30 3.2.3 Rezonanční vysílač
Jak již bylo zmíněno, použit bude rezonanční přenos energie. Modul bude sestaven na základě již zmíněného návodu [37]. Protože při experimentech se ukázalo, že na přenos energie má značný vliv velikost, průměr a počet závitů vysílací cívky, bylo tedy rozhodnuto, že modul bude uzpůsoben pro její snadnou výměnu. Dbát bude také třeba na chlazení tranzistorů v obvodu. Při experimentech se ukázalo, že sice nepotřebují velký chladič, ale bez něj se neobejdou.
Upraveno bude taktéž spínání obvodu. V původním návodu je sepnutí obvodu zpožděno přes integrované relé kvůli zvýšení času pro dostatečný náběh zdroje, jelikož při počátečním nízkém napětí se obvod nemusí rozkmitat a může se poškodit. Při experimentech, kdy byl obvod spínán tranzistorem na již zapnutém zdroji, se toto relé ukázalo být již zbytečné a mimo to způsobovalo další konstantní odběr energie navíc.
Nakonec bylo rozhodnuto relé ve schématu ponechat, stejně tak jako jeho pozici ve výsledném plošném spoji. Pokud se i na finálním obvodu ukáže, že ho již není třeba, bude moci být jednoduše překlenuto.
3.2.4 Rezonanční přijímač
Rezonanční přijímač bude sám o sobě jednoduchý, jedná se v podstatě jen o přijímací cívku, paralelně zařazený kondenzátor a usměrňovač. Ovšem v závislosti na změnách vysílací cívky bude třeba měnit nejen cívku přijímače, ale i kondenzátor. Cívka tedy bude taktéž umístěna ve šroubovacím terminálu.
Změna hodnoty kondenzátoru se na přijímači používá k naladění na stejnou bylo zjištěno při experimentech, výstupní napětí se v maximu blíží ke 40 V. Toto napětí nejspíše bude třeba omezit. Rozhodnuto bylo neintegrovat žádnou regulaci přímo do přijímače, avšak nechat pro ni na modulu připravený slot pro dodatečné připojení.
31 3.2.5 Vysílač
Vysílač bude hlavní část vysílací části systému a bude spravovat všechny přilehlé moduly. Skrze UART/USB modul bude zajišťovat komunikaci s PC a pomocí modulu s Displayem zobrazovat některá naměřená data. Komunikaci s přijímačem zajistí skrze připojený Datový modul.
Vysílač bude napájen síťovým adaptérem o napětí stejnosměrných 12 V. Proud z adaptéru zároveň poskytne při nabíjení Rezonančnímu vysílači. Napětí adaptéru bude následně třeba regulovat na 5 V kvůli napájení mikrořadiče a dalších částí, které toto napětí vyžadují. Mezi další požadavky patřilo měření napětí a proudu vstupujícího do Rezonančního vysílače. Nutná bude také proudová ochrana pro případ poškození, zkratu či přetížení a to formou tavných pojistek, případně i softwarového odpojení Rezonančního modulu v případě překročení maximálního povoleného proudu.
Dále bylo požadováno přepínání mezi automatickým a manuálním módem nabíjení, zajištěné například formou tlačítka. Kromě displaye bude vhodné některé stavové informace zobrazovat pomocí LED diod.
Jako jádro Vysílače byl zvolen mikrořadič PICAXE-18M2 [44], jelikož se jedná o nejrozšířenější mikrořadič na pracovišti školitele, vhodný pro práci s roboty.
Mezi jeho výhody patří velmi nízká cena, jednoduchý programovací jazyk BASIC [45]
a přítomnost programovacích obvodů přímo v mikrořadiči, což umožňuje velmi jednoduchou integraci do plošného spoje a programování přímo v něm.
3.2.6 UART/USB modul
UART/USB modul bude zajišťovat komunikaci mezi PC a Vysílačem. Byl navrhnut jako obecný modul pro libovolné využití, nejen na tomto projektu. Jako jeho jádro byl požadován převodník MCP2200 [46] od firmy Microchip, který je nejrozšířenější na pracovišti školitele. K tomuto převodníku je nutné doplnit obvod pro oživení, a ten se následně musí doplňovat do každého projektu. Cílem bylo tedy rovnou sestavit co nejmenší modul s obvodem nutným pro provoz tohoto převodníku a napájeným přímo z USB, který bude mít na pinech vyvedeno rozhraní UART, piny GPIO, piny pro připojení LED a napájení. Na Vysílači, případně jiném projektu, pak stačí vyvést z mikrořadiče na patici pouze rozhraní UART a připojit tento modul s USB.
32 konvertor R-785.0-0.5 [47] od firmy RECOM.
Přijímač se také bude starat o nabíjení připojené baterie, k tomu by bylo zapotřebí napětí zhruba 14,5 V. DC/DC konvertory s proměnlivým výstupním napětím jsou však velice drahé, a proto bude třeba vybrat z konvertorů s konstantním napětím, ty jsou běžně dostupné s nejbližším napětím 12 V nebo 15 V. Protože 12 V je pro sběrnici a dva napájecí vodiče pro napájení 5 V. Pro připojení rádiových modulů bude třeba dvou vodičů pro sériovou sběrnici, dva napájecí vodiče pro napájení 5 V, jeden vodič s nulovým signálem na pin CONFIG a jeden vodič pro propojení pinu ENABLE z GPIO pinu mikrořadiče. Vysílač a UART/USB modul budou propojeny přes patici, která bude navržena v následující kapitole. UART/USB modul s PC budou propojeny standardním mini-USB kabelem. Rezonanční vysílač bude připojen dvěma napájecími vodiči se 12 V stejnosměrným napětím spínaným v plusové větvi, kvůli zachování konceptu společné země pro případ dalšího rozšíření. Rezonanční přijímač se připojí taktéž dvěma vodiči o rozsahu 0–18 V stejnosměrného napětí. Baterie bude připojena také dvěma vodiči s napětím do 14,3 V, spínaných opět v plusové větvi.
33
4 Návrh a výroba jednotlivých částí
Po provedeném rozboru a výběru hotových modulů bylo třeba navrhnout a vyrobit zbylé moduly. Části obvodů byly nejdříve sestaveny a otestovány na nepájivých polích.
Schémata a návrhy plošných spojů byly vytvořeny v programu Eagle 5.11.0 [49] a jsou v příloze na CD. Plošné spoje poté byly vytvořeny v domácích podmínkách, aby se eliminovalo zpoždění při výrobě v PCB labu, které je v řádu dnů až týdnů. Vzhledem k tomu, že správnost navržení DPS se nedá ověřit jinak než jeho osazením a otestováním, případná chyba by pak vyžadovala rychlou opravu návrhu a opět zdlouhavou novou výrobu. Pro výrobu v domácích podmínkách byla použita metoda nažehlení toneru [50], která spočívá ve vytištění drah DPS laserovou tiskárnou na lepící vrstvu vodou aktivovaného samolepícího papíru. Tento papír se následně přiloží na měděnou stranu cuprextitu a vysokou teplotou se na něj nažehlí. Pro nažehlení je ideální využít běžně dostupnou laminátovací pec, upravenou na vyšší teplotu [51].
Cuprextit s nažehleným papírem se poté vloží do vody, kde se po pár minutách papír odlepí a toner zůstane na Cuprextitu. Ten už pak stačí jen vyleptat a vyvrtat. Zhotovení DPS touto metodou v domácích podmínkách umožňuje rychlou a levnou výrobu spíše jednostranných, středně složitých DPS a je otázkou několika desítek minut. Při návrhu DPS pro výrobu touto metodou je však třeba mít na mysli, že se jedná o hrubou výrobu a nažehlené tenké dráhy se mohou při procesu leptání odlepit. Při návrhu je tedy třeba se vyvarovat tenkých drah a při leptání je vhodné použít méně agresivní leptací roztok.