Elektroniikan erikoistyö Tavoite: Valvontakameran objektiivin ohjauslogiikan toteuttaminen ja tarvittavan mekaniikan suunnittelu. Lähtökohta: Objektiivista löytyy kolme moottoria, jotka säätelevät aukkoa, zoomia ja tarkennusta. Objektiivista puuttuu ohjauslogiikkaa moottoreiden ohjaamiseksi, joten tarkoituksena olisi rakentaa uusi logiikka sekä muutamia muita lisäominaisuuksia, kuten kääntö pysty ja vaakasuunnassa. Jo aiemmin olen hankkinut projektia varten Sharp ¼ PAL CCD värikameramoduulin. Periaatekuva toteutettavasta järjestelmästä: Objektiivi Kameramoduuli Videokuva S-video kaapelilla (tai langattomasti) PC:lle Langaton ohjaus (ZigBee) Kameran kääntö pysty ja vaakasuunnassa RS-232 -väylä Tiedonsiirron vaihtoehdot USB Kameran toimintojen ohjaus tietokoneella Objektiivilla otetut ensimmäiset koekuvat: Kuva 1: Kuva otettu naapuritalon parkkipaikalla olleesta autosta, joka oli 71 metrin päässä kuvauspaikasta. Rekisterikilven yläpuolella oleva Koskenkorva viina teksti on luettavissa, live videokuvassa teksti oli vielä helpompi lukea. Tässä vastaan tulee käytetyn kameramoduulin tarkkuus, ei niinkään objektiivin ominaisuudet.
Kuva 2: Kuva on otettu Savelassa sijaitsevan Jyväskylän energia Oy:n lämpövoimalaitoksen savupiipusta. Kyseiselle piipulle on linnuntietä 2,9 kilometrin matka kuvauspaikalta. Kuvassa näkyvät roskat ovat objektiivissa olevia epäpuhtauksia, jotka näkyvät riippuen siitä mihin asentoon aukko on säädetty (pienellä aukolla roskat näkyvät). Kuva 3: Kuva on otettu vastapäätä olevan talon keittiön ikkunasta, jonne on 89m matka kuvauspaikasta. Zoomauksessa ei ole käytetty lisälinssiä, joka toisi kohteen entistäkin lähemmäksi. Mikäli lisälinssikin otettaisiin käyttöön, olisi kuva punaisen neliön rajaaman alueen sisäpuoleinen alue. Kuvaustilanne: Aiemmat kolme kuvaa on otettu todella huonoin lähtökohdin kuten seuraavista kuvista voimme todeta. Silti saavutettu kuvanlaatu oli vähintäänkin hyvä. Toivonmukaan kunnollinen mekaniikan toteutus tuo mukanaan parannusta kuvanlaatuun. Oheisessa kuvassa näkyvä punainen ympyrä on kohde jota kuvasin kuvan 3 tapauksessa.
Objektiivin kiinnitin testausta varten kameran kolmijalkaan kaiutinkaapelilla. Kameramoduulin kiinnittämisessä joutui käyttämään vähintään yhtä erikoista tapaa kuin objektiivin kiinnittämisestä. Leikkasin mehupullon yläpäästä jenkaosan irti, jonka sisälle sijoitan kameramoduulin. Jenka osan teippasin kiinni objektiivin taakse. Tämä oli helpoin tapa toteuttaa kamera moduulin kiinnittäminen objektiiviin, vaikka oli tässä toteutustavassa toinenkin idea. Kameramoduulin etäisyydellä objektiivista on merkitystä minimi tarkennusetäisyyden ja tarkennuksen toimivuuden ja riittävyyden osalta, molemmat siis osaltaan vaikuttavat lopulliseen kuvanlaatuun. Moduulin oma linssistö piti poistaa häiritsemästä uuden objektiivin toimintaa. Edellä mainitut viritelmät olivat vain koekuvausta varten, lopullinen ratkaisu tulee olemaan huomattavasti asiallisemmin toteutettu. Myöhemmin tässä dokumentissa esitellään niitä ratkaisuja joita tullaan käyttämään lopullisessa toteutuksessa.
Toteutus (halutut ominaisuudet): Objektiivin moottoreiden ohjaus: Objektiivin moottorit ovat tasajännitemoottoreita, joten niiden pyörimissuunnan vaihtaminen toteutetaan H-sillan avulla. Moottoreiden pyörimisnopeutta säädellään pulssinleveyttä säätämällä. Mikrokontrolleri tuottaa tarvittavat signaalit jokaiselle moottorille erikseen. Pelkkä moottoreiden pyörittäminen ei riitä, vaan myös säätökiekkojen asento on tiedettävä. Tämä siksi että objektiivin säädöt voidaan säätää esimerkiksi esiasetettujen arvojen mukaisiksi nappia painamalla. Näin kokonaisuudesta muodostuu huomattavasti käyttäjäystävällisempi. Takaisinkytkentä toteutetaan potentiometreillä jotka on liitettynä moottoreissa oleviin rattaisiin. Potentiometrien jännitteitä luetaan ADmuuntimien avulla, joita tarvitaan vähintään 4 kpl (referenssi jännitteen mittaus + objektiivin säätöjen asennot). Mittaustulokset skaalataan ohjelmallisesti sopivalle asteikolle. Kameran kääntäminen: Kääntäminen toteutetaan kahden askelmoottorin avulla. Toinen moottoreista kääntää kameraa sivusuunnassa, toinen pystysuunnassa. Koska halpojen askelmoottoreiden jarruvoima (holding torque) on suhteellisen pieni, joudutaan turvautumaan vaihteiston tyyliseen ratkaisuun jossa pyörimisnopeuden kustannuksella saadaan aikaan suurempi vääntö- ja jarruvoima. Välitys voidaan toteuttaa esim. 1:10 välityssuhteella olevia rattaita käyttäen. Myös näiden asentotiedot tarvitaan, toteutetaan käyttämällä potentiometrejä ja AD-muuntimia. Kameran mekaniikka: Mekaniikan toteuttaminen on yksi ongelmallisimmista asioista projektissa puutteellisten työvälineiden takia. Objektiivi, sen kotelo ja kääntöyksikkö tullaan mallintamaan Catia 3D suunnitteluohjelmiston avulla, joiden kuvia hyödynnän osien valmistuksen yhteydessä. Kameramoduulin liittäminen objektiivin: Moduulin sijaintia objektiivin takana pitäisi kyetä säätämään tarkasti, tähän ratkaisuksi ajattelin ruuvitankoa, joka on kiinni kameramoduulissa ja objektiivissa. Kun ruuvia pyörittää, saadaan moduuli liikkumaan eteen ja taaksepäin. Näin kameramoduulin ja objektiivin välisen etäisyyden säätäminen on mahdollisimman helppoa, yksinkertaista ja ennen kaikkea tarkkaa. Vertaa esimerkiksi CD-soittimen laserlukupäätä liikuttavaan mekanismiin (pitkittäissuunta).
Kameran ohjaaminen tietokoneella: Systeemin ohjaus olisi tarkoitus toteuttaa tietokoneelle tehdyn ohjelmiston avulla, joka toteutetaan Visual Basic 6 tai Visual C++ kielen avulla (myös LabView ohjelmaa voisi hyödyntää ohjelmiston toteutuksessa). Liitäntä tietokoneen ja ohjaimen välillä toteutetaan USB liitännällä. Ohjainkortteja tulee olemaan kaksi, tietokoneeseen liitettävä hallintayksikkö ja kameraan liitettävä ohjainyksikkö. Ohjauskomennot pystyy siirtämään kameralle joko RS232 väylän tai langattoman ZigBee linkin kautta. Kameran luona oleva ohjainyksikkö vastaanottaa signaalit ja muuntaa tietokoneelta annetut komennot moottoreiden ohjaussignaaleiksi, sekä palauttaa tietokoneelle asentotiedot. Videokuvan siirtäminen: Kameramoduulista saadaan videokuva ulos S-video liitännän kautta. Signaali voidaan muuttaa vastuksen ja kondensaattorin avulla komposiitiksi, mutta tässä ratkaisussa kuvanlaatu heikkenee entisestään. Kuvan voisi lähettää myös langattomasti pienen langattoman lähettimen kautta. Tämä vaihtoehto on hyvin kiinnostava, mutta se kasvattaa kustannuksia huomattavasti jonka takia sitä ei voida toteuttaa tämän projektin yhteydessä. Ohjainkorttien toiminnat ja ominaisuudet: Hallintayksikkö: - LCD näyttö debuggausta varten, myös normaali toiminnan aikana haluttuja tietoja voidaan näyttää - USB liitin tietokoneeseen liittämiseksi - RS232 väylä ja ZigBee komentojen viemiseksi ohjainkortille ja mittausarvojen vastaanottamiseksi - ATMega128 hoitaa tietojen muuttamisen USB:n ja ZigBee / RS232:n välillä, sekä ohjaa LCD näyttöä - SPI-ohjelmointiliitin - 4 nappulaa asetusten muuttamiseksi / selailuun, myös täyden ohjauspaneelin toteuttaminen voisi tulla kyseeseen, mutta tällöin nappuloita pitäisi olla vähintään 10 kpl, mieluiten noin 20. Tämän takia näppäimistö täytyy toteuttaa joskus myöhemmin ulkoisen liitännän kautta - Lisäksi vapaita portteja viedään liitinrimoille myöhempiä lisämoduuleita varten.
Ohjainyksikkö: - LCD näyttö debuggausta varten - 4 nappulaa asetusten muuttamiseksi / selailuun - RS232 väylä ja ZigBee komentojen vastaanottamiseksi ja mittausarvojen palauttamiseksi - ATMega128 hoitaa mm. tietojen keräämisen (AD-muuntimet, rajakytkimet) ja moottoreiden ohjaamisen (DC ja askelmoottorit) - Askelmoottoriohjaimet (2 kpl) - H-silta ohjaimet (3 kpl) - SPI-ohjelmointiliitin - Rajakytkimet (4 kpl) - Lisäksi vapaita portteja varten liitännät - Digitaalinen lämpötila-anturi lämpötilan seuraamista varten (mahdollista jäähdyttämistä/lämmittämistä silmälläpitäen). Vähän fysiikkaa askelmoottoreita varten: Momentin SI-järjestelmän yksikkö on newtonmetri (Nm). 10 Nm:n voima tarkoittaa käytännössä samaa kuin 1.02 kg punnus sijoitettaisiin vaakatasossa olevan metrinpituisen jatkovarren päähän. Askelmoottorin datalehdessä ilmoitettu 75 Ncm (valmistajan kotisivuilla 106 Ncm) holding torque tarkoittaa, että moottori kykenee pitämään paikallaan 76,5g (tai 108g) painoisen punnuksen 1m pitkän jatkovarren päässä. Tämä voima saadaan aikaiseksi vain 24/48V käyttöjännitteellä (kierrosnopeuden ollessa maksimissaan 70 kierrosta/min => 467 askelta/s), joten 12V:llä käytettäessä voimat pienenevät ainakin jonkin verran. Vaihteiston avulla jarruvoimaa pystytään kasvattamaan nopeuden kustannuksella. Toisaalta moottoria pystytään pyörittämään yli 1000 pykälää/s (2.5 kierrosta/s => 150 kierrosta/min) ilman että jarruvoima putoaa merkittävästi. 400 pykälää vastaa yhtä kierrosta, joten 1:10 välityksellä tarvitaan 4000 askelta yhden kierroksen tekemiseen. Tällä välityssuhteella 0.9º askeltarkkuus saadaan kasvatetuksi 0.09 º:ksi, joten säätö saadaan hyvinkin tarkaksi. Myös jarruvoima lähes kymmenkertaistuu. Tämän pitäisi riittää kameran kääntämiseen ja paikalla pitämiseen.
Lohkokaavio: Hallintayksikkö LCD-näyttö Vapaita portteja F C ATmega128 A & B UART0 USB Nappulat UART1 SPI ZigBee RS232 Ohjausyksikkö: AD-muuntimille LCD-näyttö 4 kpl rajakytkimien liittimiä + jännite RS232 UART0 B F SPI C E G ATmega128 Lämpötilaanturi D UART1 A Kamera S-video Vapaita portteja ZigBee Poweri H-silta H-silta H-silta Askel-ohjain Askel-ohjain
Kustannusarvio: Erikoisosien (kuten moottorit ja muut hinnaltaan yli 10 /kpl osat) kustannukset ovat noin 200. Osaluettelot: Pääasiassa 1206 kokoisia komponentteja käyttäen. Hallintayksikkö: Tialuskoodi kpl Tuote á hinta Hinta yht. 3950074 1 USB A - B kaapeli 2,7 2,7 1308876 1 LUMBERG, USB, TYPE B 0,44 0,44 1146032 1 FT232RL 5,32 5,32 718646 2 100nF 0,025 0,05 2 1k 9265716 1 4,7uF (elko) 0,18 0,18 8530025 1 LED pun 0,164 0,164 8530033 3 LED vihr 0,182 0,546 1152874 3 270R 0,009 0,027 9103503 2 MOSFET, IRLML6402 1,01 2,02 9265686 2 10uF (elko) 0,16 0,32 1248132 1 2x3 uros liitinrima 0,29 0,29 1 180r 9713824 1 Kide 3.6864 MHz, smd 1,72 1,72 1 AtMega128 (löytyy koululta) 3606041 2 22pF 0,116 0,232 1132885 4 Nappula 3,24 12,96 2136053 4 10k 0,007 0,028 1132917 4 Nappuloiden hatut 0,39 1,56 8391289 1 D9 -kulmaliitin, naaras 1,74 1,74 1053606 1 RS-232 muunnin 1,35 1,35 718646 2 100nF 0,025 0,05 3606181 1 47nF 0,115 0,115 3188875 3 330 nf 0,115 0,345 499687 4 0,1uF 0,21 0,84 1 LCD-näyttö (löytyy koululta) 9336753 1 62R 0,041 0,041 1141474 1 10k trimmer 1,89 1,89 9336265 1 2k7 0,041 0,041 1248124 1 16x1 uros liitinrima 1,44 1,44 1098038 2 8x1 naaras liitinrima 1,55 3,1 1 ZigBee (löytyy koululta) 1056437 4 2x5 uros liitinrima 2,54 10,16 61 49,669
Ohjausyksikkö: Tilauskoodi kpl Tuote á hinta Hinta yht. 1144776 3 1kohm 1W 3-kierros potentiometri 16,17 48,51 7006457 1 5k, 130 31,25 31,25 4246690 1 5k, 360 26,71 26,71 1087157 1 5V 1,5A regulaattori 1,73 1,73 1087170 1 3.3V 0.8A regulaattori 0,76 0,76 9265686 3 10uF (elko) 0,16 0,48 8391289 1 D9 -kulmaliitin, naaras 1,74 1,74 1053606 1 RS-232 muunnin 1,35 1,35 9713824 1 Kide 3.6864 MHz, smd 1,72 1,72 718646 3 100nF 0,025 0,075 3606181 1 47nF 0,115 0,115 3188875 3 330 nf 0,115 0,345 1248132 2 2x3 piikkirima 0,29 0,58 1 AtMega128 (löytyy koululta) 0 3606041 2 22pF 0,116 0,232 2136053 15 10k 0,007 0,105 1021150 6 4N24 0,6 3,6 9336052 6 180r 0,041 0,246 4743155 2 NANOTEC ST5709S1208-B, askelmoottori 44,8 89,6 1271000 2 SM BIPOLAR STEPPER MOTOR DRIVER, askelmoottoriohjain 9,42 18,84 499328 4 1nF 0,158 0,632 644353RL 2 220nF 0,29 0,58 9406549 2 10nF 0,116 0,232 3835078 2 5,6nF 0,67 1,34 718634 2 68nF 0,139 0,278 3051365 4 PMLL4148 0,121 0,484 9336486 4 39k 0,041 0,164 912712 2 100k 0,041 0,082 9240250 2 100r 0,43 0,86 9403329 4 0,68ohm 1w 0,93 3,72 1 LCD-näyttö (löytyy koululta) 0 9336753 1 62R 0,041 0,041 1141474 1 10k trimmer 1,89 1,89 1141472 1 2K, SMD TRIMMER 1,94 1,94 1248124 1 16x1 uros liitinrima 1,44 1,44 1098038 2 8x1 naaras liitinrima 1,55 3,1 8774625 4 Mikrokytkin 1,06 4,24 1132885 4 Nappula 3,27 13,08 8041407 1 S-video liitin 2,82 2,82 3041487 1 5-pinninen 1,63 1,63 3041505 1 7-pinninen 2,3 2,3 3041475 2 4-pinninen 1,32 2,64 3041440 6 2-pinninen 0,74 4,44 1162740 4 Sulakepidin (20x5mm) 0,33 1,32 3507907 10 Sulake, 3.15A 0,119 1,19 1271614 10 Sulake, 1A 0,1 1 1176774 4 sulake hattu 0,34 1,36 613782 3 4k7 0,009 0,027 9265732 1 100nF (elko) [1 uf] 0,182 0,182 1 2x5 piikkirima 9697039 1 0.1uF (elko), pitäisi olla 10nF 0,27 0,27 1281861 2 100uF (elko) 1,03 2,06 1198595 1 10 uh 2,03 2,03 152212 1 mini-din socket 4way 2,06 2,06
Puuttuvat osat: 1141472 1 2K, SMD TRIMMER 1,94 1,94 9337008 2 1k 0,037 0,074 1248132 5 Ohjelmointiliitin 0,31 1,55 9713719 2 Kide 7.3728 MHz, läpivienti 1,75 3,5 9728970 20 Jumpperi palikka 0,124 2,48 672233 2 90-asteen 2x5 piikkirima 0,83 1,66 4302424 2 DPAK jäähdytyssiili 1,21 2,42 34 13,624 Projektin tämänhetkinen tilanne: Kesäloman myötä projektin eteneminen hidastui. Kesällä etsin pääasiassa tarvittavia materiaaleja mekaniikan toteuttamiseksi. Projektista on valmiina molemmat piirikortit, tosin ohjausyksikön H- silloissa on oikosulku, joka estää niiden käytön. Kun H-silta vian saa paikannettua ja korjattua, pääsisi aloittamaan ohjelmistokehityksen. Aikataulu: Vihr. = toteutunut, Kelt. = työn alla/deadline 11.1.2007 Projekti alkaa, projektiaiheen valinta 25.1.2007 Projektikuvaus ja suunnitelma (tämän dokumentin sivut 1-6) 2.2.2007 Osalista valmiiksi 5.2.2007 Osatilaus lähtee 8.2.2007 Osatilaus saapuu 12.3.2007 Hallintayksikön piirikaavio ja layout valmiina 18.3.2007 Ohjausyksikön piirikaavio ja layout valmiina 19.3.2007 Piirilevytilaus tehtaalle 20.3.2007 Puuttuvien osien osalista valmiiksi 22.3.2007 Puuttuvien osien tilaus 26.3.2007 Puuttuvat osat saapuvat 11.4.2007 Piirilevyt tehtaalta 13.4.2007 Piirikortit kolvattuna kasaan 30.4.2007 Hallintayksikön catia mallinnus valmis Catia kuvat valmiiksi Piirikorttien sähköiset viat paikannettu ja korjattu
Mekaniikka valmiiksi Ohjelmisto (hallintayksikkö, ohjausyksikkö, hallintaohjelma tietokoneelle) valmis Testaus ja bugikorjaus Projekti valmis