22 4. Návrh m i e spot eby 4.1. Použitý pr tokom r Z d íve vyložených typ pr tokom r jsem vybral objemový pr tokom r. D vodem byla p edevším jeho cenová dostupnost a dostupnost jako taková. Snažil jsem se kontaktovat renomované výrobce idel, jako jsou firmy Flowtronic, Omega, Adast Adamov a další, avšak marn. Firmy bu nereagovaly, nebo s výrobou t chto idel již p estaly. idlo použité v této bakalá ské práci nakonec dodala firma CONRAD ELECTRONIC. Cena idla je cca 900,- K. Jedná se o objemový pr tokom r s impulsním výstupem. Princip pr tokom ru je velice jednoduchý. Kapalina vstupuje do pr tokom ru, te e radiáln kolem st n pr tokom ru a otá í tak paprskovým m ícím ústrojím. Výstupem je obdélníkový signál, jehož frekvence je p ímoúm rná otá ivé rychlosti m ícího kotou e. Funkce je patrná z níže uvedeného principiálního obrázku. Výstup Rotující lopatky Vstup Obr.4.1. Principiální schéma použitého pr tokom ru. Citlivost idla uvád ná firmou CONRAD ELECTRONIC je 1800 puls na 1 litr kapaliny. Z toho vyplývá vzorec pro p epo et m eného objemu z po tu puls výstupního signálu. Pro zm ený objem platí: rovnice 4.1. V = p k rovnice 4.2. k = 1 1800 kde V [ l] m ený objem kapaliny p [ ] po et puls idla k [ l] konstanta idla Pro velikost pr toku pak platí: rovnice 4.3. Q = f k kde [ l s] f [ / s] [ l] q / velikost pr toku kapaliny 1 frekvence signálu idla k konstanta idla
23 Podle katalogových údaj firmy CONRAD ELETRONIC je toto idlo vhodné pro m ení pr toku vody, vín, alkohol, výbušných látek a chemicky agresivních látek. Jeho rozm ry jsou 55 x 40 x 45 (š x v x h). Rozsah pracovních teplot v rozmezí 40 až +125 C. P ípojka vstupu a výstupu má 6mm. Fotografie idla je zobrazena na níže uvedeném obrázku. Obr.4.2. Pr tokom r firmy CONRAD ELECTRONIC
24 4.2. Hardware P i návrhu jsem vycházel z nemožnosti konstruovat toto za ícení na bázi analogového zapojení, i digitálního obvodu na bázi základních logických prvk. A to p edevším pro jejich neúm rnou složitost a tím i nemožnou konkurenceschopnost na trhu. V dnešní dob se bou livým zp sobem vyvíjí digitální technologie na bázi programovatelných procesorových sou ástek. Jejich cena stále klesá, ímž se stávají univerzální sou ástkou pro stovky r zných zapojení, lišících se zpravidla jen vnit ním software-m. Z b žn dostupných procesor této úloze odpovídají procesory PIC firmy MICROCHIP, nebo procesory ady 51 firmy ATMEL. Vzhledem k dostupnosti podp rných vývojových prost edk jsem se nakonec rozhodl pro procesor firmy ATMEL. Obvodové schéma zapojení pro vyhodnocování spot eby je zobrazeno v p íloze této Bakalá ské práce. Základem celého obvodu je mikroprocesor firmy ATMEL AT89C2051. Podrobný popis procesoru lze nalézt na WWW servru firmy ATMEL, http:\\www.atmel.com a nebo v prezentaci student VUT, fakulty elektrotechnické na www adrese http://noel.feld.cvut.cz/vyu/scs/prezentace98/atmel/. Jedná se o mikroprocesor s jádrem typu 51. Mikroprocesor obsahuje 2kB pam ti EEPROM s dvojúrov ovým zabezpe ením, 128 x 8 Bit interní pam ti RAM, 15 programovatelných vstupn výstupních pin a dva 16-ti bitové íta e. Hardverov je obvod rozd len na dva základní bloky. První z nich je zobrazovací blok, ten obsahuje t ímístný LED display s pomocnými LED diodami. Tato ást je jediným výstupním obvodem celého za ízení. Druhou ást tvo í mikroprocesorový systém se vstupními obvody. Jako vstupy zde slouží t i ovládací tla ítka a vstupy pro pulsní signály z idel rychlosti automobilu a spot eby paliva. 4.2.1. ídící ást Základem ídící ásti je mikroprocesor firmy ATMEL AT89C2051 s ozna ením IO1. Jeho port P1 je vstupn výstupní port vyveden na sb rnici a slouží ke komunikaci s displayem. Brány P3.3 P3.4 a P3.7 jsou vstupy a snímají stav ídících tla ítek. Brány P3.2 a P3.5 jsou vstupy pro snímání puls idel. Oscila ní obvod je tvo en krystalem s rezonan ní frekvencí 24MHz a kondenzátory C4 a C5 s velikostí dle doporu ení výrobce. Obvod tvo ený R3 a C1 je obvodem pro automatické resetování procesoru p i zapnutí napájecího nap tí. Hodnoty sou ástek byly použity dle doporu ených hodnot výrobce. Napájení obvodu zabezpe uje integrovaný stabilizátor LM7805 s ozna ením IO2, který je zapojen dle obvyklého katalogového zapojení. Kondenzátory C7 a C8 slouží jako blokovací kondenzátory proti oscilacím stabilizátoru. Jejich velikost odpovídá doporu eným hodnotám výrobce. Kondenzátor C9 slouží jako pohotový zdroje energie p i rychlých zm nách odb ru obvodu. Kondenzátor C6 spolu s diodou D1 filtrují náhlé poklesy vstupního nap tí v palubním rozvodu, které mohou být zp sobeny impulsním zatížením sít (nap. p i startování). Dioda D1 obvod zárove chrání proti necht nému p epólování. Vstupy idel jsou ošet eny obvody tvo enými odpory R1 a R2 a kondenzátory C2 a C3. R1 a R2 jsou zapojeny jako pul-up odpory s hodnotou 12k, posilují tak vnit ní pul-up odpory procesoru. Kondenzátory C2 a C3 spolu s odpory R1 a R2 slouží jako filtra ní obvody pro potla ení p echodových zákmit p i p epínání idel. asová konstanta tohoto obvodu je dána sou inem RC a zvolil jsem velikost 0,1ms. V té dob by m ly odeznít všechny p echodové d je spojené s p epnutím snímacích idel. idlu pro snímání velikosti pr toku je v nována celá p edešlá kapitola. idlo pro snímání velikosti rychlosti zde popisováno není. Uvažuje se jakékoliv idlo dávající pulsní signál. Doba mezi pulsy je brána jako doba,
25 pot ebná pro ujetí konstantní vzdálenosti dané typem idla. U obou dvou idel se p edpokládá, že aktivním signálem je zkrat proti zemi a pasivním pak stav vysoké impedance nebo zkrat na napájecí nap tí procesoru (+5V). Odpory R4 a R5 jsou jen externími pul-up odpory pro brány P1.0 a P1.1. Procesor z d vodu vnit ního komparátoru t mito odpory vybaven není. Zapojení má celkem ty i konektory. Konektor J1 slouží pro spojení s displayem. Konektor J2 pro p ipojení idla pr toku a J3 pro p ipojení idla rychlosti. Konektorem J4 je p ivedeno palubní nap tí 12V. Prakticky lze p ivést jakékoliv nap ní od 8V do 35V. Pro vyšší vstupní nap tí však hrozí nebezpe í p eh ívání integrovaného stabilizátoru IO2. 4.2.2. Zobrazovací ást Základem zobrazovací ásti jsou t ímístný display s ozna ením DISP1 a led diody D1 D2 D3 D4 a D5. Odpory R2 R13 slouží pro omezení maximálního proudu zobrazovacích segment a jeho hodnotu jsem zvolil 100 ohm. Proud segmenty je tak mezi 30 50 ma na segment a zabezpe uje tak dostate né prosvícení v dynamickém režimu ovládání. Proudové špi ky v dynamickém režimu vykrývá kondenzátor C1 s hodnotou 47uF. Integrovaný obvod IO1 je CMOS ovým analogovým multiplexerem s ozna ením 4051 p epínajícím zobrazovací bloky. Ty jsou ty i, t i bloky DISP1 plus blok p ti led diod. Jednotlivé bloky jsou buzeny tranzistory T1 T4. Velikost budícího proudu jednotlivých tranzistor byl s ohledem na dokonalou saturaci tranzistor zvolen na 2 ma. Tuto funkci zajiš uje odpor R1 s hodnotou 2k7 ohm. Integrovaný obvod IO2 je univerzálním BCD dekodérem pro sedmisegmentový led zobrazova. Byl použit CMOS ový obvod 4543. Obvod je vybaven výstupy pro p ímé ízení led zobrazova e. Vstup J1 slouží k p ipojení na komunika ní port procesoru. Zárove zajiš uje i napájení celého obvodu. To bylo s ohledem na ídící jednotku zvoleno 5V. Komunika ní protokol není univerzální, byl sestaven speciáln pro ú ely toto zapojení. O dynamické ízení displaye se stará p ímo procesor. V p ípad poruchy komunikace mezi procesorem a displayem hrozí nebezpe í poškození zobrazovacích segment proudovým p etížením.
26 4.3. Software P i návrhu software-u jsem vycházel z nutnosti zpracovat relativn velké množství informací v co nejkratším ase. To byl taky d vod, pro jsem nakonec upustil od p vodního zám ru postavit celý program ryze modulárním zp sobem. Ten by byl sice velice p ehledný a jednoduchý k analyzování, avšak asov mnohem náro n jší. V horším p ípad by mohl vést až ke kritickým kolaps m procesoru. áste ný modulární charakter však byl zachován, a já doufám že pom že k zjednodušení alespo prvního p iblížení tohoto programu. Program je vybaven vnit ním software-ovým adi em, p ipravujícím jednotlivé úlohy k zpracování. Celý programový pr b h je asován vnit ním software-ovým asova em, který rovn ž zajiš uje orientaci v reálném ase. Software pro procesor byl napsán v asembleru pro obvody s jádrem typu 51, voln dostupný na servru fa ATMEL, a nebo na zdejším servru pracovní skupiny FREE SINGLECHIP GROUP. Program se skládá z t chto základních rutin: - Generátor asového p erušení - Hlavní ást - Display - Klávesnice - BCD korekce - Vyhodnocování velikosti spot eby paliva - Vyhodnocování vzdálenosti Generátor asového p erušení má za úkol rovnom rn rozložit jednotlivé úkoly procesoru a zamezit tak kolaps m vzniklým p i požadavku o sou asné ešení více úkol. Generátor se stará o bezchybný chod celého programu, synchronizuje jej a zabezpe uje procesoru orientaci v asové oblasti. Tvo í tak vnit ní hodiny reálného asu. V oblasti ízení programu má hlavní postavení. Hlavní ást programu obsahuje p íkazy pro test displaye p i zapnutí obvodu. Zárove zabezpe uje nastavení celého procesoru p i zapnutí napájecího nap tí. Je první rutinou spoušt nou po p ipojení pr tokom ru k napájecímu nap tí. Po inicializaci procesoru se stará o minimalizaci odebíraného proudu procesorem (power management). ást programu nazvána Display se stará o dynamické ízení displaye p es komunika ní port P1. Periodu ízeni displaye jsem zvolil na 1ms. Tím je zabezpe ený kontinuální svit zobrazova e. Rutina je koncipována tak, aby minimáln zat žovala procesor. Je totiž nejvolan jší rutinou celého programu. ást programu nazvaná Klávesnice se stará o dekódování signál tla ítek TL1 TL3. Rutina zárove kontroluje délku stisku jednotlivých signál. Stará se o p epínání režim innosti programu. Dává ídící znaky jednotlivým dalším rutinám. BCD korekce je rutinou, která p evádí ísla reprezentující nam ené hodnoty z p vodního BIN kódu na BCD kód ur ený k zobrazování na led display. Rutina je koncipována s ohledem na asovou nenáro nost na úkor zabrané pam ti. Pracuje s 16-ti bitovým slovem. Výsledek výpo tu je zapisován p ímo na prom nné ur ené k obsluze displaye. Vyhodnocování velikosti spot eby paliva se d je na základ hardware-ového p erušení od senzoru pr toku. Vstupními veli inami jsou as od posledního p erušení a velikost rychlosti automobilu. Výstupem jsou prom nné ur ující celkovou, pr m rnou a maximální spot ebu paliva.
27 Vyhodnocování vzdálenosti se d je na základ software-ového p erušení v intervalech 0.5s. Vstupem je obsah vnit ního íta e T1, který udává po et impuls idla rychlosti a korek ní konstanta, udávající po et cm na jeden impuls. Výstupem jsou prom nné ur ující celkový stav ujetých kilometr a maximální a okamžitá rychlost. Pro podrobn jší studium software-u uvádím v p íloze podrobný výpis bohat komentovaného programu v asembleru 51. Jen pro úplnost uvádím i výpis intelhex souboru ur eného pro naprogramování procesoru.
28 4.4. Návod k obsluze Po p ipojení k elektrické sítí se automaticky spustí test displaye. Po té p ejde systém do kalibra ního režimu, v kterém požaduje zadání korek ní konstanty, udávající po et centimetr na jedenu periodu idla rychlosti. Velikost se zadává stla ením tla ítka AVERAGE (od ítá) nebo MAXIMUM (p i ítá). Stla ením a podržením tla ítka FUNCTION se p ístroj p epne do b žného provozního režimu. V provozním režimu Vám p ístroj nabízí následující funkce: - m ení celkové spot eby paliva - m ení celkových ujetých kilometr - m ení pr m rné spot eby na 100km - m ení okamžité rychlosti - m ení maximální dosažené spot eby - m ení maximální dosažené rychlosti - mazání nam ených hodnot - software-ový reset celého systému P epínání mezi jednotlivými funkcemi je velice jednoduché. Dlouhým stiskem tla ítka FUNCTION se p epíná za ízení mezi režimem m ení funkcí spojených se vzdáleností a funkcí spojených se spot ebou. Krátkým stiskem tla ítek FUNCTION, AVERAGE a MAXIMUM se p epíná zobrazování celkové, pr m rné a maximální spot eby paliva, respektive celkových, pr m rných a maximálních pr m rných ujetých kilometr. (Pr m rnými kilometry se myslí okamžitá rychlost). Jednotlivé režimy m ení jsou signalizovány p íslušnými led diodami. Pro vymazání zm ených hodnot slouží funkce mazání nam ených hodnot. Touto funkcí dojde k vynulování všech po ítadel do po áte ního stavu (nulového). Pozor, tato funkce není reverzibilní. Zm ená data budou vymazána a tím navždy ztracena. Funkce se vyvolává dlouhým sou asným stiskem tla ítek AVERAGE a MAXIMUM. Funkce software-ového resetu má efekt stejný jako odpojení celého systému od elektrické sít a jeho op tovné p ipojení. Systém se p epne nap ed do režimu kontroly displaye a poté do režimu kalibrace idla rychlosti. Postup nastavování je stejný jako po p ipojení k elektrické síti. Funkce se doporu uje použít k p ekalibraci idla rychlosti, p ípadn máte-li pochyby o správné funk nosti celého za ízení. Pozor, tato funkce je ireverzibilní. Zm ená data budou vymazána a tím navždy ztracena. Funkce se vyvolává dlouhým sou asným stiskem tla ítek FUNCTION AVERAGE a MAXIMUM.