Trådløs kommunikasjon gjennom dykkerhjelm

mrastronaut@hotmail.com

13HEEL

3. juni 2016

Dokumentkontroll

Rapportens tittel:

Trådløs kommunikasjon gjennom dykkerhjelm Dato/Versjon

03.06.16/v0.14 Rapportnummer:

Forfatter(e):

Jarle Bruvik Sagosen

Studieretning:

13HEEL Antall sider m/vedlegg

34 Høgskolens veileder:

Mathias Chr. Mathiesen Gradering:

Eventuelle Merknader:

Eg godtar at Bacheloroppgaven offentliggjøres av Høgskolen i Bergen

Oppdragsgiver: Høgskolen i Bergen Dykkerutdanningen

Oppdragsgivers referanse:

Oppdragsgivers kontaktperson(er) (inklusiv kontaktinformasjon): Finn Hansen fhan@hib.no

Revisjon Dato Status Utført av

v.0.11 05.05.16 Startet skriving Jarle Bruvik Sagosen

v.0.14 03.06.16 Innlevering Jarle Bruvik Sagosen

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 3(34) 03.06.16

Forord Denne oppgaven er utført av Jarle Bruvik Sagosen våren 2016, som avsluttende Bacheloroppgave

etter 3 års utdanning ved instituttet for elektrofag ved Høgskolen i Bergen.

Denne oppgaven er en «add-on» til en annen bacheloroppgaven ved Høyskolen i Bergen

Dykkerutdanningen denne våren, og denne oppgaven skal implementeres med den andre oppgaven.

Jeg vil rette en stor takk til Even, Halvor og Remi for veldig godt samarbeid dette semesteret.

Ønsker også takke veileder Mathias Chr Mathisen, Høgskolelektor ved Institutt for elektrofag for

hans behjelpelighet, kunnskap, råd og tips underveis i prosessen.

Andre som også skal nevnes er Farzan Jouleh, Avdelingsingeniør ved Institutt for elektrofag, for hans

hjelpsomhet til å skaffe komponenter hver gang jeg kommer innom kontoret hans.

Jeg vil også takke Knut Bråtane ved Bergen Marine for glassfiber.

Oppgaven har vert veldig lærerik. Arbeid med ultralyd kommunikasjon var helt nytt for meg, så jeg

føler det har blitt en veldig bratt læringskurve. Men jeg sitter igjen med en mye mer helhetlig

forståelse for det jeg har lært i de forskjellige fagene disse 3 årene.

Til slutt en takk til min samboer Ingrid og datter Alice for støtte og hjelp i heimen.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 4(34) 03.06.16

Sammendrag En gruppe ved institutt for elektrofag ved Høgskolen i Bergen skal som sitt bachelorprosjekt arbeide

med heldigital fiberoptisk kommunikasjon via umbilical til dykker. Formålet er å forbedre kvaliteten

på eksisterende full dupleks audiokommunikasjon og simpleks videokommunikasjon. Denne gruppa

blir i dette dokumentet omtalt som «Gruppe 1»

Denne oppgaven går ut på å konstruere og bygge et system som kan samle sensordata på innsiden av

en dykkerhjelm, for eksempel: CO2-nivå, blodtrykk, fuktighet, temperatur, osv. Imidlertid ønsker

ikke dykkerutdanningen å lage nye gjennomføringer (hull) i dykkerhjelmene. Denne

bacheloroppgaven vil derfor omhandle mulighetene for å overføre slike data trådløst gjennom

dykkerhjelmen, selv når dykkerhjelmen er nedsenket i vann, og få til en tilkobling til Gruppe 1 sitt

system.

Den valgte løsningen for trådløs overføring ble ultralyd. Og for å bevise på en enkel måte at dette

systemet virker ble det brukt temperaturmåling inne i hjelmen, ved hjelp av en NTC-termistor.

Det var mange utfordringer med denne oppgaven, og enkelte av utfordringene er blitt forskjøvet til

en fremtidig bacheloroppgave, blant annet å teste systemet under vann, og få til en feste anordning

på hjelmen for systemet.

I følge datablad (vedlegg 6) er 40khz den ideelle frekvensen til ultralydsender og mottaker, men ved

nærmere testing viste det seg at ved 52-54khz er signalene mye bedre. Dette er usikkert om variere

fra glassfibertype til glassfibertype, men da en kun hadde en glassfibertype å teste på er dette

spørsmålet enda ubesvart.

Det ferdige systemet består av to kretskort. Et som skal være inne i dykkerhjelmen og et som skal

være på utsiden inne i dykkerboksen til Gruppe 1. Systemet virket ved testing på koblingsbrett, fram

til tilkoblingen til systemet til Gruppe 1. Men det ene kretskortet i prototypen virker ikke slik som

forventet. Feilen ble ikke funnet i tide, og dermed fungerer ikke prototypen.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 5(34) 03.06.16

1 Innhold Dokumentkontroll ................................................................................................................................... 2

Forord ...................................................................................................................................................... 3

Sammendrag ........................................................................................................................................... 4

1 Innledning ........................................................................................................................................ 6

1.1 Introduksjon ............................................................................................................................ 6

1.2 Oppdragsgiver ......................................................................................................................... 6

1.3 Problemstilling ......................................................................................................................... 6

1.4 Hovedidé for løsningsforslag ................................................................................................... 6

2 Kravspesifikasjon ............................................................................................................................. 7

3 Analyse av problemet ...................................................................................................................... 7

3.1 Utforming av mulige løsninger ................................................................................................ 8

3.1.1 Løsningsalternativ 1 ..................................................................................................... 8

3.1.2 Løsningsalternativ 2 ..................................................................................................... 8

3.1.3 Vurderinger i HW komponenter ................................................................................. 9

3.2 Konklusjon ............................................................................................................................... 9

4 Realisering av valgt løsning ........................................................................................................... 10

5 Testing ........................................................................................................................................... 23

A.1 Testing av ultralydsignal gjennom glassfiber. ....................................................................... 25

............................................................................................................................................................... 25

6 Diskusjon ....................................................................................................................................... 26

7 Konklusjon ..................................................................................................................................... 27

Appendiks A Litteraturliste ............................................................................................................. 28

Appendiks B Figurliste .................................................................................................................... 29

Appendiks C Forkortelser og ordforklaringer ................................................................................. 30

Appendiks D Prosjektledelse og styring .......................................................................................... 31

Fast møteopplegg med hovedveileder hver fredag kl 11.00 på HIB Kronstad.................................. 31

D.1 Prosjektorganisasjon ............................................................................................................. 31

D.2 Fremdriftsplan ....................................................................................................................... 31

D.3 Risikoliste ............................................................................................................................... 32

Appendiks E Brukerdokumentasjon ............................................................................................... 33

E.1 Drifts- og vedlikeholdsdokumentasjon ................................................................................. 33

Appendiks F Kildekode, skjemadesign, Bill Of Materials mm ........................................................ 34

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 6(34) 03.06.16

1 Innledning

1.1 Introduksjon Profesjonelle dykkere jobber daglig med mye forskjellig under vann. Mye av utstyret som blir brukt i

dykkerdrakten er ikke hyllevare. Tilpassinger av drakt og utstyr er ofte en tidkrevende prosess, hvor

hver enkel tilpassing må skje spesifikt. I en ideell verden kunne man bare kjøpt hyllevarer og koblet

på som «plug and play». Ved ønske om å vite puls, pust, blodtrykk, temperatur på dykkeren må nye

hull i drakten lages. Denne oppgaven ser på mulighetene for å få til et trådløst system som med små

justeringer kan tilpasses forskjellige sensorer og applikasjoner inne i dykkerhjelmen uten å måtte

borre hull i dykkerhjelmen. Trådløs kommunikasjon under vann er en utfordring da radiobølge som

er mest vanlig i trådløs kommunikasjon oppfører seg annerledes i vann enn i luft.

1.2 Oppdragsgiver Dykkerutdanningen ved Høgskolen i Bergen ved Finn Hansen.

Dykkerutdanningen ved HiB var tidligere Statens dykkerskole, og har som oppgave å lære

opp yrkesdykkere og personell tilknyttet undervannsoperasjoner. Du kan ta ettårig utdanning som

yrkesdykker, eller kurs av kortere varighet, f.eks. redningsdykking. Skolen sin avdeling holder til i

Skålevik i Bergen Kommune. Avdelingen har moderne lokaler som inkluderer klasserom,

tekniskavdeling og dykkertanker for opplæring. [1]

1.3 Problemstilling Dagens kommunikasjon mellom land og dykker går via umbilical og kabel gjennom hull i hjelmen. Ved

behov for sensorer for eksempel inne i hjelmen må man ta hjelmen av og få teknikere til å tilpasse

den. Noe som både er tidkrevende og kostbart. Ved behov for nye sensorer og applikasjoner må man

borre nye gjennomganger i hjelmen, dette kan være med å svekke styrken i hjelmens konstruksjon. I

tillegg må hjelmen ansees som kassert viss behovet for det nye hullet bortfaller.

1.4 Hovedidé for løsningsforslag Få til en «plug and play» løsning der man kobler et system bestående av 2 hovedkomponenter på

utsiden og innsiden av dykkerhjelmen, som utføres i en enkel tilpasning. Deretter koble systemet til

dykkerboksen til Gruppe 1, hvor data blir behandlet og kan avleses av dykkeleder på land.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 7(34) 03.06.16

2 Kravspesifikasjon

1. Systemet skal kunne sende data fra innsiden av dykkerhjelm til utsiden trådløst.

2. Systemet skal kunne kobles ilag med Gruppe 1 via dykkerboksen.

3. Ytre komponenter må tåle temperatursvingninger fra 0 - 40 grader celsius.

4. Indre komponenter må tåle temperatursvingninger fra 10-40 grader celsius.

5. Indre komponenter må tåle atmosfæren inni dykkerdrakten.

6. Ytre komponenter må tåle ulike vannkvaliteter som saltnivå, forurensing.

7. Indre komponenter må ha egen strømforsyning.

3 Analyse av problemet Målet med oppgaven er å få til signaloverføring gjennom dykkerhjelmen, med en engangs tilpassing,

herunder ikke å borre eller bruke eksisterende ledningsnett inn i hjelmen. Ttil slutt samarbeide med

Gruppe 1 om tilkobling til dykkerboksen.

For å få til dette, må en lage et helt nytt system som ikke eksisterer på markedet pr dags dato.

Systemet må kunne tåle trykk, vann, saltvann, temperatursvingninger og kunne overføre data samt å

kunne kobles til Gruppe 1 sitt system.

Flere av kravspesifikasjonene som er gitt vil bli løst ved å isolere og bygge inn systemet i

dykkerboksen til Gruppe 1 og inne i dykkerhjelmen.

Hovedfokuset i oppgaven er dataoverføring gjennom glassfiber. Her vil en måtte finne en måte å få

signalet gjennom glassfiberen, noe som mest sannsynlig vil svekke signalet. Deretter må en forsterke

signalet opp igjen for så å kunne behandle det.

Signalet som skal avleses i Gruppe 1 sin dykkerboks skal være digitalt.

Under prøvedykking i tank på Dykkerutdanningen fikk en førstehånds erfaring med dykkerhjelmen,

og forstår at det ikke er nok plass i dykkerhjelmen til noen ekstra komponenter som dette systemet

vil bruke. Her må hjelmen ombygges om det skal være plass til noe ala den størrelsen dette systemet

blir inni hjelmen. Av fysiske data på hjelmen av interesse var tykkelsen. Hjelmen er 7mm tykk, på de

mest hensiktsmessige plassene for å eventuelt kunne plassere komponentene i denne oppgaven.

Dette har gjort at alle tester er utført med en 7mm tykk glassfiberplate.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 8(34) 03.06.16

3.1 Utforming av mulige løsninger Det en må få til er å få målt verdier av interesse på innsiden av dykkerhjelmen under dykk, for så å få

sendt det videre til Gruppe 1 sin dykkerboks på utsiden av dykkerhjelmen trådløst.

Systemet må altså bestå av 2 hoveddeler:

1. Den indre delen, fra nå av hetende Kretskort_1, som skal sitte inne i dykkerhjelmen. Denne

skal samle inn data. og videresende dataen til den ytre delen som skal festes på utsiden av

hjelmen.

2. Den ytre del, fra nå av hetende Kretskort_2, som skal sitte på utsiden av dykkerhjelmen og

mottar signal fra Kretskort_1. Denne må kunne forsterke opp signalet om det har blitt tap

gjennom glassfiberen i hjelmen. Og kunne sende signalet videre til Gruppe 1 sin dykkerboks

for bearbeiding og avlesing hos dykkerleder.

3.1.1 Løsningsalternativ 1

Radiobølger / elektromagnetiske bølger [2]

En mulig løsning var å sette opp to Bluetooth enheter, en på innsiden med en sensor. Som sender

signalet videre til enheten på utsiden. Bluetoothkomponenter finnes det mye av på markedet og det

finnes mange «plug and play» løsninger tilgjengelig for å overføre data fra en enhet til en annen.

Problemet med denne løsningen er at radiobølger er uegnet til kommunikasjon i vann, så dette

alternativet måtte forkastes.

3.1.2 Løsningsalternativ 2

Lydbølger

En annen løsning var å bruke Ultralydbølger [3] gjennom hjelmen. Ved å plassere en ultralydsender

og mottaker rett overfor hverandre på hver sin side, en på innsiden og en på utsiden av hjelmen.

Ulempene med detteer at det ikke finnes «plug and play» løsninger på markedet. Og siden det ikke

skal være noen hull i hjelmen for kabler mellom komponenten vil en måtte bruke asynkron

kommunikasjon.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 9(34) 03.06.16

3.1.3 Vurderinger i HW komponenter

Flere av komponentene som skal brukes er ukjente, mens noen har blitt brukt i fag i tidligere

semestre i kurset. Opamp 741 og 555 timer er komponenter som er brukt i fag tidligere og således

kjente.

TLC0831cp, 8 bit Analog til digital omformer: denne ble valgt fremfor andre av flere grunner. Den er

rimelig. 8-bit er mer en nok til det den tiltenkte oppgaven den skal brukes til. 8-bit er 256 forskjellige

verdier, og ved måling av temperatur med en motstand, hvor jeg skal måle spenningen mellom 0 og

5volt vil dette gi mer en gode nok verdier. Siden den skal brukes til asynkron dataoverføring, har en

behov for startbit, noe komponenten har. Den har en kanal, og dette er og akkurat det en trenger.

Analog Switch DG419: ble valgt siden den har høy ytelse, liten i størrelse, ekstremt lavt strømforbruk

og er et presisjonsinstrument. Den har 8 pins footprint som gjør den enkel å legge inn i kretsdesign

selv om den ikke skulle finnes i bibliotekene til designprogrammet.

40LT og 40LR ultralydsender og mottaker: ble valgt fordi de er små enkle komponenter. Er egentlig

anbefalt til ultralyd i luft. Lav pris og på lager hos Elfadistrict som Høgskolen i Bergen har avtale med.

Slik at komponentene kunne bestilles en dag og ankomme 2 dager etterpå. Dette er og en fordel om

en skulle være uheldig å ødelegge komponentene og trenge nye raskt.

Resistorer, kondensatorer, transistorer, opamper, 555-timere, potensiometre og dioder blir å regne

som forbruksartikler, å blir utlevert etter hvert som de trengs til oppgaven, etter avtale med Farzan

og Mathias.

3.2 Konklusjon

Når det gjelder valg av måte å overføre signalet trådløst gjennom dykkerhjelmen, er det egentlig kun

ett alternativ, ultralyd. På grunn av miljøet oppgaven skal lages for. Hadde oppgaven vært å få til en

dataoverføring i en flygerhjelm, eller romdrakt hadde andre alternativer vært mer aktuelle enn

ultralyd. Og for å ikke gjøre oppgaven vanskeligere enn det den allerede er så blir valget av sensor å

måle temperaturen inne i hjelmen. Temperatur er en aktuell applikasjon. Å vite at dykkerne ikke har

et ubehagelig miljø inne i drakten vil være av interesse i de fleste situasjoner en dykker kan jobbe i.

Den trådløse kommunikasjonen vil foregå på asynkron [4] måte. Det vil si at Kretskort_1 vil sende

signaler til Kretskort_2 serielt med et startbit i hver sendte «pakke» uten behov for en felles klokke.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 10(34) 03.06.16

4 Realisering av valgt løsning Allerede i forstudien ble det klart at en måtte lage et helt nytt system til dette prosjektet. I dette

tilfellet må en lage et system som kan måle temperaturen inne i hjelmen, for så å sende signalet med

lydbølger til en mottakerenhet på utsiden. Som igjen sender signalet videre til Gruppe 1. Her er det

samarbeider med Gruppe 1 om å få til løsninger for behandling av data og tilkobling.

For å måle temperatur inne i hjelmen har en valgt å bruke en NTC.

Figur 1: Blokkskjema av valgt løsning

Målebro med en NTC som er koblet til en 8-bits ADC for omforming fra analogt til digitalt. Dette for å

få til et digitalt signal som kan bli avlest på Gruppe 1 sin mikrokontroller. Signalet er altså av typen

serielt. I dette tilfellet er ADC påkoblet 5 volt som referanse spenning, og 0 volt, slik at forandringene

i et analogt signal på mellom 0 og 5 volt vil komme frem til microkontrolleren som serielle signal med

verdier på mellom 0 og 255. Videre går signalet inn i en analog switch hvor det blir matet inn i

ultralydsenderen med 54khz. På utsiden vil en ultralydmottaker mota signalet. Signalet mister en god

del av styrken gjennom glassfiberen. Så det vil gå videre inn i en forsterker, før det igjen vil bli

mottatt av mikrokontrolleren til Gruppe 1 inne i dykkerboksen.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 11(34) 03.06.16

Indre del, Kretskort_1.

Består av 6 delkomponenter

1 Målebro

Figur2 : Målebro (Bildet fra Wikipedia [5])

En målebro er en krets som kan måle en ukjent motstand veldig nøyaktig. R1, R2 og R3 er kjent. Rx er

i dette tilfellet NTC som er brukt i denne oppgaven. Målebroen blir brukt i denne løsningen fordi det

ikke går an å sende motstandsnivået, målebroen gir et spenningsnivå som kan bli sendt. VG på figur 2

er der hvor tilkoblingene til ADC vil være.

For eksakte data på NTC se datablad, vedlegg 1.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 12(34) 03.06.16

2. 8-Bit ADC

Figur 3: TLC0831cp

Slik er den endelige oppkoblingen av ADC. ADC mottar det analoge signalet fra Målebroen inn på pin

2 og pin 3, og omformer det til digitalt signal. Signalet blir sendt videre til Analog Switch (pin 6). Clock

(pin 7) får klokkefrekvensen fra oscillatoren via en frekvensdeler, det samme gjør Chip select (pin 1)

men en enda lavere frekvens.

For eksakte data på ADC se databladet for TLC0831cp, Vedlegg 2.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 13(34) 03.06.16

3 Analog Switch

Figur 4 : Maxim DG419.

Den analoge switchen fungerer på den måten at den enten sender et signal om den får et, eller den

sender ikke et signal. Når den sender signal så sender den det med en frekvens på 54khz, som er

funnet ut under testing at gir et sterkere signal gjennom glassfiberen enn med for eksempel 40khz.

S2 (pin 8) får klokkefrekvensen sin fra en 54khz oscillator. Signalet fra ADC kommer inn på IN (pin 6).

Og den sender signalet ut på D (pin 1).

For eksakte data på Maxim DG419 se datablad, vedlegg 3.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 14(34) 03.06.16

4 54khz Oscillator

Figur 5: 54khz Oscillator laget med en NE555-timer.

For å lage en klokkefrekvens til prosjektet bruker en en 555 timer oscillator krets. Dette er en veldig

vanlig krets å bruke til dette formålet, og finnes i databladet til NE555 [6]. En astable krets der

utsignalet hopper mellom jord og Vcc, og gir firkantpuls signal. Ved å velge de rette verdiene for Ra,

Rb og C1 kan man bestemme frekvens, periode og duty cycle.

Formlene for å regne dette ut finner man i databladet [6]:

Tid lav, TL = o.69 x Rb x C1.

Tid høy, TH = 0.69 x (Ra + Rb) x C.

Frekvensen = 1 / (Tid lav + tid høy).

I dette tilfellet blir TL = 0.69 x 12000 x 1 x 10 ^-9 = 8.28 x 10^-6 = 8.3usek.

TH = 0.69 x (3000 + 12000) x 1 x 10^-9 = 10.35 x10^-6 = 10.3usek

Frekvensen = 1 / (8.3 x 10^-6 + 10.3 x 10^-6) = 53.7Khz

Duty cycle er : 55%. Ønsker å være så nær 50% som mulig.

For eksakte data på 555-timer se datablad, vedlegg 4.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 15(34) 03.06.16

5 Frekvensdeler

Figur 6: Blokkskjema som viser prinsippet for en frekvensdeler laget med SN74LS74 flip flop.

Frekvensdeleren er laget av 4stk SN74LS74 Flip flopper. Hver SN74LS74 består av to blokker som vist i

figuren. Der hver blokk deler frekvensen på 2. Innsignalet i den første er 54khz fra oscillatoren. Det er

to utganger på den endelige frekvensdeleren. En utgang til ADC klokken som får 54khz/2^2 =

13.5khz, og en utgang til chip select 54khz / 2^7 = 420hz.

For eksakte data på 74LS74 se datablad, vedlegg 5.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 16(34) 03.06.16

6 Ultralyd sender

Figur 7: Ultralydsender.

Ultralydsenderen er en liten høyttaler som sender høyfrekvens lydbølger. Den har kun 2 pinner. Det

er vilkårlig hvilken som blir brukt til å settes til jord, og hvilken som blir brukt til input.

For eksakte data på 40LT-12 se datablad, vedlegg 6.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 17(34) 03.06.16

Ytre del, Kretskort_2

Består av 2 delkomponenter

1 Ultralyd mottaker

Figur 8: Ultralyd mottaker.

Ultralydmottakeren er en mikrofon som mottar høyfrekvens lydbølger. Den har 2 pinner. Det er

vilkårlig hvilken som går til jord og hvilken som er output.

For eksakte data på 40LR-12 se datablad, vedlegg 6.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 18(34) 03.06.16

2 Forsterket

Figur 9: 2 trinns forsterker.

Signalet er sterkt redusert etter å blitt sendt gjennom glassfiberen (se Figur 15 og Figur 16). Signalet

må bli forsterket opp. Denne forsterkeren er laget av Gruppe 1, som hadde laget den til noe i sitt

prosjekt. Designet er veileder Mathias C Mathisen som har gjort. Med potensiometre for finjustering.

Ideelt sett skal det ikke være noen grunn for å stille på potensiometrene når systemet er operativt.

Dette er mer gjort for testing.

Utregninger gjort på forsterkeren :

R1 = 33k, R2 = 19k, RC = 1,8k, RE = 1,8k+100 = 1,9k

VB = 5v x (19k/(33k+19k) = 1,837V

VE = 1,827V – 0,7V = 1,127V

IE = 1,127V/1,9K = 0,593mV . IC = IE . VCE = 5v – (0,593mV) x (1,8k+1,9k) = 3,8V

re = 26mV/0,593mV = 43,8ohm. R0 = 19k||33k) = 12k

Av = Vout/Vin = -1800/43,8 = -41 . Zin = 12k || Z0.

Z0 = Vin/ IIN = (43,8 x Ie) / IB= 43,8x(B+1) = 6,6k. Zut = 1.8k. Zin = 12||6,6 = 4,26k

For eksakte data på transistorene se datablad vedlegg 7 og vedlegg 8. Og eksakt data på

potensiometrene se vedlegg 9.

V1

20mVpk 400Hz 0°

C1

100uF

R1

33kΩ

R2

18kΩ

RC

1.8kΩ

RE

1.8kΩ

VCC

5.0V

Q1

BD237G

Q2

BD234G

R7

8Ω

C3

33uF

C4

33uF

R5

1.8kΩ

Out

In

R6

1.8kΩ

65 %R8

Key = B 4kΩ

C2

330uF

Q3

BC546BP

C5

100uF

100 %R3

Key = A 100Ω

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 19(34) 03.06.16

3 Komparator

Figur 10: Komparator.

Komparator med en Schottky diode som opererer mye fortere enn en vanlig diode, og en resitor

og kondensator i parallell. Komparatoren sammenligner spenningen på pluss minus inngangen

på opampen. Dersom spenningen på inngangen fra forsterkeren (+) er større enn på minus

inngangen, blir spenningen på utgangen lik 5V. Og motsatt, dersom spenningen på inngangen

fra forsterkeren er mindre enn på minus inngangen, blir spenningen på utgangen lik jord,

negativ spenningstilførsel.

For eksakte data på opamp 741, vedlegg 10.

U1

741

3

2

47

6

5 1

R4

4.7kΩ

R9

6kΩKey=A

50 %

D1

1N5821G R10

1.2kΩ

C6

10µF

4

9

0

VCC

5.0V

13

VCC

8

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 20(34) 03.06.16

4 Tilkobling til Gruppe 1

Figur 11: Viser dykkerboksen til Gruppe 1

Tilkoblingen til dykkerboksen til Gruppe 1 skjer inne i dykkerboksen. Kretskort_2 og Raspery Pi

mikrokontroller er koblet sammen av en USB-mikro kabel som sørger for 5 volt forsyningsspenning

og jord. Det er to ledninger for overføring av signal, disse ledningene blir tilkoblet GPIO portene på

Raspery Pi. Her blir data fra systemet mottatt i microkontrolleren og behandlet. Programmeringen vil

utføres i programmeringsspråket Python. De digitale signalene fra kretskort_2 blir behandlet og kan

leses av på pc-en til Gruppe 1 på land som temperatur i grader celsius. Raspery Pi mikrokontroller er i

bruk i Gruppe 1 sin oppgave, og således ikke en del av denne oppgaven med tanke på eksakte data

på den.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 21(34) 03.06.16

Det Endelige systemet

Består av to kretskort, et som skal være inne i dykkerhjelmen (Kretskort_1), og et som skal være i

dykkerboksen til Gruppe 1 (Kretskort_2). Kretsene ble først tegnet i multisim, og det endelige

designet av kretskortene ble gjort i Ultiboard. Det er to-lags kort med komponenter kun på

oversiden, men med kobberbaner både på oppside og undersiden. Det er USB kontakt (datablad,

vedlegg 11) på begge kortene for vcc og jord. Kortene ble bestilt i fra ITEAD Studio i Kina, og lodding

av komponentene blei gjort i laboratoriet på Høyskolen på Kronstad.

Figur 12: Bilde av Kretskortene.

Bildet over viser de endelige kortene slik de ser ut med komponentene påmontert, og med en 7mm

tykk glassfiberbit i mellom, som har ultralydsender og ultralydmottaker limt på. Dimensjonene på

kortene er 65x65x1,6mm. Kretskort_1 er inne i hjelmen, kretskort_2 er på utsiden av hjelmen inne i

dykkerboksen til Gruppe 1.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 22(34) 03.06.16

Figur 13: Tegning av kretsen på kretskort_1 «inne».

Figur 14: Tegning av kretsen på kretskort_2 «ute».

ADC

DIP8

2

3

4 5

1

7

8

6

MUX

DIP8

2

3

4 5

1

7

8

6

555

DIP8

2

3

4 5

1

7

8

6

ULT

DIP4

2 3

41

NTC2

TEST_PT_THT

NTC

TEST_PT_THT

R2

1.5kΩ

R3

1.5Ω

R1

1.5Ω

C3

1000F

C4

1000F

R4

1.5Ω

R5

10.5kΩ

U5A

74HC74N_6V

1D2

1Q5

~1Q6

~1CLR

1

1CLK3

~1PR

4 U5B

74HC74N_6V

2D12

2Q9

~2Q8

~2CLR

13

2CLK11

~2PR

10 U1A

74HC74N_6V

1D2

1Q5

~1Q6

~1CLR

1

1CLK3

~1PR

4 U1B

74HC74N_6V

2D12

2Q9

~2Q8

~2CLR

13

2CLK11

~2PR

10

U2A

74HC74N_6V

1D2

1Q5

~1Q6

~1CLR

1

1CLK3

~1PR

4

U2B

74HC74N_6V

2D12

2Q9

~2Q8

~2CLR

13

2CLK11

~2PR

10 U3A

74HC74N_6V

1D2

1Q5

~1Q6

~1CLR

1

1CLK3

~1PR

4

J1

1981584-1

VBUS1

D+3

D-2

GND5

Shell

ID4

C2

100nF

C1

100nF

C5

100nF

C6

100nF

R2

19kΩ

RC

1.8kΩ

RE

1.8kΩ

NPN2

BD237G

PNP

BD234G

R7

8Ω

C3

33µF

C4

33µF

R5

1.8kΩ

R6

1.8kΩ

R8

5kΩKey=A

40 %

C2

330µF

NPN

BC546BP

C5

100µF

R3

100ΩKey=A

50 %

U1

741

3

2

47

6

5 1

R4

4.7kΩ

R9

6kΩKey=A

50 %

D1

1N5821G R10

1.2kΩ

C6

10µFC7

100µF

R1

33kΩ

Ultralyd

HDR1X2

USB

10104111-0001LF

VBUS1

D+3

D-2

GND5

Shell

ID4

Ut

HDR1X4

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 23(34) 03.06.16

5 Testing Uttesting og prøving av løsninger ble gjennomført kontinuerlig underveis.

Delkomponentene ble laget og testet før neste delkomponent ble laget og testet. Først ble

delkomponenten designet, så laget på koblingsbrett og så testet. Underveis var det dialog med

veileder.

Utstyr som ble brukt til å teste med var National Instruments Elvis II+ og myDAQ. Kretskort design ble

utført i programmene Multisim og Ultiboard.

Tabell 1 Testing av delkretser

Hva som er testet Dato for start av test

Dato for ferdig testing

Merknader

555 Oscillator 8.2

9.2/3.3 Test av designet med 40khz. Senere 54khz.

Ultralyd 9.2

9.2 Testet at ultralydsender og motaker virket.

Forsterker 29.2

3.3 Fikk ferdig testet forsterker 3.Mars av Gruppe 1.

Ultralyd gjennom glassfiber 24.2

3.3 Å skaffe glassfiber tok en del tid. Og myDAQ klarer kun å generere 20khz.

ADC 4.3 4.3 Teste at adc fungerer

Oscillator, ADC og Analog Switch sammen

6.3 8.3 Brukte Elvis II+ til å gi klokke og chip select frekvens.

Frekvensdeler 11.3 13.3 Finne riktige frekvenser til Chip select og klokken på ADC

Komplett «inne» komponenter 23.3 Var på Hv øvelse 14-18mars

Komperator 23.3 23.3

Komplett ytre komponenter 23.3 30.3 Påskeferie

Komplett ilag 20.3 6.4 Brukte 2stk Elvis II+ til å koble alt sammen opp.

Komplett multisim 12.4 -------- Vanskeligt å teste i multisim, da ultralyd ikke finnes i multisim.

Designe kretskort i Ultiboard 14.4 30.4 Var på Hv øvelse 19-24 April

Kretskort_1 25.5 29.5 Utfordrende å lodde usb-kontakten, brukte 4 kretskort.

Kretskort_2 29.5 Etter loddingen får jeg problemer. Først er det dårlig kontakt i Usb-kontakten. Dette blir rettet. Ser og at det er dårlig design når det gjelder plassering av komponenter Slik at jeg ikke får plassert potensiometrene. En kondensator er ikke i bruk. Da denne var tatt ut av kretsen i multisim, men ikke fjernet fra tegningen. Og kortet virker ikke.

Kretskort virker ilag 31.5 Har forsøkt, men kommer til at feilen ligger i kretskort_2

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 24(34) 03.06.16

Systemet virker ilag med Gruppe 1 sitt system

Dessverre på grunn av feil i Kretskort_2 er dette ikke gjennomført.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 25(34) 03.06.16

A.1 Testing av ultralydsignal gjennom glassfiber. Test av Kretskort_1. Som viser ultralydsignal gå gjennom glassfiberen.

Figur 15: Viser 54Khz firkantsignal ut i fra Kretskort_1.

Figur 16: Viser samme signal som i Figur 15 sendt gjennom 7mm glassfiber.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 26(34) 03.06.16

6 Diskusjon Den originale fremdriftsplanen (Figur 17) ble laget i januar i forbindelse med Forstudien. Ut ifra

forventninger til prosjektet, og samtaler med Gruppe 1 og veileder.

Bare mindre tilpasninger har vært nødvendig. Den nye fremdriftsplanen (Figur 18) ble presentert for

veiler og Gruppe 1 på Midtveispresentasjonen. Som det går fram her, er et av punktene blitt tatt ut

av planen, og noen datoer er blitt flyttet i andre punkter.

Grunnen til at «testing under vann» punktet ble tatt vekk, var fordi størrelsen på det ferdige

systemet er større en det som hadde vert ideelt, og at feste anordninger for systemet på hjelmen

ikke var noe fokus på i oppgaven. Ved festing under tester på glassfiber er epoksy lim brukt for å

feste ultralydsender og mottaker. Denne limen er 2-komponent og består av lim og herder og sitter

veldig fast, slik at ved bruk på en dykkerhjelm er det fare for å ødelegge hjelmen etter bruk når

systemet skal fjernes igjen. Dette er blitt diskutert med veileder på forhånd og er enighet om at

dette var et riktig valg å ta vekk fra fremdriftsplanen. Dette kan være noe å se på for fremtidige

Bachelorgrupper.

Gjennomføring av oppgaven gikk bra fremover gjennom hele perioden frem til mai. Faste møter og

veiledning ble gjennomført ukentlig. Det var god kommunikasjon med veileder og Gruppe 1. Mot

slutten da oppgaven var nesten ferdig, ser jeg i ettertid at en del ting kunne vært gjort bedre. Jeg fikk

bestilt kretskortene som hele oppgaven bygger fram mot, og fikk kortene 12 mai. Planen var å

programmere ilag i slutten av mai, men på grunn av eksamener og lesing passet det aldri fikk vi ikke

tid til å møtes for å programmere. Slik at programmeringen som må til for å få systemene til å

samarbeide ikke er gjennomført. Dette er veldig synd da det hadde vært veldig gøy så se et prosjekt

som man har jobbet så mye med faktisk virke. Lodding av kretskortene gikk heller ikke helt etter

planen. USB kontaktene til kortene skal overflatemonteres og dette ble det brukt alt for mye tid på.

Bestilling av flere kontakter måtte til da en klarte å ødelegge flere. Og designet av kretskort_2 er ikke

bra. Noen av komponenter er plassert for nært hverandre. Og kretskort_2 virker heller ikke slik som

forventet. Feilen er ikke funnet. Det er ikke strømforsyningen som er feil, slik som var feil på

kretskort_1 i begynnelsen. Mulige feil kan være feil i komponentene, feil i transistorene som er

gjenbrukt, ødelagte kobberbaner i kretskortet, feil i designet eller brukt feil komponenter. I tillegg

måtte en ha laget en ny strømforsyning til kretskort_2, på grunn av at signalet ut fra Kretskort_2 vil

være et nivå mellom 0V og 5V, og GPIO på Raspery Pi tåler kun 3.3V. Her sku en ha laget en

spenningsdeler eller noe annet i kretsen før bestilling av kretskort.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 27(34) 03.06.16

7 Konklusjon Et system som utfører temperaturmåling inne i dykkerhjelm og sender dataen trådløst gjennom

hjelmen er laget. Systemet består av to kretskort, kretskort_1 og kretskort_2. Den endelige

prototypen virker dessverre ikke slik som beskrevet i oppgaveteksten (se Tabell 1). Hovedmålet med

å sende data gjennom glassfiber er gjennomført. Størrelsen på det ferdige systemet er en del større

en det som hadde vert ideelt for denne oppgaven. Plass tilgjengelig inne i dykkerhjelm er så å si ikke

eksisterende. Her må man og se på designet av hjelmen for å få bruke dette systemet som er laget.

Tilkobling for strøm til kretskortene går via USB-microkontakt noe som er en fordel da mye av dagens

elektronikk bruker USB kontakter. Dette er og hensiktsmessig med tanke på batteripakker som

strømforsyning til kretskort_1. Strømforbindelsen har vært ustabil under testing et par ganger, men

dette er nå rettet på. På kretskort_2 er et par av komponentene plassert uhensiktsmessig i forhold til

hverandre. Og det er og på kretskort_2 feilen i prototypen ligger.

Systemet virket under testing slik som forventet, fram til der hvor det skal kobles til Gruppe 1.

Systemet er ikke ideellet for et ferdig system som skal kunne brukes profesjonelt, som størrelsen på

kretskort_1, og en del ting med kretskort_2. Men det ferdige systemet viser prinsippet for en løsning

av oppgaven på en enkel og grei måte.

Konklusjon: systemet virker, i vertfall frem til der det skal kobles til Gruppe 1. Prototypen virker

ikke. Kommunikasjon gjennom glassfiber ved bruk av ultralyd er mulig.

For fremtidige grupper:

Ting jeg kan tenke meg en fremtidig gruppe kan jobbe videre med:

1. Legge til flere sensorer på systemet.

2. Lage festeanordning

3. Redusere størrelsen på systemet slik at det faktisk får plass inne i en hjelm.

4. Lage to-veis kommunikasjon i systemet.

Og en kort liste med tips og anbefalinger for utførelsen av oppgaven:

1. Bruk god tid til forstudien og finn ut mest mulig om ultralyd og asynkron kommunikasjon.

2. Få tak i skikkelig testutstyr til å teste kretser og komponenter med fra starten av prosjektet

3. Bruk veileder og lærerne på skolen.

4. Sjekk tegningene godt før bestilling av kretskort.

5. Vær gjerne to personer på denne oppgaven.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 28(34) 03.06.16

Appendiks A Litteraturliste

1. Dykkerutdanningen, H. Dykkerutdanningen. Available from: http://www.hib.no/dykkerutdanningen/.

2. Stette, G. Store Norske leksikon. 2009; Available from: https://snl.no/radiob%C3%B8lger. 3. Grøn, Ø. ultralyd. 2009; Available from: https://snl.no/ultralyd. 4. Aberdeen, T.U.o. asynchronous communication Available from:

http://www.erg.abdn.ac.uk/users/gorry/eg2069/async.html. 5. Wikipedia. Available from:

https://www.commons.wikimedia.org/wiki/File:Wheatstonebridge.svg. 6. Instruments, T., PRECISION TIMERS, Vedlegg 4. 2010.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 29(34) 03.06.16

Appendiks B Figurliste

Figur 1: Blokkskjema av valgt løsning .................................................................................................... 10

Figur2 : Målebro (Bildet fra Wikipedia [5]) ........................................................................................... 11

Figur 3: TLC0831cp ................................................................................................................................ 12

Figur 4 : Maxim DG419. ......................................................................................................................... 13

Figur 5: 54khz Oscillator laget av en 555-timer. .................................................................................... 14

Figur 6: Blokkskjema som viser prinsippet for en frekvensdeler laget med SN74LS74 flip flop. ......... 15

Figur 7: Ultralydsender. ......................................................................................................................... 16

Figur 8: Ultralyd mottaker. .................................................................................................................... 17

Figur 9: 2 trinns forsterker..................................................................................................................... 18

Figur 10: Komperator. ........................................................................................................................... 19

Figur 11: Viser dykkerboksen til Gruppe 1 ............................................................................................ 20

Figur 12: Bildet av Kretskortene. ........................................................................................................... 21

Figur 13: Tegning av kretsen på kretskort_1 ««inne». .......................................................................... 22

Figur 14: Tegning av kretsen på kretskort_2 ««ute». ........................................................................... 22

Figur 15: Viser 54Khz firkantsignal ut i fra Kretskort_1. ........................................................................ 25

Figur 16: Viser ........................................................................................................................................ 25

Figur 17: Original fremdriftsplan pr 27.1.2016. ..................................................................................... 31

Figur 18: Reviderte Tidsplan pr 13.04.2016. ......................................................................................... 31

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 30(34) 03.06.16

Appendiks C Forkortelser og ordforklaringer

Dykkerboks: Er navnet valgt på en sylinderformet boks som Gruppe 1 har i sitt prosjekt. Som

Kretskort_2 av denne oppgavens prototype skal plasseres. (Se Figur 11)

NTC-Termistor: Negative Temperature Coefficient. Dette er en ikke-linær resistor hvor motstanden

vil synke i takt med at temperaturen stiger. (Se vedlegg 1)

Python: Programmerings språk. Valgt av Gruppe 1.

ADC: Analog Digital Converter. Analog til digital omformer.

Gruppe 1: Den andre Bachelorgruppen som denne oppgaven er en «add on» til. Gruppen består av :

1. Remi Vassnes 27år, 3års student i Elektronikk.

2. Even Hallem 24år, 3års student i Elektronikk.

3. Halvor Sondbø 29år, 3års student i Elektronikk.

Ultralyd: er lydbølger med en frekvens som er høyere enn menneskets øre kan oppfatte. Den nedre

grense for ultralyd settes ofte til 20khz, men også 15 kHz forekommer som nedre grense. [3]

Opamp: operational amplifier. På Norsk Opperasjons forsterker.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 31(34) 03.06.16

Appendiks D Prosjektledelse og styring Arbeidssteder: HIB Godvik, HIB Kronstad, hjemmekontor I Indre Arna.

Rappoteringsform : Rapporter på ITs Learning til veileder Mathias C Mathisen. Email og møter for

annen kommunikasjon.

Fast møteopplegg med hovedveileder hver fredag kl 11.00 på HIB Kronstad.

D.1 Prosjektorganisasjon For denne oppgaven har det kun vert meg Jarle Bruvik Sagosen som har stått for utførelsen. Samt

noe sammarbeid med Gruppe 1.

D.2 Fremdriftsplan Fremdriftsplan pr 27.Januar 2016, som blei lagt fram i forbindelse med Forstudien.

Figur 17: Original fremdriftsplan pr 27.1.2016.

Den reviderte fremdriftsplanen pr 13.4.2016 som blei lagt fram til Midtveispresentasjonen.

Figur 18: Reviderte Tidsplan pr 13.04.2016.

Som vist i figur 17 og 18 er det noen små justeringer som er gjort underveis. Punktet «tesing i vann»

er tatt ut. Og andre punkter er datoene flyttet noe.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 32(34) 03.06.16

D.3 Risikoliste Risiko

Hvordan unngå Tiltak

Ødelegge komponenter med for høy spenning

Sjekk verdier i datablad. Og sjekk og tilkoblingene.

Vær grundig

Lodde komponenter skeivt

Sjekk grundig plassering før lodding

Spør om hjelp fra noen som er bedre å lodde

Sykdom

Vanskeligst å unngå, men ikke oppsøk syke personer

Utsette arbeid

Innkalling til repetisjonsøvelse

Vanskeligst å ungå Søk om utsettelse

Lite hensiktsmessig plassering av komponenter i endelig design

Få andre til å se over tegningene før bestilling.

Få en med erfaring til kontrollere

Lang leveringstid av komponenter

Bestill tidligst mulig Snakk med Farzan om bestilling.

Vanskelig arbeid Snakk med veileder og eventuelt andre

Gå grundig inn i oppgave og vit hvem og hvor du skal få svar.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 33(34) 03.06.16

Appendiks E Brukerdokumentasjon

Systemet måler temperaturen inne i dykkerhjelm. Sender dataen trådløst gjennom hjelmen til

mottaker enheten på utsiden, sender dataen videre via Gruppe 1 sin dykkerboks. Slik at dykkeleder

kan avlese temperaturen på pc.

E.1 Drifts- og vedlikeholdsdokumentasjon For å kunne bruke systemet må man først montere det inne i dykkerhjelmen, på utsiden av

dykkerhjelmen og koble seg på Gruppe 1 sin dykkerboks.

Montering av systemet på dykkerhjelm har ikke vert en del av dette prosjektet og det er heller ikke

mulig å montere det på en reel dykkerhjelm.

For å bruke systemet kobler man til forsyningsstrøm til begge kretskortene, 5v via USB micro. Og

kobler seg på Gruppe 1 sin dykkerboks via ledningene «UT» på kretskort_2.

Siden dette er en prototype som ikke skal brukes i dykk, så er det ingen spesielle tiltak som må gjøres

for å vedlikehold og drift. Hold komponentene rene og avkjølt.

Bachelorrapportmal

Rev: v0.14 34(34) 03.06.16

Appendiks F Kildekode

Gruppe 1 har hardware til å avlese data for dette prosjektet. Kildekodene til et program for å lese av

data er ikke utviklet enda.