Rurka do wizualizacji przyśpieszenia Mariusz Kijowski 18 czerwca 2009 Wizualizacja danych sensorycznych - projekt Automatyka i Robotyka, Elektronika, Politechnika Wrocławska. 1
Spis treści 1 Cel projektu 3 2 Przegląd literatury i zasobów Internetu związanych z tematem projektu 3 3 Wykonanie schematu blokowego całego układu 3 4 Wersja testowa na komparatorach 4 5 Wersja testowa na mikrokontrolerze 5 6 Wersja docelowa na mikrokontrolerze 5 7 Literatura 8 2
1 Cel projektu Projekt ma na celu wizualizacje przyspieszenia. Głównym elementem układu będzie akcelerometr. Jego zadanie sprowadzi się do mierzenia przyspieszenie wzdłuż osi symetrii rurki. Wizualizacja zostanie przedstawiona na diodach LED. Przy braku przyspieszenia, np w pozycji horyzontalnej będzie się paliła tylko środkowa zielona dioda sygnalizując tym samym punk środkowy linijki diodowej i włączenie zasilania. W momencie kiedy wystąpi przyspieszenie zostanie to zasygnalizowane poprzez zapalenie odpowiedniej ilości diod w kierunku przeciwnym do działania siły. Ilość diod jakie się zapalą będzie wprost proporcjonalna do wartości przyśpieszenia. Projekt zostanie zamknięty w poręcznej i solidnej obudowie, tak żeby można nim było swobodnie przechylać i trząść. Zasilanie w pierwszym momencie podczas fazy budowy i testów będzie pochodziło z zasilacza, później docelowo z 4 baterii AAA. 2 Przegląd literatury i zasobów Internetu związanych z tematem projektu W ramach zapoznania się z tematem został wybrany odpowiedni temat na seminarium u Dr Wnuka, a mianowicie Akcelerometry - budowa, zastosowania, filtracja sygnału. W ramach zbierania materiałów zostały poznane następujące zagadnienia: możliwości wykorzystania, technologie wytwarzania, budowa i zasada działania, skalowanie, właściwe próbkowanie sygnału, filtracja sygnału wyjściowego. Po zapoznaniu się z wyżej wymienionymi zagadnieniami zdecydowano zastosować jednoosiowy akcelerometr z wyjściem analogowym. Uznano że najlepiej nadawałby się akcelerometr o napięciu zasilania 5 V i zakresie ±1, 5 g. 3 Wykonanie schematu blokowego całego układu Dołożono starań aby układ był możliwie prosty i składał się z niewielkiej ilości elementów, ponieważ docelowo ma się on zmieścić w niewielkiej rurce o przekroju kwadratowym lub prostokątnym. Schemat blokowy połączenia akcelerometru, mikrokontrolera z przetwornikiem A/C i diodami LED przedstawia rysunku 1. Rysunek 1: Schemat blokowy rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą akcelerometru i mikrokontrolera. 3
4 Wersja testowa na komparatorach Po bliższym przyjrzeniu się problemowi uznano, że układ można wykonać bez udziału mikroprocesora, opierając się jedynie o technikę analogową. W celu sprawdzenia poprawności pomysłu podjęto próbę wykonania opisanego układu, zastępując jednocześnie akcelerometr dzielnikiem napięcia złożonym z potencjometru 10 kω i rezystora 200 Ω. Aby polutować układ zaprojektowano schemat ideowy układu, który przedstawia rysunek 2 i układ połączeń na płytce rysunek 3. Niestety pod- Rysunek 2: Schemat ideowy rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą 8 komparatorów i 9 diod LED, przy czym akcelerometr jest zastąpiony dzielnikiem napięcia. Rysunek 3: Schemat płytki drukowanej rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą 8 komparatorów i 9 diod LED, przy czym akcelerometr jest zastąpiony dzielnikiem napięcia. czas pomiarów na fizycznym układzie okazało się, że komparator LM339 na wyjściu przy stanie logicznym 1 daje napięcie 1,6 V, a nie jak się spodziewano około 5 V. Tak niskie napięcie po podłączeniu przez diodę i rezystor 560 Ω do masy malało do napięcia 0,8 V, co było wartością zdecydowanie za niską, aby spowodować zaświecenie diody LED. Wymiana komparatorów na inne nie poprawiły wyniku. Pomysł polegający na zastosowanie wzmacniaczy operacyjnych, lub tranzystorów w celu zwiększenia amplitudy sygnału za komparatorami został odrzucony. Powodem takiej decyzji byłby znaczny przyrostu elementów, a więc powiększenie się gabarytów płytki. Dodatkowym problemem w wersji z komparatorami byłby odpowiedni dobór wartości rezystorów z szeregu, tak aby w odpowiedni sposób stworzyć napięcia odniesienia zastosowując dzielniki napięcia. 4
5 Wersja testowa na mikrokontrolerze Zdecydowano się zastosować mikrokontroler z powodu trudności opisanych w podrozdziale 4. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest możliwość dowolnej zmiany progów zapalania się poszczególnych diod i cyfrowa filtracja sygnału otrzymywanego z akcelerometru. Schemat ideowy układu przedstawia rysunek 4. Należy zwrócić uwagę, że akcelerometr w fazie prób zastąpiono dzielnikiem napięciowym złożonym z potencjometru 10 kω i rezystora 200 Ω. Wynik pomiaru napięcia jest Rysunek 4: Schemat ideowy rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą mikrokontrolera AT- MEGA8 i 11 diod LED, przy czym akcelerometr jest zastąpiony dzielnikiem napięcia wykonanym z 2 rezystorów. przedstawiany za pomocą 11 diod LED. Przeznaczono po 5 diod w celu wizualizacji przyśpieszenia w kierunku dodatnim lub ujemnym. Centralna zielona dioda pali się przez cały czas sygnalizując załączenie napięcia. Schemat połączeń na płytce drukowanej przedstawia rysunek 5. Rysunek 6 przedstawia zdjęcie gotowej działającej płytki z akcelerometrem zamiast dzielnika napięcia. Na zdjęciu można jeszcze zobaczyć nieużywany już potencjometr. Palące się zielona dioda sygnalizuje włączenie zasilania, a trzy czerwone diody obrazują działający wektor grawitacji na akcelerometr. Ilość palących się diod pod wpływem wektora grawitacji, a więc wartość progów dobrano arbitralnie. 6 Wersja docelowa na mikrokontrolerze Wersja docelowa rurki do wizualizacji przyśpieszenia jest bardzo podobna do wersji testowej przedstawionej w rozdziale 5. Główne różnice wynikają z dołożenia stabilizatora napięcia LM2940, przylutowania i podłączenia akcelerometru MMA2060, oraz minimalizacji gabarytów płytki drukowanej. Kompletny schemat ideowy przedstawia rysunek 7. Zastosowany w projekcie akcelerometr MMA2060 znanej firmy Freescale Semiconductor. Jest on przyśpieszeniomierzem jednoosiowym o konstrukcji mikromechanicznej w wykonaniu lateralnym, (do dokładnego opisu zasady działania opisywanego typu akcelerometru odsyłam do raportu sporządzonego na potrzeby seminarium Systemy mikroprocesorowe w automatyce, znajdującego się w załączniku). Pomiar przyśpieszenia jest dokonywany wzdłuż osi OX. Akcelerometr posiada jedno wyjście analogowe zmieniające przyśpieszenie na odpowiednią wartość napięcia. Kiedy na czujnik nie działa żadne przyśpieszenie napięcie wyjś- 5
Rysunek 5: Schemat płytki drukowanej rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą mikrokontrolera ATMEGA8 i 11 diod LED, przy czym akcelerometr jest zastąpiony dzielnikiem napięcia wykonanym z 2 rezystorów. Rysunek 6: Zdjęcie płytki testowej rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą mikrokontrolera ATMEGA8 i 11 diod LED. Na płytce widnieje akcelerometr, który zastąpił dzielnik napięcia. Palące się trzy diody obrazują wektor grawitacji. ciowe wynosi 2,5 V (Rys. 8). Akcelerometr jest podłączony do przetwornika analogowo cyfrowego znajdującego się w mikrokontrolerze. Przetwornik działa w sposób przetwarzania ciągłego. Zde- 6
Rysunek 7: Schemat ideowy rurki wizualizującej przyśpieszenie za pomocą mikrokontrolera i 11 diod LED wraz z akcelerometrem i stabilizatorem napięcia. cydowano wykorzystać tylko wyście V out, (prócz zasilania), z powodu braku miejsca na płytce. Sposób podłączenia czujnika przedstawiony jest na rysunku 9, przy czym należy pamiętać, że piny o oznaczeniu STATUS i ST nie zostały podłączone. Docelowa płytka powstała przez odpowiednie przycięcie laminatu płytki uniwersalnej. Od samego początku wymiary całego urządzenia miły być zbliżone do pręta. Narzuciło to specyficzny bardzo mocno wydłużony kształt płytki drukowanej. Głównym ograniczeniem w projekcie stała się maksymalna szerokość obudowy. Uznano że nie może ona przekraczać 35 mm przy przekroju kwadratowym, lub 40 mm przy zastosowaniu rury. Zdecydowano się na zastosowanie dwu ceownika o wymiarach (15x30) mm. Takie rozwiązanie ograniczyło maksymalną szerokość płytki drukowanej do 25 mm. Schemat połączeń oraz rozmieszczenie elementów na niej przedstawia rysunek 10. Obudowa powstała przez złożenie dwóch takich ceowników i ich skręceni. Zamknięcia od góry i dołu wykonano z mniejszego ceownika o przekroju (25x12) mm. Gabarytowe wymiary całego urządzenia wynoszą (30x30x223) mm. Rysunek zmontowanej rurki przedstawia zdjęcie 11. Należy nie zapominać, że oprócz płytki z mikrokontrolerem, akcelerometrem i 11 diodami w pałce znajduje się jednocześnie zasilanie. Jako źródło napięcia zastosowano 4 baterie AAA, z których przy połączeniu szeregowym możemy uzyskać ponad 6 V. Umiejscowienie wszystkich elementów w obudowie, oraz włącznik całego urządzenia umieszczony w górnej zatyczce przedstawia zdjęcie 12. Zasada działania urządzenie nie zmieniła się w stosunku do opisanej w rozdziale 5. Dioda zielona pali się nieprzerwanie po włączeniu zasilania (Rys. 13), a pozostałe 10 diod zapalają się zależnie od kierunku i wartości przyśpieszenia. Przykładem działania rurki jest wizualizacja wektora grawitacji (Rys. 14). Jest to przyśpieszenie statyczne o niewielkiej wartości 9,81 m s, więc progi zapalania się diod zostały specjalnie obniżone aby taka wartość była w stanie 2 zapalić 3 diody. Umożliwia to wizualizację w jaki sposób wektor przyśpieszenia ziemskiego rozkłada się na dwie składowe, nawet przy niewielkich kątach przechyłu. 7
Rysunek 8: Położenie osi czujnika i wartości napięcia wyjściowego przy przyśpieszeniu (-1, 0 i +1) g. 7 Literatura 1. Rafał Baranowski Mikrokontrolery AVR ATmega 2. http://www.konar.ict.pwr.wroc.pl/uploads/download/raporty/acceleromete rs.pdf 3. http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data sheet/mma2260d.pdf 4. http://www.eti.pg.gda.pl/katedry/kose/dydaktyka/architektury Infosystemow Elektronicznych /AIE71 mechatronika.pdf 5. http://www.atmel.com/dyn/resources/prod documents/doc2486.pdf 8
Rysunek 9: Sposób podłączenia akcelerometru jaki zaleca producent do mikrokontrolera. Rysunek 10: Rysunek przedstawia schemat połączeń na docelowej płytce. Większość połączeń diod z masą, czyli odpowiednim pinem w mikrokontrolerze nie została narysowana, z powodu braku miejsca na płytce i prowadzenia połączeń kynarem. 9
Rysunek 11: Zdjęcia przedstawiające gotowe urządzenie ze wszystkich stron. Rysunek 12: Fotografia przedstawia złożoną docelową płytkę z podłączonym źródłem zasilania w dolnej obudowie. Rysunek 13: Fotografia przedstawiająca sygnalizację włączonego zasilania oraz brak przyśpieszenia przy położeniu horyzontalnym. 10
Rysunek 14: Fotografia przedstawiająca wizualizację wektora grawitacji w gotowym urządzeniu. 11