درسنامه آموزشی تعمیر و نگهداری تجهیزات گرمایشی و سرمایشی کلاس دهم مکاترونیک

‌‌واحد یادگیری 3: شایستگی نصب و راه‌اندازی دستگاه جوجه‌کشی

آیا تا به حال پی برده‌اید؟

- چگونه می‌توانیم شرایطی ایجاد کنیم که بدون مرغ مادر تخم‌های نطفه‌دار را به جوجه تبدیل نماییم؟
- آیا می‌توان تخم نطفه‌دار را از بی‌نطفه تشخیص داد؟
- دوران ستر و هچر در پرورش تخم به جوجه چیست؟
- دستگاه‌های جوجه‌کشی از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟
- حسگرهای متداول در سیستم‌های کنترل صنعتی کدام‌اند و چگونه کار می‌کنند؟
- ترانسدیوسر چیست و از چه بخش‌هایی تشکیل شده است؟
- موتورهای (DC) متداول در سیستم‌های کنترل صنعتی کدام‌اند و چگونه کار می‌کنند؟
- چگونه می‌توانیم یک کنترل‌کنندهم دستگاه جوجه‌کشی بسازیم؟

هدف از این شایستگی، فراگیری روش راه‌اندازی یک دستگاه جوجه‌کشی است، به‌طوری که بتواند در شرایط متداول و استاندارد از تخم‌های نطفه‌دار جوجه تولید کند. در این راستا با قطعات مورد نیاز این ساختار آشنا می‌شویم، به نحوی که انواع حسگرهای رایج را شناسایی کنیم و بتوانیم آن‌ها را در کاربردهای مرتبط به‌کار بگیریم. باتوجه به کاربرد موتور در دستگاه‌های جوجه‌کشی می‌توانیم ضمن آشنایی و راه‌اندازی انواع موتورهای «دی‌سی»، به منظور چرخاندن تخم‌ها در دستگاه جوجه‌کشی موتور مورد نیاز را انتخاب نمائیم. و بالأخره سخت‌افزار بخش کنترل دستگاه جوجه‌کشی را با استفاده از میکروکنترلر مونتاژ و با برنامهٔ مناسب جهت ایجاد سیر دوران ستر و هچر بارگذاری نماییم.

استاندارد عملکرد

پس از اتمام واحد یادگیری و کسب شایستگی، هنرجویان در تشخیص حسگرها و موتورهای «DC» و در کاربرد مرتبط آن‌ها قادر می‌شوند و به عنوان یک دستگاه مبتنی بر مکاترونیک قادر به راه‌اندازی دستگاه جوجه‌کشی کامل خواهند شد.

تخم نطفه‌دار چیست؟

آیا همهٔ تخم‌ها را با ایجاد شرایط انکوباسیون می‌توان به جوجه تبدیل نمود؟ پاسخ منفی است، چرا که یکی از شرایط این پدیده نطفه‌دار بودن تخم پرنده است.

لامپ‌های COB به دلیل داشتن نور متمرکز و قوی، نمونه مناسبی از منبع نور برای تشخیص تخم نطفه‌دار هستند. در تمامی طول دوره جوجه‌کشی از تخم‌های نطفه‌دار پرندگان، جوجه‌کشی طبیعی و مصنوعی (ماشین جوجه‌کشی) دو مرحلهٔ مختلف به نام «ستر» و «هچر» وجود دارد.

ستر و هچر در جوجه‌کشی چیست؟

همان‌طور که می‌دانید طول دورهٔ جوجه‌کشی برای تمامی پرندگان یکسان نیست. برای مثال طول دورهٔ جوجه‌کشی برای تخم نطفه‌دار مرغ مدت زمان 21 روز و برای تخم شترمرغ 42 روز است. حال از این 21 روز (برای جوجه‌کشی تخم مرغ) 18 روز اولیه را ستر و 3 روز آخر را هچر می‌نامند. در دوران ستری، نطفهٔ داخل تخم به اندازه کافی رشد می‌کند و برای خروج از پوسته (هچری) آماده می‌شود. در مدت زمان هچری یعنی سه روز آخر، گردش دستگاه جوجه‌کشی باید متوقف شود. این عمل به منظور خروج راحت‌تر جوجه از داخل تخم صورت می‌پذیرد. رطوبت و دمای دستگاه طبق متغیر نسبت به هر تخم افزایش می‌یابد.

جدول زمان‌بندی جوجه‌کشی از تخم‌های نطفه‌دار پرندگان مختلف را در زیر مشاهده می‌کنید. این جدول نمایشگر و راهنمای نحوهٔ تنظیم رطوبت، چرخش و دمای دستگاه جوجه کشی برای تخم‌های گوناگون است. زمان بیرون آمدن جوجه از تخم‌های گوناگون را نیز می‌توانید ببینید:

برخی از ماشین‌های جوجه‌کشی عمل ستر و هچر را به‌صورت اتوماتیک انجام می‌دهند. در بعضی از دستگاه‌های جوجه‌کشی سنتی (آنالوگ) اپراتور جوجه‌کشی وظیفهٔ تغییر وضعیت ماشین جوجه‌کشی از حالت ستر به هچر را شخصاً بر عهده دارد.

در ساده‌ترین حالت، برخی از تولیدکنندگان خانگی و سنتی با استفاده از کارتن میوه یا صندوق دو جداره، در حالی که ما بین دو جداره آن را با پنبه پرکرده‌اند، شرایط حفظ دما را ایجاد می‌نمایند. در این نوع ابتکار، لامپ روشنایی حرارت مورد نیاز را تأمین می‌کند و به منظور کنترل آن از ترموستات سماور استفاده می‌شود.

ولی با توجه به اینکه قصد داریم دستگاه جوجه‌کشی کارآمدتری بسازیم باید بدانیم که دستگاه جوجه‌کشی تابع سیستم کنترل صنعتی است، به‌طوری‌که کابین جوجه‌کشی همواره با اندازه‌گیری دما و رطوبت به محرک‌های خروجی فرامینی صادر نموده تا دما و رطوبت ثابت بماند.

اکنون به‌طور قطع می‌توانیم بیان کنیم، برای دستیابی به شرایط متعارف جوجه‌کشی، باید دستگاهی بسازیم که بتواند شرایطی را مانند مرغ مادر برای تخم به‌وجود آورد به این شرح:

الف) دمای مناسب
ب) رطوبت مناسب
ج) تهویه و هوای کافی
د) گردش و جابه‌جایی تخم‌ها

به منظور دستیابی به این شرایط، دستگاه مورد طراحی باید با دریافت اطلاعات ورودی از حسگرهای دما و رطوبت، پس از طی فرایند کنترلیِ لازم، نسبت به روشن و خاموش کردن به موقع موتورهای دستگاه و عامل ایجاد حرارت اقدام به عمل آورد.

دما و رطوبت مناسب در دستگاه جوجه‌کشی

همان‌گونه که در جدول 1 مشاهده می‌گردد، دمای مورد نیاز داخل کابین جوجه‌کشی باید بر روی محدودهٔ مشخصی تنظیم گردد. این دما با کنترل ترموستات بر روی عوامل تولید کنندهٔ حرارت صورت می‌پذیرد.

رطوبت یکی از عوامل مهم در محفظهٔ جوجه‌کشی است. با توجه به اینکه تنها منبع تأمین رطوبت، آب است تولید رطوبت از آب به روش‌های مختلفی ایجاد می‌گردد. در ساده‌ترین حالت دیدیم که با قرار دادن یک ظرف آب در ماشین جوجه‌کشی رطوبت ایجاد می‌شود. ولی لازم است این رطوبت توسط یک دستگاه رطوبت‌سنج اندازه‌گیری شود و متناسب با رطوبت مورد نیاز اقدام به ایجاد رطوبت گردد.

با توجه به اینکه با گذشت زمان رطوبت داخل کابین یا اتاقک جوجه‌کشی کاهش می‌یابد، پاشش آب در محیط به‌وسیلهٔ پمپ مخصوص یا به کارگیری از مدارات الکترونیکی جهت تولید بخار سرد یا همان مه‌سازها یا رطوبت‌سازهای آلتراسونیک می‌تواند روش مؤثری در تأمین رطوبت مورد نیاز باشد. واحد اولیه سیستم کنترل، ایجاد فرایندهای حرارت، رطوبت و چرخش ورودیِ سیستم یا حسگرهای تشخیص است. بنابراین در یک سیستم کنترل صنعتی، بسته به نوع فرایند، به حسگرهای مختلفی نیاز خواهیم داشت. لذا در این بخش، ضمن آشنایی با انواع حسگرها، حسگرهای موردنیاز دستگاه جوجه‌کشی را می‌توانیم انتخاب نماییم.

انواع حسگر

کلمهٔ حسگر (sensor) به معنای حس‌کننده است (حسگر) و در صنعت، مواردی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما، و… را به کمیّت‌های الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیر پیوسته (دیجیتال) تبدیل می‌کند. حسگرها در انواع دستگاه‌های اندازه‌گیری، سیستم‌های کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند پی‌ال‌سی (PLC) مورد استفاده قرار می‌گیرند و در دستگاه کنترلِ اتوماتیک بسیار کاربرد دارد. حسگرها براساس نوع و وظیفه‌ای که برای آن‌ها تعریف شده است اطلاعات را به سیستم کنترل‌کننده می‌فرستند و سیستم، طبق برنامهٔ تعریف شده عمل می‌کند. لذا حسگرها به دو گروه کلی تقسیم می‌گردند:

گروه اول دارای ویژگی مجاورتی یا بدون تماس است، یعنی بدون تماسِ با محصول صنعتی، شرایط را تشخیص می‌دهد و گروه دوم غیر مجاورتی با تماس است که باید در داخل محصول صنعتی قرار گیرد تا شرایط را تشخیص دهد.

حسگرهای بدون تماس (مجاورتی)

دستهٔ کلی از حسگرهای ورودی آن‌هایی هستند که با فاصله از جسم و بدون اتصال به آن عمل می‌کنند. مثلا با نزدیک شدن یک قطعه وجود آن را حس می‌کند و فعال می‌شود. این عمل می‌تواند باعث جذب یک رله، کنتاکتور یا ارسال سیگنال الکتریکی به طبقهٔ ورودی یک سیستم گردد.

کاربرد حسگرها مجاورتی در صنعت

برای درک بهتر این قبیل حسگرها کاربردهایی از نوع مجاورتی را بیان می‌کنیم:

- شمارش تولید (حسگرهای القائی، خازنی و نوری)؛
- کنترل حرکت پارچه و… (حسگر نوری و خازنی)؛
- تشخیص پارگی ورق (حسگر نوری)؛
- کنترل سطح مخازن (حسگر نوری و خازنی و خازنی کنترل سطح)؛
- کنترل انحراف پارچه (حسگر نوری و خازنی)؛
- اندازه‌گیری سرعت (حسگر القائی و خازنی)؛
- کنترل تردد (حسگر نوری)؛
- اندازه‌گیری فاصله قطعه (حسگر القائی آنالوگ).

الف) انواع حسگرهای مجاورتی

1- حسگر نوری:

کاربردی‌ترین حسگر به منظور شناسایی هر شیء، حسگر نوری است. باید توجه داشت که این حسگر را در مکان‌هایی که نور شدید یا عوامل شکست نور وجود دارد مورد استفاده قرار نگیرد. لازم است بدانید حسگرهای نوری از دو بخش تشکیل شده‌اند: گیرنده و فرستنده، یعنی یک بخشِ حسگر امواج مادون قرمز ارسال و بخش دوم امواج ارسالی را دریافت می‌کند.

بر اساس کاربرد این حسگرها به دو روش کلی مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند:

1- حسگر در دو طرف شده و روبه‌روی یکدیگر واقع می‌شوند و اشیای مورد نیاز، جهت تشخیص از میان فرستنده و گیرنده عبور می‌نماید و شیء نور مادون قرمزِ بین فرستنده و گیرنده را قطع می‌کند.

2- دو بخش فرستنده و گیرنده در یک مجموعه و در یک طرف واقع می‌شوند و اشیا از مقابل حسگر عبور می‌کنند، بازگشت نور مادون قرمز به گیرنده با انعکاس آن از روی شیء مربوطه صورت می‌گیرد. عنصر به‌کار رفته در ساخت این حسگرها در بخش فرستنده، LED مادون قرمز و در بخش گیرنده معمولاً فتو دیود و یا فتوترانزیستور است. این قطعهٔ الکترونیکی رفتاری مانند دیود یا ترانزیستور دارد. با این تفاوت که با دریافت نور در وضعیت سوئیچ کارآیی پیدا خواهد کرد و می‌تواند یک مدار را که در ورودی سیستم کنترل واقع می‌گردد، باز یا بسته کند.

2- حسگرهای خازنی

اگر در سیستم کنترل به حسگری نیاز داشته باشیم که دارای حساسیت بیشتری باشد و محدودیت استفاده از حسگرهای نوری مشکل ایجاد کند، حسگرهای خازنی بهترین گزینه است. همان‌گونه که از نام این حسگر بر می‌آید عنصر تشخیص در ساختمان آن خازن است و همین امر حساسیت قابل توجهی برای این حسگر فراهم نموده است. با توجه به این ساختمان خازنی، قرار گرفتن اشیا در مقابل حسگر ظرفیت خازنِ درون آن را تغییر می‌دهد و تغییرات ظرفیت باعث تغییرات دامنه در سیستم حسگر خواهد شد و قطع و وصل سوئیچ را به دنبال خواهد داشت. اکنون با قراردادن خروجی حسگر در مسیر یک مدار می‌توان روشن یا خاموش نمودن آن مدار را امکان‌پذیر ساخت.

3- حسگرالقایی:

حسگرهای القایی در مقابل خود، میدان الکترومغناطیسی ایجاد می‌کند که هر قطعه فلزی که در مقابل این میدان الکترومغناطیسی قرار گیرد به تغییرات دامنهٔ سیگنال تولید شده در حسگر منجر خواهد شد. این امر باعث قطع و وصل سوئیچ داخل حسگر می‌شود، و این برای قطع و وصل نمودن یک مدار به‌کار می‌رود. اختلاف ویژهٔ این حسگر با حسگر خازنی در این است که حسگرهای القایی عموماً برای تشخیص فلزات به‌کار می‌رود در حالی که حسگرهای خازنی برای شیشه، پلاستیک، پودر، کاغذ و... کاربرد دارد.

4- حسگرالتراسونیک:

ساختمان این حسگرها به نحوی طراحی گردیده است که با تولید امواج مافوق صوت که در فرکانس آن بین 20 تا 50 کیلوهرتز است، مانند رادار با ارسال و دریافت سیگنال مافوق صوت اقدام به شناسایی اجسام می‌نماید. عملکرد این حسگر از اصول ردیابی خفاش‌ها الگوبرداری شده است. کاربرد مهم این حسگر در سرعت‌سنج‌ها و تشخیص سطح مخازن و اندازه‌گیری فلومغناطیسی و... است. اصول تشخیصی حسگر، محاسبهٔ اختلاف سرعت موج در ارسال و دریافت در فاصله مورد نظر است. این حسگرها به‌صورت پالسی کار می‌کنند. مثلاً در هر 2 ثانیه یکبار یک پالس ارسال و فاصله را اندازه‌گیری می‌کند.

با توجه به اینکه خروجی این حسگر، سیگنال‌های دیجیتال است، نمی‌توان از آن‌ها به‌صورت سوئیچ جهت قطع و وصل مدارات استفاده نمود. لذا وجود یک میکروکنترلر همیشه برای تفسیر خروجی مورد نیاز است.

5- حسگر تشخیص کد رنگ:

حسگر ساخته شده در این مجموعه، حسگرهای کدهای رنگی است که در تشخیص رنگ از روی لفافه‌های بسته‌بندی (از جنس PVC ,Opp ,Bopp ,wax paper ,Paper و... با ضریب شفافیت برابر آینه) طراحی و ساخته می‌شوند. اساس کار این حسگرها ارسال نور سفید و دریافت نور منعکس شده از کاغذ بسته‌بندی است.

مزایای حسگرهای بدون تماس نسبت به حسگرهای دیگر

- سرعت سوئیچینگ (قطع و وصل) زیاد: حسگرها در مقایسه با کلیدهای مکانیکی از سرعت سوئیچینگ بالائی برخوردارند.
- طول عمر زیاد: بدلیل نداشتن کنتاکت مکانیکی و نداشتن نفوذ آب، روغن، گرد و غبار و جرقه‌های در حین کار دارای طول عمر زیادی هستند.
- قابل استفاده در محیط‌های مختلف با شرایط سخت‌کاری: حسگرها در محیط‌های با فشار زیاد، دمای بالا، اسیدی، روغنی و آب قابل استفاده هستند.
- نیاز نداشتن به نیرو و فشار: با توجه به عملکرد حسگر در هنگام نزدیک شدن قطعه، به نیرو و فشار نیازی نیست.
- ایجاد نکردن سر و صدا (نویز): در هنگام قطع وصل به دلیل استفاده از نیمه هادی‌ها در طبقهٔ خروجی، نویزهای مزاحم که در حسگرهای دیگر وجود دارد (Bouncing Noise) ایجاد نمی‌شود.

ب- حسگرهای تماسی (غیرمجاورتی):

حسگرهای فشار

از این حسگرها برای اندازه‌گیری فشار در ورودی سیستم‌های کنترلی استفاده می‌شود.

حسگرهای فشار عموماً به منظور اندازه‌گیری فشارهای باد (پنوماتیکی) و مایعات (هیدرولیکی) در حجم یا ظرفی مشخص کاربرد دارند و کاربردهای آن را حتی در پزشکی مانند اندازه‌گیری فشار خون نیز می‌توان یافت. این فشارسنج‌ها امروزه بسیار پیشرفت کرده‌اند، به نحوی که انواع آن را با کیفیت‌های خوب و ابعادی کوچک می‌توان یافت.

ساختمان این حسگرها بسیار متنوع است. ولی همگی بر اساس اصول فیزیکی و جابه‌جایی طراحی گردیده است، به نحوی که با تغییرات فشار، جابه‌جایی هوا، مایع و نهایتاً سیستمی مکانیکی خواهیم داشت که منجر به تغییرات خواهد شد، چرا که تصمیم بر آن است که تغییرات مکانیکی به تغییرات الکتریکی تبدیل گردد. بنابراین وظیفهٔ همهٔ آن‌ها تبدیل تغییرات فشار به کمیت‌های الکتریکی است. به چند مورد از این حسگرهای فشار، که بر اساس ساختمان آن نام‌گذاری شده‌اند، اشاره می‌نماییم.

لودسل (Load cell)

کاربردی‌ترین مورد مصرف استرین‌گیج‌های فشار در قطعه‌ای به نام لودسل (Load cell) است. این قطعه به منظور اندازه‌گیری وزن در ترازوها و باسکول‌های دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرد.

راه‌اندازی و به‌کارگیری لودسل جهت اندازه‌گیری وزن فقط با میکروکنترلر میسر می‌گردد و به منظور ایجاد ارتباط بین لودسل و میکروکنترلر باید از سخت‌افزار مخصوص آن استفاده شود. یکی از این سخت‌افزارها ماژول 24 بیتی HX711 است که خروجی‌های دیجیتالی حاصل از اندازه‌گیری وزن لودسل را برای میکرو ارسال می‌نماید.

حسگرهای سرعت (تاکومتر)

یکی از متداو‌ل‌ترین کمیت‌هایی که در صنعت مورد بررسی قرار می‌گیرد سرعت است. این اندازه‌گیری در محاسبهٔ سرعت چرخش موتورهای الکتریکی یا سرعت عبور سیالات، بسیار لازم است. عنصر مورد استفادهٔ به این منظور، تاکومتر (Tachometer) نام دارد. تاکومترهای سرعت در حقیقت ژنراتورهای کوچکی هستند که به دو دسته کلی تقسیم می‌گردند:

الف) تاکومترهای دامنه

دامنهٔ خروجی تاکومتر متناسب با سرعت تغییر می‌نماید.

سیگنال‌های آنالوگ ناشی از تاکومترهای دامنه مستقیماً در حلقهٔ کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرد و نیازی به مدار جانبی ندارد.

ب) تاکومترهای فرکانس

فرکانس خروجی تاکومتر متناسب با سرعت تغییر می‌کند.

خروجی تاکومترهای فرکانسی خطی است و احتیاج به مدارات جانبی بیشتری دارد. در تاکومترهای فرکانس، مراحل: 1- شمارش (Count) 2- ذخیره‌سازی (Store) 4- تبدیل و نمایش (Display) 6- شروع مجدد (Reset) انجام می‌گردد.

حسگرهای حسگرهای حرارت یا گرمایی

به منظور اندازه‌گیری حرارت از حسگرهای حرارتی استفاده می‌شود. ساختمان آن‌ها معمولاً برگرفته از یک ترموکوپل یا از ترمیستور است. ترموکوپل‌ها از اتصال دو فلز تشکیل شده‌اند که با حرارت دیدنِ نقطهٔ اتصال، ولتاژ کوچکی در خروجی آن ظاهر می‌گردد.

یکی از انواع حسگرهای گرمایی ترمیستورها هستند. این حسگرها المنت مقاومتی پسیوی هستند که مقاومتشان متناسب با دمایشان تغییر می‌کند. بسته به اینکه در اثر گرما مقاومتشان افزایش یا کاهش می‌یابد، برای آن‌ها به ترتیب ضریب حرارتی مثبت (PTC) یا منفی (NTC) را تعریف می‌کنند.

مقاومت‌های تابع حرارت یا ترمیستورها، بسته به محل استفاده، دارای شکل و ابعاد مختلفی است. مشخصات ترمیستورها در جدول‌های شرکت‌های سازنده درج گردیده است و استفاده کننده بر اساس نیاز خود با مراجعه به جدول، ترمیستور مورد نیاز خود را انتخاب می‌کند.

معروف‌ترین حسگرهای حرارتی عبارت‌اند از: Smt160 (حسگر دما با خروجی دیجیتال)، LM35 (حسگر دما با خروجی آنالوگ) و LHI648 (حسگر حرارتی حساس به بدن). این حسگرها در سیستم‌های کنترل صنعتی بسیار پرکاربرد است.

حسگر رطوبت

در بسیاری از مدارات کنترلی، فرایند طراحی شده نسبت به رطوبت حساس است و عملکرد خود را متناسب با میزان رطوبت تغییر می‌دهد، لذا با استفاده از حسگر رطوبت میزان رطوبت محیط مربوطه اندازه‌گیری می‌شود، آن‌گاه مدار کنترلر بر اساس تعریف قبلی خروجی‌های خود را تغییر می‌دهد. این حسگر عموماً در ورودی‌های مدارات میکرو کنترلر و PLC قرار می‌گیرد و بدون بهره‌گیری از این تجهیزات نمی‌توانیم به خوبی از آن‌ها استفاده کنیم.

حسگرهای رطوبت مانند حسگرهای فشار با استفاده از مبانی علمی فیزیک طراحی شده‌اند و در انواع مختلف طبقه‌بندی می‌شوند. برای استفاده از این حسگرها باید مشخصات آن‌ها را از جداول اطلاعاتی (Data sheet) مربوط به آن‌ها استخراج و شرایط را برای میکروکنترلر تعریف نمود. اگر بخواهیم رطوبت یک محیط را اندازه‌گیری کنیم از حسگرهای رطوبت نسبی (RH) استفاده می‌شود و درصورتی که بخواهیم میزان رطوبت یک محصول را بسنجیم از حسگرهای رطوبت مطلق استفاده می‌گردد.

پرمصرف‌ترین حسگرهای رطوبتی حسگرهای مقاومتی هستند. در این حسگرها از یک عنصر حساس به رطوبت که مقاومت الکتریکی است استفاده می‌گردد.

همان‌گونه که در نمودار فوق نشان داده شده است، بر اساس تغییرات رطوبت برحسب درصد (RH)، مقاومت نیز کاهش می‌یابد با توجه به این تغییرات، سیستم کنترلی از درصد رطوبت محیط، فرایند خود را تنظیم می‌نماید.

انواع حسگرهای رطوبت رایج عبارت‌اند از:

2A (حسگر رطوبت و دما در یک پک خروجی دیجیتال)
S2H (حسگر رطوبت مقاومتی)
SHT11 (حسگر رطوبت با خروجی دیجیتال)
SHT75 (حسگر رطوبت با خروجی دیجیتال)
Rhu-207 (حسگر رطوبت با خروجی مقاومتی)
HS1101 (حسگر رطوبت با خروجی خازنی)
3610 (حسگر رطوبت با خروجی ولتاژ)

حسگر تشخیص حرکت بدن انسان (PIR)

حسگرهای تشخیص حرکت (یا PIR= (PASSIVE INFRA RED آن‌هایی هستند که طول موج Infrared محیط اطراف را دریافت می‌کنند و در زمینه‌های امنیتی و حفاظتی و همچنین در مسائل صرفه‌جویی و بهینه‌سازی بسیار کاربرد دارند. می‌دانید هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر درجهٔ مطلق باشد دارای تشعشعات Infrared یا مادون قرمز است.

اما این موج دارای طول موج‌های مختلف برای درجه حرارت‌های متفاوت است. کاری که این حسگر انجام می‌دهد در واقع دریافت این امواج در حد (رِنج) بدن انسان و تشخیص آن است. از این حسگر در دستگاه‌هایی که برای تشخیص حرکت بدن انسان حتی به‌صورت جزئی استفاده می‌شود و از نظر دقت و قابلیت اعتماد در سطح بالایی است و می‌توانید آن‌ها را در دزدگیرها مشاهده نمائید.

اکنون می‌دانیم حسگر ابزاری است که در همهٔ دستگاه‌های اندازه‌گیری وجود دارد و وظیفهٔ تبدیل یک کمیّت فیزیکی به یک سیگنال الکتریکی را در تجهیزات الکترونیکی، بر عهده دارد. و حال که با مفهوم و عملکرد غالب حسگرها آشنا شدیم دانستن مفاهیم ترانسدیوسر و ترانسمیتر، که در طراحی کنترلرهای صنعتی کاربردهای فراوانی دارد بسیار حائز اهمیت است.

ترانسدیوسر (transducer) یا مبدل

وسیله‌ای است که تغییرات مقاومتی یا خازنی را به یک سیگنال الکتریکی استاندارد مانند تغییرات ولتاژ یا جریان تبدیل می‌کند، یعنی اگر یک حسگر فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد، حسگر، پارامتر فشار را اندازه می‌کرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل می‌دهد، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنالی الکتریکی تبدیل می‌کند تا آن را بتوان توسط سیم‌های الکتریکی به بخش‌های دیگر ارسال نمود.

ترانسمیتر (transmitter)

ترانسمیتر از ترکیب دو واژهٔ TRANSFER+METER گرفته شده است، یعنی تجهیزاتی که بتواند یک کمیّت فیزیکی را اندازه‌گیری کند (METERING) و آن را به مکانی دورتر مثل اتاق کنترل انتقال (TRANSFER) دهد.

روش‌های ایجاد گرما به منظور کابین دستگاه جوجه‌کشی

به منظور گرم کردن هوای داخل کابین دستگاه جوجه‌کشی به‌طور کلی به سه روش می‌توان عمل نمود، با توجه به حجم فضای کابین، زمان مورد نیاز برای گرم شدن و مقرون به صرفه بودن. این روش‌ها عبارت‌اند از:

1- ایجاد گرما به‌وسیلۀ هوای گرم؛
2- ایجاد گرما به‌وسیلۀ آب گرم که خود منجر به ایجاد رطوبت نیز می‌گردد؛
3- ایجاد گرما به‌وسیلهٔ مقاومت‌های الکتریکی که به آن‌ها المنت می‌گویند. در این روش، می‌توان از یک لامپ 100 وات معمولی نیز بهره گرفت.

تهویه و هوای مناسب دردستگاه جوجه‌کشی

همان‌گونه که می‌دانید، همهٔ موجودات زنده به اکسیژن کافی و هوای مناسب نیاز دارند. از جملهٔ این نیازها تأمین اکسیژن به‌منظور تنفسِ جنین طی مراحل رشد و تکامل در داخل تخم است، که بسیار حائز اهمیت است. می‌دانیم جنینِ در داخل تخم، اکسیژن را از طریق منافذ پوستهٔ تخم دریافت می‌کند. در حقیقت این منافذ، گذرگاه تبادلات گازی جنین، مانند اکسیژن برای دم و دی‌اکسیدکربن برای بازدم است. هوای ماشین‌های جوجه‌کشی به‌طور طبیعی باید حاوی مقدار 21 درصد اکسیژن باشد.

جنین در روزهای اول احتیاج به مقدار کمتری اکسیژن دارد ولی به موازاتی که رشد می‌کند، نیازش به اکسیژن بیشتر می‌شود از این‌رو باید تهویه هم بهتر انجام گیرد.

گردش یا جابه‌جایی تخم‌ها

با مشاهدهٔ رفتار مرغ مادر در نگهداری از تخم‌ها شاهد آن خواهیم بود که در زمان‌های مشخص، به چرخاندن تخم‌ها می‌پردازد. محققین دلیل آن را این می‌دانند که از چسبیدن زرده و کیسه‌های هوا به پوستهٔ تخم جلوگیری می‌شود. از این‌رو لازم است به‌طور متوسط هر 25 دقیقه یکبار این کار انجام گردد، ولی در مقیاس صنعتی، هر 1 ساعت یکبار برای تخم‌مرغ، هر 2 تا 4 ساعت یکبار برای تخم بلدرچین و زمان‌های متفاوت دیگری برای انواع تخم‌های دیگر مورد نیاز است. در دستگاه‌های جوجه‌کشی چرخاندن تخم‌ها با سیستمی مکانیزه صورت می‌گیرد، در غیر این‌صورت، ضمن وقت‌گیر بودن این امر، با بازکردن درِ کابین، دما و رطوبت درون آن شدیداً تغییر خواهد کرد و به ثمر رسیدن تخم به جوجه می‌گردد. بنابراین در دستگاه‌های جوجه‌کشی یا انکوباتورهای بزرگ به‌وسیلهٔ موتورهای الکتریکی یا فشار جک‌های بادی این امر انجام می‌پذیرد. نحوهٔ چرخاندن تخم‌ها به این‌گونه است که با توجه به قرار گرفتن سر کوچک تخم‌ها به سمت پایین در شانهٔ مخصوص دستگاه جوجه‌کشی باید این شانه را تا 45 درجه نسبت به افق تغییر زاویه داد و مجدداً نیز پس از گذشت مدت زمان مشخص این تغییر زاویه باید به صفر رسیده و در جهت عکس انجام شود. باید توجه داشت هر گونه چرخش، به آرامی و بدون تکان‌های شدید انجام پذیرد زیرا تکان شدید باعث صدمه زدن به جنین خواهد شد. 

همان‌گونه که در شکل نشان داده شده است، چرخش موتور منجر به ایجاد حرکت آلاکلنگی برای سینی رَک می‌گردد. (به محل قرارگیری تخم‌ها رک (RACK) گفته می‌شود) این موتور از نوع موتور DC گیربک سدار است تا بتواند به آرامی این عمل را انجام دهد.

زمان روشن و خاموش شدن موتور برای مرغ و بلدرچین ساعتی یکبار صورت می‌پذیرد ولی برای تخم پرندگان دیگر متفاوت است (باید مقدار آن از منابع علمی مربوط به همان پرنده استخراج گردد). با توجه به نیاز ایجاد تهویه مناسب در کابین دستگاه‌های جوجه‌کشی و همچنین حرکت مداوم رک‌های حاوی تخم در دستگاه، در سیستم کنترلی مورد بحث، نقش موتور بسیار حائز اهمیت است.

به منظور اعمال فرامین سیستم کنترل صنعتی بهترین موتور، موتورهای DC است که هر یک با توجه به ویژگی‌هایی که دارند، قابلیت‌های منحصر به فردی را از نظر سرعت، قدرت و دقت در اختیار استفاده‌کننده قرار می‌دهند.

انواع موتورهای DC

الف- موتور کلاسیک DC

این موتورها به‌صورت متعارف دارای استاتوری از آهنربای ثابت و روتوری سیم‌پیچی شده می‌باشند که به آرمیچر نیز معروف‌اند. وجود یک سوییچ گردشی بر روی شافت روتور به نام کموتاتور جهت جریان الکتریکی را در هر چرخش کامل روتور دو بار برعکس می‌کند تا با تغییر جهت جریان در آرمیچر آهنرباهای ثابت و سیم‌پیچ روتور دارای پلاریته‌های متفاوت گردند. این امر منجر به تقابل قانون همنام و ناهمنام آهن رباها می‌گردد و به چرخش موتور می‌انجامد. سرعت و جهت این موتورها بر اساس ولتاژ اعمال شدهٔ به آن‌ها به راحتی قابل تغییر است ولی دقت قابل توجهی ندارد.

ب- موتورهای یونیورسال

یکی از انواع موتورهای DC، که هم روتورو هم استاتور آن سیم‌پیچی شد. موتور یونیورسال است. اسم این موتورها از این واقعیت گرفته شده است که این موتورها را می‌توان هم با جریان DC و هم AC به‌کار برد، هر چند اغلب عملاً این موتورها با تغذیه AC کار می‌کنند.

اصول کار این موتورها بر این اساس است که وقتی یک موتور DC استاتور سیم‌پیچی شده به جریان متناوب وصل می‌شود، جریان هم در سیم‌پیچی استاتور و هم در سیم‌پیچی روتور به‌وجود می‌آید و باعث می‌شود میدان‌های مغناطیسی به‌وجود آمده همزمان تغییر کند. بنابراین نیروی مکانیکی ایجاد شده همواره بدون تغییر خواهد بود و تقابل میدان‌های مغناطیسی باعث چرخش خواهد شد و این در حالی است که کموتاتور موجود بر روی شفت در هر دور چرخش جهت جریان در روتور را تغییر می‌دهد.

این موتورها دارای گشتاور راه‌اندازی بسیار بالایی است. همچنین طراحی آن‌ها بسیار جمع‌وجور و برای سرعت‌های بالا قابل استفاده است. مشکل اصلی این موتورها تعمیر و نگهداری آن است، از آن جمله ذغال‌های متصل به کموتاتور و بوش یا بلبرینگ‌های سر‌ و ته روتور هر چند وقت یکبار باید تعویض گردد. این موتور در دستگاه‌های لوازم خانگی مانند آب میوه‌گیری، سشوار، جاروبرقی و غیر آن‌ها بسیار کاربرد دارد.

ج- سِروو موتور (Servo Motor)

سروو موتورها موتورهای گیربکس‌دار بسیار دقیقی هستند که می‌توانیم در آن‌ها موقعیت شفت سروو را کنترل کنیم. علاوه بر کنترل موقعیت شفت سروو، قدرت و سرعت چرخش شفت سروو نیز قابل کنترل است. برای مثال تصمیم داریم شفت سروو موتور را به اندازهٔ 90 درجه با سرعت 60 دور بر دقیقه و با گشتاور 2 نیوتن متر به حرکت درآوریم. با استفاده از فرامین کنترلی مناسب به راحتی، شرایط مورد نیاز محقق می‌گردد.

تفاوت اصلی سروو موتورها با موتورهای DC معمولی را می‌توان در خواندن فیدبک خروجی دانست. به‌خوبی می‌دانیم که در یک سیستم کنترلی فیدبک‌دار، با مقایسهٔ خروجی و ورودی و به‌دست آوردن اختلاف آن‌ها به حرکت دقیقی در موتور دست خواهیم یافت.

سروو موتورها دارای سه سر سیم‌اند. که اولی و آخری به عنوان تغذیه و پایهٔ وسط به عنوان فرمان مورد استفاده قرار می‌گیرند. با توجه به اینکه این موتورها قابلیت چرخش از زاویهٔ صفر تا 360 درجه را دارند. برای چرخش سروو باید یک پالس بر روی پایهٔ وسط اعمال کرد. این پالس باید دارای فرکانس خاص (معمولاً 50 تا 100 هرتز) باشد. عرض پالس مثبت آن نیز باید بین یک تا 2 میلی ثانیه باشد. زمانی که عرض این پالس یک میلی‌ثانیه است موتور کاملاً به سمت چپ می‌رود و هنگامی‌که 2 میلی‌ثانیه است موتور کاملاً به سمت راست می‌چرخد و در حالتی‌که 1/5 میلی‌ثانیه است موتور در حالت وسط قفل می‌شود. با بررسی رفتار سروو موتورها به خوبی در می‌یابیم برای باز و بسته‌کردن شیرهای الکتریکی یا اهرم‌هایی است که به عقب یا جلو کشیده می‌شوند. وسیلهٔ بسیار مفیدی است. سروو موتورها در تمامی ربات‌ها به چشم می‌خورند.

پالس یک میلی‌ثانیه است موتور کاملا به سمت چپ می‌رود و هنگامی‌که 2 میلی‌ثانیه است موتور کاملاً به سمت راست می‌چرخد و در حالتی‌که 1/5 میلی‌ثانیه است موتور در حالت وسط قفل می‌شود. با بررسی رفتار سروو موتورها به خوبی در می‌یابیم برای باز و بسته‌کردن شیرهای الکتریکی یا اهرم‌هایی است که به عقب یا جلو کشیده می‌شوند. وسیلهٔ بسیار مفیدی است. سروو موتورها در تمامی ربات‌ها به چشم می‌خورند.

توجه داشته باشید که سروو موتورها به یک مدار الکترونیکی به نام درایور (Driver) احتیاج دارند و بدون درایور مدارات کنترلی قابل استفاده نیستند. میکروکنترلر به مدار درایور فرمان‌های لازم را می‌دهد و مدار درایور این فرمان‌ها را به موتور اعمال می‌نماید. معمولاً در مدار درایورها از ترانزیستورهای «ماسفت» و «آی‌جی‌بی‌تی » استفاده می‌شود و از این طریق انرژی کافی و لازم برای موتور تأمین می‌گردد. با حرکت موتور عنصر فیدبک موقعیت موتور، که انکودر نام دارد. وضعیت چرخش را برای درایو ارسال می‌کند و درایو موقعیت موتور را تشخیص می‌دهد.

د- موتور پله‌ای (Stepper Motor)

موتوری دی‌سی (DC) است که در آن یک دور کامل (360 درجه) را به تعدادی پله یا استپ مساوی تقسیم نموده‌اند. کنترل موقعیت موتور پله‌ای برای رفتن به یک پلهٔ خاص یا ماندن در آن پله بدون استفاده از سیستم فیدبک است و این نشانهٔ دقت بالای این موتورهاست. چرخش این موتورها در هر پله یا استپ به میزان خاص و بر حسب درجه صورت می‌گیرد. برای مثال در استپ موتور 1/5 درجه و شافت موتور در هر استپ 1/5 درجه دَوَران می‌کنند.

اگر به موتورهای دی‌سی معمولی ولتاژ اِعمال شود، به حرکت پیوسته ادامه می‌دهد. اما ویژگی استپ موتورها که آن‌ها را از سایر انواع موتورها متمایز کرده این است که با اعمال پالس به ترمینال‌های آن به‌صورت پالس‌های متوالی، موقعیت شفت یا محور موتور به میزان زاویه‌ای که موتور بر اساس آن ساخته شده است به چرخش در می‌آید. هر پالس به میزان مشخصی زاویهٔ محور را تغییر می‌دهد.

در استپر موتورها در اطراف هسته مرکزی چندین آهنربای الکتریکیِ دندانه‌دار قرار گرفته است و در مرکز نیز یک چرخ‌دنده وجود دارد. این آهنرباها به‌وسیلهٔ یک کنترلر خارجی مانند میکرو کنترلر فعال و غیرفعال می‌شوند. با آهنربا شدن اولین آهنربای الکتریکی، سیلندر مرکزی دارای چرخ‌دنده شروع به چرخش می‌کند تا دندانه‌های سیلندر دقیقاً مقابل دندانه‌های اولین آهنربای الکتریکی قرار بگیرند، سپس با فعال شدن الکترومگنت بعدی و غیرفعال شدن اولین آهنربای الکتریکی، دندانه‌های روتور با دندانه‌های آهنربای الکتریکی بعدی منطبق می‌شود. به هر یک از این چرخش‌ها یک پله یا یک استپ می‌گویند و به این شکل، یک استپ به جلو یا عقب حرکت می‌کند. با ادامهٔ این فرایند، موتور به چرخش ادامه می‌دهد. و به این ترتیب استپ موتورها می‌توانند با زوایای دقیقی حرکت کنند.

کلیهٔ استپ موتورها نیز مانند سرووموتورها دارای بورد یا مدار درایور و قدرت می‌باشند و استفاده از آن‌ها بدون مدار درایور امکان‌پذیر نیست، مخصوصاً آنکه سیستم کنترلر آن‌ها معمولاً میکروکنترلر است و خروجی میکروکنترلر دارای توان خروجی مناسبی برای تحریک آهنربای استپ موتور نیست.

سیستم کنترل صنعتی دستگاه جوجه کشی

امروزه با پیشرفت روزافزون علم و تکنولوژی ترموستات‌های الکترونیکی با مدارهای مجهز به میکروکنترلر و حسگرهای حساس با کنترل دقیق دما تا 2 دهم درجه، کنترل دما در ماشین‌های جوجه‌کشی را بسیار قابل اطمینان کرده است، هر چند به کار بردن این ترموستات‌ها تا حدی هزینه‌های ساخت دستگاه‌های جوجه‌کشی را بالا می‌برد، اما تا حد قابل توجهی میزان ریسک را کاهش می‌دهد و کار با دستگاه‌های مجهز به این ترموستات‌ها برای کاربران به نوعی ساده‌تر می‌سازد.

در صورتی‌که حجم دستگاه جوجه‌کشی ما بزرگ‌تر باشد و برای تعداد تخم بیشتری در نظر گرفته شود امروزه با پیشرفت روزافزون علم و تکنولوژی ترموستات‌های الکترونیکی با مدارهای مجهز به میکروکنترلر و حسگرهای حساس با کنترل دقیق دما تا 2 دهم درجه، کنترل دما در ماشین‌های جوجه‌کشی را بسیار قابل اطمینان کرده است، هر چند به‌کار بردن این ترموستات‌ها تا حدی هزینه‌های ساخت دستگاه‌های جوجه‌کشی را بالا می‌برد، اما تا حد قابل توجهی میزان ریسک را کاهش می‌دهد و کار با دستگاه‌های مجهز به این ترموستات‌ها برای کاربران به نوعی ساده‌تر می‌سازد.

در صورتی‌که حجم دستگاه جوجه‌کشی ما بزرگ‌تر باشد و برای تعداد تخم بیشتری در نظر گرفته شود لازم است با استفاده از موتورهای فن، هوای داخل محفظه را به گردش در آوریم تا دمای سرتاسر محیط یکسان بماند و در این شرایط نیز با قرار دادن دو حسگر حرارتی در بالا و پائین محفظه، میانگین دما را به عنوان دمای محیط در نظر می‌گیرند، به نحوی که دمای بالا و پائین دستگاه حداکثر نیم درجه اختلاف داشته باشد.

عامل به وجود آوردن حرارت در دستگاه‌های الکتریکی المنت است، که با توجه به محدودهٔ حرارت مورد نیاز، با توان‌های مختلفی تحت واحد اندازه‌گیری وات طراحی می‌گردد.اکنون میکروکنترلر یا ترموستات لازم است بر اساس دمای اندازه‌گیری شده از طریق حسگر حرارت به خروجی ترموستات، که به المنت متصل است، فرمان قطع یا وصل بدهد.

این سیستم در دستگاه‌های جوجه‌کشی بزرگ کاربرد دارد ولی در دستگاه‌های جوجه‌کشی کوچک از حرارت لامپ روشنایی نیز می‌توان برای ایجاد حرارت بهره گرفت و با توجه به اینکه از حالت سرد به گرم یا بالعکس سریع تغییر وضعیت می‌دهد، انتخاب مناسبی به شمار می‌آید. در صورت بزرگ‌تر شدن دستگاه می‌توان از تعداد لامپ بیشتری استفاده نمود.

در دستگاه‌های کوچک با قرارگیری یک ظرف آب در فضای کابین و قرارگیری یک فن دمنده در بالای آن رطوبت مورد نیاز تأمین می‌گردد و به ازای کاهش آب باید به‌صورت دستی آب کاهش یافته جایگزین گردد. ولی در دستگاه‌های با حجم بزرگ‌تر لازم جهت ایجاد رطوبت از یک دستگاه رطوبت‌ساز آلتراسونیک (بخارسرد) استفاده نمود.

این ابزار، آب را با استفاده از امواج تقویت‌شده التراسونیک و اعمال آن به یک مبدل پیزوالکتریک از نوع سکه‌ای، آب درون ظرف را دچار لرزش مولکولی نموده و بدون استفاده از حرارت، آب را به‌صورت ذرات بسیار ریز در هوای اطراف خود به‌صورت شبه بخار، پراکنده می‌کند.

رطوبت مناسب تخم‌ها، ضمن اینکه بر اساس هر نوع تخم متفاوت است، به‌طور متوسط 60 درصد برای دوران ستر و 70 درصد برای دوران هجر تنظیم می‌گردد. 

سرعت و کندی رشد جنین تحت تأثیر شدید مقدار رطوبت است و رطوبت زیاد سبب می‌شود که جنین 24 ساعت زودتر از حد معمول از تخم‌مرغ خارج شود. جوجه‌هایی که در تحت شرایط رطوبتی بالاتر یا پایین‌تر از حد مورد لزوم در آمده‌اند اغلب کوچک‌تر از اندازهٔ معمولی هستند.

میکرو کنترلرهای دستگاه جوجه‌کشی

میکرو کنترلرهای دستگاه‌های جوجه‌کشی توسط برنامه‌نویسان میکروکنترلر به نحوی برنامه‌نویسی می‌گردد که با اندازه‌گیری حرارت و رطوبت توسط حسگرهای ورودی دستورات منطبق با فرایند را به خروجی اعمال نماید.

دستورات خروجی به موتور فن، ایجاد رطوبت و به لامپ ایجاد حرارت است. به جای لامپ می‌توان از المنت نیز استفاده نمود. یکی دیگر از عوامل خروجی موتور، جابه‌جایی رَک است، که در زمان‌های خاصی روشن و بعد از مدت زمان لازم خاموش خواهد شد. دراین سیستم کنترل صنعتی تمامی ویژگی‌های یک سیستم کنترل در میکروکنترلر طراحی گردیده است. برنامه‌های میکروکنترلرها با کمپایلر مناسب آن میکرو نوشته می‌شود. برای مثال برای میکرو کنترلر Atmega32 می‌توان از کمپایلر کدویژن استفاده نمود.

مراحل کار

مرحله اول - ساخت میکروکنترلر

با توجه به فلوچارت استخراج شده، در صورتی‌که تصمیم بگیریم چنین سیستمی را طراحی نماییم، بهترین گزینه استفاده از میکروکنترلرهای AVR است. سخت‌افزار طراحی شده زیر را بر روی برد بورد ببندید و میکروکنترلر Atmega16 را پروگرام نمایید.

(در این طراحی مطلب بسیار مهم این است که مقدار دما و رطوبت یا خطاهای احتمالی توسط سیم کارت ماژولِ الحاقی، به شماره تعریف شده پیامک می‌گردد)

این سخت‌افزار از پنج قسمت تشکیل شده است:

1- بخش نمایشگر LCD

2- بخش میکرو کنترلراصلی

3- بخش کنترل رله

4- بخش منبع تغذیهٔ 5 ولت

5- بخش حسگر دما و رطوبت

6- بخش میکروکنترلر ارسال پیامک

مرحلهٔ دوم - ساخت دستگاه جوجه کشی

ابزارهای مورد نیاز

ارهٔ آهن‌بر- گونیا فلزی- مترفلزی- دستگاه دریل و مته- پیچ آهن پیچ- پیچ گَشتی دو سو و چهار سو

1- کابین انکوباسیون را تحویل بگیرید و مطابق شکل، فریم رَک بر روی آن بنمائید.

2- پایهٔ موتور فن‌های ملخی را در داخل کابین مطابق شکل، پیچ کنید.

3- سرپیچ لامپ را در زیر فن سمت راست، مطابق شکل نصب کنید.

4- موتور جوجه‌گردان را در خارج کابین نصب کنید و با ایجاد سوراخ در بدنهٔ سر شافت آن را به داخل کابین انتقال دهید.

5- میکروکنترلر را، که در مرحلهٔ ساخت میکروکنترلر تکمیل شده است، بر روی سقف دستگاه نصب کنید و بر اساس نقشه سیم‌کشی مدار ورودی و خروجی میکروکنترلر سیم‌های موتورها، لامپ و حسگرهای حرارت و رطوبت را متصل نمائید.

6- با استفاده از دو تسمة فلزی، شافت موتور را به فریم رک پیچ نمایید تا حرکت چرخشی موتور به حرکت رفت و برگشتی تبدیل شود.

7- میکروکنترلر را بر اساس تنظیمات تخم مورد پرورش، تنظیم و راه‌اندازی نمایید.