ULTRASONİK SENSÖR İLE SIVI SEVİYE KONTROLÜ

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ULTRASONİK SENSÖR İLE SIVI SEVİYE KONTROLÜ UYGAR AKKAN Danışman Yrd. Doç. Dr. GÖKÇE HACIOĞLU Mayıs 2012 TRABZON

2 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü ULTRASONİK SENSÖR İLE SIVI SEVİYE KONTROLÜ UYGAR AKKAN Danışman Yrd. Doç. Dr. GÖKÇE HACIOĞLU Mayıs 2012 TRABZON

3 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU UYGAR AKKAN tarafından Yrd.Doç.Dr. GÖKÇE HACIOĞLU yönetiminde hazırlanan Ultrasonik Sensör İle Sıvı Seviye Kontrolü başlıklı lisans tasarım projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman: Yrd.Doç.Dr. Gökçe HACIOĞLU Jüri Üyesi 1: Prof.Dr. Temel KAYIKÇIOĞLU Jüri Üyesi 2: Doç.Dr. Ali GANGAL Bölüm Başkanı: Prof. Dr. İsmail H. ALTAŞ ii

4 ÖNSÖZ Bu kılavuzun ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçen, kılavuzun son halini almasında yol gösterici olan kıymetli hocam Sayın Yrd.Doç.Dr. Gökçe HACIOĞLU na şükranlarımı sunmak istiyorum. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimi sunarım. Her şeyden öte, eğitimim süresince bana her konuda tam destek veren aileme ve bana hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarıma saygı ve sevgilerimi sunarım. Mayıs 2012 Uygar AKKAN iii

5 İÇİNDEKİLER Lisans Bitirme Projesi Onay Formu... ii Önsöz... iii İçindekiler... iv Özet... vi Şekiller Dizini-Çizelgeler...vii Denklemler... viii Sembol ve Kısaltmalar... viii 1.Giriş 1.1 Amaç Sıvı Seviye Kontrol Yöntemleri Elektrot ile Sıvı Seviye Kontrolü Yüzen Şamandıra ile Sıvı Seviye Kontrolü Basınç ile Sıvı Seviye Kontrolü Ultrasonik Sensör ile Sıvı Seviye Kontrolü Teorik Çalışmalar Mikro denetleyiciler PIC PIC 16f648a Hafıza Ünitesi Merkezi İşlem Ünitesi Interrupt (Kesme) PWM Metodu Kristal Osilatör Ultrasonik Sensörler Ultrasonik Sensör Çeşitleri Ultrasonik Sensörlerin Kullanım Avantajları Ultrasonik Sensörlerin Güncel Uygulama Alanları Proje Sensörü Dyp-Me Sensörün Temel Çalışma İlkesi Ultrasonik Mesafe Ölçüm Metodu iv

6 2.6 DC Su Motoru DC Motor Kontrolü LCD Ultrasonik Sensör ile Sıvı Seviye Kontrolü Sistemin Çalışması Ultrasonik Sensör ile Sıvı Seviye Kontrolünün Avantajları Ölçümde Hata Sebepleri Simülasyon Çalışmaları Isıs-Ares-Baskı Devre Deneysel Çalışmalar Sonuçlar ve Yorumlar Sistemin Dezavantajları Kaynaklar Ekler Özgeçmiş v

7 ÖZET Proje endüstride ve sanayide çeşitli amaçlar için kullanılmak amacıyla tasarlandı. Sıvı seviye kontrolüne yeni bir bakış açısı kazandırmak amacıyla sistemde ultrasonik sensör kullanıldı. Bu şekilde sıvıyla direkt temas halinde bulunamadan sadece sıvı yüzeyine ses dalgası gönderip seviye kontrolü sağlanacaktır. Projenin en büyük özelliği temassız seviye kontrolünün sağlanmasıdır. Projede ultrasonik sensör, PIC mikro denetleyici,l293d motor sürücü entegre, LCD ve DC su motoru kullanıldı. Sistemin maliyeti diğer seviye kontrol cihazlarına göre oldukça düşüktür. Ayrıca bu sistem diğer seviye kontrol sistemlerine göre daha güvenilir ve daha teknolojik bir şekilde kontrol sağlamaktadır. Sistem sensörün mesafe ölçümü ile çalışmaya başlar. Bu ölçüme LCD ekranda gözlemlenir. Ultrasonik sensör sıvı tankerine tepeden bakmaktadır ve tanker ile sensör arası mesafe sabit tutulur. Ölçülen mesafeye göre L293D motor sürücü entegresi ile DC su motoru faaliyet gösterir. Önceden sistem için belirlenen referans mesafesine göre su motoru tankeri doldurmaya başladığında her an için LCD den sıvı seviyesini takip etmek mümkündür. Gerekli referans mesafesine ulaşılınca su motoru duracaktır. Sistem bu şekilde tasarlandı. Sistem günlük hayatta yakıt tankerlerindeki yakıt seviye kontrolü, uçak depolarındaki yakıt kontrolü gibi birçok önemli alanda kullanım kolaylığı sağlayacaktır. vi

8 Şekiller Dizini Şekil F648A yapısı... 5 Şekil PWM çıkışı... 8 Şekil Kristal sembolü... 9 Şekil Eşdeğer devre... 9 Şekil Mikro denetleyici kristal bağlantısı... 9 Şekil Cisim algılama Şekil Dyp-Me Şekil Sensörün çalışma ilkesi Şekil Mesafe ölçüm metodu Şekil Ses dalgası yolu Şekil Su motoru Şekil L293D motor sürücü entegresi Şekil 2.7.1: LCD Şekil Sıvı seviyesi kontrol şeması Şekil Sistemin çalışma algoritması Şekil 4.1. Açık şema karşılığı Şekil 4.2. PCB karşılığı Şekil 4.3. Ares baskı devre görüntüsü Şekil D Önden görüntü Şekil 4.5. Baskı devre görüntüsü Çizelgeler Çizelge Projede uygulanan iş-zaman grafiği... 2 Çizelge PIC 16F648A pin yapısı... 6 Çizelge LCD elektronik özellikleri vii

9 Denklemler PWM Periyodu = İş Süresi + Bekleme Süresi (1) (2) (3) Sembol ve Kısaltmalar ST = Schmitt Tetikleme Girişi AN = Analog XTAL = Kristal Osilatör PWM = Darbe Genişliği DC = Doğru Akım LCD = Sıvı Kristal Ekran CMOS = CMOS Çıkışı TTL = TTL Çıkışı Vdd = Giriş Gerilimi Idd = Besleme Akımı Vf = LED Gerilimi If = LED Akımı Vel = Güç Gerilimi Vdd-Vo = LCD Gerilimi viii

10 1.GİRİŞ 1.1 Amaç Bu proje ultrasonik sensörlerin algılama özelliğinden yararlanılarak sıvı seviye kontrolü yapmaktır. Değişik yöntemlerle seviye kontrolü yapılabilir. Ultrasonik sensör ile bu kontrolün yapılmasının sebebi maliyetinin düşük, kullanışlı ve suya temas etmeden ölçüm yapabilmektir. Bu ölçümde mikrodenetleyici, ses dalgası gödermek için ultrasonik sensör, mesafeyi gözlemleyebilmek için LCD ve su kontrolünü sağlayabilmek için su motoru kullanılacaktır. Günlük hayattan bu projenin nerelerde kullanılacağına örnek vermek istersek benzin tankerlerini gösterebiliriz. Bilindiği gibi bu araçlar taşıdıkları yakıtlardan dolayı son derece tehlikeli olabilirler. Yüklü miktarda yakıta yaklaşmak son derece tehlikeli olabilir. Ultrasonik sensör ile seviye kontrolü sayesinde bu tehlike ortadan kaldırılabilir. Tankerin içine yerleştirilecek olan sensör sayesinde tanker içerisindeki benzin seviyesi ölçülebilir ve gerekli miktarda tankere benzin ilavesi yapılabilir. Bu yöntem sağlık açısından da oldukça kullanışlı ve güvenlidir. Bir başka örnek vermek gerekirse evlerde kullanılan su depolarını gösterebiliriz. Evde musluk açıldığında depodaki su miktarı azalmaya başlayacaktır. Azalan bu su miktarını yeniden eski haline getirebilmek için ana depodan su akışı başlayacaktır. Evin su deposunun içine yerleştirilecek olan seviye kontrol sistemi ile ana depodan su pompası vasıtası ile gerekli miktarda su seviye kontrolü ile evin deposuna taşınabilir. Bu sistem endüstride, fabrikalarda ve daha birçok alanda kullanılabilir. Kısaca örneklere devam edersek boya fabrikalarında orantılı boya karışımlarında, petrol rafinerilerinde varillere ham petrol doldurmada, uçakların depolarının kontrolünde ve daha birçok alanda günlük hayatı kolaylaştıracak şekilde uygulamaya geçirilebilir. Bu amaçlar doğrultusunda yapılan çalışmalar Çizelge de gösterilmektedir.

11 Çizelge Projede uygulanan iş-zaman grafiği Güz dönemi Şubat Mart Nisan Mayıs Proje seçimi x Proje hakkında bilgi toplama x Algoritma oluşturma x Malzeme belirleme x x Malzeme satın alma x x Programlama x x x Deneysel çalışmalar x x x Mekanik tasarım x x Tez yazılımı x 1.2 Sıvı Seviyesi Kontrol Yöntemleri Elektrot İle Sıvı Seviye Kontrolü Sıvı tankeri içerisindeki sıvı seviyesi gözlemlemek için tercih edilen bir yöntemdir. Bir kaç çeşidi vardır. En basit örneği led kullanmaktır. Deponun içinde elektriksel bir devre bulunmaktadır. İletken sıvı seviyesi yükseldikçe sıvı ile temas haline geçen elektrotlar kendileriyle bağlantılı halde bulunan led lere enerji verecektir. Bu sayede sıvı seviyesinin hangi aşamada bulunduğu kontrol edilecektir Yüzen Şamandıra İle Sıvı Seviye Kontrolü Bu yöntem sıvıların kaldırma özelliği kullanılarak tasarlanmıştır. Tankerin içerisine basit bir mekanizma sistemi ile şamandıra yerleştirilir. Tanker sıvı ile doldurulmaya başlanınca şamandıra tanker içerisinde yükselmeye başlar. Şamandıra tankerin üst seviyesine ulaştığında fiziksel bir temas ile sistemin elektriksel mekanizmasını durdurur. Böylece sistemi dolduran elektriksel vana kapanır. 2

12 1.2.3 Basınç Ölçümü ile Sıvı Seviye Kontrolü Kapalı sıvı tankerlerine yerleştirilen basınç sensörleri vasıtası ile yapılan ölçüm metodudur. Kapalı kap içerisinde sıvı seviyesi yükseldikçe gaz için hacim azalacaktır. Gaz için azalan hava basıncı artıracaktır. Tanker içerisinde bulunan basınç sensörleri yardımı ile basınç miktarındaki değişim voltmetre yardımı ile gözlemlenebilir. Gerilim değişimi ile seviye kontrolü yapılabilir. Buradaki dezavantaj ise tankerin kapalı olmasından kaynaklanır Ultrasonik Sensör İle Sıvı Seviye Kontrolü Ses dalgaları sıvı yüzeylerden yansıma özelliğine sahiptirler. Bu özellikten yararlanarak ultrasonik sensör kullanarak da sıvı seviyesi kontrolü yapmak mümkündür. Tankerin üstüne yerleştirilmiş bir ultrasonik sensörü ve su pompasını bir mikrodenetleyici ile kontrol ederek sıvı seviyesini bir LCD ekranda gözlemlemek mümkündür. Bu yöntem oldukça kullanışlı ve maliyeti düşüktür. 3

13 2. Teorik Çalışmalar 2.1 Mikro denetleyiciler Mikro denetleyiciler temel olarak RAM, CPU ve giriş/çıkış fonksiyonları tek bir cip içinde bulundurur. 3 ünitenin bir arada kullanılması maliyetini düşürdü ve endüstriyelde kullanımı arttırdı. 2.2 PIC (Peripheral Interface Controller) PIC; lamba, servo motor, dc motor, zaman rölesi, sensör, LCD gibi çevresel birimleri kontrol etmede kullanılan bir mikro denetleyicidir. Harvard Mimarisine göre tasarlanmıştır ve bu sebeple çok hızlı işlem gösterir. PIC seçimi yapılırken yapılacak işe en uygun olanı seçilmelidir. Bu sebeple PIC in özellikleri araştırılmalıdır. Örneğin; Motor sürmek için darbe sinyal çıkışı Timer modülü bulunup bulunmaması İnterrupt (kesme ) özelliği Analog giriş-çıkış PIC in avantajlarını yazılım programı ücretsiz olarak temin edilebilme, çok yaygın olarak kullanılabilme, maliyeti düşük ve kolay temin edilebilme, kullanımı kolay, bir proje yapınca gerçeklemeden önce simülasyon yapabilme imkanı olarak sıralayabiliriz. PIC programlamak için kullanılan bilgisayarın IBM uyumlu olması, programlama dili bilmek, PIC donanımına sahip olmak, PIC yazılımı için gereken şartlar arasında sayılabilir. PIC16F648A çok az enerji harcar. Flash belleği vardır. Bu sayede clock pinine uygulanan sinyal kesilince veri o şekilde kalır. Tekrar işaret verilinde kaldığı yerden devam eder. 4

14 Şekil de olduğu gibi entegrenin pin yapısını bilmek en az programlama yazabilmek kadar önemlidir. Kullanacağımız çıkışı doğru pinden almazsak uygulamada hata yapılır ve proje çalışmaz. RA2/AN2/VREF RA3/AN3/CMP1 RA4/T0CKI/CMP2 RA5/VPP VSS RB0/INT RB1/RX/DT RB2/CK RB3/CCP RA1/AN1 RA0/AN0 RA7/OSC1/CLKIN RA6/OSC2/CLKOUT VDD RB7/T1OSI RB6/T1OSO/T1CKI RB5 RB4 Şekil F648A yapısı PIC16F648A Özellikleri Clock 20 MHz Flash program hafızası (words) : 4096 RAM Data hafızası (bytes) : 256 EEPROM Data hafızası (bytse) : 256 Timer modülleri: TIMER0 TIMER1 TIMER2 Karşılaştırıcı (comparator) : 2 PWM modül: 1 Interrupt kaynak: 10 Giriş çıkış pinleri: 16 Gerilim (volt) : 3-5,5 5

15 PIC 16f648a mikro denetleyicisinin pinlerinin görevleri Çizelge de verilmektedir. Bu çizelge ile pinlerin hangi amaç için kullanılabileceğini belirtmektedir. Çizelge PIC 16F648A pin yapısı [1] Pin adı Giriş Çıkış Görev RA0 ST CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu AN0 AN Analog karşılaştırıcı girişi RA1 ST CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu AN1 AN Analog karşılaştırıcı girişi RA2 ST CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu AN2 AN Analog karşılaştırıcı girişi RA3 ST CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu AN3 AN Analog karşılaştırıcı girişi CMP CMOS Karşılaştırıcı 1 çıkışı RA4 ST OD İki yönlü giriş/çıkış portu T0CKI ST Timer0 saat girişi CMP OD Karşılaştırıcı 2 çıkışı RA5 ST Giriş portu RA6 ST CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu OSC XTAL Kristal osilatör çıkışı RA7 ST CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu OSC1 XTAL Kristal osilatör girişi CLKIN ST Harici saat kaynağı girişi INT ST Harici kesme RX ST USART alıcı pin DT ST CMOS Senkron data giriş çıkışı RB2 TTL CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu CK ST CMOS Senkron saat giriş çıkışı T1OSO XTAL Timer1 osilatör çıkışı T1CKI ST Timer1 saat girişi RB7 TTL CMOS İki yönlü giriş/çıkış portu (interrupt) T1OSI XTAL Timer1 osilatör girişi 6

16 2.2.2 Hafıza Ünitesi Hafıza ünitesi mikro denetleyicinin veri depolama fonksiyonudur. Kullanılan terimler şunlardır:[2] Yazı döngü süresi (Write cycle time) : Belleğe yazılan iki komut arasındaki süredir. Erişim süresi (Access time) : Hafıza okuma işleminin başlangıcı ile datanın okunuşuna kadar geçen süredir. Bellek büyüklüğü (Memory size) : Hafızada tutulan data miktarı. Erişim çevrim süresi (Access cycle time ) : Hafızada yapılacak ard arda iki okuma arasındaki süredir Merkezi İşletim Sistemi Çarpma, bölme, çıkartma işlemleri bu ünitede yapılır. Hafız alanlarına register denir. Registerler çeşitli matematiksel işlemlerin yapıldığı bellek yerleridir. Registerler matematiksel ve diğer işlemlere yardımcı olurlar. Registerların veri taşıdığı yola hat (bus) denir. [2] 3 çeşit hat vardır. Bunlar: Veri hattı Adres hattı Kontrol hattı İnterrupt (Kesme) PIC in portundan gelen bir işaret(sinyal) nedeniyle çalışan ana programın kesilmesine interrupt denir. Ana program kesildiğinde alt program çalışır. Alt program bitince tekrar ana program kaldığı yerden çalışmaya devam eder. Sonuç olarak interrupt ana programı bir süreliğine durdurur. Harici Kesme Kullanılması için 2 öge gerekir: Yazılım Donanım 7

17 2.2.5 PWM Metodu PWM (Pals Genişliği Ayarlama) PIC in çıkış uçlarından herhangi bir tanesinden kare dalga üretme işlemidir. PWM çıkışı Şekil de görüldüğü gibi kare dalga şeklindedir. Birçok kullanım alanı vardır. Telekomünikasyonda, motor sürücülerinde, güç devrelerinde, kodlama ve kod çözme tekniklerinde, güç voltaj düzenleyicilerinde, ses üreteçlerinde veya yükselteçler gibi çeşitli uygulama alanlarında kullanılmaktadır. 5V 0V Periyot İş Süresi Bekleme Süresi Şekil PWM çıkışı Eğer iş süresi bekleme süresine eşitse voltmetre çıkış gerilimini 2.5V u gösterir. Bu çıkış gerilimi iş süresi ve bekleme süresi ile değişir. (1) PIC ın çıkışında standart bir gerilim ayarı vardır. Kare dalgada bu işaretin üzerinde çıkış gerilimi gelince Lojik 1, bu işaretin altında gerilim gelinde Lojik 0 olarak çıkış alır. 8

18 2.3 Kristal Osilatör Herhangi bir osilatörün sabit frekansta kalabilme özelliğine frekans kararlılığı denir ve osilatörlerde frekans kararlılığı çok önemlidir. Kristal kontrollü osilatörlerde frekans kararlılığı çok iyi seviyededir. RC ve LC devrelerinde ise frekans karakteristiği iyi değildir. Şekil de görüldüğü gibi kristal maddenin ana yapısını quartz maddeden yapılan piezoelektrik oluşturur. Kuartz belirli ölçüde hassas olarak kesilir. İki metal levha arasına yerleştirilir. Şekil de de görüldüğü gibi kristal osilatörün eşdeğer devresinde R-L ve C elemanları bulunur.şeklin üst tarafındaki Lve C rezonans frekansını belirler. R L C Şekil Kristal sembolü C m Şekil Eşdeğer devre Kristal osilatörlerin kullanıldığı devrelerde kondansatörlerin seçimine özen gösterilmelidir. Kristal ve kondansatör zamanlamanın önemli olduğu yerlerde kullanılır. Şekil de kondansatörler ile kristalin bağlantı şekli gösterilmektedir.500khz lik kristal osilatör için 20-68pF lık kondansatör, 1MHz lik kristal osilatör için 15-68pF lık kondansatör, 2MHz lik kristal osilatör için 15-47pF lık kondansatör, 4MHz lik kristal osilatör için 15-33pF lık kondansatör kullanılmalıdır. C1 C2 XTAL OSC1 OSC2 16F648A Şekil Mikro denetleyici kristal bağlantısı [1] 9

19 2.4 Ultrasonik Sensörler Ultrasonik sesler insan kulağının duyma frekansının üzerindeki seslerdir. İnsanlar yaklaşık olarak 20 Hz ile 20 KHz arası frekans bandını duyabilme özelliğine sahiptirler. Bu veriler üst ve alt sınırlardır. Ultrasonik sesler ise 20 KHz ile 1GHz arası frekans bandında bulunurlar. Bazı canlılar bu sesleri duyabilir. Örneğin yarasalar, yunuslar vb. Ultrasonik sensörler bir alıcı ve bir de verici transdüserden oluşmaktadır. Verici transdüserden gönderilen ultrasonik ses dalgaları engele çarpıp geri döner. Alıcı transdüser tarafından yansıyan dalgalar alınır. Şekil de verici transdüserden çıkan ses dalgalarının cisimden yansıyarak alıcı transdüser tarafından algılanması gösterilmektedir. Aradaki mesafe ses hızının zaman ile çarpılıp 2 ye bölünmesiyle hesaplanır. verici alıcı cisim Şekil Cisim algılama Bu kadar yüksek frekansta ses dalgası kullanılmasının sebebi yüksek enerjiye sahip olmaları ve dalgaların düzgün bir şekilde ilerleyebilmeleridir. Ayrıca yüzeylerden yüksek verimlilikle geri yansıyabilirler. 10

20 2.4.1 Ultrasonik Sensör Çeşitleri İki çeşit ultrasonik sensör bulunmaktadır fakat işlevleri aynıdır. Polaroid sensör: Tek bir transdüser tarafından ultrasonik ses dalgaları yayılır ve tekrar geri alınır. Hitechnic sensör: Ultrasonik ses verici transdüser ile yayılır, alıcı transdüser ile geri alınır Ultrasonik Sensörün Kullanım Avantajları Tüm malzemelerden yapılmış hareketli cisimleri algılayabilme Nesnelerin sayılmasında kullanılabilme Nesneye temas etmeden aradaki mesafeyi ölçebilme Nesne büyüklüğünü ve küçüklüğünü algılayabilme Nesnenin renginden, şeklinden etkilenmeme Hacimsel olarak küçük alan kaplama Ortamdaki ışık miktarından etkilenmez Ultrasonik Sensörün Güncel Uygulamaları Otomobillerde park sensörü olarak sıkça kullanılır. Otomobilin bir cisme yaklaşması ile tehlike mesafesine girilince alarm ile kullanıcı uyarılır. Otomobillerde otomatik fren sistemi olarak kullanılır. Trafikte seyir halinde iken kullanıcının fren yapması gerektiği bir zamanda fren yapamaması durumunda fren sistemini aktif hale geçirir. Tankerlerde sıvı seviyesinin ölçümünde oldukça pratik bir şekilde kolay ve zahmetsiz ölçüm yapma olanağı sağlar. Otomatik kapı sistemlerinde oldukça sık kullanılmaktadır. Kapıya yönelen bir kişi algılanınca kapı otomatik olarak açılır. Araç alarm sistemleri, ev güvenlik sistemleri, park aydınlatma sistemleri gibi endüstriyelde birçok alanda oldukça kullanışlıdırlar. 11

21 2.5 Proje Sensörü Dyp-Me007 Endüstriyel projelerde yüksek performansa sahip, kolay kullanımlı bir parça olarak tasarlanmıştır. 3 cm den 4 m ye kadar ölçüm yapabilme özelliğine sahiptir. Ölçümlerinde 3mm lik hata payı bulunabilir. Şekil projede kullanılan ultrasonik sensörün fiziksel yapısını göstermektedir. Modül ultrasonik verici, ultrasonik alıcı ve kontrol devresi içerir. 40mm Kristal 20mm Ultrasonik verici transdüser Ultrasonik alıcı transdüser Vcc GND TRIG OUT ECHO 15mm Şekil Dyp-Me007 [3] 12

22 DYP-ME007 Özellikleri Çalışma gerilimi: 5V (DC) Çalışma akımı: 15mA (maksimum) Minimum ölçüm: 3cm Maksimum ölçüm: 4m Çalışma frekansı: 40KHz Giriş tetikleme sinyali: 10us TTL darbe ECHO çıkış sinyali: TTL PWL sinyali En iyi görüş açısı: 30 derece Ölçüler: mm Sensörün Temel Çalışma İlkesi Sensörü çalıştırmak için TRIG pinine yaklaşık olarak 10us lik TTL bir darbe gönderilir. TRIG pininden gönderilen bu darbe ile sensör aktif hale geçip çalışma frekansı olan 40KHz lik 8 adet cycle üretir ve bu darbeler verici transdüserden gönderilir. Gönderilen bu ultrasonik ses dalgası 15 o C lik ortamda ve deniz seviyesinde 340m/s hızla ilerler. İlerleyen bu ses dalgaları doğru açı ile bir engele çarpıp geri yansır (Sıvılarda da %98-99 oranında geri yansıma vardır). Şekil de görüldüğü gibi verici transdüserden işaret gönderildiği anda ECHO pini lojik1 seviyesine çıkar ve işaret alıcı transdüsere gelene kadar lojik1 seviyesinde kalır. Alıcı transdüsere işaret gelince ECHO pini lojik 0 seviyesine geçer. [3] 10us TTL sinyal zaman diyagramı Trigger giriş sinyali 8 adet cycle 40KHz lik işaret ECHO çıkış işaretinin değişimi TTL PWL sinyali Şekil Sensörün çalışma ilkesi 13

23 PIC 16F Ultrasonik Mesafe Ölçüm Metodu Temel olarak fizik kurallarına dayalı bir olaydır. Sensörün yaydığı ultrasonik ses 15 o C de ve deniz seviyesinde 340 m/s hızla yayılmaktadır. Şekil de de görüldüğü gibi hız bilindiğine göre belirli bir zaman diliminde alınan yol; (2) denkleminden hesaplanır. CİSİM LCD Şekil Mesafe ölçüm metodu Buradaki zaman kavramı sensörün verici transdüserinden ses dalgasının çıkmasıyla başlar ve alıcı transdüseri ile ses dalgası alınıp sonlanır. Burada aslında zaman bize gereken sürenin iki katıdır çünkü ses dalgaları cisim ile engel arasında mesafeyi iki defa kat etmiş olur. Yani mesafe; (3) denklemi ile hesaplanır. 14

24 Şekil ses dalgasının verici transdüserden çıkıp alıcı transdüsere ulaşacağı yol gösterilmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi ses dalgaları cisim ile sensör arasında 2 defa gitmiş olur. Bu mesafe cisim ile sensör arasındaki mesafenin 2 katıdır. Yol Cisim Zaman Şekil Ses dalgası yolu Fiziksel olarak bu şekilde ölçüm yapılabilir ancak mikrodenetleyici ile işler biraz daha farklıdır. Mikro denetleyicideki zaman kavramı ECHO pininin lojik 1 kalma süresidir. Bu süre mikro denetleyicinin timer ı ile ölçülüp mesafeye dönüştürülür. 2.6 DC Su Motoru Bu motor projenin önemli elemanlarından biridir. Motor DC enerji verilinde var olan suyu vakumlayıp musluk kısmından pompalayarak çalışmaktadır. Günlük hayatta benzer su motorları birçok alanda da kullanılmaktadır. Örnek verecek olunursa; otomobillerde silecek motoru olarak çalışan su motorlarını en başta söylenebilir. Şekil de bir oto silecek motoru gösterilmektedir. Enerjisini aküden 12V dc gerilim olarak alan bu motorlar tek yönde dönerek çalışmaktadırlar. Oldukça küçük olup hafif ve kullanışlıdırlar. Bir başka örnek olarak da pilli damacana su pompaları verilebilir. Tasarım için seçilen motorun hızlı bir şekilde su pompalaması sisteme zaman kazandıracaktır. Enerji girişi Musluk ucu Su vakumlayıcısı Şekil Su motoru 15

25 MOTOR MOTOR DC Motor Kontrolü DC motor direk devreye bağlanarak çalışmamaktadır. Bu nedenle motoru kullanmak için bir sürücü gerekmektedir. Motor sürücüsü olarak devrede L293D kullanılacaktır. Şekil de L293D motor sürücü entegresinin bağlantısı şemasında görüldüğü gibi bu entegre ile aynı anda 2 tane motor sürülebilir. Bu projede ise 1 adet motor sürülecektir. Kurulum şekilde açıkça belirtilmektedir. İlk önce ve 13. bacaklar birleştirilip toprak olarak kullanılır. Motorlar tercihe göre 3-6 ve numaralı bacaklara takılır.1-9 ve 16. bacaklara 5V luk enerji uygulanır. 2. ve 7. bacaklar bir motoru 10. ve 15. bacaklar farklı bir motoru çalıştırır. 8. bacaktan ise motora gerilim uygulanır.[4] 5V 5V Giriş Giriş Giriş Motor enerjisi V Giriş Şekil L293D motor sürücü entegresi Entegrenin motor kontrolü şöyledir. 2. ve 3. girişler arasına bağlana bir motor bacaklardan gelecek işaretler ile çalışmaya başlayacaktır. 2 giriş sayesinde de motorun dönme yönü ayarlanabilir. Motorun dönebilmesi için mutlaka girişlerden birine işaret verilmeli diğerine verilmemelidir. İki girişe de enerji verilir ya da iki girişe de enerji verilmezse motor dönmeyecektir. Entegre bu şekilde motor sürmektedir. 16

26 2.7 LDC (Sıvı Kristal Ekran) Projede kullanılacak olan LCD nin fiziksel özellikleri Şekil de gösterilmektedir. Bu LCD 16 karakter göstermekte olup küçük ve kullanışlıdır. 25mm mm Şekil LCD fiziksel görünümü LCD Özellikleri Metal çerçeve ile kaplılık +5 V güç kaynağı ile çalışma 16 karakter yazabilme Modül boyutu: mm Ekran ölçüsü: mm Nokta boyutu: mm Karakter boyutu: mm Pin Bağlantısı 1.Pin: Vss = LCD toprak bağlantı pinidir. 2.Pin: Vdd= LCD nin besleme pinidir. Bu pine +5V uygulanmalıdır. 3.Pin: Vo = LCD nin kontrast ayarı bu pin ile yapılır. Ekranın parlaklığı değiştirilir. 4.Pin: RS = belirlenir. H/L durumuna göre LCD ye data mı yoksa komut mu gönderileceği 5.Pin: R/W = LCD ye data gönderebilir ya da data alabiliriz. Bu fonksiyonu sağlar. 17

27 Okuma-yazma komutunu belirler. 6.Pin: E = Mikro denetleyicinin portuna bastığımız bitleri LCD ye göndermek için bu pine düşen kenar tetikleme uygulanır. 7~14: Pin: Veri hattı.bu pinler sayesinde LCD ye karakter girişi yapılır. LCD ye ait olan başlıca elektronik özellikler Çizelge verilmektedir. Bu veriler LCD nin doğru bir şekilde çalışmasını sağlayacak önemli verilerdir. Çizelge LCD elektronik özellikleri [5] MADDE SEMBOL DURUM BİRİM Giriş gerilimi Vdd +5V volt Besleme akımı Idd +5V ma LCD Gerilimi Vdd-Vo 25 o C V LED Gerilimi Vf 25 o C V LED Akımı If 25 o C ma Güç Gerilimi Vel Vel=100 V 18

28 3.Ultrasonik Sensör İle Sıvı Seviye Kontrolü 3.1 Sistemin Çalışması Sistem; mikrodenetleyici, ultrasonik sensör, LCD ve su pompasından oluşmaktadır. Burada bir tankerin içerisindeki sıvı seviyesi kontrol edilecektir. Bu kontrol mesafe ölçümü ile yapılacaktır. Ultrasonik sensör verici transdüseri tarafından yaydığı ses dalgaları ile mesafe ölçümü yapılabilmektedir. Ultrasonik sensör tankerin iç yüzeyine bakacak şekilde konumlandırılır. Sıvı doldurulacak tankerin çapı, yüksekliği ve su pompasının dakikada akıtacağı sıvı miktarı sistemi etkilemeyecektir. Çünkü sistem tamamen sıvı yüksekliği ile çalışmaktadır. Tankerin yüksekliği ve sensörün tankere göre konumu dana önceden ayarlanmalıdır ki mikrodenetleyici sıvı seviyesine yönelik su pompasını gerek aktif gerekse pasif hale geçirsin. Referans noktaları belirlendikten sonra mikrodenetleyici ile gerekli programlama yapılır. Tankere tepeden bakacak şekilde konumlandırılan ultrasonik sensör her an için ölçüm yapmaktadır. Referans noktasının altında yaptığı her anlık ölçümler için su pompası aktif haledir ve sıvı akıtmaya başlar. Bu sırada tankerdeki sıvı seviyesi sürekli bir halde ölçülüp LCD ekranda kullanıcıya gösterilir. Sıvı seviyesi yükseldikçe LCD de gösterilen mesafe azalacaktır. Sıvı yüksekliği belli bir seviyeye gelince (referans seviyesi ) su pompası mikrodenetleyici vasıtasıyla durdurulacaktır. Buradaki sıvı yüksekliği algılama olayı sensörün gönderdiği ses dalgalarının sıvı yüzeyine çarpıp tekrar geri dönmesi ile oluşmaktadır ve ses dalgaları %98-99 oranında sıvı yüzeyden geri yansımaktadır. Şekil de sıvı seviyesi kontrolü şeması gösterilmektedir. Bu şekilde sıvıya temas etmeden, maliyeti düşük, oldukça kullanışlı bir sistem ile seviye kontrolü yapılır. Sistem su pompasının dakikadaki sıvı akıtma süresi artırılarak yani daha yüksek kapasiteli bir sıvı pompası kullanılarak daha hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir. Geliştirilen bu sistem fabrikalarda seri imalat halinde üretime geçirilebilir. 19

29 ULTRASONİK SENSÖR PIC 16F648A SU POMPASI LCD TANKER Sıvı seviyesi Şekil Sıvı seviyesi kontrol şeması Şekil de sistemin çalışma algoritmasından da anlaşılacağı gibi sistem çalıştığında ultrasonik sensör ile mesafe ölçümü yapılır. Daha önceden belirlenmiş olan referans noktasına göre ölçülen mesafe karşılaştırma yapılır. Ölçülen mesafenin referans mesafesinden küçük olduğu durumlarda sıvı seviyesi istenilen seviyenin üzerinde bir konumdadır. Bu konumda motor çalıştırılmaz. Ölçülen mesafe referans mesafesinden daha fazla ise su pompası çalıştırılır. Sıvı seviyesi yükselirken de ölçüm kontrol edilir. Motorun çalışması; ölçülen mesafenin, referans mesafeden küçük olacağı sıvı seviyesine kadar devam eder. Ölçülen mesafe referans mesafesinden küçük olunca istenilen seviye yüksekliğine erişilmiş olur. 20

30 Başla Mesafe ölçümü yap Mesafeyi referans ile karşılaştır Mesafe referans noktasından büyük mü? Evet Hayır Motoru çalıştır Motor çalışmaz Sonuç: İstenilen seviyede sıvı kontrolü Şekil Sistemin çalışma algoritması 3.2 Ultrasonik Sensör İle Seviye Sıvı Kontrolünün Avantajları Diğer sistemlere göre bu yöntem daha güvenilir ölçüm yapmaktadır Kullanımı daha kolaydır Teknolojiye ayak uyduran bir sistemdir Maliyeti düşüktür Kullanılacak eleman temini kolaydır Sıvı ile temas etmeden ölçüm yapılır 3.3 Ölçümde Hata Sebepleri Ölçüm yaparken birçok etkenden dolayı hatalı ölçüm yapılabilir. Bunlar: Sıcaklık Havadaki nem Frekans kararlılığının sağlanamaması Sıvının dolma aşamasında yüzeysel hareketli dalgalar oluşturması Girişim (interference) Ölçüm yapılacak cismin yapısından kaynaklanan doğal parazitlik 21

31 4.Simülasyon Çalışmaları 4.1 Isıs-Ares-Baskı Devre Isis de simülasyon elemanlarını seçerken Ares de karşılığının var olup olmadığına dikkat edilmelidir. Yani Isis de seçilen elemanın Ares de baskı devre karşılığı gözükmelidir. Şekil 4.1 de kapasitenin simülasyon eşdeğeri, Şekil 4.2 de ise PCB karşılığı gösterilmektedir. Ares te karşılık modeli olmayan elemanların modelini Ares te oluşturmamız gerekir. İsis deki açık şema karşılığının Ares te olup olmadığını anlamak için seçilen elemanın üzerine sağ tıklanır ve Packaging Tool komutu seçilir. Böylece kullanılacak elemanın Ares te karşılığının olup olmadığı öğrenilir. Eğer karşılığı yoksa Ares açılır ve karşılığı oradan çizilir. Şekil 4.1. Açık şema Şekil 4.2. PCB görüntü Ares te karşılık modeli olmayan elemanların modelini Ares te oluşturmamız gerekir. İsis deki açık şema karşılığının Ares te olup olmadığını anlamak için seçilen elemanın üzerine sağ tıklanır ve Packaging Tool komutu seçilir. Böylece kullanılacak elemanın Ares te karşılığının olup olmadığı öğrenilir. Eğer karşılığı yoksa Ares açılır ve karşılığı oradan çizilir. İsis deki pin isimleriyle Ares deki pin isimlerinin aynı olması dikkat edilir. İsis deki pin isimleri, elemanın Packaging Tool komutundan karşılığını bakarken öğrenilir. Ares te elemanın PCB karşılığı çizildikten sonra şeklin tamamı seçilir. Library menüsünden Make Package seçilir. Karşımıza çıkan pencereden New Package Name den oluşturulan pakete yeni isim verilir ve yeni paket Package Category ye eklenir. 22