T.C. KRDENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü PELTİER İLE HSTLIKLI EKLEMLERİ SOĞUTM 210242 Mehmet GÜNDÜZ 228493 yhan ÇELİK Danışman Doç. Dr. İsmail KY Haziran, 2014 TRBZON
T.C. KRDENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü PELTİER İLE HSTLIKLI EKLEMLERİ SOĞUTM 210242 Mehmet GÜNDÜZ 228493 yhan ÇELİK Danışman Doç. Dr. İsmail KY Haziran, 2014 TRBZON
LİSNS BİTİRME PROJESİ ONY FORMU 228493 yhan ÇELİK ve 210242 Mehmet GÜNDÜZ tarafından Sayın Doç. Dr. İsmail KY yönetiminde hazırlanan Peltier İle Hastalıklı Eklemleri Soğutma başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Doç. Dr. İsmail Kaya Jüri Üyesi 1 : Jüri Üyesi 2 : Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail H. LTŞ iii
ÖNSÖZ Projeler var olan bir sorunu çözmeye yönelik yapılan araştırmalar ve analizler sonucu ortaya çıkarlar. Bizde peltierli soğutma projesinde iltihaplı romatizmadan kaynaklı eklem ısınmasına bir çözüm bulmak amacıyla yola çıktık. Halk arasında yaygın olarak görülen iltihaplı romatizmanın hastanın hayat kalitesini çok olumsuz etkilediği vakalarla karşılaşmamız çözüm için kararlılıkla ilerleme azmimizi arttırdı. Proje üzerinde yaptığımız çalışmalara fikir aşamasından itibaren iştirak eden ve başta teknik olmak üzere her alanda yardımlarını bizden esirgemeyen hocamız Sn. Doç. Dr. İsmail Kaya ya teşekkürü bir borç biliriz. Bunun yanında projenin bilgisayar yazılımı içeren bölümlerinde danıştığımız, yeri gelince sabahlara kadar süren çalışmalarda bizi yalnız bırakmayan sevgili arkadaşımız Serhat Uzun a dostça teşekkürlerimizi iletmek isteriz. yrıca proje hazırlamak üzere bizi teşvik eden ve proje hazırlama süreci hakkında bizi bilgilendiren hocamız Prof. Dr. İsmail H. ltaş a ve yönetimindeki KTÜ Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölüm başkanlığına teşekkür ederiz. HZİRN 2014 dı Soyadı yhan ÇELİK Mehmet GÜNDÜZ iv
İÇİNDEKİLER Sayfa No Lisans Bitirme Projesi Onay Formu... iii Önsöz... iv İçindekiler... v Özet... vii Semboller Ve Kısaltmalar... viii 1. GİRİŞ... 1 2. TEORİK LTYPI... 3 2.1. Eklem Romatizmasının Tarihçesi... 3 2.2. Eklem İltihabı Görülme Sıklığı Ve Yaş ralığı... 3 2.3. Hastanın Yaşadığı Süreç... 3 2.4. Eklem İltihabının Yan Etkileri... 4 2.5. Peltierin Hastalığa Müdahale Yöntemi... 4 3. TSRIM... 5 3.1. Sistemin Genel Çalışması Ve Devre Elemanları... 5 3.2. Peltier Ve Tarihçesi... 6 3.2.1. Peltier Elemanı İç Yapısı... 7 3.2.2. Peltier Mikroişlemci İlişkisi... 8 3.2.3. Peltier Sistem İlişkisi... 8 3.2.4. Peltierin Kullanıldığı Benzer Soğutma Uygulamaları... 8 3.3. Güç Kaynağı Genel Özellikleri... 9 3.4. Projede Su Pompalarının İşlevselliği... 10 3.5. Soğutucu Köprü... 10 3.6. LM35 Elemanının Tanıtımı Ve Mikroişlemci İle Olan İlişkisi... 11 3.7. nahtarlama Devresi Temel Yapısı Ve İşleyişi... 12 3.8. Mikroişlemcide Yazılımsal Kontrol Mekanizması... 14 3.9. Mikroişlemci Karar Mekanizması... 15 4. SİMÜLSYON ÇLIŞMSI... 17 4.1. nahtarlama Devresi Elemanları... 17 4.2. nahtarlama Devresi Simülasyonu Ve İşleyişi... 17 v
5. DENEYSEL ÇLIŞMLR... 20 5.1. Genel İşleyişi... 20 5.2. MSP430 nalog-digital Çevrim Ve DC10... 22 5.3. URT Haberleşme Ve Projedeki Yeri... 25 5.4. C Dilinde Verici Mikroişlemci Yazılımı... 26 5.5. C Dilinde lıcı Mikroişlemci Yazılımı... 27 5.6. Bluetooth Genel Tanımı... 28 5.6.1. Projedeki Önemi... 29 5.6.2. Projede Kullanım Şekli... 29 5.6.3. Bluetooth un PC İle İletişimi... 30 5.6.4. HC-06 Tanıtımı Ve Mikroişlemciyle Olan İlişkisi... 31 5.7. Sıcaklık rayüz Programı... 32 6. SONUÇLR... 33 7. YORUMLR VE DEĞERLENDİRMELER... 34 KYNKLR... 35 EKLER... 36 EK-1. IEE Etik Kuralları... 36 EK-2. Disiplinlerarası Çalışma... 39 EK-3. Standartlar Ve Kısıtlar Formu... 40 EK-4. Maliyet nalizi... 42 EK-5. Zaman Çizelgesi... 44 ÖZGEÇMİŞ... 45 vi
ÖZET Proje peltier adındaki özel bir yarıiletkenin termoelektrik davranışından yararlanmaktadır. Uçlarına gerilim uygulanan peltierin bir yüzü hızla ısı kaybederken diğer yüzü hızla ısınmaktadır. İltihabi romatizma kaynaklı eklem ısınmasını önlemek için peltierli soğutmanın gerilimle kontrol edilebilirliğinden yararlanılmıştır. Kontrol edilebilir bu soğutmayla ısınan eklemin normal sıcaklığına dönmesi sağlanmaktadır. Kontrol sistemi ısı sensörlerinden alınan verilerin mikroişlemcide değerlendirilmesi üzerine kuruludur. Mikroişlemci üzerine yüklenen yazılıma ısı sensöründen eklemin sıcaklık verileri gelmektedir. Yazılım aldığı verilere göre kontrol devresi üzerinden peltiere gerilim sağlayan güç kaynağını ve suyun döngüsünü sağlayan su pompasını kontrol etmektedir. Isı sensörlerinden gelen eklem sıcaklığı verisi 36 derece olan vücut sıcaklığına ulaştığında yazılım sistemin kapanması için gerekli komutları vermektedir. Peltier ile ısınan eklemin soğutulması projesi sahip olduğu akıllı kontrol sisteminin yanında mikroişlemcide toplanan verileri bluetooth haberleşmesiyle sanal ortama aktarabilmektedir. Bu veriler doktorun hasta takibi yapabilmesini sağlayacaktır. vii
SEMBOLLER VE KISLTMLR FSM : Fibromiyalji Sendromu CPU : Central processing unit GND: Ground Vcc : Besleme gerilimi V: Volt DC: Direct Current TI: Texas Instrument DC: nalog Digital Converter URT: Universal synchronous Receiver/Transmitter SPI: Serial Peripheral Interface RM: Random ccess Memory GPIO: General-purpose input/output W: Watt LU: rithmetic Logic Unit CC: ccumulator TX: Transmit X RX: Receive X MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor viii
1. Giriş Romatizma halk arasında bilindiği haliyle tek bir hastalığı işaret etmemektedir. slında ortak özellikleri olan hastalıkların bütününe verilen bir addır. Bu hastalıkların ortak noktası hareketi sağlayan eklem, kemik ve kaslarda şişlik ve katılığa neden olmalarıdır. Burada bitirme aşamasına gelinen projede romatizmal hastalıklar grubuna dahil olan Romatoid rtrit hastalığına yakalanan hastaların çektiği sıkıntıları azaltmaya yönelik bir çözüm sunulmaktadır. Romatoid rtrit halk arasında iltihaplı romatizma olarak bilinmekte ve her yüz kişiden birinde görülmektedir. Romatoid rtrit te vücut hücreleri eklem dokusunu tehdit olarak algılayarak o bölgede iltihap lezyonu oluşmasına sebep olmaktadır. Bu iltihaplanma hastanın şiddetli ağrılar çekmesine sebep olmaktadır. İlaçların etkin bir çözüm üretemediği durumlarda tıbbi medikal alanına başvurularak hastalığın yol açtığı istenmeyen durumlara çözüm aranmalıdır.[1] Peltierli soğutma projesinde iltihabi romatizmadan kaynaklanan eklemlerde aşırı ısınmayı önleyici bir soğutma sistemi üretilmiştir. Bu projede ısınan bölgeye ısıl müdahalede bulunularak bölgenin vücut sıcaklığında tutulması temel öncelik olmuştur. Bu yüzden gerçeklenen sistemde soğutma ünitesiyle beraber, bu üniteyi hedeflenen amaçlar doğrultusunda yönetecek bir kontrol sistemine de yer verilmiştir. Soğutma işlemi peltier adı verilen bir yarı iletken elemanla yapılırken, kontrol sistemi ise mikroişlemciler kullanılarak C dilinde yazılan bir kumanda yazılımı ile oluşturulmuştur. Peltier seri bağlı P-N eklemine sahip bir elemandır. Bu elemanın eklemlerine 3-15 voltluk DC gerilim uygulanması halinde bir eklem soğurken diğer eklemin ısısı artmaktadır. Kontrol sistemi için gereken yazılıma gelinirse peltierin bu çift yönlü özelliğini etkin bir şekilde kullanan bir yazılım oluşturulmuştur. Isınan bölgeye uygulanan soğutma işlemi fazla gelirse peltierin kutupları değiştirilerek ısısı fazla düşen bölge tekrar vücut sıcaklığına getirilmektedir. Kontrol kısmının devresi ise peltier ile vücut sıcaklık sensörü arasında senkron çalışmayı sağlayacak şekilde anahtarlamalı MOSFET devreleri kullanılarak oluşturulmuştur. Medikal alanında soğutma genelde iltihap kaynaklı hastalıklar yüzünden oluşan ısınmayı önlemek amacıyla kullanılmaktadır. İltihabi hastalıklar dışında ayaklarda ve ellerde yanmalar olabilmektedir. Bu yanmalar hastanın çevredeki bazı kimyasallara karşı alerjisi olmasından kaynaklanmaktadır ve geçici soğuk baskı uygulanarak geçmektedir.
Romatoid rtrit te ısınma öyle boyutlara ulaşmaktadır ki hastanın ağrı eşiği aşılabilmekte, eklem dokuda da tahribat oluşabilmektedir. Bu yüzden medikal soğutma çözümü hastaların hayat kalitesi açısından büyük önem arz etmektedir. Medikal soğutma çözümleri iltihaplı romatizma dışında yeni doğan bebeklerin kafatasında oluşan ısınmayı önlemek amacıyla da yapılmaktadır. Bu ısınma beyinde tahribata neden olabilmekte ve kalıcı zararlara yol açabilmektedir. Bebeklerin kafatasında oluşan ısınmaya aranan çözümlere örnek olarak merikan Drexel University tarafından yürütülen çalışma gösterilebilir. Yapılan bu projede genelde yeni doğan bebeklerde görülen hypoxic-ischemic-encephalopathy adındaki bir hastalık yüzünden hastanın baş bölgesinde oluşan aşırı ısınmaya bir çözüm aranmıştır. Bu çalışma sonunda yeni doğan bebeklerin aşırı ısınma sonucu beyinlerine az oksijen gitmesi sorunu bertaraf edilerek %25 lere varan ölüm oranı azaltılmıştır. Üniversitenin söz konusu projesinde soğutma işlemi bir başlık içerisinde sirkülasyonu yapılan soğutulmuş su tarafından sağlanmıştır. Proje sonunda ortaya çıkmış olan ürünün kayda değer bir başarı gösterebilmesi için daha önceki medikal soğutma sistemleri arasından sıyrılabilecek yenilikler getirmesi şarttır. Kullanılan peltier yarıiletkeni verilen gerilimin seviyesine göre soğuk veya sıcak olabildiğinden sorunlu bölgeyi çift yönlü kontrol altında tutabilmek mümkün olmuştur. Böylece ısınan eklemde mutlak vücut sıcaklığı yakalanabilmiştir. Bu çift yönlü kontrol ile getirilen yeniliklerden bir tanesi de ısıl işlemin vücuttaki dokulara zarar vermeyecek bir periyotta hastaya uygulanabilmiş olmasıdır. Bunun için ilgili tıbbi bilimler incelenmiş elde edinilen bilgiler doğrultusunda kontrol sistemi yazılımı oluşturulmuştur. Ortaya koyulan proje hem aşırı ısınma problemini tamamen çözme yeterliliğindedir hem de uygun bir kontrol sistemi sayesinde aşamalı soğutmayla doku dostu bir sistem sunmuştur. Hali hazırda sunduğu bu yeniliklerle birçok avantaja sahip olan ürünün diğer medikal soğutma yöntemleriyle rekabette zorlanmayıp büyük bir talep görmesi beklenmektedir. 2
2. Teorik ltyapı 2.1. Eklem Romatizmasının Tarihçesi Romatizmanın ilk olarak tanımlandığı kaynak Edinburgh da bir patolog olan Ralph Stockman a aittir. 1904 yılında romatizmayı tam olarak ağrı, tutukluk, kas yorgunluğu hissetmeye eğilim, serbest kas hareketine engel olan ve sıklıkla enerji ve güç açlığı ile ilişkili şeklinde tanımlanmıştır [2]. Eklem ağrısı şikayeti olan bireyler arasında belirgin farkların olmamasının yanında bu rahatsızlık için belirgin sebep olmadığından dolayı 1939 dan beri bu konuya ilgi artmıştır. 1980 lerde bu belirsiz semptomatolojisi olan konuya ilgi tekrar artmıştır ve pek çok araştırmacı kontrol grubunda olmayan ve sadece fibrozit veya fibromiyalji tanılı hastalarda olan 18 özel hassas noktadan en az 11 inde hassasiyet olduğunu saptamışlardır.[3-4] 1990 larda anormal olmayan bireylerin eklemlerinde de hassas bölgeler olduğu belirlenmiştir. FMS hastalarında ise vücudun farklı bölgelerinde çok sayıda hassas bölge olduğu tespit edilmiştir. Düşük ağrı eşiğine sahip olma ile en iyi şekilde karakterize olduğu ve FMS nin kronik ağrı sendromu, maruz kalma sendromları ve somatiform bozukluklar ile bazı çakışan klinik özeliklerinin olduğu saptanmıştır [5]. 2.2. Eklem İltihabı Görülme Sıklığı Ve Yaş ralığı Eklem iltihabı hastalığı yaklaşık olarak insanların %1-3 arasında meydana gelmektedir. Bu hastalığa yakalanan kadın hastaların sayısı erkek hastalara kıyasla üç kat daha fazladır. Eklem iltihabı hastalığı genelde 20-40 yaşları arasında görülmektedir. Genelde bu yaş aralıklarında sık görülmesine rağmen her yaşta meydana gelebilecek bir hastalıktır. Hastalık daha çok el ve ayak eklemlerinde meydana gelir. 2.3. Hastanın Yaşadığı Süreç Hastalık başlarda kendini pek belli etmeyen sinsi bir hastalıktır. İlk evrelerde halsizlik, yorgunluk ve iştahsızlık gibi etkileri vardır. Bu gibi belirtiler soğuk algınlığına çok benzediğinden insanlar tarafından pek önemsenmez. Dikkate alınmayan belirtilerin 3
sonrasında ilk olarak küçük eklemlerde başlayan ağrılar ve sabah vakitlerinde eklemlerin hareketlerinde zorlanma gibi etkiler görülür. Romatizma iltihabı zamanla el, ayak, bilek ve dirsek gibi eklemlerde etkisini gösterir. El ve ayak eklemlerinde şişkinlik ve kızarıklıklar görülür. İlerleyen zamanlarda şiddetlenmeye başlayan ağrılar hastanın hareket edemeyecek hale gelmesine sebep olur ve günlük fiziksel aktivitelerini tamamen etkiler. Sıklıkla hastalar hareket edemez halde yatağa bağımlı bir şekilde tedavi edilir. Hastaların eklemlerinde belirli bir ısı artışı meydana gelir. Isı artışı eklem iltihabının olduğu bölgede şiddetli ağrılara neden olarak hastanın acı çekmesine neden olur. Isınan eklemlere soğuk jel uygulaması yapılarak hastanın ağrıları dindirilmeye çalışılır. 2.4. Eklem İltihabının Yan Etkileri Romatizma hastalıkları hastanın eklemlerinde birçok sorun meydana getirdiği gibi yan etkileri de vardır. Hastalar yatağa bağımlı kaldıklarından zayıflama ve kaslarda erime görülür. Pek çok hastada sindirim sorunları, böbrek iltihabı ve bağırsak bozuklukları meydana gelir. Sindirimde ve bağırsaklardaki sorunların önüne geçmek amaçlı sıvı beslenme ve hastaların bol su tüketmesine dikkat edilir. Bunların yanında sürekli olarak yatmaya bağlı olarak vücutta yaralar meydana gelebilir. Tedavi sırasında belirli aralıklarla hastanın yataktaki konumu değiştirilerek yara oluşumun önüne geçilmeye çalışılır. Hastaların vücut sıcaklığı normalin 1-1,5 derece kadar üzerindedir. 2.5. Peltierin Hastalığa Müdahale Yöntemi Isınmaya başlayan eklem bölgesinin soğuk jel yardımı ile soğutulması sonrasında eklemde meydana gelen ağrılar bir miktar azalmaktadır. Eklem ağrılarına neden olan ısınma sorununu tamamen bertaraf etmek amacıyla peltier elemanı kullanılmıştır. Peltier yapısı gereği aynı anda soğutma ve ısıtma yapabilen bir elemandır. Eklemdeki ısı değişimlerinin hastaya vereceği eklem ağrılarını azaltmak amacı ile peltierin bu özelliğinden yararlanılmıştır. Soğutma ve ısıtmayı aynı zamanda yapabilen peltier yardımı ile hastanın eklem sıcaklığının sabit tutulması sağlanmıştır. Bunun sonucunda yüksek sıcaklığa maruz kalmayan eklemlerin uzun vadede ısınma kaynaklı tahribatlarla karşılaşmamaları beklenmektedir. 4
3. Tasarım 3.1. Sistemin Genel Çalışması Ve Devre Elemanları Hastanın eklemlerinde ısınmanın başlamasıyla ilk olarak ısı sensörü sıcaklık artışını algılar ve bunu mikroişlemciye bildirir. Mikroişlemci, aldığı bilgilere göre kontrol devresinin bağlı olduğu diğer mikroişlemciye komutunu gönderir. Şekil 1 de görüldüğü gibi kontrol sürücü devresi DC kaynağa bağlı olan soğutma sistemi elemanlarını yaptığı anahtarlamalarla çalışır konuma getirir. Bu anahtarlamalar ile kontrol devresi suyun borularda dolanmasını sağlayan pompayı ve aldığı gerilimle birlikte yüzeyi soğuyan peltieri çalışır hale getirmiş olur. Böylece sistemde peltierin soğuk yüzeyinden geçen ve oradan hastaya ulaşan sirkülasyonu sağlanmış bir soğutma suyu elde edilmiş olur. Sistemin çalışması süresince eklem sıcaklığı eklem üzerindeki ısı sensörü yardımıyla ölçülür. Sensörden alınan verileri değerlendiren mikroişlemci hastanın vücut sıcaklığı istenilen sabit değerde belli bir süre kalıncaya kadar sistemin çalışmasını devam ettirir. İstenilen sıcaklık sağlandığında mikroişlemci kontrol devresine kapat emri vererek devreyi kapatmaktadır. Peltierli soğutma sisteminde soğutma için 400 wattlık 4 adet peltier, peltiere ve diğer sistem elemanlarına güç sağlayan 400 Watt 15 voltluk DC güç kaynağı, suyu peltier üzerinde soğutmak için 2 adet 122(D) x 41(w) x 12(H) mm boyutlarında su soğutucu blok, 5metrelik su akışını sağlayacak plastik boru, suyun borular içerisinde hareket etmesini sağlayan 300 l/h 12 Volt luk su pompası, peltierin sıcaklığı artan yüzünün soğutulmasını sağlayan su pompası ve sistemin kontrolü için 2 adet TI MSP-430 tipi mikroişlemci kullanılmıştır. yrıca kablosuz haberleşmeyi sağlamak için iki adet HC-06 bluetooth modülü ile birlikte vücut sıcaklığı hakkında mikroişlemciye veri sağlayacak olan bir adet LM35 tipi ısı sensörü sistem içerisinde kullanılan elemanlar arasında yer almaktadır. 5
Şekil 1. Sistem Çalışma Diyagramı 3.2. Peltier Ve Tarihçesi Yarı iletken üzerinde yapılan çalışmaların sonucunda bugün piyasada sıkça kullanılan peltier elemanı keşfedilmiştir. Peltierin bulunmasında ilk adımı 1823 yılında Estonya lı bilim insanı Thomas Johann Seeback atmıştır. İki farklı metal kullanarak bir halka yapan Seeback oluşturduğu bu halkanın eklem yerlerini ısıttığında ortamdaki pusula iğnesinin saptığını gözlemlemiştir. Bu keşifle yarıiletkenlerin ısıya maruz kaldıklarında etraflarında bir manyetik alan meydana getirdikleri anlaşılmıştır. Seeback'in bu gözleminden 12 yıl sonra 1835'te Fransız bilim insanı Thomas Johann yarıiletkenlerdeki ısı ve elektrik arasındaki ilişkinin çift taraflı bir ilişki olduğunu kanıtlamıştır. Buna göre yarıiletkenlerin uçlarına gerilim uygulandığında bir tarafın soğurken diğer taraf ısınmaktadır. Peltierin ortaya koyduğu bu çalışmadan sonra yarıiletkenlerin elektrik ısı ilişkisi termoelektrik alanında peltier etkisi olarak anılmış ve önemli bir yapı taşı olarak literatürdeki yerini almıştır.[6] 6
Şekil 2. Peltier elektron akışı Şekil 2 de görüldüğü gibi elektronlar bir tarafa aktıkça o taraf ısınmakta diğer taraf ise soğumaktadır. Yarı iletkenlerdeki peltier etkisinden faydalanabilmek için peltier adında bir eleman üretilmektedir. Peltier kısaca 0-15 volt aralığında çalışan, uygulanan gerilimle birlikte bir yanı çok ısı kaybederken diğer yanı çok ısınan bir elemandır. 3.2.1. Peltier Elemanı İç Yapısı Peltier elemanı yapısı gereği gerilim uygulandığında bir yüzeyi ısınan diğer yüzeyi ise soğuyan bir yapıdadır. Peltier içersinde bulunan termoelektrik madde sayesinde bir yüzeydeki ısı diğer yüzeye aktarılmaktadır. yrıca peltier içerisinde bulunan P ve N tipi uçlar seri bağlı olarak yerleştirilmiştir. Gerilim uygulandıktan sonra elektronlar soğuk taraftan sıcak tarafa doğru hareket etmektedir. Elektronlar yardımıyla ısı soğuk taraftan sıcak tarafa taşınmış olur. Peltierin sıcak yüzeyi ne kadar çok ısınırsa soğuk yüzeyi de o kadar çok soğumaktadır. Peltierin içyapısını Şekil 3 üzerinde de görüleceği gibi birbirine bitişik halde bulunan P,N tipi maddelerden oluşmaktadır.[7] 7
Şekil 3. Peltier iç yapısı 3.2.2. Peltier Mikroişlemci İlişkisi Yapılan peltierli soğutma projesinde peltierin çalışması mikroişlemci ile denetlenmiştir. Vücut sıcaklığı istenilen sıcaklığın üzerine çıktığında peltiere kontrol devresi yardımıyla başlat komutu verilir. Peltier çalışmaya başladıktan sonra soğuk yüzey suyu soğutarak vücuda soğuk suyun iletilmesini sağlanır. Hastanın vücut sıcaklığının istenilen aralıkta belirlenen süre boyunca sabit kaldığını gözlemleyen mikroişlemci tekrar kontrol devresi yardımıyla peltiere durdurma emrini verir. 3.2.3. Peltier Sistem İlişkisi Peltier soğutucu köprünün altına yerleştirilmiştir. Böylece peltierin soğuk yüzeyi soğutucu köprüyle temas halinde olacak şekilde konumlandırılmış ve soğuk yüzeyin ısısı suya iletmiştir. Burada soğutulan su, pompa yardımıyla borularla vücuda iletilmektedir. Borularda sürekli olarak dolanan su ısınan eklemin sıcaklığını kademeli olarak azaltmaktadır. 3.2.4. Peltierin Kullanıldığı Benzer Soğutma Uygulamaları Peltierin soğutma ve ısıtma özelliği olması nedeniyle birçok uygulamada kullanılmaktadır. Otomobillerde pratik ve taşınabilir mini buzdolabı yapımında kullanılan 8
peltierler mevcuttur. Bu uygulamada uzun yolculuklar esnasında yolcuların içecek ve gıda malzemelerinin istenilen soğuklukta saklanabilmesi sağlanmaktadır. Yapılan bu mini dolaplar sadece soğutma amacı ile kullanılmamaktadır. yrıca yapılacak bir anahtarlama devresi ile peltiere uygulanan gerilim ters yönde değiştirilirse mini dolap ısıtma amaçlıda kullanılabilmektedir. Peltier fan uygulamalarında da sıkça kullanılmaktadır. Soğuk yüzey tarafına fanlar yerleştirilmektedir. Fanlar hava yardımıyla yüzeyden geçirilerek dış ortama soğuk havanın gönderilmesi sağlanmaktadır. Kuluçka makinesi yapımında da peltier uygulamaları bulunmaktadır. Peltierin ısıtma ve soğutma işlemini birlikte yapabilmesinden dolayı kuluçkanın istenilen sıcaklıkta sabit tutulması için peltier istenilen sıcaklığın altına düştüğünde ısıtacak, istenilen sıcaklığın altına düştüğünde soğutma işlemi yapacak bir anahtarlama devresi kullanılmıştır. nahtarlama elemanı gerilimi ters kutuplayarak ısıtma ve soğutmayı yapmaktadır. İstenilen sıcaklık aralığı sağlanmış olur. Bilgisayar CPU soğutmak amacıyla da peltier kullanılmaktadır. CPU soğutmak için kullanılan soğutma fanlarının yeterli olmadığı zamanlarda peltierli soğutma yapılmaktadır. CPU üzerine yerleştirilen peltierin soğuk yüzeyi yardımıyla yeterli soğutma sağlanmaktadır. 3.3. Güç Kaynağı Genel Özellikleri Peltierli soğutma projesinde kullanılan güç kaynağı peltierin çalışması için gerekli olan 400 wattlık gücü ve 15 voltluk giriş gerilimini sağlamaktadır. Şebekeye bağlanan güç kaynağından 220 V x 2=310 voltluk dc gerilim elde edilmektedir. Bu 310 voltluk gerilim güç mosfetleriyle yapılacak olan anahtarlamayla kontrol devresindeki transformatöre iletilir. Böylece transformatör çıkışından peltieri çalıştıracak olan 15 voltluk gerilim elde edilmiş olur. Güç kaynağının 15 voltu peltiere iletmesi kontrol sisteminde ayrıntılarıyla değinilecek olan kontrol devresi aracılığıyla olmaktadır. Gerekli görülen zamanda kontrol devresindeki yarıiletken anahtarlama elemanları yardımıyla 15 voltluk gerilimin peltiere ulaşması engellenir ve peltier kapatılmış olur. İhtiyaç duyulan zamanda aynı kontrol devresi peltiere güç kaynağından enerji gitmesine izin vermektedir ve peltier tekrardan çalışmaya başlamaktadır. Kullanılacak güç kaynağının temsili devresi Şekil 4 deki gibi simülasyon programı üzerinde gerçekleştirilmiştir. 9
Şekil 4. Güç kaynağı içyapısı simülasyonu 3.4. Projede Su Pompalarının İşlevselliği Projedeki su pompalarının ilki soğutulan suyu hastanın ısınan eklemine ulaştırmak için gerekli olan su döngüsünü sağlar. Peltierli soğutma işlemi durdurulunca kontrol devresi üzerinden kapatılır. İhtiyaç halinde tekrar aynı devre tarafından çalıştırılır. Peltierli soğutma sisteminde kullanılan su pompası kendinden su hazneli olup 12 volt dc gerilimde çalışmaktadır. Su pompası saatte 300 litre suyu pompalama kapasitesine sahiptir. Peltierin ısınan yüzünü soğutan su pompası ise peltierin sıcaklığı artan yüzeyine yerleştirilen bakır bir soğutucu köprü üzerinden su döngüsünü sağlamaktadır. Böylece peltier karşılaşılması muhtemel arızalara karşı korunmuştur. 3.5. Soğutucu Köprü Peltierin üzerinde bulunan köprü peltierin soğuk yüzeyinin suyla temasını sağlayan elemandır. Soğutucu köprünün peltierle temas yüzeyi olan alt kısmı iyi bir ısıl iletken olan bakırdan yapılmıştır. Şekil 5 de bulunan temsili şekildeki gibi köprü içerisinde bulunan ızgara şeklindeki yüzey yardımı ile suyun temas yüzeyi artırılarak daha iyi soğutma sağlanmıştır. Soğutucu köprünün bir adet girişi ve bir adet çıkışı mevcuttur. Köprünün çıkışında soğutulan suyu vücuda iletecek olan su pompası vardır. Köprünün girişine ise vücuttan dönen suyu getirecek olan borular bağlıdır. 10
Şekil 5. Soğutucu Köprü Modellemesi 3.6. LM35 Elemanının Tanıtımı Ve Mikroişlemci İle Olan İlişkisi LM35 ısı sensörü yarıiletken bir yapıya sahiptir. Yüksek doğrulukta ölçümlere ihtiyaç duyulan uygulamalarda yaygın şekilde kullanılmaktadır. Eksi 55 dereceden 150 dereceye kadar olan sıcaklıklarda çalışabilen LM35 ler insan vücudundan sıcaklık verisi almak için uygundurlar. Projede ısınan ekleme yerleştirilen LM35 in çıkış gerilimi değişen sıcaklıkla beraber değişmektedir. Bu değişim derece başına 10 mv olarak gerçekleşmektedir. Projede Şekil 6 da gösterildiği gibi LM35 ten alınan analog çıkış gerilimi mikroişlemci içerisinde bulunan DC yardımıyla yorumlanabilir dijital verilere dönüştürülmektedir. DC tarafından dönüştürülen bu veriler mikroişlemci üzerinde gömülü olan programda değerlendirilmekte ve bu değerlendirme sonucunda gerekli olan açma kapatma işlemleri gerçekleştirilmektedir.[8] 11
Şekil 6. LM35 Mikroişlemci ilişki şeması 3.7. nahtarlama Devresi Temel Yapısı Ve İşleyişi Gerçekleştirilen peltierli soğutma sistemiyle ilgili bu kısımdan önce verilen bilgilerde peltierin çalışma prensipleri ve soğutmayı nasıl gerçekleştirdiği, soğutulan suyun hastaya nasıl ulaştırıldığı gibi konulara ayrıntılarıyla yer verildi. Sıra yapılan peltirli soğutma sisteminin ortaya koyduğu medikal çözümü yöneten ve elde edilmek istenen sonuçlar doğrultusunda kararlar veren kontrol sisteminin tanıtılmasına geldi. Kontrol sisteminin temel parçalarından ilki anahtarlama devresidir. Kontrol devresi sistemin ana elemanlarından olan peltier, güç kaynağı ve dinamo ile devre elemanları üzerinden direkt temasta olup mikroişlemci ile soğutma sistemi arasında bir köprü görevi görmektedir. 12
Şekil 7. Mikroişlemcinin sistem ilişkisi Yukarıda bulunan Şekil 7 de anahtarlama devresinin sistem ile olan ilişkisi gösterilmiştir. Bu ilişkiyi daha detaylı olarak anlatalım. Kontrol sisteminin bir diğer temel parçası mikroişlemcidir. Mikroişlemci kontrol sisteminde birden fazla görev üstlenmektedir. Bu elemanlar birbiriyle sistemli çalışarak mikroişlemcinin kontrol sistemindeki görevlerini yerine getirmektedirler. Mikroişlemci üzerinde dış ortamla haberleşmeyi sağlayan haberleşme protokolleri vardır. Haberleşme protokollerine örnek olarak URT, I2C ve SPI haberleşmeleri gösterilebilir. Peltierli soğutma projesinde mikroişlemciler arasındaki haberleşme URT haberleşme protokolü aracılığıyla sağlanmıştır. Isı sensörlerinden mikroişlemciye ulaşan veriler analog verilerdir. Bu veriler mikroişlemcinin üzerinde bulunan DC (nalog Digital Converter) tarafından sayısal verilere dönüştürülür. Buradaki amaç ısı sensörlerinden gelen verileri mikroişlemcinin kullanabileceği forma çevirmektir. Mikroişlemciler üzerine kontrol yazılımlarının yüklendiği RM lere sahiptirler. nalog dijital çevirici tarafından dijital forma dönüştürülen ısı sensörü verileri mikroişlemcinin RM bölgesine gelerek kontrol sistemi için yazılmış ilgili yazılımca değerlendirilir. İlgili yazılım aldığı bu veriler doğrultusunda dış ortamda yapılması gereken değişikliklere karar vermektedir. Yazılımdan alınan komutlar mikroişlemcideki GPIO (General Purpose Input- Output) aracılığıyla dış ortama aktarılır. Türkçe karşılığı genel amaçlı giriş çıkış ünitesi olan GPIO mikroişlemcinin kontrol devresiyle bağlandığı kısımdır. GPIO aldığı komutlara göre kontrol devresine lojik 1 (5 V) veya lojik 0 (0 V) vererek kontrol devresindeki elemanları uyarır. Uyarılan bu kontrol devresi elemanları yazılımın verdiği kararlar 13
doğrultusunda güç kaynağı ve dinamoda açma kapama olaylarını gerçekleştirir. Yukarıdaki döngü hastanın ısınan eklemi normal sıcaklığına dönene kadar tekrar eder. Bu sürekli kontrol döngüsü peltierli soğutma işleminin daha efektif ve yönetilebilir olmasını sağlar.[9] 3.8. Mikroişlemcide Yazılımsal Kontrol Mekanizması Mikroişlemcinin RM kısmına C dilinde yazılmış olan bir yazılım yüklenmiştir. Mikroişlemciye yüklenen bu yazılım sistemi kontrol ederek hastanın ısınan eklemlerini normal vücut sıcaklığına getirmektedir. Her yazılımda olduğu gibi burada da yazılımın sistemi nasıl yöneteceğine karar verebilmesi için dışarıdan veri akışı olmaktadır. Bu veriler sistemdeki ısı sensöründen alınmaktadır. Maruz kaldığı ısıya göre direnci değişen ısı sensörü direncindeki bu değişikliği mikroişlemciye uyguladığı çıkış gerilimi üzerinden yansıtmaktadır. Değişen bu gerilim değerlerini yorumlayan yazılım ısı sensörünün bulunduğu yerdeki sıcaklığın ne kadar olduğunu tespit etmektedir. Tespit ettiği bu sıcaklık verilerine göre de mikroişlemciye komut vererek peltier ve su pompasında gereken açma kapama işlemlerini yapmaktadır. Yapılan bu düzenlemelerle peltierli soğutma projesi gerçeklenirken ortaya çıkarılan cihazın ısınan bölgeyi hızlı ve verimli bir şekilde normal vücut sıcaklığına getirmesi sağlanmıştır. Projede peltier 400 W lık güç kaynağından enerji alarak çalışmakta, su pompası ise peltier tarafından etkili bir şekilde soğutulan suyun ısınan bölge etrafında döngüsünü sağlamaktadır. Peltierli soğutmanın bu özellikleri ısınan bölgeye bir soğutma müdahalesi yapmakta olup herhangi bir buz tedavisinin sağlayacağı etkiden daha istikrarlı bir çözüm sunmaktadır. Proje sonucunda ortaya çıkan peltierli soğutma çözümünü cazip hale getiren en önemli unsur soğutmanın kontrol devresi ve mikroişlemcinin kontrolünde ve ilgili yazılımın yönetimi altında yapılmış olmasıdır. Bu unsurların uyumlu bir şekilde çalışması etkili bir medikal soğutma cihazı ortaya çıkarmıştır. Yazılımın kontrol sistemindeki yerine değindikten ve ortaya çıkan medikal çözümdeki kontrol mekanizmasına yaptığı katkıları vurguladıktan sonra yazılımın bahsedilen sistem yönetimini nasıl yaptığına değinilmesi gerekir. Bu peltierli soğutmanın ısınan bölgeyi vücut sıcaklığına nasıl getirdiğinin anlaşılması açısından önemlidir. Hastada eklem ısınmasından kaynaklı şikâyetler başladığında hastanın ısınan eklemine peltierler tarafından soğutulan su gönderilir. Soğutulan bu su plastik borular içerisinden geçerek bu plastik borularla sarılı kol veya ayak bandajı üzerinden hastanın ısınan 14
eklemine ulaştırılır. Mikroişlemciye enerji verildiğinde yazılım ilk aşama komutlarını vererek güç kaynağının peltiere enerji vermesini böylece peltieri çalıştırmasını sağlar. Eş zamanlı olarak su pompasına da enerji verilerek su akışı başlatılır. Hastanın ısınma sorunu yüzünden peltierli soğutmaya başvurduğu kabulünden yola çıkarak ilk aşamada su soğutularak hastaya gönderilir. Burada mikroişlemcinin çalışmasıyla beraber ısı sensöründen yazılıma veriler gelmeye başlar. 3.9. Mikroişlemci Karar Mekanizması Peltierli soğutma projesinde ısınan ekleme yerleştirilen bir adet LM35 ısı sensörü bulunmaktadır. Bu ısı sensörü ısınan eklemin sıcaklığını anlık olarak takip etmekte ve bu verileri değerlendirilmek üzere mikroişlemciye iletmektedir. LM35 ısı sensöründen ısı verisi alan yazılım ısınan bölgenin sıcaklığı 36 derece mertebesine geldiğinde eklemin normal vücut sıcaklığına geldiğine karar vermekte ve akabinde peltier ve su pompasına gelen enerjiyi eş zamanlı olarak kesmektedir. Böylece ısınan eklemin sıcaklığı en kısa sürede normal vücut sıcaklığına getirilmiş olur. Hasta peltierli soğutucuya bağlı olduğu sürece ısınma olan bölgenin ısı değerleri yazılım tarafından izlenmeye devam eder. Belirlenen değerinin üstünde bir sıcaklık artışı gözlendiğinde peltierli soğutucu tekrar devreye girerek vücut sıcaklığı tekrardan yakalanmaya çalışılmaktadır. Rahatsızlığı tekrarlamamaya başlayan hasta kullandığı mikroişlemci kontrollü peltier soğutucu sayesinde normalde iltihaplı romatizmanın kendisini en şiddetli gösterdiği dönemi ağrısız atlatmış olur. Uzun vadede hayat kalitesi arttırılan hastanın eklemlerinde oluşabilecek ısıl kaynaklı erime ve tahribatın da önüne geçilmiş olur. 15
Şekil 8. Mikroişlemci karar mekanizması Yukarıda verilen şekil mikroişlemci karar mekanizmasının sembolize edilmiş halidir. Şekil 8 de verildiği gibi yapılan işlemler sıcaklık bilgisine göre değerlendirilerek bir süzgeçten geçirilir. Bir aralık için açma görevi yapılır iken diğer bir aralık için kapama görevi yapılmaktadır. 16
4. Simülasyon Çalışmaları 4.1. nahtarlama Devresi Elemanları İstenilen ısı aralığında gerekli açma kapamaların yapılabilmesi için mikroişlemciler tarafından yönetilecek olan 5 adet kontrol devresi gerçeklenmiştir. Kontrol devresi içerisinde MOSFET, transistör ve direnç ihtiva etmektedir. Kontrol devresinde IRFZ 44 ve BC 547 elemanları kullanılmıştır. Sistemde kullanılan peltier elemanı yüksek akım çekmektedir. Bu nedenle yüksek akım ve gerilim altında çalışabilen IRFZ 44 tercih edilmiştir. IRFZ 44 elemanı 60V ve 50 kadar dayanıklı yapıdadır. Peltierin çektiği 26.6 akımı kullanılan bu mosfetin karakteristiğiyle uyumludur. Mikroişlemciden gelecek işarete göre transistör elemanı iletimde ya da tıkamada olmaktadır. MOSFET in iletimde veya tıkamada olması transistörün durumuna göre değişmektedir.[10] 4.2. nahtarlama Devresi Simülasyonu Ve İşleyişi Yazılımın mikroişlemci üzerinden peltier ve su pompasını açıp kapattığına daha önce değinilmişti. Yazılım bu açma kapama komutlarını ısınan bölgeyi normal vücut sıcaklığına indirmek için yapmaktaydı. Isınan bölgede sıcaklık artışı olduğunda devreye giren peltier ve su pompası ısınan bölgenin normal vücut sıcaklığına dönmesiyle tekrar kapatılacaktır. Peltierli soğutma projesinde uygulanan soğuk su müdahalesinin süresi bu kontrol sistemi tarafından belirlenmektedir. Kontrol devresinde açma kapama işlemi devredeki BC547BP transistörü ile IRFZ44N mosfetinin beraber çalışmasıyla mümkün olmaktadır. Transistörde mosfet gibi bir switching yarıiletken olup mosfet anahtarlaması bir başka anahtarlama türü olan transistör anahtarlaması üzerinden yapılmaktadır. İlk durumda mikroişlemciden transistörün gate ucuna 5 Volt luk gerilim verilerek gate ucundan akım akması sağlanmaktadır. kan akımla birlikte doyuma giden transistör kısa devre gibi davranmaya başlayacaktır. Transistörün kısa devre gibi davranması mosfetin gate ucunda gerilim indüklenmemesine neden olur. Gate ucunda gerilim olmayan mosfet açık devre gibi davranır. 17
Şekil 9. Peltierin kapalı olduğu durum Şekil 9 daki multisim simülasyonundan da görülebileceği gibi transistör aldığı 5 volt luk tetiklemeyle beraber iletime geçer ve kısa devre gibi davranır. Bu tüm akımın direnci az olan yerden akması ve mosfete herhangi bir tetikleme gelmemesi anlamına gelmektedir. Mosfetin açık devre gibi davranmasıyla yükte herhangi bir gerilim indüklenmeyecektir. Bu durumda mikroişlemciden kontrol devresine 5 V luk gerilim uyguladığında projede yük yerine geçen peltiere enerji verilemeyecek ve peltier kapatılmış olacaktır. Yazılım mikroişlemciye peltieri açma komutu verdiğinde ise mikroişlemciden transistöre herhangi bir gerilim verilmemektedir. Bu durumda gate ucundan akım geçmeyecek olan transistör açık devre gibi davranacaktır. Transistörün açık devre gibi davranmasıyla mosfetin gate ucunda gerilim indüklenecektir. Bu gerilim indüklenmesi yüzünden doyuma gidecek olan mosfet kısa devre gibi davranacaktır. Şekil 10 de görüldüğü gibi mosfetin kısa devre gibi davranmasıyla peltier çalışması için gereken 15 voltluk gerilimi almaya başlamaktadır. 18
Şekil 10. 15V ile peltierin devreye sokulması Burada çalışması açıklanan kontrol devresinin davranışını özetlemek gerekirse kontrol devresine 5 voltluk gerilim verildiği sürece kapalı durumda olan peltier mikroişlemcinin devreye gerilim vermemeye başlamasıyla birlikte çalışır hale gelmektedir. Yukarıda peltierin açıp kapatılması üzerinden çalışması incelenen kontrol devresinin benzeri 4 adet kontrol devresi daha sistemde bütünleşmiş halde olup ilgili elemanlar üzerinde anahtarlama işlemleri yapılmaktadır. 19
5. Deneysel Çalışmalar 5.1. Genel İşleyişi Projenin değerlendirme ve denetim mekanizması için MSP430 kullanıldı. Bu mikroişlemcinin kullanılmasındaki temel etmen sıcaklık gibi analog bir verinin okunarak değerlendirilmesi ve sıcaklığın istenilen seviyede kontrolünün sağlanmasıdır. Mikroişlemci 16 bitlik bir CPU ya sahip olup bu bellekte koşulan program yardımıyla harici bir CPU ve denetleme elemanı kullanılmasına gerek kalmadan işlemlerini yapabilmektedir. MSP430 ayrıca kendi DC sine sahip bir mikroişlemcidir. DC bölgesine gelen analog bilgiler işlenerek digital verilere çevrilmektedir. Bu nedenle projede sıcaklık verisinin okunup digital olarak elde edilmesi için DC kullanılmıştır. Şekil 11 de görüldüğü üzere 20 adet pini bulunmaktadır. Bu pinlerden 2 tanesi URT pinleridir. URT pinleri haberleşme için projede kullanılmıştır. Herhangi bir pin programda seçilerek DC girişi olarak atanabilmektedir. [11] Şekil 11. MSP430 pinleri 20
MSP430 un sahip olduğu CPU su birçok bölümden oluşmaktadır. Programdaki her bir adım işlemin bir sırası vardır. Yaptığı işlemlerin düzenlenmesi süre ve tüm karmaşık işlemler CPU üzerinde yapılır. Bu nedenle CPU nun çalışma şeklinin bilinmesi gerekir. CPU içerisindeki elemanların işleyişi Şekil 12 de gösterilmiştir. Bunlardan kısaca bahsedecek olursak; LU(rithmetic logic unit ): Matematiksel işlemler mikroişlemcinin bu bölümünde yapılmaktadır. Dataların okunması ve yazılması da bu bölümde yapılmaktadır. Program Counter: Mikroişlemci içerisinde bulunan program komutları yürütürken adreslere atar. Bu adresleri içerisinde bulundurur ve hangi işlemin hangi sırada olacağını belirler. CC(ccumulator): CPU larda ara işlemlerin tutulduğu ara bellektir. Giden ve gelen verilerin ilk olarak geldiği yerdir. CPU nun bit sayısı buraya bağlıdır. Status Register: Burada setlemelerin ve resetlemelerin bayrakları bulunmaktadır. Yapılan matematiksel işlemlere göre bayrakların konum değiştirdiği yerdir. Stack Pointer: Bir programda, alt programa gidildiğinden o alt programa gidilmeden önceki yerin adresini kaydedip alt programdan çıkıldığında aynı yerden devam edilmesini sağlayan adres kaydedicidir.[12] Şekil 12. CPU işleyiş şeması 21
5.2. MSP430 nalog-digital Çevrim Ve DC10 Projede kullanılan MSP430G2553 modeli DC10 isimli bir dönüştürücüye sahiptir. İsminden de anlaşılacağı gibi 10 bitlik bir analog-digital dönüştürücüye sahiptir. Bu nedenle DC bilgisinin kontrol edilebilmesi için ilk olarak referans gerilim bilinmesi gereklidir. Ölçümler sonucu mikroişlemcinin Vcc çıkışlarının 3,6 V gerilim seviyelerinde olduğu gözlemlenmiştir. Mikroişlemcide rakamlar iki haneli büyüklüklere geldiğinde Tablo 1 deki gibi adlandırılır. Çizelge 1. Mikroişlemcideki çift haneli rakamların harfsel olarak adlandırılması 10 B 11 C 12 D 13 E 14 F 15 10 bitlik DC nin referans gerilim için tüm bitlerin 1 olduğu kabul edilir. Bu kodlama yapılırken sağdan başlayarak her 4 bit gruplanarak kendi içinde hesaplanarak kodlanmıştır. Dört bitlik bir dizge maksimum 16(F) olabilmektedir. Bu nedenle referans gerilim için 10 bitlik bir DC deki veri x03ff şeklinde olmaktadır. 3,6 V gerilime düşen rakamsal değer 1023 tür. Hesaplamaları Tablo 2 üzerinde yapılabilir. Çizelge 2. DC10 verisindeki değerlerin hesap tablosu 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3 F F Toplam = 1023 22
Sıcaklık ölçmek için kullanılan LM35 gerilim tabanlı çalışmaktadır. Her bir derece için 10 mv çıkış vermektedir. Bu nedenle çıkış gerilimi ve referans gerilimine göre formül çıkarılmıştır. 3,6 V toplam bit sayısına düşen gerilim miktarıdır. Bit başına düşen gerilime göre programın yazılması sıcaklık bilgisinin okunmasının ilk adımıdır. Bulunan bu denklem LM35 için bilinen sıcaklık-gerilim bilgisi ile birleştirilerek yazılıma eklenmiştir. DC için program üzerinde yazılım yapılırken IR Workbench kullanılmıştır. // Function containing DC set-up void Configuredc(void) { DC10CTL1 = INCH_3 + DC10DIV_3 ; DC10CTL0 = SREF_0 + DC10SHT_3 + DC10ON + DC10IE; DC10E0 = BIT3; P1DIR = 0x41; } Yukarıda IR Workbench den alınan DC için yapılan setlemeler vardır. INCH_3 burada P1.3 pini DC pini olarak seçilmiştir. LM35 den çıkan Vout bu pine bağlıdır. DC10DIV için DC clockunun dönüşüm oranı seçilmiştir. SREF_0 ile Vcc gerilim yani 3,6V referans gerilim olarak seçilmiştir. DC10SHT_3 komutu ile clock cycle ayarı yapılandırıldı. ynı satırda DC10ON komutu ile DC aktif hale getirildi. DC10IE ile interruptlar yetkilendirildi. Üçüncü satırda DC10E0 ile daha önce DC seçilen P1.3 pini yetkilendirildi. Son satırda P1DIR = 0x41 komutu ile P1.6 ve P1.0 pinleri setlendi. Burada yapılan setlemeler ile tetikleme devresi kontrol edilerek devrede açıp kapama yaptırılmaktadır. Setlemelerden sonra formülden bulunan bit başı gerilim kullanılarak asıl program olan sıcaklık ölçüm programı C dilinde yazılmıştır. [13] 23
while(1) { delay_cycles(1000); DC10CTL0 = ENC + DC10SC; bis_sr_register(cpuoff + GIE); DC_value = DC10MEM; Temperature=(360*DC_value)/1023; delay_cycles(10000); if(temperature>=0x024) //SICKLIK 36 DEN BÜYÜK { P1OUT = 0x01; } if(temperature<=0x024) //SICKLIK 36 DEN küçük { P1OUT = 0x40; } P1IFG &= ~0x08; UC0IE = UC0TXIE; } While döngüsü içinde ana sıcaklık programı yer almaktadır. ENC + DC10SC satırı ile DC nin örnekleme ve dönüştürmesi başlatıldı. DC ye gelen bilgi MSP430 da DC10MEM olarak gösterilmektedir. DC de bulunan büyüklük daha önce bit başına bulunan gerilim formülü ile birleştirilerek sıcaklığın bilgisi elde edilmiştir. Döngü içerisindeki sıcaklık bilgisi açıklanacak olursa; Bit başına düşen gerilim = ı ı = (1) LM35 her 1 derecede 10mV gerilim çıkarmaktadır. DC ye gerilim bilgisi geldiğinden sıcaklık gelen verinin 100 katıdır. Buradan iki formül birbiri ile birleştirilerek; Temperature = = (2) olarak bulunmuştur. 24
If komutu içerisinde yazılan Temperature 36 derece veya daha büyük ise P1.0 ve P1.6 lojik0 olur. Kontrol devresinde devre çalışır hale gelmektedir. Fakat diğer bir durumda 36 derecen küçük ise P1.0 ve P1.6 lojik1 üretir. Bu durumda soğutma sistemi kapatılmış olur. Kontrol devresi lojik1 durumunda pasif hale gelecek şekilde ayarlanmıştır. P1IFG &= ~0x41 ile bayraklar resetlenmiştir. Yapılan işlem değişken değerlerin ölçümünün sürekli sağlanması için şarttır. UC0IE = UC0TXIE vericinin TX yetkilendirilerek alıcının RX ine sıcaklık bilgisinin aktarımı sağlanır. [14] 5.3. URT Haberleşme Ve Projedeki Yeri İlk olarak bahsetmek gerekir ki URT seri haberleşme protokolü SPI haberleşmeyle birlikte USCI- modülünde bulunmaktadır. URT ta veri alışverişi USCI tarafından belli bir bit oranında (baud rate) asenkron şekilde gerçekleştirilir. Her bir karakterin gönderilme ve alınma zamanı USCI de ayarlanan baud rateye bağlıdır. Veri alıp gönderme işlemleri aynı baud rate frekansında gerçekleşmektedir. Gönderilen bu veriler bir adet başlangıç biti, yedi veya sekiz data biti, tek/çift veya no parity biti, bir adet adres biti ve bir veya iki adet durma biti içermektedir.[15] URT seri haberleşme protokolünün özelliklerini maddeler halinde sıralayacak olursak; 1. Bir adet başlangıç biti, 7 veya 8 adet data biti, 2 adet durma biti içerir. 2. Bağımsız veri alış verişi yapan shift registerları 3. yrı veri alış verişi yapan buffer registerları 4. LSB-first veya MSB-first veri iletim ve alımı 5. Kademeli baud rate desteği için modülasyon ile programlanabilir baund rate 6. Hata tespiti için status bayrakları 7. dres tesbiti yapabilmek için status bayrakları 8. Veri alış verişi için bağımsız kesme kapasitesi[14] Mikroişlemciler arasında URT haberleşme yaparken TX seri çıkış olarak kullanılmaktadır. Veri gönderimi TX in atandığı pin üzerinden gerçekleşmektedir. Veri alma görevi ise RX in atandığı pin üzerinden olmakta ve RX seri giriş olarak kullanılmaktadır. Projede iki adet MSP430 ve bir adet diz üstü bilgisayarın haberleşmesi URT seri haberleşme protokolü sayesinde sağlanmıştır. Bu donanımlar arasında yapılan 25
URT haberleşme bluetooth modüllerliye desteklenmiş ve proje içerisindeki tüm veri alış verişi kablosuz olarak gerçekleştirilmiştir. 5.4. C Dilinde Verici Mikroişlemci Yazılımı Bu kısımda yazılımın işleyişi ana hatlarıyla incelenmiş ve önemli görülen noktalar kaynak kodlarıyla birlikte verilip açıklanmıştır. Hasta üzerinden sıcaklık verilerini alan ve aldığı bu verileri URT haberleşmesiyle ileten verici mikroişlemcisinin sahip olduğu yazılımın ilk kısmında gerekli tanımlamalar yapılarak P1.2 pini TXD olarak atanırken P1.1 pini RXD olarak atanmıştır. Burada TX veri göndermede görevliyken RX veri almada görevlidir. #include "msp430g2553.h" #define TXLED BIT0 #define RXLED BIT6 #define TXD BIT2 #define RXD BIT1 Takip eden kısımda registerlerin baud rate leri ayarlanmış, giriş ve çıkış pinleri belirlenerek DC pini seçilmiştir. URT seri haberleşmesi için gereken TXD seri çıkış ve RXD seri giriş pinleri burada atanmıştır. yrıca yazılımın içinde baund rate ayarları mevcut olup yapılan bu ayarlamalar URT seri haberleşmesinin kurulabilmesi için gereklidirler. P1SEL = RXD + TXD ; P1SEL2 = RXD + TXD ; P1DIR = 0x41; P1OUT &= ~0x41; P1DIR = RXLED + TXLED; UC0CTL1 = UCSSEL_2; UC0BR0 = 52; UC0BR1 = 0; Gerekli pin atamalarından sonra sıra DC yi aktif edip LM35 ısı sensöründen verileri okumaya geldi. DC interuptları enable edildikten sonra DC kullanılarak analog sıcaklık verilerinin dijital verilere çevrilme işlemi yapılmıştır. Elde edilen dijital veriler 10 bitlik DC ile LM35 ısı sensörü parametreleri göz önüne alınarak santigrat derece cinsinden 26
değerler elde edecek şekilde formülize edilmiştir. Burada Temperature tanımlaması bize güncel gerçek sıcaklığı vermektedir. DC10CTL0 = ENC + DC10SC; // örnekleme ve çevirme işlemi başlamaktadır bis_sr_register(cpuoff + GIE); DC_value = DC10MEM; Temperature=(360*DC_value)/1023; delay_cycles(10000); if(temperature>=0x024) //SICKLIK 36 DN BÜYÜK { P1OUT &= ~0x41; if(temperature<0x024) //SICKLIK 36 DN KÜÇÜK { P1OUT = 0x41; } Sıcaklık verilerini gönderen yazılımın son kısmında ise ısı sensöründen okunan sıcaklık verileri kurulan URT seri haberleşme yoluyla alıcı olarak kullanılan mikroişlemciye gönderilmektedir. #pragma vector=uscib0tx_vector interrupt void USCI0TX_ISR(void) {UC0TXBUF =Temperature; UC0IE &= ~UC0TXIE;} 5.5. C Dilinde lıcı Mikroişlemci Yazılımı lıcı mikroişlemcisinin yazılımı da benzer şekilde tanımlamalar, register setlemeleri, URT pin atamaları, giriş çikış pinlerinin belirlenmesi, baund rate ayarlarının yapılması bölümlerini içermektedir. Buraya kadar bahsedilen bölümlere verici yazılımında ayrıntılarıyla değinilmişti. lıcı yazılımına özel olan bölümler URT seri haberleşmesiyle verici mikroişlemciden sıcaklık verilerinin alınması ve alınan bu verilerin değerlendirilerek kontrol devresinin yönetilmesi şeklinde özetlenebilir. şağıdaki kodlardan da görüleceği gibi 36 santigrat derece nin altındaki değerlerde P1.0 ve P1.6 pinleri lojik 1 verirken 36 santigrat derece nin üstündeki sıcaklık değerlerinde P1.0 ve P1.6 pinleri lojik 0 vermektedir. Kontrol devresinin çalışma prensiplerine uygun olarak P1.0 ve P1.6 pinlerine bağlanan kontrol devreleri 36 27
dereceden küçük sıcaklık değerlerinde lojik 1 alarak bağlı oldukları cihazların enerjilerini kesecek, 36 dereceden büyük sıcaklık değerlerinde lojik 0 alarak cihazlara enerji verilmiş olacaktır. #pragma vector=uscib0rx_vector interrupt void USCI0RX_ISR(void) { deger=uc0rxbuf; if (deger<0x024) // 36 dereceden küçük değer geldi mi { P1OUT = 0x41; } if (deger>=0x024) // 36 dereceden büyük değer geldi mi { P1OUT &= ~0x41; } } 5.6. Bluetooth Genel Tanımı Bluetooth genelde kısa mesafelerde kullanılan kablosuz iletişim aracıdır. Bluetooth kısa mesafe radyo frekansı ile çalışan bir sistemdir. Bu nedenle alıcı ve vericinin birbirini görecek konumda olmasına gerek yoktur. Kısa mesafede kablo kullanmadan verilerin istenilen bilgisayara veya datanın depolanacağı yere iletilmesi sağlanabilmektedir. Bluetooth 10 metreye kadar etkin bir şekilde çalışabilmektedir. Kablolu iletişimin sıkıntı yarattığı yerlerde kullanılan bu sistem günümüzde telefonlarda ve dizüstü bilgisayarlarda sık kullanılan bir sistemdir. Bluetooth sistemi kısa mesafelerde çok fazla kolaylık sağlamasına rağmen uzun mesafeli kullanımlar için uygun değildir. Bu nedenle sadece kısa mesafeli veri aktarımı için elverişlidir. 28
5.6.1. Projedeki Önemi Doktor hastanın yanında sürekli olamayacağından hastanın kontrolünün bina içerisinde herhangi bir yerden yapılabilmesi gerekmektedir. Projede kullanılan bluetooth sistemi hastanın eklemlerindeki ısı değişimini sürekli olarak bilgisayardaki bir ara yüze aktarmaktadır. Bu ara yüz C# dilinde yazılmıştır. lınan bilgilerle hastanın eklem sıcaklığının anlık takibi sağlanmıştır. Hastanın eklemelerinden alınan sıcaklık bilgisi kayıt altına alınıp doktorun incelemesi amacıyla depo edilmektedir. Bu sayede hastanın günlük veya haftalık olarak durumu takip altına alınabilmektedir. Hastanın son durumu buradan alınan bilgilere göre değerlendirilebilmektedir. 5.6.2. Projede Kullanım Şekli Bluetooth cihazı mikroişlemciye bağlı olarak çalışmaktadır. Şekil 13 deki gibi bir çalışma sistemi düşünülmüştür. Isı sensöründen algılanan sıcaklık verileri öncelikle mikroişlemci tarafından değerlendirilmekte, değerlendirilen bu bilgiler mikroişlemciye bağlı olan bluetooth ile telefon, dizüstü veya masaüstü bilgisayara gönderilebilmektedir. Bu projede tercih bilgilerin diz üstü bilgisayara gönderilmesi yönünde olmuştur. Bilgisayarda bulunan ara yüz programı ile gönderilen bu bilgi doktora zaman ve sıcaklık bilgisi olarak aktarılmıştır. Doktor buradan istediği zaman hastanın durumunu kontrol edebilmektedir. 29
Şekil 13. Bluetooth hasta bilgisinin aktarımı 5.6.3. Bluetooth un PC İle İletişimi Bluetooth cihazı mikroişlemciye bağlı olarak çalışmaktadır. Isı sensöründen algılanan sıcaklık verileri öncelikle mikroişlemci tarafından değerlendirilmekte, değerlendirilen bu bilgiler mikroişlemciye bağlı olan bluetooth ile telefon, dizüstü veya masaüstü bilgisayara gönderilebilmektedir. Bu projede tercih bilgilerin diz üstü bilgisayara gönderilmesi yönünde olmuştur. Mikroişlemciye bağlanan bluettoth için bilgisayarda bir arama yapılmaktadır. Bilgisayardaki master bluetooth ile projede kullanılan HC-06 slave bluetooth arasında bağlantı kurulduğunda bilgisayar aygıta otamatik olarak bir COM adresi atamaktadır. Yapılan projede atanan COM adresleri sırasıyla 41 ve 42 dir. Bilgisayarda C# dilinde hazırlanan ara yüzden mikroişlemciler üzerindeki HC-06 bluetoothlarına bağlantı sağlandıktan sonra T komutuyla bluetoothlar arasında veri transferi başlatılmaktadır. Buna göre ısı sensöründe algılanan sıcaklık verisi arayüzden okunabilmekte ve kontrol devresini yöneten mikroişlemcinin gerekli anahtarlamaları yapabilmesi için kablosuz veri transferi sağlanmaktadır. 30
5.6.4. HC-06 Tanıtımı Ve Mikroişlemciyle Olan İlişkisi tım oranı (baund rate) 1200 ile 115200 arasında değişen ve bluetooth iletişiminde sadece köle (slave) olarak çalışabilen bir bluetooth modülüdür. Bluetooth V2.0 protokolüne sahip olan HC-06 3,3 voltluk bir çalışma gerilimine sahiptir. Eşleşme sırasında 20 ile 30 m arasında akım çekerken bağlantı durumunda 8 m çekmektedir. Projede kullanılan HC-06 lar 9600 lük bir atım oranına ayarlanmışlardır. ralarındaki haberleşmeyi bilgisayardaki master bluetooth aracılığıyla yapmaktadırlar. HC-06 bluetooth modülünün veri alışverişinde bulunabildiği maksimum menzil 10 metredir. Şekil 14 bağlantısındaki bluetooth modülün pinlerini tanıtmak gerekirse VCC, GND, RXD ve TXD pinlerine sahiptir. Burada VCC 3,3 ile 6 V arasındaki bir gerilimi temsil ederken GND toprak ucudur. TXD seri çıkış pini iken RXD seri giriş pinidir. Projede bluetoothların TXD pini mikroişlemcilerin RXD pinine bağlanırken RXD pini mikroişlemcinin TXD pinine bağlanmıştır. Böylece mikroişlemciden alınan veriler bluetooth aracılığıyla kablosuz olarak aktarılabilmektedir. Şekil 14. HC-06 ve MSP430 un bağlantı şeması 31