Příloha č. 1 Software pro prototyp mikroprocesorově řízeného ohřevu aktivních vložek využívající moderních polovodičových prvků (popis jednotlivých bloků)
Úvod Navržený software je určen pro mikrokontrolér AT89LP2052, který je součástí desky prototypu mikroprocesorově řízeného ohřevu aktivních vložek využívající moderních polovodičových prvků. Sofistikované zařízení pro ohřev aktivních vložek, slouží k distribuci výkonu do aktivních topných vložek zabudovaných přímo do oděvu. Je schopno dodat vložkám požadovaný výkon za pomocí moderních polovodičových prvků. Regulace je řízena mikroprocesorovou jednotkou, která v pěti rozsazích reguluje výstupní výkon. Výkon je indikován pomocí pěti LED diod v rozsazích 20, 40, 60, 80 a 100%. Výkon si může uživatel pomocí dvojice mikrospínačů sám navolit. Zařízení dále obsahuje inteligentní regulaci nabíjení akumulátorových Li-Ion článků s indikací nabití a jediný konektor, na který se připojuje buď aktivní topné vložky, nebo stabilizovaný zdroj pro nabíjení akumulátorů. Mikrokontrolér AT89LP2052 generuje, na základě zpracovaných informací od obsluhy pulzy, které spínají výkonový tranzistor MOSFET. Popis jednotlivých bloků zařízení pro ohřev aktivních vložek Zařízení tvoří několik důležitých bloků, mezi které patří především: - Řídící jednotka o Mikroprocesor o Výkonové spínací obvody o Napájecí obvod řídící elektroniky o Periferní zařízení (mikrospínače) o Obvod zajišťující optimální nabíjení a Li-Ion akumulátorů o Indikace LED: stavu nabíjení, výstupní regulace, zapnutí přístroje - Akumulátorové články - Stabilizovaný zdroj +12 V/1400mA - Aktivní topné vložky Na Obr. 1-1 je zobrazeno blokové schéma zařízení pro ohřev aktivních vložek. Srdcem zařízení je 8 bitová mikroprocesorová jednotka napájená z LDO stabilizátoru, která řídí výstupní výkon skrz výkonové spínací obvody do topných vložek. Součástí jednotky je obvod pro řízení nabíjení akumulátorů, který optimálně za pomocí připojeného stabilizovaného zdroje nabíjí akumulátory na požadovanou úroveň. Dále Jednotka obsahuje periferní mikrospínače pro nastavení výkonu popř. pro zapnutí nebo vypnutí přístroje. Vše je inteligentně indikováno pomocí pětice LED diod. K zařízení je možno zapojit do jednoho konektoru buď aktivní topné vložky, nebo stabilizovaný zdroj.
Obr. 1-1 Blokové schéma zařízení pro ohřev aktivních vložek
Řídicí jednotka: IC3 je tvořená 8 bitovým mikroprocesorem AT89LP4052 pracujícím na frekvenci 4,096MHz. Tato frekvence je dodávána pomocí keramického rezonátoru tvořícího požadovaný oscilátor. Mikroprocesor řídí pomocí PWM řízení výstupní MOSFET výkonové tranzistory, které spínají výkon z akumulátorů připojených na svorky přes výstupní konektor do topných vložek. Zapojení MOSFET tranzisotrů je zdvojené z důvodu zamezení toku reverzního proudu přes vnitřní parazitní diody tranzistorů zpátky do akumulátorů.v sepnutém stavu jsou tranzistory obousměrně otevřeny, v rozepnutém stavu jsou obousměrně uzavřeny.důvodem tohoto řešení je použítí jednoho konektoru jak pro nabíjení akumulátorů tak pro napájení topných vložek. Tranzistory jsou moderní polovodiče s minimálními výkonovými ztrátami. Mikroprocesor lze programovat přes ISP rozhraní tvořeným přimo kontakty na kratší straně desky s plošnými spoji. Mikroprocesor je napájen z LDO stabilizátoru, který je nastaven na napětí 3,3 V. Mikroprocesor snímá za pomocí vnitřního komparátoru aktuální napětí akumulátorů a v případě jejich vybití pod úroveň 5,9 V odpojí LDO stabilizátor a celé zařízení se vypne. Vstupní úrovně komparátoru jsou definovány referenčním napětím 3,3V tvořeným napěťovým děličem a snímacím napětím akumulátorů tvořeným rovněž napěťovým děličem. K zapnutí celého zařízení je třeba sepnout mikrospínač tak dlouho dokud neproběhne celý startovací cyklus indikovaný rozsvícením všech LED diod. Pomocí tohoto mikrospínače se přivede na pin EN LDO stabilizátoru požadovaná spouštěcí úroveň a stabilizátor začne napájet celou elektroniku včetně mikroprocesoru, který si poté přidrží požadovanou úroveň na pinu EN LDO stabilizátoru natrvalo.poté je již možno regulovat výstupní výkon do topných vložek pomocí dvou mikrospínačů výkon snižuje a zvyšuje. Daná úroveň výkonu je indikována pomocí pěti modrých LED diod. Vypnutí přístroje je zajištěno sepnutím mikrospínače down po dobu 3 sekund.po tomto sepnutí si mikroprocesor automatický odpojí LDO stabilizátor a celé zařízení se vypne. Popis hlavní funkce software Blokové schéma mikrokontroléru AT89LP2052 včetně signálů, které využívá navržený software je zobrazeno na Obr. 1-2. Mikrokontrolér fázově řídí dva tranzistory MOSFET pomocí pulzů generovaných na výstup s označením digitální signál určený pro spínání tranzistorů. Čas, ve kterém je výstupní signál posílán, se řídí na základě uživatelem zadaných pěti stupňů možnosti nastavení regulace. Hlavním úkolem software je obsluha dvou tlačítek, jejímž prostřednictvím se řídí výkon ohřevu, dále dohled nad řízením nabíjení baterií, neustálé ověřování, zda je na výstupní konektor připojena aktivní vložka nebo zda napájecí zdroj sloužící k nabíjení baterií. Dvěma uživatelskými tlačítky se kromě nastavování pěti výkonových stupňů ohřevu provádí zapnutí a vypnutí zařízení. K signalizaci nastaveného výkonu, připojení ohřívací dečky nebo napájecího zdroje, či stavu baterií, slouží celkem pět LED diod. V současné době již bylo úspěšně provedeno průmyslové testování softwaru implementovaného v mikrokontroléru AT89LP2052 na příslušném zařízení.
AT89LP2052 Aktuální stav napětí na bateriích Informace o vybití baterií Informace o připojené aktivní dečce Informace o připojeném adaptéru Konfigurovatelné vstupy/výstupy portů P1 a P3 Analogový komparátor SPI Měření Reference Digitální signál určený pro spínání tranzisotrů WDT Digitální signály určené pro spínání 5 LED Paměť Flash a RAM UART Obr. 1-2 Zjednodušené blokové schéma mikrokontroléru AT89LP2052 využívající navržený software Na Obr. 1-3 až Obr. 1-8 jsou zobrazeny průběhy digitální signálu určeného pro spínání MOSFET tranzistorů. Minimální doba, která musí po vypnutí MOSFET tranzistorů uplynout, aby mohlo začít měření je 180 us, viz Obr. 1-3. Začátek měření je ovšem nastaven na až za dobu 300 us z důvodu rezervy, aby napětí mělo možnost poklesnout buď na nulovou hodnotu v případě připojené dečky, nebo v případě nepřipojené dečky poklesnou jen o zanedbatelnou úroveň, kterou mikrokoktrolér bezpečně vyhodnotí jako log 1, viz Obr. 1-4 až Obr. 1-6. Několik průběhů výkonových pulzů tranzistorů při odpojené dečce je ukázáno na Obr. 1-7. Několik průběhů výkonových pulzů tranzistorů při zapojené dečce je ukázáno na Obr. 1-8.
Obr. 1-3 Průběh napětí na výstupu tranzistorů při zapojené dečce Obr. 1-4 Průběh napětí na výstupu tranzistorů při odpojené dečce Detail 1.
Obr. 1-5 Průběh napětí na výstupu tranzistorů při odpojené dečce Detail 2. Obr. 1-6 Průběh napětí na výstupu tranzistorů při odpojené dečce Detail 3.
Obr. 1-7 Několik průběhů napětí na výstupu tranzistorů při odpojené dečce. Obr. 1-8 Několik průběhů napětí na výstupu tranzistorů při zapojené dečce.
Aktivní topné vložky: Aktivní topné vložky slouží k ohřevu a v jejich tkanině jsou obsaženy vodivé mikrovlákna s obsahem stříbra. Rozměr ativní topné části vložky je 20 x 10 cm s vnitřní hodnotou odporu 0,56 Ω. Vložky jsou všity přímo do oděvu a tvoří jeho součást. K propojení s Řídicí jednotkou je použit kabel s koncovkou pro konektor CN2. Opačné strany kabelu jsou vodivě propojeny přímo se sběrnicí aktivní topné vložky. Na Obr. 1-8 jsou zobrazeny aktivní topné vložky zapojené do série s možností připojení na konektor s označením CN2. Detal aktivní topné vložky je ukázan na Obr. 1-9. Na obou stranách vložky je patrná sběrnice, na kterou se napojují jednotlivá vodivá mikrovlákna. Zároveň se této sběrnici přivádí napájení. Obr. 1-9 Aktivní topné vložky
Obr. 1-10 Aktivní topné vložky - DETAIL