Autonómny systém pre zber teplotných dát z pôdneho profilu

	Trenčianska Univerzita Alexandra Dubčeka v Trenčíne Fakulta Mechatroniky
	Autonómny systém pre zber teplotných dát z pôdneho profilu zadanie práce {{{5}}}

Autor:	Bc. Gabriel Gašpar
Pedagogický vedúci:	Ing. Tomáš Páleník
Študijný odbor:	{{{6}}}
Akademický rok	2009/2010

Abstrakt

Práca sa zaoberá návrhom a realizáciou hardvérovej časti systému pre zber teplotných dát z pôdneho profilu. V prvej časti sú popísané použité technológie. Je popísaná technológia PSoC, ktorá predstavuje rodinu mikroprocesorov novej generácie, ktoré sú konfigurovateľné presne podľa požiadaviek užívateľa. Rýchly komunikačný protokol I2C pre krátke vzdialenosti je predstavený v samostatnej kapitole s konkrétnymi príkladmi komponentov použitých v systéme. Podobne, protokol 1-Wire zabezpečujúci komunikáciu na väčšie vzdialenosti, zaberá samostatnú kapitolu, v ktorej je časť venovaná použitému teplomeru.

V druhej časti sa zaoberáme samotným návrhom systémového hardvéru. Náležitá pozornosť bola venovaná návrhu puzdier senzorov tak, aby ich mechanické vyhotovenie bolo odolné voči vplyvom agresívneho prostredia, a aby nedošlo k fyzickému poškodeniu samotného senzora. Pre zapojenie mikroprocesora bola navrhnutá schéma zapojenia. Táto obsahuje návrh napájacej časti, ochranný obvod pre sieť 1-Wire, prevodník z EIA-232 na TTL úrovne a zapojenie I2C komponentov. Následne bolo zapojenie realizované.

Úvod

Meranie teploty a následne teplotný profil predstavujú nevyhnutnú súčasť vstupných informácií pri realizácii environmentálnych, stavebných, konštrukčných, a aj elektronických a elektrotechnických projektov. V tejto práci sa budeme zaoberať návrhom systému pre meranie teplôt v rozsahu od –55°C do +85°C. Teplota sa dá merať viacerými metódami. Mechanicky, ako príklad uvedieme bimetalový teplomer, kde sa ručička ukazovateľa vychyľuje podľa teploty využívajúc tepelnú rozťažnosť materiálov. Elektricky, príkladom je odporový teplomer, kde sa využíva zmena elektrického odporu vodiča alebo polovodiča od teploty. Elektronicky, v našom prípade v digitálnej forme použitím integrovaného obvodu, ktorý analógovo meria teplotu a následne ju prevádza zabudovaným A/D prevodníkom na digitálne vyjadrenie.

V práci sa zaoberáme prehľadom technológií Cypress PSoC, Philips I2C a Dallas Semiconductor 1-Wire a ich využitím na zber teplotných dát z pôdneho profilu. Programovateľný systém na čipe - PSoC predstavuje inovatívnu rodinu mikroprocesorov, ktoré sú flexibilne programovateľné v jazyku C a assembleri. Ich výhodou je možnosť vystavať a nakonfigurovať želané prídavné obvody, ktoré sa pri tradičných rodinách mikroprocesorov pripájajú externe. Na skladanie takýchto obvodov sa používajú digitálne a analógové bloky, ktoré predstavujú základné stavebné jednotky podporných obvodov mikroprocesora. Ako príklad slúži populárne rozhranie RS-232, ktoré je na PSoC možné vytvoriť pomocou digitálnych blokov. Dostatočné množstvo pamäti RAM a Flash poskytuje priestor aj pre pamäťovo náročnejšie aplikácie. I2C je protokol vytvorený firmou Philips na komunikáciu medzi zariadeniami na krátku vzdialenosť, typicky na doske plošných spojov. Je často používané v spotrebnej elektronike, telekomunikáciách a priemyselnej elektronike. Každé zariadenie na rozhraní I2C má svoju unikátnu adresu, pomocou ktorej komunikuje s mikroprocesorom, a tak je možné na jednu zbernicu pripojiť i viac zariadení rovnakého typu. Protokol 1-Wire bol podobne, ako protokol I2C vyvinutý na komunikáciu na krátku vzdialenosť. Rozšírením jeho používania bola táto špecifikácia prepracovaná a v súčasnosti je maximálna podporovaná vzdialenosť zariadenia od mikroprocesora 500 metrov. Zbernica 1-Wire sa skladá z jediného dátového vodiča a uzemnenia. Špecifickou vlastnosťou tohto systému je možnosť použiť parazitné napájanie, pri ktorom zariadenie odoberá energiu z dátového vodiča.

Pôda predstavuje veľmi špecifické a agresívne prostredie. Celoročne meniaca sa teplota, vplyv vlhkosti, sucha, mrázu a tepla, spolu s chemickým pôsobením látok obsiahnutých v pôde pôsobí negatívne na akýkoľvek materiál uložený v zemi. Je nutné zohľadniť vhodný výber puzdier senzorov a ich utesnenie, aby merania mohli prebiehať bez poruchy po celé stanovené obdobie. Podobne, je nutné zabezpečiť čo najmenší vplyv slnečného žiarenia na povrchové senzory pomocou clôn. Aj keď použijeme bifilárne vinutie v podobe kríženého kábla, pripojenie 1-Wire siete k mikroprocesoru z vonkajšieho prostredia si vyžaduje návrh prepäťovej ochrany proti indukovanému napätiu. Pre napájanie mikroprocesora a jeho periférií potrebujeme 5V resp. 3,3V. Napájanie musí byť stabilizované s ochranou proti prepólovaniu a tepelnou ochranou obvodu. Treba mať na pamäti, že pri práci s obvodmi digitálnej elektroniky je potrebné mať napájacie napätia čo najviac vyhladené. Na komunikáciu s užívateľom bolo vybraté rozhranie RS-232, pre jeho jednoduchú aplikovateľnosť a demonštráciu možností PSoC. Čas uloženia dát je zapisovaný podľa údajov z obvodu reálneho času, ktorý používa kódovanie BCD. Tak ušetríme miesto v pamäti, ktoré môže byť ďalej využité na uloženie väčšieho množstva údajov. Výber pamäte pre dáta je dôležitou súčasťou návrhu zariadenia. Bol vybratý typ FRAM, ktorý má podobné parametre čítania a zápisu, ako pamäte typu RAM. Fero-elektrická pamäť má významnú výhodu oproti pamätiam typu EPROM a starším typom EEPROM v rýchlosti zápisu. Pred zápisom nie je potrebné kontrolovať, či už boli predchádzajúce dáta zapísané.

Tieto vstupné informácie nám uľahčia návrh a realizáciu systému vzhľadom na celkovú spotrebu zariadenia a v neposlednom rade aj na cenu. Hotový systém bude ľahko modifikovateľný aj pre použitie v iných aplikáciách.