Проектная работа "Создание инкубатора на платформе Arduino"

Описание схемы управления

Электрическая схема управления разработанного инкубатора основана на платформе Arduino.

Основными преимуществами данной платформы являются: простота программирования, доступность и наличие широкого выбора подключаемых к ней модулей и датчиков.

В качестве датчика температуры использовался цифровой герметичный измеритель, выполненный на микросхеме DS18B20, отличающийся относительно высокой точностью (погрешность составляет 0,5 градуса Цельсия в достаточно широких пределах измерения от -10 до +85 градусов).

Обмен данными датчика с микроконтроллером осуществляется по однопроводной линии связи, используя протокол интерфейса 1 - Wire, что дает возможность подключить до 127 датчиков на одну линию связи.

Для равномерного подогрева камеры инкубатора были выбраны нагревательные элементы мощностью 12 Вт с линейными размерами 10 на 12 см, преимуществами которых являются: быстрый нагрев, равномерное распределение температуры, высокая теплопроводность и водонепроницаемость. Управление нагревательными элементами осуществляется посредством реле, подключенного к плате управления.

Электронные компоненты для инкубатора на платформе Arduino

Питание всей схемы осуществлялось от стандартного компьютерного блока питания мощностью 350 Вт (5 В для питания платы управления и 12 В для питания нагревательных элементов).

Принцип работы инкубатора

Для вывода информации используется дисплей LCD1602, подключенный через I2C модуль. На дисплей, в зависимости от выбранного режима работы устройства, может выводиться заданная пользователем температура, средняя фактическая, а также температура, измеренная каждым датчиком отдельно. Для переключения режимов используется энкодер KY-24.

После включения блока питания необходимо задать рабочую температуру с помощью энкодера, которая будет поддерживаться на протяжении всего времени работы устройства. Измерение температуры внутри камеры инкубатора осуществляется тремя датчиками DS18B20, которые были подключены по одной линии связи к Arduino по протоколу 1-Wire.

В разработанном инкубаторе предусмотрено два режима работы, в первом режиме температура каждого датчика, установленного внутри камеры, отображается на экране поочередно при нажатии на кнопку энкодера и второй режим, когда отображается среднее значение температуры внутри камеры (с 3-х датчиков).

Использование трех датчиков обусловлено необходимостью точного измерения температуры в каждой зоне расположения датчика, и ее последующего усреднения. При работе инкубатора программа управления использует среднее значение температуры для отключения, или включения нагревательных элементов.

После выбора требуемой температуры происходит включение нагревательных элементов, если температура внутри камеры инкубатора меньше заданной. При достижении внутри камеры требуемой температуры, микроконтроллер с помощью реле отключает нагревательные элементы. Повторное включение нагревательных элементов происходит при понижении температуры ниже заданного значения.

Алгоритм работы программы

Программа работает по следующему алгоритму:

1. После подачи питания начинается считывание значений с датчиков и вывод средней температуры на дисплей устройства, кроме этого возможно непосредственное отображение температуры с каждого отдельного датчика, задействовать эту функцию можно при помощи энкодера;

2. Если фактическая температура в устройстве оказывается ниже заданной пользователем, то управляющая плата посылает сигнал на реле для включения нагревательных элементов, в случае, если фактическая температура превышает заданную, происходит отключение нагревательных элементов. Блок-схема алгоритма работы программы приведена на рисунке.

Блок-схема алгоритма

Устройство инкубатора

Основой для инкубатора служил корпус СВЧ печи. Датчики температуры внутри располагались следующим образом: один датчик располагался ближе к крышке (для выявления возможных теплопотерь вследствие неполной герметичности камеры в месте открывания крышки), второй располагался посередине камеры (для получения информации о температуре в непосредственной близи от образца), третий датчик располагался вверху (для контроля неравномерности нагрева из-за теплого воздуха).

Такое расположение датчиков температуры дает возможность контролировать локальный нагрев различных участков камеры и в случае необходимости менять режим работы инкубатора.

Нагревательные элементы (3 шт.) располагались на верхней и боковых частях корпуса, что обеспечивает равномерный прогрев всей камеры инкубатора, при стандартных линейных размерах СВЧ печи. Корпус инкубатора был термоизолирован 2-мя слоями вспененного полиэтилена толщиной 3 мм (один слой).