+ All Categories
Home > Documents > Snimac sily - dokumentace

Snimac sily - dokumentace

Date post: 21-Apr-2015
Category:
Upload: petr-koutny
View: 64 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
20
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
Transcript
Page 1: Snimac sily - dokumentace

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

Page 2: Snimac sily - dokumentace

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.

Page 3: Snimac sily - dokumentace

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.

Page 4: Snimac sily - dokumentace

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

Page 5: Snimac sily - dokumentace

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)

Page 6: Snimac sily - dokumentace

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

Page 7: Snimac sily - dokumentace

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)

Page 8: Snimac sily - dokumentace

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

Page 9: Snimac sily - dokumentace

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

Page 10: Snimac sily - dokumentace

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.

Page 11: Snimac sily - dokumentace

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

Page 12: Snimac sily - dokumentace

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

Page 13: Snimac sily - dokumentace

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

Page 14: Snimac sily - dokumentace

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

Page 15: Snimac sily - dokumentace

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

Page 16: Snimac sily - dokumentace

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.

Page 17: Snimac sily - dokumentace

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

Page 18: Snimac sily - dokumentace

18

4 SEZNAM PŘÍLOH

- schéma zapojení snímače síly.

- DPS

- osazovací plán

- fotografie hotového snímače síly

Obrázek 12 - DPS

Obrázek 13 – Osazovací plán

Page 19: Snimac sily - dokumentace

19

Obrázek 14 - Schéma zapojení

Page 20: Snimac sily - dokumentace

20

Obrázek 15 - Finální provedení snímačů síly

Obrázek 16 - Finální verze Hardware


Recommended