Žilinská univerzita v Žiline
Elektrotechnická fakulta
Katedra mechatroniky a elektroniky
NÁVRH ZARIADENIA PRE MERANIE OTEPLENÍ
KOMPONENTOV VPS
DIPLOMOVÁ PRÁCA
28260620112003
2011
Bc. Peter Bugár
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA MECHATRONIKY A ELEKTRONIKY
NÁVRH ZARIADENIA PRE MERANIE OTEPLENÍ
KOMPONENTOV VPS
DIPLOMOVÁ PRÁCA
28260620112003
Študijný odbor: Výkonové elektronické systémy
Študijný program: Výkonové elektronické systémy
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Libor Hargaš, PhD.
Konzultant: Ing. Rastislav Havrila, PhD.
Pracovisko konzultanta: EVPÚ a.s., Trenčianska 19, 018 51 Nová Dubnica
Žilina2010
Titul, meno a priezvisko
Namiesto tejto strany vložiť zadanie záverečnej
práce!
Abstrakt
Práca sa zaoberá návrhom a realizáciou meracieho zariadenia na meranie oteplenia
a teploty výkonových polovodičových systémov. Vyhodnocovaním meraných hodnôt
termočlánkov pomocou operačného zosilňovača a mikroprocesora a následným
prenosom a spracovaním údajov v PC.
I
ŽILINSKÁ UNIVERZITA V ŽILINE, ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
KATEDRA TELEKOMUNIKÁCIÍ A MULTIMÉDIÍ
ANOTAČNÝ ZÁZNAM –DIPLOMOVÁ PRÁCA
Meno a priezvisko: Bc. Peter Bugár
Akademický rok: 2010/2011
Názov práce: Návrh zariadenia pre meranie oteplení komponentov VPS
Počet strán: 47
Počet obrázkov: 37
Počet tabuliek: 4
Počet grafov: 2.
Počet príloh: 3
Počet použ. lit.: 13
Anotácia v slovenskom jazyku:
Práca sa zaoberá návrhom a realizáciou meracieho zariadenia na meranie
oteplenia a teploty výkonových polovodičových systémov. Návrhom a
konštrukciou samostatného autonómneho meracieho systému. Vyhodnocovaním
a zosilnením napäťových úrovní z termočlánkov. Ukladaním hodnôt do pamäte ich
následným prenosom a možnosťou spracovania v PC
Anotácia v anglickom (nemeckom) jazyku:
The work deals with the design and implementation of metering equipment to
measure the warming temperatures and power semiconductor systems. Design
and construction of a separate autonomous measuring system. Reviewing and
amplifying the voltage level of thermocouples. Storing values in memory and
their subsequent transfer processing option in PC
Kľúčové slová:
Atmel, ATmega, programovanie, meranie teploty, datalogger, termočlánok,
operačný zosilňovač, 1-wire, DS18B20
Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Libor Hargaš, PhD.
Konzultant: Ing. Rastislav Havrila, PhD.
Recenzent:__________________________
Dátum odovzdania práce: 2. mája 2011
II
Obsah
1
Úvod .............................................................................................................. 1
2
Termočlánky ................................................................................................. 2
2.1
2.2
2.2.1
2.2.2
2.2.3
3
3.1
3.2
4
4.1
4.2
4.2.1
4.3
4.3.1
5
5.1
5.1.1
5.1.2
5.2
5.2.1
5.2.2
5.3
6
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
7
7.1
7.1.1
7.1.2
7.1.3
7.2
Základné informácie ...................................................................................... 2
Typy termočlánkov ........................................................................................ 3
Drôtové termočlánky zvárané do guľôčky ..................................................... 3
Termočlánkové sondy .................................................................................... 3
Sondy pre meranie teploty povrchov ............................................................. 4
Teplotný senzor DS18B20 ........................................................................... 4
Základné vlastnosti ........................................................................................ 4
Popis funkcie .................................................................................................. 6
Spracovanie analógového signálu z termočlánkov.................................... 7
Feritový valček ............................................................................................... 7
Zosilnenie signálu .......................................................................................... 7
Prístrojový precízny operačný zosilňovač INA126 ....................................... 7
Multiplexor .................................................................................................... 9
CMOS multiplexor HCF4067 ........................................................................ 9
Komunikačné protokoly ............................................................................ 10
1-wire zbernica............................................................................................. 10
Všeobecné informácie .................................................................................. 10
Princíp komunikácie .................................................................................... 11
I2C zbernica ................................................................................................. 12
Všeobecné informácie .................................................................................. 12
Princíp komunikácie .................................................................................... 13
Sériový prenos – RS232............................................................................... 15
Mikroprocesor AVR ATmega64............................................................... 18
Základné vlastnosti ...................................................................................... 18
Jadro procesoru ATmega64 ......................................................................... 20
Vstupno-výstupné porty ............................................................................... 20
Analógovo digitálny prevodník ................................................................... 21
Externá sériová pamäť 24c1024 .................................................................. 22
Obvod FT232RL .......................................................................................... 24
Realizácia meracieho systému .................................................................. 26
Návrh hardwaru ........................................................................................... 26
Návrh zapojenia pre zosilnenie signálu termočlánku .................................. 27
Napájanie zariadenia .................................................................................... 29
Riadenie zariadenia ...................................................................................... 31
Navrhnuté zariadenie ................................................................................... 33
III
7.3
7.4
7.4.1
7.4.2
7.4.3
Prenos nameraných hodnôt do PC ............................................................... 35
Návrh softwaru ............................................................................................. 37
Vývojové nástroje ........................................................................................ 37
CodeVision AVR ......................................................................................... 37
Popis hlavného programu ............................................................................ 38
8
Výsledky merania a kalibrácie zariadenia............................................... 43
9
Záver ........................................................................................................... 47
IV
Zoznam obrázkov a tabuliek
Obr. 2.1: Typy termočlánkov. ........................................................................................ 3
Obr. 2.2: Termočlánkové sondy..................................................................................... 4
Obr. 3.1: Možné prevedenia senzoru DS18B20 ............................................................ 5
Obr. 3.2: Blokový diagram senzoru DS18B20 .............................................................. 6
Obr. 4.1: Feritový valček ............................................................................................... 7
Obr. 4.1: Vnútorné zapojenie operačného zosilňovača INA126. .................................. 8
Obr. 4.2: Pripojenie termočlánku k operačnému zosilňovaču INA126. ........................ 8
Obr. 4.2: Bloková schéma multiplexoru HCF4067. ...................................................... 9
Obr. 5.1: Zariadenie iButton. ....................................................................................... 11
Obr. 5.2: Pripojenie zariadení na I2C zbernicu. ........................................................... 12
Obr. 5.3: Priebeh komunikácie I2C. ............................................................................. 14
Obr. 6.1: Rozloženie výstupov ATmega64 .................................................................. 19
Obr. 6.2: Vnútorná štruktúra mikroprocesoru ATmega64. .......................................... 19
Obr. 6.3: Bloková schéma jadra mikroprocesoru ATmega64. .................................... 20
Obr. 6.4: Ekvivalentná schéma zapojenia vstupno-výstupného vývodu. .................... 21
Obr. 6.5: Bloková schéma analógovo digitálneho prevodníka .................................... 22
Obr. 6.6: Rozloženie vývodov externej pamäte EEPROM 24c1024 ........................... 23
Obr. 6.7: Bloková schéma externej EEPROM pamäte 24c1024 ................................. 24
Obr. 6.8: Bloková schéma obvodu FT232R ................................................................ 25
Obr. 6.9: Pripojenie mikroprocesoru k obvodu FT232R ............................................. 25
Obr. 7.1: Analógová časť funkčnej vzorky .................................................................. 27
Obr. 7.2: Riadiaca časť funkčnej vzorky. .................................................................... 27
Obr. 7.3: Schéma zapojenia analógovej časti zariadenia s filtrovaným vstupom. ....... 28
Obr. 7.4: Schéma zapojenia nabíjacieho obvodu pre batériu. ...................................... 31
Obr. 7.5: Schéma napájacej časti zariadenia. ............................................................... 31
Obr. 7.6: Schéma riadiacej časti s použitím mikroprocesora ATmega64. ................... 33
Obr. 7.7: Pohľad spredu na navrhnuté zariadenie. ....................................................... 34
Obr. 7.8: Pohľad zozadu na navrhnuté zariadenie. ...................................................... 35
Obr. 7.9: Ukážka výpisu displeja pred prenosom dát. ................................................. 35
Obr. 7.10: Záznam prenosu dát v programe Terminal.exe. ......................................... 36
Obr. 7.11: Otvorenie .csv súboru v MS Excel. ........................................................... 36
Obr. 7.12: Vývojové prostredie CodevisionAVR. ....................................................... 38
V
Obr.7.13: Zjednodušený vývojový diagram softwaru mikroprocesora. ...................... 42
Obr. 8.1.:Graf nameraných teplôt z prvej kalibrácie zariadenia. ................................. 43
Obr. 8.2: Pomocný menič pre elektrický rušeň. ........................................................... 44
Obr. 8.3: Meracie prístroje ........................................................................................... 44
Obr. 8.4: Graf nameraných hodnôt z druhého merania a kalibrácie zariadenia........... 46
Tab. 3.1: Zapojenie vývodov senzoru DS18B20.............................................................6
Tab. 4.1:Pravdivostná tabuľka HCF4067....................................................................10
Tab. 6.1: Zapojenie vývodov externej pamäte 24c1024...............................................23
Tab. 8.1: Namerané hodnoty oteplenia z druhého merania.........................................45
VI
Zoznam skratiek
Skratka
Anglický význam
Slovenský význam
Read-only memory
Pamäť len na čítanie
Electrically Erasable
Programmable Read-Only Memory
Elektricky mazateľná pamäť ROM
Inter-Integrated Circuit
Medzi obvodová zbernica
Non-Volatile Random Access
Memory
Energeticky nezávislá pamäť s
priamym prístupom
SDA
Serial data
Sériové dáta
SCL
Serial clock
Sériové hodiny
R/W
Read/write
Čítanie / zápis
EMI
Electromagnetic Interference
Elektromagnetické rušenie
SPI
Serial Peripheral Interface
Sériové periférne rozhranie
ISP
In-system programming
Programovanie v systéme
CSV
Comma separed value
Čiarkou oddelená hodnota
LCD
Liquid crystal display
Displej z tekutých kryštálov
ACK
Acknowledge
Potvrdenie
ROM
EEPROM
I 2C
NVRAM
VII
Poďakovanie
Ďakujem vedúcemu práce doc. Ing. Liborovi Hargašovi, PhD. a konzultantovi
Ing. Rastislavovi Havrilovi, PhD. za pedagogickú a odbornú pomoc ako aj ďalšie
cenné rady pri spracovaní diplomovej práce.
V Žiline 2. 5. 2011
VIII
1 ÚVOD
Výkonové polovodičové systémy sú statické zariadenia, ktoré vhodným riadiacim
algoritmom a pomocou svojich spínacích prvkov vykonávajú premenu požadovaných
parametrov elektrickej energie (napätia, prúdu, frekvencie...). V širšom kontexte je
úlohou výkonových polovodičových systémov efektívne riadenie premeny elektrickej
energie, spojené s prenosom výkonu prostredníctvom elektronických prvkov. Ide
o výkony väčšie ako 100W a napätie spravidla väčšie ako bezpečné.[1]
Pri týchto systémoch je dôležité poznať hodnoty oteplenia, alebo teploty
jednotlivých prvkov systému. Táto diplomová práca sa zaoberá návrhom zariadenia
pre meranie oteplenia výkonových polovodičových systémov. Požiadavky na
zariadenie sú: rozsah merania oteplenia musí byť v rozsahu ±150°C, presnosť merania
lepšia ako ±2°C, možnosť merať šestnásť teplôt s možnosťou záznamu 24 hodinového
merania s minútovým intervalom a možnosťou spracovania nameraných údajov v PC.
Zariadenie je postavené na tzv. embedded – systéme, to znamená na autonómnom
mikroprocesore, ktorý zaistí samostatnú prevádzku zariadenia. V prípade nutnosti je
zariadenie schopné pracovať zo záložných batérií. Informácie o aktuálnom stave
nastavení a merania je možné zobrazovať na dvojriadkovom alfanumerickom LCD
displeji. Zariadenie umožňuje merané hodnoty ukladať do externej pamäte a v prípade
potreby namerané údaje preniesť pomocou programu terminál do PC na ďalšie
spracovanie pomocou tabuľkového procesoru napr. MS Excel.
1
2 TERMOČLÁNKY
2.1 ZÁKLADNÉ INFORMÁCIE
Termočlánok je spojenie dvoch rôznych kovov, na ktorom sa vytvára
napätie súvisiace s teplotným rozdielom. Termočlánky sú široko uplatniteľný typ
teplotného snímača pre meranie a reguláciu, môžu byť tiež použité na prevod
tepla na elektrickú energiu. Sú lacné a zameniteľné, môžu byť dodávané so
štandardným konektorom a môžu merať široký rozsah teplôt. Hlavným
obmedzením je presnosť, chyby meracieho systému menšie ako 1°C sú ťažko
dosiahnuteľné.
Akékoľvek spojenie nepodobných kovov bude vytvárať elektrický
potenciál v súvislosti s teplotou. Termočlánok pre praktické meranie teploty je
spojenie osobitných zliatin, ktoré majú predvídateľný a opakovateľný vzťah
medzi teplotou a napätím. Rôzne zliatiny sa používajú pre rôzne teplotné rozsahy.
Vlastnosť, ako je odolnosť proti korózii môže byť dôležitá pri výbere typu
termočlánku. V prípade, že meracie miesto je ďaleko od meracieho prístroja, je
možné vytvoriť predĺženie pripojenia pomocou drôtov, ktoré sú vyrobené
z lacnejších materiálov ako materiály používané na výrobu samotného
termočlánku. Termočlánky sú zvyčajne štandardizované proti referenčnej teplote
0 stupňov Celzia. V praxi sa používa viacero spôsobov ako kompenzovať teplotu
tohto bodu. V minulosti sa často na kompenzáciu teploty prípojného bodu
využívalo meranie teploty prípojného bodu pomocou NTC senzorov. V súčasnosti
sa využívajú skôr digitálne teplotné senzory, ktoré sa priamo pomocou zbernice
pripoja k mikroprocesoru.
Termočlánky sú široko používané v oblasti vedy a priemyslu; aplikácie
zahŕňajú meranie teploty pre pece , plynové turbíny výfukové, dieselové motory a
iné priemyselné procesy.[2]
2
2.2 TYPY TERMOČLÁNKOV
2.2.1 Drôtové termočlánky zvárané do guľôčky
Tieto zvárane termočlánky sú najjednoduchšou formou termočlánkov.
Termočlánok pozostáva z dvoch termočlánkových drôtov spojených k sebe
zvarením do guľôčky. Pretože tento spoj je nechránený, sú pri použití aplikačné
obmedzenia. Zvárané termočlánkové drôty by sa nemali používať s kvapalinami,
pretože by mohli začať korodovať alebo oxidovať. Kovové povrchy môžu byť
taktiež problematické. Často sa kovové povrchy napr. vodovodné potrubie
používa k uzemneniu elektrických systémov. Priame spojenie s elektrickým
systémom by mohlo ohroziť meranie termočlánkom. Obvykle sú zvárané drôtové
termočlánky dobrou voľbou pre meranie teploty plynu. Pretože môžu byť
vyrobené veľmi malé a majú tak veľmi rýchlu odozvu.
Obr. 2.1: Typy termočlánkov - a.)zváraný do guľôčky, b.)termočlánková sonda,
c.)sonda pre meranie teploty povrchov.
2.2.2 Termočlánkové sondy
Termočlánková sonda pozostáva z termočlánkového drôtu umiestneného v kovovej
trubičke. Stena trubičky sa nazýva plášť sondy. K obvykle používaným materiálom
sondy patrí nerezová oceľ a Inconel. Inconel vydrží väčšie teplotné rozsahy ako nerez,
napriek tomu sa dáva často prednosť nerezovej oceli pre jej značne širšiu chemickú
odolnosť. Pre veľmi vysoké teploty sú k dispozícii aj iné zvláštne materiály plášťov.
Merací koniec termočlánkovej sondy má tri rôzne prevedenia meracích zakončení
a to:
3
-
uzemnený,
-
neuzemnený
-
nechránený.
Pri uzemnenom type je merací koniec termočlánku zvarený s plášťom sondy. Tento
uzemnený spoj má rýchlu časovú odozvu, ale je veľmi citlivý na uzemnené elektrické
slučky. Pri neuzemnených je termočlánok oddelený od steny plášťu sondy izoláciou.
Pri nechránených je spoj termočlánkovej sondy vysunutý z plášťa sondy. Tieto
termočlánkové sondy sú najlepšie pre meranie teploty vzduchu.
Obr. 2.2: Termočlánkové sondy: a.) uzemnená, b.) neuzemnená, c.)nechránená
2.2.3 Sondy pre meranie teploty povrchov
Meranie teploty kovových povrchov je ťažké pre väčšinu snímačov teploty. Aby sa
zaistilo presné meranie, je potrebné zabezpečiť, aby bola vstupná časť snímaču
v kontakte s meraným povrchom. Toto sa nedá zaistiť pokiaľ je neohybný snímač aj
povrch. Pretože sú prevedené z pružných kovov, môže byť merací spoj prevedený
ako plochý a tenký element, aby sa dosiahol čo najlepší kontakt s pevným povrchom.
Tieto termočlánky sú pre povrchové merania tou najlepšou voľbou. Termočlánok
môže byť umiestnený aj na rotujúcich mechanizmoch.[3]
3 TEPLOTNÝ SENZOR DS18B20
3.1 ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI
DS18B20 je 1-wire teplotný senzor od firmy Dallas Semiconductors, ktorý
poskytuje 9-bitové meranie teploty v stupňoch Celzia. Obsahuje taktiež funkciu
4
alarmu s užívateľským horným a dolným limitom. Pretože výstup čítaný zo senzoru je
v digitálnej podobe, jeho spojenie s mikroprocesorom je celkom jednoduché.
Základné vlastnosti teplomeru:
-
Keďže pracuje po 1-wire zbernici, potrebuje len jeden dátový vodič čo
zjednodušuje pripojenie k mikropočítaču
-
Vďaka schopnosti viacbodového pripojenia je ľahší návrh zariadenia pre
meranie teploty
-
Nepotrebuje žiadne ďalšie externé súčiastky
-
Rozsah meraných teplôt je od –55°C do +125°C (–67°F až +257°F)
-
V rozsahu –10°C až +85°C je udávaná presnosť ±0,5°C
-
9-bitové rozlíšenie
-
Napájacie napätie v rozsahu 3 V – 5,5 V
-
Doba prevodu teploty je 750 ms
Obr. 3.1: Možné prevedenia senzoru DS18B20
5
Tab. 3.1: Zapojenie vývodov senzoru DS18B20
PÚZDRO
8-PIN SOIC
TO-92
SYMBOL
POPIS
5
1
GND
Zem
4
2
DQ
Dátový vstup/výstup, môže sa
využiť aj na napájanie
3
3
VDD
Napájací vývod
3.2 POPIS FUNKCIE
Na obrázku 3.2 je nakreslený blokový diagram teplotného senzoru DS18B20
a popis vývodov je v tabuľke 3.1. V 64-bitovej ROM pamäti je uložené unikátne
sériové číslo senzora. Pamäť obsahuje 2-bytový teplotný register, v ktorom je uložený
výstup z teplotného senzoru. Ďalej poskytuje prístup k 1-bytovým registrom horného
a dolného teplotného alarmu, tieto registre sú riešené pomocou pamäte EEPROM,
takže nastavené hodnoty zostávajú v platnosti aj pri vypnutom napájaní.
Obr. 3.2: Blokový diagram senzoru DS18B20
Ďalšou vlastnosťou obvodu DS18B20 je možnosť pracovať bez externého
napájania. To je v tomto prípade riešené cez 1-wire pull-up rezistor na pine DQ keď je
na zbernici napájacie napätie. To zároveň nabije interný kondenzátor Cpp, ktorý
potom napája zariadenie keď je zbernica uzemnená. [4]
6
4 SPRACOVANIE ANALÓGOVÉHO SIGNÁLU Z
TERMOČLÁNKOV
4.1 FERITOVÝ VALČEK
Feritový valček je pasívny elektrický komponent používaný na potlačenie
vysokofrekvenčného šumu v elektronických obvodoch. Feritové valčeky premieňajú
vysokofrekvenčné prúdy na teplo, a tým potláčajú nežiaduci vysokofrekvenčný šum.
Feritové valčeky typu BLM sa skladajú z feritového valčeka a indukčnosti
prechádzajúcou cez valček. Táto indukčnosť vytvára vysokú impedanciu, ktorá sa pri
vysokých frekvenciách skladá hlavne z odporovej zložky. Tieto valčeky sa využívajú
hlavne v obvodoch bez stabilného uzemnenia, pretože feritové valčeky typu BLM
nepotrebujú pripojenie k zemi.[5]
Obr. 4.1: Feritový valček
4.2 ZOSILNENIE SIGNÁLU
4.2.1 Prístrojový precízny operačný zosilňovač INA126
OZ INA126 je určený pre presné prístrojové zariadenia, ktoré potrebujú na svoju
činnosť zosilňovač s malým šumom. Zapojenie dvoch operačných zosilňovačov
7
poskytuje výborný výkon s veľmi malým pokojovým prúdom 175µV/kanál.
V kombinácii so širokým rozsahom napájacieho napätia v rozmedzí ±1,35V až ±18V,
z neho robí ideálny zosilňovač pre prenosné prístroje a systémy na zber dát. Zisk
operačného zosilňovača môže byť nastavený od 5V/V po 100000V/V s jedným
externým rezistorom. Laserom nastavený vstupný obvod zabezpečuje nízku odchýlku
(max 250uV) a malý rozkmit vstupnej odchýlky v závislosti od teploty(3µV/°C). [6]
Obr. 4.1: Vnútorné zapojenie operačného zosilňovača INA126.
Obr. 4.2: Pripojenie termočlánku k operačnému zosilňovaču INA126.
8
4.3 MULTIPLEXOR
4.3.1 CMOS multiplexor HCF4067
HCF4067 je 16-kanálový analógový multiplexor / demultiplexor so štyrmi
adresnými bitmi A0-A3, zapínacím bitom E, šestnástimi nezávislými vstupmi
/výstupmi Y0 – Y15 a spoločným vstupom/výstupom Z. Obvod obsahuje šestnásť
obojsmerných
analógových
prepínačov,
každý
jednou
stranou
pripojený
k nezávislému vstupu / výstupu Y0-15 a na druhej strane pripojených na spoločný
vstup/výstup Z. Ak je bitu E priradená logická úroveň 0 je jednému zo šestnástich
spínačov, ktorý je určený adresnými bitmi A0-A3, priradená nízka impedancia
a nachádza sa v zopnutom stave. Ak je bit E v logickej úrovni 1 všetkých šestnásť
prepínačov sa nachádza v stave vysokej impedancie a teda sú vypnuté nezávisle na
úrovniach adresných bitov A0-A3. Hodnota napätia na vstupoch/výstupoch Y0-Y15
a Z môže kolísať medzi VDD ako pozitívny limit a VSS ako negatívny limit. Rozdiel
VDD-VSS nesmie presiahnuť napätie 15V. [7]
Obr. 4.2: Bloková schéma multiplexoru HCF4067.
9
Tab.4.1: Pravdivostná tabuľka HCF4067
VSTUPY
ZOPNUTÝ
VSTUPY
ZOPNUTÝ
E A3 A2 A1 A0
KANÁL
E A3 A2 A1 A0
KANÁL
0
0
0
0
0
Y0-Z
0
1
1
0
0
Y12-Z
0
0
0
0
1
Y1-Z
0
1
1
0
1
Y13-Z
0
0
0
1
0
Y2-Z
0
1
1
1
0
Y14-Z
0
0
0
1
1
Y3-Z
0
1
1
1
1
Y15-Z
0
0
1
0
0
Y4-Z
1
X
X
X
X
X
0
0
1
0
1
Y5-Z
0
0
1
1
0
Y6-Z
0
0
1
1
1
Y7-Z
0
1
0
0
0
Y8-Z
0
1
0
0
1
Y9-Z
0
1
0
1
0
Y10-Z
0
1
0
1
1
Y11-Z
5 KOMUNIKAČNÉ PROTOKOLY
5.1 1-WIRE ZBERNICA
5.1.1 Všeobecné informácie
1-wire
je
komunikačný
zbernicový
systém
navrhnutý
firmou
Dallas
Semiconductor, ktorý umožňuje prenos dát nízkou rýchlosťou, signalizáciu
a napájanie pomocou jedného vodiča. 1-wire je podobný komunikácii cez I2C, ale s
nižšou rýchlosťou a dlhším dosahom. To sa zvyčajne používa pre komunikáciu
s malými, lacnými zariadeniami ako sú digitálne teplomery a ďalšie nástroje pre
meranie počasia. Sieť 1-wire zariadenia s priradeným MASTER zariadením sa nazýva
MicroLan.
Charakteristickou črtou zbernice je možnosť použiť iba dva vodiče: dáta
a zem. Na dosiahnutie tohto cieľa, 1-wire zariadenie obsahuje 800pF kondenzátor pre
udržanie napájania počas merania a tiež napája zariadenie keď je dátová linka použitá
pre prenos dát.
10
Závisí na funkcii akú chceme, aby zariadenie plnilo, zväčša sú 1-wire
zariadenia k dispozícii ako samostatné komponenty
v integrovaných obvodoch
a TO92 puzdrách a v niektorých prípadoch aj v prenosnej forme tzv. iButton, ktorý sa
podobá batérii z hodiniek.
Obr. 5.1: Zariadenie iButton.
Vyrábajú sa tiež zariadenia, ktoré nie sú jednoúčelové a využívajú na komunikáciu
1-wire zbernicu. 1-wire zariadenie môže byť umiestnené spolu s ostatnými
súčiastkami priamo na doske plošného spoja a taktiež sa môže nachádzať oddelene
v zariadení, v ktorom chceme napr. monitorovať teplotu. Niektoré laboratórne
systémy, riadiace systémy, zariadenia na zber
dát pripájajú 1-wire zariadenie
pomocou konektorov modulárnej kabeláže alebo s CAT5 káblom. Prístroj je zväčša
umiestený na konektore, alebo na malej doske plošného spoja a pripojený k objektu,
ktorý je monitorovaný. V takýchto systémoch je veľmi rozšírený konektor RJ11, ktorý
sa bežne používa na pripojenie telefónov. Každé 1-wire zariadenie má unikátny kód,
ktorý je uložený v zariadení. Táto vlastnosť robí čipy, a to najmä zariadenia typu
iButton vhodné na použitie ako kľúč k otvoreniu zámky alebo deaktivovať
zabezpečovacie zariadenie, overiť užívateľa počítačových systémov a podobne.
5.1.2 Princíp komunikácie
Master zariadenie začína komunikáciu reset impulzom, ktorý trvá 480us vyslaním
na zbernicu 0V. Takto dochádza k resetu všetkých slave zariadení, v podstate ide
11
o odpojenie napájania. Po tomto pulze odpovie každé slave zariadenie pulzom –
uzemní zbernicu na aspoň 60us po tom ako ju uvoľnil master.
Pre vyslanie logickej 1 software mastru vyšle krátky uzemňovací impulz 1-15us ,
pre poslanie logickej 0 software odošle 60us dlhý 0V pulz. Zostupná hrana týchto
pulzov spôsobí spustenie monostabilného klopného obvodu v zariadení slave, ktorý
funguje ako časovač, čím je zaistené aby slave čítal dáta na zbernici po dobu 30us.
Klopný obvod pracuje s určitou toleranciou takže časovanie nie je presné. Preto je
potrebné, aby výstupné pulzy boli dlhé 60us pre logickú 0 a neboli dlhšie ako 15us pre
logickú 1.
Pri prijímaní dát vyšle master 1-15us dlhý 0V impulz na štarte každého bitu.
Pokiaľ chce slave zariadenie vyslať logickú 1, neurobí nič a tak sa na zbernici objaví
napájacie napätie a teda logická úroveň 1. Pokiaľ chce slave vyslať logickú 0 podrží
zbernicu na 0V počas 60us.[8]
5.2 I2C ZBERNICA
5.2.1 Všeobecné informácie
I2C Inter-IntegratedCircuit je multi – mastrová počítačová sériová zbernica
vyvinutá firmou Philips, ktorá je používaná k pripojeniu nízko rýchlostných periférii
k základnej doske, Embedded systému, alebo mobilnému telefónu.
Zbernica rozdeľuje pripojené zariadenia na riadiace MASTER – začína a ukončuje
komunikáciu, generuje hodinový signál SCL a riadené SLAVE – zariadenie
adresované mastrom.
Obr. 5.2: Pripojenie zariadení na I2C zbernicu.
12
Zbernica I2C sa často používa v rôznych zariadeniach vrátane PC kompatibilných
počítačov:
- čítanie konfiguračných dát z SPD EEPROM v pamäťových DIMM moduloch
- správa PCI kariet pomocou spojenia SMBus 2.0
- prístup k NVRAM čipom obsahujúce užívateľské nastavenia
- prístup k nízko rýchlostným D/A a A/D prevodníkom
- zmena hlasitosti inteligentných reproduktorov
- čítanie hodín reálneho času
5.2.2 Princíp komunikácie
Fyzická vrstva umožňuje pripojenie až 128 rôznych zariadení s pomocou iba dvoch
rôznych obojsmerných vodičov. Jeden vytvára hodinový signál SCL a druhý dátový
kanál SDA. Z elektrického hľadiska sú obidva kanály zapojené ako otvorený kolektor.
Maximálna dĺžka vodičov je daná ich najvyššou prípustnou kapacitou 400pF. Každý
vodič musí byť pripojený jedným pull-up rezistorom ku kladnému napätiu, čo zaistí
vysokú úroveň v pokojovom stave. Pri prebiehajúcom prenose dát sú na SDA
vysielané jednotlivé dátové bity pričom platí pravidlo, že logická úroveň na SDA sa
môže zmeniť iba ak je SCL v nízkej úrovni. Toto pravidlo môže byť porušené v dvoch
špeciálnych prípadoch. A to pri vysielaní podmienok START a STOP, ktoré sa
používajú k začatiu komunikácie a k ukončeniu prenosu.
Maximálna frekvencia signálu SCL je daná podľa verzie I2C 100kHZ alebo
400kHz. Pre obidve frekvencie je stanovená minimálna povolená doba zotrvania SCL
v úrovni L a H. Pri komunikácii a pri prenose dát si jednotlivé stanice synchronizujú
generátory hodín tak, že trvanie úrovne H na SCL je merané vnútorným časovačom
každej stanice až do okamihu, kedy SCL dosiahne skutočnej úrovne H. Pretože je
SCL typu otvorený kolektor, môže byť v úrovni L držaný aj v situácii, kedy sa daná
stanica snaží nastaviť úroveň H. Podobne je doba trvania úrovne L na SCL meraná od
zostupnej hrany. Tento mechanizmus umožňuje niektorej zo staníc spomaliť prenos:
13
pomalá stanica môže podržať po určitú dobu signál SCL v úrovni L, a tým zabrániť
vysielajúcej stanici vo vyslaní ďalšieho bitu. Zbernica I2C neumožňuje duplexný
prenos, v jednom okamihu vysiela len jedno zariadenie. Všetky zariadenia pripojené
na zbernicu musia mať rozdielnu adresu o dĺžke 7 alebo 10 bitov a taktiež musia mať
implementovaný mechanizmus komunikácie I2C zbernice.
Každému prenosu predchádza vyslanie podmienky START. Potom je vyslaná 7bitová adresa príjemcu a jeden bit R/W, ktorý ukazuje na požadovanú operáciu čítanie
alebo zápis. Ďalší bit ACK je vysielaný s úrovňou H a je určený k potvrdeniu
prijímacej stanice a pripravenosti prijímať. Ďalej sú prenášané dáta v smere určenom
predchádzajúcim bitom R/W. Každý byte je nasledovaný jedným ACK. Po ukončení
prenosu je vysielaná podmienka STOP.
Pre riadenie komunikácie sa na I2C používa metóda s detekciou kolízie. Každá
zo staníc môže začať vysielať, ak je predtým zbernica v pokojovom stave. Počas
vysielania musí neustále porovnávať vysielané bity so skutočným stavom SDA. Ak je
zistený rozdiel medzi očakávaným a skutočným stavom linky SDA, je to ukazovateľ
kolízie medzi niekoľkými stanicami. Vzhľadom k charakteru zbernice môže k tejto
situácii dôjsť, pokiaľ určitá stanica vysiela úroveň H, zatiaľ čo iná stanica vysiela
úroveň L. Stanice, ktoré na linke zistia úroveň L pokiaľ sama vysiela H, musí
vysielanie okamžite ukončiť. K riadeniu komunikácie väčšinou dochádza behom
vysielania niekoľkých prvých bitov, kedy je vysielaná adresa prijímacej stanice.
Obr. 5.3: Priebeh komunikácie I2C.
14
Každá stanica pripojená na I2C má pridelenú 7bitovú adresu. Po zachytení
podmienky START porovnávajú všetky obvody svoju adresu s adresou, ktorá je
vysielaná na zbernici. Ak zistí niektorý z obvodov zhodu, je vysielanie určené práve
jemu a musí potvrdiť prijatie adresy bitom ACK. Potom prebieha prijímanie alebo
vysielanie ďalších dát. Niekoľko adries je na I2C vyhradené pre špeciálne účely napr.
adresa 0000000.
Každý vysielaný byte a vysielaná adresa je nasledovaná vyslaním jedného bitu
SCK. Vysielacia stanica ho vysiela v úrovni H. Prijímacia stanica potvrdí príjem tak,
že v dobe vysielania ACK pripojí SDA na úroveň L. Pokiaľ vysielacia stanica
nedostane potvrdenie prijatia, ukončí vysielanie podmienkou STOP.[9]
5.3 SÉRIOVÝ PRENOS – RS232
Sériový prenos je jeden z najrozšírenejších spôsobov prenosu dát. Jednotlivé bity
sú v postupne posielané po jednej prenosovej linke. Pri prijímaní dát je dôležité, aby
bol prijímač zosynchronizovaný s vysielačom. Prijímač preto musí poznať začiatok
a koniec, vždy keď dochádza k zmene stavu signálu - začiatky a konce blokov dát.
Na základe týchto údajov prijímač určí rozhodujúci okamžik pre vyhodnotenie
signálového stavu jednotlivého bitu.
Sériový,port,,je plne duplexné zariadenie, čo umožňuje príjem i vysielanie dát
v rovnakom čase. Port používa dva nezávislé dátové vodiče, jeden pre vysielanie a
jeden pre príjem dát. Niektoré zariadenia podporujú len jednosmernú komunikáciu a
využívajú len vysielaciu linku a signálovú zem. Prenos dát sa uskutočňuje po
vodičoch označovaných ako TxD a RxD. Ostatné vodiče plnia iba pomocné funkcie
pre štrukturovanie a riadenie toku dát. Signály je možné programovo nastaviť
a poznať ich stav. Riadenie toku dát umožňuje vyslať potvrdenie príjmu dát, resp.
pripravenosť zariadenia na ďalší prenos dát. Riadenie toku môže byť hardwarové,
alebo softwarové. Hardwarové riadenie toku je buď prenos od vysielača k prijímaču vysielač dáva na vedomie, že má pripravené dáta k prenosu, alebo od prijímača k
vysielaču, že prijímač je schopný vysielané dáta prijať. Softwarové riadenia toku dát
je realizované prenosom znakov XON a XOF podľa ASCII tabuľky. Softwarové
riadenie toku dát znižuje rýchlosť prenášaných dát. Pri sériovom prenose je dátový
15
byte prenášaný postupne po jednotlivých bitoch. Vysielacia a prijímacia strana musia
byť na začiatku komunikácie nastavené na rovnaký počet dátových bitov, na paritnom
bite a na rýchlosti prenosu.
Jednotka rýchlosti je Baud. Číslo reprezentuje počet zmien stavu vodiča za
sekundu. Rýchlosť nemusí byť vždy taká istá ako počet prenesených bitov za sekunda,
ale pri štandardnom nastavení a prepojení dvoch zariadení sú údaje rovnaké. Hodnoty
rýchlosti bit/s a počet zmien stavov linky sa môžu líšiť hlavne pri spojeniach
prostredníctvom telefónnej linky. Dáta po sériovej linke je možné prenášať
synchrónne a asynchrónne.
Pri synchrónnom prenose dát sa na vysielacom vodiči nastaví úroveň a informácia
sa potvrdí pulzom, alebo zmenou synchronizačného signálu. Synchronizačný signál je
vysielaný aj vtedy ak sa neprenášajú dáta. Synchronizácia nám umožňuje rýchlejší
prenos dát ako pri asynchrónnom prenose, pretože nevyžaduje vysielanie ďalších
znakov signalizujúcich začiatok a koniec prenášaného rámca údajov. Pri synchrónnom
prenose musí mať prijímacia a vysielacia strana generátor taktovacích impulzov. Tieto
generátory musia byť vzájomne synchronizované. Značky sú posielané ako celistvý
reťazec bitov, do medzier komunikácie sú automaticky vkladané stavové bity.
Začiatok a koniec všetkých bitov sa musí zhodovať s časovou základňou. Nevýhodou
takéhoto prenosu je zložité synchronizovanie, avšak výhodou je však efektívnejšie
využitie komunikačného kanála. Dátové bity majú zhodnú dĺžku a preto sa prenos
používa pre veľké objemy údajov a tam, kde je potrebné zabezpečiť počas prenosu
definovanú šírku pásma.
RS-232 používa asynchrónny prenos dát. Pri asynchrónnom prenose sa jednotlivé
dáta prenášajú v rámcoch určenou rýchlosťou so začiatočnou štartovacou sekvenciou vyslaním štart bitu. Hneď po vyslaní štart bitu začne vysielač posielať dátové bity,
ktorých počet 5 až 8 závisí od nastavení zariadenia. Po dátových bitoch nasleduje
nepovinný paritný bit. Prenášaný rámec je ukončený jedným alebo dvomi stop bitmi.
Dĺžka trvania jednotlivých bajtov môže byť rôzna, rôzne môžu byť aj medzery medzi
jednotlivými blokmi. Prijímač nerozoznáva dva po sebe idúce bloky dát. Celý objem
prenášaných údajov sa pri asynchrónnom prenose rozdelí na menšie časti a každá časť
16
sa posiela nezávisle od ostatných, môžu sa taktiež líšiť aj časové intervaly medzi
odosielaním jednotlivých bytov.
Pretože je RS-232 definovaný ako asynchrónny typ sériovej komunikácie, tak
môže byť odosielanie začaté v ktoromkoľvek momente. Problém vtedy môže
vzniknúť na prijímacej strane, ktorá musí vedieť zistiť, ktorý bit musí prijať ako prvý.
Na tento účel sa využíva tzv. štart bit, ktorý je vysielaný pred každým prenášaným
bytom a jeho úroveň je definovaná ako logická 0.
Za štart bitom sú posielané za sebou idúce dátové bity. Najmenej významný bit
označovaný ako LSB je vysielaný ako prvý. Najviac významný bit označovaný ako
MSB je vyslaný, ako posledný.
Pri prenose dát môže niekedy nastať stav, kedy sa náhodne môže zmeniť hodnota
prenášaného bitu. Zväčša to býva zapríčinené prerušením alebo rušením linky. Preto
sa pri prenose vkladá za dátové bity jeden bit označovaný ako detektor chyby. Jeho
hodnota sa vygeneruje z prenášaných dát. Prijímacia strana potom vykoná rovnaký
výpočet a porovnaním vyhodnotí, či prenos bol správny. Pri sériových prenosoch sa
používa tzv. paritný bit. Pre výpočet paritného bitu používame dva algoritmy: Párna
parita a nepárna parita.
Pri párnej parite je súčet všetkých jednotiek v prenose dátových bitov a paritného
bitu párne číslo. Na výpočet súčtu sa použije funkca xor a paritný bit sa doplní tak,
aby jeho výsledná hodnota bola 0.
Pri nepárnej parite je súčet všetkých jednotiek v prenose dátových bitov a paritného
bitu je nepárne číslo. Na výpočet súčtu sa použije funkcia xor a paritný bit sa doplní
tak, aby jeho výsledná hodnota bola 1.
Stop bit môže byť jedno, alebo dvoj bitový. V reáli sa nejde o bit, ale len o
minimálnu časovú periódu, počas ktorej musí byť linka po odoslaní každého bytu v
stave log 1. [10]
17
6 MIKROPROCESOR AVR ATMEGA64
6.1 ZÁKLADNÉ VLASTNOSTI
ATmega64 je nízko odberový CMOS 8-bitový mikroprocesor založený na AVR
RISC architektúre. Väčšina inštrukcií sa vykonáva v jednom hodinovom cykle, a tým
ATmega64 dosahuje rýchlosti približne 1MIPS za MHz, čo umožňuje návrhárovi
optimalizovať spotrebu energie v závislosti od rýchlosti mikropočítača. ATmega64 je
výkonný mikroprocesor, ktorý poskytuje vysoko flexibilné a nákladovo efektívne
riešenia pre riadiace aplikácie.
Jadro AVR ATmega64 v sebe spája bohatú inštrukčnú sadu s 32 registrami.
Všetkých 32 registrov je priamo pripojených k aritmeticko-logickej jednotke, ktorá
umožňuje spracovať dva registre v jednom hodinovom cykle. Výsledná architektúra je
až desaťkrát efektívnejšia a rýchlejšia ako konvenčné mikroprocesory CISC.
ATmega64 poskytuje 64kB programovateľnej FLASH pamäte, 2kB EEPROM,
4kB SRAM, 53 univerzálnych vstupno-výstupných vývodov, štyri flexibilné
časovače/čítače, 8-kanálový 10bitový analógovo digitálny prevodník s voliteľným
diferenčným
vstupom
a programovateľným
zosilneným.
Watchdog
časovač
s interným oscilátorom, SPI sériový port, JTAG rozhranie vyhovujúce štandardu IEEE
1149,1 použiteľné pre programovanie, krokovanie a ladenie systému a šesť
voliteľných režimov pre napájanie. ATmega64 AVR má plnú podporu rôznych
nástrojov pre budovanie systému vrátane C-kompilátorov, simulátorov, vývojových
kitov.[11]
18
Obr. 6.1: Rozloženie výstupov ATmega64
Obr. 6.2: Vnútorná štruktúra mikroprocesoru ATmega64.
19
6.2 JADRO PROCESORU ATMEGA64
Procesor ATmega64
Jadro mikroprocesoru AVR ATmega64 sa podobá väčšine RISC-procesorom, ktoré
sú dostupné na trhu. AVR jadro sa skladá z 32 rovnakých 8-bitových registrov, ktoré
obsahujú ako dáta aj adresy. Posledných 6 registrov môžeme v dvojiciach použiť ako
ukazovatele adresy pre nepriame adresovanie pamäti dát. Tieto registre sú označované
ako X,Y,Z a dovoľujú akékoľvek operácie pre uloženie.
Obr. 6.3: Bloková schéma jadra mikroprocesoru ATmega64.
6.3 VSTUPNO-VÝSTUPNÉ PORTY
Všetky porty mikroprocesorov rodiny AVR môžeme použiť na čítanie, alebo zápis
ak sú použité ako všeobecné vstupno-výstupné porty. Budič vývodu je dostatočne
20
silný na to, aby ovládal napr. LED displej priamo. Všetky vývody majú individuálne
ovládané pull-uprezistory, ktoré nemenia svoj odpor v závislosti na napájacom napätí.
Všetky vstupno-výstupné vývody obsahujú ochranné diódy ako voči kladnému
napätiu tak aj zápornému, ako je uvedené na obr.7.4. Každý vývod je možné nastaviť
pomocou troch registrov: DDxn, PORTxn a PINxn.
Bit DDxn v DDRx registri nastaví vývod na vstupný alebo výstupný. Ak v DDxn je
zapísaná hodnota logickej 1, vývod Pxn je nakonfigurovaný ako výstupný. Ak je
v DDxn zapísaná logická nula, je Pxn vývod nakonfigurovaný ako vstupný.
Ak bit PORTxn je zapísaná logická 1 a zároveň je vývod nastavený ako vstupný,
pull-up rezistor je aktivovaný. Ak chceme vypnúť pull-up rezistor musíme do
PORTxn zapísať logickú 0.
Obr. 6.4: Ekvivalentná schéma zapojenia vstupno-výstupného vývodu.
6.4 ANALÓGOVO DIGITÁLNY PREVODNÍK
Mikroprocesor ATmega64 obsahuje 10-bitový analógovo digitálny
prevodník
s postupnou aproximáciou. A/D prevodník je pripojený k 8-kanálovému multiplexoru,
ktorý umožňuje čítať hodnotu napätia na ôsmych vstupoch, ktoré sú pripojené na
PORTF. Pristroj podporuje využitie 16 diferenčných napäťových vstupov. Dva
z diferenčných vstupov ponúkajú možnosť zosilnenia signálu v krokoch 0dB(1x),
20dB(10x) alebo 46dB(200x) napätia diferenčného vstupu pred A/D prevodom.
21
A/D prevodník obsahuje vzorkovací obvod, ktorý zaistí, aby vstupné napätie pri
prevode bolo na rovnakej napäťovej úrovni počas celej doby prevodu. Bloková
schéma A/D prevodníka je na obr. 7.5. A/D prevodník má samostatné napájacie
napätie zo vstupu AVCC. Napätie na vstupe AVCC sa nesmie líšiť o viac ako +-0,3V
z napájacieho napätia mikroprocesora VCC. Na A/D prevod môže byť použité buď
interný referenčný zdroj nominálneho napätia 2,56V, napätie na vstupe AVCC alebo
napätie na vstupe AREF.[10]
Obr. 6.5: Bloková schéma analógovo digitálneho prevodníka
6.5 EXTERNÁ SÉRIOVÁ PAMÄŤ 24C1024
Externá
pamäť
24c1024
poskytuje
1 048 576
bitov
sériovo
elektricky
programovateľnej pamäte EEPROM, organizovanej ako 131072 slov, každé slovo má
22
8-bitov. Štruktúra zariadenia umožňuje dvom zariadeniam zdieľať pripojenie na jednej
spoločnej I2C zbernici.[12]
Vlastnosti:
-
nízke prevádzkové napätie 2,7 – 5,5V
-
vnútorná pamäť organizovaná 131072 x 8bitov
-
vstupný obvod s filtrom pre potlačenie šumu
-
sériová komunikácia pomocou I2C zbernice
-
rýchlosť 400kHz – 1MHz
-
náhodný alebo sekvenčný režim čítania
-
možný zápis až 256-bytov na sekvenciu
-
vysoká spoľahlivosť
-
životnosť 100 000 zapisovacích cyklov
Obr. 6.6: Rozloženie vývodov externej pamäte EEPROM 24c1024
Tab. 6.1 Zapojenie vývodov externej pamäte 24c1024
Vývod púzdra
Funkcia
A1
Nastavenie adresy zariadenia
SDA
Sériová komunikácia - dáta
SCL
Sériová komunikácia - časovanie
WP
Ochrana zápisu
NC
Nepripojené
23
Obr. 6.7: Bloková schéma externej EEPROM pamäte 24c1024
6.6 OBVOD FT232RL
Obvod FT232R je najnovšie zariadenie z radu FTDI, ktoré umožňujú vytvoriť
rozhranie USB – UART pomocou integrovaného obvodu. FT232R je prevodník USB
UART, ktorý obsahuje výstup generátora hodín a nový FTDI Chip-ID ™, ktorý
zabezpečuje použitie obvodu ako hardwarového kľúča. Pomocou obvodu FT232R je
možné úplne zjednodušiť komunikáciu USB UART, pretože obvod nevyžaduje žiadne
externé obvody ako sú pamäť, generátor hodín, rezistory na zbernici USB, a to vďaka
úplnej integrácii. FT232R pridáva dve nové funkcie v porovnaní s predchádzajúcimi
obvodmi. Obvod môže vytvárať hodinové impulzy, ktoré môžu byť použiteľné
k časovaniu mikroprocesora. Jedinečné číslo, ktoré je vypálené do zariadenia počas
výroby a je čitateľné cez USB, tak môže tvoriť základ pre bezpečnostný kľúč, ktorý
možno použiť na ochranu pred kopírovaním aplikačného softwaru.
24
Obr. 6.8: Bloková schéma obvodu FT232R
Obr. 6.9: Pripojenie mikroprocesoru k obvodu FT232R[13]
25
7 REALIZÁCIA MERACIEHO SYSTÉMU
7.1 NÁVRH HARDWARU
Výsledný návrh hardwaru meracieho systému pozostáva z jednej dosky plošného
spoja o veľkosti 100x160 mm. Na doske plošného spoja sú umiestnené všetky
potrebné obvody pre napájanie, riadenie, spracovanie signálu a meranie oteplenia,
alebo teploty na výkonových polovodičových systémoch.
Návrh schémy ako aj dosky plošného spoja je spracovaný v programe EAGLE
5.7.0 .
Pri vývoji a odlaďovaní zariadenia som však využíval funkčnú vzorku meracieho
systému, ktorá pozostáva z dvoch častí:
-
riadiacej a
-
analógovej časti.
V riadiacej časti je osadený mikroprocesor ATmega64, externá EEPROM pamäť,
ktorá slúži na uloženie nameraných hodnôt oteplenia a obvod MAX232, ktorý
umožňuje komunikáciu s PC pomocou sériového portu.
Analógová časť pozostáva z napájacej časti, z ktorej sa napájajú operačné
zosilňovače ako aj riadiaca doska. Ďalej obsahuje obvody na filtrovanie nežiaducich
frekvenčných spektier, ktoré sa môžu objaviť na výstupoch termočlánku. Prístrojové
operačné zosilňovače, ktoré filtrovaný napäťový signál zosilnia, umožnia ďalšie
spracovanie a vyhodnotenie merania v mikroprocesore.
26
Obr. 7.1: Analógová časť funkčnej vzorky
Obr. 7.2: Riadiaca časť funkčnej vzorky.
7.1.1 Návrh zapojenia pre zosilnenie signálu termočlánku
Pri návrhu som vychádzal z požiadavky, ktorá určuje že systém má spracovávať
signál z termočlánkov a zároveň musí zariadenie odolávať prípadnému rušeniu, ktoré
môže pri meraní vznikať.
27
Obr. 7.3: Schéma zapojenia analógovej časti zariadenia s filtrovaným vstupom.
Ako vidieť z obr. 7.3 je použitý prístrojový operačný zosilňovač INA126, ktorý
pracuje v zapojení ako diferenčný zosilňovač. Zosilnenie tohto prístrojového
operačného zosilňovača sa nastavuje pomocou jedného rezistora R3. Keďže napätie
termočlánku je veľmi malé, rádovo niekoľko mV je potrebné veľmi vysoké
zosilnenie, ktoré je v tomto prípade nastavené pomocou rezistoru R3 na 300.
Keďže je predpoklad, že sa na vodičoch termočlánku vytvorí nežiaduce
vysokofrekvenčné napätie, ktorého zdrojom je výkonový polovodičový systém, použil
som na vstupe operačného zosilňovača dva typy EMI filtrov, ktoré by mali
v kombinácii s kondenzátormi C1 a C2 utlmiť tento vysokofrekvenčný signál, a tak by
sa mala na vstupe operačného zosilňovača objaviť iba jednosmerná zložka napätia,
ktorú vytvára termočlánok.
Pre meranie teploty nižšej ako je teplota okolia konca termočlánku je potrebné
priviesť na vývod 5 operačného zosilňovača referenčné napätie, od ktorého sa bude
odvíjať výstupné napätie operačného zosilňovača. Bez tohto referenčného napätia nie
je možné spracovávať výstupný signál v mikroprocesore, pretože pri meraní
termočlánkom teplotu nižšiu ako je teplota okolia studeného konca by sa na výstupe
objavilo napätie zápornej polarity, ktoré mikroprocesor nespracuje. Použitím
referenčného
napätia
sa
posunie
výstup
operačného
zosilňovača
o úroveň
referenčného napätia, a tak je možné tento signál spracovať v mikroprocesore. Pre
ochranu vstupu A/D prevodníka mikroprocesora pred vyšším napätím ako je napájacie
napätie mikroprocesora je použitá zenerová dióda s hodnotou zenerovho napätia 5,1V.
28
Pre prípad objavenia sa záporného napätia je použitá Schottkyho rýchla dióda BAT43.
Tento typ diódy som vybral pre jej nízky úbytok napätia v priepustnom smere, ktorý
je iba 0,33V, a tak najmenej skresľuje meranie.
7.1.2 Napájanie zariadenia
Zariadenie je možné napájať dvomi spôsobmi – externým zdrojom, alebo
zabudovanou Li-Ion batériou. Primárne je na napájanie zariadenia určený externý
zdroj. Ako sekundárny zdroj môžeme využiť Li-Ion batériu, ktorá ihneď po odpojení
externého zdroja napája zariadenie.
Veľkosť napájacieho napätia z externého zdroja je obmedzená ochranným
transilom BZW0415 na hodnotu 15V, ochrana transilu je zabezpečená pomocou
tavnej poistky F1, transil chráni zároveň zariadenie aj pred zmenou polarity vstupného
napätia. Minimálna hodnota napájacieho napätia je daná potrebou nabíjania Li-Ion
batérie, ktorá má nabíjacie napätie 8,4V. Ak rátame s úbytkami na tranzistoroch T1A
a T1B môže celé zariadenie spoľahlivo pracovať s externým napájaním o veľkosti 9,515V. Nabíjanie batérie riadi obvod LTC4002-8,4, ktorý je určený pre nabíjanie
jedného alebo dvoch Li-Ion batériových článkov. Externým rezistorom je možné
nastaviť nabíjací prúd článkov, a to umožňuje použiť batérie potrebnej kapacity avšak
maximálne 2000mAh. Ako náhle je odpojené vstupné napájanie obvod LTC4002-8,4
prechádza do režimu spánku, a tým nevybíja batériu. Do stavu spánku prejde aj po
tom ako nabíjací prúd batérie klesne pod 10µA. Interným komparátorom zisťuje
koniec nabíjania a spustí vnútorný časovač, ktorý udržuje konštantné napätie po dobu
potrebnú na ustálenie napätia. Nabíjací cyklus sa ukončí po ustálení napätia na 8,4V.
Ďalší nabíjací cyklus začne až keď napätie na článkoch batérie klesne pod 8,1V.
Nabíjanie batérie signalizuje rozsvietením aj dióda LED2. Obvod zároveň chráni
batériu pred prehriatím pomocou externého NTC senzoru s hodnotou 10kΩ. Pokiaľ
teplota batérií stúpne nad 50°C obvod zastaví nabíjanie a čaká pokiaľ teplota batérií
neklesne pod prípustnú teplotu.
Na napájanie riadiacej časti je použitý monolitický integrovaný obvod AP1509,
ktorý plní funkciu znižujúceho DC/DC meniča s vlastným riadením a schopnosťou
dodať na výstupe prúd 2A pri napätí 5V bez použitia externého tranzistoru. Obvod
obsahuje ochranu pred prehriatím a preťažením vnútorného výstupného spínaného
29
obvodu, ktorý pracuje na frekvencii 150kHz. Vysoká spínacia frekvencia umožňuje
použitie menších filtračných komponentov na výstupe ako by sme potrebovali pri
nízkych frekvenciách. Výrobca obvodu garantuje hodnotu výstupného napätia
v tolerancii +-1%. Účinnosť toho znižujúceho DC/DC meniča je podľa výrobcu 83%
pri napájacom napätí 12 V a výstupnom prúde 2A.
Pretože pre napájanie operačných zosilňovačov je potrebné symetrické napätie, je
pre vytvorenie tohto napätia použitý integrovaný obvod LT1054. Obvod plní funkciu
spínaného kapacitného napäťového invertora s možnosťou regulácie výstupného
napätia a maximálnym výstupným prúdom 300mA.
Ako zdroj referenčného napätia je použitý 3-vývodový nastaviteľný regulátor
TL431A s dobrou stabilitou referenčného napätia v závislosti od zmeny teploty.
Hodnota referenčného napätia môže byť nastavená od 2,495V do 36V. Prúd
referenciou musí byť v rozsahu 1 – 100mA.
Počas návrhu zariadenia prišla požiadavka umiestniť do zariadenia konektor pre
komunikáciu a napájanie externých pamätí NVRAM FR25V10 a hodín reálneho času
DS1305 komunikujúcich po SPI zbernici. Pretože obidve zariadenia majú napájacie
napätie +3,3V, bolo potrebné umiestiť stabilizátor na 3,3V. Na tento účel som použil
lineárny stabilizátor MC33269D. Tento obvod požaduje, aby pre výstupné napätie
3,3V a prúd 500mA bolo vstupné napätie minimálne o 1V vyššie ako výstupné,
v našom prípade teda 4,3V. Napájanie tohto obvodu som zvolil priamo z 5V vetvy
znižujúceho meniča AP1509. Napäťové prispôsobenie dátových liniek som riešil
pomocou odporového napäťového deliča.
30
Obr. 7.4: Schéma zapojenia nabíjacieho obvodu pre batériu.
Obr. 7.5: Schéma napájacej časti zariadenia.
7.1.3 Riadenie zariadenia
Na riadenie zariadenia som použil mikroprocesor ATmega64, ktorý patrí do rodiny
procesorov AVR od firmy Atmel Corp. Mikroprocesor je napájaný napätím 5V. Pre
potrebu komunikovať so softwarom v PC je mikroprocesor vybavený radičom
31
sériovej zbernice RS-232. Pretože komunikácia cez RS-232 potrebuje presné
časovanie, nie je možné použiť interný RC oscilátor mikroprocesora, ale je potrebné
použiť externý zdroj. Ja som pre zariadenie použil externý kryštál s hodnotou 14,7456
MHz.
Aby som mohol termočlánkom vyhodnocovať aj skutočnú teplotu a nielen
oteplenie, je potrebné poznať aj teplotu porovnávacieho konca termočlánku, t.j.
teplotu pripojovacích svoriek termočlánkov. Na meranie tejto teploty slúži digitálny
senzor teploty DS18B20 od firmy Dallas Semiconductors.
Na výpis aktuálne nameraných hodnôt a na nastavenie zariadenia slúži
dvojriadkový šestnásť znakový LCD displej. Pohyb v menu je možný pomocou trojice
tlačidiel. Na uloženie nameraných hodnôt slúži I2C EEPROM 24c1024 s kapacitou
1Mbit. Pre komunikáciu s PC používam prevodník FT232RL, ktorý umožňuje
konverziu USB na RS232.
Riadiaca časť nakoniec obsahuje ISP programovací konektor, pomocou ktorého je
možné programovať flash pamäť mikroprocesora bez nutnosti odstránenia
mikroprocesora z obvodu.
32
Obr. 7.6: Schéma riadiacej časti s použitím mikroprocesora ATmega64.
7.2 NAVRHNUTÉ ZARIADENIE
Navrhnuté zariadenie obsahuje 16 vstupov pre meranie oteplenia pomocou
termočlánkov. Vstupy sú umiestnené na dvoch dlhších stranách zariadenia. Sú
rozdelené tak, aby na jednej strane bolo 8 vstupov. Pri pohľade spredu na zariadenie je
vo vrchnej časti umiestnený dvojriadkový LCD displej - pre výpisy meraných hodnôt
a nastavenie zariadenia. Pod displejom sú umiestnené tri tlačidlá, ktoré umožňujú
pohyb v menu zariadenia. Vpravo od displeja je umiestnený napájací konektor.
V spodnej časti sú umiestnené operačné zosilňovače a prvky na filtrovanie
a ustálenie meraných hodnôt.
33
Na obr. 7.7 je pohľad spredu na zariadenie vytvorený pomocou programu EAGLE
3D, ktorý je nadstavbovým programom pre program EAGLE.
Obr. 7.7: Pohľad spredu na navrhnuté zariadenie.
Pri pohľade zozadu na zariadenie obr.7.8 je vo vrchnej časti pri napájacom
konektore umiestnená poistka s ochranným transilom, obvody potrebné pre napájanie
zariadenia a nabíjanie batérie.
V strednej časti je umiestnený mikroprocesor ATmega64 spolu s externou
EEPROM pamäťou. Pri mikroprocesore je umiestnený aj ISP konektor, ktorý slúži na
nahrávanie programu do flash pamäte mikroprocesora.
V spodnej časti je umiestnený obvod FT232RL, ktorý spolu s USB konektorom
umožňuje prepojenie zariadenia s PC.
34
Obr. 7.8: Pohľad zozadu na navrhnuté zariadenie.
7.3 PRENOS NAMERANÝCH HODNÔT DO PC
Namerané hodnoty je možné do PC preniesť po zvolení možnosti prenos dát do PC
v menu zariadenia. Zariadenie je potrebné pred potvrdením prenosu pripojiť k PC
pomocou USB káblu.
Obr. 7.9: Ukážka výpisu displeja pred prenosom dát.
Na zaznamenanie hodnôt v PC môžeme využiť program hyperterminal.exe, ktorý
je súčasťou inštalácie operačného systému Microsoft Windows XP.
35
Obr. 7.10: Záznam prenosu dát v programe Terminal.exe.
Ak nie je k dispozícii program Hyperteminal.exe môžeme na uloženie použiť
alternatívne programy napr. Terminál.exe v1.9b.
Dáta posielané z mikroprocesora sú vo formáte CSV - Comma-separated values,
čiarkou oddelené hodnoty. Pretože v Európe sa čiarka používa ako oddeľovač
desatinného miesta, bola čiarka nahradená bodkočiarkou, ktorá prevzala funkciu
oddeľovača hodnoty. Uložený záznam z terminálu je potrebné premenovať na súbor
s príponou .csv a tento je potom možné otvoriť napr. v programe MS Excel, v ktorom
je možné ďalej namerané udaje spracovávať a vyhodnocovať.
Obr. 7.11: Otvorenie .csv súboru v MS Excel.
36
7.4 NÁVRH SOFTWARU
7.4.1 Vývojové nástroje
Pre mikroprocesory rodiny Atmel AVR je dostupná široká škála rôznych
vývojových nástrojov a kompilátorov, ktoré sú vyvíjané ako open-source software,
nástroje ponúkané priamo výrobcom mikroprocesoru AVR Studio alebo možnosť
použitia komerčného produktu napr. Codevision AVR alebo ICCAVR.
Pri programovaní mikroprocesora môžeme využívať buď Assembler alebo jazyk C.
Keďže programovanie v jazyku C je užívateľsky dosť prívetivé a prekladače pre
mikroprocesory rodiny AVR dobre optimalizujú napísaný kód, je výhodné pre písanie
programu použiť práve jazyk C.
7.4.2 CodeVision AVR
Codevision AVR je vysokovýkonný ANSCI C kompilátor, vývojové prostredie,
generátor programu a ISP programátor pre mikroprocesory Atmel rodiny AVR.
Vlastnosti programu:
-
program beží pod Windows 95 – Windows 7 32-bit
-
jednoduché použitie integrovaného prostredia a C kompilátora
-
podporované dátové typy – bit, char, int, short, long, float,
-
knižnice s plávajúcou desatinnou čiarkou, rozšírená podpora základných
inštrukcií pre mikroprocesory ATmega
-
špecifické rozšírenia pre mikroprocesory rodiny AVR
-
priamy prístup k EEPROM a FLASH pamäti
-
prístup na bitovej úrovni k vstupno-výstupným registrom
-
podpora prerušení
-
možnosť zvolenia typu optimalizácie kódu buď pre veľkosť kódu alebo
rýchlosť
37
-
možnosť vloženia kódu písaného v assembleri priamo do zdrojového kódu
v jazyku C
Obr. 7.12: Vývojové prostredie CodevisionAVR.
7.4.3 Popis hlavného programu
Na začiatku programu sú inicializované vstupno-výstupne porty, ktoré využívam
na voľbu kanálu multiplexoru a port, na ktorý sú pripojené tlačidlá a slúžia na
ovládanie menu softwaru.
V ďalšej časti je inicializovaný USART (univerzálny synchrónny, asynchrónny
prijímač / vysielač). Je nastavený na rýchlosť 9600baud, v jednej sekvencii ide za
sebou 8 dátových bitov, ktoré sú ukončené jedným STOP bitom.
Ako ďalšie zariadenie je inicializovaný A/D prevodník. Je nastavené referenčné
napätie, ktoré je na vstupe AVCC. A/D prevodník pracuje v tomto prípade v tzv. freerunning móde a to znamená, že A/D prevodník vykoná prevod iba keď na to dostane
pokyn.
38
Ako posledná je inicializovaná I2C zbernica, ktorá nastavená na rýchlosť 400kHz
void main(void)
{
PORTE=0xE0;
// Port E inicializácia
DDRE=0x00;
PORTF=0x00;
// Port F inicializácia
DDRF=0x1F;
UCSR0A=0x00;
//USART inicializácia
UCSR0B=0x48;
//8-dátových a 1-stop bit
UCSR0C=0x06;
//asynchrónny mód
UBRR0H=0x00;
//rýchlosť 9600baud
UBRR0L=0x40;
ADMUX=0x7f;
//A/D inicializacia, ref. AVCC
ADCSRA=0x84;
//free-running mód
TWBR = 10;
//I2C inicializácia
TWSR &= (~((1<<TWPS1)|(1<<TWPS0)));
Ďalej je inicializovaný LCD displej pomocou funkcie lcd_init(); ktorá je súčasťou
knižnice pre ovládanie LCD displeja. Knižnica je súčasťou vývojového prostredia
CodevisionAVR.
Ďalšími volanými funkciami sú funkcie pre nastavenie zariadenia ako sú funkcie na
prenos dát, vynulovanie zariadenia, nastavenie času ukladania a režimu merania.
lcd_init(16);
//inicializácia LCD
send_data();
//prenos nameraných dát
zero_setting();
//nulovanie zariadenia
cas_m();
//nastaví čas ukladanie dát
set_mode();
// vyberie režim merania oteplenie/teplota
Funkcia w1_search() vyhľadá zariadenia pripojené na 1-wire zbernicu. Funkcia je
súčasťou knižnice pre senzor DS18B20, ktorá je súčasťou prostredia Codevision.
39
Funkcia meranie(); načítava hodnoty A/D prevodu a túto hodnotu potom prevádza
na hodnotu napätia na termočlánku v µV.
Funkcia otepl(); robí prevod napätia na termočlánkoch na hodnotu oteplenia. Ak je
zvolený režim 1 hodnota oteplenia sa priamo ukladá do poľa premenných uloz[TC],
kde TC je číslo termočlánku.
Ak je zvolený režim 2 t.j. ukladá sa skutočná teplota nie oteplenie, pripočíta sa
k hodnote
oteplenia
hodnota
okolitej
teploty
prostredia
pomocou
funkcie
DS18_read();.
Ak bolo stlačené tlačidlo ENTER, namerané hodnoty sa začnú ukladať do pamäte.
Pri druhom stlačení sa meranie ukončí.
devices=w1_search(0xf0,rom_code);
//vyhľadá senzor DS18B20
sprintf(lcd_buffer,"%u DS18B20\nsenzorov nájdených",devices);
lcd_puts(lcd_buffer);
delay_ms(2000);
while (1)
{ meranie();
//meria napätie na termočlánkoch
otepl();
//prevod napätia na oteplenie
if (setmode=1)
{ for(TC=0;TC<16;TC++){
uloz[TC]=oteplenie[TC];}}
else{
for(TC=0;TC<16;TC++) {
uloz[TC]=oteplenie[TC]+DS18_read();}} //pripočíta k otepleniu
//teplotu získanú z DS18B20
if (!(button(T,ENTER)))
{
//povolí zápis do EEPROM
if(!(write)){
write=TRUE;
while ((button(T,ENTER)))
{};
}};
if(write)
{ write_ee();
if (!(button(T,ENTER)))
{
lcd_clear();
//zapíše hodnoty do EEPROM
//po opätovnom stlačení ENTER
// ukončí meranie
lcd_putsf(" koniec merania");
//výpis na LCD
40
delay_ms(5000);
// počká 5 sekúnd
main();
// vráti sa na začiatok
}}
Výpis aktuálne meraných hodnôt je možný pomocou funkcie formátovaného
výstupu sprintf();. Výstup funkcie je vypísaný na displej pomocou funkcie lcd_puts();.
Pre nastavenie termočlánkov, ktoré chceme vypisovať na displej slúžia tlačidlá UP
a DOWN, stlačením ktorých sa zmení hodnota TCV, ktorá slúži pri výpise na určenie
čísla termočlánku. Na displej je vypísaná hodnota čísla termočlánku určeného
hodnotou premennej TCV a nasledujúce tri hodnoty termočlánkov.
Na obr. 8.12. je znázornený zjednodušený vývojový diagram programu zariadenia.
if (!(button(T,UP)))
{TCV++;
if (TCV>12) TCV=12;};
if (!(button(T,DOWN)))
{TCV--;
if (TCV<0) TCV=0;};
lcd_clear();
sprintf(buffer,"TC%d %d.%d",uloz[TCV]/10,uloz[TCV]%10);
lcd_puts(buffer);
lcd_gotoxy(8,0);
sprintf(buffer,"TC%d %d.%d",TCV+1,uloz[TCV+1]/10,uloz[TCV+1]%10);
lcd_puts(buffer);
lcd_gotoxy(0,1);
sprintf(buffer,"TC%d %d.%d",TCV+2,uloz[TCV+1]/10,uloz[TCV+1]%10);
lcd_puts(buffer);
lcd_gotoxy(8,1);
sprintf(buffer,"TC%d %d.%d ",TCV+3,uloz[TCV+1]/10,uloz[TCV+1%10);
lcd_puts(buffer);
41
Obr.7.13: Zjednodušený vývojový diagram softwaru mikroprocesora.
42
8 VÝSLEDKY MERANIA A KALIBRÁCIE
ZARIADENIA
Merania a kalibrácie zariadenia sa uskutočnili v laboratóriách spoločnosti EVPU
a.s. Nová Dubnica.
Pri prvom meraní išlo hlavne o overenie použiteľnosti navrhovaného zariadenia na
merania oteplenia výkonových polovodičových systémov. Ako prístroj pre porovnanie
nameraných údajov z navrhnutého zariadenia bol použitý kalibrovaný voltmeter Metra
ML-21 s rozsahom merania 7,5 mV. Na meranie okolitej teploty bol použitý teplomer
FLUKE 54 II.
Obr. 8.1.:Graf nameraných teplôt z prvej kalibrácie zariadenia.
Ako vidieť z grafu nameraných hodnôt pri prvom kalibrovaní odchýlka
navrhnutého zariadenia bola dosť veľká pri 100°C bola 7°C. Po analýze som zistil, že
navrhnutý software zariadenia nepracuje korektne a ďalšie skreslenie spôsobuje aj
trojstupňový RC – filter na výstupe operačného zosilňovača.
Druhá kalibrácia a meranie sa uskutočnili po prepracovaní softwaru a výstupného
filtra zariadenia. Software zariadenia bol upravený tak, aby bolo v zariadení možné
43
nastaviť nulovú hodnotu. Pri prvom návrhu bol na výstupe operačného zosilňovača
použitý trojstupňový RC filter, ktorý sa neosvedčil. Nahradil som ho jednostupňovým
s tým, že software zariadenia robí 50 meraní za sebou a výstupom merania je priemer
týchto 50 hodnôt.
.
Pri druhom meraní bol použitý ako referenčný prístroj ALMEMO 2390-8 od firmy
AHLBORN.
Obr. 8.2: Pomocný menič pre elektrický rušeň.
Obr. 8.3: Meracie prístroje: vľavo - ALMEMO 2309, vpravo - funkčná vzorka
zariadenia
44
Tab. 8.1: Namerané hodnoty oteplenia z druhého merania
Čas[min]
ALMEMO 2309[°C]
T1[°C]
T2[°C]
Odchýlka T1[°C]
Odchýlka T2[°C]
15
39,5
40,0
39,3
-0,5
-0,2
16
39,4
40,0
39,2
-0,6
-0,2
18
39,6
40,0
39,3
-0,7
0
20
39,6
40,3
39,7
-0,7
0,1
22
39,5
40,4
39,7
-0,9
0,2
24
39,3
40,4
39,7
-1,1
0,4
26
38,9
40,0
39,3
-1,1
0,4
28
38,2
39,7
38,5
-1,5
0,3
30
38,9
40,0
39,3
-1,1
0,4
32
40,4
41,1
40,0
-0,7
-0,4
34
41,8
42,2
41,1
-0,4
-0,7
36
42,7
43
41,9
-0,3
-0,8
38
43,6
43,3
42,2
0,3
-1,4
40
44,6
44,1
43,0
0,5
-1,6
42
44,9
44,3
43,3
0,6
-1,6
44
44,8
44
42,9
0,8
-1,8
46
45,1
44,3
43,3
0,8
-1,8
48
45,4
44,9
43,6
0,5
-1,8
50
45,4
45
44
0,4
-1,4
52
45,8
45,4
44
0,4
-1,8
54
46,5
46,1
45
0,4
-1,5
56
46,2
45,4
45,7
0,8
-0,5
45
Obr. 8.4: Graf nameraných hodnôt z druhého merania a kalibrácie zariadenia
Z nameraných hodnôt druhého merania vidieť, že presnosť zariadenia sa zlepšila
a maximálna odchýlka oteplenia od referenčnej hodnoty nepresiahne 2K. Odchýlku
môže spôsobovať aj samotný termočlánok, ktorého charakteristika môže byť o určitú
hodnotu posunutá.
46
9 ZÁVER
Cieľom diplomovej práce bolo navrhnúť a zrealizovať autonómne zariadenie pre
meranie oteplenia a teploty výkonových systémov tak, aby bolo zariadenie schopné
pracovať samostatne a namerané údaje sa mohli preniesť do PC na ďalšie spracovanie.
Na meranie oteplenia boli pre svoju jednoduchosť, dostupnosť a cenu zvolené
termočlánky. Na zosilnenie hodnoty napätia sme použili precízny
prístrojový
operačný zosilňovač INA126. Pre prístrojový operačný zosilňovač som sa rozhodol
pre možnosť nastavenia zosilnenia jedným rezistorom. Keďže je použitých šestnásť
operačných zosilňovačov, je potrebné aby tieto rezistory mali rovnakú hodnotu,
a preto sú použité rezistory s presnosťou 0,1%. Aby mohlo zariadenie merať okrem
oteplenia aj teplotu výkonového polovodičového systému je potrebné merať teplotu
okolia studeného konca termočlánku. Na meranie tejto teploty sme zvolili digitálny
senzor DS18B20. Dôvodom pre použitie tohto senzoru bolo, že vysiela priamo
hodnotu meranej teploty a jej presnosť je postačujúca bez nutnosti ďalšej kalibrácie.
Kalibrácia a meranie zariadenia prebiehalo v spoločnosti EVPU a.s. Nová Dubnica.
Ako vidno z obr.8.2 presnosť zariadenia nebola pri prvom meraní dostatočná
a nepresnosť bola do 10%. Presnosť zariadenia pri tomto meraní nebola vyhovujúca,
ale overili sme odolnosť zariadenia voči rušeniu.
Druhá kalibrácia a meranie prebiehali až po odstránení nedostatkov v riadiacom
softwari zariadenia ako aj zmenách vo výstupných filtroch operačných zosilňovačov.
Z nameraných hodnôt v tabuľke 8.1. a grafu na obr.8.4 vidno zlepšenie presnosti
zariadenia. Maximálna odchýlka od referenčného prístroja dosahuje hodnotu 1,8°C,
čo je v požadovanej odchýlke a tým zariadenie vyhovuje požiadavkám. Odchýlka
môže byť spôsobená aj samotným termočlánkom, ktorý môže mať svoju
charakteristiku od ideálnej posunutú.
47
Zoznam použitej literatúry
[1]
DOBRUCKÝ,B.
ŠPÁNIK,P.
Modelovanie
a simulácia
výkonových
polovodičových štruktúr. Žilina: EDIS, 1999. 203s. ISBN 80-7100-575-4
[2]
Wikipedia, Thermocouple. [online] 2011 [2011-04-28]. Text v anglickom
jayzku.Dostupné na internete: <http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple>
[3]
Omega technologies, Úvod do termočlánků 2010 [28-04-2011]. Dostupné na
internete <http://www.omegaeng.cz/prodinfo/thermocouples.html>
[4]
Dallas semiconductors, DS18B20. [online]. 2011 [cit. 28-04-2011]. Text v
anglickom jazyku. Dostupné na internete: <http://pdf1.alldatasheet.com/
datasheet-pdf/view/58557/DALLAS/DS18B20.html>
[5]
Wikipedia, Ferrite bead. [online] 2011 [cit. 28-04-2011]. Text v anglickom
jazyku. Dostupné na internete: < http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrite_bead>
[6]
Burr-Brown, INA126. [online] 2005 [cit. 28-04-2011]. Text v anglickom
jazyku. Dostupné na internete:<http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/
ina126.html>
[7]
Philips Semiconductors, HEF4067B. [online] 1995 [cit. 28-04-2011]. Text v
anglickom jazyku. Dostupné na internete:<http://pdf1.alldatasheet.com/
datasheet-pdf/view/17723/PHILIPS/HEF4067B.html>
[8]
Wikipedia, 1-wire. [online] 2011 [cit. 28-04-2011]. Text v anglickom jazyku.
Dostupné na internete:< http://en.wikipedia.org/wiki/1-Wire>
[9]
Wikipedia. I2C.[online] 2011 [cit. 28-04-2011]. Text v českom jazyku.
Dostupné na internete: < http://cs.wikipedia.org/wiki/I²C>
[10]
Wikipedia. Sériový port. [online] 2011 [cit. 28-04-2011]. Dostupné na
internete: <http://sk.wikipedia.org/wiki/Sériový_port>
[11]
Atmel corporation, ATmega64.[online]. 2008. [cit. 2011-04-28]. Text
v anglickom jazyku. Dostupné na internete:
<http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2490.pdf>
ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY
[12]
Atmel corporation, AT24C1024B.[online]. 2008. [cit. 2011-04-28]. Text
v anglickom jazyku. Dostupné na internete:
<http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc5194.pdf>
[13]
FT232R. [online]. 2010 [cit. 2011-04-28]. Text v anglickom jazyku. Dostupné
na internete: <http://www.ftdichip.com/Products/ICs/FT232R.htm>
ČESTNÉ VYHLÁSENIE
Vyhlasujem, že som zadanú diplomovú prácu vypracoval samostatne, pod
odborným vedením vedúceho diplomovej práce doc. Ing. Libora Hargaša,
PhD., konzultanta Ing. Rastislava Havrilu, PhD. a používal som len literatúru
uvedenú v práci.
Súhlasím so zapožičiavaním diplomovej práce.
V Žiline dňa 2. 5. 2011
____________________
podpis
Prílohová časť
Zoznam príloh
Príloha A: Vrchná vrstva DPS vytvorená v programe EAGLE ..................................... i
Príloha B: Spodná vrstva DPS vytvorená v programe EAGLE .................................... ii
Príloha C: 3D model zariadenia vytvorený pomocou programu EAGLE 3D ............. iii
Príloha A: Vrchná vrstva DPS vytvorená v programe EAGLE
i
Príloha B: Spodná vrstva DPS vytvorená v programe EAGLE
ii
Príloha C: 3D model zariadenia vytvorený pomocou programu EAGLE 3D
iii
Download

diplomová práca - KME