Στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας ήταν η θεωρητική προσέγγιση και υλοποίηση ενός συστήματος ανίχνευσης βλαβών στα διάφορα μηχανικά μέρη που απαρτίζουν μια μηχανή αυτοκινήτου. Ένας πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας μετατρέπει τις δονήσεις της μηχανής σε ηλεκτρικό σήμα, το οποίο στη συνέχεια ενισχύεται και φιλτράρεται κατάλληλα ώστε να τροφοδοτήσει την είσοδο ενός analog-to-digital μετατροπέα του μικροελεγκτή ADuC 7020 της Αnalog Devices, ο οποίος ενσωματώνεται στο ADuC-MT7020 development board της Olimex. Αφού γίνει αυτό, το σήμα μας επεξεργάζεται ψηφιακά με τη χρήση κατάλληλου αλγορίθμου που αναπτύχθηκε για τη συγκεκριμένη εφαρμογή. Στα κεφάλαια που ακολουθούν αναλύεται διαδοχικά κάθε στάδιο της διαδικασίας. Έτσι στο 1ο κεφάλαιο παρουσιάζεται το φαινόμενο του πιεζοηλεκτρισμού και οι αρχές λειτουργίας που διέπουν τους πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς ενώ στο 2ο περιγράφεται η διαδικασία της ψηφιοποίησης αναλογικών σημάτων. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται η περιγραφή των μεθόδων που χρησιμοποιούνται ώστε να δημιουργήσουμε το φάσμα συχνοτήτων ενός σήματος ενώ στο 4ο παρουσιάζονται τα σημαντικά πλεονεκτήματα που μας παρέχει η λεπτομερής ανάλυσή του μέσα από την ενδεικτική παρουσίαση των κυριότερων μηχανικών σφαλμάτων και τις μεταβολές που αυτά επιφέρουν στο φάσμα. Στο 5ο κεφάλαιο γίνεται η περιγραφή των κυριότερων στοιχείων των μικροελεγκτών και των ενσωματωμένων συστημάτων ενώ παρουσιάζονται και τα χαρακτηριστικά του μικροελεγκτή και του development board που αναφέρθηκαν πιο πάνω για να ακολουθήσει στο 6ο η παρουσίαση των κυριότερων περιφερειακών του συγκεκριμένου μικροελεγκτή με τη χρησιμοποίηση και κάποιων παραδειγμάτων ώστε να γίνει σαφέστερη η λειτουργία τους. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τρεις υλοποιήσεις κώδικα που έγιναν στο προγραμματιστικό περιβάλλον μVision 4 της Keil με σκοπό την αναγνώριση των συνιστωσών που απαρτίζουν το σήμα μας και την ταυτοποίησή τους. Οι δύο πρώτες υλοποιήσεις, στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν ένας απλός και ένας fixed-point FFT αντίστοιχα, ήταν αδύνατο να ανταποκριθούν στις real-time απαιτήσεις της εφαρμογής μας και για το λόγο αυτό οδηγηθήκαμε στην τρίτη και τελική υλοποίηση, στην οποία χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος Goertzel. Για λόγους απλοποίησης χρησιμοποιήθηκε ένα ημίτονο για την αναπαράσταση ενός σήματος με ιδιαίτερα πολύπλοκη κυματομορφή όπως αυτό που προκύπτει από τις δονήσεις μιας μηχανής αυτοκινήτου, εντούτοις επαρκεί ώστε να κατανοηθεί και να επιβεβαιωθεί η ορθή λειτουργία του κώδικά μας. / The main target of this thesis was the theoretical approach and implementation of a system that recognizes the damages occurring at the machinery parts of a car’s engine. A piezoelectric sensor transforms the vibrations of the engine into an analog electric signal, which is then amplified and filtered before it is applied to the analog-to-digital converter of Analog’s ADuC 7020 microcontroller, incorporated in ADuC-MT7020 development board produced by Olimex. After that the signal is processed digitally through an appropriate algorithm developed for this application. Throughout the chapters that follow all the stages of this procedure are analyzed sequentially. At the first chapter the theory of piezoelectricity and the operating principles of piezoelectric sensors are presented, whereas at the second the procedure of digitizing analog signals is described. At chapter 3 the methods used in order to create a signal’s spectrum are mentioned while at chapter 4 the benefits from a spectrum’s proper analysis are highlighted through the indicative presentation of the most common machinery faults and how they alter it. At the fifth chapter a reference is made at the main characteristics of microcontrollers and embedded systems in general but also a more detailed description of the microcontroller and the development board mentioned above. ADuC 7020 microcontroller’s main peripherals are presented at chapter 6 together with some examples that illustrate their function. The programming part of this thesis is included at the last chapter where the three code implementations developed in Keil’s μVision 4 programming environment are presented. The first two implementations, within which a simple and a fixed-point FFT were used respectively, couldn’t meet the real-time needs of our application resulting in a final third implementation using a Goertzel algorithm. Although we used a simple sinusoid to represent the signal produced by the vibrations of a car’s engine characterized by a complex waveform, it is sufficient in comprehending and confirming the correct execution of the code we created.

Η διπλωματική εργασία αυτή αφορά την κατασκευή ενός μικροϋπολογιστικού συστήματος διαχωρισμού σημάτων. Ο διαχωρισμός των σημάτων γίνεται με βάση τη θεωρία της τεχνικής της Ανάλυσης Ανεξάρτητων Συνιστωσών. Αφού παρουσιαστεί η θεωρία της τεχνικής, παρουσιάζεται ο μικροελεγκτής ADuC 7026 που επελέγη για την υλοποίηση. Στη συνέχεια γίνεται η παρουσίαση του λογισμικού προσομοίωσης του μικροελεγκτή και παρατίθενται βασικά παραδείγματα για τον προγραμματισμό του. Τέλος, αναπτύσσονται, χωρίς τη χρήση περιφερειακών, και προσομοιώνονται, με τη χρήση περιφερειακών τρεις αλγόριθμοι, δυο εκδόσεις του FastICA και μια έκδοση του InfoMax. Οι αλγόριθμοι αυτοί αξιολογούνται ως προς τις επιδόσεις τους και εξάγονται τα συμπεράσματα. / This thesis deals with the construction of a microcomputer system to separate signals. The separation of the signals is based on the theory of the technique of Independent Component Analysis. The theory of the technique and the microcontroller ADuC 7026 chosen for implementation are presented. Then, follows the presentation of the software on which the microcontroller is simulated and basic examples of its programming are mentioned. Finally, three algorithms, two versions of FastICA and a version of InfoMax, are developed without the use of peripheral systems and simulated using peripheral systems. These algorithms are evaluated for their performance and conclusions are drawn.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την μελέτη, προσομοίωση και κατασκευή διάταξης διασύνδεσης φωτοβολταϊκών συστημάτων δύο βαθμίδων με το δίκτυο της χαμηλής τάσης. Αντικείμενο της εργασίας ήταν η πρώτη βαθμίδα που αναλαμβάνει την ανύψωσης της τάσης, που δίνει στην έξοδο ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο, με σκοπό να συνδεθεί στην επόμενη βαθμίδα, όπου γίνεται η αντιστροφή της τάσης. Το κύκλωμα που μελετήθηκε είναι ένας μετατροπέας ανύψωσης και σταθεροποίησης της τάσης εξόδου και επιλέχθηκε από τη σειρά των μετατροπέων Luo. Συγκεκριμένα έπειτα από μελέτη των τοπολογιών και με βάση τις προδιαγραφές που είχαμε στη παρούσα εργασία έγινε η επιλογή δύο διατάξεων ως οι πιο κατάλληλες για την εφαρμογή. Η διάταξη Re-lift ανύψωσης τάσης και το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης μελετήθηκαν θεωρητικά και έγινε προσομοίωση της λειτουργίας τους με πραγματικά στοιχεία. Με βάση τα αποτελέσματα που λήφθηκαν έγινε σύγκριση των δύο μετατροπέων και επιλέχθηκε η μία εκ των δύο για κατασκευή. Τελικά στο εργαστήριο κατασκευάστηκε το στοιχειώδες κύκλωμα Υπέρ-Ανύψωσης Τάσης και ο έλεγχος της διάταξης έγινε με τη χρήση μικροελεγκτή (dsPIC30F4011). Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την θεωρητική ανάλυση που έγινε και την ορθή λειτουργία του κυκλώματος. Ο βαθμός απόδοσης που προέκυψε στις πειραματικές μετρήσεις θεωρείται μάλλον χαμηλός της τάξης του 80% για την εφαρμογή αυτή, καθώς αποτελεί την πρώτη βαθμίδα σε σύστημα δύο βαθμίδων. Η συμπεριφορά όμως και το κέρδος τάσης είναι ικανοποιητικά για εφαρμογές χαμηλής ισχύος. / The present diplomatic work deals with the study, simulation and manufacture of a device for the connection of photovoltaic systems of two stages with the network of low voltage. Object of the work was the first stage that undertakes the elevation of voltage; we receive at the output of a photovoltaic panel, so as to connect it with the next stage, where the voltage is inverted. The circuit that was studied is a converter of elevation and stabilisation of the output voltage was selected from the Luo converters. In particular, after studying the topologies and taking into account the specifications that we had in the present work, two topologies were chosen as the most suitable for the application. The Re-lift converter and the elementary circuit of the superlift converters were studied theoretically and their operation was simulated with real elements. Based on the results that were taken, the two converters were compared and was selected which one of the two to manufacture. Finally the superlift elementary circuit was manufactured in the laboratory and the control of the circuit was done with the use of a microcontroller (dsPIC30F4011). The experimental results confirmed the theoretical analysis and the correct operation of the circuit. The degree of efficiency that resulted in the experimental measurements is considered rather low in the order of 80% for this application, while it constitutes the first stage in a system of two stages. The behaviour however and the voltage transfer gain are satisfactorily for applications of low power

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, σχεδιάζονται και υλοποιούνται συστήματα με βάση τη πλατφόρμα του Arduino. Το πρώτο σύστημα αφορά ένα Wireless Persistence of Vision Display, ουσιαστικά μία οθόνη, σχήματος δίσκου, που αποτελείται από μία περιστρεφόμενη στήλη LEDs. Συνεχίζουμε με το σχεδιασμό ενός συστήματος ικανού για γρήγορη πρόβλεψη και ανακατασκευή σημάτων, με σκοπό τη μελλοντική χρήση του στο συγχρονισμό ενεργειακών δικτύων. Ύστερα προχωράμε στην υλοποίηση ενός συστήματος εντοπισμού διεύθυνσης πηγής ήχου, μέσα από την ψηφιακή επεξεργασία ηχητικών σημάτων. Τέλος, η εμπειρία που αποκομίσθηκε με βάση το Arduino μας οδήγησε στη μελέτη μιας εκπαιδευτικής πλατφόρμας βασισμένη σε FPGA, το «F-Penguino», που ως στόχο έχει να αναδείξει την ευελιξία και ταχύτητα συστημάτων βασισμένα σε υλοποίηση με περιγραφή υλικού / In this thesis, we design and implement various systems based on the Arduino platform. The first system is a Wireless Persistence of Vision Display, which is actually a round screen, made of a rotating column of LEDs. We also design a system capable of fast prediction and reconstruction of signals, with an utter goal, its future use in effectively connecting different power networks. Furthermore, we implement a sound source localization system, using DSP techniques and fundamental robotics. Finally, the experience obtained using the Arduino, led us to involve with an FPGA based platform, the “F-Penguino”, the goal of which is to indicate the versatility and speed of systems based on hardware-description implementations.

Ο βήχας είναι ένα κοινό σύμπτωμα σε πολλές ασθένειες του αναπνευστικού συστήματος. Αν και λειτουργεί ως προστατευτικός μηχανισμός απομάκρυνσης εκκρίσεων από την αναπνευστική οδό, η αυξημένη συχνότητα και έντασή του μπορεί να έχουν επίδραση στην ποιότητα ζωής του ασθενούς. Είναι το βασικότερο σύμπτωμα για το οποίο κάποιος επισκέπτεται τον γιατρό. Η σωστή εκτίμησή του είναι απαραίτητη τόσο για τον προσδιορισμό της αποτελεσματικότητας της θεραπείας αλλά και για την δοκιμή νέων θεραπειών και τη μελέτη των μηχανισμών του. Μέχρι στιγμής η διάγνωσή του βασίζεται σε υποκειμενικές καταγραφές, απλώς ζητώντας από τον ασθενή την εκτίμησή του για την ένταση, τη διάρκεια και τη συχνότητά του. Ένα σύστημα αυτόματης ανίχνευσης του σήματος του βήχα θα επέτρεπε την επικύρωση της παρουσίας και της συχνότητας του βήχα καθώς και την αποτελεσματικότητα της αγωγής. Τα συστήματα καταγραφής του βήχα δεν είναι καινούρια διαδικασία. Η πρώτη καταγραφή έγινε τη δεκαετία του '60 σε νοσηλευόμενους ασθενείς με τη χρήση μαγνητοφώνων και με χειροκίνητη καταγραφή των γεγονότων του βήχα. Στη συνέχεια με την εξέλιξη της τεχνολογίας κατασκευάστηκαν φορητές συσκευές που βασίστηκαν στην ταυτόχρονη καταγραφή ήχου και ηλεκτρομυογραφήματος (EMG σήματα, ανίχνευση κίνησης του θώρακα) για να ανιχνευθούν τα γεγονότα του βήχα όπου ακόμα τα σήματα έπρεπε να καταγραφούν και να μετρηθούν χειροκίνητα. Με τις παραπέρα ανακαλύψεις στις τεχνικές ψηφιακής καταγραφής, συμπίεσης και αποθήκευσης η διαδικασία αναγνώρισης και καταγραφής του βήχα μπορεί να αυτοματοποιηθεί με τη χρήση κατάλληλων αλγορίθμων. Στην εργασία αυτή κατασκευάζεται ένα ενσωματωμένο σύστημα καταγραφής, αποθήκευσης και επεξεργασίας του σήματος του βήχα. Για την επεξεργασία του αναπτύσσεται μια βασική μέθοδος βασισμένη την ενέργειά του. Στο πρώτο κεφάλαιο, γίνεται αναφορά στα χαρακτηριστικά του ηχητικού σήματος και παρατίθενται τα βασικά στάδια της ανάλυσής του. Στο δεύτερο, δίνεται ο ορισμός του βήχα, οι αιτίες που τον προκαλούν και η φυσιολογία του. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται μέθοδοι για την ανίχνευσή του. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναφέρονται οι βασικές έννοιες των μικροελεγκτών και παρατίθενται τα βασικά χαρακτηριστικά του μικροεπεξεργαστή ARM7TDMI, του μικροελεγκτή ADuC 7026 και της αναπτυξιακής πλατφόρμας μVision της Keil που χρησιμοποιήσαμε για την ανάπτυξη της εφαρμογής μας. Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζονται κάποιες λειτουργίες προγραμματισμού και δυνατότητες του μικροελεγκτή που χρησιμοποιούνται στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια αναπτύσσεται η εφαρμογή για την ανίχνευση του σήματος του βήχα. Στα παραρτήματα, παρατίθενται παραδείγματα για τον βασικό προγραμματισμό του ADuC 7026 και των περιφερειακών του. / Cough is a common symptom in many diseases of the respiratory system. Although cough protects humans by removing secretions through respiratory track, its increased frequency and intensity may impact on patient’s quality of life. Besides, cough is the main symptom that makes people to visit doctor. Doctor’s accurate assessment is necessary for determining treatment according to each patient as well as the testing of new treatments and the comprehensive study of cough. So far, the diagnosis of cough is based on subjective factors such as patient’s assessment of its intensity, duration and frequency. An automatic detection system of the cough signal would allow to determine about the presence and frequency of cough and an effective treatment. The attempt to record cough is not a new process. The first recording to patients was made in 60’s by the use of tape recorders and by manually recording the symptoms of cough. As technology has evolved, portable device was created that was based on simultaneous recording of sound and electromyography (EMG signals, detection of the movement of chest) in order to detect the symptoms of cough. In that case, the recording was also made manually. With the evolution of digital recording, compression and storage, the recognition and recording of cough can be automated by using the appropriate algorithms. In that study, an embedded system is made in order to record, store and process the signal of cough. A basic method based on energy is developed for the process. In the fisrt chapter, the characteristics of sound signal and the key stages of the analysis are presented. In the second chapter, cough is defined, its causes and the clinical symptoms of cough are analyzed. Then, methods for its detection are specified. In the third chapter, the basic concepts of microcontrollers are given as well as the main characteristics of microprocessor ARM7TDMI and of microcontroller ADuC 7026 are presented and the platform μVision of Keil that we used for the development of the application is analyzed. In the final chapter, some programming functions and properties of microcontroller are presented and are used for the current study. Then, the application of detection of cough signal is developed. In annex, examples for the basic programming of ADuC 7026 and its peripherals are given.

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη και κατασκευή ενός μετατροπέα για την οδήγηση ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός είναι η μελέτη και κατασκευή ενός τριφασικού αντιστροφέα τάσης για τη λειτουργία και τον έλεγχο των στροφών ενός μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα. Αρχικά μελετάται η βασική αρχή λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα και αναλύονται οι τεχνικές εκκίνησης που χρησιμοποιούνται για σύνδεση του κινητήρα απευθείας στο δίκτυο. Ακόμα παρουσιάζονται τα ισοδύναμα κυκλώματα λειτουργίας του μονοφασικού επαγωγικού κινητήρα, η εξίσωση της ηλεκτρομαγνητικής ροπής του και προσομοιώνεται η λειτουργία του για τη μελέτη της στατικής συμπεριφοράς του. Στη συνέχεια γίνεται μια θεωρητική ανάλυση του κυκλώματος του τριφασικού αντιστροφέα τάσης που κατασκευάστηκε, καθώς και όλων των υπόλοιπων κυκλωμάτων που είναι αναγκαία για τη λειτουργία του. Επιπροσθέτως αναλύεται η μέθοδος παλμοδότησης των διακοπτικών στοιχείων του αντιστροφέα τάσης, που είναι η "Ημιτονοειδής Διαμόρφωση του Εύρους των Παλμών" (SPWM). Στο επόμενο βήμα αναλύονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά όλων των κυκλωμάτων που κατασκευάστηκαν, και περιγράφεται ο κώδικας του προγράμματος του μικροελεγκτή, που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των παλμών. Τέλος, παραθέτουμε παλμογραφήματα και μετρήσεις που προέκυψαν από τα πειράματα που διενεργήθηκαν μετά την ολοκλήρωση της κατασκευής. / This diploma thesis discourse the analysis and construction of a converter topology for single phase induction motor drives. The project was based in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the department of Electrical and Computer Engineering of School Engineering of University of Patras. The objective of this project is the analysis and construction of a three phase voltage inverter to control the speed of a single phase induction motor. The first stage of this work is the study of the basic principle of operation of the single phase induction motor and the analysis of the starting techniques, used for the direct connection to the power grid. The equivalent circuits of the running single phase induction motor and the equation of the electromagnetic torque are also presented in this project. Following, there is a theoretical analysis of the three phase voltage inverter circuit, as well of all the remaining circuit, necessary for its function. Moreover the method of pulse generation for the switching elements of the voltage inverter is analyzed, which is the “Sinusoidal Pulse Width Modulation”. The next step is the analysis of the technical characteristics all of the circuits developed, as well the description of the program code for the microcontroller, used to produce the pulses. Finally oscillograph figures and measurements, occurred from the experiments transacted after the finalization of the construction, are adduced.