Курсовой проект. Разработка электронного устройства Датчик температуры и влажности воздуха
 Скачать 3.22 Mb.
|
95%, допуск ± 5%;Техническое задание Наименование изделия Основания для проведения работ Заказчик Разработчик Плановые сроки начала и окончания работы Порядок оформления и предъявления заказчику результатов работ Назначение изделия Требование к разрабатываемому устройству Обзор программно аппаратных платформ Обоснование выбора программно-аппаратной платформы Не высокая стоимость; Простота освоения; Гибкость программирования; Огромное количество различных датчиков и модулей расширения [2]. Элементная база Диапазон измерения температуры: от 0℃ до 50℃, допуск ± 2℃; Диапазон измерения влажности: 20% Размеры платы: 29 х 18 мм; Монтажное отверстие: 2.0мм. Внешний вид датчика продемонстрирован на рисунке 5.  Рисунок 5 – Внешний вид датчика Arduino Uno – плата от компании Arduino, построенная на микроконтроллере ATmega 328. Плата имеет на борту 6 аналоговых входов, 14 цифровых выводов общего назначения (могут являться как входами, так и выходами), кварцевый генератор на 16 МГц, два разъема: силовой и USB, разъем ISCP для внутрисхемного программирования и кнопку горячей перезагрузки устройства. Так как данная плата описывалась в предыдущем разделе, далее приведены краткие характеристики: Максимальная величина выходного тока пина с напряжением 5V: 0,8 А; Тактовая частота кварцевого процессора: 16 МГц; Количество аналоговых и цифровых портов ввода-вывода: 20; Число портов, поддерживающих широтно-импульсную модуляцию: 6; Разрядность аналого-цифрового преобразователя: 10 бит; Максимально допустимая величина тока с пина ввода-вывода: 0,04 А; ОЗУ микроконтроллера: 2 КБ; Флэш-память: 32 КБ (0.5 КБ которых отведены под bootloader); Размерные параметры устройства: 6,9×5,3 см. Внешний вид платы изображён на рисунке 6.  Рисунок 6 – Внешний вид платы Arduino uno Резистор - Пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др. Весьма широко используемый компонент практически всех электрических и электронных устройств. Для разъяснения принципа работы резистора можно использовать аналогию с водопроводными трубами. Если каким-либо образом затруднить протекание воды в трубе (например, уменьшив ее диаметр), произойдет повышение внутреннего давления. Убирая преграду, снижается давление. В электротехнике этому давлению соответствует напряжение — затрудняя протекание электрического тока, повышается напряжение в цепи, снижая сопротивление, понижается и напряжение. Резисторы с углеродным проводящим слоем предназначены для работы в цепях постоянного, переменного и импульсного тока. Характеристики резистора (CF-100 (С1-4) 1 Вт, 1 Ом, 5%) используемого в проекте: Номинальная мощность: 0.25 Вт, 0.5 Вт, 1 Вт, 2 Вт; Диапазон номинальных сопротивлений: 1 Ом - 10 МОм; ряд E24; Точность: 5% (J); Диапазон рабочих температур: -55 …+125°C. На рисунке 7 изображен внешний вид резистора.  Рисунок 7 – Внешний вид резистора Жидкокристаллический дисплей — экран на основе жидких кристаллов. Простые приборы (электронные часы, термометры, плееры, телефоны и прочее) могут иметь монохромный или 2—5-цветный дисплей. С появлением быстрой светодиодной подсветки появились дешёвые сегментные и матричные многоцветные дисплеи с последовательной подсветкой цветов. В настоящий момент многоцветное изображение обычно формируется с помощью RGB-триад, используя ограниченное угловое разрешение человеческого глаза. Дисплей на жидких кристаллах используется для отображения графической или текстовой информации в компьютерных мониторах (также и в ноутбуках), телевизорах, телефонах, цифровых фотоаппаратах, электронных книгах, навигаторах, планшетах, электронных переводчиках, калькуляторах, часах и так далее. Принцип работы LCD или жидкокристаллического дисплея основана на поляризации светового потока. Жидкие кристаллы «просеивают» свет, пропуская лишь определенные волны светового пучка с соответствующей осью поляризации, и оставаясь непрозрачными для всех остальных волн. Изменение вектора поляризации осуществляется жидкими кристаллами в зависимости от приложенного к ним электрического поля. Внешний вид продемонстрирован на рисунке 8.  Рисунок 8 - Внешний вид жидкокристаллического дисплея Модуль I2C: Поскольку количество контактов на контроллерах Arduino ограничено и часто при использовании различных датчиков и модулей они заканчиваются, появляется необходимость в их экономии, для этих случаев разработан этот модуль, с его помощью можно реализовать передачу по двум контактам (SDA и SCL). Технические параметры данного модуля: Поддержка дисплеев: LCD 16×02 / 20×04; Дополнительно: регулировка контрастности; Напряжение питания. 5В; Интерфейс: I2C; Габариты: 54мм x 19мм x 15мм. Подключается I2C с помощью пайки контактов модуля к самому LCD дисплею. Внешний вид данного модуля продемонстрирован на рисунке 9 [3].  Рисунок 9 – Внешний вид модуля I2C Схема электрическая структурная Данный раздел позволяет рассмотреть принцип работы устройства. На структурной схеме изображают основные функциональные части (блоки) изделия, их назначение и линии связи между ними. Благодаря упрощению схемы изделия удается на раннем этапе обнаружить ошибки проектирования, перераспределять требования к узлам радиоэлектронного устройства. Структурная схема разрабатываемого устройства представлена на рисунке 10.  Рисунок 10 – Структурная схема измерителя температуры и влажности В данной схеме сигнал с датчика поступает в виде цифрового сигнала в микропроцессор, где проходит обработку. Микропроцессор опрашивает датчик с некоторыми интервалами времени. Если прибор включен, микропроцессор подает питание на ЖК-дисплей и посылает информацию для вывода графической информации о текущих параметрах среды. Микропроцессор обеспечивается питанием от источника и в свою очередь управляет питанием датчика и дисплея, что позволяет экономить некоторое количество энергии за счет координации периодов работы микроконтроллера и периферии. При отключении питания, дисплей с датчиком отключаются, следовательно прибор выключается. Схема электрическая принципиальная Данный раздел определяет полный состав элементов и связей между ними и дает представление о принципах работы изделия. На рисунке 11 представлена принципиальная схема устройства.  Рисунок 11 – Принципиальная схема устройства На рисунке 12 изображен внешний вид макета, на котором видно, как подключены провода к различным пинам.  Рисунок 12 – Внешний вид макета Из приведенных рисунков видно, что все радиоэлементы (lcd дисплей и датчик dht-11) подсоединены проводами к определенным пинам на плате arduino, а именно: Датчик температуры и влажности DHT-11. Контакты данного датчика нумеруются слева на право, если корпус датчика находится перед пользователем со стороны решетки, и контакты расположены внизу. Для правильной работы датчика нужно впаять резистор на 10 кОм между выходами сигнала и питанием, но так как используется готовый датчик, смонтированный на плате, с подключенным резистором, можно подключать его к плате Arduino без использования резистора. Для подачи напряжения к датчику, проводом подключается VCC к +5В. GMD подключается к заземлению на плате, а третий контакт датчика подключается к любому пину на плате. Как видно из схемы, третий вывод подключен к пину под номером 2. Номер пина затем нужно будет указать в скетче для того, чтобы данные с датчика передавались на плату arduino. LCD дисплей с шиной I2C. Как упоминалось раннее, дисплей с шиной имеет 4 контакта: Питание (VCC), земля (GND), линия тактирования (SCL) и линия данных (SDA). Как видно из схемы линии I2C соединены с аналоговыми пинами А5 и А4 на плате arduino соответственно, а так же протянут провод для сигнал к линии 5 В. Описание программы Блок-схемы программы Блок-схема — Это схематичное представление процесса, системы или компьютерного алгоритма. Блок-схемы часто применяются в разных сферах деятельности, чтобы документировать, изучать, планировать, совершенствовать и объяснять сложные процессы с помощью простых логичных диаграмм. Для построения блок-схем применяются прямоугольники, овалы, ромбы и некоторые другие фигуры (для обозначения конкретных операций), а также соединительные стрелки, которые указывают последовательность шагов или направление процесса. Блок-схемы варьируются от незамысловатых, нарисованных вручную до подробных, составленных на компьютере диаграмм со множеством шагов и процессов. Если учесть все возможные вариации, блок-схемы можно признать одним из самых распространенных видов схем во всем мире. Они широко используются в разных сферах как технической, так и нетехнической направленности [4]. На рисунке 13 изображены основные элементы блок-схем.  Рисунок 13 – Основные элементы блок-схем Блок-схема алгоритма для устройства «датчик температуры и влажности воздуха» изображена на рисунке 14.  Рисунок 14 – Блок-схема устройства Описание блок-схемы: При включении питания устройство запускается, происходит считывание информации с подключенного датчика dht11. Так как рабочий диапазон считываемой температуры датчиком колеблется в пределах от 0 до 50 градусов, и если температура выходит за пределы нормы, то на дисплей информация выводиться не будет, после чего будет производиться повторное считывание информации с датчика до тех пор, пока показатели не придут в норму. Если температура подходит в диапазон от 0 до 50 градусов, соответственно происходит вывод считанной информации с датчика на дисплей, после чего показатели будут обновляться каждые несколько секунд путём повторного считывания показателей датчиком. При выключении питания устройство выключается. Текст программы #include #include #include "DHT.h" #define DHTPIN A0 // к какому пину будет подключен сигнальный выход датчика //выбор используемого датчика #define DHTTYPE DHT11 // DHT 11 //#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302) //#define DHTTYPE DHT21 // DHT 21 (AM2301) //инициализация датчика DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE); byte degree[8] = // кодируем символ градуса { B00111, B00101, B00111, B00000, B00000, B00000, B00000, }; LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // Задаем адрес и размерность дисплея void setup() { lcd.init(); // Инициализация lcd lcd.backlight(); // Включаем подсветку lcd.createChar(1, degree); // Создаем символ под номером 1 Serial.begin(9600); dht.begin(); } void loop() { // Добавляем паузы в несколько секунд между измерениями delay(2000); // Reading temperature or humidity takes about 250 milliseconds! // Sensor readings may also be up to 2 seconds 'old' (its a very slow sensor) float h = dht.readHumidity(); // Read temperature as Celsius float t = dht.readTemperature(); // Read temperature as Fahrenheit float f = dht.readTemperature(true); // Выводим показания влажности и температуры lcd.setCursor(0, 0); // Устанавливаем курсор в начало 1 строки lcd.print("Hum = % "); // Выводим текст lcd.setCursor(7, 0); // Устанавливаем курсор на 7 символ lcd.print(h, 1); // Выводим на экран значение влажности lcd.setCursor(0, 1); // Устанавливаем курсор в начало 2 строки lcd.print("Temp = \1C "); // Выводим текст, \1 - значок градуса lcd.setCursor(7, 1); // Устанавливаем курсор на 7 символ lcd.print(t,1); // Выводим значение температуры } ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе выполнения данной курсовой работы было разработано устройство «датчик температуры и влажности воздуха», предназначенное для контроля температуры и влажности воздуха. С помощью данного устройство, как описывалось ранее можно фиксировать показатели микроклимата пригодного для жилых помещений. Подобное устройство пользуется довольно большой популярностью, тем самым тема данного курсового проекта является актуальной. Так же при написании данной курсовой работы были изучены основы программирования и получены навыки по работе с микропроцессорной техникой на основе «Arduino UNO». Список использованных источников Обзор программно аппаратных платформ. URL: https://pikabu.ru/story/5_prekrasnyikh_alternativ_arduino_3923854 (дата обращения: 15.03.2022). Обоснование выбора платформы. URL: https://amperka.ru/page/development-board-guide (дата обращения: 24.03.2022). Обзор используемых компонентов. URL: https://www.chipdip.ru/ (дата обращения: 08.04.2022). Блок-схема. URL: https://www.lucidchart.com/pages/ru/блок-схема (дата обращения: 27.04.2022). |
