РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КРЫШКОЙ КОНТЕЙНЕРА С АВТОНОМНЫМ ПИТАНИЕМ

АННОТАЦИЯ

В данной работе будет рассмотрен процесс проектирования устройства, способного облегчить жизнь человека, посредством уменьшения количества контактов с отходами повседневной жизнедеятельности. Главной идеей разработки является максимально экономичное по времени и материалу сборка устройства, а также простота использования контейнера для любого возраста.

Ключевые слова: микроконтроллер; ультразвуковой датчик; аккумулятор.

Каждый день мы используем контейнеры для хранения, утилизации или фасовки различных предметов и продуктов, в том числе и продуктов питания. Я задался вопросом – как можно облегчить использование контейнеров, и спроектировал универсальный модуль управления автоматической крышкой контейнера с автономным питанием.

Контейнер состоит из двух составных частей – полости для приёма мусора и крышки. Модуль же в свою очередь содержит - ультразвуковой датчик, сервопривод, аккумулятор и микроконтроллер.

Всё это мне следовало объединить в цельную конструкцию для последующего незамысловатого применения.

Начать стоит с главного элемента - со сборки платы.

Для печатной платы необходимо выбрать материал, который впоследствии пойдет для создания устройства. Материал должен подходить для двусторонней печати, жестким, для большей прочности, так как возможны взаимодействия в виде ударов от домашних животных и более прочный материал лучше перенесет результат этого взаимодействия.

Основным элементом системы является Микроконтроллер на ядре ARM, в который необходимо загрузить прошивку для выполнение различных задач, в прошивке будет содержаться алгоритм чтение данных с дальномера и управление градусом поворота сервопривода для регулирования положения крышки.

Схема электрическая принципиальная модуля размещена представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема электрическая принципиальная

Для защиты интерфейса USB от электростатических разрядов необходимо установить USBLC6-2SC6 (DD1). Для управления системой нужен микроконтроллер на ядре ARM с встроенным wi-fi модулем для беспроводной связи ESP-WROOM-02D(DD2), на него возможно написать прошивку для выполнение различных задач, в этом случае чтение данных с дальномера и управление шаговым мотором для крышки. Так же нужен драйвер для шагового двигателя DRV8825PWP(DD3), который может формировать необходимые напряжение и шим для управления двигателем, что так же обеспечивает защиту по току. В качестве линейного преобразователя использовал ams1117-3.3v(DA2), который на входе получает 5 вольт, а на выходе 3.3, работает без помех. Импульсный преобразователь питания LM5010MH(DA1), на него можно подать напряжение от 8 до 75 вольт, а на выходе будет 5 вольт, будет слегка зашумлено высокочастотными импульсами, но не критично.

Для отображения работы устройства были добавлены светодиоды, отображающие текущее состояние схемы (Команда / Ошибка) – VD2 и VD3. Имеется так же диод (VD1), для питания схемы от USB, в случае отсутствия основного питания с импульсной микросхемы и диод (VD4), для корректной работы импульсного преобразователя, он замыкает цепь из индуктивности и конденсатора, когда закрывается транзистор формирующий шим.

В корпусе с платой имеется 4 разъема: разъём на аккумулятор (X1), разъём на дальномер (X2), разъём USB(X3), разъём на сервопривод (X4).

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^[1].

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.

При трассировке печатной платы было 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 3,2 мм. 3D модель печатной платы представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. 3D модель ПП

Далее мы подходим к ультразвуковому датчику. Был выбран HC-SRO4, он является прибором бесконтактного типа, и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см. На его работу не оказывает существенного воздействия электромагнитные излучения и солнечная энергия. В комплект модуля с HC SR04 также входят ресивер и трансмиттер.

В качестве питания были установлены 2 аккумулятора MINAMOTO MH-1500AА для продолжительной автономной работы устройства, чего хватит на двое суток работы без подключения к сети питания, при 80 срабатываниях в день.

Для того, чтобы управлять системой, необходимо разработать программу, которая будет загружена в микроконтроллер.

Начало работы системы начинается с срабатывания триггера в момент, когда какой либо объект (предпочтительно рука) задел, излучаемые ультразвуковым датчиком, звуковые колебания, после чего  микроконтроллер считывает показания -  в случае, если крышка закрыта, открывает её и уходит в сон на 1 секунду, чтобы после снова опросить датчик и принять решение – оставить крышку открытой или закрыть.

В случае, если в диапазон датчика ничего не попадает, но крышка открыта – к таймеру прибавляется 5 секунд, по истечению которого микроконтроллер подаёт сигнал на сервопривод, чтобы закрыть крышку контейнера. Блок-схема программы управления системой представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Блок-схема программы управления системой

Завершив сборку модуля управления, необходимо прикрепить его к контейнеру, при помощи винтов М4х5 ГОСТ 1491-72^[2], а так же произвести соединение этих компонентов и загрузить программу управления через соответствующий разъём на микроконтроллер. Сборка системы представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Сборка системы

Итоговая стоимость производства составила 1407.08 рублей, включая стоимость электроники, что является хорошим результатом для массового производства.

Список литературы:

1. ГОСТ 10317–79. Платы печатные. Основные размеры.
2. ГОСТ 1491–80. Винты с цилиндрической головкой классов точности А и В. Конструкция и размеры.
3. Сообщество IT–специалистов habr, – Автоматическая крышка контейнера [Электронный ресурс], 2014. – Режим доступа: URL: https://habr.com/ru/sandbox/81729/