Терморегулятор для інкубатора своїми руками.

З теорією більш-менш розібралися, програму для arduino mega написав, тепер саме час пояснити як терморегулятор для інкубатора зробити власне.

Все по порядку — терморегулятор для інкубатора працює за рахунок обчислювальних можливостей arduino mega.

arduino mega
один із клонів arduino mega

Скетч для заливки в мегу та пояснення теорії з подробицями у нас на сайті за посиланням терморегулятор для инкубатора .

Мозги — arduino mega.

На arduino mega реалізовано  Пропорційно Інтегрально Диференціальний алгоритм управління потужністю нагрівача.

автомобільна лампа розжарювання 5 Ватт
Нагрівач інкубатора

В якості нагрівача виступають чотири схожих автомобільних 12 вольтових 5 ватних ламп розжарювання.

Таким чином загальна потужність досягає 40 Ватт при напрузі живлення в 12 Вольт.

Ресурс ламп розжарювання дуже залежить від режиму вмикання-вимикання , тому  керування потужністю реалізовано за допомогою широтно імпульсної модуляції з достатньо високою частотою модуляції.

AOD4184
Модуль силового ключа

Терморегулятор для інкубатора через 11 пін керує потужністю блоку ламп розжарювання. Для підключення використовується готова плата керування.
По великому рахунку, це звичайний МОП транзистор з обв’язкою, але з додатковими прибамбасами для зручності. Наприклад, на платі AOD4184 уже запаяний світлодіод індикації режиму, та клемники підключення силових дротів.

Крім цього, модуль працює в тому числі на високій частоті комутації, і він не потребує радіатора. Керує модулем PWM arduino з перевстановленою на 8 Кілогерць частотою через стандартну процедуру analogWrite. Таким чином, досягається безперервність роботи блоку нагріву та виключається шкідливий для ламп розжарювання старт — стопний режим роботи.

Живлення — 12 Вольт 50 Ватт.

герметичний блок живлення 12 вольт 100 ватт
блок живлення

Напругу в 12 Вольт терморегулятор для інкубатора отримує від основного джерела — блока живлення для зовнішнього використання на 100 Ватт максимальної потужності.
Для запобіганню аварійним ситуаціям , а за час інкубації в 21 день , тим паче в сільскій місцевості , я рекомендую в обов’язковому порядку підключити резервне джерело живлення в вигляді наприклад автомобільного аккумулятора.
Підключають резервне живлення до анода діода і блок живлення до аноду другого діода, катоди ж обох діодів підключаються разом і це з’єднання і буде плюсом нашого пристрою, мінуси з’єднуються докупи без жодних радіоелементів.

слот для 18650
касєта для аккумов
плата розподілу напруги для блоку 18650
3s30

Я в якості резервного джерела живлення використовую збірку з єлементів 18650 по 2 паралельно в три послідовні блоки. Для рівномірного заряду та захисту від короткого замикання та перерозряду , як і перезаряду , під’єднані через спеціальну схему

до зарядного пристрою на  100-240 Вольт/12,6 Вольт 2Ампери
за допомогою конектора.

гнездо
роз’эм живлення

Шляхом нескладних математичних операцій маючи  в наявності практичний досвід роботи інкубатора, можна вирахувати час на який розрахована потужність акумуляторної батареї.

В робочому стабільному режимі  терморегулятор для інкубатора працює на періоді від 30% до 70% що в перерахунку на ампер години означає від 10% до 50% максимального.

Зарядний мережевий пристрій 12,6 вольт 2 ампери
12,6 вольт 2 ампери

 

18650
аккуми 18650

В моєму випадку елементи 18650 на 2 АмперГодини кожний, тобто , вся збірка може працювати приблизно від 2,5 годин до 8 годин в залежності від температури в приміщенні та теплоізоляції інкубатора.

Повністю заряджений автомобільний аккумулятор звичайної легкової автівки на 65 АмперГодин, має змогу тримати терморегулятор для інкубатора в робочому стані більше доби, цього наразі більш ніж достатньо для відновлення єнергопостачання.

Для розуміння в якому стані знаходиться акумуляторна батарея, рекомендую підключити безпосередньо до блоку аккумуляторів таку маленьку корисну штукенцію.

індикатор розряду батареїСписок правильних характеристик та наіменувань :

Індикація та управління терморегулятора для інкубатора.

З того що дійсно важливо видавати користувачу на дисплей, це вологість та доба інкубації, можливо, ще задана користувачем температура. Але, для самозаспокоєння я видаю на LCD реальний замір температури в інкубаторі та період PWM в процентах від максимального. Це дає можливисть аналізувати реальний стан системи регулювання.

Дисплей регулятора.

Класичний LCD 16x2
Класичний LCD 16×2

Класичний LCD 16×2 — нас повністю влаштовує.
Стандартна підпрограмма керуванняя, стандартна адресація, достатньо дешева реалізація та прийнятні налаштування. Доречі, на рахунок налаштувань — ті хто вперше підключають такий дисплей, часто нервують, адже безпосередньо після вмикання, дисплей нічого не показує і незрозуміло взагалі він працює чи ні.

Регулювання контрасту.

Причина часто в маленькій детальці — для регулювання контрасту потрібен потенціометр

потенціометр
потенціометр

-безнього LCD може і працює, але ніц не видно.Навіть якщо на дисплей нічого не поступає, регулюючи контраст ,ви побачите чорні прямокутнички — значить з вашим екраном все гаразд і підрегулюємо контраст коли на екран буде поступати текст. Окрім цього, не буде зайвим ввімкнути світлодіодну підсвітку нашому дисплею, дуже часто незрозуміло як це робити — китайці інколи не ставлять резистор, інколи ставлять, тому я рекомендую уважно придивитися до двох самих лівих на цьому фото

контактних площадок — зазвичай, просто подавши на ці контакти 5 Вольт, ми увімкнем підсвітку дисплею. Для цього послідовно зі світлодіодом зазвичай запаяно резистор — обмежувач струму номіналом в сотні ом.

LCD 1602
LCD 1602

В нашому випадку це R8. Тобто просто 5 Вольт на контакти 15-16 і буде вам підсвітка дисплею,. Доречі, 5 вольт берем з плати ардуїно, а не підключаємо до блоку живлення 12 вольт — це важливо!

Резистор контрасту підключається відповідно між контактами VSS  та VDD а повзунок до V0.

Підключення сигнальних ліній LCD 1602.

RW підключаемо до мінуса — на землю.

А сигнальні контакти  це відповідно:

  • E до контакту 9 arduino mega
  • RS до контакту 8 arduino mega
  • D0 до контакту 4 arduino mega
  • D1 до контакту 5 arduino mega
  • D2 до контакту 6 arduino mega
  • D3 до контакту 7 arduino mega

Напруга подається на контакти VSS відповідно мінус — тобто земля та VDD плюс 5 вольт

Напругу 5 Вольт беремо з ардуіни , вона в свою чергу підключається безпосередньо до 12 вольтового живлення.

Терморегулятор для інкубатора — датчики температури та вологості.

герметичний DS18B20
DS18B20
датчик влажности DHT11
DHT11

Цифровий термодатчик DS18B20 підключається по такій самій схемі як і DHT11. Обидва датчики живляться від 5 Вольтної напруги, відповідно мінус на мінус, плюс на плюс. У герметичного датчика мінус це чорний дріт, плюс — червоний. Жовтий сигнальний дріт DS18B20 та сигнальний контакт DHT11 через 4,7Ком резистор підтягуються до плюсового контакту 5 вольт кожен своїм резистором. Самі сигнальні лінії підключаються відповідно кожен до свого цифрового входу arduino mega.

Жовтий дріт DS18B20 до контакту 49 arduino mega , а сигнальний контакт DHT11 до контакту 48 arduino mega.

В інкубаторі датчик вологості розміщується над рівнем яєць відразу можна так би мовити над поверхнею скорлупи. Таким чином, щоб його не чіпали немовлята та щоб він не заважав перевертати яйця. Краще якщо  DHT11 буде максимально далеко від дволожуючих ємкостей та на шляху зворотного потоку повітря. Нам треба знати вологість повітря яким дихають яйця а не того, яким ми накачуємо температуру в інкубатор.

З термометром DS18B20 ситуація дещо інша : він повинен знаходитися на рівні екватора яйця в самісінькому центрі закладки. Від точності вимірювання температури повітря в інкубаторі залежить успіх всього проекту.

Кулери для інкубатора.

кулер терморегулятора для інкубатора
классичний кулер

Терморегулятор для інкубатора повинен забезпечувати мінімальні коливання заданої температури та максимально рівномірний розподіл гарячого повітря та однакову температуру для всіх яєць в закладці.

Розподіл температури треба забезпечити за рахунок примусової конвенкції. І тут без кулерів не обійтись!

На привеликий жаль, від довговічності вентилятора дуже багато чого залежить, а швидко замінити без збитків для інкубуючихся не вийде, тому треба дуже сер’йозно підійти до вибору кулерів. Саме кулерів — я наполягаю, що терморегулятор для інкубатора повинен співпрацювати як мінімум з двома якісними кулерами бажано на шарикопідшипниках.

улитка кулер
кулер равлик

Адже, їм доведеться працювати при температурі 38 гр

адусів цельсія та при вологості більш ніж 50 відсотків безперервно на протязі 550 годин і це тільки одна закладка яєць.

Додайте сюди дуже екстремальні умови в плані пилу і 20000 годин гарантованої роботи від виробника перетворюються на заміну в кращому разі після однієї закладки.

Тому при можливості, розмістіть в інкубаторі чотири кулери таким чином, щоб повітря постійно циркулювало та перемішувалось. В ідеалі, різниця температур в об’ємі інкубатора на рівні знаходження яєць повинна бути менша ніж 0,2 градуси.

Органи управління терморегулятора для інкубатора.

Маленька замальовка для пояснення важливості захисту від випадкової помилки експлуатації. Ми майструємо терморегулятор для інкубатора — значить, результат вдалої чи невдалої роботи гаджета, ми можемо бачити на 21 добу єксплуатації навіть якщо помилка була в роботі в перший день, все одно — чекаємо результат.

Більш за все терморегулятор для інкубатора буде працювати не під контролем просунутого тіктокера, а в експлуатації у Вашої мами чи бабусі, отже , чим простіше буде управління, тим краще! Тому із органів керування — тільки дві кнопки — одна перемикає плюс чи мінус а друга вводить в режим корегування температури і все.

Керування зводиться до інструкції :

  1. натиснули червону кнопку якщо потрібно збільшити температуру або одночасно натискаємо червону та зелену якщо потрібно зменшити температуру
  2. тримаємо до тих пір поки на єкрані не буде потрібна нам температура
  3. відпустили кнопки — все

    кнопка переходу в сервісний режим
    кнопка зміни температури

Червона кнопка підключена до контакту А1 зелена — до контакту А2. Ми звикли усувати програмно брязкіт контактів, а міжіншим, можна згадати інший спосіб.

кнопка с антидребезгом
кнопка плюс или минус

Кнопка підключається до контакту мікроконтроллера та підтягується до плюсового 5 вольтового контакту через опір в 1 Кілоом, паралельно контактам кнопки впаяно конденсатор на 0,15 мікрофарад  та резистор номіналом 10 Кілоом. Другий контакт кнопки підключений до мінусового контакту — тобто на землю.

Це классична антидребезгова схема в доісторичну епоху. В данному випадку, я її примінив для виключення додаткових таймерів затримки, адже навіть в той час коли ми корегуєм температуру кнопками, терморегулятор для інкубатора відпрацьовує ПІД алгоритм.

Постановка задачи, теория и объяснение принципа работы, программа для ардуино мега терморегулятора  здесь.

Для корректной работы скетча в Arduino IDE нужно догрузить библиотеки, они собраны на отдельной странице сайта.