3. Розробка структурної схеми системи

В даному дипломному проекті розглядається процес автоматизації теплиці по вирощуванню помідорів. За умовчанням приймається, що до даної теплиці, яка автоматизується, проведена централізована система водопостачання та вона має власну систему водяного обігрівання.

Дана система автоматичного керування має збирати данні про:

• температуру повітря;

• вологість повітря;

• температуру грунту;

• вологість грунту.

Далі ці данні повинні оброблятися системою автоматичного керування і видаватися керуючі сигнали на виконавчі пристрої, які мають виконувати наступні функції:

• регулювання необхідного рівня температури повітря, шляхом вчасного ввімкнення контуру обігріву повітря в теплиці (якщо температура понизиться), або ввімкнення системи охолодження (якщо температура підвищиться);

• забезпечення провітрювання теплиці, якщо рівень відносної вологості підвищиться;

• забезпечення дозволоження повітря в теплиці, якщо рівень відносної вологості понизиться;

• забезпечення поливу урожаю (підтримання необхідного вологісного режиму грунту);

• регулювання необхідного рівня температури грунту шляхом вчасного ввімкнення контуру обігріву грунту.

Для слідкування за температурно-вологісним режимом в теплиці нам потрібні датчики. А саме датчики температури і вологості.

3.1. Огляд датчиків

Датчик (сенсор від англ. sensor) - термін систем керування, первинний перетворювач, елемент вимірювального, сигнального, регулюючого чи керуючого пристрою системи, що перетворить контрольовану величину в зручний для використання сигнал.

Процес керування полягає в прийомі інформації про стан об'єкта керування, її контролі й обробці центральним пристроєм і видачі їм керуючих сигналів на виконавчі пристрої. Для прийому інформації служать датчики неелектричних величин. Таким чином, контролюється температура, механічні переміщення, чи наявність відсутність предметів, тиск, витрати рідин і газів, швидкість обертання і т.п.

Датчики інформують про стан зовнішнього середовища шляхом взаємодії з нею і перетворення реакції на цю взаємодію в електричні сигнали. Існує безліч явищ і ефектів, видів перетворення властивостей і енергії, який можна використовувати для створення датчиків. У табл. 1 приведений порівняно скромний перелік.

При класифікації датчиків як основу часто використовується принцип їхньої дії, що, у свою чергу, може базуватися на фізичних чи хімічних явищах і властивостях [9].

3.1.1. Температурні датчики.

З температурою ми зіштовхуємося щодня, і це найбільш знайома нам фізична величина. Серед інших датчиків температурні відрізняються особливо великою розмаїтістю типів і є одним з найпоширеніших .

Термопари особливо широко застосовуються в області вимірів. У них використовується ефект Зеебека: у спаї з різнорідних металів виникає ЭДС, приблизно пропорційна різниці температур між самим спаєм і його висновками. Діапазон вимірюваних термопарою температур залежить від застосовуваних металів. У термочуттєвих ферритах і конденсаторах використовується вплив температури відповідно на магнітну і діелектричну проникність, починаючи з деякого значення, що називається температурою Кюрі і для конкретного датчика залежить від застосовуваних у ньому матеріалів.

Переваги термопар:

• Великий температурний діапазон виміру

• Вимір високих температур до 1800-2200 °С

• Вимір низьких температур від -50 °С

Недоліки:

• Точність більш 1 °С важко досяжна, необхідно використовувати термометри чи опору термістори.

• На показання впливає температура вільних кінців, на яку необхідно вносити виправлення.

• Виникає погрішність від зміни температури холодного спаю

• Ефект Пельтьє (у момент зняття показань, необхідно виключити протікання струму через термопару, тому що струм, що протікає через неї, прохолоджує гарячий спай і розігріває холодний).

Термометр опору - датчик виміру температури. Принцип дії заснований на вимірі каліброваного мідного чи платинового опору. Залежність опору датчика від температури - називається градуїровка. Найбільш розповсюджені градуїровки в промисловості: 50П, 50М, 100М, 100П. Градуїровки 21, 23 - є застарілими. Найбільш точними і стабільними в часі є термометри опору на основі платинового чи дроту платинового напилювання на кераміку. Найбільше поширення на заході одержали PT100(опір при 0°С - 100) PT1000(опір при 0°С - 1000) (ІEC751). Залежність від температури майже лінійна і підкоряється квадратичному закону при позитивній температурі і рівнянню 4 ступені при негативних. Температурний діапазон -200 +800°С.

Переваги термометрів опору:

• Висока точність вимірів (звичайно краще ±1 °C), може доходити до 0,001°С.

• Висока надійність при використанні 4-х провідної схеми вимірів

Недоліки термометрів опору:

• Низький діапазон вимірів (у порівнянні з термопарами)

• Не можуть вимірювати високих температур (у порівнянні з термопарами)

Термочуттєві діоди і тиристори відносяться до напівпровідникових датчиків, у яких використовується температурна залежність провідності p-n-переходу (звичайно на кристалі кремнію). Останнім часом практичне застосування знайшли так називані інтегральні температурні датчики, що представляють собою термочуттєвий діод на одному кристалі з периферійними схемами, наприклад підсилювачем і ін.

Оптичні датчики. Подібно температурним оптичні датчики відрізняються великою розмаїтістю і масовістю застосування. За принципом оптико-електричного перетворення ці датчики можна розділити на чотири типи: на основі ефектів фотоелектронної емісії, фотопровідності, фотогальванічного і піроелектричних.

Фотогальванічна емісія, чи зовнішній фотоефект, - це випущення електронів при падінні світла фізичне тіло. Для вильоту електронів з фізичного тіла їм необхідно перебороти енергетичний бар'єр. Оскільки енергія фотоелектронів пропорційна hc/л (де h - постійна Планка, з - швидкість світла, л - довжина хвилі світла), те, чим коротше довжина хвилі світла, що опромінює, тим більше енергія електронів і легше подолання ними зазначеного бар'єра.

Ефект фотопровідності, чи внутрішній фотоефект, - це зміна електричного опору фізичного тіла при опроміненні його світлом. Серед матеріалів, що володіють ефектом фотопровідності, - Zn, Cd, GaAs, Ge, Pb і ін. Максимум спектральної чутливості Cd приходиться приблизно на світло з довжиною хвилі 500-550 нм, що відповідає приблизно середині зони чутливості людського зору. Оптичні датчики, що працюють на ефекті фотопровідності, рекомендується використовувати в експонометрах фото- і кінокамер, в автоматичних вимикачах і регуляторах світла й ін. Недолік цих датчиків - уповільнена реакція (50 мс і більш).

Фотогальванічний ефект полягає у виникненні ЕРС на висновках p-n-переходу в напівпровіднику, що опромінюється світлом. Під впливом світла усередині p-n-переходу з'являються вільні електрони і дірки і генерується ЕРС. Типові датчики, що працюють по цьому принципі, - фотодіоди, фототранзистори. Такий же принцип дії має оптико-електрична частина двомірних твердотельных датчиків зображення, наприклад датчиків на приладах із зарядовим зв'язком (Пзс-датчиків). Як матеріал підкладки для фотогальванічних датчиків найчастіше використовується кремній. Порівняно висока швидкість відгуку і велика чутливість у діапазоні від ближньої інфрачервоної (ИК) зони до видимого світла забезпечує цим датчикам широку сферу застосування.

Піроелектричні ефекти - це явища, при яких на поверхні фізичного тіла внаслідок змін поверхневого температурного "рельєфу" виникають електричні заряди, що відповідають цим змінам. Серед матеріалів, що володіють подібними властивостями: і безліч інших так званих піроелектричних матеріалів. У корпус датчика убудований польовий транзистор, що дозволяє перетворювати високий повний опір піротехнічного елемента з його оптимальними електричними зарядами в більш низький і оптимальний вихідний опір датчика. З датчиків цього типу найбільше часто використовуються ІЧ-датчики.

Серед оптичних датчиків мало знайдеться таких, котрі мали би достатню чутливість у всьому світловому діапазоні. Більшість датчиків має оптимальну чутливість у досить вузькій зоні ультрафіолетової, чи видимої, чи інфрачервоної частини спектра.

Основні переваги перед датчиками інших типів:

1. Можливість безконтактного виявлення.

2. Можливість (при відповідній оптиці) виміру об'єктів як з надзвичайно великими, так і з надзвичайно малими раз мірами.

3. Висока швидкість відгуку.

4. Зручність застосування інтегральної технології (оптичні датчики, як правило, твердотілі і напівпровідникові), що забезпечує малі розміри і великий термін служби.

5. Велика сфера використання: вимір різних фізичних величин, визначення форми, розпізнавання об'єктів і т.д.

Поряд з перевагами оптичні датчики володіють і деякими недоліками, а саме чуттєві до забруднення, піддані впливу стороннього світла, світлового тепла, а також температури (при напівпровідниковій основі) [9].