Návrh a realizácia zapojenia senzorov systému zberu teplotných dát
Obsah
Návrh a realizácia zapojenia senzorov
Pri realizácii zapojenia senzorov bolo nutné rozdeliť prácu na dve časti. Prvou časťou je vytvorenie nevodivého, vodotesného puzdra odolného na mechanické namáhanie, súčasne dostatočne tepelne vodivého. Druhá časť sa zaoberá zložením senzorov do sondy. Je v nej rozobraté pripájanie senzorov k zbernici 1-Wire a zabezpečenie spojov voči náhodnému skratu.
Návrh zapojenia
Teplomery DS18S20 zapojíme v parazitnom zapojení, aby sme využili možnosti poskytované touto technológiou a zároveň prezentovali jej možnosti. Na Obr. 5.1 je typické zapojenie DS18S20 v parazitnom režime.
Bolo stanovené, že merania budeme vykonávať na piatich senzoroch umiestnených podľa Tab. 5.1.
| Názov teplomera | Adresa teplomera | Vzdialenosť od povrchu [cm] |
| Teplomer 1 | 109699FF00080021 | -150 |
| Teplomer 2 | 10466EFF00080012 | -75 |
| Teplomer 3 | 10C3C82301080004 | -10 |
| Teplomer 4 | 10662D9C010800B0 | 10 |
| Teplomer 5 | 101975FF00080014 | 100 |
Senzory boli zapojené podľa Obr. 5.2. Teplomer 1 bol umiestnený 150 cm pod povrch a Teplomer 5 bol umiestnený 100 cm nad povrch zeme.
Realizácia senzora
Pri realizácii senzora je nutné zohľadniť vplyvy vonkajšieho prostredia a pôdy. Ako puzdro teplomera boli zvolené plastové výlisky na Obr. 5.3, ktorých tepelná zotrvačnosť je podstatne nižšia, ako pri kovových elementoch a zároveň netrpia koróziou.
Do plastového puzdra bola natlačená nevodivá silikónová pasta. Pre zamedzenie vzniku vzduchových bublín bolo pri jej aplikácii nutné do vnútra plastového výlisku zaviesť pomocnú trubičku, ktorou unikal vzduch. Takýmto spôsobom bolo celé vnútro puzdra vyplnené silikónom a pripravené na vloženie teplomeru. DS18S20 na Obr. 5.3 má spojené vývody GND a VDD a je pripravené na použite v režime parazitného napájania. Obidva spoje sú obalené tepelne sťahujúcou sa bužírkou. K jeho DQ kontaktu je pripojený čierny vodič a ku kontaktu GND je pripojený zelený vodič podľa Obr. 5.4.
Finálny výrobok na Obr. 5.5 má vstupnú stranu obalenú tepelne sťahujúcou sa bužírkou, do ktorej bolo pred použitím aplikované tavné lepidlo. Všetky vyrobené senzory boli testované ponorením do vody na 24 hodín. Aj po takejto záťaži všetky senzory komunikujú, čo potvrdzuje spoľahlivosť takejto formy hydroizolácie.
Realizácia sondy
Na realizáciu sondy bola zvolená plastová lišta, ktorá vzhľadom na svoju nízku tepelnú zotrvačnosť neovplyvňuje presnosť merania. Senzory boli upevnené na lištu v požadovaných vzdialenostiach plastovou sťahovacou páskou a ich poloha bola zaznamenaná permanentným popisovačom podľa Obr. 5.5 a Obr. 5.6. Pre zabezpečenie senzorov proti neželanému pohybu, bolo medzi jednotlivé senzory a steny lišty aplikované tavné lepidlo.
Pripojenie k zbernici 1-Wire bolo vykonané spájkovaním. Spájkované spoje boli potreté silikónovou pastou a zabezpečené tepelne sťahujúcou sa bužírkou. Následne boli oba izolované spoje vložené do tepelne sťahujúcej sa bužírky s väčším priemerom a silikónovou výplňou. Takáto dvojitá izolácia bola opäť testovaná ponorením do vody na 24 hodín.
Záverečné pripojenie k mikroprocesoru bolo vykonané v hornej časti lišty, ktorá je uzatvorená zo všetkých strán a vyplnená silikónom. Vzdialenosť od sondy k mikroprocesoru je 12,5 metra a spojenie je vykonané na bifilárne vinutej dvojlinke.
Inštalácia sondy
Pre sondu bolo potrebné vyhĺbiť jamu s hĺbkou 1,5 metra od povrchu. Na Obr. 5.7 je možné vidieť, že do hĺbky 1 meter bolo hĺbenie možné rýľom. Od 1 metra bola na hĺbenie použitá oceľová trubka. Od 0,8 metra bolo v pôde viac kamenia a približne v hĺbke 1,25 metra sme narazili na štrko-pieskovú vrstvu. Vyhĺbenie zvyšných 0,25 metra zabralo 2-krát viac času, ako vyhĺbenie do hĺbky 1,25 metra.
Na Obr. 5.8 je vidieť, že sonda bola vo svojom označení nulovej hodnoty zarovnaná s povrchom pôdy
Povrch v okolí sondy bol utlačený a po týždni, keď pôda klesla, bol znova utlačený a doplnený, aby bol zarovnaný s nulovou značkou na sonde podľa Obr. 5.9.
Pre zamedzenie vplyvu ohrievania teplomeru priamym slnečným žiarením boli na obidva vonkajšie senzory upevnené clony z reflexného materiálu.
Záver
Cieľom práce bolo navrhnúť a implementovať systém pre zber teplotných dát z pôdneho profilu. V prvej časti práce boli predstavené technológie použité v systéme a v druhej časti bola opísaná realizácia hardvéru. Pravdepodobne najdôležitejším momentom pri realizácii senzorovej časti, bolo po výbere súčiastok rozhodnutie o type puzdra a jeho hydroizolácii. Vďaka zvolenému plastovému puzdru, ktoré bolo vyrobené na zákazku, majú jednotlivé senzory pevnú schránku, takže nie sú mechanicky namáhané. Ako izolačný materiál sa osvedčila silikónová pasta. Na konci novembra 2009, ani po približne mesiaci používania nedošlo k žiadnemu problému pri spracovaní signálu. V súčasnosti je dokončovaná práca na firmvéri, ktorého meracia časť je už kompletná a prebieha kontinuálne meranie na všetkých teplomeroch. Grafické zobrazenie výsledkov meraní počas jedného dňa zobrazuje teploty namerané jednotlivými senzormi umiestnenými nad povrchom a pod povrchom pôdy. Najviac tepelne závislé sú senzory umiestnené nad povrchom. Priebeh meraní senzora umiestneného 10 centimetrov pod povrchom vykazuje zreteľný fázový posun oproti nadzemným senzorom. Senzor umiestnený najhlbšie má najmenšie odchýlky od stabilnej teploty. Záujem o modifikáciu finálnej verzie systému na systém pre meranie teplotných strát v budovách bol prejavený správcom budov lokálnej firmy. Ďalšie využitie je možné pre meranie teplôt na rôznych konštrukciách napr. na mostoch. Výmenou senzorov za iný typ je možné zbierať údaje aj o iných fyzikálnych veličinách. Budúci vývoj zahŕňa dokončenie firmvéru, v ktorom bude zahrnuté aj číslo výrobku, obsahujúce údaje o použitej pamäti a RTC. Pomocou tohto čísla bude systém spolupracovať s aplikačným softvérom. Tento umožní používateľovi vytvoriť vlastnú konfiguráciu systému. Aplikácia bude obsahovať nastavenia periódy meraní jednotlivých teplomerov, spracovanie údajov do databázy a tvorbu grafov z nameraných dát.
Použitá literatúra
- ASHBY, Robert. Designer's Guide to the Cypress PSoC. London : Elsevier, 2005. 273 s. ISBN 9780750677806.
- CYPRESS, Semiconductor Corporation. PSoC Programmable System-on-Chip : Technical Reference Manual (TRM). San Jose, USA , c2008. 572 s. Document No. 001-14463 Rev. *C. Dostupný z WWW: http://www.cypress.com.
- MAXIM, Integrated Products. Guidelines for Reliable Long Line 1-Wire Networks : AN-148. Sunnyvale, CA, USA : Maxim Integrated Products, 2008. 16 s. Dostupný z WWW: http://www.maxim-ic.com.
- MAXIM, Integrated Products.DS18S20 High-Precision 1-Wire Digital Thermometer. Sunnyvale, CA, USA : Maxim Integrated Products, 2008. 23 s. Dostupný z WWW: http://www.maxim-ic.com.
- NXP, B.V. The I2C bus specification : Version 2.1. Southampton, United Kingdom : NXP B.V., 2000. 46 s. Dostupný z WWW: http://www.nxp.com.
- RAMTRON, International Corporation. FM24V10 : 1Mb Serial 3V F-RAM Memory. Colorado Springs, CO, USA : Ramtron International Corporation, 2009. 15 s. Dostupný z WWW: http://www.ramtron.com.
- NXP, B.V. PCF8563 : Real-Time clock/calendar. Southampton, United Kingdom : NXP B.V., 2008. 32 s. Dostupný z WWW: http://www.nxp.com.
