SISTEM ZA NATANČNO MERJENJE PREOSTALEGA VOLUMNA VODE V REZERVOARIH GASILSKIH VOZIL

Transcription

1 UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO Martin Bevk SISTEM ZA NATANČNO MERJENJE PREOSTALEGA VOLUMNA VODE V REZERVOARIH GASILSKIH VOZIL DIPLOMSKO DELO VSŠ ŠTUDIJA Mentor: doc. dr. Matej Možek Ljubljana, junij 2016

2

3 ZAHVALA Lepo se zahvaljujem mentorju doc. dr. Mateju Možeku, da je z veseljem sprejel mentorstvo pri tem projektu diplomskega dela, ter za njegovo strokovno pomoč in potrpežljivost pri izdelavi tega projekta. Zahvala gre tudi moji družini, ki mi je stala ob strani v času študija, ter sodelavcem Zavoda za gasilno in reševalno službo Sežana, ki so z nasveti pripomogli k realizaciji projekta. Iskrena hvala vsem!

4

5 POVZETEK Diplomska naloga opisuje razvoj, izdelavo in realizacijo sistema za natančno merjenje volumna vode v rezervoarjih gasilskih vozil. Osnovna ideja delovanja sistema je zajeti podatke odklona rezervoarja iz vodoravne osi v smeri vožnje in v prečni smeri na vožnjo ter višino vodne gladine. Ti podatki se nato uporabijo pri izračunu volumna preostale vode v rezervoarju. Cilj naloge je bil izdelati elektronski sistem katerega osnova bo mikrokrmilnik, senzorji za zajem in pretvorbo tlaka ter odklona, podatki so prikazani na grafičnem prikazovalniku. Prvi del opisuje meritve višine tekočih medijev. Opredeljene so njihove lastnosti, prednosti in slabosti ter način uporabe kot del elektronskega sistema. Podani so tudi razlogi za uporabo principa na osnovi merjenja tlaka v tem sistemu. Drugi del je posvečen analizi zgradbe sistema. V njem so predstavljeni gradniki in podsklopi sistema ter nekatere njihove lastnosti. Ta del predstavlja tudi signale sistema, njihove lastnosti ter prilagoditve, katere so potrebne za povečanje odpornosti na napake. Tretji del predstavlja princip izračuna volumna z uporabo matematičnega principa določanja in rotacije točk v prostoru ter določitev ravnin prostora. Zadnji del opisuje zgradbo programa, ki se izvaja na mikrokrmilniku. Podrobno opredeljuje zgradbo mikrokrmilniškega sistema, ki je sposoben delovati po principu večopravilnosti in obdelovati podatke v realnem času. Zaključni nalogi je priložena shema ter načrtovano tiskano vezje sistema. KLJUČNE BESEDE mikrokrmilnik, inklinometer, senzor tlaka, rotacijska matrika, izračun volumna, obdelava podatkov v realnem času, prekinitvene rutine.

6 ABSTRACT This thesis describes the development of a system for accurate measuring volume of water in the reservoirs of fire vehicles. The basic idea is to capture the parallel and transverse inclinations of the reservoir to the vehicle trajectory from the horizontal axis and the water level height. The data are used in the calculations of the remaining volume of water in the reservoir. The goal of the project was to design an microcontroller based system that use sensors to capture and convert the pressure and inclination data and present calculated data on the graphic display. The first part describes the measurement of water level height. Described are characteristics, advantages and disadvantages of each measurement principle and its use as part of an electronic system. The second part is describes the analysis of system architecture. It presents the components, subsystems, and some of their properties. This section also presents the system signals, their characteristics and adjustments which are required to reduce signal interference. The third part presents the principle for calculation the volume using a mathematical principle of determining the rotation of points and the plains area in three dimension space. Last part describes the structure of the program running on the microcontroller. It specifies the structure that is able to operate on the principle of multi tasking and processing data in real time. Scheme and designed printed circuit board drawing of the system are located in the appendix. KEYWORDS microcontroller, inclinometer, pressure sensor, rotation matrix, volume calculation, real time data processing, interrupt routines

7 KAZALO VSEBINE 1. UVOD OBSTOJEČI PROIZVODI ZA MERITEV GLADINE VODE NA TRGU PROZORNA CEV MERJENJE S PLAVAJOČIMI ELEMENTI MERITEV NIVOJA Z VIBRIRAJOČIM SENZORJEM KAPACITIVNI SENZOR NIVOJA: SENZORJI NIVOJA NA PRINCIPU TLAKA ULTRAZVOČNI SENZORJI MIKROVALOVNI SENZORJI LASERSKI SENZORJI ZGRADBA SISTEMA ELEKTRONSKE KOMPONENTE SISTEMA MIKROKRMILNIK SENZOR TLAKA INKLINOMETER PRIKAZOVALNIK S TEKOČIMI KRISTALI SKLOPI ZA GENERACIJO NAPAJALIH NAPETOSTI SIGNALI V SISTEMU ANALOGNI SIGNALI SIGNALI INKLINOMETRA: DIGITALNI SIGNALI TAKT SIGNALA URE SIGNALI TIPK RES, T1, T2, T SIGNALI ISP PROGRAMATORJA VODILO SIGNALOV PRIKAZOVALNIKA S TEKOČIMI KRISTALI SIGNAL TLAKA GRADNJA PROTOTIPA SISTEMA IZRAČUN VOLUMNA DOLOČITEV KRAJNIH TOČK PROSTORA DOLOČITEV NAGIBA IN ZASUKA IZRAČUN NOVIH KRAJNIH TOČK... 19

8 4.4. IZRAČUN RAVNINE NIVOJA VODE IZRAČUN POLNEGA VOLUMNA POENOSTAVITEV IZRAČUNA VOLUMNA NAČRTOVANJE PROGRAMSKE ZGRADBE SISTEMA ČASOVNA PRIORITETA ZGRADBA PROGRAMA ZAČETNA INICIALIZACIJA PREKINITVENE RUTINE GLAVNA RUTINA BRANJE PODATKA SENZORJA NPA600B015D TESTIRANJE SISTEMA POSTAVITEV TESTNEGA OKOLJA REZULATATI IN UGOTOVITVE TESTIRANJA SISTEMA ZAKLJUČEK VIRI IN LITERATURA PRILOGE... 37

9 KAZALO SLIK Slika 1: Prikaz višine vodne gladine z prozorno cevjo Slika 2: Industrijski senzor, ki deluje na principu glasbenih vilic... 4 Slika 3: Bločni diagram senzorja NPA600B015D Slika 4: Gravitacijska celica in njen model... 9 Slika 5: Bločni diagram senzorja MMA7361L Slika 6: Bločna shema prikazovalnika MC41605A6W Slika 7: Napajanje sistema Slika 8: Časovni potek podatka senzorja tlaka Slika 9: Modul tlačnega senzorja in modul tipk Slika 10: Zgradba prototipnega vezja Slika 11: Oblika rezervoarja v vodoravni legi Slika 12: Slika rezervoarja, ki ga opišemo z rotiranimi točkami Slika 13: Presek ravnin rezervoarja in ravnine vode Slika 14: Prikaz računanja presekov ravnin Slika 15: Poenostavljena shema programa Slika 16: Podmeni izbire prikaza Slika 17: Potek in oblika signala tlaka Slika 18: Časovna razdelitev izvajanja rutine beri_tlak Slika 19: Testno okolje... 29

10

11 1 1. UVOD V času službovanja v operativnem sestavu gasilske enote Zavoda za gasilno in reševalno službo Sežana smo s sodelavci večkrat naleteli na potrebo po natančni določitvi količine vode v gasilskih vozilih. Ta informacija je pomembna tako pri prevozu pitne vode, kot tudi pri uporabi za gašenje požarov. Na intervencijah v naravnih in težko dostopnih območjih so rezervoarji gasilskih vozil edini vir vode.obstoječi sistemi za določitev količine vode v rezervoarjih gasilskih vozil gasilske enote Zavoda za gasilno in reševalno službo Sežana imajo predvsem dve pomanjkljivosti. Prva je način prikazovanja stanja vode. Količina vode v rezervoarju predstavljena z 9 svetlečimi diodami pri čemer zadnja dioda predstavlja prazen rezervoar. Tako je vsa količina vode predstavljena v stolpcu z 8 koraki. Vsak korak tako pomeni 1/8 rezervoarja kar pri 14 m 2 rezervoarju predstavlja kar 1, 75 m 2. Druga pomanjkljivost je posledica izbrane tehnike meritve, saj le ta ne upošteva naklona rezervoarja, kar povzroči veliko nenatančnost pridobljenih podatkov. Odstopanje med dejansko in prikazano količino je najbolj izrazito pri terenskih vozilih za požare v naravi.ta vozila morajo biti stabilna na težko dostopnih terenih. Za povečanje stabilnosti jim znižajo težišče z uporabo prilagojenih rezervoarjev, kateri imajo manjšo višino ter večjo površino. Zaradi take zgradbe rezervoarja je razlika med dejanskim in prikazanim volumnom vode še večja. Cilj diplomskega dela je zasnovati elektronski sistem za vgradnjo v gasilsko vozilo, ki prikazuje količino vode v rezervoarju gasilskega vozila na vsaj 100 litrov natančno. Sistem mora prikazovati dejansko količino vode v vozilu ne glede na položaj vozila. Pomembna je zanesljivost in odpornost sistema na zunanje vplive predvsem v temperaturnem območju od 0 do 60 C. Sistem mora biti odporen na absolutno vlago v predelu rezervoarja. Količina vode je prikazana v litrih, na prikazovalniku v kabini. Umerjanje parametrov sistema se izvrši enkrat in sicer ob vgradnji v vozilo, oziroma ob menjavi rezervoarja, kateri je lahko željene oblike. Sistem mora biti odporen tudi na motnje z strani dobave električne energije ter elektromagnetnega valovanja. Projekt izdelave sistema zajema raziskavo obstoječih sistemov na trgu, primerjavo njihovih lastnosti ter njihovo optimizacijo. Sledi izbira osnovnih gradnikov ter analiza skladnosti za integracije v sistem. Za preizkušanje delovanja sistema je bil izdelan prototip, na njem pa razvita sistemska koda ter gonilniki za periferne enote. Zadnja faza zajema testiranje sistema, odpravljanje napak ter optimizacija.

12 2

13 3 2. OBSTOJEČI PROIZVODI ZA MERITEV GLADINE VODE NA TRGU Na trgu obstaja mnogo izdelkov za meritve nivoja tekočine v zaprtih prostorih. Po izvedbi se ločijo glede na način zajema podatka o višini gladine tekočine. Merilni sestav je tako lahko v stiku z merjenim medijem ali pa meritev opravlja z določene razdalje, pri čemer stika med njima ni. Metodo za merjenje nivoja vode je potrebno izbrati z upoštevanjem optimalnih lastnosti določenega sistema. Merilne sisteme ločimo tudi glede na hitrost odziva, razpon meritve, natančnosti, temperaturni odvisnosti, ponovljivosti meritve in nelinearnosti zajetih podatkov. Merilne metode podajajo rezultate v fizikalnih količinah ki so sorazmerne z višino merjene gladine, te so lahko: tok, napetost, frekvenca, tlak, kapacitivnost, časovni zamik ali druge [1, 5]. V nadaljevanju bomo predstavili nekaj najbolj uporabljenih metod PROZORNA CEV Najenostavnejša metoda, temelji na optičnem prikazu gladine medija v prozorni cevi, ki je povezana s posodo na spodnjem in zgornjem delu. Za natančnejši odčitek podatka je na cevi zarisana skala, s katero se odčita podatek o volumnu. Zaradi robustnosti je tak sistem zelo zanesljiv in nedovzeten za napake, nezahteven za vzdrževanje in cenovno ugoden. Slabost sistema je vizualno odčitavanje podatka. Uporaba te metode v elektronskem sistemu bi zahtevala pretvorbo vizualne informacije v elektronski signal, kar bi predstavlja dodaten strošek in težjo izvedljivost. Na sliki 1 sta izvedbi prikaza višine vodne gladine v gasilskih vozilih s prozorno cevjo. Slika 1: Prikaz višine vodne gladine z prozorno cevjo.

14 MERJENJE S PLAVAJOČIMI ELEMENTI Ta metoda temelji na plovcih z specifično gostoto manjšo od specifične gostote merjenega medija. Plovec je pritrjen na vzvod, ki je povezan z vrvico oziroma pritrjen na vodilo, kar mu omogoča prosto gibanje v smeri spremembe višine gladine medija. Najpogostejša je izvedba prenosa položaja plovca na uporovni trak. Ker je izhodna informacija električna fizikalna količina je v elektronskih sistemih dokaj pogosto uporabljen. Obstajajo tudi izvedbe merilcev z plavajočimi elementi, ki položaj plovca prenesejo preko vzvoda ali vrvi na merilni instrument, tega pa odčitavamo vizualno. Tak merilec pri uporabi v elektronskem sistemu ni primeren. Drsanje vzvoda po uporovnem traku z časom povzroči obrabo, kar pomeni spremembo upornosti in posledično večjo napako pri meritvi MERITEV NIVOJA Z VIBRIRAJOČIM SENZORJEM Vibrirajoči senzor deluje na principu glasbenih vilic, katerih vibriranje se vzbuja z njihovo resonančno frekvenco. Za vzbujanje se uporablja piezoelektrični kristal. Kadar so glasbene vilice v mediju z majhnim faktorjem dušenja vibracij, te vibrirajo z resonančno frekvenco. Ko merjeni medij doseže nivo vilic, pride do večjega dušenja in tako do spremembe frekvence vibriranja. Za zaznavanje frekvence vibriranja uporabljamo podobno piezoelektrični kristal, na katerem merimo spremembo električnega naboja glede na spremembo fizikalne deformacije materiala. To spremembo ojačimo in dobimo električni signal iz katerega lahko razberemo frekvenco nihanja glasbenih vilic. Na sliki 2 je prikazan senzor, ki deluje na principu glasbenih vilic. Ta izvedba je pogosto uporabljena v vsakdanji industriji. Slika 2: Industrijski senzor, ki deluje na principu glasbenih vilic. Senzor je zelo primeren za uporabo v zaprtih sistemih za merjenje nivojev različnih medijev. Ker deluje na principu kontakta z medijem ni primeren za lepljive medije oziroma medije, ki bi lahko poškodovali material merilnih vilic. Za uporabo meritve višine vodnega stolpca sistem ni primeren, saj z njim ni mogoče določiti linearne skale višine, ampak le prekoračitev neke točke višine.

15 KAPACITIVNI SENZOR NIVOJA: Senzor je sestavljen kot kondenzator z dvema elektrodama med katerima se ob priključeni napetosti ustvari električno polje. Kapacitivnost kondenzatorja je odvisna od površine elektrod, razmika med njimi in dielektrikom med njima. Kapacitivni senzor ima odprt prostor med elektrodama in izkorišča fizikalno dejstvo, da ima merjen medij med elektrodami določeno dielektrično konstanto. Z spremembo nivoja medija med ploščama kondenzatorja se le temu spreminja kapacitivnost. Ta pojav izkoriščamo za meritev višine nivoja medija pri kapacitivnih senzorjih nivoja. Slabost kapacitivnega senzorja je, da je senzor v kontaktu z merjenim medijem ter da mora biti senzor umerjen na merjeni medij. Tak senzor je zato namenski glede na dielektrično konstanto merjenega medija in nanj odporen. Prednost kapacitivnega senzorja je, da se nivo merjenega medija odraža z električnimi veličinami SENZORJI NIVOJA NA PRINCIPU TLAKA Senzor izkorišča fizikalno dejstvo, da se višina nivoja merjenega medija v odvisnosti od njegove gostote odraža v razliki tlaka merjenega na dnu in na vrhu stolpca. Glavni sestavni del takega senzorja je membrana z naneseno uporovno plastjo v obliki Wheatstoneovega mostiča, katerega upornost se spreminja z njeno deformacijo. Za brezkontaktno merjenje se senzor vgrajuje v kratko zaprto cev v kateri nastane zračni žep z istim tlakom kot v merjenem mediju. Tudi pri tem sistemu merjenja se je potrebno izogibati merjenju agresivnih snovi, v katerih bi hlapi poškodovali senzor. Prednost kapacitivnega senzorja je, da se nivo merjenega medija odraža z električnimi veličinami. Zaradi velike temperaturne odvisnosti Wheatstoneovega mostiča je za natančen odčitek tlaka potrebna kompenzacija senzorja v merilnem okoljem. 2.6.ULTRAZVOČNI SENZORJI Ti senzorji nimajo stika z merjenim medijem. Delujejo na principu odboja zvočnih valov od gladine medija. Sestavlja jih oddajnik ultrazvočnih valov, ki je zaradi visoke frekvence realiziran z piezoelektričnim kristalom. Iz oddajnika valovi potujejo v prostor in se odbijejo od ovire. Ta odboj zazna drugi piezoelektrični kristal sprejemnik. Ob upoštevanju časa potovanja ultrazvočnega impulza in s pravilno določitvijo oddanega pulza, se lahko za oddajnik in sprejemnik uporabi isti element. Oddaljenost gladine od senzorja izračunamo iz časa preleta (ang. time of flight) ultrazvočnega impulza.

16 MIKROVALOVNI SENZORJI Delujejo na podobnem principu kot ultrazvočni senzorji, s tem da namesto ultrazvočnih uporabljajo mikrovalovne frekvence. Za oddajo in sprejem impulza potrebujemo oddajno/sprejemno anteno. Odboj mikrovalov od merjenega medija je odvisen od dielektrične konstante medija. Medij z visoko dielektrično konstanto večino energije valov odbijejo, medtem ko pri mediju z nizko dielektrično konstanto odboj ni tako močan. Sistem je zelo primeren za merjenje višine nivoja vodne gladine, saj je odstotek odboja mikrovalovne energije na prehodu iz zraka do vode zelo velik. Zaradi sipanja energije mikrovalov v zraku je sistem pogosto nadgrajen s prevodno potjo mikrovalov. S to potjo se bistveno zmanjša izguba energije mikrovalov pri prehodu skozi zrak. Te skupine senzorjev se imenujejo radar z usmerjenimi valovi (ang. Guided Wave Radar) LASERSKI SENZORJI Delujejo na principu brezkontaktnega merjenja. Oddajnik pri tem načinu oddaja kratke pulze svetlobne energije. Zaradi principa oddajanja koherentnega žarka svetlobe je razsipanje energije žarka zelo majhno. Princip izračuna poti je isti kot pri ultrazvočnih senzorjih ali senzorjih na principu mikrovalov. Časovne zakasnitve so majhne, saj se svetlobni impulz pri laserju giblje s svetlobno hitrostjo. Pri izbiri principa merjenja višine vodne gladine smo upoštevali ekonomičnost, dostopnosti na trgu in napake, ki jih doprinese način merjenja. Za meritev višine vodnega stolpca smo uporabili senzor tlaka. Model senzorja smo izbrali glede na merjen tlak ter obliko signala, ki ga dobimo na njegovem izhodu.

17 7 3. ZGRADBA SISTEMA Komponente sistema so združene v celoto tako, da sistem zagotavlja na eni strani pridobivanje podatka o višini tekočine v rezervoarju preko fizikalnega dejstva, da stolpec tekočine ustvarja določen tlak na mestu merjenja tlačnega senzorja. Drugi vhodni podatek je nagib rezervoarja glede na vodoravni položaj, pridobljenega z inklinometra. Ta izkorišča fizikalni pojav sile težnosti in vektorja težnostnega pospeška za podajanje informacije o nagibu. S pridobljenima podatkoma in merami rezervoarja se izračuna količina tekočine. Za predstavitev rezultata izračuna je uporabljen štiri vrstični zaslon s tekočimi kristali. 3.1.ELEKTRONSKE KOMPONENTE SISTEMA MIKROKRMILNIK Jedro sistema predstavlja 8 bitni mikrokrmilnik družine AVR Atmega48PA [2]proizvajalca Atmel. Sodi v družino mikrokrmilnikov z RISC arhitekturo ter zmore izvršiti do 20 milijonov ukazov na sekundo pri 20 MHz urinem taktu. Ima 4 kb bliskovnega (FLASH) pomnilnika, 256 kb električno izbrisljivega programirljivega bralnega pomnilnika (EEPROM) in 512 kb statičnega pomnilnika z naključnim dostopom (SRAM). Ima dva 8 bitna in en 16 bitni modul, katere lahko uporabimo kot števnike oziroma kot časovnike. Med perifernimi enotami so še 8 kanalni 10 bitni analogno digitalni pretvornik ter 6 kanalni modul za pulzno širinsko modulacijo. Za komunikacijo z ostalimi gradniki v sistemu so na voljo komunikacijski moduli: serijski periferni vmesnik SPI (ang. serial peripheral interface), dvožični serijski vmesnik TWI (ang. two wire serial interface), kompatibilen s standardom I 2 C (ang. inter integrated circuit bus) ter univerzalni sinhroni in asinhroni serijski sprejemnik in oddajnik USART (ang. universal synchronous and asynchronous serial receiver and transmitter). Prav tako ima mikrokrmilnik dva 8 bitna in en 7 bitni modula z programirljivimi digitalnimi vhodi/izhodi. Mikrokrmilnik ima dve funkciji: Prva je nadziranje delovanja ostalih enot v sistemu ter skrb za hranjenje in izračun podatkov o nagibu vozila in višini vodne gladine v rezervoarju. Obenem krmili prikazovalnik, nadzira stanje tipk in preko analogno digitalnega pretvornika nadzira napajalno napetost sistema. Druga funkcija mikrokrmilnika je računanje volumna vode glede na podatke iz senzorjev, povprečna poraba vode v litrih na minuto in koti odklona vozila od ravnovesne lege.

18 SENZOR TLAKA Za določitev višine vodne gladine nad izstopno odprtino rezervoarja je uporabljen princip merjenja tlaka vodnega stolpca. Za to meritev skrbi senzor NPA600B015D proizvajalca General Electric [3]. Senzor ima dva tlačna vhoda prek katerih se tlak izven ohišja prenese na silicijev element za določanje tlaka na integriranem vezju. Ta je izveden v MEMS tehnologiji (ang. microelectromechanical systems). Senzor tako meri razliko tlaka na dveh vhodih. Zaznana vrednost je nato korigirana s faktorjem temperaturne kompenzacije ter ustrezno ojačena. Nato se vrednost na 14 bitnem analogno digitalnem pretvorniku pretvori v digitalno obliko. Tej vrednosti dodamo faktor umerjanja, ki je shranjen med postopkom proizvodnje v notranji pomnilnik senzorja. Signal se nato prevede v tok serijskih podatkov v vmesniku, ki skrbi za komunikacijo senzorja z ostalimi napravami v sistemu. Bločni diagram senzorja NPA600B015D je predstavljen na sliki 3. Slika 3: Bločni diagram senzorja NPA600B015D. Mesto vgradnje senzorja v sistem je ključnega pomena za natančen izračun višine vodne gladine v rezervoarju, zato mora biti ta določena s koordinatami, ki pripadajo istemu koordinatnemu sistemu kateri opisuje dimenzije rezervoarja. Optimalno meritev dosežemo kadar je ta točka na izlivu vode iz rezervoarja, saj predstavlja najnižji njivo vode preden je ta prazen. Tlačni vhod senzorja je vgrajen v rezervoar vozila na izlivu vode v črpalko. Ker je rezervoar odprtega tipa je na gladini vode atmosferski tlak, zato mora biti drugi tlačni vhod senzorja izpostavljen atmosferskemu tlaku. Ob upoštevanju da senzor prikazuje razliko tlakov, izhod senzorja predstavlja podatek iz katerega se izračuna višina vodnega stolpca.

19 INKLINOMETER V sistem je vgrajen inklinometer proizvajalca National Semiconductor MMA7361L[4]. Ti se množično uporabljajo v pametnih telefonih, robotiki, digitalnih fotoaparatih in ostalih aplikacijah kjer je potrebna natančno določanje gibanja in inklinacije. Zato je v zadnjih letih prišlo do velikega razvoja senzorjev v MEMS tehnologiji. Senzorji inklinacije, narejeni v MEMS tehnologiji imajo na integriranem vezju izdelano gravitacijsko celico. Ta je izdelana z procesi izdelave integriranega vezja na polprevodniškem materialu polisilicija. Na celico delujejo sile pospeška, ki povzročijo odmik gibljivih delov. Sprememba razdalje med ploščami gibljivih in fiksnih delov, ki delujejo kot kondenzatorji, se med njimi spremeni kapacitivnost. Z meritvijo teh kapacitivnosti tako dobimo električno napetost, sorazmerno z kotom odklona od smeri težnega pospeška. Model in princip delovanja gravitacijske celice je predstavljen na sliki 4. Slika 4: Gravitacijska celica in njen model. Vrednosti kapacitivnosti gravitacijske celice se na pretvorniku iz kapacitivnosti pretvorijo v napetostne nivoje. Ker je inklinometer namenjen meritvi statičnega gravitacijskega pospeška, so te napetosti filtrirane skozi visokofrekvenčni filter. Ta odreže visokofrekvenčne motnje nad 400 Hz po X in Y osi in nad 300 Hz po Z osi. Te motnje so posledica pospeškov zaradi tresljajev iz okolice in predstavljajo napako pri trenutni meritvi. Napetostne vrednosti inklinacije se nato ojačijo ter temperaturno kompenzirajo. Integrirano vezje MMA7361L vsebuje tudi modul za samopreizkus, ki služi za nastavitev ničelnih vrednosti pri zagonskem umerjanju sistema. Ker je modul narejen za uporabo v več aplikacijah, ima vgrajen sklop za detekcijo prostega pada, ki postavi izhod vezja na visok logični njivo kadar senzor ne zazna pospeška na nobeni osi. Odstopanje detekcije prostega pada je po navedbah proizvajalca ±4 g. V sistemu za meritev količine vode v rezervoarju vozila ta sklop ni

20 10 uporabljen. Na integriranem vezju je za pravilno delovanje izdelan generator urinega takta z lastnim oscilatorjem in krmilna logika. Slika 5 prikazuje bločni diagram ter signale senzorja MMA7361L. Slika 5: Bločni diagram senzorja MMA7361L PRIKAZOVALNIK S TEKOČIMI KRISTALI Za vizualni prikaz podatkov je v sistemu uporabljen štirivrstični šestnajst znakovni prikazovalnik s tekočimi kristali MC41605A6W, proizvajalca Midas components Ltd [6]. Prikazovalnik krmilimo z tremi kontrolnimi signali in sicer RS (ang. Register select), R/W (ang. Read/write) in E (ang. enable) ter odvisno od nastavitve z štirimi oziroma osmimi podatkovnimi signali DB0 do DB7(ang. Data bus). Prikazovalnik ima krmilno vezje, ki skrbi za dekodiranje vhodnih signalov. Za prikaz imamo na voljo 192 znakov velikosti 5x8 grafičnih točk ali 64 znakov velikosti 5x10 grafičnih točk, kateri so shranjeni v bralnem pomnilniku za generacijo znakov CGROM (ang. Character generator read only memory). Na voljo je tudi pomnilnik z naključnim dostopom za tvorbo posebnih znakov v katerega je možno shraniti in iz njega brati 8 znakov velikosti 5x8 grafičnih točk ali 4 znake velikosti 5x8 grafičnih točk. Koda v CGROM ali CGRAM se pretvori iz paralelnega podatka v serijski niz bitov, ki pomenijo točke posameznega znaka. Nato se preko pomikalnega registra krmili grafične točke zaslona z tekočimi kristali. Bločna shema prikazovalnika je predstavljena na sliki 6.

21 11 Slika 6: Bločna shema prikazovalnika MC41605A6W SKLOPI ZA GENERACIJO NAPAJALIH NAPETOSTI Sistem sestavljajo različni sklopi elektronskih vezij. Prisotna so integrirana vezja narejena v različnih tehnologijah in z različnimi zahtevami, zato je potrebno v sistemu tvoriti različne napajalne napetosti. Te morajo biti odporne na motnje iz okolice in motnje iz napajalnega omrežja. Sistem je napajan z električne instalacije na vozilu, kjer je normirana vrednost 24 V. Ta zaradi polnjenja svinčenih akumulatorjev doseže tudi 28 V. Zato je napajanje sistema zasnovano z pretvornikom enosmerne napetosti, odpornim na napetostne nivoje, ki presegajo nazivno vrednost. Sistemu je dodano vezje za nadzor napajalne napetosti. Vezje je realizirano z operacijskim ojačevalnikom kot napetostnim komparatorjem. Ta ima na neinvertirajočem vhodu delilnik napajalne napetosti preko uporov R 1 in R 2, na invertirajočem vhodu pa referenčno napetost, ki jo zagotovimo s Zener diodo, ki ima kolensko napetost 3.6 V. Tako dobimo komparator z neinvertirajočo karakteristiko, katerega izhod dobi vrednost 5 V oziroma visok logični nivo kadar je napajalna napetost višja od 21 V. Izhod komparatorja je vezan na mikrokrmilnik preko signala V sense, kateri proži zunanjo prekinitev v izvajanju programa. Zaradi potrebe po stabilnih napajalnih napetostih sta v sistem vključena še linearna regulatorja napetosti. Integrirano vezje LM1085IS 5.0 skrbi za napetost 5 V, LM1117S 3.3 pa za napetost 3,3 V. Shema sklopa sistema, ki skrbi za napajalne napetosti, je prikazana na sliki 7. Slika vsebuje pretvornik enosmerne napetosti, linearna regulatorja napetosti in vezje za detekcijo prenizke napetosti.

22 12 Slika 7: Napajanje sistema SIGNALI V SISTEMU Pri načrtovanju sistema je zaradi specifičnosti signalov v sistemu potrebno posvetiti pozornost pri načrtovanju vezja z težnjo, da so signali v vezju odporni na elektromagnetne motnje okolja. Največji vir motenj predstavlja dejstvo, da je sistem namenjen vgradnji v vozilo, kjer se pričakuje nihanje napajalnih napetosti. Na vozilu, kjer bo deloval sistem, so vgrajeni sistemi telekomunikacijskih radijskih postaj katere po podatkih proizvajalca Motorola MOTOTRBO TM oddajajo VHF radijski signal v območju od 163 do 174 MHz z močjo do 45 W in v UHF območju od 403 do 512 MHz z močjo do 40 W. Za odpravljanje motenj, ki so posledica nihanj napajalnih napetosti skrbi sklop sistema opisan v prejšnjem odstavku. Motnje, ki so posledica oddajanja signala radijskih postaj, so visokofrekvenčni šumi, kateri so v vezju predvsem filtrirani z nizkoprepustnimi filtri realiziranimi v vezju in s programskim povprečenjem vrednosti signalov ter obdelavo signala z nizkoprepustnim programskim filtrom. Pri zagotavljanju odpornosti signalov na motnje je potrebno najprej določiti njihovo obliko.

23 ANALOGNI SIGNALI SIGNALI INKLINOMETRA: V vezju predstavljajo analogne informacijske signale signali X, Y in Z, kateri vsak zase podaja trenutno vrednost težnega pospeška po koordinatni osi glede na lego inklinometra MMA7361. Signali so vzorčeni v integriranem vezju inklinometra z frekvenco 11kHz. Izhodni signali so povezani na vhode analogno digitalnih pretvornikov AD0, AD6 in AD7 mikrokrmilnika. Po navodilih proizvajalca Freescale Semiconductor je potrebno zagotoviti stabilno napajalno napetost s postavljanjem kondenzatorja 0.1uF med napajalno napetostjo V dd in V ss. Za izničenje vpliva šuma, ki nastane zaradi filtra s preklapljanimi kondenzatorji (ang. switched capacitor) v integriranem vezju inklinometra, je potrebno vsak izhodni signal spojiti na zemljo preko kondenzatorja z vrednostjo 3,3nF. Referenčna napetost analogno digitalnega pretvornika je napetost 3,3V. Za stabilnost referenčne napetosti analogno digitalnega pretvornika skrbi linearni napetostni regulator LM1117S 3.3 in kondenzator C13 z vrednostjo 0.1uF, kateri je spojen na vhodih mikrokrmilnika A ref in GND. Po navodilih proizvajalca mikrokrmilnika Atmel se lahko napajalno napetost analogno digitalnega pretvornika realizira z napetostnega nivoja 5V, kateremu je dodan nizkoprepusten filter z induktivnostjo L2 10μH in kondenzatorjem C8 0.1 pf. Zaščito pred motnjami pa predstavlja tudi izdelava območja povezanega z nivojem GND neposredno pod mikrokrmilnikom in inklinometrom na tiskanem vezju ter majhna razdalja signalnih linij med njima DIGITALNI SIGNALI TAKT SIGNALA URE Signal ure mikrokrmilnika tvorimo preko vgrajenega invertirajočega Schmitt inverterja v integriranem vezju mikrokrmilnika. Temu je dodan zunanji kvarčni kristal, ki je povezan na vhoda mikrokrmilnika Xtal1 in Xtal2. Na ta dva priključka sta proti masi vezana tudi kondenzatorja C6 in C7 kapacitivnosti 22 pf. Takt signala ure mikrokrmilnika je 8MHz, tako da je perioda takta µs SIGNALI TIPK RES, T1, T2, T3 Signali tipk T1, T2 in T3 so signali tipk s katerimi uporabnik spreminja nastavitve prikaza. Na mikrokrmilnik so vezani preko vhodov za proženje zunanje prekinitve PCINT11, PCINT12 in PCINT13. Signali tipk so na mikrokrmilnik vezani z upori za zagotavljanje visokega logičnega nivoja (ang. pullup) dokler katera od tipk ni pritisnjena. Ob pritisku tipke logični nivo zavzame nizko vrednost. Pojav

24 14 sprememb signala pri preklopu tipke zaradi mehanskega odskakovanja tipke rešimo s programsko kodo v prekinitveni rutini katero prožijo tipke. Signal tipke RESET je signal za ponovni zagon izvajanja programa v mikrokrmilniku. Njegova privzeta vrednost je visok logični nivo zaradi upora za zagotavljanje visokega logičnega nivoja. Prehod v nizek logični nivo in ob tem ponoven začetek izvajanja programa dosežemo s pritiskom tipke RESET oziroma je vzpostavljen preko ISP (ang. In circuit Serial Programer) vmesnika priključenega na priključek Con1. Nezaželeni prehodi stanja signala zaradi mehanskega odskakovanja tipk so odstranjeni v modulu za generacijo ponovnega zagona (ang. Reset Logic) na integriranem vezju mikrokrmilnika SIGNALI ISP PROGRAMATORJA Mikrokrmilnik Atmega48PA omogoča povezavo z ISP (ang. In circuit Serial Programmer) programatorjem preko SPI (ang. Serial Pheriperal Interface) serijskega perifernega vmesnika. Signali za povezavo so povezani na priključek Con1 za direkten dostop do signalov. Poleg signala RESET je mikrokrmilnik povezan s podatkovnima signaloma MOSI in MISO katerih smer pretoka podatka je odvisna od načina delovanja Master ali Slave. Smer podatkov je možno razbrati iz poimenovanja signalov in sicer MOSI pomeni smer od gospodarja (ang. Master Out Slave In) medtem ko MISO pomeni smer k gospodarju (ang. Master In Slave Out). Za sinhronizacijo pretoka podatkov med mikrokrmilnikom in programatorjem skrbi signal CLK, ki predstavlja časovni takt prenosa podatka.v Hitrost signalov MOSI in MISO so pogojeni s signalom CLK, ki pa je s strani proizvajalca postavljena na minimalno 1/128 in maksimalno 1/2 frekvence urinega signala mikrokrmilnika. Prav tako sta predpisana dvižni in upadni čas prehoda signala med stanji (ang. Rise/Fall time), ki ne sme presegati t r, t f 6 ns, razmerje signal/pavza periode (ang. duty cicle) mora znašati 50 %. Pri načrtovanju smo upoštevali pravila izdelave tiskanega vezja (TIV) za signale hitrosti, ki jih izračunamo po enačbi 1.0. pri čemer je f clk frekvenca signala CLK in f osc frekvenca kristala mikrokrmilnika: VODILO SIGNALOV PRIKAZOVALNIKA S TEKOČIMI KRISTALI Signali prikazovalnika se delijo v dve skupini: krmilne in podatkovne. Podatek se po vodilu prenese vzporedno. Signala RS (ang. Register Select) in R/W (ang. Read/Write) skrbita za krmiljenje logike za interpretacijo podatka. Signal E (ang. Enable) deluje kot zapah (ang. Latch), lahko ga interpretiramo

25 15 kot signal urinega takta komunikacije mikrokrmilnika z prikazovalnikom. Predpisani časovni zamiki s strani proizvajalca so: Perioda ENABLE pulza mora znašati vsaj t C 500 ns, širina pulza pa mora biti vsaj t PW 230 ns. Čas vzpostavitve naslovov signalov RS in R/W mora biti vsaj t SP1 40 ns. Prav tako je časovni zamik pomemben pri vzpostavitvi prikazovalnika. Čas po zagonu, preden napajalna napetost prikazovalnika doseže vsaj V DD 4.5V, mora pred prvim ukazom znašati vsaj t WAIT 15 ms. Zaradi počasnih sprememb sistemskih podatkov ter v izogib hitrim signalom, je sistem načrtovan tako, da se vsebina prikazovalnika osvežuje v programski rutini vsakih 300 ms. Takt ENABLE signala traja 2 ms z razmerjem signal/pavza periode 50% SIGNAL TLAKA Signal tlaka prenaša podatke z senzorja tlaka do mikrokrmilnika. Gre za digitalni serijski tok podatkov organiziran v treh paketih po deset bitov ločenimi s stop bitom. Podatki imajo velikost 8 bitov, vendar se za določitev začetka podatka in določitev periode takta prenosa začetku doda start bit na koncu pa bit parnosti in stop bit. Bit parnosti določa pravilnost prenosa paketa podatkov. Celoten podatkovni paket tako vsebuje tri osem bitne podatke, kjer prvi predstavlja višjih šest, drugi nižjih osem bitov podatka tlaka, zadnji pa temperaturo senzorja. Paketi podatkov si sledijo z premorom 1 ms. Časovni potek podatka je predstavljen na sliki 8. Čas ko na liniji ni podatka, je imenovan mirovni (ang. idle time), posamezni biti so označeni s številkami. Start bit je označen z zeleno barvo, stop pa z vijolično. Slika 8: Časovni potek podatka senzorja tlaka. Vsak bit podatkovnega signala tlaka je fazno kodiran. To je znano kot Manchester kodiranje, kjer je logični nivo bita kodiran s prehodom signala z nižjega v višji nivo ali obratno. Za dekodiranje podatka je potrebno določiti periodo enega bita signala, zato se vsak prenos začne s start bitom, kateri traja polovico periode. Signal kodiran z načinom faznega kodiranja ne vsebuje enosmerne komponente.

26 GRADNJA PROTOTIPA SISTEMA Za namen razvoja programa in testiranje delovanja smo prototip sistema izdelali na preizkusni plošči. Za ta korak smo se odločili, ker ta predstavlja tako časovno kot tudi cenovno najugodnejšo rešitev. Prototip je zgrajen s posameznih modulov na katerih so gradniki opisani v prejšnjem poglavju. Lastne izdelave sta dva modula in sicer modul senzorja tlaka in modu s tipkami. Modul s tipkami je izdelan tako, da so signali tipk vezani preko uporov na visok logični nivo. Tako omogočajo visoko stanje dokler tipka ni pritisnjena. Na sliki 9 sta prikazana posebej izdelana modula na katerih so tipke in senzor tlaka NPA600B015D. Slika 9: Modul tlačnega senzorja in modul tipk. Slika 10 prikazuje zgradbo prototipa sistema na katerem so posamezni moduli z gradniki. Poleg modula s tipkami in modula s senzorjem tlaka se na njej še: mikrokrmilnik, senzor inklinacije, vezje za zagotavljanje stabilnih napajalnih napetosti in prikazovalnik s tekočimi kristali. Slika 10: Zgradba prototipnega vezja. Poleg prototipa smo načrtovali shemo sistema. Izdelavi sheme je sledilo načrtovanje tiskanega vezja sistema. Tiskano vezje je realizirano na dveh ploščah, ker je potrebno vezje s senzorjem vgraditi na izliv rezervoarja vozila, glavno ploščo pa na vidno mesto. Shema prototipa in sliki tiskanega vezja se nahajata v prilogi.

27 17 4. IZRAČUN VOLUMNA Izračun volumna vode poteka z pomočjo matematičnega opisa osnovne geometrijo vodnega rezervoarja. Postopki izračuna so dobljeni s spletne strani fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani [7]. Rezervoar opišemo s krajnimi točkami prostora pravilnih oblik. Sledi rotacija točk s pomočjo rotacijskih matrik, katere predstavljajo nagib in naklon rezervoarja glede na vodoravne osi sistema. S pomočjo krajnih točk se opiše krajne ravnine rezervoarja v prostoru. Potrebujemo ravnine dna prostora, sten prostora in stropa prostora v katerem se nahaja voda. Prostornina vode v rezervoarju se nazadnje izračuna iz vsote delov rezervoarja, ki so znotraj meja in so opisane z ravninami in vodoravnico. Slednja je določena z višino vodnega stolpca na izlivu rezervoarja. 4.1.DOLOČITEV KRAJNIH TOČK PROSTORA Koordinate krajnih točk rezervoarja so podane v kartezičnem koordinatnem sistemu z izhodiščem v točki izliva vode iz rezervoarja. Osi x in y ležita na ravnini kadar je dno rezervoarja v vodoravnem položaju. Slika 11 prikazuje koordinatno izhodišče koordinatnega sistema določenega z točko izliva v vijolični barvi, krajne točke rezervoarja pa so obarvane modro. Rdeče puščice predstavljajo abscisno, ordinatno in aplikatno os koordinatnega sistema. Slika 9 predstavlja obliko rezervoarja vozila za katerega je bil načrtovan projekt te diplomske naloge. Slika 11: Oblika rezervoarja v vodoravni legi.

28 18 Specifična oblika izbranega rezervoarja omogoča, da se prostor rezervoarja opiše z dvema prostoroma pravilnih oblik. Prvi prostor je določen s točkami A, A*, B, B*, C, C*, D in D*, drugi pa z točkami E, E*, F, F*, G, G*, H in H*. Mejne točke, ki določajo prostor rezervoarja so s stališča izvajanja programske kode neodvisne od ostalih parametrov. Definiramo jih lahko kot konstante in so shranjene v EEPROM pomnilniku. 4.2.DOLOČITEV NAGIBA IN ZASUKA Za določitev dejanske lege rezervoarja moramo določiti nagib in zasuk rezervoarja. Nagib rezervoarja je definiran z kotom med Y osjo koordinatnega sistema v vodoravni legi in Y osjo ravnine dna rezervoarja zvrnjenega za kot α. Inklinometer podaja projekcijo težnega vektorja dane osi in sicer njegovo kosinusno komponento. Odvisnost izhodnih napetosti na inklinometru posamezne osi po enačbi 1.1 pri čemer je V out izhodna napetost, V off ničelna napetost, S občutljivost inklinometra in g težni pospešek. 1.1 Ko v enačbo 1.1 vstavimo konstantne vrednosti, ki jih predstavljata ničelna napetost, občutljivost in težnostni pospešek, so vrednosti na izhodih posameznih osi inklinometra odvisne samo od kota med osjo inklinometra in težnim pospeškom, kar je določeno s enačbo 1.2. Pri tem je A x vrednost na posameznem izhodu inklinometra z že upoštevanimi konstantami z enoto ms Kot α, ki ga izračunamo iz vrednosti za posamezno os prenesemo v geometrijo rezervoarja neposredno. Predstavlja razmerje rotacije celotnega rezervoarja okoli X osi in ga lahko definiramo kot nagib rezervoarja, vrednost kota pa predstavlja vrednost Y osi senzorja. Vrednost zasuka pomeni rotacijo celotnega rezervoarja okoli Y osi, določa pa jo vrednost X osi senzorja. Ker v nadaljnjem postopku izračuna krajnih točk z uporabo matrik v katerih so argumenti sinusne in kosinusne vrednosti kotov zasuka in nagiba vrednosti ni potrebno pretvarjati v stopinjske kote, ampak ostanejo kar razmerja med A x in g.

29 IZRAČUN NOVIH KRAJNIH TOČK Za določanje novih krajnih točk nagnjenega in zasukanega sistema se poslužujemo matematičnega principa rotacije v tridimenzionalnem prostoru. Za rotacijo točke v prostoru potrebujemo njeno lego oziroma njen vektor pozicije na koordinatno izhodišče in njeno rotacijsko matriko. Za premik točke v prostoru uporabimo najprej rotacijo okoli X osi, kar predstavlja kot nagiba. Rotacijo točke okoli X osi dosežemo z rotacijsko matriko R x (θ). 1.3 Sledi še rotacija po Y osi, s tem že nagnjene točke rezervoarja rotiramo še po Y osi, kar predstavlja zasuk rezervoarja. Zasuk točk rezervoarja definiramo z rotacijsko matriko R y (ρ). 1.4 Ker je izhodišče koordinatnega sistema postavljeno na točko izliva, je skupen premik rezervoarja vedno premik okoli točke izliva. S tem dosežemo, da v kasnejšem izračunu ne pride do napake, ki bi bila posledica premika točke izliva. Na sliki 12 so prikazane nove krajne točke označene z malimi črkami in ravnine obarvane modro, ki jih te točke določajo. Slika 12: Slika rezervoarja, ki ga opišemo z rotiranimi točkami.

30 IZRAČUN RAVNINE NIVOJA VODE Ravnina nivoja vode je vzporedna ravnini dna rezervoarja kadar sta nagib in zasuk enaka 0. Drugi pogoj za določitev ravnine nivoja vode je višina vodnega stolpca, katero dobimo z senzorja tlaka. Višino vodnega stolpca predstavlja razdalja med mestom izliva vode iz rezervoarja in gladino vode. Iz formule 1.5 odvisnost tlaka v vodi od višine vodnega stolpca izpeljemo enačbo pri čemer je P tlak vode izražen v Pa, ρ gostota vode, g težnostni pospešek na zemlji in h višina vodnega stolpca. Z upoštevanjem konstant dobimo, da je višina vodnega stolpca vrednost tlaka deljena s konstanto Ravnino vodne gladine zapišemo po enačbi ravnine v kateri upoštevamo točko ravnine in njeno normalo. Ravnina vodne gladine je vedno vzporedna ravnini dna rezervoarja v vodoravnem položaju, zato lahko vektor normale te ravnine zapišemo kot vektor. Točka, ki jo upoštevamo v enačbi ravnine, pa leži na rezervoarju nad koordinatnim izhodiščem in komponento v smeri z enako višini vodnega stolpca h.komponenti v smeri X in Y osi pa sta enaki 0. Točko tako zapišemo kot T=(0, 0, h) IZRAČUN POLNEGA VOLUMNA Izračun volumna preostale vode poteka po principu seštevanja osnovnih delcev rezervoarja. Zanje mora veljati da se nahajajo znotraj ravnin premaknjenega rezervoarja in da ležijo pod ravnino nivoja vode. Enostavna oblika rezervoarja omogoča, da ga obravnavamo kot dva ločena prostora pravilnih oblik. Presek ravnin rezervoarja in ravnine vode je razviden iz slike 13.

31 21 Slika 13: Presek ravnin rezervoarja in ravnine vode. Za računanje preseka zgornjega prostora določenega s točkami a, a*, b, b*, c, c*, d in d* izberemo točke, ki po koordinatah najbolj odstopajo iz koordinatnega izhodišča. Te koordinate so: koordinati v X osi X min in X max, koordinati v Y osi Y min in Y max, ter koordinati v Z osi Z min in Z max. Pri tem lahko ugotovimo, da je Z max koordinata enaka višini vodnega stolpca h. Postopek računanja prostornine je najlažje predstaviti na konkretnem primeru na sliki 14, ki prikazuje detajl izračuna volumna v prostoru med ravninami določenimi s točkami A, B, C in koordinatnim izhodiščem z seštevanjem osnovnih delov, katerega predstavlja kvadrat zelene barve. Slika 14: Prikaz računanja presekov ravnin.

32 22 Seštevanje delov začnemo v ravnini določeni s krajno točko Z min. To je ravnina Z=1. Kot krajno točko določimo točko (1, 1, 1). Točki z koordinatama X=1 in Y=1 izračunamo preslikavo na ravnino določeno s točkami A, B in C. Preslikavo točke, ki je na sliki 12 označena s točko T, nam določi vrednost Z koordinate iz katere lahko razberemo ali točka leži pod ravnino ali nad njo. Pogoj, da se določen del upošteva kot del volumna je, da je Z koordinata točke večja ali enaka Z koordinati ravnine po kateri seštevamo dele. Sledi naslednja točka kateri povečamo X koordinato za eno enoto. Postopek nadaljujemo dokler ne pridemo do krajne točke z največjo koordinato X. Postopek nato ponovimo s tem, da povečamo Y os za eno enoto ter ponovno preletimo vse točke po koordinati X. Ob prehodu na seštevanje na nivoju naslednje ravnine Z=2 določimo nove začetne točke ki jih določajo premice med točkami A, B, C in med koordinatnim izhodiščem ter ponovimo postopek seštevanja delov. Skupen volumen predstavlja vsota vseh seštevkov na vseh ravninah od Z min do Z max POENOSTAVITEV IZRAČUNA VOLUMNA Med testiranjem sistema smo opazili, da preračun naveden v prejšnjem odstavku zahteva veliko časa. To nastane zaradi dejstva, da se vsaka točka, ki predstavlja volumski delec rezervoarja preverja posebej. Med vodoravno ravnino v kateri leži izliv in njej vzporedno ravnino na višini vodnega stolpca je rezervoar pravilnih oblik. Dejstvo je, da ta prostor lahko opišemo kot pravokotnik omejen s štirimi krajnimi točkami. Z izračunom volumna s štirimi točkami bistveno zmanjšamo čas izračuna. Ostaneta samo še izračun volumna pod vodoravno ravnino na višini izliva in izračun volumna nad njej vzporedno ravnino na višini vodnega stolpca.

33 23 5. NAČRTOVANJE PROGRAMSKE ZGRADBE SISTEMA Ker je celoten sistem krmiljen z mikrokrmilnikom, je bilo potrebno poleg načrtovanja zgradbe vezja načrtovati tudi zgradbo programa mikrokrmilnika. Načela razvoja programa so povzeta po učbeniku Uvod v mikrokrmilniške sisteme [8]. Program v sistemu opravlja dve funkciji. Prva funkcija je krmiljenje perifernih enot in zajem signalov iz teh enot v realnem času. Druga naloga je izračun volumna vode glede na vrednosti senzorjev. Razvoj programa je potekal v integriranem razvojnem okolju CodeVisionAVR. Okolje je med drugimi namenjeno tudi programiranju mikrokrmilnikov družine AVR ČASOVNA PRIORITETA Poseben poudarek pri programiranju smo namenili časovni razporeditvi izvajanja programa, saj je obdelava podatkov v realnem času ključnega pomena. Podatki, ki zahtevajo obdelavo v realnem času, so zajeti v prekinitveni rutini in shranjeni v pomnilniku z naključnim dostopom. To je informacija o stanju tlaka z senzorja NPA600B015D in odkloni vseh treh osi z inklinometra. Signal s tlačnega senzorja je digitalen. Ker se sprememba tlaka zgodi naključno, ima ta signal pri obdelavi najvišjo prioriteto. Drugi signali, katerim je potrebno posvetiti pozornost pri načrtovanju časovne prioritete, so signali vseh treh osi inklinometra in signali tipk. Ti signali so analogni vendar so zaradi trajanja analogno digitalne pretvorbe prav tako obdelani v prekinitveni rutini, saj bi se v času analogno digitalne pretvorbe vseh treh signalov izgubil pomen izvajanja programa v realnem času. Ostale rutine in programski sklopi ne zahtevajo hitre obdelave podatkov zato so klicane po časovnem zaporedju izvajanja programa ZGRADBA PROGRAMA Izvajanje programa mikrokrmilnika lahko razdelimo na tri sklope in sicer na: Začetno inicializacijo Prekinitvene rutine Glavno rutino Z razdelitvijo izvajanja programa dosežemo da vsak sklop deluje neodvisno od ostalih. Na sliki 15 je prikazana poenostavljena zgradba programa. Iz slike so razvidni posamezni sklopi programa.

34 24 Slika 15: Poenostavljena shema programa ZAČETNA INICIALIZACIJA Inicializacija je sklop programske kode, ki se izvrši ob zagonu mikrokrmilnika. V tem sklopu se najprej opravi inicializacija v kateri se z nastavitvijo kontrolnih registrov določi osnovne funkcije kot so: enota za nadzor in generacijo urinega takta, časovniki, A/D pretvornik, vhodno izhodno kontrolna enota in kontrolna enota prekinitev. Sledi inicializacija prikazovalnika v kateri se določi velikost podatkovnega vodila prikazovalnika ter nekatere ostale nastavitve. V sklopu inicializacije se tvorijo naslovi v pomnilniku RAM za vzpostavitev ure realnega časa, ki je krmiljena v prekinitveni rutini enega od časovnikov mikrokrmilnika PREKINITVENE RUTINE Prekinitvene rutine so deli programa, ki se prožijo ob vnaprej definiranih dogodkih. Dogodki so asinhroni in časovno neodvisni. Ker je v programu več pogojev za proženje različnih prekinitev jim je potrebno določiti prioriteto. Obstaja možnost, da se ob izvajanju ene prekinitve že postavi zahteva za novo. Prekinitvena rutina z najvišjo prioriteto vzorči in shrani podatek s senzorja tlaka. Ta je definirana kot zunanja prekinitev, pogoj za njeno proženje pa je sprememba logičnega nivoja na vhodu PCINT1. Ob tem dogodku se v rutini sproži časovnik s katerim določimo dolžino periode enega bita signala in nastavimo števec bitov. Ob vsaki prekinitvi se tako sprememba nivoja shrani po

35 25 principu pomikalnega registra. Rutina v enem paketu podatka shrani tri bajte podatkov, ločenih s start, stop in bitom parnosti. V tej rutini sprožimo tudi zahtevo za A/D pretvorbo na vhodu ADC6. S tem zagotovimo, da med zajemom podatka tlaka in inklinacije ni večjega časovnega razmaka. Prekinitvena rutina za zaključek A/D pretvorbe skrbi za zajem podatkov z senzorja inklinacije. Ob končani pretvorbi na vhodu ADC6 v rutini spremenimo vsebino kontrolnih registrov A/D pretvornika in sprožimo rutino na vhodu ADC7. Ta bo ponovno prožena po končani pretvorbi vrednosti na vhodu ADC7, takrat se vsebino kontrolnih registrov spet nastavi za pretvorbo na vhodu ADC6. Zaradi časovno odvisnih operacij v sistemu teče ura realnega časa. Rutina, s katero se posodablja stanje ure realnega časa, se sproži, ko časovnik TIMER/COUNTER0 doseže določeno vrednost. Tu je določen tudi pogoj za ponastavitev ure realnega časa kadar ta preseže določeno vrednost, saj je njena velikost podatkov količinsko omejena. Prekinitvena rutina z najmanjšo prioriteto je prožena iz spremembe logičnega nivoja na enem od vhodov PCINT11, PCINT12 ali PCINT13. Ti pogoji so posledica pritiska tipke. V rutini je poleg zajema podatkov o stanju tipk dodana obdelava signalov da se znebimo efekta prehodnih pojavov odskakovanja mehanskih tipk GLAVNA RUTINA Glavno rutino sestavljajo trije sklopi podprogramov. Osnovni veji računanja volumna sta dodana dva menija dostopna z kombinacijo tipk v določenem časovnem obdobju. Meni izbire prikaza je namenjen uporabniku. Do njega se dostopa s pritiskom na tipko T2 za eno sekundo. V tem meniju uporabnik nastavi podatki ki jih hoče prikazani na zaslonu. Poleg volumna vode uporabnik lahko izbere še: Prikaz porabe vode v litrih na minuto Prikaz nagiba in zasuka (kota nagnjenosti vozila v smeri vožnje in prečno na smer vožnje) Prikaz zaloge vode v minutah glede na trenutno porabo Meni je sestavljen iz enostavnih podprogramov, ki spreminjajo vrednosti določenih globalnih spremenljivk. Te določajo izračun in prikaz v osnovni veji programa, funkcije izbire glede na pritisnjeno tipko ter funkcije izpisa na prikazovalnik. Izhod iz menija se izvrši z izbiro Izhod v meniju. Slika 16 prikazuje podmeni izbire v katerem izbiramo vrsto prikaza. Na sliki je viden kazalec, ki kaže na izbiro katero spreminjamo in stanje izbire. Če je prikaz izbran, je ob njem izpis OK če ni, pa X.

36 26 Slika 16: Podmeni izbire prikaza. Meni umerjanja ob zagonu je dostopen s hkratnim pritiskom vseh treh tipk za eno sekundo. Namenjen je nastavitvi ničelne vrednosti ob montaži naprave na vozilu. Pogoj za pravilno nastavitev ničelnih vrednosti je da vozilo stoji na vodoravni podlagi ter da je rezervoar vozila prazen. Če ob zagonu tega menija dobimo vrednosti zasuka, nagiba in tlaka različne od 0, nam te vrednosti pomnožene s številom 1 predstavljajo ničelno vrednost. Meni nima možnosti izbire, na prikazovalniku se pojavi sporočilo o opravljenem umerjanju. Osnovna veja programa je neskončna zanka, v kateri se vrši izračun podatkov z odštevanjem ničelne vrednosti in povprečenje podatkov s senzorjev tlaka in inklinacije. Izračuna se elemente rotacijskih matrik ter krajne točke zasukanega in nagnjenega sistema. Po metodi seštevanja osnovnih delov v preseku z vodno gladino, opisanem v prejšnjem sklopu, pridemo do rezultata, ki predstavlja volumen vode v rezervoarju. V naslednjih korakih se vrši izračun porabe vode v litrih na minuto, izračun preostalega volumna vode in zaloge vode v minutah glede na trenutno porabo. Izpis podatkov na prikazovalnik je odvisen od izbire v uporabniškem meniju izbire prikaza BRANJE PODATKA SENZORJA NPA600B015D Pri načrtovanju izvajanja programske kode smo veliko pozornost namenili rutini beri_tlak. Rutina ima obliko gonilnika za zajem podatka tlaka. Ta vzorči v prvem poglavju opisan signal senzorja NPA600B015D. Potek in obliko signala prikazuje slika 17. Med razvojem programa smo opazili, da število bitov ni zadostno kljub vzorčenju signala z frekvenco 512 khz kot je priporočeno s strani proizvajalca.

37 27 Slika 17: Potek in oblika signala tlaka. S testiranjem sistema smo ugotovili, da je glavni vzrok manjkajočih bitov proženje druge prekinitvene rutine v času poteka signala.za pravilno določitev podatka potrebujemo branje prehodov iz visokega v nizek logični nivo in branje stanja signala v času T strobe. Če zaradi izvajanja druge prekinitvene rutine mikrokrmilnik ne beleži prehoda stanja, je celoten podatek nepravilen. V primeru, da signala ne vzorčimo v času T strobe, pride do napake le na bitu, ki naj bi bil vzorčen. Rešitve problema zajema podatka tlaka so naslednje: branje tlaka se izvede v prekinitvenih rutinah, vse ostale prekinitve s v času rutine beri_tlak onemogočijo, vzorčenje signala traja neprekinjeno od start bita prvega paketa do stop bita zadnjega paketa podatka. Zgradbo rutine beri_tlak smo razdelili v tri časovna obdobja. Razdeljena je zaradi različnih režimov delovanja prekinitev časovnika timer0 in zunanje prekinitve PCInt1, ki je pogojena s signalom tlaka. Obdobja izvajanja rutine beri_tlak so: Čakanje na začetek signala. Začetek signala vedno sledi času mirovanja, ki je po navedbah proizvajalca dolg 1 ms. Z prekinitveno rutino PCInt1 časovnik tim0 postavimo na vrednost 0 vsak prehod z visokega v nizek nivo. Detekcijo mirovanja signala vršimo z časovnikom tim0, ki proži prekinitev, če je njegova vrednost večja od trajanja treh bitov. Dolžina bita traja µs, zato nastavimo primerjalno vrednost v nadzornem registru OCR0A = 100. Prekinitev je ob urinem taktu 1 MHz tako prožena v času 100 µs. Določitev dolžine bitov. Prvi v toku bitov je start bit. Ta služi določitvi dolžine bitov podatka. Trajanje podatka smo določili z vrednostjo časovnika v času, ko je signal na nizkem logičnem nivoju start bita. To je vrednost T strobe.

38 28 Branje bitov podatka poteka po zaključku start bita. Ob vsakem prehodu signala na nizek logični nivo se zažene časovnik, ki šteje do vrednosti T strobe. Takrat je nivo signala enak logični vrednosti bita podatka. Postopek se ponovi za branje vseh devetih bitov. Ker je podatek sestavljen iz treh nizov po deset bitov postopek branja bitov ponovimo trikrat. Na sliki 18 je prikazan časovni potek signala ter razdelitev časovnih obdobij izvajanja rutine beri_tlak. Slika 18: Časovna razdelitev izvajanja rutine beri_tlak.

39 29 6. TESTIRANJE SISTEMA 6.1. POSTAVITEV TESTNEGA OKOLJA Za preizkus delovanja sistema smo vzpostavili pogoje v katerih naj bi sistem deloval. Za vzpostavitev dejanskega tlaka vodnega stolpca smo izdelali prozorno cev, ki ima na dnu povezavo s tlačnim senzorjem. Hkrati je dodan cevi izpust s katerim uravnavamo višino vodnega stolpca. Odčitek višine vodnega stolpca nam omogoča skala, katero smo realizirali z tračnim metrom z ločljivostjo 1 mm. Pogoje inklinacije sistema smo vzpostavili z odklonom celotnega prototipa ter izračunom odklona glede na meritev dviga v posamezni osi. Slika 19 prikazuje postavitev testnega okolja. Na sliki je viden prototip sistema in prozorna cev s katero ustvarimo vodni stolpec. Slika 19: Testno okolje.

40 REZULATATI IN UGOTOVITVE TESTIRANJA SISTEMA Sistem smo testirali tako, da smo spreminjali nagib in zasuk, kot tudi višino vodnega stolpca. Za podane parametre smo izračunali volumen, vode ki je v rezervoarju predvidenih velikosti. Zaradi precej zapletenega izračuna volumna smo napravili meritve kadar sta zasuk in odklon enaka 0 in kadar sta vsak posebej odklonjena za 5 iz vodoravne lege. V Tabeli 1 so podani rezultati preizkusa sistema ob različnem nagibu, zasuku in višini vodnega stolpca. TABELA 1: Rezultati preizkušanja sistema brez nagiba in zasuka. h vode [cm] nagib [ ] zasuk[ ] izmerjen[l] izračunan [l] napaka [l] TABELA 2: Rezultati preizkušanja sistema 5 nagiba in brez zasuka. h vode [cm] nagib [ ] zasuk[ ] izmerjen[l] izračunan [l] napaka [l]

41 31 TABELA 3: Rezultati preizkušanja sistema brez nagiba in 5 zasuka. h vode [cm] nagib [ ] zasuk[ ] izmerjen[l] izračunan [l] napaka [l] Rezultati testiranj kažejo, da je razlika med izmerjenim in izračunanim volumnom majhna v primeru ko je sistem v vodoravnem položaju in kadar je sistem odklonjen iz vodoravne lege. Povečanje napake gre pripisati predvsem poenostavitvi izračuna volumna. Manjši del odstopanj predstavljajo napake zaradi nenatančnega podatka tlaka in kotov nagiba in zasuka. Boljše rezultate bi lahko dosegli z uporabo predstavljene metode polne natančnosti izračuna. Za dosego tega cilja bi bilo potrebno v nadalje preučiti naprednejše matematične prijeme, s katerimi bi natančneje določili volumen tridimenzionalnega prostora.

42 32

43 33 7. ZAKLJUČEK V diplomskem delu je predstavljeno načrtovanje sistema za natančnejši prikaz meritve volumna vode v rezervoarjih gasilskega vozila. Preučili smo delovanje posameznih sklopov in gradnikov ter njihova uporaba v sistemu. Pri načrtovanju sistema z namenom razvoja izdelka, ki bi ga bilo možno vključiti na trg, smo posebno pozornost namenili uporabi lahko dostopnih elektronskih komponent. Kot merilnik tlaka vodnega stolpca smo v prvotnem načrtu predvideli senzor MPX50 proizvajalca Senseon. Načrtovali smo ojačevalno vezje instrumentacijskega ojačevalnika z uporabo operacijskih ojačevalnikov. Izdelava prototipa tega vezja se je pokazala kot manj primerna zaradi problema nastavitve ničelnega nivoja in temperaturne kompenzacije. Zato smo v nadaljevanju uporabili senzor tlaka NPA600B015D proizvajalca General Electric. Za risanje električne sheme smo uporabili orodje Altium Designer, za razvoj programske kode smo izdelali sistem s posameznimi komponentami na plošči za izdelavo prototipov (preizkusna ploščica). Za izračun volumna bi bilo v nadaljevanju potrebno razviti računalniško aplikacijo, s katero bi bilo možno enostavno opisati rezervoarje različnih oblik in njihove mere prenesti v pomnilnik mikrokrmilnika. To bi omogočalo izračun volumna v rezervoarjih nepravilnih oblik. V ta namen bi nadgradili tudi programsko kodo za izvajanje programa v mikrokrmilniku. Ugotavljam, da smo z diplomskim delom raziskali in uporabili osnovne principe delovanja sistema, ki deluje po principu kot je bil zadan v cilju izdelave diplomske naloge. Z razvojem sistema bomo nadaljevali, saj se je med izdelavo diplomske naloge porodila marsikatera ideja za izboljšavo. Pred tem moramo raziskati finančno upravičenost.

44 34

45 35 VIRI IN LITERATURA [1] A Dozen Ways to Measure Fluid Level and How They Work ( level/ a dozen ways measure fluid level and how they work 1067 ), 2015 [2] Atmega48PA datasheet, Atmel Corporation, 2009 [3] Pressure Sensor Type NPA, Application Guide Genera Electric Company, 2012 [4] ±1.5g, ±6g Three Axis Low g Micromachined Accelerometer, Technical data Freescale Semiconductor, 2008 [5] 8 Most Common Level Sensing Methods:A Guide for Reliable & Cost effective Applications SICK Sensor inteligence, [6] Specification MC41605A6W BNMLW Midas Components Ltd., [7] Spletna stran Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. ( lj.si/~pavesic/pouk/biokemija/ Matematika%201% /3.pdf), 2016 [8] Uvod v mikrokrmilniške sisteme, učbenik, T. Tuma, J. Puhan, Založba FE in FRI, 2011

46 36

47 PRILOGE Shema napajanja vezja: 37

48 38 Shema glavnega dela vezja:

49 Tiskano vezje zgornja stran: 39

50 40 Tiskano vezje spodnja stran: