   1. ВВЕДЕНИЕ
1.1. Настоящее техническое описание предназначено для изучения принципа действия, устройства и характеристик системы электрического орошения растений (в дальнейшем-системы).
2. НАЗНАЧЕНИЕ
2.1.Система предназначена для автоматического полива цветов в комнатных условиях по заданной программе.
2.2. В зависимости от потребности система может использоваться надачных участках при отсутствии хозяина.
2.3 Условия эксплуатации:
температура окружающего воздуха от 00до +70 0 С;
относительная влажность до 80% при температуре +250 С.
диапазон частот вибрации 10- 55 Гц.
3.ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
3.1. Системаработает от батарей питания 12В, микросхема питается от напряжения 5В.
3.2.Время непрерывной работы системы не ограничено.
3.3. Наработка на отказ не менее 3200ч.
3.4. Число операций полива 10000.
3.5.Средний срок службы не менее 6 лет.
3.6. Мощность, потребляемая системой не превышает 1 Вт.
3.4. Габаритные размеры электронного устройства 45*55*15 мм3.
3.5.Габаритные размеры устройства в полной комплектации
3.5. Масса системы в полной комплектации не более
4.СОСТАВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОРОШЕНИЯ РАСТЕНИЙ
4.1.Перечень составных частей системы электрического орошения растений приведен в таблице.
Наименование
|
Обозначение
|
Количество
|
Бачок омывателяВАЗ 2101
|
ВАЗ 2101
|
1
|
Шланг омывателя стекол ВАЗ
|
ВАЗ
|
1
|
Насосомывателя стекол ВАЗ 2110
|
ВАЗ 2110
|
1
|
Реле
|
BS-102 5В
|
1
|
Транзистор
|
DS137
|
2
|
Резистор
|
МЛТ, номинал:
120Ом(2),
220Ом, 1КОм, 10КОм
|
5
|
Выводной светодиод
|
3В, Green, 3мм
|
1
|
Конденсатор
|
К50-35
|
1
|
Разъемы
|
PLS
|
12
|
Шлейф PLS
|
2х3, 2х2(2)
|
5
|
Кнопка тактовая
|
DTS-61G
|
1
|
Провод
|
МГВ 0.75х2
|
|
Клемма
|
VD
|
2
|
Стеклотекстолит фольгированный
|
СФ-2-35-1
ГОСТ 10316-78
|
2
|
5.УСТРОЙСТВО И РАБОТА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОРОШЕНИЯ РАСТЕНИЙ
Система электрического орошения растений построена на микроконтроллерах AVR
Микроконтроллер - компьютер на одной микросхеме. Предназначен для управления различными электронными устройствами и осуществления взаимодействия между ними в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой. В отличие от микропроцессоров, используемых в персональных компьютерах, микроконтроллеры содержат встроенные дополнительные устройства. Эти устройства выполняют свои задачи под управлением микропроцессорного ядра микроконтроллера.
К наиболее распространенным встроенным устройствам относятся устройства памяти и порты ввода/вывода (I/O), интерфейсы связи, таймеры, системные часы. Устройства памяти включают оперативную память (RAM), постоянные запоминающие устройства (ROM), перепрограммируемую ROM (EPROM), электрически перепрограммируемую ROM (EEPROM). Таймеры включают, и часы реального времени, и таймеры прерываний. Средства I/O включают последовательные порты связи, параллельные порты (I/O линии), аналого-цифровые преобразователи (A/D), цифроаналоговые преобразователи (D/A), драйверы жидкокристаллического дисплея (LCD) или драйверы вакуумного флуоресцентного дисплея (VFD). Встроенные устройства обладают повышенной надежностью, поскольку они не требуют никаких внешних электрических цепей.
Основным классификационным признаком микроконтроллеров является разрядность данных, обрабатываемых арифметико-логическим устройством (АЛУ). По этому признаку они делятся на 4-, 8-, 16-, 32- и 64-разрядные. Сегодня наибольшая доля мирового рынка микроконтроллеров принадлежит восьмиразрядным устройствам (около 50 % в стоимостном выражении).
УСТРОЙСТВО МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ AVR
Микроконтроллер AVR содержит: быстрый RISC-процессор, два типа энергонезависимой памяти (Flash-память программ и память данных EEPROM), оперативную память RAM, порты ввода/вывода и различные периферийные интерфейсные схемы.
По числу команд микропроцессоры подразделяют на CISC (ComplexInstructionSetComputer) и RISC (ReducedInstructionSetComputer). Термин CISC обозначает сложную систему команд, RISC - сокращенную.
Идея RISC - это тщательный подбор команд, которые можно было бы выполнить за один такт. Т. о. упрощается аппаратная реализация процессора, сокращается число транзисторов, снижается потребляемая мощность и цена.
Сердцем микроконтроллеров AVR является 8-битное микропроцессорное ядро или центральное процессорное устройство (ЦПУ), построенное на принципах RISC-архитектуры. Основой этого блока служит арифметико-логическое устройство (АЛУ). По системному тактовому сигналу из памяти программ в соответствии с содержимым счетчика команд (ProgramCounter - PC) выбирается очередная команда и выполняется АЛУ. Во время выбора команды из памяти программ происходит выполнение предыдущей выбранной команды, что и позволяет достичь быстродействия 1 MIPS на 1 МГц.
АЛУ подключено к регистрам общего назначения РОН (GeneralPurposeRegisters - GPR). Регистров общего назначения всего 32, они имеют байтовый формат, то есть каждый из них состоит из восьми бит. РОН находятся в начале адресного пространства оперативной памяти, но физически не являются ее частью. Поэтому к ним можно обращаться двумя способами (как к регистрам и как к памяти). Такое решение является особенностью AVR и повышает эффективность работы и производительность микроконтроллера. В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, в соответствии с которой разделены не только адресные пространства памяти программ и памяти данных, но и шины доступа к ним. Каждая из областей памяти данных (оперативная память и EEPROM) также расположена в своем адресном пространстве.
Периферия
Периферия микроконтроллеров AVR включает: порты (от 3 до 48 линий ввода и вывода), поддержку внешних прерываний, таймеры-счетчики, сторожевой таймер, аналоговые компараторы, 10-разрядный 8-канальный АЦП, интерфейсы UART, JTAG и SPI, устройство сброса по понижению питания, широтно-импульсные модуляторы.
Порты ввода/вывода (I/O)
Порты ввода/вывода AVR имеют число независимых линий "вход/выход" от 3 до 53. Каждая линия порта может быть запрограммирована на вход или на выход. Мощные выходные драйверы обеспечивают токовую нагрузочную способность 20 мА на линию порта (втекающий ток) при максимальном значении 40 мА, что позволяет, например, непосредственно подключать к микроконтроллеру светодиоды и биполярные транзисторы. Общая токовая нагрузка на все линии одного порта не должна превышать 80 . Микроконтроллеры AVR имеют в своем составе от 1 до 4 таймеров/счетчиков с разрядностью 8 или 16 бит, которые могут работать и как таймеры от внутреннего источника тактовой частоты, и как счетчики внешних событий.
Тактовый генератор вырабатывает импульсы для синхронизации работы всех узлов микроконтроллера. Внутренний тактовый генератор AVR может запускаться от нескольких источников опорной частоты (внешний генератор, внешний кварцевый резонатор, внутренняя или внешняя RC-цепочка). Минимальная допустимая частота ничем не ограничена (вплоть до пошагового режима). Максимальная рабочая частота определяется конкретным типом микроконтроллера и указывается Atmel в его характеристиках, хотя практически любой AVR-микроконтроллер с заявленной рабочей частотой, например, в 10 МГц при комнатной температуре легко может быть "разогнан" до 12 МГц и выше.
Система реального времени (RTC) реализована во всех микроконтроллерах Mega и в двух кристаллах "classic" - AT90(L)S8535. Таймер/счетчик RTC имеет отдельный предделитель, который может быть программным способом подключен или к источнику основной тактовой частоты, или к дополнительному асинхронному источнику опорной частоты (кварцевый резонатор или внешний синхросигнал). Для этой цели зарезервированы два вывода микросхемы. Внутренний осциллятор оптимизирован для работы с внешним "часовым" кварцевым резонатором 32,768 кГц.
AVR функционируют при напряжениях питания от 1,8 до 6,0 Вольт. Ток потребления в активном режиме зависит от величины напряжения питания и частоты, на которой работает микроконтроллер, и составляет менее 1 мА для 500 кГц,5 ... 6 мА для 5 МГц и 8 ... 9 мА для частоты 12 МГц.
AVR могут быть переведены программным путем в один из трех режимов пониженного энергопотребления.
Режим холостого хода (IDLE). Прекращает работу только процессор и фиксируется содержимое памяти данных, а внутренний генератор синхросигналов, таймеры, система прерываний и сторожевой таймер продолжают функционировать. Ток потребления не превышает 2,5 мА на частоте 12 МГц.
Стоповый режим (POWER DOWN). Сохраняется содержимое регистрового файла, но останавливается внутренний генератор синхросигналов, и, следовательно, останавливаются все функции, пока не поступит сигнал внешнего прерывания или аппаратного сброса. При включенном сторожевом таймере ток потребления в этом режиме составляет около 80 мкА, а при выключенном - менее 1 мкА. (Все приведенные значения справедливы для напряжения питания 5 В).
Экономичный режим (POWER SAVE). Продолжает работать только генератор таймера, что обеспечивает сохранность временной базы. Все остальные функции отключены.
ATTiny13 небольшой микроконтроллер (8 ног), наверное, самый дешевый в серии AVR. Выпускается в двух вариантах – обычном (ATTiny13) и с пониженным питанием (ATTiny13V). За пониженное питание приходится платить понижением тактовой частоты микроконтроллера (более медленная работа).
Общие характеристики:
120 инструкций оптимизированных для программирования на языках высокого уровня;
32 регистра общего назначения;
почти каждая инструкция выполняется за 1 такт генератора, за счет чего быстродействие достигает 20 MIPS (20 миллионов операций за секунду);
1килобайт флеш-памяти для программ (самопрограмируется);
64байт EEPROM (энергонезависимая память);
64байт SRAM (оперативная память).
Периферия
один 8 битных таймера/счетчика;
два ШИМ канала;
4 канальный 10ти битный АЦП;
аналоговый компаратор;
SPI последовательный интерфейс;
Watchdog таймер, внешние прерывания на всех ножках.
Особенности:
внутрисхемная отладка по одному проводу debugWIRE;
программирование по последовательному SPI интерфейсу;
различные источники прерывания как внешние, так и внутренние, 3 режима «Сна», детектор понижения питания, встроенный задающий генератор.
Attiny13Aимеет очень маленькое энергопотребление и его производительности хватит для автоматического полива растений. Использование самого микроконтроллера оправдано полностью, хотя некоторые могут говорить о том, что можно было использовать простую схему без микроконтроллера, используя простые радиодетали. При использовании микроконтроллера мы имеет более простую схему, меньше радиодеталей, простоту сборки, разработки, ведь за все отвечает программа микроконтроллера вместо громоздкой схемы которая состоит из более 10 элементов.
Примерная схема автоматического полива на базе простой логики и обычных радиоэлементов:
И схема на базе МК:
По первому виду тут можно увидеть, что количество элементов на базе МК меньше, следовательно, при отказе устройства поиск вышедшего из строя элемента будет проще.
J2 питание устройства 5В, J5 датчик влажности, J3 идет на подключение насоса.
Принцип работы устройства:
Микроконтроллер измеряет напряжение на датчике, если напряжение ниже 0.5В, значит земля сухая и нужно переключить реле. Если выше 0.5В нужно отключить реле и включить светодиод.
Датчик влажности представляет два резистора, биполярный транзистор и два электрода. Схема:
К разъему J2 подключаются два электрода и вставляются в землю, J3 ведет к устройству. Работает как делитель напряжения, при измерениях данного датчика выяснилось, что на выходе устройство выдает от 0-0.3В(при сухой земле) до 3.2В(при влажности 100%).
Так как электроды из металла окисляются, в второй версии устройства планируется использовать электроды из графита, чтобы обезопасить растения от опасных отложений в почву.
Трассировка печатной платы была сделана в программе DipTrace и её перевод на текстолит с помощью технологии «ЛУТ»:
Плата устройства после травления и облуживания:
 Готовое устройство:
 
Трассировку датчика сделали вручную для получения опыта:
 
Можно сделать вывод, что метод «ЛУТ» очень удобен в домашних условиях, т.к. плата выходит более эстетичной и не нужно тратить время на отрисовку дорожек на текстолите.
Список используемые ресурсы:
www.habrahabr.ru/
www.myrobot.ru/
www.getchip.ru/
www.wikipedia.ru/
|
