Inteligentní číslicový teploměr

Inteligentní číslicový teploměr
ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE
FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ
KATEDRA MĚŘENÍ
Bakalářské studium
2006 – 2010
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
Miroslav Bambas
Inteligentní číslicový teploměr
Praha 2010
Vedoucí bakalářské práce:
Ing. Jan Staněk
CZECH TECHNICAL UNIVERSITY IN PRAGUE
FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING
DEPARTMENT OF MEASUREMENT
Bachelor Full-Time Studies
2006 – 2010
BACHELOR THESIS
Miroslav Bambas
Inteligent Digital Thermometer
Prague 2010
The Bachelor Thesis Work Supervisor:
Ing. Jan Staněk
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl
veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o
dodržování etických principů při přípravě vysokoškolských závěrečných prací.
V Praze dne …………………
………………………….
Podpis autora práce
Abstrakt
Tato bakalářská práce se zabývá návrhem a realizací číslicového
teploměru na univerzální programovatelné desce. Tento teploměr je vyvinut
pro firmu FLEA s.r.o. Vytvořený inteligentní teploměr bude jedním
z komponentů systému regulace domácího vytápění.
Abstract
This bachelor work engages design and realization of digital
thermometer on universal programmable PCB. This thermometer is developed
for company FLEA s.r.o. This inteligent thermometer will be part of home
heating regulator system.
1
ÚVOD ........................................................................................................ 7
2
Vlastní návrh teploměru ............................................................................. 8
2.1
2.1.1
jednovodičová sběrnice dallas ...................................................... 9
2.1.2
I2C ................................................................................................. 9
2.1.3
Princip přenosu ........................................................................... 10
2.1.4
Sběrnice RS 232 ......................................................................... 12
2.1.5
sběrnice RS 485 .......................................................................... 12
2.2
3
Použité sběrnice ................................................................................... 9
napájení - impulzní napájecí zdroj ..................................................... 14
Použité obvody a součástky ..................................................................... 17
3.1
Napájecí obvod - LM2574M -5 ......................................................... 17
3.2
Přijímač/vysílač RS 485 - MAX485 .................................................. 18
3.3
watchdog – max690ACSA ................................................................ 19
3.4
DC/DC - aimtec 0505SZ .................................................................. 21
3.5
Optočlen - 6N137 .............................................................................. 21
3.6
Teplotní čidlo dallas - 18B20 ........................................................... 22
3.7
EEPROM – ATMEL742 ................................................................... 23
3.8
Přepínač ............................................................................................. 23
3.9
LED display ....................................................................................... 24
3.10
Mikroprocesor.................................................................................... 26
3.11
Celkové náklady ................................................................................ 28
4
Zhodnocení ............................................................................................... 31
5
Použité zdroje ........................................................................................... 32
6
Seznam obrázků ....................................................................................... 33
Příloha A.............................................................................................................. I
Příloha B ............................................................................................................. II
Příloha C ........................................................................................................... IV
1 ÚVOD
Instalace technologií do nových nebo již stávajících staveb je
perspektivně rostoucím oborem již několik let. Propojením jednotlivých
systémů budovy získáme dům, který můžeme nazývat inteligentní. Ten má za
úkol nejen zpříjemnit pobyt v něm, ale učinit ho levnější a bezpečnější.
Z tohoto výčtu je patrné, že inteligentní dům by neměl pouze řídit
audiovizuální techniku, jak se mnoho lidí domnívá, ale má za úkol regulovat a
řídit vytápění a klimatizaci, ohřev vody, osvětlení, bezpečnostní a komunikační
systémy atd. Nesmíme zapomínat na přípravu domu do budoucnosti, aby
případné změny bylo možné provést rychle a bez stavebních prací.
Tato bakalářská práce se zabývá vývojem a výrobou univerzálního
teploměru, který bude součástí regulace vytápění. Teploměr je určen pro firmu
FLEA s.r.o., která se zabývá vývojem, prodejem a instalací v inteligentních
budovách.
7
2 VLASTNÍ NÁVRH TEPLOMĚRU
Při
návrhu vlastního teploměru jsou kladeny nároky zejména na
velikost plošného spoje. Teploměr se musí vejít do krabičky, a proto má plošný
spoj rozměry 85x45mm. Dalším omezením je vlastnoruční pájení. Z těchto
důvodů bude teploměr osazen zejména součástkami v provedení SMD a pro
rezistory a kondenzátory pouzdra 805, která se lépe čtou a pájí.
S vnějším prostředím deska komunikuje přes sběrnici RS485 a
informace dokáže uživateli zobrazit na LED display. Vnitřní komunikace
s teplotním čidlem probíhá po jednovodičové sběrnici Dallas. S pamětí typu
EEPROM komunikuje po I2C.
Celá deska je napájena zdrojem stejnosměrného napětí 24V. Proto
deska musí obsahovat obvod pro změnu a stabilizaci napájecího napětí na 5V.
Také je důležité galvanicky oddělit RS485 od zbytku desky.
Zjednodušené blokové schéma na obrázku Obr. 2.1 zobrazuje celkový
pohled na teploměr. Splňuje všechny výše uvedené požadavky a rozděluje
práci na dílčí části, které jsou popsány dále.
8
Obr. 2.1 Blokové schéma teploměru
2.1 Použité sběrnice
V této bakalářské práci je použito několik různých datových sběrnic.
Pro EEPROM paměť je to I2C sběrnice, teplotní čidlo má svou vlastní
jednovodičovou sběrnici Dallas. Pro naprogramování mikroprocesoru slouží
RS 232 a po RS 485 komunikuje deska s centrální jednotkou. Dále teploměr
obsahuje dva předem nedefinované vstupy/výstupy.
2.1.1
jednovodičová sběrnice dallas
Sběrnice 1Wire, navržená firmou Dallas Semiconductor, umožňuje
připojit několik zařízení k řídící jednotce prostřednictvím pouze dvou vodičů.
Sběrnice má jeden řídící obvod (master) a jeden či více ovládaných zařízení
(slave). Všechny obvody jsou zapojeny na společnou zem a paralelně na
společný datový vodič. Bližší informace jsou v datasheetu [9].
2.1.2
I2 C
Zkratka I2C vznikla ze slovního spojení Internal-Integrated-Circuit Bus.
Jedná se o interní datovou sběrnici, vyvinutou firmou Philips před dvaceti lety.
Jedná se především o mikrokontroléry, sériové paměti, inteligentní LCD, audio
a video obvody, a/d a d/a převodníky a některé další digitálně řízené obvody.
9
Hlavní výhoda této sběrnice je použití pouze dvou vodičů a to SDA (serial
data) a SCL (serial clock). V základní verzi jsou obvody adresovány 7bitově a
v rozšířené verzi 10bitově. To umožňuje připojení 128 respektive 1024 čipů s
různou adresou na jednu společnou sběrnici. V praxi jsou tato čísla však
podstatně nižší, protože adresa čipu většinou nelze určit plnými 7 (10) bity ale
třeba jen třemi. Někdy nelze určit vůbec a je pevně stanovena pro daný typ
čipu – takový čip tedy může být na jedné větvi sběrnice maximálně jeden.
Přenosová rychlost sběrnice je pro většinu aplikací dostatečná i v základní
verzi, kde je frekvence hodin 100kHz. Ve vylepšených verzích to může být
400kHz nebo 1MHz, ale ne všechny intergované obvody tuto verzi podporují.
Rychlost přenosu pak musí být přizpůsobena pochopitelně "nejpomalejšímu"
čipu na sběrnici. Oba vodiče musí být implicitně v logické jedničce a to je
zajištěno pull-up rezistory. Jejich odpory mají hodnotu v řádech jednotek
kiloohmů. Čím vyšší je komunikační frekvence, tím nižší musí být hodnoty
těchto odporů. Pro 100kHz postačuje 4k7.
Obr. 2.2 Možné propojení jednotlivých IO
2.1.3
Princip přenosu
Jeden z integrovaných obvodů (většinou mikrokontrolér) je nastaven
jako MASTER a všechny ostatní obvody jsou SLAVE. Obvody se dají zapojit i
jako tzv. multi-master, kdy je čipů master několik.
Master při jakémkoli přenosu generuje hodinový signál na vodiči SCL.
Když jeden čip vysílá, přijímají všechny ostatní a pouze podle adresy určují,
zda jsou data určena jim. Čip, který chce vyslat/přijmout data musí nejprve
10
definovat adresu čipu, s kterým chce komunikovat a zda půjde o příjem nebo
vysílání - tedy o čtení nebo zápis. To určuje R/W (read/write) bit, který je
součástí adresy. (Ze zdroje [5])
Protokol I2C rozeznává několik předem definovaných bloků:
x
Stav klidu - Je zajištěn logickými jedničkami na obou vodičích, master
tedy negeneruje hodinový signál a neprobíhá žádný přenos. Logické
jedničky jsou na obou vodičích zajištěny pull-up rezistory, takže
klidový stav nastane i pokud jsou výstupy obvodu master ve stavu
vysoké impedance.
x
Start bit - Zahajuje přenos nebo jeho další část. Je vygenerován tak, že
se změní úroveň SDA z 1 na 0 zatímco je SCL v logické 1.
x
Stop bit - Ukončuje přenos. Je vygenerován podobně jako start bit.
Logická úroveň SDA se změní z 0 na 1 zatímco je SCL v logické 1.
Stop bit může být generován pouze po "nepotvrzení přenosu", tedy
pouze po přijmutí Ack v logické 1.
x
Přenos dat - Data jsou přenášena po 1B tedy 8 po sobě jdoucích bitů od
nejvyššího po nejnižší. Při přenosu dat se může logická úroveň na SDA
měnit pouze pokud je SCL v logické 0. Při každém pulzu na SCL je
přenesen jeden bit.
x
Potvrzující bit Ack (acknowledge) - Tento bit slouží k potvrzení
správného přijmutí dat. Ack bit se odesílá stejným způsobem jako by
se odesílal devátý bit dat, ale s tím rozdílem, že ho generuje čip, který
přijímal (přijímač) a nikoliv ten, který data odesílal. Pokud přenos
proběhne v pořádku, tak odešle logickou 0. Logická 0 potvrzujícího
bitu znamená rovněž to, že je přijímač připraven na příjem dalšího
bytu, který následuje okamžitě po něm při dalším pulzu na SCL. Pokud
přenos selhal odešle logickou 1. Nebo pokud má dojít k ukončení
přenosu, tak "neodešle nic". Pull-up rezistor pak zajistí, že bude na
SDA logická 1 a Ack bit (v logické 0) odešle vysílač. (Ze zdroje [5])
11
Obr. 2.3 časový průběh signálů SDA a SCL
2.1.4
Sběrnice RS 232
RS 232 je rozhraní pro přenos informací vytvořené původně pro
komunikaci dvou zařízení do vzdálenosti 20 m. Pro větší odolnost proti rušení
je informace po propojovacích vodičích přenášena větším napětím, než je
standardních 5 V. Přenos informací probíhá asynchronně, pomocí pevně
nastavené přenosové rychlosti a synchronizace sestupnou hranou startovacího
impulzu.
Úroveň
Log. L
Log. H
Nedefinovaný
2.1.5
Vysílač
+5V až +15V
-5V až -15V
Přijímač
+3V až 25V
-3V až -25V
-3V až +3V
sběrnice RS 485
Sběrnice RS 485 používá pro každý signál jedno „Twistedpair“ (TP)
vedení tj. 2 vodiče smotané kolem sebe. Jedná se o tzv. Differential voltage
transmission. Jednoduše řečeno, je-li jeden vodič A, druhý B a signál je
neaktivní, je napětí na A záporné a na B kladné. V opačném případě, signál je
aktivní, je A kladné a B záporné. Jedná se o rozdíl čili diferenci mezi vodiči A
a B. Délka vedení může být až 1200 metrů.
RS 485 se používá pro multipoint komunikaci, více zařízení může být
připojeno na jedno signálové vedení. Většina RS 485 systémů používá
Master/Slave architekturu, kde má každá slave jednotka svojí unikátní adresu a
odpovídá pouze na jí určené pakety. Tyto pakety generuje Master (například
12
PC) a periodicky obesílá všechny připojené slave jednotky. RS 485 má 2
provedení single a double TP.
Při použití single Twistedpair jsou všechna zařízení připojena na pouze
jeden Twistedpair. Všechna zařízení musí mít třístavové budiče (včetně
Master). Komunikace probíhá po tomtéž vedení v obou směrech. Je tedy
důležité, aby nezačalo vysílat více zařízení najednou, což je softwarová
záležitost.
Pokud použijeme Double Twistedpair, pak Master nemusí mít
třístavový výstup, protože Slave zařízení vysílají do druhého Twistedpairu,
určeného pro komunikaci od slave zařízení k masteru. Toto řešení často
umožňuje implementovat multipoint řešení v systémech ,které byly původně
(jak HW, tak i SW) určeny pro RS 232. Samozřejmá je ovšem nutnost úpravy
Master software tak, aby obesílal všechny Slave zařízení dotazovacími pakety.
Zřejmé je také zvýšení datové propustnosti při větších objemech dat.
2.1.5.1 Výhody a nevýhody
Pro základní zapojení RS 422/485 systému potřebujeme IO budič s
diferenciálními výstupy a IO přijímač s diferenciálními vstupy. Do
přenosového vedení se indukuje šum a rušení. Protože se však signál přenáší
twisted párem vodičů jdoucích stejnou trasou, je napěťová diference (rozdíl
napětí mezi A a B) tohoto rušení téměř nulová. Vzhledem k diferenciální
funkci vstupního zesilovače RS 422/485 přijímače je toto rušení eliminováno.
Platí to také pro přeslechy ze sousedních vodičů, a pro jakékoli jiné zdroje
šumů, dokud nejsou překročeny napěťové hranice vstupních obvodů
přijímacího IO. Diferenciální vstup také eliminuje rozdíl zemních potenciálů
vysílače a přijímače. Tato vlastnost je velmi důležitá pro komunikaci mezi
různorodými systémy, kde by jinak vznikaly veliké problémy např. pro různé
zdroje napájecího napětí atd.. Použití Twistedpair kabelů a korektní terminace
(pro eliminování odrazů) dovoluje rychlost přenosu dat vetší než 10Mbit/s a
délky kabelů až 1 Km.
13
Všechny tyto výhody přinášejí i několik nevýhod. Z důvodu vyšší
složitosti jsou integrované obvody pro RS 485 poněkud dražší . Vyšší rychlost
přenosu dat vyžaduje korektně zapojenou a přizpůsobenou terminaci vedení,
což způsobuje problém u zapojení, kde se mění počet připojených zařízení.
Poslední nevýhodou je nutnost použití Twistedpair vodičů. (Podle zdroje [3])
2.2 napájení - impulzní napájecí zdroj
Důvody pro používání impulzních napájecích zdrojů jsou hlavně
významná hmotnostní a objemová úspora, vyšší energetická účinnost a menší
problémy s chlazením. Základní princip propustného měniče je na obrázku
Obr. 2.4.
Obr. 2.4 Princip propustného měniče
„V části periody Ta je spínač S1 sepnut a S2 rozepnut, v části periody Tb
jsou oba spínače v opačné poloze. Na konci intervalu Ta je na induktoru napětí
uLa:
‫ݑ‬௅௔ ൌ ‫ݑ‬௜ െ ‫ݑ‬௖ ൌ ‫ݑ‬௜ െ ‫ݑ‬௢
Proud na konci intervalu Ta, tekoucí cívkou L bude:
݅௅௔ ൌ
௨ಽಲ ή்ೌ
௅
൅ ݅௢௔ ൌ
ሺ௨೔ ି௨ή೚ ሻή்ೌ
௅
൅ ݅௢௔
Podobně i energie magnetického pole v induktoru na konci intervalu Ta:
ܹ௔ ൌ
ͳ
ଶ
ή ‫ ܮ‬ή ݅௅௔
ൌ ȟܹ௔ ൅ ܹ௔௢
ʹ
kde Wao je energie na počátku intervalu. Během intervalu Tb se indukuje napětí
na cívce opačné polarity, doplní se náboj na C a proud i Lb na konci intervalu Tb
je:
14
௨೚ ή்್
݅௅௕ ൌ െ
൅ ݅௢௕
௅
a energie na konci intervalu Tb je: ܹ௕ ൌ ȟܹ௕ ൅ ܹ௕௢ protože v ustáleném stavu
platí:
ȟܹ௔ ൌ ȟܹ௕
௨೔ ି௨೚
ȟܹ௔ ൌ
௅
௨೚
ȟܹ௕ ൌ
௅
(2.1)
ή ܶ௔
ή ܶ௕
(2.2)
Dosadíme-li 2.1 do 2.2 a vypočítáme uo:
‫ݑ‬௢ ൌ ‫ݑ‬௜
்
்ೌ
ೌ ା்್
ൌ ‫ݑ‬௜ ή ݇
kde k je pracovní činitel spínání spínačů S1 a S2. Protože k ≤ 1, bude u
tohoto měniče vždy platit: ‫ݑ‬௢ ൑ ‫ݑ‬௜ . Roste-li výstupní proud, roste i proud
vstupní. Překročí-li se mez kdy akumulace induktoru nestačí krýt odběr, začíná
se induktor přesycovat. To má za následek prudký růst proudu což ohrožuje
zejména spínač S1.
Při snižování výstupního proudu pod min. hodnotu Iomin začíná být
proud induktorem během Tb přerušovaný. Z této meze můžeme vypočítat
požadovanou minimální hodnotu induktoru Lmin
‫ܫ‬௢௠௜௡ ൌ
௜ಽೌ
ଶ
ଵ ௨೚
ൌ ή
ଶ
௅
ή ܶ௕
(2.3)
Ze vztahu 2.3 vypočítáme minimální indukčnost:
‫ܮ‬௠௜௡ ൒
‫ݑ‬௢
ήܶ
ʹ‫ܫ‬௢௠௜௡ ௕
Praktické zapojení propustného měniče obvykle místo spínače S2
používá speciální rychlou diodu. Podle polarity vstupního napětí a polarity
diody se jedná o pozitivní nebo negativní propustný měnič (Buck Convertor).
na obrázku Obr. 2.4 je čárkovaně naznačená dioda pro pozitivní propustný
15
měnič. Někdy se toto spojení nazývá zapojení se společnou diodou.“ (Vysoký,
2005, s.198 [4])
16
3 POUŽITÉ OBVODY A SOUČÁSTKY
3.1 Napájecí obvod - LM2574M -5
Jako vhodný napájecí zdroj byl vybrán obvod LM2574M-5.0. Jedná se
o monolitický integrovaný obvod, který poskytuje veškeré aktivní funkce pro
step down (buck) spínaný regulátor, který je schopen zátěže až 0,5 A. Má
pevné výstupní napětí 5V ±4%. Na obrázku Obr. 3.1 je pouzdro M14B
s popsanými piny a na obrázku Obr. 3.2 je schéma použité na desce.
Obr. 3.1 Pouzdro LM2574
D10 a D11 jsou ochranné prvky. Transil je polovodičový prvek sloužící
k ochraně před napěťovými špičkami. Celý teploměr je napájen 24 V, ale
LM2574 zvládá až +40 V, takže postačí transil na 36 V. Induktor L1 má
330 μH, což je doporučená hodnota z katalogu a dioda D12, je rychlá
Shottkyho dioda.
Obr. 3.2 Schéma LM2574 s externími prvky
17
Správná činnost napájecího obvodu je indikována LED diodou D8,
která v případě připojeného napájení svítí zeleně.
Obr. 3.3 Indikační LED připojeného napájení
3.2 Přijímač/vysílač RS 485 - MAX485
Na Obr. 3.4 MAX485 a ochrané obvody sběrnice RS485 je schéma
převodníku na RS 485 pomocí IO MAX485 od firmy Maxim. Kvůli úspoře
místa na desce je vybráno pouzdro μMAX a jednotlivé piny jsou popsány níže
(Tab. 3.1).
3
RO
4
RE
5
DE
6
DI
7
8
1
2
GND
A
B
Vcc
Receiver Output Pokud je A>B o 200mV je RO v high,
opačně je RO v low.
Receiver Output Enable. RO je funkční pokud je RE v low,
jinak je ve stavu vysoké impedance.
Driver Output Enable V high je povolen výstup zařízení.
V low se nachází ve stavu vysoké impedance.
Driver Input DI v low způsobí, že A je také v low a B je
v high, jinak opačně.
Zem
Neinvertující vstup přijímače a výstup zařízení
Invertující vstup přijímače a výstup zařízení
Napájení 4,75V ≤ Vcc ≤5,25V
Tab. 3.1 Definice pinů MAX485
Max485 a všechny pasivní součástky v schématu (Obr. 3.4) jsou
galvanicky oddělené od zbytku desky pomocí optočlenů 6N137 (kapitola 3.5) a
také napájení pomocí DC/DC konvertoru AIMTEC 0505SZ (kapitola 3.4).
Transil D7 a diody D6, D9 jsou ochranné prvky, které brání překročení
povoleného napětí. Rezistory R31, 34 a 35 vytváří odporový dělič. Ten určuje
18
dané logické úrovně. Aby na sběrnici mohlo být zároveň až 30 teploměrů, je
zvolen vyšší terminační odpor R34. Tím se sice sníží maximální délka
sběrnice, ale pro použití teploměru je to dostačující.
Obr. 3.4 MAX485 a ochrané obvody sběrnice RS485
3.3 watchdog – max690ACSA
Všechny mikroprocesory je vhodné chránit proti nedefinovaným
stavům programu i proti možnému rušení na sběrnici. Zároveň po připojení
napájecího napětí vyžadují mikroprocesory resetovací impuls, díky němuž
dochází k inicializaci vnitřních registrů a zabránění nechtěnému běhu
programu. Bez resetu by mohla nastat situace, že se procesor pokusí o práci
dokonce i v případě, kdy nedošlo k ustálení zdroje nebo hodinového kmitočtu a
nastala by zcela nepředvídatelná situace. Pro tento požadavek existuje speciální
hardware, který sleduje činnost mikrořadiče. Nejčastěji čítá impulsy posílané
procesorem. Pokud nedostane po určitou dobu impuls, resetuje procesor, který
se tak dostane do definovaného stavu.
Existuje samozřejmě jednoduché a levné řešení. Umožňuje základní
výrobu negovaného resetovacího signálu pro daný procesor. Avšak má určitá
omezení, především v podobě nepřesných napěťových hladin a časování. Toto
řešení je znázorněno na Obr. 3.5. (Podle [1])
19
Obr. 3.5 Princip jednoduchého watchdogu
Pro aplikaci je zvolen obvod MAX690ACSA. Hlavní předností je
dostupnost a přijatelná cena. Pracuje v rozmezí teplot 0–70 °C, což nevadí,
protože celá deska je vyrobena na používání v pokojové teplotě a ne v
extrémních podmínkách. Dále následuje tabulka (Tab. 3.2) s popisy pinů.
Výstupní napájení CMOS RAM. Pokud je Vcc nad prahem
1
VOUT
resetování, Vcc se připojí na VOUT přes P kanál MOSFETu.
Když je Vcc pod prahem resetování, tak vyšší z napětí Vcc nebo
VBATT se připojí k VOUT.
2
VCC
3
GND
Napájecí napětí +5V.
Zem
Power Fail Comparator Input. Pokud klesne PFI pod 1,25V,
4
PFI
pak signal PFO jde na LOW. Když se signál nepoužije, připojí
se PFI k VCC nebo k GND.
Power Fail Output. Zůstává HIGH dokud PFI neklesne pod
5
PFO
6
WDI
1,25V.
Watchdog Input. Pokud WDI zůstane v HIGH nebo LOW po
dobu delší než 1,6s, vnitřní časovač přeteče a spustí reset.
Reset Output. Pokud je reset spuštěn, vyšle puls LOW po dobu
7
RESET
200ms. Zůstává LOW, pokud VCC klesne pod 4,65V a dále
200ms po vrácení napětí nad 4,65V.
Vstup záložní baterie. Pokud VCC klesne pod VBATT přepne se
8
VBATT
VBATT k VOUT. Před náhodným přepínáním je zde hystereze
40mV.
Tab. 3.2 Popis pinů MAX690
20
Na Obr. 3.6 je znázorněno rozložení pinů v pouzdře SO8. Vlastní
obvodové řešení je na obrázku Obr. 3.7. Odpory R12, R13, R17 a R37 jsou
pull-up rezistory, které zajišťují definovanou hodnotu v logické jedničce a také
určují maximální proud tekoucí otevřeným kolektorem, zároveň ovlivňují
spotřebu přístroje. R7 a R16 tvoří odporový dělič. Pokud klesne napájení desky
pod přibližnou hranici 7V, signál PFO bude v LOW. Záložní baterie není
připojena, protože výpadek napájení se zjistí včas díky signálu PFO. K WDI je
připojen časovač mikroprocesoru T1, který zajišťuje resetování vnitřního čítače
watchdogu.
Obr. 3.6 Pouzdro MAX690
Obr. 3.7 Připojení watchdogu k mikroprocesoru
3.4 DC/DC - aimtec 0505SZ
Pro galvanické oddělení napájení u sběrnice RS 485 slouží převodník
DC/DC, který převádí 5V na 5V až do výkonu 1 Wattu.
3.5 Optočlen - 6N137
21
Pro zajištění galvanického oddělení
je použito optoelektrických
vazebních členů (optočlenů). S ohledem na cenu, dostupnost, velikost
izolačního napětí a kmitočet jsem zvolil obvod 6N137 (datasheet [10]). Jedná
se o optočlen schopný přenést až 10 MB/s. Má vhodný proudový přenosový
činitel (CTR) a izolační napětí
2500Vrms. Vnitřní zapojení je vidět na
následujícím obrázku (Obr. 3.8).
Obr. 3.8 Vnitřní zapojení optočlenu
Obr. 3.9 Detail galvanického oddělení RS485
3.6 Teplotní čidlo dallas - 18B20
Vlastní funkci měření teploty provádí číslicový teploměr od firmy
Dallas. Je schopný měřit teploty v rozsahu -55 °C až +125 °C s přesností
22
0,5 °C. Každé zařízení má svůj jedinečný sériový kód a komunikuje po
jednovodičové sběrnici Dallas. Bližší specifikace komunikace s teploměrem je
popsána v datasheetu obvodu [9].
3.7 EEPROM – ATMEL742
K mikroprocesoru je připojena dvoudrátová sériová EEPROM paměť
ATMEL742 24C16AN,
která
obsahuje 16 Kb.
Pamět
komunikuje
s mikroprocesorem po sběrnici I2C (kapitola 2.1.2) a může být napájena
v rozmezí 1,8 až 5,5V.
Pin SDA (serial data) slouží k přenosu dat po sériové lince a pin SCL
(serial clock input) přenáší synchronizační signál. Paměť nabízí možnost
ochrany proti zápisu WP (write protect), která je nevyužita (Obr. 3.10). Dále je
vidět, že identifikační adresa paměti je hardwarově nastavena na 000.
Nastavení je provedeno adresovacími piny A0, A1 a A2, které jsou přivedeny
na zem. Maximální počet těchto pamětí na jedné sběrnici je 8.
Obr. 3.10 Pouzdro a zapojení paměti na desce
3.8 Přepínač
Na desce je osazen DIP spínač s 8 kontakty, který určuje adresu
zařízení. Vlastní připojení k mikroprocesoru (Obr. 3.11) je na bráně P2
provedeno přes rezistorovou síť pro nastavení logické úrovně.
23
Obr. 3.11 Připojení přepínače k mikroprocesoru
3.9 LED display
Pro
zobrazení
aktuální
teploty
a
stavu
teploměru
slouží
sedmisegmentový dvoumístný LED display se společnou anodou. Na Obr. 3.12
je vidět rozložení jednotlivých segmentů. Existuje několik možných způsobů
zapojení.
1. Každý pin přímo připojit k mikroprocesoru.
Tato možnost je sice nejjednodušší, ale zabírá příliš mnoho pinů
mikroprocesoru.
2. Použít některý ze sériových posuvných registrů, například
74HCT595.
Tato varianta se zdá být nejlepší. Uspoří nejvíce pinů
mikroprocesoru, avšak použití dalších integrovaných obvodů
znamená zvýšení výrobních nákladů a zvětšení desky plošného
spoje.
3. Paralelní zapojení obou čísel a přepínání mezi nimi pomocí
dvou PNP tranzistorů.
24
Na desce je použita tato varianta (Obr. 3.13). Odpory R52 a R53
určují proud tekoucí do báze PNP tranzistorů. Zbývající odpory
slouží k definování proudu tekoucí LED diodami. Vlastní
zobrazení bude probíhat střídáním jednotlivých čísel pomocí
spínacích tranzistorů.
Obr. 3.12 Popis LED displaye
Obr. 3.13 Zapojení a ovládání LED diplaye
25
3.10 Mikroprocesor
Základní částí, která dělá tento teploměr opravdu univerzálním je
mikroprocesor. Ze zadání je použit mikroprocesor AT89C51ED2 od firmy
Atmel. Jedná se o osmibitový procesor zajišťující provádění uživatelského
programu a realizaci řídících algoritmů. Všechny periferie jsou na
mikroprocesor připojeny přímo nebo přes sběrnice. Celý teploměr je
konstruován pro tento typ mikroprocesoru. Po dokončení návrhu plošného
spoje se firma rozhodla pro použití jiného mikroprocesoru se stejnými
vlastnostmi, který je však čtyřikrát levnější. Z tohoto důvodu bylo rozhodnuto
osazovat teploměry mikrokontroléry 89S52 od stejné firmy, a to
Atmel.
Porovnání jednotlivých vývodů je názorně vidět na Obr. 3.14 a Obr. 3.15 .
Z obrázků je patrné, že až na první tři piny jsou zcela shodné, proto nadále
nebudou rozdělovány. Podrobnější informace se dají nalézt v katalogových
listech výrobce a jsou přiloženy v příloze [11] a [12].
Obr. 3.14 Rozložení pinů AT89C51ED2
26
Obr. 3.15 Rozložení pinů AT89S82
27
Problémy s odlišným způsobem programování jsou vyřešeny jedním
zkratovacím odporem R56 (Obr. 3.16), který zaměňuje signál MOSI za signál
Obr. 3.16 Programování mikroprocesoru
PSEN. K bráně P0 je připojen LED display a ovládán pomocí P3.5 a P3.6.
Přepínač určující adresu zařízení je na bráně P2. Mikroprocesor pracuje na
frekvenci 11,0592MHz, což zajišťuje krystalový oscilátor. K pinům P1.2 a
P1.3 je připojena dvojdioda se společnou katodou, která zobrazuje stav
teploměru.
3.11 Celkové náklady
Neméně důležitá část každého vývoje je spočítat celkové náklady na
výrobu výrobku. V Tab. 3.3 je seznam jednotlivých komponentů s množstvím
a cenou bez DPH. Díky změně mikroprocesoru je celková cena desky o 100,Kč levnější. Cena je samozřejmě pouze orientační a trochu nadsazená. Dále je
zapotřebí přičíst cenu za DPS 70,- Kč, krabičku za 222,- Kč a práci při
28
osazování a kontrole desky 180,- Kč. Celkem 919,- Kč bez DPH. Tato cena je
maximální. V praxi se nemusí osadit všechny součástky a velmi často se
vynechává osazení LED displaye a přidružených komponentů.
29
Item Number
1
2
3
4
5
6
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Quantity
2
1
3
1
9
1
3
2
1
1
1
1
8
1
1
2
12
1
1
20
1
1
1
1
1
1
3
1
1
1
Value
Part Cost Tot Cost
22p
1,00
2,00
4.7nF
1,00
1,00
100nF
1,00
3,00
4.7uF
1,00
1,00
ruzne
1,00
9,00
dvojdioda
2,00
4,00
1N4007
1,00
3,00
transil
4,00
8,00
LEDG
1,00
2,00
schottky
1,00
1,00
LED_seg2
20,00
20,00
konektor6
3,00
3,00
WAGO233
8,00
64,00
330uH
13,50
13,50
npn
1,00
1,00
pnp
1,00
2,00
4K7
0,10
1,20
220
0,10
0,10
15k
0,10
0,10
470
0,10
2,00
prepinac_8
11,00
11,00
89S52
35,00
35,00
MAX690
40,00
40,00
24C16
6,50
6,50
krystal
10,00
10,00
DC/DC
50,00
50,00
6N137
13,00
39,00
MAX485
32,13
32,13
lm2574m
35,00
35,00
D18B20
47,50
47,50
Tab. 3.3 Celkové náklady
30
Part Reference
C10 C11
C12
C14 C17 C18
C15
C21 C23 R
D16
D6 D13 D10
D7 D11
D8
D12
D15
K1
K
L1
Q2
Q3 Q4
R
R14
R15
R
U2
U3
U4
U5
U6
U9
U10 U11 U13
U12
U15
U17
4 ZHODNOCENÍ
Cílem této bakalářské práce byl návrh a realizace inteligentního
číslicového teploměru. Schéma zapojení i návrh DPS bylo navrženo v prostředí
ORCAD a výsledné soubory jsou přiloženy na CD. Oproti zadání je možno
osadit jak mikroprocesor 89C51ED2, tak 89S52.
Celý teploměr je odzkoušen a použit při regulaci topení v Poliklinice
Tachov (http://www.poltc.cz/). V praxi se teploměr využívá bez LED displaye
a informace o teplotě a otevřených či zavřených oknech předává centrální řídící
jednotce.
Celé zapojení se ukázalo opravdu multifunkční. Po záměně čtečky čipů
Dallas za LED display se jednoduše získá zařízení schopné odemykání dveří
oprávněným osobám či „píchačky“ příchodu a odchodu do práce.
Jediný problém který se objevil je u programování mikroprocesoru.
Návrh je založen na předpokladu, že při resetu jsou všechny piny
mikroprocesoru ve stavu vysoké impedance. Tudíž signály sloužící
k naprogramování jednoho typu mikroprocesoru nebudou ovlivňovat ostatní.
Pro 89S52 jsou to signály MOSI, MISO a CLK, které jsou zároveň připojeny
k signálům pro 89C51ED2 Rx, Tx, PSEN. Podle typu procesoru se musí tyto
signály mechanicky přerušit, jinak se teploměr nedá naprogramovat.
31
5 POUŽITÉ ZDROJE
[1]
Hw.cz [online]. 1999 [cit. 2010-05-19]. WatchDog pro mikrořadiče
ATMEL. Dostupné z WWW:
<http://hw.cz/design/watchdog/wd_max_555.html>.
[2]
VEDRAL, Josef; FISHER, Jan. Elektronické obvody pro měřící
techniku. Praha : Vydavatelství ČVUT, 2004. 340 s.
[3]
Hw.cz [online]. 1998 [cit. 2010-05-20]. RS 485 & 422. Dostupné z
WWW: <http://hw.cz/Teorie-a-praxe/Dokumentace/ART821-RS485-422.html>.
[4]
VYSOKÝ, Ondřej. Elektronické systémy II. ČVUT v Praze : Česká
technika, 2005. Impulzní napájecí zdroje, s. 198.
[5]
Hw.cz [online]. 2000 [cit. 2010-05-20]. Stručný popis sběrnice I2C.
Dostupné z WWW: <http://hw.cz/design/i2c_pic/index.html>.
[6]
Maxim, MAX485 datasheet
[7]
Maxim, MAX690A-MAX805L datasheet
[8]
Aimtec, AM1S-Z datasheet
[9]
Dallas, DS18B20 datasheet
[10]
Fairchild, 6N137 datasheet
[11]
Atmel, 89C51ED2 datasheet
[12]
Atmel, 89S52 datasheet
[13]
VALEŠ, Miroslav. Inteligentní dům. Brno : ERA, 2006. 123 s. ISBN
80-7366-062-8.
32
6 SEZNAM OBRÁZKŮ
Obr. 2.1 Blokové schéma teploměru .................................................................. 9
Obr. 2.2 Možné propojení jednotlivých IO ...................................................... 10
Obr. 2.3 časový průběh signálů SDA a SCL .................................................... 12
Obr. 2.4 Princip propustného měniče ............................................................... 14
Obr. 3.1 Pouzdro LM2574 ............................................................................... 17
Obr. 3.2 Schéma LM2574 s externími prvky ................................................... 17
Obr. 3.3 Indikační LED připojeného napájení ................................................. 18
Obr. 3.4 MAX485 a ochrané obvody sběrnice RS485 ..................................... 19
Obr. 3.5 Princip jednoduchého watchdogu ...................................................... 20
Obr. 3.6 Pouzdro MAX690 .............................................................................. 21
Obr. 3.7 Připojení watchdogu k mikroprocesoru ............................................. 21
Obr. 3.8 Vnitřní zapojení optočlenu ................................................................. 22
Obr. 3.9 Detail galvanického oddělení RS485 ................................................. 22
Obr. 3.10 Pouzdro a zapojení paměti na desce................................................. 23
Obr. 3.11 Připojení přepínače k mikroprocesoru ............................................. 24
Obr. 3.12 Popis LED displaye .......................................................................... 25
Obr. 3.13 Zapojení a ovládání LED diplaye .................................................... 25
Obr. 3.14 Rozložení pinů AT89C51ED2 ......................................................... 26
Obr. 3.15 Rozložení pinů AT89S82 ................................................................. 27
Obr. 3.16 Programování mikroprocesoru ......................................................... 28
Obr. 5.1 Celkový pohled na přední stranu.......................................................... II
Obr. 5.2 Rozmístění součástek – přední strana .................................................. II
Obr. 5.3 DPS - přední strana .............................................................................. II
Obr. 5.4 Celkový pohled na zadní stranu ........................................................... II
Obr. 5.5 DPS - zadní strana ................................................................................ II
Obr. 5.6 Rozmístění součástek - zadní strana .................................................... II
Obr. 5.7 Zapojení celého teploměru ................................................................. III
33
Příloha A
CD
/bakalarska_prace
/Datasheets – katalogové listy k použitým součástkám
/Dokument – text práce ve formátu PDF
/Hardware – Návrh vlastního hardwaru
/Foto – přiložené fotografie
I
Příloha B
DPS
Tato příloha obsahuje schéma celého zapojení inteligentního teploměru
(Obr. 6.7) a pohledy na přední a zadní strany vyrobených DPS.
Obr. 6.1 DPS přední strana
Obr. 6.5 DPS - zadní
strana
Obr. 6.3 Rozmístění
součástek – přední
strana
Obr. 6.6 Rozmístění
součástek - zadní
strana
II
Obr. 6.2 Celkový
pohled na přední
stranu
Obr. 6.4 Celkový
pohled na zadní
stranu
Obr. 6.7 Zapojení celého teploměru
III
Příloha C
Obrazová dokumentace
IV
V
VI
VII
Was this manual useful for you? yes no
Thank you for your participation!

* Your assessment is very important for improving the work of artificial intelligence, which forms the content of this project

Download PDF

advertisement