ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

УДК 621.316.544.1 (035.5)

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ И СИСТЕМ НА ОСНОВЕ AVR-КОНТРОЛЛЕРОВ И ARDUINO

Я.П. Герасименко, студент

ФГБОУ ВО еверо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет) (СКГМИ (ГТУ)), Владикавказ, Россия

подключения внешн х устройств змерения и сигнализации. Описаны принципы организации ШИМ и АЦП для управлен я внешн ми устройствами и измерения аналоговых сигналов. Рассмотрены методы программ рован я модулей и организации связи с компьютером и другими вычислительными устройствами.

Ключевые слова: контроллер, микропроцессор, Arduino, широтно-импульсная модуляция, аналого-цифровое преобразован е, программирование

DEVELOPMENT OF INFORMATION AND CONTROL DEVICES AND SYSTEMS

BASED ON AVR-CONTROLLERS AND ARDUINO

Y.P. Gerasimenko, student

The North Caucasian mining and metallurgical institute (State Technological University),

Vladikavkaz, Russia

Abstract. The report addresses the use of Arduino microprocessor modules and AVR controllers for developing information management systems. Examples of the creation of laboratory models for the study of signal transmission and the connection of external measuring and signaling devices are given. The principles of the organization of PWM and ADC for controlling external devices and measuring analog signals are described. The methods of programming modules and organization of communication with a computer and other computing devices are considered.

Keywords: controller, microprocessor, Arduino, pulse-width modulation, analog-to-digital conversion, programming

Целью представленной работы является рассмотрение возможности применения микропроцессорных устройств на основе 8-разрядных AVR-контроллеров и модулей Arduino в технологических информационно-управляющих системах. ля создания «интернета вещей» в информационно-управляющих системах применяют платформу AggreGate, позволяющую подключать разнообразные модули контроллеры.

Модульная технология AggreGate позволяет не только Агентам, но даже и AggreGate серверам работать на одноплатных компьютерах, таких как Raspberry Pi и BeagleBone Black. За счет предоставления средств разработки C/C++ на платформе Arduino теперь можно использовать бюджетные устройства в технологических информационно-управляющих системах. Пакет позволяет встраивать библиотеку Агента в код C/C++, что делает ваше устройство совместимым с платформой AggreGate. В комплект также входит API для взаимодействия с сервером в качестве клиента, что предоставляет полный контроль над сервером из любого приложения C/C++.

При разработке информационно-управляющих систем часто возникает необходимость конструирования устройств, специализированных для решения тех или иных задач сбора и обработки информации, разработки электронной системы сигнализации и оповещения, вывода управляющих сигналов, создания автоматизированных и роботизированных комплексов.

Для решения таких задач хорошо подходит открытая аппаратная платформа Arduino, предназначенная для макетирования электронных устройств, основанная на гибком и простом в использовании аппаратном и программном обеспечении [1]. Arduino может использоваться для создания автономных объектов автоматики, а также подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

Arduino – это небольшая плата с собственным процессором, памятью, источником питания, разъемами портов и интерфейсов. Используя практически неограниченный спектр модулей ввода и

257

Направление 4. Информационные системы и технологии в промышленности, в строительном и транспортном комплексах

вывода, датчиков, индикаторов, дисплеев, электродвигателей можно создавать и программировать огромный набор информационных и управляющих функциональных устройств.

Среда разработки Arduino IDE напоминает текстовый процессор. Окно делится на три области: область управления, область ввода текста и область вывода сообщений. Программа для Arduino называется кетч – это набор инструкций на языке С++, определяющий пути решения стоящей перед разработчиком задачи.

Управление дискретными сигналами ввода и вывода является наиболее простым и самым распространенным в системах контроля, управления, сигнализации, и многих других [2]. Сигнал на

Управлен е светофором осуществляется следующим образом. Без подачи сигнала с кнопки реализуется стандартный алгор тм переключения света автомобильного светофора. При нажатии на кнопку запускается алгор тм для пешеходного светофора. Автомобильный сигнал переключается на красный, пешеходный – на зелёный, идёт звуковое сопровождение для слепых людей, зуммер включается функц ей tone(), которая задает частоту звукового сигнала с заданного порта. По истечении определённого заданного времени на пешеходном загорается красный, а для автомобильного с гнала продолжает реализовываться стандартный алгоритм.

Рисунок 1 – Управление работой двух светофоров на пешеходном переходе

Для управления средней мощностью выводимого с порта контроллера сигнала, в микропроцессорных устройствах реализуется функция широтно-импульсной модуляции (Ш М). В Arduino ШИМ реализуется с помощью функции analogWrite(). Эта функция управляется внутренним таймером-счетчиком процессора [3], имеющего восемь счетных разрядов. Поэтому значение выводимой мощности можно задать на 256 уровнях. Таким образом, можно изменять среднее значение напряжения, яркость светодиода, громкость звука.

На рисунке 2 показана схема управления яркостью светодиода с помощью двух кнопок «больше» и «меньше». Нажатием на одну кнопку увеличивается яркость светодиода, нажатием на другую – уменьшается. Такой принцип реализуется во многих системах дистанционного ручного управления.

Светодиоды обладают свойством «послесвечения», поэтому ШИМ можно использовать для создания иллюзии изменения яркости свечения светодиода, быстро включая и выключая его 500 раз в секунду. Видимая яркость определяется отношением интервала времени, когда цифровой выход включен к интервалу времени, когда он выключен (коэффициент заполнения). Чем больше

258

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

коэффициент заполнения, тем выше воспринимаемая яркость светодиода. Диапазон значений коэффициента заполнения от 0 до 255, где 0 соответствует 0% заполнения, а 255 – 100%.

Измерение аналоговых сигналов является одной из важнейших функций в устройствах сбора и обработки информации. Эта функция реализуется с помощью аналого-цифрового преобразования (АЦП). Микропроцессор ATMEGA 328 имеет встроенное десятиразрядное АЦП, поэтому входной аналоговый сигнал сравнивается с 1024 уровнями внутреннего опорного напряжения [3]. При значении сигнала от 0 до 5В, точность определения напряжения составит ±0,005В.

СибАДИРисунок 2 – Управление мощностью с помощью кнопок «больше-меньше»

На рисунке 3 приведена схема управления освещением с помощью фоторезистора. Такой принцип используется, например, в уличных фонарях и пожарной сигнализации. Фоторезистор меняет своё сопротивление в зависимости от освещения. Здесь работает принцип порогового включения, достигая определённого значения аналогового сигнала, подаётся напряжение на светодиод и он загорается, наоборот.

Рисунок 3 – Управление светодиодом с помощью фоторезистора.

259

Направление 4. Информационные системы и технологии в промышленности, в строительном и транспортном комплексах

Чтение аналогового сигнала и реализация АЦП в Arduino выполняется функцией analogRead(). Результатом является десятиразрядное целое число, которое может быть преобразовано в значение напряжения или другой физической величины методами масштабирования.

Приведенные схемы и методы описывают только некоторые возможности применения модулей Arduino. оздаваемые на их основе системы сбора и обработки информации могут быть подключены к компьютеру с помощью Wi-Fi или Bluetooth модулей, а также через USB, RS485 или другие интерфейсы [1]. Информационная система может быть привязана к локальным устройствам и системам управления, которые могут считывать информацию с датчиков, выводить её через звуковые и световые сигналы, управлять электрическими устройствами.

Рассмотрим возможности применения микропроцессорных устройств на основе 8-разрядных AVR СибАДИконтроллеров и модулей Arduino в системе управления колонкой для отпуска нефтепродуктов [4, 5].

Применяемые в настоящее время счетные устройства, в частности, отечественные счетные устройства «ЭЦТ-1/16», «ТОПАЗ» и другие встраиваемые в автозаправочные колонки имеют ряд существенных недостатков:

в устройствах со светод одной индикацией отображаемая информация при ярком солнечном свете практ чески не в дна;

устройства с ж дкокр сталл ческими индикаторами имеют люминесцентную подсветку, которая имеет огран ченный срок службы и при выходе ее из строя требуется замена платы, то есть отдельно отремонт ровать подсветку невозможно;

применяемый контроллер управления жидкокристаллическими индикаторами также имеет ограниченный срок службы (не олее 2-х лет);

микропроцессорный котроллер счетного устройства «ЭЦТ-1/16» имеет недостаточную

используемая схема ИК-пр емника для настройки счетных устройств с помощью пульта дистанционного управления, не о еспечивает защиту введенной информации от сбоев, вызванных солнечными лучами и другими источниками ИК-излучения.

Вследствие указанных недостатков ольшое количество счетных устройств, установленных на заправочных колонках, выходят из строя и владельцы ЗС постоянно обращаются в ремонтные службы и на предприятия занимающиеся автоматизацией технологических процессов с просьбами отремонтировать счетные устройства или установить более надежные и удобные в эксплуатации.

Применение импортных счетных устройств позволяет решить многие проблемы, но из-за высокой цены, отсутствия необходимых комплектующих и сложности ремонта, их применение в отечественных заправочных колонках не представляется возможным.

Поэтому актуальной является задача разработки новых счетных устройств с повышенной помехозащищенностью и надежностью, обладающие удобным интерфейсом с оператором, имеющие табло индикации с четким отображением информации, длительным сроком службы и возможностью быстрого ремонта.

Разработанные экспериментальные образцы счетных устройств позволяют решить поставленную задачу, что показали испытания на различных АЗС.

За последние четыре года было разработано несколько вариантов счетных устройств с передовыми микропроцессорами фирмы ATMEL: AT90S8515, ATMega8515, ATMega162. Разработаны счетные устройства для одно-двухрукавных четырех-шестирукавных колонок. Постоянное совершенствование программного обеспечения и схемотехнических решений позволило в настоящее время получить высоконадежное помехоустойчивое счетное устройство, имеющее удобный интерфейс с оператором, возможность применения электронного счетчика полного и суточного количества литров, восстановления информации продолжения заправки при сбоях вызванных сильными помехами в электросети. Во многих случаях, в сложных полевых условиях, серийные счетные устройства выходили из строя или давали большое количество сбоев, в то время как разработанные счетные устройства продолжали работать и показания электронного счетчика отпущенных литров совпадали с показаниями механического счетчика.

Для отображения информации в разработанных счетных устройствах применяются жидкокристаллические индикаторы фирмы «Intech» с рабочим диапазоном температур от -30 0С до +80 0С. Для подсветки индикаторов используется люминесцентная лампа малой мощность, установленная с обратной стороны платы индикации. Для засветки сегментов индикаторов используются микросхемы 176ИД2 или их аналоги, которые показали высокую надежность работы.

В результате указанных схемотехнических решений создана электронная плата индикации, обладающая четким отображением информации, высокой надежностью и длительным сроком службы в сложных погодных и температурных условиях. Срок службы лампы подсветки индикации один год, после чего она легко заменяется на новую.

260

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

Сборник материалов III Международнойнаучно практической конференции

Разработанное программное обеспечения микропроцессорного счетного устройства в настоящее время содержит более 30 листов текста на языке “IAR C” и включает в себя подпрограммы:

отображения информации на ЖКИ;запуска и останова заправки по сигналу от пульта управления;

обработки импульсов с дискретностью 10 мл и частотой до 140 имп/с от двухканального электронного источника импульсов в процессе заправки и неисправность этого счетчика при пропадании сигналов от одного из каналов;

настройки длительности счетных импульсов посылаемых на пульт управления;электронной коррекции счета с учетом температуры заправляемого топлива и ошибки

микропроцессорных устройств на основе 8-разрядных AVR-контроллеров и модулей Arduino в информационно-управляющ х с стемах реальных технологических задачах.

Библиограф ческ й сп сок

1. Бокселл Д. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками / Д. Бокселл. – СПб: "Питер". 2017. – 400 с.

2. Баранов В.Н. Пр менен е м кроконтроллеров AVR: схемы, алгоритмы, программы / В.Н. Баранов. – М.: Издательский дом "Додека-XXI". 2004. – 288 с.

3. Евстифеев А.В.. Микроконтроллеры AVR семейства Tiny и Mega фирмы ATMEL / А.В. Евстифеев. – 2-е издание. – М.: Издательский дом "Додека-XXI". 2005. – 560 с.

4. Информационная система «ielectro». Полные каталоги продукции предприятия. Phoenix Contact. Контроллеры, системы ввода-вывода и устройства для сетевой инфраструктуры. 2013-2014. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ielectro.ru/pp fn tab2doc=1298/Document74250.html (дата обращения: 21.01.2019).

5. Информационная система «ielectro». Полные каталоги продукции предприятия. Каталог продукции АБСХолдинг 'Микропроцессорные контроллеры'. 2008. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ielectro.ru/pp fn tab2doc=1298/Document52015.html (дата обращения: 21.01.2019).

6. AggreGate SCADA/HMI. Решения. Автоматизация производства. SCADA/HMI. [Электронный ресурс]. –

Режим доступа: https://aggregate.tibbo.com/ru/solutions/industrial-automation/scada-hmi.html(Дата обращения 21.01.2019).

Научный руководитель – Зароченцев В.М., канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры Информационных технологий систем Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета).

261