Удк 681. 5 Устройство получения и обработки информации с датчиков

Вид материала

Содержание

3. Решение задачи построения аппаратной части системы.
Табл. 1. Критерии сравнения микропроцессоров
4. Разработка микропроцессорной системы обработки информации с датчиков.
Рис. 2. Принципиальная схема устройства получения и обработки информации с датчиков в системе автоматического создания/поддержан
Библиографический список.
The arrangement of reception and information handling from gauges.
Рекомендация на статью «Устройство получения и обработки информации с датчиков» аспиранта ПГУ Черникова Арсения Викторовича.

Подобный материал:

УДК 681.5

Устройство получения и обработки информации с датчиков

Черников Арсений Викторович

ООО «Умные Технологии», г. Пермь

ул. Петропавловская, д. 12.

E-mail: arsenyperm@mail.ru

Аннотация. В статье проведен анализ возможных путей реализации системы автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров, рассматривается необходимый аппаратный функционал реализации системы. Система основана на методах Н-логики.

Ключевые слова: климатотехника, устройство получения и обработки информации с датчиков, климат помещения, системы управления.

Введение. В настоящее время все более сложные автоматические системы управления входят в жизнь человека. С увеличением функционала, упрощением управления, усложнением конечной настройки системы происходит за счет усложнение процесса разработки, внедрением новых методов и технологий. Системы управления климатом в помещении так же развиваются в направлении расширения функционала и усложнения систем для разработчика. Климат в помещении – одна из составляющих неотъемлемых частей нашей повседневной. Движение воздушных масс, температура, влажность все это очень сильно воздействует на нас. При разных комбинациях данных параметров мы себя чувствуем по – разному. Поэтому очень важно и необходимо поддерживать необходимый режим климата, комфортный для вас, в вашем доме/квартире.

Цель данной работы: провести анализ возможных путей реализации системы автоматического поддержания заданных климатических параметров, разработать необходимую аппаратную модель системы.

2. Теоретический алгоритм работы, функционал системы. Сначала необходимо рассмотреть алгоритм работы системы, необходимые компоненты, аппаратный функционал, который хотелось бы видеть в конечной модели системы. Теоретический алгоритм работы предполагает, что системой можно управлять как заданными командами, так и новыми. Команды могут быть как четкими – точное задание климатических параметров, так и нечеткими – с помощью нечетких команд[1]. В связи с этим, заложить в систему, по возможности, все команды, которые пользователь может назвать для изменения климата, просмотра климата в том или ином помещении дома и т.д.

Чтобы получать точную информацию о климате, к системе подключены датчики. Система при получении команды смотрит информацию с датчиков и принимает решении о действие. Решение система принимает исходя из данных команды, данных датчиков и информации пользователя.

Если система получила четкую команду, то она выполняет установку полученных параметров.

Система должна отслеживать изменение климата в помещении и при изменении его в помещении или в каналах вентиляции, подает команды на управляемые устройства; сохраняет параметры климата; изменяет климат в зависимости от времени суток.

Так же в функционал работы системы стоит заложить: возможность контроля системой достижения поставленной задачи – исключает возможность повторной обработки системой параметров в процессе движения к необходимым, после принятия мер по поддержанию параметров; получения/передачи сторонним устройствам информации о климате; минимизированный алгоритм работы системы – нет дополнительных, дублирующих алгоритмов обработки/поддержания параметров климата; простой в реализации алгоритм.

Система как программно, так и аппаратно должна иметь блочную структуру. Это позволяет обрабатывать каждый процесс, команду системы отдельным блоком, что увеличивает эффективность, скорость обработки. Схема модели системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Модель устройства автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров помещения

Устройство обработки входного сигнала преобразует аналоговые сигналы с помощью АЦП в цифровой сигнал. Далее все сигналы в цифровом виде разделяются на группы сигналов и передаются следующим блокам системы. Все сигналы обрабатываются и приводятся к виду, который понятен для дальнейшего использования других блоков системы управления климатом. Далее все сигналы сводятся в контроллер связи всех блоков системы и к самим блокам дополнительно. Контроллер связи всех блоков системы служит для: сохранения начальных, текущих параметров системы; для согласования работы всех блоков, как единой системы; для управления конечными устройствами управления через блоки изменения параметров системы при подаче четкой команды. В системе специально применена модульность обработки, чтобы оптимально настроить каждый блок на работу со своим видом данных и тем самым оптимизировать процесс обработки и уменьшить время обработки.

3. Решение задачи построения аппаратной части системы. После построения модели устройства автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров помещения стоит остановиться на вопросе выбора дальнейшего направления разработки аппаратной части системы. В данном вопросе существует множество подходов к решению поставленной задачи: использование в основе микропроцессора с заложенными функциями для работы с нечеткими переменными, использование четкого микропроцессора с заложенными в него программно алгоритмами обработки нечеткого сигнала, использование объединенной системы на основе микропроцессора с алгоритмами обработки четкого и компьютера с заложенными алгоритмами обработки нечеткого сигнала. Наилучший путь решения поставленной задачи даст объединенная элементная база, в которой будут задействованы для обработки сигналов с датчиков, управления конечными устройствами, отслеживание изменений параметров климата в помещении и т.д. микропроцессорная система на основе обычного микропроцессора, а для работы с нечеткими переменными, для передачи настоящего времени – стационарный компьютер. Плюсы данного подхода в том, что наиболее простая возможность реализации, наилучшее соотношение цена/качество, возможность расширения системы, широкий функционал, а так же соблюдается ранее заложенный принцип модульности системы. Далее приведена таблица сравнения функционала обычного четкого микропроцессора и нечеткого микропроцессора, работающего с нечеткими данными.

Табл. 1. Критерии сравнения микропроцессоров

Критерии	Н-микропроцессор	Т-микропроцессор
1. Стоимость проекта (не маловажная сторона для конечного потребителя)	Так как на данный момент данный вид микропроцессоров выпускается всего несколькими фирмами (Motorola, IBM, STMicro), то цена достаточно велика (от 15 000 рублей)	Цена подходящего микропроцессора достигает всего ~300-500 рублей.
2. Технические характеристики (в данном аспекте стоит описать все существующие входы/выходы микропроцессора)	Большое количество информационных входов, что позволит подключить большое количество дополнительного оборудования.	Большое количество информационных входов, что позволит подключить большое количество дополнительного оборудования.
3. Память микропроцессора	32 Kb Flash EEPROM 768 b EEPROM 1 Kb RAM Есть возможность подключения большего объема внешней памяти, но маленькая внутренняя (для кода программы микропроцессора).	16 Kb Flash EEPROM 256 b EEPROM 256 b SRAM 4 Kb RAM Средний объем внешней памяти, но расширенная память для работы микропроцессора и большой объем программной памяти процессора.
4. Дополнительные элементы проекта	В данных микропроцессорах уже заложен RS-232 порт, АЦП (последовательная/параллельная передача информации). Для оптимальной работы необходимо как минимум 2-3 шт. RS-232, IR-канал управления, релейные/ симистерные выходы.	Заложены АЦП (последовательная/параллельная передача данных), UART. Но, как и с Н-микропроцессором, необходимо дополнительное оборудование.
5. Программная функциональность	Быстрота работы за счет встроенных Н-функций. Меньшая по объему программа.	Более большой код программы, более длительная работа, но при этом гибкость в работе, в методах. Возможность кардинальной модификации.
6. Возможность изменения программного обеспечения/ доработка	Сложность изменения/ внедрения новых программных модулей.	Простота доработки.

Стоит уточнить, что далее не будет рассматриваться программный продукт, который написан в рамках работы для компьютера[2]. Будет проведена разработка микропроцессорной системы для получения и обработки информации с датчиков.

4. Разработка микропроцессорной системы обработки информации с датчиков. Целью данного этапа работы был выбор элементной базы микропроцессорной системы и создание принципиальной – электрической схемы устройства в соответствии с выбранной элементной базой устройства. При выборе необходимо учесть следующие факторы: относительная дешевизна ресурсов; их способность работать при достаточно больших перепадах климатических параметров; самодостаточность элементов; простота замены в случае поломки; простота перепрограммирования, если будет необходимость; широкий аппаратные возможности (микропроцессор).

Первоначально необходимо выбрать микропроцессор. Так как необходимо недорогое устройство, но функциональное, самодостаточное в плане аппаратных и программных средств, то были выбран микропроцессоры фирмы Atmel, а именно семейство AVR ATMega[3]. Рассмотрев всю серию Mega микропроцессоров Atmel, был выбран Mega164, имеющий 4 цифро-аналоговых порта, функцию watchdog, возможность подключения внешней кнопки Reset и самое главное 2 порта UART, что было крайне необходимо для системы[4].

Далее необходимо было выбрать способ управления конечными устройствами и заложить необходимые для этого аппаратные возможности. Существует несколько вариантов. Реле: можно было подключить напрямую к микроконтроллеру, но этот способ с большим энергопотреблением, то есть приведет к большему потреблению тока микропроцессора, но это противоречило выбранной концепции построения данного устройства, так как наоборот необходимо было уменьшить количество потребляемого тока, и разогреву микропроцессора и в дальнейшем выход микропроцессора из строя. Второй способ это – подключение через симистор[5, 6], но для этого необходимо было увеличить элементную базу контроллера, что увеличивало его себестоимость и опять же противоречило поставленной изначально задаче. Поэтому был принят более дешевый и простой способ подключения реле через транзистор. Этот способ позволяет микропроцессору не перегреваться и продляет его срок эксплуатации. Посмотрев информационную базу по транзисторам[7], был подобран по параметрам транзистор КТ3117А[8]. И также в общей базе было выбрано реле BS-115C[9].

Так как подключаемые датчики могут быть как аналоговыми, так и цифровыми, то в случае с аналоговыми датчиками встроенных компараторов всего 1 порт, то есть 8 входных/выходных сигналов, в микропроцессоре, и их может не хватить для полноценной работы, то для решения этой проблемы необходимо устройство, которое могло бы переключаться между датчиками. Решение проблемы было найдено в мультиплексоре, который еще и позволил увеличить количество аналоговых датчиков с 8 до 64 штук. Для работы с готовыми датчика и более сложными устройствами системы были использованы 2 микросхемы (DD2, DD3 (можно исключить при необходимости)) Maxim MAX232AESE[10], которые позволяют организовать работу с последовательными портами (интерфейс RS-232). Но если возникнет необходимость при создании опытного макета использовать и цифровые датчики Dallas Semiconductor DS1820[11], или организовать дополнительные последовательные порта, то можно воспользоваться селектором-мультиплексором и увеличить количество дополнительных устройств. Так же может возникнуть ситуация, когда конечное устройство имеет в качестве канала управления только ИК – канал, в этом случае в микропроцессорную систему заложены 8 ИК – эмиттеров. Для информативности было решено строить плату в дальнейшем со светодиодом, который будет указывать на наличие питания микропроцессора.

Также были использованы и другие электрические элементы. Полная информация об используемых элементах находится в табл. 2. Принципиальная схема устройства представлена рис. 2.

Табл. 2. Список деталей контроллера получения

и обработки информации с датчиков

DD1	Atmel ATMega164
DD6, DD7	Maxim MAX232AESE
DD2, DD4, DD5	КР1531КП7
DD3	К155КП1
VT1, VT2, VT3	КТ3117А1
R1	С2-23-0.125-100 Ом + 5%
R2, R3, R4	С2-23-0.125-1.2 кОм +5 %
С1, C2, C3, C4, C5, С6, С7, С8, С9, С10, С11, С12, С13, С14, С15, С16, С17, С18, С19, С20, С21, С22, С23, С24, С25, С26, С27, С28, С29, С30, С31, С32, С33, С34, С35, С36, С37, С38, С39, С40	К53-10-0.1 мкФ + 10%-16 В
K1, K2, K3	Bestar BS-115C
VD2, VD3, VD4	1N4148 (КД522)
VD1	3Л336И
X1	PBS-11
X2, X3, X4, X5, X6, X8, X9, Х10, Х11, Х12, Х13, Х14, Х15, Х16, Х17, Х18, Х19, Х20	PBS-3
X21	PBS-9
X22, X23, Х24, Х25, Х26, Х27, Х28, Х29	DB-9

Рис. 2. Принципиальная схема устройства получения и обработки информации с датчиков в системе автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров

Общие выводы. Итак, в результате проделанной работы разработано рабочеспособное устройство получения и обработки информации с датчиков в системе автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров, устройство построено на простой элементной базе, что позволяет легко запустить устройство в производство. Так же стоит отметить, что полученное устройство является универсальным, то есть его возможно использовать в других системах при изменении ПО микропроцессора. При разработке устройства были соблюдены заложенные изначально требования к устройству. Выделим некоторые отдельные плюсы/пункты разработанного устройства:

Простота элементной базы устройства: возможность запуска в производство, легкость замены элементов при поломке.
Малые габариты системы: помещается на плату размером 20х20 см, что позволяет разместить устройство в любом месте.
Универсальность устройства: возможность использования при изменении ПО микропроцессора в других системах.
Возможность работы с широким спектром устройств по различным каналам передачи данных.
Разработанное устройство берет большую часть функций системы, что позволяет использовать ПК (используемый совместно с данным устройством) для реализации других задач: видеонаблюдение и т.д.
Минимальная стоимость системы: позволяет расширить круг потребителей.

Заключение. В результате проведенной работы было разработано устройство получения и обработки информации с датчиков в системе автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров, отвечающее необходимым требованиям для системы автоматического создания/поддержания заданных климатических параметров, с заложенным необходимым функционалом.

Библиографический список.

Черников А. В. Система управления климатом в помещении, основанная на нечеткой логике. /А. В. Черников// III конференция-конкурс грантов аспирантов и молодых ученых механико-математического факультета Пермского государственного университета/ сборник тезисов научных докладов. Пермь: ООО «Учебный центр «Информатика»», 2008. – 83–90 стр.
А. В. Леоненков. Нечеткое моделирование в среде MatLab и FuzzyTech. СПб.: БХВПетербурr, 2005. – 736 с.
AVR 8-Bit RISC - Devices // .ru/Disks/Atmel%20 Products/dyn/products /Wca71c75bc3dbe.php">
Технические характеристики микропроцессора Atmel Mega164 // .ru/Disks/Atmel%20Products/dyn/products/Wccac285ca347d.htm
Д. Рэй. Схема программного управления тремя мощными нагрузками через последовательный порт ПК. / Радиохобби. 2002 № 2. С. 20.
Д. Рэй. Схема дистанционного сбора данных. / Радиохобби. 2002. № 2. С. 21.
Справочники по отечественным электронным компонентам // rod.ru /index.htm?trzlphf.htm
Технические характеристики транзисторов серии КТ3117 // ors.icf.bofh.ru/dsheets/transistors/13117.php
Технические характеристики реле BS-115C-12A // an. ru/datasheet/data.php?di=34761&/BS-115C-12A
Технические характеристики микросхемы MAXIM MAX232AESE // ocs.ru/pndecoder/datasheets/MAXIM/MAX232AESE.php
Примеры применения компонентов Dallas Semiconductor // .ru/super/dallas/project.htm

The arrangement of reception and information handling from gauges.

A. V. Chernikov

«Smart Technologies», 614000,

Perm, Petropavlovskaiy st., 12

Annotation. In article the analysis of possible ways realization of automatic creation / maintenance’s system of the given climatic parameters is carried out, considered necessary hardware climate’s technique realizations of system. The system is based on methods of fuzzy logic.

Keywords: climate’s technique, the arrangement of reception and information handling from gauges, climate of the room, a management system.

Рекомендация на статью «Устройство получения и обработки информации с датчиков» аспиранта ПГУ Черникова Арсения Викторовича.

Научная статья А. В. Черникова «Устройство получения и обработки информации с датчиков» соответствует всем требованиям, предъявляемым к работам такого рода. Данная статья может быть рекомендована к публикации.

Доктор технических наук Олег Геннадьевич Пенский, место работы: 614990, г. Пермь, ул. Букирева, д.15, Пермский государственный университет, кафедра процессов управления и информационной безопасности, профессор.

Blog

Удк 681. 5 Устройство получения и обработки информации с датчиков

Содержание