Wizualizacja danych sensorycznych-projekt. Czujnik indukcyjny zbliżeniowy. Piotr Baluta 18 czerwca 2007

Transkrypt

1 Wizualizacja danych sensorycznych-projekt. Czujnik indukcyjny zbliżeniowy. Piotr Baluta 18 czerwca

2 Spis treści 1 Wstęp 3 2 Idea projektu 3 3 Część sprzętowa Mikrokontroler Generator RS LCD i zasilanie Część programistyczna 5 5 Realizacja projektu - uwagi 7 6 Badanie czujnika 10 7 Kompletny kod programu 11 8 Schemat ideowy 12 2

3 1 Wstęp Indukcyjny czujnik zbliżeniowy jest elementem, bez którego współczesna automatyka przemysłowa zapewne by sobie nie poradziła. Jego zastosowanie sprowadza się głównie do kontroli położenia, ewentualnie przemieszczeń obiektów metalowych jednak nawet w prostych systemach jest on nieodzowny. Budowa czujnika może być różna w zależności od typu (wyjście ciągłe, kluczujące) jednakże generalna zasada działania pozostaje taka sama. Element aktywny czujnika jakim jest cewka indykcyjna generuje pole elektromagnetyczne, którego strefa oddziaływania możemy traktować jako zasięg czujnika. Na skutek przemieszczania w zasięgu czujnika elementu przewodzącego dochodzi do zaburzenia pola, przez co zmienia się amplituda napięcia w generatorze LC. Poziom napięcia steruje układem progowym, który w zależności od amplitudy sygnału zwiera lub rozwiera obwód wyjściowy. Niektóre czujniki nie posiadają układu progowego przez co ich wyjście ma charakter liniowy, takie czujniki są stosowane np. w aparaturze pomiarowej. 2 Idea projektu Początkowa idea wykonania projektu miała polegać na zastosowaniu typowego czujnika indukcyjnego przemysłowego, z którego sygnał miał być przekazywany do przetwornika A/C mikrokontrolera a następnie wizualizowany na wyświetlaczu LCD w postaci paska mocy sygnału. Szybko okazało się jednak, że zastosowanie czujnika przemysłowego nie jest do końca dobrym pomysłem. Większość dostępnych czujników działa jako elementy kluczujące, a taki tryb pracy eliminował możliwość ciągłego pomiaru odległości. Próba dostania się do elektroniki czujnika (by wykorzystać sygnał bezpośrednio z cewki) nie powiodła się ze względu na chroniącą warstwę żywicy epoksydowej. Ostatecznie pomysł zastosowania w projekcie czujnika indukcyjnego został wyparty przez inny. Nowa idea polegała na zastosowaniu generatora LC, którego element indukcyjny byłby czujnikiem. Efektem zakłócenia pola elektromagnetycznego w cewce była zmiana częstotliwości generatora. Zliczane w TIMERze mikrokontrolera impulsy generatora zostały w prosty sposób wykorzystane jako dane do wizualizacji. 3

4 3 Część sprzętowa Na poniższym zdjęciu widać prototyp układu wykonany na płytce uniwersalnej. Rysunek 1: Płytka uniwersalna czujnika z zaznaczonymi poszczególnymi blokami 3.1 Mikrokontroler Część sprzętowa projektu nie jest specjalnie skomplikowana. Sercem układu jest popularny mikrokontroler Attiny 2313 firmy ATMEL, procesor ma na pokładzie podstawowe układy peryferyjne, posiada 2kB pamięci flash oraz łącze SPI dzięki któremu programowanie nie nastręcza kłopotów. Procesor pomimo dostępnego wewnętrznego rezonatora 1MHz pracuje na zewnętrznym kwarcu 4MHz. Początkowe testy układu były przeprowadzane z kwarcem 11MHZ, który nie jest wskazany dla tego procesora (maksymalna częstotliwość taktowania to 10Mhz). Rzeczywiście zapewnienie komunikacji z PC nie było możliwe i wymagało zmniejszenia częstotliwości taktowania do 4MHz. 3.2 Generator W bloku pomiarowym mamy układ generatora oraz wzmacniacz w układzie WE. Generator Colpittsa jest zbudowany w oparciu o łatwodostępny tranzystor BC557. Kondensator 22nF oznaczony na schemacie jako C9 wraz z cew- 4

5 ką czujnia pełnią funkcje obwodu rezonansowego. Pojemność i indukcyjność tych elementów są tak dobrane, że częstotliwość rezonatora jest równa 30,5kHz. Impulsy z generatora są wzmacniane we wzmacniaczu WE zbudowanym na tranzystorze BC547. Po wzmocnieniu impulsy doprowadzone do wejścia PD5 mikrokontrolera są zliczane w 16 bitowym (mogącym zliczać od 0 do 65536) liczniku T1. Pojemność TIMERa jest wystarczająco duża aby nie doszło do przepełnienia w ciągu 1 sekundy. Zastosowana cewka o indukcyjności 1mH pozwala uzyskać zasięg ok. 1cm. Oczywiście większa w sensie średnicy cewka na rdzeniu ferrytowym mogłaby poprawić zasięg czujnika. 3.3 RS-232 Aby nie ograniczać projektu do sfery czysto sprzętowej możliwe jest również stworzenie aplikacji komputerowej za sprawą dostępnego wyprowadzenia na RS Zazwyczaj funkcję dopasowania poziomów logicznych RS-232 do poziomu TTL pełni układ scalony MAX232, jednakże w projekcie komunikacja jest zrealizowana prościej. Tranzystory T3 i T4 podłączone do obwodów UARTu wraz z rezystorami zabezpieczającymi w zupełności wystarczają do realizacji transmisji. 3.4 LCD i zasilanie Wyniki pomiaru są wyświetlane na alfanumerycznym wyświetlaczu LCD opartym na sterowniku HD Wyświetlacz ma możliwość wyświetlenia 16 znaków w 1 linii, potencjometr PR1 służy do regulacji kontrastu. Układ pomiarowy może być zasilany napięciem przemiennym ok. 10V, stabilizator nie jest zabezpieczony radiatorem więc nie lepiej nie przesadzać z wartością napięcia. Dwa stabilizatory dopasowują napięcie do poziomów 5V - jako zasilanie mikrokontrolera oraz 9V do zasilania generatora. Wyższe napięcie generatora poprawia skuteczność działania czujnika. 4 Część programistyczna Program został napisany w języku BASCOM i skompilowany darmowym kompilatorem (do 2kB kodu) dostępnym na stronie firmy MCS Electronics. BASCOM AVR dysponuje szeregiem funkcji obsługujących mikrokontroler przez co programowanie staje się dziecinnie proste. Zasadniczą częścią programu jest fragment odpowiedzialny za obsługę TIMERa: Timer1 = 0 Start Timer1 Waitms 100 Stop Timer1 V = Timer1 * 10 5

6 Do określenia czasu zliczania wykorzystałem funkcję BASCOMa Waitms, która z reguły nie jest polecana ze względu na mała dokładność odmierzanego czasu (rezultat takiego pomiaru zależy od czasu wykonania pętli głównej). Jednakże w projekcie nie zależało mi na dokładnych pomiarach częstotliwości lecz określeniu jej chwilowych zmian. Dodatkowo aby wynik pomiaru był płynniejszy impulsy są zliczane co 0,1s i z taką też częstością wyświetlane na LCD. Po zmierzeniu częstotliwości generatora wynik jest wyświetlany na LCD w postaci paska pomiaru. Efekt ten został zrealizowany za pomocą funkcji warunkowej Case oraz Lcd Chr(255) (numer 255 znaku ASCII odpowiada prostokątowi 5x8 pikseli). Pasek pomiaru powiększa się o kolejne pole wraz ze wzrostem częstotliwości o 30Hz. Dodatkowo za pomocą funkcji Print na port RS jest wysyłana aktualna wartość częstotliwości. Efekt komunikacji układu z komputerem widać na poniższym zrzucie ekranu programu HyperTerminal. Parametry transmisji zostały ustawione w kompilatorze BASCOMa i wynosiły: Baudrate Parity - brak Databits - 8 Handshake - brak Emulation - TTY Takie parametry pozwoliły na sprawną komunikację przez łącze szeregowe przy częstotliwości rezonatora równej 4MHz. 6

7 Rysunek 2: Aktualna częstotliwość wyświetlana w HyperTerminal 5 Realizacja projektu - uwagi Uruchomienie części sprzętowej nie było kłopotliwe głównie za sprawą wykorzystania typowych struktur generatora i wzmacniacza. Początkowo jako czujnika użyłem własnoręcznie nawiniętej cewki powietrznej, jednak okazało się że zasięg cewki na rdzeniu ferrytowym jest znacznie lepszy i właśnie taki typ został wykorzystany w projekcie. Schemat układu został narysowany w programie PROTEL z myślą o zaprojektowaniu za pomocą tego narzędzia płytki PCB, jednakże okazało się to nie konieczne. Po uruchomieniu układu (wstępnie była to wersja częstotliwościomierza) okazało się, że generator ma kłopoty z ustabilizowaniem częstotliwości. Po kilku testach okazało się, że po około 10 minutach pracy częstotliwość zatrzymuje się na wartości ok. 30,5Hz. Zwiększenie pojemności generatora również nie przyniosło oczekiwanej poprawy. Oczywiście czekanie 10 minut na możliwość użycia czujnika nie miałaby sensu, dlatego różnice częstotliwości (pomiędzy generatorem świeżo włączonym a pracującym kilka minut) zostały uwzględnione w programie poprzez odpowiedni dobór warunków funkcji Case. Mimo, że wyświetlacz LCD dysponuje 16 znakami nie wszystkie pola zostały użyte do wyświetlania paska stanu. Powód leży po stronie BASCOMa i faktu, że generowany przez kompilator wynikowy kod hex jest strasznie nadmiarowy. Przykładem może być program obsługujący czujnik, proste polecenia obsługi 7

8 TIMERa oraz funkcja Case z 12 warunkami dała w sumie ok. 2kB kodu wynikowego czyli tyle ile wynosi pamięć flash procesora attiny2313. Ze względu na konieczność oszczędzania pamięci program nie obsługuje całej linii wyświetlacza i nie posiada dodatkowych funkcji (były one w planach początkowych) np. obsługi mikrostyku zmieniającego wyświetlane dane (np. z częstotliwości na pasek postępu). Poza tworzeniem kodu nadmiarowego BASCOM ma jeszcze jedną dużą wadę ograniczającą znacznie programistę, polegającą na znacznym ograniczeniu możliwości warunków. Przykładowo funkcja Case nie może korzystać z warunków innych niż porównanie zmiennej do liczby, łączenie kilku warunków przez OR lub AND jest wykrywane przez kompilator jako błąd. Wybierając pisanie programu w BASCOMie chciałem poznać ten język jednakże po bliższym zapoznaniu zdecydowanie go odradzam (chyba, że oprogramowanie ma być całkiem proste). Gotowy układ czujnika widać na poniższych zdjęciach. Wnętrze obudowy z wyprowadzonymi przewodami. Rysunek 3: Wnętrze obudowy Panel czołowy z widocznym wejście cewki, wyświetlaczem LCD, włącznikiem i resetem oraz tylna część obudowy z wyprowadzeniami, do programatora oraz RS-a i gniazdem zasilania. 8

9 Rysunek 4: Panel czołowy Rysunek 5: Panel tylny 9

10 6 Badanie czujnika Badanie zasięgu czujnika przeprowadziłem używając do tego celu płytki metalowej o wymiarach 4x4 cm. Wraz ze zbliżaniem czujnika do płytki częstotliwość generatora rosła. Otrzymana w wyniku badania charakterystyka jest widoczna poniżej x f [Hz] L [mm] Rysunek 6: Charakterystyka czułości czujnika. Widać, że zasadniczy wzrost częstotliwości zaczyna się przy odległości niższej niż 3mm. Przy mniejszych niż 3mm odległościach czułość jest maksymalna. Przy tak dobranej cewce maksymalny zasięg czujnika wynosi ok. 10mm, polepszenie zasięgu wiązałoby się z zastosowaniem cewki o większej średnicy. 10

11 7 Kompletny kod programu Config Timer1 = Counter, Edge = Rising Dim Y As Integer Inicjalizacja zmiennych i TIMERa Dim V As Integer Y = 0 V = 0 Cursor Off Komunikat powitalny :) Lcd "Czujnik" Wait 1 Lcd "Indukcyjny" Wait 1 Do V = 0 Timer1 = 0 Obsluga TIMERa Start Timer1 Waitms 100 Stop Timer1 V = Timer1 * 10 Print "f= " ; V ; "Hz" Polecenie wysłania tekstu na terminal Zmiana paska postępu w zależności Select Case V od zmian częstotliwości Case To Lcd Chr(255) Case To Lcd Chr(255) ; Chr(255) Case To Lcd Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) Case To Lcd Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) Case To Lcd Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) Case To

12 Loop End Lcd Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) Case Is > Lcd Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) ; Chr(255) End Select 8 Schemat ideowy 12

13 Rysunek 7: Schemat ideowy układu narysowany w PROTEL-u 13