Програмований таймер

Abstract

Кваліфікаційна робота присвячена розробленню програмованого таймера-генератора для робототехнічних комплексів, який призначений для автоматичного вмикання та вимикання виконавчих пристроїв у заданий час, а також для підтримання встановленої температури в контрольованих середовищах. Такий пристрій може застосовуватися у робототехнічних системах, навчальних стендах, побутовій автоматиці, системах освітлення, нагрівання, вентиляції, волого-теплової обробки та інших процесах, де потрібне точне керування часом і температурою. Актуальність роботи зумовлена тим, що багато промислових і побутових таймерів мають обмежену функціональність: вони здебільшого керують лише одним зовнішнім пристроєм або виконують тільки функцію відліку часу. Для керування кількома пристроями необхідно застосовувати декілька окремих таймерів, що ускладнює систему, збільшує її вартість, габарити та кількість з’єднань. Запропонований таймер-генератор усуває цей недолік, оскільки дозволяє одночасно керувати вісьмома зовнішніми каналами та додатково підтримувати температуру по чотирьох незалежних каналах. У першому розділі роботи виконано аналіз існуючих типів таймерів. Розглянуто механічні таймери, які є простими й дешевими, але мають обмежений інтервал програмування, залежать від частоти мережі та припиняють роботу при зникненні живлення. Також проаналізовано електромеханічні таймери, які можуть працювати за добовим або тижневим циклом, але мають обмежену дискретність і механічні елементи, що з часом зношуються. Окремо розглянуто цифрові електронні таймери, які забезпечують програмне керування, кращу точність і можливість збереження параметрів. У технічному завданні визначено, що програмований таймер має працювати від мережі 220 В, 50 Гц, мати 8 робочих каналів, цикл програмування 24 години, дискретність завдання часу 1 хвилину, 99 програмованих подій, релейні комутуючі елементи, сумарне навантаження до 1 кВт і 4 канали регулювання температури. Для температурного регулювання передбачено використання нагрівальних елементів потужністю 200 Вт, а для збереження поточного часу при зникненні живлення — літієвий елемент CR1220. Габаритні розміри пристрою становлять 155×80×55 мм, що робить його достатньо компактним. У структурному плані пристрій побудовано як мікропроцесорну систему, центральним елементом якої є мікроконтролер PIC16F1517. До нього підключено кварцовий резонатор, датчики температури, органи керування, рідкокристалічний індикатор, блок живлення та блок керування зовнішніми пристроями. Кварцовий резонатор частотою 32768 Гц забезпечує стабільний відлік часу, а після поділу частоти формується секундний інтервал, необхідний для роботи таймера в режимі реального часу. Для відображення інформації та програмування режимів роботи застосовано алфавітно-цифровий рідкокристалічний модуль BC1602/WA1602L, який дозволяє показувати поточний час, стан реле, режими роботи каналів і задані температурні параметри. Органи керування реалізовані на п’яти кнопках, за допомогою яких користувач може встановлювати час, програмувати події, перемикати режими «автоматичний/ручний», вмикати або вимикати окремі канали та задавати температуру для відповідного температурного каналу. Температурний контроль реалізовано за допомогою датчиків DS18B20, які мають діапазон вимірювання від -55 до +125 °С і точність близько 0,5 °С у робочому діапазоні. Датчики підключаються паралельно до спільної шини даних, що спрощує схему та дозволяє реалізувати декілька каналів температурного контролю. У пристрої також передбачено можливість корекції похибки датчиків температури, що підвищує точність підтримання заданого режиму. Електрична принципова схема передбачає живлення від мережі 220 В через понижувальний трансформатор 220/12 В потужністю 4 Вт, випрямляч і стабілізатори напруги. Для живлення мікроконтролера використано стабілізатор LM78L05, а для живлення рідкокристалічного індикатора — перетворювач MC34063. Зовнішні пристрої вмикаються через реле К1–К8, а в температурних каналах як силові ключі використано симістори BTA140-600. Для гальванічної розв’язки кіл керування симісторами застосовано оптопари MOC3062, що підвищує електробезпеку та надійність роботи силової частини. У роботі передбачено розроблення програмного забезпечення для мікроконтролера, яке забезпечує збереження в енергонезалежній пам’яті подій, тривалості імпульсу, заданої температури та значень температурної корекції датчиків. Програмна логіка дає змогу реалізувати три типи подій: вмикання, вимикання та імпульс. Це робить пристрій гнучким для використання в різних робототехнічних і автоматизованих системах, де потрібне керування виконавчими механізмами за часом або за температурним режимом. У технологічній частині роботи розглянуто виготовлення друкованої плати та складання пристрою. Визначено, що таймер складається з двох плат розміром 73×134 мм і товщиною 5 мм. Технологічний процес включає виготовлення корпусу, монтаж елементів, паяння, складання та налагодження пристрою. Такий підхід забезпечує компактність, ремонтопридатність і можливість практичного виготовлення виробу в умовах лабораторії або дрібносерійного виробництва. У розділі охорони праці проаналізовано умови роботи в експериментальній лабораторії, де виконується розроблення програмованого таймера. Робота передбачає використання персонального комп’ютера, електронних компонентів, паяльного обладнання та вимірювальних засобів, тому увагу приділено електробезпеці, параметрам мікроклімату, освітленню, організації робочого місця, безпеці під час монтажу та налагодження електронної апаратури. Розглянуто також заходи щодо покращення умов праці, зокрема застосування сучасної системи кондиціонування та рівномірної підготовки повітря. Практичні результати роботи відрізняються від найближчих аналогів тим, що запропонований пристрій поєднує функції багатоканального таймера, генератора подій і регулятора температури в одному компактному виробі. У конструктивному плані він має 8 каналів керування зовнішніми пристроями, 4 температурні канали, індикатор, кнопковий інтерфейс, резервне живлення часу та енергонезалежне збереження параметрів. У технологічному плані пристрій реалізується на друкованих платах із доступною елементною базою. У соціо-екологічному плані він сприяє автоматизації процесів, зменшенню людського втручання, економії електроенергії та стабільнішому підтриманню температурних режимів. В економічному плані розробка дозволяє замінити декілька окремих таймерів і терморегуляторів одним універсальним пристроєм, що зменшує витрати на обладнання, монтаж і обслуговування