ULTRAHANGOS TÁVOLSÁGMÉRÉS MIKROKONTROLLERREL

Átírás

1 Budapesti Műszai és Gazdaságtudományi Egyetem Villamosmérnöi és Informatiai Kar Automatizálási és Alalmazott Informatiai Tanszé SZALAY ANDRÁS ULTRAHANGOS TÁVOLSÁGMÉRÉS MIKROKONTROLLERREL TDK dolgozat Konzulens DR. IVÁNCSY SZABOLCS BUDAPEST, 2011

2 Tartalomjegyzé Kivonat... 3 Abstract... 4 Előszó Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései Az ultrahangos távolságmérés folyamata, a pulse-echo módszer A hang terjedési sebességéne alapösszefüggései A hang terjedési sebessége vízmentes levegő esetében, a hangsebesség hőmérséletfüggése A hang terjedési sebessége nedves levegő esetében, a hangsebesség páratartalom és hőmérséletfüggése A Goertzel algoritmus és a sliding Goertzel algorimtus Goertzel algoritmus Sliding Goertzel algoritmus A hardver leírása Az alatrésze iválasztása Ultrahang adó-vevő egysége Ultrahang meghajtó Ultrahang vétel jelondicionálás Hőmérséletmérő áramör Páratartalom mérő szenzor Felhasználói felület EEPROM USB periféria Lézer pointer Miroontroller Tápegység blo Nyomtatott áramör elészítése A mérési módszere bemutatása Hőmérsélet mérés folyamata Páratartalom mérés folyamata Ultrahang adás és vétel folyamata A műödtető szoftver ismertetése Javaslat beágyazott operációs rendszer használatára Összefoglalás Az elért eredménye Továbbfejlesztési lehetősége...52 Irodalomjegyzé Mellélet

3 KIVONAT A távolság pontos maghatározása mind az ipari gyaorlatban, mind a napi életben általános igény, és számos gyaorlati megoldása ismert. A nagyszámú gyaorlati alalmazás alapvetően a mérési pontosság, és a használhatóság szempontjaiban ülönbözi egymástól. Az ultrahangos távolságmérésne ülönböző ialaításai vanna, és számos ézi műszer a eresedelemben is megvásárolható. A dolgozat témája egy ultrahangos távolságmérő műszer tervezése és ialaítása. A fő hangsúlyt a mérési pontosság növelésére, illetve a felhasználóbarát használhatóságra helyezi. A mérési pontosság növelése érdeében a özeg tulajdonságaina hatását (hőmérsélet, páratartalom) használja fel. A nagyobb távolság pontos mérésére is megoldást javasol. A hardvertervezés elemi áramöröből indul i, ami lehetővé teszi használhatóság szempontjaina (méret, felhasználói felület) ompromisszummentes megoldását. A méret megválasztása során iemelt hangsúlyt ap a hordozhatóság, illetve a hozzá apcsolódó alacsony fogyasztás, amelyet a miroontroller iválasztásánál is figyelembe vettün. A tanulmány bemutatja a mérési pontosság növeléséne elvi meggondolásait, a ialaított összefüggéseet, valamint bemutatja a mérőműszer hardver és szoftver megoldásait a fentieben megfogalmazott célo elérésére. Mind a hardver, mind a szoftver, valamint a mérési pontosság növelő algoritmuso a gyaorlatban is igazolódna. 3

4 ABSTRACT The exact determination of distance both in the industrial practice and in daily life is general demand and numerous practical solutions are nown. The practical applications basicly differ in measurement accuracy and useability. There are several different solutions of ultrasonic distance measurements and lot of handheld instruments are available in the maret. The subject of this study is the design and application of a single ultrasonic measuring instrument. The main focuses are the increase of measuring accuracy and customer friendly useability. In order to increase the mesuring accuracy the environmental properties (temperature, humidity) are taen into account. The study proposes solution for the increased accuracy of longer distance too.the hardware design starts out individual integrated circuits that maes possible to implement the aspects of useability ( size, human machine interface ) without compromises. In case of size selection the main focus is portability and in conjunction with it the low power consumption that is taen into consideration in the microcontroller selection too. The study outlines the theoretical considerations of measurement accuracy increase, the determined equations and shows the hardware and software elements in order to achive the determined objectives above. Both the hardware design, the software applications and the algorithms for increasing measuring accuracy are justified in practice. 4

5 ELŐSZÓ Az ultrahang használata távolságmérés céljából az alalmazás egyszerűségéből övetezően egyre népszerűbb. Mind az építőipar, mind a özleedési ágazat egye több beágyazott ultrahangos érzéelőt alalmaz, ülönösen a mozgásban levő gépi berendezése, járműve ütözés elerülése érdeében. A megvizsgált ézi ultrahangos távolságmérő csa a özeg hőmérsélet változását vagy azt sem vetté figyelembe. A dolgozat tárgya az ultrahangos távolságmérés pontosságána növelése, mind is távolságo, mind nagyobb távolságo esetében. Ez egyrészt a özeg tulajdonságaina figyelembe vételével, valamint jelfeldolgozási módszere használatával lehetséges. Ezen meggondoláso alapján a tervezendő eszözzel szemben az alábbi elváráso fogalmazandó meg: Felhasználóbarát ezelhetőség Közegtulajdonságo hatásna figyelembe vétele Pontosságnövelő algoritmuso ialaítása Hordozható ialaítás Aumulátoros tápellátás Alacsony fogyasztás A dolgozat első fejezete részletesen bemutatja az ultrahangos távolságméréshez szüséges elméleti hátteret, amely elengedhetetlen információat tartalmazna a özeg tulajdonságaira vonatozóan. A másodi rész a részletesen ismerteti a hardver tervezésénél figyelembe veendő tényezőet, amellyel az előbb felsorolt tulajdonságo ielégíthetőe. A fejezet a részletes hardver rendszerterv felvázolásával zárul. A dolgozat harmadi fejezete az ultrahangos távolságmérés ülönböző módszereit tárgyalja, valamint ismerteti az első fejezetben bemutatott összefüggése gyaorlati megvalósításait. A negyedi fejezet az eszözt műödtető programrendszert mutatja be, valamint javaslatot ad egy beágyazott operációs rendszer alalmazására. A tanulmány az elért eredménye összegzésével zárul. 5

6 1. AZ ULTRAHANGOS TÁVOLSÁGMÉRÉS ELMÉLETE ÉS ALAPÖSSZEFÜGGÉSEI Az ultrahang egy ausztius (hang) energia az emberi fül által hallható tartományon ívüli hanghullámo formájában. A legmagasabb frevencia, amit az ember érzéelni tud, megözelítőleg 20 Hz. Itt a hangtartomány véget ér, és az ultrahang sáv ezdődi. Az ultrahang az eletroniában, a navigációs techniában, az iparban és a biztonsági alalmazáso területén széles örben használt. Ebben a fejezetben ismertetjü az ultrahangos távolságmérés folyamatát, valamint azoat az alapösszefüggéseet, amelye ismerete feltétlenül szüséges egy ultrahangos távolságmérő tervezéséhez AZ ULTRAHANGOS TÁVOLSÁGMÉRÉS FOLYAMATA, A PULSE-ECHO MÓDSZER Az ultrahangos távolságmérés elmélete meglehetősen egyszerű. Az adó általában egy rövid ultrahang burst-öt ad i. Amennyiben az ultrahang impulzuso (pulse) útjában egy tárgy található, aor az ultrahang hullámo egy része refletálódi róla, és ezt a visszhangot (echo) a vevő észlelheti. Az adás és a vétel özött eltelt idő pontos mérésével(time-of-flight,tof) és ismerve az adott özegben a hang terjedési sebességét, a távolság a vevő és a tárgy özött az 1.1 összefüggéssel számítható. Tehát a távolságmérést időméréssel valósítjá meg. Az adó és a vevő egységeet apszulána nevezzü. A apszulá által ibocsátott hanghullámo frevenciája 40Hz örüli érté, pontos értée az eszözö leírásában olvasható. Az alapelvet az alábbi ábra illusztrálja[5] ábra Távolságmérés a pulse-echo módszerrel Az ábra alapján a mért távolság az alábbia szerint számítható i: TOF s v hang. 2 (1.1) Az előbbi összefüggésből jól látható, hogy a pontos távolságméréshez alapvetően ét érté ismerete szüséges: a hang terjedési sebessége az adott özegben, és az adás és a vétel özött eltelt idő. Az alábbiaban a hangsebesség[6] számításána részleteivel foglalozun. 6

7 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései 1.2. A HANG TERJEDÉSI SEBESSÉGÉNEK ALAPÖSSZEFÜGGÉSEI A hang sebességéne értéét (v hang ) a Newton-Laplace egyenlet határozza meg: v K hang (1.2) amely összefüggésben a özeg sűrűsége, K a bul modulus, K P ahol az adiabatius index, P pedig a özeg nyomása. Behelyettesítve K értéét az összefüggésbe, az alábbi egyenletet apju: P v hang. (1.3) A adiabatius itevő ideális (gáz) moleulá esetében a szabadsági foo számával áll apcsolatban az alábbi szerint: f 2 (1.4) f ahol f a szabadsági foo száma. A ülönböző atomszámú gázo esetében az adiabatius itevő értéét az alábbi táblázat foglalja össze Táblázat Moleula atomszáma Szabadsági foo száma(f) Adiabatius itevő () Egy 3 5/3=1,67 Kettő 5 7/5=1,4 Három 6 8/6=1,33 A hang terjedési özegét ideális gázna teintve az 1.3 ifejezést az ideális gáz állapotegyenletét felhasználva más alara hozhatju. Az ideális gázra vonatozó törvény az alábbi: pv nrt (1.5) amely egyenletben a p a gáz nyomása, V a térfogata, n a mólszám, T a gáz hőmérsélete Kelvinben, R pedig az univerzális gázállandó, amelyne pontos értée: J R 8, (1.6) mol K Az 1.5 összefüggésben a sűrűséget (=m/v)és a mólszámot (n=m/m) a definíciójával helyettesítve, továbbá az ideális gáztörvényből a nyomást ifejezve a hang terjedési sebességére az alábbi egyenlet adódi: RT v hang (1.7) M Az összefüggés egyértelműen mutatja a hang terjedési sebességéne nyomástól való függetlenségét. A továbbiaban az 1.7. összefüggést vizsgálju meg részletesebben. Első özelítésben a levegőt, mint vízmentes, száraz özeget vizsgálju a hang terjedési sebessége szempontjából. 7

8 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései A hang terjedési sebessége vízmentes levegő esetében, a hangsebesség hőmérséletfüggése Az 1.7. összefüggésben négy érté szerepel, nevezetesen az adiabatius itevő, a özeg (levegő) hőmérsélete, továbbá az univerzális gázállandó és a levegő (özeg) moláris tömege. A levegő, mint özeg összetétele az alábbi táblázatban[8] látható, amelyet az 1.2 ábra személtet Táblázat A levegő émiai összetétele Név Moleula Térfogat százalé Nitogén N 2 74,084% Oxigén O 2 20,9476% Argn Ar 0,934% Széndioxid1 CO 2 0,0314% Neon Ne 0,001818% Metán CH 4 0,0002% Hélium He 0,000524% Kripton Kr 0,000114% Hidrogén H 2 0,00005% Xenon Xe 0, % A levegő émiai összetétele Nitrogén Oxigén Argon Szén-dioxid Neon Metán Hélium Kripton Hidrogén Xenon 1.2. ábra A levegő émiai összetétele Az előbbie szerint a levegő 78% nitrogén gázból, és 21%oxigén gázból áll. A többi összetevője összesen 1%-ot tesz i. A nitrogéngáz és az oxigéngáz mindegyie étatomos moleulából épül fel (N 2, O 2 ), így a levegő moleuláina szabadsági foa az 1-1. táblázatból iolvasható, értée =1,4. A levegő moláris tömege az 1-2 táblázat adatai alapján ha csa a ettő legnagyobb arányban előforduló omponenst vesszü figyelembe az alábbi. M levegő = 0,781 28,013 g/mol + 0,209 31,999 g/mol = 28,56 g/mol 8

9 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései Az előbb meghatározott állandóat az 1.7 összefüggésbe helyettesítve az alábbi ifejezés adódi: 8, TK v hang 1,4 (1.8) 0,02856 A számértée SI egységeben értendő. A levezetés eredményeént egy nagyon fontos megállapítást tehetün, vízmentes levegő esetében a hangsebességet csa a hőmérsélet változtatja meg. Mivel a hőmérsélet merésére általában a Celsius sálát használju, így a eresedelemben apható hőmérő eszözö is a hőmérséletet Celsius-foban adjá meg, tehát indoolt az előbbi ifejezésben az abszolút hőmérséletet Celsius foba átszámítani: T[K]=[ C]+273,15. Ezt az 1.8-ba helyettesítve a végső eredmény: 8, ( 273,15) v hang 1,4 (1.9) 0,02856 A ifejezést tovább rendezve v hang 333, ,659 1 (1.10) 273,15 273,15 Amennyiben vízmentes levegőben használju az ultrahangot távolságmérésre, az 1.1 összefüggésbe az helyettesítendő. Az 1.10 összefüggést minden távolságmérés előtt számítani ell. Mivel a négyzetgyöös ifejezés számítása digitális rendszere esetében számábrázolási érdéseet vethet fel, így a számításigény önnyítése érdeében az 1.10 ifejezés Taylor-sorána néhány tagjával özelítve már isebb miroprocesszoro esetén is önnyebben számítható. A 1 x típusú függvénye origó örüli Taylor-sora[9]: n 1 2n n! n x x 1 x x x x... 2 n n0 (1 2n) n! x 1 (1.11) Jelen esetben az x helyére x írandó. 273,15 A övetező lépésént azt célszerű iszámítani, hogy a fenti sorfejtést meddig ell végezni, hiszen, ahogyan az látszi a sor nagyobb foszámú tagjai esetében ismét számábrázolási, pontossági érdése merülhetne fel. Továbbá az összefüggés csa x 1 mellett alalmazható, ez esetünben 273, 15 C-ot jelent. Általános távolságmérés esetében azonban ez nyilvánvalóan nem aadály. Az 1.10 összefüggés célszerű özelítéseént felmerülhet az 1.11 ifejezés első ét tagjána számítása, azaz a négyzetgyöös ifejezés lineáris approximációja. A hang terjedési sebességéne hőmérséletfüggését és anna elsőrendű özelítését szemlélteti az 1.3. ábra. 9

10 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései pontos özelített A hangsebesség hőmérséletfüggése v hang [m/s] [ C] 1.3. ábra A hangsebesség hőmérséletfüggése és elsőrendű özelítése Az alábbiaban becslést adun a ét görbe értééne maximális eltérésére. Amennyiben egy függvényt az n-ed rendű Taylor polinomjával özelítün, a ülönbséget a függvény és az őt approximáló n-ed rendű Taylor-sor özött az un. Lagrange-féle maradétag adja meg, melyne számítása az alábbi [10]: A maradétagot máséppen felírva: R L n R L n x, x x x 0 f ( n1) ( t) f ( n 1)! x t n! n n1 ( n1) 0 ( x x0 ) dt. (1.12). (1.13) a ifejezésben f(n+1) a függvény n+1-edi deriváltját jelöli, pedig egy szám az x 0 és az x özötti nyílt intervallumból. Behelyettesítve a onrét számértéeet: R L 2 1 x, 0 333, ,15 3 2! 1 273,15 (1.14.) A távolságmérés hőmérsélettartományaént a [-10;+40] C intervallumot választju; azaz Az eltérés maximumát eressü, továbbá csa a nagysága lényeges a özelítés szempontjából, így a továbbiaban abszolút értéeel dolgozun. Tehát 10

11 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései R L 1 x,0 1 2! 333, , Felhasználtu azt, hogy , , ,15 A övetező lépés anna iszámítása, hogy a függvény értée a -10<<40 intervallumon belül mior a legnagyobb. Ha = -10-ethelyettesítün a függvénybe, 1 eor a függvény értée : 0, , 946. Így az eltérés a ,15 tényleges (1.10) függvény és anna elsőrendű özelítése özött: R L x,0 0, (1.15) A hang terjedési sebességéne elsőrendű özelítése tehát az alábbi. v hang 333,6591 (1.16) 2 273,15 Az összefüggésben a hőmérsélet () Celsius foban, a sebesség (v hang ) pedig m/s egységben értendő. Az imént számított eredményeet illusztrálja az 1.4 ábra. 3 v hang [m/s] pontos özelített A hangsebesség hőmérséletfüggése [ C] Eltérés a pontos és a özelített függvény özött 1 v hang [m/s] [ C] 1.4. ábra A hangsebesség hőmérséletfüggése és elsőrendű özelítése, továbbá a ét függvény özti eltérés Ahogyan az ábrából is látszi örülbelül 25 C-ig a ét görbe fedésben van, utána a özelítés értéeben meghaladja a pontos függvényt; ez látszi a zöld színű görbe menetében is. 11

12 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései Eddigi számításain során feltételeztü az levegő vízgőzmentességét, azaz 0% relatív pártartalmat. Azonban ez a mérési esete is számában van így. Tehát nagyobb pontosságú ultrahangos távolságmérés esetében már a levegő nedvességtartalmát is célszerű figyelembe venni[6] A hang terjedési sebessége nedves levegő esetében, a hangsebesség páratartalom és hőmérséletfüggése Számításain ezdetén ismét az 1.7. összefüggésből indulun i, amely tetszőleges özeg esetében leírja a hang terjedési sebességét. Két tényezőt azonban az egyenletben a száraz levegő esetéhez épest módosítanun ell, nevezetesen az adiabatius itevő és a moláris tömeg számértéét. A 1.4-es ifejezésben bemutattu az adiabatius index és a özeget felépítő moleulá szabadságfoai özötti apcsolatot. Mivel a vízmoleulá három atomból épülne fel (ettő hidrogén, és egy oxigén atom, H 2 O), így az 1-1.-es táblázatból a vízmoleulá esetében a háromatomos moleulára vonatozó adiabatius index érté helyettesítendő az összefüggésbe. Jelölje h a levegőben jelenlevő vízmoleulá hányadát. A levegőben tálható vízmoleulá az adiabatius itevő értéét a övetezőéppen módosítjá: 7 h W. 5 h A nedves levegő adiabatius itevőjére megülönböztetésül a W jelölést használju (w:wet=nedves). Mivel a víz moláris tömege 18g/mol, így a levegőhöz evert nedvesség öveteztében a moláris tömege lecsöen, tehát M W =28,56-(28,56-18)h, azaz M W 28,56 10, 56h. Az M W a nedves levegő moláris tömegét jelenti g/mol egységben A h értée azonban a levegő relatív páratartalmána százaléos értééből számítható az alábbia szerint: RH e h 100 (1.17) p ahol a p az Pa nagyságú referencianyomás, e() pedig a vízgőz nyomása a hőmérséleten, amely Magnus szerint [7] az alábbi módon függ a hőmérsélettől: 2 17,62 e 6, exp (1.18) 243, 12 Az előbbieet az 1.7 összefüggésbe helyettesítve, majd a lehetséges egyszerűsítéseet elvégezve a végeredmény az alábbi összefüggésben foglalható össze. v hang (, RH ) 5 17, , ,112 RH exp 1, R 273,15 243, , ,62 5 1, ,112 RH exp 28, , ,56 10 RH 6,112 exp 243,12 (1.19) 243,12 12

13 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései A ifejezésben a relatív páratartalom (RH) értée százaléban, a hőmérsélet () pedig Celsius foban helyettesítendő, továbbá R az univerzális gázállandó, pontos értéét már orábban említettü. Az ifejezésből jól látható, hogy összhangban van a hangsebesség csa hőmérséletfüggését vizsgáló esettel. Amennyiben az összefüggésbe RH=0%-ot helyettesítün, aor értée éppen az 1.10-es összefüggést adja. Az előbb számított eredményeet illusztrálja az alábbi ábra, 0%-os, 50%-os és 100%-os páratartalom esetében. A hang terjedési sebesség hőmérsélet és páratartalom függése vhang [m/s] J[ C] RH=0% RH=50% RH=100% 1.5. ábra A hang terjedési sebességéne hőmérsélet és páratartalom függése A hangsebesség változását a száraz (RH=0%) és az 50% illetve 100% páratartalmú levegő özött az alábbi ábra mutatja. 13

14 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései Eltérése a 0% -os páratartalomhoz épest 4,5 4 3,5 Dvhang [m/s] 3 2,5 2 1,5 1 0, J[ C] RH=50% RH=100% 1.6. ábra A hang terjedési sebesség nagyságána változása a száraz levegőhöz épest Példaént a szobahőmérséletet és a szobai pártartalmat teintve az alábbi értée az elfogadotta[11]: =26,85 C; RH=50%. Ezen értée mellett az 1.10, az 1.16 és az 1.19 sorszámú ifejezése rendre az alábbi értéeet adjá. 26,85 m (1) v hang 26,85C 333, , ,15 s 26,85 m (2) v hang 26,85C 333, , ,15 s m (3) v hang 26,85C, RH 50% 350, 63 s Megjegyezzü, hogy a tényleges (3) eredmény számítása digitális eszözö esetében lebegőpontos aritmetiát igényel, így csa nagyobb teljesítményű miroprocesszoro esetében célszerű a használata. Az (2) ifejezés fixpontos számábrázolással is itűnően elvégezhető A GOERTZEL ALGORITMUS ÉS A SLIDING GOERTZEL ALGORIMTUS A szairodalom több ülönböző módszert ismer, egy előre ismert frevenciájú jel jelenléténe meghatározására, egy mért jelsorozatban. Legegyszerűbb módja az FFT módszer, anna eldöntésére, hogy a ívánt frevenciájú jel jelen van-e vagy nem. Ez nem igazán hatéony, mivel a számított eredmény többsége nincs figyelembe véve. Ebben az esetben a Disztét Fourier Transzformáció (DFT) hatéonyabb, mint az FFT algoritmus. 14

15 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései Goertzel algoritmus A Goertzel algoritmus egy másodrendű végtelen impulzusválaszú (IIR-Infinite Impulse Response) szűrőt implementál[12]. A szűrő felépítése az alábbi ábrán látható[17] ábra A Goertzel szűrő felépítése A Goertzel szűrő z-tartománybeli átviteli függvénye: H G z 2 j N 1 1 e z (1.20) 1 2cos / Nz z Az átviteli függvényne egy zérusa van a z=e -j2/n helyen, továbbá egy onjugált omplex póluspárja, amely a z=e j2π/n helyeen található. Az ábrából önnyen észrevehető, hogy a szűrő ét részre bontható, reurzív tagra (é), és egy nemreurzív tagra (piros). A reurzív tag egy másodrendű digitális rezonátor, amelyne a rezonancia frevenciája =2/N. A gyaorlatban a szűrő reurzív részét minden mintavétel után számítju, a nemreurzív részt csa az N-edi időpont elteltével. A szűrő időtartománybeli differencia egyenlete: 2 S[n] 2cos S[n 1] S[n 2] x[n] (1.21a) N 2 j N y[n] S[n] e S[n 1] A szűrő egy DFT imenetet számít, amely az alábbi módon definiált: (1.21b) N 1 j2 N X () x(n)e / (1.22) n0 A szűrő y[n] imenete egyenlő a az X() DFT frevencia együtthatóval =N esetén. 15

16 1. Az ultrahangos távolságmérés elmélete és alapösszefüggései Sliding Goertzel algoritmus Az algoritmus a Fourier együtthatóaat számolja újra minden mintavételi idő elteltével. A bemutatott technia gyorsabb feldolgozási időt biztosít az előbb bemutatott Goertzel algoritmussal összehasonlítva, ezért ülönösen alalmazható olyan eseteben, amior a szinuszos jele paramétereine változása viszonylag gyors[13]. Teintsü az alábbi valós értéű zajjal terhelt szinuszos jelet: x s n a cos n b sin n vn 1 Ahol, s a omponense száma, v(n) pedig a zajomponens. (1.23) Az algoritmus megadja a fenti összefüggésben szeplő a és b együttható becslését a övetező módon: 2y ny n 1cos  n a cosn b sin n (1.24a) n 2sin y n 1 Bˆ n a sin n b cosn (1.24b) n Az algoritmusna hasonló paraméterezése van, mint az előbb bemutatott Goertzel algoritmusna, amit most csúszó (sliding) formában alalmazun. A becslése iértéelése az N-edi mintavételi időben történi; a rezonátor egyenletesen elosztott frevencia pontora van beállítva, amelyene értée =2/N. A ét Goertzel algoritmus abban az értelemben hasonló, hogy mindettő egy digitális rezonátort tartalmaz, amelyi pontosan a bemenő jel frevenciájára van hangolva. Egyébént a módosított (sliding) Goertzel algoritmus az a és a b együttható  és Bˆ becslőit határozza meg. A csúszó algoritmusban szereplő Fourier együttható az alábbi lineáris egyenletrendszer megoldásával számítható i (1.24. alapján). a n cosn sin nâ n (1.25) b n sin n cosn Bˆ n A szinuszos jel amplitúdójána meghatározása az alábbi ifejezéssel lehetséges:  n Bˆ n a b (1.26) 2 Ez a ifejezés azt mutatja, hogy a szinuszos omponense amplitúdója frissíthető minden mintavételi időnél, a lineáris egyenletrendszer megoldása nélül. A szinuszos jele fázisa szintén frissíthető a övetező módon. a n n arctan b n (1.27) Olyan jele esetében, amelye s számú szinuszos omponenst tartalmazna zajos örnyezetben, s darab rezonátor alalmazandó, és minden egyes rezonátor frevenciája a megfelelő omponens frevenciájához állítandó. 16

17 2. A HARDVER LEÍRÁSA A bevezető fejezetben részletesen illetve felállítottu tervezendő eszözünel szembeni elvárásainat. Eze alapján megfogalmazhatju, hogy tervezendő eszözün műödése valamilyen vezérlő egység, tipiusan miroontroller használatát igényli. Az alábbiaban röviden felvázolju a tervezendő észülé magas szintű rendszertervét, majd eze után az egyes részegysége ismertetése övetezi. A tervezés során a mérési pontosságot megnövelő alatrésze iválasztására (UH adó-vevő apszulá, hőmérsélet-és páratartalommérő), továbbá az alacsony fogyasztás ialaítására (elemes tápellátás) töreszün, természetes öltséghatéony megvalósítás eretében. Az ultrahangos távolságmérő rendszertervét az alábbi ábra mutatja. UH adó blo UH vevő, jelond. USB periféria EEPROM LCD ijelző Páratartalom mérő Hőmérsélet mérő C Nyomógombo LASER pointer LED Tápegység blo aumulátor USB adapter 2.1. ábra Az ultrahangos távolságmérő rendszerterve 2.1. AZ ALKATRÉSZEK KIVÁLASZTÁSA Az alatrésze iválasztása során lényeges tényező a méret, lévén az eszöz ézi használatra tervezendő, továbbá az alatrész toozásána bonyolultsága befolyásolja az őt hordozó nyomtatott huzalozású lemez omplexitását, amely a gyártási öltségeet lényegesen megnöveli Ultrahang adó-vevő egysége Az ultrahang adó-vevő apszulá iválasztása esetében a legfontosabb a maximális távolság számítása, amely az eszözö használatával meghatározható. Ezt meghatározó 17

18 2. A hardver leírása tulajdonság az eszözö érzéenysége, adó apszula esetében az erősítés (Sound Pressure Level Gain), a vevőnél pedig a csillapítás (Sound Pressure Level Reduction). A Pro-Wave Electronics Corporation cég egyie azon vállalatona, amelye ifejezetten az ultrahang adó-vevő apszulá, és a hozzá apcsolódó eletroniai áramörö gyártására szaosodta; ínálatában ülönböző típusú és érzéenységű apszulá elérhetőe. Legérzéenyebb piezo-eletromos elven műödő jelátalaító egységü a 400S/R160 típusú adó-vevő pár, amely ülön toban apható. Az adatlap alapján a maximális detetálható távolság önnyen számítható[18]. Feltételezve, hogy a 400ST160 adó apszulát 18V RMS feszültségű négyszögjellel műödtetjü, továbbá a 400SR160 vevőtől 5 méter távolságban helyezedi el (azaz a mérési távolság 2,5 méter az elrendezésben). Az adó erősítése (SPL) 40,0 Hz-en 120dB min. (0dB ref. 0,0002 bar/10v RMS ). 30cmnél a vevő érzéenysége 40Hz-en 0dB= 1 Volt/bar Az SPL iszámítása a Vevőnél SPL erősítés a 18V RMS meghajtó feszültség esetén: 18V 20 log 5,1 db 10V SPL csöenés 5 méter távolságban: 30cm 20 log 24,4 db 500cm Abszorpció (ld. 2.2 ábra) 0,1886 db/m 5=0,94 db Az SPL 5 méter távolságban: 120+5,1-24,4-0,94=99,76dB Az SPL átszámítása bar egységre: X 99,76 db 20 log 0,0002bar X=19,45 bar A Vevő érzéenységéne iszámítása Volt/bar egységben X Az érzéenység Volt/bar egységben: 65 db 20 log 1 V bar X=0,56 mv/bar A eletező feszültség 19,45 bar esetében: 0,56 19,45=10,89 mv 18

19 2. A hardver leírása 2.2. ábra Az abszorpciós tényező frevenciafüggése Néhány távolságérté esetére az 400SR160 vevő apszula feszültség értéeit (ét tizedes jegyre ereítve) az alábbi táblázat tartalmazza Táblázat A 400SR160 apszula feszültségértéei ülönböző távolság esetében Távolság [m] Feszültség [mv] 0,1 542,42 0,3 180,81 0,6 90, ,24 1,5 36, ,12 2,5 21, ,08 3,5 15, ,56 4,5 12, ,85 6 9,04 7 7,75 8 6,78 A táblázat eredményeit grafius formában az alábbi ábra foglalja össze. 19

20 2. A hardver leírása A 400SR ultrahang vevő apszula távolság feszültség függvénye Feszültség[mV] ,42 180,81 90,40 54,24 36,16 27,12 21,70 18,08 15,50 13,56 12,05 10,85 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 Távolság [m] 9,04 7,75 6, ábra A 400SR apszula araterisztiája Reflexiós tényező Amennyiben egy hanghullám egy özeghatárhoz ér, onnan refletálódi. A reflexió nagyságána meghatározására a reflexiós együttható (R) szolgál, amely a visszavert (A R ) és a beeső (A I ) hanghullám arányaént definiált, azaz: A R R (2.1) A I Amennyiben a beeső hanghullám merőlegesen érezi ét özeg határfelületére, aor a reflexiós tényező az Z2 Z1 R (2.2a) Z2 Z1 összefüggéssel számítható. A ifejezésben Z az ausztius impedancia, mely a özeg sűrűségéne () és a özegbeli hangterjedés sebességéne (v hang ) a szorzata: Z=v hang (2.2b) g Az ausztius impedancia mértéegysége a Rayles (1Rayles= 1 ). 2 m s Néhány anyag ausztius impedanciájána értée és reflexiós tényezője a levegőhöz viszonyítva az alábbi táblázatban látható[20] Táblázat Néhány anyag reflexiós tényezője a levegőre vonatoztatva Anyag Ausztius impedancia Z [Rayles] Reflexiós tényező (R) Levegő (ez a referencia) Gránit ,9999 Beton ,9998 Acél ,9999 Alumínium ,

21 2. A hardver leírása Mivel a felsorolt anyago reflexiós tényezője levegő esetében lényegében 1, amely megözelítőleg a teljes reflexióval egyenlő, így az előbbieben számított feszültség értée helytállóa Ultrahang meghajtó A 400ST160 adó apszula maximális meghajtó feszültsége 20V RMS érté. Mivel a mirovezérlő ennél a feszültségszintnél lényegesen isebbről műödne, így a ét egység özé egy meghajtó áramört illesztün Ez egy Microchip gyártmányú TC4425 típusú MOSFET meghajtó, amelyne maximális feszültsége 18V. Kifejezetten alalmas impulzus előállításra, hiszen a ét imenete özül egyi invertált, így a bemenetére apcsolt azonos feszültségszint esetében imenetén pontosan egy impulzust állít elő Ultrahang vétel jelondicionálás A 400SR160 ultrahangvevő apszulából a 40Hz-es szinusz feszültségjel egy háromfoozatú jelondicionáló blora érezi, amely a jelben található felharmoniusoat és az esetleges zavaroat szűri i, továbbá a jelen megfelelő nagyságú erősítést végez. A jelondicionáló blo felépítése az alábbi ábrán látható ábra Az ultrahang vétel blo felépítése Az első foozat egy Texas Instruments gyártmányú OPA es műveleti erősítővel felépített sávszűrő 2 áramör. Mielőtt az áramör ténylegesen beépítésre erült, 1 Az OPA354 típusú műveleti erősítő. szimulációját lehetővé tevő fájlo elérhetőe a gyártó honlapján. ( A apcsolásban szereplő OPA2354 típusú áramör ét darab OPA354 műveleti erősítőt tartalmaz egy toba integrálva. Mivel esetünben ét darab eszöz szüséges, így helytaaréossági ooból ezen áramör választása ideális számunra. 2 A szűrőapcsolás az angol nyelvű szairodalomban multiple feedbac bandpass filter néven ismert. A apcsolás részletesebb ismertetése megtalálható pl. a övetezető doumentumban: 21

22 2. A hardver leírása elvégeztü szimulációját a TINA szimulációs programmal. Az eredményeet a övetezőben ismertetjü. A sávszűrő modellje (felépítése) az alábbi ábrán látható. C2 330p R3 240 R1 10 C1 330p - VF1 VG1 + R2 620 VS1 1, V1 3,3 U1 OPA354 A sávszűrő áramör átviteli függvénye: 2.5. ábra Az atív sávszűrő szimulációs ábrája 2 Ks (2.3) s 2 s H s A sávszűrő paraméter-értéeine számítása A összefüggése esetében az egyes paramétereet az alábbi módon rövidítjü. 0 0 özépfrevencia f 0 sávszélesség BW Feszültségerősítés az f 0 özépfrevencián K Jósági tényező Q f 0 (2.4a) 2 BW R C (2.4b) K 3 R 3 (2.4c) 2R f 0 1 Q BW 2 1 R C R R 2 (2.4d) (2.4e) A sávszűrő paraméterei a 400SR160 ultrahang vevő apszula paramétereiből iindulva[18] állítandó be. A foozat feszültségerősítése a 40Hz-es özépfrevencián A U1 =10 (20dB). Az alotóeleme egyie tetszőlegesen megválasztható, esetünben ez az R1 ellenállás értée R1=10a többi elem pedig az összefüggése számításából adódi. 22

23 2. A hardver leírása Mivel az OPA354 műveleti erősítő aszimmetrius tápfeszültségről üzemel, így a vett szinuszjel mindét félperiódusána detetálása érdeében az áramör pozitív bementét a tápfeszültség felével meg ell emelni. A szimuláció paramétereit eze szerint állítottu be, majd az átviteli függvény szimulációját, és egy tranziens szimulációs is futtattun, enne imeneteit mutatjá az alábbi ábrá Gain (db) Phase [deg] M Frequency (Hz) 2.6. ábra A sávszűrő átviteli függvénye Az ábráról leolvasható értéeet az alábbi táblázatban foglaltu össze Táblázat A szimuláció eredményéne számértéei frevencia erősítés f 0 =40,63Hz 21,57dB f(-3db)= 43,13Hz 17,61 db f=f(-3db)-f 0 =2,5Hz Gain=3,96dB 23

24 2. A hardver leírása 3.00 VF VG u u u u Time (s) 2.7. ábra A sávszűrő tranziense Az ábrá és a táblázat alapján megállapítható, hogy a sávszűrő foozat megfelelően műödtethető. A jelondicionáló blo másodi foozata egy OPA354 műveleti erősítővel felépített változtatható erősítésű invertáló alapapcsolás. A apcsolás ülönlegességét egy digitális potenciométer áramör adja. Ezen áramör előnye a hagyományos változtathatóhoz épest, hogy ellenállásána nagysága (azaz a csúsza helyzete) ívülről SPI interfészen eresztül beállítható, így a foozat erősítése a bejövő feszültségszinthez állítható. A foozat felépítése az alábbi ábrán látható [21] ábra Az invertáló alapapcsolás felépítése A foozat erősítése: R 2 R BW V OUT VIN (2.5) R 1 R AW esetünben R 1 =R 2 =10, R AB =10 nagyságú Microchip gyártmányú MCP41010 típusú digitális potenciométer. A foozat feszültségerősítési tényezője teát: R 2 R BW A U2 (2.6) R 1 R AW 24

25 2. A hardver leírása R AB csúszájána felbontása 8 bit, azaz 256 lépésben beállítható érté. Az ellenálláso a csúsza és az eszöz végpontjai özött az alábbi módon számítandó. R AB R BW Wód (2.7a) 256 R AB R AW 256 Wód (2.7b) 256 W ód a csúsza 8 bites ódjána decimális értée. Az ábrán látható C F =9pF ondenzátor az áramör erősítéséne stabilitását növeli. A potenciométer fontos tulajdonsága, hogy egy speciális SPI parancsbájttal iapcsolható, eor tápáram felvétele tipiusan 0,01A nagyságúra csöen. A jelondicionáló blo harmadi foozata egy Microchip gyártmányú MPS621 típusú programozható erősítésű műveleti erősítő (PGA). Az áramör feszültségerősítési tényezője(a U3 ) 1, 2, 4, 5, 8 10, 16, 32 V/V léptében állítható. Az áramör használatát megönnyíti, hogy SPI interfészen eresztül onfigurálható. Az ultrahangos távolságmérés egyi tulajdonsága, hogy a vevőbe érező ultrahang teljesítménye a távolsággal csöen[19], így vevő feszültségét a távolságna megfelelően erősíteni ell. A PGA áramör diszrét (nagyléptéű) erősítés szintjeivel ez gyorsan megtehető. Az előző foozatohoz hasonlóan a PGA áramör pozitív bemenetét a tápfeszültség felével itt is megemeljü. A hasznos szinuszjelet az egyes foozato özött egy-egy 100nF-os soros ondenzátoron eresztül továbbítottu, így a foozato egyenomponenseit nem erősíti a további foozato, csa a ténylegesen vett szinuszjelet. Ezzel elerülhetőe a műveleti erősítő. felesleges túlvezérlései. A három foozatból felépülő vétel jelondicionáló blo harmadi foozata a özponti miroontroller AD átalaítójána egyi analóg bemenetére csatlaozi. Amint az a 2.4 ábrán látszi, az egyes foozatoat egy-egy jumper apcsolja össze, biztosítva azt, hogy a fejlesztés során az egyes bloo tesztelése önállóan történhessen, továbbá szüség szerint iitatható legyen A blo egyes eredő feszültség erősítési tényezője (A U ) a három blo. tényezőjéne a szorzata, amelyne számítása a 40Hz özépfrevencián: A onrét értéeet behelyettesítve A U A U2 A U3 H s s j0 (2.8) A 256 W A ifejezésben W ód értée 0 és 256 özött változhat, A U3 értée pedig 1, 2, 4, 5, 8, 10, 16 és 32 lehet Hőmérséletmérő áramör ód U 10 A U3 512 W (2.9) ód Az 1.2 fejezetben megmutattu a hőmérsélet mérés szüségességét továbbá hangsúlyoztu anna pontossági szempontjait. Így a hőmérsélet pontos méréséhez elengedhetetlen egy megfelelő pontosságú hőmérő (áramör) használata. Ez a gyaorlati alalmazáso esetében általában étféle lehet: egyrészt valamilyen ellenállás 25

26 2. A hardver leírása hőmérő használata (tipiusan Platina). Enne étségtelenül előnye a lineáris ellenállás változás, azonban enne használatához tartozó ülső áramör beépítése többletöltséggel jár. Napjainban már elérhetőe ülön integrált hőmérő áramörö is, amelye tipiusan a félvezető bázis-emitter feszültségéne hőmérséletfüggését veszi alapul. Ezen áramörö előnye, hogy a méréshez szüséges iegészítő eletronius áramöröet (pl. nagyfelbontású AD átalaító) toban integrálva tartalmazzá, és eze beállítása valamilyen szabványos (tipiusan szinron soros) perifériáján eresztül történi. Ezen előnyével szemben legnagyobb hátránya talán a nemlinearitása. Pontosságuat teintve aár 0,5 C abszolút pontossággal is számítana hőmérséletet. Ismerve azonban a hőmérő araterisztiájána matematiai egyenletét, a nemlinearitás ompenzálható, a pontosság megnövelhető. Az utóbbi szempontoat figyelembe véve egy integrált hőmérő áramört választottu, amely egy Microchip gyártmányú MCP9801 típusú hőmérő szenzor, beépített -AD átalaítóval, melyne felbontása 9-12 bit özött programozható. Nagy előnye, hogy alalmazásfüggő paraméterei I 2 C interfészen eresztül beállíthatóa, amely a hozzá apcsolódó miroontroller illesztését nagymértében megönnyíti. További előnye, hogy mint I 2 C slave egység, eszözcíméne utolsó három bitje ívülről hozzáférhető, így a felhasználás szerint onfigurálható, továbbá iapcsolt üzemmódban (un. Shutdown Mode) áramfelvétele maximum 1A, tipiusan 0,1,A örüli, amely hordozható eszözö esetében lényeges szempont Esetüben a hőmérő áramör legalacsonyabb három címbiténe A 2 A 1 A 0 =000 értéet állítottu be. A hőmérséletméréshez szüséges szoftveres ompenzációs módszert a 3. fejezetben ismertetjü Páratartalom mérő szenzor A hőmérséletméréshez hasonlóan indooltu a páratartalom mérés szüségességét a fejezetben. A páratartalom mérése általában valamilyen apacitív elven műödő páratartalom mérő szenzorral történi. Néhány típus főbb paraméterei az alábbi táblázatban láthatóa. 26

27 2. A hardver leírása 2-4. Táblázat A ülönböző típusú pártartalom mérő szenzoro összehasonlítása Típus HH10D SHT15 HH Gyártó HopRF Sensition AG Honeywell Inc. Microeletronics Co, Ltd. Pontosság 3% 2% 3,5% Kompenzáció EEPROM-ból Hőmérsélet Hőmérsélet alibrációs onstanso ompenzáció iolvashatóa szüséges Beépített hőmérőt tartalmaz Stabilitás [%RH/év] 1 <0,5 0,2 Tápfeszültség [V] 2,7-3,3 2,4-5,5 4,0-5,8 Áramfelvétel (max.) 180A 1 ma 500A Interfész Frevencia, I 2 C I 2 C Analóg, feszültség Toozás SIP LCC SIP Árfevés alacsony magas özepes Az elérő pontosságú páratartalom mérőre vonatozóan numerius hibabecslést végeztün, amelyne alapján a hangsebességre vonatozó eltérés 0,03 m/s, 0,02, m/s illetve 0,035m/s, a táblázatban szereplő sorrendne megfelelően. Számunra a prototípus eszöz elészítése során a 3%-os bizonytalanságú szenzor már ielégíti a megfelelő pontosságot, így a HH10D típusú páratartalom mérő modult építjü be. Amennyiben ésőbb fellép az igény nagyobb pontosság iránt, aor a örülbelül háromszoros árfevésű SHT15 modul beépítése javasolt. A HH10D modul I 2 C slave címéne utolsó 3 bitje A 3 A 2 A 0 =001, gyárilag fixen huzalozott Felhasználói felület A felhasználói felület részeént a legcélszerűbb egy folyadéristályos ijelző használata, amely az eszöz tesztelése és programozása során is hasznos segédeszöz lehet. Az alalmazás igényeit figyelembe véve a megfelelő ijelző típus egy alfanumerius 2 soros LCD ijelző, háttérvilágítással. A háttérvilágítás szüségességét azzal indoolju, hogy a szabadtéri fényviszonyo öveteztében a világítás nélüli ijelző gyaorlatilag használhatatlanna bizonyulna (legyen szó aár napsütéses időről, aár éjszaai használatról). A ijelző iválasztásaor figyelembe veendő szemponto özött szerepelt a tápáram felvétel, a háttérvilágítás, továbbá az illesztés és a műödtetés bonyolultsága. Az Emerging Display Technologies Corporation élen járó 27

28 2. A hardver leírása vállalatna számít az folyadéristályos ijelzőet gyártó cége örében, így terméei magyarországi forgalmazóon eresztül önnyen beszerezhetőe Az előbb szempontoat figyelembe véve, az EW162G0GLY terméet találtu megfelelőne. A modul tulajdonságai özé tartozi, hogy illesztése 8 bites (vagy 4 bites) párhuzamos buszon eresztül történi, így szinte bármilyen miroontroller alapú örnyezetben szabadon használható, továbbá vezérlése is egyszerű, amely az eszöz programozásaor előnyént jelentezi. A ijelző 5 Voltos tápfeszültségről műödi, TTL jelszinteel. A felhasználói felület részeént az LCD ijelző mellett beviteli perifériaént az eszözön 5 darab nyomógombot helyezün el EEPROM A mai távolságmérő eszözö rendelezne olyan belső memóriával, amelyet az eszöz ezelője adato tárolására szabadon felhasználhat. Továbbá az eszöz műödtetése során is EEPROM memóriát használhatun fel, így a tervezés során gondosodtun a megfelelő nagyságú nem felejtő memória ialaításáról is. Az eszözben egy Microchip gyártmányú 24LC32A típusú 32Byte apacitású I 2 C buszon eresztül műödtethető memóriamodult használun fel. Az eszöz előnye, hogy I 2 C címéne legisebb három bitje szabadon onfigurálható, amelyet A 3 A 2 A 0 =010-ra huzaloztun be USB periféria Manapság a piacon található hordozható eszözö mindegyie rendelezi olyan előre ialaított szabványos interfésszel, amelyen eresztül az eszöz egy asztali PC-hez vagy hordozható laptop-hoz csatlaoztatható. A legtöbb esetben ez USB interfész, így mi is ezt a perifériát teintettü beépítendőne. Általánosan elterjedt megoldás az ipari alalmazáso örében valamilyen UART-USB átalaító áramör használata, amely az USB protoollt önállóan ezeli. A Future Techonology Devices International Ltd. cég ilyen típusú perifériái talán manapság a legelterjedtebbe az eletroniai piacon, így Magyarországon is önnyen elérhetőe. Mivel digitális eszözein tápellátása alapvetően 3,3 V-ról történi, így az FT232RL típusú áramört építettü be. Az USB apcsolódási pont ialaítása során ülönös figyelmet fordítottun arra, hogy amennyiben az eszöz nincs PC-hez csatlaozatva, az áramör tápáramot ne fogyasszon, így az FTDI Chipet un. Bus Powered onfigurációs ialaításban [22] építettü be, amelyben az áramör tápellátása az USB buszról történi. A periféria előnye, hogy az UART oldali adás-vétel folyamatát, egy-egy LED- del jelzi, amely a apcsolat tesztelése során is hasznos segédeszöz lehet. Az USB interfész használata során pl. a memóriába imentett távolság adato ényelmes olvasását teszi lehetővé, továbbá a műszer ésőbbi onfigurálása is egyszerűen elvégezhető számítópépről Lézer pointer A lézer pointer használata a ezelést teszi egyszerűbbé, hiszen piros céleresztént az éppen mérendő tárgyra mutat. A eresedelemben elérhető típuso általában 1...3mW teljesítményűe. Eszözünbe a HLDPM modultípust építettü be, amely özvetlenül huzalozható, extra ülső alatrészt nem igényel. 28

29 2. A hardver leírása Miroontroller Az 1. fejezetben bemutatott számítási feladato bonyolultsága valamilyen 16 bites vagy 32 bites architetúra alalmazását igényli. Több processzortípus vizsgálata után az árteljesítőépesség arányt figyelembe véve a Microchip PIC24H mirovezérlő sorozata tűnt megfelelőne. A vizsgálati szemponto a megfelelő típusú integrált perifériaészlet, a lebegőpontos aritmetiai művelete támogatása, a jelfeldolgozást lehetővé tevő nagyszámú regiszterészlet, továbbá a maximális órajel frevencia, a tápáram felvétel, és az elegendő apacitású integrált memória volta. Ezen aspetuso figyelembe vételével választottu i a PIC24HJ128GP506A típusú miroontrollert. A PIC miroontroller család szinte ipari standardna teintető, így megfelelő C fejlesztőörnyezet is rendelezésre áll. A PIC24HJ128GP506A miroontroller főbb tulajdonságai PIC24H miroprocesszor mag 40MIPS műveletégési sebesség 16bites adat/24 bites utasításszélesség 16 darab 16 bites egyenértéű regiszter 16*16 bites beépített előjeles hardver szorzó Vetoros prioritásos megszaításrendszer 128B apacitású Flash program memória 8B RAM memória 3,0-3,6 V tápfeszültség 64 ivezetésű TQFP toozás Az eszöz általun használt perifériái 16bites (32 bites) időzítő egység Input Capture modul Output Compare modul 8 csatornás DMA (Dual-ported SRAM) SPI adatátviteli interfész I2C adatátviteli interfész UART adatátviteli interfész 12 bites 500 sps ADC I/O portlába 5V toleráns i/bemenete Egy-egy I/O portláb maximális imeneti árama 4mA, így amennyiben ennél nagyobb áramfelvételű eszöz apcsolódi a miroontrollerhez, aor meghajtó foozat özbeitatása szüséges. A miroontrollert egy megfelelő pontosságú ülső 10,000 MHz frevenciájú varcristállyal láttu el, amely az eszöz órajel forrása. A mirovezérlő iválasztásaor figyelembe vettü, hogy a ésőbbie során alalmas legyen beágyazott operációs rendszer futtatására. A mirovezérlő architetúrális blovázlata az alábbi ábrán látható[28]. 29

30 2. A hardver leírása 2.9. ábra A PIC24H miroontroller család architetúrális felépítése Tápegység blo A fejezet bevezető soraiban említettü, hogy hordozható eszözö esetében elvárás az elemes tápellátás. Napjain népszerű tölthető aumulátorai özé tartozna a lítium-ion és lítium-polimer típuso. Töltésü során azonban foozott figyelemmel ell lenni, hiszen a orábban használt típusoal ellentétben (NiCd, NiMH) ismértéű túltöltés esetén is gázfejlődés indulhat, amely nagymértéű túltöltés esetén szétfeszíti a burolatot, az aumulátor egyszerűen felrobbanhat. Nem célszerű továbbá a cellafeszültséget 2,5 V alá csöenteni, mert az eszöz élettartamát csöenti. A Lítium aumulátoro töltési folyamatát röviden a övetező beezdésben ismertetjü [23]. Amior az aumulátort a töltőáramörre apcsolju, az megállapítja anna feszültségét. Amennyiben ez isebb egy előre beállított üszöbérténél, aor a maximális töltőáram örülbelül 10%-ával ezdődi az eszöz töltése. Amior a cellafeszültség a üszöb fölé emeledi (ez b. 2-3 perc), aor a töltés onstans árammal folytatódi, amelyne értée az aumulátor töltőben beállítható (és értée az aumulátoro leírásában megtalálható). Ez a folyamat addig tart, amíg az aumulátor feszültség eléri a szabályozott feszültségszintet (ez tipiusan 4,2 V). eor a cella töltöttsége 75% örüli. Ezután a töltés szabályozott feszültséggel (tipiusan 4,2 V) folytatódi, ezalatt a töltőáram a maximális érté mintegy 10-5%-ára csöen. A töltési idő örülbelül perc. Az esetlegesen felmerülő töltés özbeni túlmelegedést elerülendő a töltőáramörö áltatában egy termisztorral monitorozzá az aumulátor hőmérséletét töltés özben. Az imént elmondottaat illusztrálja az alábbi ábra. 30

31 2. A hardver leírása ábra Lítium aumulátor töltéséne jelleggörbéje Napjainban olyan céláramörö, amelye a fenti töltési folyamatot irányítjá, elérhetőe a eresedelemben. Ilyen un. Battery Managemenet Contoller áramöröet a vezető gyártó (pl. Texas Instruments, Microchip, Monolithic Power Systems stb.) toba integrálva hozna forgalomba. A cellaspecifius beállításo néhány ülső alatrésszel testre szabhatóa. Az áramör iválasztása során számunra lényes szempont volt az, hogy lehetőleg hálózati adapterről is műödtethető legyen az eszözün, hiszen a programozási, tesztelési szaaszban az aumulátor használata nem ajánlott. Továbbá a ésőbbi felhasználás végett az autöltőt úgy választottu meg, hogy a töltés hálózati adapterről, de aár számítógépről, USB porton eresztül is biztosítható legyen. Eze alapján választottu a Microchip gyártmányú MCP73871 típusú Li-Ion/Li-Polymer Battery Management Contoller áramört. A ülső alatrészeet az eszöz adatlapja alapján választottu i. Az áramör előnye, hogy a felhasználó számára informatív LED-eel jelzi az aumulátor töltöttségi foát, a tápfeszültség meglétét, az alacsony aumulátor feszültség értéet stb., mint a hordozható számítógépe (laptop) esetében. Így semmilyen további LED alalmazása nem indoolt, továbbá tápfeszültség monitorozó áramör használata sem. Az eszözhöz ívülről illesztett nagyfényerejű LED-e pedig szélsőséges időjárási viszonyo esetén is önnyen láthatóa. A övetező lépés egy megfelelő apacitású Lítium-Ion vagy Lítium-Polimer aumulátor iválasztása. A magyarországi forgalmazó ínálatait figyelembe véve az EEMB Battery Co., Ltd. cég LP PCM-NTC típusú aumulátorát használtu fel. Az eszöz névleges cellafeszültsége 3,7 V; maximális árama 1A, apacitása 2000mAh. Előnye, hogy, a burolatába épített 10 -os NTC termisztort tartalmaz, így a cella tényleges hőmérsélete nagy pontossággal mérhető. Az MCP73871 áramör nem tartalmaz semmilyen feszültség szabályozó áramört, így azoat egyenént hozzá ell illeszteni a tervezés során. Az alábbi táblázatban összefoglalju a szüséges tápegység típusoat, továbbá a felhasznált áramöröet. 31

32 2. A hardver leírása 2-5. Táblázat Az egyes tápegység típuso DCDC1 DCDC2 DCDC3 Tápegység típusa sepic step-up step-up Feszültségszint 3,3 V 5V 18V Meghajtott egysége Miroontroller Hőmérő áramör EEPROM memória áramör Páratartalom mérő szenzor Műveleti erősítő LCD ijelző Ultrahang adó MOSFET maghajtó áramör Gyártó DCDC onverter típusa Monolithic Power Systems, Inc. Monolithic Power Systems, Inc. National Semiconductor Corp. MP1517 MP3410 LM2577 Az alatrésze iválasztását övetően az ultrahangos távolságmérő blovázlata az alábbi ábrán látható. 32

33 EEPROM Hőmérő IC RH szenzor I 2 C USB Nyomgó gombo LASER LCD FT232RL GPIO Párhuzamos port UART I 2 C IC PIC24HJ128GP506A PIC24H P GPIO OC ADC SPI UH meghajtó PGA VGA SPI UH adó UH vevő DCDC2 5 V DCDC1 3,3 V DCDC3 18 V Lítium- Polimer aumulátor töltő USB Aumulátor Adapter 6V ábra Az hardver apcsolás blovázlata

34 2. A hardver leírása 2.2. NYOMTATOTT ÁRAMKÖR ELKÉSZÍTÉSE Az ultrahangos távolságmérő eszözt hordozható, ézben tartható méretűre tervezzü. Figyelembe véve nyomtatott áramöri hordozó omplexitását és öltségét, méretét mm nagyságban maximalizáltu, a huzalozást ét rézrétegen (Top, Bottom) valósítottu meg. Így a tervezett hardver a megfelelő helyeen rögzítő furatoal, és a szüséges helyeen bemarásoal ellátva a Hammond Manufacturing Co. Ltd vállalat 1599H 3 típusú műszerdobozába szerelhető. Így az eszözün esztétius ialaítása is biztosítható. Az integrált áramörö toozása során a méret orlátozáso teintetében icsi felületszerelt (SO, SSOP, TSSOP, QFN, TQFP) toozásoat választottu, figyelembe véve a ézi forrasztás lehetőségét, így a prototípus tesztelése során észrevett elötése önnyebben orrigálhatóa. A felületszerelt diszrét alatrészeet 0805-ös méretűre választottu, a legisebb vezeté és szigetelés szélességet milben, a legisebb (átmenő) furato az átmérőjét 0,7 milben minimalizáltu. Így a viszonylag so ülső alatrész is elhelyezhető az előbb említett méretű lemezen. A vezető ialaítása során a 80mil/1A öölszabályt vettü alapul. A nyomtatott áramöri lemez huzalozása során a zajérzéeny ultrahang vevő analóg bloot a többi jel és tápvezetéetől érdemes távol tartani. Az USB ét differenciális jelvezetéet célszerű egymáshoz özel vezetni a huzalozás során, amely nagyobb zavarvédettséget eredményez. Hasonló megfontolás érvényes a párhuzamos buszon ommuniáló folyadéristályos ijelzőre is. Az analóg és a digitális jelföldet egymástól elszeparáltu. Mivel a tápellátás apcsolóüzemű tápegységeről történi, így anna speciális ialaítási előírásait ötelező figyelembe venni (minimális nagyfrevenciás vezetéhossz, csillagpontszerű föld ialaítása, stb.); ezeet az IC- adatlapjai is hangsúlyozzá. Az egyenletes árameloszlás érdeében a hordozó teljes felületén egyenletes rézfelületet alaítottu i. A nagy teljesítményű QFN tápegység áramörö, és műveleti erősítő előre ialaított hűtőfelülettel rendelezne, amelyet a rézfelülethez (plane) ell forrasztani. Így a plane az egyenletes áramleosztás mellett itűnő hűtőbordaént is viseledi. A tápfeszültség zavarszűrése érdeében megfelelő méretű puffer ondenzátoroat helyeztün el. Mindegyi integrált áramöri elemet elláttun egy-egy 100nF-os hidegítő ondenzátorral. A layout megtervezése során töreedtün arra, hogy a csatlaozó lehetőleg a hordozó szélein helyezedjene el, így miután az eszöz a műszerdobozba erül, anna felnyitása nélül is hozzáférhetün az csatlaozóhoz. Külön figyelmet fordítottun a hőmérő áramör megfelelő elhelyezésére, hogy az a ülső hőmérséletet mérje, a örnyeztében levő áramörö melegedései a hőmérséletet ne befolyásoljá. A nyomtatott áramöri terv a dolgozat melléletében található meg. 3 A műszerdoboz pontos típusszáma 15599HSGY, amelyne a mechaniai méreteet tartalmazó műszai rajza elérhető a gyártó honlapajáról ( 34