Курсовая работа 1.1. План работы системы
 Скачать 4.97 Mb.
|
 Содержание Введение 3 1 Анализ процесса автоматизированного растениеводства 5 1.1 Сравнительный анализ методов автоматизации теплиц 6 1.2 Определение составляющих автоматизированной теплицы 1.3 План работы системы 1.4 Техническое задание 2 Практическая часть 7 2.1 Установка датчиков 2.2 Инструкция, настройка, применение 2.3 Тестирование системы Заключение 35 Список используемых источников 36 Приложение А – Блок схема программы 37 Приложение Б – Листинг программы 41 Приложение С – Макетирование 47 Введение В России применение автоматизированных систем управления микроклиматом в теплицах является перспективной областью. Создание актуальных продуктов для сельскохозяйственного рынка положительно скажется на импортозамещении и развитии страны. Автоматизированные системы управления микроклиматом с более низкой стоимостью и простотой в эксплуатации понизит стоимость и содержание самих теплиц. Объект исследования – автоматизация работы теплицы, на основе микроконтроллера. Цель работы: смоделировать и разработать бюджетную не габаритную теплицу, управляемую микроконтроллером, способную поддерживать благоприятные условия для культивации растений в городских условиях. В связи с поставленной целью определены задачи: - провести сравнительный анализ методов автоматизации теплиц; - определить комплектующие, необходимые для осуществления автоматизированного ухода за растениями; - смоделировать систему управления теплицей ; - составить программу для микроконтроллера, принимающую сигналы с датчиков, и управляющую исполнительными механизма теплицы. В процессе решения поставленных задач будут рассмотрена документация к датчикам, будут использованы программы для моделирования микроконтроллера и его функций. Рассматриваемая теплица должна обладать простотой сборки и отладки, расширяемым списком заранее заложенных настроек под определённые растения, а также должна быть собрана из деталей широко доступных, с умеренной ценовой политикой. 1 Анализ процесса автоматизированного растениеводства Сравнительный анализ методов автоматизации теплиц Растениеводство — отрасль сельского хозяйства, занимающаяся возделыванием культурных растений. Растениеводческая продукция используется как источник продуктов питания для населения, как корм в животноводстве, как сырьё во многих отраслях промышленности (особенно в пищевой, текстильной, фармацевтической и парфюмерной промышленности), а также в декоративных (в цветоводстве) и многих других целях. С давних времен сельское хозяйство предполагает использование непосредственного участия ручного труда человека, что характеризует данную отрасль как трудоёмкую и энергозатратную. Автоматизация теплиц подразумевает под собой управление и отслеживание параметров климата, которые можно регулировать. Автоматизация поддержания микроклимата способствует лучшему росту и повышению урожайности, а также уменьшает затраты на ручной труд. Возникает необходимость высокой степени автоматизации и механизации технологических процессов. В общем случае, систему управления можно рассматривать как взаимосвязь нескольких управленческих процессов и объектов. Обобщенной целью автоматизации управления является повышение эффективности использования потенциальных возможностей объекта управления. Выделяют следующие три вида систем управления микроклиматом: 1. Управляемые вручную. Они включают в себя визуальный контроль роста растений, ручной полив растений, включение и выключение регуляторов температуры, ручное распыление удобрений и пестицидов. Это отнимает много времени, велика вероятность человеческой ошибки и, следовательно, эти установки менее точны и ненадежны. 2. Частично автоматизированные. Эти установки представляют собой сочетание ручного контроля и частичной автоматизации и похожи на управляемые вручную установки во многих отношениях, однако они уменьшают затраты труда, связанные с поливом и контролем параметров. 3. Полностью автоматизированные. Это сложные установки, которые хорошо оснащены, для того чтобы реагировать на большинство климатических изменений, происходящих внутри теплицы. Эти системы строятся на принципе обратной связи, что помогает им эффективно реагировать на внешние раздражители. Хотя такие установки способны регулировать большое количество параметров и решать возможные проблемы, связанные с человеческим фактором, они довольно дороги. Перечислим ряд проблем, которые связаны с вышеупомянутыми системами: 1. Сложность, связанная с отслеживание изменения климатических параметров таких, как влажность воздуха, влажность почвы, освещенность, рН почвы, температуры и других, которые прямо или косвенно регулируют рост растений. 2. Высокие затраты на обслуживание, потребность в квалифицированном техническом рабочем персонале. Современные установки используют мобильные технологии в качестве систем связи и беспроводных систем сбора данных, обеспечивая глобальный доступ к информации в своих фермах. Но это связано с ограничениями различного рода, таких как сложность конструкции, затрудненный ремонт и высокая цена. 3. Большая часть коммерческих проектов по автоматизации теплиц разрабатываются для тепличных комплексов площадью несколько гектаров, в то время как, рынок автоматизации теплиц для фермерских и индивидуальных хозяйств остаётся без внимания Умная теплица – это полностью, или почти полностью, автоматизированная система, позволяющая осуществлять регулировку микроклимата. Современные тепличные комплексы строятся многопролетными по типовым проектам, они комплектуются необходимыми инженерными системами поддержания микроклимата: отопления, полива, вентиляции и циркуляции воздуха, водостока, водоснабжения и канализации, освещения. Все эти системы предназначены для больших предприятий. Они являются сложными в установке и эксплуатации, а также имеют высокую стоимость. Эти системы не применимы для частных или мелких фермерских хозяйств. Определение составляющих автоматизированной теплицы Автоматизация теплицы подразумевает под собой отслеживание различных показателей и управление микроклиматом для роста растений. Умная теплица способна осуществлять контроль над: теплом – предотвращение перегрева или замерзание растений; водой – так как в теплицу не попадают осадки, необходимо управлять поливом растений; светом – дополнительное подсвечивание растений или их затемнение; расходом воздуха и влажности – плотно закрытая теплица приведет к повышению влажности и нехватке кислорода и углекислого газа для растений в зависимости от времени суток; насекомые – можно не допустить проникновения вредных насекомых в теплицу или обеспечить комфортные условия для проживания полезных. Для лучшего роста растений необходимо одновременно контролировать большее количество этих показателей. Это могут обеспечить следующие системы: орошение – регулярное поступление воды по определенному графику; вентиляция – включение или выключение вентиляторов, или открывание и закрывание форточек; дозировка питательных веществ – с помощью анализа почвы можно распределять питательные вещества по системе орошения; борьба с вредителями – автоматическое опрыскивание растений. Для набольшей автоматизации и регулирования микроклимата все эти системы должны управлять одновременно и составлять одну большую систему, которая сможет оптимизировать их работу. Поддержание заданных климатических параметров является неотъемлемой частью нормального функционирования системы микроклимата. Подбор оптимальных, близких к идеальным условиям для роста, в данной работе, для растений является важной частью, ведь на них основывается микроклимат. Основные задачи системы автоматического регулирования заключаются в: управлении температурой воздуха; управлении системы полива; управлении осветительными установками. Раньше автоматизация работы теплицы была дорогостоящей, а порой и не окупаемой процедурой, но на данный момент решение этой проблемы не столь дорого и вполне окупается, а в дальнейшем, приносит еще большую выгоду. Микроконтроллеры – это программируемая микросхема, которая позволяющая осуществлять управление различными электронными устройствами. Микроконтроллер содержит одно или несколько процессорных ядер, память, а также программируемые периферийные устройства ввода и вывода. В результате сравнительного анализа среди широкого ассортимента платформ была выбрана Arduino Nano. Arduino Nano — это полнофункциональный аналог Arduino Uno, но размещённый на миниатюрной плате. Особенностью является отсутствие собственного гнезда для внешнего питания, использование чипа FTDI FT232RL для USB-Serial преобразования и применение mini-USB кабеля для взаимодействия вместо стандартного USB. Плата имеет штырьковые контакты, благодаря им размещение Arduino возможно непосредственно на макетной плате. Преимущество Arduino Nano заключается в компактности, относительно аналогичного по возможностям Arduino Uno, отсутствии необходимости пайки, а также распространенности провода, используемого для подключения платы к компьютеру. Рассмотрим характеристики платы: микроконтроллер - Atmel ATmega168 или ATmega328; рабочее напряжение (логический уровень) - 5 В; входное напряжение (рекомендуемое) - 7-12 В; входное напряжение (предельное) - 6-20 В; цифровые Входы/Выходы - 14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ); аналоговые входы – 8; постоянный ток через вход/выход - 40 мА; флеш-память - 16 Кб (ATmega168) или 32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика; ОЗУ - 1 Кб (ATmega168) или 2 Кб (ATmega328); EEPROM - 512 байт (ATmega168) или 1 Кб (ATmega328); размеры - 1.85 см x 4.2 см. Arduino Nano может получать питание через подключение Mini USB, или от нерегулируемого 6-20 В (вывод 30), или регулируемого 5 В (вывод 27), внешнего источника питания. Автоматически выбирается источник с самым высоким напряжением. Микросхема FTDI FT232RL получает питание, только если сама платформа запитана от USB. Таким образом при работе от внешнего источника (не USB), будет отсутствовать напряжение 3.3 В, генерируемое микросхемой FTDI, при этом светодиоды RX и TX мигаю только при наличии сигнала высокого уровня на выводах 0 и 1. Изображение внешнего вида, а также входов и выходов на рисунке 1  Рисунок 1 На платформе Arduino Nano установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega168 и ATmega328p поддерживают последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема FTDI FT232RL направляет данный интерфейс через USB, а драйверы FTDI (включены в программу Arduino) предоставляют виртуальный COM порт программе на компьютере. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1). Так же следует отметить отсутствие необходимости нажатия кнопки Reset для перепрограммирования, так как Nano разработана таким образом, чтобы перед записью нового кода перезагрузка осуществлялась самой программой. Одна из линий FT232RL, управляющих потоком данных (DTR), подключена к выводу перезагрузки микроконтроллеров ATmega168 или ATmega328p через конденсатор 100 нФ. Активация данной линии, т.е. подача сигнала низкого уровня, перезагружает микроконтроллер. Программа Arduino, используя данную функцию, загружает код одним нажатием кнопки Upload в самой среде программирования. Подача сигнала низкого уровня по линии DTR скоординирована с началом записи кода, что сокращает таймаут загрузчика. Данная функция позволяет перепрограммировать Nano, не имея физического доступа к плате, выведя разъём Mini USB, используя удлинитель, в удобное для доступа место. Датчики контроля микроклимата внутри теплицы Для обеспечения благоприятных условий роста растений, так же необходимо осуществлять контроль за окружающей средой. В качестве датчика окружающей среды используется датчик DHT-11. Датчик DHT11 состоит из двух частей из гидрометра и емкостного датчика температуры. Гигрометр измеряет влажность воздуха. Также в датчике присутствует контроллер, который выполняет аналого-цифровые преобразования для передачи цифрового сигнала на микроконтроллер: точность измерения влажности ±3 %RH (в диапазоне 20…80 %RH); точность измерения давления ±1.0 hPa (в диапазоне 300 . . . 1100 hPa); точность измерения температуры ±0.5 °C (в диапазоне -40…+85 °C). Модуль рассчитан на использование в различных мобильных устройствах и проектах. Поэтому он занимает немного места и расходует мало энергии. Внешний вид датчика изображён на рисунке 2  Рисунок 2 Для привязки системы автоматического полива, помимо установленного таймера на включение, к влажности почвы необходимо использовать гигрометр, датчик влажности почвы. Модуль состоит из двух частей: контактного щупа YL-69; датчика YL-38. В комплекте идут провода для подключения. Между двумя электродами щупа YL-69 создаётся небольшое напряжение. Если почва сухая, сопротивление велико и ток будет меньше. Если земля влажная — сопротивление меньше, ток — чуть больше. По итоговому аналоговому сигналу можно судить о степени влажности. Щуп YL-69 соединен с датчиком YL-38 по двум проводам. Кроме контактов соединения с щупом, датчик YL-38 имеет четыре контакта для подключения к контроллеру. Датчик YL-38 собран на основе компаратора LM393, который выдает напряжение на выход D0 по принципу: влажная почва – низкий логический уровень, сухая почва – высокий логический уровень. Уровень определяется пороговым значением, которое можно регулировать с помощью потенциометра. На вывод A0 подается аналоговое значение, которое можно передавать в контроллер для дальнейшей обработки, анализа и принятия решений. Датчик YL-38 имеет два светодиода, сигнализирующих о наличие поступающего на датчик питания и уровня цифрового сигналы на выходе D0. Наличие цифрового вывода D0 и светодиода уровня D0 позволяет использовать модуль автономно, без подключения к контроллеру. Технические характеристики: напряжение питания - 3.3-5 В; ток потребления - 35 мА; выход - цифровой и аналоговый; размер модуля - 16×30 мм; размер щупа - 20×60 мм; общий вес - 7.5 г. Комплект датчика влажности почвы изображён на рисунке 3  Рисунок 3 В разрабатываемой теплице используется дуговая натриевая лампа трубчатого типа, ДНаТ, рабочая температура которой составляет около 350C, в связи с чем необходимо предусмотреть систему определения пожара, а также наличия горючих, легко воспламеняемых газов. Специально для обнаружения ядовитых, горючих газов, а также взвешенных частиц, являющихся результатом горения, существует целая серия датчиков MQ.В таблице 1 представлены некоторые из них.
|