0,0 → 1,1067 |
<!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN" "http://www.w3c.org/TR/html4/strict.dtd"> |
<html> |
<head> |
<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8"> |
<title> DART01B </title> |
<meta name="keywords" content="stavebnice MLAB solární vozítko robot DART"> |
<meta name="description" content="Projekt MLAB, Solární vozítko DART"> |
<!-- AUTOINCLUDE START "Page/Head.cs.ihtml" DO NOT REMOVE --> |
<link rel="StyleSheet" href="../../../../Web/CSS/MLAB.css" type="text/css" title="MLAB základní styl"> |
<link rel="shortcut icon" type="image/x-icon" href="../../../../Web/PIC/MLAB.ico"> |
<script type="text/javascript" src="../../../../Web/JS/MLAB_Menu.js"></script> |
<!-- AUTOINCLUDE END --> |
</head> |
|
<body lang="cs"> |
|
<!-- AUTOINCLUDE START "Page/Header.cs.ihtml" DO NOT REMOVE --> |
<!-- ============== HLAVICKA ============== --> |
<div class="Header"> |
<script type="text/javascript"> |
<!-- |
SetRelativePath("../../../../"); |
DrawHeader(); |
// --> |
</script> |
<noscript> |
<p><b> Pro zobrazení (vložení) hlavičky je potřeba JavaScript </b></p> |
</noscript> |
</div> |
<!-- AUTOINCLUDE END --> |
|
<!-- AUTOINCLUDE START "Page/Menu.cs.ihtml" DO NOT REMOVE --> |
<!-- ============== MENU ============== --> |
<div class="Menu"> |
<script type="text/javascript"> |
<!-- |
SetRelativePath("../../../../"); |
DrawMenu(); |
// --> |
</script> |
<noscript> |
<p><b> Pro zobrazení (vložení) menu je potřeba JavaScript </b></p> |
</noscript> |
</div> |
<!-- AUTOINCLUDE END --> |
|
<!-- ============== TEXT ============== --> |
<div class="Text"> |
<p class="Title"> |
DART – solární vozítko s měničem |
</p> |
<p class=Autor> |
Milan Horkel |
</p> |
<p class="Subtitle"> |
Popisovaná konstrukce je experimentálním vozítkem pro |
závody solárních modelů. Je zde stručně uvedena mechanická konstrukce a |
konstrukce elektroniky obsahující měnič a řídící procesor pro řízení |
měniče a startu vozítka. Varianta s běžným tranzistorem. |
</p> |
<p class=Subtitle> |
<img width=358 height=333 src="Pictures/image001.jpg" |
alt="Celkový pohled"> |
</p> |
<p class="Center"> |
Obrázek zobrazuje elektroniku ve variantě DART01A |
</p> |
<p class=Subtitle> |
<img width=228 height=160 src="Pictures/image002.jpg" |
alt="Elektronika ze strany součástí"> |
<img width=227 height=148 src="Pictures/image003.jpg" |
alt="Elektronika ze strany spojů"> |
</p> |
<p> |
<a href="../DART01B.cs.pdf"><img class="NoBorder" |
src="../../../../Web/PIC/FileIco_PDF.ico" |
alt="Acrobat"> PDF verze</a> |
</p> |
|
<h1> Technické údaje </h1> |
|
<table> |
<tr> |
<th> Parametr </th> |
<th> Hodnota </th> |
<th> Poznámka </th> |
</tr> |
<tr> |
<td> Napájení </td> |
<td> 8ks slunečních článků </td> |
<td> cca 65mW </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Akumulační prvek </td> |
<td> Kondenzátor 10G/16V </td> |
<td> Maximálně do 18V (omezeno ZD)</td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Maximální energie </td> |
<td> 1.3J / 1.6J </td> |
<td> Při 16V / 18V </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Řízení </td> |
<td> Procesor PIC16F88 </td> |
<td> AD převodník, PWM, SSP, časovač </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Hmotnost </td> |
<td> 70g </td> |
<td> Elektronika z toho 20g </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Rozměry </td> |
<td> 155x115x100mm </td> |
<td> Elektronika 49x31x38mm </td> |
</tr> |
</table> |
|
<h1> Úvodem </h1> |
|
<p> |
Konstrukce solárního vozítka vyžaduje mnoho experimentální. |
Vznikla proto robustní mechanická konstrukce podvozku s oddělitelnými |
slunečními články a samostatná deska elektroniky. Většinu ladění a experimentů |
lze udělat tak, že se na podvozek umístí závaží odpovídající váze slunečních |
článků a elektroniky (osvědčila se 9V baterie) a podvozek se propojí tenkým |
drátem (lakovaný drát 0.2mm) s elektronikou, která leží na pracovním |
stole. Na sluneční články lze svítit obyčejnou stolní lampou, jen je třeba |
zvolit vhodnou vzdálenost, aby množství energie odpovídalo soutěžnímu |
osvětlení. Do místa dojezdu je vhodné dát polštář aby se podvozek nepotloukl. |
</p> |
|
<p> |
Všechna dosavadní solární vozítka (na soutěžích v Ostravě), která |
nějakým způsobem akumulovala energii se snažila nabít přímo ze slunečních |
článků velký kondenzátor a ten pak vybít do motoru. Tento proces má dvě úskalí. |
</p> |
|
<p> |
Za prvé sluneční články dávají maximální výkon jen při určitém napětí |
(2.5 až 3V při 8 článcích dle úrovně osvětlení). Tedy při připojení |
slunečních článků na vybitý kondenzátor je většina energie nevyužita |
(velký proud ale nepatrné napětí dají nepatrný výkon). |
</p> |
|
<p> |
Druhým kamenem úrazu je to, jak dostat co nejvíce energie |
z kondenzátoru do motoru. Prosté připojení motoru je velmi |
neefektivní, mnohem výhodnější je postupný rozjezd. V autě se |
také nerozjíždíme na pětku i když nakonec chceme jet co nejrychleji. |
Komplikací je i ta skutečnost, že část energie v kondenzátoru |
zbývá nevyužita protože napětí na kondenzátoru neklesne na nulu. |
</p> |
|
<p class="Remark"> |
Varianta „B“ elektroniky se od varianty „A“ liší jen tím, že byl použit |
dvojitý FET v obyčejném pouzdře SO8 (původní tranzistor byl |
poněkud exotický) a na plošný spoj byla doplněna možnost osazení LED |
(bliknutí je vidět i v hlučném prostředí ale stávající program |
ji nevyužívá). |
</p> |
|
<h2> Koncepce řešení </h2> |
|
<p> |
První problém lze v podstatě bezezbytku vyřešit tím, že mezi |
baterii slunečních článků a akumulační kondenzátor umístíme měnič, který |
řídíme tak, aby bylo na slunečních článcích optimální napětí. Zaplatíme |
za to tím, že se část energie ztratí v měniči (účinnost cca 80%) |
a část energie spotřebuje procesor na řízení měniče (cca 1mA). |
Procesor ale stejně potřebujeme protože to je nejsnazší způsob jak |
zajistit start vozítka v definovaném čase (dle pravidel 15s). |
</p> |
|
<p> |
Energie z akumulačního kondenzátoru přivedeme do motoru „po kouskách“ |
tak, že při rozjezdu budeme nejprve krátce spínat proud do motoru |
a během rozjezdu budeme postupně přidávat. Bohužel část energie |
v kondenzátoru zůstane nevyužita (napětí neklesne k nule). |
Aby tato část byla co nejmenší je vhodné volit kondenzátor raději menší |
kapacity ale na větší napětí. Napětí je omezeno hlavně průrazným napětím |
použitých tranzistorů. |
</p> |
|
<h2> Dosažené výsledky </h2> |
|
<p> |
Předběžné dosažené výsledky ukazují, že celkový výsledek je schopný |
konkurovat nejlepším konstrukcím z předchozích ročníků soutěže |
solárních vozítek. Zvýšená spotřeba elektroniky a její hmotnost je |
s rezervou vyvážena lepším využitím energie ze slunečních článků. |
</p> |
|
<h1> Mechanická konstrukce </h1> |
|
<p> |
Mechanická konstrukce se skládá ze 3 částí: |
</p> |
|
<table> |
<tr> |
<th> Část </th> |
<th> Hmotnost </th> |
<th> Celkem </th> |
</tr> |
<tr> |
<td> Podvozek s motorem </td> |
<td> 35g </td> |
<td rowspan=3> 69g </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Panel slunečních článků </td> |
<td> 14g </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> Elektronika </td> |
<td> 20g (z toho kondenzátor 13g) </td> |
</tr> |
</table> |
|
<p> |
Podvozek je samostatný prvek a panel slunečních článků je k němu |
připevněn pomocí stojin z hliníkové trubičky Ø3mm, které lze |
oddělit jak od podvozku, tak i od panelu slunečních článků. Elektronika |
je připevněna pomocí gumičky. |
</p> |
|
<h2> Podvozek </h2> |
|
<p> |
Podvozek je slepený z balzového dřeva a smrkových latiček. |
Provedení je určeno použitým motorem a převody. Motor i převody |
pochází z nefunkční CD ROM mechaniky. Podvozek byl stavěn spíše |
robustní aby něco vydržel a jistě by jej bylo možné odlehčit. |
</p> |
|
<p> |
Kola (standardní modelářská) jsou spolu s velkým ozubeným kolem |
převodu nasazena (a přilepena) na osu, kterou tvoří hliníková |
trubička Ø3mm. Na ose jsou dále přilepena 2 kuličková ložiska za která |
je náprava uchycena do podvozku (ložiska nejsou k podvozku přilepena). |
Ložiska pocházejí ze starého pevného disku. |
</p> |
|
<p> |
Přední kolo má pneumatiku z malého modelářského kolečka |
a náboj tvoří opět malé kuličkové ložisko s osou z hliníkové |
trubičky. Kolečko musí být dobře připevněno k podvozku aby se neulomilo |
při tvrdém dojezdu. |
</p> |
|
<p> |
Stojiny jsou zasunuty v trubičkách z hnědé papírové lepenky. |
Tyto trubičky jsou epoxidovým lepidlem zalepeny do podvozku. |
Podrobnosti jsou patrné z přiložených obrázků. |
</p> |
|
<p> |
<img width=268 height=189 src="Pictures/image005.jpg" |
alt="Podvozek, pohled zhora"> |
<img width=170 height=190 src="Pictures/image006.jpg" |
alt="Převodovka"> |
<img width=143 height=188 src="Pictures/image007.jpg" |
alt="Přední kolo"> |
</p> |
|
<h2> Panel slunečních článků </h2> |
|
<p> |
Sluneční články jsou velmi křehké a je tedy nezbytné náležitě je chránit |
před poškozením. Ke každému článku jsou zespoda připájeny 2 tenké dráty |
za které jsou přichyceny k podložce z 1mm balzy. Okraj podložky |
je zpevněn latičkami 2x3mm. Vpředu a vzadu jsou přilepené trubičky |
z papírové lepenky pro nasazení panelu na stojky. Všechny články |
jsou zapojené v sérii a vývod je opatřen kablíkem s konektorem. |
</p> |
|
<p> |
<img width=209 height=189 src="Pictures/image008.jpg" |
alt="Solární články"> |
<img width=105 height=188 src="Pictures/image009.jpg" |
alt="Připevnění stojin"> |
</p> |
|
<h1> Elektronika </h1> |
|
<h2> Blokové schéma </h2> |
|
<p> |
<img width=465 height=227 src="Pictures/image010.gif" |
alt="Blokové schéma"> |
</p> |
|
<p> |
Srdcem elektroniky je jednočipový procesor PIC16F88, který zajišťuje |
kompletní řízení jak měniče (pomocí PWM jednotky a AD převodníku) tak |
i rozjezdu (pomocí SSP jednotky). |
</p> |
|
<p> |
Napájení zajišťuje panel slunečních článků. Získaná energie |
se měničem střídá do akumulačního kondenzátoru odkud se pak spínačem |
motoru využívá pro rozjezd vozítka. |
</p> |
|
<p> |
K procesoru jsou připojeny 2 odporové trimry, jejichž nastavení |
lze přečíst pomocí AD převodníku a mohou se použít pro nastavení |
parametrů řídících algoritmů. Přepínač slouží pro výběr až 4 různých |
řídících algoritmů. |
</p> |
|
<p> |
Pro ladění je možné k elektronice připojit pomocný terminál |
s dvouřádkovým LCD displejem pro průběžné zobrazování nastavených |
parametrů. |
</p> |
|
<h2> Energetická bilance </h2> |
|
<p> |
Zdrojem energie je sada 8ks slunečních článků 25x50mm zapojených |
do série, které poskytnou při soutěžním osvětlení cca 60mW výkonu. |
Maximální výkon lze z článků získat pokud se zatíží tak, aby |
na nich bylo napětí 2.5 až 3V. Tato velikost napětí je výhodná |
i tím, že se dá bez úprav použít pro napájení řídícího procesoru |
(PIC16F88). |
</p> |
|
<p> |
Na startu je možno 15s akumulovat energii. Za tyto dobu poskytnou články |
cca 0.9J energie. Vlastní spotřeba procesoru (1mA) je jen malou částí |
a nebudeme ji dále uvažovat. Akumulační kondenzátor 10G/16V se |
touto energií nabije ideálně na cca 13.4V. Vzhledem k tomu, |
že měnič má ztráty bude na kondenzátoru napětí o něco menší. |
Teoreticky se do uvažovaného kondenzátoru vejde až 1.28J při 16V |
a máme tedy i dostatečnou rezervu (více světla, lepší články a podobně). |
</p> |
|
<p> |
<img width=137 height=41 src="Pictures/image011.gif" |
alt="Vzorec E = 0.5 * C * U * U"> |
</p> |
|
<p> |
<img width=129 height=47 src="Pictures/image012.gif" |
alt="Vzorec U = sqrt( 2 * E / C )"> |
</p> |
|
<h2> Měnič </h2> |
|
<p> |
Používáme blokující měnič, který má ideální vlastnosti pro uvažovanou |
aplikaci. Umožňuje totiž transformovat energii ze vstupního napětí |
jak směrem dolu (když je akumulační kondenzátor vybitý) tak i směrem |
nahoru (když je akumulační kondenzátor nabitý). Velikost výstupního |
napětí není principielně omezena a aby nedošlo k proražení |
spínacího tranzistoru nebo akumulačního kondenzátoru je na výstupu |
měniče zařazena ochranná Zenerova dioda 16V nebo 18V. |
</p> |
|
<p> |
<img width=378 height=155 src="Pictures/image013.gif" |
alt="Principální schéma měniče"> |
</p> |
|
<p> |
Při sepnutí tranzistoru Q se objeví napájecí napětí na primárním vinutí |
transformátoru a začne postupně lineárně narůstat proud primárním vinutím |
a dochází k ukládání energie v podobě magnetického pole cívky. |
</p> |
|
<p> |
<img width=147 height=41 src="Pictures/image014.gif" |
alt="Vzorec i(t) = U * t / L"> |
</p> |
|
<p> |
<img width=133 height=41 src="Pictures/image015.gif" |
alt="Vzorec E = 0.5 L * I * I"> |
</p> |
|
<p> |
Množství uložené energie je úměrné t<sup>2</sup> času sepnutí spínače |
Q protože proud je úměrný času t. |
</p> |
|
<p> |
Současně plynulý nárůst proudu způsobí, že se na sekundárním vinutí |
objeví konstantní napětí shodné velikosti jako na primárním vinutí |
(primární i sekundární vinutí mají shodný počet závitů). Kladný pól |
tohoto napětí je u tečky protože kladný pól napětí na primárním vinutí |
je také u tečky. Sekundární vinutí je zapojeno tak, že dioda D je |
uzavřena a sekundárním vinutím neteče proud. |
</p> |
|
<p> |
V okamžiku rozpojení spínače Q přestává téci proud primárním vinutím |
a transformátor vrací naakumulovanou energii přes diodu D do akumulačního |
kondenzátoru C. Napětí na sekundárním vinutí je dáno napětím |
na kondenzátoru C (plus úbytek na diodě D) a napětí na primárním vinutí |
je opět zhruba shodné. Tranzistor Q je namáhán napětím rovným součtu |
napájecího napětí a napětí na akumulačním kondenzátoru. |
</p> |
|
<p> |
Následující průběhy orientačně zobrazují průběh buzení tranzistoru, |
napětí na primárním vinutí (na sekundárním je vždy stejné) a proudy |
primárním a sekundárním vinutím. |
</p> |
|
<p> |
<img width=373 height=181 src="Pictures/image016.gif" |
alt="Časové průběhy napětí a proudu"> |
</p> |
|
<p> |
Množství energie v každém cyklu je dáno t<sup>2</sup> doby sepnutí |
spínače. Tato doba je řízena procesorem tak, aby se udržovalo optimální |
napětí na slunečních článcích. Při poklesu napětí pod nastavenou mez |
se zkracuje doba sepnutí a naopak. |
</p> |
|
<p> |
Aby měl měnič dobrou účinnost (cca 80%) je nezbytné zajistit, aby se |
jádro transformátoru nepřebuzovalo. Toho se docílí tím, že má jádro |
vzduchovou mezeru. V měniči je použito toroidní jádro Ø10mm |
z hmoty H22 (nízkofrekvenční hmota). Jádro se oparně přelomí |
na 2 poloviny a mezi ně se vloží papírová samolepka. Pak se vnitřní |
a vnější průměr jádra oblepí papírovou samolepkou aby drželo pohromadě. |
Protože je hmota H22 elektricky vodivá slouží papír současně i jako |
ochrana proti zkratu vinutí na ostrých hranách jádra. Je možné použít |
i jádra E z budícího transformátoru ze spínaného zdroje pro PC nebo |
z vyřazeného monitoru. Výhoda toroidu je jen v jeho o něco |
menší váze. |
</p> |
|
<p> |
Vinutí se vine bifilárně (obě vinutí najednou) 2x70 závitů drátem |
o Ø0.2mm. Při zapojování je třeba správně zapojit začátky a konce |
vinutí (začátky jsou ve schématu označeny tečkou). |
</p> |
|
<p> |
Indukčnost vinutí volíme tak, aby při buzení PWM na úrovni cca 30% tekl |
do měniče jmenovitý proud. Pokud teče proud moc malý je indukčnost |
příliš velká a naopak. Současně zkontrolujeme dosaženou účinnost. |
Pokud je menší než asi 75% je něco špatně (nevhodné jádro, malá nebo |
žádná vzduchová mezera, mizerná výstupní dioda, málo sepnutý tranzistor |
a podobně). |
</p> |
|
<h3> Volba součástek </h3> |
|
<p> |
<b>Tranzistor Q</b> – použijeme výkonový FET s prahovým napětím |
cca 2V pro proud cca 5A. Takové tranzistory se vyskytují na mainboardech |
(zejména notebooků) nebo v LiIon bateriích do mobilních telefonů |
(tam bývají v nevhodných pouzdrech nebo bývají nevhodně zapojené). |
V současné době se již dají vhodné dvojité tranzistory |
v pouzdru SO8 koupit. Používáme tranzistory minimálně na 20V. |
</p> |
|
<p> |
<b>Dioda D</b> – použijeme Schottkyho diodu na cca 5A. Velmi pěkně |
funguje SB540 ale je trochu větší než použitý SMD typ. |
</p> |
|
<h2> Rozjezd </h2> |
|
<p> |
Aby se co nejvíce pracně získané energie z akumulačního kondenzátoru |
dostalo do motoru je třeba provádět plynulý rozjezd. Prosté připojení |
motoru vede k nevalným výsledkům. |
</p> |
|
<p> |
<img width=236 height=185 src="Pictures/image017.gif" |
alt="Principální zapojení rozjezdu"> |
</p> |
|
<p> |
Rozjezd zajistíme postupným spínáním tranzistoru Q nejprve na kratičkou |
dobu a postupně dobu sepnutí prodlužujeme až nakonec zůstane tranzistor |
trvale sepnutý. K impulsnímu buzení používáme jednotku SSP |
procesoru (synchronní komunikační jednotka), která umožňuje vysílat |
sériově datová slova (8 bitů). Je tak snadné vysílat buď jen jednu |
jedničku nebo až 7 jedniček. |
</p> |
|
<p> |
<img width=323 height=199 src="Pictures/image018.gif" |
alt="Průběhy při rozjezdu"> |
</p> |
|
<p> |
Dioda D je zde zásadně důležitou součástkou a bez ní to nejede. |
Při sepnutí roste lineárně proud motorem (je to konec konců cívka) a |
při rozpojení je potřeba, aby mohl proud téci i nadále. Jinak hrozí |
proražení spínacího tranzistoru. Dioda umožňuje pokračovat proudu |
motorem i po rozpojení tranzistoru. Proud tekoucí motorem je zdrojem |
jeho „síly“, tedy točivého momentu. |
</p> |
|
<p> |
Jako optimální se jeví „řazení“ po 50 až 80ms. Opakovací frekvence |
rozjezdu je cca 7KHz. |
</p> |
|
<h1> Schéma </h1> |
|
<p> |
<img width=642 height=783 src="Pictures/image019.gif" |
alt="Celkové schéma"> |
</p> |
|
<p> |
Zenerova dioda D1 chrání procesor před přepětím a přepólováním. |
Zenerova dioda D4 chrání akumulační kondenzátor a spínací tranzistory |
(oba) před příliš vysokým napětím. |
</p> |
|
<p> |
Odpory R2 a R4 zajišťují vypnutý klidový stav tranzistorů Q1A a Q1B. |
Odpory R1 a R3 spolu s diodami D5 a D6 zajišťují ochranu procesoru |
proti záporným špičkám od spínacích tranzistorů (způsobených |
nezanedbatelnou kapacitou mezi D a G elektrodami výkonových FET |
tranzistorů). |
</p> |
|
<p> |
Dioda D2 je výstupní diodou měniče a dioda D3 je ochrannou diodou obvodů |
rozjezdu motoru. Pro zlepšení účinnosti je možné tyto diody buď vybrat |
(minimální úbytek v propustném směru) nebo zdvojit. |
</p> |
|
<p> |
Kondenzátor C4 je akumulačním kondenzátorem. Je volen s ohledem |
na optimální poměr množství uložené energie k jeho váze. Je |
zajímavé, že kondenzátor 10G/10V je stejně velký (tedy nevýhodný). |
Velikosti kondenzátorů se pravidelně zmenšují, je tedy třeba pořídit |
kondenzátor co nejnovější. |
</p> |
|
<p> |
Procesor běží z vnitřního RC oscilátoru (na kmitočtu 4MHz). |
Tlačítko SW1 umožňuje aktivovat jeho reset. Konektor J7 slouží |
k programování procesoru. J5 je piezo element, který se používá pro |
akustickou indikaci, že nastal reset. |
</p> |
|
<p> |
P1 a P2 slouží pro nastavování parametrů algoritmů. Jejich natočení |
se čte pomocí AD převodníku. Přepínač SW2 slouží pro volbu jednoho ze |
čtyř algoritmů. Odpory R8 a R9 zajišťují, že se při programování |
procesoru nezkratují programovací vodiče na zem. |
</p> |
|
<p> |
Tranzistor Q2 slouží jako výstupní tranzistor sériové linky pomocí níž |
procesor vysílá výstupní data (na jednoduchý terminál s dvouřádkovým |
LCD displejem). Používá se při ladění. Zvolené řešení zajišťuje, |
že připojený terminál (displej) nemá žádný vliv na spotřebu elektroniky. |
</p> |
|
<p> |
Pro zajištění optimálního napětí na slunečních článcích je třeba měřit |
velikost napájecího napětí. Toho se docílí srovnáním napájecího napětí |
a napětím na referenční diodě U2 na které je standardně 1.25V. Napájení |
referenční diody se zapíná jen po dobu měření (z portu RA4 přes R7). |
</p> |
|
<p> |
Důležitou součástkou je C5. Bez tohoto kondenzátoru se může elektronika |
dostat do naprosto nefunkčního stavu ze kterého se nedostane ani tlačítkem |
reset. Mechanismus zaseknutí spočívá v tom, že pokud dojde |
k poklesu napájení pod mez při které procesor přestává fungovat a je |
současně PWM výstup ve stavu H zůstává klopný obvod PWM výstupu procesoru |
ve stavu H (k udržení stavu mu stačí pár desetin voltů napájení) |
a při případném nárůstu napájení se současně spíná tranzistor Q1A, který |
tak vlastně vytváří zkrat na napájení. Napájecí napětí není schopno |
překonat prahové napětí tranzistoru Q1A (cca 0.8V). Při takhle nízkém |
napětí signál reset ještě nefunguje. |
</p> |
|
<h1> Osazení a oživení </h1> |
|
<h2> Osazení </h2> |
|
<p> |
Plošný spoj je třeba vyrobit z co nejtenčího materiálu aby byl lehký. |
Poněkud obtížnější je jen připájení miniaturního tranzistoru Q1. |
Piezo element je přilepen ze strany součástí pomocí mezikruží |
z oboustranně lepicí samolepky. Pod piezo elementem se vyvrtá otvor |
Ø2mm aby lépe zněl. Pozor na polaritu vinutí transformátoru. |
</p> |
|
<p> |
<img width=518 height=327 src="Pictures/image020.jpg" |
alt="Osazovák, strana spojů"> |
</p> |
|
<p> |
<img width=584 height=322 src="Pictures/image021.jpg" |
alt="Osazovák, strana součástí"> |
</p> |
|
<table class="Soupiska"> |
<tr> |
<th> Reference </th> |
<th> Hodnota </th> |
<th> </th> |
<th> Reference </th> |
<th> Hodnota </th> |
</tr> |
<tr> |
<th colspan="2"> Odpory </th> |
<th> </th> |
<th colspan="2"> Tranzistory </th> |
</tr> |
<tr> |
<td> R1,R3,R6 </td> |
<td> 100 </td> |
<td> </td> |
<td> Q1 </td> |
<td> IRF7301 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> R10 </td> |
<td> 220 </td> |
<td> </td> |
<td> Q2 </td> |
<td> 2N7002SMD </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> R8,R9 </td> |
<td> 1k </td> |
<td> </td> |
<th colspan="2"> Integrované obvody </th> |
</tr> |
<tr> |
<td> R5,R7 </td> |
<td> 10k </td> |
<td> </td> |
<td> U1 </td> |
<td> PIC16F88/SO </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> R2,R4 </td> |
<td> 100k </td> |
<td> </td> |
<td> U2 </td> |
<td> LM385-1.2_SO8 </td> |
</tr> |
<tr> |
<th colspan="2"> Odporové trimry </th> |
<td> </td> |
<th colspan="2"> Mechanické součástky </th> |
</tr> |
<tr> |
<td> P1,P2 </td> |
<td> 100k </td> |
<td> </td> |
<td> J1 </td> |
<td> BAT </td> |
</tr> |
<tr> |
<th colspan="2"> Keramické kondenzátory </th> |
<td> </td> |
<td> J2,J3,J6 </td> |
<td> JUMP2 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> C7,C8 </td> |
<td> 10nF </td> |
<td> </td> |
<td> J4 </td> |
<td> MOTOR </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> C5,C6 </td> |
<td> 100nF </td> |
<td> </td> |
<td> J5 </td> |
<td> PIEZO </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> C2,C3 </td> |
<td> 4uF/16V </td> |
<td> </td> |
<td> J7 </td> |
<td> PIC_ISP </td> |
</tr> |
<tr> |
<th colspan=2> Elektrolytické kondenzátory </th> |
<td> </td> |
<td> SW1 </td> |
<td> P-B1720 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> C1 </td> |
<td> 1000uF/6.3V </td> |
<td> </td> |
<td> SW2 </td> |
<td> SMDSW2 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> C4 </td> |
<td> 10G/16V </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<th colspan="2"> Indukčnosti </th> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> TR1 </td> |
<td> L-TR-1P1S_DOT </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<th colspan="2"> Diody </th> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> D1 </td> |
<td> BZV55C5.6SMD </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> D2,D3 </td> |
<td> SK54ASMD </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> D4 </td> |
<td> BZV55C18SMD </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> D5,D6 </td> |
<td> BAT48SMD </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> D7 </td> |
<td> LED0805CERVENA </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
<td> </td> |
</tr> |
</table> |
|
<h2> Oživení </h2> |
|
<p> |
Po naprogramování by měl procesor po každém resetu pípnout. |
Při oživování se používají testovací algoritmy programového vybavení. |
Na výstup RS232 je vhodné připojit pomocný terminál tvořený procesorem |
PIC s dvouřádkovým LCD displejem. Dále jsou k oživování |
nezbytné běžné multimetry (současné měření vstupního napětí a proudu |
a výstupního napětí na definované zátěži) a laboratorní zdroj. |
Velmi užitečným nástrojem je též osciloskop pro kontrolu průběhů. |
</p> |
|
<p> |
Při napájení z laboratorního zdroje je třeba omezit napájecí proud. |
Zejména algoritmy 0 a 3, které se snaží udržet definované napětí |
na slunečních článcích mohou vést k přetížení měniče (spálení cívky |
nebo tranzistoru). |
</p> |
|
<h1> LCD terminál </h1> |
|
<p> |
LCD terminál se připojuje na konektor J6 elektroniky a průběžně |
zobrazuje to, co elektronika posílá po sérovém kanále. Terminál lze |
snadno sestavit z procesorového modulu s procesorem PIC16F84 |
a z modulu s dvouřádkovým LCD displejem. Po překladu programu |
terminálu lze samozřejmě použít i jiný procesor. |
</p> |
|
<p> |
Komunikační rychlost je 9600Bd bez potvrzování přenosu, 8 datových bitů, |
1 stop bit, polarita inverzní (nastavuje se ve zdrojovém kódu). |
</p> |
|
<p> |
<img width=642 height=316 src="Pictures/image022.gif" |
alt="Schéma terminálu"> |
</p> |
|
<p> |
Připojení LCD displeje shrnuje následující přehled: |
</p> |
|
<table> |
<tr> |
<td> RB4 </td> |
<td> LCD_DB4 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> RB5 </td> |
<td> LCD_DB5 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> RB6 </td> |
<td> LCD_DB6 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> RB7 </td> |
<td> LCD_DB7 </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> RA0 </td> |
<td> LCD_RS </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> RA1 </td> |
<td> LCD_E </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> GND </td> |
<td> LCD_RW </td> |
</tr> |
<tr> |
<td> RB1 </td> |
<td> RS232_IN </td> |
</tr> |
</table> |
|
<h1> Programové vybavení </h1> |
|
<p> |
Verze 1.01. |
</p> |
|
<h2> Uživatelský návod </h2> |
|
<p> |
Programové vybavení má implementovány 4 algoritmy, které se volí stavem |
dvojitého přepínače SW2. |
</p> |
|
<h3> Algoritmus 0 – standardní jízda</h3> |
|
<p> |
Po resetu 14.5s akumuluje energii do kondenzátoru a poté provede rozjezd. |
Hlavní měnič a algoritmus optimalizace zátěže slunečních článků běží |
po celou dobu běhu programu. Pomocí P1 se nastavuje požadovaná velikost |
napětí na slunečních článcích a pomocí P2 se nastavuje rychlost rozjezdu. |
</p> |
|
<h3> Algoritmus 1 – test PWM měniče a měniče pro rozjezd </h3> |
|
<p> |
Pomocí P1 se nastavuje šířka PWM impulsů hlavního měniče. Je vhodné |
napájení z regulovatelného zdroje (s proudovým omezením na cca |
0.5A). Účinnost se určuje ze vstupního napětí a proudu a z napětí |
na zatěžovacím odporu 100Ω na výstupu (konektor J3). P2 musí být |
nastaven na 0 nebo musí být odpojen motor. |
</p> |
|
<p> |
Šířka impulsů spínače motoru se nastavuje pomocí P2. P1 se nastavuje |
na 0 a na J3 se přivádí pomocné napájecí napětí (5 až 16V). Při šířce |
impulsů 1 (nastaveno pomocí P2) by mělo vozítko pomalu jet při napětí |
pomocného zdroje 16V. |
</p> |
|
<h3> Algoritmus 2 – test rozjezdu </h3> |
|
<p> |
Tento algoritmus po resetu počká 2s a pak provede standardní rozjezd |
motoru. Po 2s motor opět odpojí. Pomocí P2 se nastavuje prodleva mezi |
stupni řazení. Optimální hodnota bývá mezi 50 a 80ms (není kritické). |
Test rozjezdu se provádí tak, že se přes J3 nabije akumulační kondenzátor |
na požadované napětí, poté se pomocný zdroj odpojí a provede se start |
(pomocí tlačítka reset). Měří se buď délka dráhy nebo čas projetí fixní |
dráhy. Hlavní střídač při tomto testu neběží. Algoritmus 0 používá |
stejné nastavení P2. |
</p> |
|
<h3> Algoritmus 3 – test optimalizace nabíjení </h3> |
|
<p> |
Tento algoritmus slouží k ověření algoritmu optimalizace výkonu |
ze slunečních článků. Pomocí P1 se nastavuje požadovaná hodnota napětí |
na solárních článcích tak, aby na zátěži 100Ω na výstupu (konektor J3) |
bylo maximální napětí. Algoritmus 0 používá stejné nastavení P1. |
</p> |
|
<h2> Architektura programu </h2> |
|
<p> |
Procesor běží z vnitřního generátoru hodin 4MHz. Má povolen |
<span lang="en">watch dog</span> a výstup PWM má nastaven na port RB3. |
</p> |
|
<p> |
Pro vysílání dat do pomocného terminálu používá HW podporu |
(jednotka USART). Nepoužívá se zde přerušení, je-li třeba vyslat více |
znaků za sebou procedura pro vysílání znaků <samp>Putc()</samp> čeká |
dokud není vyslán předchozí znak. Počáteční inicializaci sériového |
kanálu zajišťuje procedura <samp>InitRS232()</samp>. Rychlost |
je nastavena na 9600Bd. |
</p> |
|
<p> |
Pro pozvolný rozjezd motoru se používá jednotka sériové synchronní |
komunikace SSP, která umožňuje HW prostředky vyslat sérově zadaná data. |
Pro postupný rozjezd se nejprve vysílají data obsahující 1 jedničku |
a postupně se ve vysílaném (osmibitovém) slově zvětšuje počet jedniček |
až na 7. Poté se jednotka SSP deaktivuje a na příslušnou výstupní nožičku |
je nastaven stav trvalé jednotky. |
</p> |
|
<p> |
Jednotka SSP po vyslání 1 bajtu dat vyvolá přerušení jehož obsluha zapíše |
další bajt do SSP pro vyslání. Jaký bajt se opakovaně vysílá je určeno |
„převodovým stupněm“ při rozjezdu. Obsluhu přerušení zajišťuje procedura |
<samp>IntSSP()</samp>, data pro opakované vysílání jsou uložena |
v globální proměnné <samp>MotorPattern</samp>. Hodnota do této |
proměnné se nastavuje pomocí procedury <samp>MotorPatternSet()</samp>, |
která ze zadaného „rychlostního stupně“ vyrobí slovo s příslušným |
počtem jedniček. Klidový stav („neutrál“) a plný výkon se neobsluhují |
pomocí SSP protože jsou zajištěny trvalým stavem 0 nebo 1 na portu |
pro ovládání motoru. |
</p> |
|
<p> |
Procedura MotorSet() zajišťuje nastavení zadaného rychlostního stupně |
a povolí přerušení od jednotky SSP. Tato procedura se volá z hlavního |
programu pro rozjezd. |
</p> |
|
<p class=MsoNormal>Pro měření času pro akumulaci a pro „řazení“ při rozjezdu |
se používá časovač T0, který je nastaven na přerušení každou cca 1ms |
(asi 1000x za sekundu). Obsluhu přerušení od časovače zajišťuje procedura |
<samp>IntT0()</samp>. |
</p> |
|
<p> |
Pro odměřování uplynutí časového intervalu se používá procedura |
<samp>TimerSet()</samp> a pro testování zda již nastavený čas uplynul |
se používá funkce <samp>TimerIf()</samp>. |
</p> |
|
<p> |
Automatický rozjezd motoru se zahajuje voláním procedury |
<samp>MotorStart()</samp>, která nastaví příslušné proměnné, které slouží |
pro řízení rozjezdu. Vlastní řízení rozjezdu se provádí v proceduře |
<samp>IntT0()</samp>, tedy v obsluze přerušení od časovače T0. |
Podstatným parametrem rozjezdu je časový interval mezi řazením rychlostních |
stupňů. Tento parametr se ukládá do globální proměnné <samp>MotorDelay</samp>. |
Proměnná <samp>MotorGear</samp> a <samp>MotorTime</samp> obsahují aktuální |
rychlostní stupeň (1 je nejméně) a čas(v ms), který ještě zbývá než se bude |
řadit další rychlost. |
</p> |
|
<p> |
Funkce <samp>ReadAD()</samp> zajišťuje změření napětí na zadaném vstupu |
AD převodníku. Výstupem je hodnota 8 bitů (0 až 255). Kanál 0 a 1 měří |
natočení běžce trimru P1 a P2, kanál 4 měří napětí na referenční diodě |
U2 (v tomto případě se před měřením připojuje napájení na referenční diodu |
a po ukončení měření se odpojuje). |
</p> |
|
<h3> Hlavní program </h3> |
|
<p> |
Hlavní program sestává z inicializační části, která se provádí |
jen jednou, poté otestuje stav přepínačů režimu činnosti a podle jejich |
nastavení spustí jeden ze 4 výkonných algoritmů. |
</p> |
|
<p> |
Inicializace sestává z těchto činností: |
</p> |
|
<ul> |
<li>Nastavení rychlosti interního generátoru na 4MHz</li> |
<li>Nastavení se klidové hodnoty na výstupních portech</li> |
<li>Nastavení <span lang="en">watch dog</span> na 130ms</li> |
<li>Povolení analogových vstupů na AN0 až AN4, ostatní jsou digitální</li> |
<li>Inicializace RS232</li> |
<li>Pípnutí na piezo element</li> |
<li>Přečtení stavu přepínače pro volbu režimu činnosti a výpis na LCD</li> |
<li>Inicializace PWM výstupu (perioda 32us, rozlišení 1us, výstup na 5 bitů)</li> |
<li>Inicializace časovače T0 (přerušení po cca 1ms)</li> |
<li>Načtení parametru P2 (časová prodleva mezi stupni řazení při rozjezdu)</li> |
</ul> |
|
<p> |
Algoritmus optimalizace zátěže slunečních článků pracuje tak, že se přečte |
z P1 (AD převodníkem na kanálu 1) požadovaná hodnota, která |
se následně porovnává se skutečnou hodnotou změřeného napětí referenční |
diody (napětí na referenční diodě je vždy 1,25V ale změřená hodnota odráží |
skutečnost, že číslu 255 odpovídá plné napájecí napětí procesoru, tedy |
napětí na slunečních článcích). Pokud je číslo menší, znamená to, že |
napájecí napětí je větší než požadované a je možno zvýšit výkon měniče. |
Zvýší se tedy délka PWM impulsu. V opačném případě se délka impulsu |
snižuje (až na nulu). Maximální hodnota délky PWM impulsu je omezena |
na 24us protože při připojení tvrdého napájecího zdroje (například |
při programování procesoru) by se regulace snažila snížit napájecí |
napětí na optimálních 2.5 až 3V což nejde (nakonec by tranzistor měniče |
trvale sepnul). |
</p> |
|
<h2> Terminál </h2> |
|
<p> |
Program úvodem vypíše verzi na LCD displeji a poté začne přijímat data |
ze sériového kanálu. Příjem je zahájen start bitem na INT0 vstupu. |
Start bit vyvolá přerušení, během kterého je programově přečten 1 znak |
a vložen do fronty přijatých znaků (až 40znaků). |
</p> |
|
<p> |
Hlavní smyčka pouze opakovaně testuje, zda je nějaký znak ve frontě znaků |
a v případě že tam je tak jej zpracuje (zobrazí). |
Program podporuje následující řídící znaky: |
</p> |
|
<ul> |
<li><samp>0x0C</samp> = <samp>\f</samp> – smazání displeje</li> |
<li><samp>0x0A</samp> = <samp>\n</samp> – přechod na druhou řádku displeje</li> |
<li><samp>0x0D</samp> = <samp>\r</samp> – přechod do pozice 1,1</li> |
<li><samp>0x08</samp> = <samp>\b</samp> – <span lang="en">back space</span></li> |
</ul> |
|
</div> |
|
<!-- AUTOINCLUDE START "Page/Footer.cs.ihtml" DO NOT REMOVE --> |
<!-- ============== PATIČKA ============== --> |
<div class="Footer"> |
<script type="text/javascript"> |
<!-- |
SetRelativePath("../../../../"); |
DrawFooter(); |
// --> |
</script> |
<noscript> |
<p><b> Pro zobrazení (vložení) hlavičky je potřeba JavaScript </b></p> |
</noscript> |
</div> |
<!-- AUTOINCLUDE END --> |
|
</body> |
</html> |