CC BY
21
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
МИКРОПРОЦЕСОРНО УСТРОЙСТВО ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА ВЛАЖНОСТ С АНАЛОГОВ СЕНЗОР HIH-4030 Недялко Катранджиев, Николай Карнобатев (студент) УХТ-Пловдив, Компютърни системна и технологи и
MICROPROCESSOR UNIT FOR HUMIDITY MEASUREMENT WITH
ANALOG SENSOR HIH-4030 Nedyalko KatUandz hiev,Nikolay Karnobatev (studeEt) UFT-Plovdiv, Computer Systems and Technologies
Abstract
Humidity is a main parameter in many production processes and during the final productstorage. Successful implementation and storage of one finished product, either in food industry or in nonfood industry, is directly related to the environmenthumidity. In the current research the humidity is monitored at one point but it is possible to create a device for monitoring of this parameter in more than one points using several humidity sensors. High humidity favors the evolution of a variety of bacteria, mold, mildew, etc. Too dry air violates sleeping of newborns and strongly affect their thermoregulation which in early childhood is not well developed. Low humidity can cause snuffles, which making difficult one of basic life processes - breathing. Therefore, this device can find application in medicine science. Alsoat kindergartens children's rooms the humidity may be monitored and the device can alarm when limits are crossed.
Keywords: humidity sensor, microprocessor unit, relative humidity, hih-4030, arduino Въведение
Влажността е основен параметър при много от производствените процеси и при съхранението на крайния продукт. Успешното реализиране и съхраняването на краен продукт било то в ХВП или в производството на нехранителната промишленост, е пряко свързано с влажността на въздуха в околната среда. В текущата публикация е представена разработка, която позволява да се следи относителната влажност (количеството пара във въздуха) в една точка, но може да бъде създадено устройство за следене на този параметър в повече от 1 точка, като за целта се използват няколко сензора за влажност. Чрез комбиниране на измерването на влажност и температура може да се регулира микроклимата в различни помещения [4].Високата влажност благоприятства за развитие на бактерии, плесени, мухъл и т.н. Влажността на въздуха е важна също и за спокойния сън, и нормалната жизнена дейност за бебетата. Прекалено сухия въздух нарушава съня на новородените и силно влияе на терморегулацията им, която в най-ранна детска възраст не е добре развита. Ниската влажност може да доведе до хрема и запушен нос, което затруднява един от основните жизнени процеси - дишането. Следователно това устройство може да
намери приложение и в лечебни заведения, детски ясли, детски градини, детски стаи, като следи влажността и алармира при излизане на показанията от предварително зададени граници.
Микропроцесорната система може да управлява уреди/механизми за корекция на влажността на въздуха. Повечето електронни устройства също работят при определена влажност. При висока влажност е възможно дефектиране на електронни устройства и създаване на аварийни ситуации, което е добра причина за инвестиция в подобен измервателен уред. Например в производството на печатни платки при БМЭлинии строго се следи и контролира температурата и влажността на въздуха в реално време. С цел минимизиране на риска от загуба на данни и гарантиране на спокойствие, влажността е един от основнитепараметри, който се следи в центровете за съхранение на данни.
Материали и методи
Микроконтролер. За реализиране на устройството е използвана платформата Ардуино, съдържаща два микроконтролера ATmega328 като главен микроконтролер, изпълняващ желаните действия и ATmega 16U2 за осъществяване на комуникация с персонален компютър [1, 2].
Сензор. Използван е аналогов сензор Н1Н-4030, който измерва относителната влажност (КИ,%) с точност ±3.5% [6]. Като изходен резултат се получава напрежение в границите от 0 до 5 V. Сензорътсе свързва към аналогов вход на 10 битов аналогово-цифров преобразувател на ардуино.В този случай стъпката, през която се осъществява измерването ще е 4.883 mV. Сензорът се захранва с постоянно напрежение от 5 V, а консумацията на ток е от порядъка на 200 (А до 500 (А. Ниската консумация (максимално 2.5mW) предоставя възможността за вграждане на сензора в портативни устройства и използване на батерийно захранване.Отчитането на влажността се извършва непряко, катозависимостта между изходното напрежение (^и0 и относителната влажност (ИИ) е линейна и аналитично може да се запише с уравнението[6]:
V»«, = Грш • (0.0062 • Ш + 0.16), (1)
където Vpsuе захранващото напрежение.
Тъй като захранващото напрежение оказва влияние върху изходната стойност на напрежението, а оттам и на стойността на отчетената влажност,добре е в момента на измерване на влажността да се отчита и моментната стойност на захранването. Това се налага поради факта, че дори и при стабилизирано напрежение е възможно да се появят моментни пикови смущения от външни източници, които да доведат до грешно отчитане. Калибрирането на сензора е осъществено от фирмата производител при 25°С и при тази температура и близки до нея не се налага да се прави компенсация на отчетената за влажност стойност. Тъй като в по-голяма част от случаите там където се контролира влажността се контролира и температура (т. е. температурата варира в малки граници) и в случай че се поддържа около 25°С, директно може да се приеме крайният резултат от формула 1. При необходимост от по-висока точност с помощта на формула 2 може да се направи компенсация на измерената влажност на база точно конкретна измерена температура:
„п кн
RH =-, (2)
сошр 1.0546- 0.00216• Т к }
където Те температурата, при която е измерена влажността в °С;
- ЯН е измерената влажност;
- ЯНС0трпоправка на измерената влажност (ЯН)при зададена температура (Т).
Резултати и обсъждане
Свързване на сензора към микроконтролера и компютъра (хардуерна реализация). На фигура 1 е показано свързването на сензора към микроконтролера. Комуникацията със сензора се осъществява по един проводник за данни (OUT) плюс два проводника за захранване (VDD и GND, съответно +5V и земя). СензорътHШ-4030 се свързва към аналоговия извод A0 на микроконтролера ATmega328 и към захранването.
Комуникацията с пер-
+5V
Д
U1
- VCC
+5V
AREF
C1
100nF
PC0 (ADC0/PCINT8) «зё AP1 PC1 (ADC1/PCINT9) <1Щ AP2 PC2 (ADC2/PCINT10) a£ AP3 PC3 (ADC3/PCINT11) аЩ AP4 PC4 (ADC4/SDA/PCINT12) <«8 AP5 PC5 (ADC5/SCL/PCINT13) <lj8 AP5 PC6 (PCINT14/RESET) -
PD0 (PCINT16/RXD) -a2 D™ PD1 (PCINT17/TXD) <4 DP2 PD2 (PCINT18/INT0) ^ ¡J^
6 DP4 11 DP5 J2 DP6 Д3 DP7
R2
10K
PD3 (PCINT19/OC2B/INT1) PD4 (PCINT20/XCK/T0) PD5 (PCINT21/OC0B/T1) PD6 (PCINT22/OC0A/AIN0) PD7 (PCINT23/AIN1)
GND GND
PB0 (PCINT0/CLKO/ICP1) PBJ_(OC1A/PCINT1) PB2 (SS/OC1B/PCINT2) PB3 (MOSI/OC2A/PCINT3) PB4 (MISO/PCINT4) PB5 (SCK/PCINT5) PB6 (PCINT6/XTAL1/TOSC1) -aSo PB7 (PCINT7/XTAL2/TOSC2) -oci00
J4 DP8 15 DP9 J6 DP10 J7 DP11 J8 DP12 19 DP13
ATmega328P-PU
Humidity
5V
OUT
GND
22p
Фиг. 1. Схема на свързване на сензора за влажност HIH-4030 с микроконтролера
22p
соналния компютър е аналогична на тази, представена в публи-кацията със заглавие „Измерване на цвят с TCS34725" [1].
Програмиране на сензора (софтуерна реализация).На фиг. 2
е показан алгоритъмът, по който е програмиран сензора. За реализира-нето му са използвани С, С# и .NET [3, 5].
Резултатите могат да бъдат визуализирани както графично, така и в цифров вид (фиг. 3). При необходимост към алгоритъма могат да се задействанена системи,
добавят алармени състояния и сигнализации или методи за регулиращи влажността на въздуха, запазване и показване на максимална, минимална и средна стойности на измерената влажност, сравнение на влажността, взимане на решение за последващо действие и пр.
7
S1
C2
R6
R7
I_I XTAL 1
C3
R8
Si: tint!
Îiti ç+f iiwd: w
Djtj blci: J
Pfltji
PI™ frti-tnaji Mil tlMtt.il ■m U1K.1: (Л [ÜHtil iW^bfie гчлЬег:
fliciiTri iot. fï>.
iMtfhj] "H
|L* 914 HualdLlY : Jt.fil
11:4:11 я »
Lt:1f:il ■wjdLÎï: ца
ÙllHH 1ии.1Т. M VI
11:17 J' »■rA
U:lîi< Hafitj 1 ■И
Ц:1Т'Т1 Л,!«
ir.lrjt wïm^ MU
UlUiD IIIH/Ï: ч.м
luHdi^i 1*. Ml
L.':4T:iJ HuildlÏT:
-- ч нч
|>:ÏT 11 iwl'IDi ■¿К
UlSIlH kàm^j Jt. «1
UPill iWAtyi liw.nS
UlltlM lUddïljl H .Ml
»j'i.l.'.yl К.1Л
I*1T К » IS
UÜJLJJ ItiriiJLÏTl
t>:1711 1 kij U. 1 KHI
HiW:« «mlj.lj: Mot
■kjF Н.Ту 1 V.t!l
11:17 J] f.™
tili Ни t*
m
45
H-
Фиг. 3. Графичен потребителски интерфейс на създадения софтуер Заключение
Създадено емикропроцесорно устройство за отчитане и регистриране на относителна влажност. Устройството има възможност да реагира на зададени стойности на влажността и при необходимост да управлява външни изпълнителни механизми, с които да се регулира влажността на въздуха. То може да се използва както самостоятелно(като показва резултата на собствен дисплей), да изпраща данни към персонален компютър или да е част от мултисензорна система. Към него могат да се добавят допълнителни сензори за измерване на други физични величини. Създаденото устройство може да намери приложение в предприятия, занимаващи се със сушене и съхранение на различни суровини, в лечебни заведения, детски ясли/градини, в метрологични станции и в бита, където има необходимост от непрекъснато следене на влажността и/или алармиране при достигане на конкретни стойности.
Литература
[1]. Катранджиев, Н., Н. Карнобатев, А. Кансъзов, 2015. Измерване на цвят с TCS34725, 70 години СУБ, Научни трудове на СУБ-Пловдив, Техника и технологии. Том XII, стр. 196-200.
[2]. Катранджиев, Н.и Н. Карнобатев, 2015. Микропроцесорно устройство за измерване на температура по еднопроводна линия, У1-та международна научна конференция на младите учени - Пловдив, 11-13 юни, 2015 г. Научни трудове на СУБ-Пловдив, Техника и технологии.
[3]. Катранджиев, Н. и Н. Шопов, 2011. Програмиране на С/С++ в примери, ISBN 978954-24-0179-7, Академично издателство на УХТ.
[4.] Колев К., Микропроцесорна система за регулиране на микроклимата в животновъдни и птицевъдни помещения, Международно научно списание „Техника и технологии", т.1У, Технически науки, с.97-102, 2014.
[5]. Наков, С. А. Русев, А. Хаджикръстев и др., 2006. Програмиране за .NET Framework, Фабер, Том1 и Том 2.
[6]. Honeywell, 2012.HIH-4030/31 SeriesHumidity Sensors.
