СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ В ПОМЕЩЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 62 Кетев В.В., Бушмагина М.А.

Кетев В.В.

магистрант кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем Иркутский национальный исследовательский технический университет

(г. Иркутск, Россия)

Бушмагина М.А.

студент Химического факультета Иркутский государственный университет (г. Иркутск, Россия)

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ В ПОМЕЩЕНИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОКОНТРОЛЛЕРА

Аннотация: в данной работе разработана и реализована система управления температурой в помещении с использованием микроконтроллера и беспроводной связи. Рассмотрены особенности выбора микроконтроллера, компонентов системы, а также алгоритмы управления и взаимодействия с пользователем через мобильное приложение. Приведены схемы и примеры реализации, включая использование датчиков температуры и реле для поддержания заданных температурных условий.

Ключевые слова: система управления, температура, микроконтроллер, беспроводная связь, мобильное приложение, датчик, реле, облачное хранилище.

Манипуляторы с микроконтроллерным управлением.

Предмет нашего обзора - «Манипуляторы с микроконтроллерным управлением». Манипулятор с МУ (микроконтроллерным управлением) - это механизм (или машина), который предназначен для выполнения двигательных функций, управляемый человеком или программой через микроконтроллер.

Манипуляторов с микроконтроллерным управлением - уже огромное количество. Существуют разные виды механических конфигураций с различными контроллерами. Тем не менее, изобретаются новые устройства с дополнительными функциями. Основная цель данных изобретений - упростить жизнь человеку, избавив его от тяжелой и кропотливой работы.

Подавляющее большинство сегодняшних коммерчески доступных роботов обладают одной из пяти основных конфигураций [1-2] (рисунок 1): полярная конфигурация, цилиндрическая конфигурация, конфигурация декартовых координат, конфигурация шарнирного рычага [3], Беага.

Рисунок 1: Пять основных анатомий роботов: (а) полярная 15.1 цилиндрическая (в) декартова, (г> шарнирно-рычажнай |ц) ЗСАЯА.

Рисунок 1. Основные конфигурации манипуляторов.

Движения роботов можно разделить на две основные категории: движения рук и тела и движения запястья. Отдельные движения суставов, связанные с этими двумя категориями, иногда обозначаются термином «степени

свободы», и типичный промышленный робот оснащен от 4 до 6 степеней свободы.

Но одними их самых известных и востребованных манипуляторов параллельной структуры являются манипуляторы, выполненные в виде платформы Гью - Стюарта [4]. Как правило, подобные платформы называются гексаподами, которые обладают тремя поступательными и тремя вращательными степенями свободы. Наиболее распространенными компоновками гексаподов являются октаэдр (рис. 2, а) и усеченная шестигранная пирамида (рис. 2, б) [5]. У таких гексаподов число шарнирных узлов, к которым крепятся концы опор, на платформе и основании совпадают. Благодаря большой жесткости компоновка в виде октаэдра широко используется в металлорежущих станках гексаподах и различных подъемных механизмах. Пирамидальная компоновка из-за недостаточной жесткости применяется в менее ответственных установках, в которых изготовление сложных составных шарниров неоправдано. Однако она широко используется при расчетах и анализе кинематических и динамических характеристик механизмов параллельной структуры. Вместе с тем на практике можно встретить и промежуточный вариант компоновки (рисунок 2, в).

а) б) 4)

Рисунок 2. Варианты компоновки гексаподов.

Как можно было увидеть, существует достаточное количество конфигураций, каждая из которых находит свое применение в определенной области. Но для каждой из компоновок нужно подобрать индивидуальное решение работы микроконтроллера.

Микроконтроллер [6] - это такая микросхема, предназначенная для выполнения различных функций. Данная микросхема работает в соответствии с заложенной в нее программой, которую создает программист. Микроконтроллер может в себе содержать различное количество так называемых периферийных модулей, которые определяю его возможности, а также стоимость. К периферии микроконтроллера относятся, например: АЦП (аналого-цифровой преобразователь), различные таймеры [7], аналоговый компаратор, UART (по-простому говоря COM-порт), USB, CA№ т.д.

Хотелось бы начать разбор систем управления с робота-руки [8] (рисунок

3).

Рисунок 3. Робот-рука.

При проектировании системы управления приводом робота манипулятора автор использовал шесть исполнительных механизмов, состоящих из трех сервоприводов Бупаш1хе1 АХ-12А, одного сервопривода Вупаш1хе1 ХЬ-320, одного шагового двигателя №МА-17 и одного шагового двигателя Э8-МОТОР80. Всем приводом можно управлять через плату микроконтроллера Агёшпо МБОА2560, а макетная плата используется для подключения всех

компонентов, необходимых для сборки робота-манипулятора. Кроме того, электрическая цепь может быть составлена из всех компонентов робота-манипулятора, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4. Электрическая схема робота манипулятора.

При создании командного кода для сервопривода Dynamixel AX-12A используется библиотека Dynamixel Serial, а для сервопривода Dynamixel XL-320 — библиотека XL-320. Скорость последовательной связи установлена на уровне 1 Мбит/с для работы системы управления сервоприводами и

используется скорость последовательной связи для чтения обратной связи 115200 бит/с. Кроме того, возможно управлять сервоприводами, с помощью определенного количества импульсов, которые будут вращать сервопривод на определенный угол, а также выполнять настройки скорости вращения сервопривода.

Далее, рассматривается система управления робота пропольщика [9].

В основу верхнего уровня положен микрокомпьютер Raspberry Pi 3 Model B. Этот микрокомпьютер основан на процессоре Broadcom BCM2837 с четыре 64-битными ядрами ARM Cortex A-53, работающими на частоте 1.2 ГГц, имеет 1 Гб оперативной памяти, порты USB, RS-232, I2C и GPIO, встроенный блок Wi-Fi. Использование в системе управления полноценного микрокомпьютера вместо микроконтроллера позволяет реализацию достаточно сложных алгоритмов управления, таких как машинное зрение. Автор, конечно, приводит еще доводы для использования именно Raspberry PI вместо привычного Ардуино, но они не имеют смысла, так как функции такие как WI-FI тянет обычный микроконтроллер.

Нижний уровень системы управления обеспечивает непосредственное управление исполнительными механизмами робота-пропольщика. Исполнительные механизмы робота-пропольщика разделены на две группы (рис 5). Первую составляют линейные актуаторы, используемые в конструкции манипулятора, а вторую - серводвигатели, обеспечивающие горизонтальное перемещение робота. Исходя из различных предназначений исполнительных механизмов выбраны разные виды обратной связи. Для двух ходовых степеней свободы используется обратная связь на оптических энкодера, позволяющая реализовать одометрическую навигацию в дополнение к GPS для повышения точности движения. Для четырех приводов манипулятора выбрана обратная связь на потенциометрах. Это решение обусловлено тем, что инкрементные оптические энкодеры измеряют относительные приращения, но не позволяют сразу узнать абсолютное положение, это оптимально для ходовых приводов, но

неприемлемо для манипулятора, который необходимо контролировать именно по абсолютному положению.

Рисунок 4. Функциональная схема системы управления робота-пропольщика.

К сожалению, автор не представил электрической схемы своего устройства, а в функциональной допустил ошибки, такие как- последовательное включение контроллеров, так как нету смысла напрягать промежуточный контроллер для передачи данных на следующий. Также, хотелось бы добавить, что можно было бы загрузить микрокомпьютер Raspberry PI управлением приводами манипуляторов, мощности хватило бы, но была бы экономия средств.

Как мы считаем, доступно описал моделирование работы контроллера автор статьи" Автоматизированная система управления манипулятором" [10].

Контроллер сервоприводов спроектирован на базе микроконтроллера Atmega-16. Управляющие ШИМ-сигналы на сервоприводы поступают с восьми выводов порта С микроконтроллера. Для индикации рабочих состояний, а также ошибок к выводу PB0 подключен светодиод. Прием управляющих сигналов с компьютера осуществляется через порт COM1. При помощи программного средства Proteus создана электрическая модель контроллера сервоприводов (рис. 6).

Рисунок 5. Блок-схема алгоритма работы таймера.

Рисунок 6. Схема моделирования контроллера в программе Proteus.

ill;-1

1 1 □ V»" UmtvHW btflk Zbt^iOoT 1.ЩН1 Arafcu W-1 П _

W-. J L........_I~L.......

W- Г П _n

к-» 3 YtvJ ЛК b* J СЗшмг ■s Г г — с Спил cdilni Ira 1 П г

W- П ■ ■ Г1 ■ n

- П П rL

U—,......П..........П..... ^- П П ' ГТ n

Ire: 7?-1 М1ШШШШ ШМ JLfU II .11. 1П1Ш II ¡l-HII I J' nil J1IU.II. .1.1

Ш

I L

Рисунок 7. Результат моделирования работы микроконтроллера.

Порт COMPIM подключается к существующему сот-порту компьютера. При отладке данный порт подключается к виртуальному сот-порту, созданному программой Virtual Serial Ports Driver. В среде отладки VMLAB промоделирована работа программы микроконтроллера. Использована возможность выполнения инструкций в пошаговом режиме, а также наличие виртуального осциллографа и терминала соединения RS-232. Измерена ширина импульса, подаваемого на первый двигатель (рис. 7), она составляет 2,2 мкс. Для отладки и тестирования работы различных элементов управления разработана виртуальная САУ, которая будет использована при исследовании устройств параллельной структуры. Разработанная виртуальная САУ позволяет провести отладку и тестирование элементов системы управления до создания электронных устройств. После отладки элементов системы управления на виртуальной модели создан контроллер. Используя написанную программу, реализовано управление сервоприводами. Главным результатом моделирования стала работоспособность созданного прототипа, а также отработка углов поворота сервоприводов с заданной точностью.

После небольшого обзора было выяснено, что к разным проектам нужно подбирать соответствующие контроллеры, что бы одновременно хватало мощности для обработки данных, когда данный контроллер загружен сложными процессами, и в то же время не было избытка мощности, чтобы не терять в средствах.

Далее, хочу отметить, что управление манипуляторами возможно не только локально или программно, но и дистанционно [11-12]. Такая система управления состоит из трех программных модулей (рис. 8): модуль управления электрическими приводами, приводящими в движение звенья манипуляционного устройства, модуль обработки пришедших в микроконтроллер команд, модуль пользовательского интерфейса управления манипуляционным устройством.

Рисунок 8. Структура СУ.

Модуль управления сервоприводами хранится в памяти микроконтроллера и представляет собой класс, описывающий функции для управления сервоприводами, установленными на звеньях манипулятора. Модуль обработки пришедших команд также хранится в памяти микроконтроллера и обеспечивает обмен данными со смартфоном. В данной подсистеме реализуется посимвольная обработка пришедшей команды и формирование соответствующего на нее ответа. Модуль пользовательского интерфейса обеспечивает передачу информации между человеком-пользователем и микроконтроллером, управляющим манипуляционным устройством. Главной

задачей пользовательского интерфейса является взаимодействие человека с манипулятором. Интерфейс пользователя хранится на смартфоне в виде приложения (рисунок 9), которое позволяет осуществлять следующие взаимодействия с манипуляционным устройством: управление в ручном режиме, настройка скорости перемещения звеньев, управление в позиционном режиме, получение данных о текущем положении манипулятора.

1 Р.Ч 1Р ЕЛфС-=ГА Л

ВДЧР Ш Г.'|> 1И -т^иЧ

ЛХН .:..т1>у № ; я н ЦК к Иннн

>1 Д-' ■.■ ■>:■: 'н ■:■ ^УП

Эи-г УЛ "Н -.нр -■■ 1 у ■■ ■■ Н-1^ Чв-|

гоцкк и ■■ гт^гч ил.

РуурЧ&ё улрвашше

®0|внн а в в

ВН В Я в

I в-ат- I .-.1." ■._ ■ ■ у. ■ иу.1 >л;, ".".> п "и " .V.

Рисунок 9. Эскиз интерфейса пользователя.

Постановка задачи.

На основе изученной литературы требуется разработать и реализовать собственное устройство, которое включает себя выбор микроконтроллера, компонентов и налаживание беспроводной связи между устройством и пользователем.

Методы решения поставленной задачи.

На рисунке 10 показана блок-схема реализованной системы. Она состоит из приложения на смартфоне, облачного сервера, микроконтроллера еБр 8266 с ^ш-й модулем, датчиков температуры и исполнительного устройства в виде реле. Роутер выбирается пользователем, используется как промежуточное звено и к разработанной системе не принадлежит.

В следующих параграфах описан каждый элемент системы.

Рисунок 10. Блок схема реализованной системы. Приложение на смартфоне

В качестве приложения, через которое управляется система, было выбрано гешо1еХУ. Для создания интерфейса был использован редактор от того же производителя. На рисунке 11 показан главный экран приложения.

Рисунок 11 Главный экран приложения.

Так как система используется в двухзонном регулировании температуры, то все объекты на главном экране дублируются. В графе «edit» требуется ввести температуру, которую желает поддерживать пользователь. В графе «text» отображается фактическая температура в определенной зоне. Индикатор on/off показывает состояние обогревателя, включен он или выключен.

Облачный сервер.

В качестве облачного сервера был использован сервер cloud.remotexy.com. В нем создан токен, с помощью которого идет обмен данными между контроллером и смартфоном. А также присвоены порт устройства и порт приложения.

Плата с микроконтроллером ESP 8266 и встроенным wi-fi модулем

Изображение микроконтроллера приведено на рисунке 12.

Рисунок 12. Микроконтроллер esp8266.

Характеристики микроконтроллера: Протоколы: 802.11 b/g/n/e/i. Диапазон частот: 2.4 ГГц - 2.5 ГГц. Процессорное ядро: Tensilica L106 32 разряда. Диапазон напряжений питания: 2.5 В - 3.6 В. Среднее потребление тока: 80 мA. Режимы WiFi: Station/SoftAP/SoftAP+Station. Безопасность: WPA/WPA2. Шифрование: WEP/TKIP/AES.

Обновление прошивки: через UART, по радиоканалу (OTA - Over The Air).

Сетевые протоколы: IPv4, TCP/UDP/HTTP/FTP. Поддержка WiFi Direct (P2P), P2P Discovery, P2P GO (Group Owner) mode, GC (Group Client) mode, P2P Power Management.

• Встроенные аппаратные ускорители: CCMP (CBC-MAC, режим счётчика), TKIP (MIC, RC4), WAPI (SMS4), WEP (RC4), CRC.

Данная плата была выбрана из-за встроенного wi-fi модуля и возможности программировать его через доступную среду Arduino IDE. Датчик температуры D18B20. Изображение датчика приведено на рисунке 13.

Рисунок 13. Датчик температуры D18B20.

Характеристики датчика температуры:

• Напряжение питания: 3У-5.5У,

• Протокол обмена данными: 1-^ге,

• Способ подключения: прямой / по одной линии с паразитным питанием,

• Разрешение преобразования температуры: 9 бит - 12 бит,

• Диапазон измерения температуры: от -55 до +125 °С,

• Период измерения температуры при максимальной точности 12 бит: 750 мС,

• Тип индексации на линии 1-^ге: уникальный 64-битный адрес,

• Есть возможность программирования диапазона тревожного сигнала.

Данный датчик был выбран из-за минимального напряжения питания в 3 В, которое может выдавать микроконтроллер и подходящего диапазона измерения температуры. Реле.

Изображение реле приведено на рисунке 14.

Характеристики реле:

• Допустимая нагрузка: 10 А 250 В ~10 А 30 В БС / 10 А 125 В АС ~ 10 А 28 В БС,

• Управляющая сила тока: 15-20 мА,

• Управляющее напряжение: 5 В,

• Время срабатывания реле при включении: до 10 мс,

• Время срабатывания реле при выключении: до 5 мс,

• Скорость переключений (мех.): до 300 операций/мин,

• Скорость переключений (Эл.): до 30 операций/мин.

Для системы было необходимо высокомощное реле, так как обогревательные элементы имеют токопотребление 1-1,5 кВт. Что в перерасчете на силу тока дает 1500 Вт/220 В = 6,82 А.

Данное реле входит в допустимые параметры и имеет запас, что обеспечивает безопасность.

Рисунок 14. Реле 10С-3ЕЕ-8-7.

Управляющее напряжение 5 В, что выше максимального напряжения на микроконтроллере. Но на практике было выявлено, что 3,3 В достаточно для бесперебойной работы. Подключение

Принципиальная схема системы приведена на рисунке 15.

Рисунок 15. Принципиальная схема системы.

В таблице 1 приведено подключение управляющих и информационных сигналов:

Датчик температуры 1 (ВБ1)-08.

Таблица 1. Подключение сигналов.

Датчик температуры 1 (ББ1) Б8

Датчик температуры 2 (ББ2) Б7

Реле 1 (ЯЬ1) Б2

Реле 2 (ЯЬ2) Б1

Питание подключено параллельно на все устройства и идет напрямую от платы контроллера. Программа.

На рисунке 16 приведена блок схема программы.

Отправка Еегпр и tempi на экран

Отправка данных для перевода индикатора 1 в режим оЯ

Отправка данных для перевода индикатора 1 в режим оп

Отправка данных для перевода индикатора 2 в режим сА

Рисунок 16. Блок схема программы.

Как видно по блок схеме, все действия происходят через интерфейс на телефоне, и пользователь может быть уверен, что все находится под его контролем.

Выводы.

После разработки имеется созданное устройство, которое может использоваться для поддержания температуры многокомнатного помещения в холодное время года. Ниже представлены результаты. На рисунке 17 изображен прототип устройства.

Рисунок 17. Прототип устройства.

На рисунке 18 видно, что устройство отсылает фактические данные о температуре на интерфейс устройства.

Рисунок 18. Отображение работы интерфейса устройства.

После ввода желаемой температуры поддеражания в одной зоне, устройство замыкает первое реле (Рисунок 19) и переводит индикатор на интерфейсе в режим оп (Рисунок 20).

Рисунок 19. Индикация замыкания первого реле на прототипе устройства.

Рисунок 20. Изменение состояния индикатора на интерфейсе устройства. Аналогично происходит, если ввести желаемую температуру второй зоны. Замкнется второе реле (Рисунок 21), и второй индикатор перейдет в режим оп.

(Рисунок 22).

Рисунок 21. Индикация замыкания второго реле на прототипе устройства.

16:25 О Б О

$ © ,.||[ щ СЮ

< 51ЬЬШе6ШссЬ0бс)ссбЗЬЬГе1

2а

Введите температуру 1

36 [X

Введите температуру 2

Рисунок 22- Изменение состояния второго индикатора на интерфейсе устройства.

Реле должны быть установлены в разрыв фазы обогревающего элемента. В следствии чего, при их замыкании будет включаться обогрев, и температура воздуха подниматься. После достижения желаемой температуры. Реале разомкнется и обогревательный элемент выключится и будет включаться при небольшом падении температуры. В следствии чего Желаемая температура, которую ввел пользователь будет поддерживаться автоматически.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. A.R. Al-Ali, M.A. Jarrah, R. Dhaouadi. Microcontroller-operated anthropomorphic manipulator with haptic feedback. // doi: 10.1016/j.rcim.2005.09.004;

2. Thiang, Handry Khoswanto, Edwin Pangaldus. Position Control of a Manipulator Using PID Control Algorithm Based on ATmega8535 Microcontroller. // International Conference on Instrumentation, Control & AutomationICA2009 (Доступно на https://www.researchgate.net/publication/43649768);

3. Afonso Henriques Fontes Neto Segundo, Joel Sotero da Cunha Neto, Reginaldo Florencio da Silva, Paulo Cirillo Souza Barbosa, Raul Fontenele Santana. Desenvolvimento de um braco manipulador robotico. // Ciencias exatas e tecnológicas | Aracaju | v. 3 | n. 3 | p. 85-94 | Outubro 2016 | periodicos.set.edu.br;

4. Robert Karamagi. Automatic Pick and Place Robot Manipulation Using a Microcontroller. // DOI: 10.4172/2168-9679.1000408;

5. Прокопович, Г. А. Разработка системы управления учебным роботом-манипулятором параллельной структуры с применением технологии модельно-ориентированного проектирования / Г. А. Прокопович // Информатика. - 2019. - Т. 16, № 4. - С. 99-114;

6. Dr. Mathhew K., Dr. Willis J. Design and construction of a microcontroller- based five degrees of freedomrobotic arm using servo motors. // NICHOLUS KARIUKI NDWIGA (B. Ed (Sc.)) I56/CE/28336/2013;

7. Rajeev Agrawal, Koushik Kabiraj, Ravi Singh Modeling a Controller for an Articulated Robotic Arm. // DOI: 10.4236/ica.2012.33023;

8. Gandjar Kiswanto, Fachryal Hiltansyah, Muhammad Ramadhani Fitriawan, Ramandika Garindra Putra, Christiand, Shabrina Kartika Putri Development of Robotic Arm Manipulator Control System for Micromilling Tool Wear Monitoring Based on Computer Vision. // DOI: 10.1109/|ICMRE51691.2021.9384833;

9. Иванов А.Г., Воробьева Н.С., Жога В.В., Павловский В.Е., Павловский Е.В. Синтез алгоритма управления приводами манипулятора параллельно-последовательной структуры мобильного робота-пропольщика. // Известия НВ АУК. 2020. 4(60). 449-459. DOI: 10.32786/2071-9485-2020-04-42;

10. Р.А. Мирзаев, Н.А. Смирнов Автоматизированная система управления манипулятором. // Автоматизированная система управления манипулятором-2013.- Т. 14, № 2 -C. 201-205;

11. Потемкин Михаил Сергеевич, Бушманов Александр Вениаминович. Разработка программного обеспечения для управления манипуляционным устройством" Рука". // DOI: 10.22250/jasu.95.7;

12. F Sánchez-Niño. Manipulator Controlled since a Smartphone by Bluetooth. // doi: 10.1088/1742-6596/582/1/012035

Ketev V. V., Bushmagina M.A.

Ketev V.V.

Irkutsk National Research Technical University (Irkutsk, Russia)

Bushmagina M.A.

Irkutsk State University (Irkutsk, Russia)

CONTROL SYSTEM ROOM TEMPERATURE USING A MICROCONTROLLER

Abstract: in this work, a room temperature control system using a microcontroller and wireless communication has been developed and implemented. The features of choosing a microcontroller, system components, as well as control algorithms and user interaction through a mobile application are considered. Diagrams and implementation examples are provided, including the use of temperature sensors and relays to maintain specified temperature conditions.

Keywords: control system, temperature, microcontroller, wireless, mobile application, sensors, relays, Wi-Fi, cloud storage, Arduino, ESP8266.