|
|
|
-----SCOPE-----
1. WSTĘP
Celem wykonywanej pracy było
zaprojektowanie i wykonanie elektronicznego urządzenia pomiarowego
pozwalającego na obserwację szybkozmiennych sygnałów napięciowych i ich
wizualizację na monitorze komputera. Urządzenie ma za zadanie spełniać funkcje
cyfrowego rejestratora napięć[..] Urządzenie będące tematem tej pracy wykonane
zostało w celu pomiaru sygnałów napięciowych czujników systemu
wtryskowo-zapłonowego i ich wizualizacji, oraz również w celu zdobywania wiedzy
i doświadczenia z zakresu elektroniki i budowy pojazdów.
2.
Założenia konstrukcyjne
Przed przystąpieniem do projektowania określone
zostały następujące założenia konstrukcyjne które miały umożliwić zastosowanie
w diagnostyce pojazdów samochodowych:
- maksymalna częstotliwość próbkowania napięcia co
najmniej 20 kHz
- 8 bitowa dokładność pomiaru napięcia
- wybór zakresu zmiennego napięcia wejściowego od 5
V do 300 V
- możliwość pracy bez komputera, zapis pomiarów w
pamięci wewnętrznej
- komunikacja z komputerem poprzez interfejs RS232
- możliwość wyboru wyzwalania pomiarów
- możliwość wyboru częstotliwości próbkowania
- możliwość wyboru czasu pomiaru
- wyświetlacz LCD oraz proste menu obsługi
- odporność na zakłócenia zewnętrzne
- dedykowany program komputerowy dla systemu
operacyjnego Windows
- niewielkie rozmiary
- długi czas pracy na baterii
- wykorzystanie układów scalonych i
elementów elektronicznych pozwalających na poszerzenie wiedzy
- zabezpieczenie przed uszkodzeniem
pojazdu podczas wykonywania pomiarów przez odpowiednio wysoką rezystancję
wejściową układu pomiarowego
3.
Konstrukcja urządzenia
3.1.
Zasada działania
Urządzenie
zostało zaprojektowane w oparciu o ośmiobitowy mikrokontroler Atmega8 firmy Atmel.
Mikrokontroler został zaprogramowany w języku C w środowisku programistycznym
WinAvr. Schemat elektryczny przyrządu został wykonany w Programie Eagle (rys.
1).
Urządzenie zasilane jest baterią o napięciu 9V
umieszczonej w obudowie i nie wymaga zewnętrznego zasilania. Napięcie z baterii
jest obniżane od poziomu 5 V przez stabilizator LM7805 oraz filtrowane przez
kondensatory C7 i C8. Mierzone napięcie (Uin) podawane jest na
dzielnik napięcia składający się z oporników R18 oraz R22. Przełącznik obrotowy
S1 służy do zmiany wzmocnienia napięcia wejściowego przez dobór odpowiedniego
dzielnika. Zmieniając położenie pokrętła S1 wzmocnienie ustala się na poziomie
,
lub
, co kolejno odpowiada maksymalnym napięciom na poziomie 5 V, 25V oraz 300V . Za
dzielnikiem napięcia sygnał przekazywany jest na kondensator filtrujący C10
oraz na zabezpieczające diody Zenera D2 oraz D3. Sygnał trafia do wzmacniacza
pomiarowego zbudowanego z trzech wzmacniaczy operacyjnych Rail-To-Rail
zintegrowanych w układzie LMC6484. Wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego wynosi

Rys. 1. Schemat elektryczny
urządzenia pomiarowego
Tabela. 1. Wartości elementów
![]()
![]()
C1 1 μF C2 1μF
C3 1 μF C4 1μF
C5 22 pF
C6 22pF
C7 22 μF C8 100nF
C9 22 pF
C10 1nF
D1 LM385Z D2 5V6
D3 5V6
T1 C547C
D4 4148
R1 2.2 kΩ
R2 2.2 kΩ R3 1 kΩ
R4 1 kΩ R5 2.2
kΩ
R6 510 Ω R7 1 kΩ
R8 2.2 Ω R9 100 Ω
R10 1 kΩ R11 10 kΩ
R12 50 kΩ R13 50 kΩ
R14 50 kΩ R15 50 kΩ
R16 5 kΩ
R17 10 kΩ
R18 1 MΩ R19 15 kΩ
R20 220 kΩ R21 2 MΩ
R22 1 MΩ R23 220 Ω
R24 1.8 kΩ
Konieczne było zastosowanie pamięci SRAM ze względu
na wymaganą szybkość próbkowania
napięcia. Ponadto konieczna również była szeregowa transmisja danych pomiędzy
mikrokontrolerem a pamięcią ze względu na ograniczoną ilość wyprowadzeń
mikrokontrolera. Aby spełnić te wymagania zastosowano układ 23A256 firmy
Microchip o pojemności 64kB zgodny z szeregową szyną danych SPI (ang. Serial
Peripheral Interface). Wadą pamięci SRAM jest jej ulotność, więc urządzenie
musi pozostać włączone aż do momentu połączenia z komputerem i wysłania danych,
w przeciwnym razie dane z pomiarów zostaną utracone.
Ponieważ układ 23k256 wymaga zasilania napięciem o
wartości 3.6 V a mikrokontroler zasilany jest napięciem 5 V, konieczne było
zastosowanie dzielników napięcia oraz konwertera napięcia przy pomocy
tranzystora T1. Dodatkowo w celu ułatwienia korzystania z urządzenia zostało
ono wyposażone w wyświetlacz LCD wyświetlający prosty interfejs użytkownika w
postaci menu oraz czterech przycisków umożliwiających wybór opcji menu. Wyświetlacz
LCD pracuje w trybie czterobitowym a jego wyprowadzenie R/W zwarto do masy,
ponieważ oprogramowanie mikrokontrolera samo generuje wymagane opóźnienia i nie
jest konieczne sprawdzanie zajętości wyświetlacza poprzez odczyt z niego
danych. Pozwoliło to uprościć konstrukcję jednak nie jest rozwiązaniem
optymalnym, ponieważ nie daje możliwości wykorzystania pełnej szybkości
wyświetlacza. W celu wysłania wyników pomiarów do komputera wykorzystano
programowy moduł USRT (ang. Universal Synchronous and Asynchronous serial
Receiver and Transmiter) mikrokontrolera oraz układ MAX232 będący konwerterem
napięć. Ponieważ mikrokontroler podczas wykonywania pomiaru ma za zadanie
odczytywać dane z wewnętrznego przetwornika analogowo-cyfrowego oraz
zapisywanie ich od szeregowej pamięci SRAM, konieczne było jego taktowanie
zewnętrznym kwarcem o wartości 16 MHz. Układ w czasie pracy pobiera z baterii
prąd o natężeniu około 52 mA, co umożliwia około 7 godzin pracy na baterii 9V
oraz ponad 20 godzin przy zasilaniu pięcioma bateriami typu AA o napięciu 1.5V.
Oprogramowanie mikrokontrolera zostało napisane i
zoptymalizowane tak, aby umożliwiało uzyskanie jak największej częstotliwości
próbkowania, oraz aby pomiary były możliwie najdokładniejsze. Odczyt danych z
pamięci urządzenia jest możliwy dzięki specjalnie napisanemu programowi
komputerowemu. Sygnał wejściowy jest wielokrotnie przetwarzany i zapisywany,
aby była możliwa jego prezentacja na monitorze komputera. Przebieg danych od
układu mierzonego aż do monitora komputera ilustruje schemat (rys. 2).

Rys. 2. Schemat przebiegu danych
3.2.
Budowa
Urządzenie
zostało wykonane w technice montażu przewlekanego. Pierwszym krokiem podczas
budowy było zaprojektowanie płytki drukowanej na podstawie wcześniej
przedstawionego schematu (rys. 1). Jednowarstwowa płytka do montażu
przewlekanego została zaprojektowana również w programie Eagle (rys. 3).
Ponieważ płytka drukowana została projektowana z myślą o wykonaniu jej techniką
termotransferu grubość ścieżek została zwiększona do
Aby umożliwić przeniesienie wzoru płytki drukowanej
z papieru na laminat konieczne było rozgrzanie jej do temperatury około

Rys.
3. Wzór płytki drukowanej

Rys.
4. Rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej
Proces nagrzewania płytki wykonano żelazkiem z
możliwością ustawienia temperatury. Płytka została poddana nagrzewaniu przez 15
minut. Po tej operacji laminat wraz z przylegającym papierem kredowym został
zanurzony w wodzie z detergentem, aby umożliwić usunięcie papieru. Po
zamoczeniu papier został delikatnie usunięty a toner tworzący wzór płytki
pozostał na laminacie (rys. 5).

Rys. 5.
Laminat z naniesionym wzorem ścieżek przed trawieniem
Po wyczyszczeniu płytki z pozostałości papieru
przystąpiono do trawienia. Do trawienia wykorzystano roztwór nadsiarczanu sodu,
który był utrzymywany w stałej temperaturze około
Na płytce pozostała część miedzi tworząca obwody
drukowane, płytka nie wymagała poprawek oraz nie zaobserwowano podtrawiania
ścieżek (rys. 6).

Rys. 6. Płytka drukowana po procesie wytrawiania
Tak przygotowana płytka wymagała jeszcze wywiercenia
otworów. Otwory zostały wywiercone wiertarką modelarską wyposażoną w wiertło o
średnicy
Po kolejnym wyczyszczeniu płytki przystąpiono do
procesu lutowania. W pierwszej kolejności przylutowane zostały elementy bierne
i złącza klawiatury oraz wyświetlacza. Układy scalone zostały umieszczone w
podstawkach, aby chronić je przed uszkodzeniem pod wpływem wysokich temperatur
podczas lutowania (rys. 7).

Rys. 7.
Płytka drukowana z przylutowanymi elementami elektronicznymi
Ponadto podstawka pod mikrokontrolerem umożliwia
jego wymontowanie z układu oraz zmianę oprogramowania poprzez podłączenie do
programatora. Po pomyślnych próbach sprawności zlutowanego układu na płytce
przystąpiono do wykonania obudowy przyrządu pomiarowego. Obudowa urządzenia
powstała na podstawie obudowy uniwersalnej z tworzywa sztucznego o wymiarach
102/150/37 mm (rys. 8).
Urządzenie zostało zaprojektowane w taki sposób oby
możliwe było jego wielokrotne rozmontowanie. Płytka drukowana została skręcona
ze dolnaą częścią obudowy, która jest połączona z klawiaturą i wyświetlaczem na
stałe umieszczonymi w górnej części obudowy. Połączenie elektryczne zapewniają
przewody i złącza umieszczone bezpośrednio na płytce drukowanej. W celu opisu
przycisków oraz poprawienia estetyki przedni panel zaprojektowano w programie
AutoCAD oraz po wydrukowaniu został zalaminowany (rys. 8).

Rys. 8.
Urządzenie pomiarowe w obudowie
4.
Obsługa urządzenia
Urządzenie pomiarowe wyposażone
zostało w prosty interfejs użytkownika w postaci menu wyświetlanego na
dwuwierszowym wyświetlaczu LCD. Menu zostało zaprojektowane tak, aby
umożliwiało szybkie przeprowadzenie pomiarów. Na każdym poziomie wyświetlanego
menu obok tekstu wyświetlane są znaki graficzne, które sugerują, których
przycisków należy użyć, aby uaktywnić żądaną opcje.
Urządzenie wyposażono w 4 przyciski:


![]()
![]()
- zatwierdzenie
opcji -
zwiększenie wartości
- przejście do
kolejnej części menu


- powrót do poprzedniej części menu - zmniejszenie
wartości
Menu podzielone jest na następujące kroki:
1)
Ekran powitalny jedyną możliwością podczas
wyświetlania tego ekranu jest potwierdzenie chęci wykonania nowego pomiaru
(naciśnięcie czerwonego przycisku). Podczas wyświetlania tej części menu
urządzenie nie zareaguje na wciśnięcie innych przycisków.
2)
Wybór częstotliwości próbkowania - na tym poziomie
menu poprzez wciśnięcie przycisku + lub - można zmienić wyświetlaną wartość
częstotliwości próbkowania. Spośród dziewięciu opcji najniższą wartość to 5 Hz
a najwyższa 20 kHz. Wartość częstototliwości próbkowania powinna być
odpowiednia do przewidywanego charakteru mierzonego sygnału. Należy również
pamiętać, że wzrost częstotliwości zmniejsza maksymalny dopuszczalny czas
pomiaru. Aby przejść do następnej części menu należy użyć czerwonego przycisku,
czarny przycisk umożliwia powrót do ekranu powitalnego.
3)
Wybór czasu trwania pomiaru w tej części menu
wybrać można czas pomiaru w czasie, którego urządzenie będzie rejestrowało
napięcie. Zmianę wyświetlanej wartości umożliwiają przyciski w żółtym kolorze.
Wartość ta zależy od wartości częstotliwości wybranej w poprzedniej części
menu. Dla częstotliwości 100 Hz wartości czasu pomiaru zawierają się w przedziale
od 10 ms do 100 s, natomiast dla
częstotliwości 20 KHz przedział ten zawiera się pomiędzy wartościami 50 μs
i 500 ms. Użycie czarnego przycisku spowoduje powrót do wyboru częstotliwości a
czerwony przycisk uruchomi następny poziom menu.
4)
Wybór wyzwalania pomiaru umożliwia wybór momentu
rozpoczęcia pomiaru. Żółte przyciski powodują zmianę wyświetlanej opcji.
Dostępne opcje to:
a)
brak brak
wyzwalania, pomiar rozpoczyna się natychmiast po wciśnięciu czerwonego
przycisku.
b)
zmiana stanu rozpoczęcie pomiaru, kiedy mierzone
napięcie zmieni swoją polaryzację.
c)
opadajace rozpoczęcie pomiaru podczas wykrycia
opadającego zbocza sygnału.
d)
narastajace - rozpoczęcie pomiaru podczas wykrycia
narastającego zbocza sygnału.
Zatwierdzenie opcji odbywa się przez wciśniecie
czerwonego przycisku, w przypadku wyboru opcji brak urządzenie przystępuje do
pomiaru, w przypadku wyporu jednej z pozostałych opcji urządzenie czeka na
odpowiednią zmianę sygnału mierzonego. W przypadku wyboru opcji brak
konieczne jest również podłączenie przewodów pomiarowych przed zatwierdzeniem
tej opcji czerwonym przyciskiem.
5)
Pomiar podczas wykonywania pomiaru ekran
urządzenia jest pusty i nie są wyświetlane żadne informacje, aby nie zakłócić
pomiaru. Urządzenie nie reaguje na polecenia klawiszy.
6)
Zakończenie pomiaru po pojawieniu się tej części
menu pomiar został zakończony a przewody pomiarowe mogą zostać odłączone.
Urządzenie wyświetla również pozostałą wolną pamięć wyrażoną w procentach. W
tej części menu należy wcisnąć czerwony przycisk, pomiar zostaje automatycznie
zapisany w pamięci a urządzenie powraca do ekranu powitalnego i daje możliwość
rozpoczęcia kolejnego pomiaru.
Przyrząd odmawia wykonania kolejnego pomiaru po
wyborze czasu pomiaru, jeśli wolna ilość pamięci jest niewystarczająca na jego
wykonanie.
Po wykonaniu pomiarów urządzenia nie należy
wyłączać, ponieważ wszystkie dane pomiarowe zostaną utracone. Aby zobaczyć
otrzymane wyniki pomiarów należy do urządzenia podłączyć przewód zakończony
wtykiem DB9. Urządzenie wykorzystuje interfejs RS232, w przypadku braku tego
złącza w nowszym komputerze zastosować można uniwersalny adapter RS232-USB. Po
podłączeniu urządzenia do komputera należy uruchomić specjalnie przygotowany
program o nazwie Scope.exe (rys. 9).

Rys. 9.
Program odczytujący dane z urządzenia pomiarowego oraz przedstawiający
dane w postaci wykresów.
Po uruchomieniu programu należy wybrać port COM
złącza, do którego podłączono urządzenie oraz szybkość transmisji danych (domyślnie
115200 bps).
W celu nawiązania połączenia należy wcisnąć przycisk
Połącz, jeśli urządzenie podłączono prawidłowo i wybrano prawidłowy port COM
nastąpi połączenie z przyrządem, w przeciwnym wypadku pojawi się komunikat
błędu. Następnym krokiem jest wciśnięcie przycisku Odczytaj dane. Na
wyświetlaczu urządzenia pojawi się komunikat ODEBRANO i następująca po nim
cyfra oznaczająca ilość pomiarów odebranych przez komputer. W przypadku zajęcia
całej pamięci urządzenie transmisja danych może trwać około dziesięciu sekund.
Po zakończeniu transmisji w oknie po lewej stronie pojawi się lista wykonanych
pomiarów. Aby wyświetlić jeden z pomiarów w formie wykresu należy kliknąć na
jego nazwie znajdującej się na liście. Następnie wybrać można zakres napięcia,
na którym wykonano dany pomiar, aby zmienić wartości osi Y. W celu poprawienia
czytelności wykresu można zmienić skalę czasu górnym suwakiem, dolnym suwakiem
można natomiast zmienić przesunięcie osi X. Wszystkie pomiary są zapisywane w
katalogu z pomiarem w postaci plików tekstowych o nazwach PomiarX.txt gdzie X
oznacza numer kolejnego pomiaru. Pliki te mogą zostać skopiowane do innego
katalogu w celu zachowania danych pomiarowych. Program umożliwia również
odczyta danych pomiarowych ze wcześniej zachowanych plików. Należy nacisnąć
znajdujący się pod oknem z pomiarami przycisk Wczytaj z pliku i wybrać
interesujący plik, po czym dane w nim zawarte zostaną przedstawione na
wykresie. Pliki z pomiarami zostały tak zapisane, aby możliwe było ich importowanie
do innych programów, np. arkuszy kalkulacyjnych.
5.
Wyniki pomiarów.
W celu
zademonstrowania działania urządzenia przeprowadzono pomiary trzech różnych
sygnałów, które charakteryzują się odmiennymi częstotliwościami oraz
wartościami maksymalnymi napięcia. Obiektem badania był pojazd osobowy Fiat
Seicento wyposażony w silnik z elektronicznie sterowanym systemem
wtryskowo-zapłonowym.
5.1. Spadek napięcia akumulatora podczas rozruchu
Pomiar
przeprowadzono na rozgrzanym silniku, w celu zwiększenia obciążenia akumulatora
przed uruchomieniem rozrusznika włączone zostały światła drogowe. Urządzenie
wykonywało pomiar napięcia bezpośrednio na biegunach akumulatora. Częstotliwość
próbkowania została ustawiona na wartość 500 Hz. Na uzyskanym wykresie wyraźnie
widać spadek napięcia z 12.5 V do 9.5 V
podczas uruchomienia rozrusznika (rys. 10). Napięcie minimalne o wartości 9.5 V
odpowiada obciążeniu akumulatora chwilowym prądem zwarcia rozrusznika, w miarę
wzrostu prędkości obrotowej i obciążenia rozrusznika napięcie rośnie i w
momencie uruchomienia silnika spalinowego napięcie wzrasta do wartości 14.5 V,
co oznacza, że akumulator jest ładowany przez alternator.

Rys. 10.
Wykres napięcia akumulatora podczas rozruchu silnika
Przy pomocy tego wykresu określić można sprawność i
stopień zużycia akumulatora oraz alternatora. Brak znacznego spadku napięcia
akumulatora podczas rozruchu świadczyć może również o niedostatecznym ciśnieniu
sprężania w cylindrach, które jest głównym oporem pokonywanym przez rozrusznik
podczas uruchamiania rozgrzanego silnika.
5.2.
Indukcyjny czujnik położenia wału korbowego
Indukcyjny
czujnik położenia i prędkości obrotowej wału korbowego dostarcza urządzeniu
sterującemu pracą silnika niezbędnych informacji na temat jego pracy. Czujnik
ten umieszczony jest nad obracającą się tarczą ferromagnetyczną. Tarcza posiada
60 zębów, które zbliżając się do czujnika indukują w nim napięcie. Tarcza ta w
celu identyfikacji położenia kątowego wału korbowego została pozbawiona 2
zębów, co powoduje wzrost amplitudy sygnału (rys. 11).

Rys. 11. Budowa czujnika
położenia wału korbowego oraz sygnał czujnika [3]
Sygnał czujnika został mierzony podczas pracy
silnika nabiegu jałowym. Częstotliwość sygnału mierzonego wynosiła 1 kHz a
urządzenie pomiarowe zostało ustawione na maksymalną częstotliwość próbkowania
20 kHz. Uzyskany pomiar odpowiada sygnałowi teoretycznemu (rys. 12).
a)
b)
Rys. 12.
Sygnał czujnika położenia wału korbowego a) 20 ms/div b) 1 ms/div
5.2. Sonda
lambda
Sonda
lambda jest miernikiem składu mieszanki działającym w sposób pośredni. Pomiar
stężenia tlenu w spalinach odbywa się przy pomocy ogniwa galwanoelektrycznego z
elektrolitem w stanie stałym tzw. ogniwa Nernsta. Jeżeli stężenie tlenu z obu
stron sondy jest różne to na elektrodach powstaje potencjał elektryczny (0...1
V) [4]. W celu pomiaru napięcia sondy lambda urządzenie ustawiono na
częstotliwość próbkowania 10 Hz, ponieważ napięcie sprawnej sondy oscyluje z
częstotliwością około 1 Hz. Uzyskany wykres jednak nie obrazuje idealnej
teoretycznej charakterystyki sondy lambda (napięcie dwustanowe. 0,1 V lub 1 V z
pionowymi zboczami narastania), ponieważ sonda w pojeździe eksploatowana jest
już od ośmiu lat i mogła utracić swe pierwotne parametry (rys. 13).

Rys. 13.
Sygnał sondy lambda
5.
Wnioski
Urządzenie
pomiarowe spełnia swoje podstawowe założenia konstrukcyjne i umożliwia w sposób
szybki, i z dostateczną dokładnością na pomiar szybkozmiennych napięć.
Urządzenie to udowodniło swą przydatność jako przyrząd pomiarowy i w znaczny
sposób ułatwia diagnozowanie usterek elektrycznych w pojazdach samochodowych i
nie tylko. Głównym celem tego projektu było nie tylko zbudowanie samego
urządzenia, ale również zdobycie doświadczenia w konstruowaniu urządzeń
elektronicznych. Mimo że opisywany przyrząd spełnia swe zadania wymienić można
cechy, które w przyszłości można poprawić lub dodać w przypadku budowy
podobnego urządzenia:
- Wprowadzenie możliwości wielokanałowego
pomiaru.
- Wprowadzenie automatycznego
skalowania wartości napięcia przez oprogramowanie po zmianie zakresu na
pokrętle.
- Wprowadzenie trybu pomiarów
pozwalający na śledzenie napięcia w czasie rzeczywistym na monitorze komputera
(funkcja ta nie została jeszcze opracowana ze względu na małą jej przydatność
podczas diagnostyki pojazdów).
- Zmniejszenie obudowy urządzenia
poprzez optymalizację płytki drukowanej oraz zastosowanie montażu
powierzchniowego SMD.
-
Zwiększenie estetyki wykonania.
- Wyświetlanie polskich znaków na
wyświetlaczu LCD (znaczna komplikacja oprogramowania).
- Obrazowanie przebiegów napięcia
na graficznym wyświetlaczu LCD urządzeniu i niezależność od komputera.
- zmniejszenie grubości ścieżek
płytki drukowanej i jej optymalizacja ponieważ opisywana metoda termotransferu
pozwala na uzyskanie dużo lepszych wyników od oczekiwanych.
GG: 2705336 Petros@op.pl