АННОТАЦИЯ 3
Введение 6
1 Микроконтроллер 8
1.1 ATmega8 10
1.2 Основные характеристики ATmega8 12
1.3 Применение ATmega8 к датчикам TDS 15
1.4 Архитектурный Обзор 17
1.5 Регистры общего назначения и ALU 19
1.6 Одноцикловые операции с ALU 21
1.7 Объем памяти 23
1.8 Прерывания и векторы 25
1.9 Настройка выводов и функций микроконтроллера 26
1.10 Основные контакты для настройки TDS-LCD 30
1.11 Параметры тактовой частоты и генератора 31
2 Подсистема АЦП 35
2.1 Опорные значения напряжения 38
2.2 Регистры АЦП 40
2.3 Рекомендации по измерению TDS 42
3 Интерфейс I2C (TWI) 45
3.1 Скоростные режимы I2C 45
3.2 Физический Уровень I2C 46
3.3 Принцип Работы Протокола I2C 49
3.4 Расширители Портов НС 51
4 ЖК-Дисплей HD44780U 54
4.1 Основные характеристики HD44780U 54
4.2 Распиновка и описание сигнала 55
4.3 Внутренние регистры 56
4.4 Подключение ЖК-дисплея 1602 к I2C через PCF8574 58
5 Датчик TDS KeyeStudio KS0429 V1.0 59
5.1 Особенности датчика 59
5.2 Принцип измерения TDS 60
5.3 Взаимосвязь между концентрацией и электропроводностью 60
5.4 Влияющие факторы 61
6 Практика 62
6.1 Обзор архитектуры системы 62
6.2 Последовательность выполнения кода и принцип работы 63
6.3 Научный принцип, лежащий в основе системы 64
6.4 Калибровка и линеаризация АЦП 64
6.5 Проверка с помощью медного купороса 65
6.6 Система отображения и ЖК-дисплей 66
6.7 Моделирование в Proteus Studio 67
6.8 Физическое прототипирование и изготовление печатных плат 67
Заключение 69
Список использованных источников литературы 71
Приложение А 72
Современное развитие автоматизированных систем управления и мониторинга в сельскохозяйственном секторе требует интеграции точных, надежных и энергоэффективных цифровых технологий. Одной из актуальных задач в этой области является контроль качества воды, в частности, определение уровня растворенных веществ (Total Dissolved Solids, TDS), что напрямую влияет на здоровье растений, функционирование гидропонных систем и общую эффективность сельскохозяйственного производства [1]. В эру развития цифровых технологий полным ходом идёт процесс автоматизации производств, за счёт внедрения микроконтроллеров, которые управляют производственными процессами, а для повышения качества управления имеет смысл внедрение систем технического и компьютерного зрения, которые помогают в решении поставленных задач и позволяют при надобности контролировать процесс дистанционно, без личного присутствия инженера.
Традиционные лабораторные методы анализа не всегда применимы в полевых условиях, особенно когда требуется сбор данных в режиме реального времени. Это требует внедрения компактных интегрированных решений на базе микроконтроллеров, которые позволяют собирать, обрабатывать и визуализировать данные с нескольких датчиков. Одним из лучших решений для такого рода задач является 8-разрядный микроконтроллер ATmega8, который прост в программировании, отличается высокой надежностью и широкими возможностями взаимодействия с периферийными устройствами [2].
На сегодняшний день в технической литературе и открытых источниках существует множество решений для измерения TDS, но подавляющее большинство из них реализовано на дорогостоящих и энергоемких платформах. В связи с этим разработка малобюджетной цифровой системы на базе микроконтроллера AVR с использованием аналогового датчика электропроводности и ЖК-интерфейса на базе I2C приобретает особую актуальность. [5, 8]
Причиной выбора этой темы стало сочетание ее научной значимости и практической ценности, особенно в контексте растущего спроса на автоматизацию в агропромышленных системах. Работа направлена на проектирование, внедрение и тестирование цифрового измерителя TDS, способного обеспечить точную и стабильную работу в реальных условиях, позволяющего решать задачи экологического мониторинга, очистки воды и повышения технологической эффективности в рамках недорогой системы управления.
В ходе работ была внедрена микропроцессорная система измерения TDS, которая включала в себя аналоговый датчик электропроводности, модуль температурной компенсации, 8-разрядный микроконтроллер ATmega8 и ЖК-дисплей на базе интерфейса шины I2C через PCF8574. Было проведено детальное теоретическое исследование, разработано аппаратное обеспечение устройства и написано программное обеспечение для сбора, обработки и отображения данных в режиме реального времени. Эксперименты с физиологическими растворами различной концентрации позволили откалибровать измерительную систему и подтвердили ее стабильность и достаточную точность в диапазоне от 0 до 1000 частей на миллион, в зависимости от дальности действия датчика.
Решение задач, описанных во введении, было достигнуто последовательно. Был проведен обзор существующих методов измерения TDS, выбрана подходящая номенклатурная база, разработана схема подключения, реализовано взаимодействие компонентов в программном обеспечении и проведены тесты в программной среде Proteus и на реальном устройстве. Особое внимание было уделено корректной работе АЦП с учетом влияния температуры и стабильности показаний.
Проблема точного измерения параметров воды в условиях ограниченных ресурсов была успешно решена за счет применения модульного подхода, использования интерфейсной шины I2C и эффективного управления периферийными устройствами. Полученное устройство не только демонстрирует техническую работоспособность, но и может быть масштабировано для использования в автоматизированных теплицах, аквариумах и системах очистки воды.
Ожидаемым эффектом от внедрения данной разработки является снижение затрат на мониторинг, повышение точности управленческих решений в сельскохозяйственных системах и повышение надежности процессов очистки воды. Созданная система может стать основой для 70
последующих разработок с элементами адаптивного управления, удаленного мониторинга и передачи данных, что делает ее перспективной для внедрения в реальных условиях эксплуатации.
