CC BY
104
уровень напряжения питания данного модуля от встроенной аккумуляторной батареи при отключении напряжения питания сети.
Следует отметить, что предлагаемая система может быть усовершенствована путём использования датчика пульса с фотоэлементом и акселерометра представленных в системе в виде наручного браслета [1]. Дополнительно, имеется возможность организации передачи оповещений через интернет на
удаленный сервер, путем подключения к предлагаемой системе GSM-модуля, так как используемый в системе GSM модем позволяет поддерживать пакетную передачу данных GPRS. Последнее позволит дополнительно организовать передачу сообщений человеку (пациенту) от лечащего врача о необходимости принятия тех или иных лекарственных препаратов по показаниям, получаемых в ходе анализа текущей ситуации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Князьков А.В., Королев В.С., Чайковский В.М. «Система ОНЛАЙН-КОНТРОЛЯ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЗДОРОВЬЯ ЧЕЛОВЕКА С ПЕРЕДАЧЕЙ ПО КАНАЛУ GSM» Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2017, том 2 стр. 148-150.
2. Популярная медицинская энциклопедия/ Под ред. Петровского Б.В. - М.: «Советская энциклопедия», 198 4
3. Пульс под контролем. Чем и зачем измерять пульс в движении. https://geektimes.ru/company/icover/blog/252054/
4. Как умные часы, спортивные трекеры и прочие гаджеты измеряют пульс? Часть 1 https://geektimes.ru/company/darta_systems/blog/246856/http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html ?di=144220 _
5. Atmel-42735B-ATmega328/P_Datasheet_Complete-11/2016
6. One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A 2008 Microchip Technology Inc.
УДК: 623.746-519
Баткаев Р.А., Жестков А.Е., Князьков А.В., Чайковский В.М.
ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ СИСТЕМЫ АЭРОПОНИКИ
Предлагается система, предназначенная для автоматизированного процесса выращивания растений в воздушной среде без использования почвы.
Ключевые слова:
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА, АЭРОПОНИКА, МИКРОКОНТРОЛЛЕР, ДАТЧИК
Системы аэропоники, предназначенные для без грунтового выращивания различных сельскохозяйственных культур, начинают в настоящее время приобретать всё большее распространение не только при проведении различных селекционных исследований в лабораторных условиях, но и используются в различных фермерских, тепличных хозяйствах, занимающимися выращиванием сельскохозяйственной продукции.
В [1] была предложена система для автоматизации процесса выращивания растений в теплицах методом аэропоники. Упрощенная структурная схема, которой приведена на рисунке 1. Суть данного подхода заключается в том, что культивируемое растение фиксируется опорной конструкцией 1, а их корневая система просто находится в воздушной среде и, с использованием туманообразую-щи:с форсунок 2, орошается питательным раствором.
Питательный раствор
Рисунок 1 - Структурная схема системы автоматизированного выращивания растений
Работой и функционированием данной системы, строго в соответствии с требуемой программой исследования, управляет микроконтроллер МК, алгоритм которой заносится в память МК на предварительном этапе.
Вся необходимая информация, как то: о значении температуры как окружающей среды, так и питательного раствора, о концентрации углекислого газа и уровне освещенности, формируемая датчиками Д1-4 поступает на МК, который начинает управлять работой ключа К и ШИМ-регуляторов ШИМ1-3 [3].
Ключ К предназначен для включения/выключения, посредством реле Р, насоса Н, осуществляющего подачу питательного раствора для орошения кор-
невой части растения. ШИМ-регуляторы осуществляют управление уровнем яркости свечения источников света различной цветовой гаммы, действие которых, согласно [4], оказывают значительное влияние на процесс роста растения.
В виду того, что в данной работе рассматривается подход к построению системы аэропоники, предназначенной для использования при проведении лабораторных исследований, направленных на отработку различных селекционных методик, то для освещения растений на этапе их роста, в качестве источников света предлагается использовать све-тодиоды как-то: красный (СК), синий (СС) и белый (СБ).
Устройство ввода/вывода информации УВВ предназначено для управления работой МК, а также для
вывода информации о состоянии среды, в которой происходит рост растения, полученной от датчиков, а также о самой системе управления ростом.
Для формирования питающих напряжений, требуемых для функционирования всех узлов системы, используется блок питания БП, вырабатывающий напряжения постоянного тока амплитудой +12 В и + 5 В.
Расчет ШИМ-регулятора освещения
Обзор имеющейся отечественной элементной базы показал, что без специальной схемотехнической доработки среди отечественной элементной базы не имеется аналогов зарубежных микросхем для управления мощными светодиодами. Поэтому в качестве регулятора освещения в проектируемой системе была использована микросхема AL8805 [5]. Достоинством которой является то, что она имеет малые габаритные размеры (3мм*2,8мм), а также низкую
стоимость. Кроме того, для построения светодиодного драйвера на основе микросхемы АЬ8805 требуется малое количество доступных элементов, что упрощает его реализацию.
Так как падение напряжения на каждом свето-диоде составляет до 3,5 В, а значение питающего напряжения драйвера АЬ8805 равно +12 В, то в выходную цепь можно включить до трех светодио-дов. Следует отметить, что световое излучение, падающее на растение должно быть не только равномерным со всех сторон, но и достаточной мощности. Для обеспечения данного требования в выходную цепь каждого ШИМ - регулятора включается по три светодиода соответствующего цвета с мощностью излучения до 3 Вт. Практическая реализация всех ШИМ - регуляторов аналогична, схема построения одного из них приведена на рисунке 2.
Рисунок 2
Схема включения ШИМ
регулятора
01. SW - выход; 02. GND - общий провод; 03. CTRL - ШИМ-регулирование яркости; 04. SET -управление уровнем выходного тока; 05. Vin -напряжение питания.
При подаче напряжения питания на вход Vin полевой транзистор, служащий для «умощнения» выходного каскада DA1, закрывается. Ток начинает протекать по цепи через резистор R1, светодиоды HL1-HL3 и катушку индуктивности L1, служащую для плавного увеличения уровня яркости свечения HL1-HL3. Уровень тока в данной цепи, а значит и в светодиодах, начинает линейно возрастать, причем скорость его нарастания будет определяется как значением амплитуды напряжения, подаваемого от источника питания на контакт 05 Vin, так и номинальным значением индуктивности катушки L1.
Возрастание тока создает падение напряжения на резисторе R1. Внутренняя цепь измерения микросхемы DA1 выделяет падение напряжения flURl на резисторе R1 и подает пропорциональное напряжение на один из входов внутреннего компаратора DA1, на второй вход которого подается опорное напряжение ип = 100 мВ. При достижении напряжением flURl порогового значения Un макс = 105 мВ, открывается полевой транзистор выходного каскада. При этом по цепи, образованной резистором R1, светодиодами HL1-HL3, индуктивностью L1 и диодом VD1, будет протекать ток, замыкающийся на выходную шину питания, значение силы данного тока будет убывать со скоростью, определяемой падением напряжения на светодиодах и на диоде VD1. Причем в качестве последнего используется
диод Шоттки типа КД2 94А, предназначенный для выпрямления напряжения, прикладываемого к свето-диодам, для исключения протекания обратного тока через них. Выбор диода Шоттки из перечня обычных диодов вызван рядом его преимуществ, таких как: обладание более низким значением емкости перехода металл-полупроводник, достаточно незначительным уровнем обратного тока (0,5 мА) при его рабочем напряжении до 20 В и высоким значением допустимой рабочей температуры.
Убывающий ток создает на резисторе R1 падение напряжения flURl, выделяемое с помощью DA1. В свою очередь, данное напряжение подается на вход внутреннего компаратора. Когда уровень падения напряжения на R1 достигнет минимального порого-
вого значения U„
95 мВ, полевой транзистор
закрывается.
Данный цикл Убывания/Возрастания обеспечивает стабилизацию тока, протекающего через светодиоды, значение которого можно устанавливать, используя резистор R1. Номинал сопротивления последнего определяется согласно выражению, приведенному ниже.
Сила тока, протекающего через резистор R1, определяется согласно: Ic = Un/R1, где Un - пороговое значение входного напряжения ШИМ - регулятора.
В случае, если уровень, подаваемого на контакт 03. CTRL DA1 напряжения будет выходить за пределы диапазона значений от 0,4 В до 2,5 В, сила тока, протекающего через светодиоды Ic, будет определяться как: 1с = ип/R! = ивх/иоп, где
^вх - входное напряжение микросхемы DA1, 0оп -опорное напряжение, ШИМ - регулятора.
Номинальное значение токоограничительного сопротивления R1 определяется как: = (ип/1с)(ивх/иоп).
Так как, максимальное входное напряжение ШИМ - регулятора Цвх = 2,5 В; опорное напряжение ШИМ
регулятора
ип,
напряжение светодиод
и„
= 2,5 В, 100 мВ;
1г
согласно [5]; пороговое ток, протекающий через
700 мА,
который в свою очередь управляется транзисторным каскадом, собранным по схеме с общим эмиттером и работающем в ключевом режиме.
тогда:
R1 = (0,1 В/0,7 А)(2,5 В/2,5 В) = 0,142 Ом. Из ряда номиналов резисторов Е24 выбираем ближайшее значение номинала резистора R1 = 150 мОм.
Характер зависимости тока светодиодов 1с от прикладываемого к нему напряжения, поступающего от МК на контакт 03 микросхемы DA1, представлен на рисунке 3. При снижении уровня напряжения на входе ШИМ - регулятора ниже порогового значения 0,4 В, ток 1с, протекающий через светодиоды становится незначительным при этом светодиоды начинают гаснуть. Максимальная яркость свечения светодиодов соответствует значению напряжения на контакте 03 DA1, равному опорному напряжению UBX = Uon = 2,5 В.
В случае превышения значения напряжения UBX значения напряжения 0оп = 2,5 В, возрастание тока, протекающего через светодиоды, прекращается и ток остается неизменным.
Устранение пульсаций тока светодиодов HL1-HL3, достигается шунтированием его конденсатором С1. При значении емкости конденсатора С1 = 1 мкФ, пульсации тока уже достаточно резко уменьшаются. Наличие конденсатора не оказывает влияние на значение рабочей частоты, но заметно увеличивает задержку момента начала свечения светодиодов, за счет снижения скорости нарастания напряжения на последних.
К одному из основных узлов предлагаемой системы, подлежащему расчету, также относится блок коммутации, управляющего работой насоса подачи питательного раствора.
Расчет схемы коммутации с использованием электромагнитного реле
МК осуществляет управление процессом распыления питающего раствора по заранее занесенному в его память расписанию, посредством насоса Н,
Рисунок 3
Зависимость 1с от ивх ШИМ -регулятора
В качестве электромагнитного реле предлагается использовать малогабаритное реле типа НЬ38Ь^С5У-3-С [7]. Основные технические параметры данного электромагнитного реле: сопротивление обмотки Я = 7 0 Ом; напряжение срабатывания ином = 5 В. Напряжение, при котором реле выключается, ивыкл = 0,5 В. Максимальное рабочее напряжение имакс = 6,5 В, при превышении которого, произойдет перегрев обмотки реле и выход ее из строя. Максимальное коммутируемое напряжение переменного тока имакс.ком = 250 В, максимальное значение силы коммутируемого тока 1макс.ком = 15 А.
Управление реле осуществляется транзистором УТ1 средней мощности, работающим в ключевом режиме. Схема блока коммутации показана на рисунке 4, в которой диод УЮ1 служит для исключения выбросов напряжения на обмотке реле, так называемого напряжения «дрожания», возникающего на нём в моменты переключения.
Рисунок 4 - Принципиальная схема блока коммутации
включаемого при помощи электромагнитного реле.
От
Анализ работы данного каскада, работающего в ключевом режиме и использующего в качестве нагрузки электромагнитное реле, показывает, что. индуктивным сопротивлением обмотки реле можно пренебречь, если промежуток времени между переключениями реле будет на порядок выше, чем длительность самого переключения.
При этом значение тока коллектора УТ1 будет определяться как:
1к = (Еп - икэ нас)/Ян, где /к - ток коллектора, Еп - напряжение питания 5 В,
^кэ нас - напряжение насыщения УТ1, значение которого определяется из его выходных характеристик и при заданном токе имеет значение 0,2 В,
Ян - активное сопротивление обмотки реле 7 0 Ом.
После подстановки данных значений в приведенное выше выражение, ток коллектора будет равен 1к = (5В-0,2В)/70Ом = 0, 068А = 68 мА.
Обеспечение надежной работы УТ1 достигается выбором рабочих значений его тока и напряжения с коэффициентом запаса, равным 1,5. Таким обра-
зом, ток коллектора и напряжение коллектор-эмиттер транзистора будут соответственно равны: ^ = 0,068А*1,5= = 0,102A = 102 мА и ^э = 7,5 В.
Поэтому необходимо, чтобы транзистор обладал соответственно допустимыми значениями: ток коллектора не менее ^ = 0,102А и напряжение коллектор-эмиттер не менее ^э = 7,5 В. Из отечественных транзисторов данным требованиям соответствует транзистор КТ815А [8]. Имеющий следующие технические параметры: максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе Pкmax = 1 Вт, максимальный ток коллектора Iкmax = 1,5 А, максимальное напряжение коллектор - эмиттер Uкэmax = 4 0 В, максимальное напряжение смещения база - эмиттер в открытом состоянии UБЭmax = 5 В.
Следует отметить, что для обеспечения рассчитанного значения тока коллектора ^ = 0,068 А, необходимо определить требуемый ток базы !б, ко-
торый связан с Ik. соотношением вида Ik
Ia*h2
где - статический коэффициент передачи тока.
Согласно паспортных данных транзистора КТ815А значение его коэффициента h2lэ = 68, при токе эмиттера 68 мА, поэтому ^ = 0,068 А/68 = 0,001А = 1 мА.
Далее необходимо определить значение сопротивления резистора R1. При токе коллектора 68 мА значение напряжения насыщения базы транзистора будет равно 0,65 В.
Поэтому резистор R1 должен быть равен: Rl = (Uвх-Uбэнас)/Iб = (5В-0,65В) /0.001А = 4350 Ом = 4,35 кОм.
Из стандартного ряда сопротивлений E24 выбираем ближайшее значение, т.е. R1 = 4,3 кОм.
При расчете шунтирующего резистора R2, который вводится в схему для ускорения процесса выключения транзистора VT1 и для повышения поме-
хоустойчивости, учитывается факт частичного протекания входного тока через R2, поэтому выражение для R1 примет вид: R1 = (Uвх-Uбэнас) / (Iб+IR2) =
Шех-Шемас) / (!б+ Uбэнас/R2).
Так, если R2 = 1 кОм, то R1= (5В-0,65В)/(0.001А+0,65 В/1000Ом) =
2636 Ом = 2,6 кОм. Тогда, согласно ряду сопротивлений E24, R1 = 2,7 кОм.
Мощность, выделяемая на VT1, определяется как: P = Ь^кэнас.
Значение ^онас при токе 68 мА составляет 0.04 В, тогда P = 0,04В*0,068А = 0, 0027 Вт, что значительно меньше допустимого значения Pкmax = 1 Вт.
Таким образом, были рассчитаны параметры ограничителя тока светодиода, позволяющего управлять процессом освещения растений. Сделан обоснованный выбор блока коммутации с расчётом его параметров, с помощью которого осуществляется управление процессом подачи питательного раствора к корневой системе растений.
Предложенная система аэропонного выращивания растений, включающей датчики и исполнительные системы, позволяет оперативно выбирать стратегию управления, в реальном времени изменять регулируемые параметры, накапливать большие количества информации для анализа и тем самым способствовать созданию оптимальных условий для выращивания растений. Перечисленные возможности позволяют использовать данную систему при лабора-торно-полевых исследованиях новых видов растений, изучении свойств сельскохозяйственных культур, выведении новых сортов.
Использование в предложенной системе элементов и узлов, повышенной мощности, позволит использовать ее для эксплуатации в условиях различных фермерских хозяйств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Жестков А.Е., Чайковский В.М., Князьков А.В., Система автоматизированного выращивания растений аэропонным методом // Труды международного симпозиума Надежность и качество Том 2 - Пенза: Изд-во Пензенского филиала ФГБОУ ВПО РГУИТП, 2017.
2. Понятие аэропоники, история и преимущества метода // Академик, 2010 http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1363533
3. Техническое описание микроконтроллера семейства PSOC4 // Cypress Semiconductor Corporation, Document Number: 001-87197 Rev. *G http://www.cypress■com/file/13 8 65 6/download
4. Мураш И. Г. Аэропоника в теплицах.- М.: Моск. рабочий, 1964.—95 с
5. Техническое описание драйвера AL8805 // Document number: DS35030 Rev. 4 -2 https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Components/LED/AL8 8 05.pdf
6. И.Бахарев, А.Прокофьев, А.Туркин, А.Яковлев. Применение светодиодных светильников для освещения теплиц: реальность и перспективы // СТА-ПРЕСС 2010, №2
7. В.П.Миловзоров Электромагнитные устройства автоматики. - М.: Высш школа, 1983 г.
8. Москатов Е. А. Справочник по полупроводниковым приборам.
УДК 618.21
Паршиков А.А. , Кочемазов А.Ю. , Андреев П.Г. , Гришко А.К.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ РАДИО И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ВОЕННОМ ДЕЛЕ
В статье рассмотрены исторические аспекты развития радио и его применения в военном деле с 1897 год и первой мировой войны. Данный материал полезен для комплексного осмысления вопросов развития информационных технологий и радиоэлектронных средств Ключевые слова:
РАДИО, РАДИОЭЛЕКТРОННОЕ СРЕДСТВО, ИСТОРИЯ, ВОЕННОЕ ДЕЛО
7 мая (25 апреля по старому стилю) 1895 года российский физик Александр Степанович Попов на заседании физико-химического общества продемонстрировал беспроводную удалённую регистрацию электромагнитных колебаний от разряда молнии на собранный им элементарный приёмник. Впервые эта дата была торжественно отмечена в СССР в 1925 году, а с 1945 праздник ежегодно отмечают преподаватели, студенты и выпускники всех радиофизических факультетов России, а также радиолюбители. Знание истории развития радио позволяет более комплексно осмыслить проблемы сегодняшнего развития информационных технологий и радиоэлектронных средств, повысить эффективность отдельных видов связи и систем радиосвязи на основе геоинформационного анализа рельефа местности [1, 2, 3].
Первым шаг в радио был сделан в 19 веке и до сих пор оно развивается и используется в различ-
ных областях, таких как военное дело. Исследования в этой области привели к созданию и изменению принципов ведения боевых действий, которые оказывают влияние на исход сражения и войны. Например, радиоэлектронная борьба, радионавигация, радиоуправляемое оружие, создания помех.
К созданию радио приложили руку немало ученых, такие как Лодж, Эдисон, Тесла, Герц и другие. Однако, в странах СНГ в том числе и России считают, что изобрел все - таки Попов. Но вклад других ученых нужно учесть, так как без их исследований радио задержалось бы на десятилетия и более.
Первоначально исследования Попова носили научный характер, т.е. исследовательский, поэтому одно из первых устройств для проведения повторных опытов Лоджа, было создано в лекционных целях.
