РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ПОДАЧИ КОРМА ДОМАШНИМ ЖИВОТНЫМ

АННОТАЦИЯ

В данной работе будет рассмотрен процесс проектирования устройства, способного обеспечить подачу корма домашнему животному в отсутствии человека, позволяя хозяину покидать место проживания на длительный срок.  В работе было произведено проектирование схемы электрической принципиальной устройства, печатной платы, и корпуса для печатной платы, а также разработан технологический процесс сборки устройства.

Ключевые слова: модуль управления; микроконтроллер; электродвигатель; энкодер; шнек.

В наше время рынок подобных устройств достаточно велик, однако не многие могут себе их позволить, так как практически у всех дешевых устройств есть только одна функция — обеспечить однократную подачу корма. Однако, за большее число функций, в том числе и регулярную подачу корма, приходится платить в 3–5 раз больше. Это не выгодно, поэтому люди не стремятся приобретать как дешевые, так и дорогие устройства. Для разрабатываемого изделия основными критериями стали относительная невысокая стоимость устройства с достаточно широким набором функций.

Разработанный в данной работе электронный модуль управления устанавливается в систему автоматической подачи корма домашним животным предназначена для обеспечения небольших домашних питомцев, не больше взрослого кота, бесперебойным поступлением корма в отсутствии человека. Тип корма – сухие гранулы. Диаметр гранулы – от 0,2 до 0,3 см.

Система состоит из контейнера, на дне которого установлен шнек, электродвигателя, закрепленного на одном из концов шнека и энкодера со считывающей головкой, который крепится к валу электродвигателю.

Энкодер позволит следить за поворотом шнека, что даёт возможность точно дозировать порции корма, также это позволит следить за скоростью поворота вала и поднимать напряжение на мотор, если нагрузка на шнек большая и обороты проседают. Таким образом можно установить защиту от заклинивания механизма, когда гранулы сухого корма попадают в пространство между шнек и корпусом контейнера. 

Управление системой будет осуществлять блок управления, в основе которого установлен микроконтроллер, в программе которого будет указано, что необходимо изменять напряжение на моторе в зависимости от скорости вращения шнека: если нагрузка возрастает – на мотор подаётся бо́льшая мощность и подача корма продолжается. Если система понимает, что мощность на мотор подаётся уже максимальная, но шнек стоит на месте – значит его полностью заклинило. Для предотвращения заклинивания системе необходимо сделать кратковременный рывок шнеком в обратную сторону, а затем продолжить подачу корма.

Система осуществляет подачу корма по таймеру с заданным интервалом времени. Для того, чтобы пропустить время ожидания и выдать порцию корма необходимо нажать на кнопку, при этом таймер перезапускается и следующая подача корма автоматически произойдет через установленное время, благодаря этому пропадает необходимость в установке модуля реального времени.

Схема электрическая функциональная представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема электрическая функциональная

Осуществлять управление системой будет микроконтроллер. В системе установлен маломощный мотор-редуктор, для регулировки скорости, путем контроля подаваемого тока, необходимо установить драйвер двигателя. Для взаимодействия с устройством необходимо установить кнопку тактовую FSM2JSMAATR. Для отображения состояния схемы после нажатия кнопки, решено установить светодиоды, красный и зеленый, отображающие состояние ошибки и подачи соответственно. Для управления светодиодами и обеспечения минимизации питания установить транзисторы на каждый из этих двух элементов.

Устройство предполагает работу от электрической сети 220В через блок питания. Для стабилизации напряжения, которое поступает с питания необходимо установить DC/DC преобразователь B0505XT–1WR3, который будет подавать в нагрузку напряжение 5В. Для защиты цепи от скачков высокого напряжения в электрической сети будет установлен предохранитель, а для защиты от статики и переполюсовки – супреcсор P6SMB58CA. Необходимо установить танталовые конденсаторы TAJD476M035RNJV, которые будут запасать энергию для компенсации скачков тока при работе электродвигателя. Для питания микроконтроллера, необходимо установить линейный стабилизатор AMS1117, который будет преобразовывать 5 В, поступающие с DC/DC преобразователя в 3,3 В. Для питания аналоговых частей схемы необходимо внедрить фильтр, образованный катушкой индуктивности BLM21BB221SN1D и двумя конденсаторами.

Необходимо установить разъёмы для питания схемы, подачи питания на электродвигатель, для считывания показаний с энкодера и программирования системы.

Для того, чтобы управлять системой, необходимо разработать программу, которая будет загружена в микроконтроллер. В среднем кошка обычных размеров (самки 3–4 килограмма, самцы 4.5–5.5 килограмм) употребляют 2 килограмма сухого корма в месяц, то есть примерно по 65–67 грамм в сутки. Стандартная работа устройства будет осуществляться в выдаче корма тремя равными порциями утром, днем и вечером по 22 грамма, продолжительность работы электродвигателя будет составлять 3 секунды при подаче каждой порции. Дополнительные настройки будут позволять установить количество порций до 5 и продолжительность работы электродвигателя до 6 секунд.

В программе будет установлен таймер, который можно будет изменить. По умолчанию таймер установлен на 8 часов для того, чтобы производить подачу корма 3 раза в сутки. 

Начало работы системы начинается с запуска электродвигателя, который происходит в момент, когда время таймера истекло, или, когда было произведено нажатие кнопки для старта подачи.

После того как двигатель был запущен, система считывает показания с энкодера и если нагрузка на мотор подается, а шнек стоит на месте, то это значит, что произошло заклинивание, то есть гранула сухого корма попала в пространство между шнеком и корпусом контейнера, в котором находится корм. В этом случае система переключает направление движение двигателя в противоположную сторону для смещения застрявшей гранулы и устранения неполадки.  Если заклинивания не произошло, но шнек вращается со скоростью выше, чем указано в программе, то необходимо снизить нагрузку, которая подается на двигатель, и наоборот, если скорость ниже указанной - повысить нагрузку, что позволит оптимизировать расход емкости аккумулятора при автономном питании. 

Микроконтроллер подает нагрузку на двигатель в соответствии с указанным в программе интервалом времени, по истечении которого подача завершается и производится перезапуск таймера.

Блок-схема программы управления системой представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Блок-схема программы управления системой

В качестве материала для изготовления печатной платы был выбран стеклотекстолит фольгированный марки СФ толщиной 1,5 мм СФ–2–35–1,5 ГОСТ 10316–72 [2].

Для изготовления ПП был выбран комбинированный негативный метод с химической металлизацией, потому что этот метод, имеет возможность воспроизведения всех типов печатных элементов с высокой степенью разрешения, защищенность фольгой изоляции от технологических растворов и хорошую адгезию металлических элементов платы с диэлектрическим основанием.

Компоновка и трассировка ПП выполнена в САПР Altium Designer 20. При трассировке печатной платы будет произведено создание полигонов питания и полигонов земли на отдельных участках, что повысит механическую прочность платы, уменьшит сопротивление всех подключений к общему проводу, что в свою очередь уменьшит шум. Минимальная ширина печатных проводников и минимальное расстояние между ними соответствует 3 классу точности печатной платы.

Так же по краям платы необходимо сделать 4 монтажных отверстия диаметром 3 мм. 3D модель печатной платы представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. 3D модель ПП

Модуль с печатной платой предполагается размещать внутри контейнера автоматической системы подачи корма домашним животным, необходимо вырезать отверстия для подключения кабелей к разъемам, для управления системой необходимо в крышку корпуса установить пластиковую кнопку, которая служит переходным элементом для нажатия тактовой кнопки на печатной плате. При проектировании основания корпуса, на который будет устанавливаться плата необходимо учесть длину выводов разъемов и сделать подъемы с отверстиями под крепеж платы на высоте 2 мм.

Соединение деталей будет производиться с использованием винтов М3х10 ГОСТ 1491–80 [1]. Следует учесть, что перед сборкой устройства необходимо установить пластиковую кнопку в верхнюю крышку. Вид устройства в сборе представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Вид устройства в сборе

Завершив сборку модуля управления, необходимо установить его в контейнер, где располагается шнек с электродвигателем и энкодером. Далее произвести соединение этих компонентов и загрузить программу управления через соответствующий разъём.

Был произведен расчет среднего времени безотказной работы электронных компонентов устройства, данное значение равно 32 годам при отсутствии бракованных деталей. Одним из преимуществ является разработанная система предотвращение заклинивания механизма, путем извлечение гранулы сухого корма из рабочей зоны вращения шнека. Себестоимость производства устройства составляет 1400 рублей, что при учете наценки продавца является большим ценовым преимуществом перед аналогичными товарами.

Список литературы:

1. ГОСТ 1491–80. Винты с цилиндрической головкой классов точности А и В. Конструкция и размеры. – Взамен ГОСТ 1491-72 ; введ. 82-01-01. – Москва : Изд-во стандартов, 1982. – 5 с.
2. ГОСТ 10316–72. Гетинакс и стеклотекстолит фольгированные. – Введ. 79-01-01. – Москва : Изд-во стандартов, 1979. – 20 с.