Часті повороти погіршують результати інкубації. Недостатнє повертання приводить до злипання бластодерми під шкаралупною оболонкою, неправильному формуванню ембріона і розростанню алантоїса, невикористовуванню білка. Якщо інкубатор обладнаний електронним поворотом, то поворот відбувається кожну годину.

Рис. 1 - Функціонально-технологічна схема інкубатора І - приміщення інкубатора; ІІ - система поливу; ІІІ - вентилятор; IV - нагрівні елементи; V- система повертання яєць

Для реалізації програмного керування інкубатором вибрана мікропроцесорна система на платформі Arduino ипо. Розроблений пристрій, який призначений для підтримання параметрів оптимального мікроклімату приміщення інкубатора і контролю температури нагріву нагрівних елементів, подачі води на зрошувач і повертання яєць в лотку. В функції плати Arduino входить обробка інформації, яка поступає з датчика температури й вологості, вивід інформації на LSD екран і подача керуючих сигналів на виконавчі механізми. Тобто система, зібрана на платі АМшш, дозволяє керувати всіма процесами в інкубаторі. Для цього використовуються реле, які вмикають або вимикають виконавчі механізми.

Розширення функціональності базової плати відбувається за рахунок установки на неї так званих Шілд (shield).

Пристрій виконує наступні функції:

- для підтримання температури вмикає і вимикає нагрівні елементи;

- для підтримання вологості вмикає і вимикає насос для подачі води на лопасті вентилятора і вмикає й вимикає вентилятор;

- для обертання яєць вмикає і вимикає двигун;

- для вентиляції і подачі кисню до яєць вмикає і вимикає вентилятор;

- для керування за показниками відбувається цифрове відображення даних показників на LSD екрані;

При подачі високого сигналу на pin 9 отримує живлення катушка проміжного реле KV4, яка замикає свої контакти і отримують живлення нагрівні елементи. При подачі низького сигналу нагрівні елементи знеживлюються.

При подачі високого сигналу на pin 10 отримує живлення котушка проміжного реле KV3 яка замикає свої контакти і отримують живлення вентилятор і насос для зволоження повітря інкубатора. При подачі низького сигналу вентилятор і насос знеживлюються.

- для керування роботи виконавчих механізмів відбувається світова індикація роботи внутрішніх систем: зволоження, вентиляції, нагрівання, роботи двигуна перевороту яєць в лотках.

Ці функції виконуються за допомогою замкнутих контурів регулювання, в яких принцип зворотного зв'язку присутній в явному вигляді: інформація про об'єкт, яка поступає від датчика, перетворюється регулюючими пристроями в управляючі дії (Рис. 1).

Живлення на плату Arduino Uno можна подати на два входи XT1 або USB. інкубатор мікропроцесорний автоматичний дистанційний

З входів +5V та GND подається живлення на додаткові елементи, а саме: LSD екран, реле та датчик вологості й температури.

Підтримання температури та вологості відбувається таким чином.

Через датчик вологості та температури DHT11 який підключається до плати, на +5V та GND і 8 pin подаються сигнали на реле, які в свою чергу замикають або розмикають свої контакти.

При подачі високого сигналу на pin 11 отримує живлення котушка проміжного реле KV2 яка замикає свої контакти і отримує живлення котушка реле часу. При подачі низького сигналу котушка реле При подачі низького сигналу вентилятор знеживлюється.

При подачі високого сигналу на pin 12 отримує схема, яка представлена на рисунку 2. живлення котушка проміжного реле KV1 яка замикає свої контакти і отримує живлення вентилятор.

Значення температури і вологості виводяться на інформаційний дисплей. Також ці дані можна передати на комп'ютер диспетчерської системи, що позволяє оператору контролювати процес і аналізувати режим інкубації. Настройку параметрів можна виконати на комп'ютері в залежності від режимів інкубації для різних типів яєць.

Рис.2 - Принципіальна електрична схема керування мікрокліматом інкубатора

Особливістю автоматичного пристрою являється те, що його можна використати для любого виду інкубатора, тобто для любої моделі, а також для виведення любого виду птиць. При розширенні функцій шляхом додавання нових алгоритмів і програм в систему програмного забезпечення виконується за рахунок перепрограмування системи керування без зміни комплексу технічних і апаратних засобів і автоматизації процесів діагностики і настройки апаратури.

Програмне забезпечення АМиіт має відкритий вихідний код, завдяки цьому можна змінювати й доповнювати його. Можливості мови АМшпо можна також розширювати за допомогою С ++ бібліотек. Завдяки тому, що код заснований на мові А'У'Я С, користувачі, які мають бажання з'ясувати технічні деталі, можуть легко перейти з мови ЛгДшпо на С або вмонтувати ділянки А'У^ГЯ-С коду безпосередньо у програми АМиіпо [4, с. 178].

Мова програмування Arduino є реалізацією схожою апаратної платформи "Wiring", заснованої на середовищі програмування мультимедіа "Processing". Програми обробляються за допомогою препроцесора, а потім компілюється за допомогою AVR-GCC.

Для апаратно-обчислювальної платформи Arduino розроблена велика кількість програмних бібліотек, що дозволяє працювати з найрізноманітнішими датчиками та елементами контролю.

Виготовлений макет інкубатора дозволяє провести необхідні дослідження і експериментально підтвердити ефективність розробленого пристрою. Для керування параметрами підтримання оптимального мікроклімату розроблена програма.

Перед тим як відкрити середовище розробки (IDE) необхідно приєднати плату мікроконтролера до персонального комп'ютера і встановити драйвери належним чином.

Для перевірки програми слід натиснути в панелі інструментів круглу кнопку із стрілкою вправо або за допомогою гарячої комбінації <Ctrl>+<R> запустити трансляцію програми.

При відсутності повідомлень про помилку, можна передати програму на плату мікроконтролера, натиснувши на панелі інструментів квадратну кнопку із стрілкою вправо з крапками (чи натиснути

комбінацію <Ctrl>+<U>). Після завантаження програми повинен почати моргати світлодіод "L" на платі мікроконтролера.

Програма керування параметрами мікроклімату інкубатора:

#include <LiquidCrystal.h> // Добавляємо необхідну бібліотеку

LiquidCrystal lcd(2, 3, 4, 5, 6, 7); // (RS, E, DB4, DB5, DB6, DB7)

#include <DHT.h>

#define DHTPIN 8 #define DHTTYPE DHT11 DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

#include <OneWire.h>

//OneWire ds(); void setup(){

lcd.begin(16, 2); // Задаємо розмірність екрану

lcd.setCursor(0, 0); // Встановлюємо курсор на початок 1 строки

//lcd.print("Hello, world!"); // Виводимо текст //lcd.setCursor(0, 1); // Встановлюємо курсор на початок 2 строки

//lcd.print("zelectro.cc"); // Виводимо текс

// report parasite power requirements

pinMode(9,OUTPUT);

pinMo de(10,OUTPUT) ;

pinMode(11,OUTPUT);

pinMode(12,OUTPUT);

digitalWrite(9,LOW);

digitalWrite(10,LOW);

digitalWrite(11,LOW);

digitalWrite(12,LOW);

}

void loop(){ delay(500); float t, h; byte x;

h = dht.readHumidity(); t = dht.readTemperature(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("Hum:"); lcd.print(h);

lcd.print("Temp:");

lcd.print(t);

if (t<=26)

{digitalWrite(9,HIGH);} if (t>=30)

{digitalWrite(9,LOW);}

if(h<=44)

{digitalWrite(10,HIGH);}

if(h>47)

{digitalWrite(10,LOW);}

{digitalWrite(11,HIGH);}

if(t>=30)

{digitalWrite(12,HIGH);}

if(t<=28)

{digitalW rite( 12,LOW);}

}

Розроблена система автоматичного керування параметрами мікроклімату інкубатора на базі мікропроцесорної платформи Arduino Uno покращує функціональні можливості обладнання, систем управління, значно підвищує надійність їх роботи, забезпечує зниження вартості в порівнянні із системами на елементах малого й середнього ступеня інтеграції, які реалізують аналогічні функції і в кінцевому результаті позитивно відображається на якості продукції. Одночасно досягається різке зменшення маси й габаритних розмірів, а також енергоспоживання системи.

Дана система забезпечує роботу інкубатора в автоматичному режимі і позволяє знизити участь людини в процесі інкубації до мінімуму.

Висновки і пропозиції

Розроблений пристрій автоматичного керування параметрами мікроклімату інкубатора на базі мікропроцесора забезпечує високу швидкодію системи, відрізняється простотою технічної реалізації, низькою вартістю, можливістю вирішення достатньо складних задач, має порівняно прості і зрозумілі методи програмування, і може бути рекомендований для впровадження у виробництво й застосування в присадибних й малих фермерських господарствах для їх потреб в інкубації яєць. При підключенні персонального комп'ютера можна представляти вимірювані значення температури, вологості і інших параметрів в цифровій і графічній формах, а також локально і дистанційно керувати технологічним процесом інкубації яєць домашньої птиці.

Список літератури

1. Технологія виробництва продукції птахівництва: підручник для студентів вищих навчальних закладів/ Бородай В.П., Сахацький М.І., Вертійчук І. та ін. - Вінниця: Нова книга, 2006. - 360 с.

2. Борщ О.Б. Навчальний посібник «Енергозбереження в системах теплогазопостачання, вентиляція та кондиціонування повітря»/ для студентів спеціальності 7.092108, 8.092108 „Теплогазопостачання та вентиляція”/ - Полтава: ПолтНТУ, 2009. - 116 с.

3. Власенко О.І., Велещук В.П., Шульга О.В., Борщ В.В., Борщ О.Б., Нелюба Д.М. «Інтелектуальне» управління мікрокліматом інкубатора. Матеріали IX Міжнародної науково-практичної конференції «Проблеми і перспективи розвитку академічної та університетської науки». (Полтава, 7-9 грудня 2016 р. ) - Полтава: ПолтНТУ, 2016. - С.

4. Соменко Д.В., Соменко О.О. Використання можливостей апаратно-обчислювальної платформи Arduino в лабораторному практикумі з фізики. Наукові записки. - Випуск 9. - Серія: Проблеми методики фізико-математичної і технологічної освіти. Частина 1. - Кіровоград: РВВ КДПУ ім. Винниченка, 2016 - 264с.

Размещено на Allbest.ru