VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky. Duální digitální časomíra řízená mikrokontrolérem

VYSOKÁ ŠKOLA POLYTECHNICKÁ JIHLAVA Katedra elektrotechniky a informatiky

Duální digitální časomíra ř í z e n á m i k ro k o n t ro l é re m Bakalářská práce

Autor: Michal Vondrák Studijní obor: Počítačové systémy Vedoucí práce: Ing. David Matoušek Jihlava 2011

Anotace Cílem práce je návrh a praktická realizace duální digitální časomíry pro hasičský sport. V práci je popsán způsob měření času pomocí mikrokontroléru. Popsáno je i mnou pouţité řešení velkého LED (Light Emitting Diode) zobrazovače včetně výhod a nevýhod tohoto řešení. Část práce je věnována návrhu a praktické realizaci optických závor. Veškerá problematika je rozebrána z hlediska hardwarového i softwarového. Jedna z kapitol je věnována nedostatkům mého řešení a moţnému budoucímu rozšíření mojí práce. Příloha obsahuje kompletní schéma zapojení, komentovaný výpis programu a výkresy plošných spojů. Klíčová slova Elektronická časomíra, měření času, optická závora, rušení signálů, mikrokontrolér, USB, LED displej, RS232.

Annotation The aim of this work is design and practical implementation of a dual digital timer for fire sport. The work describes how to measure time by means of a microcontroller. It further describes my own solution that uses a big LED (Light Emitting Diode) display, including the advantages and disadvantages of this solution. Part of the work is devoted to the design and practical realization of optical gates. All issues are analyzed in terms of hardware and software. One chapter is devoted to solving the shortcomings of my solution and possible future extension of my work. The appendix includes a complete wiring diagram, commented program and drawings of the PCB. Keywords Electronic timekeeping, timing, optical gate, interference of signals, microcontroller, USB, LED display, RS232.

Poděkování Děkuji panu Ing. Davidu Matouškovi za trpělivost při vedení mé bakalářské práce a za cenné připomínky, jichţ se mi od něj dostalo. Rád bych poděkoval i panu Jiřímu Paclíkovi, který se mnou moji práci konzultoval z pohledu rozhodčího soutěţí poţárnických druţstev. Velké poděkování patří i všem kolegům a vyučujícím, kteří mi zapůjčili potřebnou literaturu a laboratorní vybavení.

Prohlašuji, ţe předloţená bakalářská práce je původní a zpracoval jsem ji samostatně. Prohlašuji, ţe citace pouţitých pramenů je úplná, ţe jsem v práci neporušil autorská práva (ve smyslu zákona č. 121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů, v platném znění, dále téţ „AZ“). Souhlasím s umístěním bakalářské práce v knihovně VŠPJ a s jejím uţitím k výuce nebo k vlastní vnitřní potřebě VŠPJ . Byl jsem seznámen s tím, ţe na mou bakalářskou práci se plně vztahuje AZ, zejména § 60 (školní dílo). Beru na vědomí, ţe VŠPJ má právo na uzavření licenční smlouvy o uţití mé bakalářské práce a prohlašuji, ţe s o u h l a s í m s případným uţitím mé bakalářské práce (prodej, zapůjčení apod.). Jsem si vědom toho, ţe uţít své bakalářské práce či poskytnout licenci k jejímu vyuţití mohu jen se souhlasem VŠPJ, která má právo ode mne poţadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaloţených vysokou školou na vytvoření díla (aţ do jejich skutečné výše), z výdělku dosaţeného v souvislosti s uţitím díla či poskytnutím licence. V Jihlavě dne ...................................................... Podpis

Obsah 1

Úvod.......................................................................................................................... 7

2

Poţární útok a měření času při poţárním útoku ....................................................... 9

3

2.1

Poţární útok ....................................................................................................... 9

2.2

Měření času při poţárním útoku ...................................................................... 11

Součásti měřicího systému...................................................................................... 12 3.1

Optická závora ................................................................................................. 12

3.2

Startovací pistole .............................................................................................. 14

3.3

Hlavní jednotka ................................................................................................ 15

3.4

Externí displej .................................................................................................. 16

3.4.1

Statický LED displej ................................................................................. 16

3.4.2

Dynamický LED displej ........................................................................... 17

3.5

Terče ................................................................................................................. 18

3.6

Propojovací kabeláţ ........................................................................................ 19

4

Měřicí systémy dostupné na českém trhu ............................................................... 20

5

Praktická realizace .................................................................................................. 22 5.1

6

Hlavní jednotka časomíry ................................................................................ 22

5.1.1

DPS s mikrokontrolérem .......................................................................... 24

5.1.2

DPS vnitřních LED displejů ..................................................................... 28

5.1.3

Program mikrokontroléru ......................................................................... 30

5.2

Externí displej .................................................................................................. 35

5.3

Sklopné terče .................................................................................................... 39

5.4

Optická závora ................................................................................................. 40

5.4.1

Vysílač IR ................................................................................................. 40

5.4.2

Přijímač IR ................................................................................................ 41

5.5

Propojovací kabeláţ ......................................................................................... 42

5.6

Moţná budoucí rozšíření časomíry .................................................................. 43

Závěr ....................................................................................................................... 44

Seznam pouţitých zdrojů ................................................................................................ 46 Seznam pouţitých zkratek a symbolů ............................................................................. 48 Seznam obrázků .............................................................................................................. 49 Seznam příloh ................................................................................................................. 50

1 Úvod V kaţdém člověku existuje touha překonávat jak ostatní, tak sám sebe. Tento fakt je jedním z důvodů, proč se lidé věnují sportu. Jednou z moţných veličin, podle které lze výkony sportovců hodnotit, je čas. V dnešní době jsou však výkony sportovců velice vyrovnané a tak je pro jejich posuzování potřeba spolehlivých přístrojů, které jsou schopné měřit čas s přesností aţ na setiny sekundy. Takové přístroje jsou označovány jako časomíry. Pro různé sporty existují různé časomíry, ne kaţdý sport má stejná kritéria na způsob jejího spouštění a zastavování. Některé disciplíny vyţadují měření několika mezičasů, pro jiné je třeba měřit více časů zároveň. Má-li být výsledek měření dostatečně objektivní, je třeba z měření vyloučit lidský faktor, protoţe doba reakce lidského oka a doba reakce obsluhy je relativně dlouhá. Proto se ve většině případů pro obsluhu časomíry pouţívá elektronika. Někdy je za startovací impuls povaţován výstřel z pistole, jindy například přerušení optického paprsku. Rovněţ pro zastavení časomíry jsou pouţívány různé podněty, jako je spojení kontaktu spínače či přerušení paprsku optické závory. Konstrukci jedné moderní časomíry jsem si vybral jako téma své bakalářské práce. Podnět k vyrobení časomíry vzešel především od několika soutěţních druţstev sborů dobrovolných hasičů a od rozhodčích, kteří jsou zodpovědní za řádné a spravedlivé měření soutěţních časů při různých pohárových nebo okrskových soutěţích druţstev sborů dobrovolných hasičů. V současné době je vyuţívána časomíra s moţností měření pouze jednoho času. Její startování je prováděno stisknutím mikrospínače a zastavení spojením kontaktů dvou sériově řazených mikrospínačů, které jsou umístěny ve dvou sklopných terčích. Tato časomíra je sloţena z logických členů a není vybavena rozhraním pro komunikaci s počítačem. Údaj o naměřeném čase je zobrazován pouze na malém displeji. Mnou vyrobená časomíra bude koncipována jako duální, coţ znamená to, ţe dokáţe měřit dva časové intervaly nezávisle na sobě. Navíc bude vybavena moţností měření jednoho mezičasu pro kaţdý hlavní čas. Zařízení bude obsahovat dva startovací a čtyři stopovací vstupy, které budou řešeny jako univerzální, coţ umoţní libovolnou 7

kombinaci připojení optických závor a spínačů. Konstrukce dvou optických závor s dosahem aţ 8 metrů je rovněţ jedním z mých cílů. Zařízení se bude obsluhovat pomocí ovládacích tlačítek umístěných na přístroji časomíry. Výsledky měření budou zobrazovány na LED displejích, z nichţ dva budou umístěny na přístroji časomíry a dva budou tvořit celek externího displeje s výškou číslic 100 mm. Jádrem časomíry se stane mikrokontrolér Atmel 89S52, který zajistí vlastní měření časů, zpracování signálů pro zobrazování výsledků a ve spolupráci s převodníkem FT232RL komunikaci s osobním počítačem přes rozhraní USB. Rozsah měřených časů bude 9 minut, 59 sekund a 99 setin sekundy. Na obrázku č. 1 je zobrazovací jednotka profesionální časomíry, která byla pouţita pro měření soutěţních časů na Mistrovství ČR v poţárním sportu druţstev HZS v Pardubicích v roce 2008 [15].

Obrázek 1 - zobrazovací jednotka profesionální časomíry

8

2 Požární útok a měření času při požárním útoku V první části této kapitoly jsou popsány základní pravidla a rysy poţárního útoku. V druhé části jsou zmíněny nejobvyklejší způsoby spouštění a zastavování časomíry.

2.1 Požární útok Poţární útok (někdy téţ nazývaný jako „hrbáč“) je sportovní disciplína, která se charakterem vykonávaných úkonů nejvíce přibliţuje zásahu jednotky hasičů při poţáru. Soutěţní druţstvo má celkem sedm členů. Cílem druţstva je co nejrychlejší sestavení dopravního vedení a sestřelení dvou terčů proudem vody. Terče jsou vzdáleny 95 m a vodní zdroj 4 m od základny. Kaţdý člen soutěţního druţstva smí vykonávat pouze jenom ty úkony, které přísluší jeho funkci v druţstvu. Na přípravu základny a řádný průběh celého útoku dohlíţí několik rozhodčích, kteří případně mohou celé druţstvo diskvalifikovat zvednutím červeného praporku. Po pokynu rozhodčího „Na základnu“ si členové druţstva připraví poţární stříkačku, dvě hadice B, čtyři hadice C, rozdělovač, dvě proudnice (vysokotlaké trysky), čtyři savice (speciální podtlakové sací hadice) a sací koš. Ţádné nářadí nesmí být před startem navzájem spojeno a s výjimkou savic nesmí přesahovat obrys základny. Start motorové stříkačky během přípravy základny je povolen, opětovný start po odstartování se smí provést pouze klikou. Maximální doba přípravy základny je dle pravidel 5 minut. Po odstartování jednotliví členové soutěţního druţstva běţí od jedné startovní čáry k základně, kde někteří napojí motorovou stříkačku pomocí čtyř dílů savic a sacího koše na vodní zdroj a někteří uchopí své nářadí a pokračují v útoku směrem k terčům. Před ponořením sacího koše do vody musí být přívodní vedení připojené na stroj a celé sešroubované. Sací koš musí zůstat našroubovaný i po vytaţení přívodního vedení z vodního zdroje po ukončení poţárního útoku. Přívodní vedení se rozpojuje aţ na pokyn příslušného rozhodčího. Sání vody můţe strojník započnout aţ po ponoření přívodního vedení do vodního zdroje. Kdyţ nasátá voda vystupuje ze stroje, tak uţ by měla být převáţná většina dopravního vedení smontována. Rozdělení vody do dvou proudů se provádí pomocí rozdělovače, který se umisťuje na značku vzdálenou 40 m od základny. Oba proudy vedení délky 40 m jsou zakončeny proudnicemi. Útok končí, kdyţ jsou sestřeleny oba terče příslušnými členy soutěţního druţstva, přičemţ nesmí 9

být překročena hranice stříkání ani u jednoho terče. Na obrázku č. 2 je náčrtek soutěţní dráhy. Pokus se povaţuje za neplatný, pokud nebyly dodrţeny propozice nebo do stroje nebyla nasáta voda do 90 sekund. Důvodem k zneplatnění pokusu je i diskvalifikace člena druţstva či překročení hranice stříkání po výstřiku. Pravidla jsou dosti rozsáhlá a lze je nalézt např. v [14].

přívodní vedení startovní čára nádrţ na vodu základna s poţární stříkačkou

rozdělovač dopravní vedení

pravý terč

hranice stříkání levý terč

Obrázek 2 – náčrtek dráhy požárního útoku

V následující podkapitole jsou popsány některé detaily týkající se měření času při poţárním útoku.

10

2.2 Měření času při požárním útoku V poţárním útoku se jako rozhodující čas bere čas od odstartování soutěţního druţstva do sestřelení obou terčů. Dle tohoto času je sestavena výsledková listina a určeno výsledné pořadí soutěţních druţstev. Čas sestřelení prvního terče není pro stanovení výsledného pořadí důleţitý. Celá soutěţ je však daleko atraktivnější, je-li měřen i tento čas, protoţe je to další údaj, podle kterého lze jednotlivá druţstva srovnávat. Někdy se o čase sestřelení prvního terče mluví jako o mezičase. Většinou je jako první z terčů sestřelen terč levý, protoţe soutěţící sestřelující pravý terč se podílí i na montáţi sacího vedení. Výkony druţstev bývají velmi vyrovnané, proto je třeba měřit čas s přesností na setiny sekundy. Průměrný čas poţárního útoku je asi 18 sekund. Jako impuls pro spuštění časomíry se nejčastěji pouţívá: 1. Impuls od optické závory umístěné na startovní čáře – po přerušení optického paprsku prvním soutěţícím řídící elektronika závory vyšle vhodný impuls do časomíry, který způsobí začátek měření. Výhodou tohoto uspořádání je to, ţe z průběhu měření je zcela vyloučen lidský faktor. U ostatních startovacích technik musí rozhodčí vţdy posoudit, zda nedošlo k předčasnému (tzv. „ulitému“) startu. 2. Impuls ze startovací pistole – po výstřelu rozhodčího ze speciální plynové pistole je vhodným snímačem vygenerován impuls pro spuštění časomíry. 3. Impuls od mikrospínače rozhodčího – rozhodčí drţí v jedné ruce startovací praporek a v druhé ruce má mikrospínač, jehoţ stisknutím časomíru spustí. U tohoto způsobu startování můţe být do měření zanesena značná chyba. 4. Impuls od relé řízeného časovačem – před odstartováním vydává klakson zvuk po předem známou dobu. Po uplynutí této doby časovač přepne relé, které klakson odpojí a spojením svých protilehlých kontaktů vytvoří impuls pro spuštění časomíry. U tohoto způsobu nelze chybu měření ovlivnit, rozhodčí však musí důkladně sledovat, zda nedošlo k předčasnému startu. Pro zastavení časomíry při poţárním sportu se vyuţívá terčů připevněných 1 500 mm vysoko nad terénem. Terče obvykle bývají konstruovány jako sklopné či nástřikové. Podrobnější popis konstrukce terčů bude uveden v další kapitole.

11

3 Součásti měřicího systému V této kapitole jsou obecně popsány základní součásti systému pro měření časů při poţárním sportu. Podrobněji je popsána funkce statického a dynamického displeje.

3.1 Optická závora Optická závora je v dnešní době zcela běţně vyuţívané zařízení. Jeho uplatnění nalézáme především v automatizační, měřicí a zabezpečovací technice. Základní princip funkce optické závory spočívá v přeměně elektrického proudu na světlo a obráceně. Pod pojmem světlo se rozumí elektromagnetické záření se spektrem od ultrafialové oblasti přes oblast viditelného světla aţ do infračervené oblasti. Na vysílací straně optické závory je elektrický proud přeměněn na světelný paprsek, který je přes optickou soustavu vyzařován k přijímači. V přijímači je světelný paprsek přeměněn zpět na elektrický signál. Při přerušení světelného paprsku dojde ke změně elektrického signálu na výstupu přijímače. Tuto změnu lze snadno detekovat a reagovat na ní dle poţadavků konkrétní aplikace. Nejčastěji je odezvou na přerušení světelného paprsku sepnutí kontaktů relé. Z důvodu odstranění moţného rušení a zvětšení vzdálenosti mezi vysílacím a přijímacím modulem bývá světelný paprsek frekvenčně modulován. Jako vysílací prvky se dnes ve většině případů pouţívají luminiscenční diody s vlnovou délkou vyzařovaného světla spadající do infračervené oblasti, tzv. IR LED (Infra Red Light Emitting Diode). Nejčastěji je vlnová délka vyzařovaného světla λ = 880 aţ 950 nm. Nevýhodou pouţití infračerveného záření je jeho nízká odolnost proti rušení. Řešením je pouţití frekvenční modulace nebo polovodičové laserové diody. Při pouţití polovodičové laserové diody se vţdy musí dbát na bezpečnost. Laserové záření totiţ můţe při jeho dopadu na sítnici oka způsobit váţné a nevratné poškození zraku [5]. Impulsní reţim vysílacího prvku umoţňuje jeho několikanásobné přetíţení oproti provozu ve statickém reţimu. Infračervenými diodami běţně při impulsním provozu protéká elektrický proud o velikosti aţ 200 mA.

12

Přijímacími prvky jsou nejčastěji fotodiody, fototranzistory nebo speciální integrované obvody sloţené především z fotodiody, demodulátoru, tvarovače signálu a několika kontrolních a pomocných obvodů. Na obrázku č. 3 je blokové schéma jednoho takového přijímače IR záření s demodulátorem a tvarovačem. Tento obvod TSOP 31236 pracuje s frekvencí záření f = 36 kHz. Blokové schéma je převzato z [16].

Obrázek 3 - blokové schéma obvodu TSOP 31236

Optické závory (senzory) lze rozdělit dle jejich vlastností a pouţití na: 

Reflexní senzory – do detekční zóny senzoru je vysíláno záření, které se odráţí od předmětu přítomného v této zóně. Odraţené záření je detekováno přijímačem a jeho intenzita je porovnávána s hodnotou natavenou pro prázdnou detekční zónu. Senzor reaguje, je li rozdíl těchto dvou hodnot mimo určenou toleranci. Typická snímací vzdálenost je asi do 500 mm.



Reflexní závory – jedna strana závory je tvořena vysílačem s přijímačem a druhá strana reflektorem (zrcátkem nebo odrazkou). Paprsek se vyzařuje z vysílače, odráţí se od reflektoru a vrací se zpět do přijímače. Při přerušení optické dráhy objektem dojde k aktivaci výstupu přijímače. Typický dosah je aţ 10 m.



Jednocestné závory – obdobný princip jako u reflexních závor, ale paprsek je na jedné straně vysílán a na druhé straně přijímán. Snímací vzdálenost se běţně pohybuje okolo 50 m. 13

3.2 Startovací pistole Startovací pistole jsou známé především ze startování atletických disciplín. Své uplatnění však našly i v poţárním sportu. Pro snímání výstřelu startovací pistole jsou nejčastěji pouţívány dva druhy snímačů: 

Tlakové – u těchto snímačů stačí pouze vyhodnotit, zda tlak u ústí hlavně startovací pistole vlivem výstřelu stoupl nad určitou mez. Výhodou těchto snímačů je jejich spolehlivost. Problém můţe nastat při pouţití mechanického snímače tlaku, protoţe z ústí hlavně pistole kromě plynů vylétávají i drobné mechanické částečky.



Akustické – tyto snímače vyhodnocují změnu akustického tlaku, která je způsobena výstřelem ze startovací pistole. Vyznačují se svou nízkou cenou

a jednoduchým

konstrukčním

uspořádáním.

Nevýhodou

akustického snímače je jeho niţší odolnost vůči okolním rušivým vlivům, které mohou být vyvolány např. činností benzínového motoru poţární stříkačky seřízeného na maximální výkon. Moţnou realizaci jednoduchého akustického snímače s elektretovým mikrofonem ukazuje obrázek č. 4. Na neinvertující vstup komparátoru se přivádí nastavitelné referenční napětí přes odporový trimr R3. Do invertujícího vstupu je zapojen elektretový mikrofon, který snímá výstřel ze startovací pistole. Při překročení nastaveného napětí komparátor sepne tranzistor T1, jehoţ kolektor slouţí jako výstup snímače.

Obrázek 4 - schéma zapojení jednoduchého akustického snímače

14

3.3 Hlavní jednotka Hlavní jednotka tvoří jádro celého systému. Obsahuje ovládací a zobrazovací prvky. Zajišťuje vlastní měření času a zpracování dat pro displeje. Většina hlavních jednotek je vybavena i rozhraním pro komunikaci časomíry s osobním počítačem. Toto rozhraní je většinou realizováno jako sériová linka RS232 nebo jako rozhraní USB. Většina hlavních jednotek dříve konstruovaných časomír byla tvořena z číslicových obvodů. Základem byl přesný krystalový oscilátor (obvykle 100 kHz) a časoměrný integrovaný obvod. K němu bylo připojeno několik klopných obvodů pro spouštění a zastavování měření. Jednotka většinou obsahovala několikamístný LED displej provozovaný v multiplexním reţimu. Tato koncepce neumoţňovala měření více neţ jednoho soutěţního času současně. Základem většiny moderních jednotek je mikrokontrolér a jeho periférie. Pouţití mikrokontroléru přináší velké mnoţství výhod. Je to především moţnost snadného připojení modulů pro bezdrátový přenos a moţnost komunikace časomíry s osobním počítačem. Časomíry řízené mikrokontrolérem většinou umoţňují měření několika časů zároveň. Někdy je celá elektronika časomíry (hlavní jednotka) vestavěna do společného celku s velkým zobrazovacím displejem. Tato koncepce je vhodná především pro halové sporty. Pro poţární sport je vhodnější oddělená hlavní jednotka. Na obrázku č. 5 je fotografie jedné hlavní jednotky časomíry [18]. Jsou na ní vidět LED displeje a ovládací tlačítka.

Obrázek 5 - hlavní jednotka časomíry

15

3.4 Externí displej Externí displej slouţí pro zobrazení naměřených časů. Většinou je konstruován tak, aby bylo moţné přečíst zobrazovaný údaj z větší vzdálenosti. Jednotlivé číslice mohou být tvořeny velkými sedmisegmentovými LED moduly nebo mohou být poskládány z jednotlivých vysoce svítivých luminiscenčních diod. Obvody napájející jednotlivé segmenty displeje musí být dostatečně dimenzované. Velké segmenty je totiţ potřeba budit dostatečně velkým proudem pro dosaţení poţadovaného svitu (řádově desítky mA). Jednotlivé segmenty lze spínat pomocí tranzistorů, ale vzhledem k počtu segmentů to nebývá konstrukčně přijatelné. Lepším řešením je pouţití speciálních budičů – polí Darlingtonových dvojic tranzistorů umístěných v pouzdře integrovaného obvodu. Kromě LED displejů existují ještě LCD displeje. Ty však nejsou pro toto pouţití vhodné, protoţe za slunného počasí jejich čitelnost klesá pod únosnou mez. Z hlediska reţimu buzení můţeme displeje rozdělit na statické a dynamické. Obě provedení mají své výhody a nevýhody. Stručný popis této problematiky je uveden v následujícím textu.

3.4.1 Statický LED displej Funkce statického displeje spočívá v tom, ţe zobrazovaná informace je nahrána do záchytného registru (LATCH), odkud je po příchodu strobovacího signálu převedena na výstup budiče, kde je drţena aţ do další aktualizace údaje. Všechny segmenty displeje tedy svítí zároveň. Z toho plyne nevýhoda statického reţimu - vyšší proudový odběr. Statické zapojení displeje má výhodu v tom, ţe jej není potřeba neustále obsluhovat, protoţe zobrazovaný údaj je uloţen v záchytném registru. To přináší potřebu vyššího počtu integrovaných obvodů. Z toho důvodu jsou statické displeje draţší neţ dynamické. Statické displeje produkují podstatně menší rušení, protoţe u nich nedochází k rychlému přepínání jednotlivých segmentovek, které mají relativně velké anodové (resp. katodové) proudy.

16

Na obrázku č. 6 je jedno z moţných zapojení statického displeje. Pouţit je dekodér čísla BCD na údaj pro vhodný pro sedmisegmentovku [19].

Obrázek 6 - příklad zapojení statického displeje

3.4.2 Dynamický LED displej U dynamicky řízeného displeje svítí vţdy pouze jen jedna sedmisegmentovka po krátký čas. Po uplynutí tohoto času je sedmisegmentovka zhasnuta a rozsvícena další. Údaj je tedy zobrazován postupně. Lidské oko nedokáţe zaznamenat postupné rozsvěcení sedmisegmentovek, opakuje-li se tento děj periodicky a s dostatečnou rychlostí. Výhodou dynamického řízení je především úspora vodičů. Mezi největší nevýhody tohoto uspořádání patří ta skutečnost, ţe řídící mikrokontrolér musí obsluhu displeje provádět stále dokola a to i kdyţ se zobrazovaný údaj nemění. Proudový odběr celého dynamického displeje je oproti statickému niţší, protoţe nikdy nesvítí více neţ osm segmentů displeje zároveň (uvaţována je i desetinná tečka). Naproti tomu proudy jednotlivými segmenty jsou mnohonásobně vyšší, neţ při statickém reţimu. Je to z toho důvodu, aby se dosáhlo vyššího jasu. Jas celého displeje totiţ s rostoucím počtem sedmisegmentovek klesá. Při přepínání jednotlivých sedmisegmentovek obvykle vzniká značné rušení. Proto dynamická obsluha není vhodná pro velké displeje. Na obrázku č. 7 je schéma moţného zapojení dynamického displeje [20]. Data od řídícího mikrokontroléru jsou posílána v BCD formátu do dekodéru, kde jsou dekódována pro sedmisegmentovky. Anody jednotlivých sedmisegmentovek jsou spínány tranzistory, které ovládá druhý BCD dekodér. 17

Obrázek 7 - příklad zapojení dynamického displeje

3.5 Terče Terče se pouţívají pro zastavení časomíry. Existují různá provedení terčů. Podle jejich konstrukce je lze zpravidla rozdělit na: 

Sklopné – pro sklopení terče musí tlak vody dopadající skrz otvor na mechanizmus

terče

vyvinout

určitou

sílu

potřebnou

pro

přemoţení

mechanického odporu, který konstrukce terče klade dopadajícímu proudu vody. 

Nástřikové – do mechanizmu terče musí být skrz otvor nastříkáno určité mnoţství vody (řádově několik litrů), aby mechanizmus sepnul.

Pro vyhodnocení sepnutí mechanizmu terčů se nejčastěji pouţívají vodotěsné mikrospínače. Jejich kontakty lze v případě potřeby řadit do série. Sepnutí mikrospínače je často indikováno svitem výrazného signalizačního světla. Místo mikrospínačů jsou někdy vyuţity magnetické spínače. Ty se skládají ze dvou částí. První část tvoří jazýčkový kontakt a druhou magnet. K sepnutí jazýčkového kontaktu stačí přiblíţení těchto částí k sobě. Oba díly tedy mohou být zality v plastu. Proto je výhodou magnetických spínačů jejich stoprocentní voděodolnost a absence vnějších pohyblivých součástí. Na obrázku č. 8 je nástřikový terč [17]. Otvor pro nastříkání vody má průměr 50 mm. Patrná je nádoba, do které musí být nastříkáno 5 litrů vody, aby došlo k sepnutí mikrospínače. Terč má světelnou i akustickou signalizaci naplnění. 18

Obrázek 8 - nástřikový terč

3.6 Propojovací kabeláž Propojovací kabeláţ slouţí k propojení všech komponent měřicího systému. Zajišťuje přenos řídících signálů a rozvod napájecího napětí. Obvykle se uţívá kabelu SYKFY 2x2x0,75 mm2. Na zakončení kabelů pouţívají různí výrobci různé konektory. Mezi ty nejpouţívanější patří robustní konektory XLR. Propojovací kabely mezi časomírou a terči dosahují délky přes 100 m. Na takto dlouhém vedení jiţ nelze zanedbávat moţné rušení a parazitní vlastnosti kabelu. Na tuto skutečnost je třeba brát ohled při návrhu časomíry. Je dobré pouţít stíněné kabely a napěťové úrovně přenášených signálů posunout směrem k napájecímu napětí (typicky 12 V). Po tomto opatření je jiţ vliv rušení dostatečně potlačen. Na tomto místě povaţuji za důleţité zmínit umístění kabelů na cvičišti. Kabely je vhodné umisťovat tak, aby po nich nepřejíţděla technika ani nechodili či neběhali lidé. Kvůli častému poškození kabeláţe zaznamenávají rozšíření bezdrátové časomíry, kde jsou všechny signály přenášeny bezdrátově v bezlicenčním pásmu na frekvenci 433 nebo 869 MHz.

19

4 Měřicí systémy dostupné na českém trhu V této kapitole provedu tabulkové srovnání funkcí pěti časomír dostupných na českém trhu a časomíry, jejíţ výroba je cílem této práce. Tomuto srovnání předchází stručné poznámky k těmto funkcím. Výběr pěti modelů časomír uvedených v tabulce č. 1 jsem provedl pomocí internetového vyhledávače. U některých modelů nebylo jednoznačně specifikováno, zda danou funkcí disponuje či nikoliv. Některé parametry jsem se proto snaţil vydedukovat z dostupných materiálů, proto údaje v tabulce č. 1 nemusejí být stoprocentně pravdivé. 

Možnost napájení z baterie je jistě velmi přínosnou funkcí. Zvyšuje mobilitu a bezpečnost celého systému. To umoţňuje jeho nasazení např. i pro měření časů při plaveckých závodech.



Zaměnitelné vstupy systému dovolují libovolně kombinovat zařízení připojená ke startovacím a stopovacím vstupům systému. Je to vlastnost systému, která podstatně zvyšuje jeho variabilitu.



Bezdrátový přenos signálů od snímačů do časomíry zvyšuje jednoduchost a rychlost její instalace a sniţuje riziko selhání v důsledku poškození ovládacích kabelů. Ţádný ze srovnávaných modelů tento přenos nepodporuje, k některým však lze dokoupit samostatný bezdrátový modul.



Propojení s počítačem je překvapivě v dnešní době stále realizováno rozhraním RS232. Pouze moje koncepce časomíry nabízí propojení s osobním počítačem pomocí rozhraní USB.



Počet měřených časů je jeden z nejdůleţitějších parametrů, který určuje moţné vyuţití časomíry.



Funkce pro zobrazení libovolného čísla, aktuálního času, data a teploty jsou pouze doplňkové funkce, které však mohou být uţitečné, zejména funkce pro zobrazení aktuálního času a teploty.



Měření přípravného pětiminutového intervalu je důleţitou funkcí, měla by jí být vybavena kaţdá časomíra určená pro poţární sport.

20



Možnost připojení externího displeje je důleţitá pro všechny modely, které s velkým zobrazovacím zařízením netvoří jeden kompaktní celek.



Maximální měřený čas je důleţitý pro konkrétní pouţití časomíry. Rozsah 9 minut, 59 sekund a 99 setin sekundy je pro poţární sport zcela dostatečný.

model/funkce

Stolní model

S-150

Sport 200

Časomíra s LCD

Elektronická časomíra šestimístná

Duální digitální časomíra

Tabulka 1 - srovnání několika modelů časomír na českém trhu

napájení z baterie

ano

ano

ano

ano

ano

ano

ano

ano

ano

ne

ano

ano

ne

ne

ne

ne

ne

ne

ne

RS232

ne

ne

RS232

USB

2

2

4

2

8

4

ne

ne

ne

ne

ano

ne

ne

ne

ne

ne

ano

ne

zobrazení data

ne

ne

ne

ne

ano

ne

zobrazení teploty

ne

ne

ne

ne

ano

ne

ano

ne

ano

ano

ano

ano

ano

ne

ano

ne

ne

ano

maximální měřený čas

9m 59s 99ss

9m 59s 99ss

999,99s

999s

99h 59m 59s

9m 59s 99ss

orientační cena v Kč (včetně DPH)

7 440

16 680

15 990

4 590

26 150

7 000

prodejce

TRV elektronik [21]

TRV elektronik [21]

Ing. Libor Valeš [22]

Ing. Libor Valeš [22]

Miroslav Kamler [23]

stolní ekonom. provedení

provedení kapesní provedení s displejem provedení provedení provedení s displejem 100 mm s displejem s displejem vhodné na (neznámá vestavěným 150 mm 200 mm nácviky velikost) v hliníkovém kufru

zaměnitelné vstupy systému bezdrátový přenos signálů připojení k PC (ne/RS232/USB) počet měřených časů zobrazení libovolného čísla zobrazení aktuálního času

měření přípravného intervalu 5 min možnost připojení externího displeje

provedení

21

5 Praktická realizace V této kapitole je popsáno elektrické zapojení a konstrukční provedení všech součástí časomíry, jejíţ výroba je cílem této bakalářské práce. Popsán je i program pro řídící mikrokontrolér časomíry. Na konci kapitoly je uvedeno řešení problémů s přenosem signálů a úvahy o moţném rozšíření časomíry do budoucna. Návod k časomíře, kompletní schéma zapojení, výkresy desek plošných spojů a osazovací plánky jsou v příloze.

5.1 Hlavní jednotka časomíry Celá hlavní jednotka je zabudována do univerzální přístrojové krabičky U-KP14 vyrobené z plastu. Hlavní jednotku časomíry je třeba chránit před deštěm kvůli ventilačním otvorům ve spodní a vrchní stěně krabičky. Čelní panel jednotky obsahuje dva pětimístné LED displeje s výškou číslic 14 mm, čtyři červené LED pro indikaci aktivního stopovacího vstupu, páčkový přepínač pro volbu reţimu práce časomíry a dvě čtveřice tlačítek pro manuální ovládání měření času. Čelní panel jednotky je na obrázku č. 9.

Obrázek 9 - čelní panel hlavní jednotky

22

Na zadním panelu jednotky jsou dva startovací a čtyři stopovací vstupy, vstup pro připojení napájecího zdroje, výstup pro napájení externího displeje, hlavní vypínač a vypínač externího displeje, dvě pojistková pouzdra, výstup pro externí displej, USB konektor pro připojení časomíry k osobnímu počítači a dvě LED indikující průběh přenosu dat. Zadní panel jednotky je na obrázku č. 10.

Obrázek 10 - zadní panel hlavní jednotky

Přístrojové štítky jsou vytištěny barevnou laserovou tiskárnou na papír s hustotou 160 g/m2 a oboustranně zalaminovány. Vrstva laminovací fólie zároveň tvoří průhledné průzory displejů a kontrolních LED. Napájecí napětí v rozmezí 11 aţ 14 V se do hlavní jednotky přivádí prostřednictvím napájecího konektoru HEBG25. Stejný konektor je pouţit i pro napájecí výstup určený pro připojení externího displeje. Podrobnosti o propojovacích kabelech uvádím v samostatné podkapitole. V hlavní jednotce jsou umístěny dvě desky plošných spojů (DPS). První deska obsahuje řídící mikrokontrolér, vstupní obvody, napájecí obvody a obvody pro komunikaci časomíry s osobním počítačem. Druhá deska plošných spojů umístěná v hlavní jednotce časomíry obsahuje sedmisegmentovky vnitřních LED displejů, jejich budiče a několik součástek, které jsou pro správnou funkci budičů nezbytné. Bliţší popis obou desek plošných spojů je uveden v následujících dvou podkapitolách. 23

5.1.1 DPS s mikrokontrolérem Tato deska plošných spojů obsahuje všechny nezbytně nutné obvody pro správnou funkci celé časomíry. Na obrázku č. 11 je schéma jejího zapojení.

Obrázek 11 - schéma zapojení hlavní desky

24

Nejdůleţitější součástkou této desky je jednočipový mikrokontrolér AT89S52 od firmy Atmel. Je to osmibitový mikrokontrolér s 8 KB programové paměti Flash, jejíţ obsah lze nahrávat pomocí SPI rozhraní (rozhraní pro sériové programování [11]). Taktován je od vnějšího krystalového oscilátoru Q1 frekvencí 24 MHz. Tento mikrokontrolér v pouzdře DIL40 jsem si vybral proto, ţe má velký počet vstupně/výstupních linek, jeho cena je nízká, mám s ním zkušenosti a vlastním potřebný sériový programátor. Mikrokontrolér není do desky plošných spojů zaletován přímo, ale je zasunut v precizní patici, aby byla moţná jeho případná výměna. Číslo, označení [2], směr a funkci všech pouţitých vývodů mikrokontroléru přehledně uvádím v tabulce č. 2.

Tabulka 2 - funkce jednotlivých vývodů mikrokontroléru č. vývodu 1 2 3 4 6 7 8 9 10 11 15 16 18 19 20 23 24 26 28 31 33 34 35 36 37 40

označení vývodu vstup/výstup použití P1.0 Výstup přímá data displeje B P1.1 Výstup přímá data displeje A P1.2 Výstup strobovací signál pro displeje P1.3 Výstup hodinový signál pro displeje P1.5_MOSI Vstup programovací vstup P1.6_MISO Vstup programovací vstup P1.7_SCK Vstup programovací vstup RST Vstup resetovací vstup P3.0_RXD Vstup příjem UART P3.1_TXD Výstup vysílání UART P3.5_T1 Výstup negovaná data displeje B P3.6_WR Výstup negovaná data displeje A XTAL2 Vstup krystalový oscilátor XTAL1 Vstup krystalový oscilátor GND Vstup GND P2.2_A10 Vstup nulovací tlačítko A P2.3_A11 Vstup nulovací tlačítko B P2.5_A13 Vstup měření A2 P2.7_A15 Vstup měření_A1 EA/VPP Vstup volba vnitřní paměti programu P0.6 vývod pro budoucí rozšíření P0.5_AD5 vývod pro budoucí rozšíření P0.4_AD4 Vstup přepínač volby režimu P0.3_AD3 Vstup měření B2 P0.2_AD3 Vstup měření B1 VCC Vstup napájení

25

Na vývod RST je přes jumper (zkratovací propojku) J1 připojen obvod, který způsobí automatický reset mikrokontroléru po přivedení napájecího napětí. Po vyjmutí jumperu je moţné k mikrokontroléru pomocí speciálního propojovacího kabelu připojit sériový programátor a naprogramovat mikrokontrolér, aniţ by byl vyjmut ze zařízení. Zapojení resetovacího obvodu je převzato z pramene [12]. Vývody P1.5 (MOSI), P1.6 (MISO) a P1.7 (SCK) jsou spolu s jiţ zmíněným vývodem RST vyvedeny na kolíkovou lištu, která slouţí pro připojení konektoru programovacího kabelu. Na tuto kolíkovou lištu je vyveden i potenciál GND, ke kterému se programovací signály vztahují. K vývodům P3.1 (TXD) a P3.0 (RXD) je připojen převodník FT232RL od firmy Future Technology

Devices

International

Ltd.

(FTDI).

Tento

převodník

slouţí

ke zprostředkování komunikace mezi sběrnicemi USB a UART. Sériovým rozhraním UART je vybaven pouţitý mikrokontrolér a rozhraní USB (univerzální sériovou sběrnici) mají všechny běţné modely osobních počítačů. Převodník je galvanicky oddělen od zbytku časomíry pomocí optočlenů PC817C. Zapojení je inspirováno pramenem [12]. Důleţitým celkem celého zapojení jsou obvody pro spouštění a zastavování měření časů. Tvořeny jsou především RS klopnými obvody sestavenými z hradel 4011 typu NAND. Klopné obvody RS jsou v zapojení hlavní desky celkem čtyři. Kaţdý slouţí pro ovládání měření jednoho času. Příslušný čas je měřen, je-li na výstupu Q‘ log. 0. Dva vstupy S (set) klopných obvodů jsou vţdy spojeny, aby měření dvou časů začínalo zároveň. Vstup R (reset) i S je aktivován úrovní log. 0 buď prostřednictvím optočlenu nebo tlačítka. Vstup optočlenu je přes omezovací rezistor buzen napájecím napětím časomíry. Toto řešení je pouţito proto, aby se sníţilo riziko neţádoucího překlopení klopného obvodu vlivem rušení. Riziko vzniku neţádoucího impulsu je podpořeno značnou délkou kabelu (cca 120 m), který je na daný vstup připojen. Pouţití optočlenu má i tu výhodu, ţe vstup lze aktivovat prostým spojením dvou kontaktů spínače nebo relé. Pouţít lze i tranzistor ve spínacím reţimu [3]. Vstupy klopných obvodů jsou doplněny pull-up rezistory (zdvihacími rezistory), aby byla vţdy definována logická úroveň. K zakázané kombinaci na vstupech klopného obvodu (R=0, S=0) by z principu nemělo docházet, protoţe začátek a konec měření nemůţe nastat současně. Tabulka č. 3 je pravdivostní tabulkou klopného obvodu RS realizovaného hradly NAND. 26

Tabulka 3 - pravdivostní tabulka klopného obvodu RS R 0 0 1 1

S 0 1 0 1

Q Q' zakázaný stav 0 1 1 0 předchozí stav

poznámka stav nenastává příchod signálu STOP příchod signálu START

Ze stopovacích vstupů časomíry se přes omezovací rezistory napájí i LED, které jsou umístěny na DPS vnitřních displejů. Tyto LED slouţí pro indikaci aktivního stopovacího vstupu. Při aktivním stopovacím vstupu by totiţ další měření nemohlo započnout. Pro napájení mikrokontroléru a klopných obvodů je na této DPS umístěn integrovaný stabilizátor 78S05 doplněný blokovacími kondenzátory. Variantu stabilizátoru S se zvýšeným výstupním proudem aţ 2 A jsem pouţil pro případ, ţe bych v budoucnu chtěl časomíru rozšířit dalšími obvody, např. moduly pro bezdrátový přenos. Na stejné DPS je umístěn ještě jeden stabilizátor, který zajišťuje napájení deseti sedmisegmentovek vnitřních LED displejů. Jedná se o typ LM317T s nastavitelným výstupním napětím. Zvolil jsem ho proto, ţe se stabilizátor pro doporučené anodové napětí sedmisegmentovek Vftyp = 2,2 V nevyrábí [4]. Napětí pouţitého stabilizátoru je pevně nastaveno pomocí kombinace rezistorů R11 a R12. Místo rezistoru R12 byl nejprve pouţit odporový trimr, který umoţnil přesné nastavení výstupního napětí stabilizátoru. Po tomto nastavení byl trimr nahrazen odpovídajícím pevným rezistorem. Před oběma stabilizátory jsou zařazeny elektrolytické kondenzátory s kapacitou C = 470 µF. Oba stabilizátory jsou opatřeny dostatečně velkými chladiči. Za vstupní napájecí svorkou DPS je zapojena robustní usměrňovací dioda D2, která způsobí přerušení hlavní pojistky v případě přepólování napájecího napětí. Napájecí vodiče a vodiče vedoucí ke vstupním konektorům časomíry jsou připojeny do šroubovacích svorkovnic AK500/2. Vývod pro vnitřní displeje je realizován konektorem MLW10G. Osobní počítač se k časomíře připojuje standardním konektorem USB typu B. Pro připojení externího displeje je pouţit devítipinový konektor Canon (female). 27

5.1.2 DPS vnitřních LED displejů Na této desce je umístěno deset sedmisegmentovek, jejich budiče, čtyři signalizační LED a několik součástek nezbytných pro správnou funkci těchto obvodů. Zkrácené schéma zapojení této desky je na obrázku č. 12.

Obrázek 12 - schéma zapojení DPS vnitřních displejů

28

Pro zobrazování údajů jsou pouţity zeleně svítící sedmisegmentovky se společnou anodou HD-A552RD v pouzdře HD-A55x. Jejich výška je 14,2 mm. Buzeny jsou obvody 74HCT595. Jedná se o posuvné registry se záchytným registrem a třístavovým výstupem. Připojení sedmisegmentovek je moţné přímo k posuvným registrům, protoţe maximální proud výstupů QA aţ QH je IMAX = ±35 mA [9]. Kaţdý ze dvou vnitřních displejů má svůj vlastní datový vodič. Hodinový signál CLK a strobovací signál STB je pro oba displeje společný. Posuvné registry jsou řazeny do kaskády. Data určená pro zobrazení jsou tedy přiváděna na vstup SER prvního registru. Po osmi hodinových taktech signálu CLK se objeví na výstupu QH* prvního registru, odkud jsou vedena na vstup SER druhého registru atd. Vývod SCL slouţí pro vynulování posuvného registru a je aktivní v log. 0. V tomto zapojení této funkce nevyuţívám a tak je tento vývod trvale připojen k log. 1. Vývod G slouţí k ovládání třístavového výstupu obvodu. Připojen je k log. 0, aby displeje svítili trvale plným jasem. Ke vstupu SCK je připojen hodinový signál, ke vstupu RCK signál strobovací, jehoţ vzestupná hrana zajistí přepsání dat do záchytného registru. Data z linky SER jsou vzorkována s kaţdou náběţnou hranou hodinového signálu SCK. K výstupům QA – QH jsou připojeny jednotlivé segmenty sedmisegmentovek. LED slouţící k signalizaci aktivního stopovacího vstupu jsou řízeny kladným napětím, které je přes omezovací rezistor přivedeno z desky s mikrokontrolérem. Napájecí napětí pro sedmisegmentovky i pro posuvné registry je přivedeno z hlavní desky. Za připojovacím konektorem je umístěn elektrolytický kondenzátor s kapacitou 470 µF. Kaţdý posuvný registr má svůj blokovací kondenzátor s kapacitou 100 nF. Tyto blokovací kondenzátory jsou v provedení SMD (součástky pro plošnou montáţ). DPS je propojena s DPS s mikrokontrolérem prostřednictvím konektoru MLW10G a odpovídajícího propojovacího kablíku. Signalizační LED jsou propojeny pomocí zvláštních vodičů z důvodu podstatného zjednodušení obou propojených plošných spojů. Kvůli snadné výměně jsou všechny integrované obvody umístěny v paticích. Abych se vyhnul pouţití mnoha předřadných odporů pro jednotlivé segmenty displeje, sníţil jsem anodové napětí sedmisegmentovek pomocí řiditelného stabilizátoru [8] na hodnotu USEG = Vftyp = 2,2 V. Při tomto napětí má proud procházející jednotlivými aktivními segmenty displeje velikost ISEG = 10 mA.

29

5.1.3 Program mikrokontroléru Program pro řídící mikrokontrolér je psán v jazyce C a vytvořil jsem ho ve vývojovém prostředí Keil µVision V4.02. Z důvodu rozsáhlosti programu by uvádění jeho kompletního výpisu na tomto místě nemělo smysl. Zaměřím se proto jen na popis jednotlivých funkcí a programu jako celku. Kompletní komentovaný výpis programu je umístěn v příloze. Na obrázku č. 13 je jeho zjednodušený vývojový diagram.

Obrázek 13 - zjednodušený vývojový diagram programu

30

Program začíná definicí jednotlivých vstupů a výstupů pomocí direktiv #define. Následuje inicializační část, kde se: 

povoluje přerušení od čítače/časovače 2 (ČČ2),



nastavuje ČČ2 do reţimu auto-reload,



nastavuje předvolbu ČČ2 odpovídající 10 ms při fOSC = 24 MHz,



nastavuje předvolba čítače/časovače 1 (ČČ1), která odpovídá rychlosti sériové linky 9600 Bd,



nastavuje sériová linka na 8 bitový asynchronní reţim bez parity,



spouští ČČ1 a ČČ2.

Po provedení inicializace přechází program do své hlavní smyčky. Jako první je provedena funkce reset(). Tato funkce slouţí k vynulování časových proměnných casA1, casA2, casB1, casB2 za podmínky, ţe je stisknuto nulovací tlačítko a ţe příslušné měření zrovna neprobíhá. Tlačítko pro nulování dráhy A nuluje proměnné casA1 a casA2, analogicky tlačítko pro nulování dráhy B nuluje proměnné casB1 a casB2. Funkce reset() je na obrázku č. 14.

Obrázek 14 - funkce reset()

Po provedení resetovací funkce je volána funkce uart(). Jejím úkolem je odeslání dat a informací o stavu zařízení na sériovou linku, ke které je připojen převodník USBUART. Tato funkce volá další funkce související se sériovou linkou. Jsou to funkce uart16(time cislo) a uartStatus(). Funkce uart16(time cislo) slouţí k odeslání proměnné velikosti 16 B na sériovou linku a funkce uartStatus() odesílá speciální bajt, který nese informace o stavu zařízení. Jako první je na sériovou linku odeslána 16B hodnota 0xFFFF. Tato jedinečná hodnota slouţí pro rozpoznání počátku přenosu. Dále jsou odeslány proměnné casA1, casA2, casB1 a casB2. Na závěr je sestaven a odeslán bajt, který nese informace o stavu zařízení. Průběh komunikace a sloţení bajtu status je patrný z obrázku č. 15. 31

Obrázek 15 - komunikace UART

Po návratu z funkce uart() program testuje proměnnou REZIM, která určuje jestli je časomíra nastavena do reţimu měření jedné nebo dvou drah. V případě zvoleného reţimu jedné dráhy je pomocí funkce zobraz(time a, time b) zobrazen první a druhý čas dráhy A a program se vrací na začátek hlavní smyčky. V případě zvoleného reţimu dvou drah je situace sloţitější. Nejprve je volána funkce mezicas(), která kratší z měřených časů dané dráhy zkopíruje do proměnné mezicasA (resp. mezicasB) a delší z měřených časů do proměnné vyslednyA (resp. vyslednyB). Po provedení funkce mezicas() program vyhodnotí, zda uţ skončilo měření času na obou

drahách.

Pakliţe

měření

ještě

probíhá,

je

volána

funkce

zobraz(vyslednyA, vyslednyB), jejíţ parametry odpovídají zobrazení výsledných (delších) časů. Je-li měření všech časů ukončeno, střídavě se zobrazují mezičasy a výsledné časy. Přepínání zobrazení probíhá v závislosti na stavu proměnné vm, která se mění při kaţdém přetečení 8b proměnné prepinac, která je inkrementována v obsluze přerušení kaţdých 10 ms. Z toho plyne, ţe k přepnutí zobrazení dochází kaţdých 2,56 s (256 * 0,01 s). Parametry zobrazovací funkce při tomto přepínání jsou patrny z vývojového diagramu programu na obrázku č. 13. Po zavolání zobrazovací funkce se program vrací na začátek hlavní smyčky. Funkce zobraz(time a, time b) nejprve čísla určená k zobrazení rozloţí na jednotlivé číslice, které jsou uloţeny do polí hodnot. Po dokončení rozkladu je strobovací signál (STR) staţen do log. 0. Poté je pětkrát volána funkce posli(bajt a, bajt b) a naplnění 32

posuvných registrů je potvrzeno uvedením signálu STR do log. 1. Výpis této funkce je na obrázku č. 16.

Obrázek 16 - funkce zobraz()

Parametry funkce posli(bajt a, bajt b) jsou hodnoty vrácené funkcí dekoduj(bajt i). Funkce posli(bajt a, bajt b) zajišťuje postupné plnění posuvných registrů displejů hodnotami [10]. Její výpis je na obrázku č. 17.

Obrázek 17 - funkce posli()

33

Dekódovací funkce vrací číslo, které po přesunu do posuvného registru displeje zajistí rozsvícení kombinace segmentů sedmisegmentovky, která odpovídá číslu zadanému jako její parametr [13]. Pro vnitřní i externí displeje časomíry je dekódovací tabulka společná. Celé měření času zajišťuje ČČ2, který ve svém přerušení po 10 ms testuje výstupy Q‘ RS klopných obvodů, které se překlápí podle toho, zda se má daný čas měřit či nikoliv. Je-li výstup Q‘ v log. 0, tak se inkrementuje odpovídající proměnná. Její jednotková změna reprezentuje uplynutí časového intervalu 10 ms. Tyto proměnné mají velikost 4 B a jsou celkem čtyři (kaţdá pro jeden měřený čas). Časová proměnná je vynulována v případě, ţe její hodnota dosáhne 60 000 (odpovídá maximálnímu rozsahu časomíry). Tím je zajištěno, ţe měření smysluplně pokračuje i po překročení maximálního rozsahu. V obsluze přerušení se za podmínky, ţe je nastaven reţim měření dvou drah, (REZIM==1) volá funkce prepni(), která inkrementuje obsah proměnné prepinac. Po kaţdém přetečení této proměnné se zneguje hodnota proměnné vm, která slouţí k zajištění pravidelného střídání zobrazení mezičasu a výsledného času. V obsluze přerušení je vynulován příznak přetečení TF2. Celá obsluha přerušení a funkce prepni() je na obrázku č. 18

Obrázek 18 - obsluha přerušení

34

5.2 Externí displej Externí displej se skládá z deseti desek plošných spojů s jednotlivými číslicemi displeje, DPS s posuvnými registry a DPS s tvarovačem signálu. Všechny tyto části jsou mezi sebou propojeny pomocí konektorů MLW10G a příslušných kablíků. Zkrácené schéma zapojení je na obrázku č. 19.

Obrázek 19 - schéma zapojení externího displeje

Jako posuvné registry jsou pouţity integrované obvody 74HCT4094. Řazeny jsou do kaskády, pro kaţdý řádek displeje je pětice obvodů. Signály STR a CLK jsou společné pro všechny obvody. Vstup OE (Output Enable) je trvale připojen k log. 1. Pro posílení výstupního proudu z posuvného registru je zde integrovaný obvod ULN2803A s osmi darlingtonovými dvojicemi tranzistorů. Z tohoto důvodu musí být vstupní data bitově negována oproti datům pro vnitřní displeje, u kterých nejsou tranzistorová pole pouţita. Napájecí napětí 12 V pro společné anody všech segmentů zajišťuje integrovaný stabilizátor 78S12, jeho zapojení je zcela standardní. Vyhlazovací kondenzátor má kapacitu C = 1000 µF. Pro napájení posuvných registrů je pouţit integrovaný stabilizátor 7805 s vyhlazovacím kondenzátorem C = 470 µF. Oba stabilizátory jsou izolovaně upevněny na společném měděném chladiči. Všechny posuvné registry jsou 35

opatřeny blokovacím kondenzátorem s kapacitou C = 100 nF v provedení SMD. Kvůli sníţení rušení je analogová a digitální zem vedena zvlášť [7]. Na obrázku č. 20 je jeden modul se sedmisegmentovkou. Pouţit je červeně svítící zobrazovací modul HD-AE04RD. Proud jednotlivými segmenty je nastaven na hodnotu I = 30 mA pomocí omezovacích rezistorů s R = 100 Ω pro segmenty číslice a s R = 560 Ω pro desetinou tečku.

Obrázek 20 - modul sedmisegmentovky

Celý externí displej je z praktických důvodů vestavěn do víka hliníkového kufru, viz obrázek č. 21. Jednotlivé číslice jsou vysoké 100 mm.

Obrázek 21 - externí displej ve víku kufru

36

Propojení externího displeje s hlavní jednotkou pětimetrovým kabelem se ukázalo jako velice problematické. Data pro dekodér displeje jsou totiţ přenášena přímo v úrovních TTL. Impedančně nepřizpůsobený konec vedení a jeho parazitní vlastnosti se negativně projevily pouze u hodinového signálu CLK, frekvence ostatních signálů je totiţ podstatně niţší. Pouţití společného hodinového signálu pro vnitřní i externí displeje se ukázalo jako nereálné, protoţe odrazy od konce vedení znemoţňovaly funkci vnitřních displejů časomíry. Dále popisované úpravy signálu se týkají pouze signálu CLK pro externí displej. Jako první opatření jsem proto provedl rozdělení hodinového signálu zvlášť pro vnitřní a zvlášť pro externí displeje. Úprava to byla snadná, protoţe stačilo oddělit příslušný vodič z propojovacího kablíku mezi vnitřními displeji a hlavní deskou a opatřit ho dutinkou pro nasunutí na pájecí kolík, kterých jsem na hlavní DPS preventivně připravil dostatečné mnoţství. Pak uţ stačilo provést jednoduchou úpravu programu mikrokontroléru. Rozdělením hodinových signálů jsem sice zcela odstranil negativní vliv dlouhého kabelu na časomíru, externí displej však stále nefungoval. Signál CLK pro externí displej jsem tudíţ začal studovat důkladněji za pouţití digitálního osciloskopu. Pouţil jsem měřicí sondy (10x), aby nedocházelo k ovlivňování měřeného průběhu připojeným osciloskopem [6]. Při návrhu DPS dekodéru externího displeje jsem si myslel, ţe pro potlačení parazitních vlastností vedení a odrazů od jeho konce bude stačit zařazení RC filtru typu dolní propust na vstup signálu do dekodéru. Toto opatření se však ukázalo jako nedostatečné. Hodinový signál bylo potřeba natvarovat, doba trvání náběţné hrany byla příliš dlouhá a napěťová úroveň log. 1 se nacházela v oblasti pro signály TTL zakázané. Rozhodl jsem se zkusit upravit signál pomocí dvojice Schmittových klopných obvodů, které jsou pro tvarování signálu často pouţívány. Na obrázku č. 22 je červeně zobrazen průběh hodinového signálu na vstupu invertoru, modře na výstupu. Upravený signál sice měl ostré hrany a předepsané napěťové úrovně, jeho frekvence však byla více neţ desetkrát niţší neţ frekvence signálu původního. Překmit vstupního signálu do záporných hodnot přisuzuji jednak parazitní indukčnosti vedení a jednak odrazům od jeho konce. Nepodařilo se mi jej odstranit ani pomocí rychlé schottkyho diody.

37

Obrázek 22 - nevhodně upravený průběh signálu CLK

Po několika experimentech jsem zjistil, ţe na tvar hodinového signálu za Schmittovým klopným obvodem má podstatný vliv jeho frekvence. Sníţení frekvence na polovinu jsem si mohl dovolit, protoţe údaj displeje se mění s frekvencí 100 Hz. Programově jsem tedy frekvenci sníţil. Průběhy vstupního a výstupního signálu na tvarovacím obvodu po sníţení frekvence jsou na obrázku č. 23. Červeně je vyobrazen signál vstupní, modře signál výstupní.

Obrázek 23 - vhodně upravený signál CLK

Součástí externího displeje se stala deska plošných spojů, která obsahuje Schmitttův klopný obvod 4093 pro natvarování hodinového signálu, vstupní devítipinový konektor Canon a výstupní konektor MLW10A. 38

5.3 Sklopné terče Sklopné terče jsou mechanicky nejsloţitější částí celého měřicího systému. Z tohoto důvodu jsem se rozhodl vyuţívat terče ze stávající časomíry. Ty vyhovují jak mechanickou konstrukcí, tak i elektrickým zapojením. Jako spínací prvek je zde pouţit průmyslový koncový spínač od firmy Siemens. Kontakty tohoto koncového spínače jsou po sklopení terče sepnuty, čímţ je vyslán startovací impuls pro časomíru. Je bezpodmínečně nutné, aby měl pouţitý koncový spínač krytí minimálně IP67. Na obrázku č. 24 je vidět spínací mechanizmus terče včetně koncového spínače. U stávající časomíry jsou kontakty koncových spínačů obou terčů spojeny sériově. K zastavení časomíry tedy dojde, aţ kdyţ jsou oba terče sklopeny. Mé řešení časomíry s odděleným vstupem pro kaţdý terč sériové spojování kontaktů jiţ nevyţaduje. Navíc je moţné měřit čas sklopení prvního i druhého terče.

Obrázek 24 - spínací mechanizmus terče

39

5.4 Optická závora Optická závora je tvořena vysílačem a přijímačem infračerveného paprsku. Laserový paprsek jsem z bezpečnostních důvodů nepouţil. Vysílač i přijímač je umístěn na hliníkovém stativu, jak je patrné z obrázku č. 25. Závora spolehlivě pracuje aţ na vzdálenost osm metrů. Její seřízení je velice snadné.

Obrázek 25 - optická závora

5.4.1 Vysílač IR Schéma zapojení vysílače infračerveného paprsku je na obrázku č. 26.

Obrázek 26 - schéma zapojení vysílače závory

Vysílač závory je sestaven ze dvou oscilátorů. První je tvořen hradlem NAND a součástkami R6 a C3. Jeho frekvence je asi 250 Hz. Druhý oscilátor je sestaven 40

rovněţ z hradla NAND a součástek R10, R7 a C4. Tento oscilátor má frekvenci 36 kHz a je prvním oscilátorem modulován. Výstupní signál je přiveden přes invertor a rezistor R8 na bázi tranzistoru T1, který spíná infra LED diodu D3. Proud touto diodou je omezen rezistorem R9 na hodnotu přibliţně 120 mA. Vysílač je napájen stabilizovaným napětím 5 V ze stabilizátoru IC2. Tím je zajištěn stabilní kmitočet oscilátorů.

5.4.2 Přijímač IR Schéma zapojení přijímače infračerveného paprsku je na obrázku č. 27.

Obrázek 27 - schéma zapojení přijímače závory

IR záření je přijímáno integrovaným přijímačem s demodulátorem TSOP 31236. Pokud jsou přijímány vysílané impulsy, je na výstupu přijímače napětí obdélníkového tvaru s kmitočtem 250 Hz. V případě přerušení paprsku se na výstupu přijímače objeví napětí o velikosti přibliţně 5 V. Výstupem obvodu je přes odpor R1 ovládán tranzistor Q1, který vybíjí elektrolytický kondenzátor C2. Pokud je infračervený paprsek přerušen vlivem probíhajícího závodníka, přestane být kondenzátor C2 vybíjen a je nabitý přes rezistor R2. Tím je vytvořen startovací impuls, který je dále zpracován. LED dioda D1 slouţí k indikaci přítomnosti infračerveného záření [1]. Průběh startovacího impulsu je invertován a natvarován pomocí hradla NAND 4093. Po této úpravě má startovací impuls vhodný tvar na to, aby spustil integrovaný časovač NE555, jehoţ perioda je pomocí součástek R5 a C5 přibliţně nastavena na dobu 0,2 s. Po příchodu startovacího impulsu je časovačem sepnuto relé. Po odčasování se na výstupu časovače objeví sestupná hrana, která uvede klopný obvod JK do nastaveného stavu indikovaného svitem červené LED diody D4 . 41

Log. 0 na výstupu Q‘ klopného obvodu je zavedena do nulovacího vstupu časovače a blokuje jeho další spuštění. To je umoţněno aţ po příchodu resetovacího signálu z hlavní jednotky časomíry. Klopný obvod JK je realizován integrovaným obvodem 74HCT73, který reaguje na sestupnou hranu signálu. Jumper slouţí k nastavení reţimu jednonásobného nebo opakovaného spouštění. Napájení je řešeno standardně zapojeným integrovaným stabilizátorem 7805. Kaţdý integrovaný obvod má svůj blokovací kondenzátor s kapacitou C = 100 nF. Vstup časomíry je připojen ke spínacímu kontaktu relátka. Jeho kontakty jsou opatřeny odrušovacími kondenzátory. K cívce relátka je závěrně připojena dioda D2, která slouţí pro odstranění nebezpečných napěťových špiček, které vznikají při spínání indukčních zátěţí.

5.5 Propojovací kabeláž K propojení jednotlivých komponent měřicího systému slouţí propojovací kabely. Pro napájecí rozvod je pouţita dvojlinka s průřezem 1 mm2. Proud procházející napájecími vodiči dosahuje velikosti aţ 3,5 A. Všechny napájecí kabely jsou zakončeny konektory HS25, kromě konce kabelu určeného pro připojení k autobaterii. Ten je zakončen dostatečně velkými krokosvorkami. Datový spoj mezi hlavní jednotkou a externím displejem je realizován pětimetrovým kabelem zakončeným devítipinovými konektory Canon. Jedná se o kabel, který se běţně pouţívá pro sériovou komunikaci přes linku RS232. Propojení terčů, hlavní jednotky a optických závor je řešeno kabely SYKFY 2x2x0,5 mm2 zakončenými pětipinovými konktory DIN. Prostřednictvím těchto kabelů je vedeno i napájení optických závor, protoţe jejich maximální proudový odběr nepřevyšuje 250 mA. Kabel mezi terči a hlavní jednotkou má délku přibliţně 100 m. Z toho důvodu jsou napěťové úrovně pro spínání klopných obvodů hlavní jednotky posunuty aţ k hodnotě napájecího napětí. Propojení vysílače a přijímače optické závory je realizováno dvojlinkou zakončenou konektory HS25. Pro napájení vysílače závory lze pouţít samostatný stejnosměrný zdroj elektrické energie s napětím v rozsahu 6 aţ 15 V. Propojení jednotlivých komponent časomíry je nakresleno v návodu k obsluze, který je umístěn v příloze. 42

5.6 Možná budoucí rozšíření časomíry Při návrhu a výrobě časomíry jsem počítal i s moţností jejího budoucího rozšíření. Velmi praktické by bylo doplnění časomíry moduly pro bezdrátovou komunikaci s optickými závorami a terči. Její obsluze by to ušetřilo mnoho práce při instalaci propojovací kabeláţe. Navíc by odpadla moţnost selhání časomíry z důvodu poškození kabelu. Pro bezdrátové moduly je v přístrojové krabičce hlavní jednotky ponecháno dostatek prostoru. Připraveny jsou i napájecí obvody, pouţitý stabilizátor má dostatečně velkou výkonovou rezervu a dostatečně velký chladič. Rezervován je i dostatek vývodů mikrokontroléru. Jako nejvhodnější pro tento účel se mi jeví bezdrátové moduly italské firmy Aurel, které komunikují na frekvenci 433 MHz. V budoucnu se chystám naprogramovat aplikaci pro komunikaci časomíry s osobním počítačem. Aplikace by mohla umoţňovat automatické generování a tisk výsledkové listiny a zobrazování naměřených časů pomocí dataprojektoru. Pro toto rozšíření je časomíra plně hardwarově i softwarově připravena.

43

6 Závěr Cílem mé bakalářské práce bylo navrhnout a zkonstruovat duální digitální časomíru řízenou mikrokontrolérem s jádrem 8051. Tato časomíra měla být určena primárně pro účely měření výsledných časů při pohárových soutěţích poţárnických druţstev. Zařízení mělo být schopno nezávislého měření dvou soutěţních časů zároveň. Všechny součásti časomíry se mi podařilo zkonstruovat pro univerzální pouţití, tzn. tak, ţe všechny komponenty pro spouštění a zastavování časomíry jsou navzájem záměnné. Pouţití časomíry tedy není omezeno pouze na měření výsledných časů při pohárových soutěţích poţárnických druţstev. Časomíru lze vyuţívat např. při atletických závodech nebo při závodech v lezení na umělé stěně. Všechny vstupy jsou realizovány tak, ţe pro jejich aktivaci stačí prosté spojení kontaktů spínače, není tedy potřeba ţádné sloţité elektroniky a tím odpadají i problémy s různými napěťovými úrovněmi vstupních obvodů. Takto koncipované vstupy umoţňují i vytváření skupin spínačů s různým řazením jejich kontaktů. Místo spínačů mohou být samozřejmě pouţity kontakty relé nebo tranzistory ve spínacím reţimu. Nad rámec zadání práce jsem do mnou zkonstruované časomíry zabudoval rozhraní pro komunikaci s osobním počítačem. To jsem realizoval prostřednictvím převodníku FT232RL od firmy Future Technology Devices International Ltd. (FTDI). Pro toto řešení jsem se rozhodl z toho důvodu, ţe mnou pouţitý mikrokontrolér Atmel 89S52 je vybaven pouze sériovým rozhraním RS232, kterým ovšem disponuje pouze malá část dnes pouţívaných přenosných počítačů. Přínos komunikace časomíry s osobním počítačem spatřuji především v moţnosti budoucího naprogramování aplikace pro osobní počítač, která bude zobrazovat naměřené výsledné časy prostřednictvím dataprojektoru, čímţ určitě divácky zatraktivní kaţdé sportovní klání. Aplikace by rovněţ mohla umoţňovat automatické generování výsledkové listiny. Při tvorbě práce jsem narazil na mnoho méně či více sloţitých problémů. Z těch nejpodstatnějších uvádím problém při připojení externího LED displeje pomocí pětimetrového kabelu. Data a ovládací signály pro tento displej jsou totiţ přenášeny v napěťových úrovních TTL, coţ při jiţ zmíněné délce kabelu není zcela optimální. Po mnoha experimentech a měřeních jsem však pomocí tvarovacích Schmittových klopných obvodů dokázal potlačit vliv okolního rušení a především vliv parazitních vlastností vedení. 44

Dalším z problémů bylo pouţití infračerveného paprsku v optických závorách. Při vzdálenosti vyšší neţ cca čtyři metry značně klesala jejich spolehlivost. Pomohlo vyuţití dvojité frekvenční modulace vysílaného paprsku. Pouţití laserového paprsku jsem se z bezpečnostních důvodů vyhnul. Za nedostatek mnou zkonstruovaného zařízení povaţuji špatnou čitelnost externího LED

displeje

za

slunečného

počasí.

Ta

je

způsobena

pouţitím

levných

sedmisegmentových LED zobrazovacích modulů. Moţností, jak tento nedostatek odstranit, je pouţití kvalitnějších zobrazovacích modulů anebo zhotovení segmentů číslic z jednotlivých vysoce svítivých LED. Obě tyto varianty jsou však finančně velmi náročné, cena zařízení by se zvýšila minimálně trojnásobně. I tak je s takovouto moţnou budoucí úpravou externího LED displeje počítáno – displej je vyroben jako modulární, tzn. ţe jeho dekodér tvoří samostatný celek pouţitelný i pro LED segmenty s vyšším proudovým odběrem. Předností mého zařízení je moţnost jej napájet napětím 12 V. Tato skutečnost zvyšuje celkovou mobilitu, protoţe lze pouţít akumulátor z automobilu a nemusí se tak řešit přívod síťového napětí pomocí prodluţovacích kabelů, coţ přináší své klady i z hlediska bezpečnosti - zvláště při pouţití zařízení při poţárním sportu. V zadání práce je poţadováno, aby maximální měřený čas byl bez jedné setiny sekundy deset minut. Já jsem však zařízení navrhnul tak, aby měření pokračovalo i po překročení tohoto rozsahu. Obsluha si však musí přetečení rozsahu přístroje poznamenat a pak jej započítat do výsledného naměřeného času. S délkou měřeného časového intervalu se nepochybně zvětšuje absolutní chyba měření, protoţe pouţitý krystalový oscilátor je závislý na okolní teplotě a i drobná nepřesnost ve velikosti vnitřně čítané frekvence způsobuje chybu měření, která se po přetečení rozsahu přístroje můţe jiţ projevit. Mezi funkce přístroje jsem přidal moţnost měření mezičasu na kaţdé dráze. Znamená to, ţe přístroj je schopen měřit aţ čtyři časy, podmínkou však je, ţe dva časy mají vţdy společný startovací impulz. Na přístroji časomíry je přepínač, kterým se určuje reţim měření mezičasů a jejich zobrazování. Náklady na zhotovení celého zařízení jsou přibliţně 7 000 Kč. To je cena velice přijatelná, zvláště při uváţení skutečnosti, ţe cena komerčně prodávaných výrobků s obdobnými moţnostmi vyuţití zpravidla převyšuje částku 20 000 Kč.

45

Seznam použitých zdrojů 1. HOŘÍNEK, Pavel. Digitální stopky. Praktická elektronika A RADIO. 2006, XI, 8, s. 18-20. ISSN 1211-328X. 2. KĹÚČIK, Ján; FRONC, Vojtech. Mikrokontroléry ATMEL s jádrem 8051. 1. vydání. Praha : BEN - technická literatura, 2001. 128 s. ISBN 80-7300-008-3. 3. MALINA, Václav. Poznáváme elektrotechniku I.. dot. 2. vyd. Č. Budějovice : Koop nakladatelství, 1998. 174 s. ISBN 80-85828-25-1. 4. MALINA, Václav. Poznáváme elektrotechniku II.. dot. 1. vyd. Č. Budějovice : Koop nakladatelství, 1998. 194 s. ISBN 80-85828-55-3. 5. MALINA, Václav. Poznáváme elektrotechniku VI. : od A do Z. 1. vydání. Č. Budějovice : Koop nakladatelství, 2001. 288 s. ISBN 80-7232-146-3. 6. MALINA, Václav. Poznáváme elektrotechniku VII. : osciloskopy. 1. vydání. Č. Budějovice : Koop nakladatelství, 2002. 288 s. ISBN 80-7232-175-7. 7. MALINA, Václav. Digitální technika. dot. 1. vyd. Č. Budějovice : Koop nakladatelství, 2002. 208 s. ISBN 80-7232-157-9. 8. MATOUŠEK, David. Číslicová technika : základy konstruktérské praxe. 1. vydání. Praha : BEN - technická literatura, 2001. 208 s. ISBN 80-7300-025-3. 9. MATOUŠEK, David. Práce s mikrokontroléry ATMEL AT89C2051. 1. vydání. Praha : BEN - technická literatura, 2002. 248 s. ISBN 80-7300-048-2. 10. MATOUŠEK, David. C pro mikrokontroléry ATMEL AT89S52 : příklady a aplikace pro C51 ve vývojovém prostředí KEIL uVision3. 1. vydání. Praha : BEN - technická literatura, 2007. 240 s. ISBN 978-80-7300-215-9. 11. MATOUŠEK, David. Mikroprocesorová technika : přednášky. 1. opravené vydání. Jihlava : Vysoká škola polytechnická, 2008. 73 s. 12. MATOUŠEK, David. Praktické aplikace obvodu FT232RL - konventoru USB/UART. Konstrukční elektronika A RADIO. 2009, LVIII, č. 1, s. 3-28. ISSN 1211-3557. 13. MATOUŠEK, David; BRTNÍK, Bohumil. Programování mikrokontrolérů s jádrem 8051 : Názorné příklady a funkční programy pro AT89S52. 1. vydání. Praha : BEN - technická literatura, 2010. 152 s. ISBN 978-80-7300-264-0. 14. SDH Mezná [online]. 2007 [cit. 2011-05-12]. Pravidla poţárního útoku. Dostupné z WWW: .

46

15. KAVKA, Martin. Požáry.cz [online]. 2008 [cit. 2011-05-12]. Kontejner HZS MSK s časomírou pro poţární sport. Dostupné z WWW: . 16. Vishay Semiconductors [online]. 2011 [cit. 2011-05-10]. IR Receiver Modules for Remote Control Systems. Dostupné z WWW: . 17. WWW.OBCHOD-HASICI.CZ [online]. 2008 [cit. 2011-05-13]. Nástřikový terč pro poţární sport. Dostupné z WWW: . 18. Zvukařina a zvučení [online]. 2011 [cit. 2011-05-12]. Vývoj a stavba časomíry 2005. Dostupné z WWW: . 19. CHYTIL, Jiří. 8bitu.cz [online]. 2008 [cit. 2011-05-15]. Seriál - PIC16F84 - 24 Zobrazovače statické. Dostupné z WWW: . 20. CHYTIL, Jiří. 8bitu.cz [online]. 2008 [cit. 2011-05-15]. Seriál - PIC16F84 - 23 Zobrazovače úvod a multiplexní reţim. Dostupné z WWW: . 21. KOCÁB, Tomáš. TRV elektronik [online]. 2009 [cit. 2011-05-12]. Časomíra pro poţární sport. Dostupné z WWW: . 22. VALEŠ, Libor. Časomíra, Elektronické ukazatele [online]. 2008 [cit. 2011-0512]. Světelné ukazatele. Dostupné z WWW: . 23. SDH Kolšov [online]. 2003 [cit. 2011-05-12]. Elektronická časomíra 2003. Dostupné z WWW: .

47

Seznam použitých zkratek a symbolů DIL

Dual InLine

DPS

deska plošných spojů

FTDI

Future Technology Devices International

HZS

hasičský záchranný sbor

IR

Infra Red

LCD

Liquid Crystal Display

LED

Light Emitting Diode

PCB

Printed Circuit Board

SMD

Surface Mounted Device

SPI

Serial Programmer Interface

TTL

Transistor Transistor logic

UART

Universal Asynchronous Receiver Transmitter

USB

Universal Serial Bus

48

Seznam obrázků Obrázek 1 - zobrazovací jednotka profesionální časomíry ............................................... 8 Obrázek 2 – náčrtek dráhy poţárního útoku ................................................................... 10 Obrázek 3 - blokové schéma obvodu TSOP 31236 ........................................................ 13 Obrázek 4 - schéma zapojení jednoduchého akustického snímače ................................ 14 Obrázek 5 - hlavní jednotka časomíry ............................................................................ 15 Obrázek 6 - příklad zapojení statického displeje ............................................................ 17 Obrázek 7 - příklad zapojení dynamického displeje ....................................................... 18 Obrázek 8 - nástřikový terč ............................................................................................. 19 Obrázek 9 - čelní panel hlavní jednotky ......................................................................... 22 Obrázek 10 - zadní panel hlavní jednotky ...................................................................... 23 Obrázek 11 - schéma zapojení hlavní desky ................................................................... 24 Obrázek 12 - schéma zapojení DPS vnitřních displejů................................................... 28 Obrázek 13 - zjednodušený vývojový diagram programu .............................................. 30 Obrázek 14 - funkce reset() ............................................................................................ 31 Obrázek 15 - komunikace UART ................................................................................... 32 Obrázek 16 - funkce zobraz() ......................................................................................... 33 Obrázek 17 - funkce posli() ............................................................................................ 33 Obrázek 18 - obsluha přerušení ...................................................................................... 34 Obrázek 19 - schéma zapojení externího displeje .......................................................... 35 Obrázek 20 - modul sedmisegmentovky ....................................................................... 36 Obrázek 21 - externí displej ve víku kufru ..................................................................... 36 Obrázek 22 - nevhodně upravený průběh signálu CLK ................................................. 38 Obrázek 23 - vhodně upravený signál CLK ................................................................... 38 Obrázek 24 - spínací mechanizmus terče ....................................................................... 39 Obrázek 25 - optická závora ........................................................................................... 40 Obrázek 26 - schéma zapojení vysílače závory .............................................................. 40 Obrázek 27 - schéma zapojení přijímače závory ............................................................ 41

49

Seznam příloh A. Program mikrokontroléru B. Schémata zapojení C. Návod k obsluze D. Desky plošných spojů (pouze na CD) E. Osazovací plánky (pouze na CD)

50

Příloha A – program mikrokontroléru #include #define MERENI_A1 P2_7 #define MERENI_A2 P2_5 #define MERENI_B1 P0_2 #define MERENI_B2 P0_3 #define RESET_A P2_2 #define RESET_B P2_3 #define CLK_EXT P1_3 #define CLK_IN P1_7 #define STR P1_2 #define DATA_A P1_1 #define DATA_B P1_0 #define NDATA_A P3_5 #define NDATA_B P3_6 #define REZIM P0_4

//definice mericich vstupu

//resetovaci tlacitko A //resetovaci tlacitko B //hodiny externiho displeje //hodiny vnitrniho displeje //spolecny strobovaci signal pro displeje //prima data pro vnitrni displej A //prima data pro vnitrni displej B //negovana data pro externi displej A //negovana data pro externi displej B //REZIM=0 - jen draha A, REZIM=1 - draha A i B

typedef unsigned char bajt; typedef unsigned int time; //globalni promenne: time casA1=0, casA2=0, casB1=0, casB2=0, vyslednyA=0, mezicasA=0, vyslednyB=0, mezicasB=0; //rozliseni 0,01s bajt prepinac, vm=0; //prepinac pro stridave zobrazeni mezicasu void uart16(time cislo) { SBUF=cislo&0x00FF; while(!TI); TI=0; SBUF=(cislo&0xFF00)>>8; while(!TI); TI=0; }

//odesila 16b cislo //odesle spodni bajt 16b cisla //ceka na odeslani bajtu //odesle horni bajt 16b cisla

void uartStatus() //odesele bajt status - stav zarizeni { bajt status=0; //bajt s informacemi o stavu zarizeni status=status*2+(REZIM==1); status=status*2+(RESET_B==1); status=status*2+(RESET_A==1); status=status*2+(MERENI_B2==1); status=status*2+(MERENI_B1==1); status=status*2+(MERENI_A2==1); status=status*2+(MERENI_A1==1); SBUF=status; while(!TI); TI=0; } void uart() { uart16(0xFFFF); uart16(casA1); uart16(casA2); uart16(casB1); uart16(casB2); uartStatus(); }

//ridi odesilani na UART //start sekvence pro identifikaci poradi bajtu

Příloha A – program mikrokontroléru

void prepni() //prepina zobrazeni vysledneho casu a mezicasu { prepinac++; if(prepinac==0) vm=~vm; } void mereni() interrupt TF2_VECTOR { if(!MERENI_A1) casA1++; if(!MERENI_A2) casA2++; if(!MERENI_B1) casB1++; if(!MERENI_B2) casB2++; if(casA1==60000) if(casA2==60000) if(casB1==60000) if(casB2==60000)

casA1=0; casA2=0; casB1=0; casB2=0;

if(REZIM) prepni(); TF2=0; }

//preruseni od casovace 0 po 0,01s

//nulovani - preteceni maximalniho rozsahu

//v rezimu dvou drah vola fci prepinace mezicasu //nulovani priznaku preteceni

bajt dekoduj(bajt i) { code bajt tab[]={0x11,0xDD,0x29,0x89,0xC5,0x83,0x03,0xD9,0x01,0x81}; if(i>=0 && i<=9) return tab[i]; else return 0x00; } void posli(bajt a, bajt b) { bajt poradi,i;

//naplneni posuvnych registru jednim bajtem

for(poradi=1;poradi<=8;poradi++) { CLK_EXT=0; CLK_IN=0; DATA_A=(a&0x80)>0; NDATA_A=(~a&0x80)>0; DATA_B=(b&0x80)>0; NDATA_B=(~b&0x80)>0; CLK_EXT=1; CLK_IN=1; for(i=0;i<8;i++); a=a<<1; b=b<<1; } }

//snizeni frekvence kvuli odrazum na vedeni

Příloha A – program mikrokontroléru void zobraz(time a, time b) //zajistuje zobrazeni casu danych parametry { bajt cisliceA [5]; //hodnoty pro jednotlive sedmisegmentovky disp. A bajt cisliceB [5]; //hodnoty pro jednotlive sedmisegmentovky disp. B cisliceA[4]=a/6000; //dekodovani na minuty, ... a=a%6000; cisliceA[3]=a/1000; a=a%1000; cisliceA[2]=a/100; a=a%100; cisliceA[1]=a/10; cisliceA[0]=a%10; cisliceB[4]=b/6000; b=b%6000; cisliceB[3]=b/1000; b=b%1000; cisliceB[2]=b/100; b=b%100; cisliceB[1]=b/10; cisliceB[0]=b%10; STR=0; posli(dekoduj(cisliceA[0]),dekoduj(cisliceB[0])); posli(dekoduj(cisliceA[1]),dekoduj(cisliceB[1])); posli(dekoduj(cisliceA[2])-0x01,dekoduj(cisliceB[2])-0x01); //tecka posli(dekoduj(cisliceA[3]),dekoduj(cisliceB[3])); posli(dekoduj(cisliceA[4])-0x01,dekoduj(cisliceB[4])-0x01); //tecka STR=1; } void mezicas() { if(casA1>=casA2) { vyslednyA=casA1; mezicasA=casA2; } else { vyslednyA=casA2; mezicasA=casA1; } if(casB1>casB2) { vyslednyB=casB1; mezicasB=casB2; } else { vyslednyB=casB2; mezicasB=casB1; } }

Příloha A – program mikrokontroléru void reset() //nuluje namerene casy při stisku tlacitka { if(!RESET_A && MERENI_A1 && MERENI_A2){casA1=0; casA2=0;} if(!RESET_B && MERENI_B1 && MERENI_B2){casB1=0; casB2=0;} } int main() { //------INICIALIZACE---------------------------------------------IE=0xA0; //povoleni preruseni od cc2 RCAP2L=0xE0; //predvolba pro 0,01s RCAP2H=0xB1; TH1=243; //9600 Bd TMOD=0x20; //cc1 - rezim 2 PCON=0x80; // SMOD=1 TR1=1; //spusteni cc1 TR2=1; //spusteni cc2 SCON=0x40; //SM0=0, SM1=1, SM2=0, REN=0 - prijem zakazan //---------------------------------------------------------------while(1) { reset(); uart();

//provede nulovani, je-li stisknuto tlacitko //odesle data a stav zarizeni na UART

if(!REZIM) { zobraz(casA1,casA2); //pouziva se pouze draha A } else //pouziva se draha A i B { mezicas(); //zjisteni mezicasu if(MERENI_A1 && MERENI_A2 && MERENI_B1 && MERENI_B2) //kdyz je mereni obou drah ukonceno { if(vm==0) zobraz(vyslednyA,vyslednyB); //vm se ridi funkci prepni() else zobraz(mezicasA,mezicasB); } else zobraz(vyslednyA,vyslednyB); //kdyz jedna z drah jeste meri } } }

Příloha B – schémata zapojení Schéma zapojení hlavní desky:

Příloha B – schémata zapojení Schéma zapojení vnitřních displejů:

Příloha B – schémata zapojení Schéma zapojení externího displeje:

Příloha B – schémata zapojení Schéma zapojení optické závory:

Schéma zapojení tvarovače:

Příloha C - návod k obsluze

Duální digitální časomíra Návod k použití pro požární sport

Michal Vondrák 2011

Příloha C - návod k obsluze

Použití časomíry Tato časomíra je navržena především pro měření časů při požárním sportu. Lze jí však využívat i k jiným činnostem. Zařízení je napájeno napětím 12 V, nehrozí tedy riziko úrazu elektrickým proudem. Všechny součásti měřicího systému (s výjimkou sklopných terčů) mají stupeň elektrického krytí IP20, chraňte proto systém před vlhkem. Nevystavujte zařízení přímému slunečnímu svitu, hrozí jeho přehřátí a dočasné omezení funkčnosti.

Součásti měřicího systému Celý systém se skládá z následujících komponent:     

Hlavní jednotka, hliníkový kufr s vestavěným externím displejem, dvojice optických závor, propojovací kabeláž dvojice sklopných terčů.

Umístění ovládacích prvků časomíry napájecí konektor externího displeje

vstupy dráhy A vstupy dráhy B

hlavní napájecí konektor

datový konektor externího displeje

hlavní pojistka 4 A

vysílání/příjem

pojistka ext. displeje 3,2 A

USB rozhraní

hlavní vypínač

signalizace sklopených terčů

vypínač ext. displeje

volba reţimu

vnitřní LED displeje

tlačítka pro manuální ovládání měření

Příloha C - návod k obsluze

Ovládání optických závor Rozmístění ovládacích a indikačních prvků přijímače optické závory je patrné z nákresu. Vysílač infračerveného paprsku žádné indikační ani ovládací prvky nemá.

signalizace zablokování přijímače

přepínač reţimu

signalizace spojení mezi vysílačem a přijímačem

vstup IR paprsku

Přijímač a vysílač optické závory je nutné umístit proti sobě a správně propojit (viz další stránky). Přijímač je vhodné umístit tak, aby do otvoru pro vstup infračerveného paprsku pronikalo co nejméně slunečního záření.

Přijímač je vybaven přepínačem režimu. V režimu TEST spíná relé při každém přerušení optického paprsku. Tento režim je vhodný pro správné nastavení a ověření funkce závor. V režimu IMPULS relé sepne pouze při prvním přerušení optického paprsku. Všechna další přerušení paprsku jsou ignorována, dokud závora nedostane impuls od hlavní jednotky časomíry. Tento impuls je generován při stisku tlačítka pro nulování času.

Po zapnutí a správném seřízení závor musí trvale svítit zelená indikační LED, která signalizuje, že je navázáno spojení mezi vysílačem a přijímačem závory. Při přerušení optického paprsku musí zelená LED zhasnout. Maximální vzdálenost mezi vysílačem a přijímačem je asi 8 m (záleží na okolních světelných podmínkách). Červená indikační LED svítí, je-li závora přepnuta do režimu IMPULS a již byl přerušen optický paprsek od příchodu inicializačního impulsu. Při svitu červené LED je tedy do příchodu inicializačního impulsu přijímač závory zablokován.

Příloha C - návod k obsluze

Měření časů požárního útoku na jedné dráze

zapojení systému pro měření jedné dráhy požárního útoku

Pro měření výsledných časů požárního útoku na jedné dráze je zapojení systému dle obrázku. Přepínač volby režimu musí být v poloze „A“. Vysílač optické závory lze napájet z vlastního zdroje a nebo je možné ho propojit s jejím přijímačem. Místo optické závory lze ke startování použít mikrospínač nebo startovací pistoli. Na levém displeji časomíry (prvním řádku externího displeje) je zobrazován čas sestřelení levého terče, na pravém displeji (druhém řádku externího displeje) je zobrazen čas sestřelení pravého terče. Manuální startování se provádí stisknutím zeleného tlačítka START A, zastavení měření se provádí tlačítky STOP A1 a STOP A2. K nulování naměřeného času slouží tlačítko RESET A. Jeho stiskem se zároveň aktivuje optická závora (je-li přepnuta do režimu IMPULS).

Příloha C - návod k obsluze

Měření časů požárního útoku na dvou drahách

zapojení systému pro měření dvou drah požárního útoku

Pro měření výsledných časů požárního útoku na dvou drahách je zapojení systému dle obrázku. Přepínač volby režimu musí být v poloze „A+B“. Vysílače optických závor lze napájet z vlastních zdrojů a nebo je možné je propojit s jejich přijímači. Místo optických závor lze ke startování použít mikrospínač nebo startovací pistoli. Na levém displeji časomíry (prvním řádku externího displeje) je po dobu měření zobrazován čas delší čas dráhy A, na pravém displeji (druhém řádku externího displeje) po dobu měření zobrazován delší čas dráhy B. Po ukončení měření na obou drahách je střídavě zobrazován kratší a delší čas – levý displej (první řádek) pro dráhu A, pravý displej (druhý řádek) pro dráhu B. Manuální startování se provádí stisknutím zeleného tlačítka START A pro dráhu A a START B pro dráhu B. Zastavení měření se provádí tlačítky STOP A1 a STOP A2 pro dráhu A, STOP B1 a STOP B2 pro dráhu B. K nulování naměřeného času slouží tlačítko RESET A pro dráhu A a RESET B pro dráhu B. Jejich stiskem se zároveň aktivují optické závory (jsou-li přepnuty do režimu IMPULS).

Příloha C - návod k obsluze

Měření časů štafety

zapojení systému pro měření štafety

Pro měření výsledných časů požární stafety je zapojení systému dle obrázku. Přepínač volby režimu musí být v poloze „A“. Vysílač optické závory lze napájet z vlastního zdroje a nebo je možné ho propojit s jejím přijímačem. Ke startování lze použít mikrospínač nebo startovací pistoli. Na levém displeji časomíry (prvním řádku externího displeje) je zobrazen čas levého běžce, na pravém displeji (druhém řádku externího displeje) je zobrazen čas pravého běžce. Manuální startování se provádí stisknutím zeleného tlačítka START A, zastavení měření se provádí tlačítky STOP A1 a STOP A2. K nulování naměřeného času slouží tlačítko RESET A. Jeho stiskem se zároveň aktivují optické závory (jsou-li přepnuty do režimu IMPULS).

Příloha C - návod k obsluze

Zapojení konektorů Na obrázku je uvedeno zapojení startovacích a stopovacích vstupů systému. Začátek (resp. konec) měření se provede přivedením 12V impulsu na pin č. 1 (stačí tedy spojit pin č. 1 s pinem č. 2). Z pinu č. 2 lze napájet elektronické obvody připojeného zařízení. Na pinu č. 3 je napětí 5 V, při stisku tlačítka pro nulování displeje se na tomto pinu objeví nulové napětí. Pin č. 6 a plášť konektoru je spojen s GND.

zapojení vstupů

Napájecí konektory jsou zapojeny dle následujícího obrázku. Napájecí napětí systému by mělo být v rozsahu 11 – 14 V. Systém je funkční i při napětí 6 – 11 V, jas displeje je však značně snížen. To však nemá vliv na přesnost měření.

zapojení napájecích konektorů

Konektor externího displeje je zapojen podle posledního obrázku.

zapojení konektoru externího displeje