Post on 21-Apr-2015
transcript
MĚŘIČ SÍLY STISKU GRIP STRENGTH SENSOR
SEMESTRÁLNÍ PROJEKT SEMESTRAL PROJECT
AUTOŘI PRÁCE KOUTNÝ PETR, HROMÁDKA MICHAL AUTHORS BENEDĚLA PAVEL, BADIN PAVEL
VEDOUCÍ PRÁCE Ing. TOMÁŠ FLORIÁN SUPERVISOR
BRNO 2012
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
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.
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.
4
Obsah
1 Teoretický úvod .................................................................................................................... 5
1.1 Tenzometry ............................................................................................................................ 5
1.1.1 Druhy tenzometrů ......................................................................................................... 5
1.1.2 Použití ........................................................................................................................... 6
1.2 Wheatstoneův můstek ............................................................................................................ 7
1.3 Přístrojový zesilovač .............................................................................................................. 7
1.3.1 První část....................................................................................................................... 7
1.3.2 Druhá část - diferenciální zesilovač .............................................................................. 8
1.3.3 Přístrojový zesilovač ..................................................................................................... 9
1.4 Mikrokontrolér ATMEGA 8A ............................................................................................... 9
1.4.1 A/D převodník .............................................................................................................. 9
1.4.2 Jednotka USART ........................................................................................................ 10
2 Realizace snímače .............................................................................................................. 11
2.1 Snímací část (hardware) ....................................................................................................... 11
2.2 Program mikrokontroléru ATMEGA 8A ............................................................................. 12
2.3 Přístup na sběrnici RS232 .................................................................................................... 13
2.4 Počítačová aplikace (software) ............................................................................................ 14
2.4.1 Komunikační část ....................................................................................................... 14
2.4.2 Zobrazovací část ......................................................................................................... 15
3 Závěr ................................................................................................................................... 16
4 Seznam příloh ..................................................................................................................... 18
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, [-]
1.1.1 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.
kde K je součinitel deformační citlivosti. Je udáván výrobcem tenzometru s přesností
0,5 - 3%.
Rozsah odporového tenzometru je nejčastěji 50 - 2500 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 -269 - 1000 °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
(2)
6
nedostatkem je značná teplotní závislost. Pro konstrukci se používá monokrystalů
křemíku a germania.
1.1.2 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 1: Schéma fóliového tenzometru
Obrázek 2: Možné tvary a uspořádání tenzometrů
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.
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:
Odpor Rx 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
1.3.1 První část
První část zesílí rozdíl napětí mezi svými vstupy. Za předpokladu že odpor R2 = R3 (z
obrázku č. 3) platí
( ) (
)
(3)
Obrázek 3: Wheatstoneův můstek
(4)
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 R1. Dále předpokládáme, že do
vstupu operačního zesilovače teče nulový proud. Proto poteče odporem R1 stejně velký
proud jako odpory R2 a R3. Z toho již určíme velikost napětí na výstupu (Rov. 4)
1.3.2 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 R4 = R7 a R5 = R6 platí: U3 = U2 - U1. 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 U2. V případě, že by napětí U1 bylo
nulové, muselo by na výstupu být napětí U2. V případě, že by na invertujícím vstupu
OZ bylo napětí nulové, platí: U3 = -U1.
Superpozicí obou signálů pak dostaneme rovnici
Obrázek 4: 1. část přístrojového zesilovače
(5)
Obrázek 5: 2. část přístrojového zesilovače
9
1.3.3 Přístrojový zesilovač
Spojením obou částí vzniká přístrojový zesilovač. Jeho výstupní napětí je rovno
rozdílu výstupních napětí zesilovače.
( ) (
)
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
1.4.1 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 15 000 vzorků za
sekundu.
(6)
Obrázek 6: Přístrojový zesilovač
10
1.4.2 Jednotka USART
Jednotka USART umožňuje plně duplexní komunikaci až do rychlosti 115200 Baudů.
Princip její funkce je velmi podobný komunikaci po sériové lince RS-232 při užití 3
vodičů.
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
12
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:
Obrázek 8: Model snímače
13
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 11.
Obrázek 9: Vývojový diagram obsluhy A/D převodníku
14
2.4 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.
2.4.1 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.
Obrázek 10: Vývojový diagram programu komunikace se sběrnicí RS485
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
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.
17
Literatura
[1] MATOUŠEK D.: Práce s mikrokontroléry Atmel AVR ATmega 16 – 4. 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] http://cs.wikipedia.org/wiki/Zapojení_s_operačním_zesilovačem
[6] http://cs.wikipedia.org/wiki/Tenzometr
[7] http://msdn.microsoft.com/cs-cz/vcsharp/default.aspx
[8] SHARP J.: Microsoft Visual C# 2010 krok za krokem, CPRESS
[9] BENEŠ P.: Měření fyzikálních veličin - návody do laboratorních cvičení, Brno
2010
[10] www.hbm.cz
18
4 SEZNAM PŘÍLOH
- schéma zapojení snímače síly.
- DPS
- osazovací plán
- fotografie hotového snímače síly
Obrázek 12 - DPS
Obrázek 13 – Osazovací plán
19
Obrázek 14 - Schéma zapojení
20
Obrázek 15 - Finální provedení snímačů síly
Obrázek 16 - Finální verze Hardware