STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST
UNIVRZÁLNÍ VYSÍLAČKA
Jaroslav Páral
Brno 2011
STŘEDOŠKOLSKÁ ODBORNÁ ČINNOST Obor SOČ:
UNIVRZÁLNÍ VYSÍLAČKA
Autoři:
Jaroslav Páral
Škola:
SPŠ a VOŠ technická, Sokolská 1 602 00 Brno
Konzultant: Jakub Streit
Brno 2011
Prohlášení Prohlašuji, že jsem svou práci vypracoval(a) samostatně, použil(a) jsem pouze podklady (literaturu, SW atd.) citované v práci a uvedené v přiloženém seznamu a postup při zpracování práce je v souladu se zákonem č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorský zákon) v platném znění.
V Brně dne:
podpis:
Poděkování Děkuji Jakubu Streitovi za rady, obětavou pomoc, velkou trpělivost a podmětné připomínky poskytovaná během práce na tomto projektu.
Anotace Cílem této práce je vytvořit univerzální vysílačku na ovládání robotů, letadel, lodí a dalších zařízení, která bude zvládat komunikovat bezdrátově, ale i přes kabel. Pro výrobu jsem se rozhodl, protože mi současné vysílačky nevyhovovali rozmístěním ovladačů, tlačítek či přepínačů, celkovou velikost a hlavně nemožností si je upravit podle vlastních potřeb. ( a nespokojenost s řešením . . . . . . . . . . . ) Vysílačku jsem začal stavět i proto, že se učím programovat a vyrábět základní elektroniku, tak mi připadal tento úkol vhodný, jelikož bych se při výrobě mohl spoustu věcí naučit. Tato vysílačka by měla být dále snadno replikovatelná, aby ji mohla vyrobit i osoba se základy elektroniky a programování. Můžete doplnit klíčová slova, tak 5-8. Můžete také stejnou anotaci napsat níže v angličtině ( vypadá to profesionálněji :-)) ).
Obsah Úvod
3
1 Vysílačka
4
1.1
Co vysílačka obsahuje? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 Rozvrh práce
4 5
2.1
1.fáze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2
2.fáze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
3 Popis čipu 3.1
8
Seznámení s čipem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.1.1
Proč jsem si čip vybral? . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.1.2
Součásti: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4 Popis periferii:
10
4.1
Displej . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2
MAX485 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
4.3
Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.4
FTDI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.5
Cena součástek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
5 Konstrukce
13
1
2 6 Výroba řídící desky 6.1
6.2
14
Návrh desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
6.1.1
Program Eagle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
6.1.2
Důraz při návrhu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
6.1.3
Popis desky . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
Výroba . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
6.2.1
Osvícení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
6.2.2
Leptání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
6.2.3
Vrtání . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
6.2.4
Pájení . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
7 Chyby a problemy
21
Závěr
23
Literatura
24
Seznam obrázků
25
Seznam tabulek
26
Další přílohy
27
Úvod Cílem této práce je vytvořit univerzální vysílačku na ovládání robotů, letadel, lodí a dalších zařízení, která bude zvládat komunikovat bezdrátově, ale i přes kabel. Pro výrobu jsem se rozhodl, protože mi současné vysílačky nevyhovovali rozmístěním ovladačů, tlačítek či přepínačů, celková velikost vysílaček, nemožnost si je upravit podle vlastních potřeb. Další z důvod pro stavbu vysílačky je nemožnost komunikace u většiny vysílaček pomocí kabelu, což je ovšem podmínkou při účasti na různých robotických soutěžích (např. Eurobot Starter). ( a nespokojenost s řešením . . . . . . . . . . . ) Vysílačku jsem začal stavět, protože se učím programovat a vyrábět základní elektroniku a v této práci mám možnost se v těchto oborech hodně přiučit a získat zkušenosti. Dále mě také lákala možnost, kompletní kontroly nad vysílačkou (to znamená, že cokoliv si ve vysílačce mohu upravit, kdykoliv přeprogramovat, nastavit, či v budoucnu přidat). Tím je myšleno, že momentálně potřebuji čtyři přepínače a dvě tlačítka, ale zítra budu potřebovat osm přepínačů a dva potenciometry, což pro moji vysílačku není problém, jelikož si ji mohu přestavět a přeprogramovat. // připsat možnost kontroly dat které chodí po lince U vysílačky jsem se zaměřil na snadnou replikovatelnost, pro kohokoliv kdo zná základy elektroniky a programování. Snažil jsem se dělat vše jednoduše, ale chytře. Doufám, že jsem domyslel všechny neduhy a vyrobil kvalitní vysílačku pro všemožné účely.
3
Kapitola 1 Vysílačka 1.1
Co vysílačka obsahuje?
Vysílačka má dva čtyř-směrné kniply, které složit k udávání směru, rychlosti, či určité polohy různých směrovek, kormidel, křidýlek a dalších mechanismů. Tyto kniply jsou asi nejdůležitější a nejvyužívanější částí vysílačky. Dále je na vysílačce !!!!!!! X !!!!! přepínačů, které jsou umístěny ve vrchní části vysílačky. Tyto přepínače budou sloužit k nastavování různých parametrů na vysílačce nebo přímo na modelu. Také může fungovat jako tlačítko zapnuto/vypnuto a tím určovat polohu různých mechanizmů, motorů nebo třeba serv. Ve vysílačce se nachází i velký LCD displej, jehož rozlišení je 128x64 bodů. Slouží k nastavení bluetooth modulu a komunikace mezi několika zařízenímy (možnost přepínat s kterými zařízeními vysílačka komunikuje). Různých výchylek, mixů, trimů a všemožného nastavení dle programu. Případné možnosti přepínání mezi letovými modely a nastavením modelů (U klasických vysílaček máte možnost nastavit si vysílačku třeba pro osm modelů a následně mezi nimi přepínat). Pod displejem se nachází pět tlačítek určených k jeho ovládání. Na vysílačce jsou umístěny dva potenciometry.
4
Kapitola 2 Rozvrh práce Projekt jsem si rozdělil na dvě fáze. První fáze jsou věci které bych chtěl stihnout do krajského kola SOČ, druhá fáze jsou věci navíc, které bych chtěl případně v budoucnu udělat.
2.1
1.fáze
Chci udělat desku, která bude umět: • snímání polohy ze dvou klasických křížových ovladačů (kniplů) • měla by vstupy na dva potenciometry • 8 - 10 modulárních vstupů určených pro přepínače či tlačítka • výstup pro 3 led diody pro základní indikace • vystup na displej • 5 tlačítek určených k ovládání displeje • vyvedená komunikace po USART, I2C (viz popis mikroprocesoru)
5
KAPITOLA 2. ROZVRH PRÁCE
6
• nachystáno připojení na Bluetooth modul a komunikaci pomocí kabelu • přichystán výstup na reproduktor • 1 PWM na reproduktor (pípak) ????? Chtěl bych vyrobit vysílačku: • která bude určena k řízení robota určeného na soutěž Eurobot Starter 2011 ??? • bude snímat polohu z křížových ovladačů • bude mít 8 přepínačů/tlačítek • bude obsahovat 3 diody pro indikaci stavu • bude mít obsažen v sobě displej • 5 tlačítka na ovládání displeje • zprovozněná komunikace po RS488 a Bluetooth Chtěl bych vyrobit zkušební desku, na které bude odzkoušen návrh desky a bude použita jako vývojový kit a odzkouší se všechny komponentů.
2.2
2.fáze
Vyrobit vysílačku, jejichž konstrukce bude zcela modulární a půjde upravit rozložení prvků v horizontu několika minut. Bude mít reproduktor plus externí výstup 3,5mm jack na sluchátka, přes který bude možné přehrávat různé upozornění. Dále by měla umět přehrávat zvuk z externího zdroje (z iPodu či MP3), případně zvládat oznamovat události na vysílačce (vybité baterie, doba letu, konec závodu/zápasu). Místo potenciometrů obsažených v kniplech budou magnetické enkodéry.
KAPITOLA 2. ROZVRH PRÁCE
7
Deska bude mít: • nějak obsažené přehrávání hudby? Tato vysílačka bude mít: • univerzální modulární konstrukci • připravený vstupy • obsažen reproduktor • enkodéry v kniplech Na projektu jsem začal pracovat v záři 2010 a to tím způsobem, že jsem se začal učit základy programování. Určité zkušenosti jsem již měl, ale ve velmi malé míře. Od září až do listopadu jsem se naučil zjišťovat napětí na vstupních pinech pomocí analogově-digitálních převodníků, provozovat komunikaci na lince usart mezi PC a čipem pomocí FTDI, vytvářet vlastní knihovny s programy, dále jsem si rozchodil ovládání serva a také programování řádkového displeje. Během prosince jsem navrhl řídící desku a začal řešit rozmístění a vzhled vysílačky. Celý leden jsem strávil její výrobou, protože jsem s ní neměl žádné zkušenosti a udělal jsem spoustu chyb a proto byla funkční až čtvrtá verze desky (viz o potížích při výrobě desky v kapitole: Chyby a problémy !!!!). Po menším zpoždění způsobeném výrobou desky, jsem se vrhl na její programování a výrobu rámu vysílačky. .....................
Kapitola 3 Popis čipu 3.1
Seznámení s čipem
Ve vysílačce je umístěna řídící deska, osazená mikrokontrolérem ATmega128. Jedná se o 8 bitový procesor od firmy Atmel. ATmega128 obsahující paměť o velikosti 128kB, má 64 pinů z toho 53 vstupních/výstupních, osm 10-bitových analogově-digitálních převodníků (A/D převodník), dva 8-bitové a dva 16-bitové časovače, osm PWM kanálů, 1 linku I2C, 2 linky USART a jedno komunikační rozhraní SPI.
3.1.1
Proč jsem si čip vybral?
• velkému počtu pinů (64) • částečnou kompatibilitou s ATmega16 s kterou jsem měl již zkušenosti • dost velké paměti • zkušenosti mích přátel s tímto čipem • dostupností na našem trhu • přijatelné ceně 8
KAPITOLA 3. POPIS ČIPU
9
• vyvedením dvou linek usart
3.1.2
Součásti:
A/D převodník - měří napětí na pinech v rozpětí 0V až 5V a převádí je na číselnou hodnotu od 0 do 1024, využívají se při zjišťování napětí na potenciometrech, při měření spotřeby a napětí, určování hodnot z čidel atd. Čítač/Časovač - může nám počítat určitou dobu, díky ním lze řídit serva, mít naprogramované hodiny v procesoru, měřit dobu stisknutí tlačítka atp., 8-bitový může počítat do hodnoty 255 a 16-bitový do hodnoty až 65 536 PWM kanál - dokáže posílat PWM (pulsně šířková modulace) signál z procesoru na daný pin, dá se využít k otevírání a zavírání tranzistoru a tím sloužit jako regulace výkonu u motorů, podsvícení či vytváření zvuku. (spojitost mezi časovačem a PWM ??????????) I2C - linka určena pro komunikaci mezi více zařízeními, maximální počet je 127, vyskytuje se pod více názvy, konkrétně zde je pojmenována Two-wire Serial Interface (dvou-drátové sériové rozhraní). Já je momentálně nevyužívám, ale v budoucnu možná nalezne uplatnění. USART - též také pojmenovávané jako UART, slouží pro komunikaci mezi dvěma zařízeními (!!!!!!!! při určité situaci lze komunikovat i s více zařízeními !!!!!!!!!!) na krátké vzdálenosti (cca. 5cm), mi jej využíváme dohromady s bluetooth, max485 nebo frci na hlavní komunikaci mezi zařízeními. SPI - Serial Peripheral Interface (vnější sériové rozhraní) Čip také obsahuje interní RC oscilátor neboli krystal, který využívá procesor k nastavení tzv. vnitřních hodin, které udávají výkon samotného mikroprocesoru. K procesoru se dá osadit i externí RC krystal. Vnitřní krystal může běžet na 8 MHz, čip ovšem zvládá běžet až na 16 MHz a proto se přidávají externí krystaly. (programovýní, SPI, flash)
Kapitola 4 Popis periferii: 4.1
Displej
Vybral jsem display ATM12864D-FL-YBW, který je možno zakoupit v prodejně GM Electronic, jelikož s ním měl můj konzultant zkušenosti a byl mi ním doporučen. Jedná se o monochromatický grafický LCD display, tedy dvoubarevný bodový displej s led podsvícením. Jeho rozlišení je 128 x 64 bodů a rozměry viditelné části (samotného displeje bez řídící desky a rámečku kolem něj) jsou 72 x 40 mm, displej i s rámečkem je velký 80 x 52 mm a celková velikost i s řídící deskou je 93 x 70 mm. Na tomto display musíte zobrazovat jednotlivé body a proto je zapotřebí si v případě psaní textu vytvořit nějakou knihovnu se znaky. Display obsahuje samotný LCD panel, dva zobrazovací čipy, řadič řídící tok dat k jednotlivým zobrazovacím čipů a převaděč kladného napájecího napětí na záporné. Samotný display se chová jako dva display o rozlišení 64 x 64 bodů. Proto se musí při komunikaci určovat, do které části display mají data jít. Display má jeden pár napájení řídících čipů, vstup rozhodující jestli jdou data nebo instrukce (D/I), vstup říkající jestli se bude číst nebo zapisovat (R/W), (E), osm datových vstupů/výstupu (DB0 - DB7), dva vstupy určující pro který řadič jde signál (CS1 a CS2), vstup resetující celý 10
KAPITOLA 4. POPIS PERIFERII:
11
modul (RES), výstup záporného napětí (VEE) a napájení podsvícení anodu a katodu(A a K).
4.2
MAX485
Jedná se o modul, který jsem navrhl sám za pomoci svého konzultanta. Tento modul na sobě má osazen čip max485, který se využívá pro komunikaci mezi dvěma mikroprocesory na delší vzdálenosti až 1 km. Je použit komunikační standard RS-485. U tohoto čipu se měří rozdíly v napětí mezi dvěma dráty a díky tomu se potlačuje rušivý signál z jiných zdrojů, jelikož se rušení projeví na drátech stejně. V tom je rozdíl oproti standardu RS-232, kde se měří rozdílné napětí mezi drátem a zemí. Rozměry modulu bez pinů jsou 26 x 16 mm, jelikož mám piny zahnuté tak celková délka je 39 mm. Modul obsahuje 5 pinhedů určených pro spojení s deskou. Dva pinhedy zajišťují napájení čipu (GND a +5V). Další dva jsou určeny po příjem a vysílaní a na desce jsou spojeny s piny RX a TX a poslední pinhed určuje jestli je momentálně čip jako přijímač či vysílač. Na druhé straně modulu jsou vyvedeny 4 pinhedy. Opět dva napájecí (GND a +5V), tentokrát nejsou potřeba oba, stačil by jen pinhed GND, který je nutný pro správnou komunikaci na delší vzdálenosti a musí být propojen se zemí (GND) na druhé straně, ale v tomto případě můžeme využít tyto piny k napájení dalšího zařízení nebo naše řídící deska může být po tomto kabelu napájena (Tuto variantu bych ovšem nedoporučoval). Tento modul neumožňuje v jeden moment komunikovat oběma směry. Na jednu stranu je to jeho nevýhoda, na druhou stranu to není většinou ani potřeba. Je možné pořídit i čip s obousměrnou komunikací v jeden moment, avšak pro komunikaci musíte mít o další dva dráty navíc a jeho cena je dvakrát vyšší.
KAPITOLA 4. POPIS PERIFERII:
4.3
12
Bluetooth
Tento modul jsem si nenavrhoval sám, ale mám jej vypůjčen od přátel z DDM Junior. Modul je osazen průmyslovým bluetooth čipem, který je možno případně vyměnit za jiný s jinými možnostmi dosahu. Bluetooth zvládá obousměrnou komunikaci a to ať už třeba s PC, mobilem či jiným bluetooth připojeným k dalšímu mikroprocesoru (na tomto principu by měla fungovat moje vysílačka). Velikost bluetooth čipu i s pomocnou deskou je přibližně 37 x 31 mm. K propojení bluetooth stačí napájení (GND a +5V) a přijímací a odesílací piny (RX a TX). Modul může komunikovat v jeden moment oběma směry v čemž se liší od modulu s maxem. Dosah by se měl pohybovat dle technický údajů 75m. Ve skutečnosti je dosah . . . . . . . . . . . . . . . . , ovšem dělají se i moduly s teoretickým dosahem 1 km.
4.4
FTDI
FTDI: Tento modul mám také vypůjčený. Jedná se o desku osazenou čipem FTDI FT232RL sloužící ke komunikaci mezi mikroprocesorem a počítačem přes USB rozhraní. Na jednu stranu připojíte mikroprocesor přes linku usart, na druhé straně zapojíte USB kabel. FTDI čip převádí komunikaci z usartu (standard RS-232) na USB signál. Celková velikost i se zahnutými pinhedy je cca. 36 x 28 mm.
4.5
Cena součástek
Kapitola 5 Konstrukce
13
Kapitola 6 Výroba řídící desky Na návrhu a výrobě řídící desky jsem strávil asi nejvíce času, jelikož se návrh vícekrát pozměňoval a poněvač jsem s výrobou plošných desek neměl zkušenosti tak se mi ji nepodařilo vyrobit napoprvé.
6.1 6.1.1
Návrh desky Program Eagle
Návrh desky jsem dělal v programu Eagle, který je k tomuto přímo určen. Používal jsem jeho verzi Eagle Light, jelikož je šířená pod free licenci, z toho ovšem plynou určitá omezení. Jako příklad uvedu maximální velikost desky 100 x 80 mm, jen dvouvrstvé desky, určitá omezení v editoru schémat, omezená podpora (jen email a fórum uživatelů) a samozřejmě možnost použití jen u nevýdělečných projektů. V případě pouhého prohlížení je možné mít i desky, které tyto kriteria přesahují. Ovšem tyto omezení mi moc nevadila, do rozměrů jsem se vešel (má deska má rozměry 80 x 80 mm), je jen jednostranná a v editoru jsem na žádná omezení nenarazil.
14
KAPITOLA 6. VÝROBA ŘÍDÍCÍ DESKY
6.1.2
15
Důraz při návrhu
Desku jsem navrhoval s důrazem na univerzálnost, proto jsou skoro všechny piny procesoru vyvedeny na pinhedy, na které si už každý osadí co bude chtít. Deska má osazený stabilizátor na 5V, kterými je napájen mikroprocesor a veškeré periferie jako bluetooth modul, display či max485.
6.1.3
Popis desky
Hned za napájecími piny je osazena dioda, kvůli zamezení přepólování. Za diodou je umístěn 10mR odpor, kvůli měření spotřeby. Na odporu se měří úbytek napětí, díky kterému se zjistí spotřeba desky. Jelikož je úbytek na takovém to odporu velmi malí, ale větší odpor by nám zbytečně snižoval napětí, spotřebovával proud a zahříval se !!!!!, bylo nutné přidat zesilovač, který nám tento úbytek zesílí na měřitelné hodnoty. Tyto hodnoty jsou posléze měřeny na A/D převodníku procesoru. Dále už je připojen stabilizátor, z něhož jde napětí 5V do celé desky. Na desce je také uděláno měření napětí na napájení a to hlavně kvůli případné ochraně baterii a šetrnému zacházení s nimi (pokud u baterií klesne napětí pod určitou mez, hrozí jejich zlikvidování a velmi rychle ztrácejí kapacitu, nejvíce se tento efekt projevuje u baterií typu Li-pol a Li-on). Pro měření používám napěťový dělič (jedná se o dva odpory, jeden je přiveden na zem, druhy na plus a v místě kde se spojí mají již snížené napětí, poměr mezi těmito odpory udává o kolik se napětí sníží), který nám dovoluje mít napájecí napěti až do 13,5V, pak by se zničil ad převodník v čipu a nebylo by už možné měřit napětí. Z čipu jsou vyvedeny dvě linky usart, sloužící pro komunikaci. Jedna je umístěna v levém horním rohu a druhá dole ve středu desky pod procesorem (pohled ze strany součástek). Obě linky k sobě mají přivedeno napájení a horní usart ještě jeden pin, který se dá využívat například k přepínání směru komunikace u čipu max485 (viz kapitola periferie). Linky jsou
KAPITOLA 6. VÝROBA ŘÍDÍCÍ DESKY
16
přichystány tak, aby bylo možné připojit modul s maxem485, pro drátovou komunikaci mezi dvěma mikroprocesory až do vzdálenosti 1km, bluetooth modul, který umožňuje třeba bezdrátovou komunikaci s počítačem či jiným bluetooth modulem, modul FTDI, sloužící k drátové komunikaci s počítačem ale také přímé propojení druhého procesoru na malé vzdálenosti. Přichystána je také linka I2C, po které může komunikovat až 127 zařízení jako třeba čip, který rozšíří počet vstupů/výstupu, další A/D převodníku, různé senzory, ultrazvuky a mnoha dalších zařízení využitelných v případě potřeby. Najdete ji hned vedle spodní linky usartu a jsou k ní přidány také napájecí piny. Kvůli displeji je na desce dlouhá řada dvaceti pinhedů. Poněvač displej potřebuje jeden napájecí pár pro řídící čipy, druhý pro podsvícení, osm pinů obstarává paralelní přenos dat, šest pinů starajících se o chod displeje, tedy tyto piny určují, na kterou část displeje se momentálně zapisuje, z které části se čte či umožňují restartovat display. Další dva piny už slouží pro regulaci jasu a podsvícení. Na desce nalezneme také po pěti pinech GND a +5V, které jsou ze přichystány, na případné připojení dalšího hardwaru nebo jiných součástek. Kdykoliv v budoucnu se vám tyto piny mohou hodit. Přidal jsem i dva piny určené na PWM. V budoucnu by mohl být využity k přehrávání zvuků z reproduktoru, který mám v plánu do vysílačky umístit, také by mohly být použity na regulaci podsvícení. Samostatně je vyveden pin reset (tento pin slouží k restartování procesoru a využívá se i při programování pomocí progmátoru), ke kterému je přidružena zem (GND). Jelikož nevíte kdy tento pin budete potřebovat a také se lepe připojuje programátor. Připravil jsem též výstupy pro tři informační LED diody, které budou sloužit k indikaci různých stavů ve vysílačce. Například budou ukazovat zapnutí vysílačky, spojení s druhým zařízení či vybití baterií. Kvůli programování přes programátor jsem vyvedl samostatný pin, který udává hodiny procesoru (tzv. SCK). Jedná se o pin, díky kterému čip ví, jak rychle k němu posílá programátor data. !!!!! Bez tohoto pinu nelze čip naprogramovat. !!!!! Počítám, že na vysílačce budu mít šest až deset tlačítek či přepínačů slouží-
KAPITOLA 6. VÝROBA ŘÍDÍCÍ DESKY
17
cích k ovládání modelu. Na všechny mám na desce připravené piny. Vedle nich je vyvedená zem (GND), kterou když s piny propojíme, tak procesor pozná, že se změnil stav. !!! K ovládání displeje by mělo sloužit pět tlačítek. Jejich funkci si představuji: nahoru, dolu, doleva, doprava a potvrzovací tlačítko. Doufám, že toto řešení je vhodně zvoleno. Mezi nejdůležitější piny, které jsou ještě na desce vyvedeny, jsou piny připojené k A/D převodníku. Jedná se o tři pinhedy vedle sebe, které jsou v tomto pořadí: pin který jde k procesoru, napájecí pin (+5V) a zem (GND). Toto uspořádání je trochu netradiční, ale bylo zvoleno z důvodu lepšího tažení drah po desce a možnosti jejich rozmístění. Normálně bývá ve středu umístěn pin, který jde k procesoru. Piny budou sloužit k měření napětí na potenciometrech a hlavně na pákových ovládačích (kniplech). Po desce jsou taženy asi tři dráty a to z důvodů úspory, zjednodušení výroby a lepšího navrhování desky. Pokud bychom tyto cesty netáhli drátem, museli by jsme desku mít oboustrannou, což je jak dražší tak hlavně složitější na výrobu. Proto si myslím, že toto řešení je nejvhodnější. Přidán byl i krystal, diky kterému může procesor běžet na 16MHz a tím vykonávat více instrukcí a být výkonnější. Mezi napájením A/D převodníku a klasickým napájením je ještě dána tlumivka, která by měla odfiltrovat ruchy v obvodě. !!!!!!!!!! Většina pinů na desce (až na USART, RESET, I2C, a piny určené displeji) jsou koncipovány tak, aby je bylo možné využít na cokoliv, proto u nich je vyvedena zem (GND). To znamená, že na desce je obsaženo 22 vstupních či výstupních pinů, které můžete použít dle vlastní potřeby. Toto řešení děla desku ještě univerzálnější. Všechny dráhy jdoucí k procesoru, jsou opatřeny ochranným rezistorem o hodnotě 220 R, !!!!! z důvodu ochrany proti přetížení či zkratování. !!!!!! Níže přikládám schéma desky a také výrobní verzi.
KAPITOLA 6. VÝROBA ŘÍDÍCÍ DESKY
6.2
Výroba
6.2.1
Osvícení
18
Desku jsem vyráběl pomocí osvěcovací metody tak, že nejprve jsem si navrhnutou desku z Eaglu, vytiskl na průhlednou fólii pomocí laserové tiskárny. Tento osvitek jsem přiložil na kuprexidovou desku (deska vyrobená z . .) opatřenou speciální foto vrstvou, která reaguje na UV záření. Na osvitek jsem přiložil sklo, které mělo zamezit vzniku mezery mezi deskou a osvitkem. Po tomto procesu jsem byl připraven na osvit a proto jsem zapnul osvětlovací lampu též nazývanou jako horské slunce. Tato lampa funguje na principu obloukového výboje a obsahuje rtuťovou výbojku. Při zapnutí vznikne nejprve obloukový výboj, sloužící k zahřátí rtuti a vytvoření . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Po zahřátí lampy (cca. tři minuty) jsem mohl osvěcovat. Vzal jsem desku a vložil ji pod lampu na dvě minuty (tato doba je pro každou lampu jiná, záleží jak na výkonu lampy, stáří ale hlavně na vzdálenosti lampy od osvěcovaného předmětu).
6.2.2
Leptání
Po osvícení jsem desku vložil do nádoby a opláchl jí hydroxidem draselným, který reaguje s osvíceným (a tím narušeným) ochranným foto lakem a smívá ho. Potom jsem ji opláchnul pod vodou a mohl jsem leptat. Leptání se provádí pomocí speciálního leptacího roztoku, který v sobě obsahuje chlorid železitý. Desku jsem si dal znovu do nádoby, nalil jsem leptací roztok (cca. 50 - 100ml) a krouživými pohyby odleptával měď. Leptání je velmi zdlouhavé a trvá přibližně půl hodiny. Roztok je lepší při výrobě zahřívat asi na !!!!!!!!! 90 C !!!!!!!!!!, avšak na to jsme nebyli zařízení a proto jsem ho nezahřívali, leptání by pak probíhalo rychleji. Po vyleptání, což poznáme tak, že na místech kde nemá být měď vidíme povrch kuprexidové desky, znovu desku opláchneme. Roztok chloridu draselného nevylíváme, ale nalijeme do speciální nádoby určené na použitý roztok, jelikož roztok můžeme v budoucnu !!!!!!!!!!!!! znovu použít při určité
KAPITOLA 6. VÝROBA ŘÍDÍCÍ DESKY
19
úpravě !!!!!!!!!!!!!. Když jsem měl desku vyleptanou, ponořil jsem ji do cínové lázně. Tato lázeň velmi zapáchá, avšak velmi rychle a účinně desku pocínuje, pak také vypadá o dost lépe a profesionálněji. V lázní jí necháme přibližně dvě minuty, ale záleží na každém jak velkou vrstvu chce nechat nanést. Po vytáhnutí musíme desku neprodleně řádně omýt pod tekoucí vodou a následně usušit, poněvač by roztok zanechal na desce skvrny. Cínový roztok nalijeme zpátky do nádoby, jelikož se dá používat vícekrát.
6.2.3
Vrtání
Po pocínování jdeme vrtat díry na nýty (nýty se osazují proto aby zabránily utrhnutí mědi od desky v momentě připojování). Vybral jsem si nýty o velikosti 0,8mm, pro které se vrtá díra 1,1mm. Zkoušel jsem i 1mm nýtky, avšak při vrtání děr jsem strhával veškerou měď kolem díry (1,3mm) a proto jsem zvolil tento nýtek. Má ovšem jednu nevýhodu, pinhedy do něj jdou strkat velmi z tuha. Já jsem musel většinu zatloukat kladívkem. Za to však při pájení drží a nevypadávají. Nýtky zastrčíme do díry a lehce je rozklepneme důlčíkem. Poté je roztepeme kladívkem.
6.2.4
Pájení
Až roznýtujeme všechny nýtky, můžeme začít pájet. Pájíme mikropájkou s úzkým hrotem. Velmi doporučuji pořídit pájku s regulací teploty. Optimální teplota pájení je mezi !!! 280 - 320 C !!!!. Nejprve připájíme všechny pinhedy, aby jsme zbytečně nepřehřívali ostatní součástky, jelikož pinhedy jsou nejméně náchylné na teplo. Při pájení si musíme dávat pozor, aby se nám cín dokonale spojil s nýty a cestami. Cín musí být zespodu rozplácnutý a vytvářet tvar sopku (. . . .hodil by se obrázek. . . . .). Pokud bychom součástky špatně připájeli, buď by nám neprocházel proud vůbec nebo by vznikl studený spoj, který může někdy vodit a někdy ne. Tyto tzv. studené spoje se velmi špatně odhalují, proto si na ně při pájení dávejte pozor. Po pinhedech je nejlepší pájet odporu, jelikož
KAPITOLA 6. VÝROBA ŘÍDÍCÍ DESKY
20
ty jsou také dost odolné. Při pájení používejte kalafunu, velmi vám usnadní prácí. Dále připájejte kondenzátory, tlumivky, diody a případně tranzistory a stabilizátory. Nakonec si nechtě samotné čipy, jejichž pájení bývá nejsložitější. Dávejte si pozor na správné umístění čipu, zkontrolujte radši dvakrát. Určitě se vám to vyplatí, protože odpájet čip není nic jednoduchého, potřebujete horkovzdušnou pistoli a hrozí zničení čipu. Některé čipy mají označen vrchol tečkou, kolečkem nebo mají zkosenou jednu hranu čipu (poznáte ze schéma). Při pájení čipu je nejlepší usadit si čip co nejlépe. Připájet si jeden pin, následně zkontrolovat jestli vše sedí, případně doladit a pokud je vše OK, tak připájet pin na opačné straně (kvůli tomu, aby jsme čip nezahřáli v jediném místě kde drží a následně si jej neposunuli, což by nás určitě hodně mrzelo), potom už můžeme pájet jak nám to vyhovuje. Snažte se tyto čipy hřát co nejméně, avšak vydrží docela toho dost.
Kapitola 7 Chyby a problemy Jak jsem již psal udělal jsem spoustu chyb jak při výrobě řídící desky, tak i v dalších částech projektu. Proto bych je chtěl shrnout v této kapitole a ušetřit vám čas potřebný pro opravou stejných chyb. Při výrobě desek v Eaglu je potřeba při tisku na osvěcovací fólii převrátit vrstvu top. To znamená, že pokud máte nějaký text na straně top, tak před tiskem musí být zrcadlově obráceně a tedy nečitelný. V případě druhé vrstvy (botton) už to řešit nemusíte, ta je v základu převrácená. Na převrácení můžete použít bezplatný program GIMP. Zkontrolujte si také, že je obrázek černobílí a neobsahuje různé odstíny černé. Podstatné je, aby všechny cesty byly černou barvou a nevodivá místa bíle. Pokud by to bylo naopak musíme provést inverzi barev. V momentě kdy vytiskneme desku na folii, vše doporučuji zkontrolovat. Když budete přikládat folii na kuprexidovou desku, pohlídejte si, aby jste měli tištěnou stranu směrem k desce. Z vašeho pohledu musí být text čitelný a nepřevrácený. Když přiložíte fólii a přitlačíte ji nějakým sklem, podívejte se jestli nemáte mezi fólií a sklem mezeru, pokud ano musíte jí odstranit. Při pájení jsme přišli na fakt, že pocínované desky se hůře pájí. Proto přátelé z DDM Junior začali zkoumat čím je to způsobené a přišli na to, že když pocínujeme desku, tak nám tento cín naruší měď na desce, s kterou proroste a 21
KAPITOLA 7. CHYBY A PROBLEMY tím má horší vodivost a hůře se pájí. !!!!!
22
Závěr I pro závěr platí, že obvyklá délka je cca 3/4 stránky, ale může mít i více. Neměl by mít podstatně méně. Píšete jej taky až poté, co je hotový text práce. V závěru byste měli uvést: — znovu cíle práce, ale narozdíl od úvodu v minulém čase — jak bylo nebo nebylo těchto cílů dosaženo — důležité výsledky, ke kterým jste dospěli Nezapomeňte, že každý čte napřed anotaci, obsah, úvod a závěr. Teprve když toto čtenáře zaujme, bude (možná) číst i vlastní text. Toto platí i pro všechny Vaše budoucí práce. (A samozřejmě se to netýká hodnotitele.)
23
Literatura [1] Seriál o LATEXu na root.cz http://www.root.cz/serialy/jak-na-latex/ [2] Manuál LATEXu na it.cas.cz http://www.it.cas.cz/manual/latex/index.html#OBSAH [3] Tabulky v LATEXu jednoduše http://www.martin66.net/jak-na-latex.php [4] LATEX na wikibooks.org (srozumitelná angličtina) http://en.wikibooks.org/wiki/LaTeX [5] Kolektiv: Nepříliš stručný úvod do systému LATEX 2ε www.penguin.cz/~kocer/texty/lshort2e/lshort2e-cz.pdf [6] Rybička J.: LATEXpro začátečníky Konvoj, 1999 [7] Práce s obrázky na wikibooks.org (srozumitelná angličtina) http://en.wikibooks.org/wiki/LaTeX/Floats,_Figures_and_Captions
24
Seznam obrázků
25
Seznam tabulek
26
Další přílohy Například grafy, schémata a nebo obrázky na celou stránku.
27
