Система для терморегулирования одежды рабочих в условиях Крайнего Севера

Цель

Разработка и отладка элементов встраиваемой системы терморегулирования одежды для условий Крайнего Севера.

Задачи

1. Провести обзор устройств аналогичного назначения и патентный поиск.
2. Сформировать требования к системе на основе обзора.
3. Разработать структурную схему.
4. Провести обоснованный выбор элементной базы и разработать принципиальную электрическую схему.
5. Разработать и отладить базовые модули встроенного программного обеспечения микроконтроллера.
6. Сформулировать выводы и рекомендации по практическому внедрению разработки.

Описание

К специальной одежде для персонала, работающего в данных климатических поясах, предъявляются повышенные требования. Современные модели специальной одежды разрабатываются с использованием новых материалов и технологий. Развитие современной электронной компонентной базы и появление на рынке новых энергоёмких батарей, допускающих безопасную работу в условиях низких температур, привело к возможности создания специальной одежды с активной системой нагрева.

Наиболее ответственной задачей являлся выбор конструктивного исполнения системы.

Был предложен вариант системы, состоящей из базового управляющего модуля и объединённых в сеть интеллектуальных нагревательных модулей, распределённых в заданных сегментах специальной одежды.

Управляющий модуль конструктивно расположен в общем корпусе с аккумуляторной батареей. Микроконтроллер управляющего модуля управляет всеми элементами схемы и реализует обмен информацией с внешними устройствами с помощью модуля Bluetooth. Датчик температуры в базовом модуле измеряет температуру окружающей среды. Реализована панель управления, которая включает дисплей и кнопочную панель. Обмен информацией с модулями нагревательных элементов осуществляется по интерфейсу RS-485, протокол обмена − Modbus-RTU. Для промышленного интерфейса RS-485 отработаны схемные решения для защиты от воздействия разрядов статического электричества.

В нагревательном модуле датчик температуры измеряет температуру в области нагревательного элемента и в цифровом коде передаёт по интерфейсу 1-Wire в микроконтроллер управляющего модуля. Главная особенность – это схема управления нагревательным элементом с применением широтно-импульсной модуляции. Схема управления нагревательными элементами включает в себя быстродействующий драйвер транзистора, защищающий транзистор, МДП-транзистор и резистивный нагревательный элемент.

Результат

Автор провёл обзор устройств аналогичного назначения на современных российском и зарубежном рынках и патентный поиск в целях определения патентной чистоты разрабатываемого устройства, определено конструктивное исполнение макетного образца: базовый управляющий модуль и объединённые в сеть интеллектуальные нагревательные модули, распределённые в заданных сегментах спецодежды; разработана структурная схема системы. Затем был проведён обоснованный выбор элементной базы, разработана принципиальная электрическая схема, выполнена трассировка печатной платы и отлажены элементы макетного образца. Также разработаны базовые модули встроенного программного обеспечения микроконтроллера и подтверждена надёжность важнейших схемных решений.

Оснащение и оборудование

Проект выполнен на базе лабораторного оборудования кафедры КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы»:

• плата BigAVR6 фирмы Mikroelektronika,
• эмулятор ATMEL ICE,
• мультиметр APPA 109N,
• цифровой осциллограф АКИП-4115/2А,
• паяльная станция Ersa i-CON VARIO 4 и Ersa Analog 60A, источник питания PS3005,
• беспаечные макетные платы,
• универсальные макетные платы под пайку,
• написание и отладка программы проводились в интегрированной среде разработки Atmel Studio 7.

Перспективы использования результатов работы

В условиях современного рынка проект имеет высокую практическую значимость. Результаты работы после доработки могут быть внедрены в серийное производство. Основные направления совершенствования разработки: миниатюризация за счёт использования технологии многослойных печатных плат и технологии гибких печатных плат со встроенными нагревательными элементами, совершенствование алгоритмов управления нагревательными элементами за счёт перехода от релейного алгоритма управления на пропорционально-интегральные (ПИ) и пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) алгоритмы управления, совершенствование прикладного программного обеспечения (разработка мобильных приложений для дистанционной настройки и диагностики системы регулирования).

Сотрудничество с вузом при создании работы

Проект реализован на базе РТУ «МИРЭА  и выполнен с использованием лабораторного оборудования кафедры КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Института КБСП.

Особое мнение

«Участие в конференции «Инженеры будущего» в рамках проекта «Инженерный класс в московской школе» дало мне возможность не только реализовать на практике свою идею, но и получить новые знания и навыки работы с профессиональным оборудованием и современной элементной базой»