MATURITNÍ PRÁCE dokumentace

MATURITNÍ PRÁCE dokumentace

Dálkové IR ovládání motoru s MCU Michal Hodaň

školní rok: 2012/2013

obor: třída:

Elektronické počítačové systémy PS4B

Tímto bych rád poděkoval vedoucímu práce panu Ing. Františku Kandrnálovi za pomoc a rady při realizování maturitní práce. Dále pánům Ing. Bohumilu Fedrmannovi a Bohumilu Vajdíkovi za kontrolu a cenné rady při návrhu plošného spoje. Nakonec bych rád poděkoval panu Petru Minolovi za pomoc při výrobě desek plošných spojů.

Prohlašuji, že odevzdaná verze dokumentace maturitní práce a verze elektronická, nahraná do systému MATPRAC, jsou totožné. Při zpracování jsem vycházel z informačních zdrojů uvedených v seznamu na konci dokumentace a také prohlašuji, že je tato práce původní. -------------------------

ABSTRAKT Dokumentace obsahuje prvotní návrhy maturitní práce, až po její konečnou realizaci, cílem maturitní práce je dálkové ovládání periferií pomocí infračerveného elektromagnetického vlnění. První část dokumentace se zabývá ujasnění cílů maturitního výrobku, výběrem technologií pro realizaci výrobku. To zahrnuje seznámení s mikrokontrolerém 89AT2051, infračervenou vysílací LED diodu a přijímačem infračerveného vlnění. Další část je věnována samotné realizaci výrobku. Postup je rozdělen na několik částí. Pozornost je věnována návrhu zapojení, návrhu komunikačního protokolu, rozboru testovacích i finálních programů. Závěr bloku se zabývá konstrukcí hardwaru a jeho zapouzdření. V poslední části dokumentace nalezneme uživatelskou příručku, zhodnocení a shrnutí maturitní práce.

OBSAH ÚVOD .................................................................................................................................... 4 1

CÍLE PRÁCE ............................................................................................................. 5

2

VÝBĚR TECHNOLOGIÍ PRO ŘEŠENÍ ................................................................ 6

3

2.1

MIKROKONTROLÉR ................................................................................................. 6

2.2

PŘIJÍMAČ INFRAČERVENÉHO SPEKTRA .................................................................... 8

2.3

INFRAČERVENÁ LED .............................................................................................. 8

2.4

PRINCIP INFRAČERVENÉ KOMUNIKACE ................................................................... 9

ZPŮSOBY ŘEŠENÍ A POUŽITÉ POSTUPY ....................................................... 10

3.1 ZAPOJENÍ.............................................................................................................. 10 3.1.1 Návrhové prostředí Eagle 6.0 ....................................................................... 10 3.1.2 Schéma zapojení mikrokontroléru dle výrobce ............................................ 10 3.1.3 Schéma zapojení přijímače........................................................................... 11 3.1.4 Schéma zapojení vysílače ............................................................................. 12 3.2 TEORIE VYSÍLÁNÍ.................................................................................................. 13 3.2.1 Činnost obvodu ............................................................................................ 14 3.2.2 Průběh vysílaných dat na vstupu A výstupu přijímače ................................ 15 3.2.3 Závislost reaktivní spektrální citlivosti na vlnové délce tepelného záření ............................................................................................................ 15 3.2.4 Závislost reaktivní spektrální citlivosti na úhlu dopadu tepelného záření ............................................................................................................ 16 3.3 PROGRAMY .......................................................................................................... 16 3.3.1 Zkušební program pro vysílač ...................................................................... 16 3.3.2 Zkušební program pro přijímač .................................................................... 16 3.3.3 Finální program pro vysílač ......................................................................... 17 3.3.4 Finální program pro přijímač ....................................................................... 17 3.4 REALIZACE ........................................................................................................... 18 3.4.1 Desky nepájivých polí .................................................................................. 18 3.4.2 Desky plošných spojů................................................................................... 19 4 ZHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ .................................................... 20 5

PŘÍRUČKA UŽIVATELE ...................................................................................... 21 5.1

SOUČÁSTI ............................................................................................................. 21

5.2

POPIS NAPÁJENÍ .................................................................................................... 22

5.3

POUŽITÍ ................................................................................................................ 23

SHRNUTÍ ........................................................................................................................... 25 SEZNAM POUŽITÝCH INFORMAČNÍCH ZDROJŮ ................................................ 26 SEZNAM OBRÁZKŮ ....................................................................................................... 27

Střední škola informatiky, elektrotechniky a řemesel Rožnov pod Radhoštěm

4

ÚVOD Přenos informace je stěžejním problémem celé maturitní práce. Toho lze dosáhnout různými způsoby. Od použití kabeláže, až po přenášení vzduchem pomocí elektromagnetických vln. Klasická metalická kabeláž, má výhodu ve stabilitě spojení, ovšem mobilita vysílače je značně omezena. Proto je značně rozšířená technologie bezdrátového přenosu elektromagnetickou vlnou o různé vlnové délce. V maturitní práci je použita elektromagnetická vlna v infračervené oblasti spektra. Samotnou optickou komunikaci mezi vysílačem a přijímačem nazýváme infračervený přenos. Při přenosu se využívá, lidským okem nepozorovatelné, infračervené (tepelné) záření o vlnové délce 950nm. Jako zdroj infračerveného záření se slouží infračervená LED, jejíž jas je modulován, aby nedocházelo k falešnému řízení přijímače, nebo dokonce zaslepení vysílače jinými tepelnými zdroji z okolí.


5

1 CÍLE PRÁCE Cílem práce je realizovat myšlenku přenosu signálu pomocí infračerveného záření. K tomu je zapotřebí navrhnout vhodný vysílač ovládaný tlačítky. Jejich stiskem provedeme volbu rozdílné kódové kombinace a aktivaci vysílače. Přijímač dekóduje signál vysílače a uvede do chodu danou periferii. Generování kódu stisknutého tlačítka i dekódování signálu přijatého přijímačem provede mikrokontrolér. Ten aktivuje požadovanou periferii. Dále je nutné vše umístit na desku plošných spojů, popřípadě na desku univerzálních plošných spojů, dle dostupnosti materiálu. Práce také obsahuje seznámení se s principy fungování přijímače infračerveného záření a jeho komunikaci s mikrokontrolérem. Ten je zapojen na vysílací i přijímací straně a je vybaven vytvořeným programem napsaným v JSA51.


6

2 VÝBĚR TECHNOLOGIÍ PRO ŘEŠENÍ 2.1

Mikrokontrolér

Jako řídící mikrokontrolér byl vybrán AT89C2051s dvaceti vývodovým pouzdrem DIL. Vybrán byl díky zkušenostem, které autor získal při studiu mikrokontroléru 8051, oba mají shodné jádro. Rozdíl je v počtu portů, 2051 má pouze dva porty P1 a P3, navíc pin P3.6 je z vnějšku nedostupný, tudíž celkový počet vstupně/výstupních pinů klesá na patnáct. Zbylých pět vývodů sloužících pro pin 1 reset, piny 4 a 5 pro připojení řídícího krystalu o frekvenci 12 MHz a piny, jenž slouží pro napájení mikrokontoléru, pin 10 (záporný pól) a pin 20 (kladný pól).

Obrázek 1 Popis pinů mikrokontroléruAT89C2051[1]


7

Dále 2051 obsahuje 2KB flash paměť pro program, 128B datová RAM a pětkrát dvouúrovňová priorita přerušení. Pracovní napětí je v rozmezí 4,75 – 5,52V s hodinovým kmitočtem 12 24MHz. Součástí jsou dva integrované 16b čítače, analogový komparátor s vnitřním vývodem na lince (P3.6) a plně duplexní sériový kanál. Analogový komparátor se většinou používá pro měření fyzikálních veličin. Provozní teplota mikrokontroléru je výrobcem udána od -40 do 85°C.

Obrázek 2 Blokové schéma AT89C2051[1]


2.2

8

Přijímač infračerveného spektra

Použitý přijímač TSOP34836 byl zvolen, protože je uzpůsoben pro příjem elektromagnetické vlny o délce 950nm amplitudově modulované s frekvencí 36KHz. V případě, že přijímač zachytí infračervené záření o vlnové délce 950nm a amplitudově modulované s frekvencí 36kHz, jeho výstup klesne na ~0 V, když nepřijímá infračervené záření, na jeho výstupu je 5V. Detektorem infračerveného záření je PIN dioda.

Obrázek 3 Blokové schéma infračerveného přijímače [4]

2.3

Infračervená LED

Jako vysílač byla vybrána LD274, protože vysílá na vlnové délce 950nm, což je vlnová délka, na kterou je citlivý i přijímač. Vyzařovací úhel je pouhých 10°. Je uložena do pouzdra s průměrem 5 mm. Což vyžaduje velmi přesné zaměření vysílaného infračerveného paprsku do prostoru přijímače. Ovšem vyzařovací úhel lze rozšířit paralelním zapojením dvou infračervených LED diod těsně vedle sebe. Maximální proud v propustném směru je 100mA. [2]


2.4

9

Princip infračervené komunikace

Infračervená komunikace využívá pro přenos informace od vysílaček k přijímači elektromagnetické záření o vlnové délce 950nm. Jedná se tedy o tepelné záření, lidským okem nepozorovatelné. Zdrojem infračerveného záření je infračervená LED. K předcházení rušení od jiných tepelných zdrojů (žárovek, tepelných těles) je nutná amplitudová modulace jasu vysílané elektromagnetické vlny. Signál je tedy vysílán jako puls elektromagnetického vlnění. Pulsní vlnění má tedy výhodu, oproti vysílání trvalé logické úrovně v lepším krátkodobém vybuzení vysílacího zdroje a tím i zvýšením vysílacího dosahu.

Obrázek 4 Puls elektromagnetického vlnění Světelné pulzy jsou vysílány s frekvencí 36KHz. Délka pulzů: T0= 1/f = 1/ (36*1000) = 28us Činitel plnění: Čp= Ti/T0 = 0,25


10

3 ZPŮSOBY ŘEŠENÍ A POUŽITÉ POSTUPY 3.1 3.1.1

Zapojení Návrhové prostředí Eagle 6.0

Elektrotechnické zapojení bylo vytvořeno ve freeware verzi návrhového prostřední Eagle 6.0. Tento program je přímo uzpůsoben pro návrh elektrotechnických schémat i jejich umístění na desku plošných spojů. Je nutno podotknout, že do programu je potřeba nahrát rozšíření v podobě knihoven, které obsahují požadované součástky. 3.1.2

Schéma zapojení mikrokontroléru dle výrobce

Přijímač i vysílač obsahují mikrokontrolér. Na vysílací straně zajišťuje binární kódování tlačítek a modulaci jasu elektromagnetických vln u samotných vysílacích LED diod. Na straně přijímací dekóduje signál z přijímače a na jeho základě ovládá periferie. Resetovací obvod a generátor hodinových impulzů byl zapojen podle doporučení výrobce. Schéma zapojení je znázorněno na obrázku 5.

Obrázek 5 Schéma zapojení mikrokontroléru, dle výrobce


3.1.3

11

Schéma zapojení přijímače

Přijímač TSOP34836 je připojen na mikrokontrolér, přes jeden invertor na vstupu vnějšího přerušení P3.3 a přes dva invertory na vstupu vnějšího přerušení P3.2. Pro ovládání výkonových periferií je zde k dispozici relé a optotriak, ten sepne v případě, že se otevře tranzistor. U relé je tranzistor připojen bází na invertor. Z toho plyne, že relé sepne ve chvíli, kdy se na příslušném pinu portu P1 objeví logická nula. Dále je tranzistory ovládána optická signalizace tvořená čtyřmi LED diodami. Z důvodu zachování způsobu zapínání nulou, jsou i tyto spínací tranzistory napojeny na invertory. LED diody se tedy taktéž rozsvěcují logickou nulou na příslušném pinu portu P1. Schéma zapojení přijímače je na obrázku 6.

Obrázek 6 Schéma zapojení přijímače


3.1.4

12

Schéma zapojení vysílače

Čtyři tlačítka jsou připojena na piny mikrokontroléru P1.7 až P.4. V rozepnutém stavu je na příslušném portu tlačítka logická 1. Stiskem tlačítka uzemníme daný pin portu, tudíž nastane logická 0. Dále na pinech P3.4 a P3.5 jsou připojeny přes odpory 4k7 na bázi dva spínací PNP tranzistory. Tranzistor Q1 slouží pro povolení, nebo zákaz vysílání. Kondenzátor C1je zde pro vyhlazení proudových nárazů a odpor R6 pro samotné doladění proudu procházejícího infračervenými LED diodami a tím i jejich vyzařovaného výkonu neboli dosahu vysílače. Vysílání poté probíhá tak, že na bázi tranzistoru Q2 posíláme z příslušného portu střídavě logické 1 a logické 0 o frekvenci 36kHz. Tím se nám také střídavě otevírá a zavírá tranzistor Q3 a infračervené LED diody generují elektromagnetickou vlnu o délce 950nmpřerušovanou frekvencí 36kHz. Pro zvětšení vyzařovacího úhlu jsou použity dvě infračervené LED diody. Signalizaci vysílání zajišťuje červená LED dioda připojena před tranzistorem Q3.

Obrázek 7 Schéma zapojení vysílače


3.2

13

Teorie vysílání

Data jsou posílány jako posloupnost bitů. Jeden bit má délku 64 period (T0) nosného signálu. Při kmitočtu 36KHz je délka datového bitu 64*24us = 1488us. Datový bit je tedy tvořen stavem, kdy jsou světelné impulzy vysílány a časem prodlevy.

Obrázek 8 Logické stavy

Volbu akce provádíme stiskem tlačítka a následným generováním 12 bitové modulace. V ovladači je použit 12 bitový kód YOKO. Přiřazení kódu tlačítkům bylo nastaveno následovně:  Tlačítko 1 – rozsvícení (zhasnutí) modrých LED 001011011111  Tlačítko 2 – rozsvícení (zhasnutí) červených LED 001011101111  Tlačítko 3 – spuštění (zastavení) motoru 001101101111  Tlačítko 4 – odemčení (zamčení) elektronického zámku 001101011111 Při stisku tlačítka je jemu přiřazený kód vyslán pětkrát s 20ms pauzou. Vše řídí mikrokontrolér, který dále časuje spínač, ten propojuje infračervenou diodu s napětím. Tím vysíláme tepelné elektromagnetické vlny.


3.2.1

Činnost obvodu

Obrázek 9 Činnost obvodu Při započetí vysílání tepelných impulzů, přejde výstup přijímače do stavu logické 0 se zpožděním asi 10 T0. Při ukončení vysílání tepelných impulzů, přejde výstup do stavu logické 1 se zpožděním asi 5 T0.

14


3.2.2

Průběh vysílaných dat na vstupu A výstupu přijímače

Obrázek 10 Vstup a výstup přijímače 3.2.3

Závislost reaktivní spektrální citlivosti na vlnové délce tepelného záření

Obrázek 11 Graf závislosti citlivosti na vlnové délce

15


3.2.4

16

Závislost reaktivní spektrální citlivosti na úhlu dopadu tepelného záření

Obrázek 12 Graf závislosti citlivosti na úhlu dopadu Pro dosažení co nejlepší možné kvality přenosu je nutno namířit vysílač přímo na přijímač. Vysílané signály mohou dopadat na přijímač i z odrazu, ale je zde velká pravděpodobnost ztráty signálu.

3.3 3.3.1

Programy Zkušební program pro vysílač

První verze programu pro vysílač sloužila k otestování vysílacích impulzů, jakožto vysílání logických úrovní. Stisknutí libovolného tlačítka mělo za následek rozsvěcení vysílacích infračervených LED diod a tím pádem i vysílání logické 1. 3.3.2

Zkušební program pro přijímač

První realizovaná verze programu pro přijímač pouze rozsvěcovala barevné LED diody, nebo spínala zbylé dvě periferie v případě, že byl přijat signál, ať už od vysílače, nebo okolního rušení. Program sloužil převážně k testu signálu logických úrovní vystavených okolnímu rušení a k testu dosahu vysílače.


3.3.3

17

Finální program pro vysílač

Program generuje kód složený z logických nul a jedniček podle zvoleného tlačítka. Nula a jednička se liší počtem vyslaných tepelných impulzů a délkou prodlevy. Tuto činnost vykoná a vrací se na začátek programu a znovu testuje stisk a provádí identifikaci tlačítka.

Obrázek 13 Algoritmus vysílače 3.3.4

Finální program pro přijímač

Program testuje stav, zda přijímač zachytil signál vysílače. Přijatý signál dekóduje a odvodí z něj požadovanou činnost (př. zapnutí motoru). Tuto činnost vykoná a čeká na příjem dalšího kódu.

Obrázek 14 Algoritmus přijímače


3.4 3.4.1

18

Realizace Desky nepájivých polí

První testovací produkty, byly umístěny na nepájivá pole z důvodů jednoduché opravy chyb vzniklých při zapojování a ladění výrobku pro jeho finální umístění na desku plošných spojů.

Obrázek 15 Deska nepájivého pole, přijímač

Obrázek 16 Deska nepájivého pole, vysílač


3.4.2

19

Desky plošných spojů

Návrh desky plošného spoje pro modul vysílače a přijímače, byl stejně jako schéma uskutečněn v programu Eagle 6.0. Samotná výroba desky plošných spojů probíhá tiskem spojů, bez součástek na průsvitný papír. Tento vytištěný návrh se přiloží k desce, která je pokrytá mědí a fotocitlivým lakem. Poté se asi třicet minut osvěcuje ultrafialovým světlem. Dále se deska omyje v připraveném nálevu. Tímto se odhalí osvícený návrh. Pokud byla deska správně osvícena, pokračuje se s deskou do dalšího nálevu. Zde se smyje měď z desky a zůstanou pouze neosvícené části.

Obrázek 17 Neosazené desky plošných spojů


20

4 ZHODNOCENÍ DOSAŽENÝCH VÝSLEDKŮ Po dokončení finálních verzí obou modulů a odzkoušení jejich funkčnosti, byly vyvozeny následující závěry: 

Vysílač je ještě stále nutné přesně nasměrovat k přijímači.



Dosah vysílače je asi 5 metrů a klesá s postupným vybitím baterie ve vysílači.



Konečné řešení napájení vysílače je pomocí 9 V baterie.

Dále testovací přídavná zařízení připojená na periferie, byla po stisknutí tlačítka uvedena do provozu. Mikrokontroléry na obou modulech byly naprogramovány v jazyku symbolických adres.


5 PŘÍRUČKA UŽIVATELE 5.1

Součásti

Produkt se skládá z těchto částí:  Modul přijímače, obrázek 18  Modul vysílače, obrázek 19  9 V baterie  Periferie pro přijímač

Obrázek 18 Modul přijímače

21


22

Obrázek 19 Modul vysílače

5.2

Popis napájení

Modul vysílače je napájen z 9V baterie. Napájení na vysílači se nedá vypnout, proto je vysílač neustále v provozu. Připojení kladného a záporného pólu je znázorněno na obrázku 20. Pro napájení modulu přijímače použijeme stejnosměrné 5 V napětí. Toto napětí přivedeme na napájecí piny. Připojení kladného a záporného pólu je znázorněno na obrázku 21.

Obrázek 20 Napájecí piny vysílače


23

Obrázek 21 Napájecí piny přijímače K přijímacímu modulu je možné připojit až dvě periferie, samotný modul, ale musí být vypnut!

5.3

Použití

Modul vysílače obsahuje 4 kódované tlačítka, znázorněny na obrázku 22, jež pomocí modulovaného vysílání infračerveného spektra, slouží jako dálkový ovladač pro periferie připojené k přijímači.

Obrázek 22 Číslování tlačítek vysílače


24

Ovladač je třeba namířit vysílacími infračervenými LED diodami k přijímači a stisknout libovolné tlačítko pro zapnutí, nebo vypnutí jednoho či druhého spínaného zařízení, modrých a červených LED diod. V případě, že červená LED dioda u vysílače nesvítí, baterie je vybitá. Mezi vysílačem a přijímačem nesmí být žádná překážka!

Obrázek 23 Ukázka vhodného nasměrování vysílače

Obrázek 24 Ukázka nevhodného nasměrování vysílače


25

SHRNUTÍ Cílem maturitní práce bylo sestavit dálkový kódový spínač. Tento úkol se zdařilo realizovat. Vysílač po stisknutí tlačítka vyšle infračervený signál přijímači, který jej následně zpracuje, vyhodnotí a provede požadované operace. Práce byla časově náročná a vyskytlé problémy se nakonec podařilo vyladit. Zvláště náročnou částí byl návrh desky plošných spojů pro oba moduly. Toto zabralo nejvíce času i práce z důvodů nutnosti bezchybného návrhu. Dále testovací verze modulů umístěné na nepájivých polích obsahovaly skryté chyby v zapojení, které taktéž brzdily hladký průběh práce. Stejně tak tomu bylo se samotným laděním programu. Zde bylo velkou nevýhodou programování v jazyku symbolických adres, nikoliv v jazyku C jak bylo původně zamýšleno. Využití výrobku v praxi, tak jak je sestaven, je spínání až dvou zařízení a světelná signalizace. Například: stisknutím prvního a druhého tlačítka se rozsvítí červené a modré LED diody, jakožto světelná signalizace. Zbylými dvěma tlačítky je možné ovládat elektrický motor a elektronický zámek, nebo jiná připojená zařízení. Pro lepší účinnost výrobku v praxi je nutno upravit napájení vysílače a tím zvýšit dosah vysílání. Dále použité součástky nahradit součástkami SMD pro miniaturizaci celého obvodu a s tím spojené nové návrhy desek plošných spojů.


SEZNAM POUŽITÝCH INFORMAČNÍCH ZDROJŮ [1] Microcontrollers: 8051 Architecture: Flash Reprogrammable: AT89C2051. In: AtmelCorporation [online]. Dostupnéz: http://www.atmel.com/devices/at89c2051.aspx?tab=overview

[2]Práce s mikrokontroléry ATMEL AT89C2051, David Matoušek, BEN [3] Komunikace mikrokontroléru s okolím, Jiří Hrabáček, BEN [4] Product support: TSOP348…:TSOP 34836. In: Vishay[online]. Dostupné z: http://www.vishay.com/product?docid=82489 [5]Číslicová technika:Základy konstruktérské praxe. David Matoušek, BEN

26


27

SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1 Popis pinů mikrokontroléruAT89C2051[1] ......................................................... 6 Obrázek 2 Blokové schéma AT89C2051[1] .......................................................................... 7 Obrázek 3 Blokové schéma infračerveného přijímače [4] ..................................................... 8 Obrázek 4 Puls elektromagnetického vlnění.......................................................................... 9 Obrázek 5 Schéma zapojení mikrokontroléru, dle výrobce ................................................. 10 Obrázek 6 Schéma zapojení přijímače ................................................................................. 11 Obrázek 7 Schéma zapojení vysílače ................................................................................... 12 Obrázek 8 Logické stavy...................................................................................................... 13 Obrázek 9 Činnost obvodu .................................................................................................. 14 Obrázek 10 Vstup a výstup přijímače .................................................................................. 15 Obrázek 11 Graf závislosti citlivosti na vlnové délce ......................................................... 15 Obrázek 12 Graf závislosti citlivosti na úhlu dopadu .......................................................... 16 Obrázek 13 Algoritmus vysílače .......................................................................................... 17 Obrázek 14 Algoritmus přijímače........................................................................................ 17 Obrázek 15 Deska nepájivého pole, přijímač ...................................................................... 18 Obrázek 16 Deska nepájivého pole, vysílač ........................................................................ 18 Obrázek 17 Neosazené desky plošných spojů ..................................................................... 19 Obrázek 18 Modul přijímače ............................................................................................... 21 Obrázek 19 Modul vysílače ................................................................................................. 22 Obrázek 20 Napájecí piny vysílače ...................................................................................... 22 Obrázek 21 Napájecí piny přijímače .................................................................................... 23 Obrázek 22 Číslování tlačítek vysílače ................................................................................ 23 Obrázek 23 Ukázka vhodného nasměrování vysílače.......................................................... 24 Obrázek 24 Ukázka nevhodného nasměrování vysílače ...................................................... 24

MATURITNÍ PRÁCE dokumentace

Recommend Documents