VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY MĚŘIČ SÍLY STISKU GRIP STRENGTH SENSOR

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION MĚŘIČ SÍLY STISKU GRIP STRENGTH SENSOR SEMESTRÁLNÍ PROJEKT SEMESTRAL PROJECT AUTOŘI PRÁCE AUTHORS KOUTNÝ PETR, HROMÁDKA MICHAL BENEDĚLA PAVEL, BADIN PAVEL VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Ing. TOMÁŠ FLORIÁN BRNO 2012

2 ZADÁNÍ Realizujte měřič síly stisku. Základem je tenzometrický snímač síly. Navrhněte vhodné mechanické uspořádání, stanovte potřebný rozsah a přesnost snímače. Navrhněte a realizujte elektroniku pro zpracování signálu ze snímače a zobrazení na EL displeji. Součástí projektu je návrh a realizace hardware i programového vybavení pro řídicí modul s ARM procesorem. Jako základ využijte stávající návrh a zkušenosti z projektu, který realizovali vaši kolegové loni. 2

3 Abstrakt Tento projekt se zabývá výrobou snímače, pro měření síly stisku ruky. Snímač by měl sloužit k prezentaci fakulty na dnech otevřených dveří, veletrhu Gaudeamus a jiných prezentačních akcích. Snahou bylo vytvořit zařízení, které učiní prezentaci atraktivní pro širokou veřejnost. Každý zájemce si bude moci vyzkoušet, jakou má sílu. Tento dokument je rozdělen na dvě části. První je teoretický rozbor, kde jsou rozebrány jednotlivé prvky použité při realizaci snímače. Druhá část se pak týká samotné realizace snímače. Je zde popsána hardwarová i softwarová část snímače. Klíčová slova Měřič síly, tenzometr, přístrojový zesilovač, Atmega. 3

4 Obsah 1 Teoretický úvod Tenzometry Druhy tenzometrů Použití Wheatstoneův můstek Přístrojový zesilovač První část Druhá část - diferenciální zesilovač Přístrojový zesilovač Mikrokontrolér ATMEGA 8A A/D převodník Jednotka USART Realizace snímače Snímací část (hardware) Program mikrokontroléru ATMEGA 8A Přístup na sběrnici RS Počítačová aplikace (software) Komunikační část Zobrazovací část Závěr Seznam příloh

5 1 TEORETICKÝ ÚVOD 1.1 Tenzometry Elektrický tenzometr je elektrotechnická součástka sloužící nepřímému měření mechanického napětí na povrchu materiálu. Vlivem zatížení se materiál deformuje. Protože se tyto deformace projevují i na povrchu materiálu, přenáší se i na tenzometr, který takto mění svůj odpor. Odpor tenzometru je úměrný prodloužení na povrchu materiálu. Při měření tenzometrem se využívá platnost Hookova zákona, který říká, že poměrná deformace ε je úměrná mechanickému napětí materiálu σ. (1) kde σ je mechanické napětí v příslušném směru, [Pa] E je modul pružnosti v tahu, [Pa] ε je poměrná deformace v příslušném směru, [-] Druhy tenzometrů Odporové kovové tenzometry - patří mezi nejvíce rozšířené. Při měření se využívá elektrické vodivosti kovu při deformaci. Dělí se dále na drátkové a fóliové. Většinou jsou vyráběny z materiálu konstantan. Poměrnou změnu odporu tenzometru na poměrném prodloužení udává základní rovnice tenzometru. (2) kde K je součinitel deformační citlivosti. Je udáván výrobcem tenzometru s přesností 0,5-3%. Rozsah odporového tenzometru je nejčastěji Ω, nejběžněji pak 120 Ω. Rozměry tenzometru bývají 0,3-0,35 mm délka, 0,8-12 mm šířka, 0,1-1 mm tloušťka. Tenzometry se na povrch materiálu lepí speciálními lepidly a tmely. Teplotní rozsah pro měření odporovými tenzometry je C. Odporové polovodičové tenzometry - pracují na principu piezorezistivního jevu, který je dán změnou koncentrace nosičů náboje. Jejich citlivost je mnohem větší než u kovových tenzometrů. Jsou vhodné pro statické i dynamické namáhání. Snímače jsou časově stálé, odolné vůči vlhkosti a neprojevuje se u nich hystereze. Jejich 5

6 nedostatkem je značná teplotní závislost. Pro konstrukci se používá monokrystalů křemíku a germania. Obrázek 1: Schéma fóliového tenzometru Použití Tenzometry se používají v mnoha oborech, protože měření deformací je velmi časté. Běžné je použití pro měření zbytkového pnutí, napětí způsobeného externím zatížením nebo vlivem teploty, kontrolní měření a monitorování procesů. Tenzometry se také používají pro snímače jiných veličin, jako např. zatížení, síly, tlaku, momentu síly, vibrací, zrychlení atd. Obrázek 2: Možné tvary a uspořádání tenzometrů 6

7 1.2 Wheatstoneův můstek Wheatstoneův můstek je obvod, který se používá k měření odporu. Jeho vynálezcem je britský matematik S. H. Christie, nicméně o jeho zdokonalení a popularizaci se postaral britský fyzik a vynálezce Ch. Wheatstone. Obrázek 3: Wheatstoneův můstek Můstek se skládá ze dvou větví R1, R2 a R3, Rx, kde Rx je např. odpor tenzometru. Větve se chovají jako děliče napětí. Pro vyvážený můstek (nulové napětí mezi body D a B) pak platí: (3) Odpor R x je v naší aplikaci velikost odporu tenzometru v klidovém stavu. Ostatní rezistory mají stejnou velikost odporu, jako je odpor tenzometru v klidovém stavu. Pro přesnější vyvážení můstku jsme použili více rezistorů zapojených paralelně. 1.3 Přístrojový zesilovač Přístrojový zesilovač je elektrický obvod, zesiluje rozdíl napětí přivedeného na jeho vstupy. Má velký vstupní odpor a velký činitel potlačení souhlasných signálů. Skládá se ze dvou částí První část První část zesílí rozdíl napětí mezi svými vstupy. Za předpokladu že odpor R2 = R3 (z obrázku č. 3) platí ( ) ( ) (4) 7

8 Vstupy operačních zesilovačů se mezi sebou snaží udržet nulové napětí pomocí svého výstupu. Vyjdeme tedy z předpokladu, že napětí na obou koncích jsou si rovna. Díky tomu můžeme vypočítat velikost proudu odporem R 1. Dále předpokládáme, že do vstupu operačního zesilovače teče nulový proud. Proto poteče odporem R 1 stejně velký proud jako odpory R 2 a R 3. Z toho již určíme velikost napětí na výstupu (Rov. 4) Obrázek 4: 1. část přístrojového zesilovače Druhá část - diferenciální zesilovač Druhá část se nazývá diferenciální zesilovač. Jeho úkolem je dát na svůj výstup velikost rozdílu vstupních napětí. Vyznačuje se velkou vstupní impedancí. Za předpokladu, že R 4 = R 7 a R 5 = R 6 platí: U 3 = U 2 - U 1. Pro určení tohoto vztahu vycházíme ze stejných předpokladů jako v předchozím případě, tedy že napětí mezi vstupy OZ je nulové a do vstupu OZ neteče žádný proud. Na invertujícím vstupu je napětí rovno polovině U 2. V případě, že by napětí U 1 bylo nulové, muselo by na výstupu být napětí U 2. V případě, že by na invertujícím vstupu OZ bylo napětí nulové, platí: U 3 = -U 1. Superpozicí obou signálů pak dostaneme rovnici (5) Obrázek 5: 2. část přístrojového zesilovače 8

9 1.3.3 Přístrojový zesilovač Spojením obou částí vzniká přístrojový zesilovač. Jeho výstupní napětí je rovno rozdílu výstupních napětí zesilovače. ( ) ( ) (6) Obrázek 6: Přístrojový zesilovač 1.4 Mikrokontrolér ATMEGA 8A Mikrokontrolér je čip na kterém je integrován procesor, periferie a paměti. V této práci budeme používat A/D převodník, jednotku USART sloužící pro sériovou komunikaci a časovač sloužící k vyvolání přerušení v pravidelných intervalech A/D převodník A/D převodník v mikrokontroléru ATMEGA užívá převodník pracující s algoritmem postupné aproximace. Může mít až 10 bitové rozlišení a naměřit až vzorků za sekundu. 9

10 1.4.2 Jednotka USART Jednotka USART umožňuje plně duplexní komunikaci až do rychlosti Baudů. Princip její funkce je velmi podobný komunikaci po sériové lince RS-232 při užití 3 vodičů. 10

11 2 REALIZACE SNÍMAČE Pro větší atraktivitu a možnost soutěžení mezi 2 uživateli jsme realizovali celkem dva snímače síly. 2.1 Snímací část (hardware) Každý snímač je vyroben z Alu trubky, o rozměrech 127 x 46 mm. Tloušťka stěny je cca 4 mm. V trubce je vyfrézovaná drážka o šířce 3,7 mm pro možnost deformace. Uvnitř trubky jsou nalepeny dva odporové fóliové tenzometry (viz teoretický úvod), které měří deformaci při stisku trubky. Výstupy každého tenzometru jsou připojeny jedné větvi Wheatstonova můstku (viz schéma zapojení). Použité tenzometry mají odpor 120 Ω, max. proud 12 ma a max. teplotu 50 C. Díky použití dvou tenzometrů je dosáhnuto vyšší citlivosti snímače. Menší nevýhodou je vyšší závislost snímače na teplotě tenzometrů. Obrázek 7: Technický výkres snímače 11

12 Obrázek 8: Model snímače 2.2 Program mikrokontroléru ATMEGA 8A Měřený signál z tenzometrů se zpracovává pomocí Wheatstoneova můstku, přístrojového zesilovače a dále mikrokontrolérem ATMEGA 8A. Zpracování signálu můstkem a zesilovačem je popsáno v teoretickém úvodu. Pro programování mikrokontroléru užíváme prostředí CodeVision AVR a programujeme jej v jazyce C. Pro přené měření jsme použili 10 bitové rozlišení A/D převodníku. Z naměřených hodnot se vypočítá plovoucí průměr a výsledná hodnota je odeslána na jednotku USART. Hlavní část programu je tvořena prázdnou smyčkou. Veškeré procesy jsou obslouženy v části přerušení dle jejich priority. Důležité je že všechny přerušovací rutiny kromě A/D převodu vyžadují minimální výpočetní čas mikrokontroléru. V případě že nastane víc těchto přerušení najednou, budou vykonány v čase který nezpomalí přenos dat na sběrnici. V A/D přerušení je povoleno vnořené přerušení. Je tedy možno z tohoto přerušení vyskočit a obsloužit přerušení s vyšší prioritou. Přerušení USART jednotky: Pokud jednotka USART detekuje při přijetí Bytu chybu rámce, víme, že příští přijatý Byte bude Byte adresový. Při přijetí tohoto Bytu zjistíme, zda-li se jedná o adresu pro naši periferii nebo o data která pro nás nejsou důležitá. V případě že se jedná o adresu naší periferie, začne mikrokontrolér odesílat vypočtené hodnoty napětí na vstupech A/D převodníku. Přerušení A/D převodníku: Tato část programu probíhá dle následujícího vývojového diagramu: 12

13 Obrázek 9: Vývojový diagram obsluhy A/D převodníku 2.3 Přístup na sběrnici RS232 Mikrokontrolér měřící velikost napětí na Wheatstonově můstku komunikuje s počítačem pomocí sběrnice RS232. Jelikož mikrokontrolér ATMEGA v sobě má jen sériovou komunikační jednotku USART užívající TTL logiku, je třeba užít konverze mezi sběrnicí USART a RS232. Byl užit obvod MAX232, který také obsahuje nábojovou pumpu. Stačí k němu tedy připojit pouze +5 V napájení a integrovaný obvod si sám vyrobí symetrické napětí ± 10 V. Komunikační model jsme pro naši aplikaci zvolili typ klient-server. Klient (PC) nastaví na sběrnici chybu rámce. Posléze odešle adresu, podle které mikrokontrolér pozná, že PC komunikuje právě s ním. Následně PC vyšle žádost o poslední naměřená data. Server (mikrokontrolér ATMEGA) rozpozná žádost a odešle poslední uložená data ze své paměti. Komunikaci ilustruje obrázek

14 Obrázek 10: Vývojový diagram programu komunikace se sběrnicí RS Počítačová aplikace (software) Aplikace je spuštěna na počítači, který je spojen se sběrnicí robota. Aplikace je vytvořena v programovacím jazyku C# a je členěna na dvě části. Jsou to části komunikační a zobrazovací Komunikační část Komunikační část se stará o komunikaci po sběrnici, tedy o příjem dat z tenzometrického senzoru. Aplikace se připojuje na komunikační port s rychlostí 9600 Bd. Vlastní komunikace je pro zrychlení běhu programu umístěna v samostatném vlákně. Toho je docíleno použitím komponenty pro ovládání sériového portu SerialPort. Po příjmu dat pomocí této komponenty se vyhodnocuje, zda zpráva je z tenzometrického senzoru. Pokud ano, přepíše se minulá hodnota hodnotou aktuální. O zobrazení této hodnoty se stará část zobrazovací. 14

15 2.4.2 Zobrazovací část Zobrazovací část je tvořena formulářem aplikace a grafickými komponentami zobrazujícími získané hodnoty. Měřená hodnota - "síla" z každého snímače je zobrazena na samostatné kruhové stupnici - "siloměru". Síla je zobrazena číselně v newtonech, s maximálním rozsahem 500 N. Mezi siloměry je umístěn plovoucí graf, který zobrazuje měřené údaje z obou siloměrů. Hráč stiskující snímač síli větší silou má zeleně zabarvený siloměr, zatímco prohrávající hráč má siloměr červený. Obrázek 12 ukazuje vzhled aplikace pro PC. Hodnoty v Newtonech jsou pouze ilustrační, pro přesné měření hodnot by bylo třeba zjistit linearitu snímačů a vytvořit look-up tabulku. Obrázek 11: Ukázka zobrazení aplikace pro PC 15

16 3 ZÁVĚR Snímač síly stisku ruky měl být původně jedním z "lákadel" projektu reklamní robot fakulty elektrotechniky FEKTBOT, ale nakonec z něj sešlo. Úkolem snímače síly je, zábavnou formou představit možnosti využití tenzometrických snímačů a dalších prvků. Pro ještě větší atraktivitu jsou na reklamním robotu umístěny tyto snímače dva, čímž je umožněno soupeření mezi dvěma zájemci. Samotné snímače jsou zhotoveny z duralových trubek, ve kterých jsou nalepeny tenzometry. Měřený signál je zpracováván programem v mikrokontroléru a výsledná hodnota síly zobrazena v počítačové aplikaci na monitoru. Kontrolním měřením v závěru práce byla ověřena funkčnost celého zařízení. Naše práce na tomto projektu končí, pokud by se však studenti dalších ročníků rozhodli v tomto projektu pokračovat, doporučujeme vytvořit look-up tabulku pro přesné vyhodnocení vyvinuté síly. Dále by bylo vhodné měřit přesnou teplotu tenzometrických snímačů a dle jejich teploty kompenzovat změnu odporu tenzometrů. 16

17 Literatura [1] MATOUŠEK D.: Práce s mikrokontroléry Atmel AVR ATmega díl, BEN technická literatura [2] VÁŇA V.: Mikrokontroléry Atmel AVR programování v jazyce C, BEN technická literatura [3] HRBÁČEK J.: Komunikace mikrokontroléru s okolím 1. díl, BEN technická literatura [4] HRBÁČEK J.: Komunikace mikrokontroléru s okolím 2. díl, BEN technická literatura [5] [6] [7] [8] SHARP J.: Microsoft Visual C# 2010 krok za krokem, CPRESS [9] BENEŠ P.: Měření fyzikálních veličin - návody do laboratorních cvičení, Brno 2010 [10] 17

18 4 SEZNAM PŘÍLOH - schéma zapojení snímače síly. - DPS - osazovací plán - fotografie hotového snímače síly Obrázek 12 - DPS Obrázek 13 Osazovací plán 18

19 Obrázek 14 - Schéma zapojení 19

20 Obrázek 15 - Finální provedení snímačů síly Obrázek 16 - Finální verze Hardware 20