Technická dokumentace - REDALS-01

Aktualizace 28.5. 2005

Následující popis není zamýšlen jako podrobný stavební návod, ale spíše jako seznámení s konstrukcí. Nicméně lze podle této dokumentace sestavit REDALS za předpokladu odpovídajících zkušeností v elektronice a s potřebným vybavením.

Fotografie sestaveného zařízení a ukázka grafu vytvořeného ze zaznamenaných dat:

Technické parametry:

Sériové rozhraní: rychlost 19200, bez parity, 8 datových bitů, 1 stop bit.
Řídící mikrokontrolér: Atmel ATmega8 s hodinovou frekvencí 8 MHz.
Paměť pro ukládání naměřených dat: sériová EEPROM.

Napájecí napětí tenzometrického snímače: 5,0 V.
Měřící rozsah vstupu tenzometrického snímače: 0 – 5,0 mV.
Výstupní offset vstupního zesilovače IC5: 220,0 mV.
Napěťové zesílení vstupního zesilovače: 667,7.
Výstupní napětí vstupního zesilovače při Uin 5,0 mV: 3,5585 V.
Dynamický rozsah A/D převodníku IC4: 12 bitů. (0 – 4095)
Efektivní měřící rozsah A/D převodníku: 250 - 4050.
Referenční napětí pro A/D převodník: 3,5985 V.

Napájecí napětí analogové části: 5,0 V.
Odběr analogové části: ~2,5 mA + proud snímače. (Max. 100 mA)
Napájecí napětí digitální části: 5,0 V.
Odběr digitální části: ~26 mA.
Rozsah externího napájecího napětí: 7,7 – 12 Vss.

Silový snímač.

K zařízení lze připojit jakýkoliv snímač síly s tenzometrickým můstkem, tovární nebo amatérsky zhotovený. Citlivost se u těchto snímačů udává v mV/V, což znamená velikost výstupního napětí v mV na každý volt napájecího napětí snímače (můstku) při plném zatížení. Můstek totiž dává výstupní napětí vždy v poměru k napájecímu napětí, takže například snímač pro 2 kN s výstupem 1 mV/V bude při zatížení maximální silou a napájecím napětí 5 V dávat na výstupu napětí 5 mV, kdežto při napájení 10 V to bude 10 mV. Snímač musí obsahovat plný můstek, ale mohou se vyskytnout snímače, které mají např. pouze dva elementy a nejsou doplněny kompenzačními rezistory. Takovýto snímač nelze připojit přímo, ale je nutné ho nejdříve zapojit do plného můstku.

Zařízení má vstupní rozsah 5 mV, ale lze připojit snímač s jakoukoliv citlivostí, jen je nutné přepočíst jeho rozsah pro zadání v RECONu na 5 V napájení a 5 mV vstupní citlivosti REDALSu. Pokud použijeme snímač např. 2 kN s udávanou citlivostí 1 mV/V, tak bude jeho výstpní napětí při maximálním zatížení odpovídat plnému vstupnímu měřícímu rozsahu REDALSu. Pokud by snímač se stejným rozsahem měl dvojnásobnou citlivost, tj. 2 mV/V, tak napětí na jeho výstupu při plném zatížení bude 10 mV, což je dvojnásobek měřitelného napětí. Zařízení se nepoškodí, ale hodnota bude mimo rozsah. Takovýto snímač lze tedy použít pouze na měření do 1 kN a stejný rozsah se bude pro tento snímač definovat v RECONu. Při použití snímače s nižší citlivostí bude situace opačná, snímač při plném zatížení dává nižší napětí, než je plný měřitelný rosah. U takového snímače je nutné v RECONu zadat rozsah síly, přepočtený na vstupní měřitelný rozsah 5 mV. Například pokud máme snímač 2 kN s citlivostí 0,5 mV/V, tak bude dávat při maximálním zatížení napětí 2,5 mV. V RECONu jej budeme definovat jako snímač 4 kN (síla, které by teoreticky odpovídalo výstupní napětí 5 mV), ale pozor, jeho maximální zatížení je stále 2 kN, dvojnásobná hodnota se zadává pouze z důvodu přepočtu naměřených hodnot. Použití snímače s nižší citlivostí než 1 mV/V je ale nevýhodné z důvodu snížení přesnosti a poddimenzování.

Fotografie amatérsky zhotoveného 500N snímače:

1. Celkový pohled na snímač zhotovený z ploché tyče 50x20mm, délka 70mm, Al slitina ČSN 424401.71.
2. Detail nalepeného lůžka z nerezové oceli s V drážkou.
3. Detail dvojitých tenzometrů HBM, jedny jsou zapojeny aktivní a druhé jako doplňující, umístěny kolmo v místě nejmenších deformací snímače.

Zapojení konektoru pro snímač (na zařízení):

5 - Napájení snímače (+) 3 - Napájení snímače (-) 8 - Signál snímače (-) 6 - Signál snímače (+)

Schéma zapojení, DPS a osazovací schéma:

Fotografie osazené DPS a finálního zapojení:

Specifikace materiálu.

GM - GM electronic (http://www.gme.cz)
RS - RS Components (http://www.rs-components.cz)

Poznámky ke stavbě:

- Trimr P3 se neosazuje, místo něj se osadí drátová propojka na místo krajních vývodů trimru a na místo rezistoru R5 se osadí přesný rezistor s hodnotou 150 ohmů a tolerancí 0,1%.
- EEPROM (IC2) je možné osadit do patice, pro případ výměny za jiný typ s větší kapacitou.
- Při zástavbě do plastové krabičky KM33B je nutné uvnitř odstranit distanční sloupky a všechen překážející plast, poté vyvrtat nové otvory pro uchycení distančních sloupků s DPS.
- Přepínač "Trigger" sloužící k volbě mezi automatickým a ručním spouštěním záznamu byl přidán dodatečně a v návrhu zařízení se s ním nepočítalo. Připojuje se tedy dodatečně pomocí dvou vodičů zespodu na piny 6 a 8 IC1 podle následujícího obrázku (úprava vyžaduje i aktualizaci firmware) :

Oživení a nastavení:

1. Trimry P1 a P2 vytočíme doleva. Voltmetr připojíme záporným pólem na špičku J2:3 (GND) a kladným pólem na krátkou propojku mezi rezistory R11 a R17. Připojíme napájení a zkontrolujeme odběr, měl by se pohybovat kolem hodnoty 28 mA. Trimrem P1 nyní nastavíme napětí stabilizovaného zdroje na hodnotu 5,000 V.
2. Záporný pól voltmetru ponecháme připojený na špičce J2:3 (GND), kladný pól připojíme na špičku J2:1 (Vref) a trimrem P4 nastavíme referenční napětí A/D převodníku IC4 na hodnotu 3,5985 V.
3. Kladný pól voltmetru připojíme na špičku J2:2 (Vin) a trimrem P2 nastavíme výstupní offset vstupního zesilovače IC5 na hodnotu 220,0 mV. Napětí musí při otáčení trimry stoupat vždy zvolna.
4. Zkontrolujeme napětí stabilizovaného zdroje digitální části připojením voltmetru na vývody IC2:4 a IC2:8, musí být v rozmezí 4,95 – 5,05 V.
5. V případě, že mikrokontrolér ještě neobsahuje bootloader, připojíme do konektoru XC3 programátor přes ISP kabel a provedeme nastavení tzv. fuse bits (hardwarová konfigurace mikrokontroléru) a upload bootloaderu. Toto je možné provést dvěma způsoby: pomocí programu AVRProg a speciálního ISP programátoru, nebo jednoduchým programátorem pro sériový port a obslužným software Ponyprog, který je možné získat na adrese http://www.lancos.com/ppwin95.html.
6. Když je proveden upload bootloaderu, nasadíme jumper na špičky Prog a zapneme napájení, musí se rozsvítit Start LED signalizující firmware upload mód. REDALS připojíme sériovým kabelem přímo na volný port PC a spustíme program AVRProg. Dále postupujeme při uploadu firmware podle uživatelského manuálu.
7. Po uploadu firmware je možné ověřit funkci a nastavení programem RECON.

Schéma jednoduchého programátoru Ponyprog pro sériový port:

Nastavení "fuse bits" v programu AVRProg a Ponyprog: