Проект «Модуль автоматизации индивидуальных теплиц»

Муниципальное бюджетное учреждение

дополнительного образования

«Станция юных техников»

Тюменской области, ХМАО-Югры

Модуль автоматизации индивидуальных теплиц

Подготовил

Сычев Никита Владимирович,

Руководитель проекта:

педагог дополнительного образования

Рыбьяков Алексей Владимирович

г. Ханты-Мансийск

2016

Содержание

Аннотация

Теплица – очень полезная вещь, особенно в нашем северном регионе, где очень короткое лето и мало солнца. Каждый день теплицу необходимо проветривать, растения нужно поливать и создавать оптимальные условия для роста. Сколько же на это уходит времени и средств! А без этого урожая может просто не быть. В результате выходят одни убытки.

Лето у нас короткое, поэтому, как только наступает теплая погода, дачники высаживают рассаду в теплицу. Но в это время возможно резкое понижение температуры до 0 – 5°С, в результате чего рассада прекращает свой рост. В этом случае необходимо поддерживать благоприятную температуру.

В пору массового цветения тепличных культур температура в теплице может подняться выше 32 — 36°С, в результате чего цветы стерилизуются, т. е. теряют способность образовывать завязь. В этом случае необходимо проветривать теплицу.

При массовом созревании культуры требуют ежедневного обильного полива прогретой водой.

Действительно, как защитить растения от неожиданных заморозков в весеннее и летнее время? Конечно, можно включить в теплице любой нагревательный прибор. Но кто его выключит, если днем будет жарко? И как сделать так, чтобы в Ваше отсутствие растения не погибли от недостатка влаги и не «сгорели» на солнце?

Все это не решить без автоматизации.

Для решения этой проблемы в данном проекте я предлагаю автоматизировать следующие процессы: забор воды в емкость (для её нагревания на солнце), полив, проветривание, обогрев (в холодную погоду), освещение в темное время суток.

Различные культуры требуют различные климатические условия. В модуле предусмотрен режим ручной настройки индивидуально для каждого растения которое вы посадите.

Цель:

повышение урожайности,

сокращение трудозатрат,

экономия времени и средств при выращивании тепличных культур.

Задача:

разработать и внедрить универсальный модуль автоматизации индивидуальных теплиц,

cоздать действующий макет автоматизированной теплицы.

Функции аппарата

У аппарата имеются 5 основных функций: забор воды, полив, проветривание, обогрев,

освещение.

Преимущества модуля

В отличие от промышленных устройств в предлагаемом применяется микроконтроллерATMEGA328, что позволяет объединить все функции в один модуль.

Ручная настройка оптимальных условий роста любых растительных культур.

Применение компьютерных технологий в сельском хозяйстве.

Удобный и интуитивно понятный интерфейс на русском языке.

Простота управления. Настройка устройства совершаются с помощью одной кнопки (энкодера).

Устройство поможет сэкономить немало личного времени и денег.

Описание работы аппаратной части модуля

Принципиальная схема приведена в Приложении 1.

Функциональная схема приведена в Приложении 2.

К сожалению, отечественная электронная промышленность практически прекратила производить электронные компоненты, поэтому в модуле применяются импортные радиодетали.

В основе модуля лежит 8-битный микроконтроллер фирмы «Atmel» ATMEGA328P (U1). Объем flash-памяти 32 Кбайт, энергонезависимой памяти – 1 Кбайт, оперативной – 2 Кбайт. Это позволяет перейти от аппаратного метода исполнения конструкции к программному, это значительно упрощает конструкцию и уменьшает ее себестоимость. Тактовая частота микроконтроллера задается внешним кварцевым резонатором 16МГц (X1).

Для упрощения и облегчения ввода начальных установок и управления модулем автоматизации индивидуальных теплиц используется энкодер¹ (EK1).

Вывод информации осуществляется с помощью двухстрочного 32-символьного LCD-экрана QC1602A (LCD1).

В качестве часов реального времени применяется микросхема DS1307 (U5). DS1307 – часы реального времени с последовательным интерфейсом. Основные преимущества этой микросхемы – низкая потребляемая мощность, полный календарь до 2100 года и 56 байтов энергонезависимой памяти для пользовательских данных. Адрес и данные передаются последовательно через 2-проводную двунаправленную шину I²C. Микросхема хранит следующую информацию: секунды, минуты, часы, день недели, день месяца, месяц и год. Также учитывается поправка для високосного года. Часы работают в 24-часовом или 12-часовом режиме с индикатором AM/PM. Синхронизацию часов выполняет кварцевый резонатор частотой 32768 кГц. (X2). DS1307 имеет встроенную схему контроля питания, которая обнаруживает пропадание питания и автоматически переключает схему на питание от батареи 3В. (BAT1).

Цифровой датчик (U4) DS18B20 – цифровой термометр с программируемым разрешением, от 9 до 12–bit, которое может сохраняться в EEPROM памяти прибора. DS18B20 обменивается данными по 1-Wire шине и при этом может быть как единственным устройством на линии, так и работать в группе. Все процессы на шине управляются центральным микроконтроллером. Диапазон измерений от –55°C до +125°C и точностью 0.5°C в диапазоне от -10°C до +85°C. В дополнение, DS18B20 может питаться напряжением линии данных (“parasitepower”), при отсутствии внешнего источника напряжения. DS18B20 имеет уникальный 64-битный последовательный код, который позволяет, общаться с множеством датчиков DS18B20 установленных на одной шине. Такой принцип позволяет использовать один микроконтроллер, чтобы контролировать множество датчиков DS18B20, распределенных по большому участку теплицы для вычисления средней температуры.

Управление силовыми нагрузками (насос, клапан полива, лампы освещения, радиатор обогрева) выполняется через электромагнитные реле G5CLE-1-DC12 (RL1-RL4) с током нагрузки до 10 Ампер. Драйвера для электромагнитных реле собраны на транзисторной микросборке в SMD-корпусе ULN2003A (U4).

Фоторезистор (LR1) отслеживает уровень освещенности для управления функции времени досветки растений.

Для контроля открытия и закрытия окон вентиляции применены два сервопривода²TowerPro SG-90 (SP1, SP2). Сервоприводами осуществляется раздельное управление заранее установленной пользователем температурой в теплице.

Питание модуля осуществляется от сети переменного напряжения 220В. через понижающий трансформатор TR1, диодный мост BR1 и стабилизаторы напряжения 7805 (U2) – 5В и 7812 (U3) – 12В.

Датчик уровня воды в емкости для нагрева герконовый³ (G1). Вместо геркона можно использовать любые кнопки или контакты.

Модуль выполнен из фольгированного стеклотекстолита размерами 120 х 95 мм. Рисунок монтажной платы изображен в приложении №3.

Описание работы программной части модуля

Алгоритм работы управляющей программы приведен в Приложении 4. Фрагмент исходного кода программы находится в Приложении 5.

МикроконтроллерATMEGA328P можно запрограммировать на языках C++,Basic, Ассемблер. Я выбрал C++, так как уже давно программирую именно на этом языке. Для написания кода, отладки, компиляции и прошивки микроконтроллера использовалась программа AVR Studio.

При запуске происходит инициализация всех датчиков. Дисплей неактивен до нажатия кнопки энкодера. При нажатии кнопки дисплей включается и на нем отображается текущее время, влажность и температура (режим ожидания). Если нажать кнопку еще раз, откроется меню, где можно настроить работу форточек, обогревателя, функции увеличения длительности светового дня, полива. После настройки всех параметров аппарат возвращается в режим ожидания. Если пользователь в течение нескольких секунд не совершает никаких действий (это время настраивается), то дисплей гаснет. Настройка всех параметров производится с помощью энкодера.

Во время работы аппарата с периодичностью 1 раз в 30 секунд происходит опрос датчика температуры и сравнение полученных данных с настройками, записанными в энергонезависимой памяти контроллера. От температуры зависит, открыты или закрыты форточки, включен ли обогреватель.

Функция увеличения длительности светового дня настраивается двумя параметрами – светочувствительностью и длительностью светового дня. На восходе, когда яркость солнца становится больше заданного уровня светочувствительности, начинается отсчет таймера. Если солнце садится или по другим причинам яркость падает ранее конца необходимого светового дня, то включается дополнительная подсветка, тем самым продлевая световой день для растений.

Для работы функции полива необходимо задать временной интервал. В заданное время клапан открывается и закрывается. После закрытия клапана проверяется, заполнена ли емкость для воды. Если емкость заполнена не до конца, вода набирается с помощью насоса.

Также в аппарате есть дополнительное меню. Чтобы зайти в дополнительное меню, нужно 2 секунды удерживать кнопку в режиме ожидания. С помощью этого меню можно настроить: текущее время, время подсветки (в секундах, через заданное время аппарат вернется в режим ожидания, и дисплей потухнет), а также перейти в демо-режим.

Демо-режим – режим тестирования всех функций аппарата. Поочередно открываются форточки, мигает свет, включается и выключается обогреватель, запускается полив и набор воды. После того, как демо-режим будет показан, прибор переходит в режим ожидания.

В результате воплощения данного проекта в жизнь, садоводы-любители получат не только массу дополнительного времени и избавление от рутинных обязанностей, но и моральное удовлетворение от полученного урожая.

Экономическое обоснование

Расчет себестоимости ручной сборки модуля

Оптовая цена указана для случая внедрения проекта в промышленное производство. Возможно исполнение схемы под заказ на конвейерном производстве, это будет дешевле.

Средняя цена исполнительных механизмов

Рассчитаем автоматизацию готовой стандартной теплицы 3×6 м с колодцем.

Нам понадобится:

Рассчитаем автоматизацию готовой стандартной теплицы 3×6 м с центральным отоплением и водоснабжением.

Нам понадобится:

Все расчета приведены примерно, точный расчет необходимо производить с индивидуальным подходом для каждой теплицы.

Список используемой литературы

Юный радиолюбитель Борисов В.Г. Изд-во «Радио и связь», 1986-440 с.

Электронные цепи и микросхемотехника Герасимов В.М., Скворцов В.А. г. Томск, 1998

Цифровые интегральные микросхемы Богданович М.И., Грелью И.Н., Прохоренко В.А., Шалимо В.В. г. Минск, 1991

Популярные цифровые микросхемы Шило В.Л. Изд-во «Радио и связь», М. 1987-350 с.

Ассемблер это просто Калашников О.А. Изд-во «БХВ-Петербург», Санкт-Петербург 2005, 365 с.

Цифровая и микропроцессорная техника Шарапов А.В., Изд-во Томского университета, Томск, 1997-106 с.

Интернетwww.microchip.com

http://www.vri-cnc.ru

http://alldatasheet.com/

Мацкевич В.В. Занимательная анатомия роботов. Издательство «Советское радио», 1980 г. - 160с.

Шило В. Л. Интегральные микросхемы. Справочник. Издательство «Радио и связь», 1985 г. – 528с.

Приложение 1. Схема электрическая принципиальная

Приложение 2. Схема электрическая функциональная

Приложение 3. Схема электрическая монтажная

Приложение 4. Алгоритм работы программы

Приложение 5. Фрагмент исходного кода

П риложение 6.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/237651-proekt-modul-avtomatizacii-individualnyh-tepl