Naměřené hodnoty bezdrátového přenosu energie se spotřebičem 25Ω Rezonanční vysílač Rezonanční přijímač
38
Jak již bylo zmíněno, napětí na přijímači může u tohoto modulu dosáhnout až ke 40 V. Takto vysoké napětí by poškodilo zvolený DC/DC konvertor, výrobce udává maximální vstupní napětí 18 V, výstupní napětí Rezonančního přijímače tedy bude třeba regulovat. Při rozboru Přijímače bylo rozhodnuto, že bude mít integrován regulátor vstupního napětí, aby však nemusel regulaci provádět sám, bylo rozhodnuto vytvořit Regulační modul i pro Rezonanční přijímač, který by Přijímači regulaci odlehčil.
Do připraveného slotu na Rezonančním přijímači byl sestaven jednoduchý modul (Obr. 24) se zenerovými diodami D1 a D2 otevírajícími tranzistor Q1, který při cca 16,5 V připne k Rezonančnímu přijímači zátěž, která způsobí pokles napětí. Jako zátěž byla zvolena obyčejná žárovka, jelikož nejlépe snáší tepelnou zátěž a svitem indikuje aktivaci Regulačního modulu. Tento modul byl navržen tak, aby se aktivoval dříve než regulace na Přijímači, a je třeba mít na mysli, že aktivovaná ztrátová regulace snižuje efektivitu přenosu.
Obrázek 24: Schéma Regulačního modulu
Obrázek 25: Regulační modul Obrázek 26: Umístění Regulačního modulu
39
4.3 UART/USB modul
Tento převodníkový modul bude zajišťovat komunikaci mezi Vysílačem a PC. Jeho jádrem je již zmíněný MCP2200, který slouží nejen jako UART/USB převodník, ale také poskytuje celkem 8 GPIO pinů, které je možné ovládat pomocí dodávané knihovny. Protože se jedná o velmi levný a univerzální převodník, který je v plánu na pracovišti školitele dále využívat, bylo rozhodnuto sestavit pro něj miniaturní univerzální plošný spoj. Obvod (Obr. 27) byl navržen podle datasheetu výrobce.
Připojení k PC bude realizováno pomocí mini-USB konektoru X1S, který bude sloužit jak pro přenos dat, tak pro napájení modulu. Jako ochrana proti zkratu je integrována 500 mA pojistka FUSE. Obvod pro svůj běh dále vyžaduje 12 MHz externí krystal QF1.
Pro indikaci jsou v obvodu umístěny 3 LED diody. Modrá LED2 indikuje napájení, červená LED1 odesílání dat a zelená LED3 přijetí dat. V obvodu jsou dále umístěny dvě lišty LEFT a RIGHT, které slouží jako vývody všech pinů z SMD pouzdra MCP2200.
Na levé liště je na prvním pinu umístěno napájení a poslední pin slouží pro čtení dat.
Na pravé liště je na první pozici umístěna zem a devátý pin slouží pro odesílání dat.
Na zbylých pinech jsou vyvedeny GPIO a ostatní piny pro práci s obvodem.
Obrázek 27: Schéma UART/USB modulu
40
Lišty jsou umístěny na stranách plošného spoje (Obr. 28) a rozteč pinů je standardně po desetině palce. Díky takto rozmístěným lištám je modul pevně usazen v patici a nehrozí tak jeho vylomení při zapojování nebo odpojování USB kabelu či případném zavadění o tento kabel. Celkové rozměry modulu jsou 27 × 27 mm, což činí modul velmi dobře přenosným (Obr. 29) a snadno integrovatelným do dalších projektů, kde nebude zabírat moc místa.
Pokud je DPS plně osazena všemi součástkami, je převodníkový modul plně funkční a do patice na zařízení, kam bude umístěn, stačí přivést od mikrořadiče pouze datový vstup, výstup a zem, která musí být propojena se zemí převodníkového modulu.
Takto bude modul zapojen i ve Vysílači.
Jestliže modul bude osazen pouze integrovaným obvodem, pojistkou a mini-USB konektorem, může být využit jako patice pro usazení do nepájivého pole, kde lze dále pracovat s obvodem a například testovat využití programovatelných GPIO pinů.
Obrázek 28: DPS UART/USB modulu
Obrázek 29: UART/USB modul
41
4.4 Vysílač
Vysílač bude hlavní částí Vysílací stanice a bude spravovat všechny přilehlé moduly, tedy: Rezonanční vysílač, Rádiový modul, modul s Displayem a UART/USB modul.
Jádrem Vysílače bude mikrořadič PICAXE-18M2, který disponuje všemi potřebnými vstupy, výstupy a komunikačními kanály, které budou pro obvod potřeba. Mezi požadavky na Vysílač patří také měření napětí a proudu vstupujícího do Rezonančního vysílače. Použitý mikrořadič disponuje několika osmibitovými A/D převodníky s přednastaveným rozsahem 0–5 V. Napětí vstupující do Rezonančního vysílače se bude pohybovat kolem 12 V, v závislosti na použitém napájecím adaptéru a jeho zatížení.
Měření napětí tedy půjde realizovat standardním napěťovým děličem.
Pro měření proudu již bude potřeba sestavit sofistikovanější obvod. Jako senzor pro měření proudu byl pořízen ACS758LCB-050U-PFF-T [52]. Zvolen byl zejména pro otestování jeho vlastností a seznámení se s jeho zapojením, z důvodu možnosti jeho využití v dalších projektech na pracovišti školitele. Jedná se o senzor pro měření proudu s vlastním bočníkem, integrovaným Hallovým senzorem, zesilovačem a filtrem. Bočník je dimenzován do 50 A a obvod disponuje analogovým výstupem s citlivostí 60 mV/A. Výchozí napětí analogového výstupu je cca 0,6 V, Při požadovaném rozsahu měřeného proudu, tedy alespoň 0–2 A, by analogový výstup poskytoval napěťový rozsah cca 0,6–0,72 V. Takto nízký rozsah nelze měřit A/D převodníkem mikrořadiče s již zmíněným přednastaveným rozsahem. Po prostudování manuálu k mikrořadiči bylo zjištěno, že horní i dolní hranice rozsahu A/D převodníku jde změnit. U použitého modelu mikrořadiče lze spodní hranici získat z externího pinu
a horní hranici lze nastavit softwarově ve třech variantách (1,024 V; 2,048 V; 4,096 V).
Obrázek 30: ACS758LCB-50U-PFF-T [52]
42
Dle možností daného A/D převodníku v mikrořadiči bylo rozhodnuto navrhnout k proudovému senzoru zesilovací obvod (Obr. 31), který upraví rozsah výstupního napětí tak, aby pasovalo na upravený rozsah A/D převodníku. Navržen byl proto obvod s operačním zesilovačem LM2904, který je zapojen jako neinvertující zesilovač. Protože operační zesilovač bude napájen nesymetrickými 5 V, bylo rozhodnuto stanovit horní hranici zesílení na horní hranici A/D převodníku 2,048 V, jelikož vyšší hranice by výstupní napětí zesilovače nedosáhlo. Spodní hranice bude na A/D převodníku naladěna na externím pinu. Výsledný obvod byl naladěn na 2,66násobné zesílení a upravuje rozsah na 1,6–2,048 V, odpovídající rozsahu 0–2,8 A měřeného proudu na senzoru. Následně je třeba na patřičném pinu A/D převodníku mikrořadiče nastavit 1,6 V referenční napětí pro spodní hranici převodníku a softwarově nastavit převodníku 2,048 V jako horní hranici. Tímto obvodem a nastavením umožníme měření proudu v požadovaném rozmezí plným rozsahem A/D převodníku, čímž získáme mnohem lepší rozlišení.
Obrázek 31: Obvod pro měření proudu
Následně bylo navrženo kompletní schéma Vysílače (Obr. 41) a vytvořen plošný spoj (Obr. 32). Obvod bude napájen 12 V z konektoru X1, na který je možno vytvořit redukci z libovolného napájecího adaptéru. Za napájecím konektorem je umístěna centrální pojistka F1, jistící celý obvod. Dále je umístěna pojistka F2 pro 5 V stabilizátor napětí VREG a pojistka F3 jistící přívod napájení k Rezonančnímu vysílači. Za touto pojistkou je umístěn spínací obvod, ovládaný z mikrořadiče PICAXE-18M2, který spíná tranzistor Q1 přes optočlen OK1. Sepnutý proud poté vede skrze proudový senzor IC1 do výstupního terminálu X5. Sepnutí obvodu je indikováno modrou LED3. Signál z proudového senzoru je zesílen v operačním zesilovači IC2 a dále vede přímo do mikrořadiče. Tlačítko S1 slouží pro přepnutí mezi automatickým
43
a manuálním módem Vysílače. Konektor X2 slouží pro naprogramování mikrořadiče a konektor X3 pro připojení modulu s Displayem. Spojení s Rádiovým modulem je realizováno skrze konektor X4. Lišty LEFT a RIGHT tvoří patici pro připojení UART/USB modulu pro komunikaci s PC. Zelená kontrolka LED1 indikuje běh Vysílače a pokud svítí červená LED2, je Přijímač mimo dosah. V případě, že LED2 bliká, došlo k aktivaci softwarové proudové pojistky překročením nastaveného limitu na výstupu napájení pro Rezonanční vysílač (aktuálně 2 A). V takovém případě je třeba odstranit příčinu přetížení a Vysílač vypnout a zapnout. V obvodu je dále rozmístěno velké množství jumperů, které slouží pro ladící či manipulační účely. Jumper JP1 slouží k odpojení napájení z celého obvodu či případné připojení ampérmetru pro měření spotřeby celého Vysílače. JP2 odpojuje 5 V napájecí větev a JP7 napájení pro Rezonanční vysílač. Skrze JP3 lze přerušit napájení mikrořadiče a pomocí JP5 odpojit Display. Deaktivovat Rádiový modul lze pomocí JP4.
Zbylé dva jumpery slouží pro ladící účely. Na JP6 se dají měřit hodnoty z děliče pro měření napětí na výstupu pro Rezonanční vysílač. Hodnotu lze korigovat na trimru R14. Z JP8 je možné získat hodnotu ze zesilovacího obvodu proudového senzoru. Zesílení je možné měnit na trimru R16. Trimr R15 slouží jako zdroj referenčního napětí pro spodní hranici A/D převodníku.
Obrázek 32: DPS Vysílače
44
Po výrobě a osazení plošného spoje byly nejdříve ručně otestovány všechny části obvodu, tedy rozvod a regulace napájení, funkce tlačítka a spínání výstupu a další.
Pro kompletní otestování obvodu včetně měření veličin však bylo třeba sepsat základní část programu pro mikrořadič. V tomto zkušebním programu byly otestovány všechny části obvodu včetně měření veličin, jehož hodnoty byly vypisovány na Display. Dále byla sepsána část programu pro komunikaci s PC, která se postará o zpracování požadavku a navrátí požadovanou informaci. Komunikace s PC probíhá metodou klient-server, a to vždy prostřednictvím jednoho bajtu. Následující tabulka (Tab. 2) uvádí hodnoty a význam jednotlivých požadavků a odpovědí. Například na požadavek 102 (proud na výstupu) vrátí obratem naměřenou hodnotu, například 123, tedy 1,35 A. Následným otestováním všech částí včetně komunikace byla potvrzena plná funkčnost Vysílače (Obr. 33).