ANOTACE Diplomová práce pojednává o problematice návrhu m ící stanice pro m ení teploty a vlhkosti. V první ásti se zabývá teoretickým základem týkajícím se základními senzory pro m ení teploty a vlhkosti. Dále se pak zabývá teoretickým návrhem m ícího systému a to zvolením typ sou ástek a možnostmi komunikace mezi t mito sou ástkami. Velká ást práce pojednává o komunikacích na sb rnicích I2C, UART, SPI, RS484. Práce se dále zabývá funkcí jednotlivých integrovaných obvod , modul využitých v práci a jejich správným zapojením. V praktické ásti se zabývám návrhem autonomního systému pro m ení teploty a relativní vlhkosti s možností prezentace dat v po íta i. Jsou zde podrobné popisy testování jednotlivých obvod stanice a p esný popis funkce jednotlivých blok systému. Navrhovaná schémata a desky plošných spoj jsou navrženy ve vývojovém prost edí Eagle a pro další využití uloženy v p íloze na CD. Záv r práce je vy len n pro stru ný popis algoritm naprogramovaných v procesorech a algoritmus programu pro vyhodnocování výsledk ,,Meteostanice“. Pomocí programu ,,Meteostanice“ jsou v práci prezentovány výsledky vybraných m ení. Navržená m ící stanice je funk ní. Práce je tak kompletním návodem pro realizaci autonomní meteorologické stanice s vlastní pam tí.
KLÍ OVÁ SLOVA Meteorologická stanice, autonomní meteorologická stanice, m ení teploty, m ení vlhkosti, SPI, I2C, UART, RS485.
ABSTRACT This master´s thesis deals with the design of measuring station used for the temperature and humidity measurement. There is a theoretical basical description of sensores for temperature and humidity measurement in the first part. Furthermore I deal with a theoretical design of measuring system, especially with types of materials and possibilities of communication between these parts. The main part of thesis is about communication on buses I2C,UART, SPI, RS485. There is a description of function procedure of particular integrated circuit, moduluses which are used in task in the next part of thesis.In the practical part I was engaged in a functional design of autonomous system for the temperature and ralative humidity measurement. Data could be presented by the computer after connection with the station. There is a description of testing the particular circuits and the full description of function particular blocks of system in the task. I have used the program called Eagle for schemes and printed wirings designing. The copy is placed on CD ready for next using. In the last part of thesis is a brief description of program algorithm "Meteostanice", which I have created for data presentation. There is an illustration of measuring results in these last part. The task is completely ready for the realization of autonomous system of weather station with its own memory.
KEY WORDS Weather station, autonomous weather station, temperature measuring, humidity measuring, SPI, I2C, UART, RS485
i
LAPÁ EK, P. Elektronický m i teploty a vlhkosti. Brno: Vysoké u ení technické v Brn , Fakulta elektrotechniky a komunika ních technologií, R, 2011. 62 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Ivo Lattenberg
ii
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svoji diplomovou práci na téma ,,Elektronický m i teploty a vlhkosti“ vypracoval samostatn pod vedením vedoucího diplomové práce, s využitím odborné literatury a dalších informa ních zdroj , které jsou všechny citované v práci a uvedené v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvo ením této práce jsem neporušil autorská práva t etích osob. Jsem si pln v dom následk porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona . 121/2000 Sb., zapo ítání možných trestn právních d sledk vyplývajících z ustanovení § 152 trestního zákona . 140/1960 Sb.
V Brn dne .......................
.................................................. podpis autora
Pod kování: D kuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Ivu Lattenbergovi za vedení p i ešení diplomové práce. V Brn dne .......................
.................................................. podpis autora
iii
OBSAH Seznam obrázk ......................................................................................................................... 1 Seznam tabulek .......................................................................................................................... 3 Seznam zkratek .......................................................................................................................... 4 Úvod ........................................................................................................................................... 5 1 Popis fyzikálních veli in teploty a vlhkosti ....................................................................... 6 1.1 Teplota........................................................................................................................ 6 1.2 Vlhkost vzduchu........................................................................................................ 6 2 Senzory pro m ení teploty a vlhkosti................................................................................ 8 2.1 Senzory teploty a jejich principy................................................................................ 8 2.1.1 Kovové odporové senzory teploty...................................................................... 8 2.1.1.1 M d né sníma e teploty:................................................................................ 9 2.1.1.2 Niklové sníma e teploty:................................................................................ 9 2.1.1.3 Platinové sníma e teploty: ............................................................................. 9 2.1.2 Polovodi ové senzory teploty .......................................................................... 10 2.1.2.1 Termistory .................................................................................................... 10 2.2 Senzory Vlhkosti a jejich principy ........................................................................... 12 2.2.1.1 Odporový senzor vlhkosti: ........................................................................... 12 2.2.1.2 Kapacitní senzor vlhkosti: ............................................................................ 13 2.2.1.3 Vlhkom r s vyh ívanými termistory: ........................................................... 13 3 Teoretický Návrh systému pro m ení tepla a vlhkosti.................................................... 14 3.1 Komunikace mezi jednotlivými bloky ..................................................................... 16 3.1.1 USART (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter) 16 3.1.2 USB (Universal serial bus)............................................................................... 16 3.1.3 ROZHRANÍ RS485 (Sériová linka) ................................................................ 17 3.1.4 I2C (Inter Integrated Circuit Bus ) ................................................................... 19 3.1.4.1 Systém komunikující pomocí I2C sb nice................................................... 19 3.1.4.2 Komunikace na sb rnici I2C ........................................................................ 20 3.1.4.3 Adresace na sb rnici I2C.............................................................................. 21 3.1.5 SPI .................................................................................................................... 21 4 Praktický návrh m ící stanice ......................................................................................... 24 4.1 integrované obvody a sou ástky využité v zapojení m ící stanice......................... 24 4.1.1 Pocesory PIC16F1824 a PIC16F876A............................................................. 24 4.1.2 P evodník UM232R (UART/USB).................................................................. 25 4.1.3 P evodník LTC485 (UART/RS485) ................................................................ 26 4.1.4 Stabilizátory nap tí........................................................................................... 27 4.1.4.1 Stabilizátory nap tí L7805ABV a LP2950 .................................................. 27 4.1.4.2 Stabilizátor nap tí LP2950 ........................................................................... 28 4.1.5 Senzor SHT21 .................................................................................................. 28 4.1.6 Pam EEPROM 25LC-I/SN ........................................................................... 30 4.1.7 PCF8563 (RTC) obvod reálného asu ............................................................. 31 4.1.8 Displej .............................................................................................................. 31 4.2 Návrh schematu a desky plošného spoje ídící jednotky a m ícícího obvodu........ 32 4.2.1 Popis schématu centrální jednotky a principu zapojení ................................... 32 4.2.1.1 Obvod napájení ............................................................................................ 33 4.2.1.2 Obvod modulu UMR232.............................................................................. 33 4.2.1.3 Sb rnice RS485 ízená procesorem.............................................................. 33 4.2.1.4 Zapojení procesoru, ovládacích prvk , displeje, pam ti EEPROM a RTC . 33 iv
4.2.2 Popis desky plošného spoje ídící jednotky ..................................................... 36 4.3 Návrh schematu a desky plošného spoje m ícího obvodu...................................... 39 4.3.1 Popis vstupních obvod sb rnice RS485 ......................................................... 39 4.3.2 Popis zapojení procesoru, který ídí m ení a komunikaci s centrální jednotkou 39 4.3.2.1 Popis p ípravku pro senzor SHT21 .............................................................. 40 4.3.3 Popis desky plošného spoje ídící jednotky ..................................................... 41 5 programování za ízení...................................................................................................... 43 5.1 Vývojový diagram programu ídící jednotky........................................................... 43 5.2 Vývojový diagram programu M ící jednotky......................................................... 44 5.3 Vývojový diagram programu Meteotanice............................................................... 45 6 Oživování A testování Stanice ......................................................................................... 47 6.1.1 Oživování m ící jednotky ............................................................................... 47 6.1.2 Oživování centrální jednotky ........................................................................... 47 7 Základní parametry, Funkce a oVládání za ízení p i m ení a výsledky m ení............. 49 7.1 Základní parametry .................................................................................................. 49 7.2 Ovládání a signalizace centrální jednotky................................................................ 49 7.3 ovládání a signalizace m ící jednotky ................................................................... 51 7.4 P ipojení k PC a ovládání programu Meteostanice .................................................. 52 Záv r......................................................................................................................................... 55 Použitá literatura ...................................................................................................................... 56 P ílohA A – Partlisty navržených desek .................................................................................. 57 P íloha B – Ukázka graf s výsledky m ení ........................................................................... 59 P íloha C – Fotografie stanice .................................................................................................. 61
v
SEZNAM OBRÁZK Obr. 2.1:
Závislost odporu idla Pt 100 na teplot , kde modrá k ivka je závislost odporu sníma e na teplot a ervená slouží k rozpoznání nelinearity................................. 9
Obr. 2.2:
Odporové platinové sníma e ................................................................................. 10
Obr. 2.3:
Porovnání teplotních závislostí odporových senzor na teplot , Pt- platinový senzor, Ni- niklový senzor, NTC- negastoru......................................................... 11
Obr. 2.4:
Na obrázku vidíme závislost rezistivity materiálu pozistoru na teplot ................ 12
Obr. 3.1:
Blokové schéma m ící stanice ............................................................................. 14
Obr. 3.2:
Zapojení USB konektoru typu A a B .................................................................... 17
Obr. 3.3 : P enos jednoho osmibitového znaku (bajtu) za ínajícího Start bitem a ukon eného Stop bitem.............................................................................................................. 18 Obr. 3.4:
Správné zapojení RS485 s odporem 120
........................................................... 18
Obr. 3.5:
Zapojení konektoru RS485.................................................................................... 19
Obr. 3.6:
Zapojení konektoru RS485................................................................................... 20
Obr. 3.7:
Start a stop sekvence komunikace I2C .................................................................. 20
Obr. 3.8:
Potvrzení acknowlege bitem p ijíma em na sb rnici I2C ..................................... 20
Obr. 3.9:
Topologie sít komunikace SPI............................................................................. 22
Obr. 3.10: Sekvence zápisu do pam ti prost ednictvím sb rnice SPI .................................... 22 Obr. 3.11: Sekvence tení z pam ti prost ednictvím sb rnice SPI......................................... 23 Obr. 4.1:
Pin diagram PIC16F1824 [5] ................................................................................ 24
Obr. 4.2:
Pin diagram PIC16F876A [5]................................................................................ 25
Obr. 4.3:
Integrovaný obvod p evodníku USB na UART [6] .............................................. 26
Obr. 4.4:
Modul p evodníku USB na UART [6] .................................................................. 26
Obr. 4.5:
Pin diagram LTC485 [7] ....................................................................................... 27
Obr. 4.6:
Sb rnicová topologie zapojení RS485 pomocí integrovaného obvodu LTC485 zapojení Half Duplex [7] ....................................................................................... 27
Obr. 4.7:
Zapojení stabilizátoru nap tí vlevo, popis pin stabilizátoru vpravo [11] ............ 28
Obr. 4.8:
Schéma zapojení regulátor nap tí LP2950 vlevo, popis jednotlivých pin stabilizátoru vpravo [11] ....................................................................................... 28
Obr. 4.9:
Rozm ry SMD senzoru SHT21 [8] ....................................................................... 29
Obr. 4.10: Doporu ené zapojení senzoru ............................................................................... 29 Obr. 4.11: Graf odchylky m ení relativní vlhkosti v závislosti na m ených hodnotách relativní vlhkosti [8] .............................................................................................. 30 Obr. 4.12: Graf odchylky m ení teploty v závislosti na nam ených hodnotách teploty [8] 30 Obr. 4.13: Pin diagram pam ti [10] ........................................................................................ 31
1
Obr. 4.14: Pin diagram obvodu reálného asu PCF8563 [9] .................................................. 31 Obr. 4.15: Schéma ídící jednotky (vyobrazeno na ší ku)...................................................... 35 Obr. 4.16: Deska plošných spoj
ídící jednotky ................................................................... 36
Obr. 4.17: Šablona desky plošného spoje ídící jednotky spodní strana (bottom) – invertované barvy .................................................................................................. 37 Obr. 4.18: Šablona desky plošného spoje ídící jednotky horní strana (top) – invertované barvy...................................................................................................................... 38 Obr. 4.19: Deska plošného spoje centrální jednotky po osazení ............................................ 38 Obr. 4.20: Schéma m ícího obvodu ...................................................................................... 40 Obr. 4.21: Schéma desky plošného spoje p ípravku obrázek vlevo a osazení desky plošného spoje obrázek vpravo............................................................................................. 41 Obr. 4.22: Deska plošných spoj m ícího obvodu................................................................ 41 Obr. 4.23: Šablona desky plošného spoje m ící jednotky (bottom) – invertované barvy..... 42 Obr. 4.24: Osazená deska plošného spoje m ící jednotky .................................................... 42 Obr. 5.1:
Zjednodušený vývojový diagram programu který je použit v ídící jednotce....... 44
Obr. 5.2:
Vývojový diagram programu naprogramovaném v m ící jednotce..................... 45
Obr. 5.3:
Vývojový diagram programu ,,Meteostanice“ ...................................................... 46
Obr. 6.1 Test komunikace mezi centrální jednotkou a m ící jednotkou. ............................... 48 Obr. 7.1:
Inicializace p ipojených za ízení........................................................................... 50
Obr. 7.2:
Po stla ení tla ítka 4 se zobrazila aktuální vlhkost vzduchu................................ 51
Obr. 7.3:
Signalizace p ipojeného USB. Svítí zelená LED dioda napravo od USB p evodníku a na displeji se zobrazí p ipojen. ........................................................ 52
Obr. 7.4:
Nam ené hodnoty relativní vlhkosti v závislosti na ase, zobrazené programem Meteostanice.......................................................................................................... 53
Obr. 7.5:
Nam ené hodnoty teploty v závislosti na ase, zobrazené programem Meteostanice.......................................................................................................... 54
2
SEZNAM TABULEK Tab. 2.1
Materiály používané pro kovové sníma e teploty................................................... 8
Tab. 4.1:
Popis funkcí a nastavení jednotlivých pin displeje.............................................. 32
3
SEZNAM ZKRATEK USB
Universal Seriál Bus
ICSP
In-Circuit Serial Programming
PC USART Log0
Po íta Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter Logická 0
Log1 RS485 I2C
Logická 1 Seriová linka Vnit ní integrovaná linka mezi obvody
4
ÚVOD Elektronický m i teploty a vlhkosti M ení teploty a vlhkosti pat í bezesporu mezi velice d ležitá prvotní m ení, bez nichž bychom nemohli ur it danou p esnost dalších m ení. Teplota a vlhkost pat í mezi velice d ležité faktory ovliv ující m ení nejenom v elektronice. Práce pojednává o problematice elektronickým m i teploty a vlhkosti, jejichž základní stavební jednotkou je programovatelný jedno ipový procesor PIC. Tato práce se proto bude zabývat zejména programovým ovládnutím procesoru PIC a také zp sobem, jakým mezi sebou budou jednotlivé samostatné bloky komunikovat. Projekt se dá rozd lit na t i nejzákladn jší ásti. První je ást teoretická. Pojednává o r zných typech senzor m ících teplotu a vlhkost. V této ásti se zabývám zejména teorií senzor m ících vlhkost a teplotu. Druhá je ást teoretického návrhu systému m ící stanice. Zde popisuji blokové schéma navrženého systému, jednotlivé bloky a zp sob komunikace mezi jednotlivými bloky. T etí je ást návrhu. V této ásti se zabývám parametry jednotlivých sou ástek, které jsou pro obvody charakteristické. Dále navrhuji schéma ídící jednotky a m ícího systému ve vývojovém prost edí Eagle, stejn tak i desky plošných spoj . V této ásti je popis funkce jednotlivých d ležitých ástí obvodu. Výsledkem a výstupem této diplomové práce je navržení elektronické stanice m ící teplotu a vlhkost v etn schémat a desek plošných spoj . Na záv r práce popisuji funk ní m ící stanici, její funkce, parametry, ovládání a zpracování nam ených dat. Doprovodný výklad slouží jako teoretický základ, na kterém byl tento projekt vypracován.
5
1 POPIS FYZIKÁLNÍCH VELI IN TEPLOTY A VLHKOSTI V kapitole 1. se zabývám popisem fyzikálních veli in teploty a vlhkosti, principem funkce senzor pro m ení výše zmi ovaných fyzikálních veli in a jejich d lením. M ením teploty se v eské republice nezabývá p íliš mnoho interpret , proto jsem byl nucen nastudovat materiál z velké ásti pouze z doporu ené literatury[1] a dohledaných materiál [2].
1.1 TEPLOTA Teplota je základní fyzikální veli ina soustavy SI pat ící do odv tví termodynamiky. Je jednou z nejd ležit jších termodynamických vlastností a to zejména proto, že se vyskytuje v mnoha fyzikálních zákonech. Její jednou je 1K (Kelvin). Mén využívanou jednotkou ve v d je pak °C (stupe Celsia). P evodní hodnota mezi stupni Kelvina a stupni Celsia je 0K=-273,15 °C. K této hodnot je možné se p iblížit, nedá se jí však dosáhnout. Jedná se o stavovou veli inu ur ující stav termodynamické rovnováhy. Teplota je p ímo úm rná kinetické energii pohybu ástic (molekul a atom ), kdy molekuly látky v které se vyskytují, na sebe neustále narážejí a m ní tím svoji teplotu v aktuálním ase. V pevném skupenství molekuly kmitají neuspo ádan kolem rovnovážné polohy, v tekutém skupenství je pohyb molekul neuspo ádaný v celém objemu. Pokud na hmotu nep sobí okolní prost edí, je rychlost pohybu molekul konstantní. Z toho vyplývá, že teplota jakéhokoli t lesa je p ímo úm rná kinetické energii molekul daného t lesa. Za nejnižší teplotu je pak ve fyzice brána tzv. absolutní teplotní nula, neboli 0K. P i této teplot mají molekuly nulovou kinetickou energii a jejich pohyb se zastaví. Máme-li ur it teplotu, nem žeme ji obvykle odvozovat p ímo z pohybu molekul, ale je pot eba využít následných d j k matematickému vyjád ení hodnoty pomocí stupnice. Historie teplom ru: Galileo Galilei roku 1606 první teplom r, založený na principu teplotní roztažnosti vzduchu ( byl hodn nep esný) Daniel G. Fahrenheit roku 1724, moderní rtu ový teplom r, první teplotní stupnice René-Antonie Ferchault de Réaumur roku 1742, zavedení Réaumurovy stupnice, již se nepoužívá Andres Celsius roku 1742, zavedení Celsiovy stupnice William Thomson Kelvin roku 1848, zavedení termodynamické stupnice asto ozna ované jako Kelvinova Historickými údaji zapsanými v textu výše jsem se nechal inspirovat z knihy [1]. Teplom r je v dnešní dob bezpochyby nedílnou sou ástí každodenního života lov ka. Využívá se v léka ství, automobilové, letecké a vlakové doprav , v energetice, ve veškeré pr myslové produkci elektrospot ebi , výpo etní technice i jako základní bezpe ností prvek. M ení teploty se využívá v diagnostice v elektronice a ad dalších odv tví.
1.2 VLHKOST VZDUCHU Je jednou ze základních vlastností vzduchu. Vlhkost vzduchu udává jaké množství vodní páry je obsaženo v daném množství vzduchu. Jedná se o velice významnou veli inu v meteorologii
6
a to zejména proto, že ur ení vlhkosti vzduchu umož uje p edpov di po así. Vlhkost vzduchu je prom nná v ase a s místem m ení. Chceme-li m it vlhkost, musíme se zabývat pouze plynným skupenstvím vody ve vzduchu (ve vzduchu se mohou vyskytovat všechna t i skupenství. V p ípad , že prší, je mlha nebo dochází k jiným p írodním jev m, p i nichž se i kombinují r zná skupenství vody, jedná se o heterogenní sm s a pak je t eba od sebe složky odd lit). Možnosti vyjád ení vlhkosti vzduchu [1],[2]: Absolutní vlhkost vzduchu: vyjad uje hmotnost vodní páry obsažené v jednotce objemu vzduchu (hustota vodní páry). Jednotkou je gram vodní páry na metr krychlový vzduchu ( g m 3 ) Relativní vlhkost vzduchu udává pom r mezi okamžitým množstvím vodních par ve vzduchu a množstvím par, které by m l vzduch o stejném tlaku a teplot p i plném nasycení. Udává se v procentech (%). Rosný bod (teplota rosného bodu) je teplota, p i které je vzduch maximáln nasycen vodními parami (relativní vlhkost vzduchu dosáhne 100 % - tzn. maximální relativní vlhkost vzduchu). Teplota rosného bodu je p ímo úm rná absolutní vlhkosti vzduchu, což znamená, že ím více je páry, tím vyšší je rosný bod. Nejzákladn jšími typy vlhkom r jsou: Vlasový vlhkom r - je založen na schopnosti lidského vlasu udržovat a pohlcovat vodu a tím m nit svoji délku, která se pak p epo te na danou vlhkost. Psychrometr - je založen na principu dvou teplom r a to suchého a vlhkého, p i emž rozdíl nam ených teplot je úm rný relativní vlhkosti. Elektronické vlhkom ry – m ení se provádí bu odporovými senzory, nebo elektrolytickými vlhkom ry. Pro pr myslové snímání relativní vlhkosti se nej ast ji používají kapacitní senzory s dielektrikem z polymeru absorbujícího vzdušnou vlhkost.
7
2 SENZORY PRO M
ENÍ TEPLOTY A VLHKOSTI
Cílem této kapitoly je teoretický úvod do problematiky senzor pro m ení teploty a vlhkosti. Co se týká teplotních senzor , není v eské republice p íliš mnoho materiál ze kterých by se dala studovat problematika teplotních senzor a proto jsem k nabytí v domostí využil [1] od Doc. Ing Marcela Kreidla.
2.1 SENZORY TEPLOTY A JEJICH PRINCIPY Senzor teploty je funk ní prvek obvodu, který sou asn tvo í vstupní blok m ícího systému. Základním principem senzoru je p evedení teploty na jinou fyzikální veli inu, se kterou se pak dále pracuje. Tím se z m ení teploty stává m ení nep ímé. D lení senzor : Podle fyzikálních princip m žeme rozd lit senzory na termoelektrické, dilata ní, odporové, polovodi ové s PN p echodem, optické radia ní, chemické, akustické, magnetické a jiné. Podle styku s m eným prost edím na dotykové a bezdotykové. Podle transformace signálu se d lí na aktivní (p sobením teploty se chovají jako zdroje energie) a pasivní, u kterých je ve v tšin nutné elektrické napájení pro transformaci teploty na jinou fyzikální veli inu.
2.1.1 Kovové odporové senzory teploty Pat í mezi dotykové senzory. Tato kovová idla fungují na principu zm ny odporu p i zm n teploty. To znamená, že pokud zvyšujeme teplotu daného kovu, jeho ástice se za nou v krystalické m ížce pohybovat rychleji a tím vznikne v tší odpor toku elektron t lesem. Nej ast ji používaným a nejvíce vhodným materiálem používaným v idlech je platina, nikl, Balco (Ni-Fe) a m . Teplotní vlastnosti nejzákladn jších materiál pro tepelné senzory najdete v tabulce 2.1. Hodnoty v tabulce a graf jsou použity z [1].
Tab. 2.1
Materiály používané pro kovové sníma e teploty
Materiál
Teplotní rozsah (°C)
platina
-20 až 850
0,385 až 0,391
Pom r odpor W100 1,3850
nikl
-70 až 150
0,617 až 0,675
1,6182
Ni-Fe
-100 až 200
0,518 až 0,527
1,462
m
-50 až 150
0,426 až 0,433
1,4260
10 2 ( K 1 )
8
2.1.1.1 M d né sníma e teploty: Tato idla se b žn nevyráb jí pro nedosta ující vlastnosti m di. T mi jsou p edevším malá rezistivita a snadná oxidace m di. Teplotní závislost se ale dá využít nap íklad p i m ení teploty ve vinutích elektromotor tak, že se m í odpor vinutí (p i zastaveném b hu). 2.1.1.2 Niklové sníma e teploty: Výhody – velká citlivost, rychlá odezva, malá asová konstanta, malé rozm ry Nevýhodou – omezený teplotní rozsah, horší dlouhodobá stabilita, oproti platin zna ná nelinearita 2.1.1.3 Platinové sníma e teploty: Nejvíce používaným senzorem této skupiny je odporový platinový sníma teploty. P ední p í ku v používání si zasloužil hlavn pro své velmi dobré vlastnosti, kterými bezesporu jsou asová stálost, vysoká teplota tání a chemická nete nost. Z toho plyne její hlavní využití a to v pr myslu pro její teplotní odolnost a další vlastnosti. Princip m ení spo ívá ve zm n elektrického odporu platinového drátu v závislosti na teplot . Podle p esnosti se tyto sníma e d lí do t í t íd. T ída p esnosti A s tolerancí 0,15°C, t ída p esnosti B s tolerancí 0,30°C a t ída p esnosti C s tolerancí 0,60°C. Všechny uvedené tolerance platí pro teplotu 0°C. Její p edepsaný pom r elektrického odporu je W100 =1,385. Platinové senzory se využívají nej ast ji p i teplotách v rozsahu -200°C až 850°C. Vyráb jí se ale i sníma e pro m ení velmi vysoké teploty, které m í až teplotu 1100°C. Závislost odporu idla na teplot je zaznamenána v grafu na obr.2.1[1]. Na obr. 2.2 jsou pak zobrazeny r zné typy platinových sníma .
Obr. 2.1:
Závislost odporu idla Pt 100 na teplot , kde modrá k ivka je závislost odporu sníma e na teplot a ervená slouží k rozpoznání nelinearity
9
Obr. 2.2:
Odporové platinové sníma e
2.1.2 Polovodi ové senzory teploty Polovodi ové odporové senzory využívají teplotní závislosti odporu, podobn jako tomu bylo u kovových senzor . Zde se bere jako d ležitý parametr zejména závislost koncentrace nosi náboje n na teplot . Polovodi ové odporové senzory se d lí na termistory a monokrystalické odporové senzory. Termistory se pak dále d lí na negastory a pozistory. 2.1.2.1 Termistory Termistory jsou teplotn závislé odpory vyrobené z polovodi ových keramických materiál . Termistory je možné vyrobit v nejr zn jších tvarech jako vále ek, kapku, disk, desti ky apod. Mezi výhody termistoru pat í malé rozm ry, velká teplotní citlivost, jednoduchý p evod odporu na elektrické nap tí nebo proud a možnost p ímého m ení na v tší vzdálenost. Nevýhodou jsou nelineární vlastnosti sou ástky (nelineární charakteristika) viz. Obr. 2.3. D lení termistor : Amorfní Polykrystalické D lení v závislosti na materiálu: Negastory ( NTC termistor) - mají velký záporný sou initel odporu Pozistory ( PTC termistory) - mají velký kladný sou initel odporu
10
Obr. 2.3: Porovnání teplotních závislostí odporových senzor na teplot , Pt- platinový senzor, Niniklový senzor, NTC- negastoru
2.1.2.1.1 Negastory (NTC termistory ) Vyrábí se práškovou technologií z oxid kov ( p : Fe2O3 + TiO2, MnO + CoO). Rozsahy teplot negastor se b žn pohybují od -50°C do +150°C. U negastor pro extrémní podmínky se však teploty mohou pohybovat od +4,2°C do +1000°C. Základní vlastnosti NTC termistor : 1. Teplotní sou initel odporu je záporný 2. Široké rozmezí hodnot odporu od 0,1 do n kolika M 3. Mají velikou citlivost oproti nap íklad platinovým senzor m 4. Malá hmotnost a malé rozm ry (s tím souvisí pot eba nízké energie pro vým nu teplot mezi prost edím a sou ástkou a tím pádem jsou tyto sou ástky vhodné p i m ení zm n teploty v krátkém ase) 5. Oproti platinovým senzor m jsou asov nestálé a mén stabilní 6. Nevýhodou je již zmi ovaná nelinearita
2.1.2.1.2 Pozistory (PTC termistory ) Jedná se o termistory s kladným sou initelem odporu. Vyrábí se z polykrystalické feroelektrické keramiky. Odpor pozistoru nejprve s rostoucí teplotou mírn klesá. V této oblasti je pak teplotní sou initel kolem 1%K-1 , jedná se o bod tzv. Curieovy teploty. Zde dochází prudkému stoupaní rezistivity materiálu viz. Obr. 2.4 [2].
11
Obr. 2.4:
Na obrázku vidíme závislost rezistivity materiálu pozistoru na teplot
Základní parametrem je spínací teplota Ts, jejíž hodnota je dána teplotou, p i které je hodnota odporu Rs 2 Rmin . Tato teplota je závislá na složení materiálu a lze ji zvolit v rozmezí od 60°C – 180°C. V dnešní dob se vyráb jí také pozistory, které jsou dopované k emíkem. Výsledkem je, že jejich charakteristika je tém lineární. Teplotní sou initel t chto sou ástek je pak (0,7 - 0,8) %K -1 .
2.2 SENZORY VLHKOSTI A JEJICH PRINCIPY Elektronické vlhkom ry: Odporové vlhkom ry pracují na principu zm ny vodivosti materiálu. Na vlhkost reagují absorpcí páry, ímž se m ní vodivost senzoru. Elektrolytické vlhkom ry vyhodnocují vzdušnou vlhkost okolního prost edí, tak že se m ní kapacita dielektrika senzoru. Dielektrikem je pak chemická látka, která reaguje s vlhkostí. Elektrický náboj prošlý senzorem v tomto uspo ádání je úm rný absolutní vlhkosti vzduchu. Tyto vlhkom ry se vyzna ují zejména dlouhodobou stabilitou. Materiál o odporových senzorech vlhkosti jsem použil ze zdroje [2]. 2.2.1.1 Odporový senzor vlhkosti: Odporový senzor využívá zm nu vodivosti, která u n kterých hygroskopických (vodu doprovází absorpci vody. Dunmorovo provedení používá pohlcujících) materiál polyvinylalkohol s p ídavkem chloridu, nebo bromidu lithného. P ívodní elektrody jsou platinové, provedené jako dvojitá spirála z drátu na válci z izolantu, nebo jako dva h ebínky napa ené na keramickém podkladu. Aby se p edešlo polarizaci elektrod, je nutné m it st ídavým nap tím. A koliv zm na vodivosti pokrývá jenom t etinu až p tinu celkového rozsahu relativních vlhkostí 0 až 100 %, r zné koncentrace lithné soli umož ují m it
12
v r zných pásmech. Senzor je citlivý na orosení (kondenzaci) a nelze ho použít p i vyšších teplotách, p esto si udržuje své postavení zejména díky velké p esnosti (desetiny %RH) a pom rn dobré stabilit . 2.2.1.2 Kapacitní senzor vlhkosti: Absorpci vody v polymerních materiálech využívají i kapacitní idla. Sledovanou veli inou je u nich zm na kapacity kondenzátoru, v n mž je dielektrikem polymer. Jedna z elektrod je d rovaná, umož ující okolnímu vzduchu kontakt s polymerním dielektrikem. P estože je množství absorbované vody pom rn malé, díky její velké dielektrické konstant jsou zm ny kapacity m itelné: ádov iní 0,1% z celkové kapacity na každé %RH. Tyto senzory se vyráb jí také s integrovaným zpracováním signálu, kdy výstupem je místo kapacity mnohem p ijateln jší elektrické nap tí, nebo dokonce digitální rozhraní. Kapacitní senzory se vyzna ují malou závislostí údaje na teplot , odolností v i kondenzaci, dobou odezvy ádu desítek sekund, p esností v jednotkách %RH, pom rn dobrou odolností proti chemikáliím a vyšším teplotám, malými rozm ry a v neposlední ad nízkou cenou. 2.2.1.3 Vlhkom r s vyh ívanými termistory: Jde o metodu využívající závislost tepelné vodivosti vzduchu na jeho vlhkosti. Senzor obsahuje dva stejné termistory, z nichž jeden je hermeticky uzav en v suchém dusíku a druhý je p ístupný okolnímu prost edí. Termistory jsou zapojeny do série a tvo í jednu v tev m stku. Druhá v tev obsahuje pevné rezistory a trimr k nulování. Pr chodem proudu se termistory zah ívají a dosažená teplota závisí na stupni jejich ochlazování, tj. na tepelné vodivosti okolního plynu. M stek se vynuluje p i umíst ní senzoru v suchém vzduchu a p ítomnost vodní páry zp sobí jeho rozvážení. Senzor poskytuje signál úm rný absolutní vlhkosti. Jeho p ednostmi jsou schopnost pracovat p i vysokých teplotách (až 200 °C) a chemická odolnost. Vlhkost obsažená ve vzorku plynu se absorbuje ve speciálním roztoku, kde reaguje s elektrolyticky vylu ovaným inidlem. Prošlý elektrický náboj je úm rný absolutní vlhkosti vzorku vzduchu. P epo et lze provést p i použití známých fyzikálních konstant. Elektrolytický vlhkom r se vyzna uje zejména dlouhodobou stabilitou.
13
3 TEORETICKÝ NÁVRH SYSTÉMU PRO M A VLHKOSTI
ENÍ TEPLA
V této ásti diplomové práce se zabývám teoretickým návrhem systému pro m ení vlhkosti a teploty. Takový systém se nachází na Obr. 3.1. Rozeberu postupn všechny bloky m ícího za ízení a to ídící jednotku, m ící blok, ovládací blok, blok zpracování dat a blok reálného asu. Dále se zabývám rozhraními, pomocí kterých spolu ásti systému komunikují, a komunikací systému m ící stanice s po íta em
Obr. 3.1:
Blokové schéma m ící stanice
Celá stanice je navržená dle zadání tak, aby komunikovala s PC jen ve chvíli, kdy centrální jednotka zjistí, že je p ipojený po íta . To znamená, že je zapot ebí, aby fungovala jako autonomní systém. Další bloky budou rozebírateln , ale stále p ipojeny k ídící jednotce viz.
14
Obr. 3.1. Schéma se skládá z p ti blok . T mito bloky jsou: blok1- ídící jednotka, blok2 – m ící jednotka, blok3 – ovládací blok, blok4 – blok zpracování dat a blok5 – blok reálného asu. Blok1: jedná se o velice d ležitou ást obvodu. Je složena z osmibitového procesoru firmy Microchip typ PIC16F876A. Zde se data pomocí procesoru ukládají do EEPROM pam ti. Procesor také slouží k ovládání a komunikaci s ostatními ástmi zobrazenými v dalších blocích. Proto jsem tento blok nazval ídící jednotka. Procesor je napojen na další bloky pomocí rozhraní USART a RS485. Rozhraním USART je p iveden signál na p evodník LTC485). Ten p evádí komunikaci asynchronního seriového p enosu na komunikaci RS485 pro blok2, a p evodník UM232R, který p evádí seriový asynchronní p enos na USB pro komunikaci s blokem 4. Uvnit bloku1 se pak ješt komunikuje s pam tí EEPROM pomocí sb rnice ISP (I2C). S blokem 5 komunikuje procesor pomocí sb rnice I2C. ídící jednotka je navržená tak, aby se k ní daly p ipojit i další periferie, které by se ovšem musely doprogramovat, jako nap íklad anemometr, m ení srážek, m ení rosného bodu, další centrální jednotka, display, tla ítkové pole a podobn . Toto p ipojení se realizuje výhodným využitím sb rnicové topologie, kdy se periferie paraleln p ipojují na sb rnici RS485. Samoz ejm za p edpokladu, že každá periferie bude mít svoji vlastní adresu a tím bude možné komunikaci procesorov ídit. Pro komunikaci s PC jsem zvolil UM232R p evodník USART na USB. Blok2: jedná se o m ící ást obvodu. Skládá se ze ty idel m ících teplotu a vlhkost. Komunikace mezi blokem 1 a blokem 2 jsem provedl pomocí rozhraní RS485. Na této sb rnici jsou periferie p ipojeny pomocí sb rnicové topologie. Jejími nejd ležit jšími prvky jsou PIC16F1824 a senzor m ení teploty a vlhkosti SHT21 od firmy Sensirion.
Blok3: jedná se o ovládací blok. Zde je p ipojen display pomocí sériové synchronní linky, který slouží k tení hodnot nam ených veli in vlhkosti a teploty. Dále jsou zde tla ítka p ipojená p ímo na piny procesoru, sloužící k ovládání funkcí programu (podle požadavk na aplikace procesoru). V mém p ípad se bude jednat o výb r idla, z kterého se následn budou zobrazovat nam ené hodnoty a procentuelní využití pam ti. Tyto funkce se pak samoz ejm zobrazí na displeji. Blok4: je po íta s danou aplikací pro vyhodnocování graf . Blok4 a blok1 spolu komunikují pomocí USB rozhraní, které je ízeno za pomocí modulu UM232R, který obsahuje známý a velmi využívaný integrovaný obvod FT232 . Jedná se o p evodní komunikace sériového asynchronního p enosu na USB. Blok5: jedná se o oblok RTC (real time kontrol). Pomocí tohoto bloku ur uji as, kdy byly nam eny hodnoty teploty a vlhkosti pro pozd jší zpracovaní nam ených hodnot v bloku4 - po íta i. Celá stanice je navržená dle zadání tak, aby komunikovala s PC jen ve chvíli, kdy budeme stahovat data z pam ti EEPROM. Jinak by m la fungovat jako autonomní systém. Další bloky budou rozebírateln p ipojeny k ídící jednotce.
15
3.1 KOMUNIKACE MEZI JEDNOTLIVÝMI BLOKY Pro komunikaci mezi jednotlivými bloky používám hned n kolik druh p enosu. Rozhraní jsem volil vždy podle charakteru p enosu, vzdálenosti mezi koncovými za ízeními a rozhraní na kterém komunikují dané integrované obvody zapojení. V zapojení používám rozhraní UART, USB, RS485, I2C, SPI, jak jsem zmínil výše. Pro teoretický základ jsem využil[2],[3] a [4].
3.1.1 USART (Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter) Jedná se o synchronní/asynchronní sériové rozhraní. Jde o komunikaci, kterou m žeme nastavit v procesoru do asynchronního režimu, nebo do synchronního režimu. V zapojení využívám asynchronního modu procesoru, to znamená, že ke komunikaci nevyužívám synchronizaci zajišt nou hodinovým signálem. Vysílání je ízeno na portu s ozna ením Tx (transmitt) na portu c, pin RB6 a p ijímání je na portu c s ozna ením Rx (receive), pin RB7 u procesoru pic16F876A a u procesoru pic16F1824 na portu c piny RC5 (RX) a RC4 (TX). P enos probíhá asynchronn , to znamená, že není synchronizován spole ným hodinovým signálem. Klidový stav sb rnice je nastaven pro log1, kdy za ízení ani nevysílá, ani nep ijímá. P i zm n stavu na log0 po dobu jednoho bitu za íná komunikace (tzv. start bit). Poté se vysílá nejnižší datový bit. Zakon ení komunikace probíhá zasláním nejvyššího datového bitu a zakon ovacím stop bitem. Ten má úrove log1. USART se b žn využívá v propojením s transcieverem, který signál p evádí na využitelnou datovou úrove . V mém p ípad jsem použil poloduplexní LTC485 p evodník synchronního sériového p enosu na RS485. Dají se samoz ejm použít i jiné p evodníky, pro testy komunikací v pr b hu navrhování obvodu jsem nap íklad využíval MAX232 (umož uje naslouchání linky RS323 pomocí po íta em se stejným rozhraním) p evád jící b žné logické úrovn na RS232.
3.1.2 USB (Universal serial bus) Jedná se o universální sériovou linku. Je to za ízení, které zajiš uje komunikaci mezi PC a dalšími periferiemi jako jsou nap íklad klávesnice, myš, tiskárna a v mém p ípad ídící jednotka. Komunikace po USB je založená na principu, že prioritou je po íta (master), který vysílá data ve dvou možných paketech a to krátkých, které se skládají z 8 bajt a dlouhých, které se skládají z 256 bajt . Za ízení se pak chovají jako slaves. Celkový p enos se pak provádí pomocí rámc (frame), které trvají p esn 1ms. P íjem dat do PC je zajišt n tak, že data jsou po íta i zaslána až na požádání, za ízení jako takové totiž nem že vysílat samo o sob . Z pohledu napájení mohou být periferie napájené z USB, nebo s vlastním napájením. Stanici jsem navrhl tak, aby byla nezávislá na USB napájení, lze však tohoto zp sobu napájení využít pro napájení stanice. Pro komunikaci centrální jednotky s po íta em jsem využil již výše zmi ovaný p evodník komunikace UART na USB UM232R.
16
1
2
3
Obr. 3.2:
4
2
1
3
4
Zapojení USB konektoru typu A a B
Na Obr. 3.2 je vyobrazeno zapojení jednotlivých pin USB konektor typu A (nalevo) a typu B (Napravo) s rozlišením barvami. Pro USB rozhraní se však používají i jiné typy konektor jako nap íklad mini-A, mini-B, mikro-A, nebo mikro-B Hodnoty pin USB konektoru: Pin1 = +5V Pin2 = DATAPin3 = DATA+ Pin4 = GND
3.1.3 ROZHRANÍ RS485 (Sériová linka) Rozhraní RS485 je v mé práci pom rn st žejním rozhraním, sloužícím ke komunikaci mezi ídící jednotkou a m ícím blokem, dále pak pro komunikaci ídící jednotky s PC. Touto sb rnicí jsem nahradil sb rnici I2C, která by se dala využít, ale pro svou omezenou délku vedení a po et stanic nevyhovuje požadavk m práce. U RS485 se jedná o sériový asynchronní p enos bez využití modulace. Pro tyto obvody je charakteristické, že mají vyvedený samostatný hodinový signál, který slouží k synchronizaci za ízení tených a vysílaných bit . Všechna data pak probíhají asynchronn . RS485 využívá minimální po et vodi , v tšinou dva signálové vodi e pro Half Duplex s možností p idání t etího vodi e p edstavujícího signálovou nulu. Tím, že je takto omezený po et vodi , je jasné, že se p enos dat provádí programov pomocí softwarového hand shakingu (tzn. potvrzení p íjmu a zahájení p enosu na úrovni softwarového rozhraní). RS485 umož uje komunikaci mezi za ízeními na pom rn velkou vzdálenost, a to až 1200m p i maximální rychlosti 10Mbit/s. P i vysílání se využívá diferenciálního kódování. Diferenciální kódování znamená, že p i vysílání se používají dv polarity a to logická 1 a logická 0, viz. Obr. 3.3 [2].
17
Obr. 3.3 :
P enos jednoho osmibitového znaku (bajtu) za ínajícího Start bitem a ukon eného Stop bitem
Rozdíl mezi t mito logickými úrovn mi pak musí být minimáln 0,2V. Diferenciální kódování v kombinaci s kroucenou dvojlinkou pak umož uje komunikaci na výše uvedené vzdálenosti p i vysoké rychlosti p enosu. Pro správnou funkci linky je t eba do obvodu zakomponovat rezistory o hodnot 100 - 150 . Komunikace je založena na principu tzv. multidrop. To znamená, že vysílaná informace tzv. ,,spadne“ do více p ijíma . Na Obr. 3.4. je znázorn né zapojení za ízení na lince RS475.
Obr. 3.4:
Správné zapojení RS485 s odporem 120
Pokud by se obvod danou impedancí nevybavil, vznikl by šum o hodnotách kolem 0,2V, což je citlivost p ijíma e mezi stavy log1 a log0, ímž by p enos nemohl fungovat správn . Velikou výhodou RS485 je možnost p ipojení t iceti dvou vysíla a t iceti dvou p ijíma . RS485 je možné zapojit i jako Full Duplex za p edpokladu, že využije více vodi . Potom je ale t eba ur it, která za ízení jsou master a která slave. Další za ízení jsou pak p ipojena paraleln na sb rnici za ízení viz. Obr. 3.6. Zapojení RS485 U RS485 jsou piny zapojeny jako B,Z,Y,A ( 2,4,7,9), jako piny pro datový p enos. Piny s ozna ením Shield ( 3,5,6,8) jsou napojeny na GND . Pin s ozna ením chassis je ozna ení pro p ipojení na objímku konektoru, viz. Obr. 3.5.
18
Obr. 3.5:
Zapojení konektoru RS485
3.1.4 I2C (Inter Integrated Circuit Bus ) Jedná se o dvouvodi ovou obousm rnou sériovou sb rnici vytvo enou firmou Philips Semiconductor. Nej ast ji se využívá ke komunikaci mezi procesory, i s jinými integrovanými obvody pracujícími na této sb rnici – tzv. meziobvodová sb rnice. Pro p enos dat se využívá dvou linek. T mito linkami jsou SDA a SCL. V rámci procesoru pic16F876A jsou to piny situované na portu c a to piny RC3 (SCL) a RC4 (SDA). Co se týká procesoru pic16F1824 jsou tyto piny situovány na portu c, konkrétn pak RC0 (SCL) a RC1 (SDA). SDA je datová linka, která funguje obousm rn , to znamená, že za ízení umíst ná na této sb rnici se mohou chovat jako p ijíma e, nebo jako vysíla e. SCL je linka, po které se vysílá hodinový signál. Ob tyto linky pak musí být p ipojeny pomocí zdvihacích rezistor (pull up rezistor ) na napájecí nap tí VDD, nebo se jedná o typ výstupu otev ený kolektor. Zdvihací rezistory slouží k nastavení jasné úrovn log1, nebo log0, kterou pot ebuje každý integrovaný obvod pracující na této lince, p esn nadefinovat. Jde o zamezení nep edvídatelných stav , které by m ly fatální dopad na komunikaci mezi za ízeními. Sb rnici I2C využívám ke komunikaci mezi senzorem SHT21, RTC modulem a pam tí EEPROM 3.1.4.1 Systém komunikující pomocí I2C sb nice V terminologii I2C se využívá pro pojmenování ú astník komunikace rozd lení na vysíla a p ijíma . Funkce je z ejmá již z názvu. Obdobou je ozna ení master a slave, viz. Obr. 3.6. Na n m je sb rnicová topologie a p ipojená za ízení. Master se m že chovat bu jako master, nebo se m že jeho role zm nit a pak m že fungovat jako slave. Jinou možností je, že m že být nastálo nastaven jen jako master a slave. I další za ízení chovající se jako slave lze nastavit jako master b hem komunikace.
19
Obr. 3.6:
Zapojení konektoru RS485
3.1.4.2 Komunikace na sb rnici I2C Komunikace za íná start sekvencí, kterou vyšle master. Jeho pr b h je vyobrazen na Obr. 3.7. Na datové sb rnici SDA je log1, a tento stav se zm ní sestupnou hranou do log0 ve chvíli, kdy je hodinový impulz v log1. linky SDL. Stop sekvence pak funguje obrácen z pohledu datové sb rnice. Zde se konec definuje náb žnou hranou na SDA p i stavu log1 na SCL. Pokud je sb rnice v neaktivním stavu, je SDA a SC1 v log1. P i p enosu dat mezi za ízeními není definovaný po et bit , které lze p enést mezi start a stop sekvencí. Každý datový bajt je pak potvrzen vygenerovaným ACK (acknowlege bit)od p ijíma e, viz. Obr. 3.8.
Obr. 3.7:
Obr. 3.8:
Start a stop sekvence komunikace I2C
Potvrzení acknowlege bitem p ijíma em na sb rnici I2C
20
I2C sb rnice není vybavena adresovou sb rnicí a proto je t eba, aby byla adresace provád na stejným zp sobem vysílání jako data. Toho je možné dosáhnout tak, že nejd íve vyšleme start sekvenci, poté na SDA zašleme adresu za ízení, a na záv r vyšleme stop sekvenci. Obvod obdrží acknowlege a zašle start sekvenci, pak data a nakonec stop bit. 3.1.4.3 Adresace na sb rnici I2C Adresy komunikace I2C se skládá ze dvou ástí. T mito ástmi jsou pevná a volitelná ást. Pevná ást je hardwarov zabudovaná v integrovaném obvodu a je ur ena výrobcem hardwaru. Jedná se o ty i nejvyšší bity p enášeného bytu. Protože je pravd podobné, že se sb rnice nebude využívat pouze pro jedno za ízení, m l by obvod mít volné další t i bity pro adresaci. Ty se pak nastaví p ímo na integrovaném obvodu p ipojením na úrovn log0 a log1 podle pot eby. Adresace se pak provádí softwarov . Na sb rnici lze potom p ipojit osm obvod a adresovat je. V diplomové práci jsem se ale setkal i s možností, kdy adresovat za ízení nešlo, protože m lo pevnou adresu s RTC (real time control) modulem. To jsem vy ešil tím, že jsem po ídil modul fungující na ISP sb rnici a softwarov potom tyto komunikace p epínám v registru SSPCON1. Další možností je hardwarové ešení, a to využitím hradla OR a tranzistoru v zapojení se spole ným emitorem, kdy na výstupu tranzistoru máme invertovanou hodnotu vstupu. Po p ivedení hodinového signálu na vstup hradla log0 i log1 se hodinový signál pro jedno ze za ízení nastaví na log1 díky tranzistoru, který invertuje vstupní hodnotu, a tím znemožní jednomu za ízení obdržet start sekvenci v p edepsaném stavu. Pokud bude na hradlu OR log 0, pak bude hodinový signál zachován a za ízení obdrží data, která mu náleží.
3.1.5 SPI Sb rnice SPI je stejn jako I2C sériové komunika ní rozhraní. Využívá se ke komunikaci mezi procesory nebo integrovanými obvody podporujícími tento typ komunikace. Sériová linka se využívá p evážn kv li malému množství pin , které jsou vyžadovány k zajišt ní komunikace. Díky malému po tu pin se snižují i nároky na velikost pouzdra. Základní topologie je sb rnicová. V rámci celé sb rnice je jeden integrovaný obvod master (v tšinou procesor) a ostatní jsou slaves. Jednotlivé obvody jsou propojeny ty mi vodi i. Ty jsou ozna eny jako SO - odesílaná data, SI – p ijímaná data, SCL – taktování hodinovými pulzy a SS – výb r za ízení . Na Obr. 3.9 je znázorn no blokové zapojení jednotlivých za ízení na sb rnici SPI.
21
Obr. 3.9:
Topologie sít komunikace SPI
Master generuje hodinový signál SCL, tím ídí jednotlivé bity komunikace na lince SA a SI. Tím že je komunikace ízená procesorem a ne modulem, který hardwarov ídí komunikaci, je t eba v procesor naprogramovat tak, aby hodinový signál spl oval p esn p edepsané asové pulzy a tím splnil p edepsaný rámec p enosu. Závisí na tom správný p enos dat na datových vstupech i výstupech. Maximální frekvence kmit m že být 2 MHz. To je oproti I2C, která podporuje maximální rychlost 400 KHz veliký rozdíl. Komunikace funguje tak, že si procesor (master) vybere za ízení se kterým bude komunikovat. Pokud chce íst pomocí pinu SS, zapíše tení. Poté zapíše adresu místa v pam ti na pin SI a následn p e te p íslušná data.
Obr. 3.10:
Sekvence zápisu do pam ti prost ednictvím sb rnice SPI
Zápis funguje podobn jako tení. Nejd íve se zapíše na vstupu SS zápis, pak adresa místa v pam ti, kde se data nacházejí a to pomocí vstupu SI pam ti. Data jsou zaslána 22
prost ednictvím výstupního pinu SO do procesoru. Za átek komunikace se indikuje pinem /CS. Pokud /CS sestoupí z log1 do log0, znamená to, že za íná komunikace. Na Obr. 3.10 je znázorn n pr b h jednotlivých takt hodinového signálu a odpovídajících bit datového signálu p i zápisu. Na Obr. 3.11 je pak znázorn no tení z pam ti
Obr. 3.11:
Sekvence tení z pam ti prost ednictvím sb rnice SPI
23
4 PRAKTICKÝ NÁVRH M
ÍCÍ STANICE
V praktické ásti se zabývám návrhem m ící stanice v programu pro návrhy schémat a desek plošných spoj Eagle. Zapojení jsem se rozhodl realizovat rozložením sou ástek do dvou desek plošných spoj . První deskou plošného spoje bude ídící jednotka a druhou pak idlo (m ící jednotka). Nejd íve se zabývám stru ným popisem d ležitých integrovaných obvod a sou ástek, kterými jsou jedno ipové procesory PIC16F1824, PIC16F876A, p evodníky UM232R a LTC485, EEPROM pam ti 25LC640, RTC modul PCF8563, regulátor nap tí L7805ABV a sníma teploty a vlhkosti SHT21. Dále rozebírám jednotlivá zapojení ástí obvodu, funkci a zp sob, jakým jsem je realizoval.
4.1 INTEGROVANÉ OBVODY A SOU ÁSTKY VYUŽITÉ V ZAPOJENÍ M ÍCÍ STANICE V kapitole 5.1 stru n popisuji integrované obvody a sou ástky využité v zapojení ídící jednotky a m ícího obvodu. Zabývám se zde p edevším vlastnostmi sou ástek, jejich funkcí a možnostmi zapojení. V této ásti jsem využil teoretické poznatky a obrázky z dokumentace obvod [5],[6],[7],[8],[9],[10].
4.1.1 Pocesory PIC16F1824 a PIC16F876A Na Obr. 4.1 a 4.2 [5] jsou pindiagramy osmibitových mikrokontroler , které v práci využívám. Pic16F1824 je zapojen v obvodu se senzorem a bude zajiš ovat komunikaci se senzorem a centrální jednotkou. Procesor je taktován vn jším oscilátorem o frekvenci 6MHz. Jedná se o PIC z roku 2009, kdy se poda ilo firm Microchip vyrobit procesor s velkým množstvím registr v pouhém 14-ti pinovém DILu. P vodn jsem se domníval, že budu muset p idat ješt jeden procesor, se kterým by tento PIC komunikoval pomocí asynchronní sériové linky. Místo toho jsem zvolil nový typ procesoru, který vše zajistí sám, má jako jeden z mála osmibitových mikrokontroler dv rozhraní UART.
Obr. 4.1:
Pin diagram PIC16F1824 [5]
Na Obr. 4.2 je PIC16F876A, procesor který využívám v centrální jednotce. Má jeden UART, na který je p ipojen p evodník asynchronní seriové linky (UART) na sériovou RS485. Má t i I/O porty, které využívám na p ipojení tla ítek, displeje, EEPROM pam ti, ízení komunikace integrovaných obvod LTC485, komunikaci s RTC modulem a samoz ejm i ke komunikaci 24
s m ící jednotkou ( idlem). Procesor je taktován vn jším oscilátorem o frekvenci 6MHz. Mikrokontroler slouží p edevším ke komunikaci s m ícím blokem, k zasílání dat do PC, vizualizaci aktuáln m ených hodnot a ukládání dat do pam ti. Podrobnosti o procesorech jsou uvedeny v [5].
Obr. 4.2:
Pin diagram PIC16F876A [5]
4.1.2 P evodník UM232R (UART/USB) Jedná se o modul obsahující p evodník USB na asynchronní sériovou linku od firmy FTDI [6]. Jeho základní stavební jednotkou je integrovaný FT232. Jak už samotná funkce napovídá, tento obvod využívám pro komunikaci s PC. Modul pracuje p i teplotách od 0°C do 70°C. To by však nem lo vadit, protože není p edpoklad, že by ídící jednotka musela být v míst m ení hodnot. Tím nebude vystavována pov trnostním vliv m a extrémním podmínkám. Zapojení a funkce n kterých pin integrovaného obvodu je podrobn popsáno na Obr. 4.3. Piny 1,2,10,18,19,20,21,22,23,31,32 z stanou nezapojeny. Piny 3 a 26 jsou piny napájení integrovaného obvodu a proto sem p ivádím napájecí nap tí 5V. Piny 7 a 8 slouží pro komunikaci s PC, jedná se tedy o piny data+ a data-. Piny 27 a 28 slouží pro nastavení frekvence integrovaného obvodu a to tak, že se k nim p ipojí vhodný krystalový oscilátor. Pin 11 a 12 slouží k signalizaci p enosu. Pin 24 je asynchronní vstup, pin 25 asynchronní výstup. Na záv r piny 9,17,29 jsou piny p ipojené ke GND. Popis pin je p ipraven pro zapojení k LTC485 (P evodník UART/ RS485).
25
Obr. 4.3:
Obr. 4.4:
Integrovaný obvod p evodníku USB na UART [6]
Modul p evodníku USB na UART [6]
4.1.3 P evodník LTC485 (UART/RS485) Jedná se o pln poloduplexní (Half Duplex) p evodník komunikace sériové asynchronní linky UART na RS485. Využívá dva vodi e pro p enos. Jeden vodi je pro p enos nap ových úrovní a jeden pro synchronizaci 3.1.3. Je to osmipinový integrovaný obvod s pouzdrem DIL, napájený nap tím 5V. Nap ová úrove log0 je -200mV a log1 je +200mV. Zvolený integrovaný obvod je konstruován do prost edí, kdy jeho pracovní teplota m že být v rozmezí od -40°C do +85°C, nem lo by mu tudíž d lat potíže umíst ní v obvodu, na který budou p sobit extrémní podmínky. Schéma p evodníku LTC485 je na Obr. 4.5 [7].
26
Obr. 4.5:
Pin diagram LTC485 [7]
Na Obr. 4.6 [7] je zapojení více stanic RS485. Jedním z d vod , pro jsem zvolil komunikaci pomocí rozhraní RS485, je možnost p ipojení t iceti dvou vysíla a stejného po tu p ijíma .
Obr. 4.6:
Sb rnicová topologie zapojení RS485 pomocí integrovaného obvodu LTC485 zapojení Half Duplex [7]
Integrovaný obvod LTC485 využívám v obvodu jako sb rnici, na kterou se p ipojují m ící jednotky. Výhody sb rnice jsou uvedeny v odstavci 3.1.3. LTC485 je využit v centrální jednotce, kam se p ipojuje p evodník UM232R pro komunikaci s po íta em a také m ící jednotka
4.1.4 Stabilizátory nap tí Ve stanici využívám dva typy stabilizátor v m ící jednotce.
a to L7805ABV v ídící jednotce, a LP2950
4.1.4.1 Stabilizátory nap tí L7805ABV a LP2950 L7805ABV je regulátor nap tí, který reguluje nap tí z maximální hodnoty +18V na +5V. Stabilizátor, jehož zapojení je z ejmé z Obr. 4.7, jsem využil proto, že obvody, které v práci využívám, pracují na nap tí 5V. Dalším d vodem byl p edpoklad pot eby nezávislosti na sí ovém zdroji nap tí. Regulátor jsem tedy zvolil tak, aby se dal pro napájení použít akumulátor od +7V do +18V. Je ale t eba vzít v úvahu tepelné ztráty regulátoru a p i nadm rném zah ívání regulátoru osadit regulátor odpovídajícím chladi em. Na Obr. 4.7 vlevo je doporu ené zapojení regulátoru, vpravo pak pin diagram.
27
Obr. 4.7:
Zapojení stabilizátoru nap tí vlevo, popis pin stabilizátoru vpravo [11]
4.1.4.2 Stabilizátor nap tí LP2950 LP2950 (Obr. 4.8) je stabilizátor nap tí, který stabilizuje napájecí nap tí na +3V. Maximální hodnota napájecího nap tí p ivedená na vstup za ízení je +30V.
Obr. 4.8:
Schéma zapojení regulátor nap tí LP2950 vlevo, popis jednotlivých pin stabilizátoru vpravo [11]
Tento stabilizátor jsem byl nucen využít kv li senzoru SHT21. Ten m že být napájen pouze do maximální hodnoty nap tí +3,3V. Proto jsem celou m ící jednotku, kterou stabilizuji stabilizátorem LP2950, navrhl pro napájecí nap tí +3V.
4.1.5 Senzor SHT21 Jedná se o senzor m ící teplotu a vlhkost od firmy Sensirion. Senzor je programovatelný. Je to pln kalibrovaný integrovaný obvod komunikující pomocí digitálního I2C rozhraní s dalšími ástmi obvodu (v mém p ípad s procesorem PIC16F1824). Každý senzor je kalibrovaný a testovaný samostatn , takže lze p edpokládat danou p esnost m ení. Data p ijímaná ze senzoru jsou dvakrát dva byty hexadecimáln . Dva byty pro teplotu a dva byty pro vlhkost. Senzor m í teplotu i vlhkost. Svými rozm ry 3 x 3mm je to jeden z nejmenších senzor tohoto druhu na sv t - viz. Obr. 4.9.
28
Obr. 4.9:
Rozm ry SMD senzoru SHT21 [8]
Na Obr. 4.10 je doporu ené zapojení senzoru: pin 1 je SDH – serial data, je to pin pro vysílání a p ijímání dat mezi procesorem a senzorem pin 2 je VSS – GND pin 3,4 – se nezapojuje pin 5 je VDD – napájení, je od hodnoty 2,1 – 3V pin 6 je SCL – serial clock, využívá se k synchronizaci komunikace mezi procesorem a senzorem
Obr. 4.10:
Doporu ené zapojení senzoru
Mezi piny VDD SCL a VDD SDA jsou p ipojeny dva zvedací (pull – up) rezistory, sloužící k jasnému nastavení logické úrovn . Hodnota t chto rezistor (Rp Pp) bude nap íklad 10k . Na Obr.4.11 a 4.12 jsou zobrazeny charakteristiky m ícího senzoru.
29
Obr. 4.11:
Obr. 4.12:
Graf odchylky m ení relativní vlhkosti v závislosti na m ených hodnotách relativní vlhkosti [8]
Graf odchylky m ení teploty v závislosti na nam ených hodnotách teploty [8]
SHT21 jsem si objednal od firmy Sensirion jako testovací vzorek, který poskytují na svých webových stránkách zdarma. Cena senzoru se b žn pohybuje od 500 K do 2000 K .
4.1.6 Pam
EEPROM 25LC-I/SN
Jedná se o pam EEPROM, která má kapacitu 64Kb. Zvolil jsem tuto pam , protože jako každá EEPROM po vypnutí napájení zachovává uložená data. 64Kb je dostate ná pam na meteorologické m ení veli in po n kolik dn (p edpokládám b žné asy mezi m enými cykly). Komunikace probíhá pomocí rozhraní SPI. Pam je umíst na v ídící jednotce a slouží k zaznamenávání nam ených hodnot a reálného asu. Sou ástka dokáže pracovat p i teplotách od 65°C do 120°C, takže není omezením pro m ení v extrémn jších podmínkách. Na Obr. 4.13 je pin diagram pam ti. Pin CS je výb r ipu, pin dva SO je sériový datový výstup, pin WP je ochrana proti zápisu. WP je nutné nastavit do úrovn logické jedna, tím jsem docílil možnosti zápisu i tení (souvisí z registrem WPEN, který v procesoru ídí, zda se bude na ISP zapisovat i íst, nebo pouze íst). SCK je vstup pro hodinový signál. HOLD
30
pozastavuje komunikaci s pam tí 1, pokud za ne komunikovat s pam tí 2. Pro funk ní komunikaci jednoho za ízení na ISP je t eba mít HOLD v úrovni log1.
Obr. 4.13:
Pin diagram pam ti [10]
4.1.7 PCF8563 (RTC) obvod reálného asu Jedná se o integrovaný obvod nej ast ji využívaný v mobilních telefonech, dále pak v za ízeních, kde pot ebujeme nastavit a uchovávat reálný as po delší dobu s tém nulovou asovou odchylkou. Ve stanici bylo možné využít asova procesoru nap . spo ítáním po tu asových smy ek od za átku m ení, kde známe jejich délku. Tyto hodnoty je možné pozd ji v PC p epo ítat a tím detekovat. Tato metoda sice p ichází v úvahu, ale je zna n nep esná, protože asova nepracuje úpln p esn . Hlavn by ale bylo pot eba softwarov zajistit p epo ty as , ímž by vznikala další odchylka od p esného asu kdy byly hodnoty m eny a získány. RTC modul má tu výhodu, že je v n m implementované celé po ítání asu a to roky, m síce, dny, hodiny, minuty a sekundy. Ty se posílají do procesoru v BCD kódu. Obvod pracuje na sb rnici I2C centrální jednotky. Na Obr. 4.14 je pin diagram elektronického kalendá e. Pin OSCI je vstupní pin oscilátoru, pin OSCO je pak výstupní pin oscilátoru. Na tyto piny se p ipojí oscilátor o frekvenci 32,768 KHz. Pin INT je výstup p erušení RTC. Pin SDA je datová linka sb rnice I2C (je t eba zakomponovat zvedací odpor). Pin SCL je vstup pro hodinový signál, p icházející z procesoru sb rnice I2C (pot eba využít zvedacího odporu).
Obr. 4.14:
Pin diagram obvodu reálného asu PCF8563 [9]
4.1.8 Displej Pro zobrazování nam ených údaj jsem v práci využil displej ATM0802A-FL-YBW. Protože nezobrazuji žádná velká slova, nebo spojení slov, rozhodl jsem se využít jen malý displej o dvou ádcích a osmi znacích na každém ádku. Displej má vlastní podsvícení. Podklad je žlutozelený, písmo se vypisuje ernou. P i inicializaci displeje se vypíší všechny pixely prvního ádku. Displej je ízen pom rn asto využívaným adi em S6A0069. Zapojil jsem ho pro ty bitovou komunikaci. Lze ho zapojit i pro osmibitovou, to by ale vyžadovalo
31
využití dalších ty port procesoru, což je zbyte né a p íliš komfortní. Displej má již z výroby na desce naletované dv pinové lišty, podle kterých jsem navrhl patici (protikus) v centrální jednotce, takže je možné ho p ipojit p ímo do desky. Rozložení jednotlivých pin jsem vypsal do Tab. 4.1.
Tab. 4.1:
Popis funkcí a nastavení jednotlivých pin displeje
Pin
Symbol
úrove
Funkce
1 2 3
Vss Vdd V0
0V +5V --
GND Napájení logického obvodu Napájení LCD
4
R/S
H/L
H - data, L - instruk ní kód
5
R/W
H/L
H - tení dat, L – zapisování dat
6 7-14
E DB0-DB7
H,H-L H/L
Enable signál Datová sb rnice
15
A
--
Anoda erného vykreslení +4,2 V
16
K
--
Katoda erného vykreslení 0V
4.2 NÁVRH SCHEMATU A DESKY PLOŠNÉHO SPOJE JEDNOTKY A M ÍCÍCÍHO OBVODU
ÍDÍCÍ
V této ásti se zabývám navržením schématu a desky plošného spoje ídící jednoty a m ícího obvodu. Schéma i desku plošných spoj jsem navrhl ve vývojovém programu Eagle. B hem práce jsem r zné ásti obvodu skládal v kontaktním poli, kde jsem tyto ásti oživoval a seznamoval se s nimi. Finální fázi návrhu desky v programu Eagle jsem provedl až ve chvíli, kdy všechny ásti obvodu byly z pohledu hardwaru otestovány. Tím jsem si p edem ov il, že obvod správn pracuje a jeho ásti jsou pln funk ní a vyhnul se tak problém m p i oživování desek plošných spoj .
4.2.1 Popis schématu centrální jednotky a principu zapojení Na Obr. 4.15 je schéma zapojení centrální jednotky. V textu níže popisuji postupn funkci jednotlivých ástí obvodu. Popis provádím z levé strany. Popisovanými ástmi jsou obvod napájení, obvod modulu UM232R, sb rnice RS485 ízená procesorem. Dále zapojení procesoru, ovládacích prvk a displeje, zapojení pam ti EEPROM a integrovaného obvodu RTC.
32
4.2.1.1 Obvod napájení P i pohledu zleva je ve schématu zapojen napájecí obvod. Konektor J1 je p ipravený k p ipojení napájení ze stejnosm rného zdroje nap tí, adaptéru i baterie. Hned za n j jsem umístil sklen nou trubi kovou pojistku, která chrání obvod p ed zni ením, nap íklad p i zkratu špatným zapojením n které z ásti obvodu. P ivedené napájecí nap tí se stabilizuje na stabilizátoru LZ805ABV, na jehož vstup i výstup jsou p ipojeny dva odd lovací (C3, C13) kondenzátory zapojené paraleln proti zemi. Odtud je celý obvod ídící jednotky napájen stejnosm rným napájecím nap tím +5V. 4.2.1.2 Obvod modulu UMR232 Hned pod tímto obvodem napájení je zapojen UM232R modul, p evodník USB na asynchronní sériovou linku (UART). Tento obvod jsem vybavil led diodou TXLED1 na pin 3 patice SV2 za ú elem signalizace p ipojení USB konektoru. Podobnou funkci, a to detekci za ízení, má cesta vedoucí k procesoru na vstupní port RC2 (pin 13). Piny 3, 5, 8, 9, 12 patice SV2, a pin 7 patice SV1 jsem zapojil podle doporu eného zapojení výrobce modulu. Výstupním pinem (Tx) je pin 5 patice SV1. Vstupním (RX) pinem je pin 4 patice SV1. Tyto vstupn -výstupní piny jsou p ipojeny na vstup (RO) a výstup (DI) integrovaného obvodu LTC485 (p evodník asynchronní sériové linky na RS485). Vstupy RE/ a DE slouží k ízení sm ru komunikace (z d vodu poloduplexní komunikace). 4.2.1.3 Sb rnice RS485 ízená procesorem Sb rnici RS485 jsem vy ešil pomocí obvod LTC485. Její sm r je ízen portem RA0 (pin 2) a RA1 (pin3) procesoru. Na sb rnici jsou p ipojeny povinné odpory R17 a R12. Ty zajiš ují zvýšení úrovn log1 a tím eliminují chyby, které by mohly nastat vznikem šumu na vedení. Na sb rnici je také využívá ,,odposlouchávání linky“. Jedná se o konektor Subd zapojený podle požadavk obvodu centrální jednotky (modularitu), ale tak, aby spl oval základní pravidla (pozice napájení, zem a dat v konektoru). Pomocí n j se na sb rnici p ipojí další za ízení jako m ící jednotka, náhradní modul s pam tí apod., které má na vstupu další LTC485 integrovaný obvod pro posílání a p íjem dat. P i návrhu za ízení jsem zvažoval umístit na desku dva tyto konektory, ale z hlediska rozm r desky jsem to vyhodnotil jako zbyte né. P ipojení více než jednoho za ízení jsem vy ešil na desce m ící jednotky, kde je ,,rozbo ka“. To znamená, že kdykoli se p idá další modul, bude volná jedna p ípojka na sb rnici. Sb rnice je zakon ena v rámci ídící jednotky dalším modulem LTC485, který p evede zp t komunikaci RS485 na asynchronní sériový p enos pro komunikaci s procesorem. ízení sm ru p enosu na tomto p evodníku je ízeno portem RA1 (pin 3) procesoru. 4.2.1.4 Zapojení procesoru, ovládacích prvk , displeje, pam ti EEPROM a RTC Procesor jsem zapojil podle doporu eného zapojení v dokumentaci firmy Microchip [5]. Zapojení se mi poda ilo navrhnout tak, že jsem využil krom portu RC3 (pin11) všechny porty procesoru. To znamená, že se mi poda ilo optimáln využít hardwarových možností procesoru. Na pinu 1 je port MCLR. Je t eba, aby byl zapojen stále v úrovni log1. P epnutím do log0 se docílí restartu procesoru. Toho jsem využil a p ipojil na tento pin tla ítko restartu. To je zapojené tak, aby byl výstup z tla ítka neustále v úrovni log1. Ve chvíli, kdy se tla ítko sepne, p epne se do úrovn log0 a procesor se vyresetuje. Porty RA0 a RA1 (piny 2 a 3) jsou porty výstupní. Ty využívám k ízení sm ru poloduplexní komunikace na sb rnici RS485 (ovládání integrovaných obvod LTC485). Porty RA2 a RA3 (piny 4 a 5) ovládají ízení displeje a jsou p ipojeny na patici displeje pin 6 (E) a pin 4 (R/W). Port RA4 (pin 6) je jedním z výstup signalizace. Signalizace je ešena p ipojenou led diodou TXLED3. Reaguje na
33
zm nu stavu z log1 do log0. Protože je p ipojena na port s otev eným kolektorem, p idal jsem pro správnou funkci zvedací rezistor R4. Port RA5 (pin 7) je výstupní port ídící ochranu proti p epsání pam ti EEPROM. Na porty OSC1 a OSC2 (piny 9 a 10) jsem p ipojil externí krystalový oscilátor procesoru o frekvenci 6Mhz. Port RC0 (pin 11) je nevyužitý. Port RC1 (pin 12) je další výstupní port na který je p ipojená signaliza ní led dioda TXLED2. Ta sleduje zm nu stavu jako TXLED3. Port RC2 (pin13) je vstupní pin, který detekuje p ipojení USB p evodníku UMR232R. Port SCL (pin 14) je hodinový výstup pro komunikaci sb rnice I2C a SPI. Je p iveden na hodinový vstup (SCL u pam ti a SDL u RTC) pam ti EEPROM a integrovaného obvodu RTC. Pro využití sb rnice I2C je pot eba linku vybavit zvedacím rezistorem R6. P i aktivaci SPI by tato skute nost nem la ovlivnit správnou funkci sb rnice. Port SDA (pin 15) je také sou ástí sb rnice I2C a SPI. Jedná se o datový vstupn výstupní port SDA v rámci I2C a vstupní v rámci SPI. Na linku je p ipojen další zvedací rezistor R3. Linka je p ivedena na vstupn výstupní pin SDA integrovaného obvodu RTC a na výstupní pin SO pam ti EEPROM. Port SDO (pin 16) je výstupní port pro sb rnici SPI, p ipojený na pin SI pam ti EEPROM. Port RC6 (pin 17) je výstupní port asynchronní sériové linky a je p ipojen na LTC485 vstup integrovaného obvodu (DI). Port RC7 (pin 18) je vstupní port asynchronní sériové linky. Je p ipojen na výstupní pin LTC485 (RO). Porty RB0 (pin 21), RB1 (pin 22), RB2 (pin 23) a RB4 (pin 24) procesoru jsou pak p ipojeny na piny patice displeje. Jedná se piny vysílající data pro displej. Displej je ješt vybaven trimrem R2, který slouží k nastavení kontrastu displeje. Piny RB4 (pin 25), RB5 (pin 26), RB6 (pin 27) a RB7 (pin 28) jsou nastaveny jako vstupní piny procesoru. Slouží k ovládání aplikace zobrazování na displeji pomocí tla ítek. Tla ítka jsem vybavil RC obvodem kv li eliminaci p ekmit , které by p i p epínaní mohly vznikat. Vyhnul jsem se tak softwarovému nastavování tla ítek.
34
Obr. 4.15:
Schéma ídící jednotky (vyobrazeno na ší ku)
35
4.2.2 Popis desky plošného spoje ídící jednotky Desku plošných spoj jsem navrhl jako oboustrannou viz. Obr. 4.16. SMD sou ástky jsem umístil na horní stran desky (Top). P i návrhu desky jsem dbal na rozm ry desky. Reálný rozm r desky je 123 mm na délku a 89 mm na výšku. Byl jsem nucen ustoupit od p vodního zám ru vytvo it základní desku bez nutnosti prokovení. To se nakonec ukázalo jako nemožné vzhledem k po tu použitých integrovaných obvod . Na desce je aktuáln šest integrovaných obvod a dva konektory zapojené podle doporu ení. Zmenšit množství prokov je možné pouze za p edpokladu jiného zapojení procesoru a displeje. U procesoru pic16F876A jsem se pokusil navrhnout zapojení pro následnou realizaci desky plošného spoje tak, aby vznikalo co nejmén prokov a zejména aby byly cesty co nejkratší. Limitující je zapojení procesoru, které nedává mnoho možností zapojení p edevším na pinech datových komunikací, které jsou striktn umíst ny na konkrétních pinech procesoru a nelze je p eprogramovat na piny jiné. U displeje jsem dbal p edevším na p edepsané zapojení pin v patici, což samo o sob vyvolává pot ebu zna ného množství prokov .
Obr. 4.16:
Deska plošných spoj
ídící jednotky
Rozložení sou ástek na desce jsem se snažil uspo ádat systematicky. P íkladem je napájecí obvod, kde je konektor napájení, v t sné blízkosti pojistka, vypína S2 (on/off) a tla ítko restartu desky. Stejn tak i tla ítka ovládání displeje jsem umístil vedle sebe a v po adí, ve kterém se budou využívat (využil jsem možnosti programov zm nit jejich po adí). 36
Konektor JP2 pro displej jsem na desce zapojil ve stejném zapojení jako modul displeje, takže je kompatibilní a dá se díky tomu p ipojit bu p ímo na desku, nebo jinam pomocí propojovacího kabelu. D ležitá místa desky, jako je napájení, konektory a prvky ovládání obvodu jsem opat il popiskami. Rohy desek jsem opat il otvory pro možné umíst ní v krabici tak, aby se sou ástky spodní vrstvy desky (bottom) nedotýkaly povrchu a z staly ve vzduchu. Na Obr. 4.17 a 4.18 jsou vyobrazeny šablony využívané p i leptání plošných spoj v reálné velikosti. Na Obr. 4.19 je deska plošného spoje po osazení.
Obr. 4.17:
Šablona desky plošného spoje ídící jednotky spodní strana (bottom) – invertované barvy
37
Obr. 4.18:
Šablona desky plošného spoje ídící jednotky horní strana (top) – invertované barvy
Obr. 4.19:
Deska plošného spoje centrální jednotky po osazení
38
4.3 NÁVRH SCHÉMATU A DESKY PLOŠNÉHO SPOJE M OBVODU
ÍCÍHO
V této ásti práce se zabývám návrhem m ící jednotky. Popis níže koresponduje se schématem na Obr.4.20 Navržený obvod se skládá ze vstupn výstupního obvod sb rnice RS485 a procesoru, který ídí m ení a zabezpe uje komunikaci s ídící jednotkou. K zmi ovanému procesoru je pak p ipojen externí senzor. Jedná se o výše popsaný senzor SHT21, který bude m it teplotu i vlhkost. Tento senzor bude komunikovat s procesorem prost ednictvím sb rnice I2C. Mimo integrovaného obvodu LTC485 jsem byl nucen obvod napájet napájecím nap tím +3, 3V a to kv li požadavk m na napájení senzoru.
4.3.1 Popis vstupních obvod sb rnice RS485 Datový vstup a výstup obvodu komunikace RS485 je zajišt n dv ma konektory Subd, které jsou zapojeny stejn jako na centrální jednotce. Ty jsou p ipojeny na vstupní pin A a výstupní pin B integrovaného obvodu LTC485. Vstupní pin LTC485 (DI). Výstupní pin (RO) LTC je pak p ipojen na vstupní port RC5 (pin5). Na této lince jsem musel snížit napájecí nap tí z +5V na +3,5V (je dosta ující)). Integrovaný obvod LTC je totiž napájen +5V, to znamená, že na vstupu procesoru, který je napájen nap tím +3,3V by bylo nadm rné nap tí. Procesor sice tento stav vydrží, ale rozhodn to není správný zp sob ,,p ebuzení“ vstupu. Proto jsem hned za výstup LTC485 umístil d li , který se skládá z odporu R6 a diody D3. Funguje tak, že na diod je neustálý úbytek nap tí a tím se nap tí srazí. Navíc je dioda dostate n rychlá, takže neovliv uje p enos asynchronní linky. Pokoušel jsem se ešit tento problém i odporovým d li em, nebo dv ma diodami zapojenými v sérii, ale bohužel se mi v t chto dvou variantách zapojení nepoda ilo oživit asynchronní linku. Vstup obvodu LTC485 je p iveden na výstupní port RC4 (pin6) procesoru. ízení sm ru komunikace na lince RS485 je ízeno výstupním portem RC3 (pin7).
4.3.2 Popis zapojení procesoru, který ídí m ení a komunikaci s centrální jednotkou Procesor PIC16F1824 je napájen stejnosm rným napájecím nap tím +3,3V. To zajiš uje stabilizátor nap tí LP2950. Stabilizátor je odd len od napájecího nap tí z konektoru Subd pomocí vypína e SW1. Pro taktování procesoru jsem využil externího krystalového oscilátoru, který pracuje na frekvenci 6Mhz. Tento oscilátor je p ipojen na porty RA4 (pin 3)a RA5 (pin 2). Na portech RC5(pin 5) a RC3 (pin 7) je p ipojena komunikace LTC485 linky rs485 viz. Odst. 4.3.1. Na porty RA0 (pin 13) a RA1 (pin 12) je p ipojená signaliza ní dvojitá dioda LD2 se spole nou katodou, která signalizuje datový p enos paketu teploty tam a zp t, nebo paketu vlhkosti tam a zp t. Tato dioda je nastavena tak, že signalizuje p echod z log1 do log0 na portech. Na portu RC2 (pin 8) je další signaliza ní dioda D1, ta signalizuje správný start a funkci procesoru. Porty RC0 (pin10) a RC1 (pin 9) jsou ídícími porty komunikace I2C. Port RC0 je výstupní port vysílající hodinový signál pro ízení dat sb rnice I2C. Port RC1 je vstupn -výstupní port SDA, takzvaný datový. Pomocí SDA jsou p enášená data bit po bitu do senzoru a nazp t do procesoru. Na sb rnici jsem umístil dva rezistory R2 a R3. Jedná se o zvedací rezistory, které je nutné umístit na sb rnici pro zaru ení správné funkce. Senzor jsem p ipojil pomocí ty kilového konektoru na patici SV1. .
39
Obr. 4.20:
Schéma m ícího obvodu
4.3.2.1 Popis p ípravku pro senzor SHT21 Protože má senzor SHT21 velmi malé rozm ry ( 3x3mm), a je zapouzd en v balení DFN, rozhodl jsem se pro n j vyrobit pro jednodušší práci p ípravek, pomocí n hož jsem mohl tento senzor testovat nejen v kontaktním poli, ale i p i zapojení na desce. Deska p ípravku má rozm ry 17x17 mm. Na Obr. 4.21 je schéma p ípravku a osazení desky plošného spoje. Zapojení jsem provedl podle doporu eného zapojení v dokumentaci [8].
40
Obr. 4.21:
Schéma desky plošného spoje p ípravku, obrázek vlevo a osazení desky plošného spoje obrázek vpravo.
4.3.3 Popis desky plošného spoje ídící jednotky Deska m ící jednotky na Obr. 4.22 má rozm ry 60x42mm. Navrhl jsem ji jako jednostrannou. P i návrhu jsem využil zrcadlení p evodníku LTC485 na druhou stranu desky tak, abych dosáhl zjednodušení, eliminace cest horní vrstvy (Top) a nemusel prokovovat desku. ervené cesty horní vrstvy jsou pouze nazna ení vzdušných spoj desky, které jsem p i osazování desky využil.
Obr. 4.22:
Deska plošných spoj m ícího obvodu
Sou ástky jsem se op t snažil rozložit systematicky. D ležitá místa na desce, jako patice pro p ipojení senzoru, nebo funkce vypína e jsou na desce popsány. Reálná velikost šablony desky plošného spoje m ící jednotky je na Obr. 4.23. Ostatní pravidla návrhu jsem se snažil 41
dodržovat stejn , jako u desky plošného spoje ídící jednotky. Na Obr. 4.24 je vyobrazen hotový modul m ící jednotky.
Obr. 4.23:
Šablona desky plošného spoje m ící jednotky (bottom) – invertované barvy
Obr. 4.24:
Osazená deska plošného spoje m ící jednotky
42
5 PROGRAMOVÁNÍ ZA ÍZENÍ B hem diplomové práce jsem se seznamoval s prost edím MPLAB a programováním mikrokontroler s využitím zdroj [3], [4], [12], [13]. V druhé ásti semestru jsem si nabyté poznatky vyzkoušel v praxi. ídící i m ící jednotku jsem naprogramoval za pomocí programovacího jazyka ANSI-C. Dále jsem se seznámil s programátorem Presto od firmy Asix a nau il se pracovat v prost edí ASIX UP. Presto jsem pro programování používal pom rn dlouho, ale nakonec jsem se rozhodl p ejít na programátor od firmy Microchip s názvem ICD 2. Velikou výhodou tohoto programátoru je, že jeho sou ástí je i debugger, bez kterého bych se zejména ve finální fázi dokon ování projektu t žko obešel. Jak ídící, tak m ící jednotku jsem se rozhodl programovat pomocí sb rnice ICSP. Jednotlivé zdrojové kódy s komentá i jsem uložil do p ílohy na p iloženém CD.
5.1 VÝVOJOVÝ DIAGRAM PROGRAMU
ÍDÍCÍ JEDNOTKY
Na Obr. 5.1 jsem znázornil vývojový diagram ídící jednotky. Program za íná p i startu procesoru blokem Start, potom pokra uje inicializací procesoru (registr ), následnou inicializací komunikací (UART, I2C, SPI) a inicializací za ízení. Potom spadne do nekone né smy ky, kde bude detekovat p ipojené USB, zmá knuté tla ítko. Provád t signalizaci na displeji a ekat na p erušení programu (interrupt). Ve chvíli, kdy nastane p erušení z nekone né smy ky programu, se obešlou všechna idla jedno po druhém. Protože mají idla každé svoji jedine nou adresu, ídící jednotka postupným dotazováním osloví všechna idla tak, aby zjistila, zda jsou aktivní a následuje dotaz na zaslání dat. Tato data se pak uloží do pam ti EEPROM spolu s daty na tenými z obvodu reálného asu. V sou asné chvíli pošle ídící jednotka dotaz a ov í možnost komunikace s PC. Pokud je PC aktivní, pošle mu hlavní procesor data a vymaže je z databáze. Pak se ukon í p erušení a program pokra uje v nekone né smy ce. Pokud není PC aktivní, pouze uloží data do databáze a ukon í p erušení. Ovládání pomocí tla ítek a zobrazování dat displejem je ešeno v nekone né smy ce programu. Odsud se také ídí p epínání sm ru komunikace LTC485, signalizace plné pam ti a detekce p ipojeného po íta e.
43
Obr. 5.1:
Zjednodušený vývojový diagram programu který je použit v ídící jednotce
5.2 VÝVOJOVÝ DIAGRAM PROGRAMU M
ÍCÍ JEDNOTKY
Na Obr. 5.2 je znázorn n vývojový diagram programu m ící jednotky. Program za íná Startem, zde se spustí procesor a inicializuje registry v senzoru, inicializuje komunikaci UART a I2C a nastaví LTC485 na p íjem (naslouchá). Nastaví se p íznak tení (flag) na 0 a vyšle senzoru p íkaz, aby vyslal data. V p ípad m ící jednotky se jedná o informaci týkající
44
se teploty a vlhkosti. Pokud p ijdou n jaká data, vyvolá se p erušení. V obsluze p erušení si data uloží a nastaví se flag tení na 1 a ukon í se p erušení. Procesor pokra uje v nekone né smy ce. Z hlavního procesoru (centr. Jednotky) se odešle dotaz na data: ,,Máš data“? Nastaví se sm r komunikace na LTC 485 - ,,Ano mám“. Tím nastane další p erušení a data se odešlou do centrální jednotky, kde se uloží do EEPROM pam ti.
Obr. 5.2:
Vývojový diagram programu naprogramovaném v m ící jednotce
5.3 VÝVOJOVÝ DIAGRAM PROGRAMU METEOTANICE K vytvo ení programu ,,Meteostanice“ jsem využil vývojové prost edí Microsoft Visual Studio pro jeho jednoduchost ovládání p i vytvá ení designu aplikace. Program Meteostanice je jednoduchá aplikace pro prezentaci nam ených dat stažených z pam ti centrální jednotky. Po spušt ní aplikace program zjistí, jestli je p ipojené za ízení USB. Pro detekci ipu FT232 je pot eba využít speciální ovlada e, které jsou ke stáhnutí na webových stránkách firmy FTDI (ovlada e jsem uložil na CD, které je p ílohou diplomové práce). Program se opakovan ptá, zda je za ízení p ipojeno. Pokud ano nastaví se na naslouchání a eká na data. Když p ijdou data, pomocí jednoduchého dešifrování paketu se zjistí, zda se jedná o paket ur ený programu. Pokut ano data se dešifrují a prezentují v grafech.
45
Obr. 5.3:
Vývojový diagram programu ,,Meteostanice“
46
6 OŽIVOVÁNÍ A TESTOVÁNÍ STANICE V této kapitole stru n popisuji oživování stanice, což dokumentuji fotografiemi za ízení v procesu m ení. Stanici jsem nejd íve navrhl v kontaktním poli, kde jsem ji po celou dobu zpracování diplomové práce i testoval. Ve chvíli, kdy stanice fungovala podle zadání, jsem navrhl desky plošných spoj a osadil podle zapojení v kontaktním poli. Stanice je oživená a funk ní podle zadání.
6.1.1 Oživování m ící jednotky P i oživování m ící jednotky jsem ešil p edevším problém se sb rnicí I2C. Sb rnice se ukázala být velmi náchylnou na rušení. Tento problém se projevoval bu tím, že p i m ení se zobrazovaly nam ené hodnoty zjevn nesmyslné, st ídané hodnotami pravdivými. Nebo se zobrazovaly nesmyslné hodnoty po celou dobu m ení. Bylo složité zjistit p í inu problému a následn jej odstranit, nebo deska vždycky n jakou dobu fungovala (nap . dv hodiny) a po té za ala m it nesmyslné hodnoty. Nakonec se mi poda ilo zjistit, že rušení komunikace je zp sobeno použitou pájecí pastou, která byla vodivá a mezi jednotlivými piny konektoru se vytvá ely vodivé mosty s vysokým odporem. ešení tohoto problému bylo jednodušší, než se zpo átku zdálo. Posta ilo d kladné o išt ní desky od pájecí pasty. M ící jednotka po té byla pln funk ní a p ipravená na p ipojení k centrální jednotce.
6.1.2 Oživování centrální jednotky Oživování centrální jednotky bylo obtížn jší, než m ící jednotky. Postupoval jsem systematicky tak, abych byl schopen postupn ur ovat p ípadné chyby. Za al jsem tím, že jsem zapojil obvod napájení a prom il, zda ve všech místech desky jsou hodnoty odpovídajícího napájecího nap tí. Ve chvíli, kdy jsem si ov il správnou funkci stabilizace jsem osadil procesor s externím oscilátorem a signaliza ní led diodou. Zapojení jsem otestoval signalizací inicializace procesoru. Poté jsem za al oživovat displej. Zde jsem zjistil jednu chybu návrhu, kterou jsem následným p emost ním míst, kde se projevila, vy ešil. Tuto chybu jsem opravil i v návrhu desky a ve schématu viz. kapitola 4.2.1. Poté jsem oživil komunikaci RS 485. Následn bylo pot eba zapojit tla ítka, aby mohlo být provedeno otestování funkcí centrální jednotky. Do této chvíle se zobrazoval na displeji pouze nápis „Za ízení : 0“. V dalším kroku jsem p ipojil již oživenou m ící jednotku a otestoval správnou komunikaci - viz. Obr.6.1.
47
Obr. 6.1 Test komunikace mezi centrální jednotkou a m ící jednotkou.
Pro ukládání dat jsem za al s oživováním pam ti EEPROM. Správnou funkci jsem otestoval signalizací plné pam ti (šestkrát zabliká, vždy deset bliknutí). Poté jsem se pokusil oživit modul RTC, který se mi bohužel oživit nepoda ilo. D vodem je mylný úsudek, že p epínání mezi sb rnicí SPI a I2C lze provést pouze p epnutím spole ného registru v procesoru. Tuto skute nost jsem následn zohlednil v programu pro zobrazování nam ených veli in, kde se p epo ítává interval každého m ení a p i azuje se k n mu daný výsledek m ení. Z toho vyplývá, že je pot eba zaznamenat as vždy na po átku m ení. Na záv r jsem oživil P evodník USB UM232R. Jeho správnou funkci jsem otestoval stažením dat z pam ti do po íta e. Nejd íve jsem data dekódoval pomocí programu Hercules hyperterminál. Správnou funkci celé stanice jsem ov il v po íta ové aplikaci Meteostanice, kterou jsem za tímto ú elem vytvo il a kde jsem vykreslil grafy obou m ených veli in. Centrální jednotka je oživená a funk ní až na RTC modul, který jsem v tomto zapojení cht l vyzkoušet. Nefunk nost RTC modulu však není v práci nijak podstatná a na správné funkci stanice a na jednotlivá m ení nemá naprosto vliv.
48
7 ZÁKLADNÍ PARAMETRY, FUNKCE A OVLÁDÁNÍ ZA ÍZENÍ P I M ENÍ A VÝSLEDKY M ENÍ V této kapitole se zabývám ovládáním m ící stanice. Popisuji zde prvky signalizace chování stanice b hem procesu m ení. Dále se zabývám ovládáním stanice a také ovládáním jednoduchého programu Meteostanice, který slouží pro prezentaci nam ených výsledk m ící stanice.
7.1 ZÁKLADNÍ PARAMETRY Meteorologická stanice m že být napájena stejnosm rným napájecím nap tím od +7V do +18V. Je p ipravena pro napájení ze zdroje, p ípadn baterie. Celý obvod je jišt n sklen nou trubi kovou pojistkou s maximálním možným proudem obvodu 250 mA. Maximální po et za ízení, která lze p ipojit ke stanici je t icet dva. T mito za ízeními mohou být další idla, pam ti, displej, RTC modul a podobn . Pro všechny tyto alternativní za ízení lze využít návrhu desky m ící jednotky, dle pot eby upravit zapojení a program. Hlavním zobrazovacím prvkem p i m ení je displej, který má dva ádky po osmi znacích. Využívaná sb rnice pro p enos dat je RS 485, na kterou se ke stanici p ipojují idla, i jiná za ízení pomocí konektoru Subd. Maximální využitelná kapacita pam ti je 64kB (bez p idané externí pam ti). To odpovídá 16384 záznam , p i emž jeden záznam obsahuje informaci o teplot i vlhkosti. V tuto chvíli je pro rychlejší testování stanice nastavená na jednu minutu m ení, za kterou stihne p ibližn šedesát záznam . Stahování dat do po íta e je automatické, pomocí rozhraní USB. P ed p ipojením USB je pot eba mít spušt n program Meteostanice. Po odpojení USB se stanice sama restartuje a za ne ukládat data od první adresy pam ti.
7.2 OVLÁDÁNÍ A SIGNALIZACE CENTRÁLNÍ JEDNOTKY Po zapnutí modrého vypína e s popisem on/off se stanice spustí. T ikrát blikne ervená led dioda v horní ásti vedle procesoru. Signalizuje inicializaci komunikací a to I2C a SPI, UARTu a za ízení na sb rnici RS 485. Pak zhasne, což znamená, že inicializace procesoru prob hla v po ádku. Sou asn se inicializuje display. Pokud je k m ící jednotce p ipojeno za ízení, na displeji se zobrazí „Zarizeni: 1 “. Automaticky se vybere jako za ízení, ze kterého bude stanice zobrazovat data a p ejde do hlavního programu, kde za íná m ení – viz. Obr.7.1.
49
Obr. 7.1:
Inicializace p ipojených za ízení
Stanice je ovládána p ti tla ítky. ervené tla ítko s nápisem reset slouží k restartu procesoru a tím i celé centrální jednotky. P i používání tla ítka reset je t eba vzít v úvahu, že ve chvíli, kdy se provede restart centrální jednotky, stanice za ne zapisovat na první místo v pam ti a d íve nam ená jsou ztracena. Stisknutím tla ítka .1 se na displeji vypíše íslo aktuálního za ízení. Tla ítko slouží i k výb ru dalšího za ízení, pokud je na sb rnici p ipojeno. Tla ítko ozna ené íslem 2 slouží k zobrazení procentuelního využití pam ti. Stisknutím tla ítka se hodnota zobrazí na displeji, a následn se zobrazení na displeji vrátí na p vodn zobrazovanou veli inu teploty, nebo vlhkosti. Tla ítko . 3 slouží k zobrazování aktuální teploty v jednotkách stupe Celsia. Tla ítko . 4 slouží k zobrazení aktuální vlhkosti.
50
Obr. 7.2:
Po stla ení tla ítka 4 se zobrazila aktuální vlhkost vzduchu.
Obnovovací frekvence zobrazené teploty nebo vlhkosti je p esn jedna perioda m ení, to je p i sou astném nastavení jedna sekunda. Zapln ná pam - konec m ení - je signalizováno tím, že ervená led dioda p tkrát zabliká po deseti rychlých bliknutích. M ící rozsah stanice je od – 40 do + 70 °C. Centrální jednotka funguje správn od 0°C (správná funkce je limitována požadavky na teplotu p evodníku UM232R). To znamená, že by bylo nutné do stanice p idat vyh ívání, pokud by m la m it v extrémn jších podmínkách hluboko pod bodem mrazu, nebo p enést jednotku do tepla d íve, než se budou stahovat data tak, aby se USB p evodník oh ál alespo na minimální pracovní teplotu. Zapln ná pam je signalizována deseti krátkými bliknutími v rámci jednoho cyklu. První signalizace je nastavená na posledních 6 Byt pam ti (pouze pro testování, protože stanice je k usnadn ní ov ení funkce nastavená pouze na jednu minutu m ení). Když se vy erpá pam , stanice p estane m it a uložená data z stanou zachována.
7.3 OVLÁDÁNÍ A SIGNALIZACE M
ÍCÍ JEDNOTKY
M ící jednotka má taká zapínání on/off na p epína i 2. P epína 1 není využitý. Po startu jednotky se t ikrát rozsvítí ervená led dioda. Ta signalizuje úsp šnou inicializaci procesoru, inicializaci I2C a inicializaci UART. Dvoubarevná led dioda signalizuje komunikaci s centrální jednotkou. Svítí - li led dioda zelen , pak p išel
51
paket s žádostí o nam enou aktuální vlhkost, a jednotka tuto žádost vy izuje odesláním paketu s nam enou teplotou zp t. Pokud svítí led dioda erven , p išla žádost o nam enou vlhkost, kterou procesor vy izuje odesláním dat do centrální jednotky. M ící jednotka by m la vydržet teplotu i -40°C, bohužel jsem nem l možnost ov it správnou funkci jednotky v takových extrémních podmínkách.
7.4 P IPOJENÍ K PC A OVLÁDÁNÍ PROGRAMU METEOSTANICE Pro stahování nam ených dat do po íta e je nutné spustit program pro zobrazování výsledku pod názvem ,,Meteostanice“. Ve chvíli, kdy se p ipojí po íta pomocí rozhraní USB, rozsvítí se vedle p evodníku zelená led dioda a na displeji se vypíše p ipojeno viz. Obr. 7.3. Procesor je nastavený tak, že vy ká 20 sekund pro inicializaci za ízení v PC a sestavení spojení.
Obr. 7.3:
Signalizace p ipojeného USB. Svítí zelená LED dioda napravo od USB p evodníku a na displeji se zobrazí p ipojen.
Aplikace Meteostanice si automaticky nastaví p ijímaní dat. Ve chvíli, kdy do po íta e p ipojíme centrální jednotku, po íta detekuje stanici a pole ,,Nelze p ipojit“ se zm ní na „P ipojeno“ Potom aplikace p ijme od centrální jednotky data pot ebná k vykreslení grafu. Stahování dat se zobrazuje v poli „Po et záznam “. B hem stahování program po ítá, kolik záznam obdržel a aktuální íslo vypisuje v tomto
52
poli. Když jsou data stažena, zvolí se senzor, ze kterého se budou prohlížet nam ené hodnoty. Protože v tomto p ípad je k dispozici pro m ení pouze jeden senzor, je aktivní pouze pole ,,Senzor 1“. Ostatní pole vypíší chybovou hlášku ,, Nedostupná data“. Potom zvolíme veli inu, kterou chceme zobrazit. Jedná se o Pole ,,Zobraz teplotu“ a „Zobraz vlhkost“. Rozlišení grafu se nastavuje automaticky podle maxima a minima dosaženého p i m ení. Na Obr. 7.4 a 7.5 níže, jsem zobrazil m ení, kdy jsem senzor oh íval foukáním teplého vzduch s využitím pokojového oh íva e.
Obr. 7.4:
Nam ené hodnoty relativní vlhkosti v závislosti na ase, zobrazené programem Meteostanice
53
Obr. 7.5:
Nam ené hodnoty teploty v závislosti na ase, zobrazené programem Meteostanice
Na grafech je vid t jak p íliv horkého suchého vzduchu m nil charakteristiku m ení. Teplota stoupala v závislosti na ase a vlhkost v daném ase klesala. Pole s názvem „Stahuj“ je pouze záchrana pro p ípad, že se nevypíše „P ipojeno“ a USB je aktivní. Pokud by takto program nedetekoval p ipojenou centrální jednotku, nestáhl by data a o nam ená data by byla ztracena. Po odpojení USB se centrální jednotka sama restartuje a za ne ukládat nová data na první místo v pam ti. Pokud p ipojíme USB d íve, než centrální jednotka sama dom í, vyvolá se p erušení a Centrální jednotka pošle nam ená data.
54
ZÁV R V diplomové práci jsem popsal teoretický základ týkající se senzor m ících teplotu a vlhkost. Dále jsem se zabýval ešením návrhu elektronické stanice pro m ení teploty a vlhkosti. Navrhl jsem systém skládající se z centrální jednotky, m ící jednotky, bloku ovládání, bloku reálného asu a zpracování dat v PC. V práci jsem popsal komunikaci mezi jednotlivými bloky a v záp tí je realizoval jednoduchými testy v kontaktním poli. Dále jsem popsal vlastnosti a parametry n kterých vybraných sou ástek d ležitých pro funkci obvodu jako nap íklad mikrokontroler , p evodník i senzoru. Praktický návrh systému jsem zhotovil ve vývojovém prost edí Eagle, kde jsem navrhl schémata jednotlivých obvod . Podle navržených schémat jsem nakoupil sou ástky a následn navrhl desky plošných spoj p izp sobené zvoleným sou ástkám. V kontaktním poli jsem postupn oživil jednotlivé sou ásti stanice, ov il jsem jednotlivá zapojení a funk nost systému. Naprogramoval a zprovoznil jsem komunikace mezi jednotlivými sou ástmi stanice i komunikaci s p ipojeným PC. P i tvorb m ící stanice jsem se pokusil najít optimální ešení k maximální jednoduchosti a bezpe né funk nosti. Dále se ukázalo jako nevhodné použití modulu RTC. P i azení reálného asu jsem zajistil pomocí naprogramované aplikace „Meteostanice“. Na záv r jsem osadil p ipravené desky sou ástkami. Desky jsem následn oživil a odzkoušel jejich funk nost kontrolními m eními. Stanice je oživená a pln funk ní. P i m ení zobrazuje využité za ízení, procentuelní využití pam ti, vlhkost a teplotu s obnovovací periodou 1s. Po p ipojení stanice k po íta i se automaticky stáhnou data. Pro vyobrazení dat v po íta i jsem naprogramoval jednoduchou aplikaci s názvem „Meteostanice“. Tím jsem realizoval autonomní m ící stanici využitelnou pro p esné m ení teploty a vlhkosti vzduchu s možností záznamu získaných dat. Tato data následn mohou být stažena do PC a dále zpracovávána.
55
POUŽITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13]
KREID,L. M ení teploty – senzory a m ící obvody. Ben, ISBN 80-7300-145-4, R, 2005 NEZNÁMÝ. lánky s odbornou tematikou. www.root.cz MATOUŠEK,D. C pro mikrokontroléry. Ben, ISBN 978-80-7300-215-2, R, 6.vydání, 2007 MATOUŠEK.D. Ud lej si z PC. Ben. ISBN 80-7300-036-9, R, 2001 MICROCHIP DATASHEETY. www.microchip.com UM232R. www.ftdichip.com LTC485. www.b-kainka.de/Daten/Mikros/LTC485.pdf SHT21. www.sensirion.com RTC PCF8563. www.pira.cz/pdf/PCF8563.pdf EEPROM 25LC640. www.microchip.com LP2950. www.gme.cz/_dokumentace/dokumenty/331/331-063/dsh.331-063.1.pdf MATOUŠEK,D. Práce s mikrokontrolery Atmel. Ben, ISBN 80-7300-094-6, R, 2002 MANN,B. C pro mikrokontroléry. Ben, ISBN 80-7300-077-6, R, 2003
56
P ÍLOHA A – PARTLISTY NAVRŽENÝCH DESEK Partlist ídíc jednotky: Exported from ridici jednotkafin.sch at 23.4.2011 2:00:05 EAGLE Version 5.10.0 Copyright (c) 1988-2010 CadSoft Part
Value
1N4148 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C8 C9 C10 C11 C12 C13 F1 IC1 IC2 IC3 IC4 IC5 J1 JP2 PIC18F2525* Q1 Q2 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 S1 S2 S5 S6 S7 S8 SV1 SV2 TXLED1
BAT81 22pF 22pF 330n 220nF 100n 100n 0,22F 220nF 220nF 220nF 220nF 100n 250mA L7805ABV LTC485 LTC485 25LC640-I/SN PCF8563
Device
BAT81 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 CPOL-EUE5-10.5 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 C-EU025-030X050 GSH15 7805TV MAX3468CPA MAX3468CPA 25LC080SN X1205IS8 JACK-PLUG1 JP8Q PIC18F2480-I/SP PIC18F2480-I/SP 32,768kHz CRYSTALTC26H 6Mhz XTAL/S 2k5 R-EU_0204/7 R-TRIMM3339P 10k R-EU_0204/7 10K R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 2k5 R-EU_0204/7 120R R-EU_0204/7 2k5 R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 10k R-EU_0204/7 120R R-EU_0204/7 10-XX TL32PO TL32PO 10-XX 10-XX 10-XX 10-XX FE12-1 UM232R FE12-1 LED3MM
Package
Library
Sheet
DO34-7 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 E5-10,5 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 C025-030X050 GSH15 TO220V DIL08 DIL08 SO-08 SO-08 SPC4078 JP8Q DIL28-3 TC26H QS 0204/7 RTRIM3339P 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 B3F-10XX TL3XPO B3F-10XX B3F-10XX B3F-10XX B3F-10XX FE12 FE12 LED3MM
diode rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl rcl fuse linear maxim maxim microchip xicor con-jack jumper microchip crystal special resistor rcl resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor resistor switch-omron switch switch-omron switch-omron switch-omron switch-omron con-lsta con-lsta led
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
57
TXLED2 TXLED3 X3
LED3MM LED3MM F09HS
LED3MM LED3MM F09H
led led con-subd
1 1 1
Partlistm ící jednotky: EAGLE Version 5.10.0 Copyright (c) 1988-2010 CadSoft Part Value Orientation
Package
Library
Position (mm)
C1 C2 C3 C4 C5 D1 D3 IC2 IC3 LD2 Q1 R1 R2 R3 R4 R5 R6 SV1 SW2 U$1 X1 X2
C025-024X044 C025-024X044 C025-024X044 C025-024X044 C050-025X075 SFH482 D-2.5 TO92 DIL08 DUOLED-C-5MM QS 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 0204/7 MA04-1 EDG-01 DIL14 F09H F09H
rcl rcl rcl rcl rcl led diode linear maxim led special rcl rcl rcl rcl rcl rcl con-lstb special microchip con-subd con-subd
(9.701 55.454) (48.482 62.867) (47.313 58.983) (6.828 55.454) (5.53 51.29) (51.943 48.054) (28.702 62.865) (8.73 47.04) (18.098 57.788) (51.943 54.69) (39.446 61.41) (30.099 45.72) (16.62 50.2) (16.62 47.12) (41.91 45.72) (39.18 43.18) (28.956 60.325) (15.869 43.07) (2.95 58.76) (33.909 53.086) (48.53 69.041) (16.51 69.041)
100n 22p 22p 2.2uF 0.1uF SFH482 1N4148 78L05Z SP485CN 6MHz 3K3 10K 10K 2K5 2K5 100K PIC16F1824
R90 R90 R180 R270 R180 R0 R180 R180 MR270 R0 R180 R0 R0 R0 R180 R180 R180 R0 R180 R180 R0 R0
58
P ÍLOHA B – UKÁZKA GRAF
S VÝSLEDKY M
ENÍ
Nam ené hodnoty relativní vlhkosti v závislosti na ase
59
Nam ené hodnoty teploty v závislosti na ase
60
P ÍLOHA C – FOTOGRAFIE STANICE
Fotografie m ící jednotky
Fotografie kompletní stanice pro m ení teploty a vlhkosti
61
P ÍLOHA D – P ILOŽENÉ CD Aplikace Meteostanice Zdrojové kódy jednotlivých program Návrh desek a schémat plošných spoj
62
