Učebná pomôcka pre diagnostiku parametrov prostredia posádky automobilu

Učebná pomôcka pre diagnostiku parametrov prostredia posádky automobilu 

1. Učebná pomôcka pre diagnostiku parametrov prostredia posádky automobilu

       Ako názorná ukážka snímania environmentálnych parametrov posádky automobilu bol navrhnutý a realizovaný systém riadený mikrokontrolérom, obsahujúci vybrané snímacie moduly. Zahŕňa snímanie základných parametrov ako je teplota, vlhkosť, atmosférický tlak a hlučnosť,
ako aj koncentrácia alkoholu v atmosfére. Systém bol navrhnutý ako modulárny, zahŕňajúci komerčný mikrokontrolérový modul, na ktorý bola vytvorená nadstavba vo forme tzv. shieldu, obsahujúceho obvody snímania a spracovania signálu.

1.1. Voľba hardvérových prostriedkov

1.1.1.             Snímač vlhkosti a teploty SHT21

       Zvolený modul používa digitálny, plne kalibrovaný snímač teploty a vlhkosti Parallax SHT21. Obsahuje 14 bitový A/D prevodník. Nakoľko komunikačný protokol snímača SHT21 je kompatibilný so štandardom I²C, je možné pripojiť tento snímač na spoločnú zbernicu I²C. Kalibračné koeficienty sú naprogramované v OTP pamäti na čipe. Tieto koeficienty sú použité
na internú kalibráciu signálov zo senzorov [11].

Základné špecifikácie:

Obr. 54 Modul snímača SHT21 a zapojenie vývodov [11].   Obr. 55 Maximálny rozsah merania relatívnej vlhkosti vzduchu pri teplote 25°C (vľavo), maximálny rozsah merania teploty (vpravo) snímača SHT21 [11].

1.1.2.             Barometrický snímač tlaku, vlhkosti a teploty vzduchu BME280

       Modul BME280 od firmy Bosch Sensortec je integrovaný barometrický senzor určený
pre mobilný trh. Modul je založený na technológii piezorezistívného tlakového snímača Bosch,
čo zabezpečuje presný a lineárny priebeh merania, ako aj dlhodobú stabilitu a odolnosť voči vonkajším vplyvom. Konštrukčne disponuje malými rozmermi, nízkou spotrebou energie,
čo ho umožňuje integrovať do batériovo napájaných zariadení, ako sú mobilné telefóny, GPS moduly alebo hodinky. Snímač vlhkosti má pomerne rýchlu dobu odozvy, ktorá podporuje požiadavky pre rozvíjajúce sa aplikácie. Tlakový senzor slúži na meranie absolútneho barometrického tlaku s optimálnou presnosťou, rozlíšením a nízkym šumom. Integrovaný snímač teploty je optimalizovaný pre nízku hladinu šumu s vysokým rozlíšením.

       BME280 poskytuje plne kalibrovaný výstup v digitálnej forme prostredníctvom SPI alebo I²C rozhrania pre komunikáciu s mikroprocesorom. V prípade pripojenia modulu k mikrokontroléru pomocou I²C zbernice je možné použiť buď adresu 0x77 alebo 0x76 [50].              

Všeobecné základné špecifikácie:

Parametre snímania vlhkosti:

Parametre snímania teploty:

Parametre snímania absolútneho barometrického tlaku:

Obr. 56 Štruktúra barometrického snímača tlaku BME280, zapojenie na vývojovej doske [50].

1.1.3.             Elektretový mikrofón s kapsulou MCE-401 pre snímanie akustického signálu
   v priestore posádky automobilu

       Pre účely snímania bol zvolený elektretový mikrofón s kapsulou MCE-401 firmy Monacor. Elektretový typ bol zvolený z dôvodu vyššej citlivosti a lineárnejšej charakteristiky v požadovanom frekvenčnom spektre než je tomu pri použití dynamického typu Obr. 44. Kapacitné mikrofóny využívajú zmenu rozstupu plôch elektród, čím sa mení jeho kapacita v závislosti na pôsobiacom akustickom tlaku. Aby elektretový mikrofón fungoval, je potrebné na tieto dve plochy priviesť jednosmerné napätie 48 V takzvaným fantómovým okruhom, v ktorom signálový okruh slúži
aj na napájanie. Po zapnutí napájania 48 V a generovaní zvuku do mikrofónu, pohyb membrány mikrofónu (plochy kondenzátora) mení hodnotu kondenzátora a to spôsobí zmeny napätia. Signál je následne zosilnený použitím obvodu s unipolárnym JFET tranzistorom (T3) a dvojstupňovým zosilňovačom s bipolárnymi tranzistormi (T1 a T2) [39].  

Obr. 57 Elektretový mikrofón MCE - 401 a jeho zapojenie do obvodu zosilňovača [39].

Základná špecifikácia použitého elektretového mikrofónu:

Obr. 58 Frekvenčná charakteristika elektretového mikrofónu MCE-401 [40].

Obvod zosilnenia akustického signálu elektretového mikrofónu

       Pre danú aplikáciu bol zvolený mikrofónny zosilňovač MAX9812 firmy MAXIM Integrated, osadený na vývojovom module s príslušnou obvodovou štruktúrou. Zisk zosilňovača je nastavený na 20 dB s šírkou pásma 400 kHz. BIAS je určený ako predpätie elektretového mikrofónu. Výstup BIAS je regulovaný napätím 2,3 V. Jeho napájací prúd je 230 μA a obsahuje režim Shut down, v ktorom je výstupný pin OUT v stave vysokej impedancie. Pin SHDN je vysokoimpedančný vstup
a nemôže byť ponechaný nezapojený [54].

Obr. 59 Bloková schéma a zapojenie mikrofónneho zosilňovača MAX9812 [54].

1.1.4.             Spektrálny analyzátor MSGEQ7

       Obvod obsahuje 7 pásmových priepustí (63, 160 a 400 Hz, 1, 4,5, 6,25 a 16 kHz)
v akustickom frekvenčnom spektre, ktorých signál je sledovaný detektorom špičkovej úrovne
a multiplexovaný na výstup pomocou riadiaceho signálu STROBE. Podľa odporúčaného časového diagramu sú riadiace signály užívateľským programom synchronizované mikrokontrolérom [55].

t_r - dĺžka času resetu > 100 ns

t_rs - oneskorenie Reset voči Strobe > 72 μs

t_s - strobovací impulz > 18 μs

t_ss - strobovacia perióda > 72 μs

to - platnosť dát strobovaného signálu > 36 μs

1.1.5.             Snímač koncentrácie alkoholu (etanolu) MQ-3

       Snímač etanolu s označením MQ-3 je určený na detekciu alkoholu. Jedná sa o snímač na báze SnO₂, ktorý je citlivý aj na ďalšie zložky, teda selektivitu na alkohol nie je možné
bez kombinovaného snímania zabezpečiť. V uvedenej aplikácii však nie je predpokladaný vplyv týchto zložiek (Obr. 64). Nameraná hladina snímaného parametra je úmerná napätiu na výstupe. Čím vyššiu hladinu alkoholu zaznamená, tým vyššie napätie ukáže na výstupe. Kalibráciou napätia vstavaným potenciometrom na výstupe obvodu je možné zmeniť citlivosť modulu.
       Ak prostredníctvom snímača MQ-3 mikrokontrolér načíta na výstupe napätie nad určitou hranicou, upozorní vodiča zvukovým signálom a automaticky uzavrie vnútorný okruh.

Základné špecifikácie:

Obr. 63 štruktúra snímača MQ-3 [49].

Tab. 3 Popis štruktúry snímača MQ-3 [49].

Vrstva SnO2 je pred použitím žíhaná pri teplote 450 °C počas 2 minút pre dosiahnutie dlhodobej stability. Krivka citlivosti má spravidla mocninový priebeh [49].

Obr. 64 Citlivostné charakteristiky detektora alkoholu MQ-3 [49].

Kalibrácia snímača MQ-3:

       Na kalibráciu alkoholového snímača MQ-3 bol použitý komerčný kalibrovaný prístroj
pre meranie alkoholu v dychu Dräger Alcotest® 3000.  o elektrochemický senzor. Špecifikácia:

1.1.6.             BlueTooth modul HC-05

       BlueTooth je bezdrôtová technológia pre výmenu dát na krátke vzdialenosti pomocou krátkovlnných UHF rádiových vĺn v pásme ISM 2,4 až 2,485 GHz medzi mikrokontrolérom,
a PC. Mikrokontrolér má za úlohu spracovať dáta a PC zaznamenávať a zobrazovať dáta.
Zvolený BlueTooth modul HC-05 je pripojený pomocou sériovej linky k mikrokontroléru (vysielanie dát - Tx a prijímanie dát - Rx).

       Modul môže pracovať v režime Master alebo Slave. V režime AT je možné konfigurovať modul. Výrobcom je prednastavená prenosová rýchlosť 9600 baudov a heslo 1234. Prúdová spotreba modulu je počas komunikácie 8 mA. Na indikáciu prenosu dát slúži LED [51].

Obr. 65 Stavba BlueTooth modulu HC-05 na vývojovej doske [51].

1.1.7.             Mikrokontrolérový modul Arduino UNO R3

       Základom vývojovej dosky je 8 bitový mikrokontrolér s architektúrou AVR ATmega328 od firmy Atmel. Vo verzii UNO R3 pracuje na frekvencii 16 MHz. Napájacie napätie dosky je 5V. Mikrokontrolér disponuje rôznymi perifériami ako je čítač/časovač, ktorý môže slúžiť na presné časovanie udalostí, generovanie PWM a pod. Medzi ďalšie periférie patrí AD prevodník. Mikrokontrolér obsahuje bootloader, ktorý zabezpečuje naprogramovanie mikrokontroléra po sériovej linke a spustenie programu.     

Obr. 66 Štruktúra mikrokontrolérového modulu Arduino UNO R3 na báze mikrokontroléra Atmel ATmega328 [53].

       Mikrokontrolér pozostáva zo 14 digitálnych vstupno-výstupných pinov (0 až 13). Z toho 6 pinov je určených aj pre pulznú šírkovú moduláciu (PWM). Obsahuje 6 analógových vstupných pinov
(A0 až A5). Komunikáciu možno nadviazať prostredníctvom sériových zberníc I²C, SPI, USART [53].

1.2. Obvodový a topologický návrh

       Pre návrh schémy a topológie obvodu bol použitý softvérový prostriedok Altium Designer. Altium Designer predstavuje softvérový balík na automatizáciu elektronického dizajnu pre dosky
s plošnými spojmi.

       Návrh obvodového a topologického návrhu začal vytvorením nového projektu, v ktorom bol vytvorený Schematic capture modul.Modul navyše disponuje správou knižníc komponentov, schematickými úpravami dokumentov (umiestnenie komponentov, úprava konektivity
a definovanie pravidiel návrhu Design Rules) a umožňuje vyhľadávanie komponentov a prístup
k údajom pre SPICE simuláciu.

Pre navrhovaný systém bolo nutné vytvoriť nové knižničné prvky spolu s topologickými interpretáciami (footprintami), ktoré boli neskôr zahrnuté v integrovanej knižnici. Vytvorené knižničné prvky pre snímače BME280, HC-05 ZS-040, MAX9812, MSGEW7 a dosku Arduino UNO R3 sú uvedené v prílohe E.

       Po dokončení schematického návrhu bol v projekte vytvorený modul dosky plošných spojov, exportované výstupné súbory: vŕtací predpis, zoznam súčiastok, Gerber a ODB ++ súborov, návrh schémy a PCB.

Kritériá zohľadnené pri návrhu topológie:

• rozmery modulu 52,324 x 68,324 mm,
• jednostranná DPS s povrchovou montážou,
• minimálna šírka izolačných medzier medzi vodivými spojmi je 0,254 mm,
• minimálna šírka vodivého spoja je 0,508 mm.

       Základná štruktúra je volená ako kompaktný systém tak, aby všetky jeho prvky boli koncentrované na jednej spoločnej doske, tzv. shielde. Pri návrhu schémy a topológie bola sústredená pozornosť na katalógové informácie (datasheet). Podľa odporúčaných pokynov výrobcov boli teda zohľadnené požiadavky jednotlivých prvkov a modulov. V schéme zapojenia DPS (Obr. 67) je zakomponovaný elektronický systém od snímačov až po bezdrôtový komunikačný modul. Schéma obsahuje konektory pre prepojenie s vývojovým modulom mikrokontroléra. Na Obr. 68 je topologický návrh obvodu.

Obr. 67 Schéma zapojenia systému snímania parametrov prostredia posádky automobilu

Obr. 68 Topologický návrh systému snímania parametrov prostredia posádky automobilu

1.3. Výroba obvodovej dosky

       Navrhnutý motív bol vygenerovaný do formátu .pdf a vytlačený atramentovou tlačiarňou
na priehľadnú fóliu. Pripravený hrubý prírez sklolaminátového substrátu typu FR4 bol po očistení
a odmastení, opláchnutý vodou a vysušený, ovrstvený aerosólovým fotocitlivým lakom POSITIV 20. Pre expozíciu bolo použité expozičné zariadenie s vlnovou dĺžkou 360-410 nm. Exponovaný motív bol vyvolaný v roztoku s koncentráciou 7 g NaOH na 1 l vody. Po opláchnutí bol motív leptaný roztokom 35 %-nej HCl, H₂0 a H₂O₂ v pomere 2:4:1 počas doby 10 min. Pred odvrstvením fotocitlivej vrstvy boli odvŕtané otvory pre osadenie prvkov. Nasledovalo chemické pocínovanie
a aplikácia ochranného spájkovacieho laku - FLUX SK 10. Jeho úlohou je zabrániť oxidácii vodivých dráh a zlepšiť spájkovateľnosť. Po vyrobení DPS bola na jej kontakty nanesená spájkovacia pasta a následne bola osadená súčiastkami. Niektoré súčiastky boli z jednej strany prispájkované a na protiľahlej strane podlepené elastomérom, kvôli vyššej mechanickej pevnosti  [52].

1.4. Oživenie obvodovej dosky

       Vývojová doska po vyrobení bola premeraná multimetrom pre prípadne skraty spôsobené spájkou pri osadzovaní súčiastok na vývojovú dosku. Počas oživovania vývojovej dosky bol zistený konflikt na sériovej zbernici, nakoľko túto využíva aj USB prevodník. Praktickejšie je preto použiť virtuálny sériový port pre ďalšie zariadenie. V tomto prípade je počas programovania port hardvérovo prepínaný.

       Počas oživovania komunikácie so senzormi nastal konflikt s kompatibilitou knižníc snímačov pripojených na I²C zbernicu. Problém vznikol pravdepodobne s použitím globálnych premenných. Problém bol vyriešený zámenou snímača SHT11 za SHT21 s inou definíciou knižníc.      

Obr. 69 Obvodová doska systému z vrchnej (vľavo) a spodnej strany (vpravo)

       Externý snímač teploty a snímač koncentrácie alkoholu sú pripojené prostredníctvom prepojovacieho káblu.

1.5. Výstupné grafické rozhranie

       Grafické rozhranie bolo realizované v softvérovej aplikácii LabWindows. Sofvérový prostriedok na zobrazovanie nameraných výsledkov obsahuje grafický panel, na ktorom sú rozmiestnené nastavovacie objekty (NUMERICTHERMOMETER a NUMERICTANK), ktoré sú prepojené
s jednotlivými meracími snímačmi. V ľavom hornom rohu je možnosť výberu požadovaného sériového portu. Pod výberom portu sa nachádza prepínač (switch), ktorým sa zapína a vypína hlavný program. Pod prepínačom je umiestnený virtuálny Timer, ktorý zabezpečuje časovanie načítavania dát. Je nastavený na hodnotu 0,5 s. Na pravo od ovládacích prvkov sú objekty na zobrazenie nameraných hodnôt teploty, vlhkosti vzduchu a atmosférického tlaku, ako posledný je umiestnený  objekt s názvom MQ-3 znázorňujúci koncentráciu alkoholu. V spodnej časti panela sa nachádza 7 objektov zobrazujúcich 7 pásmových priepustí s frekvenciami v akustickom frekvenčnom spektre (63, 160 a 400 Hz, 1, 4,5, 6,25 a 16 kHz), ktorých signál je sledovaný detektorom špičkovej úrovne. V spodnom rohu vpravo je umiestnené tlačidlo s názvom QUIT pre končenie programu a zatvorenie panelu.

Obr. 70 Panel grafického rozhrania v aplikácii LabWindows.

       Na zobrazenie nameraných hodnôt v softvérovom prostriedku LabWindows bolo potrebné vytvoriť podprogram na separáciu načítaných hodnôt a ich priradenie jednotlivým panelom. Každá nameraná hodnota v zdrojovom kóde nahratom v mikrokontroléri bola označená označovacím znakom reťazca, pre správne priradenie hodnoty v zobrazovacom paneli aplikácie LabWindows. Po výpise hodnoty mikrokontrolér načíta oddeľovací znak (bodkočiarku), ktorý oddelí prvú nameranú hodnotu od druhej hodnoty. V aplikácii LabWidows boli dáta načítané do buffera typu char. Následne funkciou GetInQLen bola zistená dĺžka načítaného reťazca. Pre výpis hodnôt v paneloch bolo potrebné konvertovať dáta pomocou funkcie atof z buffera typu string na hodnoty typu double.

1.6. Princíp činnosti aplikácie

       Princíp činnosti aplikácie je zobrazený na vývojovom diagrame na Obr. 71. Podrobný popis je uvedený v elektronickej prílohe na CD, kde je zobrazený zdrojový kód aplikácie. V úvode je uvedená inicializácia premenných, potrebných pre činnosť programu. Nasleduje nastavenie registrov a sériového portu. Po nastaveniach nasleduje inicializácia spektrálneho analyzátora MSGEQ7. Nadväzujúca hlavná slučka začína načítaním nameraných dát prostredníctvom sériových komunikačných zberníc. V prípade, že je alkoholový snímač inicializovaný, program pokračuje meraním koncentrácie alkoholu v atmosfére. V závere je zaradená slučka vyhodnotenia periódy.

Obr. 71 Vývojový diagram systému snímania vybraných environmentálnych parametrov

Zdrojový kód, knihovny a obslužný program si můžete stáhnout zde.