Forprosjekt. HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro-og datateknikk 7004 TRONDHEIM. Dato: 5/2-05

Transkript

1 HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro-og datateknikk 7004 TRONDHEIM Forprosjekt Oppgavens tittel: Mikrokontrollerstyrt effekttest av alkaliske batterier Project title: Gruppedeltakere: Jan-Erik Knutsen Institutt/studieretning: Program for elektro- og datateknikk. Dato: 5/2-05 Antall sider/bilag: 11/3 Veileder (navn/ /tlf.): Valdemar Finanger Prosjektnummer: 26 Oppdragsgiver: Høgskolen i Sør-Trøndelag Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Valdemar Finanger Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver Rapporten frigitt etter

2 Sammendrag Forprosjektrapporten omhandler hovedprosjekt nr. 26 og er gitt av Høgskolen i Sør- Trøndelag ved kontaktperson Valdemar Finanger. Prosjektets oppgave er å ferdigstille et produkt som skal benyttes i effekttest av alkaliske batterier. Produktet skal ved hjelp av en mikrokontroller utføre utladning av batterier slik at effekten og levetiden kan sammenlignes på et statistisk grunnlag mellom forskjellige merker. Prosjektets mål er å realisere utladningskurver tett opp til faktisk bruk av batteriet i forskjellige applikasjoner samt bruke standardiserte normer for test av batterier. Produktet skal kunne sende informasjon til PC for grafisk fremstilling av kurvene. Disse kurvene skal kunne presenteres enkeltvis for hvert batteri ved en gitt utladningslast, fra nå av kalt lastprofil. Eller for en gjennomsnittlig verdi av alle batteriene av ett bestemt merke innenfor samme lastprofil. Presentasjon av måledata og den eksterne kontrollen av produktet vil bli styrt av National Instruments LabVIEW. Mikrokontrolleren valgt for oppgaven er Atmels ATmega169, den benyttes i den form at den sitter påmontert et demonstrasjons- og evalueringskort av typen AVR Butterfly. Dette forenkler oppgaven av den grunn at nødvendige eksterne komponenter og I/O er montert og tilgjengelig på kortet. Det vil bli brukt store deler av programkoden som allerede er implementert i kortet, da denne gir tilgang til editering av display, oppsett for seriellkommunikasjon og kontroll av styrepinne for navigasjon gjennom menyene.

3 Innholdsfortegnelse Sammendrag... 2 Innholdsfortegnelse Innledning Bakgrunn Prosjektgjennomførelse Definisjoner Teknisk del Problemstilling Prosjektmål Effektmål Resultatmål Prosessmål Prosjektbeskrivelse Spesifikasjoner Problemområder Arbeidspakker Prosjektorganisering Prosjektdeltagere Utstyr og ressurser Tids- og kostnadsplan Kvalitetssikring Vedlegg 1 Vedlegg 2 Vedlegg 3 Timeliste Gantt diagram Regnskap

4 1 Innledning 1.1 Bakgrunn Hovedprosjektet utføres i ingeniørutdanningens siste semester og er for de fleste den største og mest utfordrende oppgaven i forbindelse med utdannelsen. Omgjort i arbeidstimer regner en med at hovedprosjektet i gjennomsnitt utgjør ca. 450 timer pr. student. Valg av hovedprosjektoppgave ble gjort og utformet tidlig i løpet av høsten -04. Dette i sammenheng med at jeg ønsket å jobbe med prosjektet i Spania. Skolen jeg fikk tilknytning til er en del av Univeristat Polytècnica de Catalonya (UPC), avdelingen EUTIT ligger i Terrassa. Byen ligger ca. 20 min med bil fra distriktshovedstaden Barcelona. Prosjektoppgaven var en idé fra Valdemar Finanger og størrelsen var tilpasset meg som eneste mann på gruppa. En effekttest av batterier på denne måten kan gi forbrukere en indikasjon på hva de får igjen for å kjøpe batterier av dyrere merke. Eventuelt gi en indikasjon på om merkevarebatteriene som står sterkt i markedet bl.a. Duracell og Energizer har en pris som står i sammenheng med levetiden i forhold til billigere batterier. 1.2 Prosjektgjennomførelse Som bakgrunnen går inn på så utføres hovedprosjektet ved UPC i Terrassa. Jeg har her en veileder innen mikrokontrollere, Gabriel José Capellà Frau, i tillegg til Valdemar Finanger som er ansvarlig veileder for prosjektet. Jeg benytter også Jon Digernes som ressursperson når det gjelder mikrokontrollerens grensesnitt mot JTAG og andre hardware spørsmål. Ved UPC har jeg fått en fast arbeidsbenk til disposisjon frem til prosjektavslutning i mai. Alle instrumenter nødvendig for å gjennomføre prosjektet er tilgjengelig på arbeidsbenken, det vil i hovedsak si: Oscilloskop, strømforsyning og loddestasjon.

5 1.3 Definisjoner ADC Analogue to Digital Converter, analog til digital omformer på norsk. Gjør om et analogt signal til en digital verdi. Oppløsningen på signalet avgjøres av måleområdet og antall bit konvertering. AVRBFLY Forkortelse for AVR Butterfly, Atmel sitt produkt for demo og evaluering av ATmega169 mikrokontroller. Går under ATAVRBFLY ved bestilling. ATmega169 Mikrokontrolleren montert på AVRBFLY, produsert av Atmel. DAC Digital to Analogue Converter, digital til analog omformer på norsk. Gjør om et digitalt signal til en analog verdi. D/A-omformer Se DAC Primærbatterier Batterier som ikke er beregnet for oppladning. Batterier av denne typen skal testes i prosjektet, Alkaliske LR03 PWM Pulse Width Modulation pulsbreddemodulasjon på norsk. Signalet har fast amplitude men variable bredde, ved filtrering kan pulsbredden gi et ønsket likespenning eller sinussignal. Sleep funksjoner Funksjoner innebygd i ATmega169 for å inngå strømbruk når deler av eller hele mikrokontrolleren ikke er i bruk. AVR169 har 5 tilgjengelige sleep modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, and Standby. Disse brukes i forskjellig grad i deler av C koden for å begrense strømforbruket eller redusere støymiljø, som i tilfellet ved ADC Noise Reduction hvor CPU og andre deler av kontrolleren skrus av for å gi bedre analog til digital omforming. USI Universal Serial Interface, grensesnitt som benyttes for å koble til flere moduler, for eksempel flere ATmega prosessorer. Tillater høyhastighets dataoverføring med mindre CPU belastning enn softwarebaserte løsninger.

6 2 Teknisk del 2.1 Problemstilling Batterier merkes forskjellig fra produsent til produsent, og for å vise kvaliteten på batteriene vises gjerne en sammenlikning med et vanlig batteri. Disse dataene viser naturligvis at produsentens batteri er bedre enn det vanlige batteriet. En praktisk sammenligning ville vært å se batteriets ytelse i forhold til tilsvarende batterier tilgjengelig på markedet. Men for å kunne lage en sammenligning som er til en hver tid identisk mellom merkene, så må man benytte en standard for testingen. Prosjektet henter inn informasjon fra merker med stor markedsandel (i norsk sammenheng) for å undersøke deres testrutiner. Det finnes IEC normer som omhandler utladningskarakteristikkene og testbetingelser for primærbatterier, disse er tilgjengelig mot betaling. 2.2 Prosjektmål Designe og utvikle et produkt for test, dokumentering og bruksanalyse av alkaliske batterier. Produktet skal styre utladningen av batteriene på en slik måte at den kan simulere den faktiske applikasjonen eller produktserien de skal benyttes i Effektmål Ønske om å designe et produkt som kan benyttes som forbrukerinformasjon om hvilket primærbatteri som yter best, i generelle eller typebestemte applikasjoner Resultatmål Produktet skal være brukervennlig og kunne opereres ved hjelp av et grafisk grensesnitt. Det skal ikke stilles krav til kunnskap om utladningsstyringen mikrokontrolleren kjører for å kunne benytte produktet på en slik måte at en får ønsket resultat. Produktet skal kunne presentere et statistisk grunnlag som kan avgjøre batterienes egenskaper til sammenligning mellom merkene. Ferdigstille produktet klart for datainnsamling mandag 11. april

7 Prosessmål Utvikle høyere kompetanse innen programmering i C. Utvikle kompetanse innen analyse av måleresultater. Tilegne meg den kunnskap om AVR169 som er nødvendig for å prestere det jeg forventer, og gi produktet, rapporten og meg den faglige tyngden som kreves for å få den beste karakter i faget. 2.3 Prosjektbeskrivelse Prosjektet krever oversikt over store deler av mikrokontrollerens C-kode for å kunne implementere ønsket funksjonalitet. Det ligger her mange timer arbeid i oversikt og flytskjemaanalyse av koden. Koden må så forandres og skrives slik at den oppfyller de mål som er beskrevet i resultatmålene. Den skal også presenteres i en slik form at den kan editeres og tilpasses av andre enn undertegnede. Det må også utføres en konstruksjon av en elektrisk krets som lager det fysiske grensesnittet mellom AVRBFLY og batteriene. Denne kretsen styres av mikrokontrolleren og sørger for utladningen av batteriene. Den fungerer også som D/A-omformer da den inneholder et lavpassfilter som lager en variabel likespenning av PWM signalet fra AVRBFLY. Printkortet skal designes og produseres ved UPC i Spania, det kreves her innføring i et nytt kretsutleggsprogram ved skolens datamaskiner. De nødvendige prosjekterte komponentene er kjøpt inn gjennom HiST v/stein Olav Lund, ytterligere behov for komponenter skaffes av undertegnede i Spania. Oversikt over komponentbruk finnes vedlagt. Produktets resultat krever programmering av et datainnsamlingsprogram i LabVIEW, det må her lages et logisk grensesnitt mellom AVRBFLY og PC. Programmets innhold vil utvikle seg i prosjektet når man får oversikt over hvilke muligheter man har tilgjengelig og er ønskelig. Det skal i korte trekk presentere utladningskurver grafisk og logge tidligere resultater fra datainnsamlingene for kontroll og sammenligning. Det må utvikles en metode for å hente, eller sende informasjon om datainnsamlingene til PC. RS232 grensesnitt er tilgjengelig på AVRBFLY og i LabVIEW og er primærløsningen for kommunikasjon. 2.4 Spesifikasjoner Mulighet for utladning av 3 stk batterier samtidig ved at 3 identiske grensesnitt til AVRBFLY designes og legges på et kort. Benytter 3 av 4 ledige ADC porter tilgjengelig fra JTAG konnektoren Enkelte betjeningsmuligheter ved hjelp av styrepinne på AVRBFLY

8 2.5 Problemområder Det er i skrivende tidspunkt ikke oversikt over hva slags krav datainnsamlingen krever av minnekapasitet, dette må sees i sammenheng med påkrevd oppløsning av utladningskurven. Det må programmeres en merkelapp for innsamlingen fra en gitt kanal slik at den korresponderer og ikke blandes med resultatene fra de andre kanalene. Begrensingen det er ved å kun være én på gruppa fører til at det estetiske ved produktet ikke får like stor oppmerksomhet. Implementeringen av produktet i en presentabel form vurderes utover i prosjektet av hensyn til tid. Problemer med oversikt i koden kan gjøre produktet uoptimalisert og eventuelt mer ressurskrevende enn nødvendig grunnet dårlig implementering av sleep funksjoner og evnen til å slå av strømkrevende moduler i mikroprosessoren i tidsperioder der hvor de ikke er i bruk. Mangel på tilgang på IEC normer grunnet pris, kan gjøre at produktet utfører utladninger som ikke følger standard. Dette vil ikke innvirke på resultatet av testene men vil ikke tilegne måleresultatene samme troverdighet og gir ikke samme mulighet for sammenligning med andre tester. 3 Arbeidspakker Utvikle applikasjonen som utfører prosjektets mål om virkelighetsreel batteriutladning. Designe og teste kretsen som utgjør batterienes grensesnitt mot AVRBFLY. Programmere et grafisk grensesnitt i LabVIEW for grafisk fremvisning av resultatene av batteriutladningen. Datainnsamling av et utvalg av batterier. Lage en konklusjon basert på resultatene av datainnsamlingene for å presentere et merke som fremstår som det beste. Hjemmeside Skrive hovedprosjektrapporten

9 4 Prosjektorganisering Som eneste gruppemedlem, vil naturlig nok alle arbeidsoppgavene tilfalle meg. Og jeg står da ansvarlig for prosjektets fremgang og utførelsen av delmålene innenfor frister. For å sørge for at prosjektet blir ferdig i tide, legges det ned mer arbeid i startfasen av prosjektet enn det den planlagte ressursbruken tilsier. Dette for å få en oversikt over det realistiske mål jeg kan sette meg ved resultatet av prosjektet. 4.1 Prosjektdeltagere Jan-Erik Knutsen Personopplysninger: Født: Fødested: Oslo janerik.knutsen@gmail.com Bakgrunn: Fagbrev som Serviceelektroniker Tele-, kontroll- og alarmanlegg Ansatt ved Metronor ASA som produksjonsingeniør, jan til aug Forkurs for ingeniørutdanning ved HiST Vk2 Serviceelektronikk ved Oslo Teknisk- Maritime skole Vk1 Elektronikk ved OTMS GK Elektro ved OTMS 4.2 Utstyr og ressurser Ved arbeidsbenk på UPC har jeg tilgjengelig oscilloskop, strømforsyning og PC med tilgang til internett. Det er også tilgang til loddestasjon i umiddelbar nærhet. Til alt praktisk prosjektarbeidet benyttes privat bærbar PC og JTAG mkii, STK500 og AVRBFLY som Atmel sendte med meg til Spania. Alle deler for å produsere batterienes grensesnitt til AVRBFLY er kjøpt inn og finnes som vedlegg.

10 4.3 Tids- og kostnadsplan Se vedlagt Ganttdiagram for avvikling av arbeidspakkene. Se vedlagt Excel regneark for tidsplan. Den er satt opp lineært og ikke som en typisk S- kurve. Dette regnearket vil bli oppdatert og lagt ved 2 ukersrapportene. Det er forventet et gjennomsnitt på 450 arbeidstimer på prosjektet. Jeg ser at enkelte av delmålene, som for eksempel hjemmeside, krever flere timer av den grunn at jeg er eneste gruppemedlem, og ikke har mye tidligere erfaring med dette. Det samme kan inntreffe ved den mekaniske utformingen av produktet, for å gi den et estetisk og funksjonelt design. Best. Nr. Antall ELFA Vare beskrivelse Stk pris Vare total Effektmotstand 1.5 Ohm 2,74 8,22 kr Motstand 330k Ohm (Filter) 2,10 6,30 kr Motstand 100 Ohm (Basis) 2,10 6,30 kr OpAmp TLE2064CN 43,80 43,80 kr Kondensator, keramisk 0.047uF 1,60 4,80 kr BD139 Effekttransistor 7,38 22,14 kr Batteriholder 13,90 41,70 kr Sum deler: 133,26 kr Tabell 1. Foreløpig oversikt over kostnader Denne oversikten innholder deler bestilt fra Elfa og deler hentet ut fra Stein Olav Lund sitt varelager med tilhørende Elfa bestillingsnummer. Tabellen blir også vedlagt rapporten. Videre kommer kostnader knyttet til batterier for uttesting, disse vil i hovedsak komme mot slutten av prosjektperioden da de først behov for dem da. Det er i skrivende stund ikke lagt noen plan for bredden av testen eller antallet batterier av hvert merke som behøves for å gi et godt grunnlag for testen.

11 4.4 Kvalitetssikring Timelister og fremgangsrapport vil bli gitt ved 2 ukersrapportene å gi veileder oversikt over progresjonen i oppgaven. De vedlagte skjema vil finnes i oppdaterte utgaver utover i prosjektet. Siden det ikke er mulighet for jevnlige møter mellom veileder og gruppe, vil det prøves ut kommunikasjon ved hjelp av MSN Messenger hvis det er tilgjengelig for veileder. Hvor et eventuelt problem kan diskuteres i en mer direkte form. Det er opprettet plass for prosjektets hjemmeside på hekta: Den er ikke opprettet, men skal inneholde timeliste, rapporter og eventuell annen nødvendig informasjon om prosjektet. Det føres prosjektlogg hver dag med punkter om fremgang, ideer, modifikasjoner i C koden og generelle notater om prosjektet. Denne føres for hånd, da den inneholder skisser og annet som enklest lar seg realisere på den måten.

12 480:00 432:00 384:00 336:00 288:00 240:00 192:00 144:00 96:00 48:00 0:00 Tidsforbruk Totalt Forventet tidsforbruk Registert tidsforbruk 26. apr. 19. apr. 12. apr. 5. apr. 22. mar. 29. mar. 15. mar. 8. mar. 1. mar. 22. feb. 15. feb. 8. feb. 1. feb.

13 Februar Uke 5 Uke 6 Uke 7 Uke 8 Uke 9 Uke T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T Applikasjonsutvikling Design av kretskort Test av kretskort Grensesnitt LabVIEW Føring av prosjektlogg Hjemmeside Datainnsamling Innsamlingskonklusjon Forprosjektrapport 2 ukersrapport Prosjektavslutning

14 Mars April e 10 Uke 11 Uke 12 Uke 13 Uke 14 Uke 15 Uke 16 Uke F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T ?

15 Mai e 17 Uke 18 Uke 19 Uke 20 Uke 21 F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T O T F L S M T

16 Regnskap for prosjektgruppe 26 Antall Best. Nr. ELFA Vare beskrivelse Stk pris Vare total Effektmotstand 1.5 Ohm 2,74 8,22 kr Motstand 330k Ohm (Filter) 2,10 6,30 kr Motstand 100 Ohm (Basis) 2,10 6,30 kr OpAmp TLE2064CN 43,80 43,80 kr Kondensator, keramisk 0.047uF 1,60 4,80 kr BD139 Effekttransistor 7,38 22,14 kr Batteriholder 13,90 41,70 kr Sum deler: 133,26 kr