Комплексная интерактивная система по контролю и обеспечению жизнедеятельности растений

Яркий пример контейнерного  садоводства изображен на рисунке 4. 

Рисунок 4 – Цветы в  контейнере 
 

Контейнерное цветоводство справедливо завоевывает все большую популярность, что неудивительно, учитывая его преимущества. Однако контейнерная культура имеет свои недостатки: летом растения нужно часто поливать, в период засухи может понадобиться ежедневный полив.  Поэтому автоматизация контейнерного садоводства, как нельзя лучше всего подходит для повышения популярности этого вида.

 

1.3 Орхидеи

 

Немаловажное значение имеет объект контроля – орхидея. Это декоративно-цветущие растения выделены в особую группу. Орхидеи - многолетние травянистые растения, родом из тропических стран с  жарким и умеренным климатом. Орхидеи ценятся не только за своеобразность и красоту цветков самых разных оттенков и цветов, но и за то, что цветение многих из них приходится в основном на зимние месяцы.

Бесспорным преимуществом  перед всеми другими цветущими растениями является длительность цветения - цветы орхидей держатся около 1 месяца, у некоторых видов около 2-3 месяцев на растении и около месяца, если их срезать. Цветки орхидей одиночные, в кистевидных, метельчатых и колосовидных соцветиях. Цветки имеют яркоокрашенный околоцветник из двух трехчленных кругов. Задний лепесток внутреннего круга, называется губой и отличается от остальных и по форме и по окраске. Три тычинки в цветке крепятся к столбику, развиты из них только одна или две. Плод - коробочка. Семена очень мелкие, пылевидные. На рисунке 5 изображены орхидеи из коллекции ботанического сада.

 

Рисунок 5 - Орхидеи

Орхидеи очень требовательные и  капризные в культуре растения В  первую очередь по тому, что им нужна  достаточно высокая влажность воздуха.

 

 

 

 

2  АППАРАТНАЯ  РЕАЛИЗАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО КОНТУРА

 

2.1 Общая схема  комплекса

 

На рисунке 6 приведена  общая схема комплекса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В состав комплекса входят такие части и элементы, как:

- USB - Канал связи с компьютером

- Модуль оцифровки сигналов и вывода управлений LCard

- Реле исполнительных механизмов

- Датчики: влажности воздуха, температуры, освещенности, влажности почвы.

- 12 В - Блок питания реле

- Включение системы

- Включение шторы

- 24 В - Блок питания шторы

- Ручной реверс шторы

- Ручное управление исполнительными устройствами

 

Рисунок 6 – Общая схема  комплекса

 

На рисунке 7 приведена фотография собранного из указанных элементов опытного образца комплекса, изготовленного специально для диплома и испытаний в Ботаническом Саду.

 

Рисунок 7 – Блок управления системой

 

2.2 Блок АЦП/ЦАП

 

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые  принимают входные аналоговые сигналы  и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или  ток, пропорциональные значению цифрового  кода.

На рисунке 8 представлен  блок современных USB цифро-аналоговых преобразователей от LCARD, собранный в одну коробку, используемый как составная часть конструируемого комплекса согласно приведенной выше схеме, рисунок  6.

 

 

Рисунок 8 – Внешний  модуль АЦП/ЦАП на шину USB

 

 

Слева и справа у него имеются контактные группы аналоговых и цифровых входов-выходов [5]. Технические характеристики модуля представлены в Таблице 1.

 

 

 

Таблица 1 - Технические  характеристики АЦП/ЦАП

 

АЦП
Количество каналов	16 дифференциальных или 32 с общей "землей"
Разрядность АЦП	14 бит
Эффективная разрядность	13,3 бит (100 кГц, диап. изм 2,5 В.)
Входное сопротивление (при  одноканальном вводе)	не менее 1 МОм
Диапазон входного сигнала	± 10 В; ± 2,5 В; ± 0,625 В; ± 0,156 В
Максимальная частота преобразования	100 кГц (для внутренней  или внешней аппаратной синхронизации)
Синхронизация	от внешнего синхросигнала,  по уровню аналогового сигнала,  от встроенного таймера,   возможна многомодульная синхронизация
Защита входов	± 30 В (питание вкл.)  ± 10 В (питание выкл. и в режиме suspend)
Микроконтроллер
Тип	ATMega8515
Тактовая частота	16 МГц
Внутреннее ОЗУ данных	512 Байт
Внутреннее ПЗУ программ	8 кБайт
FIFO буфер АЦП	16 кСлов

 

 

Таблицы 1 - продолжение 

ЦАП
Количество каналов	2
Разрядность	12 бит
Время установления	8 мкс
Выходной диапазон	± 5 В
Выходной ток, не более	2 мА
Цифровые входы  и выходы
Количество входов	16
Количество выходов	16
Входы-выходы синхронизации	вход прерывания контроллера,  вход-выход синхронизации АЦП
Тип логики	КМОП (74 HCT)
Питание     от шины USB
Потребляемый ток	до 260 мА (в активном режиме),  до 95 мА (в режиме suspend)
Выходы для питания  внешних цепей	+5 В, до 100 мА,  ±15 В, до 20 мА по каждой из цепей (опция)
Габариты       129x95x26 мм

 

 

 

 

 

Рисунок 9 представляет собой функциональную схему модуля АЦП/ЦАП.

 

Рисунок 9 - Функциональная схема

АЦП/ЦАП состоит из следующих элементов:

1. Микроконтроллер AVR AtMega8515, этот контроллер осуществляет внутреннее управление E14-140
2. USB-device PDIUSB12D, - низкоуровневый контроллер USB, - управляется от AVR
3. Коммутатор, предназначенный для аналоговой коммутации сигналов с аналоговых входов на вход усилителя под управлением AVR
4. Усилитель, имеющий 4 градации коэффициента усиления.
5. АЦП LTC1416 – 14 битное АЦП последовательного приближения, с широкими возможностями программной настройки режима старта АЦП: с использованием входа прерывания ( на разъеме ANALOG I/O ) или входа-выхода синхронизации ( на разъеме DIGITAL I/O)
6. Буфер АЦП, хранящий один 14 битный отсчет АЦП в формате 8+8 бит с расширенным знаком дополнительного кода.
7. ОЗУ 32 МБ, используемое AVR для буферизации данных АЦП
8. Двухканальный ЦАП, записываемый от интерфейса SPI AVR.

Схема аппаратные возможности наиболее существенной части комплекса, существующие регистры и составные части, которые могут учитываться при программировании.

 

2.3 Аппаратные особенности АЦП/ЦАП

 

Поясним, каким образом аппаратные особенности АЦП/ЦАП отражаются на программировании комплекса. Ниже на рисунке 10 приведены контактные группы аналоговых входов-выходов [5].

Рисунок 10 – контактные группы аналоговых входов-выходов АЦП-ЦАП модуля E14-140D LCARD

 

Для инициализации двух выходов ЦАП и использования  сигналов двух датчиков АЦП в программном обеспечении комплекса описываются размерности u=[0 0]', y=[0 0]', соответственно и  подается команда y=read(u). Вторичное обращение к команде будет подавать соотвествующие сигналы управления на ЦАП и принимать данные в вектор y.

Ниже приведен пример организации цикла сбора данных, запускаемого командой start.

 

function: start

ЦИКЛ СБОРА ДАННЫХ 
For i=1:100, measure,

ВЫВОД ГРАФИКА 
if i=1, g=x else g=[g; x], end, g=??, pause 0.1, end 

function: measure

ДВА ОПОРНЫХ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДАЧИКОВ 
u=[5 5]', z=[0 0]',

ПОДАЧА НАПРЯЖЕНИЯ 
y=read(u), pause 0.1, СБОР ИНФОРМАЦИИ 
y=read(u), x=0.9*x+0.1*y(2), НОРМИРОВКА

ОТКЛЮЧЕНИЕ ПИТАНИЯ  ДАТЧИКОВ 
y=read(z),

 

2.4 Программные  драйверы 

Для реализации отмеченных выше команд необходимо использовать команды нижнего уровня обмена данными с АЦП-ЦАП модуля E14-140D LCARD, которые организуются в виде вызова подпрограмм на Pascal из среды драйверов Lusbapi, поставляемой вместе с модулем.

 

Интерфейс для модуля E14-140D LCARD

Перечислим базовые функции для работы с АЦП: 
1) Старт-стопные 
function START_ADC : boolean; virtual; stdcall; abstract; 
function STOP_ADC : boolean; virtual; stdcall; abstract; 
2) Функция “Кадр” - снять набор точек с 1 по 16 АЦП 
function ADC_KADR(Data : pshort) : boolean; virtual; stdcall; abstract; 
3) Функция “Сампл” - снять выборку данных с канала 
function ADC_SAMPLE(Data : pshort; Channel : word) : boolean; virtual; stdcall; abstract. 
 
Базовая функция для работы с двухканальным ЦАП: 
function DAC_SAMPLE(Data : word; Channel : word) : boolean; virtual; stdcall; abstract. 
 
Функции для работы с ТТЛ линиями: 
1) Активизация линий 
function ENABLE_TTL_OUT(EnableTtlOut : boolean) : boolean; virtual; stdcall; abstract; 
2) Входные данные 
function TTL_IN(TtlIn : pword) : boolean; virtual; stdcall; abstract; 
3) Выходные данные 
function TTL_OUT(TtlOut : word) : boolean; virtual; stdcall; abstract;

Все интерфейсные функции (кроме особых ReadData() и WriteData()), строго говоря, не обеспечивают “потокобезопасную” работу dll-библиотеки. Поэтому, во избежание недоразумений, в многопоточных приложениях пользователь должен сам организовывать, если необходимо, корректную синхронизацию вызовов интерфейсных функций в различных потоках (используя, например, критические участки, мутексы и т.д.).

В файл библиотеки функций Lusbapi.dll включена информация о текущей версии dll. CreateInstance() возвращает указатель на интерфейс модуля E-140. В дальнейшем, используя этот указатель, можно осуществлять доступ ко всем интерфейсным функциям dll-библиотеки (см. исходные тексты примеров). Для получения в приложении сведений о данной версии можно использовать вторую из экспортируемых функций из штатной библиотеки: GetDllVersion().

Перед началом работы с DLL библиотекой в пользовательской программе нужно сделать следующие  объявления:

ILE140 *pE140; // указатель на  интерфейс модуля E-140

ADC_PARS_E140 am; // структура  содержащая параметры работы  АЦП

MODULE_DESCR_E140 md; // структура  содержащая важную информацию  о модуле.

GetDllVersion() позволяет проверить версии используемой dll-библиотеки и текущего программного обеспечения.

Если версии совпадают, то в приложении необходимо получить указатель на интерфейс модуля, вызвав функцию CreateInstance(). В дальнейшем для  доступа ко всем интерфейсным функциям модуля необходимо применять именно этот указатель. После этого, используя уже полученный указатель на интерфейс модуля, следует проинициализировать доступ к виртуальному слоту, к которому подключён модуль, применяя для этого интерфейсную функцию OpenLDevice(). Если ошибки нет, то, в общем случае, какой-то из модулей Е-140 подключен к выбранному виртуальному слоту и можно переходить к этапу его идентификации.

Данные, считанные с 14-ти битного АЦП модуля E-140, представляются в формате знакового целого двухбайтного числа от -8192 до 8191. Точностные пределы кодов АЦП, соответствующие выбранному входному диапазону, приведены в следующей таблице 2.

 

 

 

 

 

Таблица 2 - Соответствие кода АЦП напряжению на аналоговом входе

Модуль	Усиление	Код		Напряжение, В	Точность, %
E-140	1; 4; 16; 64	+8000		+MAX	2÷3
		0	0	0.25; 0.3; 0.5; 1.0
		-8000	-MAX	2÷3

 

В таблицу 3 сведены также  наиболее часто встречающиеся при  программировании модуля термины:

 

Таблица 3 - Термины

Название	Смысл
AdcRate	Частота работы АЦП в кГц
ChannelRate	Частота работы аналогового  канала в кГц
InterKadrDelay	Межкадровая задержка в млс
Buffer	Указатель на целочисленный  массив для данных
Npoints	Число отсчетов ввода
AdcChannel	Логический номер аналогового  канала АЦП
ControlTable	Управляющая таблица,содержащая целочисленный массив с логическими номерами каналов для циклического последовательного ввода данных с АЦП
ControlTableLength	Длина управляющей таблицы