РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМФОРТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА..

[dima]

Бова Д.Е., гр. 441об    

1 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМФОРТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В САЛОНЕ АВТОМОБИЛЯ

    Оптимальный тепловой и влажностный комфорт в салоне автомобиля обеспечивается системами отопления, вентиляции и кондиционирования.

    Система отопления предназначена для поддержания в закрытом помещении нормируемой температуры. Система вентиляции создаёт в помещении определённых условий по чистоте и качеству воздуха. Система кондиционирования обеспечивает автоматическое поддержание в закрытых помещениях всех или отдельных параметров воздуха (температуры, относительной влажности, чистоты, скорости движения) наиболее благоприятных для самочувствия людей.

    Цель данного исследования состоит в разработке математической описания процесса нагрева и регулирования температуры воздуха в салоне автомобиля при воздействии различных метеорологических факторов внешней среды.
  
    1.1 Статические и динамические характеристики помещения как объекта стабилизации температуры

    Математическое описание процесса осложнено рядом факторов. Источники теплоты произвольным образом распределены в объеме помещения; места подачи воздуха тоже расположены произвольно; мощности источников и расходы воздуха в отдельных частях помещения не сбалансированы. Вследствие этого температура воздуха как регулируемый параметр оказывается распределенной сложным образом в объеме помещения. Особенно значительная неравномерность наблюдается в той части, откуда поступает приточная неизотермическая струя. Источники теплоты в помещении лучисто-конвективные, при этом конвективная теплота поступает в воздух, а лучистая - на поверхность ограждений и оборудования. Плотность теплового потока на разных поверхностях неодинакова. Вместе с изменением температуры воздуха происходит изменение температуры ограждений и оборудования, зависящее от размеров и теплофизических характеристик материалов, периода колебаний температуры (в периодическом процессе). Оборудование может иметь достаточно сложную форму и представление его простейшим телом (пластиной, шаром или цилиндром) может привести к существенной погрешности. При некоторых возмущениях (Qпом - количество тепла в помещении, tнар - температура наружного воздуха) изменяется как лучистая, так и конвективная теплота. При других воздействиях - управляющих (tпр - температура приточного воздуха, Gв - расход воздуха) - вносится только конвективная теплота. Описание конвективного теплообмена осложнено тем, что его интенсивность, оцениваемая коэффициентом теплообмена αк, переменная и может быть определена только приближенно, так как зависит от разных факторов. Из них наиболее существенны схема организации воздухообмена, вид струй по отношению к поверхности ограждений (застилающиеся, отрывные), форма струй (плоские, коноидальные, осесимметричные), кратность воздухообмена в помещении.

     Помещение будем рассматривать как объект в сосредоточенных параметрах, поэтому уравнение теплового баланса будем составлять относительно температуры уходящего воздуха, принимаемой в общем случае не равной температуре в обитаемой (рабочей) зоне. Основные ограждения рассматриваются как пластины, в которых тепловой поток в продольном направлении отсутствует. Коэффициент теплообмена рассматривается как средний по площади ограждений. Теплофизические параметры ограждений и оборудования в рассматриваемом диапазоне температур постоянны.

     В зависимости от физического характера возмущающих и управляющих воздействий могут потребоваться как переходные, так и амплитудно-частотные характеристики помещения. Например, при работе регулятора могут возникать затухающие колебания. Периодически изменяются отдельные составляющие тепловой нагрузки, температура наружного воздуха. Те же составляющие и солнечная радиация могут меняться неупорядоченно (случайно).

     Рассмотрим характерное управляющее воздействие температуру приточного воздуха и составим исходное уравнение теплового баланса за малый отрезок времени dτ:

    

где Qпр, Qвн, Qух, Qогр, Qоб, Qв - соответственно количество теплоты, поступающей с приточным воздухом, выделяемой источниками и уходящей с воздухом в ограждения и оборудование и идущей на повышение температуры воздуха в помещении.

     При рассматриваемом управляющем воздействии возмущение в виде переменного количества теплоты будет поступать конвективным путем. Каждое из слагаемых уравнения теплового баланса помещения (1) может быть записано отдельно:

    
    
где   Kp- кратность воздухообмена(интенсивность вентилирования помещения);
       Vпом - объем помещения;
       cрв - теплоемкость воздуха;
       ρв - плотность воздуха;
       tпр - температура приточного воздуха;
       tух - уходящая температура.
    
     Наибольшие сложности связаны с выражением количества теплоты, поглощаемой ограждениями и оборудованием. При использовании граничных условий третьего рода можно записать:

    
где αв - коэффициент конвективного теплообмена на внутренней поверхности;
 Fогр - площадь поверхности ограждения;
 Fоб - площадь поверхности оборудования;
 tв.пов - температура внутренней поверхности.

     Приближенно будем полагать, что температура внутренней поверхности будет изменяться экспоненциально при скачкообразном изменении температуры воздуха. Тогда справедливы уравнения:

    
где Kогр, Kоб - коэффициенты передачи для поверхностей ограждения и оборудования как звена САР (для оборудования он равен единице);
        Tогр, Tоб - постоянные времени для поверхности ограждений и оборудования. Эти величины определяются по формулам:

    
где c - теплоемкость;
        ρ - плотность;
        δ - толщина ограждения;
        αокр - коэффициент конвективного теплообмена в окружающей среде;
        Biокр - критерий Био.

     Значение αв при отсутствии данных можно принять приближенно в зависимости от кратности воздухообмена и вида струй по данным В. И. Лысева: αв≈(1÷2) Kp^0,7, где коэффициент, равный единице, принимают при отрывных струях, а равный двум - при настильных.

[dima]

Как правильно подобрать коэффициенты к автомобилю ваз?

[RVL]

Конкретнее, какие коэффициенты?

[dima]

 Kp- кратность воздухообмена(интенсивность вентилирования помещения); αв - коэффициент конвективного теплообмена на внутренней поверхности;
 Fогр - площадь поверхности ограждения; Fоб - площадь поверхности оборудования.

[RVL]

Добрый день, Дима! Пора переходить к моделированию.

[dima]

    1.1 Структурная схема устройства автоматического регулирования комфортных параметров воздуха в салоне автомобиля

Рисунок 1.1 - Структурная схема устройства

   Структурная схема включает в себя:
   •   МК - микроконтроллер семейства PIC, основа устройства, которая будет всем управлять;
   •   VD - светодиод, нужен для сигнализации режима;
   •   Z - задающие устройство, с помощью него будем задавать нужную нам температуру;
   •   SВ - кнопка, нужна для перехода в режим установки задания и выхода из него;
   •   D - датчик температуры;
   •   RL1, RL2 - твердотельные реле;
   •   N - обогревательный элемент;
   •   V - вентилятор;
   •   DISP - дисплей, отображающий температуру.

   1.2 Описание задачи устройства автоматического регулирования комфортных параметров воздуха в салоне автомобиля
    Устройство, на основе микроконтроллера, выполняет следующие функции:
1.   При нажатии на кнопку (SВ) устройство переходит в режим «установки», о чем сигнализирует светодиод (VD). В режиме «установки» на дисплеи (DISP) выводится температура которую мы хотим задать. Температура задается с помощью задающего устройства (Z). Для выбора интересующей температуры и выхода из режима «установки» нужно нажать ещё раз на кнопку (SВ), так же при выходи из режима погаснет светодиод (VD).
2.   В «обычном» режиме микроконтроллер (МК) принимает показания с датчика температуры (D), сверяет температуру действующею с датчика с заданной задающим устройством и если заданная температура меньше действующей, то микроконтроллер с помощью твердотельных реле (RL1, RL2) включает обогревательный элемент (N) и вентилятор (V). Так же происходит постоянный вывод на дисплей (DISP) значения температур. Чередуясь, сначала выводится значение действующей температуры, это происходит в течение 4 секунд, затем выводится значение заданной температуры, это длится в течение 1 секунды.

[RVL]

Как называется устройство?

[dima]

Устройство автоматического регулирования комфортных параметров воздуха в салоне автомобиля

[dima]

  2 РАЗРАБОТКА И АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ КОМФОРТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА В САЛОНЕ АВТОМОБИЛЯ
  2.1  Выбор элементов системы
   Для подключения всей периферии, как видно из раздела 1.1, требуется задействовать много входов-выходов микроконтроллера. Поэтому нужно выбрать такой микроконтроллер чтобы обеспечить подключение всей периферии.
   Анализируя все выше сказанное, выберем микроконтроллер PIC16F73.
   Данный контролер имеет двадцать две линии входа/выхода, что нам и нужно, ведь число линий нужно иметь с запасом, на случай выхода из строя какой-либо линии. Остальные характеристики МК расписаны ниже, а его внешний вид показан на рисунке 2.1.
   Характеристики PIC16F73:
   • Серия процессора: PIC16F;
   • Ширина шины данных: 8 bit;
   • Максимальная тактовая частота: до 20 МГц;
   • Размер программной памяти: 7 кB;
   • Размер ОЗУ данных: 192 B;
   • Встроенный в чип АЦП: имеет;
   • Количество программируемых входов/выходов: 22;
   • Количество таймеров: 3;
   • Рабочее напряжение питания: от 4 B до 5.5 B;
   • Разрядность АЦП: 8 bit;
   • Доступные аналоговые/цифровые каналы: 5 шт;
   • Максимальная рабочая температура: + 85 °С;
   • Минимальная рабочая температура: - 40 °С;
   • Тип памяти программ: Flash;
   • Корпус: 28-DIP.

Рисунок 2.1 - Микроконтроллер PIC16F73

  При проектировании системы потребуется один светодиод, для сигнализации режима, этот светодиод должен быть не сильно ярким и не напрягающими глаза, для комфорта водителя. Возьмем светодиод зеленый Kingbright L-796BGD. Выбор пал именно на этот светодиод, потому что он оптимального размера - диаметр равен 8мм, не слишком яркий, и привлекает своей ценой. Как выглядит светодиод представлено на рисунке 2.2. Альтернативу данным светодиодам можно предложить светодиоды L-7113GD, они имеют чуть меньший диаметр, равный 5мм, на случай того что светодиод представленный выше будет занимать много пространства.

Рисунок 2.2 - Светодиод L-796BGD

   Для отображения температуры нам потребуется семи-сегментный дисплей. Выбор пал на дисплей, зеленый, Kingbright BC56-11SRWA, представленный на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Kingbright BC56-11SRWA

  Так же нам понадобятся кнопка. Одна кнопка с фиксацией для переключения режима, например кнопка Wealth Metal Factory PB-22E60, изображена на рисунке 2.4. При выборе кнопки учитывались ее габаритные размеры и стоимость. В дальнейшем так же будем предполагать, что кнопка будет установлена в корпус устройства а не на самой печатной плате, для ее защиты от воздействий при нажатии.

Рисунок 2.4 - Wealth Metal Factory PB-22E60

   Так же для удобства подключения семи-сегментного дисплея к МК нам потребуется дешифратор. Свой выбор остановим на декодере CD4511BE, так как он самый распространённый и в интернете много информации по его подключению и программированию. Внешний вид регистра показан на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - дешифратор CD4511BE

   В качестве датчика температуры выберем термометр Maxim Semiconductor DS18B20+. Данный термометр подходит нам по всем параметрам и имеет небольшую стоимость. Внешний вид термометра показан на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 - термометр DS18B20+

   В виде задающего устройства возьмем переменный резистор ООО «Тембр» СП3-4АМ, 0.25 Вт, 470 Ом. Внешний вид резистора показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - переменный резистор СП3-4АМ

   2.2 Разработка полной электрической схемы
   В данном пункте рассматривается принцип подключения каждого элемента системы отдельно.
   Для начала рассмотрим подключение светодиода. Принцип подключения одного диода рассмотрен на рисунке 2.8.
 

Рисунок 2.8 - Схема подключения светодиода к МК

   Схема включает в себя:
   •МК - микроконтроллер;
   •VD - светодиод;
   •R1 - токоограничивающие сопротивление;
   •RС - выходы МК.
   Когда нам нужно зажечь светодиод, на линии МК должна быть логическая 1, то есть +5 вольт.
Ранее нами был выбран светодиод L-796BGD. Его основные параметры, представлены в таблице 2.1.

   Для избежание вывода из строя диода нужно рассчитать токоограничивающие сопротивление, с помощью закона Ома, по формуле:
 
   Выберем резистор, с большем значение сопротивления для подстраховки, CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 150 Ом.
   Как упоминалось ранее, дисплеем мы будем управлять с помощью дешифратора. Для начала рассмотрим подключение самого дешифратора.
   Нами был выбран дешифратор CD4511BE. Для подключения его к МК нам потребуется его четыре линии. Линии дешифратора A, B, C и D - это вход четырех-битового кода. В зависимости от кода на входе, формируется определённый семибитовой код на выходе. На рисунке 2.9 приведена таблица управления микросхемой. Линия LT - (Lamp test) включает все светодиоды в сегменте, включение происходит при логическом 0 а при логической 1 микросхема работает от входа A, B, C, D. BI - (Blanking) гашение, происходит при логическом 0 а при логической 1 микросхема работает от входа A, B, C, D. LE - (latch enable) загорания цифры на сегменте происходит после защёлкивания данных. При логической 1 данные защелкнуты и не изменяются а при логическом 0 данные на сегменте меняются мгновенно при смене кода на входах A, B, C и D. Выходы на сегменты дисплея - a, b, c, d, e, f и g. Vdd, Vss - питание микросхемы.

Рисунок 2.9 - Управления микросхемой

   Схема подключения дешифратор CD4511BE показана на рисунке 2.10.
 

Рисунок 2.10 - Схема подключения CD4511BE

   Для подключения семи-сегментного дисплея к CD4511BE, нам понадобятся выходы a, b, c, d, e, f и g дешифратора и входы каждого сегмента дисплея, обозначаются A, B, C, D, E, F и G, на дисплеи. Так же все сегменты дисплея имеют общее соединение. Дисплей мы выбрали Kingbright BC56-11SRWA. Его основные параметры представлены в таблице 2.2.

   Схема подключения семи сегментного дисплея к сдвиговому регистру показана на рисунке 2.11. Для того чтобы не вывести из строя все сегменты дисплея, нужно добавить токоограничивающие сопротивления. Расчет сопротивления проведем с помощью закона Ома, по формуле:

   Как видно из расчётов, сопротивление по величине не отличаются от расчетного выше. Поэтому токоограничивающего сопротивления, можно взять аналогично, то есть резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 150 Ом. Назначения выводов дисплея представлены на рисунке 2.12.

Рисунок 2.11 - Схема подключения дисплея к сдвиговому регистру

Рисунок 2.12 - Назначения выводов дисплея

   Для управления всеми индикаторами будем использовать транзисторы, как показано на рисунке 2.13. В этом случае транзисторы выступают в качестве электронных ключей, которыми управляет микроконтроллер.

Рисунок 2.13 - Управление дисплеем

  Выберем транзистор Fairchild Semiconductor KSC2331YTA. Его основные параметры, представлены в таблице 2.3.

   Для того чтобы не вывести из строя транзистор, нам так же нужно рассчитать значение резистора базы.
   Для начала нужно найти ток базы:
 
   Когда ток базы известен можно найти значение сопротивления резистора базы, по формуле:
 
   По расчётным данным нами был выбран резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 510 Ом.
   Подключение кнопок к микроконтроллеру будет осуществляться как показана на рисунке 2.14. Так как максимальный входной ток, на линиях МК равен 25мА, то во избежание выхода из строя линии, нам нужно рассчитать токоограничивающие сопротивление, по формуле:
 
  Так как 200 Ом это крайняя граница выхода из строя ножки МК, то выберем резистор с сопротивлением в разы больше чем граничное сопротивление. Данный выбор пал на резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 1 кОм.

Рисунок 2.14 - Схема подключения кнопки к микроконтроллеру

  В качестве задающего устройства нами был выбран переменный резистор СП3-4АМ. Схема подключения переменного резистора представлена на рисунке 2.15.
 

Рисунок 2.15 - Схема подключения переменного резистора

   Для подключения нагрузки с большим напряжением питания, большим чем питание микроконтроллера, воспользуемся электромагнитным реле Tai Shing TRIL-5VDC-SD-1CH-R. Для моделирования заменим обогревательный элемент и вентилятор на лампочки, чтобы удобнее было наблюдать за их работой. Принцип подключения рассмотрен на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16 - Схема подключения нагрузки

   Схема включает в себя:
   •МК - микроконтроллер;
   •N - нагрузка (вентилятор или нагревательный элемент);
   •VT - транзистор;
   •RС - выход МК.
   Когда нам нужно запитать нагрузку, на линии МК должна быть логическая 1, то есть +5 вольт.
   В схеме реле выступает в качестве электронного ключа. Его основные параметры, представлены в таблице 2.4. Характеристики данного реле позволят нам коммутировать достаточно мощную нагрузку.

   Так как для работы рыле нужен большой ток, максимальный возможный ток на линии МК может быть до 25 мА, в схему включен транзистор. Выберем транзистор 2N5089, n-p-n, 30 В, 0.1 А, 0.625 Вт. Его основные параметры, представлены в таблице 2.5.

   Для того чтобы не вывести из строя транзистор, нам так же нужно рассчитать значение резистора базы.
 
   Когда ток базы известен можно найти значение сопротивления резистора базы, по формуле:
 
  По расчётным данным нами был выбран резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 620 Ом.
  Выбранный нами термометр DS18B20+ будет подключаться как показано на рисунке 2.17. Для подключения используются 3 ножки устройства: GND и Vdd - питание термометра, DQ - линия передачи данных.
 

Рисунок 2.17 - Схема подключения термометра

   Схема включает в себя:
   •Microprocessor - микроконтроллер;
   •DS18B20 - термометр.
  При выводе на дисплей температуры будет применяться динамическая индикация. Для получения цельного изображения без мерцаний, переключение необходимо выполнять с большой скоростью, для исключения мерцания сегментов. Для обеспечения высокий частот работы и высокой точности времени, воспользуемся кварцевым резонатором. Для дальнейшего удобства программирования, примем частоту работы 4 МГц, тогда продолжительность машинного цикла составит 1 мкс. Для этой реализации выберем резонатор на 4 МГц, РПК01 HC-49U, кварцевый. Схема подключения показана на рисунке 2.18. Диапазон емкости для конденсаторов C1 и С2 составляет от 15 до 30 пФ. Большая емкость увеличивает стабильность генератора, но увеличивается и время запуска. Выберем конденсаторы Murata Manufacturing К10-17В, с емкостью 27 пФ.

Рисунок 2.18 - Схема подключения кварцевого резонатора

   Схема включает в себя:
   •МК - микроконтроллер;
   •С1-С2 - конденсаторы К10-17В;
   •RZ - кварцевый резонатор HC-49U.
   После того как мы разобрались с подключением каждого элемента можно разработать полную электрическую схему, рисунок 2.19.

Рисунок 2.19 - Полная электрическая схема 

  Схема включает в себя:
   •PIC16873 - микроконтроллер;
   •С1-С2 - конденсаторы К10-17В;
   •RZ - кварцевый резонатор HC-49U;
   •DS18B20 - термометр DS18B20+;
   •N1, N2 - нагрузка (вентилятор и нагревательный элемент);
   •VT1, VT2, VT3 - транзисторы KSC2331YTA;
   •SB1 - кнопка Wealth Metal Factory PB-22E60;
   •VT4, VT5 - транзисторы 2N5089;
   •CD4511BE - дешифратор CD4511BE;
   •RV - переменный резистор СП3-4АМ;
   •VD - светодиод L-796BGD;
   •DISP - дисплея Kingbright BC56-11SRWA;
   •TRIL-5VDC - реле TRIL-5VDC-SD-1CH-R;
   •R1,R4…R10 - резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 150 Ом;
   •R2 - резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 4.7 кОм;
   •R3 - резистор CF-25 (С1-4) 0.25 Вт, 1 кОм.

   2.3 Подключение устройства к бортовому питанию автомобиля
   Особо важным вопросом является подключение устройства к питанию. Так как никому не секрет, что в автомобили напряжение питания двенадцать вольт, а наша система рассчитана на пять вольт. Еще одной проблемой является не стабильность бортового напряжения автомобиля. Следовательно нам нужно напряжение двенадцать вольт перевести в пять вольт и стабилизировать.
   Для выбора стабилизатора, нам нужно подсчитать максимальный потребляемый ток всей нашей системы. Для этого, в таблице 2.6, приведем все устройства по отдельности и их потребляемый ток.

    По данным таблицы следует что максимальный потребляемый ток, устройства в целом, равен 418.7 мА.
   В качестве стабилизатора напряжения выберем стабилизатор напряжения К1156ЕН1П. Микросхема представляет из себя "Low Drop" стабилизатор положительного напряжения на 5 В, т.е. с малым падением напряжения вход-выход. Данный стабилизатор имеет широкий диапазон входного напряжения, обеспечивает на выходе напряжение 5 вольт и позволяет подключать довольно мощную нагрузку. Остальные характеристики стабилизатора расписаны ниже, а внешний вид показан на рисунке 2.20.
   Характеристики К1156ЕН1П:
   •Корпус: to220-5;
   •Диапазон допустимых входных напряжений: 2…26 В;
   •Выходное напряжение: 5±0.2 В;
   •Максимальный ток нагрузки: 0.5 А;
   •Встроенные схемы защиты от КЗ, перегрева и перенапряжения;
   •Имеет специальный вывод флага отключения;
   •Диапазон рабочих температур: -45…+85 °С.

Рисунок 2.20 - Стабилизатор напряжения К1156ЕН1П

   Типовая схема применения стабилизатор напряжения К1156ЕН1П приведена на рисунке 2.21.

Рисунок 2.21 - Схема применения

   Схема включает в себя:
   •К1156ЕН1П - стабилизатор напряжения;
   •С1 - конденсатор емкостью 1.0 мкФ;
   •С2 - конденсатор емкостью 0.1 мкФ (устанавливает время задержки сигнала "Сброс");
   •С3 - конденсатор емкостью 10 мкФ;
   •IN - вход;
   •OUT - выход;
   •GND - общий;
   •CT - установка задержки сигнала "Сброс";
   •RES - выход схемы "Сброс".

[RVL]

Для избежание вывода из строя диода нужно рассчитать токоограничивающие сопротивление, с помощью закона Ома, по формуле:

1. Не нравится мне ваш расчёт токоограничивающего резистора R1, откуда взят расчёт?
2. В данном случае ток ограничивается для защиты выхода микроконтроллера, и наверное во многих других случаях!

[dima]

    1. Расчет сделан по весьма распространенной формуле. Эту формулу применяют когда известно прямое напряжение светодиода.
Пример расчета можно посмотреть здесь: http://mehatroniks.com/programming/avr/19-podklyuchenie-svetodioda-k-mikrokontrolleru-avr.html
Или: https://habrahabr.ru/post/253961/
     2. Прямое сопротивление светодиода очень мало. И если не ограничивать ток через него, то он просто напросто может сгореть. Либо пожечь вывод микроконтроллера. Максимальный ток светодиода не должен превышать 20мА, так же и максимальный ток на выводе МК составляет 20мА. Соответственно если мы защитим наш светодиод, то и автоматически защитим микроконтроллер.

[mds]

Изменение сопротивления  RV  никак  не влияет  на выходной сигнал  на  VT3 ? 

Как  такое  возможно  и  зачем усложнять принятую всеми WGAE  схему?