Система автоматического управления домом

    НОВОУРАЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра технологии машиностроения

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту

на тему: «Система автоматического управления домом»

по курсу «Электронные устройства»

220401.ТМ.КП.САУД.ПЗ.00.00

Выполнил: студент

 группы МР-42Д

                Тюрин С.А.

                                                                          Принял: Степанов П.И.

Новоуральск

 2016

Содержание

1 Введение………………………………………………………………………	3
2 Структурный анализ …………………………………………………………..	5
3 Метрический синтез…………………………………………………………...	8
4 Кинематический анализ……………………………………………………….	10
4.1 Построение диаграмм скоростей и ускорений…………………………	10
4.2 Построение планов скоростей и ускорений……………………………	11
4.3 Сравнение результатов…………………………………………………..	18
5 Силовой анализ………………………………………………………………..	19
6 Динамический анализ…………………………………………………………	27
7 Литература…………………………………………………………………….	31

Введение

Сигнализация, управление освещением и видео- и аудиосистемами давно никого не удивляют. Практически ежедневно появляется все больше оригинальных устройств, позволяющих экономить и облегчающих жизнь.

Умный дом, новейшие технологии которого поражают своим разнообразием, постепенно становится все доступнее для обывателей. Известные компании постоянно совершенствуют устройства, позволяющие соединить уже имеющиеся и новые гаджеты в единую сеть.

Сегодня сделать свой дом чуть более умным или хотя бы умным на половину могут даже хозяева небольших квартир. Главное здесь — определиться, какими «смарт-качествами» должна обладать ваша квартира.

1 Описание проектируемой системы

 

Умный дом (intelligent building) – это единая автоматизированная система управления, обеспечивающая дом согласованной работой всех инженерных структур с помощью использования соответствующего новейшего оборудования.

Умный дом позволяет жильцам дома (квартиры) запрограммировать домашнее хозяйство на время их отсутствия. Также указания системе могут быть сделаны и по сотовой связи.

Умный дом не только создает удобства, но еще и экономит средства владельцев. Центральный компьютер, подключенный к электрической сети может выполнять задания, связанные с большим расходованием электроэнергии. Компьютер может управлять бытовыми приборами, использующими систему нагрева воды, с тем, чтобы система работала возможно экономичнее.

Один из основополагающих принципов работы системы - умение распознавать конкретные ситуации, происходящие в здании, и соответствующим образом на них реагировать. Функции контроля, получения и передачи различной информации о безопасности, температуре и влажности воздуха, освещении, водо-, энергоснабжении, аудио-, видео- и многом другом, анализ ситуации в зависимости от установок, заданных ей оператором, определяют дальнейшие сценарии работы всех составляющих устройства.

Возможности данной системы включают в себя управление климатом внутри дома, а также управление системой горячего водоснабжения:

Управление климатом

Автоматическая регулировка температуры в помещениях (в зависимости от их назначения, времени года и суток, дня недели, наличия или отсутствия хозяев). Дистанционное управление кондиционером и отоплением (теплые полы) с виртуального пульта управления на ПК. Управление кондиционером и отоплением от датчиков температуры.

Управление системой горячего водоснабжения

Дистанционное включение - выключение нагревателя, с ПК, по телефону. Контроль предельной температуры в баке нагревателя. Автоматическое поддержание температуры воды в баке.

2 Расчетная часть

2.1 Выбор электропривода.

Выбираем 2 привода, на 2 окна. Описание створок окон:

2-камерные стеклопакеты со створками 800х1500.

Площадь створки:

                                             (1)

Так как 1м² 2-камерной створки окна весит 35 кг, то вес створки равен:

                                          (2)

Сила тяжести:

                                (3)

Момент, необходимый для открытия окна:

                       (4)

Выбираем цепной привод QUASAR L DC F-SIGNAL (рис. 1):

Рис. 1 – Цепной привод QUASAR L DC F-SIGNAL

Технические характеристики:

Напряжение питания 24 В,

Ширина открывания 600-750-1000 мм,

Открывающее усилие 400 Н,

Скорость 15 мм/с,

Потребление тока 0,9А.

2.2 Выбор трансформатора.

Трансформатор - это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Трансформатор осуществляет преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения- электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

Для схемы питания всех драйверов напряжение 5В, ток 0,376А и для схемы питания приводов напряжение 24В, ток 0,9А.

Выбираем трансформатор ТП-12 (рис. 2):

Рис. 2 – Трансформатор ТП-12

Технические характеристики:

- Предназначены для работы от сети переменного тока частотой (50±0,5) Гц и номинальным напряжением 220В с отклонением ±10% от номинального значения.
- Изоляция трансформатора выдерживает испытательное напряжение переменного тока    частотой 50 Гц

- Между первичной обмоткой и всеми вторичными, между первичной и магнитопроводом: 4000 В.
- Между всеми вторичными обмотками, вторичными обмотками и магнитопроводом: 600 В.
- Номинальная мощность       трансформаторов - 11 ВА.

- Ток холостого хода трансформаторов, не более - 0,025 А.

- Неустойчив к короткому замыканию.
- Габаритные размеры трансформаторов, LxBxH - 38,0х42,0х44.5 мм.

- Масса трансформаторов -  0,25 кг.

Таблица 1 – Электрические параметры трансформаторов ТП-12

Тип трансформатора	Режим номинальной нагрузки вторичных обмоток
	Напряжение, В.	Ток нагрузки, А.
ТП-12-01	6,0	1,9
ТП-12-13	30	0,2

2.3 Расчет параметров сглаживающего фильтра

А) Коэффициент пульсации на входе фильтра:

                                  (5)

где m – пульсность выпрямителя

Б) Сглаживаемость LC-фильтра:

                            (6)

где S=q_1вх/ q_{1вых =} 10 – коэффициент сглаживаемости по первой гармонике,

f - частота сети равная 50Гц.

В) Индуктивность дросселя LC-фильтра:

                (7)

                                    (8)

Выбираем дроссель B82725-J2602-N1 (рис. 3):

Технические параметры:

- Ток 6А,

- Индуктивность 4,1 мГн,

- Сопротивление 160 мкОм,

- Размеры 42,4х44х25мм

Рис. 3 – Дроссель B82725-J2602-N1

Г) Ёмкость  конденсаторов необходимая для потребления реактивного тока:

(9)

Д) Ёмкость конденсаторов необходимая для потребления реактивного тока:

             (10)

Е) Амплитуда тока, протекающего через конденсатор фильтра:

         (11)

Выбираем электролитический алюминиевый конденсатор К50-35 (рис. 4):

Рис. 4 – Конденсатор К50-35

Технические параметры:

- Рабочее напряжение 25В,

- Номинальная емкость 22000 мкФ,

- Допуск номинальной емкости 20%,

- Рабочая температура -40...105^оС,

- Тангенс угла потерь 0,2%.

 

3 Выбор стандартных элементов

3.1 Выбор диодов

Диод - электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Электроды диода носят названия анод и катод. Если к диоду приложено прямое напряжение (т.е анод имеет положительный потенциал относительно катода), то диод открыт (через него течёт прямой ток, он имеет малое сопротивление). Напротив, если к диоду приложено обратное напряжение (катод имеет положительный потенциал относительно анода), то диод закрыт (его сопротивление велико, обратный ток мал, и может считаться равным нулю во многих случаях).

Для схемы питания всех драйверов напряжение 5В, ток 0,376А и для схемы питания   контроллера напряжение 24В, ток 0,9А, выбираем Диод Шоттки VS10BQ030TRPBF (рис. 5)

Рис. 5 – Диод Шоттки VS10BQ030TRPBF

Технические параметры:

- Материал кремний,

- Максимальное постоянное обратное напряжение 30В,

- Максимальное импульсное обратное напряжение 30В,

- Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, 1А

- Максимально допустимый прямой импульсный ток, 430А

- Максимальный обратный ток, 500 мкА

- Максимальное прямое напряжение, 0.3В, при Iпр., 1А

- Общая емкость 200 пФ,

- Рабочая температура -50...150^оС.

3.2 Выбор USB-модема

Выбираем USB-модем модели ZTE MF-825 (рис. 6):

Технические параметры:

- Тип модема LTE,

- Поддерживаемые стандарты GSM, GPRS, EDGE, 3G, HSDPA, HSPA+,

- Тип интерфейса USB,

- Размеры 90х13х28 мм,

- Имеет слот для SIM-карты, Micro-SD слот, адаптирован для работы с российскими операторами связи,

- Исходящая скорость приема данных до 50Мб/с,

- Входящая скорость приема данных до 100 Мб/с.

Рис. 6 - USB-модем ZTE MF-825

3.3 Выбор драйверов

Выбираем драйвер Dimension Engineering Sabertooth 2x25 для управления оконными приводами (рис. 7):

Технические параметры:

- Рабочее напряжение от 6 до 30 В постоянного тока,

- Рабочий выходной ток на канал двигателя 1А,

- Максимальная потребляемая мощность 25 Вт,

- Размер 65х80х21 мм,

- Вес 90г.

Рис. 7 – Драйвер Sabertooth 2x25

3.4 Выбор датчиков тока

Выбираем датчик тока ACS712ELECTR (Рис. 8):

Рис. 8 - Датчик тока ACS712ELECTR

Технические характеристики:

- Размер корпуса 8-SOIC (3.90мм),

- Ток чувствительный 5A,

- Частота 80кГц,

- Выход 2.5В,

- Напряжение питания 4.5В ~ 5.5В,

- Тип сенсора - Эффект Холла,

- Ток выходной -  10мА,

- Sensitivity - 180 ~ 190 мВ/A,

- Точность ±1.5%.

3.5 Выбор датчиков для температуры воздуха в помещении

Выбираем датчик температуры SIEMENS QAA32 (рис. 9):

Рис. 9 - Датчик температуры QAA32

Технические параметры:

- Диапазон измеряемых температур 0...50^оС,

- Чувствительный элемент терморезистор, 3кОм при 25^оС,

- Погрешность измерения ±0.3^оК,

- Тип сигнала аналоговый,

- Вес 100 гр.

3.6 Выбор датчиков для температуры воздуха на улице

Выбираем датчик температуры SIEMENS QAС22 (рис. 10):

Рис. 10 - Датчик температуры QAA32

Технические параметры:

- Диапазон измеряемых температур -50...70^оС,

- Чувствительный элемент терморезистор, 1кОм при 0^оС,

- Погрешность измерения ±0.4^оК,

- Тип сигнала аналоговый,

- Вес 92 гр.

3.7 Выбор датчиков для температуры воды

Выбираем погружной датчик температуры SIEMENS QAЕ21 (рис. 11):

Рис. 11 - датчик температуры QAЕ21

Технические параметры:

- Диапазон измеряемых температур -40...130^оС,

- Чувствительный элемент терморезистор, 1кОм при 0^оС,

- Погрешность измерения ±0.5^оК,

- Тип сигнала аналоговый,

- Вес 92 гр,

- Глубина погружения 150 мм.

3.8 Выбор запорного клапана для регулировки отопительной системы

Выбираем клапан запорно-регулирующий с электрическим приводом ЗРК 25ч945п (рис. 12):

Клапан запорно-регулирующий с электроприводом является запорным и регулирующим устройством, предназначенным для автоматического регулирования расхода неагрессивных к материалам деталей клапана сред, а также для полного перекрытия потока в системах теплоснабжения, горячего и холодного водоснабжения, вентиляции и других технологических системах.

Рис. 12 – Запорно-регулирующий клапан 25ч945п

Технические параметры:

- Температуры окружающей среды -5...50^оС,

- Относительная влажность воздуха 30...80% при температуре 35^оС,

- Условное давление 1.6 МПа,

- Температура регулируемой среды до 150^оС,

- Класс герметичности А,

- Пропускная характеристика линейная.

Принцип работы:

Регулирование потока рабочей среды осуществляется путем перемещения плунжера относительно седла и изменения тем самым пропускной способности клапана по управляющему сигналу. Герметичность клапана относительно внешней среды обеспечивается прокладкой с сальниковым уплотнением.

Устройство клапана ЗРК 25ч945п (рис. 13):

Рис. 13 – Устройство ЗРК 25ч945п

Под номерами указаны:

1 – Корпус,

2 – Седло,

3 – Плунжер,

4 – Кольцо фторопластовое,

5 – Сальниковый узел,

6 – Электропривод.

3.9 Выбор кондиционеров

Выбираем кондиционер Toshiba RAS-10SKP-ES (Рис. 14):

Технические параметры:

- Тип - настенная сплит-система,

- Основные режимы работы – охлаждение,

- Максимальный воздушный потом – 8,5 м³/мин,

- Мощность в режиме охлаждения – 2730 Вт,

- Потребляемая мощность – 850 Вт,

- Максимальный шум внутреннего блока 39 Дб,

- Габариты внутреннего блока 740х250х190 мм,

- Габариты внешнего блока 780х550х290 мм,

- Масса внутреннего блока 8 кг,

- Масса внешнего блока 30 кг.

Рис. 14 - Кондиционер RAS-10SKP-ES

3.10 Выбор нагревателя воды

Выбираем нагреватель воды Thermex IR 100V (Рис. 15):

Рис. 15 – Водонагреватель IR 100V

Технические параметры:

- Тип нагревателя – накопительный,

- Подводка воды снизу,

- Способ нагрева воды электрический,

- Способ подачи воды напорный,

- Объем 100 л,

- Мощность 2000 Вт,

- Присутствует защита от перегрева,

- Высота 1045 мм,

- Наружный диаметр 410 мм.

3.11 Выбор устройства сбора данных

Контроллером в системе умного дома будет служить персональный компьютер, поэтому необходимо выбрать устройство, которое будет собирать данные, а также выдавать управляющие сигналы.

Выбираем плату сбора данных NI PCI-6251 (Рис. 16):

Рис. 16 – Плата сбора данных PCI-6251

Технические параметры:

- Число аналоговых входов – 32,

- Частота оцифровки аналогового сигнала входа 1,25 МГц,

- Разрешение сигнала входа - 16-бит,

- Число аналоговых выводов – 4,

- Частота оцифровки аналогового сигнала вывода 2,8 МГц,

- Разрешение сигнала вывода - 16-бит,

- Число цифровых входов/выводов – 48,

- Частота оцифровки 10 МГц,

- Присутствуют 2 линии таймеров, разрешением 32-бит,

- Опорная частота таймеров 80 МГц.

Выбор аналога устройства сбора данных

NI USB-6008 (рис. 17):

Основная разница данного устройства от предыдущего – USB-интерфейс, с помощью которого устройство присоединяется к ПК.

Рис. 17 – Устройство сбора данных USB-6008

Под цифрой 1 указано приспособление для защиты USB-кабеля от натяжения.

Рис. 18 – USB-6008, вид сзади

Технические параметры:

- Число аналоговых входов – 8,

- Разрешение при аналоговом вводе – 12-бит,

- Число аналоговых выводов – 2,

- Число цифровых входов и выводов – 12,

- Присутствует таймер с разрешением 32-бит.

4 Выбор элементов защиты

4.1 Выбор предохранителей

Плавкий предохранитель - компонент силовой электроники одноразового действия, выполняющий защитную функцию. Плавкий предохранитель является самым слабым участком защищаемой электрической цепи, срабатывающим в аварийном режиме, тем самым разрывая цепь и предотвращая последующее разрушение более ценных элементов электрической цепи высокой температурой, вызванной чрезмерными значениями силы тока.

                                         (12)

U_ПП1 = 1.2 · 24В = 28.8В,

U_ПП2 = 1.2 · 5В = 6В,

                                             (13)

I_m1=1.5·0.376А=0.564А

I_m2=1.5·0.9А=1.35А

Для всех схем питания выбираем плавкую вставку с номинальным током 2А.

Выбираем предохранитель ППН-33 (рис. 19):

Рис. 19 – Предохранитель ППН-33

Таблица 2 -Технические характеристики предохранителей ППН-33

Тип предохранителя	Номинальный ток плавкой вставки, In, А	Номинальное напряжение, Uп	Номинальная отключающая способность
ППН-33, габарит 00С	2,4,6,10,12,16,25,32,40,50,63,80, 100	- 220В ~ 400В	100 кА

4.2 Выбор автоматического выключателя

Модульные автоматические выключатели предназначены для защиты электрических цепей переменного тока частотой 50 Гц напряжением до 400 В от перегрузки и токов короткого замыкания, а также для оперативных включений и отключений электрических цепей на промышленных и бытовых объектах.

Выбираем автоматический выключатель ВА 1-63 (Рис. 20):

Рис. 20 – Автоматический выключатель ВА 1-63

Технические характеристики:

- Рабочее напряжение: 230/400В,

- Рабочий ток: 1; 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 10; 16; 20; 25; 32; 40;50; 63 А,

- Частота тока сети: 5060Гц,

- Номинальная отключающая способность: 4,5кА,

- Количество циклов (вкл/выкл): 6000,

- Количество полюсов: 1; 2; 3,

- Характеристики электромагнитного расцепителя: В; С,

- Рабочая температура: -25...45^оС.

 

5 Описание электрических схем

5.1 Разработка функциональной схемы

На рис. 21 показана обобщенная функциональная схема системы умного дома:

Рис. 21 – Функциональная схема системы

ПК – Персональный компьютер;

УСД – Устройство сбора данных;

ДТ – Датчики тока;

ДР – Драйверы;

ЦП – Цепной привод;

ЗРК – Запорно-регулирующий клапан;

Модем – USB-модем;

ДtAo – Датчик температуры воздуха вне помещения;

ДtAi – Датчики температуры внутри помещения;

НВ – Нагреватель воды;

ДtW – Датчик температуры воды.

5.2 Разработка структурной схемы

На рис. 22 изображена структурная схема системы умного дома

5.3 Разработка принципиальной электрической схемы

На листе 220401.ТМ.КП.САУД.00.00Э5. показана принципиальная электрическая схема системы автоматического управления домом.

На данной принципиальной схеме показано:

- Подключение преобразователя напряжения (трансформатора) к трехфазной цепи;

- Схема подключения к плате сбора данных двигателей, драйверов, датчиков, реле, запорных клапанов;

- Набор защитных элементов;

- Спецификация с наименованием элементов, их количеством, обозначением и примечанием.

Заключение

Умный дом нынешнего времени рассчитан не только на комфортное проживание людей в нем, но и на экономию ресурсов и минимальное загрязнение окружающей среды. Потому, дом будет реагировать на перепады температуры внутри себя и регулировать их по своему усмотрению, задействовав при этом все свои датчики: температурные датчики снаружи, внутри и в котлах. Также дом будет стараться максимально экономить воду, потому система отопления в таких домах зацикленная с выходом к водопроводу для пополнения источников. Отдельно стоит нагревательная база для бытовой воды, при этом она имеет свои объемы и на хранение уже прогретой воды не затрачивает энергоресурсы, а саму воду просто держит в себе и не пускает в дальнейший путь. 

В ходе выполнения данной курсовой работы была разработана система автоматического управления домом. Были проработаны все этапы проектирования электропривода: выбраны драйвера, датчики, проработана поставленная техническая задача, произведен расчет основных параметров электрических цепей.

Список литературы

1.                     Автоматический выключатель [Электронный ресурс]

http://atlantelektro.prom.ua/p2812730-avtomaticheskij-vyklyuchatel-c6a10a16a25a32a.html

2.                     Датчик тока [Электронный ресурс]

http://www.chipdip.ru/product/acs712elctr-30a-t/

3.                     Диод Шоттки [Электронный ресурс]    http://www.chipdip.ru/product/mbr0520l/

4.                     Трансформатор [Электронный ресурс] http://smps.h18.ru/transformator/tp-12.html

5.                     Предохранитель [Электронный ресурс] http://sovrele.ru/predohraniteli_ppn.html

6.                     Драйвер [Электронный ресурс] http://myrobot.ru/stepbystep/el_driver.php

7.                     Плата сбора данных [Электронный ресурс] http://search.ni.com/nisearch/app/main/p/bot/no/ap/global/lang/ru/pg/1/q/PCI-6251/?i_n33_autoCompleteInput=2§ion_n33_autoCompleteInput=query&searchType_n33_autoCompleteInput=global-dropdown&separator_n33_autoCompleteInput=-1&value_n33_autoCompleteInput=PCI-6251

8.                     Датчики температуры [Электронный ресурс] http://www.miravtomatiki.ru/files/cats/Siemens/3.pdf

9.                     Запорно-регулирующий клапан [Электронный ресурс] http://www.klapan2009.ru/index.php?c=catalog&gr=196

10.                Кондиционер, нагреватель воды и модем [Электронный ресурс] https://market.yandex.ru/?tab=catalog

Рис. 22 – Структурная схема системы