Eduino mérőpanel Alapötlet: Iskolában elektronika gyakorlatokon sok mérést végeztünk és sok mérési jegyzőkönyvet kellett készítenünk. A jegyzőkönyvek készítésekor és a mérések elvégzésénél rájöttem, hogy ezeket egyszerűbben, pontosabban és gyorsabban is el lehetne végezni, ha lenne egy teljesen elektronikus mérőpanel, ami képes ezeket a méréseket elvégezni. Ekkor jött az ötlet, hogy egy mikrovezérlős mérőpanel készítsek, ami közvetlenül egy számítógépre küldje el a mért adatokat és a számítógépen ezeket egy program grafikusan ábrázolja és kiértékelje. Megvalósítás: Az ötlet megvalósításához szükséges, hogy készítsek egy olyan panelt, mely tartalmaz egy mikrovezérlőt, ami képes egy számítógéppen kommunikálni, ami a mért eredményeket fel is tudja dolgozni egy program segítségével. Valamint a panelnek tartalmaznia kell a mikrovezérlőhöz szükséges megfelelő bemeneti és kimeneti egységeket a különféle mérések elvégzéséhez. A hardware: Az eduino egy ATMEGA 328-as mikrovezérlőt tartalmaz Arduino Uno bootloaderrel feltöltve, ami egy soros-usb átalakítón keresztül fog kommunikálni a számítógéppen, a programja pedig az Arduino IDE-ben készül. Kép az Arduino IDE-ről:
Kép a mintaprogramról:
Ez a program a kiindulás alapja jelenleg ez csak azt tudja, hogy az A0 analóg bemenetről lekérdezi az értéket és azt soros porton keresztül elküldi a számítógépnek és egy digitális kimenetét a számítógép utasítására ki és bekapcsolja. A jelenlegi program alkalmas az egyik elektrotechnikai alapmérésre, nevezetesen egy kondenzátor feltöltésének és kisütésének mérésére, amit a későbbiekben fogok tárgyalni. - Atmega 328-as mikrovezérlő: Fontosabb jellemzői: - Üzemi feszültsége: 5V - Digitális lábak száma 14db, melyből 6 lehet pwm kimenet - Analóg bemenetek száma: 6db - FLASH memória: 32KB, ebből 0,5KB-ot használ a bootloader - SRAM: 2KB - EEPROM: 2KB - Órajel 16MHz
Azért választottam ezt a mikrovezérlőt, mert elég nagy a FLASH-memóriája, így elég nagy programot lehet rá írni, a 2KB-os RAM pedig alkalmas gyorsan lezajló folyamatok mérési eredményeinek gyors rögzítésére és átmeneti tárolására. A 14db digitális láb és a 6db analóg elégséges ahhoz, hogy rá lehessen kötni a szükséges egységeket a mérések végzéséhez, valamint egy kijelzőt is ráköthetünk, ami kommunikál a felhasználóval. - A 2*16-os szöveges kijelző: - működés közben: - a mikrovezérlője és a komplett kijelző összekötése az Arduino-val:
- soros-usb átalakító:
-Fontosabb jellemzői: - adatátviteli sebesség: 75 1228800 bps. - adatbitek száma: 5,6,7,8,16 bit -stop bitek: 1,1.5,2 - parity: None, Odd, Even, Mark, Space - kivezetések: 5db (5V,3.3V,GND,RX,TX) -Összekötése az Arduinoval: Ez az átalakító végzi el az avr illesztését a számítógéphez. Az átalakító modulnak csak annyi a hibája, hogy nem tartalmazza az Arduino reseteléséhez szükséges kivezetést (DTR). A rajzon fel van tüntetve egy külső reset-gomb, amit a panel is tartalmaz, a használni csak akkor kell, ha az eduino programját módosítani szeretnénk, egyébként nincs rá szükség. A software: Ebben a témakörben szeretném kifejteni a szoftware alapvető felépítését, működését, tárgyalni részletesen a panellel elvégezhető méréseket. - A software felépítése: Mint az előbbiekben már tárgyaltam, egy számítógépes program végzi el az adatok rögzítését és a kiértékelést. A programot egyénileg írom a Code Blocks IDE-vel.
A program a következőket tudja: a gép usb portján keresztül tud kommunikálni a panellal, elküldi a szükséges parancsokat, beállításokat, a bejövő adatokat pedig megfelelőképpen feldolgozza, kommunikációs vagy egyéb hiba esetén egy felugró ablakkal értesíti a felhasználót és leállítja a mérést. A sikeres mérés után az adatokat grafikusan és szövegesen is tárolja, ezeket el lehet menteni, vagy ki is lehet nyomtatni. A mérés elindítása előtt a programban ki lehet választani a mérés tipusát, meg lehet adni a szükséges egyéb adatokat a jegyzőköny teljes kitöltéséhez (pl.: név,osztály,iskola,csoport,a mérés vezetőjének a nevét stb.) A mérés tárolása és a kiértékelés: - a grafikus megjelenítő: A grafikus megjelenítéshez és tároláshoz a Windows BGI-t (Borland Graphics Interface) használom. - képek a működő interface-ről:
Ez utóbbi saját kép, amint egy külső működésben lévő hőmérséklet szabályozót mértem a képen zölddel jelzett rész mutatja a fűtés működését, a sárga rész pedig a benne lévő hőmérséklet érzékelő kimeneti feszültségének változását. Az ábrához ugyan nem tettem kiegészítő magyarázatot és a tengelyeket sem osztottam be, de ez csak a program és a panel működésének a tesztelése volt, a későbbiekben ezekkel is ki lesz egészítve. A megjelenítő által megrajzolt grafikát képként el is lehet menteni. - A szöveges tárolás: A szöveges dokumentációra a példát a dokumentum végén rögzítettem. A mérés másik kimenete, ehhez hasonló lesz majd szövges rész, csak táblázat formájában lesz majd elmentve. Ez felel meg egy jegyzőkönyv előlapjának és mérési rovatának. A mérőpanellel elvégezhető mérések:
Ebben a részben részletezem az elvégezhető méréseket, minden mérés után készül egy grafikus ábra és egy szöveges dokumentum, ezeket be is lehet másolni egy word dokumentumba és el lehet készíteni egy komplett jegyzőkönyvet. -Elektrotechnikai mérések: -Ellenállás mérése wheatstone-híddal: A wheatstone-híd egy olyan kapcsolás, mely alkalmas pontos ellenállás mérésre. A panel tartalmazni fog egy ilyen hidat, az R1 és R2 precíziós ellenállások és az Rp pedig egy digitális potméter. A mérés közben a mikrovezérlő addig állítja a potmétert, míg az A és a B pont között ki nem egyenlítődik a feszültség, ekkor az Rx ellenállás az alábbi képlettel meghatározható: Rx=Rp*(R1/R2) Ehhez a méréshez nem készül grafika, csak szövegdokumentum. - Kondenzátor feltöltésének és kisütésének mérése: -Kapcsolás: - Jelalak:
A mérés során a program meghatározza a kapcsolás időállandóját, a kondenzátor pillanati feszültségeit, a kondenzátorban tárolt energiát. -Induktivitás egyenáramú vizsgálata: Ez a mérés hasonlít egy kicsit az előző méréshez. A mérés folyamán a bekapcsoláskor és a kikapcsoláskor bekövetkező áram és feszültségváltozásokat rögzítjük és a végén a kapcsolás időállandóját is meghatározza. -Szűrők mérése: A panel tartalmaz egy DAC-t is mellyel váltakozóáramot lehet generálni. Ennek segítségével lehet szűrőkapcsolásokat vizsgálni. A mérések során meghatározható a szűrők impedanciájának és erősítésének változása a frekvencia függvényében.
-Soros RC: -Soros RL: -Soros RLC: -Elektronikai mérések: A mérőpanellel alap felvezetőezközök pl. diódák, tranzisztorok karakterisztikáját vehetjük fel és félvezető ellenállások mérése is lehetséges. Mindegyiknél vizsgálhatunk hőmérsékletfüggést, mivel a panel tartalmaz fűtőellenállásból és diódákból álló egységet is.
-dióda mérése: Ennél a mérésnél felvehetjük a diódák karakterisztikáját, különböző hőmérsékletek esetében. -zener dióda mérése: A mérés során felvehető egy zener dióda karakterisztikája különböző hőmérsékleteknél. Meghatározhatók a zener dióda paraméterei.
-Led dióda mérése: A led dióda karakterisztikája hasonló a sima diódához. A mérések során különböző színű led diódák nyitóirányú karakterisztikáját mérhetjük meg. -Tranzisztorok mérése: A méréssel meghatározható a tranzisztor karakterisztikái és paraméterei különböző hőmérsékletek esetében. A kapcsolásban a P2 és P1 potméter digitális potméterek lesznek a mérőpanelen.
-Erősítő kapcsolások: Ebben a részben műveleti erősítőkkel felépített invertáló és neminvertáló alapkapcsolásokat lehet vizsgálni, be és kimeneti ellenállásukat, erősítésüket a frekvencia függvényében a panelon már említett DAC segítségével. -Invertáló alapkapcsolás: -Neminvertáló alapkapcsolás:
Szöveges dokumentáció: Mérést végző neve: Monoki Tamás Mérés tárgya: Hőméréklet szabályozó mérése Mérési pontok: 560db Dátum: 2016.5.10 Mérést vezette: Ritzinger Ferenc Idő [s] / Feszültég[V] / Fűtés: 1 -> bekapcsolva 0 -> kikapcsolva 1 0 1 2 0.0903226 1 3 0.0903226 1 4 0.0903226 1 5 0.0903226 1 6 0.0913979 1 7 0.0924731 1 8 0.0935484 1 9 0.0946237 1 10 0.0956989 1 11 0.0967742 1 12 0.0967742 1 13 0.0989247 1 14 0.1 1 15 0.101075 1 16 0.103226 1 17 0.103226 1 18 0.105376 1 19 0.106452 1 20 0.108602 1 21 0.109677 1 22 0.111828 1 23 0.112903 1 24 0.113978 1 25 0.116129 1 26 0.117204 1 27 0.11828 1 28 0.12043 1 29 0.121505 1 30 0.123656 1 31 0.125806 1 32 0.126882 1 33 0.129032 1 34 0.130108 1 35 0.131183 1 36 0.133333 1 37 0.134409 1
38 0.136559 1 39 0.137634 1 40 0.13871 1 41 0.139785 1 42 0.141935 1 43 0.144086 1 44 0.146237 1 45 0.146237 1 46 0.148387 1 47 0.150538 1 48 0.150538 1 49 0.152688 1 50 0.153763 1 51 0.155914 1 52 0.156989 1 53 0.158065 1 54 0.160215 1 55 0.16129 1 56 0.163441 1 57 0.164516 1 58 0.165591 1 59 0.167742 1 60 0.168817 1 61 0.167742 0 62 0.168817 0 63 0.169892 0 64 0.170968 0 65 0.172043 0 66 0.169892 0 67 0.172043 0 68 0.172043 0 69 0.172043 0 70 0.173118 0 71 0.173118 0 72 0.173118 0 73 0.173118 0 74 0.173118 0 75 0.173118 0 76 0.172043 0 77 0.173118 0 78 0.173118 0 79 0.172043 0 80 0.170968 0 81 0.172043 0 82 0.170968 0 83 0.170968 0 84 0.172043 0 85 0.169892 0 86 0.169892 0 87 0.169892 0
88 0.168817 0 89 0.168817 0 90 0.168817 0 91 0.167742 0 92 0.167742 0 93 0.167742 0 94 0.167742 0 95 0.167742 0 96 0.166667 0 97 0.165591 0 98 0.165591 0 99 0.164516 0 100 0.164516 0 101 0.163441 0 102 0.163441 0 103 0.163441 0 104 0.163441 0 105 0.162366 0 106 0.162366 0 107 0.162366 0 108 0.16129 0 109 0.160215 0 110 0.160215 0 111 0.15914 0 112 0.15914 0 113 0.15914 0 114 0.15914 0 115 0.160215 1 116 0.160215 1 117 0.160215 1 118 0.15914 1 119 0.160215 1 120 0.16129 1 121 0.160215 1 122 0.16129 1 123 0.162366 1 124 0.162366 1 125 0.163441 1 126 0.164516 1 127 0.165591 1 128 0.165591 1 129 0.165591 1 130 0.167742 1 131 0.166667 0 132 0.167742 0 133 0.168817 0 134 0.168817 0 135 0.169892 0 136 0.169892 0 137 0.170968 0
138 0.172043 0 139 0.170968 0 140 0.170968 0 141 0.170968 0 142 0.169892 0 143 0.170968 0 144 0.170968 0 145 0.170968 0 146 0.169892 0 147 0.169892 0 148 0.169892 0 149 0.169892 0 150 0.168817 0 151 0.169892 0 152 0.167742 0 153 0.168817 0 154 0.167742 0 155 0.167742 0 156 0.166667 0 157 0.166667 0 158 0.166667 0 159 0.165591 0 160 0.166667 0 161 0.165591 0 162 0.164516 0 163 0.164516 0 164 0.163441 0 165 0.163441 0 166 0.163441 0 167 0.163441 0 168 0.162366 0 169 0.162366 0 170 0.162366 0 171 0.16129 0 172 0.160215 0 173 0.160215 0 174 0.15914 0 175 0.15914 0 176 0.158065 0 177 0.16129 1 178 0.160215 1 179 0.160215 1 180 0.160215 1 181 0.15914 1 182 0.160215 1 183 0.16129 1 184 0.16129 1 185 0.16129 1 186 0.162366 1 187 0.162366 1
188 0.163441 1 189 0.166667 1 190 0.165591 1 191 0.166667 1 192 0.168817 1 193 0.168817 1 194 0.166667 0 195 0.168817 0 196 0.169892 0 197 0.169892 0 198 0.169892 0 199 0.169892 0 200 0.170968 0 201 0.170968 0 202 0.172043 0 203 0.170968 0 204 0.170968 0 205 0.170968 0 206 0.170968 0 207 0.170968 0 208 0.169892 0 209 0.170968 0 210 0.169892 0 211 0.169892 0 212 0.169892 0 213 0.168817 0 214 0.168817 0 215 0.168817 0 216 0.167742 0 217 0.167742 0 218 0.167742 0 219 0.167742 0 220 0.166667 0 221 0.167742 0 222 0.165591 0 223 0.165591 0 224 0.164516 0 225 0.164516 0 226 0.164516 0 227 0.164516 0 228 0.164516 0 229 0.163441 0 230 0.16129 0 231 0.162366 0 232 0.163441 0 233 0.162366 0 234 0.16129 0 235 0.16129 0 236 0.160215 0 237 0.15914 0
238 0.15914 0 239 0.15914 0 240 0.15914 0 241 0.158065 0 242 0.156989 0 243 0.156989 0 244 0.15914 1 245 0.15914 1 246 0.158065 1 247 0.15914 1 248 0.158065 1 249 0.160215 1 250 0.15914 1 251 0.160215 1 252 0.16129 1 253 0.16129 1 254 0.162366 1 255 0.162366 1 256 0.163441 1 257 0.164516 1 258 0.165591 1 259 0.166667 1 260 0.167742 1 261 0.167742 1 262 0.169892 1 263 0.169892 1 264 0.172043 1 265 0.172043 1 266 0.174194 1 267 0.175269 1 268 0.175269 1 269 0.177419 1 270 0.17957 1 271 0.17957 1 272 0.180645 1 273 0.18172 1 274 0.182796 1 275 0.184946 1 276 0.186022 1 277 0.186022 1 278 0.188172 1 279 0.189247 1 280 0.190323 1 281 0.191398 1 282 0.192473 1 283 0.193548 1 284 0.194624 1 285 0.195699 1 286 0.197849 1 287 0.195699 0
288 0.196774 0 289 0.197849 0 290 0.198925 0 291 0.198925 0 292 0.198925 0 293 0.2 0 294 0.2 0 295 0.2 0 296 0.198925 0 297 0.198925 0 298 0.2 0 299 0.198925 0 300 0.198925 0 301 0.198925 0 302 0.198925 0 303 0.198925 0 304 0.197849 0 305 0.197849 0 306 0.196774 0 307 0.196774 0 308 0.195699 0 309 0.194624 0 310 0.194624 0 311 0.194624 0 312 0.194624 0 313 0.193548 0 314 0.193548 0 315 0.192473 0 316 0.191398 0 317 0.191398 0 318 0.190323 0 319 0.190323 0 320 0.190323 0 321 0.189247 0 322 0.189247 0 323 0.188172 0 324 0.188172 0 325 0.187097 0 326 0.186022 0 327 0.186022 0 328 0.184946 0 329 0.184946 0 330 0.183871 0 331 0.183871 0 332 0.182796 0 333 0.18172 0 334 0.18172 0 335 0.18172 0 336 0.180645 0 337 0.180645 0
338 0.17957 0 339 0.178495 0 340 0.177419 0 341 0.176344 0 342 0.177419 0 343 0.175269 0 344 0.176344 0 345 0.176344 0 346 0.175269 0 347 0.174194 0 348 0.174194 0 349 0.173118 0 350 0.173118 0 351 0.172043 0 352 0.170968 0 353 0.170968 0 354 0.170968 0 355 0.170968 0 356 0.169892 0 357 0.168817 0 358 0.168817 0 359 0.167742 0 360 0.166667 0 361 0.167742 0 362 0.166667 0 363 0.166667 0 364 0.164516 0 365 0.165591 0 366 0.164516 0 367 0.164516 0 368 0.163441 0 369 0.163441 0 370 0.163441 0 371 0.162366 0 372 0.162366 0 373 0.16129 0 374 0.16129 0 375 0.16129 0 376 0.160215 0 377 0.15914 0 378 0.15914 0 379 0.15914 0 380 0.158065 0 381 0.158065 0 382 0.156989 0 383 0.15914 1 384 0.15914 1 385 0.158065 1 386 0.158065 1 387 0.15914 1
388 0.15914 1 389 0.15914 1 390 0.15914 1 391 0.16129 1 392 0.160215 1 393 0.162366 1 394 0.163441 1 395 0.163441 1 396 0.163441 1 397 0.164516 1 398 0.166667 1 399 0.167742 1 400 0.168817 1 401 0.168817 1 402 0.169892 1 403 0.172043 1 404 0.172043 1 405 0.174194 1 406 0.175269 1 407 0.176344 1 408 0.177419 1 409 0.178495 1 410 0.17957 1 411 0.17957 1 412 0.18172 1 413 0.182796 1 414 0.184946 1 415 0.184946 1 416 0.186022 1 417 0.188172 1 418 0.188172 1 419 0.189247 1 420 0.190323 1 421 0.192473 1 422 0.193548 1 423 0.194624 1 424 0.195699 1 425 0.195699 1 426 0.195699 0 427 0.196774 0 428 0.197849 0 429 0.197849 0 430 0.2 0 431 0.2 0 432 0.198925 0 433 0.2 0 434 0.2 0 435 0.2 0 436 0.2 0 437 0.2 0
438 0.2 0 439 0.198925 0 440 0.2 0 441 0.198925 0 442 0.198925 0 443 0.197849 0 444 0.198925 0 445 0.197849 0 446 0.196774 0 447 0.196774 0 448 0.196774 0 449 0.195699 0 450 0.195699 0 451 0.194624 0 452 0.194624 0 453 0.193548 0 454 0.193548 0 455 0.193548 0 456 0.192473 0 457 0.192473 0 458 0.191398 0 459 0.190323 0 460 0.190323 0 461 0.190323 0 462 0.189247 0 463 0.188172 0 464 0.186022 0 465 0.187097 0 466 0.186022 0 467 0.187097 0 468 0.186022 0 469 0.186022 0 470 0.184946 0 471 0.183871 0 472 0.182796 0 473 0.182796 0 474 0.182796 0 475 0.18172 0 476 0.18172 0 477 0.180645 0 478 0.17957 0 479 0.180645 0 480 0.17957 0 481 0.178495 0 482 0.178495 0 483 0.177419 0 484 0.176344 0 485 0.176344 0 486 0.175269 0 487 0.175269 0
488 0.175269 0 489 0.174194 0 490 0.174194 0 491 0.173118 0 492 0.172043 0 493 0.172043 0 494 0.172043 0 495 0.172043 0 496 0.170968 0 497 0.169892 0 498 0.169892 0 499 0.168817 0 500 0.168817 0 501 0.167742 0 502 0.167742 0 503 0.166667 0 504 0.166667 0 505 0.166667 0 506 0.165591 0 507 0.164516 0 508 0.164516 0 509 0.163441 0 510 0.163441 0 511 0.163441 0 512 0.163441 0 513 0.162366 0 514 0.162366 0 515 0.16129 0 516 0.160215 0 517 0.160215 0 518 0.160215 0 519 0.15914 0 520 0.158065 0 521 0.15914 0 522 0.158065 0 523 0.156989 0 524 0.15914 1 525 0.158065 1 526 0.158065 1 527 0.158065 1 528 0.158065 1 529 0.15914 1 530 0.160215 1 531 0.160215 1 532 0.16129 1 533 0.16129 1 534 0.162366 1 535 0.163441 1 536 0.163441 1 537 0.164516 1
538 0.165591 1 539 0.166667 1 540 0.167742 1 541 0.167742 1 542 0.168817 1 543 0.170968 1 544 0.172043 1 545 0.172043 1 546 0.174194 1 547 0.175269 1 548 0.177419 1 549 0.177419 1 550 0.17957 1 551 0.180645 1 552 0.18172 1 553 0.18172 1 554 0.183871 1 555 0.184946 1 556 0.187097 1 557 0.188172 1 558 0.189247 1 559 0.189247 1 560 0.191398 1 Készült: 2016-06-14 Szolnokon Tervezte: Monoki Tamás