Saimme tehtäväksemme suunnitella sähköisesti toimivan laitteen, jossa hyödynnetään digitaalitekniikkaa ja picaxe-mikrokontrolleria. Ryhdyimme työparini Paulan kanssa heittelemään ideoita erilaisista sovelluksista ja käyttökohteista. Digitaalinen elektroniikka on itselleni tuttua lähes ainoastaan sähköopin luennoilta, joten tietämykseni rajoittui pitkälti niihin. Analogisen elektroniikan kanssa olen pelannut jo joitakin vuosia sähkökitaroiden yhteydessä. Olen toki käyttänyt koko ikäni digitaalisia laitteita, eikä tekniikka sinänsä ole vierasta, mutta ohjelmoinnin logiikka sen sijaan oli täysin uutta. Tiesin lähinnä sen, että tieto on "ykkösiä ja nollia", mutta en vielä tässä vaiheessa osannut lainkaan ajatella, millaisia komentoja laitteelle pystyisi antamaan.
Halusimme suunnitella ja toteuttaa jonkin sellaisen laitteen, jota ei oltu kursseilla aiemmin tehty. Niinpä emme innostuneet valaisinprojekteista, vaan yritimme keksiä jotain muuta. Tavoitteena oli suunnitella sellainen laite, josta olisi oikeasti hyötyä ja joka jäisi oikeasti käyttöön opintojen päätyttyä. Hyviä ideoita ei oikein meinannut syntyä. Muistelimme edellisellä aineopintojen kurssilla valmistettua vaappujen lakkausautomaattia ja yritimme kehittää tästä oman sovelluksen, jolla olisi voinut lakata tai maalata kitaroiden osia. Hylkäsimme kuitenkin idean liian kalliina ja haastavana. Seuraavaksi mietimme kitaran valmistuksessa käytettävää nauhaurien sahauslaitetta, mutta sekin idea jäi vähän puolitiehen. Meidän tuli myös pohtia, onko laite sellainen, ettei sitä pysty toteuttamaan analogisen elektroniikan keinoin. Tämäkään idea ei nyt varsinaisesti herättänyt heureka-huutoja.
Tämä idea sai alkunsa tuotesuunnittelu-luentojen välisillä kahvitauoilla. Meillä tuli kahvipöydässä pajaporukan kanssa puhetta siitä, kuinka juomia voidaan kylmentää aavikolla. Opettajamme kertoi, että autoillessa juomatölkin voi kylmentää siten, että käärii tölkin märkään pyyhkeeseen ja pitää tölkkiä auton ulkopuolella ajaessa. Tämä idea perustuu ilmajäähdytyksen ja nestejäähdytyksen yhdistelmään. Ilmajäähdytyksessä jäähdytyskohteesta siirretään lämpöä ympäröivään ilmaan. Kun ilmavirtausta nopeutetaan (eli autolla ajetaan), ilmajäähdytyksen teho paranee. Toisaalta jäähdytettävään kohteeseen kiinnitetyt metallirivastot lisäävät jäähdyttävää pintaa, ja näin ollen myös jäähdytystehoa. Ilmajäähdytys on yleinen esimerkiksi tietokoneissa ja muussa elektronisissa laitteissa. Nestejäähdytyksessä lämpöä siirretään kohdetta ympäröivään nesteeseen. Tämä perustuu nesteen ilmaa suurempaan lämmönjohtavuuteen. Nestejäähdytystä hyödynnetään esimerkiksi autojen moottoreiden sekä ydinvoimaloiden polttoainesauvojen jäähdytyksessä.
Kahvipöytäkeskustelu jäi mietityttämään itseäni, joten päätin etsiä Internetistä lisätietoa eri jäähdytysmenetelmistä. Googlailun jälkeen törmäsin peltier-tekniikkaan, jota käytetään muun muassa matkajääkaapeissa ja kylmälaukuissa. Siinä se oli! Peltier-toiminen piknik-kori. Wikipedian mukaan peltier-elementti on kahdesta erilaisesta materiaalista muodostettu, lämpösähköiseen ilmiöön perustuva yksinkertainen laite, jossa sähkövirta siirtää lämpöä elementin osien välillä. Sähkövirran vaikutuksesta elementin toinen puoli jäähtyy ja toinen lämpenee. Vaihtamalla sähkövirran suunta myös lämmön siirtymissuunta vaihtuu.
Jos tavoite olisi ollut lämmitys, asian olisi hoitanut tavallinen sähkövastus, mutta jäähdytystä ei voi saada aikaan suoraan sähkövastuksella. Ongelmana peltier-elementissä on sen suuri virrankulutus ja huono hyötysuhde. Toisaalta elementti on pienikokoinen ja huoltovapaa. Idea tuntui hullulta, mutta samalla sen verran mielenkiintoiselta, joten päätin ehdottaa tätä Paulalle, joka piti myös ideaa kokeilemisen arvoisena.
Ryhdyimme seuraavalla demolla miettimään, kuinka ohjelma toimisi ja mitä komponentteja tarvitsisimme. Tässä vaiheessa hurjimmissa visioissa pohdimme, voisiko piknik-kori saada sähkövirtansa korin kanteen kiinnitetyistä aurinkopaneeleista. Näin pienikokoiset paneelit eivät kuitenkaan pysty tuottamaan tarvittavaa virtamäärää, joten hylkäsimme idean. Koska peltier-elementti tarvitsee toimiakseen 3-4 ampeerin virran, paristojen käyttö ei tullut kysymykseen. Niinpä yritimme etsiä sopivaa akkua Internetistä. Ainoat sopivat 12 voltin akut olisivat olleet moottoripyörien akkuja mutta tuntui hullulta, että kannettavassa piknik-korissa täytyisi kantaa vielä moottoripyörän akku kaiken muun lisäksi. Päätimme joka tapauksessa lisätä laitteeseen verkkovirtaliitännän, mutta jäimme vielä pohtimaan, että jos piknik-korin jäähdyttäisi kotona ennen lähtöä piknikille, olisiko koriin mahdollista lisätä pieni akku, joka ylläpitäisi saavutettua lämpötilaa. Jätimme mahdollisuuden vielä auki, sillä sitä ei tarvinnut huomioida piirikaaviossa. Verkkovirtaliitännän ja akun asentamisen voisi nimittäin myöhemmin hoitaa hyppylangoilla ja suojadiodeilla.
Ennakkokäsityksemme laitteen toimintaperiaatteesta oli seuraava:
Kun laite kytketään päälle, peltier-elementti kytkeytyy päälle ja alkaa jäähdyttää piknik-korin sisältöä. Lisäksi vihreä ledi syttyy päällä olon merkiksi. Kun laite saavuttaa halutun lämpötilan, punainen ledi syttyy. Laitteessa on toinen lämpötila-anturi peltierin kuumaa puolta varten. Jos peltierin kuuman puolen lämpötila nousee liikaa, summeri alkaa soida, jolloin on aika kytkeä tuuletin päälle kytkimestä. Summerin voi kuitata painokytkimellä. Laitteeseen on ohjelmoitu yksi jäähdytysasetus, jonka voi ohittaa manuaalisesti säädettävällä potentiometrilla, joka säätää peltierille menevää jännitettä.
Koska peltier-elementti soveltuu myös lämmitykseen, mietimme että peltier-elementti sijoitettaisiin korin keskelle ja korissa olisi sekä kylmä puoli että kuuma puoli. Tällöin juomat voisi viilentää ja tarvittaessa ruoat pysyisivät lämpiminä.
Kun olimme luoneet ennakkokäsityksen toimintaperiaatteesta, ryhdyimme kasaamaan osatilauslistaa. Tilasimme seuraavat komponentit:
- summeri, 6V
- laitetuuletin 12V
- sulake + pidin
- lineaarinen potentiometri
- keinukytkin, ON-EI
- painokytkin
- kondensaattoreita + regulaattori
- mosfetteja peltierin ja laitetuulettimen ohjaukseen
- transistoreja ledien ja summerin ohjaukseen
- suojadiodeja
- hiilikalvovastuksia eri komponenteille
- vihreitä ja punaisia ledejä
- digitaalisia lämpöantureita
- mikropiirikanta 14-jalkainen
- DC-runkoliitin muuntajalle
- ohjelmointiliitin
- lasertulostuskalvo piirilevyä varten
- valoherkkää piirilevyä
Itse peltier-elementin ja muuntajan päätimme tilata erikseen muualta. Kun osat olivat saapuneet, huomasimme että olimme unohtaneet yhden pikkujutun: picaxe-mikrokontrollerin. Puuh ja huoh! Mikropiirin kantoja meillä oli kyllä kaksin kappalein mutta itse tärkein osa oli päässyt unohtumaan tilauslistasta.
Seuraavaksi ryhdyimme suunnittelemaan piirikaaviota. Piirsimme kaavion ensin paperille, ja kun olimme saaneet suunnitelmallemme hyväksynnän, piirsimme kaavion myös tietokoneella PCB Wizard-ohjelmalla. Tämä sujui melko helposti ja hetkittäin tuntui, että jopa ymmärsimme, mitä olimme tekemässä.
Kun piirikaavio oli valmis, ryhdyin piirtämään samalla ohjelmalla piirilevysuunnitelmaa. Piirikaavion ja piirilevysuunnitelman ero on siinä, että piirikaaviosta ilmenee ainoastaan laitteen sähköinen toimintaperiaate, kun taas piirilevysuunnitelma näyttää todellisen kuvan siitä, kuinka komponentit sijoittuvat piirilevyllä, ja kuinka reitit kulkevat. Tämä ei ollutkaan enää niin helppoa, sillä osien paikat täytyi sijoittaa siten, etteivät eri komponenteille menevät kuparitiet menneet ristiin. Lisäksi minun piti mittailla komponenttien fyysisiä kokoja, jotta komponenttien jalat osuisivat oikeaan kohtaan. Vaikeinta tässä oli hahmottaa se, ettei yhden reitin tarvinnut olla koko ajan yhtenäinen, sillä todellisuudessahan jännite kulkee piirilevyn toisella puolella olevan komponentin kautta. Niinpä esim. vastus oli mahdollista asettaa poikittain kahden sen alta kulkevan reitin päälle, eikä kytkennässä silti tullut oikosulkua. Myös komponenttien jalkojen oikea kytkentäjärjestys täytyi tietää tässä vaiheessa. Jouduinkin etsimään Internetistä tietyn komponentin tietojen avulla oikean kytkentäjärjestyksen. Saatoin hakea tietoa esim. hakusanalla "Mosfet IRF530A datasheet". Sain piirilevysuunnitelman melkein valmiiksi ja viimeistelimme sen Paulan kanssa seuraavalla kerralla. Kun opettajamme Jani oli tarkastanut, että kytkennät olivat varmasti oikein, muutimme piirustusnäkymän ohjelmasta oikeanlaiseksi tulostusnäkymäksi ja tulostimme piirilevysuunnitelmamme lasertulostuskalvolle. Pääsisimme seuraavaksi valottamaan ja syövyttämään piirilevyä.
Halusimme suunnitella ja toteuttaa jonkin sellaisen laitteen, jota ei oltu kursseilla aiemmin tehty. Niinpä emme innostuneet valaisinprojekteista, vaan yritimme keksiä jotain muuta. Tavoitteena oli suunnitella sellainen laite, josta olisi oikeasti hyötyä ja joka jäisi oikeasti käyttöön opintojen päätyttyä. Hyviä ideoita ei oikein meinannut syntyä. Muistelimme edellisellä aineopintojen kurssilla valmistettua vaappujen lakkausautomaattia ja yritimme kehittää tästä oman sovelluksen, jolla olisi voinut lakata tai maalata kitaroiden osia. Hylkäsimme kuitenkin idean liian kalliina ja haastavana. Seuraavaksi mietimme kitaran valmistuksessa käytettävää nauhaurien sahauslaitetta, mutta sekin idea jäi vähän puolitiehen. Meidän tuli myös pohtia, onko laite sellainen, ettei sitä pysty toteuttamaan analogisen elektroniikan keinoin. Tämäkään idea ei nyt varsinaisesti herättänyt heureka-huutoja.
Tämä idea sai alkunsa tuotesuunnittelu-luentojen välisillä kahvitauoilla. Meillä tuli kahvipöydässä pajaporukan kanssa puhetta siitä, kuinka juomia voidaan kylmentää aavikolla. Opettajamme kertoi, että autoillessa juomatölkin voi kylmentää siten, että käärii tölkin märkään pyyhkeeseen ja pitää tölkkiä auton ulkopuolella ajaessa. Tämä idea perustuu ilmajäähdytyksen ja nestejäähdytyksen yhdistelmään. Ilmajäähdytyksessä jäähdytyskohteesta siirretään lämpöä ympäröivään ilmaan. Kun ilmavirtausta nopeutetaan (eli autolla ajetaan), ilmajäähdytyksen teho paranee. Toisaalta jäähdytettävään kohteeseen kiinnitetyt metallirivastot lisäävät jäähdyttävää pintaa, ja näin ollen myös jäähdytystehoa. Ilmajäähdytys on yleinen esimerkiksi tietokoneissa ja muussa elektronisissa laitteissa. Nestejäähdytyksessä lämpöä siirretään kohdetta ympäröivään nesteeseen. Tämä perustuu nesteen ilmaa suurempaan lämmönjohtavuuteen. Nestejäähdytystä hyödynnetään esimerkiksi autojen moottoreiden sekä ydinvoimaloiden polttoainesauvojen jäähdytyksessä.
Kahvipöytäkeskustelu jäi mietityttämään itseäni, joten päätin etsiä Internetistä lisätietoa eri jäähdytysmenetelmistä. Googlailun jälkeen törmäsin peltier-tekniikkaan, jota käytetään muun muassa matkajääkaapeissa ja kylmälaukuissa. Siinä se oli! Peltier-toiminen piknik-kori. Wikipedian mukaan peltier-elementti on kahdesta erilaisesta materiaalista muodostettu, lämpösähköiseen ilmiöön perustuva yksinkertainen laite, jossa sähkövirta siirtää lämpöä elementin osien välillä. Sähkövirran vaikutuksesta elementin toinen puoli jäähtyy ja toinen lämpenee. Vaihtamalla sähkövirran suunta myös lämmön siirtymissuunta vaihtuu.
Jos tavoite olisi ollut lämmitys, asian olisi hoitanut tavallinen sähkövastus, mutta jäähdytystä ei voi saada aikaan suoraan sähkövastuksella. Ongelmana peltier-elementissä on sen suuri virrankulutus ja huono hyötysuhde. Toisaalta elementti on pienikokoinen ja huoltovapaa. Idea tuntui hullulta, mutta samalla sen verran mielenkiintoiselta, joten päätin ehdottaa tätä Paulalle, joka piti myös ideaa kokeilemisen arvoisena.
Ryhdyimme seuraavalla demolla miettimään, kuinka ohjelma toimisi ja mitä komponentteja tarvitsisimme. Tässä vaiheessa hurjimmissa visioissa pohdimme, voisiko piknik-kori saada sähkövirtansa korin kanteen kiinnitetyistä aurinkopaneeleista. Näin pienikokoiset paneelit eivät kuitenkaan pysty tuottamaan tarvittavaa virtamäärää, joten hylkäsimme idean. Koska peltier-elementti tarvitsee toimiakseen 3-4 ampeerin virran, paristojen käyttö ei tullut kysymykseen. Niinpä yritimme etsiä sopivaa akkua Internetistä. Ainoat sopivat 12 voltin akut olisivat olleet moottoripyörien akkuja mutta tuntui hullulta, että kannettavassa piknik-korissa täytyisi kantaa vielä moottoripyörän akku kaiken muun lisäksi. Päätimme joka tapauksessa lisätä laitteeseen verkkovirtaliitännän, mutta jäimme vielä pohtimaan, että jos piknik-korin jäähdyttäisi kotona ennen lähtöä piknikille, olisiko koriin mahdollista lisätä pieni akku, joka ylläpitäisi saavutettua lämpötilaa. Jätimme mahdollisuuden vielä auki, sillä sitä ei tarvinnut huomioida piirikaaviossa. Verkkovirtaliitännän ja akun asentamisen voisi nimittäin myöhemmin hoitaa hyppylangoilla ja suojadiodeilla.
Ennakkokäsityksemme laitteen toimintaperiaatteesta oli seuraava:
Kun laite kytketään päälle, peltier-elementti kytkeytyy päälle ja alkaa jäähdyttää piknik-korin sisältöä. Lisäksi vihreä ledi syttyy päällä olon merkiksi. Kun laite saavuttaa halutun lämpötilan, punainen ledi syttyy. Laitteessa on toinen lämpötila-anturi peltierin kuumaa puolta varten. Jos peltierin kuuman puolen lämpötila nousee liikaa, summeri alkaa soida, jolloin on aika kytkeä tuuletin päälle kytkimestä. Summerin voi kuitata painokytkimellä. Laitteeseen on ohjelmoitu yksi jäähdytysasetus, jonka voi ohittaa manuaalisesti säädettävällä potentiometrilla, joka säätää peltierille menevää jännitettä.
Koska peltier-elementti soveltuu myös lämmitykseen, mietimme että peltier-elementti sijoitettaisiin korin keskelle ja korissa olisi sekä kylmä puoli että kuuma puoli. Tällöin juomat voisi viilentää ja tarvittaessa ruoat pysyisivät lämpiminä.
Kun olimme luoneet ennakkokäsityksen toimintaperiaatteesta, ryhdyimme kasaamaan osatilauslistaa. Tilasimme seuraavat komponentit:
- summeri, 6V
- laitetuuletin 12V
- sulake + pidin
- lineaarinen potentiometri
- keinukytkin, ON-EI
- painokytkin
- kondensaattoreita + regulaattori
- mosfetteja peltierin ja laitetuulettimen ohjaukseen
- transistoreja ledien ja summerin ohjaukseen
- suojadiodeja
- hiilikalvovastuksia eri komponenteille
- vihreitä ja punaisia ledejä
- digitaalisia lämpöantureita
- mikropiirikanta 14-jalkainen
- DC-runkoliitin muuntajalle
- ohjelmointiliitin
- lasertulostuskalvo piirilevyä varten
- valoherkkää piirilevyä
Itse peltier-elementin ja muuntajan päätimme tilata erikseen muualta. Kun osat olivat saapuneet, huomasimme että olimme unohtaneet yhden pikkujutun: picaxe-mikrokontrollerin. Puuh ja huoh! Mikropiirin kantoja meillä oli kyllä kaksin kappalein mutta itse tärkein osa oli päässyt unohtumaan tilauslistasta.
Seuraavaksi ryhdyimme suunnittelemaan piirikaaviota. Piirsimme kaavion ensin paperille, ja kun olimme saaneet suunnitelmallemme hyväksynnän, piirsimme kaavion myös tietokoneella PCB Wizard-ohjelmalla. Tämä sujui melko helposti ja hetkittäin tuntui, että jopa ymmärsimme, mitä olimme tekemässä.
 |
| Piirikaavion suunnittelua |
Kun piirikaavio oli valmis, ryhdyin piirtämään samalla ohjelmalla piirilevysuunnitelmaa. Piirikaavion ja piirilevysuunnitelman ero on siinä, että piirikaaviosta ilmenee ainoastaan laitteen sähköinen toimintaperiaate, kun taas piirilevysuunnitelma näyttää todellisen kuvan siitä, kuinka komponentit sijoittuvat piirilevyllä, ja kuinka reitit kulkevat. Tämä ei ollutkaan enää niin helppoa, sillä osien paikat täytyi sijoittaa siten, etteivät eri komponenteille menevät kuparitiet menneet ristiin. Lisäksi minun piti mittailla komponenttien fyysisiä kokoja, jotta komponenttien jalat osuisivat oikeaan kohtaan. Vaikeinta tässä oli hahmottaa se, ettei yhden reitin tarvinnut olla koko ajan yhtenäinen, sillä todellisuudessahan jännite kulkee piirilevyn toisella puolella olevan komponentin kautta. Niinpä esim. vastus oli mahdollista asettaa poikittain kahden sen alta kulkevan reitin päälle, eikä kytkennässä silti tullut oikosulkua. Myös komponenttien jalkojen oikea kytkentäjärjestys täytyi tietää tässä vaiheessa. Jouduinkin etsimään Internetistä tietyn komponentin tietojen avulla oikean kytkentäjärjestyksen. Saatoin hakea tietoa esim. hakusanalla "Mosfet IRF530A datasheet". Sain piirilevysuunnitelman melkein valmiiksi ja viimeistelimme sen Paulan kanssa seuraavalla kerralla. Kun opettajamme Jani oli tarkastanut, että kytkennät olivat varmasti oikein, muutimme piirustusnäkymän ohjelmasta oikeanlaiseksi tulostusnäkymäksi ja tulostimme piirilevysuunnitelmamme lasertulostuskalvolle. Pääsisimme seuraavaksi valottamaan ja syövyttämään piirilevyä.
 |
| Piirilevysuunnitelman tekoa |
 |
| Kuvassa näkyvät punaiset reitit ovat kuparia ja siniset pisteet ovat komponenttien kytkentäpisteitä |
 |
| Suunnitelma valmiina tulostettavaksi |
Ei kommentteja:
Lähetä kommentti