Pienitehoisen keinokuorman suunnittelu ja rakentaminen, 5 op Lauri Mäkelä 595N Henrik Vento 8487W 9. kesäkuuta 05
Sisältö Johdanto Tehtävänanto 4 Riskienhallinta 5 4 Keinokuorman rakentaminen 6 4. Hardware................................ 6 4.. Esimerkkikytkennän kokeileminen............... 6 4.. Näkkäriproto ja mikrokontrolleriohjaus............ 6 4.. Tilattu PCB........................... 8 4..4 Virheiden korjaaminen..................... 9 4. Mittausvirheet............................. 0 4.. Kalibrointi............................ 4. Software................................. 5 Työnjako 6 Yhteenveto 4 A Käyttöohje 5 A. Kytkeminen............................... 5 A. GUI................................... 5 A. Bootloader................................ 6 B Kytkentäkaavio 7
Johdanto Tässä projektityössä suunniteltiin ja rakennettiin transistorin ja operaatiovahvistimen avulla toimiva keinokuorma polttokennotutkimukseen. Kuorman toimintaalue on alle 7 V jännite ja noin 0... ma virta. Työhön laskettiin kuluvan aikaa noin 5 op/henkilö eli yhteensä noin 0 op. Projektityötä rajattiin siten, että siinä saa olla mikroprosessori, jos se ei vaikuta käyttäjän käyttökokemukseen. Kuitenkin useat suunnittelemamme toiminnot vaativat välttämättä mikroprosessorin. Näitä ovat mm. langaton etäohjaus, mittausarvojen tallentaminen ja käyttäjän suorittama kalibrointi. Näiden vuoksi laite päätettiin toteuttaa mikroprosessoriohjatusti, mutta varsinainen kuormituspiiri on edelleen esimerkkikytkennän mukainen analoginen piiri. Projektityössä esitellystä laitteesta on tehty demoversio, joka täyttää tehtävänannossa olevat vaatimukset 0.4 V ja ma, sekä paranneltu toiminnallisuutta lisäämällä laitteeseen virta- ja jännitemittaus. Näistä mittauksista saatava data esitetään laitteessa olevan näytön avulla. Laitteen ohjelmiston voi päivittää langattomasti Bluetooth sarjayhteyden avulla.
Tehtävänanto Kaupalliset keinokuormat on mitoitettu yleensä usean ampeerin kuormalle. Niiden tarkkuus ma virralla on surkea. Polttokennotutkimuksessa tarvitaan keinokuorma alle 0,4 V jännitteelle ja noin ma virralle. Transistorin ja operaatiovahvistimen avulla voidaan rakentaa tavoitteiden mukainen keinokuorma. Ohessa oleva kuva on tarkoitettu isommalle käyttöjännitteelle ja pienelle jännitteelle tehtävä piiri on hieman erilainen. Piirisuunnitteluun apua voi tarvittaessa käydä kysymässä Heikki Hyytiltä huoneesta 55. Tällainen tuote voisi olla jopa kaupallistettavissa. Kuva : Isommalle käyttöjännitteeelle tarkoitettu keinokuorma. 4
Riskienhallinta Taulukossa on esitetty riskit, joihin varauduttiin työtä tehdessä, ja ratkaisuehdotukset näistä selviämiseksi. Taulukossa puolestaan on esitetty toteutuneet riskit ja korjaavat toimenpiteet. Taulukko : Riskit. Riski Kytkennän soveltuminen haluttuun käyttöön Komponenttien saatavuus Komponenttien kestävyys ja lämpöriippuvuus Sairastapaukset ja muut poissaolot Ratkaisu Komponenttien uudelleenvalinta Kytkennän muokkaaminen Työn epäonnistuminen Korvaavat komponentit ja toimittajat Korvaavat komponentit ja toimittajat Komponenttien lämpötilan vakioiminen Kestotestit Speksien määrittely Toinen työparista pyrkii avustamaan Uudelleenaikatauluttaminen Taulukko : Riskien toteutuminen ja korjaavat toimenpiteet Riskiluokka Kytkennän soveltuminen haluttuun käyttöön Komponenttien saatavuus Komponenttien kestävyys ja lämpöriippuvuus Sairastapaukset ja muut poissaolot Selvitys Virhe tilatussa PCB:ssä, operaatiovahvistin ei toimi Sallen Key:nä yksipuolisella käyttöjännitteellä. Yksi lähetys jäi maailmalle, korvaavat tilattiin muualta Lämpöriippuvuus ei muodostanut ongelmia. Yksi kondensaattori speksattiin väärin, komponentin poistaminen ei kuitenkaan vaikuta kytkennän toimivuuteen. Muutamalla viikolla ei onnistunut pitämään tapaamista. 5
4 Keinokuorman rakentaminen Tässä osiossa esitellään laitteiston teknistä toteutusta ja kytkentää eri vaiheessa, sekä luodaan katsaus mikrokontrollerin ohjelmiston kehittämiseen. Laitteen kytkentäkaavio on esitetty liitteessä B. 4. Hardware 4.. Esimerkkikytkennän kokeileminen Työn tekeminen aloitettiin rakentamalla tehtävänannossa esiteltyä kytkentää vastaava kytkentä koekytkentälevylle, kuva. Käytimme pajan valikoimassa olevia peruskomponentteja, jotta komponenttien saatavuus ei muodostaisi ongelmia pidemmällä tähtäimellä. Tässä vaiheessa kytkennän käyttämä referenssijännite on toteutettu diodin avulla, mutta tämä vaihdettiin seuraavassa vaiheessa paremman jännitetason aikaansaamiseksi. Kytkennän toimivuus todennettiin mittaamalla shunttivastuksen läpi kulkevaa virtaa virtamittarilla ja mittaamalla shuntin yli oleva jännite oskilloskoopin avulla samalla, kun keinokuormaan ajettiin vaihtosähköä.havaitsimme, että 0 shunttivastuksella säätö toimii, mutta minimivirta rajoittuu ma FET:n ominaisuuksista johtuen. Vaihtamalla shunttivastus 00 arvoon, säätö toimii 0.05 ma... 5 ma välillä. Tämä säätöalue vastasi hyvin annettuja rajoja. Kuva : Esimerkkikytkentä kasattuna koekytkentälevylle. 4.. Näkkäriproto ja mikrokontrolleriohjaus Seuraavassa vaiheessa kytkentä kasattiin näkkärille ja vaihdettiin jännitereferenssinä toimiva diodi tehtävänannossa olevan kytkennän jännitereferenssiksi. Tämä paransi säädön laatua selvästi. Lisäsimme kytkentään ATmega8p-mikrokontrollerin, jolla pystyimme mittaamaan shuntin yli olevaa virtaa. Tässä vaiheessa virranmittausdata lähetettiin Bluetooth-adapterin avulla tietokoneeseen, Bluetooth-adapteri ja kytkentä on esitetty kuvassa. 6
Kytkentää päivitettiin tämän jälkeen siirtämällä myös referenssijännitteen ohjaus mikrokontrollerille suodattamalla PWM-signaalia RL-piirin avulla. Tällä saatiin eliminoitua hankalasti säädettävä monikierrostrimmeripotentiometri ja vaihtoehtoinen kallis monikierrospotentiometri. Tämä mahdollisti myös järjestelmän etäohjattavuuden, jota demosimme Android-sovelluksen avulla työn välipalautusesityksen yhteydessä. Löysimme laitteelle myös sopivan kotelon TUAS-talon elektroniikkapajalta. Kuva : Esimerkkikytkentä kasattuna näkkärille. Kytkentää testattiiin käyttämällä 5 cm suorametanolikennoa ja 00 cm jätevesikennoa. Näistä suorametanolikenno pystyi tuottamaan noin 0 ma virran ja jätevesikenno muutaman mikroamppeerin. Kuvassa 4 nähdään laitteiston testaaminen suorametanolikennolla. Kuva 4: Prototyypin testaaminen kennon kanssa. 7
Mikrokontrollerin käyttäminen mahdollisti myös näytön lisäämisen kytkentään, kokeilimme kytkentää pienellä OLED-näytöllä, mutta näytön pieni koko teki laitteen käytöstä hankalaa. Löysimme pajalta SPI-väylään kytkettävän värinäytön, joka on netissä helposti saatavilla noin $5 hintaan. Tässä näyttömallissa on myös SD-korttilukija. Kuvassa 5 on esitetty tämän näytön testaaminen Arduino-kirjaston mukana tulevalla näyttötestikoodilla. Kuva 5: Näytön testaaminen 4.. Tilattu PCB Päätimme tilata kiinasta ITEADStudion kautta valmiin piirikortin kytkennästämme. Tätä ennen teimme muutaman muutoksen kytkentään, jotka jälkeenpäin aiheuttivat ongelmia. Vaihdoimme kytkennässä käytetyn operaatiovahvistimen nelikanavaiseksi ja lisäsimme tähän jännitemittauksen ja vaihdoimme suodatuksen Sallen Key-topologian mukaiseksi alipäästösuodattimeksi. Lisäsimme kytentään myös toisen regulaattorin, jotta saimme mikrokontrollerin toimimaan oikealla 5 V:n käyttöjännitteellään aikaisemman kytkennän. V sijaan. Tämä vaati kuitenkin signaalitasomuuntimen lisäämisen kytkentään, sillä näyttö ja SD-kortinlukija tukivat maksimissaan. V signaalitasoja. Kuvassa 6 nähdään valmiiksi kasattu tilattu piirikortti. Oikeassa alareunassa oleva tyhjä komponentin paikka on väärin kytketylle signaalitasomuuntimelle. 8
Kuva 6: Tilattu PCB, josta puuttuu väärinpäin kytketty signaalitasomuunnin. 4..4 Virheiden korjaaminen Havaitsimme pian käynnistyksen jälkeen tilatussa kortissa olevan suunnitteluvirhe, signaalitasomuuntimen tasot olivat kytkennässä väärin päin. Ensiapuna yritimme korjata kortin kääntämällä signaalitasomuunnin selälleen ja juottamalla käyttöjännitteet hyppylankojen avulla. Onnistuimme kuitenkin samalla rikkomaan kortilla olevan mikrokontrollerin, emmekä olleet tilanneet tarpeeksi komponentteja monen prototyypin valmistamiseen, jouduimme siirtymään pajalta löytyvään ulkoiseen signaalitasomuunninkorttiin, kuva 7. Korjattu kytkentä demolaitehuomautuksineen on esitetty työn lopussa liitteenä. Kuva 7: Signaalitason korjaus. Seuraava ongelma kytkennässä paljastui mitatessamme laitteen toimintaa oskilloskoopilla, FET:n ohjausjännitteessä ja tätä kautta kuorman virrassa näkyi puls- 9
si, kuva 8. Tämä pulssi pystyttiin suodattamaan pois laskemalla Sallen Key:n rajataajuutta, mutta kuvassa näkyvä piikki voimistui. Piikin juurisyy jäljitettiin operaatiovahvistimen kykyyn toimia yksipuolisella käyttöjännitteellä. Vähintään 0.6 V negatiivisen käyttöjännitteen lisääminen operaatiovahvistimelle auttoi tähän. Korjattu signaali näkyy kuvassa 9. Jäljelle jäänyt piikki on kestoltaan noin µs ja korkeudeltaan 60 mv. Kuva 8: Ohjausjännitteessä esiintyvä pulssi. Kuva 9: Pulssin korjaus negatiivisella käyttöjännitteellä. 4. Mittausvirheet Laitteen virranmittaus perustuu jännitemittaukseen vastuksen yli ja jännitteenmittaus suoritetaan mittaamalla puskuroimalla kuormitettava lähde operaatiovahvistimella. Näissä molemmissa mittauksissa yksi virhelähde on mikrokontrollerin sisäiset adc-virheet, joita ovat mm. vahvistusvirhe, o set-virhe ja vahvistuksen epälineaarisuusvirhe. Näiden lisäksi tekemämme mittauspiirit tuovat lisävirheitä järjestelmään. Virran mittauksessa vastuksen resistanssi riippuu lämpötilasta. Tätä virhettä ei voi poistaa numeerisella kalibroinnilla, vaan se vaatii lämpötilan mittauksen 0
vastuksesta, ja laitteen kalibroinnin lämpötilan mukaan. virran mittauksessa toinen ulkoinen virhelähde on referenssijännitteen tarkkuus. Tähän voidaan vastata tarkalla jännitereferenssillä. Jännitteen mittauksen ulkoisia virhelähteitä ovat operaatiovahvistimen virheet, sekä jännitteenjakovastusten vaikutus. Jännitteen mittaksen tarkkuuteen vaikuttaa myös referenssijännitteen tarkkuus. 4.. Kalibrointi Koska mittausvirheitä on useanlaisia ja ne aiheuttavat mittauksen epälineaarista riippuvuutta todellisesta arvosta, mittausarvot täytyy kalibroida useassa kohdassa mittausaluetta. Kalibrointikohtien välillä voidaan interpoloida viereisistä kalibrointipisteistä, ja ekstrapoloida kalibroidun alueen reunoilta ulospäin. Mitä useampia kalibrointipisteitä olisi tallennettuna, sitä tarkemmin laite toimisi koko mittausalueella. Kalibrointitoiminto jäi toteuttamatta työssä lähinnä ajan puutteen vuoksi, eikä sen toteutusta olisi rajoittaneet laitteen resurssit, eivätkä muutkaan esteet. 4. Software Ohjelmisto sisältää toiminnot kuormituksen ohjaamiseen käyttämällä laitteen päällä olevia. Ohjelmisto näyttää myös mittausdatan laitteen näytöllä. Mittausdatasta saatavilla ovat mitatut jännite ja virta sekä virran asetusarvo. Järjestelmä pystyy myös lähettämään mittausdatan Bluetooth-sarjaportin yli tietokoneelle tai puhelimeen tallennusta varten. Laitteen ohjelmisto toteutettiin alunperin AVR-C:n avulla, mutta vaihdettiin myöhemmin Arduinoksi parempien valmiina olevien kirjastojen takia. Järjestelmä ei kuitenkaan ole aivan puhdas Arduino, sillä laitteessa on AVR09-ohjeen mukainen itse tehty bootloader. Tämä bootloader mahdollistaa käyttöjärjestelmän päivittämisen sarjaportin (Bluetooth) kautta. Laitteen käyttöohje on esitetty liitteessä A Alunperin ohjelmistoon oli tarkoitus lisätä myös edistyneempi valikkorakenne ja muita lisäominaisuuksia, esimerkiksi virtamittauksen ja -säädön kalibrointitoiminto. Nämä kuitenkin veivät liikaa muistia ja näistä toiminnoista jouduttiin näinollen luopumaan. Järjestelmä pystyy kuitenkin tallentamaan mittausdatan SDkortille. Tosin SD-korttikirjasto täytyi jättää pois lopullisesta kokoonpanosta, koska sram-muistia ei riittänyt sen käyttöön. Kuvassa 0 on kuvakaappaus Android-puhelimelle tehdystä laitteen hallintaohjelmasta. Ohjelma näyttää virran ja jännitteen mittausarvot ja siinä on liukusäätimet kuorman arvon säätämiseksi. Mittausdatan alapuolella olevat heksanumerot ovat laitteen vastaanottamaa raakadataa debug-käyttöä varten. Laitteen lopullisessa versiossa bluetooth-rajapinta ei ole käytössä, koska laitteen rajallisen flashmuistin vuoksi sitä ei voinut sisällyttää versioon, jossa tärkeimmät toiminnallisuudet oli toteutettu. AVR-C -lähdekoodi on liitteenä eclipse-projektina. Samoin Android-ohjelma on liitteenä Gradle -, eli Android Studio -projektina.
Kuva 0: Androidille tehty keinokuorman hallintaohjelma.
5 Työnjako Työssä käytetty aika jakautui taulukon mukaisesti. Taulukosta nähdään, että molemmat tekivät työtä noin 5 opintopisteen edestä (=5 tuntia, kun yksi opintopiste vastaa 7 tunnin työtä). Näistä Laurin työ painottui enemmän ohjelmiston kehitykseen ja Henrikin kytkennän suunnitteluun, vaikkakin molemmat kuitenkin osallistuivat lähes jokaiseen työn osaan. Taulukko : Työn jakautuminen Työvaihe Lauri Henrik Koekytkentä 6 6 Hardware suunnittelu 57 Software suunnittelu 6 Testaus Luennot ja esitykset 9 9 Raportointi 5 YHT [h] 5 5 YHT [op] 5 5
6 Yhteenveto Työssä saimme rakennettua toimivan prototyypin tarvittavasta kytkennästä, joka palautetaan polttokennotutkimustiimin testattavaksi. Tarvittaessa pystymme myös toimittamaan korjatut piirikytkennät ja korttipohjat tai näihin tehdyn laitteen. Laite pystyy vakioimaan virran 0... ma alueella. Ohjelmisto mahdollistaa laitteen ohjaamisen laitteen päällä olevien näppäimien avulla. Laitteessa olevaa Bluetooth yhteyttä käytetään laitteen päivittämiseen. Bluetooth yhteyden avulla on mahdollista myös ohjata laitetta ja seurata mittausdataa. Tämä ominaisuus jouduttiin kuitenkin poistamaan lopullisesta laitteesta mikrokontrollerin muistin täyttymisen johdosta. Saman kohtalon koki myös laitteessa oleva SD-kortinlukija. Mahdollista Bluetooth yhteydellä tapahtuvaa ohjaamista varten on tehty yksinkertainen Android sovellus. Laitteen suunnittelussa kohtasimme haasteita, mutta näistä huolimatta laitteesta saatiin toimiva prototyyppi testattavaksi. Korjattua erää teollisesti valmistettua piirikorttia emme kuitenkaan pystyneet kurssin aikataulun puitteissa teettämään. 4
A Käyttöohje Tässä kappaleessa on lyhyt ohje keinokuorman kytkemiseksi ja käyttämiseksi. A. Kytkeminen Kuvassa on esitetty laitteen liittimet. Laitteeseen tulee kytkeä tarvittavat käyttöjännitteet ± V ja GND. LOAD-liittimiin kytketään kuorman positiivinen ja negatiivinen napa. Negatiivinen kuorman napa on sisäisesti kytketty yhteen GNDliittimen kanssa. Negatiivisen käyttöjännitteen voi myös kytkeä suoraan maahan, mutta tällöin operaatiovahvistin ei toimi oikein ja kuormitukseen tulee kuvassa 8 esiintyvä pulssi. LOAD+ LOAD- - V + V GND Kuva : Kuva laitteen kytkennöistä. A. GUI Laitteen käynnistyessä tulee näkyviin laitteen kotinäkymä, jossa on esillä ylemmässä laatikossa mitattu virta ja alemmassa laatikossa mitattu jännite millivoltteina. Virran lisäksi samassa laatikossa on virran asetusarvoa kuvastava pulssinleveysarvo, josta lähinnä näkee, että laite on saanut asetusarvon. Kuva : Käyttöliittymän päänäyttö. 5
Virran arvoa voidaan nyt muuttaa painamalla nuolia ylös (ø) ja alas ( ). Nuolta voidaan pitää pohjassa, jolloin arvon muutos nopeutuu. Yksittäisillä napsautuksilla arvo muuttuu pienimmän mahdollisen yksikön verran, ja pohjassa pitäen nopeus kasvaa noin 000/s. Näppäinasettelu on esitetty kuvassa Reset-painike Nuolinäppäimet Näyttö Kuva : Näppäinasettelu. Keskellä oleva näppäin on testimielessä asennettu ristiohjain. Alkunäytöstä pääsee asetussivulle painamalla nuolta oikealle (æ). Asetussivulla yksittäisiä asetusarvoja pääsee muuttamaan, kun painaa asetusarvon kohdalla nuolta oikealle (æ). Arvoa muutetaan sitten ylös (ø) ja alas ( ) -nuolilla ja poistutaan vasemmalla nuolella (Ω). Lopullisessa kokoonpanossa on tosin vain yksi asetuskohta, näytön taustavalon kirkkaus, jonka arvo 0-00% voidaan asettaa ko. paikasta. Asetukset tallentuvat eeprom-pysyväismuistiin. Eeprom kestää n. 00 000 uudelleenkirjoitusta. Tämän vuoksi laite ei kirjoita esimerkiksi mittausarvoja eeprom:iin, mutta käyttäjän harvakseltaan muuttamia arvoja voidaan hyvin pitää ja vaihdella eepromissa. A. Bootloader Kun laitteen käynnistää tai resetoi pitäen pohjassa vasenta nuolinäppäintä, laite menee ohjelmointitilaan. Tällöin laite odottaa AVR09-ohjeen mukaisen protokollan ohjelmointia. Ohjelmointi voidaan tällöin suorittaa esimerkiksi suositulla avrdude-ohjelmalla käyttäen seuraavaa komentoa: avrdude -p m8p -c avr09 -P {sarjaportti} -b 8400 -U flash:w:{tiedosto}:i Ohjelmoinnin jälkeen laite resetoi itsensä ja käynnistää normaalisti uuden ohjelmansa. Käytetty bootloader on lähdekoodeineen raportin liitetiedostoissa. 6
B Kytkentäkaavio 4 0 8 9 4 8 4 VIN VIN VOUT 4 8 PB7(XTAL/TOSC) 5 GND 5 6 7 VOUT VCCA VCCB 4 GND 4 5 6 9 8 4 6 0 PC6(/RESET) AVCC VCC VCC AREF PC0(ADC0) PC(ADC) PC(ADC) PC(ADC) PC4(ADC4/SDA) PC5(ADC5/SCL) ADC6 ADC7 4 5 6 7 8 9 5 7 9 4 6 8 0 8 OE 5 7 PB6(XTAL/TOSC) PD0(RXD) PD(TXD) PD(INT0) PD(INT) PD4(XCK/T0) PD5(T) PD6(AIN0) PD7(AIN) PB0(ICP) PB(OCA) AGND PB(SS/OCB) GND PB(MOSI/OC) GND PB4(MISO) PB5(SCK) 0 9 0 4 5 6 7 4 5 A A A A4 B B B B4 0 7 GND A B C D E 4 5 6 7 8 4 5 6 7 8 A B C D E 7