Microsoft Word - Diploma

Transkripcija

1 Gregor Pihler NAČRTOVANJE IN IZVEDBA BREZŽIČNO VODENEGA MODELA ČOLNA ZA PREVOZ VAB PRI RIBOLOVU Diplomsko delo Maribor, marec 2011

2 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 2 Diplomsko delo visokošolskega strokovnega študijskega programa NAČRTOVANJE IN IZVEDBA BREZŽIČNO VODENEGA MODELA ČOLNA ZA PREVOZ VAB PRI RIBOLOVU Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Gregor Pihler visokošolski, Elektrotehnika Elektronika doc. dr. Boštjan Vlaovič, telekomunikacije Maribor, marec 2011

3 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 3 Številka: Datum in kraj: Na osnovi 330. člena Statuta Univerze v Mariboru (Ur. l. RS, št. 90/2008) SKLEP O DIPLOMSKEM DELU 1. Gregorju Pihlerju, študentu visokošolskega strokovnega študijskega programa Elektrotehnika, smer Elektronika, se dovoljuje izdelati diplomsko delo pri predmetu Mikroprocesorski sistemi II. 2. MENTOR: doc. dr. Boštjan Vlaovič 3. Naslov diplomskega dela: NAČRTOVANJE IN IZVEDBA BREZŽIČNO VODENEGA MODELA ČOLNA ZA PREVOZ VAB PRI RIBOLOVU 4. Naslov diplomskega dela v angleškem jeziku: DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE REMOTE CONTROLLED BAIT BOAT MODEL 5. Diplomsko delo je potrebno izdelati skladno z Navodili za izdelavo diplomskega dela in ga oddati v treh izvodih ter en izvod elektronske verzije do #Rok v referatu za študentske zadeve. Pravni pouk: Zoper ta sklep je možna pritožba na senat članice v roku 3 delovnih dni. Obvestiti: kandidata, mentorja, odložiti v arhiv.

4 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 4 ZAHVALA Za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela se zahvaljujem mentorju doc. dr. Boštjanu Vlaoviču. Posebna zahvala velja staršem, ki so me pri študiju podpirali.

5 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 5 NAČRTOVANJE IN IZVEDBA BREZŽIČNO VODENEGA MODELA ČOLNA ZA PREVOZ VAB PRI RIBOLOVU Ključne besede: model za prevoz vab, mikrokrmilnik, brezžični prenos, krmiljenje, PicBasic Pro UDK: : (043.2) Povzetek V diplomski nalogi je predstavljena izvedba daljinsko vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu. Cilj projekta je bila nadgradnja in izboljšanje obstoječih rešitev na trgu z uporabo računalniške igralne palice za krmiljenje modela in sistemoma za kontroliran način izmeta vabe in neodvisen izpust navezov. Dodatno je izdelek opremljen z brezžičnim video nadzornim sistemom, s kamero na premični platformi. Izboljšan je način osvetlitve na plovilu z dodatno infrardečo osvetlitvijo. V nalogi so podane smernice za izdelavo konstrukcije modela z uporabljenimi materiali, podrobneje pa so predstavljena elektronska vezja in uporabljene komponente. Poudarek je tudi na opisu in delovanju programske opreme izbranih mikrokrmilnikov.

6 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 6 DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE REMOTE CONTROLLED BAIT BOAT MODEL Key words: bait boat model, microcontroller, wireless transmission, control, PicBasic Pro UDK: : (043.2) Abstract This diploma work presents realization of the remote controlled bait boat model. The aim of the project was to upgrade and improve existing designs on the market by using a computer joystick to control the model and an independent systems for controllable bait and rig release. The product is additionally equipped with video surveillance system. The camera is mounted on a moving platform. On-board lighting is also improved with added infrared illumination feature. The paper presents guidelines for constructing the body of the model with selected materials and gives detailed explanation of electronic circuits and components. Software for chosen microcontrollers is also fully described.

7 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 7 VSEBINA 1. UVOD Tehnika talnega lova rib Problematika in omejitve priobalnega ribolova Predlog rešitve transport vabe na oddaljeno mesto Kratek pregled vsebine in sistematika obravnave IZGRADNJA IN LASTNOSTI FIZIČNEGA MODELA PLOVILA Zahteve in lastnosti Oblika, velikost in teža Pogon Sistem za izmet vabe Mehanizem za premikanje kamere in izpusta navezov Materiali Postopek izdelave modela ELEKTRONSKI DEL Zahteve in lastnosti Izbira mikrokrmilnika Brezžični oddajno - sprejemni modul ER400TRS Oddajni del Zahteve in lastnosti oddajnika... 32

8 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Blokovna shema in delovanje Krmilnik PIC16F877A Igralna palica opis predelave in delovanje Prikazovalnik LCD na oddajniku Napajanje oddajnega vezja Sprejemni del Zahteve in lastnosti sprejemnika Blokovna shema in delovanje Krmilnik PIC16F876A Pogonska motorja Graupner Speed H-most Koračni motor in gonilno vezje Servo motorji Osvetlitev Prikazovalnik LCD na sprejemniku Napajanje Zajem slike in prenos video signala Zahteve in lastnosti CMOS kamera Oddajnik video signala... 64

9 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Sprejemnik video signala Izdelava tiskanih vezij Zahteve in lastnosti Načrtovanje s programskim paketom Altium Designer Tiskanina oddajnega vezja Tiskanina sprejemnega vezja Postopek izdelave tiskanin PROGRAMSKI DEL OPIS KODE IN DELOVANJE Zahteve in lastnosti Izbor programskega jezika in razvojnega okolja Programski jezik PicBasic Razvojno okolje MicroCode Studio Koda oddajnega dela Diagram poteka Opis kode Koda prvega mikrokrmilnika v sprejemnem delu Diagram poteka prvega mikrokrmilnika Opis kode Koda drugega mikrokrmilnika v sprejemnem delu Diagram poteka drugega mikrokrmilnika

10 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Opis kode IMPLEMENTACIJA IN TESTIRANJE Meritve Meritve ključnih elektronskih komponent Meritve dometa brezžičnih povezav Preizkus plovnih in manevrskih sposobnosti Preizkus sistemov za izmet vabe in izpust navezov SKLEP Možnosti za nadgradnjo Nasveti za vzdrževanje in uporabo VIRI IN LITERATURA PRILOGE Naslov Študenta SEZNAM SLIK Slika 1.1.1: Sistem naveza za talni ribolov Slika 2.3.1: Pogonski motor Graupner Speed 400 s prenosom in propelerjem Slika 2.4.1: Sistem krožnega zajema tovora Slika 2.5.1: Sistem za izpust navezov Slika 3.3.1: Blokovna shema oddajno-sprejemnega modula ER400TRS... 27

11 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 11 Slika 3.3.2: Razpored priključkov oddajno-sprejemnega modula ER400TRS Slika 3.3.3: Vezje za pretvorbo logičnih nivojev Slika 3.3.4: Okno aplikacije za nastavite parametrov modula ER400TRS Slika 3.4.1: Blokovna shema oddajnega vezja Slika 3.4.2: Mikrokrmilnik PIC16F877A in razpored priključkov Slika 3.4.3: Osnovno vezje za delovanje mikrokrmilnika PIC16F877A Slika 3.4.4: Vezava potenciometrov Slika 3.4.5: Matrična vezava tipk Slika 3.4.6: Igralna palica Genius MaxFghter F-31D in funkcije uporabljenih tipk Slika 3.4.7: Prikazovalnik LCD na oddajniku Slika 3.4.8: Vezje za povezavo modula LCD na oddajniku Slika 3.4.9: Shema priklopa napetostnega regulatorja L7805CV Slika 3.5.1: Blokovna shema sprejemnika Slika 3.5.2: Razpored priključkov krmilnika PIC16F876A Slika 3.5.3: Osnovno vezje za delovanje mikrokrmilnika PIC16F876A Slika 3.5.4: Princip delovanja vezja H-most Slika 3.5.5: Integrirana izvedba dvojnega H-most vezja - L298N Slika 3.5.6: Razpored priključkov L298N Slika 3.5.7: Notranja zgradba L298N Slika 3.5.8: Pulzno-širinska modulacija (PWM)... 50

12 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 12 Slika 3.5.9: Krmilno vezje pogonskih motorjev Slika : Koračni motor SMB B Slika : Princip navitij koračnega motorja Slika : Blokovna shema in razpored priključkov čipa ULN2803A Slika : Darlington vezava tranzistorjev v ojačevalnem elementu ULN2803A Slika : Vezje za krmiljenje koračnega motorja z gonilnim vezjem ULN2803A Slika : Zgradba modelarskega servo motorja Slika : Krmilni signali in koti zasuka modelarskih servo motorjev Slika : Tiskanina z IR diodami in fotouporom Slika : Priključna shema prikazovalnika LCD na sprejemniku Slika : Vzporedna vezava dveh napetostnih regulatorjev LM Slika : Napetost tipične svinčene 12-V baterije v odvisnosti od napolnjenosti Slika 3.6.1: Modul barvne CMOS kamere Slika 3.6.2: Oddajnik za prenos video signala Slika 3.6.3: Vezje sprejemnika video signala Slika 3.7.1: Okno aplikacije Altium Designer za novi projekt Slika 3.7.2: Tiskanina oddajnega vezja Slika 3.7.3: Tiskanina oddajnega vezja za tisk Slika 3.7.4: Tiskanina sprejemnega dela Slika 3.7.5: Tiskanina sprejemnega vezja za tisk... 69

13 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 13 Slika 4.4.1: Okno aplikacije MicroCode Studio Plus Slika 4.5.1: Diagram poteka oddajniške kode Slika 4.5.2: Inicializacija registrov mikrokrmilnika PIC16F877A Slika 4.5.3: Definicije parametrov za A/D pretvorbo Slika 4.5.4: Definicije parametrov za komunikacijo prikazovalnikom LCD Slika 4.5.5: Najava spremenljivk v oddajniški kodi Slika 4.5.6: Koda za preverjanje povezave in kalibracije igralne palice Slika 4.5.7: Branje in pošiljanje položaja igralne palice Slika 4.5.8: Branje tipk v matrični vezavi (1) Slika 4.5.9: Branje tipk v matrični vezavi (2) Slika : Podprogram za pošiljanje ukaza za izmet vabe Slika : Podprogram za kontrolo nad pošiljanjem premikov igralne palice Slika : Podprograma za pošiljanje ukazov za ločen izpust navezov Slika : Podprograma za izpust in ponastavitev ročic obeh navezov Slika : Podprogrami za pošiljanje ukazov za krmiljenje z osvetlitvijo na modelu Slika : Podprograma za pošiljanje ukazov za vklop in izklop kamere Slika : Podprograma za izpis o nepodprtih funkcijah gumbov igralne palice Slika : Podprogrami za pošiljanje ukazov za premikanje kamere Slika : Podprogram za kalibracijo igralne palice Slika 4.6.1: Diagram poteka za 1. mikrokrmilnik v sprejemnem vezju... 92

14 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 14 Slika 4.6.2: Inicializacija registrov 1. mikrokrmilnika v sprejemnem vezju Slika 4.6.3: Najava spremenljivk v kodi 1. mikrokrmilnika v sprejemniku Slika 4.6.4: Vrednotenje tipa prejetih podatkov 1. mikrokrmilnika v sprejemniku Slika 4.6.5: Funkcije za implementacijo prejetih ukazov za 1. mikrokrmilnik (1) Slika 4.6.6: Funkcije za implementacijo prejetih ukazov za 1. mikrokrmilnik (2) Slika 4.6.7: Podprograma za preklope relejev pri krmiljenju pogonskih motorjev Slika 4.6.8: Funkcije za krmiljenje koračnega motorja za izmet vabe Slika 4.6.9: Funkcija za utripanje diode LED v 1. mikrokrmilniku v sprejemnem vezju Slika 4.7.1: Diagram poteka za 2. mikrokrmilnik v sprejemnem vezju Slika 4.7.2: Inicializacija registrov 2. mikrokrmilnika v sprejemnem vezju Slika 4.7.3:Definicije parametrov za A/D pretvorbo in komunikacijo s prikazovalnikom102 Slika 4.7.4: Najava spremenljivk v kodi 2. mikrokrmilnika v sprejemnem vezju Slika 4.7.5: Določanje in izpis stanja akumulatorskih baterij na krovu Slika 4.7.6: Sprejemanje in vrednotenje prejetih podatkov v kodi 2. mikrokrmilnika Slika 4.7.7: Podprogram za krmiljenje servo motorja za premikanje kamere Slika 4.7.8: Podprograma za krmiljenje servo motorjev pri ločenem izpustu navezov Slika 4.7.9: Podprograma za skupen izpust navezov in ponastavitev ročice mehanizmov106 Slika : Funkcija za utripanje diode LED v 2. mikrokrmilniku v sprejemnem vezju106

15 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 15 SEZNAM PREGLEDNIC Tabela 3.2.1: Primerjava lastnosti PIC mikrokrmilnikov serije 16F87xA Tabela 3.4.1: Tabela priključkov prikazovalnika LCD na oddajniku Tabela 3.5.1: Izbrani tehnični podatki motorja Graupner Speed Tabela 3.6.1: Tehnični podatki modula kamere Tabela 4.5.1: Tabela za določanje vrednosti ADCON1 registra Tabela 4.5.2: Zgradba in vrstni red skupine podatkov za brezžični prenos Tabela 5.1.1: Električne meritve ključnih elektronskih komponent UPORABLJENI SIMBOLI A Amper (enota za električni tok) V Volt (enota za električno napetost) W Watt (enota za moč) Ω Ohm (enota za električno upornost) Hz Hertz (enota za frekvenco) F Farad (enota za kapacitivnost)

16 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 16 UPORABLJENE KRATICE A/D Analogno/digitalni pretvornik (Analog to Digital converter) BO Zaposlenost izhoda (Bussy Output) CCD Naprava z učinkom sklopljenih nabojev (Charge-Coupled Device) CMOS Komplementaren kovinsko-oksidni polprevodnik (Complementary Metal- Oxide Semiconductor) E Omogočitev (Enable) EEPROM Električno zbrisljiv in programirljiv bralni pomnilnik (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) EM Elektro magnetno (ElectroMagnetic) GND Ozemljitev (Ground) GPS Sistem globalnega pozicioniranja (Global Positioning System) HR Gostitelj pripravljen (Host Ready) ICSP Serijsko programiranje v vezju (In-Circuit Serial Programming) IR Infrardeča (InfraRed) LCD Prikazovalnik s tekočimi kristali (Liquid Crystal Display) LED Svetleča dioda (Light Emitting Diode) MIPS Milijon inštrukcijskih ciklov na sekundo (Million Instructions Per Second) MOSFET Kovinsko-oksidni polprevodniški tranzistor z učinkom električnega polja (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) PCB Plošča tiskanega vezja (Printed Circuit Board) PIC Periferni vmesniški krmilnik (Peripheral Interface Controller) PWM Pulzno-širinska modulacija (Pulse-Width Modulation) RAM Pomnilnik z naključnim dostopom (Random Access Memory) RS Izbira registra (Register Select) RSSI Indikator moči prejetega signala (Received Signal Strength Indicator) R/W Beri/piši (Read Write) TTL Tranzistorsko-tranzistorska logika (Transistor-Transistor Logic) USART Univerzalni sinhroni/asinhroni oddajnik/sprejemnik (Universal Synchronous/ Asynchronous Receiver/transmitter) USB Univerzalno serijsko vodilo (Universal Serial Bus)

17 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu UVOD Športni način ribolova se tudi pri nas vse bolj uveljavlja ne samo kot hobi, temveč tudi kot sredstvo za premagovanje stresa in sprostitev. Ribiči z željo po dobrem ulovu posegajo po čedalje boljši opremi, na tržišču pa se vsako leto najde kakšna novost. Razvija se tudi ribiški turizem, z domačimi in tujimi gosti, ki preživljajo dopuste s palico v roki. Ob tako veliki izbiri opreme, se vsak resnejši športni ribič prej ali slej osredotoči na lov določene vrste ribe, ena najbolj priljubljenih pa je krap (Cyprinus carpio). 1.1 Tehnika talnega lova rib Za lov te ribe se uporabljajo različne tehnike, kot so talni ribolov, ribolov s plovcem in celo muharjenje. Izbira najprimernejše tehnike je v precejšnji meri odvisna od mesta lova, globine vode in režima hranjenja. Večje ribe se rade zadržujejo na dnu, kjer je več hrane in tudi voda je poleti tam hladnejša in bogatejša s kisikom. Zato se na večjih jezerih in rekah ribiči najraje odločijo za tehniko talnega ribolova. Značilnost tega načina lova je, da je vaba s trnkom in obtežilnikom (navez) potopljena na dno. Obtežilnik na koncu vrvice pripomore k daljšemu metu in poskrbi, da vaba ostane na izbranem mestu. Tehnika je še posebej primerna za ribolov na rekah z močnejšimi tokovi. Slika prikazuje najpogosteje uporabljen tip naveza za talni ribolov. Slika 1.1.1: Sistem naveza za talni ribolov Za vabo pri lovu krapov se uporabljajo najrazličnejše vrste ribje hrane v obliki tekočine, praškov, zrnja, peletov in zelo priljubljenih "boili" kroglic. Slednje se da kupiti v

18 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 18 najrazličnejših okusih in izvedbah, njihova prednost pred ostalimi vabami pa je dolga obstojnost v vodi in močna aroma. Obstaja poseben način natika te vabe na trnek, za uspešnejši ulov pa je zaželeno z njimi krape tudi krmiti in jih s tem privabljati na mesto lova. 1.2 Problematika in omejitve priobalnega ribolova Krap je po naravi plaha in previdna žival z dobrim spominom, zato se večji primerki raje zadržujejo stran od poraščenih obrežij, kjer nanje prežijo naravni plenilci in ribiči. S krmljenjem na oddaljeni lokaciji in kasneje z lovom na tem mestu, bi se tako možnosti za ulov večje ribe znatno povečale. Z uporabo kvalitetnih ribiških palic in težjih obtežilnikov lahko sicer precej izboljšamo domet, a izgubimo natančnost. Ponovljivost meta na isto mesto pri razdalji, večji od 20 metrov, je skoraj neizvedljiva. Veliko težavo predstavlja tudi krmljenje na takšni razdalji. 1.3 Predlog rešitve transport vabe na oddaljeno mesto Pravila nekaterih revirjev sicer dovoljujejo uporabo raznih čolnov na vesla, vendar z veslanjem precej razburkamo gladino, povzročamo nepotreben hrup in tako zmanjšamo možnosti za uspešen lov. Boljša rešitev bi bila uporaba manjšega modela čolna z brezžičnim vodenjem, s katerim bi prepeljali vabo na točno določeno mesto in se izognili nepotrebnemu hrupu. Prav tako bi lahko z njim prepeljali in odvrgli navez. Za ta namen predstavljamo zasnovo in izvedbo manjšega modela brezžično vodenega transportnega čolna. Na tržišču obstaja več takih modelov, trenutno pa ni izvedbe, ki omogoča reguliran izmet vabe in ločen izpust navezov. Obstoječe rešitve bomo nadgradili tudi s sistemom za zajem in brezžični prenos video signala, upravljanje pa izboljšali z uporabo računalniške igralne palice.

19 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Kratek pregled vsebine in sistematika obravnave Razvoj in izdelavo smo razdelili na tri faze, ki so predstavljene v ločenih poglavjih. Pri izdelavi se po navadi te faze v skladu s prototipnim načinom razvoja prepletajo. V vsakem poglavju se najprej opredelimo glede želenih lastnosti, nato pa sledijo podrobnejši opisi izbranih rešitev. V prvem poglavju je predstavljena fizična izvedba plovila in mehanski sistemi. Najprej definiramo želene lastnosti modela, določimo obliko, velikost in težo ter izberemo pogonske rešitve. Nadaljujemo z zasnovo in izvedbo mehanskih sistemov izmeta vabe, izpusta navezov in premikanja kamere. Nato izberemo ustrezne materiale in predstavimo izgradnjo modela. V drugem poglavju nadaljujemo z ločeno predstavitvijo elektronike oddajnega in sprejemnega vezja. Predstavimo blokovni shemi vezij in izberemo primerne komponente za delovanje. Nato sledijo opisi krmilnih elektronskih sklopov, delovanja uporabljenih motorjev in sistema za zajemanje in prenos video signala. Na koncu poglavja predstavimo postopek izdelave tiskanih vezij. V tretjem poglavju razvijemo programski kodi za krmiljenje mikrokrmilnikov v vezjih oddajnika in sprejemnika. Najprej definiramo želene lastnosti programov, nato pa izberemo in predstavimo razvojno okolje in programski jezik. Ločeno opišemo oba programa po funkcijskih sklopih delovanja. V zadnjem poglavju opišemo postopek implementacije in testiranja modela. Opravimo električne meritve in testiramo domete radijskih zvez. Preizkusimo delovanja vgrajenih sistemov in plovne lastnosti modela. Rezultate opravljenega dela povzamemo s komentarjem, kjer primerjamo dejanske in želene lastnosti izdelka. Na koncu podamo nasvete za vzdrževanje in uporabo.

20 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 20 2 IZGRADNJA IN LASTNOSTI FIZIČNEGA MODELA PLOVILA 2.1 Zahteve in lastnosti Model plovila mora biti sposoben prevoza pol kilograma vabe in dveh navezov na mesto lova, ki je od obrežja oddaljeno vsaj 30 metrov. Omogočati mora reguliran način izmeta vabe v obliki "boili" kroglic in ločen izpust obeh navezov. Plovne in manevrske sposobnosti modela morajo zagotavljati stabilno plovbo in polmer polnega obrata plovila največ dva metra. Delovanje naj bo čim tišje, z avtonomijo vsaj 30 minut. Model bo uporabljan tudi za izvidniške namene, zato mora biti opremljen s sistemom za zajem in brezžični prenos video signala ter mehanizmom za premikanje kamere v horizontalni smeri. Imeti mora osvetlitev za možnost uporabe v temi. Z obzirom na te lastnosti naj bo izvedba čim manjše velikosti in teže, izdelek pa nezahteven za uporabo in vzdrževanje. Končna cena sistema naj bo čim nižja. 2.2 Oblika, velikost in teža Glede na zahtevo po dobrih plovnih in manevrskih lastnostih je model dvotrupne (katamaranske) oblike. Dvotrupna oblika omogoča izredno dobro stabilnost na vodi, saj dobro prenaša prerazporeditve teže tovora. To je še posebej pomembno pri prevozu navezov, saj sta mehanizma za njun izpust nameščena na levi in desni bok katamarana. Masa posameznega naveza z utežjo lahko doseže tudi 100 g, zato bi se ob uporabi klasičnega modela čolna, pri transportu enega naveza, porušilo ravnotežje. Velikost modela je prirejena količini vabe in sistemu za njen izmet. V skladu z zahtevo po transportu 0,5 kilograma kroglic vabe, je model dolg 60 cm in širok 30 cm. Višina modela je zaradi vzgona deloma povezana z njegovo težo. Pri gradnji upoštevamo še zahtevo po čim manjši teži. Ker so mase uporabljenih komponent, kot so pogonski in drugi motorji ter napajalne baterije določene, skušamo težo zmanjšati z izdelavo čim lažje konstrukcije modela. Izbirali smo med umetnimi materiali, kot so steklena ali ogljikova (karbonska) vlakna in modelarskim lesom. Izbrali smo les, saj

21 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 21 v tem primeru ni potrebna izdelava kalupa, izdelek pa je prototip. V primeru produkcije več enakih modelov bi bila izdelava kalupa in uporaba umetnih mas boljša izbira. Pri uporabi modelarskih vezanih plošč ima konstrukcija maso dva kilograma, skupna masa pa ne presega petih kilogramov. 2.3 Pogon Za uporabo v modelih plovil se uporabljajo različne vrste pogonov, največkrat klasični propelerski ali pa impelerski (Jet). Pri slednjih se za pogon izkorišča vodni curek, ki ga ustvarja elisa v potopljenem ohišju in deluje kot vodna črpalka. Prednost teh sistemov je, da so odpornejši na razne mehanske poškodbe elise zaradi nesnage v vodi, vendar je cena dosti višja od klasičnih propelerskih pogonov. Običajno tudi niso v izvedbi, ki omogoča vzvratno vožnjo. Ker naj vgrajeni pogon omogoča čim tišje delovanje, smo se odločili za klasično izvedbo propelerskega električnega pogona. Glede tipa pogonskega motorja se v modelarstvu največkrat uporabljajo krtačni in brezkrtačni motorji. Slednji imajo v primerjavi s krtačnimi izvedbami boljše lastnosti, predvsem glede izkoristka, teže, hitrosti vrtenja in pokvarljivosti. Pri delovanju ustvarjajo tudi manj nezaželenih elektromagnetnih motenj in omogočajo tišje delovanje. Slabost pa je njihova cena in dobavljivost primernih prenosov. Ker je nizka cena eden glavnih pogojev pri načrtovanju, se zanje nismo odločili. Plovilo je dvotrupne oblike, zato smo izbrali dva enaka krtačna motorja s prenosi in ju namestili v levi in desni trup plovila. Takšna izvedba tudi omogoča enostavno krmarjenje, s spreminjanjem smeri in hitrosti vrtenja posameznega motorja. Izbrana sta enosmerna krtačna motorja Graupner Speed400, s primernimi vodotesnimi prenosi za uporabo na modelih plovil. Glavni razlog za izbiro tega modela motorjev je bila hitra dobava in nizka cena v kompletu s pripadajočimi prenosi. Model poganjata priporočena dvokraka propelerja premera 25 mm. Prenosa sta z motorjema povezana preko kardanskega zgloba, nanju pa sta nameščena nastavka za dovajanje mazalnega olja. Motorja pritrdimo na polkrožna lesena nosilca, da ju je mogoče brez težav zamenjati. Natančnost pri vgradnji obeh pogonskih sistemov je ključnega pomena za ohranjanje želene smeri plovbe, saj se pri izdelavi nismo odločili za možnost popravljanja smeri s krmilom ("trimanje"). Na sliki je prikazan uporabljen pogonski motor s prenosom in propelerjem.

22 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 22 Slika 2.3.1: Pogonski motor Graupner Speed 400 s prenosom in propelerjem 2.4 Sistem za izmet vabe Ker želimo reguliran način izmeta vabe smo skonstruirali sistem za krožni zajem tovora, ki ob vsakem obratu zajame določeno količino kroglic vabe in jih preko odprtine na zadnjem delu modela strese v vodo. Zasnovan sistem je prikazan na sliki Sistem je sestavljen iz zbiralnika vabe in vrtečega zajemalnega dela s prekati. Zobje prekatov se ob zajemu prekrivajo z utori zbiralnika in tako ob vsakem prehodu zajamejo po eno vrstico kroglic. Ker je zbiralnik nekoliko nagnjen, je ob naslednjem zajemu že pripravljena nova vrstica. Os zajemalnika je ležajno vpeta med dva nosilca, poganja pa jo koračni motor z zobniškim reduktorjem moči in jermenski prenos. Slika 2.4.1: Sistem krožnega zajema tovora Eden od ciljev pri izdelavi modela je tudi minimizacija stroškov. Za zbiralnik vabe je uporabljena škatla za hrambo računalniških disket, motor in prenos pa sta vzeta iz odsluženega tiskalnika. Motor je koračnega tipa, ker želimo natančne cikle zajemov. Podrobneje je delovanje koračnega motorja opisano v poglavju Elektronski del (str. 25). Natančnost izdelave prenosa je zelo pomembna, saj pride ob morebitnem zatikanju med

23 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 23 delovanjem sistema do preskokov korakov motorja, česar pa načrtovana elektronika ne nadzira. Naslednji cikel izmeta se v tem primeru ne bi pravilno izvedel. 2.5 Mehanizem za premikanje kamere in izpusta navezov Kamera je nameščena na premcu plovila in je v osnovnem položaju obrnjena v smer plovbe. Želimo jo premikati v vodoravni smeri tako, da je mogoče z njo spremljati tudi dogajanje na obeh straneh modela. Potrebni so natančni premiki v levo ali desno od izbranega izhodiščnega položaja. Takšno funkcijo odlično opravljajo modelarski servo motorji, ki se poleg natančnih kotov zasuka odlikujejo tudi po relativno velikih navorih. Slednja lastnost je zelo uporabna, saj lahko tako modul kamere pritrdimo neposredno na os manjšega servo motorja. Tudi servo motorji in način krmiljenja bodo podrobneje predstavljeni v poglavju Elektronski del (str. 25). Kamera je pokrita s prozorno kupolo, ki jo ščiti pred vremenskimi vplivi. Tudi za izpust obeh navezov sta uporabljena dva servo motorja, ki sta nameščena na levo in desno stran modela. Princip vgradnje servo motorja v trup modela je predstavljen na sliki Sponka naveza se zatakne za ročico, pritrjeno na os motorja. Ob zasuku osi za 180 stopinj, se navez odpne in pade v vodo. Slika 2.5.1: Sistem za izpust navezov 2.6 Materiali Pri izgradnji modela čolna upoštevamo zahtevo po čim manjši masi, hkrati pa želimo zagotoviti dobro trpežnost. Uporabimo modelarske vezane plošč debeline 3 mm. Posebnost

24 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 24 teh plošč je, da so zlepljene iz petih plasti zelo lahke skandinavske breze, kar daje modelu dobro kompaktnost in hkrati majhno težo konstrukcije. Večinoma je pri izdelavi uporabljen les, izjema je jeklena os pri sistemu za izmet vabe in plastična posoda za vabo. Plošči obeh tiskanin sta izdelani iz pertinaksa. Za lepljenje lesa uporabimo vodoodporno lepilo za les, manjše nenatančnosti spojev pa popravimo z modelarskim kitom. Izdelek pobarvamo z vodoodporno barvo in lakom. 2.7 Postopek izdelave modela Postopek izdelave modela začnemo na papirju, z osnutkom želene oblike. Natančnejše mere določimo z upoštevanjem predvidene mase in vzgona. Paziti je potrebno, da po nepotrebnem ne dvigujemo težišča modela, kar bi kasneje lahko imelo neprijetne posledice pri stabilnosti in upravljanju. Zasnovo nato prenesemo na računalnik, kjer smo s programom Google SketchUp podrobneje izrisali končno obliko modela s ključnimi sistemi na krovu. Ko je bil virtualni model končan, smo pričeli z razrezom lesa in lepljenjem. Začnemo z najpomembnejšim delom modela izdelavo trupa modela. Pri tem je potrebna velika natančnost, saj bi vsaka nesorazmernost pomenila slabše plovne lastnosti. Tako dobimo osnovo, na katero namestimo sistem za izmet vabe. Nato pritrdimo oba pogonska motorja, koračni motor s pripadajočimi prenosi, ter vse tri servo motorje. Vse ključne komponente pritrdimo z vijaki, da jih bo možno ob morebitni odpovedi tudi zamenjati. Na premec modela namestimo kupolo iz prozorne plastike ter v notranjost vgradimo modul kamere in oddajnik video signala. Nato dokončamo zgornji del ohišja modela in tako zaščitimo notranjost in komponente pred vremenskimi vplivi. Model s tem dobi tudi nekoliko privlačnejšo obliko. Nato ga zopet razstavimo, temeljito zbrusimo, pokitamo in pobarvamo. Vgradimo izdelano vezje ter priključimo baterije. Za zaščito oddajnika uporabimo večje plastično ohišje, kamor vgradimo izdelano vezje, prikazovalnik s tekočimi kristali (LCD) in vezje sprejemnika video signala. Za ohišje oddajnika smo izbrali klasično ohišje za vgradnjo elektronskih vezij, ki ni vodoodporno, zato je pri rokovanju potrebna večja pazljivost.

25 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 25 3 ELEKTRONSKI DEL 3.1 Zahteve in lastnosti Izdelana elektronika predstavlja bistvo naprave, zato moramo pri načrtovanju vezij upoštevati bistvene zahteve: hitra odzivnost, majhna poraba energije, majhna velikost in teža, velika zanesljivost in nizka končna cena. Izdelan elektronski sistem naprave mora v čim krajšem času zaznati, prenesti in izvesti vse uporabniške ukaze. Ker je napajanje baterijsko, želimo tudi, da imajo zasnovana vezja majhno lastno porabo energije. Z namenom izdelave čim manjših tiskanin, želimo visoko stopnjo integracije, zato za nekatere funkcije modela uporabimo komponente z integriranimi vezji. Glavni pogoj pri načrtovanju vezij je zanesljivost delovanja. 3.2 Izbira mikrokrmilnika Odločili smo se za mikrokrmilniško podprto upravljanje z modelom. Ti skrbijo za branje, pošiljanje in izvajanje uporabnikovih ukazov, zato pri izbiri upoštevamo naslednje lastnosti: večje število vhodno-izhodnih priključkov (vsaj 30), programski pomnilnik FLASH (FLASH memory bliskovni pomnilnik), navadna izvedba ohišja (through-hole), vgrajen analogno-digitalni pretvornik (A/D) z vsaj tremi kanali, vgrajen vmesnik za serijski prenos podatkov (USART) in hitra dobavljivost z nizko ceno.

26 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 26 Glede izbire mikrokrmilnikov ni posebnih zahtev in večina proizvajalcev ponuja izvedbe, ki imajo naštete lastnosti. Zato izberemo podjetje in krmilnike, s katerimi morda že imamo nekaj izkušenj. Mi smo se odločili za mikrokrmilnike ameriškega proizvajalca Microchip. Funkcije, ki jih bodo opravljali izbrani krmilniki niso preveč zahtevne, zato izberemo mikrokrmilnike z 8-bitnim procesorskim jedrom in arhitekturo srednje kategorije (MidRange). Proizvajalec ponuja širok izbor PIC (Programmable Interface Controller programirljivi krmilniški vmesnik) mikrokrmilnikov, ki ustrezajo želenim zahtevam. Omejili smo se na PIC16F družino, ki vključuje 87 krmilnikov, od katerih jih je 71 v redni proizvodnji. Glede na želene lastnosti ostane 13 krmilnikov med katerimi lahko izbiramo. Ponudba slovenskih trgovcev izbiro dodatno zniža na štiri krmilnike serije 16F87x, oziroma 16F87xA, ki imajo izboljšan FLASH pomnilnik. Izboljšava omogoča hitrejše vpisovanje v pomnilnik, večje število prepisov in daljšo obstojnost podatkov v pomnilniku. Tabela prikazuje primerjavo lastnosti omenjene serije, ki so pomembne za izvedbo projekta. Tabela 3.2.1: Primerjava lastnosti PIC mikrokrmilnikov serije 16F87xA Krmilnik (PIC) Programski pomnilnik (zlogi) Pomnilnik RAM (zlogi) Pomnilnik EEPROM (zlogi) V/I priključki A/D kanali USART CCP (PWM) 16F873A 7,2 k Da 2 16F874A 7,2 k Da 2 16F876A 14,3 k Da 2 16F877A 14,3 k Da 2 Za uporabo v oddajnem vezju smo zaradi večjega pomnilnika in števila priključkov izbrali krmilnik PIC16F877A. Ima 40 priključkov, od katerih jih lahko kot vhodne ali izhodne (V/I) uporabimo 33. Vsebuje 14,3 kb programskega pomnilnika FLASH, 368 zlogov bralnega pomnilnika z naključnim dostopom (RAM - Random Access Memory), 128 zlogov električno zbrisljivega bralnega pomnilnika (EEPROM - Elecrically Erasable Programmable Read Only Memory), ima osem analogno-digitalnih pretvornikov (A/D - Analog to Digital converter) z deset-bitno natančnostjo, strojno implementiran vmesnik za serijsko komunikacijo (USART - Universal Asynchronous

27 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 27 Receiver/Transmitter), in dva strojno podprta kanala za pulzno-širinsko moduliranje signalov (PWM - Pulse-Width Modulation). 3.3 Brezžični oddajno - sprejemni modul ER400TRS Module proizvaja britansko podjetje LPRS (Low Power Radio Solutions). Njihova prednost je zelo enostavna uporaba, saj vsebujejo integriran mikrokrmilnik, ki upravlja z vsemi notranjimi funkcijami modula in omogoča dvosmerno serijsko komunikacijo z mikrokrmilniki. Ker vsebuje EEPROM pomnilnik, jim je mogoče trajno nastaviti razne parametre, kot so frekvenca brezžične zveze, hitrost serijskega prenosa podatkov (Baudrate), moč izhodnega signala ter razne načine delovanja. Podatke kodira po sistemu Manchester, ki je eden od najpogosteje uporabljenih algoritmov za zmanjševanje napak pri prenosu podatkov. Pri tem načinu kodiranja so podatkovni biti digitalne informacije predstavljeni (kodirani) s prehodi logičnih stanj. Prehod iz visokega v nizko stanje je po pretvorbi kodiran kot logična 1, prehod nizkega v visoko pa kot 0. Možno je tudi obratno, odvisno od izbranega protokola. Dodatna prednost tega načina kodiranja je tudi prednastavljena dolžina vsakega podatkovnega bita in tako odpravljena potreba po dodatni sinhronizaciji oddajnika in sprejemnika. Ta način kodiranja še dodatno poveča zanesljivost brezžičnega prenosa in hkrati razbremeni krmilnik s katerim je povezan. Slika prikazuje blokovno shemo modula. Slika 3.3.1: Blokovna shema oddajno-sprejemnega modula ER400TRS

28 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 28 Za potrebe izdelka zadostuje enosmerna komunikacija v smeri oddajnika proti sprejemniku, zato kontrolnih linij ne potrebujemo. Na sliki je prikazan razpored in imena priključkov modula [1]. Slika 3.3.2: Razpored priključkov oddajno-sprejemnega modula ER400TRS Antena - Ant [1] Uporabimo lahko katerokoli standardno izvedbo antene, katere impedanca ustreza 50 Ω. Odločili smo se za enostavno monopolno anteno. Po specifikacijah mora biti dolžina take antene za frekvenco 433 MHz, z upoštevanjem λ/4 valovne dolžine, enaka 16,4 cm [1, stran 20]. Ker želimo anteno čim bolj ločiti od motilnih virov v vezju, jo s kratkim koaksialnim kablom, impedance 50 Ω, pritrdimo na ohišje modela. Ozemljitev brezžičnega signala - RF Gnd [2] Priporočljivo bi bilo uporabiti dvoslojno tiskanino, katere spodnja stran bi služila kot ozemljitvena plošča. Ker je praktični poskus pokazal, da to za zadovoljivo delovanje ni nujno potrebno, smo ta del zaradi enostavnejše izvedbe izpustili. Pomembno pa je, da je ta priklop vezan na maso. Moč signala - RSSI (Received Signal Strength Indicator) [3] Na tem priključku lahko merimo moč sprejetega signala v obliki izhodnega analognega signala, katerega amplituda je obratno sorazmerna prisotni RF

29 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 29 energiji v pasovnem področju sprejemanja in znaša od 0 do 1 V, z naklonom 50 db/v. Ta analogni signal je dovoljeno meriti le z vezjem z vhodno impedanco večjo od 100 kω. Izhodna kontrolna linija - BO (Bussy Output) [4] Je digitalni izhod, ki določa ali je modul pripravljen na sprejetje podatkov iz mikrokrmilnika. Kadar je modul zaposlen s pošiljanjem ali prejemanjem podatkov postavi to linijo na visok logični nivo in s tem označi mikrokrmilniku, da ni pripravljen za komunikacijo. Tega priključka ne priklopimo, saj uporabljamo modul za enosmerno povezavo in majhne količine podatkov. Podatkovni izhod - Tx [5] Digitalni izhod za pošiljanje prejetih podatkov mikrokrmilniku. Ta priključek vežemo le pri sprejemniku. Podatkovni vhod - Rx [6] Digitalni vhod za podatke, ki jih želimo poslati. Če se ta priključek ne uporablja, ga je potrebno vezati na 5 V napajanje. Tako modul le sprejema. Vhodna kontrolna linija - HR (Host Ready) [7] Digitalni vhod, preko katerega mikrokrmilnik pošlje signal, da je pripravljen prevzeti podatke. Takrat je signal na visokem logičnem nivoju. Tudi tega priključka zaradi enosmerne komunikacije ne potrebujemo in ga vežemo na maso. Za njegovo uporabo je potrebno modulu programsko omogočiti usklajevanje (handshaking). Napajanje - Vcc [8] Napajanje modula z napetostjo med +2,5 in +5,5 V. Napajalna napetost mora biti čim bolj stabilna, z manj kot 25 mv spremembe. Ker pri oddajniku ni večjih tokovnih porabnikov, napajanje pa je baterijsko, se tu priporoča le gladilni kondenzator 100 µf med napajalno linijo in maso.

30 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 30 Ozemljitev - GND [9] Ozemljitvena linija za priklop modula na skupno maso. Tovarniško so ti moduli sprogramirani z omogočenimi kontrolnimi linijami, najnižjo možno hitrostjo prenosa podatkov in nizko izhodno močjo signala. Za potrebe projekta jim je potrebno spremeniti te nastavitve in izbrati primeren frekvenčni kanal za povezavo. Na proizvajalčevi spletni strani dobimo računalniško aplikacijo za spreminjanje nastavitev. Za programiranje nastavitev je potrebna izdelava serijskega vmesnika za pretvorbo RS232 logičnih nivojev v TTL. V nasprotnem primeru lahko pride do uničenja modulov. Za pretvorbo je uporabljen integriran pretvornik logičnih nivojev MAX232, s potrebnimi elementi za delovaje [1]. Shema pretvornega vezja je na sliki Slika 3.3.3: Vezje za pretvorbo logičnih nivojev S tako izdelanim vezjem nato v oba modula vnesemo želene nastavitve. Slika prikazuje okno aplikacije in izbrane nastavitve. Ob zagonu aplikacije najprej v zgornjih zavihkih izberemo tip serije brezžičnega modula ER400. Zadnji zavihek je namenjen terminalskemu oknu, kjer lahko ob povezavi na osebni računalnik vizualno spremljamo prejete podatke (ASCII znake) ali pa jih pošiljamo. Ker imamo oddajno-sprejemni (transceiver) modul, je potrebno izbrati še možnost TRS.

31 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 31 Slika 3.3.4: Okno aplikacije za nastavite parametrov modula ER400TRS Serijska hitrost prenosa (Serial Data Rate) predstavlja hitrost prenosa podatkov med modulom in ciljnim mikrokrmilnikom. Glede na količino podatkov, ki jih prenašamo, zadostuje hitrost 9600 Bd. Bd je oznaka za Baud in pomeni količino poslanih ali prejetih simbolov informacije v eni sekundi. V izbranem načinu serijske komunikacije predstavlja vsak simbol skupek desetih bitov. Prvi bit (start bit) služi za označitev začetka prenosa, nato sledi kombinacija osmih podatkovnih bitov, zadnji bit (stop bit) pa označi konec prenosa informacije. V nekaterih načinih serijske komunikacije se uporablja še dodaten paritetni bit, ki služi za odkrivanje napak med prenosom. Omenjeno kodiranje po Manchester protokolu zadovoljivo odpravlja napake med prenosom, zato ti moduli ne uporabljajo paritetne tehnike. Simbolna hitrost brezžične zveze ni enaka simbolni hitrosti med gostiteljskim mikrokrmilnikom in modulom. Tovarniško je nastavljena na Bd in je uporabnik ne more spreminjati. Izhodna moč (Power Output) naj bo za daljši domet brezžične zveze nastavljena na največjo vrednost. V primeru izbranih modulov je to 10 mw. To je hkrati največja dovoljena efektivna izsevana moč amaterskih radijskih postaj (SRD - Short Range Devices) v frekvenčnem pasu s centralno frekvenco 433,92 MHz. Izsevana moč na anteni ni nujno enaka oddajni moči modulov, zato je ob uporabi kvalitetnejših vsesmernih (omnidirekcijskih) ali pa usmerjenih anten, potrebno upoštevati dobitek antene in ustrezno zmanjšati oddajno moč oddajnega modula.

32 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 32 Frekvenca (Frequency) se lahko izbira med desetimi možnimi frekvenčnimi kanali v področju med 433,23 MHz in 434,35 MHz. V tem frekvenčnem pasu sicer delujejo v času nastanka te diplomske naloge v Sloveniji trije radioamaterski repetitorji (S55UKK, S55ULR, S55UBO), vendar so večino časa neaktivni. Zmanjševanje porabe (Power Saving) pri teh modulih ni možno nastavljati. Testni način (Test Modes) je potrebno v meniju izklopiti z izbiro možnosti OFF. Za pravilno delovanje je to ključnega pomena, saj se v testnem načinu pošilja le nosilni signal brez moduliranih podatkov. 3.4 Oddajni del Elektronika oddajnega dela zbira uporabnikove ukaze preko računalniške igralne palice in jih brezžično pošlje sprejemniku na modelu Zahteve in lastnosti oddajnika Pri izdelavi oddajnega vezja želimo upoštevati naslednje lastnosti: hitra razpoznava ukazov in pošiljanje, vizualna potrditev poslanih ukazov, zanesljivo delovanje, majhna velikost tiskanine in majhna poraba energije. Vezje oddajnika mora v realnem času razbrati uporabnikove ukaze, jih obdelati ter poslati sprejemniku. Večino dela opravi mikrokrmilnik, ki po končanem pošiljanju z izpisom na prikazovalnik LCD tudi vizualno sporoči uporabniku vsebino poslanih komand. Tiskanina oddajnega dela je vgrajena v plastično ohišje, kjer sta nameščena še prikazovalnik LCD in vezje sprejemnika video signala, ki je komercialne izvedbe in je vgrajeno kot ločeni modul. Prostor v ohišju je omejen, zato pri izdelavi tiskanine in razporeditvi elementov pazimo na velikost.

33 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Blokovna shema in delovanje Slika prikazuje blokovno shemo oddajnega vezja. Mikrokrmilnik PIC16F877A od uporabnika prejema ukaze preko računalniške igralne palice. Podatke o želeni smeri in hitrosti dobi z analogno-digitalno pretvorbo (A/D) padcev napetosti na potenciometrih obeh osi ročice, ostale ukaze pa z branjem tipk, vgrajenih v ohišju igralne palice. Zbrane ukaze preko serijskega vmesnika sproti pošilja oddajnemu modulu. Prenos podatkov med krmilnikom in brezžičnim modulom teče neprekinjeno. Po zaključenem prenosu podatkov v modul, krmilnik izpiše vrednosti položaja igralne palice in informacije o pritisnjenih tipkah na prikazovalnik. Slika 3.4.1: Blokovna shema oddajnega vezja Krmilnik PIC16F877A Izbrani mikrokrmilnik spada med 8-bitne mikrokrmilnike ameriškega proizvajalca Microchip. Vsebuje FLASH programski pomnilnik velikosti zlogov, 368 zlogov RAM pomnilnika, EEPROM pomnilnik pa je velikosti 256 zlogov. Pri maksimalni frekvenci oscilatorja (20 MHZ) izvede pet milijonov inštrukcijskih ciklov na sekundo (MIPS). Vgrajen je potreben serijski vmesnik USART, do katerega dostopamo preko priključkov RC7 in RC6, dva pulzno-širinska (PWM) kanala na priključkih RC1 in RC2, dva 8-bitna in en 16-bitni časovnik, dva primerjalnika in osem A/D pretvornikov z natančnostjo deset bitov. Za uporabo v vezju oddajnika je primeren predvsem zaradi večjega števila V/I priključkov (33). Slika prikazuje imena in razpored priključkov izbranega mikrokrmilnika. Posamezen vhod ali izhod lahko obremenimo z največ 25 ma toka.

34 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 34 Slika 3.4.2: Mikrokrmilnik PIC16F877A in razpored priključkov Priprava krmilnika za uporabo ni zahtevna, saj za osnovno delovanje potrebuje malo spremljevalnih komponent. Na sliki je prikazana vezava potrebnih elementov za osnovno delovanje mikrokrmilnika PIC16F877A. Slika 3.4.3: Osnovno vezje za delovanje mikrokrmilnika PIC16F877A Krmilnik potrebuje za delovanje stabilen vir napetosti 5 V in oscilator za generiranje takta. Namesto zunanjega kristalnega oscilatorja je mogoče uporabiti tudi notranji oscilator, vendar je ta RC tipa, zato se raje odločimo za kristalnega, ki je natančnejši. Izbrani mikrokrmilnik podpira zunanje oscilatorje do frekvence 20 MHz. Za potrebe projekta zadostuje izbrana vrednost 4 MHz. Frekvenco je potrebno stabilizirati z vezavo dveh keramičnih kondenzatorjev, vrednosti 22 pf, med vsako priključno sponko oscilatorja in

35 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 35 maso. Program v krmilniku se prične izvajati šele, ko je zagotovljen visok napetostni nivo na priključku reset (MCLR). Napetost na tem priključku mora biti stabilna. Krmilnik sicer vsebuje notranje vezje za stabilizacijo te napetosti, vendar ta ne sme pasti za več kot 20 odstotkov napajalne, saj to povzroči reset mikrokrmilnika. Reset povzroči tudi izguba tega signala za več kot 2 µs. V primeru, da bi želeli namerno povzročiti reset krmilnika, lahko to storimo z vezavo prekinitvene tipke med MCLR priključkom in maso. Proizvajalec v tem primeru priporoča zaporedno vezavo upora, vrednosti med 50 in 100 Ω, med tipko in maso Igralna palica opis predelave in delovanje Za krmiljenje hitrosti in smeri modela smo izbrali odsluženo računalniško igralno palico Genius Maxfighter F-31D. V ohišju palice sta nameščena dva potenciometra, ki sta mehansko povezana s kontrolno ročico. S premikanjem ročice v X in Y smeri povzročimo spremembo upornosti obeh potenciometrov, preko katerih se določi informacija o premikih. V tovarniški izvedbi vsebuje igralna palica lastno vezje z mikrokrmilnikom za branje potenciometrov. Tega smo odstranili in potenciometra povezali z izbranimi vhodi mikrokrmilnika PIC16F877A, kot kaže slika Potenciometra v tej vezavi delujeta kot nastavljiva delilnika napetosti, s sredinskima odcepoma vezanima na vhoda dveh A/D pretvornikov. Mikrokrmilnik dobi informacijo o premiku igralne palice z meritvijo obeh napetosti. Za potrebe analogno-digitalne pretvorbe je na voljo osem A/D kanalov. Za branje potenciometrov krmilniku določimo priključka RD3 in RD2. Poleg potenciometrov je v ohišje igralne palice vgrajenih tudi 16 tipk, ki služijo za upravljanje ostalih funkcij modela. Z njimi se upravlja premikanje kamere, izmet vabe, izpust navezov in osvetlitev. Slika 3.4.4: Vezava potenciometrov

36 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 36 Vsako od tipk je mogoče priključili na svoj priključek krmilnika, vendar je zaradi zahteve po čim manjšem številu priključnih žic in porabljenih priključkov krmilnika, izvedena matrična vezava. Slika prikazuje izvedbo matrične vezave tipk in uporabljene priključke mikrokrmilnika PIC16F877A. Slika 3.4.5: Matrična vezava tipk Pri takšnem načinu vezave, krmilnik s signalom izmenično napaja stolpce in meri napetost na vrsticah. Najprej pošlje signal v prvi stolpec vezave in preveri, ali je katera od vrstic pod napetostjo. V primeru, da je takrat pritisnjena tipka 1, nastane spoj med linijo prvega stolpca in prve vrstice. Nato pošlje signal v drugi stolpec in zopet preveri napetosti na vrsticah. Krmilnik ciklično ponavlja ta zaporedja zelo hitro, tako da se detekcija pritiska katerekoli tipke izvrši praktično v trenutku. Predupori na linijah stolpcev poskrbijo za omejitev toka. V primeru 5-voltnega napajanja in uporabe uporov 1 kω, tako iz posameznega izhodnega priključka krmilnika teče tok 5 ma. Metoda je zelo praktična, saj je za branje 16 tipk potrebnih le 8 žic in priključkov krmilnika. Vezava je izvedena v ohišju igralne palice. Na sliki so prikazane funkcije posameznih tipk na igralni palici.

37 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 37 Slika 3.4.6: Igralna palica Genius MaxFghter F-31D in funkcije uporabljenih tipk Prikazovalnik LCD na oddajniku Ker želimo možnost potrditve pošiljanja in nadzor nad že poslanimi ukazi plovilu, je vezju oddajnika dodan LCD prikazovalni modul. Uporabljen je prikazovalnik z osvetlitvijo, dolžine 20 znakov in širine 4 vrstice. Za izpis znakov skrbi vgrajeni krmilnik Hitachi HD Modul je zelo preprost za povezavo z mikrokrmilniki, saj so za veliko programskih jezikov na voljo knjižnice za komunikacijo s temi krmilniki. Slika prikazuje uporabljen prikazovalnik. Slika 3.4.7: Prikazovalnik LCD na oddajniku Prikazovalnik je z mikrokrmilnikom povezan na način, ki omogoča 4-bitno komunikacijo s HD44780 krmilnikom. Za prenos podatkov so pri tem načinu nujni štirje priključki, za delovanje pa uporabimo še dve kontrolni liniji. V tabeli je prikazan vrstni red priključkov z imeni [3].

38 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 38 Tabela 3.4.1: Tabela priključkov prikazovalnika LCD na oddajniku Priključek Ime Vss Vdd V0 RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A C Pomen in oznake priključkov uporabljenega prikazovalnega modula so naslednje [3]: Ozemljitev- Vss [1] Ozemljitvena linija za priklop modula na skupno maso. Napajanje -Vdd [2] Napajanje modula z napetostjo 5 V. Napetost mora biti stabilna, zato med priključek in maso vežemo elektrolitski kondenzator, kapacitete 100 nf. Nastavitev kontrasta - V0 [3] Največji kontrast prikazovalnika bi dosegli z neposredno vezavo priključka na maso, vendar postane s tem prikaz slabo ločljiv. Za dosego optimalnega kontrasta med priključek in maso vežemo upor vrednosti 6 kω. Kontrolna linija za ločevanje tipa podatkov - RS (register select) [4] Če je ta linija na visokem logičnem nivoju krmilnik HD44780 bere podatke kot tekst za izpis. V nasprotnem primeru, če je linija na nizkem nivoju, podatke razume kot kontrolne ukaze. Med slednje spadajo ukazi za izbiro vrstice in mesta zapisa posameznih znakov, upravljanje s kurzorjem in podobno. Kontrolna linija za izbiro branja ali pisanja - R/W (Read/Write [5] Če je ta linija na nizkem nivoju se podatki vpisujejo v krmilnik HD44780, v nasprotnem primeru pa se iz njega berejo. Priključek vežemo na maso, saj se prikazovalnik uporablja le za izpis. Kontrolna linija za pretok podatkov - E (Enable) [6] Mikrokrmilnik postavi to linijo na visok logični nivo in s tem označi začetek prenosa podatkov. Po končanem prenosu, postavi linijo nazaj na nizek nivo.

39 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 39 Podatkovni priključki - DB4~DB7 (Data Bit 4 ~ Data Bit7) [7 ~ 14] Ti štirje priključki se uporabljajo za prenos podatkov med mikrokrmilnikom in prikazovalnikom ter tvorijo 4-bitno podatkovno vodilo. Izbrani modul podpira tudi hitrejšo, 8-bitno komunikacijo, vendar potrebuje osem podatkovnih linij. Izbran 4-bitni način je za potrebe projekta povsem dovolj, saj je količina podatkov za izpis majhna. Zmanjša se tudi potrebno število priključkov mikrokrmilnika. Na podatkovnih linijah je potrebno zagotoviti visoke logične nivoje, zato so vezani na napajanje. Dvižni upori vrednosti 1 kω služijo za omejitev toka. Anoda osvetlitvene diode - A (Anode) [15] Je pozitivna sponka vgrajene diode LED (Light Emitting Diode) za osvetlitev prikazovalnika. Za maksimalno osvetlitev pri 5-V napajanju ni potrebno dodajati predupora, saj ga prikazovalnik za to napetost že vsebuje. Sponko zato povežemo na napajanje. Katoda osvetlitvene diode - C (Cathode) [16] Je negativna sponka osvetlitvene diode LED. Vežemo jo na maso. Za povezavo prikazovalnika z mikrokrmilnikom je potrebnih nekaj dodatnih elementov. Slika prikazuje elemente in vezavo prikazovalnika. Dvižni upori vrednosti 1 kω zagotavljajo potrebno visoko logično stanje na podatkovnih linijah. Mikrokrmilnik ima na priključkih porta B, kjer so priključene podatkovne linije prikazovalnika, sicer vgrajene notranje dvižne upore, ki jih lahko programsko omogočamo, vendar smo se zaradi enostavnejše programske kode odločili za uporabo zunanjih. Gladilni kondenzator, vrednosti 100 µf, med napajalnim priključkom in maso služi za stabilizacijo napajalne napetosti. Med izhodni priključek V0 in maso vežemo upor vednosti 6 kω in tako nastavimo optimalen kontrast prikazovanja.

40 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 40 Slika 3.4.8: Vezje za povezavo modula LCD na oddajniku Napajanje oddajnega vezja Vezje oddajnika potrebuje za delovaje le vir 5-voltne napetosti. Uporabljene komponente imajo majhno tokovno porabo, hkrati pa v vezju ni induktivnih porabnikov, ki bi ob vklopih slabšali stabilnost napajalne napetosti. Kljub temu moramo zagotoviti stabilen vir napajanja, ki bo učinkovito pretvarjal 12-voltno napetost baterije. Za ta namen uporabimo 5-voltni napetostni regulator L7805CV. Regulator daje na izhodu napetost 5 V, s toleranco 35 mv. Ima nizko izhodno upornost in je s primernim hladilnim elementom zmožen zagotavljati tokove do 1,2 A. Vsebuje termalno in pretokovno zaščito. Za delovanje ne potrebuje posebnih komponent, zaželeno pa je dodati gladilne kondenzatorje med obe priključni sponki in maso. Na sliki je prikazana vezava napetostnega stabilizatorja L7805CV.

41 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 41 Slika 3.4.9: Shema priklopa napetostnega regulatorja L7805CV 3.5 Sprejemni del Zahteve in lastnosti sprejemnika Vezje sprejemnika je nameščeno na plovilu in mora zadostiti naslednjim zahtevam: hitro in učinkovito izvajanje prejetih ukazov, majhna poraba energije, majhna velikost in zanesljivo delovanje. Od sprejemnika pričakujemo hitro in učinkovito izvajanje prejetih ukazov, zato sta v tem vezju uporabljena dva mikrokrmilnika. Vhodne podatkovne priključke obeh mikrokrmilnikov združimo in s tem ustvarimo skupno podatkovno vodilo in s tem dosežemo delitev opravil ter vzporedno izvajanje ključnih funkcij modela. Zaradi varčevanja s prostorom na tiskanini uporabimo komponente z integriranimi vezji, kjer je to mogoče. Z ločitvijo napajanja mikrokrmilnikov od ostalih porabnikov poskrbimo za nemoteno delovanje vseh komponent. Ločevanje podatkovnih in napajalnih linij pri načrtovanju tiskanine še dodatno prispeva k zanesljivosti delovanja sprejemnika Blokovna shema in delovanje Na sliki je prikazana blokovna shema elementov sprejemnika. Osrednja elementa sprejemnega vezja, sta mikrokrmilnika PIC16F876A. Vhodna priključka njunih serijskih vmesnikov (Rx) povežemo in priključimo na podatkovni izhod sprejemnega modula ER400TRS. S tem ustvarimo skupno podatkovno vodilo.

42 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 42 Slika 3.5.1: Blokovna shema sprejemnika Podatke, namenjene posameznemu mikrokrmilniku ločimo programsko, s programsko dodelitvijo naslova vsakemu od krmilnikov. Funkcije, kot so krmiljenje pogonskih motorjev in premikanje kamere, se tako lahko izvajajo vzporedno. To omogoča spremljanje dogajanja okoli modela med plovbo. Prvi mikrokrmilnik skrbi za spreminjanje smeri in hitrosti vrtenja pogonskih motorjev. Oba enosmerna motorja sta velika tokovna porabnika, zato ju ne moremo neposredno priključiti na izhode krmilnika. Potrebujemo vmesniško vezje, ki je sposobno zagotoviti večje tokove in napetosti. Izbrali smo integrirano različico vezja, znanega pod imenom H-most, v obliki čipa L298N. Podrobneje bo opisan v nadaljevanju. Isti mikrokrmilnik je uporabljen tudi za krmiljenje koračnega motorja pri pogonu sistema za izmet vabe. Tudi tega krmilimo posredno, preko integriranega ojačevalnega vezja ULN2803A. S pomočjo tega vezja prvi mikrokrmilnik tudi vklaplja in izklaplja oba načina osvetlitve modela. Z drugim mikrokrmilnikom izpisujemo stanje akumulatorskih baterij na krovu in krmilimo servo motorje. Za premikanje kamere zadostuje en servo motor, saj jo premikamo le v horizontalni smeri. Preostala motorja sta uporabljena za izpust obeh navezov. Krmiljenje servo motorjev ne potrebuje dodatnih vmesniških vezij, saj ti motorji že vsebujejo vgrajeno

43 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 43 krmilno elektroniko. Z mikrokrmilnikom elektroniki le posredujemo podatke o želenih položajih osi. Oba mikrokrmilnika med delovanjem vklapljata in izklapljata statusne diode LED, ki vizualno prikazujejo izvajanje nekaterih funkcij programske kode. Vsak krmili po dve diodi. Prva služi kot pokazatelj neprekinjenega delovanja in je ves čas vklopljena, drugo pa krmilnik kratko vklopi, kadar prispeli podatki niso namenjeni njemu. S tem je dosežen stalen nadzor operativnega stanja programske kode v krmilniku. V primeru nepravilnega delovanja tako lažje odkrijemo napake Krmilnik PIC16F876A Po lastnostih je enak krmilniku PIC16F877A, ki je uporabljen pri oddajniku, le da je ta v manjšem ohišju (28 priključnih sponk) in ima pet priključkov za A/D pretvorbo. Razpored priključkov je prikazan na sliki Slika 3.5.2: Razpored priključkov krmilnika PIC16F876A Enaki so tudi elementi za osnovni priklop in delovanje. Za generiranje frekvence delovanja je tudi pri tem mikrokrmilniku uporabljen kvarčni oscilator s frekvenco 4 MHz. Priključimo ga na priključka 9 in 10. Večjo zanesljivost oscilatorja dosežemo z dvema keramičnima kondenzatorjema kapacitivnost 22 pf, ki ju vežemo med priključka oscilatorja in maso. Slika prikazuje priključitev osnovnih elementov za delovanje mikrokrmilnika PIC16F876A.

44 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 44 Slika 3.5.3: Osnovno vezje za delovanje mikrokrmilnika PIC16F876A Pogonska motorja Graupner Speed 400 Za pogonska motorja smo izbrali pogosto uporabljan model modelarskih enosmernih krtačnih motorjev. Te motorje je mogoče napajati tudi z nekoliko višjimi napetostmi od nazivne, odlikuje pa jih tudi dober izkoristek. Tabela prikazuje nekatere tehnične podatke izbranega motorja [4]. Tabela 3.5.1: Izbrani tehnični podatki motorja Graupner Speed 400 Nazivna napetost 6 V Območje obratovalne napetosti 2,4-8,2 V Število vrtljajev v minuti pri neobremenjenem motorju Tokovna poraba brez obremenitve 0,7 A Tokovna poraba pri največjem izkoristku 4 A Največji izkoristek brez prenosov 70 % Premer ohišja 27,7 mm Uporabljena enosmerna motorja sta krtačnega tipa s komutatorjem. Komutator je izveden mehansko in skupaj s krtačkami služi za prepolarizacijo navitja, vsakih 180 stopinj obrata osi. S tem ustvari vrtilni moment, ki poganja rotor. Elektromagnetno (EM) polje v navitju se razširja tudi izven ohišja, zato tak motor hkrati deluje tudi kot oddajnik motilnega elektromagnetnega signala. Kadar so hitrosti motorja majhne, tokovi pa nizki, običajno pojav ni moteč. Pri višjih hitrostih pa so frekvence teh signalov lahko v frekvenčnem pasu

45 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 45 reda MHz. To lahko povzroča motnje v komunikacijah, predvsem pri radijskih zvezah. Motilne frekvence elektromagnetnih signalov modelarskih motorjev običajno dušimo z uporabo filtrirnih kondenzatorjev, ki jih vežemo med priključne sponke napajanja. Zaželeno je, da so keramični in nameščeni čim bližje komutatorju, zato jih imajo nekateri motorji vgrajene v ohišjih. V uporabljenih motorjih sta kondenzatorja vrednosti 47 nf H-most Model krmarimo s spreminjanjem smeri vrtenja in hitrosti posameznega motorja. Za dosego spremembe smeri enosmernih motorjev je potrebno zamenjati polariteto priključnih sponk. Elektronsko to storimo s posebnim vezjem, imenovanim H-most (H-bridge). Ime izhaja iz oblike vezja, ki spominja na črko H. Slika prikazuje princip delovanja. Slika 3.5.4: Princip delovanja vezja H-most. S preklapljanjem štirih stikal dosežemo spremembo smeri toka skozi motor, s čimer se zamenja tudi smer vrtenja enosmernega motorja. S sklenjenima stikaloma S1 in S4, teče tok skozi navitje motorja v smeri od leve proti desni. Motor se vrti v levo. Pri tem sta stikala S3 in S2 odprta. Ko želimo obrniti smer vrtenja, postopamo obratno. S1 in S4 razklenemo, sklenemo pa stikala S3 in S2. Tok v motor sedaj teče od desne proti levi, zato se motor vrti v desno. Hkrati vklopimo in izklopimo po dve stikali, zato sta za takšno krmiljenje potrebna le dva krmilna signala. Z vklopi S1 in S3 (ali S2 in S4), lahko zaviramo vrtenje motorja, saj takrat napravimo kratek stik navitja. Vrteči se motor bi deloval kot generator, katerega inducirana napetost bi poskušala zavrteti rotor v drugo smer. Tega načina delovanja ne potrebujemo. V primeru sklenitve stikal S1 in S2 (ali S3 in S4), bi v vezju nastal kratek stik napajalne napetosti, zato takšna kombinacija vklopov

46 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 46 stikal ni dovoljena. Pri izgradnji teh vezij za manjše tokove namesto stikal običajno uporabimo tranzistorje. Največkrat so zgrajeni z uporabo MOSFET tranzistorjev, vezja pa se dobijo tudi v integrirani obliki. Zaradi varčevanja s prostorom na tiskanini in želje po čim večji integraciji smo se tudi mi odločili za takšno izvedbo. Ker imamo dva pogonska motorja, ki ju želimo krmiliti neodvisno, smo izbrali čip L298N [5]. Vsebuje dvojno H- most vezje (vezje I, II) v ohišju na sliki Izvedba je primerna za krmiljenje induktivnih bremen, kot so enosmerni krtačni motorji, koračni motorji, releji in tuljave. Z njim je možno regulirati napetosti do 48 V, s tokovi do 4 A. Z montažo primernega hladilnega elementa, lahko tokovno območje še nekoliko povečamo, kar tudi storimo. Proti pregrevanju je vgrajena toplotna zaščita. Ima ločeni napajalni liniji za krmilno logiko in bremena. Vhodi se krmilijo napetostno, s pulzi standardne tranzistorsko-tranzistorske logike (TTL). Slika 3.5.5: Integrirana izvedba dvojnega H-most vezja - L298N. Pomen in razpored petnajstih priključkov gonilnika L298N prikazuje slika Slika 3.5.6: Razpored priključkov L298N

47 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 47 Tokovni izhod vezja II - Current sensing II [1] Preko tega priključka se s povezavo na maso zaključi tokokrog vezja II. Če je med tem priključkom in maso vezan merilni (Shunt) upor, lahko preko padca napetosti na njem merimo tok priključenega bremena. Tokovne porabe pogonskih motorjev ne merimo, zato ta priključek vežemo na maso. Izhod 1- Out1 [2] Prvi izhod H-most vezja I. Povezan je s prvo sponko motorja v levem trupu modela. Izhod 2 - Out2 [3] Drugi izhod H-most vezja I. Povezan je z drugo sponko motorja v levem trupu modela. Napajalna napetost bremena - Vs [4] Na to sponko se priključi napajalna napetost za motorja. Ko želimo največjo hitrost vrtenja motorjev, vezje prepušča praktično vso napetost te sponke na izhodne priključke. Ker ne želimo napajati motorjev z napetostjo večjo od 8 V, naj bo napetost na tej sponki 8 V. Vhod - In1 [5] Priključek za vhodni krmilni signal H-most vezja I. S pulzi na tem priključku krmilimo napetost na izhodu 1. Omogočitev vezja I - En I [6] Preko tega vhodnega priključka je možen izklop delovanja H-most vezja I. Delovanje je omogočeno le, kadar je na tem priključku visok logični nivo. Priključek omogoča neposreden priklop na mikrokrmilnik in je namenjen zmanjševanju energijske porabe kadar vezje I ni aktivno. Poraba vezja v stanju mirovanja je zanemarljiva, zato ta priključek vežemo na potencial krmilne logike (5 V). Vhod 2 - In2 [7] Priključek za vhodni krmilni signal H-most vezja I. S pulzi na tem priključku krmilimo napetost na izhodu 2.

48 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 48 Ozemljitev - Gnd [8] Ozemljitvena linija za priklop gonilnika L298N na skupno maso. Napajalna napetost krmilne logike - Vss [9] Krmilna logika gonilnika L298N deluje z napetostjo 5 V, zato ta priključek povežemo z napajalno napetostjo mikrokrmilnikov. Vhod 3 - In3 [10] Priključek za vhodni krmilni signal H-most vezja II. S pulzi na tem priključku krmilimo napetost na izhodu 3. Omogočitev vezja II - En II [11] Preko tega vhodnega priključka je možen izklop delovanja H-most vezja II. Tudi to vezje je ves čas aktivno, zato priključek vežemo na potencial krmilne logike. Vhod 4 - In4 [12] Priključek za vhodni krmilni signal H-most vezja II. S pulzi na tem priključku krmilimo napetost na izhodu 4. Izhod 3 - Out3 [13] Prvi izhod H-most vezja II. Povezan je s prvo sponko motorja v desnem trupu modela. Izhod 4 - Out4 [14] Drugi izhod H-most vezja II. Povezan je z drugo sponko motorja v desnem trupu modela. Tokovni izhod vezja I - Current sensing I [15] Preko tega priključka se s povezavo na maso zaključi tokokrog vezja I. Ker tokov motorjev ne merimo, priključek brez merilnega upora vežemo na maso. Integrirano vezje L298N je sestavljeno iz dveh enakih H-most vezij z bipolarnimi tranzistorji. Na sliki je prikazana poenostavljena notranja struktura elementa.

49 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 49 Slika 3.5.7: Notranja zgradba L298N Na baze zgornjih tranzistorjev so priključena standardna logična IN vrata, na baze spodnjih pa IN vrata z invertiranim enim od vhodov. Za delovanje posameznega vezja mora biti to najprej omogočeno z visokim napetostnim nivojem na omogočitvenih priključkih En I in En II. Ko je prisoten signal na vhodu In1, sta odprta tranzistorja A in D. Izhodni tok v tem primeru teče iz priključka Out1, preko motorja, v Out2. V primeru, da je krmilni signal prisoten na vhodu In2, teče tok v obratni smeri. Na izhodne priključke Out1 in Out2 priključimo prvi motor, na Out3 in Out4 pa drugega. Zaradi logičnih vrat na vhodih tranzistorjev moramo vezje krmiliti s TTL logičnimi nivoji. Takšna vezava je ugodna, saj lahko vhode priključimo neposredno na mikrokrmilnik. Hitrost vrtenja motorjev spreminjamo z uporabo pulzno-širinske modulacije (PWM). Ta tehnika se pogosto uporablja za krmiljenje moči bremen. Napetost na izhodu spreminjamo v obliki pulzov različnih dolžin. Razmerje med signalom in pavzo določa povprečno vrednost napetosti (in toka), ki jo breme občuti. Temu razmerju pravimo delovni cikel (Duty cycle). Na sliki je prikazan princip pulzno-širinske modulacije. Ko je razmerje med visoko in nizko vrednostjo signala v eni periodi T enako, breme na izhodu vezja občuti polovično vrednost napajalne napetosti. V drugem signalu na sliki 3.5.8, je visok nivo signala samo 20 % periode. Izhodna napetost je v tem primeru 20 odstotkov napajalne. Frekvenco pulzov izberemo dovolj visoko, da motor gladko teče. Izbrali smo frekvenco 2 khz.

50 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 50 Slika 3.5.8: Pulzno-širinska modulacija (PWM) S pulzno moduliranimi signali na vhodih obeh H-most vezij torej spreminjamo napetosti na obeh izhodih, s preklopi teh signalov na ustrezne vhode pa še smeri tokov. Za izbrano krmiljenje potrebujemo štiri pulzno modulirane signale, mikrokrmilnik PIC16F876A pa ima le dva strojno implementirana PWM izhodna priključka. Seveda je možno uporabili tudi splošno namenske izhode krmilnika in pulze generirati programsko, vendar je prednost namenskih v tem, da poteka generiranje signalov vzporedno z ostalimi funkcijami programske kode. Pomanjkanje teh priključkov smo rešili tako, da vsakemu motorju namenimo po en PWM kanal mikrokrmilnika, nato pa signal preklapljamo med obema vhodoma posameznega H-most vezja. Preklope izvedemo z dvema relejema, ki delujeta kot signalni kretnici. Z enim preklapljamo prvi kanal med priključkoma In1 in In2, ko krmilimo levi motor, z drugim pa vodimo drugi kanal na priključke In3 ali In4, za krmiljenje desnega motorja. Slika prikazuje uporabljeno vezje za krmiljenje pogonskih motorjev. Oba PWM signala dobimo iz izhodnih priključkov RC1 in RC2 prvega mikrokrmilnika PIC16F876A in jih s preklopi obeh relejev vodimo na ustrezne vhode gonilnika L298N. Uporabljena sta releja z dvojnim stanjem (Two State Relay). Od običajnih relejev se razlikujeta po tem, da ohranita izbrano stanje tudi po prekinitvi napajanja preklopne tuljavice. S tem porabljata tok le ob preklopih in prispevata k manjši porabi energije. Tranzistorji BC547 so NPN tipa in služijo kot ojačevalne stopnje za krmiljenje relejev. Vezani so v orientaciji s skupnim emitorjem. Krmilimo jih s signali istega mikrokrmilnika, preko izhodnih priključkov od RB4 do RB7.

51 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 51 Slika 3.5.9: Krmilno vezje pogonskih motorjev Koračni motor in gonilno vezje Izmet vabe se izvaja z natančnimi premiki sistema za izmet. Ker gre pri tem sistemu za krožno zajemanje, za pogon izberemo koračni motor s primernim zobniškim reduktorjem moči in jermenskim prenosom. Koračni motorji imajo za razliko od krtačnih več navitij, ki omogočajo premike po korakih. Obstaja več tipov teh motorjev, uporabljena pa je štirifazna, unipolarna izvedba. Razlog je v enostavnem krmiljenju in tudi tem, da jih lahko vzamemo iz odsluženega tiskalnika, kjer se pogosto uporabljajo. Na sliki je prikazana zgradba uporabljenega motorja. Slika : Koračni motor SMB B

52 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 52 Motor pri polnem obratu osi napravi 48 korakov, kar pomeni 7,5 na korak. Ima dve navitji, s skupno vezanima sredinskima odcepoma. To daje štiri krmilne priključke ali faze, od koder izhaja tudi ime štiri-fazni koračni motor. Slika prikazuje poenostavljen princip izvedbe navitij. Tok skozi posamezno fazo ustvari v tem delu navitja magnetno polje, ki pritegne os, pritrjeno na trajni magnet. V primeru napajanja navitij v zaporedju od F1 do F4, bi se rotor motorja zavrtel v protiurni smeri. Hitrost motorja je odvisna od hitrosti preklapljanja signala med fazami. Izvedba na sliki opravi le štiri korake za polni obrat osi, zato so dejanske izvedbe motorjev napravljene dosti bolj kompleksno. Navitja uporabljenega motorja so dimenzionirana za napetosti 12 V in porabo toka 0,24 A na posamezno fazo. Ne smemo jih neposredno priključiti na izhode mikrokrmilnikov, temveč jih moramo prej ojačiti. Uporabljeni so tranzistorji tipa NPN v Darlington vezavi. Glede načina priključitve in krmiljenja posameznih faz imamo na voljo več možnosti. Običajno sta sredinska odcepa združena in jih vežemo na pozitivni pol napajanja, vse štiri faze pa krmilimo tranzistorsko. Tranzistorji ustvarjajo stik navitij z maso in tako zaključijo tokokroge. Glede zaporedja in smeri tokov v navitja poznamo več načinov delovanja, oziroma krmiljenja. Smeri toka ne bomo obračali, prav tako bomo vklapljali hkrati le po eno fazo. Takšen način sicer ustvarja najmanjši navor motorja, vendar za delovanje porabi najmanj toka. Ker za sistem izmeta vabe ni potrebna velika moč, smo se odločili za varčnejšo izvedbo krmiljenja. Slika : Princip navitij koračnega motorja

53 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 53 Zaradi varčevanja s prostorom na tiskanini je uporabljena integrirana izvedba polja NPN tranzistorjev, v obliki čipa ULN2803A [6]. Blokovna shema elementa z razporedom priključnih sponk je prikazana na sliki Slika : Blokovna shema in razpored priključkov čipa ULN2803A ULN2803A vsebuje osem ločenih tranzistorskih ojačevalnih stopenj v Darlington vezavi. Takšna vezava je sestavljena iz dveh tranzistorjev, ki sta v uporabljeni izvedbi vezana v orientaciji s skupnim emitorjem. Notranja zgradba ojačevalnega elementa je prikazana na sliki Slika : Darlington vezava tranzistorjev v ojačevalnem elementu ULN2803A Vezava se uporablja za različne namene, kjer želimo visoke stopnje ojačenja. Z vgrajenim baznim uporom 2,7 kω so ojačevalne stopnje primerne za krmiljenje z vhodnimi napetostmi do 5 V, bazni tokovi pa so omejeni na največ 25 ma. Tako je mogoče vezje

54 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 54 krmiliti neposredno z mikrokrmilniki. Posamezen izhod lahko obremenimo s konstantnim tokom največ 500 ma ter napetostjo 50 V. To je več kot dovolj za krmiljenje navitij izbranega koračnega motorja. Če bi želeli krmiliti večje tokove, bi lahko z vzporedno vezavo vhodov in izhodov združili več stopenj. Izhodi vsebujejo zaščitne diode, ki ob izklopih induktivnih porabnikov, kot so navitja, preprečujejo uničenje tranzistorjev. Za krmiljenje koračnega motorja so uporabljene štiri ojačevalne stopnje, zato lahko preostale štiri uporabimo za napajanje svetlečih diod modela (LED). Služile nam bodo za osvetljevanje okolice med plovbo ponoči. Vezje za krmiljenje koračnega motorja je prikazano na sliki Slika : Vezje za krmiljenje koračnega motorja z gonilnim vezjem ULN2803A Servo motorji V modelarstvu se zaradi svojih edinstvenih lastnosti pogosto uporabljajo enosmerni servo motorji. Njihova značilnost je krmiljenje pogonske osi po korakih premika. Za razliko od koračnih motorjev ti za premike osi ne vsebujejo ločenih navitij, ampak imajo vgrajene enosmerne krtačne motorje z zobniškimi prenosi. Delovanje motorja krmili vgrajeno vezje, ki poganja motor dokler pogonska os ne doseže želenega kota zasuka. Informacijo o trenutnem položaju osi dobi preko spremembe upornosti potenciometra, katerega os je mehansko povezana s pogonsko. Na sliki je predstavljena zgradba tipičnega modelarskega servo motorja.

55 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 55 Slika : Zgradba modelarskega servo motorja Motorji so običajno napajani z napetostjo 5 V, tok pa je odvisen od navora. Imajo tri priključne sponke, od katerih sta dve za napajanje z enosmerno napetostjo, tretja pa je krmilna, po kateri pošiljamo krmilne pulze za želene kote zasuka. Večina modelarskih servo motorjev omogoča 180-stopinjske kote zasuka. Srednji položaj osi je na 90, nato pa lahko os po korakih premikamo levo ali desno v obe skrajni legi. Koti zasuka so določeni z dolžinami pulzov, ki jih pošiljamo krmilnemu vezju. Proizvajalci servo motorjev uporabljajo nekoliko različne dolžine pulzov, vendar pa se večina motorjev krmili s pulzi dolžine med eno in dvema milisekundama, kot prikazuje slika Za delovanje je pomembna tudi frekvenca pulzov, saj vezja servo motorjev merijo čas trajanja visokega nivoja pulza, glede na celotno periodo. Ta mora pri večini servo motorjev znašati 20 ms. Frekvenca pulzov je torej 50 Hz. V primeru, da želimo spremembo kota osi iz enega skrajnega položaja v drugi, mora biti vlak krmilnih pulzov med premikom ves čas prisoten, zato je pomemben podatek za praktično uporabo servo motorjev tudi dolžina trajanja krmilnega signala. Običajno zasuk za 180 ne traja dlje od ene sekunde. Pri kvalitetnejših servo motorjih, vgrajena krmilna elektronika spreminja napetost

56 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 56 pogonskemu motorju v odvisnosti od predhodnega položaja osi in želenega kota zasuka. Večji kot je potreben zasuk glede na trenutni položaj osi, večja bo začetna hitrost motorja. Ko se os približa končnemu položaju, vezje zmanjša hitrost. Slika : Krmilni signali in koti zasuka modelarskih servo motorjev Vse parametre pulzov nastavimo s krmilnim vezjem. Za krmiljenje servo motorjev je uporabljen drugi mikrokrmilnik PIC16F876A. Razlog za uporabo dveh mikrokrmilnikov je ravno v časih trajanja krmilnih signalov servo motorjev, da se ti lahko prevrtijo med skrajnima legama. V primeru, da bi samo enemu od treh servo motorjev želeli spremeniti kot zasuka iz ene skrajne lege v drugo, bi lahko ta proces trajal eno sekundo, kar bi mikrokrmilniku onemogočilo izvajanje drugih funkcij kot je krmiljenje pogonskih motorjev. Ker imajo uporabljeni servo motorji lastno krmilno vezje, signali za upravljanje pa so kompatibilni s TTL nivoji mikrokrmilnika, jih lahko priključimo neposredno na njegove izhodne priključke. Z njim krmilimo oba servo motorja za izpust navezov in enega za premikanje kamere Osvetlitev Ker želimo, da bo mogoče model uporabljati tudi v temi, mu dodamo osvetlitvene diode. Uporabljena kamera je občutljiva na infrardečo svetlobo (IR), zato lahko okoli objektiva v ohišju kamere namestimo infrardeče diode, na trup čolna pa svetleče LED diode z belo svetlobo. Infrardečo svetlobo delimo po valovni dolžini na tri pasove. V video nadzornih sistemih se za osvetlitev največ uporablja prvi pas, ki je valovne dolžine med 700 in 1400 nm. Uporabljene infrardeče diode, imajo valovno dolžino 850 nm.

57 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 57 Za infrardečo osvetlitev je uporabljeno že obstoječe vezje, ki vsebuje 36 infrardečih diod. Na tiskanini je stikalno vezje s fotouporom, ki diodam vklopi napajanje, ko postane svetloba v okolici prešibka. Tiskanina ima na sredini izvrtino za namestitev preko objektiva kamere. Slika prikazuje uporabljeno tiskanino z IR diodami. Slika : Tiskanina z IR diodami in fotouporom Pri napajanju z 12 V porabi vezje 80 ma toka. Poraba omogoča krmiljenje preko ULN2803A čipa, na katerem so ostali še štirje prosti pari priključkov. Vklop in izklop vezja krmilimo s prvim mikrokrmilnikom PIC16F876A, preko priključka RA Prikazovalnik LCD na sprejemniku Prikazovalnik uporabljamo za nadzor kapacitete baterij na krovu. Ker je uporabljeno ločeno napajanje večjih tokovnih porabnikov in mikrokrmilnikov, je potrebno prikazovati dve številčni vrednosti o stanju kapacitete baterij. Uporabljen je prikazovalnik z dvema vrsticama po 16 znakov. Prikazovalnik je zaradi nižje cene in varčevanja z energijo brez osvetlitve. Modul prikazovalnika ima grajen enak krmilnik, kot tisti na oddajni strani. Enak je tudi razpored priključkov ter njihove funkcije, zato je podobna tudi priključna shema (slika ). Vezje se od vezave prikazovalnika na oddajni strani razlikuje le v tem, da ni priklopa za osvetlitev in da je za nastavitev optimalnega kontrasta uporabljen upor vrednosti 1 kω. Tudi pri tem prikazovalniku je uporabljena štiri-bitna komunikacija, s priključki od DB4 do DB7. Krmili ga isti mikrokrmilnik kot servo motorje.

58 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 58 Slika : Priključna shema prikazovalnika LCD na sprejemniku Napajanje Vezje sprejemnika napaja in krmili mnogo večje porabnike kot oddajniško, poleg tega pa jih je večina induktivnega značaja. Med takšne porabnike sodita oba pogonska motorja, koračni motor in tudi servo motorji, saj tudi ti vsebujejo navitja. Slabost induktivnih bremen pride najbolj do izraza pri vklopih motorjev, saj je začetni tok pri zagonu lahko tudi nekajkrat višji kot med delovanjem. Oba pogonska motorja sta celo krmiljena s pulzno napetostjo, pri čemer se motorju neprestano prekinja napajanje. Tudi vrtenje koračnega motorja poteka z zaporednimi vklopi posameznih navitij. Posledica tega so veliki padci napetosti na napajalnih linijah. Ker je napajanje modela baterijsko, se ti padci z iztrošenostjo baterije le še povečujejo. Za napajanje mikrokrmilnikov je zaželena čim bolj stabilna napajalna napetost, zato smo se odločili za ločeno napajanje krmilne logike in ostalih porabnikov. Za napajanje mikrokrmilnikov in prikazovalnika je uporabljena svinčena akumulatorska baterija manjše kapacitete (1,2 Ah), z napetostjo 12 V. Ostale porabnike napajamo z dvema svinčenima baterijama kapacitete 2,3 Ah, napetosti 12 V. Z njuno vzporedno vezavo povečamo tokovno zmogljivost, oziroma podvojimo kapaciteto napajanja. Za pravilno delovanje elektronike je pomembno, da sta masi obeh virov napetosti povezani. Razlog za uporabo svinčenih baterij je pravzaprav v njihovi teži. Velikost modela in lahka konstrukcija zahtevata dodatno obtežitev, saj bi drugače plovilo imelo premajhen ugrez za pogonska propelerja. Dodatna prednost teh baterij je v ceni. Za enako kapaciteto drugih tipov baterij bi plačali več.

59 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 59 Koračni motor v sprejemnem vezju je dimenzioniran za napetost 12 V, zato ga lahko napajamo neposredno, z napetostjo akumulatorja, ostalim porabnikom pa moramo zagotoviti ustrezne nižje napetosti. Pogonska motorja sta sicer dimenzionirana za napajanje s šestimi volti, vendar bomo gonilno H-most vezje napajali z napetostjo 8 V. Razlog je v skupnem padcu napetosti na obeh bipolarnih tranzistorjih v krmilnem vezju, ki lahko preseže 2 V [5, stran 3]. 8-voltno napetost dobimo z uporabo napetostnega regulatorja L7808, v TO220 ohišju. Na izhodu daje stabiliziran vir napetosti 8 V in toka do 1,5 A. S primernim hladilnim elementom lahko izhodni tok še nekoliko povečamo. Kljub dodanim hladilnim elementom, je tokovna poraba pogonskih motorjev še vedno prevelika, zato vzporedno vežemo dva regulatorja in tako podvojimo tokovno zmogljivost. Vhodni sponki obeh regulatorjev priključimo na vir napetosti bremen. Slika prikazuje vezavo obeh regulatorjev. Slika : Vzporedna vezava dveh napetostnih regulatorjev LM7808 Za napajanje obeh mikrokrmilnikov in krmilne logike H-most gonilnega vezja potrebujemo vir 5-voltne napetosti. Uporabljen je enak napetostni stabilizator kot pri oddajnem vezju. Tudi servo motorje napajamo z napetostjo 5 V. Ker ne želimo uporabiti napajanja iz vira za mikrokrmilnike, potrebujemo dodatni 5-voltni regulator, katerega vhodno sponko priključimo na vir napetosti bremen. Tudi oba 5-voltna regulatorja sta v izvedbi s TO220 ohišjem. Čeprav je zagotovljene več kot dovolj energije za zahtevano polurno avtonomijo modela, vseeno izvedemo nadzor kapacitete baterij. Uporabimo lahko posredno metodo merjenja, preko napetosti baterij. Merjenje kapacitete, preko napetosti na sponkah baterije, je sicer dokaj nenatančna metoda, vendar je relativno dober pokazatelj glede na kompleksnost vezja za merjenje. Iz grafa na sliki je razviden potek napetosti tipične 12-voltne svinčene akumulatorske baterije v odvisnosti od stanja napolnjenosti.

60 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 60 Slika : Napetost tipične svinčene 12-V baterije v odvisnosti od napolnjenosti Iz grafa je razvidno, da je padec napetosti na sponkah baterije dokaj linearno odvisen od kapacitete, vse do 10-odstotne napolnjenosti, nato pa napetost strmo pade. Iz grafa sklepamo, da ta tip baterije ni primeren za globoko izpraznjenje. Ko pade napetost pod mejo 11,5 V jih moramo ponovno napolniti. Ta metoda merjenja kapacitete je najbolj zanesljiva pri neobremenjenem stanju baterij, saj tokovi med delovanjem bremen povzročajo velike padce napetosti na baterijah. 3.6 Zajem slike in prenos video signala Model želimo opremiti z brezžičnim sistemom za zajem slike in prenos video signala. Ker so v teh vezjih prisotni visokofrekvenčni signali, vezja pa so kompleksna, raje uporabimo obstoječo komercialno izvedbo. Pri izbiri pazimo na skladnost oddajne moči in frekvence z Uredbo o načrtu razporeditve radiofrekvenčnih pasov [8].

61 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Zahteve in lastnosti Razvoj brezžičnega sistema za zajemanje in prenos video signala ni bil predmet raziskave, zato smo uporabili že izdelano komercialno izvedbo. Pri nakupu je potrebno upoštevati naslednje lastnosti sistema: čim manjša poraba energije, zajemanje, prenos in reprodukcija barvne slike, stabilnost prenosa signala, domet zveze vsaj 30 metrov in nizka cena CMOS kamera Pri izbiri tipa svetlobnega senzorja kamere sta na voljo tehnologiji CCD in CMOS. V obeh tehnologijah se vrši pretvorba fotonov v elektrone na podoben način kot v sončnih celicah. Razlika med tipoma je v načinu detekcije naboja posamezne točke senzorja. Pri CCD tehniki se naboj posamezne svetlobne točke prenaša po induciranih kanalih in se ovrednoti na robu senzorskega polja. CMOS senzorji pa imajo vgrajene tranzistorje za vsako svetlobno točko posebej. Nameščeni so v senzorskem polju. Nekaj fotonov tako zadene tudi tranzistorje, posledica česa je nekoliko manj kvalitetna slika. Prednost CMOS tehnologije svetlobnih senzorjev pa je, da za pretvorbo svetlobe in delovanje ni potrebno dosti energije. Postopek izdelave senzorja je enak kot pri izdelavi integriranih vezij, zato so CMOS kamere dosti cenejše od CCD. Nizka cena in majhna poraba energije sta bili razlog za izbiro CMOS tipa kamere. Modul uporabljene kamere ima vgrajeno vezje za pretvorbo digitalne informacije o sliki v analogni signal na izhodu. Ima programsko implementirano sito infrardečega dela svetlobnega spektra, ki te žarke filtrira, kadar je na voljo dovolj sončne svetlobe. Takrat se tvori informacija o barvni sliki. Ko nivo svetlobe pade pod določeno mejo se filtriranje izklopi in modul posreduje črno belo sliko. V tem načinu je senzor občutljiv na infrardečo svetlobo. Na sliki je prikazan modul uporabljene CMOS kamere.

62 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 62 Slika 3.6.1: Modul barvne CMOS kamere Modul je sestavljen iz treh glavnih komponent - svetlobnega CMOS senzorja, objektiva z lečo in vezja za pretvorbo digitalne informacije o sliki v analogni video signal. CMOS svetlobni senzor pretvarja zajeto svetlobo v digitalno informacijo o sliki. Ločljivost uporabljenega senzorja je po podatkih proizvajalca 510x492 svetlobnih točk. Število svetlobnih točk, ki jih vsebuje določen senzor se lahko precej razlikuje od dejanskega števila točk, ki aktivno sodelujejo pri procesu pretvorbe svetlobe (efektivne svetlobne točke). Glavni razlog je v tem, da so svetlobni senzorji pravokotnih oblik, objektivi kamer pa so okrogli. Tako je celotno področje senzorja le redko obsijano. Dodatno proizvajalci na robovih senzorskega polja celo namenoma ustvarijo pas filtrirnih točk, ki označujejo rob polja ali pa služijo kot referenca za določanje črne barve. Način navajanja ločljivosti ni zakonsko predpisan, zato proizvajalci cenejših kamer po navadi navajajo skupno število točk in ne efektivnega števila. Objektiv je monofokalnega tipa z goriščno razdaljo 3,6 mm, kot snemanja pa 62. Najpomembnejši faktor pri izbiri je bila končna cena video nadzornega sistema. Ker so sistemi za prenos analognega signala dosti cenejši od digitalnih, smo se odločili za analogno izvedbo. Pri izbiri teh sistemov moramo biti pozorni na tip TV standarda analognega signala. V Evropi se večinoma uporablja PAL (Phase Alternating Line) standard, v Ameriki pa je najpogostejši NTSC (National Television System Committee). Obstajajo še drugi, ki pa so v splošnem kombinacija omenjenih dveh. Glavna razlika med njima je v tem, da je slika pri standardu PAL nekoliko boljše ločljivosti, NTSC pa omogoča hitrejše osveževanje. Zaradi dosti nižje cene nakupa brezžičnega video

63 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 63 nadzornega sistema v tujini smo se odločili za nakup sistema s standardom NTSC. Izbrani modul kamere podpira ta standard. Tehnični podatki modula so prikazani v tabeli Tabela 3.6.1: Tehnični podatki modula kamere Ločljivost senzorja CMOS Horizontalna ločljivost slike Frekvenca vertikalnega osveževanja 510x492 točk 380 TV linij 60 Hz Ločljivost svetlobnega CMOS senzorja kamere je podatek, ki se nanaša na digitalno ločljivost. Zmnožek horizontalnih (510) in vertikalnih (492) točk daje podatek o njihovem skupnem številu (0,25 Mtočk). Horizontalna ločljivost je podatek, ki je pomemben za ločljivost njihove analogne reprodukcije (analogna slika). Digitalne in analogne ločljivosti ne moremo strogo povezati, saj se analogna slika na končnem zaslonu (analognem) tvori na drugačen način kot digitalna in se zato ločljivost nanaša na horizontalno število TV linij (resolucijo). Dejansko je horizontalna ločljivost povezana s številom vertikalnih linij, ki jih lahko zajema kamera, oba podatka pa sta povezana z razmerjem širine in višine slike, na primer 4:3. Možna je orientacijska primerjava med številom horizontalnih točk svetlobnega senzorja in reproducirano ločljivostjo analogne slike tako, da delimo število horizontalnih točk svetlobnega senzorja z razmerjem 4/3: ,5 ~380 3 Dobimo rezultat, ki je zelo blizu podatku o horizontalni resoluciji slike, ki ga navaja proizvajalec. Frekvenca vertikalnega osveževanja je podatek ki se nanaša na hitrost osveževanja slike pri analogni reprodukciji. Na starejših televizorjih s katodno cevjo se slika videa ne tvori z izrisovanjem celih sličic na enkrat, temveč se posamezna slika videa izriše v dveh delih. Najprej se izrišejo vse sode vrstice, nato pa še vse lihe. Pojav se imenuje prepletanje (interlacing). V primeru frekvence vertikalnega osveževanja 60 Hz se vsaka polovica slike izriše v 1/60 sekunde. Frekvenca osveževanja celotne slike na zaslonu je tako za polovico nižja (30 Hz) od navedene v tabeli

64 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Oddajnik video signala Uporabili smo oddajnik s frekvenco 1150 MHz. Slika prikazuje uporabljen oddajnik video signala. Slika 3.6.2: Oddajnik za prenos video signala Vezje oddajnika ni odporno na vodo in vlago, zato ga je potrebno zaščititi z montažo v notranjost modela. Žico, ki nadomešča anteno odstranimo in namesto nje uporabimo komercialno vsesmerno anteno z ojačenjem 3 dbi. Oddajnik in anteno povežemo s kratkim koaksialnim kablom. Impedanci uporabljene antene in povezovalnega kabla naj bosta 50 Ω. Oddajnik deluje z napetostjo 9 V, zato je potrebno zagotoviti primeren vir te napetosti. Uporabimo lahko napetostni regulator LM Sprejemnik video signala Sprejemnik video signala ima možnost nastavitve sprejemne frekvence. Z vgrajenim potenciometrom nastavimo želeno frekvenco tako, da se ta ujema z oddajno. Med delovanjem oddajnika je potrebno večkrat "uglasiti" sprejemnik z oddajno frekvenco. Razlog je v temperaturni občutljivosti vezja za generiranje nosilne frekvence v oddajniku. S povečanjem temperature oddajnika med delovanjem pride do pojava lezenja frekvence oscilatorja nihajnega kroga v oddajniku. Čeprav je v vezju uporabljen kvarčni oscilator, ki ima relativno nizko temperaturno občutljivost, se nosilna frekvenca oddajnika vseeno malo spreminja. Zato moramo na sprejemni strani večkrat popraviti položaj potenciometra za nastavitev frekvence sprejemanja. To je posledica nizke cene oddajnika. Boljši oddajniki

65 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 65 imajo vgrajene oscilatorje s fazno zaklenjeno zanko (PLL). V osnovi je to kontrolni sistem, ki generira izhodni signal, katerega faza poskuša slediti fazi referenčnega signala na vhodu. Vezje je sestavljeno iz faznega primerjalnika in napetostno krmiljenega oscilatorja (VCO). Primerjalnik primerja fazo signala na izhodu in fazo referenčnega signala na vhodu ter ustrezno spreminja napetost oscilatorja. Tako je izhodni signal ves čas v fazi z referenčnim, oziroma mu skuša kar najbolje slediti. Ker sta faza in frekvenca signala povezani, se tudi frekvenca izhodnega signala usklajuje z vhodno. Ker oddajnik tega sistema nima, poskušamo temperaturo vsaj omejiti, oziroma stabilizirati. Montaža aluminijastega hladilnega elementa na ohišje oddajnika nekoliko stabilizira temperaturo in tako relativno uspešno ustavi nezaželeno lezenje frekvence. Sprejemnik potrebuje za delovanje vir 12-voltne napetosti, zato ga priključimo neposredno na baterijo sprejemnika. Pri izbranem sprejemniku je vezje vgrajeno v aluminijastem ohišju, ki ga je potrebno odstraniti in tiskanino namestiti v plastično ohišje oddajnega vezja. Na sliki je prikazan uporabljen sprejemnik video signala. Slika 3.6.3: Vezje sprejemnika video signala 3.7 Izdelava tiskanih vezij Zahteve in lastnosti Tiskanini oddajnega in sprejemnega vezja želimo zasnovati tako, da bomo izpolnili naslednje zahteve: majhna velikost, fizična ločitev napajalnih in signalnih linij in preglednost povezav.

66 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 66 Obe tiskanini želimo napraviti v čim manjši izvedbi z veliko gostoto elementov. Zaradi boljše preglednosti, lahko povezave napravimo na isti strani kot so elementi Načrtovanje s programskim paketom Altium Designer Altium designer je programsko okolje za načrtovanje in simulacijo elektronskih vezij. Omogoča načrtovanje tiskanine od električne sheme do načrta tiskanine. Ko odpremo okno aplikacije najprej tvorimo nov projekt z izbiro File New Project PCB Project. Na desni strani se odpre urejevalnik projektov, kjer so vključene razne ustvarjene datoteke projekta. Okno aplikacije s pri tvorbi novega projekta prikazuje slika Nato z izbiro File Save Project As projekt shranimo z izbranim imenom. Nato dodamo v urejevalnik dokumentov shemo, kot novi dokument. Odpre se list za nove shemo. Z izbiro Design Browse Library se odpre okno, kjer izbiramo med želenimi elementi vezja. Ko z postavitvijo elementov in povezovanjem končamo, z izbiro Compile Project, preverimo morebitne napake med povezovanjem. Če ni sporočil o napakah, lahko preidemo na izdelavo načrta tiskanine. Običajno si pomagamo z vgrajenim čarovnikom, z izbiro PCB Board Wizard. Najprej izberemo želen merski sistem, nato pa velikost tiskanine, število potrebnih slojev, tip elementov in širino povezav ter izvrtin. Nato prenesemo vezalno shemo v urejevalnik tiskanine, kjer lahko spremenimo ali dodamo nastavitve slojev in povezovanja. Lahko izberemo avtomatsko povezovanje ali pa elemente razporedimo in povežemo ročno. Ker želimo primerno ločiti napajalne in signalne linije, povezave ustvarimo ročno. Z izbiro Tools Design Rule Check preverimo pravilnost ustvarjenih povezav, kjer se prepričamo, da ni nezaželenih kratkih stikov. Načrt tiskanine je tako pripravljen za izdelavo.

67 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 67 Slika 3.7.1: Okno aplikacije Altium Designer za novi projekt Tiskanina oddajnega vezja Pri ustvarjanju povezav se skušamo izogibati pravim kotom. V vezjih sicer ni signalov z visokimi frekvencami (reda GHz), kjer imajo povezave z 90-stopinjskimi koti lahko neželene učinke na integriteto signalov in elektromagnetno združljivost, vendar se poveča možnost za luščenje bakrene plasti. Pričnemo z mikrokrmilnikom in osnovnimi elementi za njegovo delovanje, ga povežemo z napajanjem, nato pa dodamo in povežemo še ostale elemente. Pri načrtovanju skušamo čim bolj ločiti napajalne linije od signalnih. Gladilni kondenzatorji naj bodo nameščeni čim bližje napajalnim priključkom elementov, ki jih potrebujejo, povezave podatkovnih linij pa čim krajše. Na elemente napetostnih regulatorjev bomo namestili skupen hladilni element, zato jih pri razmestitvi postavimo v vrsto na robu tiskanine. Izogibamo se predolgim linijam in raje uporabimo premostitvene povezave v obliki kratkih žic ali uporov vrednosti 0 Ω. Povezave lahko speljemo tudi pod elementi. Na koncu narišemo še izvrtine za pritrditev vezja z vijaki. Izdelan načrt tiskanine prikazuje slika

68 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 68 Slika 3.7.2: Tiskanina oddajnega vezja Tako izdelana tiskanina še ni pripravljena za tisk na folijo, ker vsebuje imena in obrise elementov, ki jih pri jedkanju ne želimo ohraniti. Prav tako je viden še spodnji sloj povezav. Pred tiskom načrta na folijo moramo neželene sloje v meniju Print Preview izklopiti. Tako nastane končna oblika načrta oddajnega vezja, ki je prikazana na sliki Slika 3.7.3: Tiskanina oddajnega vezja za tisk Tiskanina sprejemnega vezja Postopki za načrtovanje tiskanine prejemnega vezja so enaki kot pri oddajnem. Tudi tu pričnemo s povezavo obeh mikrokrmilnikov, nato pa dodamo še ostale elemente vezja. Slika prikazuje izdelan načrt tiskanine sprejemnika.

69 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 69 Slika 3.7.4: Tiskanina sprejemnega dela Tudi to vezje pred tiskom ustrezno pripravimo in izklopimo nepotrebne sloje. Tako ustvarimo načrt tiskanine, ki je pripravljena za tisk na folijo. Slika prikazuje končno različico načrta za izdelavo tiskanine s foto postopkom. Slika 3.7.5: Tiskanina sprejemnega vezja za tisk

70 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu Postopek izdelave tiskanin Tako izdelana načrta obeh tiskanin lahko sedaj prenesemo na folijo za tisk. Izberemo folije za tiskanje z laserskim tiskalnikom in v nastavitvah za tisk izberemo največjo ločljivost. Tiska zrcalno ne obračamo, saj želimo povezave na isti strani kot so elementi. Pertinaks plošče so na eni strani premazane z foto občutljivim premazom. Ko to stran plošče prekrijemo s folijo vezja, lahko ploščo izpostavimo ultravijolični svetlobi. Med postopkom osvetljevanja ostane premaz le na delih, ki niso zaščiteni s povezovalnimi linijami načrta. Na ostalih delih plošče se premaz razgradi. Sedaj je na plošči že delno viden načrt povezav vezja. Nato pričnemo z jedkanjem v kislini. Izbrali smo način penjenega jedkanja z napravo, ki segreje jedkalno tekočino železovega II klorida na temperaturo 50 C in med procesom dovaja zračne mehurčke. Rezultat je zelo dobra kakovost povezav, vendar omenjena kislina nekoliko podaljša čas jedkanja. Potreben čas za jedkanje ene ploščice je približno 20 minut. Po končanem postopku ploščici oddajnega in sprejemnega vezja temeljito očistimo in zvrtamo luknje za elemente. Nato pričnemo s spajkanjem in povezovanjem. Vedno pričnemo s spajkanjem najnižjih elementov, kot so upori, končamo pa z elementi, ki imajo najvišja ohišja. Med postopkom spajkanja ves čas preverjamo stike z Ohm metrom. Pazimo, da pri spajkanju ne pretiravamo z dovajanjem spajkalne žice. Pomembno je tudi, da elemente čim manj pregrevamo. Mikrokrmilnikov ne spajkamo neposredno na tiskanini, raje uporabimo podnožja. Pred priključitvijo napajanja vedno preverimo, ali obstajajo kratki stiki med napajalno napetostjo in maso. Preverimo tudi, da med spajkanjem nismo napravili stikov med signalnimi linijami in napajanjem. Če testiramo vezja s priklopom na baterije, vežemo pozitivno priključno sponko preko Amper metra in 0,5-amperske varovalke. To je še zadnji ukrep za zaščito vezja pred morebitnim kratkim stikom napajalne napetosti. Tok amper metra bo tudi pokazal, če so vsi elementi pravilno priključeni. Z 0,5-ampersko varovalko ne testiramo vklopov večjih porabnikov, kot so motorji. S spremljanjem delovanja vgrajenih statusnih diod LED, lahko natančneje ugotovimo pravilnost delovanja obeh vezij.

71 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 71 4 PROGRAMSKI DEL OPIS KODE IN DELOVANJE 4.1 Zahteve in lastnosti Programi v mikrokrmilnikih naj imajo naslednje lastnosti: hitro izvajanje funkcij, čim manjša poraba pomnilnika, čim krajši programi, poudarek na enostavnosti funkcij in temeljito in natančno komentiranje programske kode. Mikrokrmilniki predstavljajo jedro naprave. Skladno s programsko kodo izvajajo vse naloge modela, zato mora biti ta napisana tako, da se bodo funkcije kar najhitreje izvedle. Krmiljenje pogonskih motorjev je za varno delovanje bistvenega pomena, zato morajo imeti te funkcije prednost pred drugimi. Pri načrtovanju programov poskušamo pisati enostavne in dobro komentirane funkcije, saj le tako dosežemo dobro spremljanje razvoja programa kot celote. Vedno si najprej izdelamo diagrame poteka, in jih kasneje uporabimo kot načrt pri pisanju programske kode. Za imena spremenljivk in oznak izbiramo čim bolj pomenska imena, v urejevalniku pa s praznimi vrsticami ločujemo posamezne funkcije, ki jim lahko z naslovi v obliki komentarjev dodatno podkrepimo razumevanje. 4.2 Izbor programskega jezika in razvojnega okolja Pričakujemo relativno kompleksne programe, ki ne obdelujejo velikih količin podatkov, vendar pa opravljajo veliko funkcij. Zato se namesto zbirnika raje odločimo za uporabo višjega programskega jezika, s človeku čim bolj razumljivo sintakso. Ker smo imeli nekaj izkušenj z jezikoma C in Basic, smo izbirali med njima. Seveda ima jezik C nekoliko večjo učinkovitost in boljšo optimizacijo kode ter za enake funkcije zasede malo manj prostora v pomnilniku. Vendar pa so programi, napisani v jeziku PicBasic krajši v smislu vrstic programske kode, zato postanejo daljši programi dosti bolj pregledni. PicBasic Pro prevajalnik je konzolna aplikacija, brez grafičnega vmesnika, zato ga vključimo v razvojno

72 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 72 okolje z integriranim tekstovnim urejevalnikom. Za ta namen smo izbrali razvojno okolje MicroCode Studio, britanskega podjetja Mecanique. Omogoča razhroščevanje v vezju, spremljanje pretoka serijskih podatkov, urejevalnik besedila pa barvno loči tipe podatkov, logične izraze, oznake, simbole, spremenljivke, definicijske izraze in mnoge druge elemente programa. To naredi program zelo berljiv. Prav tako odkriva logične in tiskarske napake med pisanjem in postopkom prevajanja ter ponudi predloge za odpravo. Če uporabljamo funkcijo serijskega programiranja krmilnikov v vezju (ICSP), okolje samo sprogramira krmilnik in preveri pravilnost vpisa programske kode. 4.3 Programski jezik PicBasic Temelji na jeziku Basic in je razvit posebej za PIC mikrokrmilnike. Za programiranje smo uporabili izboljšano različico "Pro", ki se od običajne razlikuje po večjem naboru knjižnic in po dodatno poenostavljenih funkcijah za delo s prikazovalniki, EEPROM-i, 1-WIRE protokolom, USB komunikacijo in X-10 protokolom. Omogoča uporabo 32-bitnih predznačenih števil in s tem podpira tudi PIC18 serijo krmilnikov. Z njim lahko programiramo več kot 300 mikrokrmilnikov družine PIC in dostopamo do vseh registrov mikrokrmilnika. Podpira uporabo oscilatorjev s frekvencami do 64 MHz. V program lahko vključimo tudi zbirniško kodo. 4.4 Razvojno okolje MicroCode Studio Omogoča vizualno podporo jeziku, vsebuje urejevalnik teksta in razna integrirana orodja za podporo programiranju, kot je okno za serijsko komunikacijo in vmesnik za razhroščevanje v vezju ICD (In Circuit Debugger). Podprto je prevajanje in programiranje mikrokrmilnikov v ciljnem vezju (ICSP). Uporaba razvojnega okolja je nezahtevna, potrebno je le izbrati prevajalnik v meniju View Compile and Program Options. Na sliki je prikazano okno aplikacije MicroCode Studio Plus.

73 Načrtovanje in izvedba brezžično vodenega modela čolna za prevoz vab pri ribolovu 73 Slika 4.4.1: Okno aplikacije MicroCode Studio Plus 4.5 Koda oddajnega dela Oddajniško vezje krmili mikrokrmilnik PIC16F877A. Izvaja vrednotenje položaja ročice igralne palice in detekcijo pritisnjenih tipk. Zbrane ukaze sproti posreduje oddajnemu modulu s serijskim načinom prenosa podatkov. Ukaze dodatno izpisuje na prikazovalnik LCD Diagram poteka Na sliki je prikazan diagram poteka oddajniške kode. Zaradi večje preglednosti smo pri načrtovanju diagrama izpustili nekatere funkcije za izpis sporočil uporabniku in stanja spremenljivk na prikazovalnik.