Система для управления микроклиматом в теплице. Система управления микроклиматом

Smart house – одна из наиболее популярных на сегодняшний день тенденций. И одна из наиболее важных ее частей – управление микроклиматом дома. Кажется, что это громоздкая и сложная система, однако благодаря современным гаджетам стремительно умнеет даже обычная квартира.

Более 50 лет назад в сознании фантастов сформировалась идея дома, который сам заботится о своем хозяине и управляется автоматически. Сейчас умные дома – это реальность. И, пожалуй, первое, что человек настраивает в своем доме под себя – это атмосферу. В общем систему управления климатом в умном доме можно разделить на три блока: , кондиционирование и отопление. Существуют два подхода к «апдейту» микроклимата: рассмотрим оба.

Такой способ «интеллектуализации» предполагает отдельную модернизацию каждого направления с созданием индивидуальных алгоритмов работы для тепла, холода и подачи воздуха. От частей – к целому.

Прежде чем учить вентиляцию новым трюкам, стоит озадачиться ее качеством в общем. Стандартная вытяжка, расположенная в большей части городских квартир, к обучению, к сожалению, не пригодна, так как работает только на вывод отработанного воздуха.Tion работает над решением этой задачи, мы разрабатываем простое и эффективное решение по автоматизации вытяжки. Однако сейчас система умного дома может интегрироваться в существующую вентиляцию, если она установлена. Существующие на рынке решения выглядят следующим образом: Вы можете внедрить «умный» шлюз для соединения с интерфейсом (средняя цена шлюза – несколько сотен евро) или заменить управляющий контроллер на датчик умного дома. Первое решение предполагает капитальные изменения, второе обойдется мелким ремонтом. В дальнейшем предполагается занесение пользователем в интерфейс желаемых параметров воздуха и автоматическое их поддержание, либо возможность дистанционного включения и отключения устройств.

Система охлаждения стандартно внедряется в вентиляцию, присоединяя к воздушному каналу охлаждающее оборудование. Для ее внедрения необходима и сама качественная вентиляция, и дополнительное место в стенах или над потолком – для установки охлаждающих автоматов.

В принципе, схема интеграции в систему отопления сходна с вентиляцией. На стадии ремонта либо постройки дома возможно заложить общий «интеллект» для всей отопительной системы либо оснастить датчиками уже существующую. В большинстве случаев, система управляется с настенной панели-термостата (цифровой или механической) и позволяет выставлять желаемую температуру. Наиболее прогрессивные решения перенесли интерфейс управления в смартфон.

Дедуктивный подход

Система управления климатом в умном доме может быть и совершенно иной – простой и понятной, а ее установка не потребует снесения стен и выселения соседей. Дедуктивный принцип позволяет посмотреть на ситуацию с другой стороны и управлять климатом исходя из состояния помещения, а не настроек работы конкретного оборудования

Система управления климатом в доме основана на одной станции, которая с помощью встроенных датчиков собирает данные о состоянии базовых параметров атмосферы в доме – уровне углекислого газа, температуры и влажности. Все данные передаются на облачный сервер, и посмотреть их можно как на планшете или компьютере в веб-интерфейсе, так и в приложении на смартфоне. Таким образом, станет понятно, жарко или душно в помещении, и какую технику лучше включить – вентиляцию или кондиционер.

Управление климатом осуществляют в данном случае исполнительные приборы: бризеры, кондиционеры, увлажнители и обогреватели – все то, что уже стоит в доме человека, заинтересованного в комфорте личной атмосферы.

Сама система управления климатом интегрируется в эти устройства и автоматически управляет ими. Все просто – в одном интерфейсе задаются нужные параметры для здоровой атмосферы, рекомендации по уровню углекислого газа и влажности Вы найдете в приложении, уровень температуры настраивается под личные предпочтения. В дальнейшем следит за поддержанием этих параметров и при отклонении от Ваших предпочтений сама запускает исполнительные приборы.

Система управления климатом, выстроенная таким образом, имеет, пожалуй, одно основное возражение: базовая станция собирает данные только в одной комнате, для больших квартир и многокомнатных домов такое решение теряет свою привлекательность. Однако эта проблема уже решена – сбор данных в помещении могут проводить специальные , а затем передавать эти данные на базовую станцию для анализа и управления климатом.

Система управления климатом в умном доме действительно должна быть умной. Комплекс устройств Tion легко интегрируется в любую квартиру, позволяет настраивать и поддерживать климат-контроль парой кликов в приложении и стоит меньше, чем крыло от самолета.

Система управления микроклиматом помещений внутри зданий направлена на регулирование климатом внутри здания, повышение или понижение температуры, повышение точности регулирования микроклимата помещений внутри здания и, как следствие, снижение затрат электрической энергии, за счет того, что система содержит нагреватель, охладитель, вентилятор подачи воздуха, нечеткого контроллера, вход. которого соединен с выходом мультиплексора, а выход соединен с охладителем, нагревателем и вентилятором, причем вентилятор выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных.

Полезная модель относится к области регулирования температуры и влажности в помещении, в частности для централизованного использования в больших зданиях и сооружениях.

Известна система, действие которой основано на применении нечеткого регулирования в системе отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК). Система управления состоит из двух групп датчиков температуры, влажности, кислорода и частиц пыли внутри помещения, двух групп двигателей кондиционера и вытяжной вентиляции, блока фаззификации, блока нечеткой логики с блоком базы правил, блока дефаззификации. Действие регулятора основано на том, что по разнице между температурой и влажностью внутри помещения и снаружи, а так же по качеству воздуха внутри помещения - содержание кислорода и пыли принимается решение, основанное на базе правил по управлению приводами кондиционера и вытяжной вентиляции. Система имеет четыре входа и два выхода. Эта система описана в работе FUZZY EXPERT SYSTEM DESIGN FOR OPERATING ROOM AIRCONDITION CONTROL SYSTEMS, Ismail Saritas, Nazmi Etik, Novruz Allahverdi, Ibrahim Unal Sert, International Conference on Computer Systems and Technologies - CompSysTech" 07 pp. IIIA.1-1 - IIIA.1-8

Недостатком этой системы является излишняя сложность, наличие более чем одного входа и одного выхода, отсутствие регулирования мощности вентилятора.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной системе является система управления, взятая за прототип, состоящая из датчиков температуры и влажности, двух блоков фаззификации - для температуры и для влажности, нечеткого блока с базой правил, трех блоков дефаззификации - для нагревателя, охладителя и увлажнителя. Вся система охвачена отрицательной обратной связью. Работа системы управления климатом помещения происходит в двух различных режимах, первый режим - режим с нечетким П-контроллером, второй режим - режим с нечетким ПИ-контроллером. Данная система управления описана в работе Fuzzy Logic Control of Building Management Systems, G.S.Virk, A.B.Ghazali and D.Azzi, UKACC International Conference on CONTROL"96, 2-5 September 1996, Conference Publication No.427©IEE 1996 pp.580-585.

Недостатками данной системы управления являются то, что и системе не предусмотрена регулировка мощности вентилятора, приводящая к чрезмерному расходованию энергии и отсутствует математическая модель здания.

Задача полезной модели - регулирование климатом внутри здания, повышение или понижение температуры, повышение точности регулирования микроклимата помещений внутри здания и, как следствие, снижение затрат электрической энергии, за счет эффективного проектирования ОВК для конкретного объекта. При этом система управления энергоснабжением здания приобретает признаки искусственного интеллекта. С помощью искусственного интеллекта система способна оценивать, диагностировать и предлагать оптимальный режим работы оборудования. Таким образом, использование управляющих контроллеров систем ОВК, построенных на принципах нечеткой логики, приводит к значительной экономии электроэнергии.

Поставленная задача решается тем, что в системе управления микроклиматом помещений внутри здания, состоящей из нагревателя, охладителя, вентилятора подачи воздуха, нечеткого контроллера, вход нечеткого контроллера соединен с выходом мультиплексора, а выход соединен с охладителем, нагревателем, вентилятором, причем вентилятор выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных, причем правила построены так что заданное множество дискретных величин разбито на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения, соответственно.

На фиг.1 представлена общая структура системы управления климатом внутри здания.

На фиг.2 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «температурная ошибка».

На фиг.3 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «ошибка перепада температуры».

На фиг.4 представлены лингвистические переменные и функции принадлежности «напева и охлаждения».

На фиг.5 представлены значения лингвистические переменные и функции принадлежности скорости вентилятора.

На фиг.6 представлена база правил для скорости вентилятора.

Система управления состоит из блоков - охладителя 1, нагревателя 2, регулируемого вентилятора 3, обеспечивающего подачу воздуха, нечеткого контроллера 4, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования 5, а выход соединен с блоками - охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемым вентилятором 3, датчика температуры 6, расположенного в зоне регулирования 7. Выходы 8, 9, 10 блоков соответственно - охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемого вентилятора 3 соединены с зоной регулирования 7 и осциллографами 11 и 12. Переключатель 13 блока охладителя 1 и переключатель 14 блока нагревателя 2 предназначены для переключения режимов работы блока охладителя 1 и блока нагревателя 2. Блок мультиплексирования 15 соединен с блоком осциллографа 16. Блок осциллографа 17 с выходом сумматора 18. Входы мультиплексора 5 соединены с выходом 19 дифференциатора 20 и выходом 21 сумматора 22. Выходы 23, 24, 25 нечеткого контроллера 4 соединены с блоками охлаждения 1, регулируемого вентилятора 3 и нагревания 2. Переключатель 13 имеет входы 26, 27 и 28. Переключатель 14 имеет входы 29, 30 и 31.

Работа системы управления климатом внутри здания производится следующим образом.

Воздух из атмосферы поступает через блоки охладителя 1, нагревателя 2 и регулируемого вентилятора 3 и подается в зону регулирования 7. Качество воздуха обеспечивается нечетким контроллером 4 и контролируется датчиками температуры 6.

Сигнал ошибки температуры на выходе 21 сумматора 22 получается путем вычитания в сумматоре 22 сигнала датчика температуры 6 и величины заданной температуры. Далее сигнал ошибки температуры с выхода 21 поступает на блок вычисления первой производной дифференциатора 20 и напрямую в блоки мультиплексирования 5 и 15. Выход 19 блока вычисления первой производной дифференциатора 20 поступает на вход блока мультиплексирования 5. С блока мультиплексирования 5 сигнал поступает на нечеткий контроллер 4, после обработки и демультиплексирования соответственно сигналы с выходов 23, 24 и 25 поступают в блок охлаждения 1, блок регулируемого вентилятора 3 и блок нагревателя 2.

Блоки охладителя 1 и нагревателя 2 по величине заданного порога определяют, какие лингвистические переменные для нагрева или охлаждения посылаются из нечеткого контроллера 4 за определенный промежуток времени. Дискретные сигналы с выходов 8, 9 и 10 также идут на осциллографы 11 и 12, которые отражают состояние переменных во время работы.

Переключатель 13 блока охладителя 1 служит для включения и выключения охлаждения но заданному пороговому значению, а переключатель 14 блока нагревателя 2 - для включения и выключения нагревания по заданному пороговому значению. Если величина сигнала на центральном уровне (пороговый вход 27) переключателя 13 блока охладителя 1 выше заданной величины, то переключатель посылает сигнал на верхнюю линию (вход 26), и, если сигнал ниже заданной величины, или равен ей - на нижнюю линию (вход 28). Если величина сигнала на центральном уровне (пороговом входе 30) переключателя 14 блока нагревателя 2 выше заданной величины или равна ей, то переключатель посылает сигнал на верхнюю линию (вход 29), и, если сигнал ниже заданной величины - на нижнюю линию (вход 31). Таким образом, мы разбиваем заданное множество дискретных величин на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения, соответственно.

Работа системы состоит в определении значения температуры, соответствующей управляющему воздействию на цифро-аналоговом преобразователе контроллера, по следующим входным переменным: е (разница между заданной и текущей температурой), e (первая производная изменения температуры за время вычислительного цикла).

e(t)=Т зад (t)-Т тек (t),

где T зад - заданная температура, °С; T тек - текущая температура, °С.

Скорость изменения температуры:

где t - текущее значение времени измерения, c.

Определим для нечетких лингвистических переменных e, e нечеткие множества с соответствующими идентификаторами для функций принадлежности µ(e), µ(e). Построим две функции принадлежности. В одном случае аргументом является разность температур (e) (фиг.2), а во втором - скорость изменения температуры (e) (фиг.3). Для первой функции диапазон температур составляет от -6 до 8°С, для второй от -6 до 8°С/мин.

Для µ(e), µ(e) (фиг.2-3) эти идентификаторы имеют вид: «отклонение положительное большое» (РВ), «отклонение положительное среднее» (РМ), «отклонение положительное малое» (PS), «отклонение пулевое» (Z), «отклонение отрицательное среднее» (NS), отклонение отрицательное большое» (NB).

Сигнал датчика температуры 6 поступает в сумматор 22 где вычитается из заданной температуры. Полученный сигнал ошибки 21 поступает на вход блока мультиплексирования 5 и блок вычисления первой производной дифференциатора 20. Далее сигнал первой производной ошибки температуры с выхода 19 дифференцирующего блока 20 также поступает на вход блока мультиплексирования 5. Выход блока мультиплексирования 5 соединен с входом нечеткого контроллера 4.

Результат совместного влияния двух функций принадлежности на значение выходного параметра определяется соответствующей программой, заложенной в логическое устройство.

С помощью функции принадлежности (фиг.5) задастся требуемый режим работы системы нагрева и охлаждения µ(p). Нечеткие переменные, именуются как «сильное охлаждение» (С3), «среднее охлаждение» (С2), «малое охлаждение» (С1), «без изменений» (NO), «нагрев1» (H1), «нагрев2» (H2). Подобным способом вычисляется также скорость вращения вентилятора на основе базы правил для скорости вентилятора µ(fs) (рис.4). Нечеткие переменные, соответствующие скорости вентилятора, именуются как «высокая» (Fast),«нормальная» (Med), «низкая» (Low), «нулевая» (Z).

Функция принадлежности на выходе (фиг.5) показывает процесс обработки правил, суммируя ответный сигнал для обеспечения выходной команды. Выбранная в данной работе функция принадлежности на выходе состоит из двух уровней нагрева (H1, H2), трех уровней охлаждения (C1, C2, С3) и уровня нормы (NO), что можно представить, например, как несколько разных дополнительных уровней нагрева или охлаждения, причем значение H2 больше чем значение H1, а С3 больше чем значение С2 и C1.

Правила, перечисленные в фиг.6, показывают как применяются лингвистические переменные, полученные путем фаззификации для суммирования ответного сигнала с использованием интуиции оператора. При соединении с выходной функцией принадлежности и соответствующей дефаззификации получаем четкую реакцию на управляющее воздействие.

В данном случае сигнал управления будет уровнем нагрева или охлаждения из данных [-2, -1, 0, 1,, 6].

Связь между входом и выходом занесем в таблицу нечетких правил (фиг.6). Каждая запись соответствует своему нечеткому правилу.

Одним из главных аргументов в пользу регулирования на основе нечеткой логики является то, что она опирается на опыт человека и не нуждается в точной настройке внутренних параметров. Даже при значительном изменении подлежащих регулировке параметров рабочий режим регулирования на базе нечеткой логики остается устойчивым и не дает больших отклонений от оптимальной настройки. Это оправдывает утверждение, что регулирование на основе нечеткой логики надежно по характеру при условии, что его правила и параметры рассчитаны настоящими экспертами в данной области. Кроме того, регулирование обладает более высоким быстродействием по сравнению с ПИД-регулированием и обеспечивает экономию энергии в системе кондиционирования. Это достигается благодаря внедрению экспертных правил.

Система управления микроклиматом помещений внутри здания содержит блоки - нагревателя, охладителя, вентилятора подачи воздуха, нечеткий контроллер, вход которого соединен с выходом блока мультиплексирования, а выход соединен с блоками охладителя, нагревателя и вентилятора, отличающаяся тем, что блок вентилятора выполнен регулируемым, а нечеткий контроллер выполнен с возможностью управления микроклиматом внутри здания по тридцати шести правилам для каждого выхода, составленных на основе экспертных данных, причем правила построены так, что заданное множество дискретных величин разбито на положительные и отрицательные подмножества для обогрева и охлаждения соответственно.

• Введение
• 3. Разработка структуры
• 3.2.1 Датчики
• 3.2.2 Устройство управления
• 3.3 Алгоритм работы системы
• 4. Разработка схемы
• 4.1 Выбор микроконтроллера
• 4.2 Структура микроконтроллера ATmega 8535
• 4.3 Описание выводов микроконтроллера ATmega 8535
• 4.5 Выбор датчика влажности
• 4.6 Выбор средств индикации
• 4.7 Выбор ключевых элементов
• Заключение
• Библиографический список
• Приложения

Введение

На значительной территории нашей страны в связи с продолжительной, нередко суровой зимой и коротким, не всегда теплым летом складываются неблагоприятные условия для выращивания теплолюбивых растений в открытом грунте.

Для расширения возможности выращивания растений и снабжения населения свежими продуктами питания, особенно овощами, в неблагоприятные периоды года применяют различные сооружения защищенного грунта, в которых искусственно создаются необходимые условия для роста и развития растений. По степени удовлетворения потребностей растений в комплексе факторов жизнеобеспечения или по технологической сложности сооружения защищенного грунта подразделяют на парники, утепленный грунт и теплицы.

В сооружениях защищенного грунта необходимо стремиться к созданию оптимальных параметров среды выращивания. К сожалению, в простейших теплицах на приусадебных участках в основном на солнечном обогреве не всегда этому уделяется должное внимание. В результате растения в таких теплицах постоянно находятся в стрессовых условиях. Ночью, как правило, растения переохлаждаются, днем в солнечную погоду перегреваются. Особенно усугубляются неблагоприятные воздействия в теплицах, расположенных на садово-огородных участках, значительно удаленных от мест постоянного проживания владельцев. В таких теплицах, посещаемых, как правило, лишь в выходные дни, нет возможности оперативно вмешаться в формирование климата, в результате чего он нередко далек от оптимального. Правильный тепловой режим в теплицах позволяет повысить урожайность в 2-3 раза.

Существуют многочисленные системы автоматизированного управления микроклиматом теплиц. Как правило, такого рода системы, содержат полный комплекс управления микроклиматом:

· температура и влажность воздуха

· инфракрасный термометр листа

· температура и влажность почвы

· температура стекла

· температура зоны плодоношения

· температура в контурах отопления

· концентрация СО2 и т.д.

· ультразвуковой датчик ветра

· бесконтактный датчик осадков

Такие системы, конечно, хороши и эффективны, но обладают вполне ощутимым недостатком - высокой стоимостью. Использование такого рода систем в промышленной агротехнике оправдана: территория теплиц огромна, а такая система позволяет экономить на персонале, получать большой урожай, что позволяет увеличить прибыль, а, следовательно, окупить систему.

Особенностью агротехники нашей страны является то, что 70% населения сами обеспечивают себя овощами в летний и осенний период за счет выращивания культур на приусадебных участках. Естественно, что в таких условиях выращивания человек не может постоянно контролировать микроклимат в теплице, но и покупать дорогостоящую систему тоже нет возможности. Многие из дачников используют подручные, не всегда надежные и эффективные свойства - гидроцилиндры для автоматического открывания форточек при слишком высокой температуре, бочку с небольшим отверстием для полива и прочее. Эти приспособления не дороги, но малоэффективны и не надежны (гидроцилиндры часто выходят строя, течет масло, уплотнительное кольца быстро приходят в негодность, температура, при которой открывается форточка, измеряется эмпирически и т.д.). Поэтому необходимо создать простую систему управления основными параметрами микроклимата: температура и влажность.

1. Формирование требований пользователя к АС

Наша система должна отвечать следующим основным требованиям:

1. должна быть максимально простой и недорогой.

2. иметь понятную систему управления, не требующую особых знаний и навыков.

3. иметь возможность реконфигурирования микроклимата под ту или иную выращиваемую культуру.

4. не должна предъявлять особых требований к конструкции теплицы и максимально от нее не зависеть.

5. обеспечивать надежную и устойчивую работу всех элементов системы

2. Разработка концепции АС

После включения системы производится выбор выращиваемой культуры. Далее считывается температура, выводится на индикатор, анализируется. В случае необходимости - ее корректировка (включение нагревателя или проветривание), потом считывается влажность, анализируется и принимается решение о необходимости полива.

Каждый режим характеризуется своими параметрами, представленными в таблице 1.

Таблица 1.

	Выращиваемая культура	температура	проветривание	влажность
			сквозное
			одностороннее
			одностороннее
			одностороннее
	баклажаны		сквозное

3. Разработка структуры

3.1 Описание функций, которые выполняет система

Для разработки структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы, кратко опишем функции, которые должна выполнять разрабатываемая система:

1. Начальный запуск системы

2. Выбор необходимого для поддержания типа микроклимата.

3. Прием данных с датчиков и обработка этих данных в соответствии с алгоритмом.

4. Вывод текущих параметров микроклимата среды.

5. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания или нагрева, полива.

3.2 Основные модули

Исходя из требований технического задания и функций, которые должна выполнять разрабатываемая система, можно выделить основные модули, из которых должна состоять вычислительная система.

3.2.1 Датчики

Датчики - являются неотъемлемой частью системы, они используются для того, чтобы система могла в реальном времени реагировать на изменения внешних параметров по заранее разработанному алгоритму.

Так как мы проектируем систему, которая будет использоваться в небольших теплицах, поэтому ограничимся одним датчиком температуры и одним - влажности. Однако при выборе устройства управления следует учесть возможность подключения дополнительных датчиков с целью уточнения данных или с целью увеличения функциональных возможностей.

3.2.2 Устройство управления

Устройство управления является главной частью системы, оно необходимо для сбора и обработки информации поступающей с системы датчиков, выработки управляющих сигналов для исполнительных устройств, а также вывода информации на устройство индикации.

3.2.3 Пульт управления и устройство визуальной индикации

Пульт управления и устройство визуальной индикации необходимы для выбора типа микроклимата, для визуального вывода текущей температуры и влажности в теплице.

3.3 Выбор варианта структуры

В соответствии с определенными выше функциями можно определить общую структуру системы. Устройство управления получает от датчиков температуры, влажности и кнопок управления данные, преобразует их в соответствии с алгоритмом работы и выдает данные на индикаторы для отображения температуры и влажности, а также при необходимости сигналы на ключевые элементы. Ключевые элементы позволяют включать/выключать исполнительные устройства в том порядке, в который установлен в алгоритме.

3.4 Алгоритм работы системы

Алгоритм работы системы позволяет устанавливать критические параметры в соответствии с выбранным режимом, регулирует температуру и влажность в теплице, учитывая особенности каждой культуры.

микропроцессорное управление микроклимат теплица

Рисунок 1 - Алгоритм работы системы

4. Разработка схемы

4.1 Выбор микроконтроллера

Ориентировочно требуется 25 выводов: 12 для организации матрицы индикации на основе двух 7-ми сегментных индикаторов (двухразрядный и трехразрядный), 3 для подключения датчиков, 5 для подключения кнопок управления, 5 для управления исполнительных устройств.

Таким образом, выбор микроконтроллера будет осуществляться из серии "mega". Согласно табл. 1, оптимальным решением будет микроконтроллер ATmega8535, т.к. он обладает достаточным объемом памяти, необходимым количеством выводов, высоким быстродействием и хорошим набором периферии (АЦП, таймеры, внутренний RC-генератор TWI-интерфейс.).

4.2 Структура микроконтроллера ATmega8535

В данном микроконтроллере АЛУ подключено непосредственно к 32-м рабочим регистрам, объединенным в регистровый файл. Благодаря этому АЛУ выполняет одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл) за один машинный цикл.

В микроконтроллерах AVR реализована Гарвардская архитектура, которая характеризуется раздельной памятью программ и данных, каждая из которых имеет собственные шины доступа к ним. Такая организация позволяет работать одновременно как с памятью программ, так и с памятью данных.

Рисунок 2 - Архитектура микроконтроллера ATmega8535

Счетчик команд.

Размер счетчика команд составляет 12 разрядов. Напрямую (как регистр) счетчик команд из программы недоступен.

При нормальном выполнении программы содержимое счетчика команд автоматически увеличивается на 1 или на 2 (в зависимости от выполняемой команды) в каждом машинном цикле. Этот порядок нарушается при выполнении команд перехода, вызова и возврата из подпрограмм, а также при возникновении прерываний.

После включения питания, а также после сброса микроконтроллера в счетчик программ автоматически загружается значение $000. Как правило, по этому адресу располагается команда перехода (RJMP) к инициализационной части программы.

При возникновении прерывания в счетчик команд загружается адрес соответствующего вектора прерывания ($001. $014). Если прерывания используются в программе, по этим адресам должны размещаться команды относительного перехода к подпрограммам обработки прерываний. В противном случае основная программа может начинаться непосредственно с адреса $001.

Регистры общего назначения (РОН) микроконтроллера.

Все 32 РОН непосредственно доступны АЛУ, в отличие от микроконтроллеров других фирм. Любой РОН может использоваться во всех командах и как операнд-источник, и как операнд-приемник. Исключение составляют лишь пять арифметических и логических команд, выполняющих действия между константой и регистром (SBCI, SUBI, CPI, ANDI, ORI), а также команда загрузки константы в регистр (LDI). Эти команды могут обращаться только ко второй половине регистров (R16…R31).

Два старших регистра общего назначения формируют 16-разрядный индексный регистр Z, который используется в качестве указателя при косвенной адресации памяти программ и памяти данных. Так как объем адресуемой памяти составляет всего 32 байт, при обращении к ней используется только младший байт (регистр R30). Содержимое старшего байта индексного регистра (регистр R31) при косвенной адресации памяти данных автоматически очищается процессором.

Регистры ввода/вывода (РВВ) микроконтроллера.

Регистры ввода/вывода (РВВ) располагаются в так называемом пространстве ввода/вывода размером 64 байт. Все РВВ можно разделить на две группы: служебные регистры микроконтроллера и регистры, относящиеся к периферийным устройствам (в том числе порты ввода/вывода). Размер каждого регистра - 8 бит.

Сторожевой таймер используется для защиты от аппаратных сбоев, например, если программа перешла в бесконечный цикл.

Регистр команд содержит команду, которая выбирается из FLASH-памяти программ для выполнения.

Начальная синхронизация происходит с приходом на вход синхронизатора сигнала RESET.

4.3 Описание выводов микроконтроллера ATmega 8535

Рисунок 3 - Выводы микроконтроллера ATmega 8535

Таблица 3. Описание выводов микроконтроллера ATmega8535

Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
			Вход тактового генератора
			Выход тактового генератора
			Вход сброса
			0-й разряд порта А (0-й вход АЦП)
			1-й разряд порта А (1-й вход АЦП)
			2-й разряд порта А (2-й вход АЦП)
			3-й разряд порта А (3-й вход АЦП)
			4-й разряд порта А (4-й вход АЦП)
			5-й разряд порта А (5-й вход АЦП)
			6-й разряд порта А (6-й вход АЦП)
			7-й разряд порта А (7-й вход АЦП)
			0-й разряд порта В (вход внешнего опорного сигнала для USART/вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика 0)
			1-й разряд порта В (вход внешнего тактового сигнала таймера/счетчика 1)
РВ2 (INТ2/AIN0)			2-й разряд порта В (вход внешнего прерывания 2/положительный вход компаратора)
РВЗ (OC0/AIN1)			3-й разряд порта В (выход сравнения таймера/счетчика 0/отрицательный вход компаратора)
			4-й разряд порта В (Вход выбора ведомого SPI)
			5-й разряд порта В (выход ведущего/вход ведомого SPI)
			6-й разряд порта В (вход ведущего/выход ведомого SPI)
			7-й разряд порта В (опорная частота SPI)
			0-й разряд порта C (линия опорной частоты для Two-wire Serial Bus)
			1-й разряд порта C (линия входа/выхода для Two-wire Serial Bus)
			2.5-й разряды порта C
			6-й разряд порта C (вход внешнего тактового генератора для таймера 2)
			0-й разряд порта D (вход для UART)
			1-й разряд порта D (выход для UART)
Обозначение	Номер вывода	Тип вывода	Описание
			2-й разряд порта D (вход внешнего прерывания 0)
			3-й разряд порта D (вход внешнего прерывания 1)
			4-й разряд порта D (выход сравнения A таймера/счетчика 1)
			5-й разряд порта D (выход сравнения B таймера/счетчика 1)
			6-й разряд порта D (вход захвата таймера/счетчика 1)
			7-й разряд порта D (выход сравнения таймера/счетчика 2)
			Общий вывод
			Вывод источника питания цифровой и аналоговой частей
			Вход эталонного напряжения для ЦАП

4.4 Выбор температурного датчика

В качестве датчика температуры был выбран датчик DS1621.

Основные его свойства:

· Прямое преобразование температуры в цифровой код, без дополнительных АЦП

· Возможность передачи данных через одно-, двух - проводной интерфейс

· Возможность адресации нескольких датчиков на одной шине

· Заводская калибровка и встроенная коррекция нелинейности, не нужно дополнительной подстройки

· Широкий диапазон измерения температуры (-55 … +125°С)

· Высокое быстродействие (время преобразования от 0.5 до 2 с)

· защита от агрессивной среды

4.5 Выбор датчика влажности

В качестве датчика влажности был выбран HIH 4000-003. Он обеспечивает широкий диапазон измерений, высокую надежность и низкую стоимость. Возможно прямое подключение к АЦП микроконтроллера благодаря стандартному размаху выходного сигнала (от 1.0 до 4.0 В).

4.6 Выбор средств индикации

В системе нам необходимо визуально отображать текущую температуру в теплице и выбранный режим работы.

Для этого будем использовать семисегментные индикаторы. Можно предположить, что возникнет такая ситуация, когда в теплице будет отрицательная температура, поэтому для визуализации текущей температуры возьмем трехразрядный семисегментный индикатор. Основных рабочих режимов у нас пять, поэтому для отображения рабочего режима используем одноразрядный семисегментный индикатор. Будем использовать индикаторы BA56-12 и LDD3051.

4.7 Выбор ключевых элементов

В качестве ключевых элементов выберем симистор, который как раз и предназначен для коммутации нагрузки на переменном токе. Так как коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт, а контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт.

Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения.

Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка - симисторный оптодрайвер MOC3041. В качестве симистора взят ВТ 139.

4.8 Выбор исполнительных устройств

В системе микропроцессор должен управлять открытием двери/фрамуг, поливом и обогреванием теплицы.

Для полива будем использовать капельную систему. Электромагнитный клапан предназначен для включения или выключения подачи жидкости, а так же для подачи горячей воды в трубы при отоплении теплицы, при подаче на него соответствующего электрического сигнала. Будем использовать клапан 2W21.

Для проветривания теплицы необходимо на дверь, боковую фрамугу и фрамугу в крыше поставить 3 мотор-редуктора, для открытия или закрытия фрамуг. Будем использовать IG32p-02.

4.9 Выбор дополнительных элементов

Для питания микропроцессора от сети 220 В необходима схема согласования, так как процессор питается от постоянного напряжения в 5В. Будем использовать трансформатор понижающий Б3800.

В качестве диодного моста будем использовать схему DB157.

В качестве стабилизатора напряжения будем использовать LM340K-5.

В схеме необходимо использовать 5 транзисторов в ключевом режиме для управления семисегментными индикаторами. Выберем транзистор КТ315. Для установки и выбора режима нам не обходимы пять кнопочных переключателей. Для этой цели будем использовать переключатели MPS-5802.

4.10 Разработка функциональной схемы

Температурный датчик работает по интерфейсу i2с, который поддерживает микроконтроллер, поэтому дополнительных средств согласования и управления не требуется. Обмен информацией поддерживается программно через выходы РС0, РС1, а при подключении датчика необходимо только поставить 2 резистора по 1кОм. У датчика влажности выход аналоговый, поэтому нужно использовать АЦП, который встроен в Atmega 8535, используя РА2. Передача поддерживается программно. Кнопки управления и ключевые элементы подключаются к порту В, а порт D используется для семисегментной индикации.

5. Описание работы принципиальной схемы

Питание нашей системы будет от стандартной сети 220В, 50 Гц. Будем использовать следующую схему: трансформатор понижает переменное сетевое напряжение до 12 В. Диодный мост VD1…4 выпрямляет сетевое напряжение. Интегральный диодный мост выбранного типа DB157 коммутирует токи до 1 А. В качестве стабилизатора напряжения включена микросхема интегрального стабилизатора U1 - LM340K-5.

Данные с датчика температуры считывается микропроцессором по интерфейсу I2C, а данные с датчика влажности - через АЦП. Переключение каналов АЦП, обработка данных с датчиков температуры, выработка сигналов на исполнительные устройства, вывод информации на устройство индикации осуществляется программно с помощью соответствующих средств микроконтроллера.

Для вывода визуальной информации об установленной влажности и температуре в теплице используем трехразрядный и двухразрядный семисегментные светодиодные индикаторы.

Принцип индикации следующий. Каждую 16 мс загорается одна цифра индикаторов. Для определения номера цифры в программе микроконтроллера есть счетчик (указатель индикатора), который считает от 0 до 2. Восьмиразрядный таймер счетчик запрограммирован так, что через каждые 16 миллисекунд возникает прерывание. Таким образом, каждые 16 миллисекунд горит одна цифра. В следующую миллисекунду загорается следующая цифра, а эта гаснет. Глаз же человека воспринимает это так, как будто горят одновременно все цифры.

При включении питания микроконтроллер принимает сигнал RESET, который определяет начальную синхронизацию встроенного калибруемого генератора. Узел программирования получает сигналы синхронизации от синхронизатора и управляет работой счетчика команд и FLASH-памятью программ.

Регистр команд содержит команду, которая выбирается из FLASH-памяти программ для выполнения. Дешифратор команд по коду операции определяет, какая команда должна выполняться. Далее происходит последовательная выборка и исполнение команд в соответствии с алгоритмом работы.

При нажатии на кнопки управления происходит прерывание и управление предается соответствующему обработчику прерывания, где по алгоритму происходит установка нужного режима.

Таблица 16. Подключение устройств к портам микроконтроллера Atmega8535

№ вывода	Порт: разряд	Подключенное устройство
		Кнопка "режим 1"
		Кнопка "режим 2"
		Кнопка "режим 3"
		Кнопка "режим 4"
		Кнопка "режим 5"
		датчик влажности
		симистор управления клапаном для воды
		младшая цифра двухразрядного индикатора
		первая цифра трехразрядного индикатора
		симистор для обогрева теплицы
		симистор для управления ФК
		симистор для управления ФБ
		симистор для управления дверью
		вторая цифра трехразрядного индикатора
		третья цифра трехразрядного индикатора
		Температурный датчик
		Температурный датчик
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		Сегмент индикатора (выход)
		старшая цифра двухразрядного индикатора

6. Программное обеспечение для микроконтроллера

Писать программу для микроконтроллера будем на языке С, так как такая программа более проста в написании, наглядна и не требует специфических знаний ассемблера и особенностей данного микроконтроллера. Программировать будем в CodeVisionAVR. Эта программа бесплатна, создана специально для работы с микроконтроллерами AVR, есть библиотеки для каждого микроконтроллера (в том числе и для Atmega8535), а также есть инструмент начального создания кода. С помощью этого инструмента мы можем настроить порты ввода/вывода, настроить работу по интерфейсу I2C, а также таймер и АЦП преобразователь.

Четыре процедуры являются стандартными: main, read_adc, ds1621_temperature_10 (0), timer0_ovf_isr.

· read_adc - процедура для считывания данных с датчика влажности, поддерживает связь с АЦП.

· ds1621_temperature_10 (0) - стандартная процедура для обмена с датчиком ds1621 по интерфейсу i2c.

· timer0_ovf_isr - прерывание таймера по переполнению. Позволяет отображать режим и температуру на семисегментных индикаторах таким образом, чтобы не возникало мерцаний и пропадений цифр с индикатора.

· main - главная процедура, в нее входит пользовательские процедуры:

· zapoln - процедура, осуществляющая запоминание критических параметров по выбранному режиму.

· indik, otobr_chif - процедуры для отображения данных на семисегментных индикаторах, подавая на выводы A-G и транзисторные ключи соответствующие сигналы.

Заключение

Разработанная микропроцессорная система управления микроклиматом в теплице полностью удовлетворяет поставленным требованиям. Осуществляется мониторинг и индикация температуры и влажности, в соответствии с выбранным режимом работы происходит управление фрамугами, капельным поливом и нагревателем.

Результаты моделирования на персональном компьютере показали, разработанная микропроцессорная система функционирует правильно и выполняет возложенные на нее задачи.

Библиографический список

1) Баранов В.Н. Применение микроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы. - М. Ж Издательский дом "Додэка XXI", 2004

2) Тигранян Р.Э. Микроклимат. Электронные системы обеспечения. - ИП. Радиософт, 2005

3) Гребнев В.В. Микроконтроллеры семейства AVR фирмы Atmel. - М.: ИП РадиоСофт, 2002 - 176с.

4) Datasheet: Atmel 8-bit AVR Microcontroller

5) Datasheet: BT 139 Series.

6) Datasheet: LM340 Series.

7) http://www.teplitsa-urojay.ru/rasta/ogurtsy/

8) http://www.zooclub.ru/flora/rouse/14. shtml

9) http://www.greeninfo.ru/vegetables/capsicum_annuum.html/Article/_/aID/3354

10) http://www.sadovod. spb.ru/TextShablon. php? LinkPage=222

11) attachment: /26/ds1621. htm

12) attachment: /15/6. htm

13) http://easyelectronics.ru/

14) http://www.superfilter.ru/manual. htm

15) http://www.ruselectric.ru/info/shop/transformatori/2084

16) http://www.chip-dip.ru/product0/874599444. aspx

17) http://www.elfa. lv/cgi-bin/index. cgi? artnr=73-092-06&lng=rus

18) http://clip2net.com/u/the_ghost/rezus/page-62729-mos3041/

19) http://catalog.compel.ru/triac/info/BT139-600.127%20 (NXP)

20) http://www.pcports.ru/articles/avr4. php

21) http://www.gaw.ru/

Приложения

Приложение А

Листинг программы для микроконтроллера

/*****************************************************

Chip type: Atmega8535

Program type: Application

AVR Core Clock frequency: 1,000000 MHz

Memory model: Small

External RAM size: 0

Data Stack size: 128

*****************************************************/

#include

#include

// I2C Bus functions

Equ __i2c_port=0x15; PORTC

Equ __sda_bit=1

Equ __scl_bit=0

#include

// DS1621 Thermometer/Thermostat functions

#include

#define ADC_VREF_TYPE 0x20

// объявление глобальных переменных

int temp_v,T_max,T_min,buf;

unsigned char V,V_max,V_min;

unsigned char rezim,pr;

// процедура отображение цифры на одном из разряде

void otobr_chif (int buf)

{case 0: PORTD=0xbb;

case 1: PORTD=0x82;

case 2: PORTD=0x3e;

case 3: PORTD=0xae;

case 4: PORTD=0x87;

case 5: PORTD=0xad;

case 6: PORTD=0xbd;

case 7: PORTD=0x22;

case 8: PORTD=0xbf;

case 9: PORTD=0xaf;

// процедура индикации температуры и режима

void indik (void)

// отображение температуры

// отображение знака

if (temp_v<0) {PORTB.1=1;

else {PORTB.1=0; }

// отображение младшей цифры

otobr_chif (buf);

// вывод старшей цифры

buf=temp_v %100;

otobr_chif (buf);

// отображение младшей цифры влажности

otobr_chif (buf);

// вывод старшей цифры влажности

otobr_chif (buf);

// функция выполнения задержки и поддержания индикации

// minut - количество времени по 15 минут

void delay_my (unsigned char minut)

{unsigned char j;

for (j=1; j<=minut; j++)

{for (i=1; i<=10000; i++) {

// считывание с АЦП

unsigned char read_adc (unsigned char adc_input)

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);

// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage

// Start the AD conversion

// Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA & 0x10) ==0);

// процедура заполнения значений max min температуры и влажности

void zapoln (unsigned char rezim)

{ switch (rezim)

{case 1: T_max=22;

case 2: T_max=23;

case 3: T_max=21;

case 4: T_max=24;

case 5: T_max=30;

default: break; }}

// функция работы с термодатчиком

void izm_temp (int temp_v)

// считываем температуру

ds1621_start (0);

temp_v=ds1621_temperature_10 (0);

// температурный датчик переводим в режим пониженного энергопотребления

ds1621_stop (0);

// сравниваем с нормой

if (temp_v>T_max) { // охлаждение теплицы

if (PINB.5==0) {PORTB.5=1; }

else if (PINB.3==0) {PORTB.3=1; }

else {if (rezim==1) {PORTB.4=1; }

if (rezim==5) {PORTB.4=1; }} }

if (temp_v

if (PINB.4==1) {PORTB.4=0; }

else if (PINB.3==1) {PORTB.3=0; }

else if (PINB.5==1) {PORTB.5=0; }

else { PINB.2=1;

delay_my (2); // задержка на 30 минут

// функция прерывания таймера по переполнению

interrupt void timer0_ovf_isr (void)

void main (void)

// инициализация портов

// Port A initialization

// Port B initialization

// Port C initialization

// инициализация таймера 0; частота работы 15,625 КГц

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

// ADC initialization

// ADC Clock frequency: 500,000 kHz

// ADC Voltage Reference: AREF pin

// ADC High Speed Mode: Off

// ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped

// Only the 8 most significant bits of

// the AD conversion result are used

ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;

// инициализация порта i2c

// инициализация термодатчика

ds1621_init (1,0,0,0); // адрес термодатчика 1

// проверяем нажата ли клавиша выбора режима

if (PINA.0==1) {rezim=1; }

if (PINA.1==1) {rezim=2; }

if (PINA.2==1) {rezim=3; }

if (PINA.3==1) {rezim=4; }

if (PINA.4==1) {rezim=5; }

if (rezim! =0) {

// если нет, то считываем температуру

izm_temp (temp_v);

// считываем влажность

if (V

// полив для помидор и перца

if (pr==1) {while (V

for (i=1; i<=900; i++) delay_ms (1000);

// считываем влажность

else { PORTA.6=1;

delay_my (1); // задержка в 15 минут

// задержка на 30 минут

Подобные документы

Обзор системы управления микроклиматом FC-403-65. Разработка структурной схемы системы управления температурным режимом теплицы. Выбор датчиков и исполнительных механизмов, принципиальная схема их подключения. Разработка инструкций по эксплуатации.

дипломная работа , добавлен 10.04.2017


Разработка структурной схемы системы контроля микроклимата теплицы. Формирование выходных сигналов для запуска исполнительных устройств проветривания, нагрева, полива. Выбор температурного датчика. Пульт управления и устройство визуальной индикации.

курсовая работа , добавлен 25.03.2015


Требования к микропроцессорной системе управления. Построение систем управления 6-фазным ТВШД на микропроцессорной логике. Алгоритм работы микропроцессорной СУ ТВШД. Режим форсировки (стабилизация тока) с помощью ШИМ, которая реализована программно.

реферат , добавлен 07.04.2017


Назначение и структура автоматизированной системы, её программное обеспечение и алгоритм функционирования. Анализ систем отопления, вентиляции и кондиционирования как объекта управления. Этапы разработки математической модели теплового режима помещений.

курсовая работа , добавлен 10.11.2014


Алгоритм работы микропроцессорной системы управления барокамерой. Подпрограмма контроля температуры. Разработка схемы сопряжения для подключения датчика уровня воды. Подключение светодиодов "Нагрев" и "Низкий уровень воды". Разработка блока питания МПС.

курсовая работа , добавлен 28.05.2012


Описание алгоритма работы и разработка структурной схемы микропроцессорной системы управления. Разработка принципиальной схемы. Подключение микроконтроллера, ввод цифровых и аналоговых сигналов. Разработка блок-схемы алгоритма главной программы.

курсовая работа , добавлен 26.06.2016


Функциональная схема микропроцессорной системы управления, алгоритм ее работы. Инициализация микроконтроллера и листинг соответствующей программы. Преобразование напряжения от датчика температуры. Обработка прерываний. Расчет электрических параметров.

дипломная работа , добавлен 23.05.2012


Разработка системы управления ультразвуковым локатором автомобильной системы безопасности. Структурная схема микропроцессорной системы: пояснения и алгоритм функционирования, выполняющий поставленную задачу. Код и листинг программы, ее быстродействие.

курсовая работа , добавлен 30.11.2011


Проект структурной схемы микропроцессорной системы управления. Блок-схема алгоритма работы МПС; создание программы, обеспечивающей его выполнение. Распределение области памяти под оперативное и постоянное запоминающие устройства. Оценка ёмкости ПЗУ и ОЗУ.

курсовая работа , добавлен 21.05.2015


Разработка принципиальных схем блоков чтения информации с датчиков. Сопряжение с цифровыми и аналоговыми датчиками. Алгоритм работы блока чтения информации с цифровых датчиков. Расчет электрических параметров микропроцессорной системы управления.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице. Система содержит блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы. Подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице и датчики параметров окружающей среды. Исполнительные устройства (ИУ) представляют собой привод фрамуги, вентилятор, привод экрана, привод регулятора подачи углекислого газа и узлы контура обогрева. Выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров. Система для управления микроклиматом обеспечивает увеличение эффективности оптимизации качества регулирования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области растениеводства в сооружениях защищенного грунта, и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице.

Для выращивания овощей и цветов широко применяют парники, оранжереи и теплицы различной конструкции. В этом случае в процессе выращивания часто возникают трудности при поддержании требуемой температуры в сооружении. Это положение часто может усугубляться отсутствием обслуживающего персонала в течение определенного времени. При этом возможно не только замерзание растений при снижении температур в рабочих зонах таких сооружений, но и увядание их при перегреве из-за высокого уровня солнечной радиации в теплице или парнике в дневные часы.

Известен регулятор температуры для теплиц, который содержит цилиндр, заполненный рабочей жидкостью, шток, кинематически шарнирно связанный с фрамугой и подгруженный пружиной сжатия, и манжетные уплотнители, в устройство введены радиатор, две продольные секции с различной теплопроводностью и отражающей способностью, при этом полость цилиндра заполнена гранулами из материала с высоким коэффициентом теплового расширения, причем при повышении температуры шток выдвигается и открывает фрамугу, а при снижении температуры происходит обратный процесс (см. патент РФ №2028759, кл. A01G 9/24, 1995).

Известный регулятор предназначен для регулирования только одного параметра - температуры воздуха в теплице.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система для управления микроклиматом в теплице, содержащая датчики температуры воздуха в теплице и оболочки теплицы, датчики СО 2 , датчики относительной влажности, микропроцессор, входы которого связаны с указанными датчиками, а выводы - с исполнительными механизмами: вентилем системы орошения оболочки теплицы, выключателем системы образования тумана в теплице, выключателем система обогрева, вентилем системы подачи СО 2 (см. Европейский патент №0275712, кл. A01G 9/24, 1988).

Недостатком данной системы также является низкая эффективность оптимизации качества регулирования микроклимата, обусловленная небольшим количеством регулировочных параметров и средств управлении микроклиматом.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение эффективности оптимизации качества регулирования микроклимата за счет увеличения количества регулировочных параметров при управлении микроклиматом и учета внешних метеоусловий.

Данный технический результат достигается за счет того, что система для управления микроклиматом в теплице содержит блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные механизмы, подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, по меньшей мере, один датчик температуры поверхности листа и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, исполнительные устройства (ИУ) представляют собой, по меньшей мере, один привод фрамуги, по меньшей мере, один вентилятор, по меньшей мере, один привод экрана, привод регулятора подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура обогрева, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока контроллера.

Кроме того, блок контроллера соединен с блоком мониторинга параметров микроклимата в теплице, выполненный на базе персонального компьютера, обеспечивающего ввод и кодированном виде задания на поддержание заданных параметров воздуха и почвы в теплице.

Блок управления представляет собой блок релейной коммутации, включающий релейные ключи для управления ИУ.

Система может в качества ИУ включать также насос и клапаны подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения, а также, по меньшей мере, один воздушный нагреватель.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где показана схема предложенной системы для управления микроклиматом в теплице.

Система для управления микроклиматом в теплице 1 содержит блок 2 мониторинга на базе персонального компьютера диспетчера, соединенный с блоком 3 контроллера, блок 4 управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ). Блок 3 контроллера включает в себя непосредственно управляющий контроллер, интерфейсную часть и органы индикации и управления. В интерфейсной части находятся схемы измерения для аналоговых и дискретных датчиков. Управление работой блока 3 контроллера может осуществляться как через блок 1 мониторинга с помощью персонального компьютера, так и с собственного пульта управления. Вход блока 4 управления соединен с выходом блока 3 контроллера. Блок 4 управления представляет собой блок релейной коммутации, в котором расположены релейные ключи для ручного и автоматического управления ИУ.

Подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, датчики параметров окружающей среды и датчики параметров теплоносителя:

Датчик 5 температуры воздуха в теплице,

Датчик 6 относительной влажности воздуха в теплице,

Датчик 7 температуры внутренней поверхности остекления теплицы,

Датчик температуры листа растения (не показан, может отсутствовать),

Датчик 8 температуры почвы,

Датчики 9 температуры теплоносителя в контурах обогрева,

Датчик 10 температуры внешнего воздуха,

Датчик 11 интенсивности радиации солнечного излучения,

Датчик 12 скорости и направления ветра,

Датчик 13 давления теплоносителя в общих для всей теплицы прямой и обратной трубах 14 и 15,

Датчик 16 концентрации углекислого газа CO 2 .

Датчики подключены к интерфейсной части блока 3 контроллера. Выходы блока 4 управления соединены с ИУ: по меньшей мере, один привод фрамуги 17, по меньшей мере, один вентилятор 18 для циркуляции воздуха в теплице 1, по меньшей мере, один привод экрана (затеняющего или термического) (не показан), привод регулятора 19 подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура 20 обогрева: насос 21, смесительный клапан 22. Теплица может содержать от 1 до 5 контуров 20 обогрева, каждый из которых соединен с прямой и обратной трубами 14 и 15 и включает насос 21 и смесительный клапан 22 для смешивания нагретой воды и холодной для регулирования температуры обогрева. Теплица также может содержать в качестве ИУ один или более воздушных нагревателей (не показаны), а также подсистему испарительного охлаждения и доувлажнения (не показана), включающую клапаны и форсунки для распыления воды под давлением.

Предложенная система для управления микроклимата в теплице предназначена для

Контроля микроклимата и отслеживания внешних метеоусловий,

Программного задания суточного цикла изменения параметров микроклимата в теплице,

Анализа получаемых данных,

Поддержания заданного микроклимата в теплицах.

В основу управления микроклиматом в теплице лежит контроль и управление температурой и влажностью воздуха и концентрацией в ней углекислого газа СО 2 . Система может осуществлять управление микроклиматом в одной или двух независимых теплицах, каждая из которых имеет до 5 контуров обогрева, две группы фрамуг, подсистему подачи CO 2 , подсистему управления экраном (зашторивания) и другие подсистемы. Система может также осуществлять управление микроклиматом в одной теплице, состоящей из двух, трех или четырех отделений, каждое из которых может иметь настраиваемое количество общих или отдельных контуров обогрева, общие или отдельные группы фрамуг, общие или отдельные подсистемы подачи СО 2 , управления экраном, управления циркуляцией воздуха, воздушного обогрева и испарительного охлаждения и доувлажнения.

В процессе эксплуатации системы агрономы и инженеры в табличной форме формируют стратегию управления микроклиматом. С помощью установленных в теплице 1 датчиков 5-8 производится постоянное измерение температуры воздуха в теплице 1 в нескольких точках, влажности воздуха, содержания углекислого газа и других параметров воздуха в теплице.

Кроме того, в системе с помощью датчиков 10-12 измеряются внешние метеорологические параметры: температура воздуха, интенсивность солнечного излучения, скорость и направление ветра. Для каждого измеряемого внутри теплицы 1 параметра можно установить две контрольные и две аварийные границы, что позволит автоматически отслеживать состояние микроклимата в теплице 1 и своевременно сигнализировать об отклонениях от оптимального состояния.

Все данные о состоянии и динамике микроклимата в теплице 1 периодически передаются в программу, которая в текущий момент времени используется контроллером блока 3 контроллера. Заданный в программе режим микроклимата может автоматически корректироваться в зависимости от значения параметров, например от интенсивности солнечного излучения. В процессе работы контроллер блока 3, согласно заданной программе с учетом внешних условий (солнечного излучения, внешней температуры, скорости и направления ветра), производит согласованное регулирование температуры теплоносителя, используемого при обогреве, управляет состоянием форточной вентиляции - положением фрамуг 17 в теплице 1, положением защитного экрана, режимами работы вентиляторов 18. Микроклимат в теплице 1 программируется, как правило, на сутки (можно и на любое другое время) с помощью блока 2 мониторинга, включающего персональный компьютер диспетчера (на чертежах не показан).

Управление исполнительными механизмами в теплице 1 производится через блок 4 управления - блок релейной коммутации ИУ.

Система для управления микроклиматом в теплице функционирует следующим образом.

Микроклимат в теплице 1 может поддерживаться путем управления интенсивным водяным обогревом, осуществляемым с помощью контуров 20 обогрева, положением фрамуг 17, подачей углекислого газа (CO 2), зашториванием экрана, работой подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения, осуществлением включения вентиляторов 18 и воздушного обогрева. Поддержание заданной температуры воздуха в теплице 1 производится согласованным управлением температурой теплоносителя, поступающего из трубы 14 подачи воды и уходящего в трубу 15. Вентиляция осуществляется, как правило, с помощью открытия/закрытия фрамуг 17 (тепличных форточек). Уровень CO 2 поддерживается с помощью включения специальных горелок либо с помощью управления подачей концентрированного CO 2 через регулятор 19. Зашторивание экрана позволяет уменьшать потери тепла в теплице (термический экран, горизонтальный и/или вертикальный) и ограничивать поступление солнечной радиации как по величине, так и по времени (затеняющий или затемняющий экран). Наличие и тип экрана определяется конструкцией теплицы и климатической зоной расположения теплицы.

С помощью подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения можно повышать влажность воздуха в теплице 1 и проводить его охлаждение.

Циркуляционные вентиляторы 18 позволяют проводить выравнивание температуры воздуха внутри теплицы 1 и в определенной степени понижать влажность воздуха. Воздушные нагреватели (не показаны) на основе электрических нагревателей и циркуляционных вентиляторов располагаются группами соосно вдоль длинных сторон теплицы и обеспечивают, в случае необходимости, быстрый дополнительный подогрев воздуха в теплице.

Контроллер блока 3 управляет микроклиматом согласно суточному заданию, которое устанавливается для температуры воздуха внутри теплицы 1. Также устанавливаются основные характеристики используемых исполнительных устройств (ИУ).

В процессе эксплуатации для теплицы 1 в контроллере доступна корректировка множества параметров, которые позволяют производить тонкую подстройку управления и, в конечном итоге, определяют качество поддержания микроклимата.

Для анализа работы системы контроллер блока 3 с заданным диспетчером периодом в диапазоне от 20 секунд до 2 минут посылает в персональный компьютер (ПК) диспетчера (блок 2 мониторинга) информацию, получаемую с измерительных датчиков 5-8 регистрации параметров микроклимата в теплице, а также промежуточные данные, которые необходимы для управления микроклимата.

Управление микроклиматом в теплице 1 в течение суток производится путем установки набора параметров, далее называемых заданием, состоящим из набора программ, каждая из которых действует в течение установленного времени. Для смены программы управления микроклиматом в теплице 1 устанавливается другое задание. Контроллер автоматически обеспечивает путем линейного интерполирования плавность изменения параметров микроклимата между временами действия соседних по времени программ. Параметры задания и само задание можно корректировать в любое время с ПК диспетчера.

Стратегией управления в блоке 3 задается ряд параметров, определяющих выбранную на основе экспертных оценок общую для теплицы 1 или для нескольких зон в теплице 1 стратегию управления микроклиматом в зависимости от агротехнических, экономических и теплотехнических требований. Стратегия управления микроклиматом задается в виде двумерной таблицы, левая колонка которой содержит определяющие действия, производимые исполнительными механизмами (ИМ) соответствующих подсистем управления.

В ячейках таблицы задаются величины в баллах в диапазоне от 0 до 100 баллов с учетом заложенных дополнительных ограничений на их диапазон в зависимости от вида действия, отражающие экспертную оценку влияния каждого действия ИУ на определяющие характеристики стратегии управления по отношению друг к другу. Все задаваемые величины рассматриваются только относительно друг друга.

Управление контурами 20 обогрева теплицы осуществляется следующим образом. Блок 3 контроллера анализирует данные с датчиков и вычисляет температуру теплоносителя по степени рассогласования расчетных и измеренных данных с учетом последующего влияния быстроизменяющихся факторов, таких как солнце, внешняя температура, ветер, осадки, что позволяет предсказывать изменение температуры в теплице и вовремя противодействовать этим изменениям.

Первый контур 20 обогрева - это, как правило, контур надпочвенного обогрева. Второй контур 20 обогрева - это, как правило, контур верхнего обогрева теплицы (шатровый) (может отсутствовать). Третий и четвертый контуры 20 могут использоваться как контуры подпочвенного или подсубстратного обогрева или как контуры, работающие синхронно с первым контуром 20 и выравнивающие тепловое поле теплицы (могут отсутствовать). Пятый контур 20 обогрева - это контур подлоткового обогрева для обеспечения снеготаяния (может отсутствовать).

Управление работой контуров 20 обогрева осуществляется путем управления смесительными клапанами 22.

Согласно заданной программе с заданным диспетчером периодом в диапазоне от 20 секунд до 2 минут блок 3 контроллера определяет требуемую рабочую температуру теплоносителя - прямой воды (воды в прямой трубе 14). Температура теплоносителя сравнивается с заданными минимальными и максимальными значениями и при выходе за допуски ограничивается. Далее она используется для управления смесительным клапаном 22 соответствующего контура 20 обогрева.

Смесительный клапан 22 контура обогрева управляется по требуемой рабочей температуре прямой воды. По заданной и измеренной температуре воды контроллер блока 3 с заданным периодом изменяет положение смесительного клапана 22 так, чтобы измеренная температура прямой воды в контуре 20 обогрева сравнялось с заданным значением. Настройка качества управления контура производится с учетом времени работы смесительного клапана 22 в зависимости от рассогласования заданной и измеренной температуры теплоносителя.

Процент открытия смесительного клапана 22 пересчитывается в длительность его открытия или закрытия с помощью заданных времен их полного открытия/закрытия.

Для увеличения устойчивости регулирования смесительными клапанами 22 и уменьшения динамических нагрузок на них введена временная задержка между изменениями положения смесительных клапанов 22 для каждого контура 20 обогрева.

Управление вентиляцией в системе производится следующим образом.

Вентилирование используется для удаления теплого воздуха из теплицы и замены его на более холодный воздух внешней среды, а также для снижения относительной влажности внутри теплицы. Скорость теплообмена зависит от разницы температур внутри и снаружи теплицы, наличия осадков и скорости ветра.

В программе введено понятие «температура вентиляции» - заданная температура воздуха в теплице 1, выше которой следует осуществлять открытие вентиляционных фрамуг 17. При этом программа при работающих фрамугах 17 начинает поддерживать температуру воздуха в теплице 1, равной именно температуре вентиляции. Так как, как правило, температура вентиляции выше заданной температуры воздуха, а контур обогрева 20 включается лишь тогда, когда температура воздуха опустится до этой заданной величины, то поддержание температуры воздуха в теплице 1, равной температуре вентиляции, в солнечный день может в основном осуществляться фрамугами 17 без использования контуров 20 обогрева. Тем самым неизбежные флуктуации температуры воздуха в теплице 1 при управлении только фрамугами 17 не будут приводить к периодическим включением контуров обогрева и, соответственно, к ненужным энергозатратам.

В суточной программе для разного времени суток можно задать 3 режима работы форточной вентиляции. В режиме «0» - фрамуги 17 полностью закрыты; в режиме «1» - фрамуги 17 с подветренной стороны принудительно устанавливаются в заданное в суточной программе минимальное положение, а с наветренной стороны закрыты; в режиме «2» фрамуги 17 работают в автоматическом режиме. В автоматическом режиме, как уже ранее упоминалось, управление вентиляцией осуществляется с помощью изменения положения фрамуг 17 в зависимости от климата в теплице и внешних метеоусловий.

В системе введены ограничения при ее функционировании.

К примеру, если задана защита от мороза, то при понижении внешней температуры фрамуги 17 закроются, независимо от расчетов и установленного минимального положения фрамуг 17.

При полностью закрытых фрамугах 17 процесс открытия всегда начинается с подветренной стороны, при полностью открытых фрамугах процесс закрытия начинается с наветренной стороны. Для простоты расчетов принято, что полностью открытая подветренная сторона соответствует 100% открытия фрамуг 17, полностью открытые подветренная и наветренные стороны соответствуют 200% открытия фрамуг 17.

Управление относительной влажностью воздуха система осуществляет следующим образом.

Для поддержания расчетной влажности воздуха требуется согласованное управление системой обогрева и вентиляции. Следует учитывать, что на влажность воздуха в теплице уже будут влиять задания в программе микроклимата, т.е. следует адекватно задавать в программе минимальную температуру теплоносителя в первом контуре 20 обогрева и минимальное положение фрамуг 17. Если в суточной программе микроклимата есть ненулевое задание для поддержания относительной влажности воздуха в теплице, то в процессе работы контроллер анализирует измеренные значения температуры воздуха и относительной влажности и их заданной стратегии управления. Если измеренная относительная влажность воздуха ниже заданной, а температура воздуха в норме или ниже заданной, то фрамуги 17 открываются на меньшую величину и, соответственно, уменьшается количество удаляемого водяного пара. При меньшем открытии фрамуг 17 автоматически снижается температура теплоносителя для того, чтобы не возрастала температура воздуха в теплице.

При высокой относительной влажности воздуха фрамуги 17 открываются на больший угол. Происходит более интенсивное удаление влаги. При этом с учетом значения температуры внешнего воздуха и скорости ветра (датчики 10, 12) автоматически возрастает температура теплоносителя для поддержания заданной температуры воздуха в теплице 1.

Так как изменение положения фрамуг 17 влияет на температуру и относительную влажность гораздо быстрее, чем изменение температуры теплоносителя, применяется ограничение частоты включения фрамуг 17 для предотвращения автоколебаний.

Подсистема испарительного охлаждения и доувлажнения может использоваться при необходимости для дополнительного увлажнения воздуха в теплице и для его охлаждения. При распылении воды происходят охлаждение воздуха за счет испарения воды и частичное повышение его влажности.

Система может обеспечивать управление, по меньшей мере, одним из следующих экранов: 1) термический (энергосберегающий) горизонтальный экран - для снижения потери тепла через верхнее остекление теплицы; 2) термический (энергосберегающий) вертикальный экран - для снижения потери тепла через боковое остекление теплицы; 3) затеняющий горизонтальный экран - для затенения от избыточной солнечной радиации. В последнем случае затеняющий экран можно использовать в качестве затемняющего экрана для регулирования фотопериода растений.

В данной системе экранами можно управлять как по времени суток, так и по погодным условиям. В соответствии с заданной программой микроклимата в любое время суток экран может находиться в 3-х положениях: а) полностью открытым; б) полностью закрытым; и в) в автоматическом режиме, когда его положение определяется заданными установками. Один и тот же экран может выполнять функции затеняющего и термического экрана.

Вводится переменное ограничение максимального закрытия термического экрана в зависимости от температуры стекла. Для исключения образования области холодного воздуха между экраном остеклением теплицы 1 при снижении температуры стекла величина максимального закрытия уменьшается до рассчитываемой величины в зависимости от заданных параметров.

Для экрана также используется программа микроклимата, где задается время суток, в течение которого допускается автоматическое закрытие экрана, и установка уровня освещенности, при которой закрывается экран. В случае, если интенсивность солнечного излучения превышает заданную установку и в задании микроклимата установлен автоматический режим работы экрана, произойдет закрытие экрана.

Как и для термического экрана, для затеняющего введено пороговое значение температуры внешнего воздуха, при котором он должен закрываться, что позволяет его использовать в качестве термического экрана в случае отсутствия последнего.

Также как для термического экрана, так и для затеняющего экрана можно использовать установки постепенного открытия и закрытия экрана.

Термические экраны (вертикальные) управляются с учетом влияния внешней температуры и солнечной радиации. Для вертикальных экранов важен учет влияния ветра. Поэтому вводится дополнительное промежуточное пороговое значение интенсивности солнечной радиации, разрешающее открытие всех сторон, кроме наветренной. Увеличение скорости ветра также приводит к повышению значения температуры внешнего воздуха, при которой вертикальный экран закрывается.

Управление подачей углекислого газа СО 2 в системе производится следующим образом.

Управление CO 2 может осуществляться с помощью регулятора 19 двух видов: 1) пропорциональной заслонки, степень открытия которой может меняться от 0 до 100%, - так называемая задвижка; 2) закрывающегося клапана с двумя состояниями - открыто и закрыто. В последнем случае регулирование подачи СО 2 осуществляется путем регулирования изменения скважности чередования периодов закрытия и открытия клапана.

С заданным периодом контроллер блока 3 вычисляет относительное положение задвижки, выраженное в процентах, в зависимости от рассогласования между заданной и измеренной концентрацией СО 2 в теплице.

Включение циркуляционных вентиляторов 18 в теплице 1 применяется для выравнивания теплового поля внутри теплицы 1, т.е. для уравнивания температуры воздуха во всех точках теплицы 1. Режим работы вентиляторов 18 задается в суточном задании. В суточном задании для любого периода в течение суток можно задать три режима работы вентиляторов: включен, выключен и автоматический. В 1-ом режиме работы вентилятор 18 постоянно выключен. Во 2-ом режиме вентиляторы 18 работают либо постоянно, либо импульсно. Частота включения вентиляторов 18 задается с помощью установок. При этом можно указать время работы вентилятора 18 и время паузы. При работе в 3-ем режиме для включения вентиляторов 18 необходимо, чтобы разность между показаниями контрольными датчиков 5 температуры воздуха в теплице 1 превысила определенную величину, которая задается. Если условие включения выполняется, то вентиляторы 18 включаются на установленное время с последующей паузой.

После включения система функционирует следующим образом.

Блок 3 контроллера в непрерывном режиме производит сбор данных с датчиков 10-12, характеризующий метеорологическую обстановку. К этим данным относятся температура внешнего воздуха, интенсивность радиации солнечного излучения, скорость и направление ветра. В это же время с датчиков 5-8 регистрации параметров микроклимата в теплице в блок 3 контроллера поступают данные о температуре воздуха в теплице, относительной влажности воздуха в теплице, температуре внутренней поверхности остекления теплицы, температуре поверхности листа растения, температуре почвы, температуре теплоносителя в отопительных трубопроводах и концентрации углекислого газа в теплице. В блоке 3 контроллера в определенные моменты времени включаются в действие с помощью ПК диспетчера определенные программы управления микроклиматом в теплице 1. При этом данные программы в конкретные моменты времени могут иметь свои определенные алгоритмы, которые варьируются в зависимости от параметров окружающей среды, а также от условий внутри таблицы 1. В зависимости от программы, реализуемой блоком 3, последний выдает на своем выходе сигналы, которые поступают на вход блока 4 управления - блока релейной коммутации исполнительных устройств. Блок 4 под воздействием поступающих на его вход сигналов переходит в один из своих режимов, который предусматривает подключение в работу насосов 21 и смесительных клапанов 22 контуров обогрева 20, регулятора 19 подачи углекислого газа и/или приводов перемещения фрамуг 17, экранов, и/или вентиляторов 18. При этом блок 4 управления генерирует сигналы, которые поступают на соответствующие ИУ. Включение и выключение соответствующих ИУ дает возможность управлять микроклиматом в теплице. Следует особо подчеркнуть, что ввод в действующую в блоке 3 программу информации о необходимом положении фрамуг 17, экранов, задвижек, а также о необходимых режимах работы отопительных циркуляционных насосов 21 и смесительных клапанов 22, вентиляторов 18, регулятора 19 подачи углекислого газа, приводов перемещения фрамуг 17, экранов позволяет оперативно изменять микроклимат в теплице 1 и позволяет наиболее эффективно выращивать растения в теплице.

1. Система для управления микроклиматом в теплице, содержащая блок контроллера, блок управления, подсистему измерительных датчиков и исполнительные устройства (ИУ), подсистема измерительных датчиков включает датчики параметров воздуха и почвы в теплице, по меньшей мере, один датчик температуры поверхности листа и датчики параметров окружающей среды, которые подключены к входам блока контроллера, в качестве ИУ система включает, по меньшей мере, один привод фрамуги, по меньшей мере, один вентилятор, по меньшей мере, один привод экрана, регулятор подачи углекислого газа и узлы, по меньшей мере, одного контура обогрева, выходы блока управления соединены с ИУ с возможностью управления ими в зависимости от значений измеряемых датчиками параметров, а вход блока управления соединен с выходом блока управляющего контроллера.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок контроллера соединен с блоком мониторинга параметров микроклимата в теплице, выполненным на базе персонального компьютера, обеспечивающего ввод в кодированном виде задания на поддержание заданных параметров воздуха и почвы в теплице, всех дополнительных служебных параметров для настройки процесса поддержания параметров воздуха, стратегии управления микроклиматом в теплице и режимов работы ИУ.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления представляет собой блок релейной коммутации, включающий релейные ключи для управления ИУ.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ИУ она включает также насос и клапаны подсистемы испарительного охлаждения и доувлажнения.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ИУ она включает также, по меньшей мере, один воздушный нагреватель.

Похожие патенты:

Изобретение относится к растениеводству, в частности для укоренения зеленых черенков и выращивания рассады стевии (Stevia rebaudiana (Bertoni) Hemsley) без использования стимуляторов роста гетероуксиновой природы за счет создания оптимальных микроусловий (постоянная влажность воздуха - эффект "влажной камеры") для укоренения зеленых черенков, и может быть использовано как в условиях теплицы, так и вне защищенного грунта.

Изобретение относится к сельскому хозяйству в части энергоснабжения и орошения теплиц с целью оптимизации энергозатрат на отопление и освещение тепличного помещения, а также внутрипочвенного терморегулируемого орошения корнеобитаемой области выращиваемых культур

Группа изобретений относится к области сельского хозяйства и электричества. Модульная система включает корпус, который содержит: ряд светоизлучающих диодов (СИД), по меньшей мере, двух различных цветов для генерации света в пределах цветового спектра, при этом СИД смонтированы, предпочтительно с фиксацией при защелкивании, на пластине, предпочтительно теплопроводящей, или рядом с ней, которая оборудована средствами охлаждения СИД с помощью охладителя; процессор для регулирования величины тока, подаваемого на ряд СИД, так, чтобы величина подаваемого на них тока определяла цвет освещения, генерируемого рядом СИД, и плоский светопроницаемый элемент, содержащий связанные с СИД светопроницаемые линзы, для управления углом рассеяния света, излучаемого каждым СИД, для равномерного освещения поверхности; при этом корпус снабжен каналом для приема трубки для подачи питания и, как вариант, охладителя для системы СИД. Система включает закрытый фотобиореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1. В способе экранирования для оптимального освещения растительный материал помещают в биореактор, освещаемый одной или несколькими модульными системами СИД по п.1, и измеряют скорость образования СО2 в растительном материале под действием света различной интенсивности. Система управления включает фотобиореактор, со средствами экранирования фотосинтетической активности, который освещается модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; компьютер для обработки данных, полученных от средств экранирования фотосинтетической активности, который позволяет экранировать фотосинтетическую активность растительного материала фотобиореактора, освещенного светом различных длин волн и интенсивности; измерять поступающий солнечный свет и, если его интенсивность уменьшается, увеличивать интенсивность СИД; и управлять освещением растений в парнике путем освещения растений светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность в фотобиореакторе. В способе управления с помощью фотобиореактора экранируют фотосинтетическую активность растительного материала, помещенного в реактор, который освещают модульной системой СИД по п.1 в дополнение к поступающему солнечному свету; с помощью компьютера обрабатывают данные, полученные от средств экранирования фотосинтетической активности; причем фотобиореактор экранирует фотосинтетическую активность материала, освещенного светом различных длин волн и интенсивности, а компьютер управляет освещением растений в парнике, освещая растения светом, имеющим состав длин волн и интенсивность, которые обеспечивают наивысшую фотосинтетическую активность. Парниковая система включает: модульную систему СИД по любому из пп.1-11 внутри парника для роста растений; средства измерения для измерения одной или нескольких переменных величин, которые прямо или косвенно связаны с ростом, развитием растений; средства управления, выполненные с возможностью управления освещением в зависимости от выходных сигналов средств измерения. Реактор включает один или несколько отсеков для хранения жидкости, содержащей культуру фототрофных микроорганизмов; впускной патрубок для подачи потока газа, содержащего CO2, в один или несколько отсеков; выпускной патрубок для удаления газа из одного или нескольких отсеков; средства регулирования температуры культуры фототрофных микроорганизмов, и модульную систему СИД по любому из пп.1-11. Группа изобретений позволяет обеспечить равномерное освещение поверхности. 7 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

Группа изобретений относится к области сельского хозяйства. Способ включает выращивание растений в движущихся емкостях, расположенных в оранжерее со светопропускающими стенами на вертикально установленном замкнутом конвейере с возможностью его непрерывного вертикального перемещения относительно рамы, и уход за растениями, включающий регулирование освещенности, температуры, влажности помещения и подачи питательного раствора. При этом выравнивают равномерность освещенности растений по всему объему помещения посредством дополнительного непрерывного горизонтального перемещения емкостей с растениями за счет вращения рамы конвейера в горизонтальной плоскости. Установка включает расположенный на фундаментном основании вертикальный каркас, покрытый светопропускающим материалом. Внутри каркаса расположен не менее чем один конвейер замкнутого типа с приводом непрерывного вращения относительно вертикальной рамы и установленными на нем емкостями для выращивания растений. При этом установка включает систему регулирования освещенности, температуры, влажности и подачи питательного раствора. Установка снабжена расположенным на фундаментном основании опорно-поворотным механизмом с приводом горизонтального вращения. Группа изобретений способствует повышению однородности среды внутри установки и равномерности освещения растений, улучшению условий выращивания сельскохозяйственных культур. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 44 ил.

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения и может быть использовано для сооружений, обогреваемых за счет солнечной энергии. Теплица содержит светопрозрачный корпус. В подстилающей поверхности под корпусом теплицы заглублен воздуховод-теплообменник. Воздуховод-теплообменник с одной стороны соединен с установленным внутри теплицы патрубком, а с другой стороны соединен с выходящей наружу у противоположного торца теплицы вытяжной шахтой. Для обеспечения тяги вытяжная шахта снабжена дополнительным светопрозрачным корпусом, установленным с зазором относительно вытяжной шахты. Для сбора сконденсированной влаги имеется емкость. Емкость соединена с воздуховодом-теплообменником в нижней точке его поверхности. Такое конструктивное решение направлено на повышение интенсивности нагрева почвы, а также на расширение функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Предложена теплица, включающая фундамент, каркас и крышу. Фундамент выполнен с образованием воздушной прослойки между, как минимум, двумя горизонтами. Стены и крыша теплицы выполнены двойными. Между стенами и крышами создано герметичное или почти герметичное пространство для принудительного воздухообмена во время сильных холодов. Такое конструктивное выполнение теплицы позволит снизить теплопотери, а также предотвратить обрушение крыши под тяжестью снега. 3 ил.

Теплица с коньковой фрамугой может быть использована для выращивания сельскохозяйственных овощных, фруктовых, лекарственных и цветочных культур в условиях естественной вентиляции замкнутого объема со светопрозрачным покрытием. Теплица с коньковой фрамугой содержит каркас, который образует боковые и торцевые стенки, двускатную крышу с коньковой балкой, светопрозрачный материал, ограждающий каркас снаружи и имеющий фрамугу. В коньке крыши и по обе стороны от него выполнен вентиляционный проем, перекрытый коньковой фрамугой, которая имеет тот же профиль, что и крыша, и опирается на крышу по периметру фрамуги и вентиляционного проема. Фрамуга связана с устройством ее перемещения наружу от конька крыши. Использование данного изобретения позволит повысить эффективность системы вентиляции теплицы. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к к области лабораторного оборудования и может быть использовано для выращивания растений. Шкаф содержит остекленную рабочую камеру с остекленной передней дверью для наблюдения за растениями, блок управления и блок подготовки воздуха. Шкаф оснащен также источниками света, расположенными с внешней стороны рабочей камеры. Блок подготовки воздуха сообщен с рабочей камерой посредством отверстий в общей стенке, являющейся его потолком и дном рабочей камеры. Задняя остекленная стенка рабочей камеры выполнена двойной таким образом, что образуется полость для нагнетания в нее воздуха из блока подготовки воздуха, а ее внутреннее стекло имеет щель в верхней части для выхода циркулирующего воздуха в рабочую камеру и далее в блок подготовки воздуха через отверстия в дне рабочей камеры. Такое конструктивное выполнение позволит обеспечить равномерное распределение температуры воздуха по объему рабочей камеры. 1 ил.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для регулирования микроклимата в теплице

Система микроклимата включает в себя управление отоплением, вентиляцией и кондиционированием, то есть помогает поддерживать комфортный для человека, растений, животных и различного оборудования уровень параметров воздуха: температуры, влажности и химического состава в жилых и производственных помещениях. Также управление микроклиматом позволяет снизить общее потребление энергии, за счет рационального использования ресурсов. Контроль микроклимата осуществляется с помощью различных инженерных устройств: кондиционеры, вентиляторы, радиаторы и прочие другие. Устройства не должны конфликтовать друг с другом, поэтому необходимо обеспечить слаженное управление и настройку всех исполнительных устройств. Исходя из требований для помещения, можно реализовать различные сценарии работы системы микроклимата (например, разная логика поддержки температуры при наличии и отсутствии людей в здании).

В данной дипломной работе реализована модель управления отоплением и кондиционированием в квартире, а также организована система теплого пола. Эти системы имеют некоторые общие элементы в принципах проектирования, но и также различны в определенных моментах, которые наглядно продемонстрированы в ходе реализации данного проекта.

Пользователь может выставить желаемую температуру в помещении, которая будет поддерживаться за счет включения/выключения обогревателя и кондиционера, используя сенсорную панель или интерфейс контроллера LogicMachine4. Также реализована функция автоматического отключения системы микроклимата при открытом окне и возможность вручную отключить систему. Это позволяет экономить энергоресурсы. Система теплого поля работает почти по такому же принципу, как и система отопления/кондиционирования, то есть пользователь выставляет нужную температуру, и она поддерживается с помощью обогревателя пола.

Исходя из технического задания были выбраны следующие компоненты для реализации системы управления микроклиматом и теплым полом:

• 1. EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3);
• 2. EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX);
• 3. Сенсорная панель InZennio Z38i;
• 4. Реле WAGO 788-304 (3 шт.);
• 5. Датчик температуры PT1000;
• 6. Геркон.

Для начала рассмотрим реализацию системы микроклимата, которая включает в себя кондиционирование и отопление, на основании температуры, выставленной пользователем. Множество компаний производит различные виды термостатов разной ценовой категорией и имеющих отличный друг от друга функционал. В качестве управляющего микроклиматом устройства использована сенсорная панель InZennio Z38i, которая имеет множество дополнительных возможностей, включая функцию термостата и встроенный датчик температуры. Панель Z38i сравнивает значение, полученное с датчика со значением выставленным пользователем и на основании этого, включает/выключает кондиционер или обогреватель; в данном проекте вместо них задействованы два реле WAGO 788-304, имеющие красный светодиод, срабатывающий при замыкании контактов. Разумеется, необходима еще настройка дополнительных параметров панели (например, "коридор" гистерезиса температуры). Таким образом, пользователь сможет вручную включать или выключать всю систему микроклимата, а также будет происходит автоматическое отключение системы при открытом окне, которое реализовано с помощью геркона.

Существуют несколько способов реализации логики системы отопления/охлаждения. Один из них - принцип пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора (рис. 27). Выходной сигнал регулятора u определяется тремя основными слагаемыми, каждый из которых отвечает за определенную функцию:

где Кp, Кi, Кd -- коэффициенты усиления пропорциональной, интегрирующей и дифференцирующей составляющих регулятора соответственно.

Рис. 27.

В данном случае не столь важен математический принцип работы ПИД-регулятора, а точнее, расчет значений коэффициентов, так как есть готовые библиотеки на языке программирования LUA или прописанный алгоритм в работе устройств для реализации ПИД-регулятора в домашней автоматике.

Вторым вариантом организации системы микроклимата является принцип двухточечного термостата (рис. 28).

Рис. 28.

Помимо установленной температуры, программно задается "коридор" гистерезиса, то есть некоторая дельта возможной температуры. При достижении минимума гистерезиса включается обогреватель, который будет работать до того момента как температура поднимется выше максимума гистерезиса. Обогреватель отключается, и температура начинает падать снова до минимума и т.д. По такому же принципу работает кондиционер. Важно проверить, чтобы устройства охлаждения и обогрева не вступали в конфликт (не включался одновременно и обогреватель, и кондиционер).

Для реализации системы микроклимата, необходимо подключить сенсорную панель InZennio Z38i к шине KNX (вся шина подключена к дросселю и имеет общий блок питания), при этом питания шины достаточно для Z38i и поэтому не требуется подключение непосредственно к блоку питания. Так же, как и в системе управления освещением, реле, отвечающие за обогреватель и кондиционер, подключены к EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) к "2" и "3" каналам соответственно. Подключение каналов реле WAGO 788-304 к UIO8-KNXv3 полностью аналогично подключению реле, управляющего лампой. Геркон, эектромеханическое устройство, работающее по принципу "ключа", одним концом кабеля подключается к "8" каналу UIO8-KNXv3, а другим к общему "плюсу". Таким образом при создании магнитного поля (прикладывании магнита) контакты геркона будут замыкаться и на канал EVIKA Multiport v3 будет подано напряжение, таким образом с помощью геркона имитируется закрытое/открытое окно.

После того как все устройства корректно подключены и проверены на короткое замыкание мультиметром, необходимо настроить систему, используя программное обеспечение ETS3 Professional. Настройка параметров реле, управляющих обогревателем и кондиционером, в аппликационной программе для EVIKA Multiport v3 (UIO8-KNXv3) аналогична настройке реле, управляющего лампой. Каналы "2" и "3", к которым подключены реле, также настраиваются как бинарные выходы, которые могут выдавать значение либо "0", либо "1". При отправлении значения "1" на канал реле, будет происходить замыкание контактов и включение красного светодиода, что позволит имитировать непосредственно кондиционер и обогреватель. Канал "8", к которому подключен геркон, имеет конфигурацию бинарного входа, по аналогии с выключателем, управляющим светом. Однако настройки параметров различны. Параметр "rising edge" имеет значение "send 0", а "faling edge" - "send 1". Это означает, что при замыкании контакта (окно закрыто) на привязанный групповой адрес будет отправлено значение "0". При размыкании контакта (окно открыто) на этот групповой адрес будет отправлено значение "1". Также этот объект связи связан с объектом, включающим и выключающим систему микроклимата. Панель InZennio Z38i настраивается в соответствии с технической документацией . Распределение объектов связи по групповым адресам представлено на рисунке 29.

Рис. 29.

Пользователь может включить или выключить систему микроклимата в целом, выставить необходимую ему температуру и увидеть в каком состоянии сейчас находится окно (открыто или закрыто). Для реализации дополнительных сценариев (например, включение системы по определенным часам) используется контроллер LogicMachine4.

Для реализации теплого пола используется датчик температуры PT1000, который измеряет температуру пола, исполнительное устройство EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) для управления системой и реле WAGO 788-304 для имитации механизма обогрева пола. IPT8-KNX по аналогии с другими логическими элементами подключается к общей сети KNX посредством шинного клеммника. Дополнительное подключение к источнику питания не требуется, так как устройство питается от сети KNX. Датчик температуры PT1000 подключается к каналу "1" устройства IPT8-KNX и к общему "минусу". Реле, которое является эмулятором механизма обогрева пола, подключается так же, как и все остальные реле, к устройству Multiport v3 к "6" каналу. Общая схема подключения для системы микроклимата и теплого пола представлена на рисунке 30.

Канал "6" мультипорта настраивается в режиме бинарного выхода, как и все остальные реле. В аппликационной программе устройства EVIKA Контроллер 8-ми датчиков температуры Pt100/1000 (IPT8-KNX) идет настройка термостата для реализации системы управления теплым полом. Параметры "heating control" и "cooling control" по умолчанию настроены как "enabled" (то есть включены), но так как охлаждение пола не требуется (в отличие от системы микроклимата), то параметр "cooling control" необходимо перевести в режим "disabled". Устройство будет сравнивать полученное от датчика PT1000 значение температуры с установленным пользователем значением и регулировать включение обогрева пола. Далее необходимые объекты связи распределяются по групповым адресам. Распределение объектов связи представлен на рисунке 31.

Рис. 31.

Таким образом, пользователь сможет указать необходимую для поддержания температуру пола, а также выключить систему, если это необходимо.

Систему микроклимата можно расширять, учитывая другие различные факторы, например, влажность воздуха или добавляя сценарии включения отопления по датчику нахождения человека в помещении или по времени суток.