СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫМ КОМПЛЕКСОМ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ ДЛЯ КОНТЕЙНЕРА С АППАРАТУРОЙ

Зубок Максим Федорович1, Хрестинин Дмитрий Владимирович2, Войтик Юрий Васильевич3, Бесхлебнов Александр Александрович4
1Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, начальник лаборатории кафедры
2Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, преподаватель кафедры
3Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург
4Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург

Аннотация
Современные радиоэлектронные устройства и системы все чаще размещают в специальных контейнерах или боксах, оснащенных различными инженерными системами, которые обеспечивают автономность работы и защиту аппаратуры от воздействия вредных факторов окружающей среды. В статье представлены структурная, электрическая схемы и алгоритм работы автоматической системы управления инженерным комплексом на базе микропроцессора типа ATmega AVR, набора датчиков и исполнительных устройств. Инженерная система реализована в виде действующего экспоната, который был представлен в 2021 году на выставках «День инноваций» и «Научно-техническое творчество и инновации» в Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского.

Ключевые слова: , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Зубок М.Ф., Хрестинин Д.В., Войтик Ю.В., Бесхлебнов А.А. Система управления инженерным комплексом на микроконтроллерах для контейнера с аппаратурой // Современные научные исследования и инновации. 2022. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://web.snauka.ru/issues/2022/01/97553 (дата обращения: 20.05.2024).

Введение

Применение автоматических систем обеспечивает высокую оперативность и точность управления. Современная элементная база позволяет создавать автоматические системы обладающие значительным ресурсом надежности, имеющие низкое энергопотребление, высокую автономность. В настоящее время все чаще для создания автоматических систем применяются микроконтроллеры и микропроцессоры с набором датчиков и исполнительных устройств. Данные факторы позволяют разрабатывать и изготавливать автономные инженерные системы с автоматической системой управления для их установки в контейнерах и боксах, с целью размещения в них чувствительной к воздействию окружающих факторов аппаратуры.

В ходе проведенного анализа были сделаны выводы, что инженерный комплекс и автоматическая система управления должны состоять из:

  • системы поддержания температурно-влажностного режима (ТВР);
  • системы пожаротушения;
  • системы освещения;
  • системы ограничения доступа;
  • системы управления электропитанием;
  • функционального контроля;
  • система взаимодействия с оператором.

Автоматическая система управления

Автоматическая система – комплекс взаимодействующих между собой механизмов управляемого объекта и автоматического устройства, предназначена для управления объектом без вмешательств человека [1].

Система автоматического управления, как правило, состоит из двух основных элементов – объекта управления и управляющего устройства.

Основными преимуществами автоматической системы являются [2]:

  • повышенная пропускная способность или производительность;
  • улучшение качества или повышение предсказуемости качества;
  • повышенная надежность и прочность (последовательность и согласованность) процессов;
  • повышенная последовательность вывода;
  • снижение прямых затрат человеческого труда и расходов;
  • установка автоматизации операций в целях сокращения времени цикла;
  • замена человека-оператора в задачах, которые связаны с тяжелым физическим трудом или монотонной работой;
  • замена людей в выполнении конкретных задач в опасных средах;
  • выполнение задач, которые находятся вне человеческих возможностей.

Основными недостатками автоматической системы являются [3, 4]:

  • угрозы безопасности/уязвимость: система может иметь ограниченный уровень интеллекта;
  • непредсказуемые/чрезмерные расходы на разработку: стоимость исследований и разработка процесса автоматизации может превышать суммы экономии от нее;
  • высокая начальная стоимость.

В ходе проведенных исследований разработана структурная схема системы управления инженерным комплексом (рис. 1). Управляющим элементом системы является микропроцессор типа ATmega AVR 328, имеющий 14 цифровых, 6 аналоговых, 32 кБ флэш памяти и 2 кБ оперативной памяти, что достаточно для выполнения требуемого функционала.

Рисунок 1 – Структурная схема автоматической системы управления инженерным комплексом

Таблица 1 – Состав систем инженерного комплекса и управления

Система

Состав
Поддержания ТВР

– вентиляцонные установки;

– обогреватели;

– датчик температуры и влажности;

– реле.

Пожаротушения

– датчики огня;

– датчики дыма;

– пожарный извещатель;

– водяная помпа (или установка газового пожаротушения);

– кнопка ручного включения системы пожаротушения.

Ограничения (контроля) доступа

– замок с электронным управлением;

– RFID модуль;

– RFID метки (ключи).

Освещения

и электропитания

– управляющие реле.

Функционального кнтроля

– реализовано с помощью встроенных программных средств.

Взаимодействия

с оператором

– двухстрочный монохромный LCD экран;

– персональный компьютер со специальной программой.

Действия автоматической системы описаны в алгоритме работы процессора, реализованном на специализированном языке программирования. Это достигается путем получения информации от датчиков о состоянии окружающей среды и среды в контейнере, её обработки в процессоре и выдачи команд на исполнительные устройства [5].

В системах обеспечении температурно-влажностного режима, а особенно в системах пожаротушения время реагирования является важнейшим показателем, который обеспечивает работоспособность и сохранность аппаратуры. Кроме того, наличие автоматических систем позволяет существенно сократить дежурную смену персонала.

Подача команд на выполнение и управление работы вышеперечисленных систем осуществляются микроконтроллером Arduino Uno на базе процессора ATmega AVR. Аналоговые датчики подключены к аналоговым входам. Устройства поддержания нормальной рабочей среды в контейнере подключены к цифровым выходам. При этом, для обеспечения разной скорости вращения вентиляторов охлаждения, аппаратуры подключены к выходам с широтно-импульсной модуляцией.

В разработанной системы используются следующие датчики (рис. 2.):

  • датчик температуры и влажности DHT-11;
  • датчик пламени аналоговый;
  • датчик газа (дыма) MQ-135;
  • RFID система (контроля доступа).

a) Температуры и влажности DTH-11

б) Дыма MQ-135

в) Огня KY-026

г) RFID

Рисунок 2 – Датчики используемые в автоматической системе

Испольнительные устройства, реализованные в разработанной автоматической системе:

  • вентиляционная система (два вентилятора);
  • нагревательный элемент;
  • водяная помпа;
  • электро-замок;
  • светодиодные осветительные приборы;
  • звуковой пожарный извещатель.

Информация о состоянии системы и показатели датчиков выводятся на LCD экран размещенный на внешней стенке контейнера.

Программная часть системы управления инженерным комплексом состоит из двух частей. Первая часть загружена в микроконтроллер и управляет работой устройств инженерного комплекса. Вторая часть реализована на персональном компьютере и служит для взаимодействи с оператором.

Программа по управлению инженерным комплексом реализована на языке программирования С++ и прошита в микроконтроллер. Алгоритм работы системы представлен на рис. 3.

Рисунок 3 – Алгоритм работы автоматической системы

Для организации взаимодействия с оператором используется программа Processing, обеспечивающая вывод данных на монитор персонального компьютера. Processing — открытый язык программирования, основанный на Java. Представляет собой лёгкий и быстрый инструментарий, программирования изображений, анимации и интерфейса.

Для организации передачи данных между микропроцессором и персональным компьютером используется «монитор порта». Монитор порта
Arduino – это утилита, встроенная в среду программирования и служит для связи компьютера с контроллером. С помощью монитора последовательного порта производится отладка прошивки микроконтроллера, получение информации о работе программы и отправка команд к микроконтроллеру по USB. Данные посылаются как один или серия байтов. В это время происходит опрос датчиков и прочих параметров, после чего данные поступают в монитор порта посредством библиотеки Serial. Набор функций Serial служит для связи устройства Arduino с компьютером или другими устройствами, поддерживающими последовательный интерфейс обмена данными. Все платы Arduino имеют хотя бы один последовательный порт (UART, иногда называют USART). Для обмена данными Serial используют цифровые порты ввод/вывода 0 (RX) и 1 (TX), а также USB порт. Важно учитывать, что если использовать функции Serial, то нельзя одновременно с этим использовать порты 0 и 1 для других целей.

В этот момент Processing считывает и обрабатывает полученные цифровые значения для дальнейшего визуального представления в программе.

Передача данных происходит посредством функции Serial.write. Функция передает данные как бинарный код через последовательное соединение в монитор порта.

Пример использования функции Serial.write в программном коде:

void ledOn(){

serial.write(‘a’);}

Ключевое слово void используется при объявлении функций, если функция не возвращает никакого значение при ее вызове (в некоторых языках программирования такие функции называют процедурами).

Благодаря команде serial.write(‘a’); происходит передача символа «a» на монитор порта микроконтроллера Arduino Uno, в результате чего происходит управление системой, которая определенна для данной переменной программным кодом.

Для апробации, настройки и испытания разработанных технических и программных решений разработана модель контейнера для аппаратуры (рис. 4).

Рисунок 4 – Модель для проведения испытаний и отладки системы управления инженерным комплексом

Проведенная апробация показала правильность принятых технических и программных решений, высокую надежность, удобство взаимодействия оператора с системой.

Заключение

Разработанная автоматическая система управления инженерным комплексом позволяет решать задачи управления без участия человека, с высокой производительностью, качеством и скоростью.


Библиографический список
  1. Яшкин И.И. Курс теории автоматического управления. М., Наука, 1986. – 213 с.
  2. Поляк Б.Т., Щербаков П.С. Робастная устойчивость и управление. М., Наука, 2002. – 96 с.
  3. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1996. – 264 с.
  4. Цыпкин Я. З. Основы теории автоматических систем. М., Наука, 1997. – 163 с.
  5. Калинин Т.В., Хрестинин Д.В., Толстенев Д.В., Войтик Ю.В., Бесхлебнов А.А. Автоматическая система управления инженерным комплексом контейнера с аппаратурой//Сборник научно-методических трудов (Москва, 24 апреля 2020 года) ВУЦ МГТУ им Н.Э. Баумана.– М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. С. 344-347.


Все статьи автора «Войтик Юрий Васильевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация