Тема: Разработка многоточечного измерителя температуры на основе сети цифровых датчиков DS18B20 для фундаментов зданий.
Исполнитель: Толстошеев Виктор Вячеславович, студент гр. 741об
Руководитель: Доцент, канд. техн. наук Штыкин Михаил Дмитриевич, Руководитель СКБ "Промышленная робототехника и автоматизация" Русинов Владислав Леонидович
ВВЕДЕНИЕ
Многоточечный измеритель температуры (МИТ) - это устройство, которое собирает показания со множества датчиков, обрабатывает их и предоставляет данные оператору или САУ.
Подобные устройства востребованы и УЖЕ активно используются в различных системах автоматического управления и регулирования температуры в значительных объёмах или на больших площадях, таких как хранение зерна, нефтепродуктов, древесины и других ТП, где использовать обычные измерителей неудобно или невозможно.
1. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Для поддержание стабильного процесса дегидрации бетона необходимо поддерживать смесь в оптимальном диапазоне температур, поскольку при занижении температуры дегидрация прекращается, а превышение ее приводит к ухудшению физических свойств.
В процессе застывания, сама по себе, бетонная смесь выделяет некоторое количество теплоты, зависящее от химического состава смеси, поэтому в некоторых случаях можно ограничиться и обычной теплоизоляцией смеси. Минимальная температура застывания бетона составляет не ниже +5 °C, однако оптимальный температурный режим -- от +15 до +20 °C. На данный момент, при строительстве в зимнее время или в условиях вечной мерзлоты используют различные методы обогрева бетона или его теплоизоляцию.
Для контроля температурного режима существует специальные МИТ «Беркут-ПБС», стоимость которого составляет от 200.000 руб, в полном наборе, включающем в себя само устройство и несколько специальных датчиков, обеспечивающих возможность беспроводного мониторинга строительного объекта.
Разрабатываемое устройство предполагает использование распространенных, для непосредственного измерения температуры, цифровых термометров компании DALLAS типа DS18B20, связанных с устройством c помощью интерфейса "OneWire". Цену разрабатываемого устройства возможно держать в пределах 100.000 руб.
2. АППАРАТНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Термоизмеритель Разрешение термометра от 9 до 12-bit, может сохраняться в EEPROM памяти прибора. 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.
Рисунок - 1. Цифровой датчик температур DS18B20
2.2. КнопкиРисунок - 2. Кнопка без фиксации PS850N
2.3. Средства индикацииРисунок - 3. 7 сегментный индикатор с LED контроллером TM1637
2.3. МикроконтроллерНа данный момент разработан отладочный вариант МИТ на микроконтроллерной плате Arduino NANO v.3, рис.3.
Рисунок - 4. Распиновка Arduino NANO v3
Характеристики:
-Микроконтроллер Atmel ATmega168 или ATmega328
-Рабочее напряжение (логический уровень) 5В
-Напряжение питания
-(рекомендуемое) 7-12В
-Напряжение питания (предельное) 6-20В
-Цифровые входы/выходы 14 (из которых 6 могут использоваться как ШИМ-выходы)
-Аналоговые входы 8
-Максимальный ток одного вывода 40 мА
-Flash-память 16 КБ (ATmega168) или 32 КБ (ATmega328) из которых 2 КБ используются загрузчиком
-SRAM 1 КБ (ATmega168) или 2 КБ (ATmega328)
-EEPROM 512 байт (ATmega168) или 1 КБ (ATmega328)
-Тактовая частота 16 МГц
-Размеры платы 1.85 см х 4.3 см
2.4. Структурная и принципиальная схемы устройства Благодаря наличию уникального 64-битного кода для каждого датчика, имеется возможность общения с множеством датчиков по 1-wire шине, использующую всего один провод для обмена данными, обеспечивая совместную работу множества датчиков. Благодаря чему достаточно использовать один микропроцессор для работы с множеством датчиков DS18B20, распределенных по большому участку.
Рисунок - 5. Структурная схема МИТ
Рисунок - 6. Принципиальная эл.схема устройства
3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ
3.1. Задачи Основной задачей устройства является сбор информации с датчиков на шине, обработка и вывод значений температур на индикаторы устройства. Однако, поскольку данное устройство предназначено в первую очередь для динамического контроля температуры на большой больших площадях, следует дополнительно предусмотреть возможность вывода информации виде графиков и температурных карт, с возможностью записи данных для будущего рассмотрения динамики процессов, что может позволить получить дополнительную информацию полезную для повышения качества в будущем. Так-же желательно рассмотреть возможную реализацию беспроводной работы устройства.
3.2. Разработка программы 3.2.1. Подключение библиотек
3.2.2. Реализация стандартных протоколов
3.2.3. Написание программы
3.3. Написание программы 3.4. Тестирование устройства в Proteus 3.5. Создание пользовательского интерфейса. Разработка приложения для ПК 3.6. Создание печатной платы устройстваЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Даташит Arduino NANO v3:
https://supereyes.ru/img/instructions/arduino_nano_v3.pdfДаташит TM1637:
https://www.mcielectronics.cl/website_MCI/static/documents/Datasheet_TM1637.pdfDS18B20 и библиотека 1-Wire:
http://mypractic.ru/ds18b20-datchik-temperatury-s-interfejsom-1-wire-opisanie-na-russkom-yazyke.htmlДаташит DS18B20(ENG):
https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/DS18B20.pdfИнтерфейс 1-Wire:
https://www.electronics.ru/files/article_pdf/0/article_668_639.pdfБиблиотеки:
https://github.com/AlexGyver/GyverLibsРабота с EEPROM в среде Arduino:
https://www.arduino.cc/en/Reference/EEPROM