Разработка макета и компонентов автоматизации "умного дома"

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Автоматизация жилых помещений в настоящее время наиболее прогрессивная и развивающаяся на рынке концепция взаимодействия человека (пользователей) с жилым пространством, когда в автоматизированном режиме в соответствии с внешними и внутренними условиями задается и отслеживается режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.

Для решения этих задач, была создана технология под названием «умный дом». Данная технология позволяет контролировать параметры микроклимата, что может существенно продлить человеку жизнь. Также умный дом обеспечивает контроль освещения и вентиляцию, что помогает сократить расход электроэнергии. Кроме того «умный дом» можно интегрировать с системами пожаротушения в домах и офисах, что обеспечит комплексный контроль и защиту помещений.

Тема данного дипломного проекта является актуальной, так как разработка компьютерно-интегрированного стенда, позволит наглядно демонстрировать работу компонентов автоматизации «умного дома».

Целью данного дипломного проекта является разработка макета и компонентов автоматизации «умного дома».

Макет будет эксплуатироваться, как наглядное пособие работы механизмов автоматизации для учащихся вузов.

1. Анализ исходной информации

1.1 Анализ задания

Целью данного дипломного проекта, является разработка макета и компонентов автоматизации «умного» дома».

Умный дом - жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает комфорт, безопасность, и ресурсосбережение для всех пользователей. В простейшем случае она должна уметь распознавать конкретные ситуации, происходящие в доме, и соответствующим образом на них реагировать. Одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам.

Габаритные размеры макета не меньше 300х200х300 мм2. Макет работает от напряжения 12В и потребляет не более 2А тока. Предназначен для эксплуатации в учебных лабораториях, а значит не нуждается в защите от влаги и использовании радиаторов для охлаждения.

В состав макета «умного дома» входят следующие блоки:

- блок сбора информации;

- блок обработки;

- блок передачи;

- компоненты автоматизации.

Блок сбора информации собирает информацию с датчиков, отслеживающих текущее состояние устройств умного дома. К таким датчикам относятся:

- датчики освещенности;

- датчики температуры;

- датчики приближения;

- датчики пересечения местности.

Блок обработки принимает данные с датчиков, производит их математическую обработку и вырабатывает сигнал для исполнительных механизмов систем умного дома.

Блок передачи связывается с системой управления домом посредством модуля Bluetooth.

Компоненты автоматизации включают в себя следующие устройства:

- устройство управления;

- устройство связи;

- устройство открытия ворот;

- устройство отопления и вентиляции;

- устройство контроля освещения;

- устройство контроля безопасности и мониторинга.

1.2 Классификация компонентов умного дома

Устройство открытия ворот.

Реализация устройства открывающихся ворот во многом зависит от типа ворот. Основные типы автоматических ворот:

- автоматические откатные ворота;

- автоматические распашные ворота;

- автоматические секционные ворота.

Автоматические откатные ворота представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1- Автоматические откатные ворота

Автоматические откатные ворота состоят из непосредственно рамы самих ворот, которая посредствам роликов установлена на направляющую рельсу. На створку ворот устанавливается зубчатая рейка и механизм автоматики, с помощью которого ворота и приводятся в движение.

Автоматические секционные ворота - разновидность ворот, конструкция которых представляет собой соединенные петлями секции. Секции передвигаются по направляющим шинам, прикрепленным к краям проема и заведенным под потолок помещения. При открывании ворот, секции одна за другой уходят под перекрытие строения, размещаясь в пространстве под потолком. Секционные ворота поднимаются вертикально вверх, позволяя экономить пространство внутри гаража и перед ним. Секционные ворота представлены на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Секционные ворота

Автоматические распашные ворота могут открываться как внутрь территории, так и наружу. Легкость и плавность движения при открытии и закрытии распашных ворот обеспечивается петлями на шарнирах. Автоматические распашные ворота изображены на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Автоматические распашные ворота

В качестве исполнительного механизма для открытия ворот используется сервопривод. Использование сервопривода позволяет существенно упростить систему автоматического открытия ворот, а именно отказаться от датчиков позиционирования ворот, так как подобные датчики встроены в сам сервопривод.

Сервопривод позволяет точно управлять параметрами движения. В его состав входят датчики, которые фиксируют положения, скорость, усиление на валу, входит блок управления приводом (электронная схема или механическая система тяг), автоматически поддерживающая необходимые параметры на датчике (и, соответственно, на устройстве) согласно заданному внешнему значению (положению ручки управления или численному значению от других систем). Сервопривод является "автоматическим точным исполнителем" - получая на вход значение управляющего параметра в режиме реального времени, он основываясь на показаниях датчика стремится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного элемента.

Состав сервопривода:

- привод - например, электромотор с редуктором, или пневмоцилиндр;

- датчик обратной связи - например, датчик угла поворота выходного вала редуктора (энкодер);

- блок питания и управления (он же преобразователь частоты / сервоусилитель / инвертор / servodrive);

- вход/конвертер/датчик управляющего сигнала/воздействия (может быть в составе блока управления).

Сервоприводы делятся на два типа: аналоговые и цифровые. Оба сервопривода получают одинаковый сигнал с приемника. Аналоговый сервопривод работает с частотой 50Гц, промежуток между импульсами составляет - чуть меньше 20 мсек. Между этими импульсами на мотор ничего не поступает, внешнее воздействие может изменить положение исполнительного механизма в любую сторону - такой промежуток времени называется «мертвой зоной». Цифровые сервоприводы используют специальный процессор, работающий на высокой частоте, который обрабатывает получаемый от приемника сигнал и посылает управляющие импульсы в двигатель сервомотора с частотой 300 (и более) раз в секунду. Так как этот сигнал получен двигателем сервомотора чаще, он в состоянии реагировать намного быстрее и держать заданную позицию лучше. Это означает лучшее центрирование и значительно более высокий крутящий момент.

Информация об открытии или закрытии ворот принимается через модуль Bluetooth и передается на микропроцессор, который производит ее математическую обработку и вырабатывает соответствующее воздействие на сервопривод через модуль широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Устройство контроля освещения.

Устройство контроля освещения контролирует уровень освещенности в помещении, в том числе для экономии электроэнергии за счет рационального использования естественного освещения. Некоторые подсистемы:

- автоматика для включения/выключения света в заданное время суток;

- датчики движения для включения света только тогда, когда в помещении кто-то находится;

- автоматика для открытия/закрытия ставней, жалюзи, для регулировки прозрачности специальных оконных стекол.

Расход электроэнергии на цели освещения может быть заметно снижен достижением оптимальной работы осветительной установки в каждый момент времени.

Добиться наиболее полного и точного учета наличия дневного света, равно как и учета присутствия людей в помещении, можно, применяя средства автоматического управления освещением (СУО). Управление осветительной нагрузкой осуществляется при этом двумя основными способами: отключением всех или части светильников (дискретное управление) и плавным изменением мощности светильников (одинаковым для всех или индивидуальным).

К устройствам дискретного управления освещением в первую очередь относятся различные фотореле (фотоавтоматы) и таймеры. Принцип действия первых основан на включении и отключении нагрузки по сигналам датчика наружной естественной освещенности. Таймеры осуществляют коммутацию осветительной нагрузки в зависимости от времени суток по предварительно заложенной программе.

К устройствам дискретного управления освещением относятся также автоматы, оснащенные датчиками присутствия. Они отключают светильники в помещении спустя заданный промежуток времени после того, как из него удаляется последний человек. Это наиболее экономичный вид устройств дискретного управления, однако к побочным эффектам их использования относится возможное сокращение срока службы ламп за счет частых включений и выключений.

В последнее время многими зарубежными фирмами освоено производство оборудования для автоматизации управления внутренним освещением. Современные устройства управления освещением сочетают в себе значительные возможности экономии электроэнергии с максимальным удобством для пользователей.

Точное поддержание искусственной освещенности в помещении на заданном уровне достигается введением в систему управления освещением фотоэлемента, находящегося внутри помещения и контролирующего создаваемую осветительной установкой освещенность. Уже только одна эта функция позволяет экономить энергию за счет отсечки так называемого "излишка освещенности".

Несмотря на наличие в подавляющем большинстве помещений естественного освещения в светлое время суток, мощность осветительной установки рассчитывается без его учета.

Если поддерживать освещенность, создаваемую совместно осветительной установкой и естественным освещением, на заданном уровне, то можно еще сильнее снизить мощность осветительной установки в каждый момент времени.

В определенное время года и часы суток возможно даже использование одного естественного освещения. Эта функция может осуществляться тем же фотоэлементом, что и в предыдущем случае, при условии, что он отслеживает полную (естественную + искусственную) освещенность. При этом экономия энергии может составлять 20 - 40%.

Дополнительная экономия энергии в освещении может быть достигнута отключением осветительной установки в определенные часы суток, а также в выходные и праздничные дни. Эта мера позволяет эффективно бороться с забывчивостью людей, не отключающих освещение на рабочих местах перед своим уходом. Для ее реализации автоматизированная система управления освещением должна быть оборудована собственными часами реального времени.

Информация с датчика освещенности поступает в аналогово-цифровой преобразователь, где она преобразуется в вид понятный микропроцессору. Микропроцессор сравнивает показания датчика с эталонными значениями, которые хранятся в ПЗУ и в случае, если они не совпадают - вырабатывает управляющее воздействие через модуль широтно-импульсной модуляции на светодиоды, которые выступают в качестве осветительных приборов в помещении.

Для определения уровня освещенности используют датчики освещенности. Компания Avago Technologies выпускает ALPS-серию датчиков освещенности. На данный момент в серии три типа датчиков: HSDL-9000 (стандартные), HSDL-9001 и APDS-9002/3 (миниатюрные). Устройства предназначены для определения уровня освещенности, и если он недостаточен, выдается сигнал для повышения степени освещения в помещении. Датчики созданы на основе фотодиода (или фототранзистора) с максимальной спектральной чувствительностью, совпадающей с максимальной чувствительностью человеческого глаза, которая составляет 550 нм.

Для контроля уровня освещенности в помещении предусмотрена автоматическая система раскрывания и закрывания штор. В качестве исполнительного механизма используется коллекторный электродвигатель, вращающий ремень на котором расположены бегунки для закрепления на них штор. В основе работы системы лежит датчик освещенности. Считывая показания с датчика, система определяет уровень освещенности в помещении. Если уровень освещенности не соответствует уровню, заданному в программе микроконтроллера, система соответственно вырабатывает сигнал для открытия, либо закрытия штор, что бы приблизить уровень освещенности к заданной норме.

Автоматическое устройство раскрывания и закрывания штор представлено на рисунке 1.4.



Рисунок 1.4 - Автоматическое устройство раскрывания и закрывания штор

Устройство отопления и вентиляции.

Устройство отопления, вентиляции и кондиционирования обеспечивает регуляцию температуры, влажности и поступление свежего воздуха. Кроме этого, данное устройство экономит энергию за счет рационального использования температуры среды. Некоторые подсистемы:

- управляемый через сеть кондиционер;

- механизмы автоматического открытия/закрытия окон для поступления холодного или теплого воздуха в подходящее время суток.

Информация с датчика температуры воздуха поступает в аналогово -цифровой преобразователь, где она преобразуется в вид понятный микропроцессору. Микропроцессор сравнивает показания датчика с эталонными значениями, которые хранятся в ПЗУ микроконтроллера и в случае, если они не совпадают - вырабатывает управляющее воздействие через блок управления двигателем системы вентиляции на вентилятор, который служит в качестве системы охлаждения.

Устройство контроля безопасности и мониторинга состояния.

В систему безопасности и мониторинга входят следующие подсистемы:

- подсистема видеонаблюдения;

- подсистема контроля доступа в помещения;

- охранно-пожарная сигнализация (в том числе контроль утечек газа);

- телеметрия - удалённое слежение за системами;

- подсистема защиты от протечек - автоматическая блокировка водоснабжения при протечке и заливе помещения. Состоит из контролирующего устройства, специальных кранов и датчиков, детектирующих затопление;

- GSM-мониторинг - удалённое информирование об инцидентах в доме (квартире, офисе, объекте) и управление системами дома через телефон. В некоторых системах при этом можно получать голосовые инструкции по планируемым управляющим воздействиям, а также голосовые отчеты по результатам выполнения действий;

- IP-мониторинг объекта.

В качестве устройства безопасности в данном макете выступают датчики открытия дверей, а так же датчики пересечения местности. Датчик открывания дверей или окон (магнитный) - состоит из двух элементов, один из которых устанавливается на подвижную часть конструкции (дверь, окно), а второй на статическую (дверная лудка, оконная рама).

Датчик открывания двери изображен на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 - Датчик открытия двери

В закрытом состоянии, оба этих элемента плотно прижимаются друг другу. Если же происходит несанкционированное открытие, происходит отдаление элементов друг от друга, что и провоцирует срабатывание датчика.

Информация с датчиков открытия дверей и пересечения местности в реальном времени поступает на аналогово-цифровой преобразователь, который преобразует ее в цифровой вид. Далее микроконтроллер производит обработку информации и вырабатывает соответствующее воздействие на блок подачи сигнала тревоги.

Устройство управления.

Включает в себя управление с одного места аудио, видеотехникой, домашним кинотеатром. Удалённое управление электроприборами, приводами механизмов и всеми системами автоматизации. Электронные бытовые приборы в умном доме могут быть объединены в домашнюю сеть с возможностью выхода в сети общего пользования. Механизацию здания - открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней. В данном макете в качестве системы управления выступает планшетный ПК.

Устройство связи.

Сюда относятся телефонная связь и локальная сеть здания. Существует несколько платформ и протоколов, с помощью которых связываются подсистемы умного дома.

LanDrive - наиболее доступная на сегодняшний день платформа для построения шинных распределённых систем управления внутренним и уличным освещением, силовыми нагрузками, электроприборами, а также такими системами, как отопление, кондиционирование, вентиляция, охранная сигнализация, контроль доступа и протечек воды. Также возможно управление аудио- и видеотехникой, домашними кинотеатрами, жалюзи, рольставнями, шторами, воротами, насосами, двигателями. В основном ориентирована на применение в составе «умного дома», но в последнее время всё чаще применяется в системах учёта и сбережения энергоресурсов, контроля доступа, охранно-пожарных системах.

TELETASK (шина/протокол AUTOBUS) - система домашней автоматизации для зданий и помещений, где человек находится продолжительное время (квартира, коттедж, офис, гостиница и т.д.)

EIB/KNX (European Installation Bus - «Европейская инсталляционная шина»).

Smart-bus - бюджетные распределенные системы Умного дома. Открытый протокол на основе RS-485 интерфейса разработанный и запатентованный международной корпорацией Smart Home Group.

LON (LonWorks).

Helvar - для систем управления освещением использует протокол DALI и DSI.

X10 - протокол управления электроприборами. Сигнал передается по электрическим проводам либо в радиодиапазоне. Недостатки -- низкая скорость передачи информации и помехозащищенность, проблема ложного срабатывания, отсутствие обратной связи приёмника с передатчиком, возможны конфликты устройств X10 разных производителей и несанкционированный доступ к устройствам X10 по электросети.

Z-Wave - запатентованный беспроводный протокол связи, разработанный для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления на жилых и коммерческих объектах. Технология использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как освещение, отопление, контроль доступа, развлекательные системы и бытовую технику.

ONE-NET - открытый протокол беспроводной сети передачи данных, разработанный для целей автоматизации зданий и управления распределёнными объектами.

1-Wire - технология, которая позволяет связать многие датчики и приборы в одну сеть, управление в которой на себя берёт персональный компьютер. Для передачи данных в такой сети используется всего один провод. Отличается дешевизной и простотой установки.

Важно отметить, что все инженерные подсистемы «умного дома» должны иметь возможность работать в автономном режиме. В случае, если какая-то из подсистем вышла из строя, то и вся система не сможет исправить проблему, поскольку «умный дом» является надстройкой над остальными инженерными системами.

В данном макете для связи системы управления с макетом используется технология Bluetooth.

Bluetooth - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (PAN). Технология обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как мобильные телефоны, ноутбуки, карманные и персональные компьютеры, принтеры, цифровые фотоаппараты и наушники на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте, которая используется для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам обращаться друг к другу, когда они находятся в радиусе от 10 до 100 метров, в одном помещении и даже в разных его частях или за стеной.

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне, который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,48 ГГц). Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum - широкополосный сигнал по методу часточных скачков). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используется различные схемы кодирования: аудио-сигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях.

1.3 Анализ аналогичных устройств

Умный дом от Domintell реализует функции:

- управление освещением (внутреннее освещение во всём доме, наружное освещение, динамичные световые сцены позволяющие придать разные «настроения» помещению, включение при прохождении, плавное включение ламп накаливания с учетом мощности, выключение всех устройств по одной команде);

- управление силовыми розетками включение/отключение групп розеток или отдельных розеток в каждой комнате. При этом можно управлять различными бытовыми устройствами. К примеру, отключить телевизор в детской комнате, отключить питание утюга после заданного интервала времени, уходя из дома обесточить все устройства (кроме определённых) по нажатию одной кнопки и т.д.;

- управление электродвигателями (шторы, жалюзи, роллеты, автоматические ворота, шлагбаумы, гаражные ворота, насосы);

- SMS-оповещение и управление (оповещение на мобильный телефон при возникновении аварийных ситуаций - пожар, затопление водой, несанкционированное проникновение и т.п.). Домом можно управлять отправляя SMS-сообщения с мобильного телефона;

- безопасность и сигнализация (датчики движения, датчики закрытия окон и дверей обеспечивают защиту помещений от несанкционированного проникновения. К функциям безопасности также относится защита от затопления водой, пожарная сигнализация, обесточивание электроприборов при уходе, возможность отправки сообщений по SMS при аварийных ситуациях, включение сирен, имитация присутствия. Кроме того, система позволяет организовать тревожные кнопки, например, в детской комнате, у кровати больного и т.д.);

- функции «Мультирум» (система мультирум мультирум обеспечивает матричную коммутацию аудио сигналов по помещениям. Звук от различных источников (DVD и CD проигрыватели, радио и т.д.) выводится в требуемых помещениях. Управление переключением каналов, настройкой громкости выбор FM-станции по командам с ИК-пульта или настенных кнопок, по датчикам движения и т.д);

- функции универсального дистанционного ИК-пульта (Система, имея ИК-передатчики, может управлять устройствами, поддерживающими управление по ИК-каналу. Таким образом, с пульта Domintell, сенсорной панели, кнопочных выключателей или мобильного телефона можно удалённо управлять плеерами, кондиционерами, телевизорами, CD/DVD проигрывателями во всём доме);

- климат-контроля (система позволяет управлять климатом климат-контроль, как во всём доме, так и в отдельных помещениях, обеспечивая слаженную работу систем и приборов, ответственных за климат (система отопления, теплый пол, вентиляция, кондиционирование, влажность и т.д.). Domintell позволяет задавать различные режимы при присутствии или отсутствии людей);

- автоматический полив (контроль влажности почвы, управление насосами, управление по расписанию, учёт погодных условий);

- функции диспетчеризации (Domintell может быть использована для построения систем диспетчеризации. При этом с компьютера диспетчера осуществляется мониторинг и управление всеми функциями системы. Подключение к ПК осуществляется через шлюзовой модуль).

Структурная схема умного дома Domintell представлена на рисунке 1.6

Рисунок 1.6 - Структурная схема умного дома Domintell

Управление системой осуществляется программно. Программа может легко модифицироваться в дальнейшем по требованию заказчика.

Управляющие команды подаются:

- с кнопочных выключателей, расположенных у дверей, кроватей и в других местах по удобству. Кнопки имеют подсветку и подсветку статуса.

- с дистанционного ИК пульта. При этом команды, подаваемые с пульта, могут вести себя одинаковым образом в разных помещениях. К примеру, первая кнопка отвечает за свет в данном помещении. Реакции на команды с пульта могут иметь глобальных характер, распространяясь на все помещения в квартире.

- с сенсорной панели, возможно управление всеми запрограммированными функциями системы. Панель имеет интуитивно понятный интерфейс с разбивкой функций, сценариев и исполнительных устройств по помещениям.

- с мобильного телефона, путём отправки SMS-сообщений.

- по срабатыванию датчиков движения, пожарной сигнализации, датчиков протечки воды, открытия, закрытия дверей и т.д.

- по таймерам, запрограммированными на различные события

1.4 Постановка задач

Основной задачей данной дипломной работы является: разработка макета компьютерно-интегрированного стенда с устройствами автоматизации.

Основные требования к устройству:

- работать в диапазоне температур -10…+50с и относительной влажности не более 98%;

- связь с ПК через Bluetooth;

- контроль освещения;

- открытие/закрытие ворот;

- контроль открытия двери;

- контроль температуры.

Задачи, которые должны быть исполнены для выполнения поставленных требований:

- разработка структурной схемы устройства;

- разработка алгоритма работы устройства,

- разработка схема электрической принципиальной;

- разработка конструкции макета;

- разработка ПП.

2. Разработка структурной и функциональной схемы устройства

2.1 Разработка структурной схемы устройства

Схема данного устройства приведена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Структурная схема

Основной частью является микроконтроллер, который собирает информацию с датчиков и передаёт их на панель оператора, через общую сеть, которая основывается на интерфейсе Bluetooth.

Присутствуют следующие датчики:

- движения;

- открытия двери;

- температуры;

- конечный;

- освещённости.

2.2 Разработка функциональной схемы устройства

Функциональная схема устройства приведена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Функциональная схема

Датчик движения и открытия двери относятся к устройству безопасности. Они отслеживают перемещения вокруг макета, а так же состояние в котором находится входная дверь и передает эти данные на пульт оператора.

Конечный датчик 1,2 предназначены для устройства открытия/закрытия штор.

ШИМ модуль служит для формирования управляющего ШИМ сигнала.

Сервопривод управляет открытием/закрытием ворот.

Драйвера двигателей необходимы для управления двумя маломощными коллекторными электромоторами М1 и М2.

Модуль обработки данных собирает и производит математическую обработку данных с датчиков.

Модуль Bluetooth принимает данные с пульта оператора, а так же передает информацию о состоянии устройств макета.

Информация с датчиков температуры и освещенности имеет аналоговый вид, поэтому ее необходимо оцифровать, при помощи АЦП преобразователя. Далее сигнал поступает в компаратор, который сравнивает показания датчиков со значениями, записанными в памяти МК, после чего модуль обработки данных вырабатывает управляющее воздействие на устройства автоматизации.

2.3 Описание алгоритма роботы программы

После подачи напряжение на устройство, выполняется инициализация микроконтроллера. Инициализация глобальных переменных, для хранения информации полученной из датчиков. Так как данное устройство будет выполнять задачи по запросу, то в выполнении стоит настройка портов для приёма и передачи данных.

Для связи используется сетевой интерфейс передачи информации Bluetooth. После обращения к Bluetooth модулю, контроллер переводится в режим прослушивания сети, что означает ожидание получение указов на выполнение каких либо действий.

Во время прослушивания сети устройство непрерывно получает какие либо данные, для того что бы отфильтровать их существуют протоколы передачи данных.

В протоколах закладывается защита на правильность полученных данных. После приёма данных котроллер считывает их и проверяет запрос на соответствие протоколу. Протокол имеет вид «*» «данные» «#». Что бы данные считались необходимо обязательное наличие «*» вначале и «#» в конце сообщения. В случае несоответствия данных протоколу, контроллер переводится обратно в режим прослушивания сети. Если даны соответствуют протоколу, то реализуется раскодировка данных. Далее происходит выполнение внутреннего задания, которое представляет собой одну из подпрограмм:

- измерения температуры;

- измерения освещённости;

- вентиляции;

- открытия штор.

Так как все датчики, используемые в данном устройстве являются аналоговыми, то во всех подпрограммах измерений проводится настройка АЦП. Выполняется инициализация приёма информации со второго канала АЦП, считывание данных, после чего выполняется преобразование данных в аналоговый вид, методом умножения полученных данных на 5-ть (максимально измеряемое напряжение) и делением на 1023 (количество разрядов АЦП).

Подпрограмма измерения температуры начинается с вызова данной подпрограммы функцией «Temp ();», после чего производится инициализация 2го канала АЦП и считывание данных с аналогового входа микроконтроллера RA0. Полученные данные преобразуются в цифровой вид и записываются в переменную «volts».

Проверяется условие, если полученное значение больше или равно 2,73. Условие верно, тогда от полученного значения отнимается 2,73 и делится на 0,01. Условие не верно, тогда полученное значение отнимается от 2,73 и умножается на 100. Полученное решение сокращаем и записываем в глобальную переменную, после чего заканчивается выполнение данной функции.

Подпрограмма измерения освёщенности предназначена при помощи фоторезистора измерить освещённость помещения. Основывается на том же принципе что и подпрограмма измерения температуры, но отличается лишь тем что тут не происходит проверка на положительное и отрицательное измерение. Так как фоторезистор является нелинейным, вносится поправочный коэффициент «20». Расчет производится путем отнятия от 5(максимальное напряжение) измеренного значения в переменной volts и умножением полученного результата на 20. После выполнения этих действий число получается не целое, по ряду факторов, для этого используем математическую функцию, сокращение дробной части «ceil». Далее выходим из под программы и записываем данные в глобальную переменную «Lumen».

После начала работы принимаются данные с Bluetooth модуля. Проверяется, пришло ли значение температуры. Если значение пришло, то оно записывается в глобальную переменную t. Далее производится проверка на перегрев помещения «умного дома». Если значение переменной t больше 30, автоматически включается вентилятор охлаждения. Вентилятор работает, пока температура не достигнет 25ти и выключает вентилятор.

После начала работы подпрограммы принимаются данные с Bluetooth модуля. Проверяется, пришло ли значение освещенности. Если значение пришло, то оно записывается в глобальную переменную Lumen. Производится проверка интенсивности освещения «умного дома». Если значение переменной Lumen больше 100, автоматически закрываются шторы, а если меньше то открываются.

3. Разработка конструкции макета и выбор оборудования

3.1 Конструкция системы автоматического контроля освещенности

Система контроля освещенности снимает показания с датчика освещенности и в зависимости от его показаний открывает или закрывает шторы в случае низкой либо высокой освещенности.

На рисунке 3.1 приведена система автоматического открытия штор.

Рисунок 3.1 - Система автоматического открытия штор

1 - ролик;

2- левый конечный датчик;

3 - каретка удержания шторы;

4 -тяговый ремень;

5- вал скольжения;

6 -правый конечный датчик.

Штора крепится к каретке удержания шторы «3», которая в свою очередь соединена с тяговым ремнем «4». При подаче тягового усилия каретка скользит по валу «5», пока не достигнет правого либо левого в зависимости от направления конечного датчика «2,6». По достижению датчика каретка, замыкает его контакты, что сигнализирует МК об остановки электродвигателя.

3.2 Конструкция системы автоматического открытия ворот

Система открывает ворота по команде с пульта оператора. Система автоматического открытия ворот изображена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Система автоматического открытия ворот

1 - ролик;

2- ремень;

3 -рама ворот;

4- створка ворот;

5 - сервопривод.

Вал сервопривода «5» связан с правой своркой ворот «6»,которая в свою очередь связана с левой второй створкой «4» посредством ремня «2». МК подает сигнал сервоприводу провернуть вал на 90град влево или вправо, тем самым открывая, либо закрывая створки ворот.

3.3 Размещение устройств автоматизации в макете

Выбор оборудования

Выбор микроконтроллера.

Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой.

Микроконтроллер должен обеспечивать прием двух аналоговых сигналов от датчика температуры и освещенности, производить их математическую обработку и формировать управляющие сигналы для исполнительных устройств. Из анализа структурной схемы видно, что МК должен иметь 2 аналоговых и 4 цифровых входов, а также не менее 8ми выходов. В связи с этим в качестве микроконтроллера будет использован PIC16F876A, так как в нем присутствует встроенный АЦП для преобразования аналоговых сигналов с датчиков. Технические характеристики PIC16F876A приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики PIC16F876A

Размер ядра	8-Bit
Скорость	20MHz
Число вводов/выводов	22
Периферия	Brown-out Detect/Reset, POR, PWM, WDT
Подключения	IІC, SPI, UART/USART
Размер программируемой памяти	14KB (8K x 14)
Тип программируемой памяти	FLASH
EEPROM Size	256 x 8
Размер памяти	368 x 8
Напряжение источника (Vcc/Vdd)	4 V ~ 5.5 V
Преобразователи данных	A/D 5x10b
Тип осциллятора	External
Рабочая температура	-40°C ~ 85°C
Корпус (размер)	28-DIP (0.300", 7.62mm)

Выбор датчика температуры

Датчики из которых будет произведен выбор представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Датчики температуры

Наименование	Разрешение	Рабочее напряжение	Потребляемый ток	Диапазон измеряемых температур	Точность
LM335	10 мВ/°C	2.4… 5.5В	5мА	-55…135°C	1…2°C
LM19C	11.7 мВ/°C	2.4… 5.5В	10мА	-55….130°C	3.5°C
LM20B	11.7 мВ/°C	2.4… 5.5В	10мА	-55….130°C	2.5°C

Из представленных в таблице выбран датчик LM335.

Данный датчик обладает рядом полезных параметров:

- легко калиброванные;

- непосредственно калиброванный в градусах Кельвина;

- широкий диапазон рабочих температур;

- точность до одного 1°C;

- максимальная температура измерения 135°С;

- низкая стоимость;

- работает от 400мкА до 5мА.

Датчик температуры LM335 серии обладают точностью, легкой калибровкой, встроенные датчики температуры контура. Действуют как два терминальных стабилитрона, LM335 имеет напряжение пробоя прямо пропорциональна абсолютной температуре при +10 мВ / °К.

С менее чем 1Щ динамический импеданс устройство работает в диапазоне токов от 400 мкА до 5 мА практически никаких изменений в производительности. При калибровке при 25 °С LM335 имеет обычно менее 1°С погрешность более чем на 100°C

В отличие от других датчиков LM335 имеет линейный выход, диапазон измерений температуры от-55°C до 135°C упакованный в герметичный корпус, типа транзистор, также доступен в пластиковых TO-92 корпусах.

Выбор датчика освещенности.

Датчик освещенности входит в состав устройства контроля уровня освещенности и предназначен для измерения освещенности внутри макета. На основании этих измерений производится автоматическое закрытие или открытие штор.

В таблице 3.3 приведены характеристики датчиков освещенности из которых будет производится выбор.

Таблица 3.3 - Характеристики датчиков освещенности

Наименование	Мощность	Сопротивление при 100 лк	Сопротивление при 10 лк	Сопротивление при 0 лк	Напряжение питания
A106012	90мW	5кЩ	32кЩ	180кЩ	150V
A1060	70мW	18.4кЩ	150кЩ	390кЩ	200V
FW300	250мW	-	8кЩ	300кЩ	300V

Из выше перечисленных датчиков был выбран датчик A106012, так как он соответствует всем требованиям.

Выбор датчика движения

В качестве датчика движения будет использован IRA-E700ST0.

Основные характеристики приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Технические характеристики IRA-E700ST0

Напряжение питания	2 -15 V
Рабочая температура	-40...+70 °C
Угол записи	45 x 45 °
Оптический фильтр	5 µm
Размеры элемента	2 x 1 mmІ

Выбор сервопривода.

Сервопривод будет использован в составе устройства открытия ворот и должен обладать достаточным тяговым усилием, чтобы открывать или закрывать створки ворот.

В таблице 3.5 приведены характеристики сервоприводов из которых производился выбор, подходящих для выполнения поставленных задач. Исходя из данных таблицы, был выбран сервопривод HOXT12K в связи с тем, что при своей невысокой стоимости он обладает высоким моментом на валу, а также имеет металлический редуктор.

Таблица 3.5- Характеристики сервоприводов

Характеристики	Сервопривод
	SM-S3217M	SM-S4212M	HOXT12K
Размер (мм)	31.3x16.3x28.5	42x20.5x39.5	40,7х19,7х42.9
усилие на валу (кг/см)	2,6 кг/см (4,8V) 2,9 кг/см (6,0V)	11.79 кг/см (4,8V) 12.69 кг/см (6,0V)	10,0 кг/см (4,8V) 11,0 кг/см (6,0V)
Скорость (сек/град.)	0,15 сек./60 град. (4,8v) 0,13 сек,/60 град. (6,0v)	0,15 сек./60 град. (4,8v) 0,13 сек./60 град. (6,0v)	0,16 сек./60 град. (4,8v) 0,14 сек./60 град. (6,0v)
Рабочее напряжение (V)	4,8V/6,0V	4,8V/6,0V	4,8V/6,0V
Цена (UAH)	130	280	160
Вес (г.)	26	44	55

Выбор электромотора.

В качестве электромотора будет использован маломощный коллекторный электродвигатель S12-12240-38C характеристики которого представлены таблице 3.6

Таблица 3.6 - Характеристики S12-12240-38C

Напряжение питания	6В
Номинальная скорость вращения двигателя	2200об./мин.
Размеры корпуса	Ш21 x 25мм

4. Описание составных частей електрической схемы

4.1 Модуль управления и передачи данных

В основу модуля управления вошел МК компании Microchip pic16F876, DD2. На рисунке 4.1 приведена схема электрическая принципиальная блока управления и передачи данных.

Рисунок 4.1 - Блок управления и передачи данных

Блок управления принимает сигналы с измерительных устройств, производит их математическую обработку и передает полученные значения по средствам модуля Blutooth на пульт оператора, а так же принимает управляющие воздействия на компоненты автоматизации.

DD3 - драйвер электродвигателей L293D, который предназначен для управления двумя маломощными коллекторными электродвигателями, подключаемыми к разъемам X3 и X4. Резистор R2 - подтягивающий резистор для светодиода, подключаемого к разъему X11. CR1 - задающий генератор тактовой частоты микроконтроллера. На микросхеме DA1собран стабилизатор напряжения. На вход DA1 поступает напряжение 12В, а с выхода снимается напряжение 5В, которое необходимо для работы схемы. Конденсаторы C1,C2,C3 - предназначены для сглаживания пульсации напряжения. Разъем X1 служит для подключения питания схемы 12В.

DD5 - Bluetooth модуль HC-06 предназначенный для связи с пультом оператора.

Назначение остальных разъемов:

- Х2 для подключения сервопривода;

- Х5 подключение датчика температуры;

- Х6 подключение датчика освещенности;

- Х7 подключение датчика открытия двери;

- Х8 подключение конечного датчика1;

- Х9 подключение конечного датчика2.

4.2 Блоки измерительных устройств

Для того чтобы система могла получать информацию об окружающей её среде в ней используются разные датчики для измерения физических величин, куда входят: датчик освещённости, датчик температуры, датчик движения и конечные датчики.

Температура помещения, это один из важных параметров, измеряемый данной системой. Благодаря температуре, можно сделать выводы по использованию кондиционера или отопительной системы.

На рисунке 4.2 приведена схема электрическая принципиальная блока датчика температуры.



Рисунок 4.2 - Схема электрическая принципиальная, блока датчика температуры

Измерения выполняются на основе датчика LM335 который обладает линейными параметрами измерения. Каждый градус равен 0,01В. Измерения начинают выполнятся от 2,73В что равняется 0°C

Резистор R2 ограничивает силу тока потребляемую датчиком. Максимально допустимый ток для LM335 - 0.5мA. Необходимое сопротивление находится по формуле:

R = U/I = 5В/0.005A =1000 Ом.

Блок измерения освещённости в обязательном порядке должен в себе иметь датчик освещённости и обвязку к нему. Это означает что датчиком освещённости может быть любой фоторезистор или фотодиод, а также может подойти и фототранзистор, собственно любое устройство которое реагирует на свет в линейном режиме. То есть когда будут меняться параметры элемента в соответствии с изменениями окружающей среды.

Датчик А906012 обладает нелинейными характеристиками, при нулёвой освещённости имеет сопротивление 180кОМ, при повышении освещённости в данном датчике начинает понижаться сопротивление.

НА резисторе R4 и датчике A106012 построен делитель напряжения. При усилении интенсивности освещенности на выходе (контакт 2) начинает падать напряжение.

На рисунке 4.3 приведена схема электрическая принципиальная блока датчика освещенности.

Рисунок 4.3 - Схема электрическая принципиальная, блока датчика освещенности

Блок датчика движения состоит из пироэлектрического ИК датчика движения IRA-E700ST0. Разъем X7 предназначен для связи с блоком управления. Блок датчика движения представлен на рисунке 4.3.

Рисунок 4.4 - Схема электрическая принципиальная, блока датчика движения

Блок датчика открытия двери состоит из геркона SF2 , который присоединяется к МК посредством разъема X8.

На рисунке 4.5 изображена схема датчика открытия двери.



Рисунок 4.5 - Схема датчика открытия двери

Блоки конечных датчиков состоят из датчиков и разъемов X9,X10 присоединяющим их ко входам МК.

На рисунке 4.6 изображены схемы электрические принципиальные, конечных датчиков 1 и 2.

Рисунок 4.6 - Схемы конечных датчиков 1 и 2

4.3 Анализ элементной базы

В качестве элементной базы в модуле применены ЭРЭ различных производителей

В таблице 4.1 указаны эксплуатационные характеристики ЭРЭ.

Таблица 4.1 - Эксплуатационные характеристики ЭРЭ

Тип элемента	Кол-во элементов данного типа, шт.	Допустимые значения	Интенсивность отказов,10-6 1/ч
		Температура окружающей среды, 0С	Относительная влажность воздуха, %	Механические воздействия
				Вибрации	Удары	Ускорения
				Диапазон частот, Гц	Амплитуда, м/с2	Амплитуда, м/с2	Амплитуда, м/с2
Резисторы R1-R2 - С2-23	2	-55…+85	97	1-500	18	10	100	0,15
Конденсатор С3 - К10-17	1	-60…+85	98	100-600	35	12	50	1.2
Конденсаторы С1,С2 - К50-35	2	-25…+85	98	1-500	48	4	50	1.2

Проанализировав данные таблицы 4.1 можно сделать вывод о том, что эксплуатационные условия выбранных типов ЭРЭ соответствуют техническому заданию по климатическому исполнению и механическим воздействиям.

Рассчитываем суммарную интенсивность отказов элементов, использованных в схеме модуля по формуле:

где лi - интенсивность отказов; ni - количество элементов данного типа.

л?i = (2 * 1.5 + 1.2 + 2 * 1.2 + 0.35+ 0.01 +0.35 +0.35 +0.35) * 10-6 = 8.01 * 10-6, (1/ч).

Рассчитываем время наработки на отказ модуля по формуле:

Тср = 1/ л? = 1/ 8.01 * 10-6 = 124844(ч).

5. Разработка конструкции модуля с печатным монтажом

5.1 Разработка печатного модуля

Размещение ЭРЭ основывается на критерии двух минимумов: минимума длины связей и минимума пересечений, при этом ЭРЭ устанавливаются на пересечениях линий координатной сетки.

Модуль в целом крепится к стойкам корпуса при помощи 2-х винтов.

Все элементы на плату устанавливаются согласно ГОСТ 29137-91, пропусканием выводов в монтажные отверстия с последующей пайкой припоем ПОС-61 ГОСТ 21931-76.

Размеры платы могут быть определены методом аналитической компоновки. Необходимую для размещения ЭРЭ на плате площадь рассчитываем по формуле:

,

где - площадь i-го электрорадиоэлемента, см2; - коэффициент заполнения площади платы (0,5); n - количество элементов i-го типа.

Согласно данным таблицы 5.1 производим расчет площади печатной контроллера устройства по формуле:

Массогабаритные характеристики ЭРЭ приведены в таблице 5.1

Таблица 5.1 - Установочные характеристики конструктивных узлов

Типы элементов	Кол-во элементов данного типа	Установочная площадь одного элемента, мм2	Установочная площадь всех элементов, мм2	Масса одного элемента, г	Масса всех элементов, г
Резисторы R1-R2	2	19	38	0,15	0,3
Конденсатор керамический	1	18	18	0,8	0,8
Конденсатор электролитический	2	36	72	1,5	3
Диод OSYL5111P	1	20	20	0.8	0,8
Кварцевый резонатор 20 MHz	1	40	40	2	2
Микроконтроллер PIC16F876A	1	280	280	4	4
ML7805	1	171	171	1,5	1,5
L293D	1	168	168	3	3
Штыревой соединитель PLS2-40	26	4	104	0.4	10.04
Всего			911		25.44

Для того, чтобы поместить плату в стандартный корпус необходимо взять соотношение сторон равным 1:1. По значению рассчитанной площади определим стороны платы по формуле:

,

.

По ГОСТ 10317-79 сторона печатной платы должна быть кратной 5, а также с учетом запаса на трассировку и технологические зоны, выбираем длины сторон платы 75х45 мм.

Масса ЭРЭ в блоке рассчитывается по формуле:

,

где miе - сумма масс элементов, входящих в блок; mn - масса платы.

Массу платы , в свою очередь, можно приблизительно оценить по формуле:

,

где - длина, ширина и толщина платы, м; - плотность материала печатной платы (для текстолита ).

Масса печатной платы равна:

кг,

Расчет массы всего модуля управления:

г.

Печатную плату будем изготавливать комбинированным методом. Произведем расчет печатной платы.

Шаг координатной сетки рассчитаем по формуле:

,

где t - ширина печатного проводника в мм, зависящая от тока; d - расстояние между печатными проводниками.

Ширину печатного проводника принимаем равной 0,80мм, так как максимальное значение тока равняется (I=2 А).

Расстояние между проводниками принимаем равным 0,25 мм.

Тогда шаг координатной сетки будет равен:

Ш = 0,80 + 0,25 = 1,05 мм,

Следовательно, выбираем стандартный шаг координатной сетки 1,27 мм, что соответствует применяемой элементной базе.

Номинальные значения диаметров монтажных рассчитаем по формуле:

где dЭ = 1 мм - максимальное значение диаметра вывода навесного элемента. r = 0,1 мм - разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным диаметром вывода устанавливаемого элемента; dHO = - 0,05 мм - нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия.

где d1 - диаметр монтажного отверстия для установки К50-35;

d2 - диаметр монтажного отверстия для установки К10-17 ;

d3 - диаметр монтажного отверстия для установки С2-23;

d4 - диаметр монтажного отверстия для установки PIC16F876A;

d5 - диаметр монтажного отверстия для установки LM7805;

d6 - диаметр монтажного отверстия для установки 1N5819;

d7 - диаметр монтажного отверстия для установки разъема PLS.

Рассчитанные значения d сводят к предпочтительному ряду отверстий: 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,3; 1,5 мм. Для d1 - 1 мм, d2 - 0.8 мм, d3 - 0.8 мм, d4 - 0.8 мм, d5 - 1.5 мм, d6 - 1.1 мм, d7 - 1.1 мм.

Рассчитываем минимальный диаметр контактных площадок, мм:

Dmin = DLmin + 1.5t + 0.03

где t - толщина фольги, мм; DLmin - минимальный эффективный диаметр площадки, мм:

DLmin = 2*(bm+dmax/2 + дd + дp),

где bм - расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки, мм, bм=0,025 мм; дd и др - допуски на расположение отверстий и контактных площадок, мм, дd=0,05 мм и др=0,15 мм;

dmax - максимальный диаметр просверленного отверстия, мм:

dmax = d + ?d + (0.1…0.15),

где Дd -- допуск на отверстие, мм, (d?1, Дd=0,05 мм; d?1, d=0,1 мм).

Для d1: dmax = 1 + 0.1 + 0.1 = 1.2; DLmin = 2*(0,025 +1.2/2 +0,05 + 0,15) = 1.65; Dmin = DLmin + 1.5* 35* 10-3 + 0.03 = 1.7.

Для d2, d3, d4: dmax = 0.8 + 0.1 + 0.1 = 1; DLmin = 2*(0,025 +1 /2 +0,05 + 0,15) = 1.45; Dmin = DLmin + 1.5* 35* 10-3 + 0.03 = 1.5.

Для d5: dmax = 1.5 + 0.1 + 0.1 = 1.7; DLmin = 2*(0,025 +1.7 /2 +0,05 + 0,15) = 2.15; Dmin = DLmin + 1.5* 35* 10-3 + 0.03 = 2.2.

Для d6, d7: dmax = 1.1 + 0.1 + 0.1 = 1.3; DLmin = 2*(0,025 +1 /2 +0,05 + 0,15) = 1.75; Dmin = DLmin + 1.5* 35* 10-3 + 0.03 = 1.8.

Максимальный диаметр контактной площадки Dmax, мм рассчитаем по формуле:

Dmax = Dmin + 0.02

Для d1:

Dmax = 1.7+0.02=1.72.

Для d2, d3, d4:

Dmax = 1.5+0.02=1.52.

Для d5:

Dmax = 2.2+0.02=2.22.

Для d6, d7:

Dmax = 1.8+0.02=1.82.

Номинальное значение ширины проводника определим по формуле:

где tМД =0,25 мм - минимально допустимая ширина проводника ;

ДtHO = - 0,05 мм - нижнее предельное отклонение ширины проводника.

В настоящее время наибольшее применение в качестве материала печатного основания используют стеклотекстолит и гетинакс.

Стеклотекстолит обладает большей механической прочностью по сравнению с гетинаксом, поэтому в качестве материала печатного основания используется стеклотекстолит фольгированный СФ-1-35-1,5 ГОСТ 10317-79.

Выводы

В данном дипломном проекте целью ставилось разработать компьютерно-интегрированный стенд с компонентами автоматизации, который предназначен для проведения исследований связанных с изучением принципов автоматизации интеллектуальных зданий, использования компьютеризованных технологий для управления умным домом в учебных лабораториях.

сервопривод датчик электрический

Литература

1. Методичні вказівки з дипломного проектування для студентів усіх форм навчання спеціальностей 7.05020201 «Автоматизоване управління технологічними процесами», 7.05020202 «Комп'ютерно-інтегровані технологічні процеси та виробництва» / Упоряд.: С.П. Новоселов, Б.О. Шостак, І. В. Жарікова. - Харків: ХНУРЕ, - 2012. - 60с.

2. Белинский, В.Т. Учебное конструирование: практическое пособие / В.Т. Белинский, В.П. Гондол, А.Б. Грозин.; К.Б. Круковского-Синевича. К.: Вища школа, 1992. 494с.

Размещено на Allbest.ru

...