xvacul18
stud.feec.vutbr.cz
Richard Vacula, UREL, FEEC, VUT Brno
xvacul18stud.feec.vutbr.cz
Lukáš Herudek, vývojový technik společnosti TIPA, spol. s r.o., Opava
FEKT VUT považuji asi za jednu z nejzdravějších fakult, avšak postupná demotivace a přístup ke kulturním sférám na škole nenechaly na sebe dlouho čekat. Zavření kultrního domu Starý pivovar, poznání lišáckého kvestora při osobních jednáních o kulturním vyžití studentů a absence jakéhokoli zastání studentů na rektorátě mne vedly k vycestování a poznání studia v zahraničí - na Universidad Politécnica en Valencia.
Ve Španělsku jsem měl tu čest pomáhat jako promítač v CINE D'OR, posledním velikém starém jednosálovém kině ve Valencii. A přičichl jsem k filmu, možná více, než je zdrávo.
Začal jsem navštěvovat filmové ateliéry Barrandov a rozvíjet společně filmový projekt Biograf 16. Jedná se o potulný biograf se starými filmy a 16mm promítačkami. V roce 2011 naše sdružení dostalo do správy zhruba 300 filmových kopií (některých až 90 let starých) Barrandova a začali jsme rozvíjet vlastní archiv i síť undergroundových filmových klubů. Kastelán zámku v Hradci nad Moravicí poskytl skladovací prostory pro archiv a začali jsme se potýkat s novými problémy - rozkladem kopií, nutností pečovat o stálé mikroklima.
Zařízení, které by komplexně hlídalo teplotu a vlhkost, jsou velmi drahá (portfolium Honeywellu), proto při volbě projektu vznikl nápad na navrhnutí takovéhoto jednoduchého zařízení, jež bude spínat zvlhčovač/odvlhčovač a topení/klimatizaci v závislosti na naměřených veličinách. Při konzultacích s kamarády archiváři jsem došel závěru, že nejsem jediný, kdo nemá prostředky na předražené systémy a projekt má i komerční potenciál. Projekt tedy pod svá křídla vzala společnost Tipa a díky tomu jsem mohl využít i služeb tamních vývojářů. Otestování zařízení na zkušebním poli provedl Lukáš Herudek, a tímto jej uvádím jako spoluautora konstrukce.
Na počátku příběhu realizace projektu leží toto schéma. Původně zamýšlený procesor byl ATMEGA8, avšak (pravděpodobně novější) verze ATMEGA168 je už mnohdy o poznání levnější, při praktické realizaci a psaní kódu jsem tak sáhnul po 168-čce. Jak si lze povšimnout, možnosti mikropočítače jsou využity (co se týče IO portů) maximálně. Nemám rád universální užití 16x2 univerzálních displejů snad ve všech konstrukcích nového kapitalistického věku, pro zákazníka je dnes provedení s tímto zobrazovačem synonymem pro studentský bastl a pozdní 90. léta. Snažil jsem se o jednoduchost a použil pouze multiplexně řízený displej o dvou 7-segmentových digitech. Ty umožňují zobrazení teploty -19 - 99°C a vlhkosti 0 - 99%.
Původně jsem zvažoval analogová čidla, ale při studiu datasheetů a množství kalibrací a nelinearit v měření mne braly mory. Podařilo se mi však dohledat skvělé čidlo s autokalibrací, SHT1x. Tento čínský modul měří s přesností cca 0.5°C a 2% u vlhkosti. Jeho nevýhodou je SMD provedení a komplikované externí umístění na prodlužovacím vodiči. S tím však tato konstrukce nepočítá, čidlo je umístěno přímo na DPS Idealizéru. Čidlo komunikuje blízce standardu I2C, avšak jeho standard nesplňuje (typické pro čínská čidla). Bez zabřednutí do datasheetu a ověření komunikace na osciloscopu se tak neobejdete. Ovšem práce s čistě digitálními daty posléze veškerá úskalí kompenzuje.
K ovládání slouží pouze 2 tlačítka a 2 mechanické páčkové přepínače. Nastavené hodnoty hystereze, prahy vlhkosti a teploty se inkrementují tlačítky HYS a SET. Dle polohy přepínače HUMI/TEMP přepínáme mód teplotní nebo vlhkostní. Předpokládá se užití čistě řídicí, ne toliko zobrazovací. Proto si uživatel vybere, jestli chce zobrazovat teplotu nebo vlhkost - co je pro něj přednější vidět a co jen nechat skrytě řídit. Při poloze TEMP tlačítko SET inkrementuje hodnotu referenční teploty, při přetečení začíná čítání nanovo. Jak je možné vidět ze schématu, stisk tlačítka není přiveden na HW přerušení. Stav tlačítek je pravidelně kontrolován přerušením přetečení časovače, při němž se vždy načtou hodnoty na vstupech PB2 a PB3. Je li přítomna log. 0, dojde k inkrementaci hystereze, teploty či vlhkosti. Po po čase neaktivity se na displeji opět objeví aktuální vlhkost či teplota a zařízení vystoupí z režimu nastavovacího. Možnou nevýhodou tohoto řešení je nutné čekání na přetečení čítače, tedy reakce na stisk tlačítka není okamžitá. Vyhneme se však i ošetřování zákmitů tlačítek při užití periodického čtení dvou již zmíněných vstupů na portu B.
Vnější krystal užit není z důvodu nedostatku volných pinů. Přesné měření času však nepotřebujeme a užití interního taktování (1MHz) tak nemá vliv na kvalitu řízení klimatu prostředí.
Nevím, nakolik detailně popisovat konstrukci dále po stránce návrhu zapojení. Jsem příznivcem mechanických spínacích prvků pro jejich naprostou nezávislost řídicího napětí vůči spínanému výstupu. Dle nastavení se tak spínají 4 relé, a to pro zvlhčování, odvlhčování, vytápění a ochlazování prostor. Především prostor určených pro archivaci (nejen filmových kopií - dále obrazárny, výrobní prostory náchylné na změnu vlhkosti a teploty atd.)
Obr. 1: Schéma zapojení bez napájecího zdroje
Návrh plošného spoje
Profesionální DPS v tuto chvíli vyrábí společnost SEMACH ve Valašském meziříčí. Volil jsem pro čelní panel (obsahující uC) technologii SMT. Bohužel bylo nutné sáhnout i na velikost 0603, ačkoli při ručním pájení tento rozměr již velmi v oblibě nemám. Plácat velká relátka na stejnou desku s SMD součástkami mi přišlo nepřístojné, proto rozměrnější komponenty obsahuje jednodušší druhá deska, zamýšlená na připájení do formy L, tedy kolmo na řídicí desku se zobrazovacím a řídicím panelem. Potisk SMD destičky z čelní strany slouží zároveň jako popis funkcí jednotlivých tlačítek a indikátorů. Vzhledem k nahuštění součástek jsem již nebyl schopen navrhnout jednostranný DPS zobrazovacího/řídicího panelu. Druhá DPS s relé bude bez masky, pocínovaná, pro posílení zatížitelnosti reléových vývodů. V případě větších výkonů si uživatel nanese patřičnou vrstvu cínu.
Obr.2: Osazovací plán DPS - pohled shora
Obr.3: Osazovací plán DPS - pohled zespoda (pouze čelní řídicí
panel)
Řídicí panel je zadán s oboustrannou antireflexní černou nepájivou maskou, oboustranným bílým fotopotiskem, s prokovením a pocínováním technologií HAL9000. Nejmodernější zařízení na pocínování spojů pak v České republice má díky evropským grantům Moravskoslezská Vagonka Studénka - MSV Elektronika, kde proces výroby spoje pocínováním končí. Stavebnice a moduly Tipa tak mají plošné spoje vyrobeny v nejvyšší možné evropské kvalitě a přesun výroby do Thaiwanu nebo Číny podnik odmítá. Naštěstí převládá rozum a osobní vztahy, kdy víme, že zadání výroby českým firmám živí české elektrotechniky a technology. A naše stavebnice si pak mohou dovolit koupit právě české děti těchto rodičů pracujících v elektrotechnickém průmyslu v ČR. Vše je propojené se vším, na což se v dnešní uspěchané době velmi rychle zapomíná.
Obr.4: DPS, pohled zespodu (Bottom)
Obr.5: DPS, pohled shora (Top, pouze čelní řídicí panel)
Testování v praxi
Obr.6: Testování na zkušebním poli
Protože konverze v samotném čidlu trvají přes 320 ms, displej zřetelně zhasne.
Proto jsou data z čidla vyčítána vždy jednou za cca 25 vteřin. Každých
25 vteřin se tedy displej aktualizuje a na chvíli pohasne.
Získané hodnoty se zaokrouhlují, tedy 21,7 °C se zobrazuje jako 22°C
atp.
Zařízení si ukládá sekvenci 5 měření vlhkosti, Její maximální výkyv (změna) je stanoven na 2%. Jinak dojde k odpojení vlhkostních relátek. Tento mechanismus je čistě ochranný. Vlhkost se nikdy nemění extrémně rychle, je to velmi pozvolný proces. Rychlé změny jsou považovány za chybu měření a čeká se tak, až se naměřená hodnota ustálí. Tedy ať se zbytečně nespínají a nevypínají zařízení na vlhčení a odvlhčování, jejichž odběr bývá nejvyšší právě při startu.
Obr.7: Čidlo SHT
Typickým příkladem rychlých změn naměřené vlhkosti je situace,
kdy je vlhkostat čerstvě instalován do nových prostor a teprve dochází
k obnově měřicích vlastností (k regeneraci polymerů čidla vlivem
okolní vlhkosti). Zapájením dojde k vyschnutí aktivní měřicí vrstvy
čidla. Pro jeho regeneraci je potřebné umístění zařízení po dobu
např. 2h do prostředí o 80% vlhkosti.
Obr. 8 - 10: Komunikace uC s čidlem SHT
Zařízení bude v praxi sloužit pro hlídání mikroklimatu prostředí filmového archivu na zámku v Hradci nad Moravicí. Podle spolehlivosti a funkčnosti v dlouhodobém horizontu v rámci filmového archivu se rozhodne kastelán zámku rozšířit (nebo také nerozšířit) aplikaci tohoto Idealizéru i do dalších 8 depozitů zámku. V případě, že se Idealizér v praxi osvědčí, bude nabídnut jako levná alternativa složitých a drahých systémů dalším spravovaným památkám NPÚ, jež provozují svůj archiv/depozit a potřebují vlhkost i teplotu udržovat v přesně daném optimálním rozmezí. Program pro uC v jazyce C si můžete stáhnout zde.
Výkresy plošných spojů ve formátu BRD (Eagle) nejsou volně dostupné ke stažení, jsou majetkem společnosti Tipa, spol. s r.o. a můžete si v případě zájmu v dohledné době zařízení koupit na e-shopu v podobě stavebnice pod označením PT057.
[2] Datasheet SHT1x. http://www.sensirion.com/fileadmin/user_upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidity/Sensirion_Humidity_SHT1x_Datasheet_V5.pdf