| 0,0 → 1,967 |
|---|
| <!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> DART01A </title> |
| <meta name="keywords" content="stavebnice MLAB solární vozítko 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"> DART01A – 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. |
| </p> |
| |
| <p class="Subtitle"> |
| <img width="358" height="333" src="Pictures/image002.jpg" |
| alt="Celkový pohled"> |
| <br> |
| <img width="228" height="160" src="Pictures/image001.jpg" |
| alt="Elektronika ze strany součástí"> |
| <img width="227" height="148" src="Pictures/image003.jpg" |
| alt="Elektronika ze strany spojů"> |
| </p> |
| |
| <p> |
| <a href="../DART01A.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> Z toho elektronika 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 experimentování. 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> |
| |
| <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> |
| Energii 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 solární vozítko je schopné konkurovat nejlepším |
| konstrukcím z předchozích ročníků soutěže. 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 stavební 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/image004.jpg" |
| alt="Podvozek, pohled zhora"> |
| <img width="170" height="190" src="Pictures/image005.jpg" |
| alt="Převodovka"> |
| <img width="143" height="188" src="Pictures/image006.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/image007.jpg" |
| alt="Solární články"> |
| <img width="105" height="188" src="Pictures/image008.jpg" |
| alt="Připevnění stojin"> |
| </p> |
| |
| <h1> Elektronika </h1> |
| |
| <h2> Blokové schéma </h2> |
| |
| <p> |
| <img width="465" height="227" src="Pictures/image009.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 při takovém |
| zatížení, při kterém je na nich 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/image010.gif" |
| alt="Vzorec E = 0.5 * C * U * U"> |
| </p> |
| |
| <p> |
| <img width="129" height="47" src="Pictures/image011.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/image012.gif" |
| alt="Principální schéma měniče"> |
| </p> |
| |
| <p> |
| Po 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/image013.gif" |
| alt="Vzorec i(t) = U * t / L"> |
| </p> |
| |
| <p> |
| <img width="133" height="41" src="Pictures/image014.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/image015.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 jádro má 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 jádro 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 pouze v jeho o něco menší hmotnosti. |
| </p> |
| |
| <p> |
| Vinutí se vine bifilárně 2x70 závitů drátem o Ø0.2mm. Obě vinutí se tedy vinou najednou lehce |
| zkrouceným párem vodičů. Při zapojování je třeba správně zapojit začátky a konce vinutí. |
| Začátky vinutí 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> |
| Tranzistor Q – 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. Někdy bývají dvojité (ale mohou mít nevhodně zapojené vývody). V |
| současné době se již dají podobné tranzistory v pouzdru SO8 koupit. |
| </p> |
| |
| <p> |
| Dioda D – 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/image016.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/image017.gif" |
| alt="Průběhy při rozjezdu"> |
| </p> |
| |
| <p> |
| Dioda D je zde nepostradatelnou 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 proudu pokračovat v |
| průchodu 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/image018.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 hmotnosti. Je zajímavé, že kondenzátor 10G/10V je stejně velký (tedy |
| nevýhodný). Rozměry kondenzátorů se neustále, 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 nastavení 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> |
| <i> |
| Důležitou součástkou je C5. Bez tohoto kondenzátoru se může elektronika dostat do |
| naprosto nefunkčního stavu ze kterého se nedostane ani tlačítkem reset. Mechanismus |
| zablokování spočívá v tom, že při poklesu napájení pod mez při které procesor přestává |
| fungovat a současně je PWM výstup ve stavu H zůstává klopný obvod PWM výstupu procesoru ve |
| stavu H. K udržení tohoto stavu stačí pár desetin voltů napájení a při opětovném nárůstu |
| napájení se současně spíná tranzistor Q1A, který v této situaci vytváří zkrat na napájení. |
| Napájecí napětí pak není schopno překonat prahové napětí tranzistoru Q1A (cca 0.8V). Při |
| takhle nízkém napětí signál reset ještě nefunguje. |
| </i> |
| </p> |
| |
| <h1> Osazení a oživení </h1> |
| |
| <h2> Osazení </h2> |
| |
| <p> |
| Plošný spoj je vhodné vyrobit z co nejtenčího materiálu aby byl co nejlehčí. Poněkud |
| obtížnější je jen připájení miniaturního tranzistoru Q1. Piezo element je přilepen ze |
| strany součástek pomocí mezikruží z oboustranně lepicí samolepky. Aby bylo piezo element |
| lépe slyšet, vyvrtá se pod ním otvor o průměru Ø2mm. Pozor na polaritu vinutí |
| transformátoru. |
| </p> |
| |
| <p> |
| <img width="516" height="327" src="Pictures/image019.jpg" |
| alt="Osazovák, strana spojů"> |
| <img width="516" height="326" src="Pictures/image020.jpg" |
| alt="Osazovák, strana součástí"> |
| </p> |
| |
| <table class="Soupiska"> |
| <tr> |
| <th colspan="2"> Odpory </th> |
| <td></td> |
| <th colspan="2"> Tranzistory </th> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> R1,R3,R6 </td> |
| <td> 100 </td> |
| <td></td> |
| <td> Q1 </td> |
| <td> Si17904DN </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> R8,R9 </td> |
| <td> 1k </td> |
| <td></td> |
| <td> Q2 </td> |
| <td> 2N7002SMD </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> R5,R7 </td> |
| <td> 10k </td> |
| <td></td> |
| <th colspan="2"> Integrované obvody </th> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> R2,R4 </td> |
| <td> 100k </td> |
| <td></td> |
| <td> U1 </td> |
| <td> PIC16F88/SO </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <th colspan="2"> Odporové trimry </th> |
| <td></td> |
| <td> U2 </td> |
| <td> LM385-1.2_SO8 </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> P1,P2 </td> |
| <td> 100k </td> |
| <td></td> |
| <th colspan="2"> Mechanické součástky </th> |
| </tr> |
| <tr> |
| <th colspan="2"> Keramické kondenzátory </th> |
| <td></td> |
| <td> J1 </td> |
| <td> BAT </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> C7,C8 </td> |
| <td> 10nF </td> |
| <td></td> |
| <td> J2,J3,J6 </td> |
| <td> JUMP2 </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> C5,C6 </td> |
| <td> 100nF </td> |
| <td></td> |
| <td> J4 </td> |
| <td> MOTOR </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> C2,C3 </td> |
| <td> 4uF/16V </td> |
| <td></td> |
| <td> J5 </td> |
| <td> PIEZO </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <th colspan="2"> Elektrolytické kondenzátory </th> |
| <td></td> |
| <td> J7 </td> |
| <td> PIC_ISP </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> C1 </td> |
| <td> 1000uF/6.3V </td> |
| <td></td> |
| <td> SW1 </td> |
| <td> P-B1720 </td> |
| </tr> |
| <tr> |
| <td> C4 </td> |
| <td> 10G/16V </td> |
| <td></td> |
| <td> SW2 </td> |
| <td> SMDSW2 </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> |
| </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 sérové lince. 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/image021.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 nastaví 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-US">watch |
| dog</span> a výstup PWM má nastaven na port RB3. |
| </p> |
| |
| <p> |
| Pro vysílání dat do pomocného terminálu používá program HW podporu (jednotka USART) ale |
| nepoužívá přerušení. Je-li třeba vyslat více znaků za sebou, pak procedura pro vysílání |
| znaků <samp>Putc()</samp> čeká dokud není vyslán předchozí znak. Počáteční inicializaci |
| sériové linky 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 vyslat zadaná data sérově HW prostředky. 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 jedničky. |
| </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 <samp>MotorSet()</samp> zajišťuje nastavení zadaného rychlostního stupně a povolí |
| přerušení od jednotky SSP. Tato procedura se volá z hlavního programu pro rozjezd. |
| </p> |
| |
| <p> |
| 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>. Proměnné |
| <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 klidové hodnoty na výstupních portech </li> |
| <li>Nastavení <span lang="EN-US">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 zůstal trvale sepnutý). |
| </p> |
| |
| <h2> Terminál </h2> |
| |
| <p> |
| Program úvodem vypíše verzi na LCD displeji a poté začne přijímat data ze sériové linky. |
| 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 40 znaků). |
| </p> |
| |
| <p> |
| Hlavní smyčka pouze opakovaně testuje, zda je nějaký znak ve frontě znaků a v případě že |
| jej nalezne, 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 na pozici 1,1 </li> |
| <li><samp>0x08</samp> = <samp>\b</samp> – <span lang="EN-US">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> |
