Geri tepme, ateşli veya simülasyon amaçlı mekanik sistemlerde kısa süreli fakat oldukça ani bir ivmelenme etkisi oluşturur. Bu etkinin ölçülmesi için klasik kuvvet sensörleri yerine, pratikte çoğu zaman yüksek hızlı bir akcelerometre kullanmak daha uygun olur. Buradaki devre de tam olarak bu amaçla hazırlanmış kompakt bir ölçüm kartıdır.
Devrenin temel görevi; atış veya mekanik darbe anında oluşan ivmeyi ölçmek, mikrokontrolör ile sayısal veriye dönüştürmek ve ölçülen değerleri kablosuz olarak bilgisayar ya da alıcı cihaza aktarmaktır.
Bu yüzden devre üç ana blok üzerine kuruludur: ölçüm için LIS331 akcelerometre, kontrol için PIC32MM0064GPL028 mikrokontrolör ve veri aktarımı için RN4020 Bluetooth modülü.
Benzer şekilde mikrodenetleyici tabanlı ölçüm ve kontrol devreleriyle ilgilenenler için PIC24 ve PIC32 örnekleri konusu da bu tip projeleri anlamak açısından faydalı olabilir.
Devrenin Genel Yapısı
İçerik
- 1 Devrenin Genel Yapısı
- 2 Geri Tepme Ölçümünde Neden Akcelerometre Kullanılır?
- 3 PIC32MM0064GPL028 Mikrokontrolör Bölümü
- 4 LIS331 Akcelerometre Bağlantısı
- 5 RN4020 Bluetooth Modülü
- 6 MCP1640 ile 3,3V Besleme Katı
- 7 Tek Butonlu Açma Kapama Devresi
- 8 Kristal Osilatör ve Zamanlama
- 9 LED Göstergeler
- 10 Devrenin Çalışma Sırası
- 11 Ölçüm Verisinin Değerlendirilmesi
- 12 PCB Tasarımında Dikkat Edilecek Noktalar
- 13 İlk Çalıştırma ve Test Önerileri
- 14 Kısa Değerlendirme
Şemaya bakıldığında devre dört ana bölüme ayrılabilir:
- 3,3V besleme üreten MCP1640 yükseltici regülatör katı
- PIC32MM0064GPL028 mikrokontrolör ve programlama bağlantıları
- LIS331 üç eksenli akcelerometre ölçüm katı
- RN4020 Bluetooth düşük enerji haberleşme modülü
Devre düşük güç tüketimi düşünülerek tasarlanmıştır. Besleme bir lityum pil veya harici düşük gerilim kaynağı üzerinden sağlanabilir. MCP1640 entegresi girişteki düşük pil gerilimini yükselterek sistem için gerekli 3,3V hattını oluşturur.
Devre Şeması
Geri Tepme Ölçümünde Neden Akcelerometre Kullanılır?
Geri tepme etkisi aslında çok kısa sürede oluşan bir ivme değişimidir. Akcelerometre bu ani hareketi x, y ve z eksenlerinde algılayabilir. Devrede kullanılan U2 LIS331 akcelerometre, SPI haberleşme hattı üzerinden mikrokontrolöre bağlanmıştır.
Akcelerometrenin görevi, mekanik darbeyi elektriksel sayısal veriye çevirmektir. Mikrokontrolör bu veriyi okuyarak işleyebilir, ham olarak gönderebilir veya yazılımda belirlenen formata dönüştürebilir.
| Blok | Görevi |
|---|---|
| U2 LIS331 | Üç eksende ivme ölçümü |
| MCU PIC32MM0064GPL028 | Veri okuma, kontrol ve haberleşme yönetimi |
| RN4020 | Bluetooth üzerinden kablosuz veri aktarımı |
| MCP1640 | Pilden 3,3V besleme üretimi |
PIC32MM0064GPL028 Mikrokontrolör Bölümü
Devrenin merkezinde MCU PIC32MM0064GPL028 yer alıyor. Bu mikrodenetleyici hem akcelerometreden gelen SPI verisini okuyor hem de Bluetooth modülüyle UART üzerinden haberleşiyor.
Şemada mikrokontrolör çevresinde C1, C2 ve C14 kondansatörleri besleme filtreleme için kullanılmıştır. Ayrıca VCAP hattında C3 kondansatörü bulunur. Bu kondansatör, PIC32MM ailesinin dahili regülatör yapısı için gerekli kararlılığı sağlar.
J13 konektörü programlama ve hata ayıklama için ayrılmıştır. Burada MCLR, VCC, GND, PGD ve PGC hatları görülüyor. Bu bağlantı yapısı PICkit gibi Microchip programlayıcılarla devreyi programlamak için kullanılır.
LIS331 Akcelerometre Bağlantısı
U2 olarak gösterilen LIS331 akcelerometre, şemada SPI hattı üzerinden mikrokontrolöre bağlanmıştır. Kullanılan hatlar SS, SCK, SDI ve SDO olarak etiketlenmiş. Ayrıca INT1 hattı da mikrokontrolöre taşınmıştır.
- SS: SPI chip select hattı
- SCK: SPI saat hattı
- SDI: SPI veri girişi
- SDO: SPI veri çıkışı
- INT1: Akcelerometreden kesme sinyali almak için kullanılır
Akcelerometrenin besleme pinlerinde C5 10uF ve C7 100nF kondansatörleri yer alıyor. Bu iki kondansatör birlikte kullanılarak hem düşük frekanslı besleme dalgalanmaları hem de yüksek frekanslı ani gürültüler bastırılır.
RN4020 Bluetooth Modülü
Şemadaki sağ üst bölümde RN4020 Bluetooth modülü bulunuyor. Bu modül, ölçülen verilerin kablosuz olarak aktarılması için kullanılmıştır. Mikrokontrolör ile modül arasında BT_RX, BT_TX, BT_CTS, BT_RTS ve BT_WSW gibi hatlar görülüyor.
RN4020, Bluetooth Low Energy sınıfında bir modüldür. Bu yüzden pille çalışan ölçüm devreleri için klasik Bluetooth modüllerine göre daha uygun bir seçimdir. Modülün beslemesinde C12 100nF ve C13 4u7 kondansatörleri kullanılmıştır.
Kablosuz modül uygulamalarıyla ilgilenenler için Bluetooth USB modül uygulaması da pratik bağlantı ve modül kullanımı açısından fikir verebilir.
MCP1640 ile 3,3V Besleme Katı
Devrenin alt sol bölümünde IC3 MCP1640 yükseltici DC-DC regülatör görülüyor. Bu entegre, düşük giriş geriliminden 3,3V üretmek için kullanılmıştır. Giriş hattı V_IN olarak adlandırılmıştır.
L1 4u7 endüktans, MCP1640’ın anahtarlamalı yükseltici yapısının temel elemanıdır. R8 270k ve R9 150k dirençleri çıkış geriliminin geri besleme oranını belirler. Çıkış tarafında C11 100nF, C17 22uF ve C18 10uF kondansatörleri yer alıyor.
| Eleman | Görevi |
|---|---|
| IC3 MCP1640 | Yükseltici DC-DC regülatör |
| L1 4u7 | Enerji depolayan endüktans |
| R8 ve R9 | Çıkış gerilimi geri besleme bölücüleri |
| C11, C17, C18 | Çıkış filtre kondansatörleri |
Bu tip düşük gerilimli devrelerin testinde akım sınırlamalı bir kaynak kullanmak oldukça faydalıdır. İlk çalıştırmada doğrudan pil yerine ayarlanabilir laboratuvar güç kaynağı kullanmak, kısa devre veya hatalı lehim riskini daha güvenli kontrol etmeyi sağlar.
Tek Butonlu Açma Kapama Devresi
Şemanın sağ orta bölümünde S1 butonu ve IC1A, IC1B kapılarıyla oluşturulmuş bir açma-kapama kontrol bölümü bulunuyor. Burada ENABLE hattı MCP1640’ın çalışmasını kontrol eder.
S1 butonuna basıldığında RC elemanları ve Schmitt tetikleyici giriş yapısı sayesinde ENABLE hattı lojik seviye değiştirir. Bu yöntem mekanik butonlardaki sıçrama etkisini azaltmak ve tek butonla açma-kapama işlevi sağlamak için kullanılır.
- R4 ve C6 açılış davranışını belirler
- S1 butonla kontrol girişidir
- IC1A ve IC1B lojik seviye şekillendirme yapar
- ENABLE hattı MCP1640 regülatörü aktif eder veya kapatır
Kristal Osilatör ve Zamanlama
Q10 olarak gösterilen 7M-16.000MAAJ-T kristal, mikrokontrolörün saat kaynağı için kullanılmıştır. C9 ve C10 22pF kondansatörleri kristalin düzgün salınım yapması için bağlanmıştır.
Ölçüm devrelerinde zamanlama oldukça önemlidir. Akcelerometreden alınan verinin belirli aralıklarla okunması, seri haberleşmeyle düzenli gönderilmesi ve ani ivme olaylarının kaçırılmaması doğru saat yapısına bağlıdır.
LED Göstergeler
Şemada kırmızı, sarı ve yeşil LED’ler bulunuyor. Bu LED’ler sistem durumunu göstermek için kullanılmıştır. Örneğin güç, bağlantı, ölçüm durumu veya hata bildirimi gibi işlevler yazılım içinde bu LED’lere atanabilir.
LED’lerin her birinde seri direnç kullanılmıştır. R2, R3 ve R6 dirençleri LED akımını sınırlar. Bu sayede mikrokontrolör pinleri aşırı akımdan korunur.
Devrenin Çalışma Sırası
Devrenin genel çalışma akışı şu şekilde özetlenebilir:
- V_IN girişinden pil veya harici besleme uygulanır
- S1 butonu ile ENABLE hattı aktif edilir
- MCP1640 çıkışta 3,3V VCC hattını oluşturur
- PIC32MM mikrokontrolör çalışmaya başlar
- LIS331 akcelerometre SPI üzerinden yapılandırılır
- RN4020 Bluetooth modülü UART ile hazırlanır
- Ölçülen ivme verileri kablosuz olarak gönderilir
Ölçüm Verisinin Değerlendirilmesi
Akcelerometreden alınan veri doğrudan kuvvet değildir; ivme bilgisidir. Geri tepme etkisini kuvvet olarak yorumlamak için ölçüm yapılan sistemin kütlesi ve mekanik bağlantı koşulları bilinmelidir. Temel ilişki Newton’un ikinci yasasına dayanır:
F = m × a
Burada F kuvveti, m kütleyi, a ise ivmeyi ifade eder. Ancak gerçek geri tepme olayı çok kısa süreli ve titreşimli olduğundan, pratikte ham ivme verisi zaman ekseninde kaydedilerek tepe değer, darbe süresi ve eksenlere göre dağılım analiz edilir.
PCB Tasarımında Dikkat Edilecek Noktalar
Bu tip ölçüm kartlarında yalnızca şema doğru olması yeterli değildir. PCB yerleşimi de ölçüm kalitesini doğrudan etkiler. Akcelerometre mekanik olarak karta sağlam bağlanmalı, kart üzerinde esneme ve gevşek bağlantı olmamalıdır.
- Akcelerometre mümkün olduğunca mekanik merkezde veya ölçüm istenen eksene uygun konumda olmalıdır
- Besleme kondansatörleri ilgili entegre pinlerine yakın yerleştirilmelidir
- SPI hatları gereksiz uzun tutulmamalıdır
- Bluetooth anten bölgesi bakır dolgu ve metal parçalardan uzak bırakılmalıdır
- Pil ve regülatör hattı ani akım değişimlerinde kararlı kalmalıdır
İlk Çalıştırma ve Test Önerileri
Devre ilk kez çalıştırılırken doğrudan sahada denenmemelidir. Önce masa üzerinde düşük akım limitli güç kaynağı ile VCC hattının 3,3V olduğu kontrol edilmelidir. Ardından programlama bağlantısı, Bluetooth haberleşmesi ve akcelerometre okuması ayrı ayrı test edilmelidir.
| Test Adımı | Kontrol Edilecek Nokta |
|---|---|
| Besleme testi | VCC hattında kararlı 3,3V görülmeli |
| Programlama testi | PGD, PGC, MCLR bağlantıları doğru çalışmalı |
| Akcelerometre testi | SPI üzerinden x, y, z verileri okunmalı |
| Bluetooth testi | RN4020 üzerinden seri veri alınmalı |
| Darbe testi | Ölçülen ivme verisi zamana bağlı kaydedilmeli |
Güvenlik notu: Bu yazı yalnızca elektronik ölçüm devresi ve sensör verisi toplama açısından hazırlanmıştır. Gerçek atışlı testler yalnızca yetkili, güvenli ve yasal test ortamlarında yapılmalıdır.
Kısa Değerlendirme
Bu devre, geri tepme gibi çok kısa süreli mekanik etkileri ölçmek için hazırlanmış kompakt bir akcelerometreli veri toplama kartıdır. LIS331 akcelerometre ölçüm görevini, PIC32MM0064GPL028 mikrokontrolör kontrol ve veri işleme görevini, RN4020 Bluetooth modülü ise kablosuz aktarım görevini üstlenir.
MCP1640 ile oluşturulan 3,3V besleme, tek butonlu ENABLE kontrolü ve düşük güç tüketimli Bluetooth seçimi devrenin taşınabilir kullanım amacına uygun olduğunu gösterir. Doğru firmware ve dikkatli mekanik montajla bu yapı yalnızca geri tepme ölçümü için değil, darbe, titreşim ve ani ivme değişimlerinin izlenmesi gereken farklı ölçüm projeleri için de uyarlanabilir.
Kaynak: dspace.vut.cz/items/8e5811ad-205d-435c-82f7-e8e79c729e32
