"Умная" теплица
Основные этапы разработки и апробация устройства "умная" теплица на основе микроконтроллера компании Arduino nano. Принципы поддержания благоприятного микроклимата теплицы как его основная задача. Системы полива, охлаждения, обогрева, освещения.
| Рубрика | Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника |
| Вид | научная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 08.11.2018 |
| Размер файла | 346,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
«Умная» теплица
Введение
теплица полив обогрев микроконтроллер
Россия располагается в северных широтах и является аграрной страной. Треть населения России проживает в сельской местности. Из-за короткого теплого летнего периода (всего три месяца) в нашем Уральском регионе невозможно создание достаточно эффективного овощеводства и мы практически не имеем возможности получать урожай круглый год.
К тому же, в связи с последними событиями, поставки животной и растительной продукции из зарубежных стран в Россию запрещены продовольственным эмбарго, которое начало действовать 7 августа 2014 года. Данные события располагают к поднятию и развитию отечественного сельского хозяйства и созданию высокоэффективных, высокотехнологичных ферм и хозяйств.
Я, ученик 10 класса, проживающий в сельской местности и как никто понимающий эту проблему, попытался решить её. Своими руками и с помощью подручных средств, невысокой стоимости, мы создали макет «умной» теплицы. Его можно выполнить в натуральную величину и эффективно использовать в настоящем сельском хозяйстве. «Умная» теплица - это конструкция, в которой всё растет само: поливается, согревается и проветривается, когда того требуют условия. Управлять всеми заложенными процессами будет микроконтроллер, на который мы запишем программу. За полив отвечает датчик влажности почвы, за освещение - фоторезистор, за обогрев и вентиляцию - термодатчик.
Целью данной работы является создание автоматизированной теплицы.
Объектом исследования является изучение связанной работы датчиков температуры, освещенности и влажности dht11 с микроконтроллером Arduino nano на atmega 328.
В качестве предмета исследования мы выбрали автоматизацию теплицы.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить принцип работы микроконтроллера Arduino nano на atmega 328
2. Изучить связанную работу датчиков разных показателей с микроконтроллером Arduino nano на atmega 328.
3. Разработать проект «умная» теплица.
4. Изготовить модель «умной» теплицы.
В ходе исследования проблемы мы применял следующие методы: анализ литературы, моделирование и изготовление изделия.
1. Устройство теплицы
1. Основание из дерева - 1 шт. 50 см х 50 см
2. Железные дуги - 2 шт. 50 см х 35 см
3. Каркас из железа - 1 шт. 50 см х 50 см х 35 см
4. Поликарбонат - 100 см х 50 см
5. Пластиковые трубочки для полива - 10 шт.
6. Водопровод из напорных труб (ПВХ) d=20 мм
7. Емкость для воды V = 5 л - 1 шт.
8. Светодиодные ленты желтого и белого цвета (0,5 м) - 4 шт.
9. Емкости для растений - 2 шт.
10. Источник тока 12 В, USB 5 В - 1 шт.
11. Кулеры - 2 шт.
12. Лампы накаливания 10 Вт - 4 шт.
13. Провода
2. Устройство печатной платы
1. Микроконтроллер Arduino nano на atmega 328
2. Термодатчик DHT11
3. Датчик влажности почвы
4. Датчик освещённости - фоторезистор
5. Источник постоянного тока 12В 150Вт 13А компании Sparkman
6. Реле компании OEG версия OUAZ-SH112L
7. Транзисторы s9015c331 - 4 шт.
8. Сопротивления номиналом 550 Ом - 4 шт.
9. Сопротивление номиналом 10 кОм - 1 шт.
10. Сопротивление номиналом 4.7 кОм - 1 шт.
11. Сопротивление номиналом 400 Ом - 4 шт.
12. Светодиоды - индикаторы работы реле - 4 шт.
13. Светодиоды - защитные элементы для реле - 4 шт.
14. ЖК монитор
3. Принцип работы
Модель теплицы установлена на деревянное основание (рис. 1,2) размерами 50 см х 50 см. Каркас теплицы сделан из металла, на которые прикреплён поликарбонат (см. Приложение 1).
В центре деревянного основания вмонтирован водопровод, в заднюю стенку теплицы вмонтирована система охлаждения, передняя стенка теплицы отсутствует в целях наглядной работы. Справа и слева от водопроводной системы располагаются ящики с растениями. (см. Приложение 2)
Блок управления и емкость с водой для полива располагается с правой части теплицы.
«Умная» теплица может функционировать автоматически, не требуя дополнительного ухода со стороны человека. Она может сама поливать, регулировать температуру и обеспечивать нужное освещение. Осуществляется это таким образом: система полива срабатывает по сигналу датчика - измерителя влажности почвы. В зависимости от данных датчика (если влажность ниже 60%) автоматически включается насос и вода поступает из емкости для воды в пластиковые трубы - основу полива, затем в трубочки от капельницы к растениям. Осуществляется капельное орошение почвы. (Рис. 3) Когда почва будет достаточно увлажнена, то также от датчика влажности, подаётся команда микроконтроллеру и насос выключается. Избыток влажности для растений, даже тепличных, вреден, также как и недостаток. Поэтому необходимо следить за поливом теплицы. И удобнее всего это сделать с помощью автоматики.
Система освещения состоит из источника тока, светодиодных лент и фоторезистора. Мы выбрали светодиодные лампы, в виде лент, (рис. 4) так как этот вариант представляется самым выгодным, потому что такие лампы экономны, долго работают, безопасны и для их функционирования достаточно низкого напряжения в электросети. В настоящих теплицах можно будет использовать светодиодные лампы большей мощности и большее количество.
Светодиодные светильники для растений имеют монохроматическое излучение, чем и обусловлена их эффективность. Для данной теплицы мы выбрали оранжевый цвет светодиодов, так как он больше подходит для растений в начальный период развития. Как только уровень освещенности в дневное время суток падает (это определяется с помощью фоторезистора), автоматически включается оранжевая светодиодная лента, имитируя солнечное освещение, в ночное время суток для освещения включается белая светодиодная лента.
Система охлаждения состоит из термодатчика и кулеров. (рис. 5) Как только температура воздуха в теплице достигает 250С - это температура выше комфортной температуры для наших растений, то автоматически включается система вентиляции. Через первый верхний круглый кулер происходит вывод горячего воздуха из теплицы, он располагается в верхней части теплицы, потому что, как известно горячий воздух легче холодного и под действием Архимедовой силы поднимается вверх. Нижний квадратный кулер подаёт холодный воздух из окружающей среды. Таким образом происходит циркуляция воздушных масс внутри теплицы. Когда температура внутри теплицы достигает 200С, то система выключается. Данные температуры были выбраны из-за нашего вида растений. Для других растений диапазон температур можно будет изменять.
Система отопления состоит из термодатчика и 4 ламп накаливания мощностью 21 Вт каждая. Лампы накаливания установлены вдоль железного основания внизу теплицы, по 2 на каждый ряд растений. Если температура воздуха в теплице опускается ниже 20 0С (это фиксируется термодатчиком), то подаётся команда микроконтроллеру, и включаются данные лампы для нагревания воздуха. Почему мы выбрали именно такой способ обогрева теплицы? Мы посчитали его наиболее пожаробезопасным в данной модели теплицы, в отличие от первоначального плана - установить нихромовую дугу. В реальной теплице возможно установить тепловую пушку.
Системами охлаждения, освещения и полива управляет микроконтроллер Arduino nano на atmega 328 (рис. 6), который установлен на плате, сделанной своими руками.
5. Автоматизация теплицы
Arduino - это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения. Arduino применяется для создания электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами. Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере (напр.: Flash, Processing, MaxMSP). Язык программирования устройств Ардуино основан на C/C++. Он прост в освоении, и на данный момент Arduino - это, пожалуй, самый удобный способ программирования устройств на микроконтроллерах.
Arduino Nano - Платформа Nano, построенная на микроконтроллере ATmega328 (Arduino Nano 3.0), имеет небольшие размеры и может использоваться в лабораторных работах. Питается от USB 5 В, имеет аналоговые и цифровые выходы. Аналоговые - сигнал в виде чисел от 0 до 1023, цифровые 1 или 0.
Микроконтроллер Arduino nano на atmega 328 установлен на печатной плате (рис. 7,8) схема, которой представлена в Приложении 3, 4. К порту A (аналоговому) микроконтроллера подключены датчики температуры, влажности почвы и фоторезистор. Они передают значения от 0 до 1023. ЖК дисплей подключается к А4 и А5 (scl и sda), так как через них передаётся информация на монитор, а GNB и 5 В это его питание. Реле, которыми управляются все системы теплицы подключены к порту D.
Реле открывается от источника постоянного тока 12 В. Реле К1 отвечает за светодиодные ленты, реле К2 отвечает за кулеры, реле К3 отвечает за лампы накаливания, реле К4 за систему полива. При подачи тока на реле замыкаются Х1 между собой и начинает работать светодиодная лента. Остальное работает аналогично.
Когда микроконтроллер получает данные о снижении температуры, подаётся управляющий сигнал, который включает реле обогрева. Если температура повышается, включается вентиляция. Когда микроконтроллер получает данные о снижении влажности почвы, подаётся управляющий сигнал, который включает реле полива. Таким же образом и с фоторезистором.
Частота опроса микроконтроллером датчиков:
· на датчик влажности почвы поставили запрос раз в 5 секунд;
· освещения раз в 5 минут;
· температуры воздуха раз в 5 секунд.
По схеме к Х6-Х9 подключаются выходы (рис. 9), на которые будут одеваться специальные провода от датчиков. А к Х5 зажим (рис. 10).
На схеме элементы VD 1-4 - светодиоды, являющиеся защитой транзистора от напряжения самоиндукции реле. После снятия напряжения с катушки, от неё идёт отдача напряжения (напряжение самоиндукции), импульс, амплитудой выше приложенного напряжения, который и гасит эти диоды, без диодов возможен выход из строя ключевого транзистора.
Текст программы работы нашей теплицы представлен в Приложении 5.
Источник тока на 12В, 13А с USB разъемом для питания контроллера с линии блока на 5В переделан из блока питания ПК таким образом: необходимо замкнуть на разъеме подачи питания между собой контакт 16 (power on серого цвета) с контактом 17 (общий провод gnd черного цвета). Для этого мы выпаяли все лишние провода и встроили перемычку прямо на плате, таким образом замкнув эти два провода (рис. 11,12,13)
Заключение
В ходе проектно-поисковой деятельности все поставленные нами задачи были решены.
«Умная» теплица сэкономит достаточно много времени и даст больше свободы. Кроме того, с такой конструкцией стоит рассчитывать на повышение урожая и увеличение сроков плодоношения растений почти в 2 раза. Такую теплицу можно использовать уже с апреля, когда средняя дневная температура окружающей среды достигает от +100С до +150С по октябрь, когда средняя температура воздуха достигает не выше +100С, т.е. 7 месяцев вместо 3-4 месяцев, как сейчас. Что является настоящим прорывом для индивидуального сельского хозяйства или предпринимательства нашего Южного Урала.
Затраты же на приобретение необходимых устройств, которые при наличии навыка можно сделать самостоятельно, не так уж и велики. Весной следующего года мы планируем на своём приусадебном участке создать «умную» теплицу в натуральную величину и получить первый урожай.
Список литературы
1. Иван Акулов «Практическая электроника» version 2.0
2. Касаткин А.С. Электротехника. Учебник для вузов. Изд-во: М., «Энергия», 1969. - 592 с
3. Мак-Комб Гордон, Бойсен Э. Радиоэлектроника для чайников
4. Изд-во: «Диалектика-Вильямс», 2013. - 400 с.
5. amperka.ru [Электронный ресурс] режим доступа: http://wiki.amperka.ru/, свободный.
6. arduino.ru [Электронный ресурс] режим доступа: http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardNano, свободный.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Разработка структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания, нагрева, полива. Выбор температурного датчика. Пульт управления и устройство визуальной индикации.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 25.03.2015Аппаратные средства с возможностью расширения и открытыми принципиальными схемами. Процесс работы с микроконтроллерами. Теоретические сведения о платформе Arduino. Установка драйверов для Arduino Duemilanove, Nano или Diecimila в Windows 7, Vista или XP.
курсовая работа [3,3 M], добавлен 26.09.2014Обзор системы управления микроклиматом FC-403-65. Разработка структурной схемы системы управления температурным режимом теплицы. Выбор датчиков и исполнительных механизмов, принципиальная схема их подключения. Разработка инструкций по эксплуатации.
дипломная работа [1,8 M], добавлен 10.04.2017Разработка микропроцессорной системы управления микроклиматом в теплице. Требования пользователя в автоматизированной системе, алгоритм ее функционирования. Мониторинг и индикация температуры и влажности в соответствии с выбранным режимом работы.
курсовая работа [455,4 K], добавлен 21.12.2015Общие принципы разработки программно-аппаратного терминала с CAN-шиной, его основные физические интерфейсы. Структурная схема разрабатываемого устройства. Схема подключения микроконтроллера. Схема подключения микроконтроллера Atmega128 и для ПЭВМ.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 07.07.2011Упрощенная модель системы регулировки. Стандартный конструктив Ардуино с платами расширения. Внешний вид Ардуино Uno. Среда разработки Arduino. Встроенный текстовый редактор программного кода. Программа управления шаговым двигателем в однофазном режиме.
курсовая работа [4,5 M], добавлен 02.06.2015Особенности микроконтроллера ATTINY семейства AVR. Описание ресурсов микроконтроллера ATTINY12: описание процессора, порты ввода/вывода, периферийные устройства, архитектура ядра. Разработка устройства со световыми эффектами на базе микроконтроллера.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 24.06.2013Порядок описания и разработки структурной и функциональной схемы микропроцессорной системы на основе микроконтроллера К1816ВЕ31. Обоснование выбора элементов, разработка принципиальной схемы данной системы, программы инициализации основных компонентов.
курсовая работа [260,4 K], добавлен 16.12.2010Разработка микропроцессорной системы на основе микроконтроллера, основные этапы и особенности данного процесса. Принципы работы шагового двигателя. Аппаратные средства микроконтроллеров серии AT90S2313. Расчет стоимости сборки и отладки устройства.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 11.07.2010Разработка устройства, предназначенного для измерения сопротивления, индикации состояния и орошения почвы с возможностью адаптации к различным видам грунта. Описание основных модулей микроконтроллера AVR АТMEGA 8А. Реализация программы управления поливом.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 29.04.2012Общие принципы разработки устройств на микроконтроллерах и внедрения их в производство. Принцип действия матриц на основе светодиодов. Разработка функциональной схемы устройства управления светодиодной матрицей с использованием микроконтроллера.
дипломная работа [6,1 M], добавлен 15.07.2010Характеристика системы охранной сигнализации, особенности выбора микроконтроллера. Основные этапы развития микроэлектроники. Общая характеристика микроконтроллера PIC16F8776 фирмы Microchip: принцип действия, анализ структурной схемы устройства.
курсовая работа [176,1 K], добавлен 23.12.2012Проектирование принципиальной схемы устройства индикации на основе 8-битного AVR микроконтроллера типа ATmega16 с питанием от источника питания на 10 V и отображением данных на графическом LCD-дисплее. Разработка программного обеспечения микроконтроллера.
курсовая работа [11,3 M], добавлен 19.12.2010Описание интегратора первого порядка. Обзор микроконтроллера AТmega16. Доопределение набора аппаратных средств. Схема включения микроконтроллера. Формирование тактовых импульсов. Организация сброса. Алгоритм работы и проектирование модулей устройства.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 19.12.2010Этапы разработки микропроцессорной системы на основе микроконтроллера. Общая характеристика солнечных часов. Разработка схемы, программного обеспечения и алгоритма управления солнечных часов. Технико-экономическое обоснование разработки и охрана труда.
дипломная работа [5,9 M], добавлен 16.07.2010Понятие и функциональные особенности микроконтроллера, его структура и взаимодействие основных элементов, архитектура. Принципы работы светодиодного табло и порядок программирования микроконтроллера. Основные понятия и измерение надежности системы.
курсовая работа [108,1 K], добавлен 29.03.2014Роль микроконтроллерных технологий в развитии микроэлектроники. Алгоритм разработки микропроцессорной системы термометр-часы на базе микроконтроллера PIC16F84A. Разработка схемы электрической принципиальной устройства и программы для микроконтроллера.
курсовая работа [584,1 K], добавлен 19.03.2012Принципы работы цифрового компаса HMC5883L, платы Arduino UNO. Особенности шины I2C, ее недостатки и преимущества. Программа Fritzing, ее значение для построения схемы подключения цифрового компаса к Arduino UNO. Согласование уровней выхода со входом.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 30.03.2014Функциональная спецификация, описание объекта, структура системы и ресурсов микроконтроллера. Ассемблирование, программирование микроконтроллера и разработка алгоритма работы устройства, описание выбора элементной базы и работы принципиальной схемы.
курсовая работа [2,2 M], добавлен 02.01.2010Особенности профиля Smart Energy стека протоколов ZigBee. Обзор современных IPS дисплеев. Технология разработки программного обеспечения системы. Создание функциональной и электрической принципиальной схем устройства, описание микроконтроллера и блоков.
дипломная работа [3,4 M], добавлен 10.01.2013
