Вода льётся из тонкого шланга присоединённого через насос к баку с водой. Когда стаканчик под краном, насос начинает качать воду некоторое время (установленное эмпирическим путём), чтобы в стаканчике оказалось необходимое количество воды (200 мл). Насос подключается отдельно, имеет свое питание и включается помощью низковольтного реле.
Условия работы
Условия роботы будут нормальными, то есть аппарат работает в среде с комнатной температуры, нормальным давлением и влажностью. Установлен аппарат на горизонтальной поверхности на нулевом уровне моря. Работает от бытовой электрической сети 220 В.
2. Выбор и обоснование элементной базы
При осуществлении конструирования аппарата, выделим основные компоненты, необходимые для реализации задачи:
а) электромотор, для вращения подноса со стаканчиками;
б) водяной насос, с помощью которого нальём воды;
в) электромагнитное реле;
г) микроконтроллер, который будет управлять работой аппарата.
Замечание
При поиске элементов, использовалась глобальная сеть Internet. К сожалению, большинство сайтов предлагают данные товары китайского и тайваньского производства. Наиболее популярные сайты:
а) https://chinasuppliers.alibaba.com
б) https://www.made-in-china.com
Электромотор
Воспользуемся шаговым мотором.[8-17] Они позволяют на заданном шаге вращать ротор в нужное положение, благодаря подаче сигнала на ту или иную катушку возбуждения.
В зависимости от угла, который мы хотим получить необходимо, задать количество шагов.
Изучив характеристики шаговых моторов, предлагаемые как нашими производителями, так и зарубежными, я пришёл к выводу воспользоваться шаговым мотором российского производства НПФ «Электроприбор»[13]; рассмотрим серии FL20STH и FL28STH (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 – Вид шагового мотора серии FL20STH (справа), FL28STH (слева)
Таблица 2.1 – Технические характеристики моторов
| Величина полного шага, град | 1,8 |
| Погрешность углового шага, град | ±0,09 |
| Погрешность сопротивления обмоток двигателя, % | |
| Погрешность индуктивности обмоток двигателя, % | |
| Максимальное радиальное биение вала двигателя, мм | 0,02 |
| Максимальное осевое биение вала двигателя, мм | 0,08 |
| Максимальная допустимая осевая нагрузка на валу, Н | |
| Максимальная допустимая радиальная нагрузка на валу, Н | |
| Температурный диапазон эксплуатации от минус 20oС до плюс 50oС |
Таблица 2.2 – Технические характеристики моторов
| Наименование | Рабочий ток/ фаза | Крутящий момент | Момент инерции ротора | Вес |
| А | кг*см | г*cм2 | кг | |
| FL20STH30-0604A | 0,6 | 0,18 | 0,2 | 0,06 |
| FL28STH32-0956A | 0,95 | 0,43 | 0,9 | 0,11 |
| FL28STH45-0956A | 0,95 | 0,75 | 1,2 | 0,14 |
| FL28STH51-0956A | 0,95 | 0,9 | 1,8 | 0,2 |
| FL28STH51-0674A | 0,67 | 1,2 | 1,8 | 0,2 |
Согласно приведенным техническим характеристикам (таблица 2.1 и таблица 2.2), воспользуемся мотором FL28STH32-0956A, который потребляет приемлемый ток, легок и достаточно дешев.
Водяной насос
Выберем, обычный небольшой водяной насос [8, 9, 12, 18, 19, 20], с помощью шлангов будем закачивать воду в стаканчики. Рассмотрим несколько моделей насосов.
Рисунок 2.2 – Вид насоса модели 2013
Таблица 2.3 – Технические характеристики насосов
| Модель | Выход (ватт) | Диаметр выхода (мм) | Вольтаж | Макс. способность (Л/мин) | Макс. давление (M) | Габариты (L*W*H)(мм) | Масса (кг) |
| 7/12 | 50Гц или 60Гц 100/120В 200/220В | 8/10 | 0.9/1.0 | 75*62*95 | 0.85 | ||
| 9/14 | 11/14 | 1.3/1.6 | 80*67*105 | 0.95 | |||
| 14/20 | 15/18 | 1.8/2.2 | 85*70*135 | 1.40 |
Согласно техническим характеристикам насосов (таблица 2.3), будем брать насос модели 2013 14 Вт (см. рисунок 2.2), который подходит по габаритам и массе.
Электромагнитное реле
Рассмотрим некоторые виды электромагнитных реле [21] (таблица 2.4).
Таблица 2.4 – Электромагнитные реле
| Модель | Rном. Ом | Ток | Время | Uраб. B | ||
| Iср. mA | Iот. mA | tср. mC | tот. mC | |||
| РС4.524.203 | 5...7 | |||||
| РС4.524.214 | 5...7 | |||||
| РС4.524.374 | 5..7 | |||||
| РС4.524.315 | 6..8 | 2..4 | 4...8 | |||
| РФ4.500.421 | 5..8 | |||||
| РС4.569.439 | 5..8 | |||||
| РС4.524.316 | 1 600 | 6..8 | 2..4 | 12...13 | ||
| РС4.524.371 | 4 200 | 9..10 | ||||
| РС4.591.003 | 38..43 | |||||
| РС4.524.380 | 1 600 | 16..17 | ||||
| РС4.524.379 | 1 600 | 16..17 | ||||
| РС4.524.231 | 27...30 | |||||
| РС4.524.230 | 3 400 | 13...15 | ||||
| РС4.590.060 | ||||||
| РС4.524.209 | 23..32 | |||||
| РС4.524.320 | 6..8 | 2..4 | 24..32 | |||
| РС4.524.319 | 6..8 | 2..4 | 24..32 |
Так как нам требуется низковольтное электромагнитное реле, выберем модель РС4.524.315, время срабатывания и отпускания у которого вполне приемлемы.
Микроконтроллер
Существует очень много производителей микроконтроллеров [22-30]. Их продукция различается качеством, ценой, а также, самое главное, техническими характеристиками, такими как: производительность микроконтроллера, потребляемое напряжение и ток, количество выводов, таймеров, объём памяти и так далее.
Рассмотрим некоторых производителей, продукция, которых наиболее доступна на рынке [27, 29](таблица 2.5):
а) Infineon Technologies
б) Atmel
Таблица 2.5 – Микроконтроллеры
| Device | Flash (Kbytes) | Mask ROM (Kbytes) | EEPROM (Kbytes) | RAM (Bytes) | F.max (MHz) | Vcc (V) | I/O Pins | 16-bit Timers | Watchdog | |
| Atmel | |||||||||
| AT80C51RD2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT83C5103 | 2.7-5.5 | |||||||||
| AT83C51RB2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT83C51RC2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT83EB5114 | 3.0-3.6 | Yes | ||||||||
| AT87C5103 | 2.7-6.0 | |||||||||
| AT89C1051 | 2.7-6.0 | |||||||||
| AT89C2051 | 2.7-6.0 | |||||||||
| AT89C2051x2 | 2.7-6.0 | |||||||||
| AT89C4051 | 2.7-6.0 | |||||||||
| AT89C51AC2 | 2.7-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89C51AC3 | 2.7-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89C51ED2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89C51IC2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89C51ID2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89C51RB2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89C51RC | 4.0-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89C51RC2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89C51RD2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89C55WD | 4.0-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89LP2052 | 2.4-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89LP4052 | 2.4-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89LS51 | 2.7-4.0 | Yes | ||||||||
| AT89LS52 | 2.7-4.0 | Yes | ||||||||
| AT89LS53 | 2.7-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89LS8252 | 2.7-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89LV55 | 2.7-5.5 | |||||||||
| AT89S51 | 4.0-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89S52 | 4.0-5.5 | Yes | ||||||||
| AT89S53 | 4.0-6.0 | Yes | ||||||||
| AT89S8252 | 4.0-6.0 | Yes | ||||||||
Таблица 2.5 – Микроконтроллеры (продолжение)
| AT89S8253 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| T89C5115 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS80C31X2 | 2.7-5.5 | |||||||||
| TS80C32X2 | 2.7-5.5 | |||||||||
| TS80C51RA2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS80C51RD2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS80C52X2 | 2.7-5.5 | |||||||||
| TS80C54X2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS80C58X2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS83C51RB2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS83C51RC2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS83C51RD2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS87C51RB2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS87C51RC2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS87C51RD2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS87C52X2 | 2.7-5.5 | |||||||||
| TS87C54X2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TS87C58X2 | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TSC80251G2D | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TSC83251G2D | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| TSC87251G2D | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| Infineon Technologies | |||||||||
| C504-L/-2R | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C504-2E | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C505A-4E | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C505CA-4E/4R/2R-L/-2R | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C505L-4E | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C508-4R/-2R/-L | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C508-4E | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C509-L | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C515C-L/-8R | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C515C-8E | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C515-L | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C517A-L | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C868-1RG | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C868-1RR | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C868-1SG | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| C868-1SR | 2.7-5.5 | Yes | ||||||||
| XC866 | 26,67 | 2.7-5.5 | Yes | |||||||
Проанализируем сколько выводов нам необходимо (таблица 2.6).
Из таблицы видно, что достаточно одного порта в/в для подключения внешних устройств. Для подсчета времени работы воспользуемся таймером, поэтому в микроконтроллере должен быть хотя бы один таймер/счетчик. Аппарат будет работать в условиях комнатной температуры, вполне достаточно иметь корпус, рассчитанный на коммерческое использование (0ºС–70ºС).
Таблица 2.6 – Анализ количества необходимого количества выходов в/в
| Устройство | Комментарий | Необходимое количество выходов в/в |
| Насос | Работает от сети, включается через реле | |
| Шаговый мотор | Питаются все четыре обмотки | |
| Индикатор уровня воды | Для работы светодиода | |
| Датчик уровня воды | Опрос датчика | |
| Всего |
Будем пользоваться микроконтроллером Atmel AT89C1051, так как прост и используется в обычном DIP корпусе, обладает 1К Flash памяти, имеет достаточное количество выводов, работает на приемлемой частоте и напряжении, имеет 1 16-битный таймер.