Bezkontaktn m 0 0en teploty pneumatik z vodn ho vozu

ˇ e vysoké uˇcen´ı technické v Praze Cesk´ Fakulta elektrotechnická Katedra kybernetiky

Bakaláˇrská práce

Bezkontaktn´ı mˇ eˇren´ı teploty pneumatik z´ avodn´ıho vozu Aleˇs Svoboda

Vedouc´ı práce: Ing. Jan Sobotka

Praha, 2013

Anotace/Annotation

Tato bakaláˇrská práce se zabývá návrhem vestavného systému pro mˇeˇren´ı povrchové teploty a pˇredkládá kompletn´ı ˇreˇsen´ı od výbˇeru sn´ımaˇce aˇz po implementaci programu nezbytného pro zobrazen´ı teplot. Vu ´vodn´ı kapitole je popsána motivace pro vývoj tohoto systému, dále se vˇenujeme teoretickému u ´vodu, definici pojm˚ u z oblasti bezdotykového mˇeˇren´ı a výˇctu dostupných technologi´ı. Následuje výbˇer senzoru, vhodné platformy a návrh zaˇr´ızen´ı s popisem fyzické a linkové vrstvy ISO/OSI modelu. V dalˇs´ı kapitole uvád´ıme programové ˇreˇsen´ı mˇeˇric´ıho systému, kde jsou popsána pouˇzitá rozhran´ı a periferie a dále implementace programu pro grafické zobrazen´ı dat. Posledn´ı kapitola je vˇenována experimentáln´ım mˇeˇren´ım pomoc´ı navrˇzeného systému a termokamery, d´ıky kterému m˚ uˇzeme z´ıskat lepˇs´ı pˇredstavu o teplotn´ım profilu pneumatiky.

This bachelor thesis includes the design of embedded system for measuring surface temperatures and presents complete solution from a selection of sensor to the implementation of software for temperature displaying. The opening chapter describes a motivation for the development of this system, as well as the theoretical introduction of contactless measurement, definitions of necessary terms and list of available technologies. Then follows a choice of the sensor, suitable platform and device design with a description of physical and link layer of OSI/ISO model. In the next chapter programm solution of measurement system is stated, where used interfaces and peripherals are listed as well as implementation of the programm for graphical displaying of data. The last chapter is devoted to experimental measurements using designed device and infrared camera, which allows us to get a better idea of the temperature surface profile of the tires.

Dˇekuji Ing. Janu Sobotkovi za odborné veden´ı, cenné rady a za trpˇelivost, Ing. Janu Sovovi za vˇecné pˇripom´ınky a zap˚ ujˇcen´ı mˇeˇric´ı techniky a své rodinˇe za plnou podporu pˇri studiu.

Obsah

Obsah

a

´ 1 Uvod 1.1 Mˇeˇren´ı teploty pneumatik závodn´ıho vozu . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Geometrie podvozku a adheze pneumatiky . . . . . . . . . . 1.1.2 Bezkontaktn´ı mˇeˇren´ı povrchové teploty pneumatiky . . . .

1 2 2 3

2 Bezkontaktn´ı mˇ eˇ ren´ı teploty 2.1 Termodynamick´ a teplota . . . . . . . . 2.2 Z´ akladn´ı pyrometrické veliˇciny . . . . 2.2.1 Emisivita . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Pohltivost . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Prostupnost . . . . . . . . . . . 2.2.4 Odraznost . . . . . . . . . . . . 2.3 Z´ akony z´ aˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Planck˚ uv vyzaˇrovac´ı zákon . . 2.3.2 Wien˚ uv z´ akon . . . . . . . . . 2.3.3 Wien˚ uv posunovac´ı zákon . . . 2.3.4 Stefan-Boltzmann˚ uv zákon . . 2.3.5 Lambert˚ uv z´ akon . . . . . . . . 2.3.6 Kirchhoff˚ uv z´ akon . . . . . . . 2.4 Z´ aklady pyrometrie . . . . . . . . . . . 2.4.1 N´ avrh a konstrukce pyrometr˚ u 2.4.2 Mˇeˇren´ı teplotn´ıch pol´ı . . . . . 2.5 Charakteristiky senzor˚ u teploty . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

5 5 5 5 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 10 12 13 14

3 Hardware 3.1 Senzor MLX90614 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 V´ yvojov´ y kit STM32VL Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 System management bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 18 18

a

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . .

b

OBSAH

3.4 3.5

Rozhran´ı USART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Rozhran´ı SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4 Software 4.1 Inicializace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Rozhran´ı USART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 System management bus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ 4.3.1 Cten´ ı dat ze senzoru MLX90614 . . . . . . . . . . 4.3.2 Z´ apis dat do pamˇeti EEPROM senzoru MLX90614 4.4 Rozhran´ı SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Modul FatFS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Program pro zobrazen´ı namˇeˇren´ ych dat . . . . . . . . . . 5 Experiment´ aln´ı ˇ c´ ast 5.1 Urˇcen´ı emisivity pneumatiky . . . . . . . . 5.2 Kalibrace senzor˚ u. . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Teplotn´ı profil pneumatiky pˇri závodn´ı j´ızdˇe 5.4 Um´ıstˇen´ı sn´ımaˇc˚ u na z´ avodn´ım voze . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . .

21 21 22 22 22 24 24 25 27

. . . .

29 29 31 32 33

6 Z´ avˇ er

35

Literatura

37

A Sch´ ema mˇ eˇ ric´ıho zaˇ r´ızen´ı

39

B Specifikace sbˇ ernice SMBus 41 B.1 EEPROM senzoru MLX90614 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Seznam zkratek

45

Seznam obr´ azk˚ u

46

Seznam tabulek

47

Kapitola 1

´ Uvod

Zadán´ı této pr´ ace vzniklo v elektrotechnické podskupinˇe studentského projektu CTU CarTech, kter´ y je sloˇzen ze student˚ u fakulty strojn´ı a fakulty elektrotechˇ nické na CVUT v Praze. Tento t´ ym se zab´ yvá v´ yrobou závodn´ıho vozu, se kter´ ym se poté u ´ˇcastn´ı soutˇeˇze Formula Student/SAE. Formula Student/SAE je soutˇeˇz s v´ıce neˇz 30letou histori´ı. Je urˇcena pˇredevˇs´ım pro studenty vysok´ ych ˇskol technického typu. Jej´ım c´ılem je návrh závodn´ıho vozu formulového typu (viz Obr. 1.1) a v´ yroba jednoho prototypu. Soutˇeˇz je rozdˇelena na dvˇe hlavn´ı ˇc´ asti a tˇemi jsou statické a dynamické discipl´ıny. V prvn´ı ˇcásti je mimo jiné hodnocen n´ avrh, konstrukce, technické proveden´ı a v´ yrobn´ı náklady vozu. V druhé ˇc´ asti prototyp absolvuje nˇekolik druh˚ u závodn´ıch trat´ı a c´ılem je dos´ ahnout co nejlepˇs´ıho ˇcasu. Pˇri dynamick´ ych discipl´ınách tedy maj´ı t´ ymy moˇznost pˇr´ımého porovn´ an´ı své formule s konkurenc´ı. Kaˇzdá discipl´ına je bodovˇe ohodnocena a v´ıtˇezem se st´ av´ a t´ ym s nejvˇetˇs´ım poˇctem z´ıskan´ ych bod˚ u.

Obr´ azek 1.1: Prototyp FS.03 [1]

1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

1.1

Mˇ eˇren´ı teploty pneumatik z´ avodn´ıho vozu

Závodn´ı automobily obsahuj´ı celou ˇradu sn´ımaˇc˚ u pro mˇeˇren´ı teploty (napˇr. teplota vody, oleje, vzduchu), tlaku (napˇr. tlak v brzdové soustavˇe, tlak paliva), polohy (napˇr. u ´hel natoˇcen´ı ˇskrt´ıc´ı klapky a volantu, poloha propruˇzen´ı tlumiˇc˚ u) a mnoho dalˇs´ıch. Tyto namˇeˇrené u ´daje se zaznamenávaj´ı pˇredevˇs´ım pro dva hlavn´ı u ´ˇcely: 1. Spr´ avn´ a funkce spalovac´ıho motoru Do této kategorie spadaj´ı veˇskerá mˇeˇren´ı, která vyuˇz´ıvá ˇr´ıdic´ı jednotka motoru pro spr´ avné ˇr´ızen´ı spalovac´ıho procesu a jsou pro toto ˇr´ızen´ı nezbytná. Jako pˇr´ıklad m˚ uˇzeme uvést mˇeˇren´ı rychlosti klikové a/nebo vaˇckové hˇr´ıdele, které slouˇz´ı pro ˇr´ızen´ı ˇcasu vstˇriku a zaˇzehnut´ı smˇesi. Dalˇs´ım pˇr´ıkladem je mˇeˇren´ı tlaku paliva, v jehoˇz závislosti a doby otevˇren´ı vstˇrikovac´ıho ventilu se ˇr´ıd´ı pomˇer smˇesi paliva a vzduchu, která je následnˇe spalována. 2. Diagnostika vozu Pro diagnostiku se vyuˇz´ıvaj´ı vˇsechna dostupná data. Ta slouˇz´ı hlavnˇe k identifikaci pˇr´ıpadného problému (napˇr. pˇrehˇr´ıván´ı motoru) a ke správnému nastaven´ı geometrie podvozku automobilu. Je tedy moˇzno sledovat, jak se v˚ uz chov´ a na z´ avodn´ı trati a podle toho zvolit nejvhodnˇejˇs´ı konfiguraci.

1.1.1

Geometrie podvozku a adheze pneumatiky

Geometrie podvozku (geometrie zavˇeˇsen´ı kol) má zásadn´ı vliv na j´ızdn´ı vlastnosti (stabilita, teplota, opotˇreben´ı a valiv´ y odpor pneumatik, ap.) vozu. Narozd´ıl od klasického automobilu, kde se zvol´ı univerzáln´ı“ konfigurace podvozku, u ge” ometrie zavˇeˇsen´ı kol z´ avodn´ıch voz˚ u je moˇzné provádˇet velmi mnoho nastaven´ı, která z´ avis´ı na povˇetrnostn´ıch podm´ınkách, povrchu závodn´ı trati a v neposledn´ı ˇradˇe také na j´ızdn´ım stylu pilota. Dvˇema hlavn´ımi parametry, které se u zavˇeˇsen´ı mˇen´ı, jsou sb´ıhavost a odklon. Sb´ıhavost (rozb´ıhavost) je u ´hel mezi rovinou kol-

(a) Sb´ıhavost vozu

(b) Odklon vozu

Obr´ azek 1.2: Geometrie zavˇeˇsen´ı kola

ˇ REN ˇ Í TEPLOTY PNEUMATIK ZAVODN ´ ÍHO VOZU 1.1. ME

3

mou na pˇr´ıˇcnou osu kola podélnou osou vozu, viz Obr. 1.2a. Odklon (pˇr´ıklon) je u ´hel mezi vozovkou a rovinou kolmou na pˇr´ıˇcnou osu kola, viz Obr. 1.2b. Spoleˇcnˇe s dalˇs´ımi faktory má nastaven´ı geometrie pˇr´ım´ y d˚ usledek na stav pneumatiky a tedy i na jej´ı v´ yslednou pˇrilnavost. V´ yˇcet hlavn´ıch faktor˚ u je uveden v Tab. 1.1. Pro podporu diagnostiky podvozkové soustavy závodn´ıho vozu jsou ˇcasto do telemetrie zahrnuta mˇeˇren´ı polohy (propruˇzen´ı) tlumiˇc˚ uau ´hel natoˇcen´ı volantu, pomoc´ı kter´ ych je moˇzné pˇresnˇe urˇcit polohu kola v˚ uˇci vozovce. Diagnostika stavu pneumatiky vˇsak vˇetˇsinou spoˇc´ıvá pouze v kontrole tlaku. Provád´ı se také vizuáln´ı kontrola, kter´ a m´ a ale pouze minimáln´ı vypov´ıdac´ı hodnotu, protoˇze povrch pneumatiky se mˇen´ı pˇri kaˇzdém pr˚ ujezdu zatáˇckou a ˇcásteˇcnˇe i pˇri pˇr´ımoˇcaré j´ızdˇe a nen´ı moˇzné ho kontrolovat okamˇzitˇe – jezdec mus´ı zastavit. Posledn´ım telemetrick´ ym u ´dajem je mˇeˇren´ı teploty. Tabulka 1.1: Hlavn´ı faktory ovlivˇ nuj´ıc´ı adhezi pneumatiky Vnitˇrn´ı tlak pneumatiky

Vnitˇrn´ı teplota pneumatiky

Povrchov´ a teplota pneumatiky

1.1.2

Pˇri pˇrehuˇstˇen´ı pneumatiky docház´ı k nadmˇernému opotˇreben´ı stˇredové ˇcásti bˇehounu, pˇri podhuˇstˇen´ı je tomu naopak. Tlak má také vliv na valiv´ y odpor – s rostouc´ım tlakem kles´ a valiv´ y odpor. Pˇri j´ızdˇe postupnˇe roste vnitˇrn´ı teplota a t´ım se zvyˇsuje v´ ysledn´ y tlak. Pro sn´ıˇzen´ı hodnoty teplotn´ıho gradientu se kola pln´ı nam´ısto vzduchu napˇr. dus´ıkem, kter´ y má menˇs´ı tepelnou roztaˇznost. Narozd´ıl od vnitˇrn´ı teploty, která je v celém objemu pomˇernˇe homogenn´ı, povrchová teplota vnitˇrn´ı, stˇredové a vnˇejˇs´ı ˇcásti bˇehounu je rozd´ılná (ˇrádovˇe o jednotky aˇz des´ıtky ◦ C), v´ıce viz sekce 5.3. Pro správnou funkci pneumatiky by teplota od vnitˇrn´ıho k vnˇejˇs´ımu okraji mˇela klesat. Toto rozloˇzen´ı teploty je nejv´ıce ovlivnˇeno geometri´ı zavˇeˇsen´ı kola. Dle zvolené smˇesi má pneumatika nejvyˇsˇs´ı pˇrilnavost pˇri dané teplotˇe. Pokud je teplota niˇzˇs´ı, nen´ı naplno vyuˇzit jej´ı potenciál, pokud se pˇrehˇr´ıvá, docház´ı k nesprávnému sj´ıˇzdˇen´ı (na pneumatice se vytváˇr´ı ˇzmolky), coˇz má vliv nejen na adhezi, ale také na ˇzivotnost.

Bezkontaktn´ı mˇ eˇren´ı povrchov´ e teploty pneumatiky

Vnitˇrn´ı teplota pneumatiky nen´ı zcela zásadn´ı a jej´ı mˇeˇren´ı se velmi ˇcasto neprov´ ad´ı, jelikoˇz je prim´ arnˇe d˚ uleˇzit´ y vnitˇrn´ı tlak. Povrchov´ a teplota se mˇeˇr´ı nejménˇe ve tˇrech bodech napˇr´ıˇc pneumatikou, tedy na stˇredu a obou kraj´ıch bˇehounu. Jsme tak schopni kontrolovat správnou provozn´ı teplotu a pˇredevˇs´ım rozloˇzen´ı teploty od vnitˇrn´ıho k vnˇejˇs´ımu okraji. Toto

´ KAPITOLA 1. UVOD

4

mˇeˇren´ı se prov´ ad´ı dvˇema zp˚ usoby – s pouˇzit´ım kontaktn´ıch nebo bezkontaktn´ıch senzor˚ u teploty. Porovn´ an´ı v´ yhod a nev´ yhod obou metod je v Tab.1.2. Tabulka 1.2: Porovn´ an´ı kontaktn´ıho a bezkontaktn´ıho mˇeˇren´ı teploty + – + – – +

Kontaktn´ı mˇeˇren´ı jednoduch´ a realizace mˇeˇren´ı teploty nemoˇznost sledov´ an´ı teploty za j´ızdy (onboard) pˇresnost vyˇzaduje obsluhu pˇri kaˇzdém mˇeˇren´ı nemoˇznost mˇeˇren´ı rychl´ ych zmˇen teploty cena senzoru

– + – + + –

Bezkontaktn´ı mˇeˇren´ı sloˇzitˇejˇs´ı realizace mˇeˇren´ı teploty moˇznost mˇeˇren´ı teploty rotuj´ıc´ıho tˇelesa menˇs´ı pˇresnost moˇznost pˇredzpracován´ı dat pro pozdˇejˇs´ı diagnostiku mal´ y vliv senzoru na mˇeˇren´ y objekt cena senzoru

Kapitola 2

Bezkontaktn´ı mˇ eˇren´ı teploty

Teplota je jednou z fyzik´ aln´ıch veliˇcin, kterou nikdy nelze mˇeˇrit pˇr´ımo. K jej´ımu mˇeˇren´ı tedy mus´ıme vˇzdy vyuˇz´ıt jeden z mnoha fyzikáln´ıch princip˚ u, jako napˇr. zmˇena elektrického odporu vodiˇc˚ u a polovodiˇc˚ u, vznik napˇet´ı nebo teplotn´ı roztaˇznost l´ atek. U bezdotykového mˇeˇren´ı teploty vyuˇz´ıváme faktu, ˇze kaˇzdé tˇeleso, které m´ a teplotu vˇetˇs´ı neˇz 0 K (viz Odst. 2.1), vyzaˇruje urˇcité mnoˇzstv´ı elektromagnetického z´ aˇren´ı. Bezdotykové mˇeˇren´ı (infraˇcervená termometrie, pyrometrie) pokr´ yv´ a rozsah vlnov´ ych délek od 0,4 µm do 25 µm, coˇz odpov´ıdá teplotám ◦ ◦ od −40 C do +10 000 C [2].

2.1

Termodynamick´ a teplota

Namˇeˇrenou teplotu budeme vyjadˇrovat v termodynamické teplotn´ı stupnici popˇr. ve stupn´ıch Celsia. Termodynamick´ a teplota je odvozena z u ´ˇcinnosti vratného tepelného stroje (Carnot˚ uv ide´ aln´ı stroj), jej´ı jednotkou je kelvin (K). Definice: Jeden kelvin je 273,16t´ y d´ıl termodynamické teploty trojného bodu vody.

2.2

Z´ akladn´ı pyrometrick´ e veliˇ ciny

V této sekci jsou uvedeny z´ akladn´ı veliˇciny z oblasti bezkontaktn´ıho mˇeˇren´ı teploty, viz Tab. 2.1 a veliˇciny od nich odvozené.

2.2.1

Emisivita M = = M0

Z

∞

Z (λ, T )M0λ dλ 0

0

5

∞

−1 M0λ dλ

(2.1)

ˇ REN ˇ Í TEPLOTY KAPITOLA 2. BEZKONTAKTNÍ ME

6

ˇ Tabulka 2.1: Veliˇciny dle CSN ISO 31-6 [2] veliˇcina

znaˇcka

záˇriv´ y tok

Φ

intenzita vyzaˇrov´ an´ı

M

spektr´ aln´ı hustota intenzity vyzaˇrov´ an´ı

Mλ

záˇrivost

I

záˇr

L

Spektr´ aln´ı hustota z´ aˇre

Lλ

intenzita ozáˇren´ı

E

M0 M0 λ

2.2.2

jednotka W W·m−2 W·m−3

W·sr−1

W·sr−1 · m−2

W·sr−1 · m−3 W·m2

intenzita vyzaˇrov´ an´ı ˇcerného tˇelesa spektr´ aln´ı hustota intenzity vyzaˇrován´ı ˇcerného tˇelesa

Pohltivost αλ = α =

αλ α Φa Φd

definice v´ ykon pˇrenáˇsen´ y záˇren´ım (vys´ılan´ y nebo pˇrij´ıman´ y) pod´ıl záˇrivého toku vycházej´ıc´ıho z elementu povrchu a plochy tohoto povrchu pod´ıl intenzity vyzaˇrován´ı v malém intervalu vlnov´ ych délek a tohoto intervalu pod´ıl záˇrivého toku vycházej´ıc´ıho ze zdroje nebo jeho elementu do elementárn´ıho prostorového u ´hlu a tohoto prostorového u ´hlu pod´ıl záˇrivosti elementu povrchu a plochy kolmého pr˚ umˇetu tohoto elementu do roviny kolmé k danému smˇeru pod´ıl záˇre v malém intervalu vlnov´ ych délek a tohoto intervalu pod´ıl záˇrivého toku dopadaj´ıc´ıho na element povrchu a plochy tohoto elementu

Φλa Φλd Z ∞ −1 Z ∞ Φa = Φλa αλ dλ · Φλd dλ Φd 0 0

spektr´ aln´ı pohltivost pro danou vlnovou délku pohltivost v u ´hrnném spektru vlnov´ ych délek pohlcen´ y z´ aˇriv´ y tok dopadaj´ıc´ı z´ aˇriv´ y tok

(2.2) (2.3)

´ ´ REN ˇ Í 2.3. ZAKONY ZA

2.2.3

Prostupnost τλ = τ

τλ τ Φt Φd

2.2.4

7

=

Φλt Φλd Z ∞ −1 Z ∞ Φt Φλt τλ dλ · Φλd dλ = Φd 0 0

(2.4) (2.5)

spektr´ aln´ı propustnost pro danou vlnovou délku propustnost v u ´hrnném spektru vlnov´ ych délek prostupuj´ıc´ı z´ aˇriv´ y tok dopadaj´ıc´ı z´ aˇriv´ y tok

Odraznost ρλ = ρ =

Φλr Φλd Z ∞ −1 Z ∞ Φr = Φλr ρλ dλ · Φλd dλ Φd 0 0

τλ τ Φr Φd

spektr´ aln´ı odraznost pro danou vlnovou délku odraznost v u ´hrnném spektru vlnov´ ych délek odraˇzen´ y z´ aˇriv´ y tok dopadaj´ıc´ı z´ aˇriv´ y tok

2.3

Z´ akony z´ aˇren´ı

(2.6) (2.7)

Tato sekce je volnˇe pˇrevzata z publikace [2]. Vˇsechny n´ıˇze popsané zákony budou pops´ any pro tzv. ˇcerné tˇeleso. Absolutnˇe ˇcerné tˇeleso je schopné absorbovat veˇskeré dopadaj´ıc´ı elektromagnetické záˇren´ı, a poté vyzáˇr´ı v závislosti na teplotˇe maxim´ aln´ı mnoˇzstv´ı energie (nezávislé na pouˇzitém materiálu). Veliˇciny s indexem 0“ se vztahuj´ı k ˇcernému tˇelesu. ”

2.3.1

Planck˚ uv vyzaˇrovac´ı z´ akon 2πhc2

M0λ = λ5

M0λ c

·

e

hc λkT

!= −1

c c12 λT 5 λ · e −1

spektr´ aln´ı hustota vyzaˇrován´ı rychlost svˇetla (c = 299 792 458 ms−1 )

(2.8)


8

k h c1 c2 λ T

2.3.2

Boltzmannova konstanta (k = 1, 380 658 · 10−23 J · kg−1 ) Planckova konstanta (h = 6, 626 076 J · s) prvn´ı vyzaˇrovac´ı konstanta c1 = 2πhc2 = (3, 741 775 ± 0, 000 002) · 10−16 W · m−2 druh´ a vyzaˇrovac´ı konstanta c2 = hck −1 = (1, 438 769 ± 0, 000 012) · 10−2 m · K vlnov´ a délka (m) teplota ˇcerného tˇelesa (K)

Wien˚ uv z´ akon

Pro teploty niˇzˇs´ı neˇz 3 000 ◦ C jsou splnˇeny podm´ınky c2

e λT >> 1

resp.

λT < 0, 1c2 ,

(2.9)

Planck˚ uv z´ akon lze tedy vyj´ adˇrit jednoduˇsˇs´ım vztahem, ˇc´ımˇz se dopust´ıme odchylky menˇs´ı neˇz 1 %. c2

M0λ = c1 λ−5 · e− λT

2.3.3

(2.10)

Wien˚ uv posunovac´ı z´ akon

Z rovnice (2.11) z´ akona vypl´ yvá, ˇze se maximum spektráln´ı hustoty intenzity vyzaˇrov´ an´ı s rostouc´ı teplotou posouvá ke kratˇs´ım vlnov´ ym délkám. λmax · T = 2 898 µmK

(2.11)

Tento jev je zn´ azornˇen na Obr. 2.1

2.3.4

Stefan-Boltzmann˚ uv z´ akon

Tento z´ akon ud´ av´ a intenzitu vyzaˇrován´ı v celém rozsahu vlnov´ ych délek pro danou termodynamickou teplotu T . Z M0 =

∞

M0λ dλ = σ · T 4

(2.12)

0

σ = (5, 670 510 ± 0, 000 019) · 10−8 Wm−2 K−4 Ω0 = 1 sr.

2.3.5

Lambert˚ uv z´ akon

Lambert˚ uv z´ akon n´ am ˇr´ık´ a, ˇze z´ aˇr L ideáln´ıho ploˇsného zdroje tepelného záˇren´ı je stejná ve vˇsech smˇerech. Pˇr´ım´ ym d˚ usledkem tohoto zákona je závislost záˇrivosti

´ ´ REN ˇ Í 2.3. ZAKONY ZA

9

Obr´ azek 2.1: Spektr´ aln´ı hustota intenzity vyzaˇrován´ı ˇcerného tˇelesa [2]

I na u ´hlu, kter´ y sv´ır´ a smˇer pozorován´ı s kolmic´ı k rovinˇe zdroje (smˇer normály n), takˇze plat´ı Iϕ Iϕ In = = = konst. ∆S ∆S cos ϕ ∆Sn = In cos ϕ

Lϕ =

(2.13)

Iϕ

(2.14)

Hodnota In pˇredstavuje maximáln´ı hodnotu záˇrivosti ve smˇeru kolmice. Tˇelesa, pro kter´ a plat´ı (2.13) se oznaˇcuj´ı jako kosinové záˇriˇce. Pro kosinov´ y záˇriˇc plat´ı pro z´ aˇren´ı do poloprostoru vztah L0λ =

M0λ , Ω0 π

(2.15)

kde Ω0 = 1 sr.

2.3.6

Kirchhoff˚ uv z´ akon

Rov. (2.16) uv´ ad´ı, ˇze pomˇer intenzity vyzaˇrován´ı tepelného záˇriˇce k pohltivosti závis´ı jen na termodynamické teplotˇe tˇelesa a nezávis´ı tedy na jeho chemickém sloˇzen´ı, u ´pravˇe povrchu a oxidaci. Pro ˇcerné tˇeleso je pohltivost rovna jedné a intenzita vyzaˇrov´ an´ı je pouze funkc´ı termodynamické teploty. M = f (T ) α

(2.16)


10

2.4

Z´ aklady pyrometrie

Pracovn´ı rozsah pyrometr˚ u se vˇetˇsinou pohybuje mezi 2-14 µm, tedy v infraˇcerveném spektru. V tomto rozsahu jsou tzv. atmosférická okna“, ve kter´ ych ” atmosféra relativnˇe dobˇre propouˇst´ı elektromagnetické záˇren´ı. Okno 1 (2–2,5 µm) a okno 2 (3,5–4 µm) se vyuˇz´ıv´ a pro mˇeˇren´ı vysok´ ych teplot (nad 1000 ◦ C). Okno 3 (8–14 µm) vyuˇz´ıv´ ame pro mˇeˇren´ı teplotn´ıho rozsahu -50–600 ◦ C. Atmosférická okna jsou zn´ azornˇena na Obr. 2.2.

Obr´ azek 2.2: Atmosférická okna [2] Celkov´ a vyz´ aˇren´ a energie dopadaj´ıc´ı na detektor je kombinac´ı tˇr´ı druh˚ u radiace, viz Obr. 2.3. Jelikoˇz mˇeˇren´ y objekt nen´ı ˇcerné tˇeleso, vzniká nejistota mˇeˇren´ı. Ta vˇsak nez´ avis´ı pouze na l´ atce ˇci materiálu mˇeˇreného objektu, ale také napˇr. na velikosti, jeho tvaru, hrubosti povrchu a mˇeˇric´ım u ´hlu. 1. Radiace okol´ı 2. Radiace odraˇzen´ a od mˇeˇreného tˇelesa (v obr´ azku vyznaˇcena pˇreruˇsovanou ˇsipkou) 3. Radiace mˇeˇreného tˇelesa

Obrázek 2.3: Druhy radiace Dalˇs´ım zdrojem nejistot je napˇr. u ´bytek vyzáˇrené energie bˇehem pˇrenosu z mˇeˇreného objektu do senzoru. Seznam faktor˚ u zp˚ usobuj´ıc´ıch nejistoty mˇeˇren´ı teploty je uveden v Tab. (2.2) [3]. Jak je zobrazeno na Obr. 2.1, m´ıra pohltivosti záˇren´ı v atmosféˇre je závislá na vlnové délce. Pyrometry jsou proto konstruovány tak, aby mˇeˇrily v pásmu, kde je pohltivost minim´ aln´ı. Z toho d˚ uvodu rozliˇsujeme nˇekolik základn´ıch druh˚ u pyrometr˚ u, liˇs´ıc´ıch se pouˇzitou metodou mˇeˇren´ı [3], [4].

´ 2.4. ZAKLADY PYROMETRIE

Druh chyby Chyby zp˚ usobené mˇeˇren´ ym pˇredmˇetem Chyby zp˚ usobené mˇeˇren´ım

Chyby zp˚ usobené pyrometrem

11

Ovlivˇ nuj´ıc´ı faktor materiál, tvar, um´ıstˇen´ı v prostoru emisivita, propustnost a odrazivost objektu smˇerová závislost, polarizace záˇren´ı struktura povrchu, barva, mastnota atp. tlak a vlhkost vzduchu v´ yskyt plyn˚ u a aerosol˚ u teplota prostˇred´ı a pozad´ı mˇeˇreného objektu vzd´ alenost mezi senzorem a mˇeˇr. objektem citlivost, teplotn´ı rozliˇsovac´ı schopnost ˇs´ıˇrka a poloha spektráln´ı oblasti nesprávné urˇcen´ı ε, λ, teploty pláˇstˇe senzoru poloha senzoru, parametry cejchovn´ıho záˇriˇce

Tabulka 2.2: Chyby ovlivˇ nuj´ıc´ı pˇresnost mˇeˇren´ı

1. Mˇeˇren´ı celkové radiace. Tyto pyrometry pracuj´ı s velkou ˇs´ıˇrkou pásma. Jedn´ a se o levné ˇreˇsen´ı, které poskytuje relativnˇe dobrou citlivost. Jsou vˇsak citlivé na sluneˇcn´ı a umˇelé svˇetlo. Celkovou hodnotu energie vyzáˇrené tˇelesem vypoˇc´ıt´ ame dle Stefan-Boltzmannova zákona (viz Odst. 2.3.4: Z ∞ W (T ) = W (T, λ)dλ = εσT 4 0

2. jednop´ asmov´ a pyrometrie. Zvol´ıme dnˇe r˚ uzné vlnové délky a vyjádˇr´ıme pod´ıl z celkové vyz´ aˇrené energie: Z

λ2

W (T ) =

W (T, λ)dλ λ1

Tento senzor je vˇetˇsinou konstruován pro konkrétn´ı aplikaci na mˇeˇren´ı jednoho typu materi´ alu nebo pro mˇeˇren´ı vysok´ ych teplot. 3. Spektr´ aln´ı pyrometrie. Ideáln´ı pyrometr tohoto druhu mˇeˇr´ı vyzáˇrenou energii na jedné konkrétn´ı vlnové délce (Planck˚ uv vyzaˇr. zákon, viz Odst. 2.3.1): C1 · ε

Wλ (T ) = λ5 ·

e

C2 λ·T

! −1

4. Pomˇerov´ a spektr´ aln´ı pyrometrie. Jedná se o spektráln´ı pyrometr mˇeˇr´ıc´ı intenzitu z´ aˇren´ı na dvou vlnov´ ych délkách a jeho v´ ystupem je tedy pomˇer intenzit: He (T, λ2 ) R(T, λ) = He (T, λ1 )


12

V´ yhodou tˇechto senzor˚ u je, ˇze pokud je v´ ystupn´ı pomˇer konstantn´ı, nezávis´ı na emisivitˇe mˇeˇreného objektu. V praxi jsou proto vhodné pro mˇeˇren´ı n´ızk´ ych teplot. 5. Pomˇerov´ a p´ asmov´ a pyrometrie. V tomto pˇr´ıpadˇe mˇeˇr´ıme pomˇer pod´ıl˚ u z celkové vyz´ aˇrené energie, coˇz vyjadˇruje vztah: R(T, λ) =

He (T, ∆λ2 ) He (T, ∆λ1 )

6. Kombinac´ı pomˇer˚ u intenzit na tˇrech a v´ıce vlnov´ ych délkách dostaneme dalˇs´ı typ senzoru – multispektráln´ı pyrometr, obdobnˇe kombinac´ı pomˇer˚ u intenzit na tˇrech a v´ıce vlnov´ ych pásmech dostáváme v´ıcepásmov´ y pyrometr.

2.4.1

N´ avrh a konstrukce pyrometr˚ u

Jak jiˇz bylo uvedeno v´ yˇse, pyrometr pˇrij´ımá tepelnou radiaci mˇeˇreného objektu. Tato radiace b´ yv´ a soustˇredˇena do jednoho bodu – detektoru, a to pomoc´ı optické ˇcoˇcky nebo soustavy ˇcoˇcek. Detektor poté radiaci pˇremˇen´ı na elektrick´ y signál, kter´ y je vstupem do procesoru (mikrokontroleru). Procesor signál dále zpracuje a vytvoˇr´ı v´ ystupn´ı signál, kter´ y je odes´ılán napˇr. do pamˇeti, poˇc´ıtaˇce nebo z´ aznamového zaˇr´ızen´ı. Detektory V mˇeˇric´ıch zaˇr´ızen´ıch se nejv´ıce pouˇz´ıvaj´ı termoelektrické, pyroelektrické a kvantové (fotoelektrické) detektory. Pˇresnost vˇsech tˇechto typ˚ u detektor˚ u je silnˇe ovlivnˇena okoln´ı teplotou, proto pro pˇresné mˇeˇren´ı mus´ı b´ yt teplotn´ı zmˇeny okol´ı kompenzov´ any. Termoelektrické detektory jsou nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ ym typem detektor˚ u. Jsou zahˇr´ıvány dopadaj´ıc´ı tepelnou energi´ı a s vyuˇzit´ım termoelektrick´ ych jev˚ u generuj´ı v´ ystupn´ı napˇet´ı. Oproti ostatn´ım typ˚ um detektor˚ u maj´ı menˇs´ı citlivost. B´ yvaj´ı ˇcasto pokryty ˇcernou barvou a proto absorbuj´ı záˇren´ı v ˇsirokém spektru vlnov´ ych délek. Mohou m´ıt relativnˇe pomalou odezvu, jelikoˇz pˇri zmˇenˇe teploty mˇeˇreného objektu mus´ı vˇzdy dosáhnout (nového) tepelného ekviˇ ı se mezi nˇe termoˇclánková Obr´ azek 2.4: Termoˇcl´ ankov´ a baterie [2] libria. Rad´

´ 2.4. ZAKLADY PYROMETRIE

13

baterie a bolometr. Termoˇcl´ anková baterie se skládá z jednoho ˇci v´ıce termoˇcl´ ank˚ u, které jsou spolu sériovˇe propojeny. Pˇri pouˇzit´ı tohoto detektoru vˇsak mus´ıme kompenzovat vliv teploty okoln´ıho prostˇred´ı. Z toho d˚ uvodu se pˇri konstrukci ˇcasto pouˇz´ıvá sn´ımaˇc srovnávac´ı teploty v kombinaci s vakuovou baˇ nkou, do které je detektor um´ıstˇen. V´ ystupem termoˇclánkové baterie je napˇet´ı (mV), doba odezvy se pohybuje v ˇrádech milisekund. Bolometr je neselektivn´ı detektor IR záˇren´ı, kter´ y pro svou funkci vyuˇz´ıvá princip˚ u odporov´ ych senzor˚ u teploty, tj. s mˇen´ıc´ım se mnoˇzstv´ım dopadaj´ıc´ı tepelné energie se mˇen´ı odpor bolometru. Vˇetˇsinou b´ yvá konstruován jako tenk´ a vrstva oxid˚ u hoˇrˇc´ıku, niklu, manganu atp. nanesen´ a na nevodivé tenké podloˇzce. Fotoelektrické (kvantové) detektory vyuˇz´ıvaj´ı principu fotoelektrického jevu, tj. pˇri dopadu foton˚ u, které interaguj´ı se strukturou detekObrázek 2.5: Bolometr [2] toru polovodiˇce) doch´ az´ı k uvolˇ nován´ı elektron˚ u. V závislosti na pouˇzitém materiálu se bud’ mˇen´ı vodivost detektoru (sulfid olovnat´ y, selenid olovnat´ y) nebo detektor pˇr´ımo generuje elektrické napˇet´ı (antimonid kˇrem´ıku, india a germania). Kvantové detektory pracuj´ı v u ´zkém pásmu vlnov´ ych délek (pˇribliˇznˇe v p´ asmu 0,4–3 µm, závis´ı na pouˇzitém materiálu), ale pro nˇekteré aplikace jsou vhodnˇejˇs´ı neˇz termoelektrické detektory, jelikoˇz maj´ı 1000–100 000 kr´ at vyˇsˇs´ı citlivost [5]. Pyroelektrické detektory vyuˇz´ıvaj´ı principu pyroelektrického jevu, tj. detekuj´ı zmˇenu spont´ ann´ı polarizace pˇri zmˇenˇe teploty. Pyroelektrika se ˇrad´ı mezi dielektrika, uvaˇzujeme tedy pouze polarizaci dielektrik. Aby doˇslo ke zmˇenˇe polarizace, mus´ı b´ yt vstupn´ı IR z´ aˇren´ı modulováno. Modulace se provád´ı pomoc´ı motoru nebo oscil´ atoru s clonou, kter´ a stˇr´ıdavˇe zatemˇ nuje a propouˇst´ı IR záˇren´ı k detektoru. D´ıky tomu doch´ az´ı ke zmˇenˇe elektrického potenciálu detektoru. Právˇe zmˇena elektrického potenci´ alu je v´ ystupem tohoto detektoru.

2.4.2

Mˇ eˇren´ı teplotn´ıch pol´ı

Termografie (nˇekdy nespr´ avnˇe oznaˇcována jako termovize) se pouˇz´ıvá v pˇr´ıpadˇe, chceme-li ploˇsnˇe“ mˇeˇrit ” teplotu povrchu tˇeles. Termografické kamery pro svou funkci vyuˇz´ıvaj´ı stejné principy, jako detektory v sekci 2.4.1. IR z´ aˇren´ı zachycované termokamerou dopad´ a na speciáln´ı Obrázek 2.6: Mikrobolometr [2] sn´ımaˇc, kter´ y je v pˇr´ıpadˇe klasick´ ych termokamer konstruován jako sou-


14

stava do matice uspoˇr´ adan´ ych mikrobolometr˚ u. Rozliˇsen´ı senzoru se pohybuje od 60 x 60 do 640 x 480 bod˚ u [2]. Dalˇs´ı moˇznost ploˇsného sn´ımán´ı teploty je rozloˇzen´ı obrazu do ˇrádek a bod˚ u pomoc´ı soustavy optick´ ych ˇcoˇcek, zrcadel a hranol˚ u, které soustˇred´ı IR záˇren´ı na kvantov´ y detektor.

2.5

Charakteristiky senzor˚ u teploty

Vlastnosti teplotn´ıch sn´ımaˇc˚ u dˇel´ıme do dvou základn´ıch skupin: 1. Statické To jsou takové charakteristiky, u kter´ ych vyjadˇrujeme závislost mezi pˇrev´ adˇenou a mˇeˇrenou veliˇcinou (napˇr. napˇet´ı pˇrevád´ıme na teplotu), a to v ˇcasovˇe ust´ aleném stavu. Ideáln´ı statická charakteristika má pˇrenos pˇrenos prvn´ıho ˇr´ adu, m´ a tedy pˇredpis funkce y = k · x. Konstanta k se oznaˇcuje jako citlivost senzoru. Re´ aln´ y senzor vˇsak nikdy nemá zcela ideáln´ı statickou pˇrevodn´ı charakteristiku, ta je tedy popsána funkc´ı vyˇsˇs´ıho ˇrádu a citlivost je definov´ ana jako ∆y df (x) k = lim = . ∆x→0 ∆x dx U bezdotykov´ ych sn´ımaˇc˚ u rozliˇsujeme integráln´ı citlivost (2.17), spektráln´ı citlivost (2.18) a relativn´ı spektráln´ı citlivost (2.19). k = kλ = sλ =

U (V · W−1 ) Φ U (V · W−1 ) Φλ kλ (−) kλ,max

(2.17) (2.18) (2.19)

Pr´ ah citlivosti je hodnota mˇeˇrené veliˇciny, pˇri n´ıˇz na v´ ystupu senzoru je sign´ al odpov´ıdaj´ıc´ı efektivn´ı hodnotˇe integráln´ıho ˇsumového napˇet´ı senzoru us . Pro napˇet’ov´ y v´ ystupn´ı signál ut je práh citlivosti senzoru teploty dán vztahem q ut =

u2s .

Dalˇs´ımi charakteristikami jsou NEP, coˇz je zkratka pro Noise Equivalent ” Power“ (2.20), a detektivita (2.21). NEP udává záˇriv´ y tok, pˇri kterém je hodnota v´ ystupn´ıho sign´ alu U rovna efektivn´ı hodnotˇe spektráln´ı hustoty ˇsumového napˇet´ı v ˇs´ıˇrce frekvenˇcn´ıho pásma ∆f . 1

1

NEP = Φ · ut · U −1 · (∆f )− 2 (W · Hz− 2 ) D = NEP−1

(2.20) (2.21)

˚ TEPLOTY 2.5. CHARAKTERISTIKY SENZORU

15

ˇ Casto pouˇz´ıvan´ a charakteristika je také normovaná specifická detektivita, kter´ a je nez´ avisl´ a na citlivé ploˇse detektoru záˇren´ı S a je definovaná jako √ D∗ = D S . (2.22) Nyn´ı m˚ uˇzeme definovat SNR, neboli Signal to Noise Ratio“. SNR vyjadˇruje ” vztah (2.23). ΦD∗ SNR = √ . (2.23) S∆f Z charakteristik m˚ uˇzeme dále uvést dynamick´ y rozsah, reprodukovatelnost a rozliˇsitelnost. Dynamick´ y rozsah senzoru teploty je interval, jehoˇz spodn´ı hranice je d´ ana prahem citlivosti senzoru a horn´ı hranice je dána maxim´ aln´ı hodnotou mˇeˇrené veliˇciny. Reprodukovatelnost je dána odchylkou namˇeˇren´ ych hodnot pˇri konstantn´ıch podm´ınkách mˇeˇren´ı (teplota mˇeˇreného objektu, okoln´ı ruˇsen´ı atp.). Rozliˇsitelnost senzoru je pomˇer vˇerohodné mˇeˇrené hodnoty a prahu citlivosti [2]. 2. Dynamické Dynamické vlastnosti vyjadˇruj´ı, jak se mˇeˇrená hodnota na v´ ystupu senzoru mˇen´ı v ˇcase. To vˇetˇsinou znázorˇ nujeme graficky tzv. pˇrechodovou charakteristikou (odezva na jednotkov´ y skok), popˇr. rychlostn´ı charakteristikou (odezva na rampu). Obˇe tyto charakteristiky vˇetˇsinou popisujeme diferenci´ aln´ımi rovnicemi prvn´ıho a druhého ˇrádu. Rovnice pˇrenosu prvn´ıho ˇr´ adu m´ a tvar (2.24), kde t je ˇcas a τ je ˇcasová konstanta definovaná jako 0, 632 z ust´ alené hodnoty. Mˇeˇrenou hodnotu povaˇzujeme za ustálenou, pokud se pohybuje v rozmez´ı ±5 % od poˇzadované hodnoty. Doba ustálen´ı je Ts,5% = 0, 05 · ymax . t y(t) = 1 − e− τ (2.24) ymax

Obr´ azek 2.7: Pˇrechodov´ y dˇej prvn´ıho ˇrádu

Kapitola 3

Hardware

3.1

Senzor MLX90614

V dneˇsn´ı dobˇe existuje na trhu mnoho v´ yrobc˚ u a distributor˚ u senzor˚ u teploty, vyb´ırali jsme tedy z portfolia celkem dvaceti dev´ıti firem. Pˇri v´ ybˇeru sn´ımaˇce Tabulka 3.1: Z´ akladn´ı informace o sn´ımaˇci MLX90614 V´ yrobce

Melexis

GE-MCS

PerkinElmer

90614-ESF-ACF

ZTP-135SR

A2TPMI334-L5.5

Mˇeˇric´ı rozsah (◦ C)

–70–380

–20–100

–20–120

Vlnov´ y rozsah (um)

5,5–14

4,5–14,5

7,5–13,5

FOV (zorné pole) (◦ )

10

40

7

Hmotnost (g)

1,5

neudává se

neudává se

Nap´ ajen´ı (V)

4,5–5,5

neudává se

4,5–5,5

V´ ystup (A/D)

digitáln´ı

analogov´ y

analogov´ y

PWM, SMBus

nen´ı

SPI

Typ

Komunikaˇcn´ı rozhran´ı − 21

10−10

neudává se

neudává se

1, 35 · 1010

neudává se

32

32

38

ˇ Casov´ a konstanta (s)

0,06–7 (Tab. B.2)

0,025

0,025

Kompenzace teploty okol´ı

ano

ano

ano

NEP (W · Hz

)

1 2

D* (m · Hz · W−1 ) 1 ˇ Sum. napˇet´ı (nV · Hz 2 )

2, 6 ·

10−9

5, 1 ·

hrály samozˇrejmˇe nejvˇetˇs´ı roli parametry, jako napˇr. mˇeˇric´ı rozsah, vlnov´ y rozsah a FOV (zorné pole). Zjistili jsme vˇsak, ˇze porovnáván´ı sn´ımaˇc˚ u nen´ı jednoduché, protoˇze kaˇzd´ y v´ yrobce má v technickém listu uvedené rozd´ılné u ´daje. 17

18

KAPITOLA 3. HARDWARE

Nav´ıc zde byl relativnˇe velk´ y problém s dostupnost´ı senzoru (napˇr. dlouhé dodac´ı lh˚ uty v ˇr´ adu des´ıtek t´ ydn˚ u nebo nutnost objednán´ı min. 100 ks). Kv˚ uli tomu jsme nemohli pouˇz´ıt senzor od firmy PerkinElmer s oznaˇcen´ım A2TPMI334-L5.5 OAA120, kter´ y byl parametry podobn´ y senzoru MLX90614, ale mˇel zorné pole (FOV) 7◦ , coˇz by bylo pro tuto aplikaci vhodnˇejˇs´ı. Pˇrehled s informacemi o nejvhodnˇejˇs´ıch dostupn´ ych senzorech pro mˇeˇren´ı povrchové teploty pneumatik je uveden v Tab. 3.1. Z tˇechto senzor˚ u jsme nakonec vybrali sn´ımaˇc MLX90614 od firmy Melexis.

3.2

V´ yvojov´ y kit STM32VL Discovery

Jako z´ aklad celého mˇeˇric´ıho zaˇr´ızen´ı jsme zvolili v´ yvojov´ y kit od firmy STMicroelectronics s oznaˇcen´ım STM32VL DISCOVERY. Jedná se o kit z ˇrady Value ” Line“, jehoˇz j´ adrem je procesor ARM Cortex M3 (STM32F100RB). V´ yhodou této v´ yvojové desky je, ˇze jej´ı souˇcást´ı je programátor STLink, pomoc´ı kterého m˚ uˇzeme programovat mikroprocesor i ladit implementovan´ y software, celé zaˇr´ızen´ı m˚ uˇze b´ yt nap´ ajeno z USB portu a piny mikroprocesoru jsou vyvedeny na okraji desky tak, ˇze je moˇzné kit zasadit po drobn´ ych u ´pravách do nepájivého pole. Seznam z´ akladn´ıch informac´ı o kitu je v Tab 3.2. Tabulka 3.2: STM32VL Discovery – základn´ı informace Procesor Vstupn´ı napˇet´ı Frekvence j´ adra procesoru Pouzdro Pamˇet’ FLASH Pamˇet’ RAM DMA Pˇrevodn´ıky poˇcet I/O port˚ u ˇcasovaˇce

3.3

ARM Cortex-M3 32-bit 3,3 nebo 5 V (USB port) 24 MHz LQFP 10x10 mm, 64 pin 128 KB 8 KB 7 kanál˚ u 1x 12-bit A/D, 2x 12-bit D/A 51, (33 je 5 V-tolerantn´ı) 1x 24-bit, 9x 16-bit, 2x watchdog

System management bus

System management bus (SMBus) je sbˇernice, která byla p˚ uvodnˇe vyv´ıjena pro komunikaci mezi inteligentn´ı bateri´ı, nab´ıjeˇckou a mikrokontrolerem, kter´ y ovládal zbytek systému (napˇr. v notebooku), ale dnes se mimo jiné pouˇz´ıvá i k pˇripojen´ı senzor˚ u. V pˇr´ıpadˇe senzoru MLX90614 pˇredstavuje také jedinou moˇznost, jak tento sn´ımaˇc konfigurovat (pˇrepisovat hodnoty registr˚ u v intern´ı pamˇeti EE-

3.4. ROZHRANÍ USART

19

PROM)1 . Je zaloˇzena na principu funkce sbˇernice I2 C. Jej´ı velkou v´ yhodou je skuteˇcnost, ˇze je schopna spolehlivé funkce i ve velmi zaruˇseném prostˇred´ı, napˇr. u PCI konektoru [6]. Zaˇr´ızen´ı mohou b´ yt nap´ ajena z napájen´ı sbˇernice VDD nebo z extern´ıho zdroje, viz Obr. 3.1. Nap´ ajen´ı VDD m˚ uˇze b´ yt od 2,7 do 5,5 V. Linky SMBCLK“ i SM” ”

Obr´ azek 3.1: Topologie SMBus [6] BDAT“ jsou obousmˇerné a jsou pˇripojené k +VDD pˇres pull-up rezistor nebo ke zdroji proudu. Pokud je sbˇernice volná, obˇe linky maj´ı nastavenou u ´roveˇ n high (log. 1). Vˇsechna zaˇr´ızen´ı pˇripojená ke sbˇernici mus´ı b´ yt v zapojen´ı s otevˇren´ ym kolektorem (bipol´ arn´ı tranzistor) nebo s otevˇrenou elektrodou drain (unipolárn´ı tranzistor). Pˇri n´ avrhu by mˇela b´ yt vˇenována zvláˇstn´ı pozornost zapojen´ı vstupu a v´ ystupu vˇsech zaˇr´ızen´ı ve sbˇernici, aby tato zaˇr´ızen´ı nezatˇeˇzovala sbˇernici, pokud jsou neˇcinn´ a. Limitn´ı hodnoty jsou uvedeny v pˇr´ıloze B, Tab. B.1.

3.4

Rozhran´ı USART

Toto zkratkové slovo znamen´ a universal synchronous/asynchronous receiver and ” transmitter“. I pˇres svoji letitost (vznik v 60. letech 20. stolet´ı) je tohoto rozhran´ı v praxi velmi hojnˇe vyuˇz´ıv´ ano kv˚ uli své jednoduchosti. Toto rozhran´ı vyuˇz´ıváme pˇredevˇs´ım pro v´ yvoj programu, jelikoˇz se jedná o velmi jednoduch´ y zp˚ usob, jak mˇeˇric´ı zaˇr´ızen´ı propojit s poˇc´ıtaˇcem a vypisovat na monitoru r˚ uzné hodnoty (napˇr. namˇeˇren´ a data, v´ yjimky v programu). Jelikoˇz vˇetˇsina dneˇsn´ıch poˇc´ıtaˇc˚ u neobsahuje sériov´ y port, mus´ıme vyuˇz´ıt pˇrevodn´ık USB/RS232. Dále mus´ıme kv˚ uli specifikaci sériového portu pˇrevádˇet vstup a v´ ystup discovery kitu do TTL u ´rovn´ı, k ˇcemuˇz vyuˇz´ıv´ ame pˇrevodn´ık ADM232LJN. Jedná se o typ sériové komunikace, ke které jsou potˇreba pouze dva vodiˇce – vys´ılac´ı (Tx) a pˇrij´ımac´ı kanál (Rx). Vˇzdy je spojen vys´ılac´ı kanál prvn´ıho zaˇr´ızen´ı s pˇrij´ımac´ım kanálem druhého. Zapojen´ı pˇrevodn´ıku m˚ uˇzeme vidˇet ve schématu v pˇr´ıloze A na Obr. A.1. 1

Pulznˇe ˇs´ıˇrkov´ a modulace uveden´ a v Tab. 3.1 nem˚ uˇze b´ yt pouˇzita pro konfiguraci senzoru, ale pouze jako v´ ystup.

20

KAPITOLA 3. HARDWARE

V neˇcinnosti je na kan´ alu Tx u tohoto rozhran´ı vˇzdy nastavena u ´roveˇ n high“ ” (log. 1). Komunikaci vˇzdy zahajuje startbit“, poté následuje datov´ y rámec (vˇet” ˇsinou 8 bit˚ u), poté volitelnˇe paritn´ı bit a vys´ılán´ı zakonˇcuje stopbit. Parametry komunikace se mus´ı pˇredem nastavit u obou propojen´ ych zaˇr´ızen´ı. Rychlost komunikace (baudrate) je d´ ana dobou vys´ılán´ı jednoho bitu, viz Obr. 3.2.

ˇ Obr´ azek 3.2: Casov´ y pr˚ ubˇeh sériové komunikace

3.5

Rozhran´ı SPI

Rozhran´ı SPI, neboli serial peripheral interface“, je v podstatˇe synchronn´ı vari” anta rozhran´ı USART. Jedn´ a se opˇet v praxi o velmi vyuˇz´ıvané rozhran´ı, my jej budeme pouˇz´ıvat pro pˇripojen´ı a komunikaci s SD kartou. Komunikace sbˇernice SPI je typu master/slave, ke kterému jsou zapotˇreb´ı celkem 4 linky – MOSI“ (master-out,slave-in), MISO“ (master-in, slave-out), ” ” CS“ (chip select) a CLK“ (hodinov´ y signál). Rozliˇsujeme také ˇctyˇri základn´ı ” ” módy, které se liˇs´ı v polaritˇe signál˚ u (hodinového i datov´ ych) a ve fázi hodinového signálu (vzorkov´ an´ı na n´ abˇeˇznou nebo sestupnou hranu). Zapojen´ı SD karty pˇres rozhran´ı SPI m˚ uˇzeme vidˇet ve schématu v pˇr´ıloze A na Obr. A.1, ˇcasov´ y diagram na Obr. 3.3.

ˇ Obr´ azek 3.3: Casov´ y diagram sériového rozhran´ı SPI

Kapitola 4

Software

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v Kap. 3, pouˇzili jsme v´ yvojov´ y kit STM32VL s procesorem STM32F100RB. Program jsme tedy mohli vytvoˇrit v asembleru urˇceném pro tento procesor, zvolili jsme vˇsak programátorsky pˇr´ıvˇetivˇejˇs´ı variantu a pouˇzili jazyk C. V´ ysledn´ y program se skládá z nˇekolika blok˚ u, které si pˇresnˇeji pop´ıˇseme v následuj´ıc´ıch sekc´ıch. Fyzick´ a a linkov´ a vrstva modelu ISO/OSI vˇsech rozhran´ı je popsána v Kap. 3, v této kapitole se budeme zab´ yvat vyˇsˇs´ımi vrstvami modelu. Z´ akladem naˇseho programu jsou knihovny urˇcené pro v´ yvojov´ y kit STM32VL Discovery, které obsahuj´ı definice promˇenn´ ych a funkc´ı potˇrebn´ ych ke konfiguraci vˇsech periferi´ı a funkc´ı mikroprocesoru.

4.1

Inicializace

V u ´vodu programu provedeme inicializaci, která obsahuje funkce spoleˇcné pro vˇsechny potˇrebné periferie. Ta se provád´ı u ´pravou hodnot v pˇr´ısluˇsn´ ych registrech (kaˇzd´ a periferie m´ a své vlastn´ı registry). V´ yvojov´ y diagram inicializace je na Obr. 4.1. Konfigurac´ı RCC provedeme rozdˇelen´ı hodinového signálu mezi potˇrebné periferie. NVIC slouˇz´ı mimo jiné k nastaven´ı priority pˇreruˇsen´ı, kte-

Obr´ azek 4.1: V´ yvojov´ y diagram inicializace rou vyuˇz´ıv´ ame u rozhran´ı I2 C (SMBus) a k obsluze vˇsech v´ yjimek jádra (napˇr. pˇreruˇsen´ı od hodinového sign´ alu jádra). DMA poskytuje rychl´ y pˇrenos dat mezi pamˇet´ı a periferiemi nebo mezi dvojic´ı pamˇet´ı. Tato data jsou pˇrenáˇsena bez 21

22

KAPITOLA 4. SOFTWARE

zásahu mikrokontroleru, ˇc´ımˇz je jeho v´ ypoˇcetn´ı v´ ykon uvolnˇen pro jiné operace. Kaˇzd´ y GPIO port m´ a celkem pˇet 32bitov´ ych a jeden 16bitov´ y registr, které slouˇz´ı ke konfiguraci portu do nˇekolika mód˚ u, napˇr. v´ ystupn´ı push-pull, analogov´ y mód nebo m´ od open-drain (s otevˇren´ ym kolektorem).

4.2

Rozhran´ı USART

Po proveden´ı inicializace pˇrejdeme ke konfiguraci jednotliv´ ych periferi´ı. Kv˚ uli rozloˇzen´ı pin˚ u v´ yvojového kitu pouˇz´ıváme USART 3. Piny je sice moˇzné pˇremapovat, ale to nebylo nezbytné. USART pouˇz´ıv´ ame pˇredevˇs´ım k v´ ypisu namˇeˇren´ ych teplot na obrazovku poˇc´ıtaˇce, k ˇcemuˇz n´ am staˇc´ı rychlost toku dat 9600 Bd. To je sice velmi n´ızká hodnota vzhledem k moˇznostem tohoto rozhran´ı, ale je zajiˇstˇeno, ˇze i nekvalitn´ı pˇrevodn´ık TTL u ´rovn´ı bude schopn´ y pracovat s touto rychlost´ı. Datov´ y rámec rozhran´ı USART m´ a délku 7 nebo 8 datov´ ych bit˚ u, jeden startbit, jeden stopbit a voliteln´ y paritn´ı bit. V naˇsem pˇr´ıpadˇe pouˇz´ıváme 8bitová slova bez parity.

4.3

System management bus

SMBus je jedn´ım z m´ od˚ u sbˇernice I2 C. Popis SMBus a rozd´ıl mezi tˇemito rozhran´ımi je moˇzno nalézt v [6]. Tuto sbˇernici pouˇz´ıváme pro obousmˇernou komunikaci se senzorem MLX90614. Oproti standardn´ım specifikac´ım se komunikace s t´ımto sn´ımaˇcem trochu liˇs´ı.

4.3.1

ˇ Cten´ ı dat ze senzoru MLX90614

ˇ ısla Na Obr.4.2 m˚ uˇzeme vidˇet posloupnost toku dat pˇri ˇcten´ı z MLX90614. C´

ˇ Obr´ azek 4.2: Cten´ ı pamˇeti RAM nebo EEPROM z MLX90614 [6] v obr´ azku zn´ azorˇ nuj´ı poˇcet bit˚ u, ˇsedá barva vys´ılán´ı od zaˇr´ızen´ı slave“ (sen” zor MLX90614). Pˇrenos zaˇc´ın´ a startbitem S, následuje volba zaˇr´ızen´ı typu slave v´ ybˇerem jeho adresy. Kaˇzd´ y senzor je nastaven´ y tak, aby reagoval pˇri volbˇe adresy 0x00. To je z d˚ uvodu prvotn´ı konfigurace senzoru. Pˇred pˇripojen´ım v´ıce sn´ımaˇc˚ u MLX90614 do stejné sbˇernice je nutné tuto adresu zmˇenit – kaˇzdé zaˇr´ızen´ı mus´ı

23

4.3. SYSTEM MANAGEMENT BUS

m´ıt unik´ atn´ı adresu. Po v´ ybˇeru adresy následuje vyslán´ı bitu ACK (acknowledge, potvrzovac´ı) zaˇr´ızen´ım slave (vˇzdy po kaˇzdém datovém rámci). V rámci com” mand“ je specifikov´ ano, zda chceme pˇristupovat do pamˇeti RAM (000x xxxxb), pamˇeti EEPROM (001x xxxxb) nebo ˇc´ıst pˇr´ıznakové bity (1111 0000b). Bity xxxxx“ pak specifikuj´ı konkrétn´ı adresov´ y prostor v dané pamˇeti. Bit Sr je opa” kovan´ y startbit (restart bit). Bit Rd je pˇr´ıznakov´ y bit, kter´ y urˇcuje, zda chceme 1 ˇc´ıst nebo zapisovat . Poté jsou odeslány dva 8bitové datové rámce a posloupnost konˇc´ı odesl´ an´ım r´ amce PEC, kter´ y obsahuje v´ ypoˇcet CRC. CRC je vypoˇc´ıtáno s polynomem osmého stupnˇe x8 +x2 +x+1. Pˇrenos ukonˇcuje stopbit P. V rozhran´ı SMBus je v kaˇzdém bytu odesl´ an nejdˇr´ıve nejv´ yznamnˇejˇs´ı bit (MSB). Pamˇet’ EEPROM ve sn´ımaˇci MLX90614 má velikost 32x16 bit˚ u. Jsou v n´ı uloˇzeny hodnoty maxim´ aln´ı a minimáln´ı teploty a pˇredevˇs´ım nˇekolik konfiguraˇcn´ıch registr˚ u. V Tab. 4.1 je uveden v´ yˇcet nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch registr˚ u. Registr Tabulka 4.1: D˚ uleˇzité registry v EEPROM [7] Obsah Maxim´ aln´ı namˇeˇrená teplota To,max Minim´ aln´ı namˇeˇrená teplota To,min PWMCTRL Nastaven´ı rozsahu pro mˇeˇren´ı teploty okol´ı Ta Koeficient korekce emisivity Konfiguraˇcn´ı registr CR1 Adresa zaˇr´ızen´ı slave (pouze LSB) Koeficient korekce teplotn´ıho gradientu GCC

Adresa 0x00 0x01 0x02 0x03 0x04 0x05 0x0E 0x0F

PWMCTRL slouˇz´ı k nastaven´ı pulznˇe ˇs´ıˇrkové modulace. Registr CR1 (control register 1) obsahuje nastaven´ı nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ıch funkc´ı senzoru. V´ yznam jednotliv´ ych bit˚ u tohoto registru je popsán v Tab. 4.2. V pˇr´ıloze B v Tab. B.2 nalezneme moˇznost´ı nastaven´ı FIR a IIR a dobu odezvy sn´ımaˇce pˇri konkrétn´ım nastaven´ı. Tabulka 4.2: Obsah registru CR1 [7] Bit 15 14 13 12 11 10 9 8 1

V´ yznam Testovac´ı m´ od on/off Konst. Kt2 (tov. nastaven´ı) Gain1 Gain2 Gain3 FIR1 FIR2 FIR3

Zapisovat lze pouze do pamˇeti EEPROM.

Bit 7 6 5 4 3 2 1 0

V´ yznam Konst. Ks (tov. nastaven´ı) Single/Dual IR senzor Volba mˇeˇren´ ych teplot 1 Volba mˇeˇren´ ych teplot 2 Opak. test. módu on/off IIR1 IIR2 IIR3

24


Pamˇet’ RAM m´ a velikost 32x17 a obsahuje vnitˇrn´ı promˇenné pro zpracován´ı mˇeˇreného sign´ alu a pˇredevˇs´ım hodnoty signálu po zpracován´ı, tedy v´ yslednou teplotu. V´ yˇcet adres, ve kter´ ych jsou teploty uloˇzeny, je v Tab. 4.3. Tabulka 4.3: V´ yznam d˚ uleˇzit´ ych adres pamˇeti RAM [7] Obsah Okoln´ı teplota Ta Teplota objektu To (bez FIR, IIR) Linearizovan´ a teplota okol´ı Ta Linearizovan´ a teplota objektu To bj

4.3.2

Adresa 0x03 0x04 0x06 0x07

Z´ apis dat do pamˇ eti EEPROM senzoru MLX90614

Sled r´ amc˚ u v Obr. 4.3 je velmi podobn´ y procesu ˇcten´ı. Narozd´ıl od ˇcten´ı se zde po odvys´ıl´ an´ı bytu command“ vynechá restart bit a následuj´ıc´ı byte a následuje ” rovnou z´ apis dat. Pˇri zapisov´ an´ı nov´ ych dat do pamˇeti EEPROM mus´ıme operaci zápisu provést dvakr´ at. V prvn´ım cyklu zap´ıˇseme do poˇzadovaného registru hodnotu 0x00 (vymaz´ an´ı p˚ uvodn´ıch dat). Tento proces trvá nejménˇe 5 ms. Vytvoˇrili jsme tedy ˇcekac´ı funkci delay, která program zastav´ı na dan´ y poˇcet milisekund. Poté jiˇz do registru m˚ uˇzeme v druhém cyklu zapsat poˇzadovaná data.

Obr´ azek 4.3: Z´ apis do EEPROM senzoru MLX90614 [6]

4.4

Rozhran´ı SPI

Pro komunikaci s SD kartou jsme vyuˇzili sbˇernici SPI a modul FatFS - Generic [8]. Rozhran´ı jsme nastavili do m´ odu 0 (nula), polarita hodinového signálu je tedy kladn´ a a datov´ y sign´ al je vzorkován na nábˇeˇznou hranu hodinového signálu. V´ yvojov´ y kit je v tomto rozhran´ı typu master, SD karta je typu slave. Datov´ y ˇ rámec m´ a délku osm bit˚ u, nejdˇr´ıve je vys´ılán nejv´ıce v´ yznamn´ y bit. R´ızen´ı linky CS (chip select) prov´ ad´ıme programovˇe.

4.4. ROZHRANÍ SPI

4.4.1

25

Modul FatFS

Tento modul zajiˇst’uje na SD kartˇe organizaci dat (file system), která je kompatibiln´ı s operaˇcn´ım systémem Windows. Modul je urˇcen pro malé vestavné systémy a je tedy naps´ an v jazyce ANSI C. Jeho hlavn´ı v´ yhodou je nezávislost na platformˇe (m˚ uˇzeme jej pouˇz´ıt napˇr. s mikroprocesory PIC nebo kitem Arduino). Na Obr. 4.4 je zn´ azornˇen proces komunikace s SD kartou, v Tab. 4.4 je uveden v´ yznam pouˇzit´ ych pˇr´ıkaz˚ u CMDxx“. V´ıce informac´ı o API pˇr´ıkazech ” a jejich kompletn´ı seznam je moˇzno nalézt v [9]. Tabulka 4.4: API pˇr´ıkazy SD karty Pˇr´ıkaz

V´ yznam

CMD0

reset,neˇcinn´ y, pˇripraven

CMD1

pˇreˇcti registr OCR

CMD8 CMD16

podm´ınka if“ ” zvol délku bloku

CMD58

dalˇs´ı pˇr´ıkaz bude typu ACMDXX

ACMD41

inicializuj kartu

Pr´ azdné“ hodinové sign´ aly v procesu slouˇz´ı k inicializaci SD karty. Registr ” R1 m´ a délku 8 bit˚ u, jejich v´ yznam je popsán v Tab. 4.5. Registr R7 má délku 48 bit˚ u a jsou v nich uloˇzeny podm´ınky rozhran´ı karty (napˇr. podporované napˇet´ı karty). Nejménˇe v´ yznamné bity obsahuj´ı stopbit a kontroln´ı souˇcet CRC7. Bit 0 1 2 3 4 5 6 7

V´ yznam 1 = stav neˇcinn´ y, pˇripraven“ ” bit rezervovan´ y pro budouc´ı pouˇzit´ı (RFU), vˇzdy 0 neplatn´ y pˇr´ıkaz chyba CRC ˇspatnˇe zadané ˇc´ıslo API pˇr´ıkazu RFU, vˇzdy 0 chyba zadaného parametru startbit, vˇzdy 0 Tabulka 4.5: V´ yznam bit˚ u registru R1

26


Obr´ azek 4.4: Proces komunikace s SD kartou [8]

ˇ REN ˇ ´ 4.5. PROGRAM PRO ZOBRAZENÍ NAME YCH DAT

4.5

27

Program pro zobrazen´ı namˇ eˇren´ ych dat

K zobrazen´ı dat jsme pouˇzili rozhran´ı USART, které vˇsak nen´ı vhodné pro pozdˇejˇs´ı vyhodnocov´ an´ı. Z toho d˚ uvodu jsme napsali skript v programu MATLAB, kter´ y umoˇzn ˇuje automatické naˇcten´ı dat z dokumentu ve formátu *.xlsx (Microsoft Excel) a poté je nad´ ale zpracovává do grafické podoby. V u ´vodu skriptu jsou uvedeny parametry, pomoc´ı kter´ ych je moˇzné nastavit napˇr. velikost matice namˇeˇren´ ych hodnot (pokud bychom chtˇeli zobrazit napˇr. prvn´ıch sto vzork˚ u), barvu ˇcar grafu nebo velikost a barvu znaˇcky. V´ ystupn´ı graf je moˇzno vidˇet v Kap. 5 v Obr. 5.4. Druh´ a ˇc´ ast skriptu slouˇz´ı jako podpora pro kalibraci senzor˚ u. M˚ uˇzeme tedy vypoˇc´ıtat parametry regresn´ı kˇrivky prvn´ıho stupnˇe nebo odhady smˇerodatn´ ych odchylek, viz Kap. 5, Tab. 5.2. Skript obsahuje jeˇstˇe tˇret´ı ˇcást, která nesouvis´ı pˇr´ımo s mˇeˇren´ım teploty. V této ˇc´ asti je v´ ypoˇcet frekvence otáˇcen´ı kola v závislosti na rychlosti vozu. V´ ysledné hodnoty jsou uvedeny v Tab. 4.6. D´ıky znalosti frekvence, doby ustálen´ı senzoru (viz Tab. B.2), hodnoty zorného pole a vzdálenosti sn´ımaˇce od mˇeˇreného objektu si m˚ uˇzeme udˇelat pˇredstavu o tom, z jak velké plochy (pruhu) pneumatiky je teplota mˇeˇrena. Tabulka 4.6: Rychlost a perioda otáˇcen´ı pneumatiky rychlost (km/h) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Perioda otáˇcen´ı (s) 0,5745 0,2873 0,1915 0,1436 0,1149 0,0958 0,0821 0,0718 0,0638 0,0575

Frekvence otáˇcen´ı (Hz) 1,7405 3,4811 5,2216 6,9622 8,7027 10,4432 12,1838 13,9243 15,6649 17,4054

Kapitola 5

Experiment´ aln´ı ˇ c´ ast

5.1

Urˇ cen´ı emisivity pneumatiky

Pro pˇresné urˇcen´ı povrchové teploty mus´ıme zn´ at pˇredevˇs´ım pohltivost, resp. emisivitu mˇeˇreného objektu. Provedli jsme tedy mˇeˇren´ı, jehoˇz c´ılem bylo urˇcit v´ yˇse zm´ınˇenou emisivitu, a také ovˇeˇrit, ˇze zde nen´ı markantn´ı rozd´ıl v mnoˇzstv´ı pˇrijaté a vyzáˇrené energie mezi dvˇema pneumatikami se stejnou ˇsarˇz´ı. Mˇeˇren´ı jsme realizovali ve firmˇe Workswell, kde jsme mˇeli k dispozici termokameru FLIR T440 a páskov´ y kontaktn´ı teplomˇer Testo 905 T2 s rychlou dobou odezvy (pˇribliˇznˇe 5 s). Velmi d˚ uleˇzité byly také speci´ aln´ı nahˇr´ıváky na pneumatiky (viz. Obr. 5.1), které zap˚ ujˇcil z´ avodn´ı t´ ym JSC Racing Pelhˇrimov. Tyto nahˇr´ıv´ aky se bˇeˇznˇe pouˇz´ıvaj´ı, aby z´ avodn´ı automobil jiˇz pˇred j´ızdou mˇel pneumatiky Obrázek 5.1: Nahˇr´ıváky pneumatik ohˇráté na provozn´ı teplotu. My jsme pˇri mˇeˇren´ı pneumatiky nahˇr´ ali proto, aby rozd´ıl mezi teplotou mˇeˇreného objektu a teplotou okol´ı byl alespoˇ n 15 ◦ C a urˇcen´ı emisivity tedy bylo pˇresnˇejˇs´ı. Samotné mˇeˇren´ı prob´ıh´ a tak, ˇze po nahˇrát´ı se urˇc´ı teplota pneumatiky kontaktn´ım sn´ımaˇcem. Soubˇeˇznˇe s t´ım mˇeˇr´ıme také bezdotykov´ ym zp˚ usobem a na ka29

´ Í C ˇ AST ´ KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN

30

meˇre nastav´ıme emisivitu tak, aby se v´ ysledná teplota shodovala s u ´dajem na kontaktn´ım teplomˇeru. T´ım urˇc´ıme poˇzadovanou emisivitu. Druhou moˇznost´ı je mˇeˇrit teplotu soubˇeˇznˇe obˇema sn´ımaˇci a emisivitu poté urˇcit pomoc´ı programu FLIR Tools, kter´ y ji um´ı pˇrepoˇc´ıtat, pokud známe potˇrebné u ´daje, které jsou uvedeny v Tab. 5.1. Obr. 5.2 byl poˇr´ızen pˇri mˇeˇren´ı 1, m˚ uˇzeme si povˇsimnout chladnˇejˇs´ıho m´ısta (nad bodem Sp1), ve kterém jsme mˇeˇrili teplotu kontaktn´ım zp˚ usobem.

Tabulka 5.1: Povrchové teploty pneumatiky a urˇcen´ı emisivity Sn´ımaˇc mˇeˇren´ı 1 mˇeˇren´ı 2 mˇeˇren´ı 3 mˇeˇren´ı 4

Testo 37,00 46,80 68,00 72,90 Vzd´ a´ Udaje pro lenost pˇrepoˇcet 1,0 m

pneu A FLIR 39,80 48,70 69,00 74,10 Relativn´ı vlhkost 0,45

> 0,98 > 0,98 > 0,98 > 0,98 Atm. teplota 20,00 ◦ C

Testo 38,90 48,70 68,30 75,60 Odraˇz. teplota 30,00 ◦ C

pneu B FLIR 40,40 50,80 71,30 79,00 Teplota ˇ okna IC 20,00 ◦ C

Obr´ azek 5.2: Nahˇr´ atá pneumatika pˇri urˇcován´ı emisivity

> 0,98 > 0,98 > 0,98 > 0,98 Propust. ˇ okna IC 1,00

˚ 5.2. KALIBRACE SENZORU

5.2

31

Kalibrace senzor˚ u

Pro pˇresnˇejˇs´ı mˇeˇren´ı a porovn´ an´ı teplot na bˇehounu pneumatiky jsme provedli srovn´ avac´ı mˇeˇren´ı charakteristiky teplotn´ıch sn´ımaˇc˚ u. K tomu jsme vyuˇzili etalon teploty (ˇcern´ y z´ aˇriˇc) FLIR BLACKBODY 400-3 (viz Obr 5.3), kter´ y disponuje ◦ emisivitou = 0, 995 a pˇresnost´ı 0, 1 C.

Obr´ azek 5.3: Mˇeˇren´ı charakteristik s ˇcern´ ym záˇriˇcem Mˇeˇren´ı jsme provedli v jedenácti bodech pro kaˇzd´ y teplotn´ı sn´ımaˇc, hodnoty jsou uvedeny v Tab. 5.2. Pro kaˇzd´ y sn´ımaˇc je v tabulce také uvedena rovnice regresn´ı kˇrivky (line´ arn´ı funkce y = ax + b) a odhad absolutn´ı a relativn´ı smˇerodatné chyby koeficient˚ u a, b. Regresn´ı kˇrivku jsme vypoˇc´ıtali pomoc´ı metody nejmenˇs´ıch ˇctverc˚ u v programu MATLAB. Charakteristika je také znázornˇena v Obr. 5.4. Graf teplot pri kalibraci senzoru 100

Teplota °C

80 60 40

senzor 1, Tavg: 72.2 °C

20

senzor 2, Tavg: 71.9 °C

0

senzor 3, Tavg: 71.4 °C 0

1

2

3

4

5 6 vzorek

7

8

9

10

Obr´ azek 5.4: Charakteristika pouˇzit´ ych sn´ımaˇc˚ u

11

´ Í C ˇ AST ´ KAPITOLA 5. EXPERIMENTALN

32

Tabulka 5.2: Kalibrace senzor˚ u ˇcern´ y z´ aˇriˇc 40,0 49,0 57,0 61,1 66,5 71,8 77,5 83,2 87,7 90,0 92,5 Rovnice sa (◦ C) sa (%) sb (◦ C) sb (%)

5.3

senzor 1 40,0 49,9 58,8 62,0 67,3 73,6 79,7 85,5 90,6 91,6 95,2 y = 1, 0427x − 1, 3925 0,0096 0,0092 0,6948 −0, 4990

senzor 2 40,1 49,8 58,0 62,0 67,9 73,6 79,2 84,7 90,1 91,7 93,7 y = 1, 0271 − 0, 2864 0,0071 0,0069 0,5168 −1, 8045

senzor 3 39,7 49,7 57,6 61,6 68,0 72,5 78,0 83,2 89,4 91,1 94,8 y = 1, 0270 − 0, 2812 0,0115 0,0112 0,8333 −2, 9632

Teplotn´ı profil pneumatiky pˇri z´ avodn´ı j´ızdˇ e

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v Kap. 1, povrchová teplota pneumatiky nen´ı po celé ploˇse homogenn´ı. To jsme experiment´ alnˇe ovˇeˇrili ve spolupráci s firmou Workswell s.r.o, která n´ am zap˚ ujˇcila termokameru FLIR T440. Na Obr. 5.5 m˚ uˇzeme vidˇet formuli FS.04 bezprostˇrednˇe pˇred a po zahájen´ı j´ızdy. Teplota pravé pˇredn´ı pneumatiky

(a) pˇred

(b) po

Obr´ azek 5.5: Start formule FS.04 na Obr. 5.5a je d´ ana t´ım, ˇze automobil pˇred zahájen´ım j´ızdy stál touto ˇcást´ı vozu na slunci. Na Obr. 5.6 je sn´ımek, kter´ y jsme poˇr´ıdili po závodn´ı j´ızdˇe, kdy formule ujela pˇribliˇznˇe 7 km dlouhou trat’. M˚ uˇzeme vidˇet, ˇze stˇred bˇehounu je

ˇ Í SNÍMAC ˇU ˚ NA ZAVODN ´ ÍM VOZE 5.4. UMÍSTEN

33

teplejˇs´ı neˇz okraje. Je tomu tak proto, ˇze závˇereˇcná pasáˇz závodn´ı trati je zhruba 2 km dlouh´ a rovina.

Obr´ azek 5.6: Teplotn´ı profil pneumatiky po závodn´ı j´ızdˇe

5.4

Um´ıstˇ en´ı sn´ımaˇ c˚ u na z´ avodn´ım voze

Jelikoˇz senzor MLX90614 neobsahuje optickou ˇcoˇcku, kter´ a by nám umoˇzn ˇovala um´ıstit sn´ımaˇc do vˇetˇs´ı vzdálenosti od mˇeˇreného objektu, museli jsme vymyslet vhodné uchycen´ı co nejbl´ıˇze ke kolu. Nab´ızely se dvˇe hlavn´ı moˇznosti – zabudov´ an´ı senzoru do pˇredn´ıho pˇr´ıtlaˇcného kˇr´ıdla nebo vyroben´ı speci´ aln´ıho drˇz´ aku. Zvolili jsme druhou variantu, protoˇze m´ a dvˇe z´ asadn´ı v´ yhody. Jednak je moˇzné um´ıstit sn´ımaˇc teoreticky do libovolné (malé) vzd´ alenosti a pˇri zat´ aˇcen´ı automobilu mˇeˇr´ıme teplotu st´ ale ve stejn´ ych bodech. Drˇzák se pˇri zat´ aˇcen´ı ot´ aˇc´ı, jelikoˇz je napevno pˇrichycen k tˇehlici n´ apravy. V drˇzáku u jsou um´ıstˇeny pouze senzory. Nen´ı Obrázek 5.7: Drˇzák pro uchycen´ı senzor˚ vhodné do tˇechto m´ıst upevˇ novat kit s mikroprocesorem, protoˇze hroz´ı vˇetˇs´ı riziko poˇskozen´ı, neˇz uvnitˇr vozu (v monokoku), a protoˇze bychom zvyˇsovali hodnotu neodpruˇzené hmoty vozu, coˇz má negativn´ı vliv na j´ızdn´ı vlastnosti. Navrhnut´ y drˇz´ ak jsme vymodelovali v 3D-grafickém programu DS Catia a je znázornˇen na Obr. 5.7.

Kapitola 6

Z´ avˇ er

Mˇeˇren´ı teploty pneumatik m˚ uˇze m´ıt pro závodn´ı automobil pˇri testovac´ıch j´ızdách velk´ y v´ yznam, jelikoˇz teplotn´ı profil pneumatiky pom˚ uˇze pˇribl´ıˇzit, jak se v˚ uz chov´ a pˇri j´ızdˇe, tedy jak vhodné je nastaven´ı podvozku. Umoˇzn´ı také urˇcit, jak velk´ y tlak m´ a pneumatika m´ıt, pˇriˇcemˇz se vol´ı kompromis mezi správn´ ym sj´ıˇzdˇen´ım bˇehounu a optim´ aln´ı provozn´ı teplotou. Pom˚ uˇze také urˇcit, která smˇes pneumatiky je pro danou trat’ nejvhodnˇejˇs´ı. Z dostupn´ ych mˇeˇric´ıch metod je nejnázornˇejˇs´ı sn´ımán´ı teplotn´ıch pol´ı, velkou nev´ yhodou vˇsak je cena tˇechto zaˇr´ızen´ı, která se pohybuje ˇrádovˇe v desetitis´ıc´ıch Kˇc. Z dostupn´ ych technologi´ı maj´ı také tyto sn´ımaˇce a kamery nejvˇetˇs´ı hmotnost, coˇz m´ a negativn´ı vliv na dynamiku vozu. Z bodov´ ych“ sn´ımaˇc˚ u jsou ” nejvhodnˇejˇs´ı ty, které obsahuj´ı jednak filtr pro potlaˇcen´ı vlnov´ ych délek viditelného spektra (mˇeˇr´ı v rozsahu pˇribliˇznˇe 8–14 µm), a také optickou ˇcoˇcku, která v´ yraznˇe sniˇzuje hodnotu zorného pole a je tedy moˇzné mˇeˇrit teplotu z vˇetˇs´ı vzdálenosti. Senzor pak m˚ uˇze b´ yt um´ıstˇen (teoreticky) kdekoliv na vozidle. Cena tˇechto senzor˚ u je sice niˇzˇs´ı neˇz u termokamer, je ale zapotˇreb´ı m´ıt trojnásobn´ y poˇcet sn´ımaˇc˚ u. St´ ale jsou vˇsak mnohem draˇzˇs´ı, neˇz námi zvolená termoˇclánková baterie. Tento druh sn´ımaˇce je sice technologicky nejjednoduˇsˇs´ı, poskytuje vˇsak dostateˇcnˇe pˇresné a rychlé mˇeˇren´ı. Konkrétnˇe sn´ımaˇc MLX90614 se ukázal b´ yt vhodn´ y i d´ıky snadné moˇznosti korekce koeficientu emisivity. Obsahuje také korekci teploty okoln´ıho prostˇred´ı, ˇc´ımˇz se mˇeˇren´ı stává pˇresnˇejˇs´ı. Sn´ımaˇc také vykazuje velmi dobr´ y line´ arn´ı charakter. Zvolen´ y v´ yvojov´ y kit STM32VL poskytuje dobr´ y pomˇer v´ ykon/cena. V poˇcátku byla pr´ ace s deskou n´ aroˇcnˇejˇs´ı, velmi nápomocná byla tedy (nejen v zaˇcátc´ıch) rozs´ ahl´ a podpora na stránkách v´ yrobce. C´ılem práce s v´ yvojov´ ym kitem mimo jiné bylo sezn´ amit se s mikroprocesorem ARM Cortex M3, kter´ y chceme pouˇz´ıt jako z´ aklad pro novou platformu, která umoˇzn´ı mˇeˇren´ı povrchové teploty, ale bude rozmˇerovˇe menˇs´ı (nebude napˇr. obsahovat programátor STLink, kter´ y 35

36

´ ER ˇ KAPITOLA 6. ZAV

ploˇsnˇe zab´ır´ a nejménˇe jednu tˇretinu v´ yvojového kitu). T´ım pádem bude m´ıt niˇzˇs´ı hmotnost a jej´ı um´ıstˇen´ı ve voze bude snadnˇejˇs´ı. Pro zobrazen´ı namˇeˇren´ ych dat jsme zvolili program Matlab. V oblasti zpracován´ı dat a matematick´ ych v´ ypoˇct˚ u se jedná o velmi siln´ y nástroj. Jelikoˇz t´ ym CTU CarTech doposud nemá ˇzádné zkuˇsenosti s diagnostikou podvozkové soustavy na z´ akladˇe mˇeˇren´ı povrchov´ ych teplot pneumatik, nen´ı zat´ım jisté, jak´ ym zp˚ usobem se budou namˇeˇrená data, vyjma grafického zobrazen´ı uvedeného v Kap. 4, n´ aslednˇe zpracov´ avat. Proto nen´ı v tuto chv´ıli vhodné vyv´ıjet vlastn´ı specializovan´ y software pro zpracován´ı dat, jelikoˇz by byl v´ yvoj ˇcasovˇe mnohem nároˇcnˇejˇs´ı, neˇz dané u ´daje zpracovat v programu Matlab. Jako u ´loˇzné médium jsme zvolili SD kartu, coˇz je v kombinaci s modulem FatFS velmi vhodn´ y zp˚ usob pro zálohu a rychl´ y transport namˇeˇren´ ych dat. V´ yvojov´ y kit nab´ızel dvˇe rozhran´ı, která jsme mohli pro pˇripojen´ı karty vyuˇz´ıt. Jedn´ım je rozhran´ı SDIO, druh´ ym sbˇernice SPI. Zvolili jsme druhou variantu, jelikoˇz se zd´ ala b´ yt univerz´ alnˇejˇs´ı a jednoduˇsˇs´ı na implementaci. Jelikoˇz v´ yvojová deska obsahuje celkem tˇri sbˇernice SPI, mohli jsme správnou funkci tohoto rozhran´ı otestovat zas´ıl´ an´ım zpr´ av z jedné sbˇernice do druhé. Po pˇripojen´ı SD karty vˇsak komunikace neprob´ıhala v poˇrádku. To je pravdˇepodobnˇe zp˚ usobeno chybou ve fyzické vrstvˇe. Druhou moˇznost´ı je nekompatibiln´ı SD karta, jelikoˇz je známo, ˇze modul FatFS s nˇekter´ ymi kartami nepracuje správnˇe. Tato pr´ ace m˚ uˇze poslouˇzit jako základ pro systém, kter´ y by byl schopn´ y v závislosti na povrchové teplotˇe pneumatiky (a dalˇs´ıch mˇeˇren´ıch telemetrick´ ych u ´daj´ıch) automaticky pˇri j´ızdˇe regulovat tuhost stabilizátor˚ u nebo pˇr´ıtlak pˇredn´ıho i zadn´ıho kˇr´ıdla. Systém je d´ ale moˇzno vyuˇz´ıt pro mˇeˇren´ı povrchové teploty disk˚ u a tˇrmen˚ u kotouˇcov´ ych brzd a t´ım kontrolovat, zda se nepˇrehˇr´ıvaj´ı. Vhodn´ ym rozˇs´ıˇren´ım tohoto vestavného systému by byla také implementace sbˇernice CAN, která se v dneˇsn´ı dobˇe hojnˇe vyuˇz´ıvá jak v klasick´ ych, tak v závodn´ıch automobilech. U formule FS.05 (viz Obr. 5.7) by tak bylo moˇzné systém spojit s ˇr´ıdic´ı jednotkou motoru (kter´ a obsahuje datalogger), popˇr. se záznamovou jednotkou AiM MXL Pista, kter´ a slouˇz´ı jako primárn´ı systém pro sbˇer dat.

Literatura

[1] VILÍM, Marek. FS.03 koncept, 2011. [str. 1, 46] [2] Marcel Kreidl. Mˇeˇren´ı teploty. BEN, 2005. ISBN: 80-7300-145-4. [str. 5, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 46, 47]

[3] LYSENKO, Vladim´ır. Detektory pro bezdotykové mˇeˇren´ı teplot. BEN, 2005. ISBN: 80-7300180-2. [str. 10] [4] RIPKA, Pavel; TIPEK, Alois. Master Book on Sensors: modular courses on modern sensors Leondaro da Vinci project CZ/PP-134026. BEN, 2003. Part B. [str. 10] [5] OMEGA. Transactions in measurement and control Vol. 1. OMEGA, 1998. Dostupné z: http://www.omega.com/literature/transactions/. [str. 13] [6] SBS Implementers. System Management Bus (SMBus) Specification Version 2.0. SBS Implementers Forum, Srpen 2000. Dostupné z: http://smbus.org/specs/smbus20. pdf. [str. 19, 22, 24, 41, 46] ´ [7] Melexis. IR sensor thermometer MLX90614 datasheet. Melexis, Unor 2013. Dostupné z: http://www.melexis.com/Infrared-Thermometer-Sensors/. [str. 23, 24, 43, 47] [8] ELM ChaN. FatFS Module. [Online], Leden 2013. Dostupné z: http://elm-chan. org. [str. 24, 26, 46] [9] SD Card Association. SD Specifications Part E1 SDIO Simplified Specification. SD ´ Card Association, Unor 2007. Dostupné z:https://www.sdcard.org/. [str. 25]

37

Pˇr´ıloha A

Sch´ ema mˇ eˇric´ıho zaˇr´ızen´ı

Obr´ azek A.1: Schéma mˇeˇric´ıho zaˇr´ızen´ı

39

Pˇr´ıloha B

Specifikace sbˇ ernice SMBus

ˇ Obr´ azek B.1: Casov´ y diagram sbˇernice SMBus[6]

41

ˇ ÍLOHA B. SPECIFIKACE SBERNICE ˇ PR SMBUS

42

Tabulka B.1: Elektrické specifikace sbˇernice SMBus Symbol

Parametr

VIL

Vstupn´ı n´ızk´ au ´roveˇ n napˇet´ı (log. 0) signálu dat a hodin Vstupn´ı vysok´ a u ´roveˇ n napˇet´ı (log. 1) signálu dat a hodin V´ ystupn´ı n´ızk´ a u ´roveˇ n napˇet´ı (log. 0) signálu dat a hodin Vstupn´ı parazitn´ı proud Proud protékaj´ıc´ı pull-up rezistorem Nap´ ajec´ı napˇet´ı operaˇcn´ı frekvence SMBus ˇcas mezi stopbitem a následuj´ıc´ım startbitem ˇcas mezi zaˇc´ atkem vys´ılán´ı startbitu a prvn´ım hodinov´ ym sign´ alem ˇcas vys´ıl´ an´ı startbitu v závislosti na hodinovém sign´ alu (viz Obr. B.1) ˇcas vys´ıl´ an´ı stopbitu v závislosti na hodinovém sign´ alu (viz Obr. B.1) ˇcas vys´ıl´ an´ı dat v závislosti na hodinovém sign´ alu (viz Obr. B.1) ˇcas mezi zmˇenou u ´rovnˇe datového signálu a zmˇenou u ´rovnˇe hodinového signálu detekce n´ızké u ´rovnˇe hodinového signálu doba vys´ıl´ an´ı log. 0 (n´ızká u ´roveˇ n) hodinového sign´ alu doba vys´ıl´ an´ı log. 1 (vysoká u ´roveˇ n) hodinového sign´ alu kumulativn´ı doba, pˇri které dané zaˇr´ızen´ı SD m˚ uˇze prodlouˇzit hodinové cykly v jedné zprávˇe od startbitu po stopbit (edit: pˇreklad) kumulativn´ı doba, pˇri které zaˇr´ızen´ı MD m˚ uˇze prodlouˇzit hodinové cykly uvnitˇr kaˇzdého datového bytu ve zprávˇe (edit: pˇreklad) doba trv´ an´ı sestupné hrany, TF = (VIL,Max + 0, 15) do (VIH,Min − 0, 15), viz Obr. B.1 doba trv´ an´ı vzestupné hrany, TR = (VIL,Max − 0, 15) do (VIH,Min + 0, 15), viz Obr. B.1 maxim´ aln´ı doba uveden´ı zaˇz´ızen´ı do provozu po spuˇstˇen´ı power-on reset (edit: doplnit krizovy odkaz)

VIH VOL ILEAK IPULLUP VDD FSMB TBUF THD:STA TSU:STA TSU:STO THD:DAT TSU:DAT Ttimeout TLOW THIGH TLOW:SEXT

TLOW:MEXT

TF TR TPOR

Limity Min Max

Jednotky

–

0,8

V

2,1

VDD

V

–

0,4

V

– 100 2,7 10 4,7 4,0

±5 350 5,5 100 – –

µA µA V kHz µs µs

4,7

–

µs

4,0

–

µs

300

–

ns

250

–

ns

25 4,7

35 –

ms µs

4,0

50

µs

–

25

ms

–

10

ms

–

300

ns

–

1000

ns

–

500

ms

43

B.1. EEPROM SENZORU MLX90614

B.1

EEPROM senzoru MLX90614 Tabulka B.2: Nastaven´ı FIR a IIR filtr˚ u senzoru MLX90614 [7] Nastaven´ı IIR 100 100 100 100 101 101 101 101 110 110 110 110 111 111 111 111 000 000 000 000 001 001 001 001 010 010 010 010 011 011 011 011

Nastaven´ı FIR 100 101 110 111 100 101 110 111 100 101 110 111 100 101 110 111 100 101 110 111 100 101 110 111 100 101 110 111 100 101 110 111

Doba ustálen´ı (s) 0.06 0.07 0.10 0.14 0.20 0.24 0.34 0.54 0.38 0.48 0.67 1.10 0.42 0.53 0.75 1.20 0.47 0.60 0.84 1.33 1.10 1.40 2.00 3.20 1.80 2.20 3.20 5.00 2.40 3.00 4.30 7.00

Spike limit (%) 100.00 100.00 100.00 100.00 80.00 80.00 80.00 80.00 66.70 66.70 66.70 66.70 57.00 57.00 57.00 57.00 50.00 50.00 50.00 50.00 25.00 25.00 25.00 25.00 16.70 16.70 16.70 16.70 12.50 12.50 12.50 12.50

Seznam zkratek

Zkratka API CRC CTU DMA EEPROM FIR FOV GPIO IIR I2 C MSB NEP NVIC PCI PEC PWM RAM RCC SAE SMBus SPI SD SDIO TTL USB

Popis Application Programming Interface Cyclic Redundancy Check Czech Technical University Direct Memory Access Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Finite Impulse Response Field of view General Purpose InputOutput Infinite Impluse Response Inter-integrated circuit Most Significant BitByte Noise Equivalent Power Nested Vectored Interrupt Controller Peripheral Component Interconnect Packet Error Check Pulse Width Modulation Random Access Memory Real-time Clock Control the Society of Automotive Engineers System Management Bus Serial Peripheral Interface Secure Digital Secure Digital Input Output Transistor-transistor logic Universal Serial Bus

45

str. str. str. str.

25 23 1 18

str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str. str.

22 23 17 22 23 19 23 17 21 19 23 17 18 21 1 18 17 20 36 19 18

Seznam obr´ azk˚ u

1.1 1.2

Prototyp FS.03 [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Geometrie zavˇeˇsen´ı kola . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

Spektr´ aln´ı hustota intenzity vyzaˇrován´ı ˇcerného tˇelesa Atmosférick´ a okna [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druhy radiace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Termoˇcl´ ankov´ a baterie [2] . . . . . . . . . . . . . . . . Bolometr [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mikrobolometr [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pˇrechodov´ y dˇej prvn´ıho ˇr´ adu . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

9 10 10 12 13 13 15

3.1 3.2 3.3

Topologie SMBus [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ y pr˚ ubˇeh sériové komunikace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ Casov´ y diagram sériového rozhran´ı SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19 20 20

4.1 4.2 4.3 4.4

V´ yvojov´ y diagram inicializace . . . . . . . . . . . . ˇ Cten´ı pamˇeti RAM nebo EEPROM z MLX90614 [6] Z´ apis do EEPROM senzoru MLX90614 [6] . . . . . Proces komunikace s SD kartou [8] . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

. . . .

21 22 24 26

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7

Nahˇr´ıv´ aky pneumatik . . . . . . . . . . . . . Nahˇr´ at´ a pneumatika pˇri urˇcován´ı emisivity . Mˇeˇren´ı charakteristik s ˇcern´ ym záˇriˇcem . . . Charakteristika pouˇzit´ ych sn´ımaˇc˚ u . . . . . . Start formule FS.04 . . . . . . . . . . . . . . Teplotn´ı profil pneumatiky po závodn´ı j´ızdˇe . Drˇz´ ak pro uchycen´ı senzor˚ u. . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

29 30 31 31 32 33 33

A.1 Schéma mˇeˇric´ıho zaˇr´ızen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

B.1

ˇ Casov´ y diagram sbˇernice SMBus[6]

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

[2] . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

1 2

41

Seznam tabulek

1.1 1.2

Hlavn´ı faktory ovlivˇ nuj´ıc´ı adhezi pneumatiky . . . . . . . . . . . . . . . . . . Porovn´ an´ı kontaktn´ıho a bezkontaktn´ıho mˇeˇren´ı teploty . . . . . . . . . . . .

3 4

2.1 2.2

ˇ Veliˇciny dle CSN ISO 31-6 [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chyby ovlivˇ nuj´ıc´ı pˇresnost mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 11

3.1 3.2

Z´ akladn´ı informace o sn´ımaˇci MLX90614 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . STM32VL Discovery – z´ akladn´ı informace . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 18

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

D˚ uleˇzité registry v EEPROM [7] . . . . . . Obsah registru CR1 [7] . . . . . . . . . . . V´ yznam d˚ uleˇzit´ ych adres pamˇeti RAM [7] . API pˇr´ıkazy SD karty . . . . . . . . . . . . V´ yznam bit˚ u registru R1 . . . . . . . . . . Rychlost a perioda ot´ aˇcen´ı pneumatiky . .

. . . . . .

23 23 24 25 25 27

5.1 5.2

Povrchové teploty pneumatiky a urˇcen´ı emisivity . . . . . . . . . . . . . . . . Kalibrace senzor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30 32

B.1 B.2

Elektrické specifikace sbˇernice SMBus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nastaven´ı FIR a IIR filtr˚ u senzoru MLX90614 [7] . . . . . . . . . . . . . . .

42 43

47

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Bezkontaktn m 0 0en teploty pneumatik z vodn ho vozu

Recommend Documents