Primjena mikrokontrolera za regulaciju temperature u botanickoj basti

Primjena mikrokontrolera za regulaciju temperature u botaničkoj bašti

IZVOD: U ovom radu je prikazan sistem na bazi mikrokontrolera za kontrolu temperature u zatvorenom. Opisan je princip rada i prikazani su rezultati ispitivanja. Pri realizaciji su korišćene standardne komponente i oprema koja je bila dostupna u laboratoriji za elektroniku Više elektrotehničke škole. Testovi su pokazali da projekat zadovoljava sve funkcionalne zahtjeve.

ABSTRACT: A microcontroled based system for temperature control in enclosed environment is presented.

The operating principle is described and testing results are given as well. Standard integrated circuits are implemented in presented practical solution which is tested at the Electronics Laboratory. Tests showed that project satisfies all functions that are requested.

1

1.

UVOD Ova tema se bavi problemom regulacije temperature u botaničkoj bašti. Zahtjeva

poznavanje elektronskih komponenti, hardvera, softvera kao i praktično iskustvo, pa se u diplomski rad implementuje skoro cjelokupno znanje stečeno na studijama. Objasnit ćemo kako se mikrokontroleri mogu primjeniti u kontroli temperature u botaničkoj bašti kao i sam mikrokontroler koji se koristi za ovaj proces. Problem regulacije temperature u botaničkoj bašti zahtjeva rešenje koje može biti realizovano upotrebom elektro-mehanike, računara opšte namjene ili PC-ija ili uređaja baziranog na mikrokontrolerima. Upotreba elektromehaničkog sistema omogućava održavanje temperature u određenim granicama, ali je podložan kvarovima i neprecizan u odnosu na druge sisteme. Regulacija temperature se može sprovesti i upotrebom odgovarajuće instalacije na PC-iju , što pruža niz pogodnosti, pa je stoga zastupljena primjena ovakvih sistema u industrijskim postrojenjima. Pogodnosti se ogledaju u tome što PC ne mora da bude na mjestu regulacije, već monitoring i regulacija može da se vrši putem PC-ija i sa udaljenog mjesta, važno je samo da postoji direktna veza.

Druga važna osobina ovog

sistema je ta da je regulacija automatska i jako precizna.

Nedostatak je taj što je moguć pad sistema, što bi bilo jako pogubno za proizvodnju ukoliko ne postoji back-up sistem. Još bolje rješenje je upotreba sistema baziranog na mikrokontrolerima. Upisom programa u mikrokontroler mi mu u potpunosti određujemo rad, a da pri tome ne postoji opasnost od pada sistema ili prestanka rada uređaja. Ovaj sistem može da se nadogradi u bilo kom trenutku i da se uvede monitoring preko računara, kao dodatni dio sistema.

2

Primjena mikrokontrolera za regulaciju temperature u botaničkoj bašti

Za izradu diplomskog rada je odabrano treće rješenje, koje je bazirano na mikrokontrolerima.

Kako tema zahtjeva monitoring i automatsku regulaciju temperature, odlučeno je da se koriste tri mikrokontrolera: 18F 452, 16F 628 i 16F 648. Svaki od mikrokontrolera ima ulogu u svom bloku, ali je za mozak uređaja određen mikrokontroler 18F 452. Ovo rješenje pruža mogućnost hardverske i softverske izmjene, koja je pri tome jeftina. Odlučeno je da se uradi i softver za računar opšte namjene, koji će upotpuniti temu, tako što će omogućiti korisniku da prati stanje u botaničkoj bašti i kada nije prisutan.

3

2. MIKROKONTROLERI Mikrokontroler se sastoji od mikroprocesora ili CPU (centralne upravljačke jedinice ) koja izvodi program koji smo napisali. CPU pogoni oscilator taktnog signala koji osigurava stabilan i točni takt od 12 MHz. Na CPU je priključena 8 bitna sabirnica podataka na kojoj se nalazi povezano niz jedinica ( BUS control, 4 I/O ports, serial port, timeri, interrupt controler, izbrisiva ROM memorija – on chip flash i mala RAM memorija ). Sve to zajedno čini mikrokontroler. Ono što je bitno znati bez ulaza u detalje funkcioniranja mikrokontrolera ja da se mikrokontroler povezuje sa vanjskim svijetom preko ulazno-izlaznih portova (vrata ).

Mikrokontroler može imati 2 ili 4 porta. Mikrokontroler koji ćemo koristiti ima 2 porta sa 8 priključaka na svakom portu. Priključci na portu se označavaju kao P1.0, P1.1 … do P1.7.

Prvi broj označava broj porta, a drugi broj označava broj priključka na tom portu. Pojam ulazno-izlazni znači da se programski može postaviti da pojedini portovi ili priključci u tim portovima budu ulazni ili izlazno ovisno o aplikaciji. Na narednoj slici prikazanaje detaljnija blok shema mikrokontrolera AT89C2051 .

Slika 1. Osnovna struktura mikrokontrolera Sada ćemo vidjeti jedan sklop koji se može koristit za kontrolu temperature u botaničkoj bašti. Ovaj sklop omogućava održavanje željene temperature nekog prostora. Temperatura se održava na način da se najprije izmjeri i prikaže na LCD display-u, a zatim ako odstupa od željene temperature, koju smo namjestili pomoću tipkala, sklop će uključivati ili isključivati

ventilator ili grijač po potrebi. Ovako izveden sklop moguće je koristiti i za neku drugu regulaciju ili mjerenje temperature na više mjesta uz eventualno malu izmjenu u programu mikrokontrolera i/ili promjenu digitalnog senzora ukoliko je to potrebno. Sklop osim regulacije temperature može još regulirati i brzinu vrtnje, vlažnost ili neku drugu neelektričnu veličinu. Pošto sklop na izlazima ima releje na te izvode moguće je spojiti i sklopnik preko kojeg bi se uklapala i veće trošila kao top za grijanje plastenika. Mikrokontroler podržava RS232 komunikaciju pa je cijelo upravljanje moguće još kontrolirati i preko računara. U tom slučaju mikrokontroler može računaru slati vrijednost analognih veličina koje mjeri ili je moguće potpuno upravljanje cijelim sistemom preko računara. Ovaj uređaj je moguće koristiti za održavanje željene temperature prostorije ili plastenika. Ako se digitalni temperaturni senzor postavi u akvarij, na izlaze dva releja spoje se grijač za vodu i pumpa za hladnu vodu.

Tada je moguće održavati stalnu temperaturu i protočnost vode u akvariju. Spajanjem nekog drugog senzora moguće je regulirati neku drugu neelektričnu veličinu pod uvjetom da se promjeni senzor i/ili program ukoliko je to potrebno.

Slika 2. Mikrokontroler za regulaciju temperature

3. Primjer primjene mikrokontrolera u regulaciji temperature u botaničkoj bašti Projektovanje zahtjeva da se prvo odrede funkcionalni zahtjevi koje rad na kraju mora da pruži:

1. Sistem treba da pruži automatsku korekciju temperature u zadatim granicama 2. Korisnik treba da ima uvid u trenutno stanje temperature u botaničkoj bašti, zato je potrebno napraviti odgovarajući ručni terminal, kao i softver za računar opšte namjene,preko kojih će korisnik moći da kontroliše stanje u botaničkoj bašti.

3. Korisniku treba omogućiti postavljanje i promjenu granica u okviru kojih treba da budu uslovi unutar botaničke bašte.

4. Botanička bašta treba da poseduje bar 2 odvojena nivoa na kojima se može održavati i različita temperatura.

Prema gore predstavljenim zahtjevima osmišljena su sljedeća rješenja. Nivo na kome vazduh nije u zadatom temperaturnom opsegu posjeduje temperaturni senzor koji bilježi promjenu.

Mikrokontroler 18F 452 očitava senzor periodično, kada ustanovi da je temperature van opsega, mora da “pokrene” proces vraćanja tempetature u zadati opseg.

Proces startuje tako što mikrokontroler 18F 452 preko UART-a pošalje odgovarajuću AT komandu mikrokontroleru 16F 628 koji kontroliše procese u Izvršnom organu. Funkcija bloka Izvršni organ je da prema AT komandama vrši odgovarajuće procese. U suštini on treba da pokrene vazduh, da ga vrati u temperaturne granice i vrati na isti nivo. Pokretanje vazduha se vrši motorom, ako je potrebno dogrijavanje,vazduh prelazi preko uključenog grijača, ako je potrebno rashladiti vazduh, tada se kreće kroz hladnjak. U Izvršnom organu postoje i dva podsistema kojima se određuje putanja vazduha kroz isti, a koji će detaljnije biti opisani u odjeljku izvršni organ.

Da bi korisnik mogao da kontroliše procese, i vrši podešavanja , potrebno je da uređaj posjeduje ručni terminal – mini konzolu sastavljenu od displeja i tastature. Za terminal je predviđen još jedan mikrokontroler,16F 648, da bi se rasteretio mikrokontroler koji radi konverzaciju sa senzorima.

Za izradu diplomskog rada je osmišljeno rješenje sa tastaturom od pet tastera i displeja , čime je gledano da se maksimalno uprosti rukovanje terminalom. Da bi konverzacija bila potpuna, korisniku

treba omogućiti pristup uređaju i putem računara, pa je potrebno izraditi i

odgovarajući softver. Da bi se projekat predstavio na odbrani diplomskog rada potrebno je izraditi i odgovarajuću maketu. U skladu sa tim odlučeno je da se pravi maketa koja predstavlja samu botaničku baštu. Osnovna zamisao je da uređaj radi na 12V DC, kako bi se obezbjedila autonomija uređaja u slučaju nestanka električne energije. Kao alternativni izvor napajanja bi se koristio akumulator za automobile, pri čemu bi se napajali samo blokovi ručni

terminal

i

mjerno

upravljački

blok, koji bi

podigli

alarm

u

slučaju

neodgovarajuće temperature, a za regulaciju bi se pobrinuo korisnik.

Ovo je trenutno veliki nedostatak ovog projekta koji se može riješiti u nadogradnji nakon diplomskog rada. Za izradu diplomskog rada je upotrebljeno napajanje tipa ATX iz računara opšte namjene.

3.1.

Šema projekta

Projekat se sastoji iz makete botaničke bašte, ručnog terminala, malog kućišta

za

mikrokontroler koji vrši konverzaciju sa senzorima – Merno Upravljačkog Bloka, izvršnog organa i linije za PC, kako je prikazano na šemi:

Slika 3. Šema projekta

Analizom šeme ustanovljeno je da je za upravljanje procesima u izvršnom organu najbolje rješenje implementacija još jednog mikrokontrolera koji će se nalaziti u samom izvršnom organu i kontrolisati procese u njemu.

4. REALIZACIJA 4.1. Mjerno upravljački blok Mjerno upravljački blok je mozak projekta. On upravlja procesom u izvršnom organu, provjerava temperaturne senzore, komunicira sa terminalom i PC-ijem. Kako je vrlo bitno da uređaj bude što univerzalniji, to je bitno da može da stupi u komunikaciju sa različitim uređajima, da ima prostora za proširenje i nadogradnju. Za Mjerno upravljački blok je

odlučeno da je najbolje uzeti seriju 18F 452. Ova serija raspolaže sa dovoljno pinova, jednim USART-om, može da radi ako je potrebno na frekfenciji do 40 MHz.... tako da je predstavlja pravo rješenje za mozak sistema. Za potrebe diplomskog rada je potrebno da PIC ima: 1) Jedan pin za komunikaciju sa senzorima 2) Dva pina za komunikaciju sa ostalim dijelovima projekta, Tx i Rx 3) Četiri pina za kontrolu ventilacije na svakom nivou Prema gore predstavljenim podacima, PIC bi trebao da posjeduje 7 pinova za potrebe mozga.

Moguća proširenja se odnose na uvođenje senzora za mjerenje vlažnosti, na uvođenje više ventilatora po jednom nivou koji se sporadično uključuju, proširenje po nivoima itd...

Kako Mjerno upravljački blok kontroliše sve procese u projektu, odlučeno je da on ne može da dijeli prostor sa ostalim dijelovima uređaja, te mu je osmišljeno posebno kućište. Dodatni razlog za ovakvu odluku je što Mjerno upravljački blok mora da komunicira sa najmanje 4 uređaja, te je najracionalnije kućište sa četiri konektora ili više, ukoliko dođe do proširenja, ili promjene arhitekture uređaja. Mjerno upravljački blok se sastoji od PIC-a 18F 452, tri MAX 232 kola , stabilizatora napona na 5V, 78L05 i analognog prekidača 74HC 4051.

Mikrokontroler 18F 452 posjeduje sve što ovaj rad zahtjeva. Može da radi na frekvenciji do 40 MHz, ima hardverski riješen UART, 40 pinova i mnoštvo hardverskih rješenja ukoliko dođe

do izmjene na projektu, tipa I2C protokola. MAX 232 služi za komunikaciju sa

uređajima tipa računara opšte namjene, i ima ih tri. Razlog za postavljanje tri izlaza preko ovih kola je taj da mogu da se istestiraju na računaru ili iz bilo kog drugog razloga prikače na sličan uređaj. Dva izlaza služe za komunikaciju sa ručnim terminalom i računarom, a treći je ostavljen kao proširenje za eventualnu nadogradnju sistema nakon diplomskog rada sa npr. sistemom za generisanje SMS poruka. Izlazi su realizovani preko dvoredne letvice, gdje je na jednom redu izlaz preko kola MAX 232, a drugi je direktno sa mikrokontrolera. Razlog za ovakvo rješenje je kao što je već naglašeno, mogućnost monitoringa komunikacije Mjerno upravljačkog bloka sa ostalim uređajima u toku ispitivanja preko računara. Sada su izlazi praktično napravljeni da budu harverski univerzalni.

Kako serija 18F 452 raspolaže sa samo jednim UART-om, to je bilo potrebno uvesti analogni prekidač 74HC 4051, jer je predviđeno da Mjerno upravljački blok vrši komunikaciju sa tri uređaja. Uvođenjem analognog prekidača dobijena je mogućnost da se UART linija sa PIC-a 18F 452 dodeljuje proizvoljno perifernim uređajima, a o čemu odlučuje Mjerno upravljački blok. Analogni prekidač 74HC 4051 sa rasporedom pinova je predstavljen na sljedećoj slici:

Slika 4. Analogni prekidač 74HC 4051 Na slici se može vidjeti da kolo raspolaže pinovima za referentne napone Vcc i Vee, enable pinom inhibit, ulazno-izlaznim kanalima X0 – X4 i Y0 –Y4, i pinovima A i B koji služe za selekciju kanala. Ostale komponente MAX 232 i 74HC 78L05 su opisane u odjeljku Izvršni organ. Kada se radi o firmveru, osmišljen je da da radi na sljedeći način. PIC treba da vrši očitavanje senzora, a da pri tome vrši komunikaciju sa tri uređaja: Izvršnim organom, ručnim terminalom i računarom. Odlučeno je da PIC ima dva osnovna intrerapta na jednu sekundu.

Prvi interapt se dešava kada treba da se pokrene sekvenca očitavanja senzora. Pri svakom interaptu se pokreće konverzija sa drugim senzorom. Razlog za ovakvo vrijeme za očitavanje je to što je minimalno vrijeme za koje senzor očita temperaturu 750 ms. Drugi interapt se dešava kada treba da se prebaci linija na analognom prekidaču. Za vrijeme 1s mjerno upravljački blok razmjenjuje podatke samo sa jednim uređajem.

Sekvenca očitavanja senzora je relativno laka, s’ obzirom da je odlučeno da se koristi „pametni“ senzor Dallas Texas Instruments-a, DS 18s20+ koji ima digitalan pristup. Senzor vrši mjerenje temperature na zahtjev i proces traje 750 ms. Posjeduje tri pina, Vcc, GND i Data liniju. Smijer Data linije se obrće in-out. Za potrebe ovog rada nije potrebno da senzor posjeduje bržu obradu jer se promjena temperature ne dešava velikom brzinom. Važno je napomenuti da senzor radi u temperaturnom opsegu -40° do +125° C , sa obradom od 0.1° C i tolerancijom 0.5° C .

Dodatna funkcija koju vrši Mjerno upravljački blok je upravljanje ventilatorima unutar makete botaničke bašte.

Slika 5. Ventilatori i senzori

Ventilatori su uvedeni kao rješenje za izjednačavanje temperature vazduha na cijelom nivou za vrijeme obrade. Na slici 3.xx se može uočiti da postoje četiri ventilatora i četiri senzora.

Sekvenca očitavanja senzora se vrši direktno, dok se upravljanje ventilatora vrši preko tranzistora BD139.

Konačni izgled šeme Mjerno upravljačkog bloka je predstavljen na slici:

Slika 6. Šema Mjerno upravljačkog bloka

4.2

Izvršni organ

Slika 7. Pogled odozgo na izvršni organ

Na slici 7. su prikazani: 1 – Prostor za elektroniku 2 – Prostor za napajanje 3 – Prostor u kome se kreću pločice sa crijevom za vazduh i određuju nivo 4 – Prostor za hladnjak 5 – Odeljak za motor koji pokreće vazduh i grijač 6 – Pločica koja pokreće crijeva za vazduh

Slika 8. Pogled na izvršni organ sa strane : Prostor za elektroniku i napajanje

Slika 8.1. Pogled na na izvršni organ Na slici 8.1 je prikazan izgled na izvršnog organa, tako da se vide otvori na koje ulazi vazduh sa 4 nivoa. Svaki nivo posjeduje 2 otvora; jedan da na njega ulazi vazduh i ide na obradu, a drugi da na njega izađe i vrati se u botaničku baštu.

Slika 8.2 Prostor za grijač i motor za vazduh Na slici 8. se vide četiri otvora na bloku 5 koji predstavlja prostor za grijač i motor za vazduh. Postojeći otvori služe da se izabere da li će vazduh ići na hlađenje ili na grijanje. U gornjoj komori bloka 5 je postavljen grijač, a u donjoj motor za vazduh. Ideja je sljedeća, kada stanje vazduha zahtjeva hlađenje, tada se pločica namješta na poziciju lijevo, i tada vazduh prolazi kroz hladnjak . Iako vazduh prelazi preko grijača, on se ne grije jer grijač nije priključen na napajanje. Kada je potrebno zagrijati vazduh, pločica se pokreće i zauzima desnu poziciju, tako da sada vazduh jednostavno prelazi samo preko grijača, koji je sada uključen, i vraća se u botaničku baštu . Proces grijanja je prikazan na slici 9. b) .

Slika 9. Procesi u izvršnom organu : a) Hlađenje

b) Grijanje

Kada je potrebno promijeniti nivo sa koga se vazduh preuzima, tada se pločica u bloku 3 na kojoj su pričvršćena 2 crijeva pokreće dok ne dođe na poziciju za odgovarajući nivo. Primjer za ovaj proces je sljedeći; pločica se trenutno nalazi na nivou 1 zato što je prethodna intervencija

zahtjevala grijanje prvog nivoa , kao na slici 1.6 b). Međutim, sada je stigao zahtjev da se grije nivo 3, pa pločica mora da promijeni poziciju da bi proces mogao da se započne ( Slika 10) .

Slika 10. Grijanje nivoa

4.3 Elektronika u izvršnom organu Izvršni organ je dio sistema koji ima zadatak da pokrene vazduh iz botaničke bašte sa određenog nivoa, da ga obradi (zagrije ili ohladi) i vrati na isti nivo. Ideja je sljedeća. Treba podesiti crijevo koje vodi vazduh preko grijača (bio on uključen ili ne) koje je pokretljivo, na odgovarajući nivo. To je rješeno tako što je iskorišćen deo CD-ROM-a koji nosi pločicu od pleksiglasa za koju je crijevo pričvršćeno. Time je riješen problem biranja nivoa sa koga se uzima vazduh. Vazduh dalje prelazi preko grijača i dolazi do druge pokretljive pločice. Ova pločica se pokreće takođe preko dela CD-ROM-a. Njenim kretanjem lijevo-desno je riješen problem biranja hoće li se vazduh grijati i direktno vratiti na nivo ili će prelaziti preko isključenog grijača, ali će prolaziti kroz odjeljak za hlađenje. Postavlja se pitanje kako će motori znati kada treba da stanu. Taj problem je rješen uz pomoć odgovarajućih detektora i IR dioda, koje su postavljene tako da ih detektor vidi kada crijevo bude na odgovarajućem nivou.

Dalje vazduh prelazi preko vetilatora koji i pokreće vazduh i vraća se na nivo sa koga je i uzet. Kada je reč o elektronici koja je iskorišćena za pokretanje motora i ventilatora, za uključenje grijača, bilo je potrebno prvo utvrditi koliko će pinova biti potrebno na mikrokontroleru: 1) Po dva pina za upravljanje motorima koji pomeraju pločice sa crevima, znači 4 2) Šest pinova za IR diode i dva za detektore, znači 8 3) Jedan pin za ventilator i jedan pin za grijač, znači 2 4) Dva pina za komunikaciju preko UART-a sa Master mikrokontrolerom Na kraju znamo da je potrebno 2 pina za komunikaciju i 14 za kontrolu procesa unutar izvršnog organa. U razmatranju su bili mikrokontroleri 16F 628, 16F648 i 18f 452. Kako serija 16F najviše odgovara zbog predhodnih iskustava, a raspolaže sa 2 pina za komunikaciju i 13 pinova za ostale kontrole, to je bilo jasno da ova serija ne odgovara ako se nešto ne promjeni u arhitekturi uređaja. Rješenje je upotreba 2 shift registra. Jedan shift reg. je iskorišćen za IR diode, drugi za motore, grejač i ventilator. Registri dijele liniju Data i Clk, a do svakog vodi posebna linija Latch, da bi se kontrolisalo koji izbacuje podatke.

Slika 11. Osnovna ideja za pokretanje procesa u izvršnom organu Slika 11 prikazuje rješenje za upotrebu serije 16F 628, koje je potpuno prihvatljivo jer ostavlja 5 slobodnih pinova na mikrokontroleru i po jedan na shift registru. Sa shift registra vodi po jedan konektor, jedan za IR diode ( Shift 1) i drugi za motore, grijač i ventilator (Shift 2).

Konektor Shift1 je povezan sa IR diodama koje su postavljene na maketi

botaničke bašte kako bi se precizno namjestilo crijevo za vazduh. Šema za IR diode je predstavljena na slici:

Slika 12. Električna šema IR diode

Na slici se vidi da se kontrola IR dioda vrši preko tranzistora BD 139. Da bi detektor video samo diodu, uzeta je IR dioda na 36 KHz, i odgovarajući detektor. Ukoliko ne bi ovaj dio ovako bio urađen, već sa običnim diodama, postojala bi mogućnost da detektor zbog postojanja dnevne svjetlosti odmah zaustavi motor ne namjestivši pločicu sa crijevom na odgovarajuću poziciju. Detektor je, razumljivo, povezan direktno na mikrokontroler kako bi se momentalno zaustavio motor kada IR zraci pogode detektor.

4.4

Napajanje izvršnog organa

Napajanje skretnice glavno napajanje za cio uređaj jer je u maketi postavljeno napajanje iz računara. Sa napajanja za računar je uzeto 12V i -12V, pri tome je 12V iskorišćeno za sve motore, grijač, i napajanje ventilatora u botaničkoj bašti, kao i za napajanje za mikrokontroler u skretnici i Master mikrokontroler. -12V je iskorišćeno samo kao napajanje za ventilator u skretnici. Ventilator je postavljen na -12V jer je veliki potrošač koji mora da radi u svakoj situaciji, a prebacivanjem njegove potrošnje na -12V se dobija na stabilnosti 12V. Kao stabilizator napona od 5V je opet iskorišćeno kolo 78L05 za potrošače poput mikrokontrolera.

Slika 13. Napajanje mikrokontrolera u skretnici Na slici je napajanje računara predstavljeno kao baterija od 12V. Vcc napon je stabilisanih 5V koji koriste integrisana kola.

4.5

Maketa botaničke bašte

Maketa botaničke bašte je zamišljna krajnje jednostavno, jer treba da predstavlja četiri odvojene prostorije sa zasebnim uslovima u okviru jedne botaničke bašte. Iz tog razloga krajnji izgled ove makete je kao na slici 14.

Slika 14. Maketa botaničke bašte

Kao što se vidi na slici, svaki nivo posjeduje dva otvora za ventilaciju, jedan ulazni i drugi izlazni. Takođe, na svakom nivou se nalaze i mini ventilatori koji predstavljaju unutrašnju ventilaciju svakog nivoa. Razlog za postavljanje istih je bolje mješanje vazduha i ujednačenije temperature na čitavom novou. Naravno, na svakom nivou se nalaze i odgovarajući temperaturni senzori, koji bileže promjene. Na slici 1.1 se može uočiti i mali blok označen kao µC i on predstavlja Mjerno upravljački blok .Njegova funkcija je da obavlja konverzaciju sa skretnicom, terminalom, PC-jem, i na kraju da nadgleda senzore u botaničkoj bašti.

Botanička bašta se sastoji iz 4 odvojena nivoa. Svaki nivo posjeduje svoju ventilaciju. Da bi temperatura vazduha na cijelom nivou bila ujednačena svaki nivo posjeduje ventilator, koji pokreće vazduh i miješa ga. Za izradu projekta je predviđeno da svi potrošači, pa i ventilatori ne koriste veći napon od 12 V DC, da bi uređaj mogao da funkcioniše i u slučaju nestanka električne energije ukoliko ima alternativni izvor napajanja, npr. akumulator sa automobila.

Kao adekvatna zamjena za ventilatore na maketi koja će se koristiti na diplomskom radu su uzeti kuleri sa računara.

Na svakom nivou je takođe postavljen po jedan senzor koji mjeri trenutnu promjenu temperature. Za izradu diplomskog rada su bili zanimljivi senzori koji posjeduju digitalan pristup. Kao početni interesenti pojavili su se senzori koji funkcionišu po I2C protokolu.

Senzori koji koriste I2C protocol su povoljni jer Tx i Rx liniju koristi više senzora koji se međusobno razlikuju po adresi. Nepovoljno kod senzora ovakvih senzora je to što su nepristupačni, na ovim prostorima ih je praktično nemoguće naći, a i kada bi se naručili iz inostranstva cijena i vrijeme čekanja na njih je neprihvatljivo. Stoga je u konsultacijama sa profesorom zaključeno da je najbolje rješenje iskoristiti temperaturne senzore Dallas 18s20+ koji ne funkcionišu po I2C protokolu, ali nude približne performance.

Karakteristika senzora 18s20+ je da imaju komunikaciju preko 3 linije, Vcc, Ground, i Data liniju, za razliku od I2C protokola koji funkcioniše po Tx i Rx linijama. Data linija je zajednička za sve uređaje koji funkcionišu po ovom protokolu, i preko nje se obavlja komunikacija u oba smijera. Jedino što je korisnik dužan da uradi je da pročita adresu senzora da bi znao kako da stupi u kontakt sa njim. Senzoru se pristupa pomoću CRC koda, pomoću koga se prima i informacija od senzora. CRC kod se koristi da bi se osiguralo da se pravi podatak sigurno očita. Pri testiranju, senzori su se pokazali kao odlično rješenje.

Kako je maketa botaničke bašte zaseban dio diplomskog rada, u nju je smješten njen deo elektronike, koji je predstavljen na slici:

Slika 15. Elektronika u botaničkoj bašti Na slici 15. se vidi da je rad ventilatora kontrolisan preko tranzistora, a da su senzori smješteni u konektore T1…T4. Kako senzori pružaju mogućnost da se očitavaju njihove vrijednosti i iako je više senzora na jednoj liniji, tu prednost smo i iskoristili. Svi senzori i ventilatori su povezani preko konektora SUB25 sa Master mikrokontrolerom koji kontroliše sve procese u botaničkoj bašti. Razlog za postavljanje ovog konektora je da bi se osigurala fleksibilnost prilagođenja ovog dijela projekta u slučaju da dođe do npr. proširenja botaničke bašte ili povećanja broja ventilatora na nivoima.

4.6

Ručni terminal

Ručni terminal je zamišljen kao lokalni interfes preko koga korisnik pristupa uređaju, provjerava vrijednosti, i zadaje nove po kojima će se odvijati rad istoga. Ideja je da se pristupa pomoću pet tastera, a selekcija i vrijednosti prate na displeju. Rad se takođe može

pratiti i preko računara, koji za razliku od terminala ne mora uopšte da bude u blizini botaničke bašte.

Cilj je da se obezbijedi praćenje rada uređaja i iz udaljenih mesta, a važno je samo da se ostvari veza između računara i uređaja preko UARTA.

Slika 16. Terminal Na

elektronskoj

šemi

ručnog

terminala

predstavljeni blokovi iz

kojih

je

sastavljen.

predstavljaju: displej sa

Blokovi

su

terminal

shift registrom, mikrokontroler, odgovarajuća tastatura, MAX 232 kolo i napajanje.

Mikrokontroler predstavlja mozak terminala. On je zadužen da upravlja procesima unutar terminala kao što su skeniranje tastature, adekvatan prikaz na displeju, komunikacija sa Mjerno upravljačkim blokom, itd. Da bi adekvatan mikrokontroler bio odabran za korišćenje, prvo je potrebno odrediti potreban broj pinova za komunikaciju i kontrolu perifenih uređaja: 1) Za skeniranje tastature od pet tastera je potrebno pet pinova jer matrica 2x3 zahtjeva šest pinova tako da je bolje koristiti po jedan pin za svaki taster.

2) Za komunikaciju preko UARTA je potrebno iskoristiti dva pina Tx i Rx 3) Kada je u pitanju displej, on pruža mogućnost kontrole pomoću 10 i poimoću 6 pinova, što je odlično jer korisniku daje nove mogućnosti.

Prema gore navedenim podacima potrebno je najmanje 13, a najviše 17 pinova za kontrolu perifernih uređaja i komunikaciju .U izboru su nekoliko mikrokontrolera, 16F 628, 16F 648, 16F 877 i 18F 452. Serija 18F 452 raspolaže sa 40 pinova od kojih se 35 mogu koristiti za ulaz i izlaz podataka, što je mnogo više od potrebnog broja. Serija 16F posjeduje 18 pinova, od kojih se 13 mogu koristiti za ulaz i izlaz podataka, tako da ova serija potpuno zadovoljava zahtjeve terminala. Međutim, upotrebom ove serije ne ostavlja se prostor za

eventualnu nadogradnju i usavršavanje u kasnijim verzijama terminala. Nakon razmatranja mogućeg problema i u toku izrade ove verzije terminala, u slučaju previda broja potrebnih pinova, zaključeno je da se kao adekvatno rješenje upotrebi shift registar.

Slika 17. Shift registar Shift registar koriti tri linije sa mikrokontrolera, DATA liniju, CLK liniju, i LATCH liniju.

Preko CLK linije mikrokontroler daje takt shift registru po kojem će da mu predaje i podatke na DATA liniji. Shift registar pomjera vrijednosti sa ulaza DATA svakim taktom, na svoje izlaze. Ovaj shift registar ima 8 izlaznih linija, što je savršeno rješenje za ovaj projekat.

Postavljanjem LATCH linije na logičku vrijednost 1, mikrokontroler daje znak shift registru da je postavio vrijednosti koje je htio, i podaci se šalju paralelno.

Sada se ovim rješenjem koristi 3 umjesto 6 pina na mikrokontroleru, a na shift registru ostaje 2 slobodna pina, tako da se sada raspolaže sa 5 slobodna pina, što je prihvatljivo.

Odlučeno je da se koristi model serije 16F 628. Razlog zašto je izabran ovaj tip mikrokontrolera je što raspolaže optimalnim brojem pinova, i što već postoji određeno iskustvo sa mikrokontrolerima ove serije.

Slika 18. PIC 16F 628 sa konektorima za periferne uređaje Kada je reč o softveru, početna ideja je bila da se potencijalni prikazi na displeju nalaze u tabeli, odakle će se očitavati i prikazivati na displeju pri određenoj kombinaciji tastera. Izradu programa je otežala okolnost da se prvi put radi sa LCD displejom, što je zahtjevalo zasebna testiranja rada displeja. U te svrhe je razvijen i PC program kojim se preko UARTA pristupa displeju. Nakon testiranja je napisan softver koji međutim nije pružio očekivane rezultate. Naime, displej je sporadično po uključenju napajanja prikazivao različite karaktere, kao da nije stigao da se inicijalizuje na vrijeme i da je mikrokontroler počeo da mu šalje podatke prerano.To se dešavalo iako je isti redosljed inicijalizacije korišćen pri radu na računaru, gde je pokazao dobre rezultate.

U pokušaju da se samostalno dođe do rješenja, povećavana su vremena pri inicijalizaciji LCD-a, međutim, to nije predstavljalo rješenje. U konsultacijama sa profesorom zaključeno je da je inicijalizacija i dalje bila nepravilna, jer se displej ponekad ne resetuje po uključenju, pa prikazuje sasvim nepovezan prikaz, što i jeste bio slučaj.

Proizvođač je tu “sitnicu” zaboravio da napomene u pdf-u za inicijalizaciju, tako da je stavio na kraju dokumentacije. Problem se javio zbog nedostatka koda koji po uključenju sam po sebi traži da se displej resetuje. Poslije ispravke ovog dijela koda LCD je radio perfektno.

Međutim, tada se javio problem tamo gde niko nije očekivao. Pošto je prikaz na displeju zahtjevao mnogo promjena, to je trebalo i mnogo memorije da se napravi tabela za prikaze.

Na kraju je tabela sa kodom za prikaz, i kodom za skeniranje tastature “pojela” nešto više od 3K word-a memorije, a serija 16F 628 raspolaže sa 2K word-a. Rješenje je srećna okolnost što serija 16F 628 posjeduje “starijeg brata”, seriju 16F 648 koja raspolaže sa istim registrima, što je odlično zbog koda, i 4K word-a memorije. Kako je mikrokontroler 16F 648 naručen iz inostranstva bilo je vremena da se kodovi za tastaturu i displej testiraju odvojeno i usavrše. Po upisu koda u mikrokontroler 16F 648 utvrđeno je da kodovi rade perfektno.

Sve što se promjenilo na šemi jeste mikrokontroler, koji je sada serija 16F 648:

Slika 19. PIC 16F 648 sa konektorima za periferne uređaje Da bi se obezbjedila komforna upotreba cijelog projekta, bilo je potrebno da se korisniku omogući uvid u parametere kojima uređaj trenutno raspolaže. Odlučeno je da će upotrebom adekvatnog LCD displeja taj zahtjev biti ispunjen, te je iz tih razloga iskorišćen LCD displej sa 2x16 karaktra. Razlog za upotrebu ovog displeja je prikaz za koji će biti korišćen, a koji je prestavljen u poglavlju Ručni terminal. Pristup i kontrola LCD displeja se vrši preko 6 ili 10 pinova. Razlika je u tome što prvi način koristi 4 pina (D7 … D4) za upis karaktera, dok drugi način koristi 8 pinova(D7 ... D0). Kod slučaja sa 4 pina se prvo šalje donji nibl, a zatim i gornji.

Za kotrolu prikaza karaktera se koriste pinovi RS i E. Pin RS služi Pin E (enable) služi kao znak da je kombinacija na pinovima D7 … D0 postavljena i da može da se prikaže. Pin R/W (Read/Wright) služi da bi se pristupilo memoriji displeja, eventualno da se upiše podatak o karakteru koji je korisnik sam napravio a pozivaće ga tokom rada displeja, ali ova mogućnost nije testirana. Kao što je opisano u prethodnom poglavlju, zbog nedostatka pinova na mikrokontroleru, kao posrednik između mikrokontrolera i displeja je iskorišćen shift registar kao što je prikazano na slici:

Slika 20. Terminal sa shift registrom

.

Kao što se vidi na slici, sa konektora se na shift registar direktno vode linije za kontrolu shift registra – CLK, LE, DATA dok linija E ide direktno na displej. Razlog za ovo rastavljanje je taj što je sigurnije da mikrokontroler posjeduje direktnu kontrolu nad displejom u smislu da on direkno dozvoli displeju da prikaže karakter sa ulaza.

Na slici se još može primjetiti i trimer potenciometar, koji služi za korekciju kontrasta na displeju, i kondezator na napajanju koji se spominje i u predhodnom poglavlju. Na kraju je zaključeno da je sasvim dovoljno staviti kondezator od 100 nF, ukoliko se dobro odradi inicijalizacija.

Kako se kao napajanje koristi baterija od 9V, jasno je da je potreban lokalni stabilizator napona na 5V. Za projekat je uzeto kolo 78L05, koje može da da više struje, što je upravo nama i potrebno iz razloga što postoje tri potrošača. Šema koja je primenjena je prikazana na slici:

Slika 21. Napajanje terminala sa prekidačem Naravno, pošto je primjećeno da terminal ima veliku potrošnju i da vrlo brzo potroši bateriju, te mu je ugrađen i prekidač kako bi se radni vek baterije produžio, gašenjem terminala kada se ne koristi. Pri konsultacijama sa profesorom zaključeno je da je daleko bolje rješenje koristiti DC-DC step-down prekidački stabilizator napona jer se produžava radni vijek baterije.

Slika 22. Kolo MAX 232 na terminalu Kolo MAX 232 je postavljeno iz razloga što je terminal morao da bude testiran na PC- u, koji ne komunicira na TTL nivou. Ovo kolo se u stvari ponaša kao prevodilac: na mikrokontroleru logički nivoi imaju vrijednosti 1 (5V) , 0 (0V) i prevodi se na nivoe 1 (12V) , 0 (-12V) na PC-u. Nakon testiranja je odlučeno da se zadrži

MAX 232 kolo, a da se za svaki

mikrokontroler postavi MAX 232 da bi cio uređaj bio univerzalan, da može da komunicira i sa PC-ijem i sa mikrokontrolerima. Kako je cio sistem zamišljen da komunicira preko UARTa, to su iskorišćeni pinovi 3, 2 i 5 na konektoru SUB 9. Tastatura kao deo terminala je realizovana sa pet tastera:

Slika 23. Raspored tastera na tastaturi terminala Prvi prikaz na terminalu prikazuje trenutne temperature na sva četiri nivoa. Primjer:

T1:21.5 T2:21.0 T3:22.0 T4:21.5 Pritiskom na taster Menu, otvara se prikaz na displeju koji daje mogućnost selekcije, pomoću tastera Scrol Left I Scrol Right. Da bi selekcija bila potvrđena, koristi se taster Enter, a u slučaju da korisnik hoće da izađe nazad koristi taster Cancel. Algoritam koji je prikazan na sledećoj stranici predstavlja zavisnost prikaza na displeju od rukovanja tastaturom: Slika 24. Algoritam za tastaturu i displej

Električna šema tastature je krajnje jednostavna. Sastoji se od pet tastera, povezanih

preko pet otpornika sa konektorom koji vodi do mikrokontrolera. Postoje dva načina da se odradi povezivanje tastera sa mikrokontrolerom, prvi da svaki taster ima svoju liniju i pin, i drugi, da se uradi matrica 2x3 linije. Drugi način zahtjeva složeniji softver i dobro je rješenje kada se radi o tastaturama sa velikim brojem tastera. Logično je da je ovde primjenjeno prvo rješenje, čija je električna šema predstavljena na slici:

Slika 25. Električna šema tastature

5. TESTIRANJE

Provjera rada uređaja se sastoji od naizmjenične izmjene termperature unutar botaničke bašte i dinamičke promjene graničnih vrijednosti pomoću ručnog terminala i računara opšte namjene. Prilikom ispitivanja rada uređaja pri naglim promjenama temperature, uređaj se pokazao kao dobro rješenje. Nije se dešavalo da se zaglavi u bilo kom trenutku ispitivanja.

Kada se radi o ispitivanjima ručnog terminala, ustanovilo se da je ipak i mikrokontroler serije 16F 648 loše rješenje. Naime poslie nekog vremena, koje nije uvijek isto, dešava se da se terminal zaglavi, obično usljed komunikacije sa Mjerno upravljačkim blokom. Nakon analize problema, i konsultacija sa profesorom zaključeno je da je problem nastao usljed malog stacka, kojim raspolaže ova serija. Stack u ovoj seriji raspolaže sa samo osam nivoa, što je očigledno bilo nedovoljno. U kodu se dešavaju neizbježni skokovi iz page-a u page, i u jednom trenutku se desi da se stack prepuni i prepiše prvi nivo, i u tom trenutku nastaje problem. Adekvatno rješenje za ovaj problem je upotreba serije 18F 452, iz razloga što ova serija raspolaže sa stack-om od 32 nivoa, i pri tome sama vodi računa o prelazu iz page-a u page. Upotreba softvera na računaru opšte namjene se pokazala kao korisno rješenje, i nije bilo nikakvih problema sa njom u toku ispitivanja. Korisna strana ovog rješenja je ta što se paralelnom upotrebom ovog softvera sa ručnim terminalom vrlo brzo došlo do rješenja za gore navedeni problem, jer se neprekidno imalo u vidu šta Mjerno upravljački blok ima upisano u memoriju.

6. ZAKLJUČAK Već u toku realizacije projekta, a pogotovo u fazi ispitivanja, su uočena moguća poboljšanja. Uočena, moguća, poboljšanja ne zahtjevaju radikalnu izmjenu hardverskog dijela i povećanje materijalnih troškova. Koncepcija modularnosti cijelog sistema, sa serijskom komunikacijom izmedju pojedinih modula, omogućava laku modifikaciju, a po potrebi i zamjenu pojedinih modula. Zamjena mikrokontrolera 16F 648 sa mikrokontrolerom 18F 452 u ručnom terminalu , sigurno, spada u prioritetne izmjene.

Takođe, zbog velike potrošnje, obzirom na kapacitet korišćenih baterija za napajanje ručnog terminala, potrebno je linearni stabilizator napona zamjeniti

prekidačkim, koji ima veći

koeficijent iskorišćenja. Modularnost sistema, što je bila od samog početka jedna od osnovnih premisa pri projektovanju, se pokazala kao ispravna koncepcija. Moguće je zamjeniti pojedine funkcionalne cjeline unutar sistema, a da to ne ruši osnovnu koncepciju rada.

Serijska komunikacija između pojedinih dijelova sistema, što je savremeni trend u realizaciji kompleksnih uredjaja, omogućava lako dodavanje, uz minimalne izmjene softvera, novih periferija. Drugim riječima, realizovana hardverska platforma i sitemski dio softvera, omogućava da se isto ili slično rješenje primjeni i u nekoj drugoj aplikaciji. Konačni zaključak bi bio da je uredjaj bilo moguće i bolje izprojektovati odnosno realizovati ali da uloženi trud nije bio uzaludan i da već na ovom nivou uredjaj zadovoljava potrebe krajnjih korisnika.

7.

DODATAK

Slika 1. Elektronska sema terminala

Slika 2. šema Mjerno upravljačkog bloka

8. LITERATURA [1.] Verica Vasiljević: “Mikroračunari”, Viša Elektrotehnička Škola [2.] www.microchip.com [3.] Primjena mikrokontrolera u kontroli temperature botaničke bašte , Nenadović Nikola, Beograd 2006. godine [4.] Mikroračunari, Danko Kezić, Split 2004.