Budowa Robotów dla średnio zaawansowanych 9788324658282 [PDF]

Zitiervorschau

Ebookpoint.pl

Tytuł oryginału: Intermediate Robot Building, Second Edition Tłumaczenie: Paweł Gonera ISBN: 978-83-246-5828-2 Original edition copyright © 2010 by David Cook. All rights reserved. Polish edition copyright © 2013 by HELION SA. All rights reserved. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from the Publisher. Wszelkie prawa zastrzeżone. Nieautoryzowane rozpowszechnianie całości lub fragmentu niniejszej publikacji w jakiejkolwiek postaci jest zabronione. Wykonywanie kopii metodą kserograficzną, fotograficzną, a także kopiowanie książki na nośniku filmowym, magnetycznym lub innym powoduje naruszenie praw autorskich niniejszej publikacji. Wszystkie znaki występujące w tekście są zastrzeżonymi znakami firmowymi bądź towarowymi ich właścicieli. Autor oraz Wydawnictwo HELION dołożyli wszelkich starań, by zawarte w tej książce informacje były kompletne i rzetelne. Nie biorą jednak żadnej odpowiedzialności ani za ich wykorzystanie, ani za związane z tym ewentualne naruszenie praw patentowych lub autorskich. Autor oraz Wydawnictwo HELION nie ponoszą również żadnej odpowiedzialności za ewentualne szkody wynikłe z wykorzystania informacji zawartych w książce. Wydawnictwo HELION ul. Kościuszki 1c, 44-100 GLIWICE tel. 32 231 22 19, 32 230 98 63 e-mail: [email protected] WWW: http://helion.pl (księgarnia internetowa, katalog książek) Drogi Czytelniku! Jeżeli chcesz ocenić tę książkę, zajrzyj pod adres http://helion.pl/user/opinie/budros_ebook Możesz tam wpisać swoje uwagi, spostrzeżenia, recenzję. Printed in Poland.

x Poleć książkę na Facebook.com x Kup w wersji papierowej x Oceń książkę

Ebookpoint.pl

x Księgarnia internetowa x Lubię to! » Nasza społeczność

Spis treci O autorze ...............................................................................................................11 O korektorze merytorycznym .................................................................................13 Podzikowania ......................................................................................................15 Wstp ....................................................................................................................17 Dla kogo jest ta książka? ......................................................................................................................17 Wymagania wstępne .....................................................................................................................17 Czy nie będzie dla Ciebie lepsze LEGO MINDSTORMS? ......................................................19 Czy nie będą dla Ciebie lepsze roboty BEAM? .........................................................................19 Nie ma tu schematu zdalnie sterowanego robota zabójcy ......................................................19 Propozycje części ..................................................................................................................................19 Zasady bezpieczeństwa ........................................................................................................................20 Preferencja systemu metrycznego ......................................................................................................20 Aktualizacje i nowości .........................................................................................................................20

Rozdzia 1.

Budowanie robota moduowego ...........................................................................21 Budowanie modułów ...........................................................................................................................21 Budować Rondo czy nie? ..............................................................................................................22 Organizacja rozdziałów ................................................................................................................22 Zapoznanie się z obróbką mechaniczną ...........................................................................................23 Wyposażenie Twojego warsztatu ................................................................................................23 Miniaturowa frezarka ...................................................................................................................24 Łączymy wszystko ze sobą ..................................................................................................................27 Grupowanie części mechanicznych ............................................................................................27 Grupowanie osobnych modułów elektronicznych ...................................................................28 Montaż i testowanie robota .........................................................................................................28 Wykorzystanie części i technik w innych robotach ........................................................................28

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rozdzia 2.

Porównanie dwóch typów samodzielnie wykonanych czników silnika oraz czsto spotykane bdy .................................................................................31 Porównanie dwóch technologii budowy łączników ........................................................................32 Przegląd łączników teleskopowych .............................................................................................32 Porównanie łączników teleskopowych z łącznikami z pręta ..................................................33 Oczekiwane efekty wiercenia otworów w łączniku oraz częste błędy i ich skutki ......................33 Łączenie otworu na śrubę ustalającą z otworem na wałek silnika .........................................34 Wyrównanie kątów i środków otworów ....................................................................................35 Gotowy do wykonania łącznika z pręta? ...........................................................................................38

Rozdzia 3.

Wykonanie uchwytu oraz wiercenie otworów w prtach na czniki ....................39 Kompletowanie narzędzi i części .......................................................................................................39 Przygotowanie kawałków prętów na łączniki ..................................................................................40 Pomiar wałka silnika i osi .............................................................................................................40 Wybór pręta na łącznik ................................................................................................................40 Przycinanie prętów do odpowiedniej długości .........................................................................42 Wyrównywanie końców łączników ............................................................................................43 Odkładamy przycięte pręty ..........................................................................................................45 Wykonanie uchwytu łącznika ............................................................................................................45 Wycinanie bloku uchwytu łącznika ............................................................................................46 Wiercenie otworu na śrubę ustalającą ........................................................................................47 Gwintowanie otworu na śrubę ustalającą ..................................................................................48 Wiercenie otworu na pręt łącznika w uchwycie .......................................................................49 Wykorzystanie uchwytu ......................................................................................................................54 Powiększanie ciasnych otworów .................................................................................................54 Dodanie śruby ustalającej do uchwytu łącznika .......................................................................54 Zmiana pozycji uchwytu łącznika ...............................................................................................55 Wiercenie w łączniku otworów na wałek silnika i oś LEGO .........................................................55 Wymieniaj wiertła, a nie pręty ....................................................................................................57 Prace wykończeniowe — spłaszczanie końców ........................................................................58 Sprawdzenie postępów w wykonywaniu łącznika ...........................................................................58

Rozdzia 4.

Koczymy wykonywanie cznika silnika z prta ..................................................59 Montaż śruby ustalającej łącznika .....................................................................................................59 Określanie położenia śruby ustalającej łącznika .......................................................................59 Wiercenie w łączniku otworu na śrubę ustalającą ....................................................................60 Gwintowanie otworu na śrubę ustalającą łącznika ..................................................................61 Wybór śruby ustalającej ...............................................................................................................62 Dodanie osi LEGO ...............................................................................................................................63 Podsumowanie ......................................................................................................................................65

Rozdzia 5.

Zabudowanie silnika wewntrz koa .....................................................................67 Uwaga! Niebezpieczeństwo! Wygięte wałki na horyzoncie ...........................................................68 Prawidłowe napędzanie z podparciem .......................................................................................68 Wykonywanie łącznika piasty ............................................................................................................69 Dostosowanie zewnętrznej średnicy wałka silnika do wewnętrznej średnicy koła LEGO .....69 Zaczynamy od pręta łącznika ......................................................................................................71

4 Ebookpoint.pl

SPIS TRECI

Wykonywanie wewnętrznych i zewnętrznych dysków adaptera piasty ................................72 Przygotowanie piast LEGO ..........................................................................................................82 Dopasowanie i klejenie części ......................................................................................................85 Podsumowanie ......................................................................................................................................87

Rozdzia 6.

Standardy stosowane w elektronice oraz przygotowanie do eksperymentów ......89 Czytanie schematów ............................................................................................................................89 Łączenie przewodów .....................................................................................................................90 Wybór części ..................................................................................................................................90 Oznaczanie elementów .................................................................................................................92 Definiowanie zasilacza ..................................................................................................................96 Użycie płytki stykowej .........................................................................................................................97 Wybór płytki stykowej ..................................................................................................................98 Konfigurowanie płytki stykowej .................................................................................................98 Oscylogramy .......................................................................................................................................102 Wykorzystanie nowoczesnej elektroniki ........................................................................................103 Przeskoczenie bariery krzywej doświadczenia ........................................................................103 Unikanie przestarzałych technologii ........................................................................................103 Użycie komponentów do montażu powierzchniowego ........................................................103 Podsumowanie ....................................................................................................................................106

Rozdzia 7.

Budowa zasilacza z liniowym stabilizatorem napicia ........................................ 107 Stabilizatory napięcia .........................................................................................................................107 Zasilacze z liniowym stabilizatorem napięcia ................................................................................108 Stabilizator napięcia 7805 ...........................................................................................................108 Ulepszanie zasilacza przez obniżenie minimalnego wymaganego napięcia niestabilizowanego ...................................................................................................................113 Inne ważne cechy liniowych stabilizatorów napięcia .............................................................122 Zmiany na rynku ograniczają wybór liniowych stabilizatorów napięcia 5 V .....................126 Kurs na optymalizację .......................................................................................................................126

Rozdzia 8.

Ulepszanie zasilacza robota ................................................................................. 129 Użycie wejściowych i wyjściowych kondensatorów buforowych ...............................................130 Wydłużanie żywotności baterii z wykorzystaniem kondensatorów buforowych ..............131 Opóźnione wyłączanie z powodu użycia kondensatorów buforowych ..............................131 Użycie przełącznika DPDT do skrócenia czasu wyłączania .................................................132 Dobór kondensatorów buforowych .........................................................................................133 Powiększanie marginesu bezpieczeństwa dla kondensatorów tantalowych .......................134 Kondensatorowe czary ......................................................................................................................134 Użycie kondensatorów blokujących ................................................................................................135 Skracanie długiej ścieżki do źródła zasilania ...........................................................................136 Izolowanie zakłóceń przy każdym źródle ................................................................................137 Dobór kondensatorów blokujących/odsprzęgających ...........................................................137 Ochrona przed uszkodzeniami spowodowanymi przez zwarcia i przepięcia ...........................137 Decyzja, czy wymagane jest zabezpieczenie nadprądowe .....................................................137 Zabezpieczanie z użyciem bezpiecznika topikowego .............................................................138 Zabezpieczanie z użyciem bezpiecznika automatycznego ....................................................138 Zabezpieczanie robotów przed zwarciami i przeciążeniami za pomocą półprzewodnikowych, samoresetujących się bezpieczników polimerowych ..................139 5

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zapobieganie uszkodzeniom spowodowanym przez przepięcia w obwodzie stabilizowanym ......142 Dioda Zenera ................................................................................................................................142 Użycie diody Zenera do zwarcia zasilania w przypadku wystąpienia przepięcia ..............143 Wybór odpowiedniego napięcia przebicia ..............................................................................145 Zakup diody Zenera ....................................................................................................................145 Kompletujemy niezawodne źródło zasilania ..................................................................................145

Rozdzia 9.

Sterowanie silnikiem ........................................................................................... 147 Po co nam sterownik silnika? ...........................................................................................................147 Dostarczanie do silników wyższego napięcia, niż są w stanie dostarczyć układy logiczne .....148 Dostarczanie większego prądu, niż mogą zapewnić układy logiczne .......................................148 Błędy logiczne spowodowane zakłóceniami generowanymi przez silnik ................................148 Zasilanie silnika z obwodu niestabilizowanego kontra stabilizowanego ..................................149 Cztery tryby pracy silnika ..................................................................................................................149 Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara ........................................................150 Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara ....................................................151 Obroty swobodne (powolne wytracanie prędkości) ..............................................................151 Hamowanie (gwałtowne wytracanie prędkości) .....................................................................151 Proste sterowanie z użyciem jednego tranzystora .........................................................................152 Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN ................................153 Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN ...............156 Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP .................................157 Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP ................158 Łączenie ze sobą sterownika NPN i PNP ........................................................................................159 Budowa obwodu sterownika silnika z połączeniem obwodów NPN i PNP .......................159 Unikanie zwarcia .........................................................................................................................160 Klasyczny bipolarny mostek H .........................................................................................................161 Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara z użyciem mostka H ...................162 Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara z użyciem mostka H ................162 Zwalnianie ruchu z wykorzystaniem hamulca elektronicznego mostka H ........................162 Hamowanie wysokim napięciem ..............................................................................................164 Obroty swobodne z użyciem mostka H ...................................................................................165 Pozostałe kombinacje w mostku H ...........................................................................................165 Konstruowanie klasycznego bipolarnego mostka H ..............................................................166 Sterowanie stroną o wysokim napięciu ...........................................................................................167 Unikanie konwersji poziomów dzięki rezygnacji ze stabilizacji zasilania układów logicznych ..................................................................................................................................167 Rezygnacja z interfejsu dzięki zasilaniu mostka H napięciem stabilizowanym .................168 Interfejs do PNP z wykorzystaniem NPN ................................................................................168 Użycie scalonego interfejsu ........................................................................................................171 Kontrola nad silnikiem ......................................................................................................................173

Rozdzia 10. Sterowanie silnikiem — druga runda .................................................................. 175 Sterowanie silnikami za pośrednictwem tranzystorów MOSFET ..............................................175 Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n .............176 Doprowadzanie domyślnego napięcia z wykorzystaniem rezystora ...................................178 Uzupełnianie obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n o rezystor obniżający .........................................................................................182 6 Ebookpoint.pl

SPIS TRECI

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n i rezystorem obniżającym .................................................................................183 Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem p .............184 Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem p ....184 Mostek H z tranzystorami mocy MOSFET .............................................................................185 Dobór tranzystorów mocy MOSFET .......................................................................................191 Sterowanie silnikami z wykorzystaniem układów scalonych ......................................................195 Marzenia o ideale .........................................................................................................................195 Zastosowanie układu z rodziny 4427 jako samodzielnego sterownika silnika ..................196 Użycie klasycznego bipolarnego mostka H w układzie scalonym .......................................199 MC33887 — zaawansowany sterownik silnika z mostkiem H MOSFET ...........................201 Ocena sterowników silników ............................................................................................................207 Ocena wydajności prądowej sterowników silników ..............................................................208 Ocena efektywności sterowników silników .............................................................................210 Podsumowanie ....................................................................................................................................212

Rozdzia 11. Tworzenie modulowanego, uywajcego podczerwieni detektora przeszkód, przeciwników i cian ........................................................................................... 213 Wykrywanie modulowanej fali podczerwonej za pomocą popularnego modułu lub inny powód przejęcia pilota ..........................................214 Układ Panasonic PNA4602M ....................................................................................................214 Podłączamy układ Panasonic PNA4602M ..............................................................................215 Testowanie układu Panasonic PNA4602M .............................................................................215 Rozszerzenie obwodu wykrywającego o wskaźnik LED ...............................................................217 Dodanie układu inwertera 74AC14 do sterowania diodą LED ............................................218 Przegląd obwodu wskaźnika ......................................................................................................218 Kończymy układ wykrywania fali odbitej .......................................................................................221 Przegląd pełnego schematu detektora odbić ...........................................................................221 Budowa detektora odbić na płytce stykowej ...........................................................................222 Uruchamianie .....................................................................................................................................228

Rozdzia 12. Dostrajanie detektora odbi ................................................................................ 229 Dostrajanie do 38 kHz .......................................................................................................................229 Wybór połowy zakresu pomiędzy początkiem a końcem reakcji na odbitą falę ...............230 Użycie multimetru z trybem pomiaru częstotliwości ............................................................233 Użycie oscyloskopu .....................................................................................................................233 Przyczyny zastosowania inwertera z wejściami Schmitta .....................................................234 Diagnozowanie problemów występujących w obwodach taktujących ................................234 Ograniczenia detektora odbić ...........................................................................................................236 Brak działania na otwartej przestrzeni lub przy jasnym świetle ...........................................236 Brak możliwości wykrycia określonych rodzajów obiektów ................................................237 Brak możliwości wykrycia dalekich lub bardzo bliskich obiektów ......................................237 Brak możliwości pomiaru odległości ........................................................................................240 Jesteś gotowy do zbudowania robota ..............................................................................................240

7 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rozdzia 13. Robot Rondo ....................................................................................................... 241 Robot Rondo ................................................................................................................................242 Rzut oka na robota Rondo z boków .........................................................................................242 Rondo z góry i z dołu ..................................................................................................................243 Obwody elektroniczne robota Rondo ......................................................................................243 Wykonywanie obudowy robota Rondo ...................................................................................248 Problemy z dostępnością silników z przekładniami ..............................................................248 Pożądane cechy robota ...............................................................................................................250 Projektowanie korpusu robota ..................................................................................................250 Budowa centralnej platformy dla robota Rondo ....................................................................255 Mechanizm silników robota Rondo .........................................................................................256 Wybór zębatek LEGO .................................................................................................................259 Osiąganie fizycznych ograniczeń ruchomych części LEGO .................................................262 Wykonywanie uchwytów na silniki robota Rondo ................................................................262 Podsumowanie budowy robota Rondo ....................................................................................272

Rozdzia 14. Jazda próbna robota Rondo ................................................................................ 273 Przygotowanie do jazdy próbnej ......................................................................................................273 Ustawienie wszystkich elementów regulowanych na średnie lub bezpieczne pozycje .....273 Testowanie modułów jeden po drugim ...................................................................................274 Pomiar rezystancji kompletnego obwodu ...............................................................................274 Umieszczanie robota na podnośniku .......................................................................................276 Sprawdzanie napięcia i polaryzacji baterii ...............................................................................276 Kontrola poboru prądu w czasie włączania obwodu .............................................................277 Przygotowanie robota i korygowanie niewielkich błędów ...........................................................278 Dostrajanie detektora odbić pracującego w podczerwieni ....................................................278 Przełączanie dwukolorowej diody LED ...................................................................................278 Testowanie sensorów ..................................................................................................................278 Podłączanie silników ...................................................................................................................279 Ocena osiągów robota Rondo ...........................................................................................................279 Problemy napotykane w czasie jazdy próbnej ........................................................................279 Testowanie wszystkich manewrów robota ..............................................................................282 Wyzwania dla robota Rondo .....................................................................................................283 Utknąłem .............................................................................................................................................285 Spacer pijaka ................................................................................................................................285 Spacer robota Rondo ...................................................................................................................286 Ograniczenie niejednoznaczności wykrycia ............................................................................287

Rozdzia 15. Chciabym mie mózg .......................................................................................... 293 Przykładowy mikrokontroler Atmel ATtiny84 .............................................................................293 Porównanie mikrokontrolera z układem logicznym ....................................................................294 Wybór układu logicznego zamiast mikrokontrolera .............................................................294 Wybór mikrokontrolera zamiast układu logicznego .............................................................295 Programowanie mikrokontrolera ....................................................................................................296 Zapisywanie programów ............................................................................................................296 Określanie wielkości programu .................................................................................................296 Pisanie programów .....................................................................................................................297 Praca bez użycia .NET ................................................................................................................297 8 Ebookpoint.pl

SPIS TRECI

Kompilowanie i przesyłanie programu ....................................................................................298 Debugowanie programu .............................................................................................................298 Przegląd wspólnych funkcji mikrokontrolerów ............................................................................302 Obudowy mikrokontrolerów .....................................................................................................303 Wyprowadzenia mikrokontrolera ............................................................................................303 Pamięć mikrokontrolera ............................................................................................................309 Rozmiar instrukcji mikrokontrolera ........................................................................................311 Złożoność instrukcji mikrokontrolera .....................................................................................311 Szybkość mikrokontrolera .........................................................................................................312 Specjalne zegary nadzorujące ....................................................................................................315 Moduł nadzorujący dla niskiego napięcia ...............................................................................315 Wybór mikrokontrolera ....................................................................................................................316 Brakuje mi… ................................................................................................................................316 Rekomendacja 8-bitowych mikrokontrolerów Atmel AVR .................................................317 Rekomendacja zestawu Parallax Basic Stamp .........................................................................317 Po prostu zapytaj .........................................................................................................................318 Rozbudowa robota .............................................................................................................................318

Rozdzia 16. Budowa karty rozszerzajcej dla robota Rondo ................................................... 319 Przekształcenie w konfigurację dwupiętrową ................................................................................319 Podłączanie do gniazda DIP ......................................................................................................321 Problemy z dostępem do płyty głównej ...................................................................................328 Osłanianie detektorów odbić podczerwieni ............................................................................330 Przechwytywanie sygnałów — poznaj nowego szefa ....................................................................331 Zachowanie przydatnych funkcji ..............................................................................................331 Przekierowanie sygnałów wykrycia podczerwieni .................................................................331 Wykrywanie i przerywanie stanu zatrzymania .......................................................................332 Przekierowanie silników i elementów bipolarnych ................................................................332 Zapewnienie (niemal) kompletnej kontroli ............................................................................332 Rozszerzanie zakresu funkcji ............................................................................................................333 Przegląd wyprowadzeń mikrokontrolera ................................................................................333 Zasilanie mikrokontrolera .........................................................................................................333 Wykrywanie ścian i przeszkód ..................................................................................................334 Sterowanie silnikami i diodami dwukolorowymi ...................................................................334 Sterowanie dwukolorowymi diodami LED .............................................................................334 Odczyt stanu przycisku ..............................................................................................................335 Udostępnianie opcji za pomocą przełączników DIP .............................................................337 Generowanie muzyki ..................................................................................................................338 Pozostałe wyprowadzenia dostępne dla rozszerzeń ...............................................................339 Ulepszanie robota ...............................................................................................................................340

Rozdzia 17. Dodajemy modu sensora podogi ....................................................................... 341 Wykrywanie jasności za pomocą fotorezystora .............................................................................341 Konwersja zmiennej rezystancji na zmienne napięcie z użyciem dzielnika napięcia .......342 Odpowiedź fotorezystora jest nieliniowa .................................................................................345 Określanie rozrzutu pomiędzy fotorezystorami .....................................................................347 Szybkość wzrostu i spadku rezystancji .....................................................................................348 Ponowne użycie zrównoważonego obwodu odczytu jasności ..............................................348 9 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wykrywanie jasności za pomocą fotodiody ...................................................................................348 Układ wykrywania odbicia światła od podłogi .......................................................................349 Budowa układu wykrywania odbicia światła od podłogi ......................................................350 Podążanie za linią ...............................................................................................................................355 Autodetekcja jasności linii .........................................................................................................355 Odczyt wartości sensora podłogi ..............................................................................................356 Odwracanie wartości czujnika ...................................................................................................356 Podążanie za ciemną linią ..........................................................................................................356 Centrowanie ciemnej linii ..........................................................................................................357 Ulepszanie algorytmu podążania za linią ................................................................................357 Zawody robotów sumo ......................................................................................................................357 Przystosowanie robota Rondo do zawodów sumo .................................................................358 Zmiana strategii z wykorzystaniem przełączników DIP .......................................................359 Rosnące możliwości ...........................................................................................................................359

Rozdzia 18. Gotujemy gulasz z robota .................................................................................... 361 Generowanie muzyki .........................................................................................................................361 Obwód dźwiękowy ......................................................................................................................362 Budowa obwodu dźwiękowego .................................................................................................362 Regulacja siły dźwięku ................................................................................................................362 Sterowanie głośnikiem ................................................................................................................363 Podglądanie dźwięku ..................................................................................................................364 Odtwarzanie nuty ........................................................................................................................365 Odtwarzanie muzyki ...................................................................................................................365 Skalowanie w górę ..............................................................................................................................367 Tworzenie podwójnej platformy ...............................................................................................367 Ulepszone poruszanie się robota ...............................................................................................367 Zapewnienie odstępu między platformami za pomocą własnoręcznie wykonanych tulejek dystansowych ..............................................................368 Szczeliny na koła ..........................................................................................................................369 Podparcie obu końców osi .........................................................................................................369 Montaż silników .................................................................................................................................370 Montaż z wykorzystaniem kątownika ......................................................................................370 Oszczędzanie miejsca przez użycie przekładni prostopadłej ................................................373 Adaptacja wałka silnika o małej średnicy oraz zintegrowany uchwyt zgodny ze standardami LEGO ................................................................................................374 Eksploracja terenów nasłonecznionych ..........................................................................................378 Wybór kół do płynnej jazdy .......................................................................................................378 Wykrywanie przeszkód ..............................................................................................................379 Chwilowe wejście w buty robota ......................................................................................................382 Dodanie do robota bezprzewodowej kamery wideo ..............................................................383 Eksploracja pomieszczeń z bezprzewodowym wideo ............................................................384 Spojrzenie na siebie w bezprzewodowym wideo ....................................................................384 Dziękuję ...............................................................................................................................................384

Dodatek

róda internetowe .............................................................................................. 385 Skorowidz ............................................................................................................ 387

10 Ebookpoint.pl

O autorze

David Cook od ponad dziesięciu lat dzieli się swoim doświadczeniem w zakresie budowy robotów z czytelnikami prowadzonego przez siebie popularnego serwisu RobotRoom.com, a także na łamach swoich dwóch książek wydanych przez wydawnictwo Apress. Inspiracją dla niego był łazik Sojourner, wysłany przez NASA na Marsa. Na co dzień zajmuje się tworzeniem oprogramowania. Karierę rozpoczął od pisania wielokrotnie nagradzanych gier wideo na wczesne komputery Apple Macintosh. Później tworzył w Motoroli aplikacje z zakresu bezpieczeństwa publicznego dla policji, medycznych służb ratunkowych i straży pożarnej. Obecnie jest menedżerem ds. rozwoju w firmie SmartSignal, która tworzy oprogramowanie do predykcyjnej analizy danych pochodzących z czujników rozmieszczonych w elektrowniach na całym świecie. Aplikacja powiadamia obsługę elektrowni o narastających zagrożeniach, nim pojawią się realne problemy. David i jego zespół w SmartSignal pomagają w zapobieganiu przerwom w zasilaniu, ponadto dzięki ich pracy możliwe jest redukowanie kosztów i podnoszenie efektywności elektrowni (co pozytywnie wpływa na środowisko).

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

12 Ebookpoint.pl

O korektorze merytorycznym

Scott Preston mieszka w Columbus w Ohio wraz ze swoją żoną Emily, córką Lilu; ma psa, który wabi się Castle. Ukończył Uniwersytet Stanowy Ohio w 1996 r. i zajął się tworzeniem aplikacji webowych. W 2006 r. porzucił doradztwo, aby zająć się rozwojem własnej firmy — Preston Research. Scott jest również członkiem Java Community Process, Central Ohio Java Users Group, a także założycielem The Columbus Robotics Society. W 2005 r. wydawnictwo Apress opublikowało jego pierwszą książkę, The Definitive Guide to Building Java Robots, natomiast w 2006 r. wydawnictwo SYS-CON Media wydało książkę Real-World-Ajax, której Scott jest współautorem. W swej piwnicy Scott nadal buduje zaawansowane roboty i pisze o nich w swoim serwisie internetowym www.scottsbots.com.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

14 Ebookpoint.pl

Podzikowania

To niezwykłe, ile pomocy potrzebuje autor, aby napisać książkę. Wyobraź sobie, ile potrzeba pomocy innych osób, żeby stworzyć stronę WWW lub napisać artykuł do czasopisma, a następnie pomnóż to przez sto. Przy drugim wydaniu tej książki dołączyłem do tego samego wspaniałego zespołu w firmie Apress, który pracował ze mną nad książką Budowa robotów dla początkujących: x Ralph Moore poprawił błędy gramatyczne, które zdarzyło mi się popełnić. x April Milne i Jerry Votta z działu graficznego wykonali atrakcyjne i czytelne grafiki, które wyglądają świetnie zarówno po wydrukowaniu, jak i po powiększeniu na urządzeniu elektronicznym. x Steve Anglin (asystent redaktora) i Jim Markham (koordynator wydania) pracowali nad tym, aby ta książka się ukazała. Autor może bardzo łatwo zgubić rytm, gdy jest zajęty pracą, życiem rodzinnym i nieoczekiwanymi zdarzeniami. Jim i Steve rozumieją, że równowaga między cierpliwością i wsparciem jest niezbędna, aby mógł powstać dobry produkt w rozsądnym czasie. Dziękuję, koledzy!

Podzikowania dla redaktorów technicznych Niewielu autorów ma to szczęście, by korzystać z usług redaktorów technicznych, którzy dokładnie przeczytają materiał książki, znajdą błędy i zaproponują poprawki. Przy pracy nad tą książką miałem aż trzech takich redaktorów — byli to: Tom Gavin (pierwsze wydanie), Don Kerste (oba wydania) oraz Scott Preston (drugie wydanie).

Wsparcie w firmie Jedynym celem zamieszczenia tutaj tego akapitu jest pragnienie przeżycia chwili, w której mój dobry przyjaciel i szef, Stacey Kacek, otrzyma egzemplarz tej książki, otworzy go właśnie na tej stronie, a ja będę mógł powiedzieć: „Spójrz, Stacey! Jest tu twoje nazwisko”. Tego roku bardziej niż kiedykolwiek w moim życiu zdałem sobie sprawę, że mam niezwykłe szczęście, iż mogę pracować w tak świetnej firmie jak SmartSignal, otoczony przez osoby, które szanuję i poważam, takie jak Trung Le, Jon Kishkunas, Nasser Amer, Tom Zehner, Bob Daley oraz cały zespół programistów. „Inny Tom” porzucił kilka lat temu tworzenie oprogramowania, ponieważ zajął się leczeniem ludzi — życzę szczęścia, doktorze O’Toole!

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wsparcie spoecznoci Chciałbym również wspomnieć o kilku osobach ze społeczności robotyków amatorów. Pierwszymi są Cheryl i Dave Hrynkiw. Uważam, że zrobili dla robotyki więcej niż wszyscy wykładowcy i autorzy razem wzięci. Dostarczają licznym projektantom niedrogie i interesujące zestawy. Prowadząc swój sklep Solarbotics, udostępniają unikatowe części (silniki z przekładniami, panele słoneczne itd.), dzięki czemu konstruktorzy robotów nie muszą już polegać jedynie na częściach odzyskiwanych, tak jak to bywało wcześniej. Dave czasami podróżuje po Ameryce Północnej, odwiedzając imprezy robotyków i prowadząc wykłady. Zastanawiam się, ilu konstruktorów robotów skorzystało z jego pracy. Kolejnymi osobami z tej społeczności, o których należy wspomnieć, są: Jake Mendelssohn, Pete Miles, Dale Heatherington, Jim Frye, Roger Arrick, Dave Lavery, Gordon McComb, Mark Tilden oraz Bill Harrison. Bardzo cenię ich pracę. Miałem możliwość rozmawiania z kilkoma z nich. Niektóre z tych osób nie są jednak należycie doceniane za wkład w rozwój społeczności. Uważam, że choć tak mogę tych ludzi uhonorować.

Wsparcie rodziny Robotyka to kosztowne hobby. Jak wie każdy konstruktor robotów, potrzeba wiele wyrozumiałości, aby nie wspominać o tysiącach złotych (lub dziesiątkach tysięcy złotych) wydanych na części do robota oraz narzędzia. Chciałbym podziękować mojej rodzinie, a szczególnie mojej żonie Rachel. Zabierała ona chłopców (Jamesa i Sama) do parku, biblioteki oraz do znajomych, abym mógł w spokoju pisać tę książkę. Uśmiechała się i potakiwała z uwagą, gdy wyjaśniałem jej zawiłości każdego nowego „niesamowitego” odkrycia. Zgodziła się na zamontowanie w piwnicy frezarek i na niekończące się konwoje ciężarówek z plastikiem i metalem. Kocham Cię, kochanie moje.

16 Ebookpoint.pl

Wstp

Witaj, budowniczy robotów! Przez ostatnie lata zbudowałem wiele robotów (część z nich może pokochać tylko ich konstruktor). Z każdą kolejną generacją robotów próbowałem rozwinąć swoją wiedzę na temat elektroniki, mechaniki, obróbki maszynowej, oprogramowania oraz sztuki poprzez eksperymentowanie z nowymi technikami, funkcjami lub częściami (pamiętając cały czas, że jest to hobby, które ma sprawiać przyjemność). Rzadko zdarza się, abym zbudował robota z zastosowaniem wyłącznie nowych technologii. Każdy kolejny robot stanowił mały krok do przodu, kiedy to wprowadzałem kilka niewielkich zmian w wypróbowanych rozwiązaniach. W książce tej przedstawiam ten sposób pracy, opisując etapy rozwoju robota o nazwie Rondo, od ogólnego prototypu do zaawansowanej konstrukcji. Zazwyczaj staram się dokładnie omawiać określoną część lub zagadnienie, a nie tylko pobieżnie przedstawiać cały projekt. Takie skupienie się na modułach i fragmentach pozwoli Ci na tworzenie dopasowanych do Ciebie robotów z opisanych tu elementów, a nie tylko powielać to, co udało się wykonać mnie. Zapraszam Cię teraz do mojego laboratorium (prosto przez pokój, skręć w lewo przy kuchni) na przyjazną konwersację na temat sekretów robotów i projektowania.

Dla kogo jest ta ksika? Książką tą będą zainteresowani zapewne przede wszystkim studenci, ale jest ona przeznaczona także dla konstruktorów — dorosłych i nastolatków. Przy budowie robotów warto mieć wsparcie rodziny. W przypadku niepełnoletnich konstruktorów wymagany jest nadzór dorosłych, ponieważ niektóre zadania może wykonywać tylko przeszkolona osoba dorosła.

Wymagania wstępne Jako Czytelnik tej książki powinieneś mieć podstawowe doświadczenie w elektronice oraz być średnio zaawansowanym programistą. W kolejnych rozdziałach przedstawiam wiele różnych modułów i wersji robota. Najpierw zbudujesz robota Rondo pierwszej generacji (rozdział 13.), a następnie, zdobywając stopniowo odpowiednią wiedzę i rozwijając umiejętności, zbudujesz jego bardziej zaawansowane wersje.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wymagane dowiadczenie z zakresu elektroniki i obróbki materiaów x Musisz wiedzieć, gdzie kupić części elektroniczne i materiały — w których sklepach detalicznych lub sklepach internetowych. x Powinieneś znać zasady bezpieczeństwa (podsumowane w dalszej części wstępu). x Powinieneś znać przedrostki w systemie metrycznym, w szczególności mega-, kilo-, mili-, mikro-, nano-, piko- wraz z odpowiadającymi im skrótami i symbolami. x Musisz umieć używać multimetru do testowania napięcia stałego, natężenia prądu, rezystancji, diod i tranzystorów. x Musisz wiedzieć, na czym polega różnica pomiędzy napięciem i natężeniem prądu. x Powinieneś radzić sobie z odczytywaniem prostych schematów i diagramów połączeń. x Powinieneś umieć posługiwać się narzędziami ręcznymi, takimi jak ściągacz izolacji, kleszcze do przewodów, szczypce okrągłe, śrubokręty, narzędzia do mocowania elementów oraz gwintowniki. x Powinieneś umieć posługiwać się narzędziami elektrycznymi, np. wiertarką czy narzędziem Dremel (Dremel® — http://www.dremel.com/).

Co bdzie potrzebne? Potrzebne będą następujące elementy: x papier ścierny, kleje, lakiery, imadła, x zworki, sondy, przewody i płytki prototypowe, x baterie (szczególnie 9 V), x przełączniki, oporniki, potencjometry i fotorezystory, x diody oraz diody LED, x tranzystory bipolarne (NPN i PNP), x dwuprzewodowe silniki prądu stałego z przekładnią (szczotkowe, ze stałym magnesem), x sprzęt do lutowania — lut, lutownica, topnik, gąbki, uchwyty i odsysacz lutu, x złącza zaciskane i koszulki termokurczliwe, x śruby, nakrętki, podkładki i tulejki dystansowe. Tematy te są przedstawione szczegółowo w książce Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012), której autorem jest David Cook. Gorąco zachęcam do kupienia mojej pierwszej książki lub przynajmniej przeczytania jej w bibliotece. Tutaj zakładam, że posiadasz zawartą tam wiedzę. W wielu miejscach odwołuję się do robota Kanapka (podążającego za linią), który jest opisany w książce Budowa robotów dla początkujących. Opisy, zdjęcia i filmy dotyczące tego robota są dostępne w internecie, pod adresem http://www.robotroom.com/Sandwich.html (wielkość liter ma znaczenie).

Wymagane dowiadczenie w programowaniu Powinieneś umieć swobodnie tworzyć programy przeznaczone dla komputerów osobistych. Bardziej zaawansowane roboty przedstawione w tej książce zawierają w swojej konstrukcji mikrokontrolery, lecz nie zamieszczam tu szczegółowych instrukcji dotyczących programowania mikrokontrolerów. Musisz wiedzieć, jak programować wybrane mikrokontrolery i jak z nich korzystać, albo kupić mikrokontroler z danym programem lub nauczyć się programowania mikrokontrolerów, sięgając do innych źródeł. Doświadczenie w programowaniu jest istotne, ponieważ pozwala skupić się na budowie robotów. Istnieje wiele źródeł wiedzy na temat tworzenia oprogramowania. W przypadku mikrokontrolerów dostępne są książki, jak również materiały i narzędzia oferowane przez producentów mikrokontrolerów. Gdybym w tej książce umieścił wszystkie potrzebne tu informacje dotyczące mikrokontrolerów, stałaby się ona książką o mikrokontrolerach, a nie o robotach. 18 Ebookpoint.pl

WSTP

Staram się nie faworyzować żadnego systemu operacyjnego, żadnego języka programowania ani mikrokontrolera. Osobiście piszę programy w języku C z wykorzystaniem kompilatora ImageCraft ICCV7 (http://www.imagecraft.com/), przeznaczone dla 8-bitowych mikrokontrolerów Atmel AVR (http://www.atmel.com/). Jednak szeroka gama mikrokontrolerów oraz zagorzała lojalność programistów urządzeń wbudowanych (mój redaktor zaproponował określenie „kadra entuzjastycznych zwolenników”) spowodowały, że wszystkie przykłady zostały uogólnione do algorytmów niezależnych od urządzeń. Inaczej mówiąc, możesz użyć dowolnego, preferowanego przez Ciebie komputera, języka programowania, a nawet dowolnych elementów inteligentnych.

Zalecane dowiadczenie w budowaniu robotów Ponieważ książka skupia się na interesujących częściach, funkcjach lub algorytmach, byłoby dobrze, abyś wcześniej samodzielnie zbudował choć jednego prostego robota. Na początek doskonałym wyborem jest robot podążający za linią, taki jak robot Kanapka z książki Budowa robotów dla początkujących. W handlu dostępne są różne interesujące zestawy robotów, takie jak Parallax Penguin, Scribbler, Boe-Bot (http://www.parallax.com/) albo Mark III (http://www.junun.org/MarkIII/Store.jsp). Jeżeli możesz powiedzieć: „W porządku. Zbudowałem prostego robota. Teraz chcę wykonać lepszego, od samego początku”, to książka ta jest przeznaczona dla Ciebie.

Czy nie będzie dla Ciebie lepsze LEGO MINDSTORMS? Jeżeli jesteś młodszy, masz ograniczony budżet, niewiele wolnego czasu lub nigdy nie wierciłeś ani nie lutowałeś, to polecam zacząć od eksperymentów z zestawem LEGO MINDSTORMS® (http://mindstorms.lego.com/). Zestaw ten jest niezwykle przyjazny i pozwala bardzo szybko budować roboty. Moje zbudowane od podstaw i zoptymalizowane roboty przegrały tyle razy z robotami LEGO Steve’a Hassenpluga (http://www.teamhassenplug.org/), że jestem pełen podziwu dla możliwości tych zestawów w rękach zdolnego konstruktora.

Czy nie będą dla Ciebie lepsze roboty BEAM? Inna popularna gałąź robotyki zakłada brak konieczności programowania. Roboty BEAM zwykle mają proste obwody, obsługujące skomplikowane zachowania. Roboty BEAM zazwyczaj są zasilane energią słoneczną. Przeważnie są małe i przypominają owady. Możesz bez trudu zbudować takiego robota w weekend, przy minimalnych wydatkach i bez użycia mikrokontrolera. Poświęć kilka minut (albo godzin i dni) na przejrzenie witryn http://www.solarbotics.com/ i http://www.solarbotics.net/, aby zapoznać się z rodziną robotów BEAM. Solarbotics sprzedaje również wiele części, które można zastosować w robotach innych niż BEAM. Jeżeli chcesz budować roboty BEAM, polecam książkę Junkbots, Bugbots, & Bots on Wheels, której autorami są Dave Hrynkiw i Mark H. Tilden (McGraw-Hill, Osborne 2002). Nawet jeżeli zdecydujesz, że nie będziesz budował robota BEAM, polecam lekturę tej książki. Jest naprawdę dobra.

Nie ma tu schematu zdalnie sterowanego robota zabójcy To nie jest książka na temat destrukcyjnych ani zdalnie sterowanych robotów. Skupiam się tu na autonomicznych (samosterujących) robotach wielkości pudełka na kanapki, a w szczególności na ich inteligentnym zachowaniu. Jednak przedstawione tu techniki i moduły mogą stanowić podstawę mechanicznej bestii siejącej zniszczenie, jeżeli zdecydujesz się obrać taką drogę.

Propozycje czci Tam, gdzie jest to możliwe, przy opisach części i narzędzi zamieszczane są nazwy przykładowych sprzedawców i przybliżone ceny. Nie zamierzam faworyzować żadnego z dostawców ani producentów części. Orientacyjne ceny są podane w złotówkach. Pamiętaj, że ceny mogą się zmieniać, a numery katalogowe mogą być już nieaktualne. 19 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zasady bezpieczestwa Nie ignoruj ich. W czasie budowania robota korzystamy ze źródeł zasilania, elektronarzędzi, źródeł zapłonu oraz chemikaliów. Każde z nich może Cię okaleczyć lub zabić. Zawsze, zawsze, zawsze czytaj i stosuj się do instrukcji producenta oraz zasad obowiązujących w laboratorium czy warsztacie. Ponieważ moje wskazówki są ogólne, w przypadku wystąpienia niezgodności stosuj się do instrukcji specyficznej dla producenta. x Dorośli zawsze powinni nadzorować niepełnoletnich. x Odkładaj i blokuj narzędzia i części, które nie są w danej chwili używane. x Czytaj instrukcje na etykietach oraz instrukcje bezpieczeństwa i stosuj się do nich. x Noś okulary zabezpieczające. x Noś buty i długie spodnie; uważaj na ubrania z długimi rękawami (takimi jak suknie balowe), ponieważ rękawy mogą się wkręcić w narzędzia mechaniczne lub być dotknięte przez rozgrzaną lutownicę. x Korzystaj z maski przeciwpyłowej i zapewnij odpowiednią wentylację pomieszczenia, w którym pracujesz. x Unikaj lutu zawierającego ołów; korzystaj z lutu cynowo-srebrnego lub z innych lutów pozbawionych ołowiu. x Unikaj rtęci i kadmu. x Korzystaj z niskich napięć i baterii zamiast z prądu dostępnego w gniazdku. x Korzystaj z przerywaczy obwodu, bezpieczników oraz gniazdek z zabezpieczeniem przeciwzwarciowym. x Pamiętaj o podłączeniu przewodu masy w gniazdkach z trzema złączami; nie modyfikuj polaryzowanych wtyczek z dwoma przewodami tak, aby pasowały do niepolaryzowanego gniazdka. x Obwodów pod napięciem nigdy nie dotykaj dwoma rękami. x Unikaj budowania niebezpiecznych robotów lub robotów z bronią. x Silniki o dużej mocy mające dołączone części mogą działać jak broń. x Zapewnij dobrze oświetlone, czyste i uporządkowane stanowisko pracy. x Pracuj wypoczęty — przemęczenie może powodować poważne wypadki. Masz tylko jedną parę oczu i jeden komplet palców. Zachowaj najwyższą ostrożność, aby tak pozostało. Z pewnością jesteś wystarczająco inteligentny, aby czytać artykuły i książki pozwalające Ci budować lepsze roboty. Zapewniam Cię, że praca wykonywana w bezpiecznych warunkach zawsze daje lepsze efekty niż wykonywana w pośpiechu, bez zwracania uwagi na zdrowie.

Preferencja systemu metrycznego W książce tej korzystałem z systemu metrycznego, jeżeli było to możliwe. Korzystałem też z systemu angielskiego, gdy stosowałem części opisywane standardowo w jednostkach angielskich. Na przykład nie opisałbym rury o średnicy 1/2 cala jako rury o średnicy 12,7 mm, ponieważ jest to naprawdę rura o średnicy 1/2 cala. Oczywiście mieszanie systemów powoduje powstawanie dziwnych zdań, np.: „Wywierć otwór o średnicy 1/8 cala 2,6 cm od brzegu elementu”.

Aktualizacje i nowoci Prowadzę witrynę internetową: http://www.robotroom.com/IRBGoodies.html (wielkość liter jest ważna). Zajrzyj tam, proszę, aby znaleźć aktualizacje do książki, kod źródłowy, pliki PCB i listy części. Na głównym poziomie witryny Robot Room znajdziesz również opisy różnych robotów oraz łącza do wielu klubów i witryn związanych z robotami.

20 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 1 „„„

Budowanie robota moduowego

Książka ta była znacznie trudniejsza do napisania niż moja pierwsza książka na temat robotów, Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012). W pierwszej książce założyłem, że Czytelnik nic nie wie o elektronice i mechanicznej obróbce materiałów. Dzięki temu założeniu zagadnienia poruszane w książce mieściły się w zakresie wiedzy na temat robotów. Jednak wtedy zauważyłem ciekawe zjawisko. Roboty mają tak różnorodne możliwości i zastosowania, że gdy przedstawiłem podstawy, wiedza na temat robotów szybko podzieliła się na wiele gałęzi skierowanych w różnych kierunkach. Z tego powodu niemożliwe było wybranie jednego typu robota, który zainteresowałby wszystkich średnio zaawansowanych konstruktorów. Mając do dyspozycji (niemal) całą potrzebną wiedzę, każdy konstruktor może podążać własną ścieżką. W książce tej opisuję zatem to, w jaki sposób doskonalić swojego robota, a nie to, jakiego typu roboty można budować.

Budowanie moduów Zamiast budować robota, buduj moduły. Zbuduj moduł zasilacza, moduły sterowników silników, moduły sensorów, moduły dźwięku oraz moduły sterujące. Nie musisz później budować robota — wystarczy go złożyć! Montowanie robotów z modułów ma wiele zalet: x Możesz samodzielnie zbudować interesujące Cię moduły i kupić te, które nie są interesujące (lub których nie można wykonać we własnym zakresie). x Możesz udoskonalić robota, wymieniając moduł, a nie budując całego robota od początku. x Możesz wykorzystywać udane moduły w innych robotach. x Możesz skrócić czas, jaki mija od pojawienia się pomysłu do wyniku. x Możesz uzyskać funkcjonalną bazę (i poczucie spełnienia), której będziesz używać do dalszych prac. Najambitniejsze projekty nierzadko kończą na stercie niedokończonych prac, ponieważ są zbyt skomplikowane do zrealizowania w dwóch (lub dwudziestu) podejściach.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Budować Rondo czy nie? W książce tej pokazuję, w jaki sposób zbudować robota o nazwie Rondo. W rozdziale 13. wyjaśniam, jak zmontować najprostszy model robota Rondo (widoczny po lewej stronie rysunku 1.1), korzystając z modułów i technik zaprezentowanych w rozdziałach od 1. do 12. Ta wersja robota zawiera stabilizator napięcia, czujniki podczerwieni wykrywające ściany i obiekty oraz sterowniki silników. Ponieważ do sterowania zastosowałem układy logiczne, robot ten nie wymaga programowania i jest zbudowany wyłącznie z części elektronicznych dostępnych w handlu.

Rysunek 1.1. Najprostsza wersja robota Rondo (po lewej stronie). Ulepszona wersja robota Rondo (po prawej stronie) Od rozdziału 16. ulepszamy Rondo przez dołączenie drugiej płyty na górze oraz trzeciej na dole (jak pokazano po prawej stronie rysunku 1.1). Ulepszonym robotem steruje mikrokontroler, dzięki czemu Rondo może wykonywać wiele różnych funkcji — może być eksploratorem pokoju, podążać po liniach lub być robotem sumo. Może nawet dodasz do niego algorytm wychodzenia z labiryntów? Rondo składa się z modułów, które możesz dowolnie dobierać, więc robot, którego będziesz budować, nie musi być identyczny z przedstawionym w książce. Po kilku zmianach możesz zbudować robota do innych celów i o innym zachowaniu. Rondo jest tylko szkieletem łączącym pojedyncze elementy i demonstrującym ich działanie jako części większej konstrukcji.

Organizacja rozdziałów Jak możesz się spodziewać na podstawie poprzedniego punktu, rozdziały w książce są pogrupowane według modułów. Podobnie jak nie musisz budować każdego z modułów składających się na robota, nie musisz czytać i przyswajać sobie każdego rozdziału tej książki. Niektóre rozdziały, na przykład przedstawiające sterownik silnika, mogą Ci się wydawać nieco odstraszające. Możesz je pominąć, podobnie jak rozdziały oraz fragmenty dotyczące na przykład budowania nowego robota na bazie robota Kanapka (rysunek 1.2), opisanego w książce Budowa robotów dla początkujących. Pozwala to zaoszczędzić czas i pieniądze.

22 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 1. „ BUDOWANIE ROBOTA MODUOWEGO

Rysunek 1.2. Płytka z układami robota Rondo zainstalowana wewnątrz robota Kanapka (po lewej stronie). Możesz użyć tych samych przełączników, złączy, baterii oraz obudowy, montując płytkę z układami robota Rondo na górze obudowy Jeżeli jesteś zainteresowany skomplikowanymi zagadnieniami, wiele z rozdziałów zawiera wystarczająco dużo informacji, aby w pełni zaspokoić Twój głód wiedzy. Równie dobrze możesz przekartkować te rozdziały lub czytać je, dopóki ich zrozumienie nie będzie sprawiać Ci problemu. Później, gdy będziesz chciał uczyć się dalej, możesz wrócić do tych trudniejszych fragmentów. Chciałem przez to powiedzieć, że nie wszystkie aspekty budowania robotów są interesujące dla każdego konstruktora. Ciesz się budowaniem, koncentrując się na elementach, które lubisz najbardziej.

Zapoznanie si z obróbk mechaniczn Jak wcześniej wspomniałem, gdy będziesz wykorzystywać mechanizmy robota Kanapka i techniki obróbki mechanicznej opisane w pierwszej książce, to nie będziesz potrzebował dodatkowych narzędzi i umiejętności przy budowaniu przedstawionego tu robota Rondo. Treści dotyczące obróbki mechanicznej to mniej niż jedna trzecia tej książki (rozdziały od 2. do 5. oraz fragmenty rozdziałów 13., 16. i 18.). Jednak zachęcam Cię, abyś nauczył się korzystać z narzędzi do obróbki, o ile jeszcze tego nie potrafisz. To wspaniałe uczucie, gdy możesz wykonać niemal wszystko, o czym wcześniej tylko marzyłeś. Na spotkaniach klubu Chicago Area Robotics Club (ChiBots) nowi członkowie świetnie orientują się w programowaniu, dają sobie radę z elektroniką, ale boją się obróbki mechanicznej. Jeżeli zatem nie czujesz się komfortowo przy maszynie, to wiedz, że nie jesteś jedyny. Jednak tak jak w niemal każdym innym przypadku, możesz przezwyciężyć te obawy po krótkim treningu. Prawdopodobnie najlepszym sposobem na zapoznanie się z obróbką jest ukończenie kursu ślusarstwa. Możesz również spędzić kilka popołudni z innym konstruktorem robotów, posiadającym narzędzia, których Ty jeszcze nie masz. To niesamowite, jak wiele można się nauczyć, patrząc tylko na działania operatora maszyny (naprawdę nie da się tego nauczyć wyłącznie z tej książki). Większość konstruktorów chętnie dzieli się swoim doświadczeniem i wiedzą, ponieważ liczba osób zainteresowanych tymi umiejętnościami się zmniejsza.

Wyposażenie Twojego warsztatu Aby skompletować wyposażenie domowego warsztatu, potrzebujesz mniej więcej tyle samo pieniędzy co na średniej klasy domowy komputer. Zapewne masz w domu proste narzędzia, takie jak śrubokręty, klucze, młotki, pilniki, piły, linijki, kątowniki, nożyce, szczypce, imadła i wiertła. Gwintowniki i narzynki są rzadziej spotykane w domowych warsztatach, ale nie są ani drogie, ani przerażające. Oczywiście, będziesz potrzebował również dobrze oświetlonego stołu warsztatowego lub innej płaskiej i solidnej powierzchni. Przy budowaniu robotów korzystam z kilku narzędzi elektrycznych: x narzędzia wysokoobrotowego, takiego jak Dremel, x wiertarki stołowej, x frezarki, x przecinarki tarczowej (rysunek 1.3). 23 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 1.3. Przecinarką tarczową z dużą tarczą można ciąć znaczne ilości materiału szybciej niż ręczną piłką do metalu i uzyskać równiejsze krawędzie Wielu konstruktorów robotów wspomina jeszcze o takich narzędziach, jak: x tokarka, x piła taśmowa, x wyrzynarka lub ręczna frezarka, x szlifierka, x prasa, zacisk, zginarka, dziurkownica, x spawarka. Lista ta nie jest kompletna. Jest jeszcze wiele typów urządzeń i maszyn łączących w sobie różne funkcje. W książce tej najczęściej korzystałem z narzędzi z pierwszej listy.

Miniaturowa frezarka Moim ulubionym narzędziem przy budowaniu robotów jest miniaturowe urządzenie będące połączeniem wiertarki z frezarką. Gdy się w nie zaopatrzyłem, otworzyły się przede mną nowe możliwości. W podstawowym zakresie pionowa frezarka pozwala ciąć surowy materiał (taki jak plastik lub metal) i tworzyć płaskie lub prostopadłe powierzchnie, ponadto może wycinać rowki, gniazda, otwory, a nawet fazować (zaokrąglać) brzegi. Gdy do tego dołączy się dodatkowe akcesoria, to niemal nie ma ograniczeń w wytwarzaniu potrzebnych elementów. Jeżeli Twój robot będzie potrzebował niewielkiej, niepowtarzalnej części z wycięciem i kilkoma otworami, to do jej wykonania będziesz mógł użyć frezarki.

24 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 1. „ BUDOWANIE ROBOTA MODUOWEGO

Przemysłowe frezarki ważą co najmniej kilka ton, są wyższe od lodówki i mają szerokość drzwi garażowych. Używane egzemplarze można kupić już za kilkadziesiąt tysięcy złotych. Nowoczesne frezarki na ogół są skomputeryzowane i zapewniają wysoką precyzję, szybkość i powtarzalność wykonywanych zadań. Oczywiście nie nadają się one dla większości hobbystów z powodów budżetowych oraz z braku miejsca. Na szczęście dostępne są miniaturowe frezarki o odpowiednich rozmiarach (ważące od 15 do 50 kg i mające wielkość połowy dużego komputera) i cenie (1500 – 3000 zł wraz z akcesoriami i przesyłką) do użytku domowego. Większość frezarek ma również funkcję wiertarki stołowej1. Osobiście posiadam urządzenie firmy MicroLux zakupione w sklepie Micro-Mark (http://www.micromark.com/). Niezbędnymi akcesoriami są frezy oraz imadło do mocowania obrabianego materiału. Jednak jest to dopiero początek długiej listy wspaniałych akcesoriów, jakie można dokupić. Po kilku latach można się zdziwić, gdy będziemy otoczeni akcesoriami, które razem kosztowały więcej niż sama frezarka. Maszynę MicroLux wybrałem dlatego, że była największa i najcięższa z modeli w tej cenie. Hobbyści mający mniej miejsca mogą zdecydować się na model Sherline. Frezarka MicroLux jest dostarczana w częściach — trzeba ją samodzielnie zmontować. Ułatwia to jej transport do warsztatu, jednak może budzić obawy, czy poradzimy sobie z jej złożeniem. Przed zakupem można zapoznać się z instrukcją montażu dostępną na stronie sklepu Micro-Mark. Istnieją również bardzo podobne maszyny firm Harbor Freight oraz Grizzly, niewymagające montażu.

Korzystanie z frezarki Frezarka jest łatwa w użyciu, ale trudna do mistrzowskiego opanowania. Poniżej wymienione są najważniejsze zagadnienia, o których trzeba pamiętać: x Frezarka służy wyłącznie do obróbki precyzyjnej. Na początek użyj piły lub podobnego narzędzia do zgrubnego przycięcia materiału i dopiero wtedy rozpocznij obróbkę frezarką. x Zawsze dokładnie mocuj obrabiany element. Każda wibracja lub nieoczekiwane przesunięcie materiału może uszkodzić narzędzie tnące, obrabiany element, maszynę lub zranić Ciebie. x Bądź cierpliwy! Tnij powoli, cienkimi warstwami. Poniżej przedstawiona jest najczęściej stosowana procedura frezowania (rysunek 1.4): 1. Przytnij materiał (plastik, mosiądz lub aluminium nadające się do miniaturowych frezarek) piłą lub pilarką do mniej więcej oczekiwanej wielkości. 2. Zamocuj element bezpośrednio do stołu frezarki lub w imadle {. 3. Umieść wiertło lub frez (który wygląda podobnie jak wiertło, ale ma spłaszczoną końcówkę i boczne krawędzie skrawające) w uchwycie frezarki |. 4. Ustaw pozycję obrabianego elementu, przesuwając za pośrednictwem pokręteł maszynę od lewej do prawej }, w przód i w tył ~ oraz w górę i w dół . 5. Włącz zasilanie i ustaw prędkość €. 6. Skoryguj położenie obrabianego elementu za pomocą pokręteł, pozwalając wiertłu na wycięcie otworu lub frezowi na odcięcie fragmentu elementu.

Precyzyjne pozycjonowanie obrabianego elementu za pomocą pokręteł Zwykle jestem nieco niezgrabny, co powoduje, że nie mogę dokładnie ustawić elementów. Dlatego lubię w frezarce to, że pokrętła (nawet przy ich dosyć dużych obrotach) pozwalają na precyzyjne ustawienie położenia obrabianego elementu. Jeżeli element musi zostać przesunięty nieco w lewo, wystarczy przekręcić odpowiednie pokrętło. Teraz nieco w górę? Nie ma problemu. Przekręcam nieco drugie pokrętło. Za daleko? Co z tego. Przekręcam z powrotem. Ustawienie obrabianego elementu dokładnie tak, jak potrzebuję, nie zajmuje zbyt wiele czasu. 1

Poszukiwania w polskich sklepach z elektronarzędziami najlepiej prowadzić pod hasłem „wiertarkofrezarka” — przyp. red.

25 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 1.4. Miniaturowa frezarka MicroLux Dane pokrętło zmienia położenie elementu w konkretnej osi, nie zmieniając jego położenia w pozostałych osiach. Aby wyciąć prosty rowek, wystarczy pokręcić jedno pokrętło, gdy pozostałe są zablokowane w odpowiednim położeniu. To bardzo proste. Jednym z najciekawszych zastosowań wiertarkofrezarki stołowej jest wytwarzanie płytek drukowanych. Zamontuj wytrawioną płytkę w imadle i ustaw ją (stukając w brzeg imadła gumowym młotkiem) równolegle do stołu. Pokrętłami ustaw wiertło na pierwszej linii, na której mają być otwory, i wywierć pierwszy otwór. Następnie kręć tylko jednym pokrętłem (na przykład pokrętłem osi x) i wywierć następny otwór na tej linii (wyobraź sobie połowę gniazda DIP z ośmioma otworami). Jeżeli pokrętła są wyskalowane w tych samych jednostkach co odstęp pomiędzy otworami płytki (na przykład w dziesiętnych częściach milimetra), to każdy obrót (lub dwa i pół obrotu) pokrętła przesuwa płytkę dokładnie do następnego otworu. Po wywierceniu wszystkich otworów wymień wiertło na frez. Ustaw frez na zewnętrznym brzegu płytki i zacznij cięcie. Obracaj jednym pokrętłem (na przykład osi x), aby wyciąć jeden brzeg płytki. Następnie obracaj drugim pokrętłem (na przykład osi y), potem wróć do pierwszego pokrętła (oś x) i na koniec ponownie obracaj drugim pokrętłem (osi y). W tym przykładzie stół przesuwa się w lewo, wstecz, w prawo i w przód, co pozwala uzyskać dokładnie prostokątne brzegi płytki.

Korygowanie błędów na płytce Innym dobrym zastosowaniem wiertarkofrezarki jest korygowanie błędów na płytce drukowanej. Na rysunku 1.5 widać, jak ściąłem frezem błędnie poprowadzoną ścieżkę miedzianą {, a następnie wywierciłem wiertłem nowy otwór | do wstawienia zastępczego przewodu. Czy było trudno ustawić frez i wiertło? Nie, każdy obrót pokrętła stopniowo ustawiał płytkę dokładnie tam, gdzie chciałem.

26 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 1. „ BUDOWANIE ROBOTA MODUOWEGO

Rysunek 1.5. Wiertarkofrezarka pozwala korygować błędy na płytkach drukowanych przez przecinanie ścieżek { i wiercenie nowych otworów |

Uzalenienie od frezowania Przyznaję się, że naprawdę uwielbiam frezować. Jest to bardzo relaksujące. Wiertarkofrezarka to nieocenione narzędzie przy budowaniu robotów. Nie uwierzysz, dopóki sam nie spróbujesz. Książka ta zaczyna się od przedstawienia sposobów obróbki detali w rozdziałach od 2. do 5. Jeżeli nadal nie jesteś przekonany, czy Ci się to przyda, możesz przejść od razu do opisu elektroniki, który zaczyna się od rozdziału 6.

czymy wszystko ze sob Budowanie robota wymaga od konstruktora odwoływania się do wielu różnych dyscyplin. Bardzo lubię to, że gdy przy budowaniu robota znudzę się jednym problemem, mogę zająć się innym, który wygląda na całkiem nowy, i nadal przy tym buduję robota. Czasami na przykład mam ochotę na obróbkę, czasami buduję prototyp z klocków lego, eksperymentuję z układami na płytce prototypowej, projektuję płytkę drukowaną na komputerze, montuję komponenty na płytce i lutuję, łączę ze sobą płytki i części czy też piszę oprogramowanie, jeszcze innym razem zdarza mi się testować robota, a nieraz bawię się po prostu swoją kolekcją robotów. W książce tej przedstawiłem wszystkie te aspekty. Po przeczytaniu jednej trzeciej książki możesz stracić z oczu jej cel (lub pomyśleć, że to ja go straciłem), dlatego poniżej zamieściłem podsumowanie jej zawartości z uwzględnieniem różnych części, modułów i procesów oraz tego, jak one pasują do siebie.

Grupowanie części mechanicznych Najważniejsze części mechaniczne opisane w tej książce można pogrupować w następujący sposób: x Łącznik silnika (do łączenia silnika z kołem): rozdziały od 2. do 5. i środek rozdziału 18. x Okrągłe platformy robotów: część rozdziałów 5., 13. oraz 18. Informacje o testowaniu można znaleźć w rozdziale 14. x Uchwyty silników (do ich mocowania do konstrukcji robota): część rozdziałów 13. i 18.

27 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Grupowanie osobnych modułów elektronicznych Osobne moduły elektroniczne opisane w tej książce można pogrupować w następujący sposób: x Zasilacze: rozdziały 7. i 8. x Sterowniki silników (dostarczające prąd do silników): rozdziały 9. i 10. x Czujniki ścian i obiektów: rozdziały 11. i 12. x Wykrywanie podłogi i światła: rozdział 17. x Dźwięk (tony i muzyka): pierwsza połowa rozdziału 18.

Montaż i testowanie robota Choć możesz użyć gotowych części oraz modułów elektronicznych, to jednak możesz też zmontować Rondo w następujący sposób: x Płyta główna: łączy zasilacz, sterownik silnika oraz czujnik obiektów na jednej płytce drukowanej opisanej w rozdziale 13. x Układ przeniesienia napędu: łączy silnik, łącznik i uchwyt — rozdział 13. x Robot: łączy w sobie układ przeniesienia napędu, płytkę z układami i bazową platformę z rozdziału 13. x Testowanie: włączanie i testowanie robota Rondo jest przedstawione w rozdziale 14. Pod koniec rozdziału 13. masz już robota Rondo zmontowanego z części opisanych w książce. Rozdział 14. kończę omówieniem wielu udoskonaleń. Zamiast rozpoczynać budowę nowego robota, możesz udoskonalić Rondo w następujący sposób: x Sterowanie: w rozdziale 15. opisałem mikrokontrolery. W rozdziale 16. dodaję jeden z nich do robota wraz z przyciskiem i przełącznikiem DIP pozwalającym na konfigurację. x Rozbudowa sensorów: w rozdziale 17. dodałem wykrywanie podłogi. x Dźwięki: w rozdziale 18. dodałem generowanie dźwięków i muzyki.

Wykorzystanie czci i technik w innych robotach Gdy na witrynie WWW, w czasopiśmie lub w prezentacji przedstawionej przez znajomego konstruktora natkniesz się na opis szczególnie dobrze zaprojektowanego robota, możesz poczuć się nieco onieśmielony, a nawet zniechęcony. Jest to iluzja powodowana postrzeganiem robota jako całości, a nie jako zbioru części, z których większość nie jest prawdopodobnie skomplikowana bardziej niż przykładowe obwody zalecane przez producentów części. Po zbudowaniu kilku robotów zaczynasz nabywać umiejętność dostrzegania pojedynczych części tych skomplikowanych maszyn. Zauważasz wtedy moduły robota skonstruowanego przez znajomego, z których kilka to specjalne rozwiązania, sprawiające, że całość prezentuje się doskonale. W książce tej przedstawię poza robotem Rondo kilka innych robotów. Niektóre części (moduły) robotów Kanapka, Zupa, Bugdozer, Miłego Dnia, Hard2C, Prędkość Światła oraz Beztroski będą ilustrowały określoną technikę czy alternatywne rozwiązanie. Choć każdy z tych robotów jest unikatowy, wszystkie one mogą być podzielone na klasyczne elementy zademonstrowane w robocie Rondo.

28 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 1. „ BUDOWANIE ROBOTA MODUOWEGO

Na przykład Zupa wydaje się zupełnie innym robotem (rysunek 1.6), a jednak ma włącznik zasilania {, zasilacz |, sterownik silnika }, uchwyt silnika i łączniki ~, mikrokontroler , przyciski € oraz przełączniki DIP , które służą do tych samych celów co w robocie Rondo.

Rysunek 1.6. Tak samo jak każdy inny robot, Zupa ma wiele elementów identycznych z tymi, które występują w robocie Rondo (plastikowa obudowa została wykonana z pudełka po chusteczkach dla niemowląt) Kilka części robota Zupa jest fajniejszych niż ich odpowiedniki z robota Rondo. Na przykład przełącznikiem zasilania stała się stacyjka { pozyskana ze starego komputera, zasilacz zawiera cewkę |, co pozwala zaoszczędzić prąd z baterii, a wyświetlacz jest wykonany w technologii LCD ‚ zamiast LED. Jednak robot ten nie jest zbyt daleko od robota Rondo w obrębie wiedzy na temat robotów. Mam nadzieję, że po przeczytaniu tej książki będziesz patrzył na inne roboty inaczej niż wcześniej. Będziesz umiał podzielić je na części, powielić moduły, które uznasz za interesujące lub wartościowe, a następnie dodać coś od siebie. Zgoda? Gotowy? Zaczynamy!

29 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

30 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 2 „„„

Porównanie dwóch typów samodzielnie wykonanych czników silnika oraz czsto spotykane bdy Do momentu rozpoczęcia budowania własnych robotów ludzie nie zdają sobie sprawy, jak trudnym zadaniem jest opracowanie precyzyjnej i niezawodnej metody łączenia silnika z kołem. Dostępne są różne typy silników i kół, ale niestety niewiele z nich zostało zaprojektowanych tak, aby do siebie pasowały. Wydaje się, że rozwiązanie jest oczywiste: „Wywiercę otwór w kole, dodam nieco kleju i zablokuję wałek silnika w tym otworze”. Jednak rzeczywistość jest inna. Jeżeli otwór nie będzie dokładnie wycentrowany, koło będzie wpadało w drgania. Często też otwór jest nieco większy lub mniejszy niż wałek silnika. Jeżeli zastosujemy klej, istnieje niebezpieczeństwo, że klej trwale połączy koło i silnik (uniemożliwiając wymianę części) lub nie połączy dobrze części i koło będzie odpadać. W efekcie wszystko będzie trzymało się w całości jedynie dzięki sporej ilości taśmy klejącej. Lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie łącznika, który jest elementem wymiennym łączącym wałek silnika z przekładnią lub kołem. Łącznik taki można uważać za rodzaj adaptera, którego jeden koniec jest kompatybilny z wałkiem silnika, a drugi z piastą koła. Niestety, miniaturowe łączniki nie są powszechnie dostępne w handlu, między innymi z powodu braku standaryzacji wałków silników i piast kół. Dlatego konstruktorzy robotów zazwyczaj muszą wykonywać własne łączniki, dopasowane do używanych części. W następnych kilku rozdziałach skupimy się na wykonywaniu łącznika, który pozwoli połączyć każdy niewielki silnik (z wałkiem o średnicy poniżej 10 mm) ze standardową osią stosowaną w zestawach klocków LEGO (rysunek 2.1). Osie LEGO pozwalają na łączenie większości miniaturowych silników z szeroką gamą wysokiej jakości standardowych części LEGO. Jeżeli jednak nie potrzebujesz zgodności z LEGO, możesz użyć dowolnej innej osi.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 2.1. Silnik z wałkiem, łącznik ze śrubą ustalającą, biała oś LEGO (normalnie wklejona w łącznik) oraz koło zębate i koło LEGO (od lewej do prawej) Rozdział ten rozpoczniemy od porównania łącznika zaprezentowanego w mojej wcześniejszej książce, Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012), z łącznikami przedstawianymi tutaj. Następnie omówię częste błędy, jakie zdarzają się przy budowaniu własnych łączników, takich jak przesunięcie kątowe lub przesunięcie równoległe. W rozdziałach 3. i 4. opisuję techniki budowania łączników z prętów z wykorzystaniem wiertarki stołowej, jak również techniki i metody pozwalające zredukować błędy i zwiększyć możliwości wytwarzania części o wysokiej jakości. Praca z narzędziami ręcznymi i elektrycznymi może być dla niektórych odstraszająca. Jednak przy pewnej dozie zaangażowania i cierpliwości szybko można zdobyć umiejętność samodzielnego budowania elementów robota.

Porównanie dwóch technologii budowy czników W rozdziale 20. książki Budowa robotów dla początkujących opisałem operacje pozwalające na wytworzenie łącznika z kilku teleskopowych rurek. Tutaj zaprezentuję, w jaki sposób wykonać podobny łącznik z kawałka pręta zamiast rurek. Obie te metody mają swoje wady.

Przegląd łączników teleskopowych Na rysunku 2.2 przedstawiony jest łącznik teleskopowy. Aby wykonać taki łącznik, umieszczamy rurki jedna w drugiej, dzięki czemu otwór na wałek silnika i oś koła są wzajemnie wycentrowane i równoległe. Jeżeli wałek silnika ma inny rozmiar niż oś LEGO, używamy rurki o mniejszej średnicy i długości o połowę mniejszej niż pierwsza. Klej epoksydowy pozwala trwale zamocować oś LEGO w rurce o większej średnicy, a śruba ustalająca mocuje łącznik do wałka silnika, co umożliwia późniejszy łatwy demontaż.

Rysunek 2.2. Teleskopowe rurki (na środku) wsunięte jedna w drugą łączą wałek silnika (po lewej) z osią LEGO (po prawej). Jest to niedokończony łącznik dla celów demonstracyjnych. Zwykle mniejsza rurka jest całkowicie wsunięta do większej rurki i obie są sklejone. Dodatkowo przydatna jest śruba ustalająca, mocująca rurki do wałka silnika

32 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 2. „ PORÓWNANIE DWÓCH TYPÓW SAMODZIELNIE WYKONANYCH CZNIKÓW SILNIKA ORAZ CZSTO SPOTYKANE BDY

Łącznik z rurek teleskopowych działa świetnie i jest szczególnie przydatny dla hobbystów niemających dostępu do wiertarki stołowej lub niepotrafiących wiercić równoległych, wycentrowanych otworów w pręcie. Rurki teleskopowe są również dostępne w sklepach dla majsterkowiczów. Jednak łączniki teleskopowe mają kilka poważnych ograniczeń: x Wewnętrzna średnica standardowych rurek teleskopowych może nie pasować do średnicy wałka silnika (konstruktorzy robotów często korzystają z takich silników, jakie akurat były dostępne). W takim przypadku nie można ciasno połączyć części, co może powodować drgania lub inne problemy. x Dostępne rurki teleskopowe są wykonane wyłącznie z mosiądzu lub aluminium. Mogą się one okazać nieprzydatne, gdy preferujesz inny materiał, na przykład plastik. x Grubsze ścianki rurek zwiększają wytrzymałość i sztywność konstrukcji. Możliwe jest sklejenie ze sobą kilku warstw rurek teleskopowych w celu zwiększenia ich grubości, ale jest to czasochłonne. Podobny problem występuje, gdy średnica wałka silnika jest znacznie mniejsza lub większa niż średnica osi LEGO, czyli 4,6 mm. W każdym razie musisz wtedy ciąć i łączyć ze sobą wiele rurek. x Dodatkowo gwint dla śruby ustalającej nie jest tak mocny i niezawodny, jak w przypadku zastosowania pręta.

Porównanie łączników teleskopowych z łącznikami z pręta Z zewnątrz gotowy łącznik z pręta wygląda identycznie jak gotowy łącznik z rurek teleskopowych. Jednak zamiast sklejać ze sobą rurki, łącznik ten wykonujemy z jednego kawałka materiału, w którym nawiercamy otwory o odpowiednich wymiarach. Aby zamocować oś LEGO i wałek silnika, w obu typach łączników stosujemy klej epoksydowy i śrubę ustalającą. Poniżej wymienione są najważniejsze zalety łączników z pręta: x Wymiary otworów możesz dobierać swobodnie — wiertła można otrzymać w bardzo wielu rozmiarach. x W przeciwieństwie do rurek teleskopowych znacznie więcej rodzajów materiałów jest dostępnych wyłącznie w postaci prętów. Na przykład akryl fluoroscencyjny można kupić w postaci prętów — nie ma takich rurek; akryl jest zbyt kruchy, aby produkować z niego rurki (poniżej 6,5 mm) o cienkich ściankach. x Pręty są produkowane w wielu różnych rozmiarach; w razie potrzeby można użyć grubych i wytrzymałych. Ponieważ tylko jeden kawałek pręta musi zostać odcięty i obrobiony, wykonywanie łącznika z pręta trwa nieco krócej niż przygotowywanie łącznika z wielu warstw rurek teleskopowych. Jedyną wadą łączników wykonywanych z prętów (w przeciwieństwie do rurek teleskopowych) jest konieczność precyzyjnego wiercenia otworów. Wiertarka stołowa lub tokarka jest absolutnie wymagana. Wiercenie zajmuje sporo czasu, a co gorsza, może być frustrujące bądź trudne, jeżeli nie zostanie zastosowana odpowiednia procedura postępowania. Na szczęście w kolejnych rozdziałach przedstawię wszystkie kroki niezbędne do wykonania wysokiej jakości łączników z prętów.

Oczekiwane efekty wiercenia otworów w czniku oraz czste bdy i ich skutki W kolejnych kilku przykładach będę korzystał z 12-milimetrowego okrągłego pręta z przezroczystego plastiku w celu zademonstrowania, w jaki sposób powinny (i jak nie powinny) wyglądać otwory w łączniku. Tak duża średnica i przezroczystość plastiku nie są potrzebne, ale dzięki nim wyniki pracy będą bardzo efektowne.

33 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wybór plastiku Przezroczysty materia uyty w przykadach pokazanych w ksice jest akrylem (znanym równie jako pleksiglas lub pleksi). Akryl jest niedrogi, lekki, niewraliwy na wiato ultrafioletowe (wyst pujce w promieniach soca), atwy w obróbce i dost pny w wielu kolorach. Niestety, jest kruchy i atwy do zarysowania. Alternatyw jest poliw glan (znany równie pod nazw handlow Lexan), który jest przezroczysty niemal jak akryl, ale naturalny poliw glan jest nieco droszy i moe by uszkodzony przez wiato ultrafioletowe (dost pne s dodatki chronice przed tym efektem). Zalet poliw glanu jest to, e zamiast ama si , raczej si wygina i rozciga. Jeeli chcesz wykona przezroczyste czniki silnika dla swojego robota, wybierz poliw glan (lub nawet przezroczyste PCW) z powodu jego odporno ci. Unikaj akrylu, poniewa jest zbyt kruchy i w kocu pop ka. czniki silników nie musz by przezroczyste, wi c mona uy nieprzezroczystego tworzywa ABS lub zwykego PCW.

Na rysunku 2.3 przedstawiony jest dobry przykład gotowego łącznika z pręta.

Rysunek 2.3. Wałek silnika (po lewej) umieszczony w plastikowym, przezroczystym łączniku (pośrodku), przytrzymywany przez śrubę ustalającą (na górze). Oś LEGO (po prawej) jest wklejona po drugiej stronie łącznika. W plastikowym łączniku są wywiercone trzy otwory o różnych średnicach: { na wałek silnika, | na śrubę ustalającą oraz } na oś LEGO

Łączenie otworu na śrubę ustalającą z otworem na wałek silnika Najbardziej oczywistym wymaganiem dla otworu na śrubę ustalającą | jest jego zbieżność z otworem na wałek silnika {, aby możliwe było dociśnięcie wałka. Dokręcenie śruby ustalającej uniemożliwia wałkowi silnika obracanie się w łączniku, a dodatkowo zabezpiecza wałek silnika przed wysunięciem się z łącznika. Zadaniem łącznika jest połączenie wałka silnika z osią LEGO, tak aby były one jednym obracającym się elementem. Część energii silnika jest przenoszona poprzez śrubę ustalającą na materiał łącznika. Ponadto siła, z jaką śruba naciska na wałek silnika, pozwala na bezpośredni transfer energii pomiędzy silnikiem i łącznikiem. Jest to zależne od jakości gwintu śruby ustalającej, więc materiał, z jakiego wykonujemy łącznik, nie powinien być zbyt cienki ani elastyczny. Zwykle nie stanowi to problemu, ale trzeba o tym pamiętać, gdy próbujemy zrobić naprawdę cienki łącznik z miękkiego plastiku.

34 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 2. „ PORÓWNANIE DWÓCH TYPÓW SAMODZIELNIE WYKONANYCH CZNIKÓW SILNIKA ORAZ CZSTO SPOTYKANE BDY

Wyrównanie kątów i środków otworów Dla uproszczenia łączniki na kilku następnych zdjęciach są bez wywierconych otworów na śruby ustalające. Skoncentrujemy się wyłącznie na otworze na wałek silnika oraz otworze na oś LEGO. Zwróć uwagę, że na rysunku 2.4 otwór jest ładnie wycentrowany w łączniku. Zauważ również, że oba otwory są wzajemnie wycentrowane, a ich osie są równoległe i się pokrywają. Linia utworzona przez obie osie powinna być prosta. Dla zapewnienia atrakcyjnego wyglądu ważne jest, aby połączone osie były w pręcie wycentrowane i równoległe, ale nie jest to najistotniejsze dla działania łącznika.

Rysunek 2.4. Oczekiwane: łącznik z ładnie wycentrowanymi i prostymi otworami To właśnie będziemy próbowali osiągnąć. Perfekcja nie jest wymagana. Jednak im bliższe ideału będą gotowe łączniki, tym płynniejsze będą obroty osi, zębatek i kół.

Akceptowane równolege przesunicie pomidzy osiami i rodkiem cznika Na rysunku 2.5 zademonstrowany jest wyolbrzymiony błąd przy nawiercaniu łącznika: otwory w pręcie nie są dokładnie wycentrowane. Możesz mi wierzyć lub nie, ale nie ma to większego znaczenia.

Rysunek 2.5. Dopuszczalne: choć otwory są wycentrowane jeden względem drugiego i są nawiercone równolegle, to nie są wycentrowane w pręcie łącznika (ich oś symetrii nie pokrywa się z osią symetrii pręta) 35 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Silniki wibrujące korzystają ze sporej masy przesuniętej względem środka osi silnika (rysunek 2.6). Jednak łączniki domowej roboty są dość lekkie, a środek masy rzadko przesuwa się w wyniku błędu o więcej niż milimetr lub dwa. Powstające wibracje są pomijalne. Jeżeli to jest Twój największy błąd przy wykonywaniu łącznika, to nie ma się czym martwić.

Rysunek 2.6. Silnik z ciężką przesuniętą masą powoduje wibracje przy obrotach (silnik ten został wymontowany z joysticka z funkcją force feedback)

Unikanie równolegego przesunicia pomidzy otworami Na rysunku 2.7 jest pokazany wyolbrzymiony błąd przy nawiercaniu łącznika: otwory nie są wzajemnie wycentrowane (choć osie otworów są wzajemnie równoległe).

Rysunek 2.7. Unikaj: otwory nie są wycentrowane jeden względem drugiego i pręta łącznika, chociaż są nawiercone równolegle Brak zbieżności osi symetrii otworów na wałek i oś (nazywany przesunięciem równoległym) powoduje obracanie się osi po okręgu. Po prawej stronie rysunku 2.8 obracające się koło przymocowane do łączników pokazanych na rysunkach 2.4 i 2.7 ma tendencję przesuwania się w górę, w lewo, w dół i w prawo. Omówione tu przesunięcie otworów w łączniku powoduje znaczne zakłócenia w obrotach koła! Koło zatem krąży po elipsie i robot będzie poruszał się w górę i w dół. Będzie to zmieniać odczyty sensorów i wywoływać wibracje robota, co z kolei może skutkować awariami. Podejrzewam, że efekt ten można zastosować z premedytacją — na przykład w robocie kaczce. 36 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 2. „ PORÓWNANIE DWÓCH TYPÓW SAMODZIELNIE WYKONANYCH CZNIKÓW SILNIKA ORAZ CZSTO SPOTYKANE BDY

Rysunek 2.8. Brak przesunięcia równoległego gwarantuje prawidłowe obroty koła względem środka, co jest dobre (po lewej). Przesunięcie równoległe powoduje, że koło porusza się w górę, w lewo, w dół i w prawo, co jest złe (po prawej) Teraz wyobraźmy sobie, że do wadliwego łącznika zostanie podłączone koło zębate. Koło to poruszające się po elipsie przy każdym obrocie będzie przesuwało się względem dołączonego do niego drugiego koła zębatego. Jeżeli przesunięcie będzie znaczne, między kołami może powstać odległość tak duża, że przestaną się one zaczepiać niektórymi zębami lub całkowicie się rozłączą albo przysuną się zbyt blisko i zablokują mechanizm. Powoduje to hałas, uszkodzenia (ścieranie i łamanie zębów) oraz utratę mocy wskutek tarcia i przeskakiwania zębów. Niewielkie przesunięcie równoległe nie jest katastrofą. Jednak proces wykonywania łącznika powinien je minimalizować. Można to osiągnąć, wykonując pracę w dwóch krokach (opisanych dokładniej w dalszej części książki): x Wywierć węższy otwór przez cały pręt łącznika, a nie tylko do jego połowy, dzięki czemu otwór ten posłuży jako otwór pilotujący, ułatwiający wycentrowanie szerszego otworu. x Nie przesuwaj pręta ani łącznika pomiędzy operacjami nawiercania; zamiast tego wymień wiertło i od razu wywierć szerszy otwór w węższym, aż do pożądanej głębokości. Dzięki temu oba otwory będą wzajemnie wycentrowane.

Unikanie przesunicia ktowego pomidzy otworami Na rysunku 2.9 jest pokazany wyolbrzymiony bardziej niepożądany błąd przy nawiercaniu łącznika: otwory są wywiercone pod kątem względem siebie (nawet jeżeli są wzajemnie wycentrowane). Nazywa się to przesunięciem kątowym. Przesunięcie kątowe powoduje precesję koła (prawa strona rysunku 2.10), podobnie jak zwalniający bąk (zabawka). Na rysunku 2.10 przedstawiono użycie łączników pokazanych na rysunkach 2.4 oraz 2.9. Precesja jest wysoce niepożądana. Wywołuje kołysanie się koła — koło nie ma płaskiego kontaktu z powierzchnią, elementy robota zużywają się nierówno i następuje utrata trakcji. Miękkie opony zapobiegają szkodliwym efektom precesji. Elastyczność opon umożliwia utrzymywanie równego kontaktu z podłożem. Wiertarka stołowa pozwala wyeliminować niemal całe przesunięcie kątowe, ponieważ umożliwia przesuwanie wiertła dokładnie w dół powierzchni roboczej. Jednak długie, tępe lub cienkie wiertło może się nieco ugiąć i spowodować niewielkie przesunięcie kątowe. Można tego uniknąć, używając krótkich i ostrych wierteł. Ponadto można najpierw dokładnie nawiercić otwór grubszym wiertłem, a następnie wiercić go dalej cieńszym wiertłem, które może zacząć pracę w odpowiednim miejscu i pod odpowiednim kątem.

37 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 2.9. Unikać za wszelką cenę: osie symetrii otworów zachodzą na siebie, ale pod kątem

Rysunek 2.10. Brak przesunięcia równoległego pozwala na prawidłowe obroty koła względem środka, co jest dobre (po lewej). Znaczne przesunięcie kątowe powoduje, że koło kołysze się i nie będzie przylegać płasko do podłoża, co jest bardzo złe (po prawej)

Przypomnienie o zaletach rurek teleskopowych Budowanie łącznika z rurek teleskopowych pozwala uniknąć zarówno przesunięcia równoległego, jak i kątowego, ponieważ producenci dostarczają proste rurki z wycentrowanymi otworami. Jeżeli nie przemawiają do Ciebie zalety konstrukcji prętowej lub jeżeli masz problemy z uniknięciem przesunięć przy wierceniu, możesz zdecydować się na korzystanie z łączników z rurek teleskopowych.

Gotowy do wykonania cznika z prta? Jakość wykonania połączenia silnika i koła lub zębatki może znacznie wpłynąć na możliwości poruszania się robota. W najgorszym przypadku koła mogą się ślizgać, przekładnie mogą się psuć, a robot nie będzie w stanie utrzymać kierunku. Unikanie przesunięć (równoległego i kątowego) jest kluczową zasadą, jaką należy się kierować przy wykonywaniu dobrego łącznika. W następnym rozdziale przedstawię prostą technikę wykonywania łączników z prętów, dzięki której można uniknąć większości opisanych tu błędów. 38 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3 „„„

Wykonanie uchwytu oraz wiercenie otworów w prtach na czniki Wskazówki na temat wiercenia wycentrowanych otworów W poprzednim rozdziale przedstawiłem łączniki wykonane z prętów i porównałem je z łącznikami z rurek teleskopowych. Opisywałem tam również problemy, na które należy uważać przy wierceniu otworów we własnych łącznikach. Teraz podam szczegółowe instrukcje na temat wykonania uchwytu do łączników, w których będą wiercone otwory z wykorzystaniem wiertarki stołowej. Dzięki temu uchwytowi będziesz mógł robić świetne łączniki z prętów. Rozdział ten zawiera opis początkowych kroków i wiele wartościowych wskazówek dotyczących na przykład wyboru wiertła i dokładnego wiercenia otworów. Materiał ten jest warty przeczytania, nawet jeżeli nie jesteś zainteresowany wykonywaniem łączników. Trzeba jednak wspomnieć, że tokarka do metalu znacznie przewyższa możliwości wiertarki stołowej, jeśli chodzi o wytwarzanie cylindrycznych obiektów, takich jak łącznik. Jeżeli masz dostęp do tokarki, przeczytaj ten rozdział w celu zapoznania się ze wskazówkami, a następnie zajrzyj na witrynę http://robotroom.com/LatheCoupler.html, gdzie jest przedstawiona instrukcja wykonania łącznika.

Kompletowanie narzdzi i czci Aby wykonać łącznik z pręta, będzie Ci potrzebnych wiele narzędzi i akcesoriów: x Nota katalogowa silnika specyfikująca wymiary (średnicę) jego wałka lub suwmiarka, aby zmierzyć je samodzielnie. x Okrągły pręt o odpowiedniej średnicy z wybranego materiału. W przedstawionym przykładzie będę używał pręta aluminiowego o średnicy 8 mm. x Linijka i marker do oznaczania długości pręta oraz do zaznaczania środka otworu w uchwycie. x Okulary i odzież ochronna do pracy przy maszynach. x Piłka do metalu i imadło do przycięcia pręta oraz do wycinania uchwytu. Jeszcze lepszym narzędziem do przycinania pręta do wymaganej długości jest przecinarka tarczowa. x Imadło lub blok pryzmatyczny, gumowy uchwyt lub krótki bloczek podpierający, jeżeli masz problemy z pewnym mocowaniem pręta w imadle na wymaganej wysokości. x Pilnik, papier ścierny lub frezarka do wyrównywania odciętych końców pręta.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

x Blok, w którym będzie unieruchomiony pręt w czasie nawiercania. W przedstawianym przykładzie prostokątny blok aluminium o grubości 16 mm i szerokości 26 mm został przycięty do długości 14 mm. Można również użyć większego kawałka materiału. Plastik lub drewno mogą być stosowane przy mniej intensywnym użytkowaniu. x Lekki olej maszynowy lub inna podobna substancja potrzebna przy wierceniu. x Wiertarka pionowa lub frezarka pionowa z imadłem do wiercenia otworów. x Cztery krótkie wiertła kręte o szlifie krzyżowym wykonane ze stali szybkotnącej (HSS). W przedstawianym przykładzie będziemy korzystać z wierteł o średnicy 6 mm do wiercenia otworów w pręcie, o średnicy 5 mm do wiercenia otworu na oś LEGO, o średnicy 3 mm do wiercenia otworu na wałek silnika oraz o średnicy 2,5 mm do wiercenia otworu na śrubę ustalającą. x Gwintownik M3 wraz z pokrętką. x Jedna śruba M3 o długości 10 mm do uchwytu. x Po jednej śrubie M3 na każdy łącznik. W przedstawianym przykładzie wykorzystywane są śruby o średnicy 3 mm dla łączników o średnicy 6 mm. x Jedna oś o długości 3 jednostek LEGO (LU) do każdego łącznika lub oś o długości 5 LU przecięta na pół. Jeden LU to około 8 mm; 3 LU wynosi zatem 24 mm. x Rękawiczki winylowe do pracy z żywicą epoksydową. x Przezroczysty klej epoksydowy wiążący w 5 minut. Lista ta może wyglądać na początku przytłaczająco, ale większość wymienionych narzędzi i części jest używana w całym procesie budowy robota, dlatego nie są one wszystkie wymagane do realizacji tego projektu.

Przygotowanie kawaków prtów na czniki Pierwszym krokiem przy wytwarzaniu łącznika będzie określenie długości potrzebnego pręta, odcięcie kilku kawałków i wyrównanie końców prętów.

Pomiar wałka silnika i osi Długość i średnica łącznika zależy od wymiarów wałka silnika i osi. Najlepszym źródłem informacji na temat silnika jest nota katalogowa dostarczana przez producenta, o ile jest ona dostępna. Zawsze można określić długość i średnicę wałka silnika oraz średnicę osi za pomocą tradycyjnej lub cyfrowej suwmiarki. Jeżeli nie masz suwmiarki (zaopatrz się w nią!), możesz porównać średnicę wałka i osi ze znanym wymiarem, na przykład z gładką częścią wierteł o znanej średnicy. Długość wałka silnika możesz zmierzyć linijką.

Wybór pręta na łącznik Aby wybrać odpowiedni pręt, z którego powstanie łącznik, konieczne jest obliczenie długości i średnicy łącznika. Wybór materiału, z którego wykonany jest pręt, wpływa na minimalną średnicę wymaganą do zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości części.

Wyliczanie dugoci cznika Na początek wyliczymy długość łącznika. Trzeba przy tym wziąć pod uwagę długość wałka silnika i długość osi LEGO, które będą wsunięte do łącznika.

40 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

Długość wałka mojego przykładowego silnika wynosi 12 mm. Jeśli chodzi o oś LEGO, głębokość 8 mm zazwyczaj zapewnia proste i odporne połączenie. Jest to spójne z szerokością klocka LEGO. W przypadku dłuższych osi należy rozważyć zastosowanie większej głębokości. Dlatego minimalną długością łącznika powinno być 12 mm (głębokość otworu na wałek silnika) plus 8 mm (głębokość otworu na oś LEGO), co daje razem 20 mm.

Wyliczanie rednicy cznika Teraz wyliczymy średnicę łącznika. Trzeba wziąć pod uwagę średnicę wałka silnika oraz średnicę osi LEGO. Następnie należy wybrać wymiar większy od większej z tych dwóch średnic. W przypadku mojego przykładowego silnika średnica wałka wynosi 3 mm. Oś LEGO ma średnicę około 5 mm. Ponieważ oś LEGO jest grubsza, minimalny wymiar musi być większy niż 5 mm. Aluminium i mosiądz są na tyle wytrzymałe, że możemy zastosować pręt o średnicy 8 mm. Jednak jeżeli masz problem z wycentrowaniem wiertła lub wolisz plastikowe łączniki, najbezpieczniej jest użyć pręta o średnicy 10 mm lub grubszego.

Wybór materiau na cznik Okrągłe pręty aluminiowe możesz znaleźć w sklepach metalowych, sklepach dla hobbystów; możesz też kupić je w sklepie internetowym. Tradycyjne sklepy są najlepsze, ponieważ zamówienie długich prętów w sklepie internetowym często wiąże się z naliczeniem niestandardowych opłat za przesyłkę. Niestety, stop aluminium dostępny w sklepach metalowych jest odporny na korozję („aluminium konstrukcyjne”), przez co jest trudniejszy w obróbce. Pręty sześciokątne, kwadratowe lub o innym przekroju są rzadko spotykane, ale świetnie nadają się na łączniki; trzeba tylko pamiętać, że instrukcja przedstawiona w tym rozdziale w odniesieniu do nich nie będzie adekwatna. Zamiast aluminium można również użyć mosiądzu. Mosiądz jest łatwiejszy w obróbce, ale jest droższy i cięższy. Zamiast metali można zastosować tworzywo sztuczne ABS, poliwęglan (Lexan) oraz PCW. Plastik jest tani, łatwy w obróbce i lekki, ale zwykle słabszy niż aluminium. Jeżeli zdecydujesz się na plastik, użyj pręta o większej średnicy. Unikaj żelaza (stali), ponieważ w warunkach domowych jest ono trudne do obróbki. Unikaj polipropylenu, polietylenu, nylonu, acetalu (Delrin) oraz PTFE (teflon), ponieważ są zbyt elastyczne lub nie przyklei się do nich klej epoksydowy. Na potrzeby tego przykładu kupiłem okrągły pręt aluminiowy o średnicy 8 mm (rysunek 3.1). Możesz również kupić 60-centymetrowe pręty aluminiowe PA38 w sklepie internetowym http://sklep.hart-metale.pl/ za jakieś 2 zł lub od jednego ze sprzedawców na allegro.pl w cenie od 10 do 20 zł.

Rysunek 3.1. Pręt aluminiowy o średnicy 1/4 cala (ok. 6,3 mm) Numer stopu jest zgodny ze standardem przemysłowym oznaczania zawartości i właściwości materiału. Pręty PA38 są powszechnie dostępne i niedrogie. 41 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Jeżeli jesteś początkujący, możesz użyć mosiądzu, ponieważ jest łatwiejszy w obróbce praktycznie od każdego innego materiału. Możesz kupić 60-centymetrowy pręt mosiężny za 11 zł w sklepie http://sklep.hart-metale.pl/ lub krótsze kawałki w większości sklepów metalowych. Niemal każdy mosiądz zawiera ołów.

Przycinanie prętów do odpowiedniej długości Wykorzystując linijkę i marker, zaznacz na pręcie miejsca odcięcia kolejnych łączników. Pamiętaj o dodaniu kilku milimetrów na każdy łącznik, ponieważ w czasie cięcia i piłowania usuniemy nieco materiału. Jeżeli chcesz wykonać na przykład łączniki 20-milimetrowe, zaznacz miejsca cięcia co 22 milimetry. Umieść pręt w imadle i zaciśnij je. Czasami do przytrzymania okrągłego materiału używa się bloku pryzmatycznego (rysunek 5.22 w rozdziale 5.) lub imadła z takim nacięciem. Określenie „pryzmatyczny” odnosi się do trójkątnej bruzdy, w której można umieścić pręt — dzięki niej będzie trzymany przez większą liczbę ścian, co pozwoli uniknąć jego zgniecenia. Załóż okulary ochronne. Teraz użyj piłki do metalu (24 TPI — tj. 24 zęby na cal) do przecięcia pręta w miejscu zaznaczenia (rysunek 3.2). Możesz również wykorzystać przecinarkę tarczową (rysunek 3.3) lub piłę taśmową, co jest lepszym rozwiązaniem, ponieważ cięcie będzie wtedy dokładniejsze i gładsze.

Rysunek 3.2. Piłka do metalu odcinająca kawałki pręta aluminiowego zamocowanego w imadle. Tak przy okazji — jestem leworęczny. Osoby praworęczne powinny wysunąć fragment pręta przeznaczony do odcięcia po prawej stronie imadła

Rysunek 3.3. Mała przecinarka tarczowa z wbudowanym imadłem pryzmatycznym pozwala na czyste cięcie pod odpowiednim kątem, dzięki czemu piłowanie pilnikiem może być później niepotrzebne. W sklepach metalowych są dostępne również większe modele

42 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

„ Wskazówka Oto zota zasada domowej obróbki (oprócz „no okulary ochronne”): uywajc piy lub innego narz dzia do ci cia, odcinaj kawaek materiau z pewnym nadmiarem. Nast pnie wykorzystaj narz dzia takie jak pilnik lub frezarka pionowa do oczyszczenia lub wykoczenia miejsca ci cia.

Zwykle wykonuję łączniki parami, przygotowuję ich więcej, niż potrzebuję w danej chwili, w zależności od tego, ile silników o podobnej wielkości kupiłem. Pozwala to zaoszczędzić czas. Przypomina to produkcję taśmową, gdzie efektywność jest osiągana dzięki wykonywaniu serii powtarzalnych czynności składających się na obróbkę (montaż) dużej liczby egzemplarzy danego wyrobu. Gdy dysponuję zapasem łączników, mogę skoncentrować się na projektowaniu robota, a nie na wędrówkach do piwnicy w celu wykonania następnej pary łączników. Gotowe łączniki przechowuję w pudełkach z silnikami, do których pasują.

Wyrównywanie końców łączników Piła powoduje powstawanie na końcach pręta nierównych i ostrych brzegów. W zależności od umiejętności posługiwania się piłą może się zdarzyć również ucięcie pręta pod kątem. Ostre brzegi nie wpływają na obroty kół, jednak pojawia się wówczas ryzyko zranienia człowieka czy uszkodzenia części robota. Ponadto mogą one sprawiać, że przy wierceniu otworów wiertło odsunie się od środka pręta. Zaleca się zatem wyszlifowanie brzegów tak, aby były płaską powierzchnią (ustawioną pod kątem 90 stopni do krawędzi pręta), jak pokazano na rysunkach 3.4 i 3.5.

Rysunek 3.4. Szlifowanie gładkich brzegów pręta przez pocieranie prętem trzymanym w ręce o pilnik trzymany drugą ręką. Co? Nie! Tak nie używa się pilnika! Mogę się przyznać, że przy zadaniach wymagających mniejszej dokładności faktycznie korzystam z pilnika w sposób pokazany na rysunku 3.4. Jednak w ogóle rzadko sięgam po pilnik. Używam raczej frezarki pionowej (rysunek 3.6), a następnie wykańczam brzegi papierem ściernym. Jeżeli zdecydujesz się piłować lub frezować wiele prętów jednocześnie, konieczne może się okazać wsunięcie do imadła kawałka gumy, który zapobiegnie przesuwaniu się pojedynczych prętów w imadle (rysunek 3.7). W sklepach ogrodniczych sprzedawana jest siatka gumowa, a w sklepach przemysłowych można otrzymać podkładki na półki, które również nadają się do naszych celów.

43 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 3.5. Taki jest prawidłowy sposób piłowania. Obrabiany element (odcięty pręt) jest zamocowany w imadle. Pilnik trzymamy obiema rękami i obrabiamy koniec pręta. Do zamocowania pręta w imadle może być konieczny blok pryzmatyczny

Rysunek 3.6. Frezarka pionowa czysto ścina górę pręta. Zwróć uwagę, że na tym rysunku w pręcie jest już nawiercony otwór na oś. Często wyrównuję pręty zarówno przed wierceniem, jak i po wierceniu

Rysunek 3.7. Materiał gumowy pozwala na zamocowanie w imadle wielu prętów jednocześnie. Mały prostokątny kawałek metalu równo podtrzymuje pręty ponad górną krawędzią imadła

44 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

W zależności od głębokości imadła możesz zauważyć, że niezbędne jest dodanie prostokątnego kawałka metalu w celu podtrzymania prętów tak, aby wystawały z imadła. Taka wkładka musi być węższa od średnicy prętów, ponieważ w innym wypadku imadło chwyci wkładkę zamiast nich. Inną zaletą użycia wkładki jest wyrównanie dolnych końców wszystkich prętów. Jeżeli zeszlifujesz lub zetniesz równo górę prętów, wszystkie będą miały tę samą długość. W tym momencie niektórzy zawodowi ślusarze się wzdrygną. Zamocowanie w imadle garści prętów spowoduje, że ich końce nie będą prostopadłe do boków. Jednak nie jest to ważne dla działania elementu. Jeżeli jednak jest to dla Ciebie istotne, możesz użyć bloku pryzmatycznego lub uchwytu (opisanego w podrozdziale „Wykonanie uchwytu łącznika”) do prostopadłego przycięcia obu końców. Zminimalizuje to przesuwanie się końcówki wiertła przy wykonywaniu otworów na wałek silnika i oś koła.

Odkładamy przycięte pręty Teraz powinieneś mieć przycięte co najmniej dwa kawałki pręta o mniej więcej tej samej długości oraz gładkich brzegach. Odłóżmy je na chwilę.

Wykonanie uchwytu cznika Wierz mi lub nie, ale często trzeba wykonać pewną część tylko po to, by można było wykonać inną część, która jest nam naprawdę potrzebna. W takiej sytuacji potrzebujemy czegoś, co będzie trzymało każdy okrągły pręt w czasie wiercenia, aby wiertarka wywierciła dokładnie wycentrowany otwór w każdym elemencie. Gdy wykonujesz stojak lub specjalną podstawkę, pomagające Ci wytworzyć inny element, wówczas to, co wykonałeś, nazywa się uchwytem. Uchwyt łącznika (rysunek 3.8) jest blokiem aluminium z wywierconym otworem, którego średnica jest zgodna ze średnicą łącznika, a jego głębokość jest mniejsza niż długość łącznika. Kawałek pręta jest umieszczany w otworze uchwytu. Śruba ustalająca znajdująca się z boku łącznika przytrzymuje pręt i nie pozwala na jego obracanie się w czasie wiercenia. Uchwyt ma płaskie brzegi, dzięki czemu można go łatwo zamocować w imadle.

Rysunek 3.8. Prostokątny aluminiowy uchwyt łącznika z otworem na 8-milimetrowy pręt i ze śrubą utrzymującą pręt w miejscu (u dołu, po lewej). Inny uchwyt, tym razem model „podwójny”, wykonany z bloku nylonu z otworami 12- i 9-milimetrowym na pręty o tych średnicach (u góry po prawej)

45 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Uchwyt łącznika jest wykonany z metalu, aby rozpraszać ciepło powstające przy wierceniu oraz minimalizować zużycie przy częstym wykorzystywaniu. Można zastąpić blok metalu plastikiem, ale nie będzie on miał wspomnianych właściwości. Innym problemem z niektórymi plastikami jest to, że w czasie wiercenia następuje ich lekkie ściśnięcie, a następnie nieco się rozszerzają. W wyniku tych efektów otwory są nieco za wąskie, aby wsunąć do nich pręt. Zamiast plastiku zalecam stosowanie aluminium lub mosiądzu. Na potrzeby tego przykładu kupiłem prostokątny blok aluminium na eBayu. W Polsce sklep firmy Hart sprzedaje kwadratowe pręty aluminiowe o boku 25 mm i długości 60 cm za jakieś 35 zł lub mosiężne o boku 30 mm i długości 60 cm za mniej więcej 180 zł. Taki kawałek metalu wystarczy na jakiś czas. W razie potrzeby można obniżyć koszty, zamawiając jeszcze dłuższy kawałek z kolegą lub za pośrednictwem klubu.

Wycinanie bloku uchwytu łącznika Umieść kawałek aluminium (blok, pręt kwadratowy lub płaskownik) w imadle. Musi on być wystarczająco duży, aby w powstałej szczelinie zmieścił się pręt mający daną grubość, i musi mieć co najmniej 50 procent długości tego pręta, z odpowiednim zapasem, aby uniknąć wiercenia w imadle, poniżej uchwytu. W tym przypadku miałem kawałek materiału o 16 mm grubości i 26 mm szerokości. Był on wystarczający, aby w szczelinie zmieścić pręt o grubości 8 mm na głębokości 20 mm. Odciąłem piłką do metalu kawałek o długości 14 mm (rysunek 3.9).

Rysunek 3.9. Odcinanie piłką do metalu kawałka aluminium zamocowanego w imadle Tylko trzy powierzchnie bloku uchwytu (technicznie rzecz biorąc, jest to graniastosłup) muszą być płaskie i wzajemnie prostopadłe, aby można było go zamocować w imadle. Tymi trzema płaszczyznami są dwie powierzchnie zamocowane w szczękach oraz jedna na dole imadła (rysunek 3.10). Gdy odetniesz blok uchwytu od odpowiednio obrobionego kawałka, nie będziesz musiał go obrabiać, ponieważ po cięciu przynajmniej cztery ściany pozostaną obrobione fabrycznie. Jeżeli jednak masz frezarkę pionową, możesz poświęcić minutę na wyrównanie ściany po cięciu (rysunek 3.11) lub obrobić ją zgodnie z własnymi potrzebami.

46 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

Rysunek 3.10. Trzy ważne ściany uchwytu. Najważniejsze są ściany trzymane przez szczęki

Rysunek 3.11. Frezowanie odcinanej ściany uchwytu. Każda nierówna strona jest umieszczana na górze i frezowana 8-milimetrowym frezem. Podkładka (słabo widoczna pomiędzy szczękami imadła) pozwala podnieść blok uchwytu wystarczająco wysoko, aby mógł go sięgnąć frez

Wiercenie otworu na śrubę ustalającą Zamocuj uchwyt w imadle tak, aby wąska ściana była skierowana ku górze. Spójrz na rysunki 3.20 i 3.22, pokazujące, w jaki sposób uchwyt łącznika będzie umieszczany w imadle. Zwróć uwagę, że śruba ustalająca jest równoległa do szczęk imadła, dzięki czemu można ją odkręcać i dokręcać bez konieczności wyjmowania uchwytu z imadła. Aby poniższa instrukcja była bardziej zrozumiała, zwróć uwagę na położenie śruby mocującej na tych rysunkach: 47 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

1. Odmierz 8,5 mm od góry uchwytu i zaznacz miejsce pośrodku uchwytu. W tym miejscu wywiercisz otwór na śrubę ustalającą. Jeżeli nie obrabiałeś ściany po cięciu, to na niej właśnie zaznaczysz miejsce na otwór śruby ustalającej. 2. W wiertarce stołowej lub frezarce pionowej zamocuj wiertło o średnicy 2,5 mm. 3. Umieść uchwyt w imadle zaznaczoną stroną w górę (rysunek 3.12).

Rysunek 3.12. Wiercenie otworu na śrubę ustalającą 4. Ustaw imadło lub stół frezarki w taki sposób, aby wiertło znajdowało się w środku zaznaczonego miejsca. 5. Zablokuj imadło lub stół. Oś y powinna pozostać zablokowana do końca tego procesu. Dzięki temu położenie stołu, imadła, uchwytu oraz wiertła może zmieniać się od lewej do prawej, w górę i w dół, ale nie do Ciebie i od Ciebie. Dzięki temu wszystkie kolejne otwory będą wiercone w tym samym miejscu osi. Jeżeli korzystasz z frezarki, po prostu zablokuj oś y na stole. W przypadku wiertarki stołowej zablokuj imadło na stole. 6. Wywierć otwór śruby ustalającej do głębokości około połowy bloku. W tym przykładzie 14 mm podzielone na 2 daje głębokość 7 mm. Otwór nie musi być wywiercony dokładnie do połowy, ale gdy będziesz wiercił za głęboko, dotrzesz do imadła lub podkładki znajdującej się pod blokiem. Jeżeli wykorzystujesz aluminium do wykonania uchwytu, w czasie wiercenia warto użyć nieco lekkiego oleju do smarowania wiertła.

Gwintowanie otworu na śrubę ustalającą Wyjmij uchwyt z imadła i użyj gwintownika o średnicy 3 mm oraz pokrętki (rysunek 3.13) do nacięcia gwintu w otworze na śrubę ustalającą. Jeżeli nigdy wcześniej nie gwintowałeś, zapoznaj się ze wskazówkami znajdującymi się w następnym rozdziale. W przypadku gwintowania aluminium zalecane jest użycie kropli płynu do gwintowania. Terry Surma, mój przyjaciel z grupy Chicago Area Robotics Group (ChiBots), stosuje naftę przy pracy z aluminium. Unika się w ten sposób zabrudzenia olejem. Osobiście również przekonałem się do nafty, ponieważ często obrabiam różne części. Oczywiście, pracując z płynami palnymi oraz chemikaliami, zawsze należy uważać na potencjalne źródła zapłonu i zapewnić odpowiednią wentylację. 48 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

Rysunek 3.13. Płyn do gwintowania, uchwyt łącznika z wywierconym otworem oraz gwintownik M3 (od lewej do prawej)

Wiercenie otworu na pręt łącznika w uchwycie Mamy już odcięty odpowiedni blok metalu. Z tego bloku zrobimy uchwyt na pręt łącznika — wywiercimy w tym bloku otwór, w którym będzie umieszczany pręt, w którym z kolei będziemy później wiercić otwory na wałek silnika i oś LEGO. Wiercenie musi być bardzo dokładne. Każde przesunięcie lub skrzywienie może spowodować przesunięcie równoległe lub kątowe w łączniku. W poprzednim rozdziale wyjaśniłem, jakie konsekwencje wiążą się z tymi błędami.

Wybór wierta Aby wywiercić dobry otwór, potrzebne jest dobre wiertło. Aby natomiast zapewnić dokładne centrowanie, powinieneś zwrócić uwagę na następujące cechy wierteł: x Wymagane jest użycie wiertła maszynowego — nie używaj wierteł do drewna lub do betonu, ponieważ mają one inny kształt, przystosowany do tych materiałów. W przykładzie tym zalecane jest użycie wierteł do aluminium, ale wiertła uniwersalne przeznaczone do metalu lub plastiku są wystarczające. x Wymagana jest prawoskrętność — wiertła lewoskrętne wymagają włączenia w wiertarce odwrotnego kierunku obrotów. Wiertła przystosowane do obracania w lewo są niestandardowe, więc jeżeli wiertło nie jest oznaczone jako „lewe”, to obraca się w prawą stronę. x Wymagane jest użycie wiertła krętego o szlifie krzyżowym (rysunek 3.14) — szlif krzyżowy powoduje samoczynne centrowanie wiertła i uniemożliwia jego wędrowanie (odsuwanie się od środka). Zwykłe wiertła są bardziej uniwersalne, ale mogą wędrować. Dostępne są również inne typy wierteł; dla naszych celów można użyć tych, które są oznaczone jako „samocentrujące”.

49 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 3.14. Wiertło o szlifie krzyżowym. Końcówka dzieli się na dwie części, co powoduje, że wiertło jest utrzymywane w środku obrotu x Zalecane są wiertła do tokarek (krótkie — rysunek 3.15) — standardowe wiertła są długie, ale krótsze wiertło jest sztywniejsze, dzięki czemu jest mniejsze prawdopodobieństwo przesunięcia kątowego. Dodatkowo, gdy zostaną zamocowane w wiertarce stołowej, krótsze wiertła zapewniają więcej miejsca w przestrzeni roboczej kosztem braku możliwości głębokiego wiercenia. Unikaj stosowania do tego zadania wierteł o ponadstandardowej długości.

Rysunek 3.15. Wiertło standardowe (góra). Wiertło do tokarki (dół) x Wiertło o kącie 118 lub 135 stopni jest odpowiednie — wiertła o kącie 118 stopni są częściej spotykane, ale wiertła samocentrujące o szlifie krzyżowym najczęściej mają końcówkę pod kątem 135 stopni. x Wymagane jest wiertło ostre i nieuszkodzone — tępe lub złamane wiertła będą się ślizgać. x Zalecane są wiertła ze stali szybkotnącej lub kobaltowe — wiertła karbidowe są ostrzejsze i trwalsze, ale są kruche i kosztują drożej. Mniejsze stoły warsztatowe (o rozmiarach używanych przez hobbystów) mają tendencję do wibracji, co często skutkuje pękaniem cienkich wierteł karbidowych. x Wiertła o zwykłym, jasnym wykończeniu są wystarczające — powłoki z azotku tytanu (TiN), węgloazotku tytanu (TiCN) oraz azotku tytanowo-glinowego (TiAlN) są dobre, ale hobbyści rzadko potrzebują wierteł o takich właściwościach. Unikaj wiercenia aluminium wiertłami z czarną powłoką oksydową, ponieważ ma ono tendencję do „przyklejania się” do wiertła. Jeżeli chcesz korzystać z wierteł wysokiej jakości, wybierz pokrycie TiAlN lub TiCN.

50 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

x Zalecane są wiertła paraboliczne — wiertła z paraboliczną spiralą są zaprojektowane tak, aby ułatwić transport wiórów (materiału usuwanego przy wierceniu) na zewnątrz otworu. Pozwala to na wiercenie głębszych otworów i zapobiega blokowaniu wiertła przez „ciągnący” się materiał, taki jak plastik lub aluminium. Choć wiertła te są zalecane, to nie są niezbędne, o ile nie wiercisz głębokich otworów (głębszych niż czterokrotność średnicy wiertła).

Ustalanie gbokoci Aby wywiercić otwór (na pręt łącznika) o pożądanej głębokości, możesz najpierw wywiercić niewielki otwór, zmierzyć jego głębokość, następnie znów nieco wywiercić — i powtarzać tę procedurę aż do powstania oczekiwanej głębokości. Istnieje jednak łatwiejszy i dokładniejszy sposób. 1. Umieść blok uchwytu łącznika w imadle. Upewnij się, że dół uchwytu jest umieszczony płasko na dnie imadła — w przeciwnym razie otwór będzie wywiercony pod kątem. 2. Zamocuj w uchwycie wiertło o średnicy równej średnicy pręta. W tym przykładzie użyj wiertła o średnicy 8 mm. Musisz zastosować wiertło o prawidłowej średnicy, ponieważ wiertła o różnych średnicach mają różne długości. Jeżeli użyjesz wiertła o innej średnicy, głębokość otworu będzie inna niż ta, której się spodziewasz. 3. Nie przesuwaj osi y, ponieważ jest ona ustawiona na pozycję identyczną z położeniem śruby ustalającej. Jednak potrzebujemy umieścić na moment blok uchwytu obok wiertarki, a nie pod nią. Jeżeli posiadasz frezarkę pionową, po prostu przesuń oś x. W przeciwnym razie przesuń uchwyt w imadle (nie przesuwaj imadła w wiertarce stołowej, gdyż może zmienić się położenie w osi y). 4. Obniż wiertło obok uchwytu do momentu, gdy wiertło osiągnie pożądaną głębokość (rysunek 3.16). W tym przypadku jest to około 12,5 mm. Upewnij się, że mierzysz głębokość otworu do miejsca, w którym kończy się jego nominalna średnica. Jest to konieczne, ponieważ końcówka wiertła tworzy na dnie otworu stożkowe wgłębienie, które pomijamy przy pomiarze. Pomiar uwzględniający to wgłębienie byłby może wystarczający dla stolarza, ale my nie wciśniemy pręta do tej głębokości.

Rysunek 3.16. Widok imadła z boku. Wiertło jest obniżone obok bloku uchwytu, aby można było określić oczekiwaną głębokość otworu

51 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W tym przykładzie otwór śruby ustalającej jest wywiercony na wysokości 12,5 mm minus 8,5 mm, co daje 4 mm ponad dolnym położeniem łącznika. Ponieważ śruba ustalająca uchwytu pozostawia często niewielkie zadrapanie na pręcie łącznika, może być ono wykorzystane do oznaczenia miejsca, w którym wywiercimy w łączniku otwór na śrubę ustalającą. Choć zawsze można zmierzyć i wywiercić otwór śruby ustalającej w dowolnie wybranym miejscu, to jednak lepiej być przewidującym i skorzystać nawet ze zwykłego zadrapania. 5. Wiertarki stołowe oraz frezarki pionowe zazwyczaj mają blokadę głębokości. Ustaw blokadę na odpowiednią głębokość (rysunek 3.17). Pozwala to na podnoszenie wiertła, ale ruch w dół jest ograniczony do ustawionej głębokości.

Rysunek 3.17. Ustawianie blokady głębokości. Na tym rysunku blokada głębokości musi być przesunięta nieco w górę Świetnie! Oś y została ustawiona i zablokowana, tak aby można było wywiercić odpowiednio głęboki otwór na śrubę ustalającą. Teraz ustawiliśmy blokadę na maksymalnej wartości dla osi z (głębokość).

Wiercenie Aby kontynuować projekt i rozpocząć wiercenie, wykonaj poniższe kroki: 1. Podnieś uchwyt wiertarki, aby możliwe było przesunięcie bloku uchwytu na łącznik. 2. Wycentruj blok uchwytu pod wiertłem, zmieniając położenie bloku wyłącznie w osi x. Centrowanie poziome nie musi być idealne — wystarczy ustawić blok w miarę dokładnie. 3. Zablokuj oś x lub szczęki imadła. Oś x oraz uchwyt powinny pozostać teraz zablokowane. Gdy wiertło po raz pierwszy dotyka obrabianego elementu, wibracje, ugięcie wiertła, jego ostrość, to, czy jest proste, oraz chropowatość powierzchni materiału wpływają na to, czy końcówka wiertła zacznie skrawać metal dokładnie w środku obrotu wiertła. Oczywiście, skrzywione wiertło lub uszkodzona końcówka będą powodować, że materiał nie będzie równo nawiercony. Zostanie to samoczynnie skorygowane, gdy wiertło zagłębi się w materiał, ale możliwe jest również, że początkowo wiertło odchyli się w bok, wygnie się, wskutek czego powstanie otwór, który będzie wywiercony pod niewielkim kątem. Szczególnie precyzyjne i sztywne są tzw. wiertła do nawiercania (rysunek 3.18). Im dokładniejszy będzie otwór startowy, tym precyzyjniej będzie wywiercony cały otwór. Gdy wiertło jest utrzymywane prosto do momentu, gdy jego pełna średnica zagłębi się w obrabiany element, ściany otworu pomagają utrzymać wcześniej wyznaczony kierunek.

52 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

Rysunek 3.18. Wiertło do nawiercania pozwala wykonać precyzyjne otwory startowe W tym przykładzie wiercimy otwór o średnicy 8 mm, możesz zatem użyć 8-milimetrowego wiertła do nawiercania w celu rozpoczęcia wiercenia otworu. Wystarczy zagłębić końcówkę wiertła tylko częściowo w materiał, aby powstał początkowy otwór. Jeżeli masz wystarczająco długie wiertło do nawiercania (pamiętaj, że ustawiliśmy blokadę głębokości dla wiertła o długości 6 mm), możesz wiercić nim otwór początkowy do momentu, w którym średnica otworu będzie taka sama jak średnica pręta łącznika. Zagłębiaj wiertło powoli, aby mogło usunąć wióry i zebrać wszystkie nierówności powierzchni. Nie próbuj wiercić do pełnej głębokości wiertłem do nawiercania. Wiertła takie są zbyt sztywne — nie są zaprojektowane do efektywnego wiercenia ani usuwania wiórów. Po wykonaniu otworu startowego zamień wiertło do nawiercania na zwykłe wiertło. „ Wskazówka Zachowaj ostrono przy wymianie wierta. Zawsze trzeba dokadnie oprze wierto o dno uchwytu wiertarki i wtedy dopiero zacisn szcz ki. Kade inne mocowanie wierta jest analogiczne do przesuni cia blokady g boko ci.

Aby zakończyć pracę, wywierć otwór na pręt łącznika (rysunek 3.19) do głębokości ustawionej blokadą. Często podnoś wiertło w celu usunięcia wszystkich wiórów, aby nie zablokowały jego obrotów.

Rysunek 3.19. Wiercenie otworu na pręt łącznika Uchwyt łącznika jest gotowy. 53 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wykorzystanie uchwytu Teraz warto przedstawić cenną wskazówkę. Jest ona kluczowa dla całego rozdziału. Dlatego właśnie uważnie wykonywałeś każdy krok. Wiemy teraz, że wiertło jest dokładnie wycentrowane we właśnie wywierconym otworze. Gdy umieścisz pręt o takiej samej średnicy w otworze, wiertło będzie dokładnie wycentrowane względem pręta. Niezła sztuczka, prawda? Nie przesuwaj tylko bloku uchwytu ani imadła (ani blokad osi x i y w wiertarce stołowej). Możesz teraz założyć mniejsze wiertło, wstawić pręt, wywiercić perfekcyjnie wycentrowane otwory w pręcie, wyciągnąć pręt, wstawić następny, wywiercić perfekcyjnie wycentrowane otwory itd. Każdy otwór będzie dokładnie wycentrowany. Chyba przesadzam ze słowami perfekcyjnie i dokładnie. W rzeczywistości niedoskonałości ruchu obrotowego maszyny (bicie), jej wibracje, ugięcie wierteł i bezwładność sprawiają, że każdy pręt ma nieco przesunięty otwór. Choć teoretycznie powinny być one wycentrowane, ograniczenia narzędzi i materiałów powodują pewne niedoskonałości. Jednak jakość tych wykonanych domowym sposobem części jest wystarczająco dobra. Wykonaj więcej łączników, niż potrzebujesz, i zachowaj te najlepsze.

Powiększanie ciasnych otworów W zależności od materiału może się okazać, że wybrane wcześniej pręty nie dają się łatwo wkładać do uchwytu lub z niego wyjmować. Zdarza się to szczególnie często z niektórymi plastikowymi uchwytami, w których materiał ulega ściśnięciu w czasie wiercenia i rozszerza po wierceniu. Gdy wiertło jest umieszczone centralnie nad uchwytem, można wykonać jedną z następujących czynności: x nawierć kilkukrotnie otwór aż do uzyskania luźniejszego dopasowania, x poszerz otwór wytaczadłem lub rozwiertakiem, x użyj nieco większego wiertła; w zależności od średnicy pręta można dopasować nieco większe wiertło calowe. „ Ostrzeenie Jeeli wybierzesz zbyt du rednic , otwór zostanie powi kszony za bardzo i pr t b dzie wibrowa. Spowoduje to sabe centrowanie otworu w czniku.

Gdy wykonywałem uchwyt z aluminium lub mosiądzu, nie miałem nigdy problemu z zbyt ciasnymi otworami. Jednak wiem, że się to zdarza w przypadku uchwytów z nylonu. Pamiętaj również, że średnica samego pręta mieści się w pewnej tolerancji. Może się zdarzyć, że określony pręt jest nieco grubszy, niż jest zadeklarowane na etykiecie. W takim przypadku spróbuj minimalnie poszerzyć otwór w uchwycie.

Dodanie śruby ustalającej do uchwytu łącznika Wkręć śrubę M3 (w tym przykładzie o długości 10 mm) w wywiercony wcześniej otwór śruby ustalającej. Nie przesuwaj uchwytu! Sprawdź, czy da się wkręcić śrubę do końca, tak aby było ją widać w otworze przeznaczonym na pręt. Odkręć nieco śrubę, by można było wsunąć pręt, a następnie wkręć ją do momentu zablokowania pręta, co pozwala na pewne wiercenie.

54 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

Zmiana pozycji uchwytu łącznika Do momentu nawiercenia wszystkich łączników nie możesz używać wiertarki stołowej lub frezarki pionowej. Nie stanowi to problemu w przypadku kilkunastu łączników, ale w końcu będziesz chciał wykorzystać maszynę do innych celów. Poniżej przedstawiam amatorską metodę centrowania uchwytu pod wiertłem: 1. Umieść uchwyt łącznika w imadle. 2. Umieść w wiertarce stołowej lub frezarce spory kawałek pręta, który będziesz chciał nawiercać. W tym przykładzie użyj pręta o średnicy 8 mm i o długości 10 cm. 3. Ustaw stół lub imadło w taki sposób, abyś mógł wsunąć pręt (rysunek 3.20) do otworu uchwytu. Może to wymagać kilku prób i poprawek.

Rysunek 3.20. Ponowne centrowanie uchwytu w imadle przez zamocowanie w uchwycie wiertarki pręta zamiast wiertła Wiertło będzie dzięki temu w miarę dokładnie wycentrowane w otworze uchwytu łącznika (profesjonalną metodą ponownego centrowania jest użycie czujnika zegarowego lub ustawiaka).

Wiercenie w czniku otworów na waek silnika i o LEGO Możesz mi wierzyć lub nie, ale zakończyliśmy większość trudnych zadań. Powinieneś mieć teraz zapas kawałków prętów z elegancko obrobionymi końcami. Aby wywiercić otwory na oś LEGO oraz wałek silnika, wykonaj następujące operacje: 1. Gotowy uchwyt powinien być wycentrowany i dobrze zamocowany w imadle. 2. Zamocuj wiertło odpowiadające cieńszemu elementowi — wałkowi silnika lub osi LEGO. W tym przykładzie wałek silnika ma średnicę tylko 3 mm, więc w wiertarce mocujemy takie właśnie wiertło. 3. Uchwyt nie powinien w tym momencie zawierać pręta — tylko pusty otwór. 4. Wsuń wiertło do otworu do momentu dotknięcia dna. 5. Ustaw blokadę głębokości. Zabezpieczy to Cię przed wierceniem w uchwycie. 6. Podnieś wiertło. 7. Poluzuj śrubę ustalającą uchwytu.

55 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

8. Włóż do uchwytu przycięty pręt. 9. Dokręć śrubę ustalającą w uchwycie, aby pręt nie mógł się obracać w czasie wiercenia ani podnieść się przy podnoszeniu wiertła. 10. Warto również użyć wiertła do nawiercania w celu wykonania początkowego otworu. Po wywierceniu początkowego otworu zamocuj właściwe wiertło (rysunek 3.21).

Rysunek 3.21. Do nawiercenia bardzo dokładnego (ale płytkiego) otworu startowego możesz użyć wiertła do nawiercania (po lewej). Następnie zastosuj zwykłe wiertło o mniejszym rozmiarze (po prawej), aby wywiercić otwór w pręcie 11. Wywierć otwór o głębokości mniej więcej centymetra, a następnie wyciągnij wiertło w celu usunięcia wiórów. Powtarzaj procedurę do momentu osiągnięcia blokady głębokości. 12. Nie przesuwając uchwytu łącznika ani właśnie nawierconego otworu, zmień wiertło na to o większej średnicy. W tym przykładzie jest to średnica osi LEGO, czyli 5 mm. Jeżeli łącznik jest plastikowy, możesz użyć nieco grubszego wiertła (5,5 mm) w celu skompensowania kompresji. 13. Obniżaj wiertło powoli, aby cieńszy otwór posłużył do wycentrowania grubszego wiertła. 14. Wywierć kilka milimetrów (rysunek 3.22), podnieś wiertło, zmierz otwór i ponownie go nawierć. Dla osi LEGO otwór o głębokości 8 mm jest wystarczający. Głębsze otwory stosuje się dla dłuższych osi.

Rysunek 3.22. Wiercenie szerszego otworu w górnej części pręta łącznika (po lewej). Wstawienie łącznika zaciskowego LEGO Technic w celu sprawdzenia głębokości (po prawej)

56 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 3. „ WYKONANIE UCHWYTU ORAZ WIERCENIE OTWORÓW W PRTACH NA CZNIKI

Jedną z metod sprawdzenia głębokości otworu jest wsunięcie łącznika zaciskowego z zestawu LEGO Technic; łącznik ten powinien zmieścić się w całości. Niestety, blokada głębokości jest ustawiona na maksymalną głębokość otworu uchwytu, co zabezpiecza przed wierceniem w uchwycie przy użyciu cieńszego wiertła. Nie ma obawy, że się to zdarzy w przypadku drugiego wiertła, ponieważ zagłębiamy je tylko częściowo w łącznik. Jednak dobrze jest znaleźć lepszy sposób na osiąganie stałej głębokości bez ciągłego wyjmowania wiertła i mierzenia. Wiele wiertarek pionowych oraz frezarek ma miarki, które umożliwiają zmierzenie głębokości otworu, a następnie powtarzalne jej osiąganie. Jednak nawet gdy wykorzystujemy miarkę, pewne różnice wprowadza wymiana wierteł. 15. Poluzuj śrubę mocującą i wyjmij nawiercony pręt łącznika. Obejrzyj pręt łącznika. Nawet jeżeli otwory nie są w nim dokładnie wycentrowane (rysunek 3.23), dwa otwory są najprawdopodobniej centralne względem siebie. W ten sposób uniknęliśmy przesunięcia równoległego — a o to właśnie chodziło.

Rysunek 3.23. Otwory na wałek i oś są wzajemnie wycentrowane oraz wywiercone centralnie w pręcie (po lewej). Otwory są prawidłowo wzajemnie wycentrowane, ale wystąpił błąd w relacji z prętem łącznika (po prawej). Nie jest to duży problem. Oba łączniki dobrze się sprawdzają Dlaczego jednak otwory nie są wycentrowane względem pręta? Dlaczego to przesunięcie nie jest spójne w każdym pręcie? Tekstura na górze pręta może powodować wędrowanie wiertła — jego oddalanie się od środka. Gładka powierzchnia jest zaletą, ale zawsze należy używać wiertła do nawiercania w celu nawiercenia bardzo dokładnego (ale płytkiego) otworu startowego. Nawet jeżeli powierzchnia jest gładka, cienkie wiertła mają tendencję do wibrowania i wyginania się, co przekłada się na przesunięcie równoległe i kątowe. Również w tym przypadku bardzo pomaga wiertło do nawiercania. Na koniec — moim ulubionym wytłumaczeniem niedokładności jest bicie (błąd ruchu obrotowego) w używanej przeze mnie taniej, importowanej frezarce. Powtarzaj kroki od 8. do 15. w odniesieniu do wszystkich pociętych prętów.

Wymieniaj wiertła, a nie pręty Dlaczego nie pozostawić tego samego cienkiego wiertła i nie nawiercić otworów we wszystkich prętach, a następnie zamontować grubsze wiertło? Przecież zmiana wierteł dla każdego łącznika stanowi dużą uciążliwość. Jeżeli wiertarka stołowa nie jest idealnie wycentrowana względem uchwytu łącznika, wystąpi niewielkie przesunięcie względem pręta łącznika. Nie powoduje to problemów, gdy drugie wiertło ma to samo przesunięcie, dzięki czemu otwory na wałek silnika oraz oś LEGO będą wzajemnie wycentrowane.

57 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Jeżeli jednak będziemy wyciągać pręty po pierwszym wierceniu, to przy ich powtórnym umieszczaniu w uchwycie będą one najprawdopodobniej w nim obracane, przez co wiertło będzie skierowane w inne miejsce danego pręta. Choć cieńszy otwór będzie pomagał kierować grubsze wiertło, to jednak zostanie wprowadzone przesunięcie równoległe wraz z pewnym przesunięciem kątowym, ponieważ grubsze wiertło będzie zginane w kierunku środka węższego otworu.

Prace wykończeniowe — spłaszczanie końców Po nawierceniu wszystkich otworów na wałki i osie powinniśmy oczyścić końce łączników. Jeżeli łącznik jest wykonany z aluminium, wiercenie pozostawiło prawdopodobnie nierówności w otworze wylotowym, na dole każdego łącznika. Pilnik metalowy, narzędzie wysokoobrotowe (takie jak Dremel) lub nieco papieru ściernego świetnie nadają się do ich usunięcia. Jeżeli posiadasz frezarkę, jeszcze lepszym rozwiązaniem jest umieszczenie po kolei łączników w uchwycie, aby były zamocowane pionowo. Dzięki temu można łatwo sfrezować na płasko końce, tworząc płaszczyznę prostopadłą do ścianek pręta. Nie jest to niezbędne, ale sprawi, że część będzie wyglądać bardziej profesjonalnie.

Sprawdzenie postpów w wykonywaniu cznika Kilka prostych technik pozwala nam wytwarzać profesjonalne łączniki z dowolnego materiału i o niemal dowolnej średnicy z wykorzystaniem narzędzi hobbystycznych. Techniki te nadają się również do wytwarzania innych części: x Wybierz materiał, który łatwo można obrabiać, taki jak aluminium, mosiądz lub plastik (zazwyczaj). Unikaj plastików, które są trudne do klejenia, oraz zbyt twardych metali. x Odcinaj piłą nieco więcej materiału, niż potrzeba. Unikaj używania precyzyjnych maszyn do zgrubnych cięć. x Wygładź odcięty brzeg. x Przy wyborze materiału na uchwyt oszczędź sobie czasu i wykorzystaj dostępny w handlu płaski, prostopadły kawałek o odpowiedniej wielkości. x Wykonaj uchwyt pozwalający na pozycjonowanie i mocowanie obrabianego elementu. Nie powinieneś być zaskoczony tym, że na różnych etapach procesu będziesz potrzebował różnych uchwytów. Osobiście posiadam skrzynkę z wykonanymi samodzielnie uchwytami. Dzięki nim jakość mojej pracy wzrosła. x Umieść wiertło obok elementu, aby wizualnie je wycentrować. Jednocześnie określ maksymalną głębokość i ustal ją z wykorzystaniem blokady głębokości w wiertarce. x Aby wywiercić otwór w środku pręta, wywierć otwór o średnicy pręta w kawałku metalu (stanie się on uchwytem). Następnie, nie zmieniając pozycji stołu wiertarki czy imadła, umieść pręt w otworze. Pręt jest teraz wycentrowany w stosunku do wiertła. x Później możesz ponownie wycentrować uchwyt, mocując w wiertarce kawałek pręta. x Płaska powierzchnia materiału, niskie obroty przy pierwszym wejściu w materiał, wiertło do nawiercania, krótkie wiertło oraz wiertło samocentrujące pomagają wykonać proste i wycentrowane otwory. x Aby wywiercić jeden otwór wycentrowany w drugim, na początek należy wywiercić otwór o mniejszej średnicy. Nie zmieniając pozycji stołu wiertarki czy imadła, zmień wiertła i wywierć otwór o większej średnicy. Węższy otwór jest otworem pilotującym dla grubszego wiertła. Teraz mamy już stos prętów uchwytów z nawierconymi otworami. Musimy je wykończyć, wyposażając je w śruby ustalające oraz osie LEGO. W następnym rozdziale opisałem gwintowanie otworu na śrubę ustalającą i sposób zamocowania osi LEGO z wykorzystaniem kleju epoksydowego. Wkrótce pręt aluminium warty 2 złote zamienimy w użyteczną część anatomii robota!

58 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 4 „„„

Koczymy wykonywanie cznika silnika z prta Gwintowanie otworów oraz wybór śruby ustalającej W poprzednim rozdziale odcięliśmy piłką do metalu kawałek pręta o długości naszego łącznika. Następnie przy użyciu uchwytu i wiertarki stołowej wywierciliśmy w pręcie otwory na wałek silnika i oś LEGO. W tym rozdziale dokończymy łącznik, wyposażając go w śrubę ustalającą oraz oś LEGO. Rozdział ten zawiera kilka interesujących informacji na temat rodzajów gwintowników, jak również opis techniki żłobienia, dzięki której oś LEGO będzie pozostawała na swoim miejscu w łączniku.

Monta ruby ustalajcej cznika Jak pamiętasz, śruba ustalająca unieruchamia wałek silnika w łączniku. Po poluzowaniu tej śruby można łatwo wymontować łącznik. Gdy śruba ustalająca jest dokręcana, wałek silnika jest blokowany wewnątrz łącznika.

Określanie położenia śruby ustalającej łącznika Jeżeli poświęciłeś nieco czasu na dokładne pomiary i przy wykonywaniu uchwytu wywierciłeś precyzyjnie otwór, śruba ustalająca uchwytu zaznaczy na łączniku miejsce, w którym powinieneś wywiercić otwór śruby ustalającej łącznika (rysunek 4.1). Sztuczka ta jest możliwa wyłącznie wtedy, gdy wałek silnika jest węższy niż oś LEGO, ponieważ koniec z węższym otworem znajduje się na dole uchwytu, gdzie śruba ustalająca uchwytu pozostawi ślad.

Rysunek 4.1. Śruba ustalająca uchwytu zwykle pozostawia niewielki znak na łączniku

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Śruba ustalająca łącznika musi znajdować się po tej stronie łącznika, po której znajduje się silnik. W końcu zadaniem śruby ustalającej jest uniemożliwienie wałkowi silnika obracanie się wewnątrz łącznika i wypadanie z niego. Nie należy wiercić otworu na śrubę ustalającą z tej strony łącznika, z której będzie montowana oś LEGO. Preferuję umieszczanie śruby ustalającej możliwie blisko silnika. Dzięki temu, jeżeli wałek silnika nieco się wysunie, śruba ustalająca będzie w stanie nadal go trzymać. Większość silników ma spłaszczenie (na normalnie cylindrycznym wałku) znajdujące się w okolicach końca wałka, które ogranicza możliwość przesuwania się uchwytu w kierunku silnika. Jeżeli spłaszczenie to jest wykonane aż do obudowy silnika, uważaj, aby nie wiercić zbyt blisko brzegu łącznika. Po pierwsze, otwór łącznika może być osłabiony u wylotu, ponieważ jest tam niewiele otaczającego go materiału. Biorąc pod uwagę to, że siły pochodzące z silnika są przenoszone na łącznik poprzez gwint w otworze ze śrubą ustalającą, ważne jest, aby otwór ten był umieszczony w takim miejscu, w którym jest wystarczająco dużo materiału. Po drugie, łączniki często mocuje się do koszyka z przodu silnika. Jeżeli śruba ustalająca łącznika jest zbyt blisko końca, to koszyk silnika może blokować dostęp do śruby ustalającej po zamontowaniu łącznika. W przykładzie prezentowanym w tym rozdziale śruba ustalająca znajduje się jakieś 4 mm od końca łącznika. Zaznacz to miejsce, jeżeli nie zostało zaznaczone przez śrubę ustalającą uchwytu.

Wiercenie w łączniku otworu na śrubę ustalającą Aby wywiercić w łączniku otwór na śrubę ustalającą, wykonaj następujące operacje: 1. Zamontuj w wiertarce wiertło o średnicy 2,5 mm. 2. Zamocuj pręt łącznika w imadle. Aby umieścić go na odpowiedniej wysokości, może być konieczne użycie podkładki. Niektóre osoby wolą korzystać z bloku pryzmatycznego. Zależnie od wielkości bloku i długości łącznika może się okazać, że blok przeszkadza w wierceniu. Osobiście uważam, że imadło daje wystarczająco dobry chwyt, aby można było wywiercić wąski i płytki otwór w pręcie łącznika. 3. Po przesunięciu wiertła poza łącznik obniż je do głębokości połowy średnicy łącznika (lewa strona rysunku 4.2) i ustaw blokadę głębokości wiercenia.

Rysunek 4.2. Centrowanie wiertła względem otworu na wałek silnika oraz określanie maksymalnej głębokości wiercenia bez uszkadzania dolnej ścianki łącznika (po lewej). Wiercenie otworu na śrubę ustalającą (po prawej) 4. Skorzystaj również z okazji, aby wycentrować wiertło w osi y (przód – tył), biorąc za punkt odniesienia otwór na wałek silnika w łączniku (ponownie lewa strona rysunku 4.2). Zablokuj imadło lub oś y stołu. 5. Ustaw położenie łącznika lub wiertła w taki sposób, aby znacznik znalazł się pod wiertłem.

60 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 4. „ KO CZYMY WYKONYWANIE CZNIKA SILNIKA Z PRTA

6. Wywierć otwór na śrubę ustalającą (prawa strona rysunku 4.2). Blokada głębokości uniemożliwi przewiercenie się przez łącznik. Uważnie obserwuj proces i delikatnie operuj dźwignią wiertarki. 7. Wyjmij łącznik i powtórz kroki 5. i 6., wiercąc otwory w pozostałych łącznikach.

Gwintowanie otworu na śrubę ustalającą łącznika Otwory na śrubę ustalającą wymagają teraz nagwintowania. Do wyboru jest kilka rodzajów gwintowników, jest też kilka przydatnych technik gwintowania.

Wybór gwintownika wykaczajcego W zależności od średnicy łącznika oraz średnicy otworu na wałek silnika, do wykonania pełnych gwintów może być potrzebny gwintownik wykańczający („wykańczak”). Różni się on od gwintowników zwykłego („pośredniego”) i wstępnego („zdzieraka”) tym, że tylko jeden lub dwa pierwsze zwoje są sfazowane (ścięte), aby łatwiejsze było umieszczanie gwintownika w otworze (rysunek 4.3). Pozwala to na wykonanie pełnego gwintu niemal do dna otworu.

Rysunek 4.3. Gwintowniki wykańczające mają sfazowane jeden lub dwa zwoje (góra). Gwintowniki standardowe (pośrednie) mają sfazowane od trzech do sześciu zwojów (środek). Gwintowniki wstępne mają sfazowane od sześciu do dziesięciu zwojów (dół) Gwintowniki wykańczające są zwykle używane do gwintowania ślepych otworów — takich, które nie przechodzą na wylot przez materiał. W naszym przypadku średnica wałka silnika może być tak mała, że gwintownik nie będzie miał wystarczająco dużo miejsca, aby jego ostrza o pełnej wysokości (znajdujące się dalej od czubka) mogły obrobić cały otwór na śrubę ustalającą. Gwintowniki takie można kupić w lokalnym sklepie z narzędziami lub w sklepie internetowym.

Porównanie z gwintownikiem wstpnym Wysokość ostrzy gwintownika wstępnego wzrasta płynnie, zatem samoczynnie ustawi się on prosto w otworze. Dodatkowo przy posługiwaniu się nim trzeba używać mniejszej siły. Jeżeli gwintownik wstępny nie może się odpowiednio zagłębić, to 7 – 10 zwojów gwintu znajdujących się najgłębiej nie będzie naciętych w pełni. Wkręcanie śruby do nie w pełni naciętego gwintu powoduje naprężenia w materiale. Aluminium lub mosiądz mogą być dość wytrzymałe i rozciągliwe, tak że błąd będzie akceptowalny. Jednak w bardziej kruchych materiałach, takich jak akryl, z czasem powstają pęknięcia (rysunek 4.4).

61 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 4.4. Pęknięcia w łączniku akrylowym wywołane brakiem prawidłowego nacięcia ostatnich zwojów gwintu w otworze na śrubę ustalającą. Uwierz mi, że na początku był to piękny, przezroczysty element. W czasie kilku dni powstały w nim pęknięcia

Porady na temat gwintowania Mądrym kompromisem jest użycie gwintownika wstępnego do rozpoczęcia obrabiania otworu. Należy nagwintować otwór tak głęboko, jak jest to możliwe, a następnie zmienić gwintownik na wykańczający i wykonać najgłębsze zwoje gwintu. W czasie gwintowania warto pamiętać o kilku kolejnych technikach: x Gdy gwintujesz otwory w metalu lub plastiku odpornym na olej, użyj nieco płynu do gwintowania lub lekkiego oleju. Olej pomaga usuwać wióry i ułatwia obracanie gwintownika, co zmniejsza prawdopodobieństwo jego pęknięcia w otworze. Smarowanie zmniejsza tarcie (więc i ciepło), co zwiększa żywotność gwintownika. I jeszcze jedno — olej zapobiega rdzewieniu gwintownika. x Po każdym pełnym obrocie wykręć gwintownik o ćwierć lub pół obrotu. Pomaga to rozdrobnić wióry i zapobiega zaklejaniu się narzędzia. x W przypadku gwintowania otworów we względnie miękkich materiałach (takich jak plastik, aluminium lub mosiądz) spróbuj zastosować gwintownik trójrowkowy zamiast prostego gwintownika dwurowkowego. Gwintowniki takie mają tendencję do lepszego centrowania. x Używaj niewielkiego nacisku. Obrót powoduje zagłębianie się gwintownika w otworze i wycinanie gwintu.

Wybór śruby ustalającej Prawdziwa śruba ustalająca różni się od zwykłej śruby brakiem łba i końcówką. Tylko środkowa część wygląda podobnie (rysunek 4.5).

Rysunek 4.5. Śruba z łbem płaskim o długości 3 mm (po lewej) i śruba z łbem gniazdowym o takiej samej długości, z płaską końcówką (po prawej). Zwróć uwagę, że różnią się one główką i końcówką

62 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 4. „ KO CZYMY WYKONYWANIE CZNIKA SILNIKA Z PRTA

Ważnym elementem śruby ustalającej jest brak odstającego łba, co pozwala na całkowite jej zagłębienie się w otworze łącznika (rysunek 4.6). Nic nie wystaje na zewnątrz i nie zaczepia się! Ponadto obrobiona końcówka dokładnie dociska wałek silnika, bez zagłębiania się w niego (jeżeli jednak chcesz, by powstało lekkie zagłębienie, dostępne są nieco tańsze śruby o zwykłych końcówkach). Prawdziwe śruby ustalające są na dodatek wykonywane ze stali utwardzanej, co zwiększa ich odporność.

Rysunek 4.6. Śruba ustalająca zagłębiona w łączniku. Śrubę tę dokręca się i odkręca kluczem imbusowym, pokazanym w dolnej prawej części rysunku Jednak zwykłe śruby maszynowe są bardziej rozpowszechnione. Częściej mają łeb przystosowany do śrubokręta płaskiego lub krzyżowego. Nie mówię, że nie istnieją śruby ustalające z rowkiem, ale śruby imbusowe są standardem, szczególnie w przypadku mniejszych średnic. Śruby takie nie są wcale gorsze od śrub z rowkiem, trzeba jednak mieć do nich dodatkowe narzędzie. Niezależnie od tego, jakiego typu śrubę wybierzesz, zalecam używanie śrub ze stali nierdzewnej, a nie śrub ocynkowanych. Lepiej wydać parę groszy więcej i zaoszczędzić czas, jakiego wymagałaby uciążliwa praca nad wymianą skorodowanej lub uszkodzonej śruby.

Dodanie osi LEGO Łącznik jest niemal gotowy. W tym przykładzie oś LEGO będzie przyklejona do łącznika klejem epoksydowym (jeżeli chcesz uniknąć stosowania kleju, możesz spróbować wcisnąć oś do nieco mniejszego otworu, korzystając z prasy; patrz http://www.robotroom.com/LatheCoupler3.html). Oś LEGO można łączyć z różnymi częściami LEGO, takimi jak koła, zębatki, wały i mechanizmy różnicowe. Takie połączenie pozwalające na szybką wymianę części zachęca do eksperymentowania z robotem. Konieczne jest zastosowanie kleju epoksydowego zamiast klejów cienkowarstwowych, ponieważ krzyżowy kształt osi LEGO powoduje, że powstają duże przestrzenie do wypełnienia. Oś LEGO jest ponadto wykonana z polipropylenu, który jest niezwykle trudny do klejenia. Dlatego skorzystamy z właściwości kleju epoksydowego — utworzymy fizyczne połączenie zamiast chemicznego, które najprawdopodobniej zostałoby zniszczone pod obciążeniem. Aby osadzić w łączniku oś LEGO, wykonaj następujące operacje: 1. Zaopatrz się w oś LEGO o odpowiedniej długości. Na potrzeby tego przykładu przeciąłem na pół oś o długości 6 jednostek LEGO (LU). „ Wskazówka Osie LEGO s dost pne w wielu rónych kolorach. Cho najcz ciej spotykane s czarne, mona równie znale osie czerwone, biae lub szare. Najlepiej skorzysta z jednego z portali aukcyjnych.

63 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

2. Ostrym brzegiem pilnika wykonaj nacięcia (rysunek 4.7) na końcu osi, który będzie umieszczony w łączniku. Jeżeli przeciąłeś długą oś, wykonaj nacięcia na przeciętym końcu, ponieważ na obrobiony koniec znacznie łatwiej montuje się kolejne części. Nacięcia nie muszą być proste, podobne do siebie ani równoległe. Głębokość i położenie nacięć może być różna. W przypadku dłuższych osi możesz zrobić wiele nacięć. Ich zadaniem jest takie ukształtowanie kleju epoksydowego, aby uniemożliwić wyciągnięcie osi z otworu łącznika.

Rysunek 4.7. Mały pilnik trójkątny (po lewej stronie u góry) pozwala wykonać nacięcia i bruzdy na końcu osi LEGO (pośrodku) 3. Warto też nieco zeszlifować umieszczoną w łączniku część osi. Każda bruzda i zarysowanie daje klejowi epoksydowemu możliwość lepszego związania osi ze ścianką otworu. 4. Wyczyść oś łagodnym detergentem i wodą lub alkoholem izopropylowym. Naszym zadaniem jest zapewnienie jak najlepszej powierzchni, którą klej epoksydowy będzie mógł związać ze ścianką otworu. Te zabiegi są konieczne szczególnie wtedy, gdy łącznik jest wykonany z polipropylenu. Wysusz dokładnie oś. 5. Zaopatrz się w klej szybkoschnący. Osobiście stosuję przezroczysty klej firmy Devcon, schnący 5 minut. Jest on dostarczany w dwuczęściowym dozowniku. Dostępna jest również nieprzezroczysta wersja tego kleju, ale może być ona nieestetyczna, jeżeli łącznik jest widoczny w robocie. 6. Załóż winylowe rękawice (nie używaj lateksowych), zapewnij odpowiednią wentylację i zgodnie z instrukcją zmieszaj niewielką ilość kleju. 7. Nałóż na ponacinany koniec osi taką ilość kleju, która wypełni puste miejsca pomiędzy osią a ściankami otworu łącznika (rysunek 4.8). Często korzystam z wykałaczki, aby delikatnie rozprowadzić klej i upewnić się, że wypełnił puste przestrzenie.

Rysunek 4.8. Nacięta oś LEGO powleczona klejem epoksydowym, gotowa do włożenia do łącznika. Możesz również użyć wykałaczki do rozprowadzenia kleju w nacięciach osi

64 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 4. „ KO CZYMY WYKONYWANIE CZNIKA SILNIKA Z PRTA

8. Włóż oś do otworu, obracając ją, aby powstał maksymalny jej kontakt z powierzchnią ścianek otworu. Jeżeli oś ma większą średnicę niż wałek silnika, możesz wcisnąć ją tak daleko, jak się da. W końcu oprze się ona o węższy otwór przeznaczony na wałek. 9. Powtórz te operacje w przypadku pozostałych łączników. 10. Odczekaj wystarczająco dużo czasu, aby klej stwardniał. Pięć minut to maksymalny czas na jego wykorzystanie, a nie czas na całkowite utwardzenie. Informacja o czasie, jaki musi minąć do powstania maksymalnej wytrzymałości połączenia, znajduje się na opakowaniu. Zwykle jest to od 1 do 24 godzin. 11. Jeżeli nałożyłeś zbyt dużo kleju, spiłuj lub odłam nadmiar. Jeżeli klej wycieknie do otworu na wałek silnika, można go łatwo usunąć wiertłem o średnicy nieco mniejszej od średnicy wałka.

Podsumowanie Wykonałeś łącznik z pręta. Nawet jeżeli na początku wydaje się to pracochłonne, to jednak łatwość serwisowania, niezawodność i odporność łącznika całkowicie kompensuje czas poświęcony na jego wykonanie. Osobiście używam łączników we wszystkich budowanych robotach. W rozdziale tym, będącym częścią „sagi o łącznikach”, zaprezentowane zostały następujące ogólne informacje dotyczące obróbki: x Wady i zalety różnych odmian gwintowników. Wybór właściwego gwintownika i jego prawidłowe użycie mają istotny wpływ na jakość gwintu. Najlepiej zastosować kombinację gwintowników i nacinać gwint dwukrotnie. x Nacięcia i nierówności klejonych materiałów mają korzystny wpływ na wytrzymałość połączenia, gdyż tworzą przestrzeń, która może być wypełniona spoiwem chemicznym (klejem). x Tam, gdzie zawodzi żelowy superklej, gęsty klej epoksydowy wypełni wolne miejsca pomiędzy elementami, zapewniając silne i trwałe połączenie.

65 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

66 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5 „„„

Zabudowanie silnika wewntrz koa Umiejętności przydatne przy budowaniu kompaktowego robota sumo i przy wytwarzaniu okrągłych części (w tym kół), użycie bloku schodkowego, pasowanie z niegwintowanymi otworami oraz użycie naprawdę dużych wierteł W warsztacie domowym roboty buduje się przeważnie w sposób zależny od tego, jak te roboty mają się poruszać. Na początku wybieramy silniki i koła, następnie określamy położenie silników względem kół, a na koniec na tej bazie budujemy resztę robota. Z powodu trudności związanych z dokładnym pozycjonowaniem kół, silników i wszystkiego pomiędzy nimi (zębatek, pasów, uchwytów) zwykle najlepiej jest zastosować możliwie proste rozwiązanie. Bardzo często warto dążyć do jak największej prostoty układu napędowego, tak aby zajmował jak najmniej miejsca. Co można zrobić, gdy wymiary robota wymagają zastosowania kompaktowego rozwiązania? W rozdziale tym przedstawię technikę pozwalającą na uniknięcie konieczności montowania zewnętrznych kół oraz przesuwania silnika i umożliwiającą zachowanie ograniczonej szerokości robota przez zainstalowanie silników wewnątrz samych kół (rysunek 5.1). Jest to doskonałe rozwiązanie przy budowaniu robota podobnego do pojazdu Mars Rover lub przy dostosowywaniu robota do ograniczeń konkursowych, na przykład gdy jest to robot minisumo (nie może on być szerszy niż 10 cm).

Rysunek 5.1. Mały silnik zabudowany w nieco zmienionym kole LEGO 49,6 na 28 VR

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W rozdziale tym przedstawiam kilka kolejnych technik, takich jak wykonywanie kół z prostokątnego arkusza, wyjaśniam, dlaczego nie można gwintować jednocześnie dwóch otworów wywierconych w przylegających do siebie płytkach (dyskach), omawiam przeznaczenie wierteł o dużej średnicy oraz użycie teflonu do wykonania uchwytu do klejenia. Podaję tu ponadto instrukcję wykonania dysków lub kół przy użyciu stołu obrotowego do frezarki — nie pomijaj tych fragmentów. Nawet jeżeli nie masz dostępu do tego sprzętu, przekonaj się, co mogą zrobić hobbyści.

Uwaga! Niebezpieczestwo! Wygite waki na horyzoncie Generalnie nie jestem zwolennikiem bezpośredniego napędzania koła silnikiem, chyba że oś koła jest podparta z obu stron. Mówiąc o bezpośrednim napędzaniu kół, mam na myśli układ, w którym wałek silnika jest połączony bezpośrednio z osią koła, bez użycia zewnętrznych kół lub pasów. Choć bezpośrednie połączenie jest prostą i efektywną metodą przenoszenia momentu obrotowego na koła, umożliwia również przenoszenie na silnik szkodliwych sił z kół poruszających się po nierównościach.

Prawidłowe napędzanie z podparciem Na rysunku 5.2 pokazany jest silnik napędzający koło bezpośrednio. Wałek silnika jest połączony z osią koła sztywnym łącznikiem.

Rysunek 5.2. Silnik LEGO jest połączony bezpośrednio z osią koła. Jednak oś (więc i koło) jest podparta z obu stron, co pozwala absorbować drgania kół powodowane przez nierówności podłoża

Zabezpieczenie przed nierównociami i upadkami Dobrą cechą projektu pokazanego na rysunku 5.2 jest obustronne podparcie osi koła przez klocki LEGO. Dzięki temu to na klockach, a nie na wałku silnika opiera się masa robota. Gdy robot natrafi na nierówność, siła przenoszona na silnik jest minimalizowana.

68 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Poziome przesunicia cznika W przedstawionym tu projekcie łącznik zmniejsza również siły poprzeczne. Gdy oś jest wciskana w jedną stronę (w lewo na rysunku 5.2), łącznik opiera się o obudowę silnika. Gdy oś jest ciągnięta w drugą stronę (w prawo na rysunku 5.2), łącznik opiera się o klocek LEGO. Klocki, silniki i koła są wykonane bardzo starannie, dzięki czemu są względem siebie prawidłowo ustawione. W przypadku struktury budowanej z części wytwarzanych w domu lepszym rozwiązaniem niż sztywny łącznik będzie łącznik elastyczny. Łącznik elastyczny nie tylko rozciąga się i ściska, redukując siły poprzeczne, ale również zgina się, kompensując wszystkie błędy ustawienia pomiędzy wałkiem silnika i osią koła. Elastyczne materiały nie były zalecane w rozdziale 4., przy wykonywaniu łącznika z pręta, ponieważ materiał taki jest trudny do wiercenia i klejenia. Co ważniejsze, w elastycznym materiale niemal niemożliwe jest nagwintowanie otworu na śrubę ustalającą.

Zginanie bez podparcia W projektach wielu mniejszych robotów nie przewiduje się podparcia dla kół i osi innego niż łożyska wbudowane w silniki. Gdy koło jest niepodparte, istnieje ryzyko wygięcia wałka silnika po uderzeniu koła w nierówność. Czym innym jest przecież wymiana tanich osi, które zużyją się od tarcia o podparcie, a czym innym wymiana drogich, miniaturowych silników, których wałki zegną się przy pierwszej możliwej okazji. Napędzanie koła bezpośrednio przez silnik bez żadnego dodatkowego podparcia jest akceptowalne w następujących sytuacjach: x silnik ma gruby wałek, podparty wewnętrznymi łożyskami, x koło ma niewielką średnicę, co zmniejsza nacisk na oś i wałek silnika, x koło jest zamontowane możliwie blisko silnika, aby ograniczyć nacisk na oś i wałek silnika, x masa robota jest stosunkowo niewielka, x robot będzie wykonywał swoje zadania przy niewielkich prędkościach, co zmniejszy działające siły. Silnik opisany w tym rozdziale musi być wystarczająco mały, aby zmieścić się w kole. Koło z kolei musi być wystarczająco duże, aby zmieścił się w nim silnik. Powinien to być zatem niewielki silnik z cienkim wałkiem, na którym będzie zamontowane duże koło, którego duża średnica będzie powodować wytwarzanie dużego momentu obrotowego i siły zginającej wałek silnika. I wszystko to bez podparcia!

Wykonywanie cznika piasty Koła LEGO są dostępne w wielu rozmiarach, są lekkie i mają doskonałą jakość. Od pewnego czasu stosuję je w moich robotach. Aby dołączyć do koła LEGO standardowy silnik, zwykle korzystam z łącznika posiadającego po jednej stronie otwór na oś silnika, a po drugiej stronie oś LEGO. Niestety, tego typu łącznik jest dosyć długi. W przykładzie tym potrzebujemy kompaktowego łącznika, który zajmie niewiele miejsca i zapewni wsunięcie silnika możliwie daleko w piastę koła. Jak zwykle, łącznik taki powinien umożliwiać proste odłączanie silnika od koła.

Dostosowanie zewnętrznej średnicy wałka silnika do wewnętrznej średnicy koła LEGO Projekt łącznika piasty składa się z kilku elementów przedstawionych na rysunku 5.3.

69 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 5.3. Części łącznika piasty Łącznik ten składa się z następujących elementów: x pręta o średnicy 6 mm { przewierconego odpowiednio do wymiaru wałka silnika, z nawierconym otworem na śrubę ustalającą, utrzymującą pręt na wałku silnika, x dysku wewnętrznego | z centralnym otworem o średnicy 6 mm na pręt { oraz dwoma nagwintowanymi otworami na śruby M3, x dysku zewnętrznego } z centralnym otworem o średnicy 6 mm na pręt { i z wycięciem na śrubę ustalającą. Dodatkowo w dysku tym wywiercone są dwa otwory na śruby; otwory te są nienagwintowane i nieco większe (około 3,5 mm), dzięki czemu para śrub M3 może się w nich swobodnie obracać i dociągnąć dysk wewnętrzny | do zewnętrznego }. Łącznik piasty zamontowany na silniku wygląda jak na rysunku 5.4.

Rysunek 5.4. Łącznik piasty zamontowany na silniku. Normalnie piasta koła (niepokazana na rysunku) będzie zakrywać łącznik i większość silnika

70 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Pręt { jest utrzymywany na wałku silnika wymienną śrubą ustalającą. Wycięcie w dysku zewnętrznym } pozwala na wsunięcie go na pręt { przy zamontowanej śrubie ustalającej. Jeżeli śruba ustalająca jest tak krótka, że nie wystaje z pręta, to wycięcie może nie być potrzebne. Dysk wewnętrzny | jest połączony z prętem { mocnym klejem. Dysk zewnętrzny } jest przykręcany do dysku wewnętrznego | parą śrub M3. Dysk zewnętrzny jest połączony z kołem (nie ma go na rysunku) klejem. Zaraz, zaraz. Klejem? Nie ma się czego obawiać. Nie ma nic złego w klejeniu części robota, o ile klej jest używany we właściwy sposób. Elementy są sklejone, ale można bez problemu odłączyć koło z zewnętrznym dyskiem przez odkręcenie dwóch śrub M3. Następnie można zdjąć łącznik z wałka silnika przez poluzowanie śruby ustalającej. Klej ma za zadanie łączyć te części, które powinny być wykonane z jednego kawałka materiału, o ile byłoby to możliwe lub praktyczne.

Zaczynamy od pręta łącznika W rozdziałach 3. i 4. przedstawiona została instrukcja wykonania łącznika z pręta. Przewiercony pręt w naszym łączniku piasty jest taki sam jak w łączniku zrobionym z pręta, poza częścią z osią LEGO (rysunek 5.5).

Rysunek 5.5. Uproszczony łącznik z pręta, którego długość i wewnętrzna średnica odpowiada średnicy wałka silnika. Na jeden silnik jest potrzebny tylko jeden taki łącznik, jednak dwa łączniki na tym zdjęciu pozwalają pokazać długość łącznika i otwór w jego wnętrzu „ Uwaga Jeeli wolisz stosowa rurki teleskopowe, w tym przypadku nie ma adnych przeciwwskaza. Cho w tym przykadzie uyty by pr t aluminiowy o rednicy 8 mm, mona równie zastosowa grubsze pr ty z innych materiaów.

Łącznik piasty wykonujemy podobnie jak łączniki omówione w poprzednich rozdziałach: 1. Odetnij fragment pręta o średnicy 6 mm i długości wałka silnika. Dodatkowa część, w której mocowana była oś LEGO, jest teraz niepotrzebna i niepożądana, ponieważ część ta musi być możliwie niewielka. 2. Spiłuj lub sfrezuj końce pręta. 3. Ustaw wiertło nad środkiem pręta (użyj uchwytu) i wywierć otwór odpowiadający średnicy wałka silnika. Wystarczy jeden otwór, gdyż nie używamy teraz osi LEGO. 4. Jeżeli chcesz, spiłuj lub sfrezuj końce, aby usunąć zadziory powstałe przy wierceniu. 71 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

5. Oznacz położenie śruby ustalającej w taki sposób, aby co najmniej połowa długości pręta była nienaruszona. Nie wierć otworu na śrubę ustalającą pośrodku pręta, lecz wybierz jeden z końców. Później skleisz wewnętrzny dysk z prętem w miejscu, które zachowałeś. 6. Wywierć otwór na śrubę ustalającą i nagwintuj go.

Wykonywanie wewnętrznych i zewnętrznych dysków adaptera piasty Za dostosowanie zewnętrznej średnicy pręta do wewnętrznej średnicy piasty koła są odpowiedzialne dwa elementy. Pierwszy z nich jest przyklejony do pręta, a drugi do koła. Te dwa elementy są ze sobą połączone z użyciem śrub.

Wybór ksztatu Technicznie rzecz biorąc, element przymocowany do piasty może być dowolnego kształtu. Jednak dysk (grube koło) jest najłatwiejszym kształtem do wyśrodkowania w piaście, jak również daje największy kontakt przy klejeniu. Również element przymocowany do pręta może być dowolnego kształtu, o ile tylko zmieści się w piaście. Dysk zapewnia odpowiednią równowagę przy obrotach koła i pręta. Ponieważ i tak będziemy wykonywać co najmniej jeden dysk, najlepiej będzie, gdy oba elementy będą miały ten kształt.

Okrelanie rozmiaru Wałek mojego silnika ma 8 mm długości. Oznacza to, że każdy z dysków może mieć 4 mm grubości. Wewnętrzna średnica zewnętrznego brzegu koła LEGO 49,6 na 28 VR wynosi około 30 mm. Jak widać na rysunku 5.6, zmierzyłem to suwmiarką. Ponieważ końcowa średnica dysku zewnętrznego powinna wynosić 20 mm, z arkusza materiału należy odciąć kwadrat o boku co najmniej 20 mm.

Rysunek 5.6. Mierzenie suwmiarką wewnętrznej średnicy zewnętrznego brzegu piasty koła LEGO 59,6 na 28 VR

72 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Wybór materiau Na dyski nadaje się dowolny materiał, który można kleić i gwintować. W zależności od przeznaczenia robota jednym z kryteriów wyboru powinna być waga tego materiału. Mówiąc najogólniej, koła i łączniki o mniejszej masie reagują szybciej, ponieważ mniej energii potrzeba do ich rozpędzenia i zatrzymania. Plastiki takie jak PTFE (teflon), polipropylen, polietylen, nylon i acetal (Delrin) są zbyt śliskie i nie dają się kleić. Jednak można zastosować inne plastiki, takie jak ABS, PCW i akryl. Wszystkie wspomniane plastiki są łatwe w obróbce, ale miększe materiały, takie jak teflon, nie pozwalają na wykonanie gwintu o wytrzymałości wystarczającej dla śruby ustalającej. Do naszych celów nadają się niektóre metale. Mosiądz jest atrakcyjny i łatwy w obróbce. Stal nierdzewna jest niesamowita, ale w obróbce bardzo trudna. Ostatecznie wybrałem aluminium. Jest lekkie, wytrzymałe, łatwe w obróbce, może być gwintowane i klejone. Miałem pod ręką arkusz o grubości 3 mm. Jest on nieco cieńszy niż oczekiwane 4 mm, ale też nadaje się do naszych celów. „ Uwaga Paski, szeroki i dugi fragment materiau o grubo ci 3 mm lub wi kszej jest nazywany pyt. Materia cieszy jest cz sto nazywany arkuszem (tak jak w przypadku arkusza papieru). Stosunkowo wska pyta jest nazywana sztab. Wski arkusz jest nazywany ta m.

Arkusz blachy aluminiowej o grubości 3 mm i boku 25 cm można kupić na portalu allegro.pl za jakieś 20 zł.

Odcinanie kawaków materiau Z arkusza blachy musimy wyciąć cztery kwadratowe kawałki materiału (dwa na każdą piastę) o boku 20 mm. Ponieważ wewnętrzny dysk będzie miał mniejszą średnicę, dwa z tych kawałków mogą być nieco mniejsze. Jednak najłatwiej jest wyciąć cztery mniej więcej takie same kawałki. Kawałki te nie muszą być dokładnie kwadratowe i mogą mieć boki nieco większe niż 20 mm. Jeżeli nie masz piły taśmowej, najszybszą i najłatwiejszą metodą jest użycie piłki do metalu. Odmierz i zaznacz fragmenty nieco większe, niż będą ostatecznie potrzebne, ponieważ piłka do metalu jest mało precyzyjna. Materiał o grubości 3 lub 4 mm łatwo się wygina, więc jest dosyć trudny do cięcia. Aby zwiększyć sztywność, możesz ciąć jednocześnie kilka przylegających do siebie arkuszy. Możesz również umieścić arkusz materiału pomiędzy grubszymi kawałkami drewna. Inną metodą jest użycie dwóch imadeł do zamocowania arkusza (rysunek 5.7). Niezależnie od sposobu mocowania materiału powinieneś wybrać brzeszczot o dużej liczbie zębów (24 lub 32 TPI), ponieważ arkusz jest bardzo cienki. Brzeszczot o mniejszej liczbie zębów będzie odrywał i wyginał materiał.

Wiercenie otworu centralnego o rednicy 6 mm Wycięte cztery kawałki ułóż jeden na drugim. Czasami warto użyć nieco taśmy izolacyjnej, aby kwadraty uformowały zgrabny stos. Zaznacz środek górnego kawałka. W zaznaczonym miejscu wywierć w całym stosie otwór o średnicy 6 mm (rysunek 5.8). Wykorzystaj wiertarkę stołową lub frezarkę; wiertarką ręczną trudno byłoby wywiercić otwór pod kątem prostym. Krzywy otwór może spowodować, że piasta koła nie będzie prostopadła do wałka silnika. To przesunięcie kątowe będzie wywoływać precesję koła. Choć wiercenie nie powoduje powstawania tak dużych sił, jakie są obecne przy frezowaniu, to bezpieczne umocowanie surowych kawałków materiału może być kłopotliwe. „ Ostrzeenie Nigdy nie uywaj nacisku ciaa, palców ani doni do trzymania czy stabilizowania obrabianego materiau. Zawsze musisz stosowa zaciski mechaniczne. Jeeli jakkolwiek cz ci ciaa b dziesz zblia si do obszaru roboczego materiau, przerwij prac i zapytaj si samego siebie, co takiego robisz.

73 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 5.7. Arkusz aluminium umocowany w dwóch imadłach w czasie cięcia piłką do metalu

Rysunek 5.8. Odcięte kwadraty aluminium umocowane w bloku schodkowym { i podtrzymane podkładką | w celu ochrony stołu Blok schodkowy zapewnia jednoczesny pionowy nacisk z obu stron, uniemożliwiając elementom uniesienie się lub obrócenie się w czasie obróbki. Podkładka poniżej obrabianego elementu unosi go nieco, dzięki czemu wiertło może przejść na wylot, nie uszkadzając stołu poniżej. Dodanie płaskiego elementu pod obrabianym materiałem (niepokazanego na rysunku 5.8) pozwala zminimalizować powstawanie zadziorów.

74 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Jeszcze raz. Dlaczego odmierzamy wicej materiau? Przypomnij sobie, że kawałki, które odmierzaliśmy, zaznaczaliśmy i odcinaliśmy, miały być nieco większe niż oczekiwana przez nas końcowa średnica. Pozwala to skompensować wszystkie nasze błędy, jakie mogły się zdarzyć w kolejnych krokach. Niedokładne pomiary, cięcie i centrowanie, jak również wędrowanie wiertła w czasie cięcia — wszystko to powoduje powstanie pewnego błędu. Jeżeli odcięte fragmenty będą wystarczająco duże, to żaden z tych błędów (o ile nie są groteskowo duże), nie spowoduje przesunięcia otworu centralnego tak blisko brzegu, że nie będziemy w stanie wykonać dysku o średnicy 20 mm.

Frezowanie dysku na stole obrotowym Do przekształcenia elementów kwadratowych w okrągłe można posłużyć się dwoma maszynami. Doskonale do tego nadaje się tokarka. Innym dobrym wyborem jest frezarka ze stołem obrotowym. Osobiście kupiłem stół obrotowy Sherline — jest on dobrej jakości i jego wielkość jest odpowiednia dla projektów hobbystycznych. Nawierciłem w płycie PCW otwory i przykręciłem do niej stół Sherline; tak zmontowaną całość przykręciłem do stołu mojej frezarki MicroLux (rysunek 5.9).

Rysunek 5.9. Stół obrotowy Sherline przytwierdzony do samodzielnie wykonanej płyty PCW z otworami pozwalającymi na przykręcenie całości do stołu frezarki W Polsce stół obrotowy można kupić w sklepie megaobrabiarki.pl lub maszynowy.eu. Trzeba zapłacić co najmniej 1200 zł.

Przystosowanie stołu obrotowego do małych elementów W górnej części stołu obrotowego Sherline znajdują się cztery wycięcia teowe służące do zamocowania obrabianego elementu. Nie dochodzą one jednak wystarczająco blisko środka stołu obrotowego, aby można było przymocować nasz element śrubami z łbami teowymi. Zamiast tego otwór centralny pozwala na instalację tokarskiego uchwytu szczękowego. Możemy zrobić prosty adapter, w którym będzie wykorzystana precyzja wykonania wycięć teowych. Pozwala to na dokładne wycentrowanie śruby względem stołu obrotowego, na której będą mocowane mniejsze elementy (rysunek 5.10).

75 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 5.10. Płytka z pięcioma dokładnie wywierconymi otworami i śrubą M6 wstawioną do otworu środkowego pozwala na zamocowanie mniejszych elementów na środku stołu obrotowego. Otwór środkowy płyty został wywiercony wiertłem o mniejszej średnicy, a następnie na stole obrotowym rozwiercony do 6 mm, dzięki czemu możemy być pewni, że jest wycentrowany

Mocowanie kwadratowych elementów w stosie na stole obrotowym Aby przejść od kwadratu do koła, musisz usunąć sporo materiału z narożników. Ponieważ frezarka jest zaprojektowana do powolnej, precyzyjnej pracy, możesz przyspieszyć cały proces, odcinając narożniki kwadratów piłką do metalu (rysunek 5.11).

Rysunek 5.11. W przypadku większych elementów możesz znacznie ograniczyć czas frezowania, odcinając narożniki kwadratów piłką do metalu Obrabiane elementy ułóż na stole obrotowym naprzemiennie na stosie, aby frez nie musiał ścinać wszystkich czterech rogów jednocześnie (rysunek 5.12). Dzięki temu w czasie obróbki wystąpią mniejsze szarpania i zmniejszy się obciążenie śruby mocującej.

76 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Rysunek 5.12. Stos ułożonych na przemian kwadratów aluminiowych (po lewej) powoli frezowanych do postaci dysków (środek). Gotowy stos wygląda niemal jak jeden kawałek (po prawej) Umieść kawałek niepotrzebnego materiału pod stosem obrabianych elementów, aby zapobiec uszkodzeniu adaptera stołu obrotowego przez koniec frezu. Jeżeli jest to możliwe, na górze stosu umieść jedną lub dwie podkładki w celu rozłożenia sił ściskających na większą powierzchnię i zapobieżenia zarysowaniu materiału przez nakrętkę. Dokręć jedną nakrętkę wystarczająco mocno, aby spłaszczyć stos i przytrzymać go na miejscu. Dodaj kolejną nakrętkę, aby zapobiec odkręceniu się pierwszej w czasie frezowania. Druga nakrętka może być standardowej grubości lub może to być cieńsza przeciwnakrętka. Dokręć (zablokuj) drugą nakrętkę, unieruchamiając jednocześnie pierwszą kluczem. Powoduje to „rozciągnięcie” śruby pomiędzy nakrętkami. Wewnętrzne siły są wystarczające do wzajemnego zablokowania dwóch nakrętek i śruby.

Obracanie, ścinanie i podążanie do środka Obniż frez do poziomu stołu obrotowego i zablokuj go w tym położeniu. Korzystając z pokrętła przesuwającego stół w poziomie (oś x), przysuń stos niemal do frezu. Włącz frezarkę i przysuń stos nieco bliżej, aż do momentu, w którym frez zacznie ciąć. Obracaj stos pokrętłem stołu obrotowego, aby frez obrobił materiał ze wszystkich stron (rysunek 5.13).

Rysunek 5.13. Z każdym obrotem pokrętła frez powoli zbliża się do środka stołu obrotowego, obrabiając stos z każdej strony

77 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

„ Ostrzeenie Obracanie stou zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara jest najpynniejsz metod frezowania, nazywan frezowaniem konwencjonalnym — wiór jest usuwany od jego najcieszego do najgrubszego punktu. Jest jednak pewne niebezpieczestwo. Obrót stou zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara powoduje powstawanie si skierowanych odwrotnie do tego kierunku, co moe spowodowa odkr cenie rub i nakr tek. Nie powinno by to problemem, jeeli obrabiany element jest zamocowany w kilku punktach, na przykad w czterech wyci ciach teowych z wykorzystaniem czterech rub i nakr tek. Jeeli jednak uye adaptera lub wykorzystujesz uchwyt w stole obrotowym, wykonuj niewielkie ci cia i upewniaj si , e obrabiany element jest stale bezpiecznie zamocowany. Moesz równie zastosowa ruby i nakr tki z lewym gwintem.

Od czasu do czasu zatrzymaj się i zmierz średnicę dysków suwmiarką (rysunek 5.14). W tym momencie możesz sprawdzić, czy wszystkie śruby i nakrętki pozostają na swoich miejscach. Kontynuuj zbliżanie frezu do środka stosu, aż do osiągnięcia pożądanej średnicy.

Rysunek 5.14. Okresowy pomiar średnicy dysków suwmiarką

Wiercenie otworów na ruby w dyskach Po osiągnięciu prawidłowej średnicy należy nawiercić w dyskach otwory na śruby M3. Operację tę można wykonać w imadle z blokiem pryzmatycznym przytrzymującym okrągły stos lub na stole obrotowym. Dyski są już zamocowane na stole obrotowym, więc można od razu zabrać się do ich wiercenia. Wiertło o średnicy 2,5 mm wierci otwory odpowiednie do tego, by można było je nagwintować dla śrub M3. Wiertło takie jest jednak dosyć krótkie. W zależności od Twojego wyposażenia możesz dodać podkładkę w celu podniesienia stosu dysków tak, aby można było je przewiercić bez kontaktu uchwytu wiertarskiego z nakrętkami zabezpieczającymi. Lepiej jest przewiercić cały stos niż każdy dysk osobno, ponieważ otwory w kolejnych dyskach są do siebie dopasowane. Jeżeli nie jest to możliwe, należy nawiercać co najmniej dwa dyski jednocześnie (stanowiące parę). Aby wykonać otwory blisko środka dysków, usuń górną podkładkę i obróć stół tak, aby brzeg sześciokątnej nakrętki zabezpieczającej znalazł się przy wiertle (rysunek 5.15).

78 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Rysunek 5.15. Wiercenie stosu dysków zamocowanych na stole obrotowym. Są one podniesione, tak aby uchwyt wiertarski nie wchodził w kontakt z nakrętką zabezpieczającą (która w przeciwnym wypadku będzie wystawała wyżej) w momencie zagłębienia wiertła w dyskach. Dodatkowo stół został obrócony, aby sześciokątna nakrętka była skierowana swoim brzegiem do wiertła, dzięki czemu można wiercić bliżej środka dysków. Na śrubie mamy teraz miejsce tylko na jedną nakrętkę, ale przeciwnakrętka nie jest potrzebna, ponieważ frezowanie jest zakończone

Dokładne pozycjonowanie wielu otworów na śrubę Dokładne pozycjonowanie otworu na śrubę nie jest dużym problemem, jeżeli chcesz wywiercić tylko jeden otwór w dyskach. W zasadzie w przypadku naszego adaptera piasty nie jest ważne położenie otworów, o ile są dopasowane pomiędzy dyskami. Jeśli wiertło nie wygnie się znacznie, stos dysków zamocowanych w wiertarce będzie miał otwory nieźle pasujące pomiędzy dyskami. Jeżeli z jakiegoś powodu chcesz pozycjonować otwory w równych odstępach na dysku, aby były równo oddalone od jego środka, możesz bardzo łatwo to osiągnąć, wykorzystując stół obrotowy. Na brzegu stołu znajdują się znaczniki dzielące jego obwód na 360 stopni (rysunek 5.16).

Rysunek 5.16. Znacznik 0 stopni na brzegu stołu obrotowego 79 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W przypadku wykonywania dwóch otworów obróć stół do pozycji 0 stopni, umieść wiertło w pożądanej odległości od środka dysku i wywierć pierwszy otwór. Osobiście nawierciłem pierwszy otwór około 8 mm od środka. Następnie obróć stół obrotowy do pozycji 180 stopni i wywierć drugi otwór. Voilà! Dwa otwory są rozmieszczone równo na dysku, w jednakowej odległości od jego środka.

Wykonywanie efektownych kół zamiast adapterów kół Bazując na opisanym wcześniej procesie, możesz wykorzystywać dyski i łączniki prętowe jako koła robota. Używając większego wiertła i nawiercając więcej otworów — powiedzmy, na pozycji 0 stopni, 60 stopni, 120 stopni, 180 stopni, 240 stopni i 300 stopni — otrzymujemy koła pokazane na rysunku 5.17.

Rysunek 5.17. Dwa koła wykonane w warsztacie domowym z otworami co 60 stopni oraz plastikowymi łącznikami (po lewej). Koła zamontowane w miniaturowym robocie podążającym za linią, zasilanym energią słoneczną (po prawej) Jeżeli dyski mają być używane jako koła, możesz wprowadzić kilka usprawnień. Gdy zamocujemy stół obrotowy pionowo, frezem półokrągłym możemy wykonać wcięcie na brzegu każdego z dysków. Później możemy założyć na takie koło pierścień gumowy o okrągłym przekroju (o-ring), dzięki czemu koło będzie miało lepszą przyczepność. W przypadku grubszego materiału możesz sfrezować część wewnątrz koła, korzystając ze stołu obrotowego (rysunek 5.18). W ten sposób otrzymujemy koła z niewielkim wgłębieniem, co daje przyjemny efekt.

Rysunek 5.18. Tworzenie wgłębienia przez frezowanie części materiału koła zamontowanego na stole obrotowym (po lewej). Częściowe nawiercenie trzech otworów po przeciwległej stronie powoduje stopienie i zdeformowanie plastiku w kształcie końcówki wiertła (po prawej)

80 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Wykoczenie wewntrznych i zewntrznych dysków adaptera piasty Aby użyć dysków jako adapterów piasty, musimy wykonać jeszcze kilka zadań.

Powiększanie otworów w dyskach zewnętrznych Bez zmieniania pozycji stołu wykorzystywanej do wywiercenia otworów na śruby usuń ze stosu dwa dyski. Dwa dyski, które pozostały na stole obrotowym, będą dyskami zewnętrznymi. Otwory w tych dyskach muszą zostać powiększone. Istniejące otwory posłużą jako otwory pilotujące, pomagające w pozycjonowaniu wiertła. Dlaczego nie gwintujemy wszystkich wywierconych otworów? Jeżeli zarówno dysk wewnętrzny, jak i zewnętrzny będą miały nagwintowane otwory, gwinty w kolejnych otworach muszą doskonale do siebie pasować, ponieważ w przeciwnym razie wkręcana śruba będzie nieco odsuwała dyski od siebie (rysunek 5.19). Będzie to powodowało pewne przesunięcie kątowe, wywołujące precesję kół.

Rysunek 5.19. Dwie niezależnie od siebie nagwintowane części (po lewej). Te same części jedna na drugiej (po prawej). Części te są oddzielone od siebie przez gwint śruby szczeliną o szerokości potrzebnej na dopasowanie śruby do gwintu w następnym otworze. Nawet gdy gwint jest dopasowany, szczelina może powstać, jeśli części nie były ze sobą dokładnie ściśnięte w czasie gwintowania Aby upewnić się, że gwinty będą ciągłe, można nagwintować ściśnięty dysk zewnętrzny i wewnętrzny. Jednak trzeba wtedy oznaczyć każdą parę kół i otworów, aby można było je zawsze dopasować. Lepszą metodą jest wprowadzenie śruby do niegwintowanego otworu w dysku zewnętrznym i wkręcenie jej do nagwintowanego otworu w dysku wewnętrznym. Łeb śruby dociągnie dysk zewnętrzny do wewnętrznego, dzięki czemu będą one do siebie ściśle przylegać (rysunek 5.20).

Rysunek 5.20. Jeden otwór bez gwintu, o nieco większej średnicy i jeden nagwintowany (po lewej). Te same części z nienagwintowanym elementem na górze (po prawej). Części te mogą być zawsze dociśnięte bez powstawania szczeliny. W czasie dokręcania śruby jej łeb dociąga części do siebie, nawet jeżeli wcześniej istniała pewna szczelina 81 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Powiększ otwory w dyskach zewnętrznych, nawiercając je wiertłem o średnicy 3 mm. Ponieważ stół obrotowy nie został przesunięty i otwory pilotujące są już wywiercone, nie powinno być problemu z dokładnym powiększeniem otworów wiertłem o średnicy 3 mm. Pozostałe dyski mogły się nieco obrócić w czasie usuwania dwóch górnych dysków. Nie jest to duży problem. Po prostu wyrównaj je możliwie dokładnie. Otwór o średnicy 3 mm w dysku zewnętrznym pozwala na pewien luz umożliwiający wyrównanie dysków zewnętrznego i wewnętrznego w czasie wkręcania śrub. Wyrównanie gotowej pary dysków powinno być proste, pomimo wszelkich niedoskonałości powstałych w procesie wiercenia. Łby dociągniętych śrub ścisną dyski, nie pozwalając na luzy pomiędzy nimi, pomimo że został zastosowany większy, 3-milimetrowy otwór. Jeżeli chcesz, otwory na śruby zewnętrzne mogą być wpuszczone (nawiercone na górze wiertłem o większej średnicy). Dzięki temu łby śrub będą znajdowały się wewnątrz dysków zewnętrznych — nie będą wystawać na zewnątrz.

Wykonywanie wycięcia na śrubę ustalającą w dysku zewnętrznym Gdy wykonywałem opisywane tu części, najkrótsza śruba M3, jaką mogłem znaleźć, miała 3 mm długości. Po włożeniu wałka silnika do pręta o średnicy 3 mm śruba ta wystawała na zewnątrz. Możesz kupić krótsze śruby ustalające lub użyć pręta o większej średnicy. Jeżeli jednak Twoja śruba ustalająca wystaje poza łącznik tak jak moja, nawierć lub wypiłuj wycięcie w dysku zewnętrznym, aby pozostawić miejsce na śrubę. Umieszczenie wycięcia jest pokazane na rysunkach 5.3 oraz 5.4.

Zmniejszanie średnicy dysków wewnętrznych Dwa pozostałe dyski będą dyskami wewnętrznymi. Należy zmniejszyć ich średnicę, frezując je w opisany wcześniej sposób, aż będą pasować do węższej części piasty koła LEGO. Dokładna minimalna średnica dysków wewnętrznych nie jest ważna, dopóki otwory na śruby pozostają nienaruszone. Swoje dyski zmniejszyłem do 24 mm, co jest niemal maksymalną wielkością dysku mieszczącego się w węższej części piasty LEGO. Po osiągnięciu oczekiwanej średnicy należy nagwintować otwory na śruby M3.

Szlifowanie dysków W zależności od wybranego materiału otwory (zarówno nagwintowane, jak i nie) na śruby, otwory środkowe i wycięcia na śrubę ustalającą mogą mieć zadziory i ostre krawędzie. Korzystając ze szlifierki wysokoobrotowej (takiej jak Dremel), polerki lub papieru ściernego, usuń wszystkie nierówności i ostre brzegi, aby dyski zewnętrzny i wewnętrzny płasko do siebie przylegały.

Wszystko gotowe? Zakończyłeś wykonywanie części na łącznik piasty. Powinny one wyglądać i pasować do siebie tak jak części pokazane na rysunkach 5.3 i 5.4, zamieszczonych we wcześniejszej części rozdziału. Jednak nie klej jeszcze niczego! Musisz rozwiercić środek piasty koła LEGO, aby umożliwić dopasowanie wszystkich części przed klejeniem.

Przygotowanie piast LEGO Zwykle wykonywany łącznik ma za zadanie dopasować wałek silnika do standardowego gniazda osi LEGO, znajdującego się w niemal wszystkich kołach LEGO. Jednak wymaga to bardziej zwartego projektu i precyzyjnie uformowane gniazdo osi znajdujące się w piaście LEGO jest niepotrzebne. Dokładniej mówiąc, ponieważ silnik jest montowany w piaście LEGO, gniazdo osi jest nie tyle niepotrzebne, ile niepożądane (rysunek 5.21).

82 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Rysunek 5.21. Opona koła LEGO 49,6 na 28 VR (po lewej) została zdjęta i pozostała tylko piasta (druga z lewej), środek piasty został rozwiercony w celu zrobienia miejsca na silnik (druga po prawej), wewnętrzna część piasty została wyszlifowana (po prawej) Piasta koła LEGO jest wykonana z termoplastycznego plastiku ABS. Jest on lekki i łatwy w obróbce.

Zabezpieczanie piasty na czas obróbki Ponieważ piasta koła jest okrągła, do jej zamocowania w imadle warto użyć bloku pryzmatycznego (rysunek 5.22). Zalecane jest użycie dwóch bloków pryzmatycznych — po jednym po obu stronach imadła. Pasujące pary bloków pryzmatycznych są sprzedawane przez większość firm zaopatrujących zakłady przemysłowe i hobbystów.

Rysunek 5.22. Blok pryzmatyczny częściowo obejmuje cylindryczny obiekt i przytrzymuje go w dwóch miejscach, nie pozwalając mu na wyskoczenie z imadła w czasie obróbki

Wybór wierta o zmniejszonym chwycie Wewnętrzna część piasty LEGO jest szersza niż zwykłe wiertła i szersza niż maksymalna średnica wierteł możliwych do zamocowania w większości wiertarek. Z tego powodu należy zastosować specjalny rodzaj wiertła. Wiertło o zmniejszonym chwycie1 ma uchwyt o średnicy 12 mm do zamocowania w wiertarce i część skrawającą o większej średnicy (rysunek 5.23), dzięki czemu można wiercić większe otwory wiertarkami z uchwytami o maksymalnej średnicy 12 mm. 1

W publikacjach i katalogach anglojęzycznych (szczególnie amerykańskich) powszechnie funkcjonuje nazwa Silver & Deming. Pochodzi ona od nazwy istniejącej w XIX wieku firmy, która jako pierwsza produkowała wiertła tego typu. Dziś nazwa jest stosowana powszechnie, niezależnie od producenta wierteł.

83 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 5.23. Wiertło o zmniejszonym chwycie ma uchwyt o średnicy 12 mm i część skrawającą o większej średnicy W przypadku koła LEGO 49,6 na 28 VR wiertło o średnicy 22 mm usuwa większość materiału z jego środka.

Wiercenie w rodku piasty Aby przewiercić środek piasty, wykonaj następujące operacje: 1. Umieść piastę w imadle, wykorzystując blok pryzmatyczny lub dwa takie bloki. 2. Włóż do wiertarki wiertło o średnicy 22 mm i obniż je po jednej ze stron piasty, aby określić prawidłową głębokość wiercenia bez uszkadzania imadła (lewa strona rysunku 5.24). Zapisz lub zaznacz głębokość wiercenia na wskaźniku osi z wiertarki lub frezarki, ponieważ ogranicznik nie może być w tej chwili ustawiony.

Rysunek 5.24. Sprawdzanie głębokości (po lewej), centrowanie piasty z wykorzystaniem osi LEGO (pośrodku) i wiercenie (po prawej) 3. Włóż oś LEGO do uchwytu wiertarki i zgrubnie wycentruj piastę, tak aby oś mogła wsunąć się do gniazda (środek rysunku 5.24). Zablokuj imadło oraz osie x i y wiertarki lub frezarki. 4. Przesuń blokadę głębokości na zanotowaną wcześniej pozycję. 5. Ponownie zamontuj wiertło 22 mm w uchwycie wiertarki i przewierć środek piasty (prawa strona rysunku 5.24).

84 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Szlifowanie pozostaoci rodka piasty Po wywierceniu środka piasty wiertłem o średnicy 22 mm pozostają na niej pozostałości „szprych” (po lewej stronie rysunku 5.25). W zależności od średnicy silnika lub Twojej dbałości o szczegóły możesz usunąć pozostałości szlifierką wysokoobrotową oraz papierem ściernym (po prawej stronie rysunku 5.25).

Rysunek 5.25. Wewnętrzna część piasty jest nierówna po wierceniu (po lewej). Ręczna szlifierka wysokoobrotowa oraz papier ścierny wystarczą do wygładzenia powierzchni (po prawej) Do szlifowania użyłem kamienia z tlenkiem glinu firmy Dremel oraz papieru ściernego o grubości 100. Kamień szlifierki może się zakleić plastikiem, więc spróbuj wykorzystać wymienne pierścienie z papieru ściernego.

Dopasowanie i klejenie części Aby zakończyć budowę, wystarczy skleić i skręcić wykonane części. Przed klejeniem warto złożyć je, sprawdzając, czy pasują. Znacznie łatwiej wprowadzić niewielkie poprawki, gdy części jeszcze nie są sklejone. Przed klejeniem warto umyć części wodą z mydłem i wysuszyć. Będziesz zaskoczony, jaka jest różnica w sile klejenia czystych części.

Dopasowywanie i przyklejanie zewntrznego dysku do piasty Zewnętrzny dysk pasuje do szerszego brzegu obrobionej piasty LEGO (rysunek 5.26). Jeżeli przylega on bez przerw, nałóż cienką warstwę żelowego kleju cyjanoakrylowego (Super Glue) na wewnętrzną powierzchnię piasty i wstaw dysk zewnętrzny. Jeżeli dysk nie jest ściśle dopasowany lub występują przerwy, lepszym wyborem jest gęsty klej epoksydowy.

Rysunek 5.26. Dysk zewnętrzny wklejony w szerszą część piasty LEGO 85 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Dopasowywanie i przyklejanie dysku wewntrznego do prta Dysk zewnętrzny jest dołączony do tej połowy pręta, w której nie ma śruby ustalającej. Ważne jest, aby dysk wewnętrzny był możliwie dokładnie prostopadły do pręta. Każda zmiana kąta wpłynie na obroty koła.

Wykonanie uchwytu do klejenia Ponieważ kąt pomiędzy prętem i dyskiem wewnętrznym jest tak ważny, uznałem, że przydatny będzie uchwyt do przyklejania każdej płaskiej części do dowolnego pręta o średnicy 6 mm. Na początek wyrównałem blok teflonu (klej nie przywiera do jego powierzchni) frezarką. Następnie nawierciłem otwór startowy, a później 6-milimetrowy otwór przez cały blok. Bez poruszania bloku ponownie wyrównałem go frezarką. Dzięki temu usunąłem wszystkie wystające fragmenty, które mogły powstać po wierceniu, i upewniłem się, że powierzchnia znajdująca się w imadle w celu nawiercenia jest naprawdę prostopadła w stosunku do otworu, nawet jeżeli nie jest absolutnie prostopadła do pozostałych ścian bloku. Nie musisz wykonywać uchwytu do klejenia, jeżeli Twoje części są ściśle dopasowane. Uchwyt ten stanowi element pomocniczy, utrzymujący części pod prawidłowym kątem w czasie twardnienia kleju. Czasami można kupić znacznie taniej bloki teflonu na portalu aukcyjnym allegro.pl. W firmie Kontakt (www.contakt.pl) można dostać kwadratowe płyty teflonowe (PTFE) o grubości 25 mm i rozmiarach 260 i 330 mm. Materiał ten można kupić również w firmie Technozbyt (www.technozbyt.com). Aby zaoszczędzić, można użyć cieńszego materiału. Oczywiście, płyta o boku ponad 20 cm jest znacznie większa, niż jest potrzebna do zrealizowania tego projektu. Podobnie jak w przypadku wielu innych komponentów i materiałów, jakie kupujemy, zajmując się robotyką, wydajemy początkowo znacznie więcej, niż oczekiwaliśmy, ale mamy zapas materiałów redukujący koszt kolejnych projektów. Być może ten racjonalny argument pomoże wytłumaczyć kochanej żonie, dlaczego wydaliśmy ponad 100 zł na mały kawałek śliskiego plastiku.

Przyklejanie wewnętrznego dysku do pręta Przed rozpoczęciem klejenia upewnij się, że ustawiłeś otwór na śrubę ustalającą w taki sposób, aby śruba ustalająca M3 mieściła się w wycięciu dysku zewnętrznego. Jeżeli zamierzasz użyć uchwytu do klejenia, możesz zaznaczyć to położenie na powierzchni pręta i wewnętrznego dysku, aby szybko je ustawić po włożeniu do uchwytu. Pręt łącznika ze śrubą ustalającą wstaw do połowy w otworze o średnicy 6 mm w uchwycie do klejenia. Następnie nałóż na górę dysk wewnętrzny (lewa strona rysunku 5.27). Niezależnie od tego, czy używałeś uchwytu, czy nie, gotowy dysk wewnętrzny z prętem i śrubą ustalającą powinien wyglądać jak po prawej stronie rysunku 5.27.

Rysunek 5.27. Sklejony z prętem dysk, schnący na uchwycie z teflonu (po lewej). Gotowa część z wkręconą śrubą ustalającą (po prawej) 86 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 5. „ ZABUDOWANIE SILNIKA WEWNTRZ KOA

Poczekaj na wyschnicie kleju Po sklejeniu wszystkich części zachowaj cierpliwość i pozostaw je na odpowiednio dużo czasu w celu ich wyschnięcia przed złożeniem w całość. Włożyłeś dużo pracy w wykonanie łatwo rozbieralnego adaptera piasty i silnika — jeżeli niecierpliwie będziesz chciał je „wypróbować” zbyt szybko, możesz zmienić ustawienie elementów, które utrwali się, gdy klej ostatecznie zastygnie.

Podsumowanie Gdy jesteśmy ograniczeni przestrzenią, możemy wbudować silniki w koła robota. Choć wymaga to nieco więcej pracy przy wykonywaniu piasty, otrzymujemy mniej skomplikowany napęd bezpośredni (brak zębatek czy pasów do pozycjonowania). Należy jednak pamiętać, aby wybrać silnik o grubym wałku oraz wbudowanych łożyskach lub zewnętrznie podeprzeć oś koła. Stół obrotowy jest doskonałym narzędziem do wykonywania okrągłych cięć na frezarce. Po odcięciu piłą kawałka surowego materiału możesz przymocować element do stołu obrotowego śrubami (zalecane) lub jedną centralną śrubą (w przypadku mniejszych elementów). Stół obrotowy nadaje się też do wiercenia równo rozmieszczonych otworów wokół centralnego punktu. Możesz nawet użyć gotowego elementu jako kompletnego koła. Kilka fragmentów tego rozdziału to opisy ogólnych technik konstrukcyjnych. Wskazałem na przykład, że należy unikać gwintowania przylegających elementów materiału. Lepiej nagwintuj jeden element i wywierć nieco większy otwór w elemencie, który będzie przytrzymywany przez łeb śruby. Inną ogólną techniką konstrukcyjną, jaką tu przedstawiłem, jest użycie uchwytu z teflonu do przytrzymania elementów w czasie klejenia.

87 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

88 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6 „„„

Standardy stosowane w elektronice oraz przygotowanie do eksperymentów Czytanie schematów, używanie zasilacza, matowienie diod LED, sposoby eliminowania odbicia styków oraz korzystanie z technologii montażu powierzchniowego W rozdziale tym omówię standardy schematów i zasady używania płytek prototypowych niewymagających lutowania (płytek stykowych). W odniesieniu do niektórych komponentów są tu przedstawione standardowe atrybuty, takie jak maksymalna moc znamionowa i napięcia robocze, które należy wziąć pod uwagę, jeżeli w przypadku danego obwodu nie będą podane inne wartości.

Czytanie schematów Trzeba spojrzeć prawdzie w oczy — moje schematy są w zasadzie diagramami połączeń. Na przykład prawidłowy schemat powinien pokazywać symbole osobnych bramek logicznych (po lewej stronie rysunku 6.1), natomiast moje „schematy” pokazują cały układ (po prawej stronie rysunku 6.1).

Rysunek 6.1. Formalne schematy z symbolami bramek logicznych (po lewej). W książce tej pokazuję implementujące je diagramy połączeń (po prawej)

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Schemat jest reprezentacją logiczną, a diagram połączeń jest jego fizyczną implementacją. Większość projektantów woli korzystać z diagramów połączeń zamiast formalnych schematów. Chciałem tylko dodać, że choć znam różnice, nadal będę nazywał moje diagramy schematami.

Łączenie przewodów W schematach zamieszczanych w tym rozdziale mały mostek w miejscu przecięcia przewodów oznacza, że nie są one ze sobą połączone (lewa strona rysunku 6.2). Mała kropka w miejscu przecięcia przewodów oznacza, że są one ze sobą połączone (prawa strona rysunku 6.2).

Rysunek 6.2. Połączenie przewodów z mostkiem nie łączy przewodów (po lewej). Krzyżujące lub stykające się przewody z kropką są ze sobą połączone (po prawej) Mostek w niepołączonych przecinających się przewodach jest prawdopodobnie nadmiarowy i staroświecki. Przyjęte jest, że tylko obecność kropki oznacza połączenie przecinających lub stykających się przewodów. Jednak obecność kropki lub mostka jednoznacznie określa to, czy przewody są połączone czy nie. Jeden z moich redaktorów technicznych gorąco zalecał (jego komentarz musiał brzmieć: „Ach, lata pięćdziesiąte, to były czasy”), aby zrezygnować z mostków nie tylko dlatego, że są przestarzałe, ale także dlatego, że powodują, że schemat wydaje się zatłoczony. Jednak przeznaczeniem schematów lub diagramów połączeń jest precyzyjne pokazanie układu połączeń. Ponieważ tak wiele czasopism i książek zamieszcza schematy z błędami, wydaje się właściwe użycie technik pozwalających na zmniejszenie liczby błędów lub ich wychwycenie, zarówno w czasie tworzenia schematów (przez autora), jak i w czasie ich interpretacji (przez Czytelnika). Ponieważ wymagało to ode mnie dodatkowej pracy przy umieszczaniu mostków lub kropek, musiałem zastanawiać się, czy przewody te są połączone, czy nie, co zmniejszyło liczbę błędów w procesie tworzenia schematów. Bardzo łatwo jest narysować jedną linię na drugiej, ale takie czy inne oznaczenie przecięcia wymaga chwili zastanowienia. Dodatkowo nietechniczni korektorzy mogą szybko sprawdzić wszystkie przecinające się linie na schematach. Jeżeli w miejscu przecięcia nie ma symbolu, w przyjętym przeze mnie systemie oznacza to błąd. Czytelnik z kolei może nie zauważyć kropki, w zależności od tego, jak duży schemat zostanie ostatecznie wydrukowany w książce. Może się również zdarzyć, że błąd drukarni może spowodować, że kropka się nie pojawi. Jeżeli jednak moje mostki rażą Twoje poczucie estetyki, wydrukuj, proszę, małe naklejki ze znakiem plusa (+) i zaklej wszystkie mostki na schematach.

Wybór części W schematach każda część ma unikatowy identyfikator, dzięki któremu może być wskazywana i omawiana bez mylenia jej z inną częścią. Jeżeli na przykład schemat zawiera cztery oporniki, mogą być one oznaczone jako R1, R2, R3 i R4. Teraz zamiast mówić: „Połącz drugi opornik 100-omowy z czwartym 100-omowym", wystarczy powiedzieć: „połącz R2 z R4”.

90 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

Oznaczenia literowe W tabeli 6.1 zamieszczone są litery, od których zaczynają się oznaczenia części stosowane w tej książce. Tabela 6.1. Oznaczenia literowe Litera

Typ czci

B

Bateria

C

Kondensator

CB

Przerywacz obwodu, przełączalne urządzenie zabezpieczające obwód

D

Dioda

US

Układ scalony

IR

Dioda podczerwona

L

Cewka

LED

Dioda świecąca (elektroluminescencyjna)

M

Silnik

OSC

Oscylator w obudowie

T

Tranzystor

R

Opornik, fotorezystor, potencjometr

SW

Przełącznik

PT

Punkt testowy

VR

Stabilizator napięcia

ZD

Dioda Zenera

Oznaczenia te różnią się od niektórych starszych standardów. Wcześniej B było oznaczeniem wiatraka, a M oznaczało miernik lub oscyloskop. Ponadto przełącznik był oznaczany jako S, układ scalony jako U, dioda Zenera użyta do regulacji napięcia była oznaczana VR, a oscylator jako Y. Zauważ, że w różnych książkach, czasopismach, na różnych stronach WWW autorzy używają różnych standardów oznaczeń. Oznaczenia C, D, L oraz R są chyba jedynymi, które są stosowane przez wszystkich autorów.

Oznaczenia liczbowe W książce tej, tam, gdzie jest to możliwe, oznaczenia części są numerowane w grupach, nawet jeżeli powoduje to pominięcie wielu numerów. Na przykład dioda LED i opornik ograniczający prąd są zwykle oznaczane jako LED1 oraz R1, co pokazuje, że działają one razem. Jeżeli jednak na schemacie znajdują się 64 inne oporniki, zwiększam numer diody LED, aby odpowiadał numerowi sparowanego opornika, na przykład: LED65 i R65. Ponieważ kompletny robot jest zwykle zbiorem modułów i podukładów, numeracja elementów w całym module może zostać zwiększona, aby pokazać ich wzajemne skojarzenie. Na przykład zasilacz będzie zawierał elementy SW1, D1, C1, VR1 i C2. Jednak jeżeli będzie to część układu robota, części tego modułu będą miały oznaczenie SW101, D101, C101, VR101 i C102. Taka konwencja numeracji pomaga rozróżniać moduły. Wadą pomijania numerów może być prowokowanie użytkowników do szukania nieistniejących części: „Widzę R1, R2, R3, R4, R6, R7 i R8. Co stało się z R5?”.

91 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Oznaczanie elementów Oprócz jednoznacznej identyfikacji schematy zamieszczane w tej książce zawierają etykiety informacyjne, określające parametry części lub ich ważne cechy. Informacje znajdujące się na etykiecie zależą od rodzaju części.

Oznaczenia rezystorów Wszystkie rezystory mają podaną na schematach rezystancję w omach (). Na schematach w tej książce zamiast standardowo używanego na schematach prostokąta (prawa strona rysunku 6.3) pojawia się rysunek opornika przewlekanego (lewa strona rysunku 6.3).

Rysunek 6.3. Rezystor z etykietą zawierającą symbol (R5), wartość rezystancji w notacji standardowej (470 ) i wartość rezystancji zapisana kolorowymi paskami: żółtym, fioletowym i brązowym (po lewej). Klasyczny symbol rezystora nie jest używany w tej książce, oczywiście poza tym rysunkiem (po prawej) Ponieważ na większości schematów pojawia się bardzo szeroki zakres rezystancji, stosowane są modyfikatory pozwalające zredukować liczbę zer. Używane są standardowe oznaczenia reprezentujące jednostki ułamkowe oraz o wielokrotności liczby 10 (tabela 6.2). Tabela 6.2. Standardowe oznaczenia rezystancji Stopie

Wielokrotno

Prefiks

Skrót

milion

1 000 000

mega

duża litera M

tysiąc

1 000

kilo

mała litera k

tysięczna część

0,001

mili

mała litera m

W układach wejściowych dla układów scalonych oraz w układach sprzężenia zwrotnego najczęściej są wykorzystywane rezystancje rzędu megaomów. Rezystor oznaczony 15 M ma rezystancję 15 000 000 . Rezystancje rzędu kiloomów są również spotykane w schematach, ale zwykle w układach zegarowych lub do określania wartości domyślnych. Rezystor oznaczony 4,7 k ma rezystancję 4700 . Rezystancje rzędu miliomów są często używane w połączeniach, układach MOSFET oraz mostkach H. MOSFET oznaczony 125 m ma rezystancję 0,125 .

Kolory na rezystorach Ponieważ większość hobbystów nadal korzysta z rezystorów przewlekanych produkowanych w postaci niewielkich cylindrów, na etykietach części zamieszczony jest kod kolorowy (tabela 6.3) zapisany w skróconej postaci (rysunek 6.3). Na przykład opornik 470  będzie oznaczony jako ŻółFioBrą, co oznacza wartość rezystancji (47) razy 10, czyli 470 .

Wybór konstrukcji, tolerancji i mocy rezystorów Jeżeli nie zaznaczę inaczej, wszystkie układy mogą być zbudowane z wykorzystaniem warstwowych rezystorów węglowych o mocy 1/4 wata i tolerancji rzędu 5%. Oczywiście możesz użyć oporników o większej mocy (na przykład 1/2 wata), ulepszonej konstrukcji (na przykład cienkowarstwowe, z tlenków metali lub grubowarstwowe) albo o zwiększonej precyzji (na przykład o tolerancji 1%). W książce pokazane są oporniki o mocy 1/2 wata, ponieważ wyglądają lepiej na zdjęciach.

92 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

Tabela 6.3. Wartości kolorowego kodu paskowego rezystorów Kolor

Skrót

Pierwszy pasek

Drugi pasek

Trzeci pasek

Czarny

Cza

(‘0’

‘0’)

×1

Brązowy

Brą

(‘1’

‘1’)

×10

Czerwony

Cze

(‘2’

‘2’)

×100

Pomarańczowy

Pom

(‘3’

‘3’)

×1000 (kilo-)

Żółty

Żół

(‘4’

‘4’)

×10 000

Zielony

Zie

(‘5’

‘5’)

×100 000

Niebieski

Nie

(‘6’

‘6’)

×1 000 000 (mega-)

Fioletowy

Fio

(‘7’

‘7’)

..

Szary

Sza

(‘8’

‘8’)

..

Biały

Bia

(‘9’

‘9’)

..

Powinieneś unikać stosowania rezystorów o mniejszej dokładności (na przykład tolerancji rzędu 20%) lub innej konstrukcji (na przykład drutowych nawijanych lub kompozytowych węglowych). Nie oznacza to, że te rodzaje oporników się nie nadają — po prostu nie testowałem moich układów z rezystorami tego typu.

Użycie rezystorów o mniejszej mocy Oporniki są w zasadzie urządzeniami zmieniającymi prąd elektryczny w ciepło. Im większy prąd przez nie przepływa, tym więcej ciepła muszą wydzielić. Z tego powodu oporniki mają zadeklarowaną moc w watach, oznaczającą ilość energii, jaką mogą przyjąć bez uszkodzenia. W każdym z układów zamieszczonych w książce możesz zastosować rezystor o mniejszej mocy, o ile dokonasz obliczeń, a następnie podzielisz wynik na pół. W przypadku opornika 100  i przepływającego przez niego prądu 30 mA wykonałem następujące obliczenia: 2

moc w watach = (prąd w amperach) × rezystancja w omach 2

moc w watach = (0,03 ampera) × 100 omów moc w watach = 0,09 wata Z tych obliczeń wynika, że opornik o mocy 1/8 wata (0,125 wata) będzie wystarczający. Jednak opornik o mocy 1/4 wata daje bezpieczny margines błędu. Oczywiście producent najprawdopodobniej dodał już swój margines błędu, więc rezystor o mocy 1/8 wata będzie działał doskonale. Dlaczego jednak mamy ryzykować, budując robota, który wymaga dziesiątek lub setek godzin pracy? Większość układów cyfrowych korzysta z niezwykle małego prądu, więc można w nich bez problemów stosować oporniki o mocy 1/8 wata. Konieczność obliczenia mocy opornika zachodzi zatem jedynie w przypadku układów urządzeń wyjściowych, takich jak diody LED, silniki, wyświetlacze, głośniki itp.

Używanie innych części jako rezystorów Fotorezystory, potencjometry i inne części, które zmieniają oporność, są na schematach w tej książce oznaczane jako rezystory. Mówiąc najogólniej, jeżeli możesz uzyskać odczyt przez podłączenie części do omomierza (lub multimetru w trybie pomiaru rezystancji), to w książce tej część ta mieści się w kategorii rezystorów.

93 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Oznaczenia kondensatorów Do reprezentowania kondensatorów niespolaryzowanych w książce tej używany jest na schematach symbol dwóch równoległych odcinków linii (lewa strona rysunku 6.4). „Niespolaryzowany” oznacza, że możesz zamontować taki kondensator w dowolnym kierunku.

Rysunek 6.4. Kondensator niespolaryzowany z etykietą (C1), wartością w notacji standardowej (0,1 μF) oraz wartością w notacji trzycyfrowej (104) (po lewej). Kondensator spolaryzowany z tą samą etykietą, ale z innymi atrybutami. Znak plusa (+) wskazuje, że dodatnie wyprowadzenie kondensatora musi zostać podłączone dokładnie tak, jak jest pokazane na schemacie (po prawej). Możesz zauważyć pewne różnice w rysowaniu kondensatorów przez różnych autorów — niektórzy rysują łuk dla każdego kondensatora, a niektórzy używają wyłącznie linii prostych. Jednak kondensatory spolaryzowane zawsze mają oznaczony dodatni przewód (+) W przypadku kondensatora spolaryzowanego przy jednym z odcinków zaznaczony jest znak plusa (prawa strona rysunku 6.4). Oznacza to, że dodatnie wyprowadzenie kondensatora musi zostać podłączone do ścieżki oznaczonej na schemacie znakiem plusa. Podłączenie kondensatora w odwrotnym kierunku może uniemożliwić jego działanie i doprowadzić do jego zniszczenia.

Oznaczanie wartości kondensatorów Pojemność jest mierzona w faradach. Farad jest jednak dosyć dużą jednostką i w większości układów stosuje się części o mniejszych wartościach pojemności. W tabeli 6.4 zamieszczone są najczęściej używane jednostki pojemności kondensatorów. Tabela 6.4. Najczęściej używane jednostki pojemności kondensatorów Stopie

Mnonik

Prefiks

Skrót

milionowa część

0,000 001

mikro

grecka litera μ lub mała litera u

miliardowa część

0,000 000 001

nano

mała litera n

trylionowa część

0,000 000 000 001

piko

mała litera p

Najczęściej stosowane są pojemności rzędu mikrofaradów. W praktyce mnożnik mikro jest tak popularny, że często wartości wykraczają nieco powyżej lub poniżej tego zakresu. Mnożnik mikro pojawia się na kondensatorach o pojemności nawet do 22 000 μF (naprawdę duże wartości pojemności stosowane w zasilaczach) i 0,1 μF (niewielkie pojemności wykorzystywane jako lokalne źródła zasilania dla pojedynczych układów). Pojemności rzędu nanofaradów są używane głównie w układach zegarowych. Pojemność 1 nF jest odpowiednikiem 0,001 μF. Pojemności liczone w pikofaradach są wykorzystywane głównie w układach radiowych (RF) oraz zegarowych, szczególnie w połączeniach z oscylatorami kwarcowymi. Pojemność 1 pF odpowiada 0,001 nF i 0,000 001 μF. Inną metodą oznaczania wartości kondensatora jest zastosowanie trzycyfrowego kodu liczbowego. W kodzie tym należy wziąć dwie pierwsze cyfry i dopisać do nich liczbę zer wskazywaną przez trzecią cyfrę — w ten sposób otrzymuje się wartość w pF. Poniżej jest kilka przykładów: x 102 = 1000 pF x 333 = 33 000 pF x 104 = 100 000 pF = 0,1 F (często używany) 94 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

x 105 = 1 000 000 pF = 1 F (często używany) x 106 = 10 000 000 pF = 10 F (często używany) Na schematach zamieszczonych w tej książce wartości kondensatorów są zapisywane zarówno zgodnie z powszechną konwencją, na przykład 1 μF, jak i z użyciem kodów trzycyfrowych, takich jak 105. Powinno to zmniejszyć liczbę błędów związanych z wybraniem niewłaściwej części z pudełka, ponieważ można porównać etykietę ze schematu z etykietą na części.

Wybór konstrukcji kondensatora Jeżeli nie zaznaczę inaczej, akceptowalne będą kondensatory: aluminiowy elektrolityczny dla pojemności 10 μF lub większej, tantalowy dla pojemności od 47 μF do 1 μF i ceramiczny lub plastikowy dla pojemności 1 μF i mniejszej (pomiędzy 10 μF i 47 μF można stosować kondensatory elektrolityczne albo tantalowe). W tekście związanym ze schematem zazwyczaj podany jest numer części, więc nie musisz zgadywać, jaka jest preferowana konstrukcja elementów.

Wybór napięcia i temperatury roboczej kondensatora Jeżeli nie zaznaczę inaczej, uznaję, że napięcie robocze kondensatora musi być dwukrotnie wyższe niż najwyższe napięcie, jakiemu będzie on poddawany. Na przykład kondensator podłączony do baterii o napięciu 12 V powinien być przeznaczony do napięcia roboczego (WV) równego 24 V. Kondensator podłączony do zasilacza stabilizowanego o napięciu 5 V powinien mieć co najmniej 10 WV. Czynnikami prowadzącymi do awarii kondensatora są w kolejności najczęstszego występowania: temperatura, napięcie i wiek. Jeżeli wybierzesz aluminiowy kondensator elektrolityczny o parametrach 6,3 WV, 2000 godzin i temperaturze maksymalnej 85 stopni Celsjusza (C) i będzie on działał pod napięciem 5 V w temperaturze 70 stopni, to jego czas działania może wynieść tylko 6000 godzin (poniżej roku ciągłej pracy). Kondensator 10 WV będzie pracował w tych samych warunkach dwa razy dłużej. Kondensator 10 WV działający w temperaturze 30 stopni będzie miał ponad 30 razy dłuższą oczekiwaną żywotność (180 000 godzin ciągłej pracy — około 20 lat) niż kondensator 6,3 WV działający w 70 stopniach. Umieszczając kondensatory w układzie, bierz pod uwagę potencjalne źródła ciepła. Silniki, baterie oraz zasilacze produkują całkiem dużo ciepła. Innego źródła ciepła nie można tak łatwo ominąć: kondensator generuje ciepło wewnątrz siebie w czasie normalnej pracy z powodu istnienia niewielkiej rezystancji — zwykle nazywanej zastępczą rezystancją szeregową (ESR). Spore ilości prądu wpływające do kondensatora i wypływające z niego powodują podniesienie jego temperatury. Dużo pomaga zachowanie odpowiednich odstępów i zapewnienie przepływu powietrza. Alternatywnym rozwiązaniem jest użycie kilku kondensatorów zamiast jednego, co pozwala zmniejszyć ciepło generowane przez każdy z nich. Informacje na temat napięcia roboczego oraz maksymalnej temperatury kondensatora można uzyskać od dostawcy lub producenta. Na przykład firma Digi-Key (http://www.digikey.com/) zamieszcza te informacje przy każdym kondensatorze dowolnego producenta. Jednak nie musisz być przewrażliwiony na punkcie ograniczeń kondensatorów. Po prostu upewnij się, że robot nie staje się zbyt gorący, i kupuj kondensatory o dwukrotnie większym napięciu roboczym niż to, którego się spodziewasz. Większość kondensatorów ma napięcie robocze 25 WV, 35 WV i większe, więc nie na potrzeby nadmiernie przejmować się napięciem roboczym w 12-woltowym robocie. Gdy korzystam z kondensatorów 16 WV lub 10 WV z powodu ich mniejszych rozmiarów, po prostu sprawdzam, czy na pewno są umieszczone w 5-woltowym układzie regulacji.

Oznaczenia diod LED oraz IR Na rysunku 6.5 pokazany jest symbol diody LED lub IR. Wszystkie diody są spolaryzowane. Na schematach katoda jest oznaczona linią, a anoda strzałką skierowaną w stronę katody (strzałka ta wskazuje również kierunek przepływu prądu).

95 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 6.5. Symbol i etykieta diody LED (po lewej). Symbol standardowej diody jest identyczny, ale nie ma wychodzących z niego strzałek emisji. Diody LED są spolaryzowane (po prawej). Zauważ, że spłaszczenie lub wycięcie na brzegu diody wskazuje przewód katody. Zwykle (ale nie zawsze) strona katody ma również odbłyśnik i krótszą nóżkę W diodzie LED katoda jest zazwyczaj fizycznie oznaczona przez spłaszczenie lub wycięcie na brzegu. Jeżeli nie, sprawdź katalog producenta lub użyj trybu testowania diod w multimetrze. Na schematach zamieszczonych w tej książce zaznaczony jest sugerowany kolor diody. Możesz wykorzystać diodę innego koloru, ale musisz pamiętać, że gdy później będę mówił o „zielonej” diodzie LED, w Twoim robocie może być to dioda niebieska1. W przypadku diody IR etykieta na schemacie zawiera informację o długości fali, co jest odpowiednikiem koloru, który zobaczylibyśmy gołym okiem. Użycie nieco innej długości fali, na przykład 940 nm zamiast 950 nm, nie powoduje zwykle problemów. Jednak użycie diody 880 nm zamiast 950 nm może sprawić, że układ nie będzie funkcjonował lub będzie funkcjonował nieprawidłowo. Unikaj kupowania urządzeń podczerwieni, na których nie jest oznaczona długość fali.

Oznaczanie innych elementów Wszystkie inne części, niewymienione do tej pory, są na tyle dobrze opisane w tekście, że łatwo będziesz mógł je kupić i stosować.

Definiowanie zasilacza Będziemy korzystać z konwencjonalnej notacji przepływu prądu, od punktu o wyższym napięciu — często oznaczanym symbolem plusa (+) dla urządzeń wrażliwych na polaryzację — do punktu o niższym napięciu. Punkt z najwyższym napięciem w zasilaczu jest nazywany biegunem dodatnim. Punkt z najniższym napięciem w zasilaczu jest nazywany masą (GND) lub 0 V. W książce tej nie są przedstawiane układy wymagające zasilacza z ujemnym napięciem (poniżej zera).

Upraszczanie etykiety bieguna dodatniego +

Większość elektryków oznacza bieguny dodatnie zasilacza w swoich schematach jako V , VCC lub VDD. W pewnym momencie definiują oni, że bieguny będą dostarczały napięcia pomiędzy 4,75 V a 5,25 V, pomiędzy 2 V a 6 V lub dowolnego innego, potrzebnego w układzie. Ta metoda przypisywania napięciu bieguna dodatniego reprezentacyjnej etykiety znacznie upraszcza definiowanie innych napięć bazujących na jego wartości. Na przykład w punkcie testowym układu poniżej diody może to być VDD – 1,2 V. Jest to znacznie prostsze niż pisanie „6 V – 1,2 V lub 2 V – 1,2 V”. 1

Pamiętaj, że diody o różnych kolorach cechują się różnym napięciem przewodzenia, co może mieć znaczenie w Twoim układzie. Np. niektórych diod niebieskich może nie dać się wysterować (czyli w praktyce zaświecić) z układu scalonego zasilanego napięciem 5 V — przyp. red.

96 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

Niestety, hobbyści (w tym ja) często nie rozumieją profesjonalnych etykiet źródeł prądu i wolą stosować wartości numeryczne. Z tego powodu umieszczam na schemacie +9 V (zakładając, że używana jest bateria 9 V), co symbolizuje nieregulowany dodatni biegun baterii wykorzystywany do zasilania silników robota, oraz +5 V (zakładając, że używany jest 5-woltowy układ stabilizatora) w celu oznaczenia stabilizowanego napięcia dodatniego zasilającego układy robota. Oczywiście, prawdziwa bateria 9 V daje napięcie 9,6 V, gdy jest nowa; napięcie to spada do 6 V (lub mniejszej wartości), gdy bateria się wyczerpie. Prawdziwy zasilacz stabilizowany pozwala na zmiany napięcia w górę i w dół najwyżej o kilka dziesiątych wolta, co nie powoduje zakłócenia pracy większości układów. Mój sposób oznaczania dodatnich biegunów, +5 V i +9 V, nie oznacza, że podane napięcia należy brać dosłownie. Jeżeli w Twoim układzie multimetr pokazuje na przykład 4,92 V zamiast 5 V lub 9,16 V zamiast 9 V, to napięcie mieści się w normalnym zakresie.

Oznaczanie masy i upraszczanie pocze Po lewej stronie rysunku 6.6 pokazany jest symbol masy (lub GND), a po prawej stronie tego rysunku układ z kilkoma połączeniami do uziemienia.

Rysunek 6.6. Symbol masy na schematach. Masa jest podłączona do ujemnego bieguna baterii (po lewej). Układ z wieloma połączeniami do bieguna dodatniego i do masy (po prawej). Układ ten — eliminator odbić przełącznika — pozwala wyczyścić zaszumiony sygnał generowany w momencie przyciśnięcia i zwolnienia przycisku SW1 Aby bardziej skomplikowane schematy nie wyglądały jak labirynt połączeń, źródła zasilania i masa są pokazywane w taki sposób, jakby nie były ze sobą połączone. Jednak w książce tej wszystkie źródła +5 V są traktowane jako połączone ze sobą; to samo dotyczy wszystkich punktów masy. Na przykład z rysunku 6.6 nie wynika, że potrzebujesz dwóch zasilaczy 5 V czy dwóch mas. Oba przewody +5 V są podłączone do tego samego źródła 5 V i oba przewody masy są podłączone do jednej masy zasilacza. W żadnym z robotów opisywanych w książce nie są stosowane podwójne lub dzielone zasilacze.

Uycie pytki stykowej W przypadku niemal wszystkich schematów prezentowanych w tej książce zamieszczam zdjęcie działającego układu zmontowanego na płytce stykowej (rysunek 6.7). Na zdjęciach widoczne są etykiety pozwalające dopasować części pokazane na schematach.

97 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 6.7. Układ z rysunku 6.6 zmontowany na płytce stykowej. Naciśnięcie przełącznika SW1 powoduje włączenie diody C1 i rozładowanie C1 do masy. Po zwolnieniu SW1 C1 powoli się ładuje do 5 V poprzez R1. Dzięki temu niewielki szum powodowany przez SW1 jest absorbowany przez C1 Zdjęcia mogą się przydać przy opracowywaniu układu elementów. Nie musisz jednak sugerować się nimi i możesz poukładać elementy w inny sposób, zachowując tylko połączenia ze schematu. Gorąco zalecam budowanie układów na płytce stykowej przed zmontowaniem ich w sposób trwały z użyciem lutownicy. Płytki stykowe dają możliwość eksperymentowania i szybkiego poprawiania błędów.

Wybór płytki stykowej Osobiście korzystam z płytki stykowej 3M z 840 otworami. Musisz wiedzieć, że większość wypróbowanych przeze mnie tanich płytek ma złącza, które nie pasują zbyt dobrze do otworów lub nie trzymają dobrze przewodów i nóżek. Jeżeli płytka stykowa sprawia problemy, korzystanie z niej może być frustrujące lub bezcelowe.

Konfigurowanie płytki stykowej Na zdjęciach znajduje się wystarczająco dużo danych, abyś mógł odtworzyć układ na dowolnej płytce i w dowolnej konfiguracji. Na pewno przyda Ci się opis tego, w jaki sposób konfiguruję swoją płytkę. Aby dostarczyć zasilanie do płytki, do śrub zaciskowych jest podłączona bateria lub jest podłączone inne źródło zasilania (rysunek 6.8). Dodatnia śruba zaciskowa — podłączona do dodatniego (+) bieguna baterii — jest podłączona do włącznika zasilania na płytce. Włącznik zasilania jest podłączony do najwyższego rzędu na płytce (może być podłączony do tego rzędu poprzez stabilizator napięcia). Najwyższy rząd płytki stykowej jest połączony z drugim rzędem od dołu, dzięki czemu masz łatwy dostęp do zasilania układów umieszczanych pośrodku płytki.

98 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

Rysunek 6.8. Standardowa konfiguracja płytki stykowej z 840 otworami. Płytka ta posiada włącznik zasilania i diodę LED, ale nie ma stabilizatora napięcia. Gdy jest włączane zasilanie, prąd z baterii jest doprowadzany do magistral dystrybucyjnych płytki. Do układów na płytce powinno być doprowadzone napięcie około 9 V Śruba zaciskowa masy — podłączona do ujemnego (–) bieguna baterii — jest podłączona bezpośrednio do rzędu drugiego od góry, bez pośrednictwa wyłącznika. Ten rząd płytki jest połączony z najniższym rzędem od dołu, dzięki czemu masz łatwy dostęp do masy dla układów umieszczanych pośrodku płytki. Lewa strona górnego i drugiego od góry rzędu jest połączona pośrodku płytki z prawą częścią, dzięki czemu prąd jest dostarczany do górnych i dolnych rzędów przez całą szerokość płytki. Rzędy te są często nazywane magistralą zasilania. „ Wskazówka Jeeli nadal nie wiesz, jak skonfigurowa pytk stykow i jak jej uywa , zajrzyj do rozdziaów 12. i 13. ksiki Budowa robotów dla pocztkujcych (Helion 2012).

Zasilanie pytki stykowej W większości moich eksperymentów zasilaniem jest akumulator niklowo-wodorkowy (NiMH) o napięciu 9 V. Zwykła bateria sprawia, że płytkę można swobodnie przenosić, ponadto zasilanie takie jest stosunkowo niedrogie, nawet gdy trzeba zaopatrzyć się w kilka baterii, aby móc korzystać z wielu niezależnie zasilanych płytek. Inną zaletą zasilania bateryjnego jest dokładne odwzorowanie warunków, w jakich układ będzie działał po zainstalowaniu go w robocie. Dodatkowo zasilanie bateryjne jest dosyć bezpieczne. Zwykła bateria 9 V ma za słabą energię, aby wyrządzić poważne szkody.

Wybór zasilacza sieciowego W przypadku długotrwałych eksperymentów lub takich, które wymagają niezmiennego napięcia, możesz użyć zasilacza sieciowego (rysunek 6.9). Większość sklepów dla majsterkowiczów oferuje zasilacze o regulowanym napięciu. Proste zasilacze są wystarczające do większości zastosowań hobbystycznych i nie posiadają żadnych zaawansowanych funkcji. Tak naprawdę mają one zastąpić zgubione zasilacze do domowych urządzeń.

99 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 6.9. Prosty zasilacz sieciowy (amerykański) z napięciem ustawianym na 3 V, 4,5 V, 6 V, 7,5 V, 9 V lub 12 V i dostarczającym do 800 mA prądu

Wybór profesjonalnego zasilacza sieciowego Jeżeli chcesz użyć czegoś lepszego niż prosty zasilacz, w sklepie elektronicznym możesz kupić profesjonalny zasilacz prądu stałego. Za cenę od 100 do 2000 zł otrzymasz zasilacz, który będzie posiadał kilka pokręteł pozwalających ustawić żądane napięcie i ograniczyć prąd maksymalny. Takie zasilacze mają zwykle wyświetlacze pokazujące dostarczane napięcie i natężenie prądu. Profesjonalne zasilacze mają kilka funkcji dodatkowych, takich jak zabezpieczenia przed zwarciem, przegrzaniem czy innym przeciążeniem. Mają one standardowe gniazdka na przewody, kable lub zworki testowe. Dodatkowo znacznie lepiej stabilizują napięcie, nawet jeżeli są poddawane zmiennemu obciążeniu i szumom elektrycznym. Wiele z nich jest wyposażonych w filtry redukujące falowanie prądu AC do pomijalnego poziomu. Profesjonalne zasilacze mają jeszcze dwie ważne cechy. Po pierwsze, mają możliwość ustawienia dowolnego napięcia, na przykład 4,67 V, dzięki czemu nie jesteśmy ograniczeni do zdefiniowanych wartości, takich jak 4,5 V lub 5 V. Po drugie, potrafią dostarczyć znacznie większe natężenie prądu (od 1,5 do 10 amperów) niż proste zasilacze (zwykle dostarczające od 0,1 do 1 ampera). Lepsze zasilacze mają również tryb stałego natężenia prądu. W takim przypadku zasilacz dostarcza do podłączonego układu takie samo natężenie prądu, automatycznie zmieniając napięcie. Jest to przydatne przy ładowaniu niektórych rodzajów baterii lub określaniu spadku napięcia na półprzewodnikach w różnych warunkach. Wadą profesjonalnych zasilaczy są ich rozmiary i koszt.

Przystosowanie zasilaczy z urządzeń domowych Przy zachowaniu ostrożności możliwe jest wykorzystanie zasilaczy z niepotrzebnych urządzeń domowych. Unikaj zasilaczy, które wyglądają na uszkodzone, wydzielają dym lub dźwięki, przegrzewają się lub dziwnie pachną. Na etykiecie powinien znajdować się symbol certyfikatu Underwriters Laboratory (UL) lub Conformité Européenne (CE). Używane zasilacze powinny mieć zaznaczone napięcie oraz maksymalny prąd (którego nie należy przekraczać). Napięcie wyjściowe powinno być oznaczone jako DC. Tak jak w przypadku każdego źródła zasilania, przed użyciem zasilacza musisz określić jego polaryzację.

100 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

W przeciwieństwie do stabilizowanych zasilaczy uniwersalnych i profesjonalnych zasilacze z urządzeń domowych nie są stabilizowane. Zamieniają one prąd zmienny dostępny w gniazdku w prąd stały o zadeklarowanym napięciu. Jeżeli na etykiecie jest informacja „9 V DC”, zasilacz w praktyce będzie dawał napięcie od 8 do 10 V, w zależności od tego, czy napięcie w sieci ma wartość 220, czy 230 V (lub z przedziału 220 – 230 V). Jeżeli ktoś w domu włączy odkurzacz i lampy przygasną, to generowane przez zasilacz napięcie może spaść do poziomu nawet 6 V. Brak stabilizacji powoduje, że napięcie wyjściowe zmienia się w zależności od obciążenia zasilacza. Na przykład zasilacz oznaczony 6 V 500 mA może w rzeczywistości dostarczać 10 V przy obciążeniu rzędu 5 mA.

Ryzyko porażenia Unikam eksperymentów z prądem zmiennym i zwykle nie zmieniam niczego, co włącza się do gniazdka elektrycznego. Zabawę z 230 V zostawiam profesjonalistom. Trzeba pamiętać, że w porównaniu z baterią domowa instalacja elektryczna ma nieskończoną wydajność. Nie chciałbym, aby ludzie w biurze plotkowali o znanym im hobbyście amatorze, który zginął w wyniku porażenia prądem. Mogę sobie wyobrazić te efekty dźwiękowe. Jeżeli Cię zniechęciłem, to świetnie! Pozostańmy przy zwykłych bateriach. Jeżeli nie chcesz, mogę tylko powiedzieć jak prawnik: kontynuujesz na własne ryzyko.

Dodanie kilku udogodnie Wróćmy do płytki stykowej. Po prawej stronie płytki znajdują się wyłącznik i kontrolna dioda LED. Większość moich płytek posiada również stabilizator 5 V, wraz z wymaganymi kondensatorami, zmieniający dostarczane przez baterię napięcie z zakresu 6 V – 9,6 V na stałe, czyste 5 V zasilające układy (rysunek 6.10). W następnym rozdziale opisuję szczegółowo stabilizatory napięcia.

Rysunek 6.10. Wyłącznik i stabilizator napięcia wraz z kondensatorami, zapewniający czyste 5 V z baterii 9 V Większość diod LED dostępnych na rynku ma kolorowe lub przezroczyste soczewki. W przypadku kolorowych soczewek czasami jednak trudno zorientować się, czy dioda jest włączona. Przezroczyste soczewki skupiają światło w przód, przez co patrząc z boku, trudno określić, czy dioda świeci, czy nie. Ponadto gdy się patrzy prosto w przezroczystą soczewkę, bardzo jasne diody LED powodują ból oczu.

101 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W swoich płytkach stykowych korzystam ze sprytnie przygotowanych diod LED. Biorę bardzo jasną diodę LED z przezroczystą soczewką i szlifuję ją papierem ściernym o numerze 400 (dostępnym w większości sklepów z narzędziami). Nie używaj papieru o wyższych numerach, ponieważ tworzy on bruzdy i zarysowania w obudowie diody, zamiast tylko ją matować. Aby uniknąć zaklejania papieru, można go zmoczyć wodą. Na rysunku 6.11 pokazana jest para diod LED, które były wcześniej identyczne. W przypadku zmatowanej diody LED łatwiej jest określić, czy jest ona włączona, czy wyłączona.

Rysunek 6.11. Niezmieniona przezroczysta soczewka kontra lekko zmatowana przezroczysta soczewka, zgaszona (lewa para) i zaświecona (prawa para)

Oscylogramy Czasami układ wykonuje funkcję, której działanie najlepiej zobaczyć na oscyloskopie. Oprócz schematów i zdjęć płytek stykowych w książce tej czasami zamieszczam interesujące oscylogramy (rysunek 6.12).

Rysunek 6.12. Oscylogram z układu pokazanego na rysunkach 6.6 i 6.7 (we wcześniejszej części rozdziału). Jak wynika z pomiaru w punkcie PT1, zwykły przycisk nie powoduje włączenia napięcia w elektrycznie czysty sposób, jeżeli z układu usuniemy kondensator C1. Po zainstalowaniu C1 wzrost napięcia jest płynny, co eliminuje skoki mogące sugerować wielokrotne naciśnięcia przycisku Oscylogramy mają za zadanie pokazać fascynujący świat elektroniki, który nie jest dostępny dla wielu hobbystów, którzy zwykle nie posiadają oscyloskopu. Zamieszczając te odczyty, nie sugeruję, że do budowania układów z tej książki jest potrzebny oscyloskop.

102 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

Wykorzystanie nowoczesnej elektroniki Jako konstruktorzy robotów mamy to szczęście, że żyjemy w okresie szybkiego wzrostu wydajności, niezawodności, funkcjonalności, odporności i miniaturyzacji urządzeń elektronicznych połączonego ze spadkiem cen i zapotrzebowania na prąd. Projektanci robotów powinni korzystać z rozwiązań tworzonych przez genialnych inżynierów pracujących na wielomiliardowym rynku elektroniki.

Przeskoczenie bariery krzywej doświadczenia Jedną z najważniejszych przeszkód przy adaptacji nowej technologii jest krzywa doświadczenia. Jeżeli znasz jakąś określoną część, masz mniejszą ochotę na uczenie się stosowania nieco tylko lepszej części, chyba że działa ona i może być użyta w niemal identyczny sposób (zgodność wstecz). Dodatkowo komponentu takiego najprawdopodobniej nie wykorzystasz do momentu zapoznania się z instrukcjami i przykładami układów od znajomego, z dokumentacji dostarczanych przez producenta albo z witryny WWW.

Unikanie przestarzałych technologii Ciekawe, że łatwo można znaleźć książki i strony WWW, w których żąda się od hobbystów używania przestarzałych części. Szczególnie dobrze to widać przy układach sterowników silników, regulatorach napięcia i układach logicznych. Hobbyści nie przejmują się niektórymi atrybutami tych układów, które biorą pod uwagę zawodowi elektronicy. Hobbyści chcą wykorzystać część, która pojawiła się w jednym z układów wykonanych przez autora. Niestety, to inżynierowie produkcji masowej rządzą rynkiem, więc hobbyści muszą za nimi nadążyć. Wszystkie układy logiczne zaprezentowane w tej książce są szybkimi układami CMOS lub lepszymi (HC, VHC, AC). Nie próbuj ich zastępować układami bipolarnymi (LS), starszymi układami CMOS (C) czy układami CMOS zgodnymi z TTL (HCT bądź ACT). Jednak niektóre roboty ugrzęzły w świecie 5 V, więc nie próbuj ich zastępować nowszymi układami niskonapięciowymi (3,3 V, 2,5 V lub — uchowaj Boże — 1,8 V).

Użycie komponentów do montażu powierzchniowego Zazwyczaj projektuję moduły na płytce stykowej, a następnie łączę je z przetestowanymi wcześniej modułami na płytce drukowanej, którą wytrawiam w swojej piwnicy. W zasadzie porzuciłem lutowanie metodą punkt-punkt, poza bardzo małymi płytkami, takimi jak płytki sensorów umieszczone na brzegach robota. Dzięki temu to, że przemysł porzucił produkcję komponentów przewlekanych i że trzeba korzystać niemal wyłącznie z komponentów montowanych powierzchniowo, nie jest dla mnie tak kłopotliwe, jak dla początkujących lub zapalonych projektantów układów przewlekanych. „ Wskazówka Instrukcja wykonywania wasnych pytek drukowanych jest dost pna na stronie http://www.robotroom.com/PCB.html (wielko liter ma znaczenie).

Zmniejszanie projektu na potrzeby montau powierzchniowego Komponenty do montażu powierzchniowego (SMT lub SMD) są zaprojektowane tak, aby można było je przylutować do podkładki miedzianej znajdującej się po tej samej stronie płytki. Komponenty przewlekane mają nóżki (przewody), które wstawia się do otworów przechodzących przez płytkę, i są lutowane po przeciwnej stronie. Komponenty przewlekane są większe i łatwiejsze do przytrzymania w czasie lutowania.

103 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Poza kondensatorami o dużej pojemności różnica pomiędzy układami montażu powierzchniowego a przewlekanymi jest zwykle spora (rysunek 6.13). Jednak można zauważyć, że oprócz oczywistej oszczędności miejsca przy zastosowaniu technologii montażu powierzchniowego kształt płytki zmienił się z poziomego na pionowy. Wynikowe płytki są węższe, ale dłuższe.

Rysunek 6.13. Komponenty przewlekane (po lewej stronie pary) obok ich odpowiedników montowanych powierzchniowo (po prawej stronie pary). Bipolarne tranzystory NPN 2222A, rezonatory kwarcowe 32,768 kHz, diody LED, inwertery 74AC14 (górny rząd). Aluminiowe kondensatory elektrolityczne 100 μF 25 V, kondensatory tantalowe 22 μF 20 V, kondensatory ceramiczne 0,1 μF, rezystory 10 k (dolny rząd) Innym czynnikiem powodującym utratę miejsca jest brak możliwości prowadzenia ścieżek pod elementami montowanymi powierzchniowo. Użycie rezystorów przewlekanych było doskonałym sposobem na przeskoczenie ponad kilkoma ścieżkami (tworzyła się w ten sposób dodatkowa warstwa), co pozwalało uniknąć przenoszenia ścieżek na przeciwną stronę i z powrotem. Produkowane masowo płytki drukowane do montażu powierzchniowego (PCB) mają często cztery i więcej warstw z metalizowanymi otworami przepustowymi, więc przenoszenie ścieżek nie jest na nich problemem. Miejsce tracimy także z powodu dużej gęstości rozmieszczenia wyprowadzeń układów scalonych do montażu powierzchniowego — ścieżki muszą być prowadzone w dużej odległości od układu, aby zapewnić miejsce na manewrowanie i tworzenie połączeń. Po prostu pomiędzy maleńkimi wyprowadzeniami nie ma dość miejsca, aby wcisnąć między nie mały kondensator lub rezystor. Zamiast tego ścieżki od wyprowadzeń układu scalonego muszą zostać poprowadzone dalej od niego do miejsca, gdzie jest wystarczająco dużo przestrzeni, aby odsunąć je dalej od siebie. Całkowita powierzchnia zajmowana przez te dodatkowe ścieżki często przekracza powierzchnię wymaganą dla montażu układu w obudowie DIP.

Poegnanie z komponentami przewlekanymi Komponenty montowane powierzchniowo są bardzo łatwe do instalacji przez maszyny. To paradoksalne, jak części zaprojektowane do rozmieszczania ich przez roboty przemysłowe (w zautomatyzowanym procesie produkcji) mogą utrudnić budowanie robotów! W procesie produkcji dodatkową zaletą części montowanych powierzchniowo jest możliwość ich masowego lutowania. Jest to realizowane przez umieszczenie na płycie pasty lutującej, upuszczenie części na właściwe miejsca przez maszynę rozmieszczającą, a następnie rozgrzanie całej płytki, dzięki czemu pasta lutująca roztapia się jednocześnie na całej płytce.

104 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 6. „ STANDARDY STOSOWANE W ELEKTRONICE ORAZ PRZYGOTOWANIE DO EKSPERYMENTÓW

Poza komponentami o dużej mocy, przeznaczonymi do pracy przy dużym napięciu, oraz komponentami, na które działają siły fizyczne (przełączniki i gniazda), obudowy przewlekane przestają być stosowane. Obecnie najnowsze układy zazwyczaj nie są oferowane w obudowach przewlekanych. Co smutniejsze, przewlekanych odmian starszych komponentów też nie ma już w sprzedaży. Powoduje to, że części w obudowach przewlekanych stają się droższe niż części w obudowach do montażu powierzchniowego lub w ogóle nie są dostępne.

Korzystanie z komponentów do montau powierzchniowego Jeżeli posiadasz płytkę drukowaną (w przeciwieństwie do płytki stykowej lub płytki perforowanej do lutowania), możesz ręcznie przylutować większość komponentów do montażu powierzchniowego. Osobiście używam wykałaczki do nałożenia niewielkiej kropli kleju silikonowego pod każdym z elementów, umieszczam pęsetą komponenty, a gdy klej wyschnie, lutuję je do miedzianych ścieżek. Lutowanie komponentów do montażu powierzchniowego nie jest tak trudne, wystarczy dobre oświetlenie, bystry wzrok i pewna ręka. Wymaga to tylko nieco praktyki. Naprawdę! W przypadku układów scalonych do montażu powierzchniowego z dużą liczbą wyprowadzeń możesz nałożyć niewielką linię lutu jednocześnie na wszystkie wyprowadzenia w jednym rzędzie. Następnie dodaj nieco płynnego topnika i ponownie ogrzej nóżki. Jeżeli nie nałożyłeś przesadnie dużo lutu, przylgnie on prawidłowo do poszczególnych nóżek i ścieżek, dzięki czemu będziesz miał czysty, doskonale przylutowany układ bez mostków z lutu. Jeśli to się nie sprawdzi, użyj odsysacza do usunięcia nadmiaru lutu lub nałóż lut na miedzianą ścieżkę czubkiem lutownicy.

Przeksztacenie komponentów montau powierzchniowego na przewlekane Aby możliwe było eksperymentowanie z komponentami montowanymi powierzchniowo na płytce stykowej, dostępne są płytki z nóżkami do montażu powierzchniowego (rysunek 6.14).

Rysunek 6.14. Dostępne w firmach Digi-Key i Electronix Express płytki do montażu powierzchniowego pozwalają przekształcić komponenty montażu powierzchniowego na przewlekane Dostępne są również złożone płytki drukowane (rysunek 6.15) z polami do montażu powierzchniowego podłączonymi do otworów (zamiast nóżek), pozwalające na eksperymentowanie. Zwykle płytki takie mają wiele różnych obszarów dopasowanych do różnych rodzajów części, dzięki czemu możesz użyć ich fragmentu czy nawet wyciąć z nich odpowiednie sekcje. Oczywiście, możesz też zawsze wytrawić własną płytkę adaptującą do montażu powierzchniowego.

105 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 6.15. Duża płytka z wieloma różnymi polami do różnych rodzajów komponentów do montażu powierzchniowego. Każda ścieżka jest doprowadzona do otworu lub otworów, do których można podłączyć przewody. Pola do montażu powierzchniowego kondensatorów i rezystorów są otoczone przez pola do montażu układów scalonych. Projektant tej płytki przewidział wiele komponentów pomocniczych potrzebnych w większości układów scalonych

czenie rónych technologii montau Teoretyczną zaletą użycia komponentów do montażu powierzchniowego jest brak konieczności wiercenia tak dużej liczby otworów w płytkach drukowanych. Niestety, czasami wymagane jest wywiercenie otworów przelotkowych w celu ominięcia obszarów zatłoczonych przez ścieżki. Jednak nikt Ci nie zabrania użycia opornika 0  (lub kawałka drutu) do wykonania połączenia ponad ścieżkami płytki drukowanej. Co lepsze, mieszanie komponentów montażu powierzchniowego z przewlekanymi pozwala uzyskać najlepiej zaprojektowane układy. Łączenie takie może powodować problemy z wykonywaniem płytek, ale nie jest to kłopot w unikalnych projektach robotów. W ostatnich kilku latach niemal wszystkie swoje roboty zbudowałem z użyciem różnych technologii montażu. Ze względu na czytelników układy zaprezentowane w tej książce są zbudowane wyłącznie z komponentów przewlekanych, jeżeli tylko takowe były dostępne.

Miniaturyzacja poniej poziomu montau rcznego Niestety, komponenty do montażu powierzchniowego z czasem stają się coraz mniejsze. Ich wyprowadzenia stają się coraz cieńsze i coraz gęściej upakowane. W przypadku niektórych technologii montażu powierzchniowego, takich jak BGA, niemal niemożliwe jest lutowanie ręczne (może z wyjątkiem zastosowania piekarnika). Wkrótce nadejdzie dzień, szybciej, niż myślisz, gdy będziesz mógł kupić maszynę prototypującą, pozwalającą korzystać z dostępnych komponentów elektronicznych. Mogę to sobie wyobrazić: będzie to zintegrowany cyfrowy multimetr z oscyloskopem, miniaturowa, sterowana komputerowo (CNC) frezarka, maszyna do lutowania z automatycznym umieszczaniem komponentów, a na Twoim laptopie zainstalowane będzie oprogramowanie do tworzenia schematów, projektowania CAD oraz przeprowadzania symulacji. Być może to robot wykona za Ciebie wszystkie zadania.

Podsumowanie W rozdziale tym omówiłem konwencje oznaczania elementów stosowane w schematach zamieszczanych w książce. Schematy zwykle są uzupełniane zdjęciami układów zmontowanych na płytce stykowej (z 840 otworami), skonfigurowanej zawsze w jednakowy sposób. Dla wszystkich komponentów używanych w książce zostały zdefiniowane minimalna moc oraz napięcie robocze, które powinny być zachowane, o ile przy konkretnym układzie nie będzie innej informacji. W rozdziale tym zamieściłem standardowe informacje na temat komponentów i technologii układów scalonych. Na koniec, w celu ułatwienia prototypowania, zaleciłem wybór komponentów w obudowach przewlekanych, o ile są dostępne. Teraz czas na przedstawienie kilku układów, które są często wykorzystywane w robotach. 106 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7 „„„

Budowa zasilacza z liniowym stabilizatorem napicia Klasyczny stabilizator +5 V – 7805, zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii, stabilizatory o niskim spadku napięcia, ulepszone zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii, zasilacz regulowany, porównanie różnych układów W rozdziale tym nauczysz się, jak zbudować i zbadać zasilacz z liniowym stabilizatorem napięcia +5 V, który zapewnia stałe napięcie dla układów scalonych, sensorów i obwodów. Choć niektóre roboty, takie jak niskonapięciowy robot na energię słoneczną, mogą działać przy zmiennym napięciu, to jednak większość wymaga takiego źródła, jakie jest omówione w tym rozdziale.

Stabilizatory napicia Napięcie baterii stale się zmniejsza wraz z jej rozładowywaniem, jak również zmniejsza się chwilowo w przypadku jej silnego obciążenia (na przykład w momencie uruchomienia silnika). Dodatkowo podstawowe reakcje chemiczne zachodzące w baterii określają minimalne i maksymalne napięcie, jakiego może ona dostarczać. Dlatego nie można polegać na samej baterii ani przy wyborze napięcia, ani przy dostarczaniu stałego napięcia. Energia pobierana bezpośrednio z baterii to niestabilizowane źródło zasilania. Niestabilizowane zasilanie jest zwykle podłączane do silników i innych bardzo obciążających urządzeń, aby dostarczyć im maksymalną moc. Stabilizowanie napięcia jest techniką modyfikowania zmiennego, niestabilizowanego napięcia z baterii w celu uzyskania czystego źródła zdefiniowanego, stałego napięcia. Stabilizacja napięcia powoduje, że znacznie łatwiejsze jest obliczanie prądu, mocy itp. w obwodzie, ponieważ w równaniach można użyć stałej wartości napięcia. Energia pobierana z wyjścia ze stabilizatora napięcia to stabilizowane źródło zasilania. Aby uniknąć błędów logiki lub niepewnych odczytów z czujników, napięcie stabilizowane jest zwykle dostarczane do układów scalonych, sensorów i innych złożonych lub delikatnych obwodów. Istnieją dwa podstawowe typu stabilizatorów napięcia: liniowe i impulsowe. Stabilizatory impulsowe dzielimy na obniżające lub podwyższające napięcie. Istnieją również stabilizatory złożone, które zawierają stabilizator impulsowy podwyższający napięcie, podłączony do wejścia stabilizatora liniowego. Na razie skupimy się na najprostszym typie — liniowym stabilizatorze napięcia. Ponieważ wszystkie roboty omawiane w tej książce korzystają z układów o napięciu 5 V, zajmiemy się stabilizatorami dostarczającymi stałego napięcia 5 V. W punkcie „Regulowany stabilizator napięcia LM1117” będzie mowa o układzie pozwalającym regulować stabilizowane napięcie.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zasilacze z liniowym stabilizatorem napicia Zasilacz z liniowym stabilizatorem napięcia wymaga dostarczenia nieregulowanego napięcia, które jest wyższe niż oczekiwane stabilizowane napięcie. Na przykład bateria 9 V może dostarczać zasilanie do liniowego stabilizatora dającego napięcie 5 V. Jednak dwie baterie R6 (AA) dające razem 3 V nie są wystarczające dla takiego stabilizatora napięcia. Stabilizator napięcia rozprasza nadmiar energii w postaci ciepła. Gdy otrzymuje 9 V, rozprasza 4 V (razy natężenie) w postaci ciepła. Oczywiście nie jest to efektywne rozwiązanie. W tym przykładzie stabilizator daje 5 V, co podzielone przez 9 V daje efektywność równą 55%. Niemal połowa energii zgromadzonej w baterii zostanie zmarnowana. Jednak liniowe stabilizatory napięcia są względnie tanie, wymagają niewielu dodatkowych komponentów i generują małe zakłócenia elektryczne. Cały układ jest łatwy do zbudowania i zajmuje bardzo mało miejsca. Liniowe stabilizatory napięcia są popularne w następujących zastosowaniach: x szybkie, małe i proste układy, x tanie, masowe produkty, takie jak niedroga elektronika domowa, x układy potrzebujące niewielkiego (100 mA lub mniej) prądu, x napięcie stabilizowane jest niewiele mniejsze niż napięcie niestabilizowane.

Stabilizator napięcia 7805 Popularny stabilizator napięcia 7805 jest komponentem tanim, dobrze udokumentowanym i powszechnie dostępnym. Istnieje wiele odmian układu 7805, ale najłatwiej jest kupić 7805C, 7805CT, 7805T i 78L05 (rysunek 7.1).

Rysunek 7.1. Stabilizator 7805C w obudowie przewlekanej TO-220, który może dostarczyć prądu o natężeniu do 1 A (po lewej). Stabilizator 78L05 w obudowie przewlekanej TO-92, który może dostarczyć prądu o natężeniu do 100 mA (po prawej) Prawdopodobnie każda odmiana układu 7805 (7805B, 7805K, 78M05 itd.) będzie działała w obwodach prezentowanych w tym rozdziale — niestety, nie przetestowałem tego. Jeżeli korzystasz ze stykowej płytki prototypowej, upewnij się, że obudowa jest z nią zgodna. Na przykład ani grube nóżki obudowy TO-3, ani płaskie i cienkie nóżki obudowy do montażu powierzchniowego nie pasują do płytki stykowej. 108 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Układ 7805CT/7805T w obudowie TO-220 dostarcza prądu o natężeniu do 1 A. Układ 78L05 w obudowie TO-92 dostarcza prądu o natężeniu do 100 mA. Poza różnicą w maksymalnym prądzie wyjściowym układy 7805CT i 78L05 działają identycznie. Jeżeli w układzie potrzeba tylko 100 mA, możesz zaoszczędzić miejsce i kilka groszy, wybierając układ 78L05.

Ukad zasilania o napiciu 5 V korzystajcy ze stabilizatora 7805 Na rysunku 7.2 zamieszczony jest ogólny schemat układu zasilania bazującego na stabilizatorze 7805.

Rysunek 7.2. Schemat prostego modułu zasilania bazującego na układzie 7805 Wartości kondensatorów zostały zwiększone w stosunku do wartości sugerowanych, aby obwód ten miał taki sam spadek napięcia jak pozostałe stabilizatory, które będą przedstawione w dalszej części rozdziału. Warto wspomnieć, że zgodnie ze specyfikacją producenta układ 7805 działa w sposób akceptowalny również bez żadnego kondensatora Jak widać na rysunku 7.2, nie ma tu zbyt dużo części. Wystarczy podłączyć od 7 V do 20 V i na wyjściu otrzymujemy 5 V. Rezystor R1 oraz dioda LED1 są pierwszymi elementami, które korzystają ze stabilizowanego źródła prądu do sygnalizacji pracy urządzenia. Układ VR1 to 7805. Dodatnie niestabilizowane napięcie jest podłączone do nóżki nr 1 (lewa nóżka). Dodatnie stabilizowane napięcie 5 V uzyskujemy z nóżki 3. (prawa nóżka). Nóżka nr 2 (środkowa) jest podłączona do masy.

109 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wsparcie dla baterii i stabilizator napięcia Elementy C1 oraz C2 to kondensatory. Ich rolą jest gromadzenie i uwalnianie elektryczności w celu wygładzenia szumu, przepięć i spadków. Bez użycia kondensatorów układ 7805 nadal będzie dawał napięcie 5 V, ale nie będzie tak szybko reagował na zmiany w poborze i dostarczaniu prądu, więc nie zapewni odpowiednio czystego stabilizowanego napięcia. Działanie tych kondensatorów jest dosyć proste. C1 jest podłączony do baterii. Po przełączeniu włącznika zasilania (SW1) C1 ładuje się do napięcia baterii. Jeżeli wystąpi krótkotrwałe zwiększone zapotrzebowanie na energię, napięcie baterii może nieco spaść. C1 będzie miał wtedy nieco wyższe napięcie niż obciążona bateria, więc część zgromadzonej w C1 energii wypłynie, wspomagając baterię w zadaniu zasilania VR1. W układzie tym C1 ma tak małą wartość, że jego szybkość wygładzania szumów elektrycznych jest użyteczniejsza niż jego całkowita pojemność do przechowywania rezerw energii. Kondensatory reagują znacznie szybciej niż baterie. Doskonale nadają się do przechowywania i błyskawicznego uwalniania małych porcji energii. W normalnych warunkach kondensatory mogą być stale ładowane i rozładowywane przez dziesiątki lat. Kondensatory są względnie małe, więc mogą być umieszczone bezpośrednio obok układu lub komponentu, który mają wspierać. Można o nich myśleć jak o szybkiej, niewielkiej, prywatnej baterii z możliwością ładowania. C2 działa w ten sam sposób co C1, ale jest podłączony do wyjścia stabilizatora napięcia. Po przełączeniu włącznika zasilania (SW1) C2 ładuje się do napięcia 5 V zapewnianego przez stabilizator. Gdy układy robota tymczasowo będą potrzebowały więcej prądu, niż może dostarczyć stabilizator, jego napięcie spadnie poniżej 5 V, czyli nieco poniżej poziomu napięcia kondensatora C2, zatem rozładowanie kondensatora uzupełnia krótkotrwałe zapotrzebowanie układu. Zarówno C1, jak i C2 mają stosunkowo niewielką pojemność. Z tego powodu nie są w stanie dostarczać energii przez dłuższy czas. Świetnie nadają się do absorbowania przepięć (ładowanie) oraz pokrywają spadki napięcia (rozładowując się w celu wsparcia zasilania). Jednak ich całkowita pojemność jest zbyt mała, aby dostarczyć zasilania przez dłuższy czas po wyłączeniu zasilania przełącznikiem lub po odłączeniu baterii. Jeżeli chcesz, możesz zwiększyć pojemności tych kondensatorów. Jeżeli nie masz pod ręką kondensatora 1 μF i 22 μF, możesz użyć podobnych. W tym przypadku można bez problemu stosować kondensatory o „wystarczająco bliskich” pojemnościach.

Zabezpieczanie stabilizatora napięcia przed odwrotnym przepływem prądu Dioda D1 znajdująca się na rysunku 7.2 jest opcjonalnym zabezpieczeniem. Jeżeli ktoś odłączy baterię przy włączonym przełączniku zasilania, a następnie podłączy przewód napięcia niestabilizowanego do masy, to nieregulowane napięcie wejściowe stabilizatora (nóżka 1.) spadnie do 0 V. Bez zastosowania diody D1 energia zgromadzona w kondensatorze C2 (i wszystkich innych kondensatorach robota) będzie próbowała popłynąć wstecz, poprzez nóżkę 3., do nóżki 1. stabilizatora. Zgodnie z informacją producenta prąd wsteczny może zniszczyć układ 7805, jeżeli całkowita pojemność po stronie regulowanej przekracza 10 μF. Umieszczenie diody D1 ponad VR1 powoduje, że każdy wsteczny przepływ przejdzie przez diodę, a nie przez stabilizator napięcia. Niestety, D1 zapewnia również doskonałą ścieżkę, aby prąd z odwrotnie podłączonej baterii gwałtownie przepłynął przez układ. Jest to jedna z samolubnych technik zabezpieczających stosowanych przez producentów. Reszta układu może się usmażyć, ale stabilizator to przeżyje! Zamiast tego wolę korzystać z układu przedstawionego na rysunku 7.3. Teraz dioda D1 chroni przed odwrotnym podłączeniem baterii (prąd nie może popłynąć, ponieważ ma on przeciwny kierunek do tego, który umożliwia dioda D1) oraz uziemieniem przewodu zasilania (prąd z kondensatorów również nie może popłynąć, ponieważ jest przeciwny do tego, na jaki pozwala dioda D1). Wadą jest jednak spadek napięcia pomiędzy 0,3 V a 0,45 V na diodzie, gdy prąd płynie we właściwym kierunku.

110 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Rysunek 7.3. Zmieniony schemat modułu zasilania bazującego na 7805, zawierającego zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii Dioda D1 z rysunku 7.2 ma symbol 1N4002 (koszt około 25 gr w wysyłkowych sklepach elektronicznych). Dioda D1 z rysunku 7.3 ma symbol 1N5817 (koszt około 60 gr w wysyłkowych sklepach elektronicznych). Różnica pomiędzy tymi diodami jest taka, że 1N4002 jest tańsza i przepuszcza mniej prądu w odwrotnym kierunku (0,5 mA w stosunku do 10 mA w najgorszym razie dla 1N5817). Jednak dioda 1N5817 ma znacznie niższy spadek napięcia (0,45 V w stosunku do 1,1 V w najgorszym razie dla 1N4002). Jeśli chodzi o schemat 7.2, spadek napięcia nie ma znaczenia, ponieważ gdy układ jest normalnie użytkowany, prąd nie płynie przez tę diodę. W przypadku rysunku 7.3 spadek napięcia występuje stale w czasie normalnego użytkowania. W dalszej części rozdziału, w punkcie „Użycie układu MOSFET zamiast 1N5817”, przedstawiłem metodę ochrony przed odwrotnym podłączeniem baterii niepowodującą znacznego spadku napięcia. Jednak użycie diody jest prostą, niedrogą i popularną metodą zabezpieczenia.

Budowanie zasilacza bazujcego na stabilizatorze 7805 Korzystając z płytki stykowej, można bardzo łatwo zbudować układ zasilacza z liniowym stabilizatorem napięcia, oparty na układzie 7805. Na rysunku 7.4 zasilacz ten został zamontowany po prawej stronie płytki stykowej z 840 otworami, ponieważ po tej stronie są zamontowane śruby zaciskowe. Jedyną wadą umieszczenia części w tym miejscu jest konieczność zainstalowania układu 7805 etykietą w przeciwną stronę, jak pokazano na rysunku 7.4 (płytką metalową do przodu), lub potrzeba użycia kilku przewodów łączących w celu uzyskania odpowiedniej kolejności nóżek. Czytelnicy książki Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012) rozpoznają układ płytki stykowej. Bateria, wyłącznik, dioda LED oraz przewody rozprowadzające są tutaj takie same. Dodanie układu stabilizatora napięcia zapewnia stałe napięcie +5 V na płytce, w przeciwieństwie do niestabilizowanego napięcia od 6 V do 9,6 V z baterii w mojej poprzedniej książce.

111 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 7.4. Zasilacz bazujący na stabilizatorze 7805 z zabezpieczeniem przed odwrotnym podłączeniem baterii. Układ został zmontowany po prawej stronie płytki stykowej

Przepływ prądu w zasilaczu bazującym na stabilizatorze 7805 Niestabilizowane napięcie z dodatniego bieguna baterii (nie jest pokazana) przepływa przez wyłącznik zasilania (SW1), przez diodę zabezpieczającą przed odwrotnym przepływem prądu (D1) do kondensatora filtrującego napięcie baterii (C1) oraz przez stabilizator napięcia (VR1). Stabilizator napięcia (VR1) podaje 5 V do kondensatora rezerwy energetycznej stabilizatora (C2) i do reszty układów na płytce. Przewody na płytce stykowej doprowadzają napięcie do górnej i dolnej magistrali dystrybucyjnej. Prąd o napięciu 5 V z dolnej magistrali dystrybucyjnej płynie przez opornik ograniczający prąd (R1) do diody LED (LED1) sygnalizującej pracę układu i z powrotem do masy. Prąd powracający przez magistralę dystrybucyjną jest podłączony do ujemnego bieguna baterii (nie jest pokazana). Zwróć uwagę, że masa nie jest „stabilizowana”. Stabilizowane jest wyłącznie napięcie dodatnie. Masa ma potencjał 0 V i jest podłączona zarówno do układów stabilizowanych, jak i niestabilizowanych. Takie poprowadzenie masy jest często nazywane wspólną masą.

Wybór kondensatorów dla zasilacza ze stabilizatorem 7805 C1 służy jako filtr zakłóceń elektrycznych, zatem ważna jest szybkość reakcji tego kondensatora. Ponieważ C1 jest podłączony do napięcia niestabilizowanego, wymagane jest użycie elementu o wyższym napięciu pracy niż maksymalne napięcie nieregulowane. Z tego powodu idealnym wyborem jest kondensator wykonany z folii metalowej o pojemności wymaganej dla C1. Dobrym wyborem jest kondensator z metalizowanego poliestru o pojemności 1 μF i napięciu pracy 63 V, z okrągłymi nóżkami o rozstawie 5,08 mm (cena około 1 zł). Alternatywą dla kondensatora z folii metalowej może być ceramiczny kondensator monolityczny o napięciu roboczym 50 V (cena około 10 gr). C2 działa jako rezerwowy magazyn energii, więc ważne jest zastosowanie większej wartości pojemności. Jednak ponieważ jest podłączony do 5 V, jego robocze napięcie pracy może wynosić 10 V. Tego typu aluminiowe kondensatory elektrolityczne są niedrogie (cena od 20 do 50 gr). Alternatywą dla kondensatorów elektrolitycznych są kondensatory tantalowe, które są droższe, ale mniejsze i szybciej reagujące (cena od 40 do 60 gr).

112 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Wybór wyłącznika zasilania Osobiście korzystam z przełącznika suwakowego typu E-Switch EG1218 (w polskich sklepach elektronicznych podobne przełączniki kosztują około 1 zł). Świetnie pasuje do płytki stykowej i nie zajmuje zbyt dużo miejsca. Niestety, ma on obciążalność tylko 200 mA. Podobnym przełącznikiem o obciążalności 300 mA jest COM-09609. W przypadku prądu o większym natężeniu można zastosować E-Switch 600 SP1 S2 M1. Również pasuje on do płytki stykowej, ale jest dwa razy szerszy (jest po prostu większy). Jednak może on obsłużyć prąd o natężeniu 1 ampera.

Ulepszanie zasilacza przez obniżenie minimalnego wymaganego napięcia niestabilizowanego Jak wcześniej wspomniałem, producent regulatora 7805 gwarantuje jego prawidłową pracę, jeżeli napięcie wejściowe wynosi co najmniej 7 V. Preferowana przeze mnie lokalizacja diody D1 (zabezpieczającej przed odwrotnym podłączeniem baterii) pogarsza jeszcze sytuację, podnosząc minimalne napięcie do 7,45 V. Pakiet czterech baterii alkalicznych (1,6 V razy 4 daje 6,4 V) nie wystarcza do zasilania układów robota przez stabilizator 7805. Oczywiście, producent określa minimalne napięcie wejściowe w sposób bardzo bezpieczny, gwarantując, że układ 7805 spełni wszystkie parametry przy maksymalnym możliwym natężeniu prądu. Na przykład w temperaturze pokojowej, jeżeli prąd wyniesie tylko 50 mA z dopuszczalnych 1000 mA (1 amper) dla układu 7805CT, minimalnym napięciem może być 6,3 V, a nie 7 V. Dodatkowo przy 50 mA dioda 1N5817 pobiera około 0,3 V, co daje razem tylko 6,6 V. Jednak nadal nie jest to wystarczające. Dzięki wymianie dwóch komponentów możemy znacznie zmniejszyć minimalne wymagane napięcie wejściowe. Po pierwsze, zamiast układu 7805 możemy zastosować stabilizator liniowy o niskim spadku napięcia, który ma taki sam układ nóżek. Po drugie, zamiast diody 1N5817 możemy zastosować niskorezystancyjny układ MOSFET z kanałem p.

Uycie ukadu LM2940, MCP1702 lub LP2954 zamiast 7805 Układy LM2940CT-5.0 („kreska” 5.0, a nie „minus” 5.0) oraz LP2954IT są bezpośrednimi zamiennikami układu 7805 prezentowanego w schematach w tej książce (rysunek 7.5). Nie żartuję! Wyciągnij 7805 z obwodu i w jego miejsce zamontuj LM2940 lub LP2954.

Rysunek 7.5. LM2940CT-5.0 (po lewej), LP2954 (pośrodku) oraz MCP1702-5002E (po prawej) to stabilizatory napięcia podobne do 7805

113 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

„ Uwaga Jest to maa sztuczka, poniewa zaprojektowaem pierwszy ukad z tak du pojemno ci, aby speni wymagania innych komponentów. W ten sposób s one kompatybilne z naszym obwodem. Nie ma nic zego w projektowaniu ukadów zasilajcych, jak równie w projektowaniu kadego innego ukadu tak, aby mona byo korzysta z rónych komponentów. Takie elastyczne projekty ukadów b d bardzo warto ciowe, gdy braknie Ci okre lonej cz ci.

Podobnie jak 7805, LM2940CT-5.0 jest 5-woltowym, liniowym stabilizatorem napięcia w obudowie TO-220, który może dostarczyć do 1 ampera prądu (cena około 6 zł). Układ LM2940 zapewnia automatyczną ochronę przed odwrotnym podłączeniem baterii, więc nie trzeba korzystać z diody D1 do ochrony stabilizowanego układu i samego stabilizatora (jednak bez tej diody układy sterownika silnika oraz inne niestabilizowane układy są narażone na uszkodzenia). Układ LP2954IT jest również liniowym stabilizatorem 5 V w obudowie TO-220. Jednak cena układu LP2954IT wynosi około 25 zł (auć!). Podobnie jak LM2940, LP2954 ma zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem. LP2954IT w przeciwieństwie do dwóch pozostałych stabilizatorów dostarcza jedynie 250 mA. Dostępny jest również liniowy stabilizator napięcia MCP1702-5002E/TO (cena około 2 zł). Jest on produkowany w mniejszej obudowie (TO-92), podobnie jak 78L05, ale ma inną kolejność nóżek (więc nie można go zamontować bez zmian w układzie) i zapewnia prąd o natężeniu do 250 mA. Dodatkowo jego maksymalne napięcie wejściowe wynosi 13 V, a nie 20 V, jak w innych stabilizatorach. Jest on niewielki, ma przystępną cenę i zużywa niewiele prądu (co wkrótce pokażę). Jeżeli naprawdę potrzebujesz stabilizatora napięcia, który ma zgodne wyprowadzenia i takie samo napięcie maksymalne jak 78L05, zapoznaj się z układem L4931CZ50. Jest droższy niż MCP1702-5002E i zużywa więcej prądu, ale ma wyższy limit natężenia (250 mA) i niższe minimalne napięcie niż 78L05. Wszystkie zamienniki mają lepsze (niższe) minimalne napięcie niż 7805. Tego typu stabilizatory są nazywane stabilizatorami o niskim spadku napięcia (LDO). Porównując rysunek 7.1 z rysunkiem 7.5, można zauważyć, że większe stabilizatory o niskim spadku napięcia obniżają wymagane napięcie wejściowe jedynie o 0,75 V do 1 V. Jednak jak się wkrótce okaże, w temperaturze pokojowej i przy względnie niewielkim pobieranym prądzie (250 mA) urządzenia te działają znacznie lepiej, niż jest zapisane w specyfikacji producenta, i znacznie lepiej niż 7805.

Uycie tranzystora mocy MOSFET zamiast 1N5817 Innym usprawnieniem pozwalającym obniżyć minimalne napięcie wejściowe jest wymiana diody 1N5817 na inny komponent, zapewniający taką samą ochronę przed odwrotnym podłączeniem baterii dla całego robota. Jednak elementem zastępczym jest tranzystor, a nie dioda, więc „dodatkowa” nóżka musi być gdzieś podłączona, czyli w tym przypadku do masy (rysunek 7.6).

Włączanie i wyłączanie robota w zależności od podłączenia baterii Tranzystor polowy o strukturze „metal, tlenek, półprzewodnik” (MOSFET) jest tranzystorem przełączającym, który podobnie jak zwykły przełącznik fizyczny, może być włączany i wyłączany. Przełącznik MOSFET z kanałem p włącza się, gdy napięcie na nóżce bramki jest niższe (o wartość określaną przez producenta) niż napięcie na nóżce źródła. W tym obwodzie po włączeniu zasilania prąd zaczyna przepływać przez wbudowaną w tranzystor diodę. Nóżka bramki układu MOSFET jest podłączona do najniższego możliwego napięcia — 0 V, a nóżka źródła do najwyższego możliwego napięcia — napięcia zasilania pomniejszonego o spadek napięcia na diodzie, od 6 do 20 V. Ponieważ nóżka bramki ma niższe napięcie niż nóżka źródła, MOSFET z kanałem p jest włączony i prąd przepływa przez niego do reszty układu. Otwarty kanał stanowi mniejszą barierę niż dioda, więc prąd zaczyna płynąć wyłącznie przez niego. Nie obserwujemy już spadku napięcia na diodzie, lecz jedynie minimalny spadek spowodowany nieznaczną rezystancją otwartego kanału.

114 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Rysunek 7.6. Większość z układu zasilania pozostaje niezmieniona. Usuń diodę D1 (po lewej) i zamiast niej zamontuj tranzystor MOSFET T1 (po prawej) Co się stanie, gdy ktoś odwrotnie podłączy baterię? W takim przypadku bramka MOSFET jest podłączona do najwyższego możliwego napięcia, od 6 do 20 V, które nie jest niższe niż na nóżce źródła. Ponieważ nóżka bramki ma wyższe napięcie niż nóżka źródła, MOSFET z kanałem p jest wyłączony i prąd nie dopływa do reszty układu. Dzięki temu układ jest zabezpieczony.

Zasilanie całego układu wymaga tranzystora mocy MOSFET Jednym z wymaganych słów kluczowych w opisie T1 jest tranzystor mocy MOSFET. W przeciwieństwie od zwykłych tranzystorów MOSFET tranzystory mocy są w stanie wytrzymać znacznie większe natężenie przepływającego przez nie prądu. Aby chronić wszystkie części przed odwrotnym podłączeniem baterii, cały prąd (w tym zasilanie silników) przepływa przez ten MOSFET. Dlatego musi być zastosowany tranzystor mocy. Oczywiście, słowo moc jest zależne od interpretacji. Co ono oznacza, należy sprawdzić w specyfikacji producenta, w której podane jest maksymalne natężenie prądu, jakie może przepływać przez dany MOSFET.

Zmniejszanie spadku napięcia przez użycie niskiej rezystancji Tranzystor MOSFET ma wbudowaną diodę. Dlatego tak naprawdę zamieniamy diodę D1 na tranzystor z diodą. Aby zmniejszyć spadek napięcia, T1 musi być niskorezystancyjnym tranzystorem MOSFET. Na przykład jeden z wybranych przeze mnie układów miał rezystancję 0,11 (1/9 ). Jak pamiętamy, spadek napięcia na diodzie 1N5817 wynosi około 0,3 V przy 50 mA i około 0,45 V przy 1000 mA. Aby porównać efektywność diody z efektywnością układu MOSFET, należy przeliczyć jego rezystancję na spadek napięcia: spadek napicia w woltach = prd w amperach × rezystancja w omach Przykad 1. (50 mA) spadek napicia w woltach = 0,050 A × 0,11  spadek napicia = 0,0055 V Przykad 2. (1 A) spadek napicia w woltach = 1 A × 0,11  spadek napicia = 0,11 V

Fantastycznie! Przykładowy MOSFET praktycznie nie powoduje spadku napięcia przy 50 mA, a przy 1 amperze spadek jest cztery razy mniejszy niż na diodzie 1N5817.

115 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zwikszenie rezystancji przy niszych napiciach Zgodnie z danymi producenta przykładowy MOSFET osiąga rezystancję 0,11  tylko wtedy, gdy napięcie na bramce jest o co najmniej 10 V mniejsze niż na źródle. Jest to standard przemysłowy stosowany dla ułatwienia porównań. Wraz ze spadkiem różnicy napięć rezystancja tranzystora MOSFET się zwiększa. Niestety, potrzebujemy niskiej rezystancji przy 6 V czy nawet 5 V, a nie 10 V. Jeżeli musimy wyrzucić całe to dodatkowe napięcie, możemy bez problemu użyć zwykłej diody. Według moich pomiarów spadek napięcia przykładowego układu MOSFET wynosi 0,028 V przy 170 mA, gdy napięcie na bramce jest o 5,7 V niższe niż na źródle. Można to przeliczyć na rezystancję w następujący sposób: rezystancja w omach = spadek napicia w woltach ÷ prd w amperach rezystancja w omach = 0,028 V ÷ 0,170 A rezystancja = 0,167

Nie ma się czym przejmować! Jak oczekiwaliśmy, rezystancja układu MOSFET zwiększyła się z 0,11  przy 10 V do 0,165  przy 5,75 V. Jednak rezystancja ta jest nadal bardzo mała.

Wybór tranzystora mocy MOSFET z kanaem p o niskiej rezystancji Układ MOSFET opisywany w poprzednich przykładach to produkowany przez firmę International Rectifier IRFU5505 HEXFET o ultraniskiej rezystancji z kanałem p lub w skrócie FU5505 (rysunek 7.7). HEXFET to nazwa handlowa tej serii układów MOSFET produkowanych w tej firmie (http://www.irf.com/).

Rysunek 7.7. Układ MOSFET FU5505 w obudowie przewlekanej I-Pak Tranzystor FU5505 wybrałem do naszego układu zasilania z następujących powodów: x Zgodnie ze specyfikacją maksymalne dopuszczalne napięcie VGS (czyli napięcie między bramką a źródłem, ang. gate-to-source) może wynosić ±20 V, co jest ważne, ponieważ w normalnej pracy tego układu napięcie na bramce może wynosić 0 V, a źródło może mieć napięcie około 19,8 V. Wartość 19,8 wynika z odjęcia od napięcia wyjściowego (od 20 V) spadku napięcia (kilka tysięcznych wolta); 19,8 V to mniej niż 20 V, więc mieści się w zdefiniowanym limicie. x Zgodnie ze specyfikacją maksymalny prąd wynosi 18 amperów — to znacznie więcej niż 1-amperowe ograniczenie stabilizatora napięcia. Można dodać parę 3-amperowych silników (to będzie bardzo dużo dla małego robota), a nasz MOSFET będzie miał nadal spory zapas prądu. x W specyfikacji podana jest również bardzo niska rezystancja 0,11  (im mniej, tym lepiej). Rezystancja ta może być większa i nadal będzie to akceptowalne, ale przekłada się to na większy spadek napięcia, który chcemy zminimalizować.

116 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

x W specyfikacji podana jest wartość napięcia VGS(TH) (próg napięcia pomiędzy bramką a źródłem, ang. gate-to-source voltage threshold) pomiędzy 2 a 4 V; wskazuje to, że ten MOSFET zaczyna się włączać pomiędzy 2 a 4 V. Jest to ważne, ponieważ źródło napięcia powinno działać przy 6 V, a być może nawet 5 V — jeżeli próg napięcia pomiędzy bramką a źródłem wynosiłby, załóżmy, pomiędzy 7 a 8 V, to MOSFET nie włączyłby się w przypadku zasilania 6 V. x Obudowa przewlekana I-Pak pasuje do stykowej płytki prototypowej. x Układ FU5505 jest dostępny w sklepach z elektroniką w cenie około 2 zł za sztukę. Komponenty o doskonałych parametrach nie są dla nas interesujące, jeżeli hobbyści nie mogą ich kupić lub jeżeli dostawcy wymagają, aby je kupować w ilościach hurtowych. x Układ FU5505 stosuję również w moim sterowniku silnika z mostkiem H (rozdział 10.). Pozwala to mi zaoszczędzić pieniądze — kupuję więcej sztuk; jedną część wykorzystuję wielokrotnie. x Śmieję się za każdym razem, gdy odczytuję numer części — brzmi on, jakby układ chciał się ze mną bić. Podejrzewam, że projektant miał zły dzień, gdy ktoś w firmie poprosił go o nadanie układowi nazwy. „ Uwaga FU5305 ma jeszcze nisz rezystancj ni FU5505. Jeeli nie przeszkadza Ci nieco wysza cena (7 z), moesz korzysta z niego we wszystkich stabilizatorach, jeszcze bardziej poprawiajc wydajno ukadu.

Badanie minimalnego napicia wejciowego rónych ukadów stabilizatorów liniowych Jak pamiętasz, liniowy stabilizator napięcia musi mieć niestabilizowane napięcie wyższe niż oczekiwane stabilizowane napięcie wyjściowe. Oczekiwanym napięciem roboczym dla stabilizowanych obwodów prezentowanych w tej książce jest 5 V, ale części zastosowane w tych obwodach działają bez problemów przy 4,75 V. Logicznie rzecz biorąc, minimalne niestabilizowane zasilanie musi być wyższe niż 4,75 V, aby minimalne zasilanie stabilizowane miało napięcie 4,75 V lub wyższe. Oczywiście, chcemy zaprojektować obwód z napięciem wyjściowym 5 V przy minimalnym możliwym napięciu niestabilizowanym z następujących powodów: x nadmiar napięcia jest marnowany, co jest nieefektywne, x nadmiar napięcia zwykle przekłada się na większą liczbę baterii, co wymaga więcej miejsca, powiększa koszty oraz zwiększa wagę robota. Jak wcześniej wspomniałem, producenci zwykle konserwatywnie podchodzą do wartości minimalnego niestabilizowanego napięcia podawanego w specyfikacji. Z tego powodu w kolejnych punktach przedstawię, w jaki sposób sprawdzić, jak zmieniają się napięcia wejściowe i wyjściowe we wszystkich opisanych do tej pory stabilizatorach napięcia.

Opis aparatury testowej Aby wykonać ten test, możesz rozładowywać pakiet baterii i obserwować wpływ spadku napięcia na różne stabilizatory. Jednak testy takie zajmują dużo czasu i nie można ich szybko powtórzyć. Zamiast tego podłączyłem do gniazdka mój regulowany zasilacz i ustawiłem na nim napięcie +12 V. Następnie dodałem do obwodu regulowany stabilizator napięcia LM1117T ADJ wraz z potencjometrem, który pozwala ustawić dowolne napięcie z zakresu od 11 V do 1,25 V. Kolejnym krokiem było podłączenie wyjścia układu LM1117 na wejście testowanego układu. Użyłem tu dwóch multimetrów (rysunek 7.8). Pierwszy multimetr pokazywał napięcie wyjściowe z regulowanego stabilizatora LM1117, pozwalając na precyzyjne ustawienie „niestabilizowanego napięcia wejściowego” dostarczanego do testowanego stabilizatora. Drugi multimetr wyświetla stabilizowane napięcie wyjściowe testowanego stabilizatora.

117 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 7.8. Kolejno od lewej strony: multimetr wyświetlający napięcie wyjściowe testowanego stabilizatora, wysokiej klasy silnik (podłączony normalnie do napięcia niestabilizowanego) oraz grupa diod LED na płytce stykowej w celu symulacji obciążenia; na tej samej płytce (po prawej stronie) testowany stabilizator napięcia, druga płytka stykowa z regulowanym stabilizatorem napięcia LM1117 do symulowania różnych wartości „niestabilizowanego” napięcia i multimetr wyświetlający napięcie wyjściowe z LM1117, pozwalający na jego precyzyjne ustawienie

Regulowany stabilizator napięcia LM1117 Układ 1117 (cena około 3 zł) to liniowy, regulowany stabilizator z niskim spadkiem napięcia o prądzie maksymalnym 800 mA. Układ LM1117 ma niższy maksymalny prąd niż testowane układy 7805 czy LM2940. Jednak nie jest to problem, ponieważ chciałem porównać te stabilizatory z LP2954 i MCP1702, których prąd maksymalny wynosi 250 mA. Ponieważ LM1117 jest dostępny również w obudowie TO-220, wygląda tak samo jak inne, prezentowane wcześniej stabilizatory. Jednak nie daj się oszukać. Specyfikacja nóżek nie jest z nimi zgodna (rysunek 7.9). Tak przy okazji, ja dawałem się oszukiwać przez niemal godzinę.

Rysunek 7.9. Choć wygląda podobnie, regulowany stabilizator napięcia LM1115 nie ma takiego samego układu wyprowadzeń jak układy 7805, 78L05, MCP1702, LM2940 czy LP2954

118 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Konfigurowanie układu LM1117 Obwód regulowanego stabilizatora napięcia (rysunek 7.10) zawiera podobne części co prezentowane wcześniej stabilizatory o stałym napięciu. SW1, C1, C2, VR1, R1 oraz LED1 realizują te same funkcje co poprzednio. Jednak rozłożenie elementów na schemacie od lewej do prawej zostało odwrócone, ponieważ nóżki regulatora są zamienione.

Rysunek 7.10. Schemat regulowanego stabilizatora napięcia Wartości C1 oraz C2 równe 10 μF w zasadzie są zgodne z przykładami prezentowanymi w nocie katalogowej. Jeżeli planujesz użyć układu LM1117 w robocie, pomyśl o zwiększeniu wartości C2 lub uzupełnieniu go aluminiowym kondensatorem elektrolitycznym o większej pojemności (w następnym rozdziale znajduje się więcej informacji o kondensatorach). C1 i C2 to kondensatory tantalowe, tak jak jest przedstawione w nocie katalogowej. Kondensatory C1 i C2 muszą mieć napięcie robocze równe 25 V lub wyższe, ponieważ muszą one poradzić sobie z maksymalnymi napięciami wejściowym i wyjściowym, wynoszącym odpowiednio 12 V i 11 V. Kondensator tantalowy 10 μF, 25 V (cena około 1 zł), jest popularnym elementem układów zasilania i innych. Jeżeli pakiet baterii ma napięcie wyższe niż 12 V, powinieneś wybrać kondensator tej samej pojemności, ale w wersji 35 V (cena około 2 zł). Taki sam kondensator o napięciu pracy 10 V lub 16 V (w cenie poniżej 1 zł) jest wystarczający dla napięć stabilizowanych 5 V (lub niższych). Aby zaoszczędzić, warto kupować kondensatory w pakietach, po dziesięć lub więcej. Rezystory R2 oraz R3 są nowością w układzie stabilizacji napięcia. Tworzą one dzielnik napięcia, który ustala napięcie wyjściowe z układu LM1117 przez zmianę wartości R2. Wieloobrotowy potencjometr zastosowany jako R2 zapewnia dokładniejszą regulację napięcia wyjściowego niż potencjometr jednoobrotowy, ale oba warianty będą działać prawidłowo. Możesz dodać do tego obwodu zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii — tak samo jak we wcześniejszych obwodach, z użyciem diody lub tranzystora MOSFET. Ponieważ układ ten był przeznaczony wyłącznie do testowania, pominąłem zabezpieczenie i zmontowałem go w narożniku zapasowej płytki stykowej (rysunek 7.11).

119 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 7.11. Regulowany stabilizator napięcia LM1117 (bez zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem baterii) zmontowany na płytce stykowej

Prezentacja wyników dla napi wejciowych i wyjciowych trzech liniowych stabilizatorów napicia 5 V Wykorzystując przedstawioną aparaturę testową, sprawdziłem pięć obwodów dla dwóch różnych obciążeń (100 mA oraz 250 mA) w serii dziesięciu prób. Układ LM1117 symulował „nieregulowane” napięcie od 10 do 4,7 V w krokach co 0,1 V. Następnie narysowałem wyniki w zakresie od 7 do 4,8 V, ponieważ w tym zakresie zachodziły wszystkie zmiany (rysunek 7.12). Powyżej 7 V wszystkie regulatory dawały pełne napięcie wyjściowe. Poniżej 4,8 V wszystkie regulatory przestawały dawać napięcie wyjściowe wyższe niż 4,75 V, co jest minimum wymaganym w większości 5-woltowych układów scalonych i sensorów.

Rysunek 7.12. Wyniki testu stabilizatorów napięcia. Gdy napięcie wejściowe (oś pozioma) spada poniżej wartości krytycznej, w każdym stabilizatorze szybko spada napięcie wyjściowe 120 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Zwróć uwagę, że początkowo wszystkie stabilizatory dostarczają napięcia pomiędzy 4,95 a 5 V, co jest znacznie lepszą wartością niż oficjalnie dopuszczalna. Jeżeli Twój stabilizator będzie dostarczał, na przykład 4,92 V lub 5,03 V, nie oznacza to, że układ taki zawiera błąd. Wartości zamieszczone w arkuszu danych specyfikacji technicznej wskazują, że takie wartości mieszczą się w akceptowanym zakresie. Na potrzeby tego testu minimalne napięcie wejściowe każdego stabilizatora (oś pozioma) jest ustawione o 0,1 V wyżej niż punkt, w którym napięcie wyjściowe (oś pionowa) spadnie poniżej 4,75 V. Patrząc na lewą dolną część rysunku 7.12 i przechodząc w stronę prawej dolnej części, wymagane napięcia wejściowe stabilizatorów z zabezpieczeniem przed odwrotnym podłączeniem baterii są, w kolejności rosnących możliwości, następujące: 1. 7805 z diodą 1N5817 przy 250 mA wymaga napięcia wejściowego 6,7 V lub wyższego. 2. 7805 z diodą 1N5817 przy 100 mA wymaga napięcia wejściowego 6,5 V lub wyższego. 3. 7805 z układem FU5505 przy 250 mA wymaga napięcia wejściowego 6,2 V lub wyższego. 4. 7805 z układem FU5505 przy 100 mA wymaga napięcia wejściowego 6,2 V lub wyższego. 5. MCP1702 z układem FU5505 przy 250 mA wymaga napięcia wejściowego 5,6 V lub wyższego. 6. LP2954 z układem FU5505 przy 250 mA wymaga napięcia wejściowego 5,3 V lub wyższego. 7. MCP1702 z układem FU5505 przy 100 mA wymaga napięcia wejściowego 5,2 V lub wyższego. 8. LP2954 z układem FU5505 przy 100 mA wymaga napięcia wejściowego 5,1 V lub wyższego. 9. LM2940 z układem FU5505 przy 250 mA wymaga napięcia wejściowego 5,0 V lub wyższego. 10. LM2940 z układem FU5505 przy 100 mA wymaga napięcia wejściowego 4,9 V lub wyższego.

Pobór prądu wpływa na minimalne wymagane napięcie Każdy stabilizator był przetestowany przy obciążeniu rzędu 100 mA (kilka diod LED). Następnie test był powtarzany przy obciążeniu 250 mA (kilka diod oraz silnik). Wróćmy do rysunku 7.12 — linia znajdująca się po lewej stronie ilustruje działanie stabilizatora 7805 z diodą 1N5817 przy obciążeniu 250 mA. Następna linia ilustruje działanie tego samego obwodu przy obciążeniu 100 mA. Linie te są przesunięte względem siebie o jakieś 0,14 V. Większość z tej przerwy jest powodowana różnicą w spadku napięcia na diodzie przy 100 mA i 250 mA. W rzeczywistości minimalne wymagane napięcie dla każdego stabilizatora jest zawsze niższe dla mniejszych obciążeń. Jest to bardzo ważna rzecz, o której należy pamiętać przy budowaniu robota. Jeżeli wypełnisz płytkę diodami LED i innymi gadżetami, pamiętaj o dostarczaniu wyższego napięcia do stabilizatora liniowego. Jeżeli pakiet baterii nie jest w stanie dostarczyć odpowiedniego napięcia, spróbuj usunąć kilka diod świecących.

Stabilizatory o niskim spadku napięcia są wyraźnie lepsze Zwróć uwagę na przerwę pośrodku rysunku 7.12. Jest to różnica 0,6 V pomiędzy najlepszym przypadkiem standardowego spadku napięcia dla 7805 i najgorszym przypadkiem dla układu MCP1702 o niskim spadku napięcia. Porównując najlepszy przypadek zwycięskiego układu (LM2940) z najgorszym przypadkiem (7805 + IN5817), otrzymujemy różnicę 1,6 V. To odpowiednik całej baterii alkalicznej R6!

Spadek szybki kontra spadek łagodny W przypadku układu LM2940 można zauważyć dziwne zjawisko. Jego napięcie spada o mniej więcej 0,05 V przy spadku napięcia wejściowego o jakieś 1,2 V. Pozostałe stabilizatory względnie stabilnie utrzymują napięcie aż do momentu nagłego spadku. Choć wolę stosować stabilizatory, które utrzymują stałe napięcie tak długo, jak jest to możliwe, nie ma to większego znaczenia, jeżeli różnica wynosi tylko 0,05 V.

121 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Inne ważne cechy liniowych stabilizatorów napięcia Jak właśnie przeczytałeś, minimalne napięcie wejściowe może być ważnym czynnikiem przy wyborze określonego typu stabilizatora napięcia. Kolejnym czynnikiem jest cena. Warto również zwrócić uwagę na inne czynniki.

Zabezpieczenie przed odwrotnym podczeniem baterii Układy LM2940 oraz LP2954 mają wbudowane zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii, natomiast 7805 i MCP1702 nie mają go. Jednak zabezpieczenie wbudowane w stabilizator nie jest dobre w większości małych robotów, ponieważ układy sterownika silnika zwykle otrzymują nieregulowane napięcie, które nie jest chronione przez stabilizator. Z tego powodu i tak będzie potrzebny komponent (dioda lub MOSFET) zabezpieczający przed odwrotnym podłączeniem zasilania.

Zabezpieczanie przeciwzwarciowe Wszystkie stabilizatory przedstawione w tym rozdziale mają zabezpieczenie przeciwzwarciowe (dotknięcie +5 V do 0 V) oraz zabezpieczenie przed przeciążeniem obwodu stabilizowanego. Stabilizatory ograniczają maksymalny płynący prąd, nie powodując zniszczenia układu. Funkcja ta znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo pożaru lub uszkodzenia baterii.

Zabezpieczenie przed przegrzaniem Wszystkie przedstawione w rozdziale stabilizatory napięcia zapewniają zabezpieczenie przed przegrzaniem, nazywanym również przeciążeniem termicznym. Producenci nie określają, w jaki sposób stabilizator zabezpiecza się przed przegrzaniem, ale podejrzewam, że wyskakuje on z obwodu i idzie po szklankę zimnej wody. Nagrzewanie może być problemem, ponieważ zwiększa spadek napięcia (zwiększając minimalne wymagane napięcie) i może uszkodzić sąsiednie kondensatory. Jeżeli którykolwiek z poniższych warunków jest spełniony, pomyśl o założeniu metalowego radiatora (rysunek 7.13): x układy robota pobierają ze stabilizatora prąd o natężeniu 250 mA lub większym, x stabilizator jest narażony na temperatury wyższe niż temperatura pokojowa, x napięcie wejściowe jest większe niż 10 V (ponieważ całe napięcie przekraczające 5 V jest przekształcane na ciepło).

Rysunek 7.13. Dwa przykłady metalowych radiatorów. Dołączenie radiatora do elementu zwiększa nagrzewaną powierzchnię, zapewniając lepsze rozpraszanie ciepła. Dodanie pasty termicznej pomiędzy elementem a radiatorem poprawia kontakt i przewodnictwo cieplne

122 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

W czasie wykonanych wcześniej testów, gdy napięcie wejściowe wynosiło 10 V, a prąd 250 mA, stabilizatory tak się nagrzały, że mogłem wyczuć różnicę palcem. Zdecydowanie niezbyt mądre jest przeprowadzanie testu „czy oparzę sobie palec”.

Prostota i niski koszt caego obwodu Niektóre stabilizatory liniowe, takie jak 7805, nie wymagają do swojej pracy kondensatorów. Dzięki temu można zbudować bardzo prosty i tani obwód. Z drugiej strony układ LM2940 do uzyskania optymalnej wydajności wymaga zastosowania kondensatorów tantalowych i elektrolitycznych (zapoznaj się z notą katalogową). Większa wydajność często wiąże się ze wzrostem ceny i stopnia złożoności elementu.

Zuycie prdu spoczynkowego Oprócz części napięcia liniowe stabilizatory prądu zużywają również część prądu dla swoich celów. Prąd ten, nazywany prądem spoczynkowym, zwiększa prąd dostarczany do zasilanego układu. Na przykład 7805 ma prąd spoczynkowy o wartości pomiędzy 5 mA a 8 mA. Jeżeli podłączymy do niego układy robota pobierające 100 mA, to pomiar natężenia na nóżce wejściowej układu 7805 może pokazać 105 mA. Jeżeli zmierzysz prąd wychodzący z nóżki wyjściowej układu 7805 i wchodzący do układów robota, odczyt wyniesie 100 mA. „Zużyty” prąd o natężeniu 5 mA jest kierowany do masy. Prąd spoczynkowy poszczególnych komponentów jest zużywany na realizację funkcji tych komponentów. Reprezentuje on koszt elektryczny użycia tych komponentów.

Niespodzianka! Niespodzianka! Sztuczka dziaajca w NIEKTÓRYCH stabilizatorach z niskim spadkiem napicia Ukad LM2940 obsuguje znacznie nisze minimalne napi cie wej ciowe ni nasz ulubiony 7805. Niestety, w zamian LM2940 ma prd spoczynkowy o warto ci pomi dzy 10 mA a 60 mA. W rzeczywisto ci LM2940 ma maksymalny prd spoczynkowy równy 130 mA (co mona znale w specyfikacji technicznej) w momencie, gdy dostarcza on 1 amper przy napi ciu wej ciowym 8 V. Podobnie jak LM2940, ukad LP2954 zapewnia bardzo dobre minimalne napi cie wej ciowe. W zamian LP2954 ma prd spoczynkowy o warto ci pomi dzy 0,09 a 33 mA. Prd spoczynkowy jest sumowany z prdem wyj ciowym. Dlatego prd spoczynkowy równy 33 mA jest pobierany wycznie wtedy, gdy LP2954 dostarcza prd o nat eniu 250 mA. Jednak MCP1702 ma zdecydowanie najniszy prd spoczynkowy (od 0,002 do 0,25 mA) ze wszystkich stabilizatorów przedstawianych w tym rozdziale. Tak, cakowity prd uywany do stabilizacji mie ci si w zakresie mikroamperów.

Izolacja mocy i zakóce Niemal wszystkie stabilizatory napięcia posiadają ważną usługę, która zwykle nie jest zamieszczana w indywidualnych notach katalogowych, ponieważ funkcja ta nie jest unikatowa dla danego stabilizatora. Stabilizator zazwyczaj absorbuje zakłócenia elektryczne (przepięcia i spadki) generowane poza jego układem. Dodatkowo stabilizatory napięcia często zapewniają lokalne źródło energii (zebranego w kondensatorze C2 we wcześniej prezentowanych obwodach), użyteczne tylko dla obwodu stabilizowanego. Zdolność stabilizatora do izolowania czystego źródła prądu jest naprawdę ważna w robotach. Po pierwsze, delikatne mózgi robotów (układy logiczne i mikrokontrolery) nie są tak łatwo oszukiwane przez głośne silniki elektryczne, ponieważ zakłócenia te są zmniejszane lub eliminowane przez układ wejściowy stabilizatora. Po drugie, układy logiczne nie muszą konkurować o energię z baterii ze startującymi silnikami, które znacznie obciążają baterię.

123 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Unikanie podłączania silników do napięcia stabilizowanego Izolacja mocy i zakłóceń zapewniana przez stabilizator napięcia może być znacznie zakłócona, jeżeli podłączysz silniki robota do stabilizowanego źródła zasilania zamiast do niestabilizowanego. Zakłócenia z silników nie będą musiały przechodzić przez filtry stabilizatora napięcia; będą wprowadzane bezpośrednio do układu stabilizowanego. Dodatkowo układy scalone będą musiały rywalizować z silnikami o prąd zgromadzony w kondensatorze C2. Można zbudować robota z dwoma stabilizatorami napięcia, jednym dla układów logicznych i drugim dla układów napędowych (silnika). Taki układ powinien działać prawidłowo, ponieważ będą istniały dwa wzajemnie izolowane obwody. W rzeczywistości w skomplikowanym robocie możesz mieć wiele obwodów, z których każdy będzie miał własny stabilizator. Projekt taki zapewni separację zakłóceń elektrycznych, jak również zabezpieczy każdy obwód przed uszkodzeniem powodowanym przez inne obwody (zakładając, że wszystkie połączenia komunikacyjne pomiędzy obwodami będą prawidłowo zabezpieczone). Pomyśl o tym: jeden obwód może mieć zwarcie lub ulec przeciążeniu, ale reszta robota pozostanie żywa! Istnieją jeszcze dwa powody, dla których nie należy podłączać silników lub innych mocno obciążających urządzeń do źródła napięcia stabilizowanego. Obie te przyczyny są związane z tym, jak dużą ilość prądu mogą dostarczać baterie.

Uzyskiwanie maksymalnej mocy przez podłączanie silników do niestabilizowanego źródła prądu Silniki mają największą wydajność (szybkość i moment obrotowy), gdy są podłączone do źródła prądu o najwyższym napięciu i najniższej rezystancji. Ponieważ liniowy stabilizator napięcia musi otrzymywać wyższe napięcie niż napięcie wyjściowe, silniki podłączone do wyższego, nieregulowanego napięcia zawsze będą działały lepiej niż silniki podłączone do niższego napięcia stabilizowanego. Ponadto stabilizator napięcia nie może tak szybko reagować na zmiany w pobieranym prądzie, jak bateria. Ponieważ bateria może dostarczyć więcej prądu w momencie uruchomienia silnika, silnik podłączony do baterii będzie zawsze działał lepiej niż silnik podłączony do napięcia stabilizowanego. „ Uwaga Uyte w dwóch poprzednich akapitach stwierdzenie „b dzie zawsze dziaa lepiej” odnosi si do silnika dobrze dobranego do baterii. Oczywi cie, jeeli podczysz silnik 3 V do baterii 12 V, „b dzie dziaa lepiej” przeoy si na „szybciej si spali”. W takim przypadku dwa stabilizowane róda prdu (5 V dla ukadów sterowania i 3,3 V lub mniej dla silnika) mog by prawidowym rozwizaniem dla niewielkich silników.

Unikanie obciążania stabilizatora napięcia przez silniki Drugim powodem, dla którego nie warto podłączać silników do stabilizowanego źródła napięcia, jest ograniczenie prądu, jaki może dostarczać stabilizator. Na przykład 7805CT ma ograniczenie prądu do 1 ampera. Nie chcemy, aby prądożerne silniki pochłonęły większość z tego prądu. Jeżeli Twoje układy cyfrowe wymagają tylko 75 mA, większy sens ma użycie tańszego i mniejszego układu 78L05 niż podłączanie silników do droższego i większego układu 7805CT. Pamiętaj, że mniejsze obciążenie wymaga mniejszego napięcia wejściowego i zużywa mniej prądu spoczynkowego. Są to dwa bardzo dobre powody przyłączania silników do zasilania niestabilizowanego, a nie stabilizowanego. „ Uwaga Dlaczego podczaem silnik do stabilizatora napi cia w czasie testowania minimalnego napi cia, opisanego we wcze niejszej cz ci rozdziau? Po prostu potrzebowaem duego obcienia dla testów prdu 250 mA. Nie zajmowaem si zakóceniami elektrycznymi ani moc silnika. Rozmy lnie chciaem obciy stabilizatory napi cia dla celów testowych.

124 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Wybór liniowego stabilizatora napicia dla Twojego robota Wybór liniowego stabilizatora napięcia zależy od wyboru baterii oraz poziomu aktywności (pobór prądu) robota.

Bateria 9 V we względnie aktywnym robocie Typowa nowa bateria alkaliczna ma napięcie 9,6 V, które z czasem spada aż do 4,8 V. Jednak w rzeczywistości przy mniej niż 7 V bateria jest w znacznym stopniu rozładowana. „ Wskazówka Powiniene mierzy napi cie baterii podczonej do wczonego robota lub innego ukadu. Napi cie odczonej baterii jest znacznie wysze ni napi cie baterii dostarczajcej prdu. Na przykad bateria alkaliczna 9 V, dla której pomiar napi cia pokazuje 7 V, wskazuje na jej znaczne rozadowanie. Gdy podczysz j do obwodu, napi cie spadnie jak kamie. Jednak 9-woltowa bateria alkaliczna, dla której pomiar wynosi 7 V przy zasilaniu ukadu, moe mie w sobie jeszcze sporo ycia.

Bateria 9 V dostarcza wiele nadmiarowego napięcia do liniowego stabilizatora napięcia 5 V. Dlatego większy spadek napięcia standardowych stabilizatorów nie jest w tym przypadku poważną wadą. Bateria 9 V osiąga swoje napięcie przez szeregowe połączenie wielu małych ogniw. Jednak małe ogniwa nie są fizycznie w stanie dostarczyć dużego prądu, ponieważ nie mają odpowiedniej pojemności. Z tego powodu ważna jest każda ilość prądu pobieranego z takiej baterii. Podczas wybierania stabilizatora należy wziąć pod uwagę jego prąd spoczynkowy. Stabilizator 7805 jest dobrym wyborem dla baterii alkalicznej o napięciu 9 V, zasilającej robota, którego stabilizowane obwody wymagają nie więcej niż 250 mA. Przy zastosowaniu diody 1N5817 układ jest niedrogi i wyposażony w zabezpieczenie, a przestaje działać tylko przy napięciu mniejszym niż 6,7 V. Przy użyciu droższego układu MOSFET FU5505 silniki mogą skorzystać z zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem baterii przy mniejszym spadku napięcia. Układ 7805 pobiera na własne potrzeby nie więcej niż 8 mA, co jest znacznie lepszym wynikiem niż w przypadku stabilizatora LM2940. Ładowalne akumulatory 9 V standardowo dostarczają ponad 6 V napięcia, jeżeli nie są rozładowane. Akumulatory niklowo-wodorkowe (NiMH) mają jeszcze niższą pojemność niż baterie alkaliczne. Dlatego w przypadku użycia ładowalnych akumulatorów 9 V akceptowalnym rozwiązaniem jest zastosowanie układów 7805 oraz FU5505.

Bateria 9 V w robocie o niskim poborze prądu Jeżeli robot pobiera małe ilości prądu, stosowanie układu 7805 dla baterii 9 V nie jest najlepszym rozwiązaniem. W przypadku obciążenia 50 mA układ MCP1702 używa tylko 0,1 mA, natomiast układ 7805 — zazwyczaj 5 mA. Jeżeli robot często usypia lub jest zaprojektowany z myślą o jego krótkim działaniu w czasie konkursu, to niska wartość prądu spoczynkowego i niski spadek napięcia układu MCP1702 pozwala wydłużyć czas działania baterii. Tam, gdzie układ 7805 odetnie zasilanie przy 6,1 V, w przypadku robota o niskim poziomie prądu MCP1702 może nadal korzystać z baterii alkalicznej 9 V, rozładowując ją do niemal 5,1 V.

Czteropak baterii alkalicznych Czteropak baterii alkalicznych AA lub AAA łączy wygodne rozmiary z rozsądną pojemnością. Napięcie takiego pakietu zaczyna się od 6,4 V i spada aż do 3,2 V (naprawdę). W zasadzie 1 V na ogniwo jest rozsądniejszym napięciem odcięcia, co dla pakietu czterech baterii daje 4 V. Żaden ze stabilizatorów napięcia nie jest w stanie obsłużyć napięć poniżej 4,9 V. Układ 7805 odcina napięcie przy 6,1 V, czyli w momencie, gdy pakiet baterii osiąga nominalną wartość 1,5 V na ogniwo. Z tego powodu 7805 nie jest odpowiednim wyborem w tym przypadku. Układ LP2954 jest droższy i nie jest w stanie dostarczyć więcej prądu niż 250 mA. Niższe napięcie maksymalne układu MCP1702 nie jest problemem, ponieważ napięcie pakietu baterii osiąga tylko 6,4 V. Niższa cena i niższy prąd spoczynkowy sprawiają, 125 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

że układ MCP1702 jest lepszym wyborem niż LP2954. W rzeczywistości nie mogę znaleźć powodu użycia układu LP2954 (w najlepszym przypadku ma o 0,3 V mniejszy spadek napięcia) poza absolutną koniecznością zgodności nóżek z 7805. Jeżeli korzystasz z pakietu baterii AA dlatego, że trzeba dostarczyć ponad 250 mA, co nie jest możliwe do zrealizowania z użyciem baterii 9 V oraz MCP1702, to odpowiednim układem będzie LM2940. Dzięki niskiemu spadkowi napięcia robot będzie w sposób efektywny wykorzystywał około połowy pojemności pakietu baterii. Układ LM2940 może dostarczyć do 1 A prądu. Maksymalny prąd spoczynkowy układu LM2940 nie jest znaczący dla pakietu baterii alkalicznych dostarczających prądu o natężeniu 1 A.

Zimowy robot z akumulatorem 12 V Miniaturowy robot z pługiem śnieżnym jest nieco zmanipulowanym przykładem robota korzystającego z akumulatora 12 V. Trzeba pamiętać, że napięcie ponad 5 V jest przez liniowy stabilizator napięcia zamieniane na ciepło. W przypadku akumulatora 12 V i znacznego poboru prądu stabilizator napięcia będzie potrzebował radiatora. Prawdopodobnie ciepło regulatora może być dobrze wykorzystane do ogrzewania akumulatora, co pozwoliłoby osiągnąć lepszą wydajność miniaturowego pługu śnieżnego.

Zmiany na rynku ograniczają wybór liniowych stabilizatorów napięcia 5 V Na rynku liniowych stabilizatorów napięcia można wyróżnić kilka kierunków rozwoju: x Po pierwsze, w przypadku napięć wyższych niż 8 V warto zastosować efektywniejszy typ stabilizatora, nazywany stabilizatorem impulsowym. Stabilizator impulsowy konwertuje dodatkowe napięcie na prąd, zamiast marnować je w postaci ciepła. Dzięki temu stabilizator impulsowy jest chłodniejszy, a bateria działa dłużej. Wady stabilizatorów impulsowych to ich większa cena, złożoność oraz zakłócenia elektryczne. x Drugim trendem jest utrata dominacji przez układy 5 V na rzecz układów o niższym napięciu, na przykład 3,3 V. Coraz trudniej będzie znaleźć gotowe 5-woltowe stabilizatory napięcia. x Trzecim trendem jest zwiększanie się popularności montażu powierzchniowego w stosunku do obudów przewlekanych TO-220 oraz TO-90. Obudowy montażu powierzchniowego nie rozpraszają tak dobrze ciepła, co powoduje, że nieefektywność i nagrzewanie się liniowych stabilizatorów napięcia stają się jeszcze mniej pożądane. Niektórzy projektanci stosują rozwiązania hybrydowe. Stabilizator impulsowy w centralnej lokalizacji jest używany do efektywnego generowania napięcia o wartości nieco większej niż minimalna wymagana przez stabilizator o niskim spadku napięcia. Następnie niewielkie stabilizatory o niskim spadku napięcia (rysunek 7.14) stosowane w wielu izolowanych obwodach pozwalają utworzyć niewielkie, proste lokalne źródła zasilania. Ponieważ napięcie wejściowe jest na poziomie minimalnego wymaganego, stabilizator o niskim spadku napięcia nie marnuje zbyt wiele napięcia. Dzięki temu jest chłodniejszy i działa efektywniej.

Kurs na optymalizacj W tym rozdziale przedstawiłem prosty, niezawodny i niedrogi stabilizator napięcia, który może być stosowany w dowolnym robocie, którego bateria ma napięcie większe niż 5 V. Porównałem kilka wymiennych stabilizatorów, aby pomóc Ci w wyborze. Maksymalny prąd, spadek napięcia oraz prąd spoczynkowy to zwykle najważniejsze elementy do analizy.

126 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 7. „ BUDOWA ZASILACZA Z LINIOWYM STABILIZATOREM NAPICIA

Rysunek 7.14. Układ MAX8881EUT50 firmy Maxim (http://www.maximintegrated.com/) jest liniowym stabilizatorem napięcia o maksymalnym obciążeniu 200 mA, napięciu 5 V i niskim spadku napięcia; maksymalny prąd spoczynkowy tego stabilizatora wynosi tylko 3,7 A. Obwód stabilizatora dla MSX8881 jest równie prosty, jak obwody prezentowane w tym rozdziale. Jednak stabilizator ten nie daje się łatwo prototypować na płytce, ponieważ układ ten jest wielkości czubka ołówka. Jego rozmiar przydaje się w przypadku konstruowania robotów o ograniczonych rozmiarach, na przykład robotów minisumo. Zdjęcie to pokazuje płytkę z układami robota minisumo o nazwie Miłego Dnia Zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem baterii może być wbudowane w sam stabilizator, może być zrealizowane z wykorzystaniem diody, a jeszcze lepiej z zastosowaniem niskorezystancyjnego tranzystora mocy MOSFET. Większość stabilizatorów napięcia ma również inne funkcje zabezpieczające, takie jak zabezpieczenie przeciwzwarciowe oraz zabezpieczenie przed przeciążeniem termicznym. Wszystkie przedstawione stabilizatory o stałym napięciu zostały wyposażone w takie same kondensatory. Jak pokażę w następnym rozdziale, można ulepszyć źródło zasilania, instalując dodatkowe kondensatory. Dzięki kilku dodatkowym komponentom możemy przekształcić dowolne stabilizowane źródło zasilania w odpowiedniejsze dla robota.

127 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

128 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8 „„„

Ulepszanie zasilacza robota

Kondensatory buforowe, przycisk szybkiego wyłączania, eksplodujące kondensatory tantalowe, blokowanie i odsprzęganie, zabezpieczenie nadprądowe i przeciwprzepięciowe Prezentowane przez producentów projekty i schematy źródeł zasilania, takich jak liniowy stabilizator 7805 omówiony w poprzednim rozdziale, są przystosowane do przeciętnych urządzeń elektronicznych. Jednak roboty zdecydowanie nie są przeciętnymi urządzeniami elektronicznymi. Producenci stabilizatorów napięcia certyfikują swoje produkty, używając możliwie małej liczby dodatkowych komponentów oraz możliwie małych kondensatorów. Większe kondensatory są droższe, a każdy dodatkowy komponent zwiększa koszt materiałów i pracochłonność. Producenci wytwarzający duże ilości sprzętu elektronicznego mogliby zrezygnować ze stosowania stabilizatorów, które wymagają dodatkowych nakładów na układy uzupełniające. Jednak roboty mają znacznie większe wymagania dotyczące konstrukcji stabilizatorów i zasilania w porównaniu z innymi typami urządzeń. W końcu roboty mają silniki, nadajniki i brzęczyki. Większość wykonywanych amatorsko robotów powstaje w jednym egzemplarzu, więc dołożenie kilku złotych na większe kondensatory i komponenty zabezpieczające jest wydatkiem jednorazowym. Niezależnie od tego, czy wybierzesz liniowy stabilizator napięcia, impulsowy stabilizator napięcia, czy nie użyjesz stabilizatora, w rozdziale tym przedstawię dodatkowe elementy i praktyki, które są szczególnie przydatne w budowaniu robotów: x wejściowe i wyjściowe kondensatory buforowe zabezpieczające przed spadkami napięcia, x użycie różnych wartości i typów kondensatorów w celu zmniejszenia zakłóceń, x dodanie małych kondensatorów w układzie stabilizowanym w celu zapewnienia lokalnych źródeł prądu do zmniejszenia zakłóceń układu w jego źródle, x dodanie bezpiecznika lub urządzenia samoresetującego się w celu zabezpieczenia przed przeciążeniem prądowym z powodu zwarcia, x dodanie diody Zenera do regulowanego układu w celu zapobiegania przepięciom.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Uycie wejciowych i wyjciowych kondensatorów buforowych Jedną z różnic pomiędzy robotami i innymi projektami elektronicznymi jest występowanie w robotach silników. Silniki pobierają w czasie pracy znaczne ilości prądu. W szczycie bateria może mieć problem z dostarczeniem odpowiedniej ilości prądu do silników. Powoduje to tymczasowy spadek napięcia baterii. Zwiększenie pojemności kondensatorów wejściowych oraz wyjściowych (C1 i C2 na rysunku 7.3 w poprzednim rozdziale) do wielkości 10 lub 100 razy większej niż wartość początkowa pozwala skompensować te spadki. Dodatkowo kondensatory o dużej pojemności umożliwiają dostarczenie odpowiedniej ilości prądu w czasie startu silnika. To znacznie poprawia działanie „niedożywionego” silnika. Kondensatory o dużej pojemności są nazywane kondensatorami buforowymi, jeżeli są używane do dostarczania dodatkowego prądu w momencie dużego zapotrzebowania. Zamiast zastępować kondensatory C1 i C2 zaproponowane przez producenta stabilizatora napięcia większymi, lepiej pozostawić je w obwodzie i uzupełnić równolegle połączonymi kondensatorami buforowymi (rysunek 8.1). Jest to spowodowane tym, że oprócz większej pojemności również inne cechy kondensatorów buforowych różnią się znacznie od parametrów mniejszych kondensatorów, które są zalecane przez producenta.

Rysunek 8.1. Schemat obwodu stabilizatora napięcia z podłączonymi równolegle kondensatorami buforowymi (po lewej). Kondensator buforowy połączony równolegle z kondensatorem o standardowej pojemności, umieszczony na płytce prototypowej (po prawej na górze). Standardowy kondensator oraz kondensator buforowy obok stabilizatora o niskim spadku napięcia MAX602 w robocie minisumo Bugdozer (po prawej na dole) Zwróć uwagę, że zwiększenie pojemności lub napięcia roboczego zwykle powoduje powiększenie objętości kondensatora (rysunek 8.2). Jednak nie daj się oszukać samą wielkością. Kondensator może być fizycznie większy, aby zapewnić inne cechy, takie jak poprawiona stabilność termiczna, lub inną zastępczą rezystancję szeregową (ESR). Sprawdź na etykiecie kondensatora, jaka jest wartość pojemności oraz napięcia roboczego. W przypadku kondensatorów buforowych interesuje nas tylko większa pojemność.

130 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Rysunek 8.2. Aluminiowe kondensatory elektrolityczne ułożone według zwiększającej się pojemności i napięcia roboczego. Zwróć uwagę, że fizyczna wielkość zwiększa się nie tylko wraz z napięciem roboczym (od lewej do prawej), ale również z pojemnością (od przodu do tyłu). Przedni rząd: 22 F 10 V, 16 V, 25 V, 35 V; środkowy rząd: 220 F 10 V, 16 V, 25 V, 35 V; tylny rząd: 2200 F 10 V, 16 V, 25 V, 35 V (od lewej do prawej)

Wydłużanie żywotności baterii z wykorzystaniem kondensatorów buforowych Im więcej prądu jest pobierane z baterii, tym szybciej się ona wyczerpuje. Na przykład bateria o pojemności 2,85 amperogodzin (Ah) może dostarczać prądu o natężeniu 0,1 ampera przez 28,5 godziny (0,1 A razy 28,5 h daje 2,85 Ah). Jednak ta sama bateria może dostarczać prądu 0,4 A przez tylko cztery godziny (0,4 A razy 4 h daje tylko 1,6 Ah) lub 1 A przez jedną godzinę (1 A razy 1 h daje 1 Ah). A zatem bateria 2,85 Ah przy dużym obciążeniu może mieć pojemność tylko 1 Ah. Jeżeli pobór prądu z baterii wynosi czasami 0,1 A, czasami 0,4 A, a czasami 1 A, to wynikowa pojemność będzie miała wartość z zakresu pomiędzy 2,85 Ah a 1 Ah. Zgodnie z publikowanymi pomiarami kondensatory buforowe mogą zwiększyć czas działania baterii w urządzeniach, w których występują krótkotrwałe obciążenia, wspomagając baterię w momencie występowania tych skracających jej żywotność obciążeń.

Opóźnione wyłączanie z powodu użycia kondensatorów buforowych Ponieważ kondensatory buforowe mogą przechowywać tak dużo energii, dostarczają one prądu układom robota nawet po wyłączeniu zasilania. Najbardziej oczywistym symptomem jest to, że po odłączeniu zasilania dioda LED gaśnie powoli, a nie natychmiast. Jest to spowodowane względnie powolnym spadkiem napięcia w czasie rozładowywania kondensatorów buforowych. Przeciwne zjawisko zachodzi po podłączeniu zasilania. Kondensatory buforowe są puste i ładując się, pobierają więcej prądu z baterii. Powoduje to, że po włączeniu zasilania napięcie w obwodzie wzrasta nieco wolniej, ponieważ bateria musi dostarczyć prądu zarówno do układów, jak i do kondensatorów buforowych. Przebiegi napięcia przy włączaniu i wyłączaniu obwodu można obejrzeć z wykorzystaniem oscyloskopu (rysunek 8.3). W moim przykładowym obwodzie z zamontowanym kondensatorem 220 μF bateria 9 V i stabilizator 5 V potrzebowały 5 milisekund, aby napięcie w obwodzie wzrosło od 0 V do 4 V. Podczas wyłączania spadek napięcia od 5 V do 1 V trwał 900 milisekund.

131 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 8.3. Czasy włączania i wyłączania obwodu przy różnych pojemnościach kondensatorów buforowych. Oscylogramy przy włączaniu obwodu z różnymi pojemnościami kondensatorów (po lewej). Oscylogramy przy wyłączaniu obwodu z różnymi pojemnościami kondensatorów (po prawej). Zwróć uwagę, że skala pozioma przebiegu dla wyłączania napięcia jest 20 razy większa. Przebiegi te jasno wskazują, że obwód nie włącza się i nie wyłącza w sposób natychmiastowy. Dodatkowo czasy włączania i wyłączania zwiększają się ze wzrostem pojemności „ Uwaga Przykadowy obwód pobiera 5 V ze stabilizatora. Jednak zdecydowaem si na pomiar czasu zmiany napi cia o 4 V, poniewa kondensator nie aduje si w sposób liniowy. Gdy napi cie na kondensatorze zblia si do warto ci docelowej, tempo zmiany napi cia spada. Znacznie atwiej okre li , kiedy wystpia zmiana o 4 V, ni zgadywa , czy zakrzywiona linia osign a w kocu 5 V.

Aby zmierzyć czas włączenia i wyłączenia, nie musisz nawet korzystać z oscyloskopu. Po prostu obserwuj diodę LED przy włączaniu i wyłączaniu robota, aby sprawdzić, czy czasy włączania i wyłączania nie są zbyt długie. Wolno rosnące i wolno spadające napięcie może powodować problemy. Działanie większości układów zasilanych napięciem niższym niż wymagane jest niezdefiniowane. Na przykład mikrokontroler może zacząć losowo przełączać wyjścia, włączając silniki w nieoczekiwany sposób. Może się zdarzyć, że mikrokontroler zacznie zapisywać śmieci do różnych komórek pamięci (nawet zamazując własny program). Im dłużej układ działa przy zbyt niskim napięciu, tym większe jest prawdopodobieństwo wystąpienia problemów. W końcu mikrokontroler naprawdę będzie potrzebował układu wykrywania zbyt niskiego napięcia, który go wyłączy, gdy napięcie będzie zbyt niskie. Większość nowoczesnych mikrokontrolerów ma wbudowaną tę funkcję. Dostępne są również osobne układy wykrywające niskie napięcie, które blokują mikrokontroler poprzez nóżkę resetowania, zatrzymując jego działanie do momentu, gdy będzie mógł działać bezpiecznie.

Użycie przełącznika DPDT do skrócenia czasu wyłączania Układy wykrywania niskiego napięcia są przydatne do ochrony mikrokontrolerów. Aby ochronić pozostałe części robota, jako wyłącznika zasilania (SW1 na rysunku 7.2) możesz użyć przełącznika typu DPDT, dzięki któremu można szybko rozładowywać kondensatory przy wyłączaniu zasilania. W pozycji włączonej pierwszy styk przełącznika łączy baterię z częściami niestabilizowanymi (silniki, sterowniki silników, C1, C1BUF., wejście stabilizatora napięcia itd.), natomiast drugi styk włącznika łączy wyjście ze stabilizatora napięcia z układami stabilizowanymi (w tym C2 i C2BUF.), tak jak zwykle (rysunek 8.4). W pozycji wyłączonej pierwszy styk przełącznika łączy kondensatory C1 i C1BUF. (jak również kondensatory pozostałej części obwodu niestabilizowanego) z rezystorem o niewielkiej rezystancji podłączonym do masy. Drugi styk przełącznika łączy układy stabilizowane (w tym C2 oraz C2BUF.) z kolejnym rezystorem o niewielkiej wartości podłączonym do masy. Dzięki temu po ustawieniu przełącznika na pozycję wyłączoną tworzona jest ścieżka do szybkiego rozładowania kondensatorów, co skraca czas wyłączania.

132 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Rysunek 8.4. Użycie przełącznika DPDT do połączenia niestabilizowanych i stabilizowanych układów z zasilaniem (odpowiednio bateria i stabilizator napięcia) lub z masą, aby szybko rozładować kondensatory Użycie rezystora o niewielkiej wartości jest lepszym rozwiązaniem niż podłączanie układu bezpośrednio do masy. Gdyby kondensatory były podłączone bezpośrednio do masy, powodowałoby to przepływ bardzo dużego prądu, który mógłby uszkodzić kondensatory, a nawet przełącznik. Aby nie doszło do uszkodzeń, powinieneś zastosować rezystor z tlenków metali o mocy 1 wata (cena około 10 gr) lub lepszego. Choć oporniki muszą rozproszyć znacznie więcej mocy chwilowej, niż pokazuje wartość ich mocy ciągłej, to jednak całkowita ilość rozpraszanej energii jest ograniczona pojemnością kondensatorów, a rozładowywanie nie jest powtarzalne. Dlatego dla źródła zasilania poniżej 20 V przy całkowitej pojemności poniżej 1000 F rezystory te mieszczą się w swoich limitach przeciążenia szczytowego oraz przepięć impulsowych. Dla pojemności do 5000 F zastosuj rezystor 3 W, a poniżej 380 F wystarczą rezystory 1/2 W. Użycie przełącznika DPDT pomaga tylko skrócić czas wyłączania robota; nie poprawia to czasu włączania. Jeżeli jednak baterie mają odpowiednią pojemność i kondensatory buforowe nie są przesadnie duże, to czas włączania nie powinien być problemem. Zauważ, że czas włączania pokazany na rysunku 8.2 jest około 16 razy krótszy niż czas wyłączania. Inną zaletą użycia tego przełącznika jest szybsze obniżenie napięcia do poziomu masy (GND) niż w przypadku przepływu prądu przez diodę LED wskazującą pracę urządzenia. Niektóre mikrokontrolery i inne układy korzystają z szybkiego spadku napięcia poniżej 100 mV.

Dobór kondensatorów buforowych Wielu konstruktorów robotów wybiera kondensatory 2200 F lub 4700 F jako kondensatory buforowe. Wartości te wydają się zbyt duże dla robota działającego na baterie (są odpowiednie przy zasilaniu urządzeń energią słoneczną). W robotach bateryjnych zwykle używam kondensatorów 220 F lub 330 F. Szybki przegląd moich robotów wykazał zastosowanie kondensatorów o pojemnościach 22 F, 220 F, 330 F oraz 1000 F. Jeżeli Twój robot wymaga kondensatorów o pojemności 4700 F w celu zapobiegania tajemniczym restartom, przyczyna leży gdzie indziej. Czas wzrostu oraz spadku można policzyć, mierząc rezystancję układów robota, a następnie korzystając ze wzoru czasu ładowania kondensatora przez rezystor (RC), policzyć maksymalną pojemność dla najdłuższych, akceptowanych przez Ciebie czasów ładowania i rozładowania. Jednak nie warto poświęcać temu zbyt wiele czasu, jeżeli będziesz korzystał z rezystorów podciągających i obniżających dla zapewnienia domyślnych wartości (więcej informacji na ten temat znajdziesz w kolejnych rozdziałach), a mikrokontroler będzie zatrzymywany po wykryciu niskiego napięcia. Zalecam stosowanie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych 220 F 35 V (cena około 20 gr) jako efektywnych i tanich kondensatorów buforowych. Jeżeli chcesz użyć mniejszych elementów, to dla baterii 12 V możesz wykorzystać kondensator 25 V, a dla baterii 9 V kondensator 16 V. Ponieważ silniki generują przepięcia, w celu określenia odpowiedniej wartości napięcia roboczego kondensatora w niestabilizowanym obwodzie podwoiłem napięcie źródła prądu. Niektórzy elektronicy mogą zaakceptować wartość o 20% mniejszą.

133 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zalecam stosowanie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych 220 F 10 V lub 16 V (cena około 15 gr) jako efektywnych, tanich i względnie małych kondensatorów buforowych dla obwodu 5 V. Jeżeli do napięcia stabilizowanego nie są podłączane silniki lub inne komponenty indukcyjne (dławiki, przekaźniki, solenoidy, transformatory lub cewki), w obwodzie 5 V można użyć aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych o napięciu roboczym 6,3 V.

Powiększanie marginesu bezpieczeństwa dla kondensatorów tantalowych Choć nie zawsze musisz podwajać wartość napięcia roboczego dla kondensatorów elektrolitycznych, nigdy nie oszczędzaj na tej wartości w przypadku kondensatorów tantalowych. Zawsze wybieraj kondensatory tantalowe o wartości napięcia roboczego co najmniej dwa razy większej niż maksymalne oczekiwane napięcie. Kondensatory tantalowe są bowiem znacznie wrażliwsze na przepięcia i mają tendencję do zwarć, zapalania się i eksplodowania w momencie awarii (rysunek 8.5).

Rysunek 8.5. Rezerwowy kondensator tantalowy w obwodzie niestabilizowanym eksplodował i zapalił się w robocie Zupa W przypadku pokazanym na rysunku 8.5 niestabilizowane napięcie wynosiło 19,2 V, a kondensator miał napięcie robocze 35 V. Jednak silniki zasilane prądem o natężeniu wielu amperów były szybko włączane i wyłączane, co zapewne generowało znaczne skoki napięcia. Możliwe jest również, że zniszczony kondensator był uszkodzony. Bezpiecznik PPTC (przedstawiony w dalszej części rozdziału) bezpiecznie odłączył zasilanie, zanim zdążyłem sięgnąć do wyłącznika robota. Po wymianie uszkodzonego elementu i obniżeniu napięcia niestabilizowanego do 12 V robot ciągle świetnie działa. Jednak płytka z układami nadal dziwnie pachnie.

Kondensatorowe czary Budując obwody elektryczne, chcę zawsze w pełni rozumieć powody dodawania elementów lub tworzenia połączeń. Zwykle akceptuję sugerowane przez producenta schematy, ale wolę, jeżeli dokładnie wyjaśnia on wybór elementów, abym mógł wprowadzać modyfikacje odpowiednie do konkretnej sytuacji. Taka naukowa filozofia obejmuje również korygowanie błędów lub niedociągnięć. Nie chcę dodawać elementów do obwodu w celu maskowania problemów. W czasie eksperymentów mogę znacznie zmienić wartości elementów na płytce, aby sprawdzić, jaki to przyniesie wynik, ale ta technika służy do wyizolowania

134 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

problemu i prowadzi do logicznego wyjaśnienia. Ostatecznie nic nie zostaje na stałe zamontowane lub usunięte z moich robotów, jeżeli nie rozumiem przeznaczenia elementów oraz gdy nie działają w zaprojektowany i oczekiwany sposób. Po tym wstępie mogę przedstawić użycie kondensatorów metodą „spróbuj wszystkiego”: oprócz kondensatorów zgodnych z projektem dodaj na płytkę kilka kondensatorów o średniej i małej pojemności. Każdy z tych kondensatorów podłącz jednym wyprowadzeniem do napięcia dodatniego, a drugim do masy. Kondensator poliestrowy 0,68 F, kondensator tantalowy 10 F oraz aluminiowy elektrolityczny 220 F stanowią dobry zestaw dla źródła zasilania. A co to takiego? Ceramiczny kondensator monolityczny po drugiej stronie płytki? Niezły wybór! Może to zabrzmieć dziwnie, ale kondensatory wykonane w różnych technologiach mają inne cechy. Niektóre kondensatory radykalnie zmieniają pojemność wraz z temperaturą, a niektóre nie. Niektóre kondensatory działają bardzo dobrze przy niskich częstotliwościach, niektóre przy średnich, a niektóre przy wysokich. Niektóre reagują szybko, a niektóre nie. Niektóre zapewniają duże pojemności za niewielkie pieniądze, a niektóre kosztują więcej niż obiad. Podejście „spróbuj wszystkiego” polegające na przypadkowym instalowaniu różnych wartości i technologii kondensatorów jest czasami nazywane czarowaniem z pojemnością. Nigdy nie rozwiązuje to problemu z kodem robota ani projektem obwodów, ale zmniejsza ukryte źródła zakłóceń. W poprzednich akapitach wyjaśniłem, że podejście takie ma naukowe podstawy, nawet jeżeli nie są one stosowane rozmyślnie przez projektanta obwodu. Następnym razem, gdy ktoś wskaże grupę kondensatorów na płytce robota i spyta o ich przeznaczenie, możesz odpowiedzieć: „To są równolegle połączone kondensatory, których indywidualne częstotliwości rezonansowe tworzą filtry częstotliwości kierujące niepożądane zakłócenia elektryczne do masy. Poza tym wybrałem ten właśnie kondensator, ponieważ był niebieski i dobrze pasował w to miejsce”.

Uycie kondensatorów blokujcych Jak wcześniej wspomniałem, kondensator jest elementem, który gromadzi i uwalnia energię elektryczną. Nie działa on tak jak bateria. Kondensator nie generuje energii — jedynie tymczasowo ją przechowuje. Kondensator można porównać do szklanki. Szklanka nie pompuje wody, ale ją tymczasowo przechowuje, aby można było jej użyć w danym momencie. Gdy spojrzysz na płytkę wypełnioną częściami elektronicznymi, możesz myśleć o układach zintegrowanych (układach logicznych, wzmacniaczach operacyjnych, mikrokontrolerach itd.) jak o gościach na przyjęciu. Każdy z nich powinien mieć szklankę (lub kufel na piwo, w zależności od gościa). Jeżeli ktoś tymczasowo zablokuje kurek beczki, goście będą mieli krótkoterminowy zapas napoju. We wszystkich moich obwodach możesz znaleźć co najmniej jeden kondensator 0,1 F (100 nF) dla każdego z układów scalonych (rysunek 8.6). Jest to standardowa, akceptowana praktyka w konstrukcjach elektronicznych. Po prostu połącz dodatnią nóżkę układu z dodatnim wyprowadzeniem kondensatora 0,1 F, a drugie wyprowadzenie kondensatora podłącz do masy. Ewentualnie połącz nóżkę masy układu z wyprowadzeniem masy kondensatora 0,1 F, a drugie wyprowadzenie kondensatora podłącz do dodatniego napięcia. „ Wskazówka Jeeli korzystasz z ceramicznych, monolitycznych kondensatorów 0,1 F (najcz stszy wybór dla tej pojemno ci), to na pewno wiesz, e s one niespolaryzowane. Dowolne wyprowadzenie kondensatora moe by podczone do masy lub dodatniego napi cia. „ Uwaga Ukad wykrywania dwi ku alarmu domowego wykrywacza dymu z rysunku 8.6 korzysta ze wzmacniacza dwi ku LM386 do zwi kszenia sygnau z maego mikrofonu. Wzmocniony sygna jest kierowany do dekodera LMC567, który jest ustawiony na 3,5 kHz. Gdy ukad LMC567 zasygnalizuje (nawet na krótko), e zosta wykryty alarm poarowy, to ukad przerzutnika 74HC74A przeczy wyj cie w stan wysoki (5 V), który nie zmieni si nawet wtedy, gdy LMC567 przestanie sysze alarm. Aby u pi robota, mona podczy wyj cie ukadu przerzutnika do tranzystora mocy lub przycisku. Pozwoli to na u pienie robota w stanie „wyczonym” do momentu usyszenia przez niego alarmu.

135 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 8.6. Cztery układy i cztery kondensatory blokujące 0,1 F w układzie wykrywania alarmu dla robota strażackiego. Blokują one niepożądane efekty wahań napięcia w linii zasilającej poprzez zapewnienie każdemu układowi niskorezystancyjnego, lokalnego źródła prądu. Kondensatory te absorbują również generowane przez układ zakłócenia, dzięki czemu te ostatnie nie wpływają na pozostałe elementy obwodu

Skracanie długiej ścieżki do źródła zasilania Jak właśnie napisałem, kondensator o małej pojemności służący jako lokalne źródło zasilania jest kondensatorem blokującym. Pozwala on pominąć impedancję (rezystancję pasożytniczą i induktancję) naturalną dla ścieżek prowadzących do względnie odległego źródła danych. Uważaj na długie wyprowadzenia kondensatorów przewlekanych (rysunek 8.7). W niektórych przypadkach indukcyjność i rezystancja tylko samych długich przewodów przekraczają wartość, którą miał zamaskować kondensator. Inaczej mówiąc, skrót do lokalnego źródła danych może być dłuższy niż ścieżka do głównego źródła danych. Dlatego w specyfikacji zawsze zaleca się montowanie kondensatorów bocznikowych możliwie blisko układu.

Rysunek 8.7. Gorsze niż bezużyteczne? Długie przewody kondensatora C1 niwelują efekt blokowania układu US1. Spójrz na wyprowadzenia tych rezystorów! W tym obwodzie będzie mnóstwo zakłóceń

136 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Izolowanie zakłóceń przy każdym źródle Kondensatory blokujące 0,1 F są również nazywane kondensatorami odsprzęgającymi. Odsprzęganie to proces separacji jednego elementu od drugiego. W tym przypadku kondensatory 0,1 F redukują zakłócenia generowane przez przełączanie bramek w ich źródle, w samym układzie ograniczając zakłócenia przenikające do innych podobwodów. Część zmienna napięcia (zakłócenia) jest oddzielana od części stałej (+5 V ze źródła danych) przez dołączenie kondensatora do rezystancji i indukcyjności naturalnej dla komponentów i ścieżek, co powoduje powstanie filtru częstotliwości. W bardziej zaawansowanych obwodach można filtrować specyficzne częstotliwości przez dodanie wyliczonego matematycznie rezystora lub cewki, aby izolowanie było precyzyjniejsze. Ponieważ nie dodałem wraz z kondensatorem 0,1 F rezystora ani cewki, niektóre osoby mogą argumentować, że kondensator ten jest po prostu kondensatorem blokującym. Jednak efekt odsprzęgania tu występuje i poprawia pracę obwodu.

Dobór kondensatorów blokujących/odsprzęgających Podsumowując, kondensator 0,1 F podłączony blisko nóżki zasilania układu scalonego zapewnia zarówno blokowanie (niskoimpedancyjne, lokalne źródło zasilania), jak i odprzęganie (redukcja zakłóceń i separacja). Takie użycie kondensatorów poprawia płynność działania całego obwodu. Warto kupić dużo kondensatorów 0,1 F i montować je obficie na płytkach z układami — nie mniej niż jeden na każdy układ scalony! Dobrym wyborem są kondensatory ceramiczne 0,1 F 50 V (cena około 7 gr za sztukę).

Ochrona przed uszkodzeniami spowodowanymi przez zwarcia i przepicia Większość stabilizatorów napięcia posiada pewne zabezpieczenie przeciwzwarciowe (złączenie przewodu zasilania i masy) i nadprądowe (przepływ prądu o natężeniu przekraczającym wartości założone w projekcie lub podane w specyfikacji) dla obwodu stabilizowanego. Jednak komponenty niestabilizowane, takie jak układy sterownika silnika, nie są chronione.

Decyzja, czy wymagane jest zabezpieczenie nadprądowe Większość małych urządzeń domowych nieposiadających części ruchomych nie ma elementów zasilanych napięciem niestabilizowanym, więc zabezpieczenie nadprądowe stabilizatora jest wystarczające. Urządzenia zasilane bateriami alkalicznymi są również bezpieczne, ponieważ baterie te mają wysoką rezystancję wewnętrzną, co uniemożliwia pobieranie dużego prądu. Jeżeli robot ma tylko obwody zasilane napięciem stabilizowanym lub jeżeli korzysta z niewielkich baterii alkalicznych (9 V, AA, AAA) połączonych szeregowo, to nie potrzebuje prawdopodobnie dodatkowego zabezpieczenia nadprądowego. Jeżeli jednak robot posiada także obwody zasilane napięciem niestabilizowanym (na przykład układy sterownika silników) lub jeżeli wykorzystywane baterie są w stanie dostarczyć kilku amperów (równolegle połączone baterie alkaliczne, baterie R14 i R6, NiMH, NiCd, litowo-jonowe, litowo-polimerowe, kwasowe itd.), to zabezpieczenie nadprądowe jest zalecane. Zastanów się, czy cały czas i uwaga poświęcona budowie robota nie są warte kilku dodatkowych minut pracy i 5 zł na zabezpieczenie przeciwzwarciowe. Czy pozwolisz po prostu stopić się płytce drukowanej, co ostatecznie rozłączy zwarte przewody (rysunek 8.8)?

137 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 8.8. Zabezpieczenie nadprądowe — wersja dla twardzieli. Ta ścieżka o szerokości 1 mm stopiła się w jednym z moich robotów, gdy bateria litowo-polimerowa 7,4 V rozładowała się z powodu zwarcia. Trudno uwierzyć, ile razy wymieniałem układy, aż w końcu znalazłem tę ścieżkę po drugiej stronie płytki. Zabezpieczenie nadprądowe zapobiegłoby temu uszkodzeniu

Zabezpieczanie z użyciem bezpiecznika topikowego Bezpiecznik jest najczęściej stosowaną, niedrogą metodą ochrony większych urządzeń lub urządzeń rutynowo wystawianych na nieznane poziomy prądu (na przykład multimetr). Bezpiecznik zawiera cienki przewód (pomiędzy baterią i obwodem), który przegrzewa się i roztapia w momencie, gdy przepływa przez niego prąd o zbyt dużym natężeniu, co odłącza obwód od źródła zasilania. Największym problemem z bezpiecznikiem jest to, że jest jednorazowy. Gdy się przepali, musi być wymieniony. Oznacza to, że musisz mieć w zapasie odpowiedni bezpiecznik i prawdopodobnie będziesz musiał rozmontować urządzenie, aby go wymienić. Prawidłowe umieszczenie uchwytu bezpiecznika w robocie oszczędza czas i zmniejsza frustrację. Zaletą bezpieczników jest ich niska cena, duża dostępność i względnie małe rozmiary.

Zabezpieczanie z użyciem bezpiecznika automatycznego Bezpieczniki automatyczne mają przewagę nad bezpiecznikami jednorazowymi. Bezpiecznik automatyczny jest pewnego rodzaju przełącznikiem, który rozłącza się, gdy przepływa przez niego prąd o zbyt dużym natężeniu. Po skorygowaniu źródła awarii użytkownik naciska przycisk bezpiecznika automatycznego, aby ponownie podłączyć obwód do źródła prądu. Podstawową wadą bezpieczników automatycznych jest ich większa cena i większe rozmiary w stosunku do bezpieczników jednorazowych. Działają one także wolniej niż większość bezpieczników jednorazowych. Ostatnią wadą jest możliwość zablokowania się bezpiecznika automatycznego, przez co przestanie pełnić swoją funkcję ochronną. Bezpieczniki automatyczne są często stosowane w droższych urządzeniach, urządzeniach prądu zmiennego lub urządzeniach, które mogą być przeciążone przez użytkownika, na przykład w przedłużaczu elektrycznym. Nikt nie chce, aby przeciętny konsument rozkręcał urządzenie prądu zmiennego i wymieniał bezpiecznik. Bezpieczniki automatyczne są odpowiednie dla robotów korzystających z prądu o większym natężeniu (stałego lub zmiennego).

138 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Zabezpieczanie robotów przed zwarciami i przeciążeniami za pomocą półprzewodnikowych, samoresetujących się bezpieczników polimerowych Polimerowe bezpieczniki z dodatnim wskaźnikiem temperaturowym (PPTC) są doskonałymi elementami chroniącymi zarówno stabilizowane, jak i niestabilizowane obwody średnich i małych robotów. Są one niewielkie, względnie tanie (około 5 zł lub mniej), mogą być wykorzystywane wielokrotnie, nie mają ruchomych części i automatycznie umożliwiają ponowny przepływ prądu, gdy warunki pracy wracają do normy.

Znaczne zwikszenie rezystancji w celu znacznego ograniczenia prdu Podobnie jak bezpiecznik topikowy lub bezpiecznik automatyczny, bezpiecznik PPTC przegrzewa się i wyłącza, gdy przepływa przez niego prąd o zbyt dużym natężeniu. Bezpiecznik PPTC w przeciwieństwie do klasycznych bezpieczników nie tyle fizycznie rozłącza obwód, ile zmienia swoją rezystancję z bardzo niskiej (mniej niż 1 ) na bardzo wysoką (ponad 1 M). Bezpiecznik PPTC jest, technicznie rzecz biorąc, nieliniowym, półprzewodnikowym termistorem, który w trakcie normalnej pracy jest w stanie przepuścić prąd o określonym natężeniu, a po nagrzaniu się wskutek przepływu zbyt dużego prądu może przy określonej temperaturze nagle zmienić (zwiększyć) swoją rezystancję. Jeżeli obwód ma bardzo niską rezystancję (na przykład z powodu zwarcia), większość napięcia jest tracona na działającym bezpieczniku PPTC w stanie wysokiej rezystancji. Sprawia to, że PPTC pozostaje gorący, utrzymując wysoką rezystancję, przez co redukuje przepływ prądu ze źródła do miejsca uszkodzenia. Gdy usterka zostanie wyeliminowana, rezystancja obwodu wzrośnie do normalnej wartości, co spowoduje bardziej równomierny podział napięcia pomiędzy nim a układem PPTC w stanie wysokiej rezystancji. Pozwala to na wystudzenie bezpiecznika PPTC i jego powrót do stanu niskiej rezystancji, co przywraca normalny przepływ prądu w obwodzie. Funkcja samoczynnego resetowania jest jedną z najlepszych cech bezpiecznika PPTC. W przeciwieństwie do bezpieczników jednorazowych lub ręcznych bezpieczników automatycznych możesz umieścić bezpiecznik PPTC w trudno dostępnym miejscu robota. Dodatkowo PPTC inaczej niż w przypadku bezpiecznika automatycznego automatycznie przywraca zasilanie po skorygowaniu problemu. Może to być przydatne na konkursie, gdy operator nie może dotknąć robota w czasie zmagań. Po krótkim czasie bezczynności spowodowanym tymczasowym zwarciem lub wzrostem natężenia prądu robot może nagle wrócić do działania po ostygnięciu bezpiecznika PPTC.

Ostrzeenie dotyczce bezpieczników PPTC Czasami bezpiecznik jednorazowy lub automatyczny moe by lepszy ni urzdzenie samoresetujce si . Jeden z producentów przytacza wyrazisty przykad: urzdzenia samoresetujcego si nie naley stosowa w mynku do mieci. Jego silnik moe ruszy w momencie, gdy kto b dzie wyjmowa blokujce jego prac resztki jedzenia (au !). Moe to by równie problem w przypadku robota bojowego. Trzeba równie pami ta , e w przeciwiestwie do zwykego bezpiecznika, przez wyzwolony bezpiecznik PPTC wci przepywa prd o niewielkim nat eniu. Z tego powodu w ukadzie nadal b dzie wyst powao pewne napi cie. Nie b dzie to problemem w niewielkim robocie zasilanym bateriami alkalicznymi o napi ciu 12 V. Jednak nigdy nie zapominaj o wyczeniu przecznika zasilania i odczeniu róda prdu przy rozpocz ciu serwisowania robota. Do robota z bezpiecznikiem PPTC naley podchodzi ostronie, poniewa moe si wczy w kadym momencie.

139 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Monta bezpieczników PPTC Bezpieczniki PPTC najczęściej wyglądają jak kondensatory (rysunek 8.9), ponieważ są cienkie, nieco zaokrąglone i mają dwa wyprowadzenia. Wszystkie bezpieczniki PPTC, jakie do tej pory widziałem, były koloru żółtopomarańczowego.

Rysunek 8.9. Kilka przykładów bezpieczników PPTC firmy PolySwitch zabezpieczających przed przeciążeniem. RXE005 wytrzymuje natężenie do 0,05 A i włącza się przy 0,10 A, RUE110 wytrzymuje natężenie do 1,1 A i włącza się przy 2,2 A, a RUE250 wytrzymuje natężenie do 2,5 A i włącza się przy 5,0 A (od lewej do prawej) Bezpieczniki PPTC są bardzo łatwe do instalacji. Po prostu umieść PPTC pomiędzy niestabilizowanym źródłem prądu a resztą obwodu (rysunek 8.10). Bezpieczniki PPTC nie są spolaryzowane i mogą być podłączone dowolnym wyprowadzeniem do źródła prądu.

Rysunek 8.10. Schemat robota chronionego samoresetującym się bezpiecznikiem PPTC, chroniącym przed przeciążeniem. Układ PPTC jest oznaczony jako „CB1”, ponieważ pełni funkcję analogiczną do bezpiecznika automatycznego. Jednak symbol na schemacie wygląda podobnie jak symbol rezystora z dodaną na nim linią obrazującą nagły wzrost wartości rezystancji

140 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Dobór bezpieczników PPTC Bezpiecznik PPTC ma kilka cech, o których trzeba wiedzieć: x prąd działania, x prąd włączenia, x czas reakcji, x wpływ temperatury otoczenia, x rezystancja normalnej pracy.

Zgrubny wybór limitu natężenia prądu Bezpiecznik PPTC ma zdefiniowany maksymalny prąd działania (niższy), przy którym może nieprzerwanie pracować bez ryzyka wyzwolenia, oraz (wyższy) maksymalny prąd, przy którym gwarantowane jest zadziałanie układu. Podobnie jak bezpieczniki jednorazowe i automatyczne, bezpieczniki PPTC są dostępne dla różnych wartości prądu. Powinieneś wybrać taki bezpiecznik PPTC, który będzie niezawodnie działał przy maksymalnym prądzie dopuszczalnym dla robota. Nie zapominaj, że silniki pobierają znacznie więcej prądu przy starcie niż przy niskim lub średnim obciążeniu. Upewnij się, że wziąłeś pod uwagę maksymalny prąd dla wszystkich silników. Na szczęście dzięki kondensatorom buforowym oraz względnie długiemu czasowi reakcji bezpiecznika PPTC silniki mogą pobrać chwilowo dużo prądu bez jego wyzwolenia. Dodatkowo, gdy wszystkie silniki zaczną się kręcić, to nawet jeżeli PPTC aktywuje się, silniki będą potrzebować znacznie mniej prądu i PPTC samoczynnie się zresetuje. Czas reakcji bezpiecznika PPTC zależy od tego, o ile aktualne natężenie prądu przekracza dopuszczalny limit. Im większy jest pobierany prąd, tym szybciej reaguje PPTC. Oznacza to, że pobór prądu nieco tylko większego niż prąd roboczy PPTC spowoduje, że bezpiecznik zadziała po dłuższym czasie (kilka sekund). Jednak jeżeli przekroczony zostanie prąd wyzwolenia, PPTC zareaguje w kilka milisekund. Ponieważ PPTC jest elementem wyzwalanym termicznie, pamiętaj, że faktyczny prąd, przy którym on zadziała, zwykle zmienia się w zależności od temperatury otoczenia oraz przewodnictwa cieplnego płytki lub uchwytu montażowego. Jeżeli umieścisz PPTC obok gorącego elementu (na przykład mocno obciążonego liniowego stabilizatora napięcia), będzie on włączał się przy niższym prądzie niż wtedy, gdy będzie umieszczony obok chłodzącego go wiatraka. W tym sensie możesz uznać bezpiecznik PPTC także za pewną ochronę przed przegrzaniem. Nie powinieneś zatem polegać na dokładnej wartości prądu wyzwolenia PPTC. Raczej traktuj PPTC jako zabezpieczenie przed poważnymi awariami, takimi jak zwarcie.

Akceptowanie pewnego spadku napięcia w zamian za ochronę Jedną z wad bezpieczników PPTC jest ich niewielka rezystancja w czasie normalnego działania. Podobnie jak w przypadku niskorezystancyjnych tranzystorów MOSFET chroniących przed odwrotnym podłączeniem baterii, przedstawianych w poprzednich rozdziałach, rezystancja bezpiecznika PPTC przekłada się na spadek (utratę) napięcia z baterii. Powinieneś więc wybierać PPTC z najniższą rezystancją początkową dla przewidywanego maksymalnego prądu działania. Dla prądu działania poniżej 100 mA (0,3 ampera) można znaleźć bezpieczniki PPTC o rezystancji początkowej około 1 . Dla prądu działania powyżej 1 ampera PPTC mają znacznie lepszą rezystancję początkową, rzędu 0,1  lub mniej. Bezpieczniki PPTC z niższymi wartościami napięcia maksymalnego są zwykle mniejsze i mają niższą rezystancję początkową niż urządzenia o wyższym maksymalnym napięciu. Ponieważ większość robotów korzysta z pakietów baterii o napięciu niższym niż 30 V, warto wybrać bezpiecznik PPTC o niższym napięciu całkowitym — aby stosować niższą rezystancję, i o mniejszych rozmiarach fizycznych.

141 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zakup bezpieczników PPTC Dwoma popularnymi markami bezpieczników PPTC są MultiFuse firmy Bourns (http://www.bourns.com/) i PolySwitch firmy Tyco (http://www.circuitprotection.com/). W katalogach dostawców części elektronicznych urządzenia te można znaleźć w sekcjach dotyczących bezpieczników. Nie mogę wskazać konkretnego bezpiecznika PPTC, ponieważ każdy robot wymaga dobrania takiego elementu, który nieco przekracza normalny pobór prądu przez robota. Przykładowym elementem może być jednak RUEF110, który dobrze się sprawdza w robocie pobierającym poniżej 1 ampera prądu (cena około 1,25 zł). Ma on rezystancję początkową pomiędzy 0,05  a 0,10  i gwarantuje nieprzerwane dostarczanie do 1,1 A prądu, natomiast w przypadku przekroczenia 2,2 A rozłączy się w ciągu milisekund. Można z niego korzystać dla napięć nieprzekraczających 30 V.

Zapobieganie uszkodzeniom spowodowanym przez przepicia w obwodzie stabilizowanym Obwody stabilizowane w założeniach mają napięcie nie większe niż wymuszane przez stabilizator, na przykład 5 V. Jednak przypadkowe połączenie pomiędzy przewodem po stronie stabilizowanej i niestabilizowanej może powodować, że napięcie stabilizowane (na przykład 5 V) wzrośnie do wartości napięcia niestabilizowanego (na przykład 9 V), co może zniszczyć układy logiczne, mikrokontrolery i niektóre kondensatory. Jakie jest prawdopodobieństwo takiej sytuacji? Cóż, większość robotów posiada zarówno obwód stabilizowany (zawierający mikrokontrolery), jak i niestabilizowany (zawierający sterowniki silników) na tej samej płytce. Powoduje to, że stabilizowane i niestabilizowane linie zasilania są położone blisko siebie. Aby wykonać takie połączenie, wystarczy nieostrożnie umieszczony śrubokręt (lub śruba albo skrawek metalu). Roboty w obudowach metalowych są bardziej narażone na taką katastrofę. Pewnego razu ledwo uniknąłem tragedii w moim robocie Sweet. Wyprowadzenie linii zasilania silnika dotykało metalowej obudowy robota, o którą ocierał się fototranzystor mający także metalową obudowę. Fototranzystor był podłączony do linii zasilania stabilizowanego 5 V, przez co zamykał połączenie pomiędzy zasilaniem niestabilizowanym (silniki) i stabilizowanym (układy logiczne).

Dioda Zenera Dioda Zenera wygląda podobnie jak inne diody, ale zwykle ma metalową obudowę w celu rozpraszania ciepła1 (rysunek 8.11).

Rysunek 8.11. Dioda Zenera 1N5232B 5,6 V

1

Diody Zenera przeznaczone do obwodów małej mocy bardzo często umieszczane są w obudowach szklanych (ceramicznych) — przyp. red.

142 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Gdy dioda Zenera jest podłączona tak jak każda inna dioda (anoda do +, katoda do –), to działa identycznie jak inne diody. Pozwala na przepływ prądu w jednym kierunku, blokując przepływ prądu w drugim. Jednak dioda Zenera ma specyficznie dobrane maksymalne napięcie wsteczne, jakie może blokować. Jeżeli napięcie jest wyższe niż ten limit, możliwy jest przepływ prądu w przeciwnym kierunku. Jest to nazywane przebiciem lawinowym (choć słowo lawinowe może brzmieć nieprzyjemnie, dioda Zenera nie ulega uszkodzeniu po przekroczeniu tego napięcia, o ile właściwie dobrany opornik ogranicza prąd). Oczywiście, przy odpowiednio dużym napięciu każda dioda pozwala na odwrotny przepływ prądu. Jednak dioda Zenera ma zaprojektowane ostre przejście przy zdefiniowanym napięciu (rysunek 8.12). Dioda Zenera w przeciwieństwie do standardowej diody może działać przy odwrotnym prądzie bez uszkodzenia. W zasadzie diody Zenera są zwykle instalowane „odwrotnie”, aby wykorzystać ich zwrotną wartość napięcia.

Rysunek 8.12. Wykres prądu zaporowego dla trzech różnych typów diod (zmierzonego przeze mnie, lecz niezgodnego ze specyfikacją producenta). Dioda Zenera 5,6 V 1N5232B wykazuje gwałtowną zmianę od blokowania do przewodzenia, gdy osiąga 5,6 V. Dioda Schottky’ego 1N5817 pokazuje tylko powoli rosnący prąd około 0,000002 A lub 2 A (to bardzo mała liczba). Dioda 1N914 ogólnego przeznaczenia ma tak mały przepływ prądu, że jest umieszczona w dolnej części wykresu

Użycie diody Zenera do zwarcia zasilania w przypadku wystąpienia przepięcia Jak pokazano na rysunku 8.13, dioda Zenera o napięciu 5,6 V blokuje wsteczny przepływ prądu w obwodzie 5 V. Jeżeli jednak napięcie stabilizowane wzrośnie powyżej 5,6 V — na przykład jeżeli przypadkowo do napięcia stabilizowanego zostanie dołączone napięcie niestabilizowane — to dioda Zenera włączy się i pozwoli na przepływ prądu przez nią.

143 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 8.13. Schemat zabezpieczenia przeciwprzepięciowego z użyciem diody Zenera (po lewej). Dioda Zenera 5,6 V nie przewodzi, jeżeli stabilizowane napięcie ma prawidłowo 5 V (pośrodku). Gdy napięcie stabilizowane jest zakłócane przez niestabilizowane napięcie baterii 9 V, dioda Zenera zaczyna przewodzić (po prawej) Zwróć uwagę, w jakim kierunku jest zainstalowana dioda Zenera. Musi ona być połączona katodą w stronę napięcia dodatniego. Jeżeli dioda Zenera zostanie zainstalowana katodą w stronę masy, to napięcie powyżej mniej więcej 1,1 V przepłynie przez diodę do masy, najprawdopodobniej niszcząc ją, o ile stabilizator nie wyłączy się na czas. W przeciwieństwie do diody LED nie podłączyłem szeregowo diody Zenera z opornikiem ograniczającym prąd. Chciałem, aby ścieżka z diodą Zenera miała możliwie niską rezystancję. Ponieważ prąd elektryczny jest „leniwy” (wybiera najłatwiejszą ścieżkę), wybierze ścieżkę z diodą Zenera o niskiej rezystancji, a nie układ 5 V o wyższej rezystancji. Rozmyślnie utworzyłem skrót, który nie pozwala na przepływ prądu do pozostałej części układu stabilizowanego w przypadku przekroczenia napięcia 5,6 V. Taka forma ochrony jest nazywana odcięciem. Jest to ostateczna próba ochrony układu.

Wczanie zabezpieczenia przeciwprzecieniowego przez zwarcie przeciwprzepiciowe Choć reszta obwodu jest chroniona przez odcięcie przez diodę Zenera, ona sama nie wytrzyma zbyt długo, jeżeli będzie przez nią przepływał cały prąd. Jeżeli zainstalowałeś klasyczny bezpiecznik lub PPTC, odegrają one swoją rolę i odłączą zasilanie układu. To się nazywa praca zespołowa! Zestaw „dwa w jednym”! Jeden element (dioda Zenera) wykrywa przepięcie i powoduje zwarcie. Drugi element (bezpiecznik „zwykły” lub PPTC) wykrywa zwarcie i odłącza zasilanie. Obwód jest uratowany! Elegancja połączenia diody Zenera oraz PPTC polega na tym, że żaden z elementów nie zostanie uszkodzony w procesie zabezpieczania układu. Po usunięciu przepięcia dioda Zenera przestaje przewodzić, a PPTC samoczynnie się resetuje. Zwróć uwagę, że mogą wystąpić pewne cykle zasilania (włączanie i wyłączanie), ale jest to znacznie mniej niebezpieczne niż nieograniczone przepięcie.

Wybór ochotnika z oddziau — mczeska mier pana Zenera Jeżeli czas przepięcia jest krótki, gdy nastąpi na przykład przypadkowe przesunięcie końcówki śrubokręta, to nie dzieje się nic złego. Jednak jeżeli przepięcie trwa dłużej i nie zostało użyte zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe, to dioda Zenera przegrzeje się i ulegnie zniszczeniu.

144 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 8. „ ULEPSZANIE ZASILACZA ROBOTA

Mam nadzieję (to znaczy „zawsze” tak się działo), że dioda Zenera ulegnie zniszczeniu w stanie przewodzącym (pozostanie zwarta), więc nawet po tym zajściu nadal będzie chroniła pozostałe komponenty. W takim przypadku dioda Zenera jest „usmażona” — musi być wylutowana i wymieniona.

Wybór odpowiedniego napięcia przebicia Dlaczego do ochrony obwodu 5 V nie użyłem diody Zenera o napięciu przebicia 5,1 V zamiast 5,6 V? Powodów jest kilka: x Stabilizator napięcia generujący 5,1 V nadal będzie się mieścił w granicach normy. W rzeczywistości nawet 5,25 V mieści się w standardowym zakresie pracy niemal wszystkich układów 5 V. x Napięcie przebicia diody Zenera zmienia się wraz z temperaturą. Jeżeli temperatura znacznie się zmieni, dioda Zenera 5,1 V może zacząć przewodzić przy mniej niż 5 V. x Diody Zenera pozwalają na niewielki przepływ prądu (poniżej 1 mA) w stanie blokady. Przepływ prądu przez diodę Zenera jest coraz większy wraz z osiąganiem przez nią napięcia przebicia. Dioda Zenera o napięciu przebicia 5,6 V nadal zapewnia odpowiednią ochronę dla układów 5 V, jednocześnie przewodząc (tracąc) mniej prądu niż dioda 5,1 V. Zabezpieczenia z zastosowaniem diody Zenera można użyć również w obwodach o innym napięciu stabilizowanym (na przykład 3,3 V). Oczywiście należy wybrać diodę o napięciu przebicia nieco wyższym niż napięcie stabilizowane. Diodę Zenera można również wykorzystać w obwodach niestabilizowanych, gdy chcemy zapewnić ograniczenie maksymalnej wartości napięcia, nie stosując dodatkowej stabilizacji. Na przykład szybkie układy CMOS (HC) działają przy napięciu z zakresu od 2 V do 6 V. Czteropak baterii NiMH 1,2 V świetnie nadaje się do zasilania tych układów, nawet bez dodatkowej stabilizacji. Możesz dodać do tego układu diodę Zenera 6,2 V, aby odciąć wyższe napięcia, na przykład gdy ktoś podłączy niewłaściwy pakiet baterii. Dodatkowo zapewnia to ochronę przed odwrotnym podłączeniem baterii, ponieważ prąd popłynie poprzez diodę Zenera, która będzie wtedy skierowana w kierunku przepływu, co spowoduje zwarcie i włączenie PPTC lub przepalenie bezpiecznika.

Zakup diody Zenera Do ochrony obwodu 5 V przed przepięciem nadaje się kilka popularnych diod Zenera o napięciu przebicia 5,6 V. Dioda 1N5232B (cena około 40 gr) ma moc 0,5 W. Dioda 1N4734 (cena około 20 gr) ma moc 1 W. Ponieważ element ten będzie użyty tylko jako urządzenie ratunkowe ostatniej szansy (nie będzie działać stale), to do naszych celów nadaje się zarówno dioda 0,5 W, jak i 1 W.

Kompletujemy niezawodne ródo zasilania Na początku poprzedniego rozdziału zaprezentowałem prosty, liniowy stabilizator napięcia. Teraz zaproponuję kilka usprawnień (rysunek 8.14). W celu wprowadzenia tych usprawnień wykonaj następujące kroki: 1. Użyj niskorezystancyjnego tranzystora mocy MOSFET z kanałem p do zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem baterii. 2. Dodaj kondensatory sugerowane przez producenta. Następnie dodaj kondensatory buforowe do stabilizowanego wyjścia oraz do napięcia niestabilizowanego (niepokazane).

145 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 8.14. Liniowy stabilizator napięcia z kilkoma usprawnieniami 3. Dodaj kilka małych i średnich kondensatorów wykonanych w różnych technologiach, umieszczając je w różnych miejscach obwodu, co zapewnia wykorzystanie ich unikalnych zalet. 4. Dodaj co najmniej jeden kondensator ceramiczny 0,1 F dla każdego układu scalonego, aby zablokować impedancję płytki (zapewniając „lokalne” źródło zasilania) oraz odsprzęgnąć (ograniczyć) zakłócenia układu. Umieść każdy z kondensatorów tak blisko układu, jak jest to możliwe, i korzystaj z możliwie krótkich nóżek kondensatorów (w tym przykładzie kondensator jest przyłączony do magistrali zasilającej, ponieważ nie było w pobliżu układu scalonego do pokazania na zdjęciu). 5. Dodaj bezpiecznik PPTC w celu ograniczenia maksymalnego prądu, jaki może płynąć w robocie. 6. Dodaj diodę Zenera o napięciu przebicia 5,6 V, która będzie chroniła obwód 5 V przed przepięciami. Wszystkie te ulepszenia są opcjonalne, ale wysoce zalecane. Możesz również zbudować roboty przedstawione w książce w oparciu o najprostszy układ liniowego stabilizatora napięcia. Jednak biorąc pod uwagę poświęcony czas i ilość pracy włożonej w budowę, warto wydać niecałe 20 zł, by układy były lepiej chronione i być może zwiększyły swoją sprawność.

146 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9 „„„

Sterowanie silnikiem Wszystkie tryby pracy silnika, jednotranzystorowe sterowniki silnika, zabezpieczenie diodowe, bipolarne mostki H oraz współpraca z układami logicznymi i mikrokontrolerami Sterownik silnika jest komponentem lub obwodem robota, dostarczającym prąd do silnika. Sterownik silnika może być bardzo prosty, z jednym tranzystorem, lub skomplikowany, zawierający zbiór układów logicznych z elementami dyskretnymi. Pierwszy obwód sterownika silnika, jaki zaprezentuję w tym rozdziale, jest pojedynczym tranzystorem pozwalającym na włączanie i wyłączanie silnika. Po tym skromnym początku zbuduję układ sterownika silnika oparty na klasycznym mostku H, pozwalający na ruch dwukierunkowy, ruch swobodny oraz na hamowanie elektryczne. Rozdział ten zakończę przybliżeniem kilku metod podłączania obwodu sterownika silnika z mostkiem H do układów logicznych lub mikrokontrolera, aby było możliwe sterowanie silnikiem. Wszystkie tranzystory używane w tym rozdziale są wykonane w technologii bipolarnej. Są one niedrogie, łatwe do podłączenia i dosyć wytrzymałe. W następnym rozdziale przedstawię te same obwody sterowników silnika, oparte na tranzystorach MOSFET (rodzaj tranzystorów korzystających z efektu polowego). Dodatkowo w następnym rozdziale omówię układy sterowników silników zawierające niemal kompletne obwody sterowania silnikiem w jednym układzie scalonym. Roboty prezentowane w tym rozdziale korzystają z rewersyjnych, komutatorowych silników prądu stałego ze stałymi magnesami. Jest to typ silnika najczęściej spotykany w robotach amatorskich. Więcej informacji na temat typów silników można znaleźć w rozdziałach 17. i 18. książki Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012). Choć nie jest to powiedziane bezpośrednio, opisywane w tym rozdziale sterowniki nadają się również do silników krokowych, przekaźników, diod LED, a nawet do sterowania zasilaniem innych obwodów.

Po co nam sterownik silnika? Po co nam sterownik silnika? Dlaczego nie możemy kontrolować silnika bezpośrednio z układów sterujących robota — mikrokontrolera lub układów logicznych? Układy logiczne i mikrokontrolery są zaprojektowane do przetwarzania danych, co wymaga użycia milionów cienkich ścieżek i mikroskopijnych przełączników elektronicznych. Silniki z kolei są proste i prądożerne. Silniki potrzebują kilku solidnych przełączników oraz grubszych przewodów dostarczających prąd.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ponieważ wewnętrzna struktura potrzebna do przetwarzania danych (wiele cienkich ścieżek) różni się od struktury wymaganej do dostarczania prądu (kilka grubych ścieżek), okazuje się, że niemal wszystkie układy logiczne i mikrokontrolery nie są w stanie dostarczyć wystarczająco dużego napięcia i prądu, aby mogły bezpośrednio sterować silnikiem. Jest to nawet problem nie tyle technologiczny, ile ekonomiczny. Układy logiczne mogłyby mieć grubsze przełączniki i nóżki obudowy. Ponieważ tak wiele układów logicznych oraz mikrokontrolerów jest używanych do innych celów niż sterowanie silnikami, połączenie mikrokontrolera ze sterownikiem silnika nie byłoby użyteczne ani zasadne ekonomicznie dla większości użytkowników układów półprzewodnikowych. Sterownik silnika stanowi po prostu jeden lub kilka względnie dużych elementów półprzewodnikowych pozwalających dostarczyć duże ilości prądu, zwykle pod kontrolą układów logicznych lub mikrokontrolera. Sterowniki silnika mają zazwyczaj cztery główne cechy, których są pozbawione mikrokontrolery: x dostarczają większy prąd do silnika, x często dostarczają wyższe napięcie do silnika, x izolują układy logiczne od przepięć i zakłóceń elektrycznych generowanych przez pracujące silniki, x zwykle dostarczają do silników niestabilizowane napięcie bezpośrednio z baterii, a nie napięcie stabilizowane z układu zasilania.

Dostarczanie do silników wyższego napięcia, niż są w stanie dostarczyć układy logiczne Małe silniki prądu stałego wymagają napięcia pomiędzy 1,5 V a 24 V, a najwięcej jest silników zasilanych napięciem 12 V. W przypadku identycznych pozostałych parametrów wyższe napięcie przekłada się na większą moc silnika. Dla większości nowoczesnych układów logicznych napięcie stanu wysokiego wynosi pomiędzy 1,8 V a 6 V, z czego najczęściej spotykane są układy 5 V. Gdyby napięcie było jedynym ograniczeniem, silnik 6 V mógłby działać podłączony do mikrokontrolera. Jednak użycie 5 V dla silnika 12 V spowoduje znaczny spadek wydajności.

Dostarczanie większego prądu, niż mogą zapewnić układy logiczne Małe silniki prądu stałego wymagają do swojej pracy prądu o natężeniu pomiędzy 20 mA a 2000 mA (2 ampery), choć najczęściej prąd mieści się w zakresie od 50 mA do 300 mA. Wyższe natężenie prądu jest pobierane w czasie startu silnika, gdy silnik jest mocno obciążony lub gdy hamuje. Większość nowoczesnych mikrokontrolerów oraz układów logicznych może dostarczyć do 25 mA z wyprowadzeń wysokoprądowych, a z pozostałych wyprowadzeń nie więcej niż 5 – 10 mA. Niektóre układy logiczne BiCMOS (bipolarne połączone z technologią MOSFET) mogą dostarczyć prądu o natężeniu do 50 mA na wyprowadzenie. Jednak nadal jest to zbyt mało na potrzeby niemal każdego silnika.

Błędy logiczne spowodowane zakłóceniami generowanymi przez silnik Silniki oprócz tego, że wykorzystują wyższe napięcia i natężenia prądu, generują sporo zakłóceń elektrycznych. Spadki, przepięcia oraz napięcia wsteczne mogą zakłócać pracę układów logicznych, a nawet je zniszczyć. Silniki mogą zatrzymać się bądź ulec uszkodzeniu, a ich przewody mogą być odłączone lub zwarte. Nikt nie chce budować zawodnego robota. Zakłócenia elektryczne z silnika mogą spowodować, że mikrokontrolery i układy logiczne „oszaleją”. Dlatego sterownik silnika dostarcza prąd oraz izoluje układy logiczne i mikrokontrolery od silników.

148 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Zasilanie silnika z obwodu niestabilizowanego kontra stabilizowanego W większości przypadków pożądane jest podłączenie silników robota bezpośrednio do niestabilizowanego źródła prądu, takiego jak pakiet baterii, zamiast do źródła stabilizowanego, używanego przez układy sterujące robota i inne układy logiczne. x Silniki zwykle zużywają znacznie więcej prądu niż reszta robota, zatem jeżeli do stabilizatora jest podłączony silnik, to taki stabilizator musi dostarczać znacznie więcej prądu. Powoduje to, że możemy wybierać spośród mniejszej liczby stabilizatorów, zazwyczaj większych i droższych. Stabilizowanie prądu o wyższym natężeniu generuje znacznie więcej ciepła, ponieważ nawet najlepszy proces stabilizacji nie jest w 100 procentach efektywny. x Silniki zwykle korzystają z wyższego napięcia niż napięcie dostarczane układom logicznym przez stabilizator. Dlatego przy założeniu, że niestabilizowane źródło prądu ma wyższe napięcie niż źródło stabilizowane, silniki będą mogły osiągnąć większą moc, jeżeli będą podłączone do źródła niestabilizowanego. x Stabilizator zapewnia izolację przed zakłóceniami elektrycznymi. Jeżeli silniki są po tej samej stronie obwodu co układy logiczne, większość zalet tej izolacji zostanie stracona. x Można oczekiwać, że przy przyłożeniu stałego napięcia do silnika (zamiast powoli zmniejszającego się napięcia z niestabilizowanego pakietu baterii) jego obroty będą stałe, jednak w rzeczywistości nie jest to pewne. Prędkość obrotowa jest zmieniona przez zmiany w sile oporu (uślizgi kół, smarowanie rozgrzewających się zębatek itd.) oraz przeszkody terenowe (wyboje). W przypadku robotów istnieją znacznie bardziej niezawodne sposoby kontrolowania dystansu i prędkości niż stabilizowanie napięcia. Z powodów przedstawionych powyżej wszystkie kolejne obwody dostarczają do silników napięcie niestabilizowane. Jednak technicznie rzecz ujmując, w razie potrzeby mogą być one zasilane prądem stabilizowanym. Warto wspomnieć, że nie ma przeszkód, aby zasilać te obwody sterowania silnikiem z osobnego pakietu baterii, innego niż pakiet zasilający układy logiczne. Jeżeli zamierzasz użyć dwóch osobnych pakietów baterii, pamiętaj, aby przewody masowe z obu pakietów były połączone (wspólna masa), a przełącznik zasilania robota odłączał zasilanie z obu pakietów baterii jednocześnie. Dla uproszczenia wolę stosować jeden pakiet baterii dla całego robota.

Cztery tryby pracy silnika Komutatorowy, rewersyjny silnik prądu stałego ma cztery podstawowe tryby pracy: obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, obroty w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara, obroty swobodne oraz hamowanie. Używając małego silnika i baterii 9 V, możesz samodzielnie wypróbować wszystkie cztery tryby (rysunek 9.1).

Rysunek 9.1. Zasilanie dołączone do biegunów silnika — obroty silnika zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara; zasilanie zamienione — obroty silnika w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara; zasilanie odłączone w celu uzyskania obrotów swobodnych; bieguny silnika połączone ze sobą w celu hamowania (od lewej do prawej) 149 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Znacznie łatwiej jest obserwować obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara i w przeciwnym kierunku w przypadku silnika z przekładnią, ponieważ prędkość obrotowa jest zwykle mniejsza, dzięki czemu zmiana kierunku obrotów jest widoczna dla człowieka. Zwykłe silniki (bez przekładni) są lepsze do demonstrowania różnicy pomiędzy obrotami swobodnymi i hamowaniem, ponieważ tarcie zębatek w silniku z przekładnią może być wystarczająco duże, by się wydawało, że jest on zawsze hamowany.

Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara Najłatwiejszym sposobem określenia kierunku obrotów silnika jest dołączenie do jego wałka dysku ze znacznikami (rysunek 9.2). Do szybkiego, tymczasowego połączenia użyj taniego lepiszcza wielokrotnego użytku.

Rysunek 9.2. Kierunek obrotów zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, gdy patrzy się od strony wałka silnika (po lewej). Dwa przykładowe dyski dołączone do wałka silnika w celu obserwowania kierunku obrotów (pośrodku). Górny dysk lepiej nadaje się do elektronicznych tachometrów lub liczników. Dolny dysk lepiej nadaje się do liczenia obrotów lub wykrywania kierunku obrotów przez ludzi. Lepiszcze wielokrotnego użytku (takie jak modelina) pozwala tymczasowo przytwierdzić dysk do wałka silnika (po prawej) Wiele silników ma zaznaczoną polaryzację przy biegunach, na przykład w postaci znaku plusa. Innym sposobem oznaczania jest kolor przewodów, gdzie przewód czerwony lub z białymi paskami oznacza biegun dodatni. Niektóre silniki mają czarny przewód lub przewód z czarnymi paskami oznaczający biegun ujemny. Jeżeli silnik nie ma żadnego wskaźnika polaryzacji, możesz sprawdzić działanie silnika, podłączając baterię w obu kierunkach, a następnie oznaczyć polaryzację biegunów w momencie, gdy wałek silnika obraca się w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. W większości silników wałek obraca się w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara po podłączeniu dodatniego bieguna baterii do dodatniego bieguna silnika i ujemnego bieguna baterii do drugiego z biegunów silnika. Napisałem „w większości silników”, ponieważ testując kilkanaście silników z mojej kolekcji, zauważyłem, że jeden silnik z przekładnią ma obroty w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara przy podłączeniu prawidłowej polaryzacji. Dlaczego zdarzył się taki wyjątek? W przypadku silników z przekładnią o nieparzystej liczbie stopni kół zębatych kierunek obrotów wałka przekładni jest odwrotny w stosunku do kierunku obrotów wałka silnika. Przekładnie planetarne zachowują kierunek obrotów niezależnie od liczby stopni.

150 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara W przypadku silnika rewersyjnego (odwracalnego) wystarczy zamienić bieguny silnika lub baterii, aby odwrócić kierunek obrotów. Tak przy okazji, warto o tym pamiętać, gdy koło (koła) robota będzie się obracać w niewłaściwym kierunku. Wystarczy zamienić połączenia na silniku. Kontrolując polaryzację prądu dostarczanego do silników odwracalnych, można sterować ruchem robota w przód i w tył.

Obroty swobodne (powolne wytracanie prędkości) Gdy bieguny silnika nie są do niczego podłączone, wałek silnika może się swobodnie obracać. Możesz przekonać się o tym, obracając wałek silnika palcami; możesz też podłączyć zasilanie do silnika i po chwili odłączyć je od niego, by zaobserwować, jak wałek obraca się jeszcze przez pewien czas, gdy prąd nie jest już dostarczany. Tryb ten jest nazywany powolnym wytracaniem prędkości, ponieważ energia silnika jest powoli tracona wskutek tarcia. Robot z wyłączonym silnikiem może być łatwo przetaczany i zwykle łagodnie wytraca prędkość, nie hamuje gwałtownie.

Hamowanie (gwałtowne wytracanie prędkości) Pierwsze trzy tryby — obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, przeciwne i obroty swobodne — są dosyć oczywiste. Ostatni tryb jest mniej intuicyjny. Po odłączeniu baterii połącz ze sobą bieguny silnika kawałkiem przewodu (po prawej stronie rysunku 9.1) lub śrubokrętem. Spróbuj pokręcić wałek palcami. Zauważysz, że będzie on stawiał większy opór niż po usunięciu przewodu lub śrubokręta. Innym sposobem na zaobserwowanie tego efektu jest podłączenie silnika do baterii, tak aby osiągnął maksymalne obroty, następnie odłączenie baterii i szybkie zwarcie biegunów silnika przewodem lub śrubokrętem. Wałek zatrzyma się dosyć gwałtownie (choć nie natychmiast). Tryb ten nazywa się gwałtownym wytracaniem prędkości, ponieważ energia silnika jest pochłaniana nie tylko przez tarcie w przekładni lub wałku, ale również przez cewki silnika. Robot z połączonymi ze sobą biegunami silnika nie może być łatwo przetaczany i zwykle szybko wytraca prędkość.

Uycie wikszej iloci energii Aby zrozumieć, jak działa tryb gwałtownego wytracania prędkości, możesz wykonać następujący eksperyment. Dołącz diodę LED do biegunów silnika i szybko pokręcaj wałek palcami (rysunek 9.3). Przy każdym obrocie wałka dioda LED jasno się zaświeci. Jeżeli dioda LED nie świeci się, spróbuj pokręcić wałek w odwrotnym kierunku.

Rysunek 9.3. Zwykły (bez przekładni) silnik z diodą LED dołączoną do biegunów w celu zademonstrowania, gdzie jest przesyłana energia w konfiguracji gwałtownego wytracania prędkości

151 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

„ Ostrzeenie Dioda LED zwykle wyst puje z rezystorem ograniczajcym prd. Tutaj rezystor jest niepotrzebny, poniewa nie b dziesz w stanie wygenerowa tak duo energii elektrycznej, aby uszkodzi diod . Jeeli jednak niepokoisz si

o stan diody LED, docz do niej szeregowo rezystor 1 k. Szczerze mówic, nie mog zagwarantowa , e skoki napi cia nie spowoduj uszkodzenia diody LED, wi c nie zalecam, aby uywa w tym eksperymencie antycznej niebieskiej diody LED odziedziczonej po prababce.

Załóżmy, że za każdym razem, gdy obrócimy palcami wałek silnika, generujemy tę samą ilość energii. Im więcej elementów będzie pochłaniało tę energię, tym szybciej zostanie ona zużyta i szybciej wałek silnika się zatrzyma. Dioda LED emituje energię w postaci światła. Wałek silnika zatrzymuje się szybciej przy podłączonej diodzie LED, ponieważ oprócz tego, że silnik zachowuje się podobnie jak w przypadku braku podłączenia diody (hałasowanie, generowanie ciepła wskutek tarcia), jest również emitowane światło. Połączenie (zwarcie) biegunów silnika powoduje, że energia jest pochłaniana jeszcze szybciej niż z wykorzystaniem diody LED lub innego obciążenia. Dla porównania wyobraź sobie, jak szybko zostałaby zużyta energia baterii, gdyby zostały zwarte jej bieguny.

Hamowanie przez gwatowne wytracanie prdkoci Gwałtowne wytracanie prędkości jest użyteczną funkcją robota: elektronicznym hamulcem. Hamulec ten nie jest tak silny jak fizyczny, ale pomaga robotowi zmieniać kierunek jazdy i nie pozwala na stoczenie się go z pochyłości.

Proste sterowanie z uyciem jednego tranzystora Teraz, gdy zaobserwowałeś cztery podstawowe tryby pracy silnika (obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara i w przeciwną stronę, obroty swobodne oraz hamowanie), przedstawię obwody sterownika silnika pozwalające na włączenie jednego z tych trybów. W zależności od rodzaju robota możesz nie potrzebować wszystkich czterech trybów, więc będziesz mógł skorzystać z prostszego obwodu. Najprostszym sterownikiem silnika jest przełącznik z jednym tranzystorem. Po włączeniu przełącznika tranzystora silnik jest podłączony do źródła prądu, zwykle baterii. Przy użyciu tylko jednego tranzystora silnik może być włączany tylko w jednym kierunku — zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara albo przeciwnym — co jest zależne od sposobu podłączenia silnika. Gdy tranzystor jest wyłączony, silnik jest odłączony od prądu (jego wałek obraca się swobodnie). Przełącznik z jednym tranzystorem nie pozwala na pracę silnika w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara ani na elektroniczne hamowanie. Jednak obwód z jednym tranzystorem jest prosty i tani. Jest wystarczająco efektywny na przykład do opuszczania czerpaka na początku pojedynku robotów sumo (rysunek 9.4). Robot Miłego Dnia zaczyna pojedynek minisumo z czerpakiem uniesionym w górę, dzięki czemu spełnia warunki zawodów dotyczące szerokości i długości robota. Następnie, gdy zaczyna się akcja, tranzystor włącza zasilanie silnika, do którego są podłączone ramiona czerpaka (rysunek 9.5). Czerpak gwałtownie spada do pozycji roboczej. Przełącznik tranzystorowy jest wyłączany w celu oszczędzania energii oraz zapobieżenia przegrzania się silnika przy ustawieniu czerpaka w pozycji zablokowanej (całkowicie opuszczonej). Co kilka sekund przełącznik tranzystorowy jest na krótko włączany, co powoduje dociśnięcie czerpaka w dół, jeżeli w jakiś sposób został uniesiony. Robot Miłego Dnia nie może unieść czerpaka i nie zrobiłby tego, nawet gdyby silnik był wystarczająco silny. Jednotranzystorowy sterownik silnika może włączać silnik tylko w jednym kierunku, więc czerpak może być wyłącznie opuszczany. W robocie tym mogłem zainstalować bardziej skomplikowany obwód sterownika silnika, ale było to niepotrzebne, ponieważ po zakończonym pojedynku minisumo mogłem podnieść czerpak ręcznie.

152 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Rysunek 9.4. Połączone zdjęcia robota Miłego Dnia pokazujące opuszczanie czerpaka z pozycji uniesionej. Do sterowania silnikiem czerpaka używany jest tylko jeden tranzystor

Rysunek 9.5. Zainstalowany poziomo w robocie Miłego Dnia mały silnik z przekładnią i z zębatką LEGO napędzający oś LEGO połączoną po obu stronach z ramionami czerpaka

Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem jest bardzo prosty (rysunek 9.6). W tym pierwszym układzie użyłem zwykłego tranzystora 2222N, który jest tranzystorem bipolarnym NPN ogólnego przeznaczenia. Symbol „2222A” to numer części, „NPN” oznacza wewnętrzny układ warstw półprzewodnika, a „bipolarny” to rodzaj technologii tranzystorów.

153 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 9.6. Schemat obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN, 2222A. Litery umieszczone obok T1 oznaczają wyprowadzenie kolektora tranzystora (K), bazy (B) oraz emitera (E) „ Uwaga Tranzystory bipolarne uywane w tym rozdziale s niedrogie, powszechnie dost pne i popularne w spoeczno ci robotyków amatorów. Wykorzystywanie tych tranzystorów jest dobrym sposobem na zapoznanie si ze sterownikami silników. Jednak tranzystory tego typu nie s zbyt wydajne. Jeeli w czasie eksperymentów uyjesz silnika, który wymaga wi cej prdu ni 300 mA, b dziesz rozczarowany. Na szcz cie dost pne s analogiczne tranzystory redniej mocy (takie jak ZTX1048A, ZTX1049A czy ZTX1051A), które maj tak sam konfiguracj nóek, ale s drosze.

Przeczanie z uyciem tranzystora Tranzystor T1 zamieszczony na rysunku 9.6 służy jako wyłącznik zasilania silnika. Wyobraź sobie fizyczny przełącznik umieszczony w miejscu tranzystora. Jeżeli przełącznik zostanie włączony, silnik będzie podłączony do 9 V i masy, więc zacznie pracować. Jeżeli przełącznik zostanie wyłączony, silnik będzie odłączony od masy, więc przestanie pracować. Tranzystory bipolarne są wyłączone, jeżeli przez ich bazę (B) nie płynie prąd. Można to osiągnąć przez fizyczne odłączenie przewodu prowadzącego do wyprowadzenia bazy w tranzystorze (co oczywiście przerwie przepływ prądu) albo przez podłączenie bazy tranzystora NPN do masy. Tranzystory bipolarne włączają się, gdy przez wyprowadzenie bazy płynie prąd. W przypadku tranzystora 2222A, aby prąd zaczął płynąć przez bazę, potrzebne jest napięcie 0,6 V lub wyższe. Jednak zgodnie z danymi producenta przy największych obciążeniach tranzystor 2222A potrzebuje co najmniej 2 V. To jest jednak nadal tak mała wartość napięcia, że większość nowoczesnych układów logicznych 5 V jest w stanie włączyć tranzystor. Ponieważ obecnie nie korzystamy z żadnych układów do kontrolowania tego obwodu, na rysunku 9.6 znajduje się tylko informacja „Włączony: do +9 V”. Jest to po prostu ułatwienie przy testowaniu obwodu z zastosowaniem baterii 9 V. Pamiętaj jednak, że ten tranzystor nie potrzebuje aż 9 V, aby się włączyć. Rezystor R1 obniża napięcie do wartości pomiędzy 0,6 V a 2 V, wymaganej do przyłożenia do bazy tranzystora.

154 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Uycie tranzystorów jako przeczników, a nie wzmacniaczy w obwodach sterowników silników Podobnie jak ściemniacz światła, tranzystory mogą działać płynnie, pomiędzy pełnym włączeniem a pełnym wyłączeniem, jeżeli do bazy zostanie doprowadzony prąd o wartości pomiędzy pełnym nasyceniem (saturacją) a wyłączeniem. Jednak obwody sterowników silników są zaprojektowane tak, aby uniknąć takiego działania tranzystora, ponieważ wartości prądu pobieranego przez pracujący silnik mogą spowodować przegrzanie częściowo otwartego tranzystora. Dlatego wszystkie obwody sterowników silnika przedstawione w tej książce albo w pełni włączają, albo w pełni wyłączają tranzystory.

Ograniczenie prdu bazy za pomoc rezystora Rezystor R1 zabezpiecza bazę tranzystora przed zbyt dużym napięciem lub zbyt dużym natężeniem prądu. R1 ma wystarczająco małą wartość, aby przez bazę przepływało odpowiednio dużo prądu z baterii 9 V (w tym przykładzie), by T1 był w pełni przełączony. Jednocześnie rezystor R1 ma wystarczająco dużą wartość, aby zabezpieczyć bazę tranzystora T1 przed przepływem zbyt dużego prądu, co mogłoby ją uszkodzić. R1 w tej roli jest nazywany rezystorem ograniczającym prąd. Z tych samych powodów podłącza się rezystory ograniczające prąd do diody LED. Jeżeli założymy idealny układ logiczny 5 V kontrolujący R1, możemy wyliczyć maksymalny prąd, jaki może przepłynąć przez bazę tranzystora T1: prd bazy w amperach = (napicie ukadu logicznego – bazowe napicie tranzystora) ÷ rezystor ograniczajcy prd w omach prd bazy w amperach = (5 V - 0,6 V) ÷ 1000  prd bazy w amperach = 0,0044 A lub 4,4 mA

Powyższe obliczenia pokazują, że idealny układ 5 V potrzebuje dostarczyć tylko 4,4 mA, aby rozpocząć włączanie T1. Jednak pobór prądu jest ograniczony, jeżeli baza ma maksymalne napięcie (mocno obciążony silnik): prd bazy w amperach = (5 V – 2,0 V) ÷ 1000  prd bazy w amperach = 0,003 A lub 3,0 mA

Zgodnie z danymi producenta tranzystor 2222A może teoretycznie dostarczyć do 500 mA ciągłego prądu (w szczycie do 1000 mA), o ile jest w pełni otwarty. Aby skonwertować 3 mA prądu bazy na 500 mA prądu kolektor-emiter, współczynnik wzmocnienia musi być większy niż wyliczony poniżej: minimalny wymagany wspóczynnik wzmocnienia – oczekiwany prd ÷ prd bazy minimalny wymagany wspóczynnik wzmocnienia = 500 mA ÷ 3 mA minimalny wymagany wspóczynnik wzmocnienia = 166,7

Specyfikacja techniczna tranzystora 2222A wskazuje, że minimalny gwarantowany współczynnik wzmocnienia wynosi około 30. Ponieważ minimalny wymagany współczynnik wzmocnienia (166,7) jest większy niż minimalny gwarantowany współczynnik wzmocnienia (30), tranzystor nie będzie w stanie dostarczyć silnikowi 500 mA prądu przy sterowaniu za pomocą układu logicznego 5 V oraz rezystora 1000 . Aby zapewnić większy przepływ prądu, możesz użyć rezystora R1 o mniejszej wartości (na przykład 470 ). Jednak mądrzej jest użyć tranzystora o lepszych parametrach, niż obciążać 2222A do granic jego możliwości. Zalety jednotranzystorowego sterownika powinny być już oczywiste. Układ logiczny 5 V, który może dostarczyć jedynie kilka miliamperów prądu, jest w stanie kontrolować silnik o wyższym napięciu pracy (9 V lub innym), pobierającym kilkaset miliamperów prądu.

155 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zabezpieczanie tranzystora za pomoc diody Podobnie jak rezystor R1, dioda D1 chroni tranzystor T1. Pracujący silnik gromadzi w sobie sporo energii. Gdy tranzystor T1 zostanie wyłączony, to w czasie zmniejszania się pola elektromagnetycznego napięcie na silniku w rzeczywistości zwiększy się i zmieni się jego polaryzacja. Dioda D1 zapewnia solidną ścieżkę pozwalającą na powrót prądu o wysokim napięciu do baterii lub jego krążenie w silniku. Gdyby nie było zamontowanej diody D1, napięcie na silniku mogłoby być tak duże, że przepłynęłoby przez T1 do masy, uszkadzając przy tym T1. Tak użyta dioda jest nazywana diodą gaszącą (ang. flyback).

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem jest bardzo prosty do zbudowania na płytce stykowej (rysunek 9.7). Silnik (M1) może być dowolnym małym silnikiem komutatorowym prądu stałego, o ile jego prąd rozruchowy nie przekracza 500 mA, a prąd pracy (przy obciążeniu) nie przekracza 300 mA.

Rysunek 9.7. Układ sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN 2222A zmontowany na płytce stykowej Dioda Schottky’ego 1N5817 (D1) jest tym samym komponentem, który został przedstawiony w rozdziale 7. Jest ona zainstalowana katodą (oznaczoną paskiem) w stronę napięcia dodatniego, przez co prąd z baterii normalnie przez tę diodę nie płynie. Jeżeli zainstalujesz diodę odwrotnie, silnik nie będzie pracował po włączeniu tranzystora. Zwróć uwagę na płaską stronę tranzystora T1 na rysunku 9.7. Etykieta tranzystora jest skierowana w stronę przedniej części płytki. Po lewej stronie rysunku 9.8 pokazane są wyprowadzenia tranzystora 2222A. Tranzystor 2222A jest uniwersalny i powszechnie dostępny. Do eksperymentów na płytce uniwersalnej zaopatrz się w tranzystory w obudowie przewlekanej TO-29 (cena około 30 gr). W prawym dolnym rogu rysunku 9.7 widoczny jest przewód zwierający. Jeden koniec tego przewodu jest podłączony do rezystora ograniczającego prąd (R1). Drugi koniec tego przewodu może być podłączony do magistrali 9 V w celu włączenia silnika lub do masy w celu wyłączenia silnika. W robocie miejsce przewodu zwierającego zajmie nóżka wyjściowa układu logicznego. Gdy napięcie na tej nóżce przejdzie w stan wysoki (5 V), silnik zacznie pracować. Gdy napięcie na tej nóżce przejdzie w stan niski (0 V), silnik się wyłączy. Tranzystor T1 będzie sterował silnikiem na podstawie sygnałów z układu logicznego.

156 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Rysunek 9.8. Wyprowadzenia tranzystora NPN 2222A (po lewej). Wyprowadzenia tranzystora PNP 2907A (po prawej)

Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP Obwód bipolarny PNP (rysunek 9.9) jest podobny do obwodu NPN. W tym przypadku zamiast tranzystora 2222A używany jest 2907A.

Rysunek 9.9. Schemat obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP, 2907A

157 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Silnik i dioda mają taką samą orientację jak poprzednio, ale są teraz podłączone do masy, a nie do napięcia dodatniego. Tranzystor i rezystor zostały przeniesione na górę obwodu i podłączają silnik do napięcia dodatniego, a nie do masy, jak poprzednio. Rezystor ograniczający prąd R2 pełni tę samą funkcję co R1 w poprzednim obwodzie — rezystor chroni bazę tranzystora (T2) przed przepływem zbyt dużego prądu. Podstawową różnicą w obwodzie PNP sterownika silnika jest to, że silnik włącza się, gdy baza tranzystora jest podłączona do masy. Jest to działanie odwrotne do działania tranzystora NPN. W zasadzie napięcie na bazie tranzystora T2 musi być obniżone tylko o 0,6 V poniżej napięcia dodatniego (9 V minus 0,6 V daje 8,4 V), aby prąd zaczął płynąć. Napięcie na bazie nie musi więc spaść do poziomu masy. Jednak całkowite uziemienie zwiększa przepływ prądu przez bazę, co pozwala na całkowite otwarcie tranzystora (saturacja) i zasilanie większych silników. Aby wyłączyć silnik, baza tranzystora PNP musi być odłączona lub musi być przyłożone do niej napięcie dodatnie. Obwód ten nie jest zatem tak praktyczny jak jego wersja NPN, ponieważ wyjście z układu 5 V nie będzie w stanie podnieść napięcia na bazie PNP do 9 V. Jednak niektóre układy, na przykład komparator LM393 użyty w robocie Kanapka (z książki Budowa robotów dla początkujących), nie mają problemów z odłączeniem bazy w celu wyłączenia silników (silniki robota Kanapka były sterowane przez tranzystory 2907A PNP).

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP Sterownik silnika z tranzystorem PNP (rysunek 9.10) jest równie łatwy do zbudowania, jak sterownik z tranzystorem NPN. W tym przypadku płaska (zawierająca etykietę) strona tranzystora jest skierowana do przodu płytki. Wyprowadzenia tranzystora 2907A są opisane po prawej stronie rysunku 9.8.

Rysunek 9.10. Układ sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP 2907A zmontowany na płytce stykowej Gdy przewód zwierający (prawy górny róg rysunku 9.10) jest podłączony do masy, silnik się obraca. Gdy przewód zwierający jest podłączony do 9 V (lub odłączony), silnik jest wyłączony. Podobnie jak 2222A, tranzystor 2907A jest bardzo popularny. Do eksperymentów na płytce uniwersalnej zaopatrz się w tranzystory w obudowie przewlekanej TO-29 (cena około 20 gr).

158 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

czenie ze sob sterownika NPN i PNP Następny obwód łączy ze sobą sterowniki silników NPN oraz PNP (rysunek 9.11). Może on wyglądać na skomplikowany na pierwszy rzut oka, ale naprawdę taki nie jest. Te same części z poprzednich obwodów znajdują się w tych samych miejscach. Jedyną różnicą jest podłączenie jednego przewodu silnika pośrodku obwodu, a drugiego przewodu silnika do masy. Taki układ jest nazywany czasami półmostkiem lub aktywnym obciążeniem.

Rysunek 9.11. Połączone ze sobą prezentowane wcześniej obwody NPN i PNP

Budowa obwodu sterownika silnika z połączeniem obwodów NPN i PNP Poza przewodami silnika komponenty pokazane na rysunku 9.12 znajdują się w tych samych miejscach na płytce stykowej co na rysunkach 9.7 oraz 9.10. Zwróć uwagę, że użyty jest tylko jeden przewód zwierający. Zaufaj mi i użyj tylko jednego przewodu. Gdy przewód zwierający połączy R2 z masą, tranzystor T2 zostanie włączony. Spowoduje to podłączenie silnika do napięcia 9 V, więc zacznie on pracować. Tak właśnie działa obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP. Gdy wyjmiesz przewód zwierający i połączysz R1 z napięciem 9 V, zostanie włączony tranzystor T1. Przewody silnika zostaną podłączone do masy poprzez tranzystor T1. Na pierwszy rzut oka nie wydaje się to niczym szczególnym, ponieważ drugi z przewodów zasilania silnika jest również podłączony do masy. Jednak silnik jest obecnie w trybie hamowania (spójrz na prawą stronę rysunku 9.1). Ten dwutranzystorowy sterownik silnika jest niewielkim usprawnieniem w stosunku do sterownika jednotranzystorowego, ponieważ pozwala na obracanie się wałka silnika w jednym kierunku lub hamowanie. Obwód ten jest połową końcowego obwodu, który chcę pokazać w tym rozdziale, stąd jego nazwa półmostek.

159 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 9.12. Obwody NPN i PNP połączone ze sobą na płytce stykowej

Unikanie zwarcia Przez połączenie obwodów NPN z PNP silnik podłączony w środku obwodu może otrzymywać 9 V lub być podłączony do masy. Niestety, jeżeli nie będziesz ostrożny, to po jednoczesnym włączeniu T1 i T2 na środku płytki pojawi się zarówno 9 V, jak i masa (rysunek 9.13).

Rysunek 9.13. Nie rób tak. Gdy są zastosowane dwa przewody, oba tranzystory są jednocześnie włączone, co powoduje, że prąd 9 V z baterii płynie przez T2, T1 do masy To jest zwarcie! To nie jest dobre!

160 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Ponieważ elementy sterownika silnika są zwykle podłączone do wyższego, niestabilizowanego napięcia, a elementy sterownika są w stanie obsłużyć większy prąd niż układy logiczne, zwarcie w sterowniku silnika może spowodować wiele szkód. Najbardziej prawdopodobne jest uszkodzenie tranzystorów; przegrzeją się one i spalą. Dodatkowo może stopić się płytka stykowa oraz może ulec uszkodzeniu bateria. Silnik, rezystory i diody najprawdopodobniej nie zostaną uszkodzone, ponieważ nie znajdują się na ścieżce zwarcia. Budując obwód sterownika silnika, zawsze zwracaj uwagę, czy konfiguracja przełączników (tranzystorów) pozwala na przepływ prądu od bieguna dodatniego do masy z pominięciem silnika. Projektanci sterowników silników poświęcili wiele pracy, aby upewnić się, że nieprawidłowe komendy przychodzące z układów logicznych nie ustawią przełączników na stan zwarcia. W tym eksperymencie użycie tylko jednego przewodu uniemożliwia włączenie w tym samym momencie więcej niż jednego tranzystora.

Klasyczny bipolarny mostek H Podwojenie poprzedniego obwodu pozwala uzyskać klasyczny mostek H (rysunek 9.14). Układ ten jest nazywany mostkiem H, ponieważ ma on kształt podobny do wielkiej litery H.

Rysunek 9.14. Klasyczny bipolarny mostek H NPN i PNP Wygląda on na złożony, ale w rzeczywistości są to po prostu cztery przełączniki tranzystorowe (dwa PNP na górze i dwa NPN na dole) w tej samej konfiguracji co obwody pokazane do tej pory w tym rozdziale. Prawa strona rysunku 9.14 jest taka sama jak na rysunku 9.11. Lewa strona rysunku 9.14 to lustrzane odbicie prawej strony. Orkiestra, tusz! Mostek H oferuje wszystkie cztery tryby pracy silnika: obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, obroty w przeciwną stronę, obroty swobodne oraz hamowanie.

161 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara z użyciem mostka H Gdy rezystor R2 jest podłączony do masy, to tranzystor PNP T2 jest włączony. Gdy rezystor R3 jest podłączony do 9 V, to tranzystor NPN T3 jest włączony. Zapewnia to ścieżkę przepływu prądu z baterii 9 V, poprzez T2, silnik, T3, do masy (rysunek 9.15). Jeśli założymy, że mamy dodatni biegun silnika podłączony do tej strony mostka H, po której znajduje się T2, to wałek silnika obraca się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara.

Rysunek 9.15. Po włączeniu T2 i T3 wałek silnika obraca się zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara z użyciem mostka H Gdy rezystor R4 jest podłączony do masy, to tranzystor PNP T4 jest włączony. Gdy rezystor R1 jest podłączony do 9 V, to tranzystor NPN T1 jest włączony. Zapewnia to ścieżkę przepływu prądu z baterii 9 V, poprzez T4, silnik, T1, do masy (rysunek 9.16). Jeśli założymy, że mamy dodatni biegun silnika podłączony do tej strony mostka H, po której znajduje się T1, to wałek silnika obraca się przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara.

Zwalnianie ruchu z wykorzystaniem hamulca elektronicznego mostka H Gdy rezystor R3 jest podłączony do 9 V, to tranzystor NPN T3 jest włączony. Gdy rezystor R1 jest podłączony do 9 V, to tranzystor NPN T1 jest włączony. Oba przewody silnika są podłączone do masy, więc są one ze sobą zwarte (rysunek 9.17). Wynikiem tego jest szybkie rozpraszanie energii silnika, podobnie jak w przypadku użycia diody LED w eksperymencie przedstawionym na początku rozdziału.

162 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Rysunek 9.16. Po włączeniu T4 i T1 wałek silnika obraca się przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara

Rysunek 9.17. Hamowanie silnika po włączeniu tranzystorów T1 i T3 (dolna część). Zaznaczona ścieżka pokazuje, że oba bieguny silnika są podłączone do masy (technicznie rzecz biorąc, jedna lub druga z diod będzie zapewniała ścieżkę elektryczną w zależności od kierunku prądu płynącego przez silnik) Hamulec elektroniczny nie jest tak efektywny jak fizyczny. Jednak rozpędzony robot szybko wytraci prędkość po włączeniu hamulca elektronicznego. 163 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Hamowanie wysokim napięciem Istnieje jeszcze jeden sposób hamowania elektronicznego z wykorzystaniem mostka H. Gdy rezystor R4 jest podłączony do masy, to tranzystor PNP T4 jest włączony. Gdy rezystor R2 jest podłączony do masy, to tranzystor PNP T2 jest włączony. Powoduje to podłączenie obu biegunów silnika do napięcia 9 V, więc oba bieguny silnika są ze sobą połączone (rysunek 9.18). I tym razem silnik jest hamowany elektronicznie.

Rysunek 9.18. Hamowanie silnika po włączeniu tranzystorów T4 i T2 (część o wysokim napięciu). Zaznaczona ścieżka pokazuje, że oba bieguny silnika są podłączone do napięcia 9 V (technicznie rzecz biorąc, jedna lub druga z diod będzie przewodziła prąd) Hamowanie zarówno przełącznikami PNP (wysokim napięciem), jak i przełącznikami NPN (niskim napięciem) jest tak samo efektywne. Jedną z przyczyn wyboru tranzystorów aktywowanych niskim napięciem może być fakt, że ten typ tranzystorów (NPN) ma zwykle niższą rezystancję. Ścieżka o mniejszym oporze pozwala szybciej odprowadzić energię silnika. Jednak zupełnie prawidłowe jest hamowanie przy użyciu tranzystorów aktywowanych wysokim napięciem. Być może Twój mikrokontroler lub układ logiczny ma po uruchomieniu 0 V na wyjściu, co idealnie nadaje się do podłączenia wszystkich rezystorów do masy (włączając hamowanie z wykorzystaniem T2 i T4). Niektóre scalone mostki H pozwalają na pomiar prądu tylko po stronie przełączników aktywowanych wysokim napięciem, dlatego włączenie tych tranzystorów pozwala na wykrycie, czy wałek silnika nadal się obraca lub czy coś próbuje popchnąć robota. Oba sposoby elektronicznego hamowania są prawidłowe.

164 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Obroty swobodne z użyciem mostka H W ostatnim z trybów, w którym żaden z rezystorów nie jest do niczego podłączony, żaden z przełączników tranzystorowych nie jest włączony. Wałek silnika może się swobodnie obracać, ponieważ bieguny silnika nie są elektronicznie do niczego podłączone (rysunek 9.19).

Rysunek 9.19. Po wyłączeniu wszystkich przełączników wałek silnika obraca się swobodnie Przy tych wszystkich przewodach i diodach być może pomyślisz, że musi istnieć jakaś ścieżka elektryczna, nawet jeżeli tranzystory są wyłączone. Jednak aby nastąpił przepływ prądu, musi on pokonać całą drogę, od jednego bieguna silnika do drugiego. W poprzednich przykładach dwa tranzystory (lub w czasie hamowania jeden tranzystor i jedna dioda po przeciwnej stronie) tworzyły taką ścieżkę. Standardowo prąd płynie od wyższego napięcia do niższego. Czy możesz narysować ścieżkę od dowolnego bieguna silnika do masy, poprzez baterię, do napięcia 9 V i do drugiego bieguna? Nie, diody są zamontowane w niewłaściwym kierunku, a przełączniki są wyłączone. Nie ma ścieżki. Nie ma przepływu. Ładunek prądu, jaki pozostał w silniku, powoli rozładuje się poprzez ciepło, tarcie, wibracje i hałas. „ Uwaga Prosz , nie rysuj w tej ksice.

Pozostałe kombinacje w mostku H Mostek H składa się z czterech przełączników tranzystorowych, z których każdy ma dwa stany (włączony i wyłączony). Oznacza to, że występuje 16 (24) możliwych stanów. Pięć zostało już wymienionych, ponieważ są użyteczne. Z pozostałych jedenastu cztery zapewniają hamowanie tylko w jednym kierunku, a pozostałe siedem powoduje nieprzyjemne zwarcia (tabela 9.1).

165 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Tabela 9.1. Kombinacje w sterowniku silnika z mostkiem H #

T4

T3

T2

T1

Wynik

1

Wyłączony

Wyłączony

Wyłączony

Wyłączony

Obroty swobodne

2

Wyłączony

Wyłączony

Wyłączony

Włączony

Hamowanie tylko w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

3

Wyłączony

Wyłączony

Włączony

Wyłączony

Hamowanie tylko w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara

4

Wyłączony

Wyłączony

Włączony

Włączony

Zwarcie

5

Wyłączony

Włączony

Wyłączony

Wyłączony

Hamowanie tylko w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara

6

Wyłączony

Włączony

Wyłączony

Włączony

Hamowanie w obu kierunkach (strona o niskim napięciu)

7

Wyłączony

Włączony

Włączony

Wyłączony

Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

8

Wyłączony

Włączony

Włączony

Włączony

Zwarcie

9

Włączony

Wyłączony

Wyłączony

Wyłączony

Hamowanie tylko w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

10

Włączony

Wyłączony

Wyłączony

Włączony

Obroty w kierunku przeciwnym do kierunku ruchu wskazówek zegara

11

Włączony

Wyłączony

Włączony

Wyłączony

Hamowanie w obu kierunkach (strona o wysokim napięciu)

12

Włączony

Wyłączony

Włączony

Włączony

Zwarcie

13

Włączony

Włączony

Wyłączony

Wyłączony

Zwarcie

14

Włączony

Włączony

Wyłączony

Włączony

Zwarcie

15

Włączony

Włączony

Włączony

Wyłączony

Zwarcie

16

Włączony

Włączony

Włączony

Włączony

Podwójne zwarcie

Zwróć uwagę, że zwarcie zachodzi tylko wtedy, gdy jednocześnie włączone są T4 i T3 lub gdy jednocześnie włączone są T2 i T1.

Konstruowanie klasycznego bipolarnego mostka H Obwód mostka H (rysunek 9.20) jest zbudowany tylko z czterech tranzystorów, czterech rezystorów i czterech diod. Zwróć uwagę, że po każdej stronie znajduje się tylko jeden przewód zwierający, co eliminuje możliwość zwarcia. Porównaj rysunek 9.20 ze schematem zamieszczonym na rysunku 9.14. Poświęć nieco czasu na eksperymenty z mostkiem H. Patrzenie, jak wałek silnika obraca się w przód i w tył, oraz sprawdzenie efektu hamowania i obrotów swobodnych jest bardzo satysfakcjonujące. Zrozumienie, jak działa mostek H, jest wartościowe, ponieważ wszystkie układy scalone sterowników silników wyewoluowały z tego podstawowego projektu.

166 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Rysunek 9.20. Sterownik silnika z mostkiem H zbudowany na płytce stykowej

Sterowanie stron o wysokim napiciu Do tej pory tranzystory były włączane i wyłączane z użyciem przewodu zwierającego, który łączył rezystory bazy z magistralą zasilania na płytce stykowej. Ostatecznie chcemy, aby mostek H był kontrolowany przez układy sterujące robota (układy scalone), a nie przez nas manualnie (przez przewód zwierający). Tranzystory znajdujące się po stronie o niskim napięciu (NPN T3 i T1) można wyłączyć z zastosowaniem poziomu 0 V i włączyć z wykorzystaniem kilku woltów. Nie ma problemu z podłączeniem tranzystora NPN do układu logicznego lub mikrokontrolera 5 V, a nawet 3,3 V, o ile tylko silnik nie będzie pobierał więcej niż kilkaset miliamperów. Tranzystory znajdujące się po stronie o wysokim napięciu (PNP T4 i T2) można włączyć z zastosowaniem 0 V (do tej pory nie ma problemów) lub wyłączyć przez przyłożenie do rezystora mniej więcej takiego samego napięcia, jakie znajduje się na emiterze, czyli w naszym przykładzie 9 V (oj). Mamy problem. Układ logiczny 5 V nie jest w stanie wygenerować bezpośrednio 9 V. Potrzebujemy więc układu, który pozwoli sterować poziomami logicznymi (standardowym napięciem) tranzystorów umieszczonych po stronie wysokiego napięcia w mostku H. Układy takie są zwykle nazywane interfejsami lub konwerterami poziomów.

Unikanie konwersji poziomów dzięki rezygnacji ze stabilizacji zasilania układów logicznych Większość szybkich układów CMOS (HC) może działać pod napięciem od 2 V do 6 V. Załóżmy, że zbudujesz robota wyłącznie przy użyciu układów tego typu i nie będziesz zajmował się stabilizowaniem napięcia. Teraz załóżmy, że źródłem prądu są cztery baterie niklowo-wodorkowe (NiMh), które dają napięcie od 5,8 V (baterie w pełni naładowane) do 4 V (baterie wyczerpane). Robot będzie działał świetnie bez konieczności zmiany mostka bipolarnego NPN/PNP, pokazanego na rysunku 9.14. Zamiast otrzymywać 9 V, mostek H będzie otrzymywał 4,8 V. Ponieważ układy logiczne będą również otrzymywać 4,8 V, nie będą miały problemu z podniesieniem bazy tranzystora PNP do napięcia emitera (4,8 V) i wyłączeniem tranzystora PNP. Interfejs nie jest potrzebny.

167 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rezygnacja z interfejsu dzięki zasilaniu mostka H napięciem stabilizowanym Inną opcją umożliwienia układom logicznym współpracy z tranzystorami PNP jest stabilizowanie napięcia zasilającego mostek H do tego samego napięcia co te układy. Na przykład dodając stabilizator 5 V do mostka H, spowodujemy, że układy 5 V będą w stanie podnieść napięcie bazy tranzystora PN do napięcia emitera (5 V). Interfejs nie byłby potrzebny. W przypadku małych silników niskoprądowych i pakietu baterii o względnie niskim napięciu (od 6 do 8 V) stabilizacja mostka H nie jest takim złym pomysłem. Oczywiście odrzucamy w ten sposób sporo napięcia, które mogłoby zasilać silnik.

Interfejs do PNP z wykorzystaniem NPN Jak wcześniej wspomniałem, standardowy układ logiczny może sterować tranzystorem NPN. Wiemy również, że tranzystor NPN dobrze nadaje się do podłączania czegoś do masy lub odłączania czegoś. Dodatkowo wiemy, że tranzystor PNP włącza się, gdy jest podłączony do masy, i wyłącza się, gdy jest odłączony. Aha! Układ logiczny może sterować tranzystorem NPN, a tranzystor NPN może sterować tranzystorem PNP (rysunek 9.21).

Rysunek 9.21. Schemat obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym PNP 2907A wraz z interfejsem 2222A NPN zapewniającym dopasowanie do standardowego układu logicznego Obwód z rysunku 9.21 jest identyczny z obwodem jednotranzystorowym pokazanym na rysunku 9.9, z tym że zostały dodane elementy T5 oraz R5. T5 pozwala teraz podłączyć R2 do masy lub odłączyć R2, tak jak robiliśmy to z wykorzystaniem przewodu zwierającego. R5 jest po prostu rezystorem ograniczającym prąd dla T5.

168 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Gdy R5 jest podłączony do masy, T5 się wyłącza, co powoduje odłączenie R2, co z kolei wyłącza T2, uniemożliwiając zasilanie silnika, więc silnik przestaje pracować. Gdy R5 otrzyma więcej niż 0,6 V, do bazy T5 zaczyna dopływać prąd, włączając silnik. Gdy T5 włączy się, podłącza R2 do masy. Gdy R2 jest podłączony do masy, na bazie T2 pojawia się napięcie niższe niż 0,6 V poniżej emitera, co powoduje włączenie T2 i przepływ prądu. Gdy T2 jest włączony, silnik (M1) otrzymuje napięcie i zaczyna pracować. W ten sposób użyliśmy jednego przełącznika do włączenia innego przełącznika. Jest to książkowe zastosowanie tranzystorów!

Odwrotne podczenie przecznika W sposobie kontrolowania obwodu zaszła subtelna zmiana. Przy użyciu tranzystora PNP musieliśmy podłączyć 0 V, aby włączyć silnik, i 9 V, aby go wyłączyć. Było to trochę dziwne. Po dodaniu tranzystora NPN silnik włączamy po podłączeniu napięcia 9 V (lub 5 V) i wyłączamy, gdy podamy napięcie 0 V. Gdy napięcie dodatnie włącza silnik, a masa go wyłącza, człowiek łatwiej może analizować obwód i szukać w nim błędów.

Wybór wartoci rezystora R5 Tranzystor NPN nie wymaga wiele prądu, aby włączyć T2. Nawet przy 20 V i zignorowaniu spadków napięcia po drodze maksymalny prąd płynący przez R2 wyniesie: 20 V ÷ 1000  = 0,02 A = maksymalnie 20 mA

T5 musi się włączyć, aby dostarczyć tylko 20 mA. Tak więc aby oszczędzać prąd, T5 otrzymał rezystor ograniczający prąd (R5, który jest dziesięć razy większy niż R2). Nie tylko pozwala to nieco zwiększyć czas działania baterii, ale również zmniejsza wymagany prąd pobierany z kontrolującego go układu logicznego. Pamiętaj o tej sztuczce z tranzystorem kontrolującym inny tranzystor, gdy będziesz musiał sterować końcowym tranzystorem, który wymaga zbyt wiele prądu dla układu logicznego. „ Wskazówka Nie ma nic zego w uyciu rezystora 1 k dla R5, o ile nie martwisz si poborem prdu, jeeli Twój ukad sterujcy moe dostarczy do 20 mA lub gdy kupujesz rezystory 1 k w ilo ciach hurtowych.

Okrelanie zakresu napi dla ukadów bipolarnego sterownika silnika Na schematach przedstawianych do tej pory w tym rozdziale napięcie wejściowe było określane jako 9 V. Jest to po prostu ułatwienie przy eksperymentowaniu z użyciem baterii 9 V. Wszystkie układy pokazane w tym rozdziale powinny działać w zakresie od 2 V do 20 V. Poniżej 2 V ograniczony przepływ prądu przez bazę tranzystorów może nie pozwolić na ich całkowite otwarcie (saturację). Dodatkowo sprawdziłem, że układ z rysunku 9.21 nadal steruje silnikiem o wysokiej efektywności przy napięciu tylko 0,8 V. Nie należy zasilać tych układów napięciem wyższym niż 20 V, ponieważ dioda 1N5817 nie jest przeznaczona do pracy przy napięciu wyższym niż 20 V. Teoretycznie możesz wymienić diodę 1N5817 na 1N914 lub 1N4001 i zwiększyć maksymalne napięcie do 40 V. Jednak tranzystory 2907A i 2222A nie są w stanie dostarczyć więcej niż 500 mA. Dosyć łatwo można znaleźć silnik, który pobiera przy obciążeniu mniej niż 500 mA przy napięciu wyższym niż 20 V. Jednak w razie potrzeby można zamienić przykładowe tranzystory na tranzystory bipolarne o wyższej mocy, na przykład z rodziny TIP. Teraz, gdy obwód sterownika silnika posiada tranzystor interfejsu NPN, napięcie układów logicznych może być nawet niższe lub wyższe niż napięcie obwodu sterownika silnika. Jednak nie podnoś napięcia bazy tranzystora bipolarnego PNP o więcej niż 5 V w stosunku do napięcia emitera. Inaczej mówiąc, układy sterujące robota nie powinny pracować przy napięciu o 5 V większym, niż otrzymuje sterownik silnika. Byłoby to trochę dziwne. Jeżeli jednak zdecydujesz się sterować silnikiem 1 V z wykorzystaniem bipolarnego tranzystorowego mostka H, kontrolowanego przy użyciu układu CMOS 13,5 V, radź sobie sam.

169 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem bipolarnym NPN i interfejsem NPN Obwód sterownika silnika PNP z interfejsem NPN jest bardzo prosty do zbudowania na stykowej płytce stykowej (rysunek 9.22). Trzeba tylko pamiętać, że płaska powierzchnia tranzystora 2907A z etykietami powinna być skierowana w przód, a płaska powierzchnia tranzystora 2222A powinna być skierowana w kierunku tyłu płytki.

Rysunek 9.22. Sterownik silnika z tranzystorem PNP 2907A oraz interfejsem NPN 2222A zmontowany na płytce stykowej

Koczymy bipolarny mostek H Po dodaniu tranzystorów NPN do sterowania tranzystorami PNP (rysunek 9.23) bipolarny układ mostka H jest gotowy do użycia w robocie. Mikrokontroler lub układ logiczny może teraz skierować kilka woltów do R1, R3, R5 lub R6, aby włączyć przełączniki i uruchomić silnik w przód, w tył, pozwolić na obroty swobodne lub zahamować.

Rysunek 9.23. Bipolarny mostek H z dwoma dodatkowymi rezystorami i tranzystorami NPN w celu sterowania tranzystorami PNP z poziomu układów logicznych 170 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Jest to świetny, kompletny mostek H, z którego powinieneś być dumny. Możesz wykorzystywać go w dowolnych małych robotach. Jest niedrogi, zbudowany z powszechnie dostępnych części i w testach wydajności plasuje się w połowie skali (patrz następny rozdział). Jedną z wad jest ograniczenie prądu ciągłego do 300 mA i około 500 mA w szczycie. Jednak dla robota wielkości pudełka na kanapki może to być więcej, niż potrzeba. Jak wcześniej wspomniałem, w razie konieczności możesz wymienić tranzystory w tym mostku na bipolarne o średniej mocy (ZTX1048A) lub wysokiej mocy (TIP), dzięki czemu będzie możliwe dostarczanie prądu ciągłego o większym natężeniu. Przykładowy mostek H z tranzystorami średniej mocy jest przedstawiony na stronie http://www.robotroom.com/BipolarHBridge.html. W artykule tym porównałem tranzystory średniej mocy z tranzystorami zaprezentowanymi w tym rozdziale, jak również z kilkoma słabszymi tranzystorami używanymi przez konstruktorów robotów. „ Wskazówka Zamiast korzystania z tranzystorów bipolarnych wysokiej mocy w celu osigni cia wi kszego nat enia prdu zalecam zbudowanie tego samego obwodu mostka H z uyciem tranzystorów MOSFET w sposób opisany w nast pnym rozdziale.

Użycie scalonego interfejsu Inną możliwością sterowania tranzystorami PNP w mostku H jest zastosowanie układu scalonego, którego zadaniem jest przekształcanie niskiego napięcia wejściowego w wysokie napięcie wyjściowe. Jedną z możliwości jest wybranie układu posiadającego wyjście z otwartym kolektorem. Wyjście z otwartym kolektorem można podłączyć do masy lub odłączyć je. Nie różni się to niczym od tranzystora NPN. Na przykład układ CD74AC05E zapewnia sześć wejść logicznych oraz sześć wyjść z otwartym kolektorem (masa lub niepodłączone). Jest on więc podobny do pakietu sześciu tranzystorów NPN w jednym układzie, ale o bardziej ograniczonym prądzie. „ Uwaga Ukady z serii AC s poczeniem tranzystorów bipolarnych i CMOS. Technicznie rzecz biorc, nie zawieraj one po prostu „sze ciu tranzystorów NPN”, ale analogia jest nadal prawdziwa.

Wybór ukadu 4427 Układem konwertera poziomów o większych możliwościach jest 4427 (rysunek 9.24). Ma on dodatkowo funkcję konwersji poziomów logicznych z wejścia albo na poziom masy, albo na napięcie dodatnie (a nie na odłączone wyjście).

Rysunek 9.24. Schemat, w którym wejścia 0 V lub 5 V są konwertowane na napięcie wyjściowe 0 V lub 9 V (po lewej). Nóżki 1. i 8. są oznaczane jako „N/P”, co oznacza „niepodłączone”. Nóżki te pozostaw po prostu niepodłączone. Zwróć uwagę, że masa i napięcie dodatnie (9 V w tym przykładzie) nie są podłączone do nóżek narożnych, jak w większości układów. Układ scalony sterownika TC4427A w obudowie DIP z 8 nóżkami zamontowany na płytce stykowej (po prawej)

171 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Układ 4427 zawiera dwa wejścia i dwa wyjścia. Aby układ został włączony, na wejściu musi pojawić się 2,4 V lub więcej, o natężeniu 10 A lub mniej. Z wyjścia można pobierać do 1,5 A, co znacznie przekracza wymagania dla prądu bazy niemal wszystkich powszechnie dostępnych tranzystorów bipolarnych.

Wspópraca ukadu 4427 z mostkiem H Zamiast używać tranzystorów NPN do sterowania tranzystorami PNP po stronie wysokiego napięcia, możemy skorzystać z wyjść układu 4427. Alternatywnym, ciekawszym rozwiązaniem jest sterowanie tranzystorów zarówno strony niskiego, jak i wysokiego napięcia w mostku H (rysunek 9.25).

Rysunek 9.25. Przy użyciu układu 4427 możemy sterować silnikiem za pomocą dwóch, a nie czterech linii. Mostek H nie będzie zwierany (to dobrze), ale nie będzie dostępny tryb obrotów swobodnych Gdy na wejściu A układu 4427A pojawi się 5 V, na wyjściu A mamy 9 V (lub inne napięcie dostarczane do mostka H). Powoduje to wyłączenie tranzystora T4 i włączenie tranzystora T3. Gdy na wejściu A mamy 0 V, na wyjściu A mamy również 0 V. Powoduje to włączenie tranzystora T4 i wyłączenie tranzystora T3. Wejście B i wyjście B ma taki sam efekt dla tranzystorów T2 i T1. Dzięki temu możemy kontrolować wszystkie cztery tranzystory (więc i silnik) przy użyciu dwóch linii układu logicznego lub mikrokontrolera (tabela 9.2). Tabela 9.2. Tryby działania silnika przy zastosowaniu układu sterownika 4427 Wejcie B

Wejcie A

Wynik

0V

0V

Hamowanie w obu kierunkach (strona o wysokim napięciu)

0V

5V

Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

5V

0V

Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara

5V

5V

Hamowanie w obu kierunkach (strona o niskim napięciu)

Układ taki jest niemal doskonały. Układ mostka H nie będzie już zwierany (zapoznaj się z informacjami o przebiciach w następnym rozdziale), nawet jeżeli mikrokontroler „oszaleje” i zacznie wystawiać losowe poziomy napięcia. Niestety, tranzystory nie mogą być jednocześnie wyłączone, więc nie jest dostępny tryb obrotów swobodnych. Jednak dla większości robotów tryb taki nie jest potrzebny. Układ 4427 wymaga zasilania napięciem co najmniej 4,5 V i nie większym niż 18 V, więc zakres napięć dla mostka H nie zmniejszył się w stosunku do wcześniejszego (od 2 V do 20 V). Jednak nie jest to wielka strata. 172 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 9. „ STEROWANIE SILNIKIEM

Wybór ukadu 4427 lub jego bliskiego krewniaka Układ 4427 jest ulepszoną wersją oryginalnego układu bufora 427. Dostępne jest wiele układów z taką samą konfiguracją wyprowadzeń: x Układ 4424 ma wyższy prąd szczytowy (3 A) niż 4427 (1,5 A). x Układ IXYS IXDN404PI (http://www.ixys.com/) ma nawet wyższy prąd szczytowy (4 A) oraz większy zakres napięć (od 4,5 V do 25 V), ale wymaga na wejściu co najmniej 3,5 V zamiast 2,4 V, aby włączyć napięcie na wyjściu. Nie jest to istotne, jeżeli korzystasz z układów logicznych lub mikrokontrolerów zasilanych napięciem 5 V. x Układ 4426 jest inwerterem, a nie buforem, więc wyjście jest logicznie przeciwne do wejścia. Na przykład wejście 0 V daje na wyjściu 9 V, a 5 V na wejściu daje 0 V na wyjściu. x Układ 4428 ma jedno wyjście z inwerterem, a drugie bez niego. x Układ IR4427 firmy International Rectifier ma wejścia z przerzutnikami Schmitta (jest odporniejszy na zakłócenia elektryczne lub wolno zmieniające się sygnały sterujące) oraz wbudowane rezystory obniżające. x Układ TPS2812P firmy Texas Instruments (http://www.ti.com/) steruje napięciem do 40 V, gdy nóżka 1. jest podłączona do zasilania (nóżka 1. nie jest nigdzie podłączona w żadnym z pozostałych układów). Podobnie jak w przypadku stabilizatorów napięcia 7805, LM2940 i LP2954 (przedstawionych w rozdziale 7.), mających tę samą konfigurację wyprowadzeń, możesz dobierać komponenty, biorąc pod uwagę cenę, potrzebne funkcje i dostępność. Ten sam układ może być produkowany przez różnych producentów, na przykład Microchip TC4427 (http://www.microchip.com/) i Maxim MAX4427. Różnice pomiędzy nimi można znaleźć w ich specyfikacjach technicznych. Moim ulubionym układem jest IXDN404PI. Układy IXDN404PI (cena około 10 zł), TC4427ACPA (około 5 zł), IR4427 (około 5 zł) oraz TC4424CPA (około 12 zł) są dostępne w ośmionóżkowych obudowach DIP, pasujących do płytek stykowych. Obudowa DIP ma tę zaletę, że można ją montować w gnieździe. Jeżeli więc układ sterownika silnika zostanie uszkodzony (lub będziesz podejrzewać, że uległ uszkodzeniu), będziesz mógł szybko ten układ wymienić. Układ 4427 został zaprojektowany do sterowania tranzystorami mocy MOSFET. Wykorzystamy go w ten sposób w następnym rozdziale. Jednak układ 4427 (i inne należące do tej rodziny) może równie dobrze sterować bipolarnym mostkiem H. W przypadku zastosowania układu 4427 możesz obniżyć wartości rezystorów i sterować tranzystorami bipolarnymi, dostarczając do silnika więcej prądu. Możesz nawet podłączyć diody LED równolegle do wyjść układu 4427, dodając robotowi światła. Wyjścia większości układów logicznych i mikrokontrolerów nie są w stanie dostarczyć odpowiednio dużo prądu dla diod LED i tranzystora w mostku H, ale 4427 ma duży zapas.

Kontrola nad silnikiem Po przeczytaniu tego rozdziału wiesz już wiele na temat sterowania silnikami w robotach własnej konstrukcji. Przedstawiłem tu najważniejsze powody użycia sterownika silnika, czyli doprowadzenie wyższego napięcia do silnika, zapewnienie większego natężenia prądu, zabezpieczanie układów logicznych przed zakłóceniami generowanymi przez silnik oraz umożliwienie pracy z pełną mocą silników z wykorzystaniem pełnego napięcia niestabilizowanego. Prosty, jednotranzystorowy sterownik silnika świetnie nadaje się do sterowania obrotami wałka silnika w jednym kierunku. Przy użyciu czterech tranzystorów mamy możliwość pełnego sterowania silnikiem, ale tylko na poziomie napięć układów logicznych. Przy zastosowaniu sześciu tranzystorów można w pełni sterować silnikiem do poziomu 20 V lub wyższego i kontrolować jego pracę za pośrednictwem standardowego układu logicznego lub mikrokontrolera.

173 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Po dodaniu układu konwertera poziomów lub interfejsu nie tylko możemy sterować przy wykorzystaniu układów logicznych tranzystorami po stronie wysokiego napięcia, ale również ograniczyć liczbę linii sterujących. Przy okazji możemy uniknąć niepożądanych kombinacji tranzystorów powodujących zwarcia. W następnym rozdziale omówię efektywniejszą technologię: tranzystory mocy MOSFET. Przedstawię też kompletne układy mostka H z interfejsami i innymi udogodnieniami. Omówienie sterowania silnikami zakończę porównaniem przeznaczonych do tego obwodów i układów scalonych.

174 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10 „„„

Sterowanie silnikiem — druga runda Sterowniki silników oparte na tranzystorach mocy MOSFET, rezystory podciągające i obniżające, przebicia, równoległe MOSFET-y dla dużych silników oraz porównanie sterowników 4427, SN754410 i MC33887 W poprzednim rozdziale koncentrowaliśmy się na wykorzystaniu tranzystorów bipolarnych do sterowania silnikami. Najprostszy obwód zawiera jeden tranzystor, który może włączać silnik w jednym kierunku. Bardziej skomplikowane konfiguracje, na przykład mostek H, zapewniają pełną kontrolę nad silnikiem. Rozdział ten zaczniemy od odtworzenia pokazanych poprzednio obwodów, ale z zastosowaniem tranzystorów polowych o strukturze metal-tlenek (MOSFET) zamiast bipolarnych. Tranzystory MOSFET są efektywniejsze i pozwalają dostarczać do silnika więcej prądu. Jednak w przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych MOSFET-y muszą być zawsze podłączone do źródła prądu. Nie mogą być pozostawione niepodłączone. Nie zawsze musimy budować własny mostek H. W rzeczywistości modularne układy mostka H pozwalają zaoszczędzić wiele czasu i energii w trakcie budowania robota, a większość takich układów zapewnia bezpieczeństwo, kontrolę oraz możliwości monitorowania, które wymagałyby dużo pracy nad własnym obwodem. W rozdziale tym przedstawiam trzy układy sterowników silnika. Na końcu tego rozdziału porównam kilka sterowników silników pod kątem dostarczanego prądu i efektywności.

Sterowanie silnikami za porednictwem tranzystorów MOSFET Ograniczę się tu do omówienia określonego typu tranzystorów z efektem polowym, tzn. tranzystorów mocy MOSFET. Tranzystory te pozwalają przełączać prądy o dużych wartościach w przeciwieństwie do cyfrowych, logicznych tranzystorów MOSFET, które znajdują się w nowoczesnych układach scalonych i są zoptymalizowane pod kątem szybkości przełączania i niskiego napięcia pracy.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem MOSFET z kanałem n (rysunek 10.1) jest podobny do analogicznego obwodu z jednym tranzystorem bipolarnym NPN, prezentowanego w poprzednim rozdziale. Podłączenie do masy wyprowadzenia bramki w T1 powoduje wyłączenie tranzystora, co wyłącza zasilanie silnika. Podłączenie wyprowadzenia bramki w T1 do 9 V powoduje włączenie tranzystora, który włącza zasilanie silnika, i silnik zaczyna się obracać.

Rysunek 10.1. Schemat sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n. Litery obok T1 oznaczają wyprowadzenie drenu tranzystora (D), bramki (B) oraz źródła (Ź)

Sterowanie przeczaniem tranzystora z wykorzystaniem napicia, a nie prdu Ponieważ MOSFET-y są sterowane napięciem, a nie ciągłym przepływem prądu, rezystor ograniczający prąd na bramce jest zwykle niepotrzebny. W zasadzie w stanie stabilnym na bramce (odpowiednik bazy w tranzystorze bipolarnym) tranzystora MOSFET nie występuje znaczący przepływ prądu, więc obwód taki jest bardzo efektywny. Z grubsza biorąc, na utrzymanie stanu włączonego w tranzystorze nie jest zużywany prąd. Jednak MOSFET-y na ogół wymagają użycia wyższego napięcia do włączenia tranzystora niż w przypadku większości tranzystorów bipolarnych. Starsze generacje tranzystorów mocy MOSFET wymagały zwykle do pełnego włączenia, aby na bramce pojawiło się napięcie co najmniej o 10 V wyższe niż napięcie na źródle (dla tranzystorów z kanałem n). Jednak nowe tranzystory mocy MOSFET mogą być przeważnie włączane za pośrednictwem tylko 3 V. Przy napięciu około 3 V tranzystor mocy IRLU024N może obsłużyć tyle samo prądu — 500 mA — co tranzystor bipolarny 2222A. Przy napięciu około 5 V IRLU024N może dostarczyć do silnika dziesięć razy więcej prądu. Nie oznacza to, że silnik musi zużyć tyle prądu, po prostu ten MOSFET jest w stanie tyle go dostarczyć.

176 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Zawsze podczaj bramk w tranzystorze MOSFET W tranzystorze bipolarnym przepływ prądu przez bazę powoduje włączenie zasilania silnika. Po odłączeniu przewodu od bazy tranzystora bipolarnego kontrolowany przepływ prądu ustaje, czyli tranzystor jest wyłączony. Z kolei tranzystor MOSFET jest sterowany napięciem na bramce. W zasadzie bramka w układzie MOSFET działa jak niewielki kondensator. Po naładowaniu MOSFET-u do określonego napięcia (załóżmy 9 V) odłączenie prądu powoduje, że ładunek początkowo pozostaje tam, gdzie był wcześniej. Gdzie ma się on podziać? Włączony MOSFET niekoniecznie się wyłączy po odłączeniu napięcia od bramki. Zamiast tego bramka musi być podłączona do innego napięcia (na przykład 0 V), aby zmniejszyć na niej ładunek do poziomu napięcia potrzebnego do wyłączenia tranzystora MOSFET. Istnieje wiele trywialnych (i nie tak trywialnych) źródeł upływności elektrycznych w powietrzu oraz na płytce elektrycznej. Jeżeli więc odłączysz bramkę układu MOSFET od źródła prądu, na przykład od baterii, to pozostawiasz ładunek w bramce, który będzie dostępny i wrażliwy na nieznane błądzące napięcia. Bramka może równie dobrze naładować się, rozładować lub pozostać bez zmian. Z tego powodu pozostawianie odłączonej bramki tranzystora MOSFET nie jest zalecane. MOSFET może się wyłączyć, włączyć, oscylować (włączać się i wyłączać) lub pozostać w stanie częściowego włączenia. Zasada mówiąca, że bramka tranzystora MOSFET nie powinna być nigdy odłączona, obowiązuje dla wszystkich komponentów zbudowanych w technologii MOSFET, takich jak komplementarne układy MOSFET (CMOS). Układy CMOS zwykle zawierają w oznaczeniu litery C, HC, VHC lub AC, na przykład 74AC14. Jeżeli kiedykolwiek usłyszysz zdanie: „Nie zostawiaj wiszącego wejścia”, to pamiętaj, że odnosi się ono do tego właśnie zjawiska. Wejściem układu CMOS jest bramka MOSFET. Gdy zostawisz odłączone wejście, ładunek na bramce MOSFET w tym układzie może wzrastać lub maleć. Każdy obwód dołączony do tego MOSFET-u może zachowywać się błędnie, gdy błądzący ładunek będzie włączał lub wyłączał bramkę. Generuje to zakłócenia elektryczne, zużywa prąd i może wpływać na oczekiwane działanie urządzenia. Czy każda odłączona bramka w końcu będzie powodować problemy? Czy MOSFET eksploduje? Czy pozostawienie wiszącego wejścia zabije Cię? Nie. Po prostu pozostawisz w zasadzie niekontrolowany tranzystor. „ Ostrzeenie Wa ciwie jednak moe Ci to zabi . Pomy l, co moe si zdarzy , gdy pozostawisz niepodczon bramk

tranzystora MOSFET w sterowniku silnika i MOSFET losowo wczy silnik. Czy ten silnik jest duy i ci ki? Czy jest do niego doczona pia tarczowa?

Ponieważ tranzystory MOSFET na ogół nie potrzebują prądu do podtrzymania stanu, zapewnienie, że bramka jest podłączona do znanego napięcia, nie pociąga za sobą żadnych kosztów elektrycznych. Jeżeli w układzie CMOS masz dodatkowe złącza wejściowe, z którymi nie masz co zrobić, po prostu podłącz je do masy. Pamiętaj, nie zostawiaj otwartej bramki.

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanaem n Wyprowadzenia układu MOSFET IRLU024N (rysunek 10.2) różnią się od wyprowadzeń tranzystora bipolarnego 2222A. IRLU024N (cena około 2,50 zł) zamiast w obudowie TO-92 jest dostępny w obudowie I-Pak, która jest również zgodna z płytką stykową. Jednak jeżeli wykonujesz samodzielnie płytki drukowane, zaplanuj nieco większe otwory (1,1 mm), ponieważ wyprowadzenia I-Pak są grubsze niż w obudowie TO-92.

177 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 10.2. IRLU024N — niskorezystancyjny tranzystor mocy MOSFET z kanałem n w obudowie I-Pak Obwód MOSFET jest zmontowany na płytce stykowej (rysunek 10.3) prawie w taki sam sposób jak w bipolarnej wersji obwodu. Przewód zwierający może być podłączony do 9 V w celu włączenia silnika lub do masy (0 V) w celu wyłączenia silnika.

Rysunek 10.3. IRLU024N użyty jako sterownik silnika na płytce stykowej Jeżeli przewód zwierający zostanie odłączony, tranzystor (T1) będzie pozostawiony w stanie nieustalonym. W czasie testowania obwodu bramka będzie chwilowo odłączona, gdy będziesz przenosić przewód zwierający od 9 V do 0 V. Wykonanie tej operacji przy tak małym silniku i przy małym źródle prądu niesie ze sobą niewielkie konsekwencje. Jednak istnieje sposób uniknięcia tej sytuacji przez zapewnienie domyślnej wartości napięcia w momencie odłączenia przewodu zwierającego.

Doprowadzanie domyślnego napięcia z wykorzystaniem rezystora Jak wcześniej wspomniałem, gdy bramka jest odłączona, MOSFET nie jest kontrolowany. Choć rezystor ograniczający prąd nie jest konieczny, możesz użyć rezystora podciągającego lub obniżającego w celu doprowadzenia na bramkę domyślnego napięcia w momencie odłączenia sygnału. 178 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Opornik podciągający lub obniżający to zwykły rezystor podłączony w taki sposób, aby dostarczał napięcie o domyślnej wartości. Podobnie jak nie znajdziesz w katalogu części rezystora „ograniczającego prąd”, tak samo nie znajdziesz rezystorów „podciągających” ani „obniżających”. Są to nazwy opisujące funkcje, jakie pełni zwykły rezystor w określonym obwodzie.

Ustawianie wysokiej wartoci napicia domylnego z wykorzystaniem rezystora podcigajcego Opornik podciągający to rezystor o wysokiej rezystancji podłączony pomiędzy bramką układu MOSFET a napięciem dodatnim (lewa strona rysunku 10.4). Jeżeli do bramki układu MOSFET nie będzie podłączone nic poza tym rezystorem, pojawi się na niej napięcie zasilania (na przykład 9 V) doprowadzane poprzez rezystor podciągający. Opornik podciągający pełni więc funkcję połączenia elektrycznego pomiędzy bramką a napięciem, która jest aktywna, gdy nie istnieje inne połączenie lub sygnał.

Rysunek 10.4. Opornik 100 k podłączony do 9 V dostarcza domyślny sygnał włączenia do tranzystora z kanałem n, nawet jeżeli nie jest podłączony przewód zwierający ani przewód z innym sygnałem (po lewej). Zarówno rezystor podciągający, jak i przewód zwierający zgadzają się, że tranzystor powinien być włączony (pośrodku). Przewód zwierający zmienia domyślną wartość dostarczaną przez rezystor podciągający (po prawej). Zarówno ładunek bramki, jak i prąd z rezystora podciągającego płyną do masy. W takiej sytuacji bardzo mały prąd będzie stale płynął od 9 V, poprzez rezystor podciągający, do masy Nie występuje też żaden konflikt, gdy przewód zwierający łączy bramkę z tym samym napięciem (na przykład 9 V) co rezystor podciągający. Poziom napięcia pozostaje niezmieniony (środek rysunku 10.4). Jeżeli jednak przewód podciągający dostarcza innego napięcia (na przykład 0 V), to względnie słaby sygnał rezystora podciągającego jest ignorowany (prawa strona rysunku 10.4). Zamiast dostarczać sygnał do bramki tranzystora, prąd przepływa przez rezystor podciągający do masy. Kondensator bramki jest również rozładowany do masy (0 V), co powoduje wyłączenie MOSFET. Gdy bramka układu MOSFET osiągnie napięcie wejściowe, przez rezystor podciągający nie płynie właściwie żaden prąd. Gdy przewód zwierający jest również podłączony do 9 V, wtedy prąd także nie płynie. Dzieje się tak, ponieważ prąd płynie od wyższego napięcia do niższego. Zarówno rezystor podciągający, jak i przewód zwierający są podłączone do tego samego napięcia, więc nie ma przepływu prądu pomiędzy nimi. W tych dwóch sytuacjach sterownik silnika z tranzystorem MOSFET pozostaje tak samo efektywny jak w sytuacji, w której rezystor podciągający nie jest użyty. Jeżeli przewód zwierający zostanie podłączony do masy, to od 9 V, poprzez rezystor, do masy będzie stale płynął prąd. Jednak jego wartość jest niewielka: 9 V ÷ 100 000  = 0,00009 A = 0,09 mA = 90 A

Dlatego gdy jest użyty rezystor podciągający, obwód jest jedynie nieco mniej efektywny energetycznie przy podłączeniu sygnału sterującego do masy. 179 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ustawianie niskiej wartoci napicia domylnego z wykorzystaniem rezystora obniajcego Jak jest pokazane na rysunku 10.5, rezystor obniżający jest podobny do podciągającego, ale jest podłączony pomiędzy bramką tranzystora MOSFET a masą. Opornik ten dostarcza przeciwnego domyślnego sygnału.

Rysunek 10.5. Opornik 100 k podłączony do masy (0 V) zapewnia domyślny sygnał wyłączenia do tranzystora z kanałem n, nawet jeżeli nie jest podłączony przewód zwierający ani przewód z innym sygnałem (po lewej). Zarówno rezystor obniżający, jak i przewód zwierający zgadzają się, że tranzystor powinien być wyłączony (pośrodku). Przewód zwierający zmienia domyślną wartość dostarczaną przez rezystor obniżający (po prawej). Kondensator ładuje się do 9 V i włącza MOSFET z kanałem n. W takiej sytuacji bardzo mały prąd będzie stale płynął od 9 V, poprzez rezystor obniżający, do masy Ponieważ tranzystory mocy MOSFET zwykle sterują dużymi odbiornikami (takimi jak silniki, piły tarczowe itp.), zalecanym domyślnym warunkiem jest „wyłączony”. Rezystor obniżający zwykle jest najwłaściwszym wyborem dla tranzystora mocy MOSFET, ponieważ rezystor ten podłącza bramkę do masy, wyłączając domyślnie MOSFET z kanałem n.

Dobór wartoci rezystora podcigajcego lub obniajcego Im wyższa rezystancja rezystora podciągającego lub obniżającego, tym mniej zużywa on energii, gdy sygnał kontrolny (reprezentowany przez przewód zwierający) ma inną wartość napięcia. Dlaczego nie zastosować rezystora o wartości 1 M (1 000 000 ), aby naprawdę oszczędzać prąd? Istnieje kilka powodów, aby unikać stosowania naprawdę dużych rezystancji w rezystorach podciągających i obniżających: x Opornik musi dawać silniejszy sygnał niż powietrze, płytka drukowana, komponenty i inne wycieki. Im wyższa wartość rezystancji, tym trudniej jest opornikowi podciągającemu lub obniżającemu przebić się przez wszechobecne zakłócenia elektryczne. x Im wyższa rezystancja, tym mniej prądu płynie przez rezystor. Bramka w tranzystorze MOSFET jest niewielkim kondensatorem. Im mniejszy prąd płynie przez rezystor, tym więcej czasu zajmuje naładowanie i rozładowanie ładunku kondensatora bramki. Gdy ładunek na bramce się zmienia, MOSFET zmienia się od stanu w pełni włączonego (lub wyłączonego), poprzez częściowo włączony, aż do w pełni wyłączonego (lub włączonego). Częściowo włączony MOSFET nie nadaje się do pracy w obwodach cyfrowych oraz sterownikach silników. Opornik podciągający musi być w stanie zapewnić rozsądny przepływ prądu, aby naładować bramkę w odpowiednio krótkim czasie. x Tylko dla ekspertów: jeżeli masz zamiar użyć rezystora podciągającego w celu wygenerowania sygnału włączenia i korzystasz z układu z otwartym kolektorem do zapewnienia sygnału wyłączenia, to rezystancja podciągająca wpływa na maksymalną możliwą do osiągnięcia częstotliwość sygnałów PWM (PWM — modulacja szerokości impulsów — sposób sterowania prędkością obrotową silnika). 180 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Przy wystarczająco wysokiej częstotliwości rezystor nie ma czasu na wysycenie bramki, zanim następny impuls nie ściągnie sygnału w dół. Jeżeli MOSFET nigdy się w pełni nie naładuje, to nie zostanie osiągnięta maksymalna moc. W przypadku wysokich szybkości i częstotliwości PWM zalecam stosowanie sterownika 4427. x Ponownie, gdy częstotliwość PWM się zwiększa, czas na naładowanie lub rozładowanie kondensatora bramki się skraca. Aby wykonać proces ładowania i rozładowania w krótszym okresie, przejście pomiędzy stanem włączonym i wyłączonym w tranzystorze MOSFET musi być możliwie szybkie, więc do i od kondensatora bramki musi płynąć większy prąd. Choć kondensator jest zwykle niewielki (na przykład 480 pF), szybkie sterowniki, takie jak 4427, są w stanie dostarczać do 1,5 ampera prądu w czasie cyklu ładowania i rozładowania. Istnieje kilka powodów, aby unikać stosowania naprawdę małych rezystancji w rezystorach podciągających i obniżających: x Im niższa rezystancja, tym więcej prądu przepływa przez obwód, jeżeli sygnał kontrolny ma inne napięcie niż rezystor podciągający (obniżający). Jest to prąd stracony. x Choć w tych przykładach jest użyty przewód zwierający, sygnał sterujący jest zwykle generowany przez układ logiczny lub mikrokontroler w układach sterujących robota. Im niższa wartość rezystora podciągającego (obniżającego), tym trudniej jest zmienić ustawiony domyślny stan przez sygnał sterujący. Jeżeli wartość ta byłaby naprawdę mała — załóżmy 100  — tylko niewiele układów byłoby w stanie go zmienić. Jeżeli prąd zapewniany przez rezystor będzie równy prądowi dostarczanemu przez układ, bramka MOSFET odczyta napięcie równe średniej z obu napięć. Z wymienionych powyżej powodów konstruktorzy robotów najczęściej używają rezystorów podciągających i obniżających o wartościach pomiędzy 10 k a 220 k. Wielu producentów korzysta z wartości 47 k. Osobiście korzystam z wartości 100 k. W zastosowaniach przemysłowych zwykle stosuje się 10 k, ponieważ koszt straconej energii jest znacznie mniejszy niż koszt awarii w środowisku przemysłowym pełnym zakłóceń elektrycznych. Ponieważ przez rezystory podciągające i obniżające płynie bardzo mały prąd (z powodu ich wysokiej rezystancji), mogą mieć one moc 1/8 wata lub mniejszą. Oczywiście rezystory 1/4 wata i 1/2 wata będą również działać doskonale. Poniższe obliczenia pokazują moc traconą na rezystorach podciągających i obniżających przy różnych warunkach: 2

tracona moc w watach = napicie [JJ1] ÷ rezystancja 2

najgorszy przypadek: tracona moc w watach = 20 V ÷ 10 000 = 0,04 W 2

przypadek standardowy: tracona moc w watach = 12 V ÷ 100 000 = 0,00144 W 2

najlepszy przypadek: tracona moc w watach = 9 V ÷ 220 000 = 0,000368 W 2

ukad logiczny: tracona moc w watach = 5 V ÷ 100 000 = 0,00025 W

Jak się okazuje na podstawie powyższych obliczeń, rezystor 1/8 wata (0,125) jest wystarczający jako rezystor podciągający lub obniżający.

Wybór pomidzy pominiciem rezystora, rezystorem podcigajcym a rezystorem obniajcym Jeżeli bramka tranzystora nigdy nie będzie odłączana elektrycznie od sygnału sterującego, to nie ma powodu, aby korzystać z rezystorów podciągających lub obniżających. Zwróć jednak uwagę, że większość mikrokontrolerów potrzebuje więcej czasu na uruchomienie się niż pozostałe układy oraz że większość wyprowadzeń mikrokontrolerów jest w stanie „odłączonym” (wejściowe, wysokie-z lub trójstanowe) do momentu zainicjowania wyprowadzeń w programie. Jeżeli zatem sterownik silnika jest podłączony do mikrokontrolera, warto stosować rezystory podciągające lub obniżające do ustawienia oczekiwanych wartości domyślnych.

181 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Stabilizowanie silników w czasie uruchamiania Wybierz rezystory podciągające oraz obniżające w celu ustawienia mostka H w trybie hamowania lub obrotów swobodnych. Oczywiście, unikaj ustawienia domyślnego, które powoduje zwarcie mostka H (robot nie uruchomi się lub będzie miał start z zasłoną dymną) bądź zapewnia zasilanie silników (uciekający robot). Widziałem wiele robotów, które nieco się szarpały po podłączeniu zasilania. Zwykle dzieje się tak, ponieważ konstruktor nie zapewnił ustawiania wartości domyślnych (występują losowe wartości na wejściu sterownika silnika z powodu braku rezystorów podciągających lub obniżających) lub wartości domyślne dla sterownika są nieprawidłowe. Następnie, kilka milisekund po włączeniu zasilania, mikrokontroler budzi się i ustawia prawidłowy stan spoczynkowy w sterowniku silnika. W książce tej używam rezystorów podciągających lub obniżających, które zapewniają domyślnie tryb obrotów swobodnych lub tryb hamowania w sterowniku silnika.

Zabezpieczanie podobwodów, przewodów, złączy i płytek rozszerzających Inną dobrą lokalizacją dla rezystorów podciągających i obniżających są podłączenia przewodów oraz złącza wejściowe. Jeżeli przewód zostanie odłączony lub będzie tracił połączenie z powodu wibracji, to rezystory podciągające (obniżające) zapewnią automatycznie ustawienie bezpiecznych wartości wejściowych. Pozwala to również na oddzielanie płytki od reszty robota w celu niezależnego testowania.

Ograniczanie zakłóceń i zużycia prądu w niewykorzystywanych wejściach Kolejną dobrą lokalizacją dla rezystorów podciągających i obniżających są nieużywane wejścia w układach scalonych. Ponieważ rezystory podciągające (obniżające) zachowują bramkę w stanie stabilnym, wewnętrzne tranzystory MOSFET skojarzone z tymi wejściami przestaną pobierać prąd. Dzięki temu, że tranzystory te przestaną się przełączać (oscylować), będzie generowane mniej zakłóceń elektrycznych. Nie ma również problemu, jeżeli później zdecydujesz się wykorzystać te wejścia. Dołączone sygnały sterujące nadpiszą wartości domyślne konfigurowane przez rezystory podciągające (obniżające).

Uzupełnianie obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n o rezystor obniżający Dodanie rezystora obniżającego (R1) do obwodu sterownika silnika z tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n (rysunek 10.6) powoduje, że silnik będzie wyłączony do momentu włączenia sygnału sterującego. Po włączeniu zasilania ta wersja obwodu jest jedynie nieco mniej efektywna, ponieważ przez R1 do masy płynie prąd, ale jak wcześniej pokazałem, jest on mało znaczący. Zaktualizowanie wcześniejszego obwodu na płytce stykowej polega na dodaniu rezystora 100 k pomiędzy bramką tranzystora a masą (rysunek 10.7). Teraz silnik automatycznie wyłącza się, gdy odłączymy przewód zwierający (reprezentujący sygnał sterujący). W przypadku obwodu przedstawionego na rysunku 10.6 warto wspomnieć, że choć napięcie dodatnie podłączone do silnika może wynosić do 20 V (nie więcej z powodu ograniczeń diody 1N5817), to maksymalne napięcie, jakie możemy podać na bramkę T1, wynosi tylko 16 V z powodu ograniczeń tranzystora IRLU024N. Jeżeli potrzebujesz obwodu z mniejszymi ograniczeniami, możesz wymienić diodę D1 (w danych technicznych zwracaj uwagę na maksymalne napięcie wsteczne) oraz tranzystor T1 (w danych technicznych zwracaj uwagę na maksymalną wartość VGS lub napięcia między źródłem a bramką) na komponenty o lepszych parametrach. Zwróć uwagę, że napięcie silnika może wynosić nawet 1 V, ale bramka T1 będzie i tak wymagała 3 V do włączenia się. Nie ma błędu w schemacie. Bramka MOSFET wymaga po prostu odpowiedniego napięcia minimalnego do włączenia się (około 3 V dla układu MOSFET o poziomach logicznych i od 5 do 10 V dla standardowych układów MOSFET). Na przykład obwód ten działa świetnie w przypadku miniaturowego, zasilanego jednym ogniwem silnika sterowanego przez działający na poziomach logicznych tranzystor mocy MOSFET z kanałem n, podłączony do układu logicznego 3,3 V lub 5 V.

182 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Rysunek 10.6. Schemat sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n zawierający rezystor obniżający. Domyślnie silnik jest wyłączony

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n i rezystorem obniżającym Jeżeli umieścisz komponenty na płytce stykowej w sposób pokazany we wcześniejszym przykładzie, to rezystor obniżający (R1) będzie pasował świetnie do dolnego lewego narożnika (rysunek 10.7).

Rysunek 10.7. Ten zmontowany na płytce stykowej obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem n zawiera rezystor obniżający (R1 o wartości 100 k podłączony pomiędzy bramką tranzystora a masą), dzięki czemu jest domyślnie wyłączony. Jednak na tym rysunku przewód zwierający (w prawym dolnym narożniku) jest podłączony do 9 V, co odłącza rezystor obniżający, więc silnik jest włączony 183 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem p Proste tranzystory bipolarne występują w dwóch odmianach — NPN i PNP. Dlatego nie powinno być dla nikogo niespodzianką, że oprócz tranzystorów MOSFET z kanałem n są też tranzystory MOSFET z kanałem p. Podobnie jak w przypadku bipolarnego tranzystora PNP, MOSFET z kanałem p może być używany po stronie sterownika o wysokim napięciu (rysunek 10.8).

Rysunek 10.8. Schemat sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem p, zawierający rezystor podciągający, dzięki któremu silnik jest domyślnie wyłączony Obwód zawiera rezystor podciągający (R1), dzięki któremu tranzystor (i jednocześnie silnik) jest domyślnie wyłączony. Możesz po prostu usunąć rezystor, jeżeli sygnał sterujący zawsze ustawia na bramce tranzystora napięcie wysokie lub niskie. Jeżeli do sterowania tranzystorem T2 na poziomie logicznym zamierzasz użyć bipolarnego tranzystora NPN, układu z otwartym kolektorem lub tranzystora MOSFET z kanałem n, pozostaw rezystor w obwodzie (porównaj z rysunkiem 9.21 w poprzednim rozdziale). Każda z wymienionych metod sterowania odłącza sygnał w celu przejścia w stan wyłączony. Rozłączenie działa świetnie w przypadku wyłączania tranzystora bipolarnego, ale jeśli chodzi o tranzystor MOSFET, wymagany jest rezystor podciągający, który będzie ustawiać prawidłowe napięcie na bramce tranzystora z kanałem p, który to tranzystor pozostanie dzięki temu w stanie wyłączonym.

Budowa obwodu sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem p W rozdziale 7. przedstawiłem tranzystor IRFU5505 zabezpieczający przed odwrotnym podłączeniem baterii. Element ten wykorzystamy jeszcze raz w sterowniku silnika.

184 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Gdy obwód sterownika silnika z tranzystorem mocy MOSFET (rysunek 10.9) otrzyma tylko 5 V, a bramka będzie uziemiona, to IRFU5505 będzie mógł dostarczyć tyle samo prądu co 2907A. Przy napięciu około 6,5 V IRFU5505 może dostarczyć do silnika dziesięć razy więcej prądu niż 2907A. Przy baterii 9 V i uziemionej bramce IRFU5505 jest niemal w pełni otwarty.

Rysunek 10.9. Ten zmontowany na płytce stykowej obwód sterownika silnika z jednym tranzystorem mocy MOSFET z kanałem p zawiera rezystor podciągający (R2 o wartości 100 k podłączony pomiędzy bramką a 9 V), dzięki czemu jest domyślnie wyłączony. Jednak na tym rysunku przewód zwierający (w lewym górnym narożniku) jest podłączony do masy (0 V), co odłącza rezystor podciągający, więc silnik jest włączony

Mostek H z tranzystorami mocy MOSFET Mostek H z tranzystorami MOSFET (rysunek 10.10) jest podobny do bipolarnego mostka H. Tranzystory mocy z kanałem p (strona o wysokim napięciu) oraz kanałem n (strona o niskim napięciu) dostarczają do jednego z biegunów silnika napięcie dodatnie albo podłączają ten biegun do masy, a druga para tranzystorów MOSFET dostarcza napięcie dodatnie lub podłącza do masy drugi biegun silnika. Mostek H wykonany w technologii MOSFET zapewnia te same tryby działania silnika (obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, obroty w kierunku przeciwnym, obroty swobodne oraz hamowanie) co bipolarny mostek H.

Dodanie diody Schottky’ego jest opcjonalne, ale zalecane W przeciwieństwie do bipolarnego mostka H w mostku MOSFET diody gaszące nie są absolutnie wymagane, ponieważ tranzystory mocy MOSFET zawierają diody w swojej strukturze półprzewodnikowej. Diody w tranzystorze mocy MOSFET są pokazywane w symbolach używanych w schematach (rysunek 10.11). Ponieważ diody w układach MOSFET znajdują się w tej samej lokalizacji oraz mają taką samą orientację co diody Schottky’ego w bipolarnej wersji mostka H, dodatkowe diody nie są potrzebne, aby obsłużyć odwrotny przepływ prądu z silnika. Jeżeli chcesz, możesz pozostawić diody Schottky’ego w obwodzie. Diody te do włączenia wymagają mniej więcej połowy napięcia wymaganego przez diody w układzie MOSFET. Ponieważ diody Schottky’ego skonsumują niemal cały odwrotny prąd z silnika, MOSFET nie będzie się tak nagrzewał. Ostatecznie dodanie diod Schottky’ego spowoduje ograniczenie strat energii i niewielkie poprawienie wydajności.

185 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 10.10. Schemat mostka H składającego się z tranzystorów mocy MOSFET z kanałem p i kanałem n. Domyślnie rezystory podciągające (R2 i R4) oraz obniżające (R1 i R3) wyłączają wszystkie tranzystory, więc silnik jest w trybie obrotów swobodnych

Rysunek 10.11. Zarówno tranzystory mocy MOSFET z kanałem n (po lewej), jak i z kanałem p (po prawej) zawierają w swojej strukturze diodę Ze względu na wbudowaną diodę musisz być uważny przy doprowadzaniu zasilania do tranzystora mocy MOSFET w obwodzie. Zwróć uwagę, że na rysunku 10.11 diody w MOSFET-ach z kanałem n i kanałem p, umieszczone pomiędzy źródłem (S) i drenem (D), znajdują się w odwrotnym położeniu. Jeżeli zamontujesz MOSFET odwrotnie, przez diodę zacznie płynąć prąd. Taka pomyłka może znacznie zaszkodzić układowi sterownika silnika. Z kolei dioda skierowana w przód była wykorzystana w obwodzie zabezpieczenia przed odwrotnym podłączeniem baterii (pokazanym wcześniej na rysunku 7.6).

Budowa mostka H z tranzystorami mocy MOSFET Mostek H zbudowany z tranzystorów mocy MOSFET IRLU024N i IRFU5505 może zajmować na płytce stykowej bardzo mało miejsca (rysunek 10.12). Zwróć uwagę, że po każdej stronie mostka H znajduje się tylko jeden przewód zwierający, aby zapobiec zwarciom. Oporniki podciągające i obniżające wyłączają tranzystory, które nie są podłączone do przewodu zwierającego.

186 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Rysunek 10.12. Zmontowany na płytce stykowej mostek H składający się z tranzystorów mocy MOSFET IRLU024N z kanałem n oraz IRFU5505 z kanałem p

Interfejs dla mostka H z tranzystorami mocy MOSFET Podobnie jak w przypadku tranzystorów PNP w bipolarnym mostku H, tranzystory po stronie wysokiego napięcia (kanał p) mostka H MOSFET muszą mieć przyłożone dodatnie napięcie zasilania, aby zostały one wyłączone. Tak jak przy bipolarnym mostku H, do sterowania z wykorzystaniem napięć o poziomach logicznych możesz użyć układu z otwartym kolektorem, tranzystora bipolarnego NPN lub tranzystora MOSFET z kanałem n. Ja jednak wolę stosować do tego celu układ 4427 (rysunek 10.13).

Rysunek 10.13. Schemat mostka H MOSFET sterowanego za pomocą układu 4427. Obwód ten ma problem z przebiciami

187 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zwróć uwagę, że z bramek tranzystorów w tym obwodzie zostały usunięte rezystory podciągające i obniżające. Możemy tak zrobić, ponieważ 4427 jest zawsze aktywny i łączy bramki z tranzystorami, więc nie są potrzebne wartości domyślne. Dodałem jednak dwa rezystory podciągające do wejść układu 4427, dzięki czemu po włączeniu zasilania obwód sterownika silnika będzie w trybie hamowania. Jeżeli mikrokontroler będzie się spóźniał z ustawieniem wyjść, sterownik silnika i silnik będą cierpliwie czekać w trybie „spoczynkowym”. Warto również wspomnieć, że maksymalne napięcie tego obwodu wynosi teraz 16 V, ponieważ układ 4427 przekazuje to napięcie na bramki tranzystorów, a bramki w IRLU024N (T1 oraz T3) mogą obsłużyć tylko 16 V.

Dodanie kondensatorów w celu przyspieszenia ładowania i rozładowywania ładunku bramki tranzystora MOSFET Pojemności bramek układów MOSFET mogą mieć na tyle dużą wartość, że nie można ich ignorować. W naszym przypadku jest to pojemność rzędu 1 nF po każdej stronie mostka H. Układ 4427 musi ładować i rozładowywać te pojemności za każdym razem, gdy mostek H zmienia tryb działania silnika. Z tego powodu warto zamontować w pobliżu kondensatory zapewniające zapas prądu. Kondensator C1 jest standardowym, monolitycznym, ceramicznym kondensatorem blokującym o pojemności 0,1 F. C2 ma wyższą wartość, 1 F, co zapewnia zasilanie do ładowania i rozładowywania bramek. Dobrym wyborem są szybkie kondensatory, na przykład plastikowe. Jeżeli w robocie nie są ponadto stosowane duże (co najmniej 220 F) kondensatory buforowe na wejściu stabilizatora napięcia, to dodaj kondensator buforowy blisko sterownika silnika.

Prezentacja problemu — przebicia W obwodzie przedstawionym na rysunku 10.13 mamy błąd. Ponieważ zarówno bramka po stronie wysokiego napięcia (kanał p), jak i bramka po stronie niskiego napięcia (kanał n) są sterowane przez jeden sygnał z układu 4427, istnieje krótki okres, gdy tranzystory z kanałem p oraz z kanałem n są jednocześnie aktywne. Na przykład przy zasilaniu napięciem 16 V istnieje moment, w którym zarówno bramka kanału p, jak i bramka kanału n osiągną 8 V w mniej więcej tym samym czasie. Dla obu tranzystorów pojawienie się na bramce 8 V przy 16 V zasilania jest sygnałem włączenia. Gdy oba tranzystory po jednej stronie mostka H są otwarte, występuje zwarcie! Sytuacja taka jest nazywana przebiciem. Przebicie może trwać od 1 do 25 nanosekund, w zależności od wielu czynników. Wymiana układu 4427 na IXDF404PI zmniejsza czas przebicia dzięki większej obciążalności wyjścia IXDNF404PI. Wybór układu MOSFET z mniejszą pojemnością bramki również zmniejsza czas przebicia. Zjawisko przebicia nie jest „śmiertelnym” zagrożeniem dla układów. W praktyce połączenie bramek tranzystora z kanałem n oraz kanałem p zwykle nie powoduje problemów, pomimo krótkiego okresu przebicia. Jeżeli jednak stan silnika zmienia się często (na przykład przy użyciu PWM lub robota często zmieniającego kierunek), warto skorzystać z projektów przedstawionych na rysunku 10.15 lub 10.16, pozwalających uniknąć przebicia.

Budowa mostka H na tranzystorach mocy MOSFET z jednym interfejsem 4427 W mniej aktywnym robocie stosuję mostki H, w których bramki układów MOSFET z kanałem n i z kanałem p są ze sobą połączone (rysunek 10.14). Upraszcza to obwód, redukuje koszty i zmniejsza powierzchnię płytki. Przebicia w tych typach robotów nie są aż tak ważne, aby się nimi przejmować.

Użycie dwóch układów interfejsu w celu wyeliminowania przebić i zapewnienia pełnej kontroli nad robotem Przebicia można wyeliminować przez zastosowanie pary układów 4427 (rysunek 10.15). Teraz można kontrolować każdą bramkę mostka H indywidualnie. Ma to dodatkową zaletę, ponieważ można wybrać tryb obrotów swobodnych, wyłączając jednocześnie wszystkie tranzystory.

188 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Rysunek 10.14. Montowana powierzchniowo wersja układu Maxim MAX4427 będąca interfejsem dla pary kombinowanych układów z kanałem n i kanałem p (IRF7343) użytych w robocie. Każdy układ IRF7343 posiada niezależne tranzystory mocy MOSFET z kanałem n oraz kanałem p, umieszczone dla wygody w jednej obudowie

Rysunek 10.15. Mostek H z tranzystorami mocy MOSFET sterowany dwoma układami 4427 Dzięki wyłączeniu jednego tranzystora przed drugim nie występuje przebicie. Dodatkowo możliwe jest programowanie długości pauzy pomiędzy wyłączeniem jednego tranzystora i włączeniem drugiego. Pozwala to na skierowanie ładunku z silnika na diody. Wskutek tego przepływ prądu całkowicie ustaje, zanim odwrotne napięcie zostanie przyłożone do przeciwległych dwóch tranzystorów. Oprócz wyższej ceny i zwiększonej złożoności obwodu występują również inne wady użycia pary układów 4427. Po pierwsze, musimy teraz kontrolować cztery linie na silnik zamiast dwóch. Jest to kłopotliwe dla typowego konstruktora robotów, ponieważ zwykle brakuje wtedy wyjść w mikrokontrolerach. Po drugie, układ zabezpieczający nie zabezpiecza przed włączeniem tranzystorów w kombinacji powodującej zwarcie. Oznacza to, że mikrokontroler musi unikać wszystkich kombinacji powodujących zwarcie mostka H. Bezpiecznik PPTC ograniczający prąd w zasilaczu (patrz rozdział 8.) oraz rezystory obniżające na wejściach układu 4427 powodują, że układ jest bezpieczniejszy.

189 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Kontrola szybkości z użyciem jednego i połowy układu interfejsu Na rysunku 10.16 przedstawiona jest ulepszona wersja obwodu z rysunku 10.13, w której można całkowicie uniknąć przebić. Nowy obwód obsługuje teraz wszystkie cztery tryby silnika, podobnie jak ten z rysunku 10.15, ale wymaga jednego przewodu mniej i pozwala uniknąć zwarć (jeżeli uniknąłeś przebicia). Co najlepsze, nowy układ pozwala na regulację szybkości obrotów silnika poprzez modulację szerokości impulsów (PWM). Wszystko to zostało osiągnięte przez dodanie piątego tranzystora MOSFET (o nazwie T5), który steruje podłączeniem do masy.

Rysunek 10.16. Mostek H z tranzystorami mocy MOSFET sterowany z wykorzystaniem półtora układu interfejsu 4427 Obwód ten jest sterowany w następujący sposób: x domyślnie przy uruchomieniu obwód jest w stanie hamowania dzięki opornikom obniżającym (R1 do R3), x aby przejść do trybu hamowania, ustaw wejście A układu US1 na 0 V, wejście B układu US1 na 0 V oraz wejście A układu US2 na 0 V lub 5 V; można również ustawić wejście A układu US1 na 5 V, wejście B układu US1 na 5 V oraz wejście A układu US2 na 5 V, x aby włączyć tryb obrotów zgodnych z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, ustaw wejście A układu US1 na 5 V, wejście B układu US1 na 0 V oraz wejście A układu US2 na 5 V, x aby włączyć tryb obrotów przeciwnych do kierunku ruchu wskazówek zegara, ustaw wejście A układu US1 na 0 V, wejście B układu US1 na 5 V oraz wejście A układu US2 na 5 V, x aby przejść do trybu obrotów swobodnych, ustaw kombinację dla obrotów zgodnych z kierunkiem ruchu wskazówek zegara lub przeciwnych, ale ustaw wejście A układu US2 na 0 V; spowoduje to odłączenie masy, czyli jednocześnie odłączenie jednego z biegunów baterii,

190 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

x aby kontrolować prędkość obrotów, możesz stosować impulsy 0 V / 5 V / 0 V / 5 V itd. na wejściu A układu US2. Im więcej czasu silnik będzie otrzymywał 5 V, tym szybciej będzie się obracał; więcej informacji na temat PWM można znaleźć na stronie http://www.robotroom.com/PWM.html. x ZAWSZE ustawiaj wejście A układu US2 na 0 V przed wprowadzeniem zmian na wejściach A oraz B układu US1. Pozwala to uniknąć przebić, ponieważ wyłączenie T5 odłącza mostek H od jednego bieguna baterii; jeżeli odłączysz mostek od baterii, zasilanie nie będzie w stanie przebić przełączających się tranzystorów T4 i T3 oraz T2 i T1. Wadami tego układu są: 1. Zwiększona rezystancja, ponieważ prąd musi przepłynąć przez trzy układy MOSFET (dodatkowy T5) zamiast przez dwa. 2. Zwiększony koszt dodatkowego tranzystora T5. Możesz również zauważyć, że w porównaniu z oryginalnym obwodem z rysunku 10.13 wprowadziłem kilka zmian: x wymieniłem US1 z 4427 na IXDN404 w celu zapewnienia większej wydajności i wyższego napięcia, x wymieniłem T1 i T2 z IRLU024N na IRFU3704, aby zapewnić wyższe napięcie i niższą rezystancję (dzięki temu obwód działa lepiej niż oryginalny z rysunku 10.13, nawet z dodatkową rezystancją T5); ponadto IRGU3704 włącza się przy niższym napięciu, dzięki czemu działa lepiej niż IRLU024N przy sterowaniu z wyjść układów logicznych (5 V), x dodałem diody Schottky’ego (D1 – D5) w celu uniknięcia przepięć i spadków prądu przepływającego przez układy MOSFET w przypadku dużej liczby przełączeń. Napięcie w obwodzie jest ograniczane przez maksymalne napięcie pomiędzy bramką a źródłem tranzystora mocy MOSFET. W zasadzie 20 V jest ich absolutnym maksimum. Jeżeli użyjesz wielu kondensatorów, a obciążenie prądowe nie będzie ekstremalne, obwód ten powinien pracować przy tym limicie. Jednak zdarzyło mi się widzieć około 20-procentowe przeregulowanie w sterownikach silników MOSFET, więc bezpieczniej jest ograniczyć napięcie do 16 V. W przypadku sterowania impulsami PWM obwód przełącza się pomiędzy obrotami swobodnymi i obrotami w obu kierunkach. Niektórzy preferują pulsowanie pomiędzy hamowaniem i obrotami w obu kierunkach. Aby to zapewnić, potrzebujesz pełnej kontroli oferowanej przez obwód z rysunku 10.15.

Dobór tranzystorów mocy MOSFET Technologia MOSFET szybko się rozwija. Ceny spadają, a możliwości rosną. Przy wyborze tranzystorów mocy MOSFET do sterownika silnika powinieneś wziąć pod uwagę następujące czynniki: Cena — tranzystory mocy MOSFET nie są tanie. Ich cena może się wahać w zakresie od 1 do 10 zł. Powoduje to, że domowej roboty mostki H są dosyć drogie. Obudowa — tranzystory mocy MOSFET są dostępne w wielu odmianach obudów przewlekanych i montowanych powierzchniowo. Obudowy przewlekane zwykle lepiej rozpraszają ciepło niż montowane powierzchniowo. Jeżeli jednak silniki robota nie pobierają zbyt dużo prądu, obudowy do montażu powierzchniowego są wystarczające. VDS (nazywane również V(BR)DSS lub VDSS) — napięcie przebicia między drenem i źródłem to maksymalne napięcie zasilania, na jakie pozwala tranzystor. Oczywiście VDS równe 20 V nie wystarczy dla robota zasilanego napięciem 24 V. Jednak VDS równe 20 V dla robota 9 V jest idealne. Choć jest to mało sensowne, układ o VDS równym 100 V możesz zastosować w robocie zasilanym napięciem 12 V, ale prawdopodobnie powinieneś wybrać MOSFET z innymi świetnymi parametrami, a mniejszą wartością VDS.

191 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

VGS — napięcie, przy którym tranzystor zaczyna się włączać. Mówiąc krótko, im niższe, tym lepsze. Tranzystory mocy MOSFET oznaczone jako „pracujące przy poziomach logicznych” mogą być kontrolowane przez poziomy napięć standardowych układów logicznych. W zamian za możliwość pracy „na poziomie logicznym” zwykle mniejsze jest dopuszczalne maksymalne napięcie na bramce. W przypadku robotów zasilanych napięciem poniżej 10 V układy MOSFET działające na poziomach logicznych są dobrym wyborem. W przeciwnym razie lepsze są standardowe MOSFET-y, ponieważ zapewniają użycie wyższego napięcia działania. CISS — jest to pojemność bramki wejściowej. Im niższa, tym lepiej. Im niższa pojemność i indukcyjność bramki, tym szybciej MOSFET może się przełączyć przy mniejszym wydatku prądu. Jeżeli Twój robot nie korzysta z impulsowej metody sterowania szybkością silnika i przebicia nie są problemem, to pojemność bramki nie ma większego znaczenia. Uwaga dla ekspertów: pojemność nie jest jedynym czynnikiem ograniczającym szybkość impulsów. Ważna jest przy tym również indukcyjność. ID oraz IDM — jest to odpowiednio maksymalny ciągły prąd i maksymalny prąd impulsowy. Im wyższy, tym lepiej. Jest to teoretyczne, maksymalne natężenie prądu, jakie może być dostarczone do silnika poprzez tranzystor. Uważaj przy przeglądaniu danych technicznych, aby nie zamienić ze sobą tych dwóch wartości. Wartości graniczne w Twoim projekcie powinny bazować na ID. W przypadku IDM liczby te są świetne do porównań, ale jeżeli będziesz próbował stale dostarczać taki prąd, najprawdopodobniej płytka drukowana i tranzystory stopią się od ciepła. Maksymalnych wartości prądu powinieneś używać tylko w krótkich impulsach. Aby bezpiecznie zwiększyć maksymalny prąd dostarczany przez sterownik, zapoznaj się z równoległymi połączeniami tranzystorów MOSFET (przedstawionymi w dalszej części tego rozdziału) oraz technikami zmniejszania temperatury (wentylatory i radiatory). RDS(on) — jest to rezystancja włączonego tranzystora w omach (lub miliomach). Im niższa, tym lepiej. Przy założeniu, że tranzystor spełnia pierwsze trzy wymagania (cena, obudowa i maksymalne napięcie), rezystancja włączonego tranzystora jest najważniejszym parametrem.

Podane ograniczanie rezystancji przecznika Idealny przełącznik w sterowniku silnika po włączeniu nie ma żadnej rezystancji. W takim przypadku całe napięcie baterii jest dostarczane do silnika. Jeżeli jednak umieścisz rezystor pomiędzy baterią a jednym z biegunów silnika, napięcie podzieli się pomiędzy silnik a ten rezystor. Im wyższa rezystancja rezystora, tym większe będzie na nim napięcie, a mniejsze na silniku. Jak pamiętasz, silnik ma większą moc przy większym napięciu. Dlatego umieszczanie rezystancji pomiędzy baterią a silnikiem jest niepożądane. Ponadto rezystory ograniczają prąd. Oznacza to, że rezystor pomiędzy baterią a silnikiem będzie ograniczał maksymalny prąd, jaki może pobrać silnik. Jeżeli silnik nie wymaga zbyt dużo prądu, a wartość rezystora jest mała (więc nie ogranicza zbytnio prądu), ograniczenie maksymalnego prądu przez rezystor nie jest istotne. Jeżeli jednak wartość rezystora jest wystarczająco duża, silnik może się nie uruchomić (jak wiemy, silnik używa najwięcej prądu przy rozruchu bądź zablokowaniu) lub jego wałek nie będzie w stanie się obracać nawet po ręcznym rozpędzeniu. Dodatkowo rezystor przekształca prąd w ciepło. Im więcej prądu przepływa przez rezystor lub im większy jest na nim spadek napięcia, tym bardziej się nagrzewa. Jeżeli podwoisz przepływ prądu przez rezystor (lub podwoisz spadek napięcia na nim), to będzie on produkował cztery razy więcej ciepła (zużywając cztery razy więcej energii).

Tranzystory MOSFET maj rezystancj Wracając do tranzystorów MOSFET, jednym z najważniejszych parametrów, z jakimi należy się zapoznać przy wybieraniu tranzystora mocy MOSFET do sterownika silnika, jest rezystancja pomiędzy drenem a źródłem. Rezystancja ta jest oznaczana jako RDS. Oznaczenia pochodzą od anglojęzycznych nazw: rezystancji — R, drenu — D oraz źródła — S. Rezystancja ta działa w taki sposób, jakbyśmy umieścili rezystor pomiędzy silnikiem a baterią.

192 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

W przypadku zakresu operacyjnego tranzystora im wyższe jest napięcie pomiędzy bramką a źródłem, tym niższa jest rezystancja włączonej ścieżki pomiędzy drenem i źródłem. Zatem nawet jeżeli jest możliwe użycie tylko 2 V, zalecane jest sterowanie tranzystorów MOSFET wyższym napięciem, ponieważ rezystancja (RDS) zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia i więcej prądu będzie dostępne dla silnika.

Nagrzewanie zwiksza rezystancj tranzystora MOSFET Rezystor przekształca prąd elektryczny w ciepło. Ponieważ MOSFET ma pewną rezystancję (RDS), przepływ prądu przez MOSFET generuje ciepło w samym układzie. Jeżeli obudowa układu MOSFET nie jest w stanie odprowadzić ciepła (przez powietrze lub ścieżki na płytce drukowanej) tak szybko, jak jest generowane, temperatura układu wzrasta. Oczywiście, im niższa rezystancja układu MOSFET, tym mniej powstaje ciepła. Powoduje to pojawienie się denerwującego problemu: gdy MOSFET się nagrzewa, jego rezystancja rośnie! Zatem mniej energii jest dostarczane do silnika. Dlatego pamiętaj o chłodzeniu obciążonych MOSFET-ów z użyciem radiatorów, pozostaw im dużo miejsca, projektuj płytki drukowane z dużymi metalowymi powierzchniami oraz zapewnij przepływ powietrza (wentylatory). Nie jest to potrzebne przy względnie małych silnikach, ponieważ obudowa układu MOSFET najprawdopodobniej będzie w stanie szybko rozpraszać ciepło (MOSFET będzie chłodny). „ Ostrzeenie Zawsze zachowuj ostrono przy dotykaniu potencjalnie gorcej powierzchni. Guru klubu ChiBot, Don Kerste, mówi: „Moja babcia zawsze linia palec przed dotkni ciem elazka, gdy sprawdzaa, czy jest gorce”.

Równolege czenie tranzystorów MOSFET zmniejsza rezystancj Popularną sztuczką jest umieszczenie wielu tranzystorów MOSFET w każdym punkcie przełączania. Na przykład w sterowniku silnika z jednym tranzystorem MOSFET z kanałem n możesz zawsze dodać drugi tranzystor mocy MOSFET z kanałem n, podłączając go identycznie (dren, źródło i bramka) jak pierwszy (rysunek 10.17).

Rysunek 10.17. Sterownik silnika z równolegle połączonymi tranzystorami mocy MOSFET z kanałem p ma o połowę mniejszą rezystancję. Wynikiem tego jest o połowę mniejsze nagrzewanie każdego układu przy dwukrotnie większym maksymalnym natężeniu prądu. Opcjonalne rezystory R1A oraz R1B (1,5 ) zapewniają, że prąd sterujący jest odpowiednio rozdzielony 193 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

„ Uwaga W przypadku amatorskich rozwiza maej mocy przedstawione tu informacje na temat równolegego czenia ukadów MOSFET s wystarczajce. Jednak musisz wiedzie , e istnieje wiele innych czynników i szczegóów, jakie musisz wzi pod uwag , aby w peni wykorzysta teoretyczne zalety równolegle poczonych ukadów MOSFET, szczególnie przy stosowaniu wysokich mocy.

„ Wskazówka Do bramki kadego z równolegle poczonych tranzystorów MOSFET doczany jest zwykle rezystor pomi dzy 1,5 a 3 , który zapewnia, e bramki b d wspódzieliy prd sterujcy, gdy b d si one wczay i wyczay. W przeciwnym razie jeden MOSFET zadziaa wcze niej ni inne, przez co spodziewany efekt nie b dzie osigni ty w krytycznym momencie (rozruch silnika).

Podobnie jak w przypadku równoległych rezystorów, rezystancja dwóch jednakowych tranzystorów MOSFET jest równa połowie wartości początkowej: rezystancja zastpcza w omach = RDS[JJ4] ÷ 2 rezystancja zastpcza w omach = 0,11  [maksymalna dla IRLU024N] ÷ 2 rezystancja zastpcza w omach = 0,055 

Niższa rezystancja powoduje, że do silnika jest dostarczane więcej prądu. Dodatkową zaletą równoległego łączenia tranzystorów MOSFET jest podział prądu obciążenia pomiędzy nimi. Dzięki temu równolegle połączone MOSFET-y mogą dostarczać prądu o większej wartości maksymalnej niż wartość, którą mógłby dostarczyć pojedynczy MOSFET (zakładając, że są identyczne). Ponieważ każdy z równolegle połączonych układów dostarcza tylko części prądu, każdy MOSFET musi rozproszyć tylko część ciepła. MOSFET-y są wtedy zimniejsze, więc rezystancja jest niższa. Oczywiście, możesz połączyć równolegle więcej układów MOSFET, aby jeszcze bardziej zmniejszyć rezystancję, zwiększyć maksymalny prąd i ograniczyć nagrzewanie. Teoretycznie możesz rozszerzać taki układ w nieskończoność: rezystancja zastpcza w omach = 1 ÷ ( (1 ÷ R Q1A) + (1 ÷ R Q1B) + (1 ÷ R Q1C) + i tak dalej) DS

DS

DS

Jak widzisz, efektywna rezystancja równoległych tranzystorów MOSFET zmniejsza się z każdym dodatkowym tranzystorem. Faktycznie, czasami taniej jest kupić kilka niedrogich układów, które mają względnie wysoką wartość RDS, i zamontować je równolegle, niż kupować jeden drogi, o bardzo niskiej wartości RDS. Równoległy montaż tranzystorów MOSFET nie jest ograniczony tylko do obwodu z jednym tranzystorem. Możesz zbudować mostek H z ośmiu tranzystorów mocy MOSFET (po dwa w każdej lokalizacji) zamiast oryginalnego mostka z czterema tranzystorami (po jednym w każdej lokalizacji). Z powodów technologicznych tranzystory MOSFET z kanałem n mają niższą rezystancję niż tranzystory z kanałem p w tej samej cenie. Dlatego możesz zdecydować się na użycie tylko równolegle połączonych tranzystorów z kanałem p, jeżeli tranzystory z kanałem n mają odpowiednio niską wartość RDS. W takim przypadku możesz zbudować mostek H z sześciu tranzystorów mocy MOSFET: dwóch pojedynczych po stronie niskiego napięcia (z kanałem n) i dwóch par po stronie wysokiego napięcia (z kanałem p). Możesz nawet zdecydować się na zrównoleglenie tylko tych tranzystorów, które są włączone przy ruchu robota do przodu, zakładając, że ruch do tyłu jest wykorzystywany znacznie rzadziej i może być mniej efektywny. Zastosowanie równolegle połączonych tranzystorów MOSFET ma również wady: koszt jest większy, potrzeba więcej miejsca, a całkowita pojemność bramki się zwiększa, ponieważ wszystkie kondensatory bramek muszą być sterowane jednocześnie. Zwiększenie pojemności bramki zmniejsza maksymalną częstotliwość przełączeń i zwiększa pobór prądu w czasie przełączania. Zalecam dodanie do każdego układu rodziny 4427 po jednym kondensatorze C1 oraz kondensatorze rezerwowym C2 na każdy dodatkowy tranzystor MOSFET.

194 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Równolege czenie tranzystorów MOSFET a równolegle czenie tranzystorów bipolarnych Dzięki dodatniemu współczynnikowi temperaturowemu (rezystancja zwiększa się wraz z temperaturą) tranzystorów MOSFET można je bez problemu łączyć równolegle. Gdy pierwszy MOSFET nagrzeje się bardziej niż drugi, jego rezystancja wzrośnie. Powoduje to, że przez pierwszy MOSFET (o większej rezystancji) będzie płynąć mniej prądu, a więcej prądu będzie płynąć przez drugi MOSFET (o mniejszej rezystancji). Teraz rezystancja drugiego układu MOSFET zacznie wzrastać, ponieważ większe obciążenie będzie powodować wytwarzanie ciepła, a rezystancja pierwszego układu MOSFET zacznie spadać, gdyż przy mniejszym obciążeniu będzie wytwarzał mniej ciepła. Tranzystory MOSFET samodzielnie równoważą rezystancję i bieżące obciążenie. W ten sposób obciążenie będzie się automatycznie rozkładać pomiędzy układami. W przypadku tranzystorów bipolarnych rezystancja zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury (ujemny współczynnik temperaturowy). Z tego powodu para tranzystorów bipolarnych nie jest w stanie równoważyć obciążenia. Gdy jeden z tranzystorów bipolarnych zacznie pracę z nieco niższą rezystancją, będzie otrzymywał nieco większy przepływ prądu. Ten większy przepływ prądu spowoduje większe nagrzewanie się, co zmniejszy rezystancję, a to z kolei spowoduje większy przepływ prądu itd., do momentu, w którym ten tranzystor będzie wykonywał całą pracę. Jest to nazywane niestabilnością termiczną. Nie można zatem łączyć równolegle tranzystorów bipolarnych w celu zwiększenia maksymalnego prądu.

Sterowanie silnikami z wykorzystaniem ukadów scalonych Połowa moich robotów posiada mostki H, które zbudowałem samodzielnie, składające się z pojedynczych tranzystorów. Czasami buduję mostki H dla zabawy, a czasami w celu spełnienia wymagań niestandardowego robota, gdy na przykład potrzebne jest niskie napięcie (poniżej 3 V) i nie ma odpowiednich komercyjnych układów scalonych dla sterowników silników. W większości przypadków łatwiej jest użyć kompletnego układu scalonego sterownika silnika, niż budować własny mostek H. Komercyjne układy sterowników silników mają bardziej skomplikowane funkcje (czasami), mają prostsze sterowanie (czasami), zajmują mniej miejsca (czasami), są tańsze (czasami) i przy ich wykorzystaniu łatwiej jest zaprojektować i zbudować robota. Jeżeli nie chcesz budować własnego mostka H, to komercyjne układy sterowników silników są dobrym wyborem. Jeśli nie jesteś zainteresowany technologią sterowania silnikami, możesz nawet znaleźć moduły ze złączami silnika oraz zmontowanymi i gotowymi do pracy układami silnika. To znaczy, że ktoś wziął układ sterownika silnika, zaprojektował dla niego płytkę drukowaną, dodał niezbędne części (takie jak kondensatory i złącza), polutował wszystko razem, abyś mógł po prostu włączyć ten moduł do swojego robota. Niestety, w ostatnich latach pojawiało się i znikało wiele układów sterowników silników oraz modułów sterowników silników, więc nie zarekomenduję żadnego konkretnego rozwiązania. Zamiast tego zaprezentuję trzy całkowicie różne układy sterownika silnika jako przykłady możliwości wyboru oraz kryteria oceny dostępnych sterowników silników. Skoncentruję się na użyciu układu o innym przeznaczeniu (4427), prostym układzie bipolarnym (SN754410) oraz zintegrowanym, zaawansowanym układzie MOSFET (MC33887).

Marzenia o ideale Jest wiele rodzajów silników i wiele ich zastosowań, zatem istnieje wiele rodzajów sterowników silników. Wybór sterownika zależy od silnika oraz jego zastosowania.

195 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W doskonałym świecie sterownik silnika wykonuje następujące zadania: x akceptuje sygnały wejściowe z układów sterujących robota, których niskie napięcie i prąd są charakterystyczne dla układów logicznych i mikrokontrolerów, x pozwala robotowi na włączenie wszystkich czterech trybów silnika: obrotów zgodnych z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, obrotów w przeciwnym kierunku, obrotów swobodnych oraz hamowania, x umożliwia kontrolę szybkości, x steruje wieloma silnikami, x zapewnia na wyjściu wysokie napięcie i prąd wymagane przez silnik, x izoluje układy sterujące robota od zakłóceń elektrycznych i uszkodzeń silnika, x chroni silnik oraz sterownik silnika przed przegrzaniem i zniszczeniem, x opcjonalnie pozwala na użycie wydajnego źródła prądu, oddzielonego od źródła wykorzystywanego przez układy logiczne robota (takiego jak osobny pakiet baterii dla silnika), x zapewnia informację zwrotną dla układów sterujących robota dotyczącą poboru prądu i parametrów pracy, w tym sygnalizację błędów, x niezależnie przełącza się do trybu bezpiecznego, gdy sterowanie robota nie działa, na przykład w czasie uruchamiania, wyłączania, resetu lub w przypadku rozłączenia komunikacji, x pobiera bardzo mało prądu na własne potrzeby, x generuje mało ciepła, x jest umieszczony w najmniejszej, najmniej skomplikowanej obudowie; czasami małe obudowy do montażu powierzchniowego są bardziej skomplikowane niż staroświeckie obudowy DIP, x wymaga niewiele dodatkowych elementów lub obywa się bez nich, x jest tani i powszechnie dostępny. Ha, ha, ha! Niewiele komercyjnych układów sterowników silników jest choć trochę zbliżonych do tej listy życzeń. Musisz pójść na kompromis.

Zastosowanie układu z rodziny 4427 jako samodzielnego sterownika silnika Bardzo interesujące jest to, że możemy użyć wielu układów scalonych jako sterowników silników o niskim prądzie, nawet jeżeli układy te nie były do tego celu przeznaczone. Musisz wiedzieć, że układ buforu odwracającego 74AC240 zasila wiele robotów BEAM. „ Wskazówka Ukady CMOS zawieraj tranzystory MOSFET, które mona czy równolegle. Mona przy tym czy ze sob wyj cia tych tranzystorów w ukadzie tak, aby razem steroway obcieniem. Na przykad w ukadzie 74AC240 z o mioma inwerterami wej cia poowy inwerterów mog by ze sob poczone i jednocze nie mog by ze sob poczone ich wyj cia. Wej cia pozostaej poowy inwerterów take mog by ze sob poczone, podobnie jak ich wyj cia. Dzi ki temu uzyskamy dwa wej cia oraz dwa wyj cia i kade wyj cie b dzie w stanie dostarczy prdu 100 mA. Dwa trójstanowe zcza (aktywujce) pozwalaj odczy wyj cia, dzi ki czemu dost pny b dzie równie tryb obrotów swobodnych. Jest to teraz miniaturowy mostek H.

196 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Pomimo tego, że nie było to ich początkowe przeznaczenie, układy MOSFET z rodziny 4427 (4427A, 4424, IXDN404, IR4427, TPS2812P itd.) mogą być użyte jako samodzielne sterowniki silników, bez zastosowania żadnych dodatkowych tranzystorów. Na przykład 4427A posiada dwa wejścia o poziomach logicznych, zapewnia na wyjściu napięcia do 18 V, prąd impulsowy do 1,5 A (choć nie można sterować silnikiem o tak dużym prądzie roboczym) oraz oferuje dwa wyjścia, które mogą zapewnić napięcie masy lub napięcie zasilania układu, tak jak dwie połowy mostka H (rysunek 10.18).

Rysunek 10.18. Samodzielny sterownik silnika oparty na układzie 4427A, przeznaczony dla silników pobierających do 100 mA prądu Diody w strukturach tranzystorów MOSFET układu 4427A mogą obsłużyć prąd wsteczny niewielkiego silnika prądu stałego, więc nie są potrzebne osobne diody Schottky’ego. Jednak unikaj stosowania zwykłego układu 4427; powinieneś użyć 4427A (lub innego układu) w obwodzie pokazanym na rysunku 10.18, aby zapobiec uszkodzeniu układu przez przeciwne napięcia z silnika. W przypadku silników, które pobierają mniej niż 100 mA prądu, układ 4427A działa świetnie. Jednak lepszy w tym zastosowaniu jest układ 4424, a najlepszy jest IDXDN404PI. Pamiętaj, że mają one taką samą konfigurację nóżek, więc możesz samodzielnie przetestować wydajność. Powodem różnic w wydajności jest różnica w rezystancji wyjściowej. Układ 4427A ma względnie wysoką rezystancję, pomiędzy 7  a 10  na wyjście. Ponieważ do sterowania silnikiem potrzebna jest para wyjść, otrzymujemy odpowiednik rezystora 20  pomiędzy silnikiem i baterią. Gdy porównamy to z rezystancją zastępczą układu IRLU024N (od 0,065  do 0,11 ) oraz IRFU5505 (0,11 ), zauważysz, że 4427A ma rezystancję około 100 razy większą. Wybieramy tu pomiędzy doskonałą wydajnością (tranzystor mocy MOSFET) a prostotą (sam 4427A) i niskim kosztem. Względnie wysoka rezystancja (RDS) wyjść 4427A (10 ) oznacza, że w pewnym momencie, gdy silnik będzie pobierał odpowiednio dużo prądu, układ będzie rozpraszał więcej energii, niż będzie trafiało do silnika. Silnik nie będzie w stanie wystartować, a układ się przegrzeje. Dodatkowo brak osobnych diod w obwodzie z rysunku 10.18 staje się powodem do obaw, ponieważ silniki wysokoprądowe generują wyższe prądy wsteczne przy hamowaniu lub zmianie kierunku. Po dodaniu opcjonalnych diod Schottky’ego oraz zastosowaniu układu IXDN404PI obwód z rysunku 10.19 świetnie nadaje się dla silników pobierających mniej niż 250 mA przy 9 V (lub mniejszy prąd przy napięciu nie wyższym niż 25 V). Obwód ten jest dosyć prosty i tani.

197 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 10.19. Samodzielny sterownik silnika bazujący na IXDN404PI z opcjonalnymi diodami Schottky’ego Samodzielny układ IXDN404PI stanowi niezły, łatwy do kontrolowania sterownik silnika, zajmujący niewiele miejsca i wymagający tylko kilku dodatkowych części. Sterownik na rysunku 10.20 pochodzi z robota Rondo, który będzie dokładnie przedstawiony, począwszy od rozdziału 13. Ta implementacja nie wymaga rezystorów obniżających na wejściach kontrolera, ponieważ są one zawsze podłączone bezpośrednio do wyjść układu logicznego.

Rysunek 10.20. Implementacja sterownika silnika bazującego na IXDN404PI z opcjonalnymi diodami Schottky’ego. Silnik jest podłączany do płytki sterownika za pośrednictwem złącza Molex (M1) Możesz wierzyć lub nie, ale możliwe jest równoległe łączenie całych układów MOSFET przez nalutowanie jednego układu na drugim. Musisz tylko zachować ostrożność, aby nóżki sobie odpowiadały. Na przykład po prawej stronie rysunku 10.21 rezystancja wyjść sterownika silnika IXDN404 spadła o połowę. Pamiętaj o tej sprytnej sztuczce, jeżeli okaże się, że Twój silnik wymaga więcej prądu, niż jest w stanie dostarczyć jeden układ.

198 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Rysunek 10.21. Po lewej: pojedynczy układ sterownika silnika IXDN404PI; po prawej: dwa sterowniki IXDN404PI zlutowane ze sobą w celu uzyskania większego prądu wyjściowego

Użycie klasycznego bipolarnego mostka H w układzie scalonym Zamiast wykorzystywania układu logicznego CMOS lub układu sterownika MOSFET do innych celów, niż były przewidziane, lepiej użyć układu scalonego przeznaczonego do sterowania silnikami. Zacznijmy od bipolarnego układu sterownika silnika. Nie ma nic złego w zastosowaniu obwodu bipolarnego mostka H zaprezentowanego na rysunku 9.14. Jest to bardzo użyteczny sterownik silnika. Jednak warto pomyśleć o kilku przydatnych usprawnieniach: x Mógłbyś zintegrować cały obwód w jednym układzie, aby zaoszczędzić czas, ograniczyć zajmowane miejsce i uniknąć błędów przy łączeniu przewodów. Właściwie dlaczego nie umieścić dwóch mostków H w jednym układzie, aby można było sterować dwoma silnikami, skoro większość robotów ma co najmniej dwa silniki? x Można ograniczyć liczbę wejść wymaganych do sterowania mostkiem H do trzech lub dwóch linii zamiast czterech, jak również zabezpieczyć układ przed wybraniem stanu zwarcia. x Warto zwiększyć maksymalny prąd powyżej 500 mA. x Mógłbyś ograniczyć napięcie wymagane do włączenia tranzystora PNP z 9 V do poziomu bliższego układom logicznym 5 V (jedno z rozwiązań było pokazane na rysunku 9.23). Układ firmy Texas Instruments SN754410 składający się z czterech połówek mostka H (cena 8 zł) posiada wszystkie wymienione powyżej cechy. Jest to następca klasycznych układów L293 oraz L293D o identycznej konfiguracji wyprowadzeń. Można używać niezależnie każdej z połówek mostka H lub połączyć je parami, tworząc dwa pełne mostki H pozwalające sterować dwoma silnikami (rysunek 10.22). „ Uwaga Skorzystaem z moliwo ci zastosowania bardziej jednoznacznych nazw niektórych wyprowadze ukadu SN754410, poniewa nazwy uyte w specyfikacji s mao intuicyjne.

Dzięki zastosowaniu układu SN754410 otrzymujemy dwa pełne sterowniki silnika w wygodnej, 16-nóżkowej obudowie DIP, które mogą działać przy napięciach od 4,5 do 36 V. Dzięki temu, jak również dzięki niskiej cenie układ ten jest popularny w społeczności konstruktorów robotów. Układ SN754410 zapewnia dostęp do wszystkich trybów działania silników (tabela 10.1) i zabezpiecza przed zwarciami. Posiada diody wbudowane w wyjścia oraz zabezpieczenie przed przegrzaniem.

199 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 10.22. Sterowanie dwoma silnikami za pomocą SN754410. Kondensator buforowy 220 F (CBUF.) nie jest potrzebny, jeżeli w obwodzie niestabilizowanym znajduje się kondensator buforowy dołączony do wejścia obwodu napięcia stabilizowanego. Jak zawsze, dodaję więcej kondensatorów, niż oficjalnie wymaga producent Tabela 10.1. Kombinacje mostka H w układzie SN754410 Aktywne A i B

Wejcie A

Wejcie B

Wynik

0V

0V

0V

Obroty swobodne

0V

0V

5V

Obroty swobodne

0V

5V

0V

Obroty swobodne

0V

5V

5V

Obroty swobodne (zauważyłem, że jest tu najmniejsze zużycie prądu — około 11 mA)

5V

0V

0V

Hamowanie w obu kierunkach (strona o niskim napięciu)

5V

0V

5V

Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara

5V

5V

0V

Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

5V

5V

5V

Hamowanie w obu kierunkach (strona o wysokim napięciu)

Niestety, jak pokażę w porównaniu zamieszczonym w punkcie „Ocena sterowników silnika”, w dalszej części rozdziału, SN754410 nie dostarcza maksymalnego prądu do silników. Dodatkowo układ ten pobiera do 100 mA prądu na własne potrzeby (prąd spoczynkowy). Nie jest więc szczególnie efektywny. Żaden z tych problemów nie powinien zniechęcać Cię do stosowania układu SN754410 w robocie. Po prostu odpowiednio dobierz pakiet baterii do zasilania silnika.

200 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

MC33887 — zaawansowany sterownik silnika z mostkiem H MOSFET Produkowany przez Freescale (http://www.freescale.com/) MC33887 ma wszystkie cechy zaprezentowanych do tej pory sterowników silników i oferuje o wiele więcej. Układ MC33887 działa w przedziale napięć od 5 V do 28 V, a jego wejścia działają na poziomach logicznych. Może dostarczać nieprzerwanie 5,2 A prądu przy rezystancji RDS tylko 0,12. Zapewnia informację na temat prądu zużywanego przez silnik oraz informację o awarii. Posiada zabezpieczenie przed przeciążeniem, przegrzaniem, zbyt niskim napięciem i odłączonymi wejściami. Może przejść w tryb uśpienia, w którym pobiera poniżej 50 A prądu. Obsługuje wszystkie tryby silnika (obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara, obroty w kierunku przeciwnym, obroty swobodne oraz hamowanie) zabezpieczone przed przebiciami i zwarciami. W razie potrzeby można zasilać silniki z innego pakietu baterii niż ten, z którego są zasilane układy logiczne. Nie są potrzebne osobne diody Schottky’ego, ale można je dodać w celu niewielkiego zwiększenia wydajności. Jeżeli chodzi o słabe punkty układu MC33887, to możemy narzekać, że nie obsługuje impulsów o większej częstotliwości niż 10 kHz (PWM), steruje tylko jednym silnikiem i nie jest dostępny w obudowie przewlekanej. Patrząc na schemat (rysunek 10.23), możemy uznać, że problemem będzie duża złożoność. Trzeba jednak zauważyć, że większość wyprowadzeń można podłączyć do 5 V, masy (GND) lub pozostawić je niepodłączone, jeżeli w danym robocie nie potrzebujemy dodatkowych funkcji.

Rysunek 10.23. Sterowanie silnikiem za pomocą MC33887 z wszystkimi jego funkcjami. Aby zaoszczędzić miejsce na tym schemacie, zamiast pisać „z układów logicznych lub mikrokontrolera”, umieściłem napis „z mikrokontrolera”. Jednak pamiętaj, że do sterowania tym układem sterownika silnika mogą być również użyte układy logiczne

201 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Jeżeli chcesz zastosować prostą konfigurację bez informacji o działaniu silnika, bez usypiania czy szybkich impulsów, możesz wykonać następujące czynności: x Wyłączenie usypiania — podłącz złącza Aktywacja (wyprowadzenie 20.) oraz Blokada 2 (wyprowadzenie 13.) do 5 V. Układ będzie zawsze zużywał 20 mA prądu lub mniej, zarówno w czasie pracy, jak i nieaktywności. Układu nie będzie można wyłączyć, aby zużywał poniżej 50 A. x Wyłączenie informacji zwrotnej — odłącz złącza Sygnalizacja błędu (wyprowadzenie 2.) oraz Pomiar prądu (wyprowadzenie 8.). Dodatkowo eliminuje to potrzebę montowania R1, R5 i C5. x Wyłączenie szybkich impulsów — jeżeli nie masz zamiaru stosować zasilania silnika szybkimi impulsami, C3 nie jest potrzebny. x Kondensator zapasowy — jeżeli podłączyłeś duży kondensator do wejścia stabilizatora napięcia, CBUF. nie jest potrzebny. Zmiany te są pokazane na rysunku 10.24. Do pełnego sterowania silnikiem są potrzebne tylko trzy linie. Jeżeli nie potrzebujesz trybu obrotów swobodnych, można jeszcze uprościć ten obwód, podłączając Blokada 1 (wyprowadzenie 18.) do masy. Wtedy potrzebne są tylko dwie linie sterujące.

Rysunek 10.24. Prostszy schemat sterowania silnikiem za pomocą MC33887, bez informacji zwrotnej, usypiania i szybkich impulsów

202 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Opis wyprowadze Układ MC33887 jest dostępny w małej, 20-nóżkowej obudowie z radiatorem (HSOP), przeznaczonej do montażu powierzchniowego (cena około 25 zł), ale mającej wystarczająco duże wyprowadzenia, aby można było je lutować ręcznie. W obudowę HSOP wbudowany jest duży radiator umieszczony pod spodem układu. Na płytce drukowanej można umieścić w tym miejscu ścieżkę, poprawiając w ten sposób odprowadzanie ciepła. Żaden z moich robotów nie potrzebuje 5,2 A ciągłego prądu. Z tego powodu wykorzystuję miejsce pod układem jako przepust dla ścieżek logicznych. Oczywiście możesz zamalować spód układu lub wsunąć pod niego fragment izolacji, aby zapewnić bezpieczeństwo ścieżkom przebiegającym pod układem. Dwadzieścia wyprowadzeń wydaje się dużą liczbą. Mogą być one przytłaczające. Jednak wyprowadzenia 1., 9., 10., 11. i 12. są podłączone do masy. Wyprowadzenia 4., 5. oraz 16. są podłączone do zasilania silnika. Z kolei wyprowadzenia 6. i 7. oraz 14. i 15. są parami podłączone do silnika. Po wyeliminowaniu powtórzeń mamy tu mniej więcej tyle samo wyprowadzeń co w obudowie 12-nóżkowej, bez pozbywania się jakiejkolwiek z dodatkowych funkcji. „ Wskazówka W zasadzie wyprowadzenie 1. nie jest duplikatem wyprowadze 9., 10., 11. i 12. Moe ono by podczone do masy dodatkowego pakietu baterii, jeeli chcesz w peni odizolowa róda zasilania dla logiki i silników. Zwró uwag , e ukad ten nie potrzebuje wyprowadzenia dla napi cia ukadów logicznych (zwykle 5 V). Posiada on wbudowany stabilizator 5 V.

Jeżeli MC33887 może być umieszczony w obudowie 12-nóżkowej (lub standardowej 14-nóżkowej), to po co są te dodatkowe złącza? Ponieważ układ może obsługiwać duży prąd! Z tego powodu wyprowadzenia zasilania (masa, napięcie dodatnie i wyprowadzenia silnika) są zduplikowane w celu zapewnienia szerszych ścieżek dla przepływu prądu.

Odłączenie wejść powoduje reakcję zabezpieczającą Układ MC33887 bezpiecznie obsługuje odłączenie wyprowadzeń wejściowych. Poza wyprowadzeniami Input A oraz Input B odłączenie każdego innego wejścia powoduje przejście w tryb hamowania lub obrotów swobodnych. Dzięki temu nie są potrzebne zewnętrzne rezystory podciągające (obniżające); MC33887 automatycznie przełącza się do bezpiecznego trybu.

Sterowanie trybami silnika Układ MC33887 zapewnia dostęp do wszystkich użytecznych trybów silnika. W specyfikacji technicznej można znaleźć długą listę możliwych warunków wejściowych. Najważniejsze kombinacje są zamieszczone w tabeli 10.2 (przy założeniu, że sygnał Blokada 2 jest podłączony do 5 V). Tabela 10.2. Kombinacje w układzie MC33887 sterownika silnika z mostkiem H Aktywacja

Blokada 1

Wejcie A

Wejcie B

Wynik

0V

Nie ma znaczenia

Nie ma znaczenia

Nie ma znaczenia

Obroty swobodne (uśpienie w stanie niskiego poboru prądu; poniżej 50 A)

5V

5V

Nie ma znaczenia

Nie ma znaczenia

Obroty swobodne

5V

0V

0V

0V

Hamowanie w obu kierunkach (strona o niskim napięciu)

5V

0V

0V

5V

Obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara

5V

0V

5V

0V

Obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara

5V

0V

5V

5V

Hamowanie w obu kierunkach (strona o wysokim napięciu)

203 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Budowa sterownika silnika z mostkiem H na bazie ukadu MC33887 Ponieważ MC33887 jest dostępny w obudowie do montażu powierzchniowego, nie można bezpośrednio eksperymentować na płytce prototypowej. Z tego powodu zdecydowałem się na wykonanie płytki, na której można zamontować trzy układy MC33887VW wraz z niezbędnymi kondensatorami i złączami oraz kilkoma punktami testowania pozwalającymi na eksperymentowanie. Kompletna sekcja tej płytki jest pokazana na rysunku 10.25.

Rysunek 10.25. Sterownik silnika z mostkiem H korzystający z układu MOSFET MC33887VW, zbudowany na płytce drukowanej Warto zwrócić uwagę na kilka cech tego obwodu: x Drugi kondensator C1 został przeze mnie dodany po prostu dlatego, że miałem w tym miejscu wolne miejsce na płytce. x C6 to dodatkowy kondensator tantalowy o pojemności 10 F. I tym razem dodałem go tutaj, bo na płytce było nieco miejsca. To mój dodatkowy, „magiczny” kondensator. x Bardzo szeroka, odseparowana elektrycznie ścieżka na płytce drukowanej, znajdująca się pod układem MC33887, pełni funkcję radiatora. Wystaje ona w górnej i w dolnej części układu US1. Aby dolna część układu miała styczność z tą ścieżką, użyj niewielkiej ilości pasty termoprzewodzącej. x Wyprowadzenia aktywacji wszystkich układów MC33887 na tej płytce są połączone jedną ścieżką. Jeżeli jeden z układów sterowania silnikiem zostanie uśpiony, to najprawdopodobniej to samo będzie dotyczyć pozostałych. Pozwala to zaoszczędzić na liniach sterujących. Jeżeli w określonym robocie byłoby potrzebne sterowanie uśpieniem poszczególnych układów, ścieżka powinna zostać podzielona. x Na płytce sterownika silnika brakuje rezystora R1, ponieważ został przeniesiony na płytkę sterującą. x R5 jest rezystorem w obwodzie pomiaru przepływu prądu; rezystor ten nie jest jeszcze przylutowany do płytki, ponieważ nie zdecydowałem się, jaką powinien mieć wartość. Zamiast wykonywać własną płytkę, możesz kupić gotowy, wstępnie zmontowany wyrób (rysunek 10.26) produkcji Pololu (cena około 150 zł). Istnieje też wersja podwójna, z interfejsem szeregowym — zestawy te są trudno dostępne w Polsce.

204 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Rysunek 10.26. Mała, komercyjna implementacja sterownika silnika z mostkiem H z układem MOSFET MC33887

Pomiar prdu silnika Możliwość odczytywania natężenia prądu pobieranego przez silnik może być bardzo wartościowa dla robota. Korzystając tylko z pomiaru prądu, wielokołowy robot może poruszać się w pokoju z przeszkodami i otworami w podłodze (na przykład schodami na niższy poziom).

Wykrywanie przeszkód i groźnych sytuacji poprzez kontrolowanie prądu silnika Gdy silnik zostanie zablokowany (jego wałek nie będzie się obracał przy doprowadzonym napięciu), będzie pobierał maksymalną ilość prądu. Zablokowany silnik może się przegrzać i uszkodzić, może przeciążyć wykonany przez nas obwód sterownika silnika albo szybko wyczerpać baterię. W czasie prototypowania wielu projektantów spotyka się z zablokowaniem pracy silnika z powodu wykorzystania silnika bez przekładni lub wybrania silnika o zbyt małym momencie obrotowym w stosunku do masy robota. Jednak w działających robotach zatrzymanie pracy silnika występuje, gdy zablokuje się on na przeszkodzie. Jeżeli obwód sterownika silnika ma możliwość pomiaru prądu pobieranego przez silnik, to można tak zaprogramować robota, aby rozpoznawał wysoką wartość prądu (zablokowanie silnika) i by podejmował odpowiednie akcje. Robot może spróbować wycofać się i zmienić kierunek, aby ominąć niewykrytą wcześniej przeszkodę. W ostateczności robot może wyłączyć zasilanie (tryb obrotów swobodnych) zablokowanego silnika i na przykład zasygnalizować konieczność pomocy.

Wykrywanie odłączenia silnika, potencjalnych upadków, przewrotki lub uniesienia Odłączony silnik nie pobiera prądu. Nieobciążony silnik pobiera niewielką ilość prądu. Jeżeli są dodane przełożenia, koła i silnik jest jeszcze nierówno zamocowany, to pobiera nieco więcej prądu. Gdy robot zostanie postawiony na ziemi, jego masa jeszcze bardziej obciąży silnik, więc będzie on zużywał jeszcze więcej prądu.

205 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Te różnice w poborze prądu pozwalają na wykrywanie przez robota określonych warunków. Jeżeli na przykład zostanie odłączony silnik, nie będzie pobierany prąd. Robot powinien powiadomić wtedy swojego mistrza o wystąpieniu problemu, a jeszcze lepiej — powinien zmienić swoje zachowanie i dokuśtykać do stacji obsługi (właśnie tak). Robot posiadający wiele kół rozmieszczonych w odpowiednich odstępach powinien pozwolić, aby jedno lub dwa koła zawisły nad krawędzią, ponieważ robot jeszcze nie spadnie. Gdy jedno z kół straci kontakt z podłożem, robot będzie mógł zarejestrować dramatyczny spadek prądu (do wartości mniejszej niż standardowy poziom przy poruszaniu się) dla silników, które te koła napędzają. Robot powinien wycofać się i zmienić kierunek. Jeżeli robot zostanie przewrócony lub podniesiony, to wszystkie silniki będą pobierały mniej prądu niż normalnie. Robot może się wyłączyć, wezwać pomoc lub postawić się na koła z wykorzystaniem ramienia lub mechanizmu odwracania. Każda z tych reakcji będzie lepsza niż beznadziejne obracanie kołami.

Zamiana prądu silnika na napięcie w sterowniku Aby mierzyć prąd silnika, możesz zbudować mostek H z rezystorem o bardzo niskiej rezystancji (zwykle 0,1  lub mniej) pomiędzy tranzystorami strony o niskim napięciu a masą. Gdy silnik zużywa więcej prądu, na oporniku zwiększa się napięcie. Napięcie to może być odczytywane bezpośrednio przez komparator lub przetwornik analogowo-cyfrowy (A/C) mikrokontrolera. Jednak zazwyczaj napięcie to jest niskie, na przykład poniżej 0,5 V. Z tego powodu możesz użyć wzmacniacza operacyjnego do wzmocnienia tego napięcia do poziomu maksymalnego stabilizowanego napięcia układu logicznego, czyli w naszym przypadku 5 V, zanim komparator lub mikrokontroler odczyta jego wartość. Dzięki temu otrzymujemy większy zakres wartości. Inną zaletą zastosowania wzmacniacza operacyjnego w tej sytuacji jest możliwość zaprojektowania obwodu izolującego obwód od zakłóceń elektrycznych silnika oraz skoków napięcia, które przekraczają napięcie stabilizowane. Dużym problemem związanym z użyciem rezystora w mostku H jest to, że zazwyczaj staramy się uniknąć wprowadzania jakiejkolwiek rezystancji pomiędzy baterię i silnik. Każda rezystancja powoduje utratę energii. Układ MC33887 korzysta z nieinwazyjnej metody wykrywania prądu silnika. W układzie MC33887 prąd płynący przez „pomiar prądu” (wyprowadzenie 8.) jest równy 1/375 prądu płynącego przez tranzystory mocy MOSFET po stronie o wysokim napięciu. Pomiar prądu nie działa, jeżeli oba tranzystory MOSFET po stronie o wysokim napięciu są wyłączone, więc najlepiej hamować silnik z wykorzystaniem układów MOSFET po stronie o wysokim napięciu, o ile w tej sytuacji kontrola przepływu prądu jest istotna. Odnosi się to do obwodu z rysunku 10.23. Odpowiednią wartość rezystora R5 można obliczyć na podstawie maksymalnego prądu, jaki pobierają konkretne silniki1. Skorzystaj ze specyfikacji technicznej (metoda dokładna) lub omomierza (metoda przybliżona — z powodu innych rezystancji silnika) do określenia rezystancji uzwojenia, która następnie będzie użyta do obliczenia prądu zatrzymania: maksymalny prd w amperach = maksymalne napicie pakietu baterii ÷ rezystancja uzwojenia silnika w omach przykadowy maksymalny prd w amperach = 9,6 V ÷ 13  przykadowy maksymalny prd w amperach = 0,739 A (zaokrglij w gór dla bezpieczestwa)

Teraz możesz obliczyć właściwą rezystancję rezystora R5 dla przykładowych silników: rezystancja (maksymalny przykadowa przykadowa

1

Przetworniki analogowo-cyfrowe mierzą zazwyczaj napięcie, nie prąd. Dlatego stosuje się rezystor R5, na którym spadek napięcia (a więc różnica napięć pomiędzy jego wyprowadzeniami) będzie proporcjonalny do przepływającego przezeń prądu. To właśnie napięcie na rezystorze R5 będzie mierzył mikrokontroler.

206 Ebookpoint.pl

rezystora R5 w omach = maksymalne napicie stabilizowane ÷ prd w amperach × uamek prdu dostpnego na wyprowadzeniu pomiarowym) rezystancja rezystora R5 w omach = 5 V ÷ (0,739 A × (1 ÷ 375)) rezystancja rezystora R5 w omach = okoo 2537  (zaokrglij w dó dla bezpieczestwa)

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Sprawdź te obliczenia. Gdy następuje zatrzymanie silnika i w tej sytuacji płynie przez niego 0,738 ampera, to na wyprowadzeniu pomiarowym mamy 1/375 tego prądu. Ta część prądu będzie skierowana poprzez rezystor R5 do masy. napicie na rezystancja przykadowe przykadowe przykadowe

R5 w woltach = R5 w omach napicie na R5 napicie na R5 napicie na R5

prd pyncy przez R5 w amperach × = (0,739 A × (1 ÷ 375)) × 2537  = 0,0019707 × 2537  = okoo 5 V

Nie znajdziesz rezystora o wartości 2537 . Możesz nieco zmniejszyć tę rezystancję, aby napięcie nie przekroczyło znacznie maksymalnego napięcia stabilizowanego. W tym przykładzie rezystancja 2,5 k nie będzie dobrym wyborem, ponieważ tolerancja rezystorów może wynieść ±5 procent. Lepsza będzie rezystancja 2,2 k, gdyż zapewnia margines błędu, ale oczekiwane napięcie maksymalne nie osiągnie już 5 V2.

Ocena sterowników silników W tym i poprzednim rozdziale przedstawiłem kilka sterowników silników. Na rynku stale pojawiają się nowe sterowniki. W jaki sposób powinniśmy wybierać odpowiednie? Jeżeli cena, dostępność i obudowa są zaakceptowane, to pozostaje jeszcze wiele innych kryteriów do rozważenia. Po pierwsze, powinieneś zdecydować, które tryby silnika (obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara i przeciwne, obroty swobodne oraz hamowanie) są wymagane w Twoim robocie. Jeżeli potrzebujesz silnika, którego wałek ma się obracać tylko w jednym kierunku, to prosty sterownik z jednym tranzystorem może być wystarczający. Jeżeli nie potrzebujesz obrotów swobodnych, to jest wiele prostych mostków H z interfejsami logicznymi. Jeśli potrzebujesz wszystkich trybów silnika i zabezpieczenia przed wybraniem trybu zwarcia, to może być wymagane użycie zaawansowanego układu sterownika z mostkiem H. Po drugie, musisz określić, czy sterownik silnika jest w stanie dostarczyć maksymalny prąd i maksymalne napięcie wymagane w robocie. W przypadku napięć pomiędzy 5 V i 18 V oraz prądów poniżej 1 A masz całą gamę możliwości. Poza tym zakresem wybór zaczyna się zmniejszać. Jeżeli wymagane w robocie napięcie lub prąd są niestandardowe, to najlepszym rozwiązaniem może być samodzielne zbudowanie mostka H. Po trzecie, powinieneś zadecydować, czy Twój robot wymaga specjalnych funkcji (takich jak pomiar przepływającego prądu), mniejszej liczby linii sterujących lub funkcji zabezpieczających (takich jak zabezpieczenie przed przeciążeniem). Może to ograniczyć Twój wybór do kilku układów sterowników. Warto również wziąć pod uwagę jeszcze dwa inne ważne czynniki. Ile prądu może dostarczyć sterownik do silnika w porównaniu z bezpośrednim połączeniem baterii do silnika (wydajność prądowa)? Ile prądu potrzebuje sterownik silnika na własne potrzeby (efektywność)? Testowałem różne sterowniki oraz bezpośrednie połączenie pod kątem wydajności prądowej i efektywności w zakresie napięć od 5,5 do 10 V, wykorzystując regulowany stabilizator napięcia pokazany w rozdziale 7. Przetestowałem następujące sterowniki silników: x bipolarny mostek H zbudowany z zastosowaniem tranzystorów 2222A oraz 2907A (rysunek 9.14), x mostek H zbudowany z tranzystorów mocy MOSFET IRLU024N i IRFU5505N (rysunek 10.10), x układ 4427A (rysunek 10.19), x układ SN754410 (rysunek 10.22), x układ MC33887 (rysunek 10.23). 2

Warto nadmienić, że producent układu MC33887 gwarantuje liniową pracę wyjścia pomiarowego jedynie dla rezystorów z zakresu od 100 do 200 . W takim jednak wypadku maksymalne uzyskiwane napięcie wyjściowe będzie znacznie mniejsze od stabilizowanego napięcia zasilania. W takim wypadku można użyć wzmacniacza operacyjnego, aby liniowo zwiększyć to napięcie do oczekiwanego poziomu przed podaniem go na wejście przetwornika A/C.

207 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ocena wydajności prądowej sterowników silników Gdy silnik jest podłączony bezpośrednio do baterii, otrzymuje maksymalne napięcie i maksymalny prąd, jaki jest w stanie dostarczyć bateria. Wartości te przyjąłem jako stuprocentową wydajność prądową dla danej baterii. Moc jest równa napięciu pomnożonemu przez natężenie prądu. Prąd pobierany przez silnik zależy od obciążenia silnika. Jednak o ile silnik nie będzie próbował pobrać z baterii zbyt dużo prądu, napięcie dostarczane do biegunów pracującego silnika będzie mniej więcej stałe. Okazuje się więc, że mierząc napięcie pomiędzy biegunami działającego silnika, możemy określić, jak dobry jest sterownik w zasilaniu silnika. Gdy spadek napięcia na przewodach i innych pomniejszych źródłach jest ignorowany, całość napięcia, które nie zostanie dostarczane do silnika, jest marnowana przez sterownik silnika w postaci ciepła. Jeżeli wykosztowałeś się na bardzo dobre i efektywne silniki, takie jak Maxon lub Portescap, albo budujesz robota na zawody (minisumo lub podążającego za linią), na pewno chcesz dostarczyć do silnika każdą cząstkę mocy, jakiej może on użyć.

Ocena napicia wyjciowego sterownika silnika przy bardzo maym obcieniu Do pierwszego testu wybrałem nieobciążony silnik o wysokiej sprawności (pobierający tylko 10 mA przy 5,5 V), aby zapewnić scenariusz najlepszego przypadku dla sterownika silnika, który to sterownik może dostarczyć maksymalnej mocy. Im mniejsze jest obciążenie, tym łatwiej zapewnić wysokie napięcie. Korzystając z multimetru cyfrowego o wysokiej impedancji, zmierzyłem napięcie na silniku kontrolowanym przez każdy ze sterowników. Możesz więc bez trudu odtworzyć ten eksperyment, korzystając z dowolnego sterownika silnika, jaki masz do dyspozycji. Zgodnie z definicją bezpośrednie połączenie zapewnia 100 procent dostarczanego napięcia. Tak więc przy 5,5 V silnik otrzymuje całe 5,5 V. Przy 10 V silnik otrzymuje całe 10 V. Linie z etykietami przedstawione na rysunku 10.27 pokazują wyniki dla sterowników silników w kolejności od najwyższej do najniższej wartości dostarczanego napięcia. Wszystkie sterowniki poza SN574410 były w stanie dostarczyć co najmniej 95 procent napięcia baterii do silnika. Układ MC33887 oraz zbudowany z tranzystorów mocy MOSFET mostek H (IRLU024N i FU5505 — zarówno samodzielne, jak i sterowane przez interfejs 7727) dostarczały 100 procent napięcia, zgodnie ze wskazaniami multimetru.

Rysunek 10.27. Napięcie dostarczane przez różne sterowniki silnika przy bardzo małym obciążeniu silnika (10 mA przy 5,5 V)

208 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Bipolarny mostek H (2222A i 2907A) działał bardzo dobrze (od 99 do 100 procent) przy niskim obciążeniu, podobnie jak 4427A (od 96 do 98 procent). Jedynie układ SN754410 nie działał najlepiej, pomimo że jest zbudowany z użyciem tej samej technologii tranzystorów. Dane techniczne układu SN754410 jasno wskazują, że ma on znaczny spadek napięcia VOL i VOH.

Ocena napicia wyjciowego sterownika silnika przy rednim obcieniu Do następnego testu wybrałem silnik, który symuluje znaczne obciążenie dla robota o wielkości pudełka na kanapki. Użycie większego silnika (275 mA przy 5,5 V) miało spowodować, żeby sterownikom silników było trudniej dostarczyć maksymalne napięcie. Linie z etykietami przedstawione na rysunku 10.28 pokazują wyniki dla sterowników silników w kolejności od najwyższej do najniższej wartości dostarczanego napięcia. Urządzenia bazujące na tranzystorach mocy MOSFET kolejny raz objęły prowadzenie, ale można zauważyć niewielki spadek przy niskich napięciach na bramce (około zakresu 5,5 V). Nadal jednak działają doskonale, dostarczając od 98 do 99 procent napięcia.

Rysunek 10.28. Napięcie dostarczane przez różne sterowniki silnika przy średnim obciążeniu silnika (275 mA przy 5,5 V) Bipolarny mostek H (układy 2222A i 2907A) znacznie zwiększył swój spadek napięcia, i to przy połowie jego deklarowanego maksymalnego obciążenia. Ten spadek do 80 procent dostarczanego napięcia nie eliminuje tego mostka H jako użytecznego sterownika silnika przy tym poziomie prądu, szczególnie biorąc pod uwagę to, jak tanio go zbudowaliśmy. Napięcie dla układu SN754410 również znacznie spadło, aż do 65 procent napięcia wejściowego. Dla zilustrowania tego problemu warto wiedzieć, że jest to tylko 3,6 V z dostarczanych 5,5 V. Duże obciążenie nie jest wytłumaczeniem, ponieważ SN754410 pracował na mniej niż jednej trzeciej swojego deklarowanego obciążenia maksymalnego. Zaraz, zaraz! Brakuje jednego układu z listy! Układ 4427A działający jako samodzielny sterownik (a nie sterujący tranzystorami mocy MOSFET) przegrzał się i przestał sterować silnikiem. Dla przypomnienia — dla ciągłego prądu większego niż 100 mA użyj układu 4424 lub IXDN404PI (być może nawet połączonych równolegle). W przypadku ciągłego prądu powyżej 250 mA korzystaj z tego układu w sposób prawidłowy, sterując tranzystorami mocy MOSFET.

209 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ocena efektywności sterowników silników Oprócz możliwości zapewnienia maksymalnej mocy dla silnika innym czynnikiem, jaki bierzemy pod uwagę w przypadku sterownika silnika, jest ilość prądu, jaką sterownik zużywa do własnych celów. Na przykład w bipolarnym tranzystorowym mostku H wiele prądu przepływa do baz tranzystorów. Prąd ten nie jest dostarczany do silników, więc jest on w zasadzie tracony. Efektywność sterownika silnika jest obliczana w następujący sposób: moc dostarczana do silnika w watach = prd pyncy przez silnik w amperach × napicie midzy biegunami silnika w woltach cakowita moc w watach = (niestabilizowany prd pyncy przez sterownik silnika w amperach × niestabilizowane napicie w woltach) + (stabilizowany prd w amperach pyncy przez sterownik silnika × napicie stabilizowane w woltach) efektywno (w %) = moc dostarczana do silnika w watach ÷ cakowita moc w watach × 100

Na potrzeby kolejnych testów nie był w pomiarach efektywności brany pod uwagę tryb uśpienia, ponieważ silnik musiał pracować.

Ocena efektywnoci sterownika silnika przy bardzo maym obcieniu Na potrzeby trzeciego testu sterownika silnika wróciłem do nieobciążonego silnika o wysokiej efektywności, aby zrealizować najgorszy scenariusz dla efektywności sterownika silnika. W końcu jeżeli sterownik silnika zużywa 10 mA na działanie układu (prąd spoczynkowy), to przy obciążeniu 10 mA jest to mniej więcej 50-procentowa efektywność. Test ten powinien powiększyć całą nadmiarową lub stałą konsumpcję prądu przez sterownik silnika. Jak można oczekiwać, wykres na rysunku 10.29 pokazuje niepokojącą (choć nieco niesprawiedliwą) prawdę. Wyjątkiem są jedynie tranzystory mocy MOSFET, które wykazują brak poboru prądu w stanie stabilnym, dając stuprocentową efektywność. Również układ 4427A jest dosyć efektywny, sącząc poniżej 1 mA na własne cele.

Rysunek 10.29. Efektywność różnych sterowników silnika przy bardzo małym obciążeniu (10 mA przy 5,5 V)

210 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 10. „ STEROWANIE SILNIKIEM — DRUGA RUNDA

Układ MC33887 ma tak duży prąd spoczynkowy, że jego wynik jest bardzo niski. Ponieważ w teście dostarczania napięcia osiągnął on 100 procent, pokazuje to, że sterownik silnika jest w stanie dostarczyć maksymalne napięcie wyjściowe (będące chyba najważniejszym parametrem), ale nie gwarantuje 100-procentowej efektywności. Układ SN754410 w tych warunkach działa beznadziejnie.

Ocena efektywnoci sterownika silnika przy rednim obcieniu W ostatnim teście sterowników silników wrócimy do średniego obciążenia (275 mA przy 5,5 V). Zapewnia to sprawiedliwsze warunki testu, ponieważ stały (fabryczny) prąd spoczynkowy może być przesłonięty przez znacznie większą wartość prądu pobieranego przez silnik. Na rysunku 10.30 widać, że efektywność układu MC33887 znacznie wzrosła. Sugeruje to, że ilość prądu pobieranego przez MC33887 nie rośnie w sposób znaczący wraz ze wzrostem pobieranego prądu.

Rysunek 10.30. Efektywność sterowników silnika przy średnim obciążeniu (275 mA przy 5,5 V) W przypadku bipolarnego, tranzystorowego mostka H (2222A i 2907A) efektywność nie rośnie w sposób znaczący wraz ze wzrostem napięcia, jak w przypadku innych sterowników. Dzieje się tak, ponieważ zwiększa się przepływ prądu przez rezystory podłączone do złączy bazy tranzystorów. Możliwe jest nieznaczne poprawienie efektywności tego obwodu przy wyższych napięciach przez zastosowanie rezystorów ograniczających prąd o nieco większej wartości. Przy 10 V układ SN754410 wygląda na użyteczny. Trend efektywności jest zdecydowanie rosnący. Być może wydajność układu SN754410 byłaby jeszcze wyższa, gdybym kontynuował ten test i zastosował wyższe napięcie, na przykład 20 V. Ostatnia uwaga na temat efektywności — testy te były wykonywane dla silnika działającego w stanie stabilnym. Tranzystory MOSFET najlepiej sprawdzają się przy dostarczaniu stałego prądu. Gdyby jednak sterownik silnika był często włączany i wyłączany, tak jak się to dzieje w przypadku regulacji szybkości metodą PWM, to stałe ładowanie i rozładowywanie bramek układu MOSFET spowodowałoby spadek wydajności.

211 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Podsumowanie Mam nadzieję, że ten i poprzedni rozdział przedstawiły Ci wiele interesujących możliwości sterowania silnikiem. Choć sterowanie silnikiem może wydawać się przytłaczające, to czas spędzony na wybieraniu sterownika silnika jest dobrze wykorzystany. W końcu ruch to jedna z najważniejszych cech naszych robotów. Powtórzę jeszcze raz, że nie ma nic złego w wybieraniu bardzo prostych sterowników silnika, ponieważ budowanie robota jest ważniejsze niż zagłębianie się w szczegóły, aż do momentu, gdy nie posuwamy się do przodu. Mając do dyspozycji obwody i układy zaprezentowane w tej książce, nie powinieneś mieć problemu ze znalezieniem mostka H lub układu sterownika silnika, który będzie pasował do prostego lub pełnego sterowania silnikiem. Jeżeli będziesz musiał wprowadzić zmiany, koncepcje interfejsów logicznych, równoległych tranzystorów, rezystorów podciągających i obniżających, limitów napięcia oraz prądu powinny być przez Ciebie na tyle dobrze opanowane, byś wiedział, od czego zacząć i co zmienić. Osobiście wolę stosować mostki H budowane z tranzystorów mocy MOSFET lub układy scalone MOSFET. Możliwość dostarczenia pełnej mocy do silników robota z dosyć dużą efektywnością jest dla mnie istotniejsza niż wyższy koszt i większa złożoność konstrukcji. W następnych dwóch rozdziałach nieco zmienimy temat i zajmiemy się podczerwonym czujnikiem przeszkód. Jednak później wykorzystamy nasz sterownik silnika do zbudowania robota.

212 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11 „„„

Tworzenie modulowanego, uywajcego podczerwieni detektora przeszkód, przeciwników i cian Detektory podczerwieni Panasonic PNA4602M 38 kHz, sterownik diod dwukolorowych 74AC14, metody wyboru emiterów podczerwieni, trymerów, ograniczanie przesłuchów oraz dobór kondensatorów Z perspektywy urządzenia elektronicznego najłatwiejszą metodą wykrywania ścian, przeszkód i innych obiektów jest użycie fizycznego przełącznika aktywowanego przez kontakt z nimi. Ponieważ przełączniki mają bardzo małe obszary kontaktowe, konstruktorzy robotów budują układy zderzaków, pozwalające powiększyć aktywną powierzchnię. Niestety, nawet wtedy pojawiają się martwe strefy (szczególnie pod i nad zderzakiem), a dodatkowo robot może zaczepić się o przeszkodę, która będzie wisiała na jego zderzaku. Fizyczne przełączniki ponadto nie są w stanie wykrywać przeszkody z dalszej odległości, więc nie jest możliwe uniknięcie kontaktu z nią. System wizyjny — na przykład kamera — byłby doskonałym rozwiązaniem, ponieważ zapewnia szersze pole widzenia. Jednak interfejs między mikrokontrolerem a kamerą może być skomplikowany. Dla uproszczenia mógłbyś wykonać system wizyjny z jednym pikselem, korzystając z jednego fotoelementu, na przykład fotorezystora kadmowo-siarczkowego. Choć działa to dosyć dobrze w przypadku konieczności unikania ścian lub innych obiektów dzięki wykrywaniu cieni, to jednak nie nadaje się do określania pozycji dalej położonych obiektów. W tym i następnym rozdziale pokażę, w jaki sposób zbudować popularny refleksyjny system detekcji. System ten bazuje na transmisji zmodulowanej fali podczerwonej i odbiorze jej odbicia, jeśli trafi ona w jakiś obiekt lub ścianę (rysunek 11.1). Detektor taki jest względnie tani, może być skonfigurowany do niezawodnego wykrywania obiektów w odległości do 1 metra oraz działa we wnętrzach, w różnych warunkach oświetleniowych. W rozdziale tym zamieściłem również informacje na temat diod dwukolorowych, zakłóceń elektrycznych i kondensatorów.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 11.1. Robot Miłego Dnia wykrywa przeciwnika w meczu minisumo przez emitowanie fali prostokątnej o częstotliwości 38 kHz i odbiór sygnału odbitego

Wykrywanie modulowanej fali podczerwonej za pomoc popularnego moduu lub inny powód przejcia pilota Większość pilotów do urządzeń domowych komunikuje się z nimi za pośrednictwem podczerwieni. Odbiornik sygnału wewnątrz zestawu grającego, telewizora lub magnetowidu musi być w stanie odróżnić naturalne promieniowanie podczerwone od podczerwieni generowanej przez pilota. Aby możliwe było zrealizowanie takiej operacji, większość pilotów mruga tysiące razy na sekundę, nadając regularną falę kwadratową. Gdy zostanie odebrany regularny wzorzec fali podczerwonej, telewizor rozpoznaje go jako przychodzący sygnał sterujący. Taki przerywany sygnał może wydawać się niewystarczający do zapewnienia niezawodnego odróżnienia go od promieniowania tła. Jednak zwróć uwagę, jak łatwo można dojrzeć w tłumie osobę, która macha do nas ręką. Nawet, jeżeli inne osoby poruszają rękoma w innych celach, regularny ruch ręką zwykle tworzy na tyle czytelny sygnał, że można go dostrzec w tłumie. Hobbyści wykorzystują technologię sterowania podczerwienią nie tylko z uwagi na jej niezawodność w różnych warunkach oświetleniowych, ale również z uwagi na dostępność tanich komponentów pilotów na podczerwień. Firmy Panasonic i Sharp produkują samodzielne, niezależne i niedrogie komponenty zawierające fototranzystor i obwody odbiornika.

Układ Panasonic PNA4602M Modułem odbiornika podczerwieni omawianym w tej książce jest Panasonic PNA4602M (rysunek 11.2). Układ ten można kupić za mniej więcej 4 zł.

214 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Rysunek 11.2. Układ odbiornika podczerwieni Panasonic PNA4602M (po lewej) oraz jego diagram (po prawej) Dostępne są również alternatywne części o tej samej konfiguracji wyprowadzeń, takie jak Vishay TSOP34138, Everlight EL-IRM-8601S czy Sharp GP1UX511RK. Niestety, układy te mają dodatkowe obwody, które ignorują ciągły sygnał, uznając go za zakłócenia. Z tego powodu są nieodpowiednimi zamiennikami dla naszych zastosowań, ale mogą być używane w układach wykrywania włączanych przez mikrokontroler, takich jak przedstawiony na rysunku 15.8 w rozdziale 15.

Podłączamy układ Panasonic PNA4602M Układ PNA4602M jest łatwy do podłączenia i wykorzystania. Złącze 2. łączy się z masą (GND). Złącze 3. podłącza się do +5 V. Ponieważ jest to element bipolarny, a nie CMOS, musi on być zasilany napięciem od 4,7 do 5,3 V, a nie dowolnym napięciem z zakresu od 2 do 6 V, jak jest to możliwe w przypadku technologii CMOS (dla układów 3,3 V dostępne są elementy PNA4702M oraz GP1UX311QS, a TSOP34138 pozwala na stosowanie napięcia od 2,5 do 5,5 V). PNA4602M zawiera układ, a nie tylko fototranzystor, więc mądry konstruktor robota umieści kondensator 0,1 F pomiędzy liniami zasilającymi, aby zmniejszyć zakłócenia źródła prądu. Pozostało jedno wyprowadzenie, nr 1, które sygnalizuje wykrycie sygnału podczerwonego. W układzie tym wykrywane są fale podczerwone o długości 940 nm, włączające się i wyłączające 38 000 razy na sekundę, czyli z częstotliwością 38 kHz. Układ ma pewną tolerancję, na przykład wykrywany jest sygnał podczerwony o długości fali 980 nm i częstotliwości 37 kHz, ale zasięg i niezawodność są mniejsze. Układ nie rozpoznaje, jak jasne jest źródło promieniowania podczerwonego, i nie zapewnia jakiejkolwiek możliwości pomiaru siły sygnału. Wykrywana jest obecność sygnału 38 kHz lub jego brak. Wartość na wyprowadzeniu sygnału (pin 1.) jest nieco osobliwa, ponieważ wynosi 5 V, gdy sygnał nie jest wykryty, i 0 V, gdy sygnał zostanie wykryty. Jest to odwrotne do tego, czego można się spodziewać. Aby zwrócić uwagę na tę cechę, w schematach i diagramach połączeń rysuję linię ponad etykietą „Wykrycie”, aby wskazać, że detekcja jest reprezentowana przez niski poziom wyjściowy (0 V). W układach sterujących robota (oprogramowanie mikrokontrolera) zawsze możesz odwrócić tę wartość po odczytaniu wyjścia, dzięki czemu program będzie łatwiejszy do zrozumienia i debugowania.

Testowanie układu Panasonic PNA4602M Działanie układu PNA4602M można łatwo analizować na płytce stykowej. Użyj diagramu połączeń z rysunku 11.2. Po włączeniu prądu zmierz napięcie na złączu detektora (pin 1.) za pomocą multimetru (rysunek 11.3). Normalnie wynik pomiaru powinien wynosić około 5 V.

215 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 11.3. Układ PNA4602M zamontowany na płytce stykowej. Multimetr mierzy napięcie na złączu detektora (pin 1.) w momencie naciśnięcia i zwolnienia przycisku na pilocie Skieruj pilot zdalnego sterowania (piloty firmy Sony zwykle dobrze działają1) na zaokrągloną część układu PNA4602M, po czym naciśnij i zwolnij przycisk na pilocie. Jeśli pilot emituje falę nośną 38 kHz o długości około 940 nm, miernik powinien wykazać spadek napięcia do około 3,5 V. Dlaczego napięcie nie spada do 0 V? Pilot nie wysyła stale 38 kHz; koduje dane sterujące, wysyłając impulsy 38 kHz. W zależności od tego, ile czasu trwają te impulsy, reprezentują one bitowe 1 lub 0. W krótkim czasie wysyłana jest pełna grupa bitów reprezentujących polecenie. Z tego powodu sygnał 38 kHz nie jest aktywny na tyle długo, aby napięcie na ekranie multimetru spadło do 0 V.

Przygldamy si sygnaowi modulowanemu Jeżeli podłączysz złącze detektora (pin 1.) układu PNA4602M do oscyloskopu, będziesz mógł zaobserwować bity danych sterujących wysyłane przez pilota. Ponieważ PNA4602M usuwa sygnał 38 kHz, jedynym sposobem na obserwowanie fali 38 kHz jest użycie fotodiody lub fototranzystora. W górnej części rysunku 11.4 pokazane jest napięcie na zwykłym fototranzystorze, a na dole napięcie na złączu detektora układu PNA4602M. „ Uwaga Gdy ukad PNA4602M zostanie zainstalowany w robocie, nie b dzie potrzebny osobny fototranzystor, poniewa nie b dzie on „zainteresowany” obserwowaniem fali 38 kHz. Rysunek ten suy wycznie do pokazania sposobu dziaania ukadu.

1

„Piloty Sony zwykle dobrze działają”, ponieważ w przeważającej większości używają fali nośnej o częstotliwości właśnie 38 kHz. Wiele pilotów zdalnego sterowania do urządzeń sprzedawanych w Polsce używa fali nośnej o częstotliwości 36 kHz. Sygnał z takiego pilota nie zostanie wykryty przez opisywany czujnik. Jeśli koniecznie chcesz pracować z częstotliwością 36 kHz, możesz użyć bliźniaczego układu (także produkcji Panasonica) o symbolu PNA4601M. Jest on identyczny z opisywanym układem, lecz pracuje na częstotliwości nośnej 36,7 kHz — przyp. red.

216 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Rysunek 11.4. Oscylogram napięcia na zwykłym fototranzystorze (na górze) oraz na układzie PNA4602M (na dole). Pokazuje on, że na wyjściu PNA4602M napięcie spada za każdym razem, gdy zostanie wykryty sygnał 38 kHz Mikrokontroler robota może sprawdzać stan złącza detektora układu PNA4602M oraz długość czasu pomiędzy kolejnymi sygnałami i w ten sposób zdekodować bity z pilota. Dzięki temu można dodać sterowanie pilotem do robota. Robot może również emitować dane, a nie tylko je odczytywać — powstałby zatem kanał komunikacyjny. Jest to jednak temat na kolejną książkę. Na razie skoncentrujemy się na użyciu technologii wykorzystanych w pilocie do wykrywania obiektów. Prostsze sensory, na przykład fotorezystory, są nieodporne na zmiany w warunkach oświetleniowych. Jednak jasne światło, brak światła, odbicia oraz codzienny szum tła nie będą miały wpływu na wykrywanie obiektów przez PNA4602M. Jak widać na przebiegach oscyloskopowych, PNA4602M jest „zainteresowany” wyłącznie modulowanym sygnałem 38 kHz.

Przygldajc si jeszcze dokadniej przebiegom oscyloskopowym, mona zauway opónienie w wykrywaniu Można zauważyć pewne opóźnienie w wykryciu sygnału, ponieważ PNA4602M musi wykryć pełną falę 38 kHz lub dwie, zanim uzna ją za prawidłowy sygnał (rysunek 11.5). W praktyce opóźnienie to nie jest istotne.

Rysunek 11.5. Bliższe zapoznanie się z oscylogramami pozwala zauważyć, że PNA4602M potrzebuje nieco czasu na wykrycie sygnału 38 kHz i znacznie więcej czasu na zauważenie jego braku i podniesienie napięcia pinu 1.

Rozszerzenie obwodu wykrywajcego o wskanik LED Najprostszym sposobem informowania nas o wykryciu sygnału 38 kHz byłoby świecenie diody LED podłączonej bezpośrednio do złącza detektora (pin 1.) układu PNA4602M. Niestety, PNA4602M (i jego zamienniki) nie jest w stanie dostarczyć odpowiednio dużo prądu, aby włączyć diodę LED.

217 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Dodanie układu inwertera 74AC14 do sterowania diodą LED Zamiast sterować diodą LED bezpośrednio z wyprowadzenia detektora, inny komponent może odczytywać sygnał i dostarczać tyle prądu, ile potrzeba, aby można było zasilić diodę. Pojedynczy tranzystor, układ logiczny, a nawet mikrokontroler będzie świetnie realizował to zadanie. Zdecydowałem się, aby w układzie tym skierować sygnał detektora do układu inwertera 74AC14, który buforuje (kopiuje) sygnał, a następnie dostarcza zasilanie do diody LED (rysunek 11.6).

Rysunek 11.6. Wyprowadzenie detektora układu PNA4602M jest podłączone do dwóch inwerterów układu 74AC14 w celu zasilenia dwukolorowej diody LED

Przegląd obwodu wskaźnika Na pierwszy rzut oka obwód z rysunku 11.6 wygląda na nadmiernie skomplikowany, jeżeli jego zadaniem jest wyłącznie włączanie diody LED. Jednak pozostałe złącza układu 74AC14 wykorzystam w dalszej części rozdziału. Schemat jest nieco mniej skomplikowany, niż mogłoby się początkowo wydawać, gdy zauważysz, że konfiguracja US4 oraz C4 pozostały niezmienione w stosunku do schematu z rysunku 11.2.

Usuwanie zakóce zasilania za pomoc lokalnych kondensatorów C1 jest standardowym ceramicznym kondensatorem monolitycznym o pojemności 0,1 F i napięciu 10 V (opis tych części możesz znaleźć w rozdziale 8.). Zgodnie z dobrą praktyką do każdego układu scalonego dołączony jest kondensator. C4 jest dla US4, a C1 jest dla US1. C2 jest kondensatorem tantalowym o pojemności 10 F i napięciu 10 V lub lepszym (opis tych części znajduje się w rozdziale 7.). Jest on zastosowany jako kondensator blokujący, który stabilizuje lokalne źródło zasilania przy włączaniu i wyłączaniu diody LED. Choć nie jest to absolutnie konieczne w przypadku obwodu na rysunku 11.6, C2 będzie pełnił coraz ważniejszą funkcję zapobiegania fałszywym detekcjom, gdy do obwodu będą dodawane kolejne elementy. Więcej informacji na ten temat można znaleźć w punkcie „Ograniczenie przesłuchów za pomocą kondensatora tantalowego”.

218 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Zasilanie diody LED za pomoc logicznego ukadu Advanced CMOS US1 to układ typu Advanced CMOS (AC). Nie jest to nazwa producenta ani marki, lecz po prostu nazwa zastosowanej technologii. Nie próbuj zastąpić go układem wykonanym w technologii HC, LS, ALS lub innej. Powtórzę jeszcze raz, ponieważ wielu Czytelników może popełnić tę pomyłkę: w obwodzie tym nie używaj innego układu niż 74AC14. Układ 74AC14 (cena około 70 gr za sztukę) jest tu niezbędny, ponieważ może dostarczać do 24 mA na jedno wyjście. LED1 będzie wymagać następującego natężenia prądu: (5 V (zasilanie) – 1,6 V (spadek na LED)) / 470  (opornik R1) = 7,2 mA

Prąd wyjściowy rzędu 7,2 mA niemal wykracza poza możliwości szybkich układów CMOS (HC). Jeżeli będziesz chciał uzyskać jaśniejsze światło przez obniżenie rezystancji R1, układ HC może tego nie wytrzymać. US1, czyli układ 74AC14 jest oznaczany w katalogach jako „Hex Schmitt Trigger Inverter”. Funkcje „Schmitt Trigger” nie są niezbędne w tym eksperymencie, ale będą użyte później, co opiszę w rozdziale 12. Słowo „Hex” oznacza, że w układzie tym znajduje się sześć inwerterów (dual to dwa, quad oznacza cztery, a hex sześć). Ponieważ wykorzystam teraz tylko dwa z sześciu inwerterów, pozostałe cztery wejścia (piny 1., 3., 5. i 9.) podłączę do masy (0 V). W układach CMOS nieużywane wejścia nigdy nie powinny pozostawać niepodłączone. Słowo „Inverter” w nazwie układu US1 wskazuje, że sygnał na wyjściu jest przeciwny do sygnału na wejściu. Tak więc 5 V na wejściu staje się 0 V na wyjściu, a 0 V na wejściu jest zamieniane na 5 V na wyjściu. Powoduje to, że układ jest wszechstronny, ponieważ możemy w razie potrzeby odwrócić sygnał lub przepuścić go przez drugi inwerter i przywrócić początkową wartość.

Pokazywanie stanu wykrycia i niewykrycia za pomoc dwukolorowej diody LED Dioda LED1 jest dwukolorowa. Gdy pierwsze z wyprowadzeń ma wyższe napięcie, LED świeci jednym kolorem (zwykle czerwonym), a gdy drugie z wyprowadzeń ma wyższe napięcie, LED świeci innym kolorem (zwykle zielonym). Napięcie pomiędzy wyprowadzeniami musi być wyższe o 1,6 – 2 V (lub więcej), w zależności od koloru światła emitowanego przez LED. R1 to rezystor ograniczający prąd płynący przez LED1. Jeżeli R1 nie byłby tu zamontowany, cienki przewód wewnątrz diody LED mógłby się stopić z powodu zbyt dużego natężenia przepływającego przez niego prądu. R1 może być zmniejszony do 140 , aby dioda świeciła jaśniej. Mniejsza rezystancja spowoduje przepływ prądu większego niż 24 mA, co jest limitem układu logicznego oraz niemal wszystkich diod LED. Można również dowolnie zwiększyć rezystancję R1, aby ograniczyć pobór prądu, ale spowoduje to zmniejszenie jasności diody LED. Eksperymentując na płytce stykowej, warto przylutować opornik do wyprowadzenia T1 (3 mm) dwukolorowej diody LED (rysunek 11.7). Ułatwia to wkładanie diody LED w dowolne miejsce. W przeciwnym razie będziesz musiał polować na płytce na zapasową kolumnę, w której będziesz mógł umieścić opornik i jedno z wyprowadzeń diody LED.

Rysunek 11.7. Dwukolorowa dioda LED (cena około 50 gr) z ręcznie przylutowanym opornikiem

219 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zdecydowałem, że w moim układzie dioda LED1 będzie świeciła na zielono, jeżeli nie zostanie wykryty żaden sygnał („Droga wolna”), a po wykryciu sygnału zacznie świecić na czerwono („Tam coś jest!”). Jeżeli w Twoim obwodzie dioda będzie świeciła odwrotnie, po prostu zamień jej wyprowadzenia.

Przepływ prądu w diodzie LED i układzie logicznym, gdy nie jest wykryta przeszkoda Na rysunku 11.8 pokazany jest obwód LED w działaniu, gdy PNA4602 nie wykrywa sygnału. Pin 1. układu US4 (PNA4602M) kieruje 5 V na pin 13. US1 (74AC14). Pin 12. jest zawsze przeciwieństwem pinu 13., więc przełącza się na 0 V. Pin 11. jest podłączony do pinu 12., więc otrzymuje 0 V. Pin 10. jest zawsze przeciwieństwem pinu 11., więc przełącza się na 5 V.

Rysunek 11.8. Wartości napięć i przepływ prądu, gdy sygnał nie jest wykryty Aby włączyć diodę LED, prąd płynie od pinu 10. (5 V), poprzez R1 i zieloną diodę LED1, do pinu 12. (0 V).

Przepływ prądu w diodzie LED i układzie logicznym, gdy coś zostało wykryte Na rysunku 11.9 pokazany jest obwód LED w działaniu, gdy PNA4602 wykrywa sygnał. Pin 1. układu US4 (PNA4602M) kieruje 0 V na pin 13. US1 (74AC14). Pin 12. jest zawsze przeciwieństwem pinu 13., więc przełącza się na 5 V. Pin 11. jest podłączony do pinu 12., więc otrzymuje 5 V. Pin 10. jest zawsze przeciwieństwem pinu 11., więc przełącza się na 0 V.

Rysunek 11.9. Wartości napięć i przepływ prądu, gdy sygnał jest wykryty Aby włączyć diodę LED, prąd płynie od pinu 12. (5 V), poprzez czerwoną diodę LED1 i poprzez R1, do pinu 10. (0 V). Pilot skierowany na ten układ zmienia kolor diody LED z zielonego (brak sygnału) na mieszankę zielonego i czerwonego (wykryty sygnał). Kolor diody nie zmienia się na całkiem czerwony, ponieważ pilot nie emituje ciągłej fali 38 kHz.

220 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Koczymy ukad wykrywania fali odbitej W tym momencie na pewno niecierpliwie czekasz na użycie odbiornika zdalnego sterowania do wykrywania przeszkód. Zamiast pasywnie nasłuchiwać sygnału (na przykład z pilota zdalnego sterowania), robot może emitować falę 38 kHz i wykrywać sygnał odbity. Można to nazwać aktywnym systemem detektora odbić. Obwód z rysunku 11.10 zawiera dwa detektory (US3 i US4), dwie diody LED (LED1 i LED2), dwa emitery podczerwieni (IED3 i IED4) oraz generator fali 38 kHz. Dzięki parze emiterów i detektorów robot otrzymuje więcej informacji, co poprawia nawigację.

Rysunek 11.10. Kompletny schemat podwójnego, refleksyjnego detektora obiektów z dwukolorowymi wskaźnikami LED

Przegląd pełnego schematu detektora odbić Nie panikuj! Widziałeś już część obwodu z układem US4 i większość górnej części US1. US3 jest w zasadzie kopią US4. Część obwodu zawierająca R2, LED2 oraz piny 9., 8., 6. i 5. z US1 to po prostu kopia obwodu zawierającego R1, LED1 i piny 13., 12., 11. oraz 10. z US1. W zasadzie jedyne nowe elementy są podłączone do pinów 1., 2., 3. oraz 4. układu US1. Czyli nowe są tylko IR4, R5, R6, C5, R3, R7 oraz IR3.

Generowanie fali 38 kHz Elementy R5, R6, C5 oraz piny 1. i 2. układu US1 tworzą oscylator sterowany napięciem (VCO). Nie jest zaskoczeniem, że wartości tych elementów zostały dobrane tak, aby generowana była prostokątna fala 38 kHz. R5 i R6 to połączone szeregowo stały opornik 22 k z opornikiem regulowanym 10 k (potencjometrem). Gdy R6 zostanie przekręcony do pozycji 0 , działają one jak opornik 22 k. Gdy R6 zostanie przekręcony do pozycji 10 k, działają one jak opornik 32 k. R6 może być nastawiony na dowolną rezystancję z zakresu od 0 do 10 k. Tak więc R5 oraz R6 mogą być użyte zamiast opornika o wartości od 22 do 32 k.

221 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

C5 to kondensator 0,001 F (1 nF). Gdy pin 2. układu US1 podaje napięcie 5 V, prąd ładuje kondensator C5 poprzez oporniki R5 i R6. Gdy pin 2. układu US1 podaje napięcie 0 V, prąd płynie z kondensatora C5 poprzez oporniki R5 i R6. Czas potrzebny na naładowanie i rozładowanie C5 zależy od ustawienia pokrętła w potencjometrze R6. Niższa rezystancja pozwala na szybsze ładowanie i rozładowywanie kondensatora. W obwodzie tym jest zastosowany następujący trick. C5 jest podłączony również do wejściowego pinu 1. układu US1. Złącze wejściowe kontroluje wartość złącza wyjściowego wyprowadzonego na pin 2. (jest odwrotnością pinu 1.). Gdy C5 odpowiednio się naładuje, na pinie 1. zostanie wykryte „wysokie” napięcie i nastąpi przełączenie pinu 2. na 0 V. Powoduje to rozładowanie kondensatora C4. Gdy C5 odpowiednio się rozładuje, na pinie 1. zostanie wykryte „niskie” napięcie i nastąpi przełączenie pinu 2. na 5 V. Proces ładowania i rozładowania trwa ciągle. Teraz wystarczy przekręcić potencjometr na pozycję, która powoduje występowanie w C5 cykli 38 000 razy na sekundę (38 kHz). Pomiar użytego ustawienia R6 w moim obwodzie wykazał rezystancję około 3,3 k. Jednak różnice w R5, C5 oraz US1 uniemożliwiają zastosowanie jednej wartości rezystancji, działającej na wszystkich płytkach. Instrukcja precyzyjnego dostrajania częstotliwości jest zamieszczona w następnym rozdziale.

Emitowanie fali 38 kHz Wracając do rysunku 11.10, zauważ, że wyjściowy pin 2. z US1 jest podłączony do wejściowego pinu 3. Wejściowy pin 3. kontroluje wyjściowy pin 4. Jednak wyjściowy pin 2. przełączy się z 5 V na 0 V, z 5 V na 0 V (i tak dalej); przełącza się również pin 4. Ponieważ jest to układ inwertera, wyjściowy pin 4. będzie odwrotnością pinu wyjściowego 2., ale nie ma to znaczenia. Ważne jest, że wyjściowy pin 4. włącza się i wyłącza tak samo często jak pin 2., generując kopię 38 kHz. Do pinu wyjściowego podłączony jest stały opornik (R3), a następnie opornik regulowany (R7). R3 oraz R7 tworzą opornik, który można nastawiać w zakresie od 100  do 1,1 k. Diody LED emitujące podczerwień (IR3 oraz IR4) są podłączone do R7. Zmieniając ustawienie na R7, możesz kontrolować jasność diod podczerwieni. Stały opornik (R3) jest tu umieszczony dla bezpieczeństwa. Nawet jeżeli przekręcimy opornik regulowany na 0, stały opornik nadal będzie ograniczał płynący prąd. Jeżeli robot widzi za daleko (na przykład zatrzymuje się przed ścianą, która jest w rzeczywistości po drugiej stronie pokoju), możesz zmniejszyć jasność diod LED emitujących podczerwień, zwiększając rezystancję R7. Jeżeli robot widzi za blisko (na przykład nie widzi przeciwników na ringu sumo), możesz zwiększyć jasność diod LED emitujących podczerwień, zmniejszając rezystancję R7. Ponieważ US3 oraz US4 wykrywają odbity od obiektów sygnał emitowany przez IED3 oraz IED4, ważne jest, aby mieć kontrolę nad siłą tego sygnału. R7 nie zmienia częstotliwości sygnału. Diody emitujące podczerwień są włączane i wyłączane przez wyjściowy pin 4. układu US1, który kopiuje częstotliwość oscylatora z pinu 2. tego układu. Częstotliwość na pinie 2. jest regulowana za pomocą R6. Po co kopiujemy sygnał przychodzący z pinu 2.? Dlaczego nie podłączymy podczerwonych diod LED (i rezystorów) bezpośrednio do pinu 2.? Choć jest to technicznie możliwe, jakakolwiek zmiana prądu pobieranego z pinu 2. zmieni częstotliwość ładowania i rozładowywania kondensatora C5. Gdy podczerwone diody LED oraz rezystor nagrzeją się, zmieni się prąd przez nie płynący, co zmieni częstotliwość cyklu C5. Zmiany w częstotliwości cyklu w C5 zmienią częstotliwość wyjściową. Najlepiej raz ustawić układ na 38 kHz i potem nie zmieniać wartości opornika. Dlatego korzystne jest wykonanie kopii (buforowanie) sygnału poprzez piny 3. oraz 4. i podłączyć obciążenie wyjścia do pinu 4.

Budowa detektora odbić na płytce stykowej Kompletny obwód można zbudować na połowie płytki stykowej z 840 otworami (rysunek 11.11). Jednak nie jest tu pokazane źródło napięcia 5 V. Budowa zasilacza o napięciu 5 V jest przedstawiona w rozdziałach 7. oraz 8.

222 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Rysunek 11.11. Podwójny detektor obiektów z kontrolkami zbudowany na płytce stykowej Na rysunku 11.11 nie ma etykiet dla R1 i R2. Oporniki te są jednak zamontowane na płytce stykowej. Są one wbudowane w nóżki diod LED1 i LED2 (w sposób pokazany na rysunku 11.7).

Wybór diod podczerwieni dla PNA4602M IR3 oraz IR4 są nadajnikami podczerwieni emitującymi falę o długości około 940 nm. W uproszczeniu można myśleć o długości fali jak o kolorze diody LED, ale w podczerwonej części światła. Jeżeli masz odbiornik dobrze odczytujący błyskające zielone światło, to na pewno będziesz chciał zastosować zieloną, a nie niebieską diodę LED. W tym przypadku PNA4602M świetnie odczytuje błyski światła o długości fali 940 nm, więc należy zastosować diodę LED 940 nm. Poza długością fali powinieneś wziąć pod uwagę pięć innych cech diod LED emitujących podczerwień. Rozmiar i obudowa — standardowe obudowy T1 i 3/4 (5 mm) i mniejsze T1 (3 mm) wyglądają jak zwykłe diody LED. Diody emitujące podczerwień są również dostępne w obudowie z płaską stroną emitującą oraz w obudowie z podwójnymi emiterami. Ich zastosowanie jest tylko kwestią osobistych preferencji. Najczęściej stosowane są obudowy T1 i 3/4. Moc wyjściowa — zwykle jest to wartość od 3 mW do 10 mW (średnio około 5 mW), ale dostępne są również diody 33 mW. Jest to suma energii emitowanej w postaci promieniowania podczerwonego. Pozwala łatwiej porównywać efektywność oraz natężenie promieniowania pomiędzy różnymi diodami LED. Maksymalny prąd ciągły i impulsowy — diody LED emitujące podczerwień pozwalają na przepływ znacznie wyższego prądu niż standardowe diody LED. Ciągły (nieimpulsowy) prąd ma zwykle wartość maksymalną około 100 mA, a impulsy mogą osiągnąć nawet 1 A (choć dioda wymaga nieco czasu na wystudzenie). Nie wierzysz mi? Otwórz swojego pilota do telewizora i sprawdź wartość opornika ograniczającego prąd (rysunek 11.12). Kąt połowy strumienia — jest to zwykle od ±20 stopni do ±45, ale również zdarzają się urządzenia o kącie ±5 stopni czy ±100 stopni. Im węższy jest promień, tym łatwiej jest wykrywać obiekty położone dalej lub budować układ wykrywający przerwanie strumienia. Szerszy strumień lepiej nadaje się do tworzenia wirtualnego zderzaka, pozwalającego unikać kontaktu z sąsiadującymi obiektami. Cena — układy te kosztują od 50 gr do 12 zł (średnio poniżej 3 zł), w zależności od długości fali, obudowy i mocy wyjściowej. 223 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 11.12. Wnętrze zwykłego pilota zdalnego sterowania. Opornik R2 ma etykietę „2R2”, co oznacza rezystancję 2,2 . Przy dwóch nowych bateriach AA dających napięcie 3,2 V i przy założeniu, że spadek napięcia wyniesie 1,2 V na IED1 oraz 0,2 V na bipolarnym sterowniku tranzystorowym, dioda podczerwieni otrzymuje impulsy prądu o wartości 0,81 A

Zakup odpowiedniej diody emitujcej podczerwie W przypadku montażu obwodu na płytce stykowej wybrałem parę diod o długości fali 940 nm, umieszczonych w obudowie metalowej o średnicy 5 mm, mocy wyjściowej 5,4 mW, poborze prądu ciągłego 100 mA i impulsowego 10 A, o kącie strumienia ±10 stopni (cena około 5 zł). Natężenie 10 A prądu impulsowego oraz metalowa obudowa są przesadą, biorąc pod uwagę, że przez parę przesyłam tylko 3 mA. Jednak była to dioda o najmniejszym kącie, jaką znalazłem w moim zapasie. W lutowanym obwodzie nie zmarnowałbym 10-amperowej diody za 5 zł. Tańsze diody podczerwieni są równie dobre. Kluczem do sukcesu jest wybranie takiej, która emituje falę od 925 nm do 955 nm (daje to 98 procent całkowitej czułości) i ma kąt strumienia dobrany do zastosowania. Kupując diodę podczerwieni do użycia wraz z detektorem PNA4602M, na początek wyeliminuj wszystkie, które nie dają fali od 910 do 985 nm (90 procent maksymalnej czułości). Następnie wyeliminuj te, które nie mieszczą się w Twoim budżecie. Później wybierz rozmiar diody (T13/4 lub T1) oraz kąt strumienia odpowiedni do zastosowania. Zauważyłem, że oznaczenie emitowanej mocy (mW) nie jest szczególnie pomocne przy wyborze, poza identyfikacją elementów, które mają wartość mniejszą lub większą niż średnia w grupie. Dla wartości 10 mW, ±30 stopni i 940 nm niezłym wyborem jest dioda 08L5013IRAB dostępna w cenie około 2 zł. Innymi przykładowymi diodami są LN66F 13 mW, ±15 stopni, 940 nm oraz LNA2903L 9 mW, ±25 stopni, 950 nm, w podobnej cenie.

Wybór trymerów dla R7 oraz R6 R7 pozwala zmieniać jasność diody podczerwieni. Po zainstalowaniu gotowego obwodu w robocie może zajść potrzeba skorygowania jasności, aby poprawić jego działanie. Zazwyczaj po tej operacji nie będziemy zmieniać ustawienia jasności. Jeżeli ponadto jasność zmieni się w niewielkim zakresie, wydajność nie spadnie w zauważalny sposób. Z tego powodu możesz użyć małych, mało precyzyjnych (przez co tańszych) potencjometrów (nazywanych również trymerami). Spójrz na lewą stronę rysunku 11.13.

224 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Rysunek 11.13. Tańszy jednoobrotowy trymer Bourns 3386W (po lewej) i droższy potencjometr wieloobrotowy Bourns 3296W R6 kontroluje częstotliwość emitowanej fali. Im częstotliwość fali jest bliższa 38 kHz, tym łatwiej jest wykrywana przez PNA4502M. Jednak podobnie jak R7, po dostrojeniu R6 nie będzie się zmieniał zbyt często. Dlatego nie jest potrzebny duży, wygodny potencjometr i możesz użyć małych, względnie dokładnych (więc droższych) potencjometrów wieloobrotowych trymerów (spójrz na prawą stronę rysunku 11.13). Inną zaletą wieloobrotowego potencjometru jest mniejsza możliwość zmiany wartości po dostrojeniu. Jakakolwiek niewielka zmiana położenia śruby regulacyjnej (na przykład z powodu wibracji) wywołuje pewną zmianę rezystancji. Dzięki temu wieloobrotowe trymery nie tylko zapewniają precyzyjne ustawienie częstotliwości, ale pomagają utrzymać prawidłową wartość 38 kHz z niewielkimi tylko odchyleniami. Oznacza to stałą wydajność robota w dłuższym czasie.

Zakup trymerów Trymer 1 k (R7) można kupić już za 2 zł. Trymer 10 k (R5) kosztuje około 3 zł. Jeśli nie będziesz mógł dostać trymera wieloobrotowego, możesz go zastąpić jednoobrotowym. Jednak znacznie trudniej będzie dokładnie dostroić układ do 38 kHz. Nie jest to jednak problem, jeżeli nie zamierzasz uzyskać maksymalnego zakresu wykrywania.

Dodawanie trymerów do obwodu Przed dodaniem trymerów do obwodu zawsze ustawiaj środkowy ich zakres, aby uniknąć radykalnie niskich lub wysokich wartości po włączeniu obwodu. Jest to łatwe w przypadku jednoobrotowych trymerów — po prostu ustaw odpowiednio strzałkę lub wycięcie na śrubokręt. W przypadku trymerów wieloobrotowych najlepiej podłączyć multimetr do zewnętrznego i środkowego wyprowadzenia i obracając śrubę, ustawić rezystancję równą połowie rezystancji trymera.

Dobór kondensatorów Nie licząc kondensatorów w źródle napięcia 5 V, w obwodzie detektora odbić znajduje się pięć kondensatorów. C1, C3 oraz C4 są zwykłymi, monolitycznymi, ceramicznymi kondensatorami blokującymi o pojemności 0,1 F, które mają za zadanie redukcję zakłóceń i zapewnienie lokalnego źródła prądu dla każdego z układów: US1, US3 oraz US4. Jednak kondensatory C2 i C5 są nieco bardziej interesujące.

225 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Redukcja przesłuchów z użyciem kondensatorów tantalowych Jednym z największych zastrzeżeń do płytek stykowych jest względnie duża ilość generowanych zakłóceń elektrycznych. Największym źródłem zakłóceń elektrycznych są przewody poprowadzone pomiędzy elementami, ponieważ są one zwykle znacznie dłuższe niż na zaprojektowanej płytce drukowanej. Dodatkowo płytka stykowa posiada kolumny niezakończonych i nieuziemionych kontaktów metalowych, które mogą działać jak miniaturowe anteny. Niektóre z tych zakłóceń wpływają na niepołączone z nimi ścieżki naszego obwodu — efekt ten jest nazywany przesłuchem. Istnieje kilka technik ograniczania przesłuchów, ale najefektywniejszą metodą jest przeniesienie obwodu z płytki stykowej na płytkę drukowaną. Niestety, nie jest to metoda najbardziej pożądana, ponieważ eliminuje możliwość łatwego eksperymentowania na płytce stykowej. Z tego powodu wypróbujemy mniej radykalne podejście, nawet jeżeli nie jest równie efektywne. Efektem ubocznym przesłuchów w obwodzie detektora odbić są nieprawidłowe wykrycia przez PNA4602M sygnału, który nie odbił się od niczego. W praktyce naprawdę problematyczne płytki stykowe mogą powodować niemal ciągłe „wykrywanie” obiektów nawet po usunięciu diody emitującej strumień podczerwieni! Fałszywe wykrycia pociągają za sobą dwa problemy. Po pierwsze, redukują maksymalny zasięg detektora, ponieważ prawdopodobnie będziesz musiał zmniejszyć jasność emiterów, aby zmniejszyć zakłócenia elektryczne. Po drugie, fałszywe wykrycia nie są zauważane przez ludzkiego obserwatora, ale są zawsze zauważane przez szybko myślący, cyfrowy mózg robota. Aby osiągnąć maksymalną użyteczność detektora odbić, musisz napisać program robota tak, by losowe, krótkie zmiany stanu wykrycia były całkowicie ignorowane lub miały niewielki wpływ na robota (na przykład robot jest popychany przez chwilę w jednym kierunku, a następnie w drugim). Oprogramowanie może z łatwością ignorować krótko trwające impulsy, takie jak pokazane po lewej stronie rysunku 11.14. Jednak oprogramowanie nie poradzi sobie z ciągłymi fałszywymi wykryciami, takimi jak pokazane po prawej stronie rysunku 11.14. W zasadzie taki sensor będzie bezużyteczny.

Rysunek 11.14. Sporadyczne fałszywe impulsy mogą być usunięte przez oprogramowanie (po lewej). Ciągłe fałszywe impulsy powodują, że sensor jest bezużyteczny (po prawej)

Wybór prawidłowego kondensatora do redukowania fałszywych detekcji Gdy po raz pierwszy zmontowałem obwód na płytce stykowej, C2 był aluminiowym kondensatorem elektrolitycznym o pojemności 10 F. Ponieważ byłem zawiedziony wydajnością, użyłem starej sztuczki i dodałem kilka równoległych kondensatorów, aby zmniejszyć zastępczą rezystancję szeregową (ESR). Po dodaniu czterech dodatkowych 10 F aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych w kluczowych lokalizacjach nadal można było zaobserwować na złączu sygnałowym zakłócenia pokazane po prawej stronie rysunku 11.14. Szum ten był oczywisty — można było zauważyć, że dwukolorowa dioda LED świeciła się na czerwono i zielono jednocześnie (dla ludzkiego oka).

226 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 11. „ TWORZENIE MODULOWANEGO, UYWAJCEGO PODCZERWIENI DETEKTORA PRZESZKÓD, PRZECIWNIKÓW I CIAN

Wyjęcie pięciu aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych i zastąpienie ich jednym kondensatorem tantalowym 10 μF spowodowało, że na wyprowadzeniu sygnałowym pojawił się sygnał z lewej strony rysunku 11.14. Czasami można było jednak zauważyć czerwony błysk dwukolorowej diody LED. Dodałem więc kolejny kondensator tantalowy o pojemności 10 F i impulsy niemal całkowicie zniknęły. Dodatkowy, nieoznaczony kondensator tantalowy możesz zauważyć na dole płytki stykowej pokazanej na rysunku 11.11. Drugi kondensator nie został umieszczony na schemacie, ponieważ był tylko potrzebny na płytce stykowej, a nie na końcowym, lutowanym obwodzie. Kondensatory tantalowe nie są magiczne. Inne typy kondensatorów prawdopodobnie dałyby taki sam wynik. Jednak nie miałem czasu ani ochoty szukać prawdziwej przyczyny. Można z tego wyciągnąć wniosek, że w przypadku występowania nieprawidłowych sygnałów, niestabilnych wyjść lub innych problemów z zakłóceniami elektrycznymi czasami dobrym rozwiązaniem jest dodanie kondensatorów innego typu, aby skorzystać z najlepszych cech obu typów. Aby pocieszyć miłośników aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych, muszę wspomnieć, że były one użyte w źródle prądu na tej samej płytce stykowej, co mogło spowodować, że dodanie kolejnych kondensatorów nie zmniejszyło źródła zakłócenia.

Montaż kondensatorów spolaryzowanych we właściwej orientacji Kondensatory tantalowe i aluminiowe elektrolityczne są zwykle komponentami spolaryzowanymi. Oznacza to, że kondensatory spolaryzowane mają wyprowadzenie dodatnie (anodę) oraz ujemne (katodę). Jeżeli zostaną zamontowane nieprawidłowo, nie będą pełniły swojej funkcji, a nawet mogą ulec uszkodzeniu. Aby pokazać rywalizację pomiędzy aluminiowymi kondensatorami elektrolitycznymi a tantalowymi, na ich obudowach pasek oznacza przeciwne wyprowadzenie. Aluminiowe kondensatory elektrolityczne mają zwykle pasek pokazujący wyprowadzenie ujemne (pierwsze dwa kondensatory na rysunku 11.15). Kondensatory tantalowe mają zazwyczaj pasek pokazujący wyprowadzenie dodatnie (dwa ostatnie kondensatory na rysunku 11.15). Czy te dwie frakcje kiedykolwiek się pogodzą?

Rysunek 11.15. { Aluminiowy przewlekany kondensator elektrolityczny z paskiem i znakiem minusa (–) wskazującym wyprowadzenie ujemne. | Aluminiowy kondensator elektrolityczny do montażu powierzchniowego z paskiem wskazującym wyprowadzenie ujemne i wycięciem oznaczającym wyprowadzenie dodatnie. } Tantalowy przewlekany kondensator elektrolityczny z paskiem i znakiem plusa (+) wskazującym wyprowadzenie dodatnie. ~ Tantalowy kondensator do montażu powierzchniowego z paskiem wskazującym wyprowadzenie dodatnie „ Uwaga Troch artuj , piszc o przeciwnych frakcjach. Czasami ceny kondensatorów tantalowych znacznie wzrastaj z powodu ogólno wiatowych braków zaopatrzenia. Dodatkowo wyst puj spoeczne, rodowiskowe i polityczne problemy zwizane z wydobyciem tantalu. Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne s dost pne w dolnej cz ci klasycznego zakresu dla kondensatorów tantalowych (1 F to 100 F). Przy pojemno ciach mniejszych ni 1 F powszechnie stosowane s kondensatory ceramiczne i plastikowe. Przy ponad 100 F wygrywaj aluminiowe kondensatory elektrolityczne z powodu mniejszego kosztu. Planuj nie angaowa si w potyczki, dopóki nie wygra jedna ze stron, a nast pnie twierdzi , e zawsze wolaem ten typ kondensatora („O tak! Uywaem organików od lat!”).

227 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wybór kondensatora taktującego Kondensatory w większości nie są produkowane ze ścisłymi tolerancjami. Nie są rzadkością kondensatory mające tolerancję +80/–20 procent. Oznacza to, że gdy zmierzysz pojemność kondensatora 68 F za pomocą multimetru, może ona wynosić 122 F lub 54 F i nadal będzie mieściła się w ramach zdefiniowanych w specyfikacji. W praktyce nowoczesne kondensatory, podobnie jak nowoczesne oporniki, mają wartości znacznie bliższe wartości nominalnej, niż oficjalnie gwarantuje producent. Dodatkowo pojemność nie zmienia się z wiekiem i temperaturą. Zwykle różnica w pojemności nie jest istotna. Wybierając C2, zauważyłem znaczne ograniczenie zakłóceń przy 4,7 F, podwoiłem więc wartość i zaokrągliłem do najbliższego dostępnego kondensatora w celu zapewnienia pewnego marginesu. Jeżeli więc kondensator 10 F będzie miał pojemność 18 F lub 8 F, nadal będzie spełniał potrzeby obwodu. Choć taka zmiana nie ma większego znaczenia w przypadku bocznikowania i redukcji zakłóceń, może ona znacznie wpłynąć na obwód taktujący. Jeżeli pojemność C5 podwoi się, częstotliwość fali spadnie o połowę. Przy podanych przeze mnie wartościach opornik regulowany R6 pozwala skompensować tylko niewielkie odchyłki pojemności C5. Dla zapewnienia odpowiedniej tolerancji, stabilności temperaturowej, niewielkiego rozmiaru i ceny, warto zastosować na C5 kondensatory poliestrowe, pokazane na rysunku 11.16. Akceptowalnymi zastępnikami są kondensatory metalizowane poliestrowe, polipropylenowe, poliwęglanowe i silver mica. W zasadzie trzy ostatnie najlepiej nadają się do operacji taktowania, ale są większe i droższe niż poliestrowe.

Rysunek 11.16. Wybór kondensatorów z okrągłymi wyprowadzeniami o pojemności 1 nF (0,001 F lub 1000 pF). Kondensator poliestrowy (Mylar), metalizowany poliestrowy, silver mica oraz dysk ceramiczny (od lewej do prawej) (nie używaj dysków ceramicznych do układów taktujących)

Uruchamianie W rozdziale tym przedstawiłem części systemu sensorów bazujących na odbitym sygnale podczerwonym, pozwalającym wykrywać obiekty i ściany. Przybliżyłem detektor 38 kHz (PNA4602M) (już nigdy nie spojrzysz na pilota tak jak poprzednio). Omówiłem również główne parametry istotne przy wyborze diod podczerwieni. Kolejnym tematem były różnice w technologiach wykonania kondensatorów. Następnym razem, gdy napotkasz nieprawidłowe działanie obwodu, pomyśl o dodaniu różnych kondensatorów na płytkę. Kondensatory nie naprawią niewłaściwego projektu obwodu ani błędów w połączeniach, ale mogą ograniczyć zakłócenia elektryczne, które wpływają na wrażliwe odczyty. Na koniec wskazałem kilka powodów użycia trymera wieloobrotowego zamiast jednoobrotowego. Jednak prawdziwy opis wartości trymera wieloobrotowego znajdzie się w następnym rozdziale, w którym opiszę dostrajanie częstotliwości wyjścia emitera podczerwieni.

228 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 12 „„„

Dostrajanie detektora odbi

Dostrajanie ręczne, uszczelnianie wycieków podczerwieni, dostrajanie z użyciem multimetru z trybem pomiaru częstotliwości, dostrajanie za pomocą oscyloskopu, ograniczenia w użyciu podczerwieni oraz porównanie odległości wykrywania dla różnych materiałów Po zmontowaniu detektora odbić, czy to na płytce stykowej, czy na płytce drukowanej, musisz dostroić częstotliwość emitowanej fali do 38 kHz. Przy okazji najprawdopodobniej napotkasz powszechnie znane problemy, więc w rozdziale tym wyjaśnię, jak je wykrywać i korygować. Są tu opisane i zademonstrowane niektóre słabości systemu wykrywania z użyciem odbitej podczerwieni, nawet w przypadkach, gdy obwód działa optymalnie. Jeżeli będziesz znał wcześniej te ograniczenia, możesz lepiej zaplanować rozmieszczenie sensorów w robocie, jak również unikać polegania na tych funkcjach sensora, które nie działają zbyt dobrze. Pod koniec tego rozdziału zrozumiesz, dlaczego ta technologia jest tak popularna i dlaczego niektórzy na nią narzekają.

Dostrajanie do 38 kHz Jak pamiętasz, nie mogłem podać wartości rezystora R6, ponieważ wynikowy czas oscylacji rezystora i kondensatora (RC) zależy od faktycznych (a nie znajdujących się na etykiecie) wartości rezystancji (R5 oraz R6) i pojemności (C5) na konkretnej płytce. Dodatkowo wejścia układu 74AC14 (piny 1. i 3. układu US1) pobierają nieco prądu, a sama płytka ma swoją rezystancję, pojemność i upływność. Z tego powodu za pomocą potencjometru (w tym przypadku wieloobrotowego trymera) zmieniamy rezystancję tak, aby cykl ładowania i rozładowywania C5 następował 38 000 razy na sekundę. Możesz zastosować kilka sposobów dostrojenia obwodu: przez wykrywanie odbitej fali, za pomocą multimetru lub za pomocą oscyloskopu. Warto zapoznać się ze wszystkimi trzema metodami, ponieważ niektóre informacje i techniki debugowania są wspólne.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wybór połowy zakresu pomiędzy początkiem a końcem reakcji na odbitą falę Najpraktyczniejszą metodą dostrajania obwodu jest umieszczenie dłoni kilka centymetrów przed emiterem i detektorem (rysunek 12.1) i powolne obracanie śrubą dostrajania trymera R6 do momentu, gdy dwukolorowe diody LED (LED1 oraz LED2) zmienią kolor i zaczną informować o wykryciu obiektu. Zaznacz położenie śruby i kontynuuj jej obracanie do momentu, aż układ przestanie wykrywać obiekt. Najprawdopodobniej ustawienie dla 38 kHz znajduje się w połowie zakresu pomiędzy rozpoczęciem a zakończeniem wykrywania.

Rysunek 12.1. Dostrajanie obwodu przez obracanie trymerem do momentu wykrycia dłoni lub innego obiektu

Brak informacji o wykryciu sugeruje problem z emiterem Jak pamiętasz z poprzedniego rozdziału, możesz testować detektor za pomocą zwykłego pilota Sony. W tym momencie zakładam, że wykonałeś takie testowanie w obwodzie i możesz wykluczyć detektor jako przyczynę problemu. Jeżeli w procesie dostrajania obwód nigdy nie wykrywa Twojej dłoni, upewnij się, czy rezystancja R7 jest na tyle niska, że poprzez IR3 oraz IR4 przepływa wystarczająco dużo prądu. W razie potrzeby możesz użyć kamery wideo lub aparatu cyfrowego w celu sprawdzenia, czy diody emitują podczerwień (podczerwień jest widoczna jako różowe lub fioletowe światło na ekranach większości ekranów kamer). Sprawdź, czy diody LED są zamontowane z właściwą polaryzacją. Jeżeli będziesz w desperacji, możesz tymczasowo zamienić diody podczerwieni na czerwone diody LED o wysokiej jasności, aby upewnić się, czy obwód działa prawidłowo. Jednak detektory nie będą współpracowały z czerwonymi diodami LED, ponieważ emitują one falę o długości od 630 do 700 nm, a nie o długości wymaganej przez detektory — 940 nm.

Ciga sygnalizacja wykrycia sugeruje wyciek sygnau Układ PNA4602M może zawsze wskazywać wykrycie obiektu, nawet jeżeli ręka lub inny przedmiot nie znajdują się w zasięgu sensorów. Przy założeniu, że obwód jest prawidłowo zmontowany, najczęstszą przyczyną fałszywych wykryć jest zbyt duża ilość zakłóceń, zbyt duża ilość podczerwieni emitowana przez diody podczerwieni oraz wycieki promieniowania podczerwonego po bokach diod podczerwieni.

230 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 12. „ DOSTRAJANIE DETEKTORA ODBI

Sprawdzanie wycieków sygnału w obwodzie Na płytce stykowej możesz szybko zdiagnozować, czy sygnał 38 kHz przecieka do US3 oraz US4 poprzez zakłócenia obwodu — w tym celu usuń IR3 i IR4 lub zastąp je żółto-zielonymi diodami LED (2 V lub mniej). Dzięki temu układy IR3 oraz IR4 nie będą emitować podczerwieni. Zastępując je diodami żółto-zielonymi, pozwalamy na przepływ prądu tymi samymi ścieżkami co zwykle, przez co będą emitować zakłócenia elektryczne w mniej więcej takim samym stopniu co w przypadku zastosowania podczerwonych diod LED. Jeżeli na wyprowadzeniu nr 1 z US3 lub US4 pojawia się napięcie niższe niż 2,5 V (w przeciwieństwie do 5 V, reprezentujących stan braku sygnału) przy zamontowanej żółto-zielonej diodzie LED, to najprawdopodobniej to zakłócenia z obwodu powodują fałszywe wykrycia. Diody podczerwieni nie mogą być źródłem sygnału, ponieważ zostały wymontowane. Aby rozwiązać problem zakłóceń elektrycznych, spróbuj dodać kondensatory (patrz „Usuwanie zakłóceń zasilania za pomocą lokalnych kondensatorów” w rozdziale 11.), skrócić przewody i wyprowadzenia lub odsunąć US3 i US4 od pozostałych elementów obwodu. Jednak jeżeli masz nieuporządkowaną płytkę z długimi przewodami krzyżującymi się ze sobą, to ten obwód nie będzie działał prawidłowo.

Strzelanie do posłańca Przy rozmowach o zakłóceniach w układach oraz fałszywych wykryciach niektórzy konstruktorzy popełniają błąd, winiąc o całą sytuację słabą jakość detektora. Zapominają oni, że układy fotodetektorów są umieszczane w urządzeniach, które tylko wykrywają, a nie transmitują. Na przykład odtwarzacze DVD, CD, telewizory odbierają sygnały z pilota, którego układ transmisyjny jest elektrycznie odseparowany i fizycznie odległy. Dodatkowo zadaniem tych detektorów jest odbieranie sygnału, a nie ignorowanie go. Ich wysoka czułość jest zaletą. Skoro o tym mówimy — oprócz PNA4602M dostępny jest jeszcze bardziej czuły element, PNA4612M00YB. Ale nawet po zastosowaniu metalowego ekranowania część ta jest zbyt czuła na zakłócenia elektryczne, aby można było jej użyć w obwodzie detektora odbić. Czasami detektory są używane w tym samym obwodzie co transmiter, aby zapewnić wysyłanie i odbieranie danych, jednak komunikacja w podczerwieni jest typu półdupleks: jedno urządzenie nadaje, a pozostałe urządzenia nasłuchują. Dlatego urządzenie transmitujące może ignorować obwód detektora w czasie transmisji. Samodzielnie generowane zakłócenia zwykle nie są problemem, jeżeli na czas nasłuchu wyłączy się generator 38 kHz. Nie jest to możliwe w naszym detektorze odbić, ponieważ sygnał 38 kHz musi być generowany i emitowany jednocześnie z nasłuchiwaniem odbić.

Sprawdzanie, czy diody podczerwieni są zbyt „jasne” Innym częstym źródłem wycieków sygnału w prawidłowo zmontowanym obwodzie jest zbyt duża ilość światła emitowanego z diod podczerwieni. Spróbuj zmienić ustawienie R7, aby zwiększyć rezystancję. Przy niższej rezystancji przez diody płynie na tyle dużo prądu, że światło odbija się od białych lub w inny sposób odblaskowych obiektów bądź od sufitu. Przy wyższych rezystancjach nawet pobliskie obiekty mogą pozostać niewykryte. Pamiętaj, że zmiana wartości R7 jest jedną z najlepszych technik zmiany czułości obwodu wykrywania odbić, szczególnie po zainstalowaniu go w robocie. Zależnie od wpływu, jaki ma ten obwód na robota, zmiany w ilości emitowanej podczerwieni mogą znacznie modyfikować zachowanie tego robota. Robot, który boi się odległych ścian, definitywnie wymaga zmniejszenia intensywności źródła podczerwieni. Z kolei robot, który zderza się z czarnymi (mniej odbijającymi) ścianami, wymaga zwiększenia intensywności źródła podczerwieni.

Wycieki sygnału z brzegów diod podczerwieni Najczęstszym źródłem wycieków sygnału jest światło podczerwone emitowane z boków lub z dołu diod podczerwieni. Choć zgodnie ze specyfikacją kąt połowy strumienia może wynosić ±20 stopni (dla przykładu), to i tak niewielka ilość światła jest emitowana pod szerszym kątem. W rzeczywistości najlepsze specyfikacje zawierają wykres pokazujący ilość światła emitowanego pod każdym kątem. Nie jest niczym niezwykłym to, że względny (normalizowany) 1 procent światła podczerwonego jest emitowany pod kątem ±90 stopni, nawet w przypadku diody podczerwieni z połową strumienia równą ±20 stopni.

231 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W zależności od lokalizacji i kierunku diod podczerwonych w obwodzie światło emitowane z brzegów diody może być kierowane bezpośrednio do detektorów PNA4602M, bez odbijania od pobliskich obiektów. Dlatego w obwodzie tym musisz wyeliminować wszystkie wycieki boczne, aby był użyteczny jako detektor odbić. Spróbuj umieścić gruby, nieprzezroczysty dla podczerwieni obiekt (na przykład arkusz metalu) pomiędzy diodą podczerwieni a układem PNA4602M, aby mógł on wykrywać wyłącznie światło odbite. Jeżeli w ten sposób wyeliminujesz fałszywe detekcje, będziesz wiedział, że to wycieki boczne są problemem. To właśnie wycieki boczne z „gołej” (nieosłoniętej) diody podczerwieni niemal zawsze są przyczyną problemów! Na szczęście istnieje wiele prostych sposobów na ograniczenie lub rozwiązanie tego problemu: x Wybierz diodę podczerwieni o węższym strumieniu. x Pokryj boki i dół (ale proszę, nie górę) diody podczerwieni czarną emalią (rysunek 12.2). Osobiście użyłem jednej warstwy czarnej emalii firmy Testors.

Rysunek 12.2. Diody podczerwieni: standardowa; z bokami pomalowanymi na czarno; umieszczona w koszulce termokurczliwej; umieszczona w rurce mosiężnej; z metalową obudową (od lewej do prawej) x Zakryj boki i dół (ponownie — nie górę) diody podczerwieni czarną koszulką termokurczliwą. Pamiętaj jednak, że w zależności od typu i grubości materiału termokurczliwego niektóre koszulki mogą być nieco przezroczyste dla podczerwieni. Zauważyłem, że koszulki termokurczliwe są nieco mniej efektywne niż czarny lakier. x Przyklej metalową rurkę do boków diody podczerwieni. W tej sytuacji dobrze sprawdzi się nakładana na obudowę T13/4 rurka o średnicy 6 mm (wewnętrzna średnica jest zmniejszana przez ścianki o grubości 0,3 mm), wykonana z aluminium lub mosiądzu, choć jej wadą jest to, że dolna część diody jest odsłonięta. Możesz zeszlifować dolny brzeg diody, aby wsunęła się głębiej w rurkę. Pomalowanie wnętrza rurki na czarno (przed przyklejeniem do diody) pozwala jeszcze bardziej zmniejszyć odbicia fotonów pod ostrymi kątami. x Zakup diody LED w metalowej obudowie. Jej dodatkową zaletą jest szybsze odprowadzanie ciepła. Jednak nie jest to problem przy diodach pobierających poniżej 20 mA prądu. Często korzystam z połączenia powyższych technik. Na przykład wybieram diodę LED z wąskim strumieniem, maluję jej boki i spód na czarno, a następnie dodaję koszulkę termokurczliwą bądź rurkę metalową. Jest to zdecydowanie przesada. Trzeba jednak pamiętać, aby unikać bezpośredniego promieniowania podczerwonego, ponieważ wycieki światła z brzegów mogą powodować fałszywe wykrycia.

232 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 12. „ DOSTRAJANIE DETEKTORA ODBI

Użycie multimetru z trybem pomiaru częstotliwości Korzystając z opisanej wcześniej ręcznej techniki dostrajania, powinieneś być w stanie ustawić i przetestować obwód detektora odbić. Precyzyjniejszym sposobem na dostrojenie układu jest użycie multimetru z funkcją mierzenia częstotliwości. Powinieneś zapoznać się z instrukcją obsługi swojego multimetru, ale najczęściej podłącza się próbnik masy (ujemny) do GND w obwodzie detektora odbić, a dodatni próbnik do nóżki 4. układu US1. Nóżka 4. jest lepszym wyborem niż nóżka 2., ponieważ nawet multimetr o wysokiej impedancji będzie pobierał nieco prądu z nóżki 2., co wpłynie na cykl ładowania i rozładowania kondensatora C5. Spowoduje to, że układ będzie doskonale dostrojony wyłącznie po podłączeniu multimetru. Po podłączeniu multimetru po prostu reguluj R6 do momentu, gdy odczyt częstotliwości na multimetrze wyniesie 38 kHz (rysunek 12.3). Zwróć uwagę, że próbnik multimetru ma haczyk adaptera IC podłączony do przewodu zwierającego podłączonego do płytki stykowej. Jest to znacznie prostsze niż przytrzymywanie próbnika na miejscu jedną ręką, przytrzymywanie próbnika masy we właściwym miejscu drugą, a trzecią ręką obracanie śrubą trymera.

Rysunek 12.3. Multimetr w trybie pomiaru częstotliwości jest prawdopodobnie najlepszym sposobem na dostrojenie układu

Użycie oscyloskopu Choć oscyloskop to prawdopodobnie najbardziej skomplikowany sposób na dostrojenie obwodu, daje możliwość przyjrzenia się z bliska wyjściowej fali. Po podłączeniu oscyloskopu do nóżki 4. układu US1 możemy obejrzeć falę wyjściową. Czas pomiędzy jednym wznoszącym się zboczem a drugim powinien wynieść 1/38 000 sekundy, czyli około 0,0000263 sekundy albo 26,3 s (mikrosekundy) (rysunek 12.4).

Rysunek 12.4. Siatka w oscyloskopie ma wartość 1 V pionowo na krok i 5 s poziomo na krok. Fala ma około 5 kratek wysokości, czyli około 5 V. Fala ma ponad 5 kratek szerokości pomiędzy zboczami, czyli nieco ponad 26 s. Pan oscyloskop mówi nam: „Na nóżce 4. układu US1 mamy ładną, czystą prostokątną falę o częstotliwości 38 kHz” 233 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Przyczyny zastosowania inwertera z wejściami Schmitta Jeżeli masz zamiar podłączyć obwód detektora odbić do oscyloskopu, to zainteresuj się sygnałem na nóżce 1. (tak, to na chwilę spowolni taktowanie). Przebieg napięcia na nóżce 1. nie jest prostokątny; to fala trójkątna z lekko wygiętymi bokami trójkąta (rysunek 12.5). Zbocze wygięte w górę odpowiada ładowaniu kondensatora, a zbocze wygięte w dół odpowiada jego rozładowywaniu.

Rysunek 12.5. Klasyczny przebieg trójkątny z niewielkimi łukami jest sercem obwodu RC, w którym kondensator stale się ładuje i rozładowuje Standardowe układy logiczne niezbyt lubią powolny wzrost i spadek sygnału. Zużywają one sporo prądu do sprawdzenia, czy sygnał 2,5 V ma wartość wysoką (5 V), czy niską (0 V), czy wysoką (5 V), czy niską (0 V). W końcu jest on binarnym układem logicznym, a nie układem analogowym obsługującym wszystkie stany pośrednie. Wejście Schmitta jest zaprojektowane specjalnie do obsługi zaszumionych sygnałów cyfrowych, powoli zmieniających się sygnałów analogowych lub innych sygnałów niecyfrowych i konwertowania ich na czysty sygnał cyfrowy. Przerzutnik Schmitta korzysta ze zjawiska zwanego histerezą. Zamiast stałych punktów przejścia ze stanu niskiego na wysoki ma on jeden ruchomy punkt przejścia. Gdy sygnał zostanie zinterpretowany jako wysoki, punkt przejścia się obniża, a gdy sygnał jest interpretowany jako niski, punkt przejścia się podwyższa. Dzięki temu sygnał wejściowy nie może oscylować pomiędzy 49 a 51 procent napięcia zasilania i zmieniać stanu wyjścia. Napięcie wejściowe musi podnieść się do 66 procent, a następnie zmniejszyć do 33 procent (faktyczne napięcia i wartości procentowe zależą od zastosowanego układu). Dla przykładu przeanalizujmy sytuację, w której na wejściu układu pracującego w zakresie od 0 do 5 V mamy napięcie 2,5 V. Załóżmy, że początkowy punkt przejścia jest ustawiony na 3 V. Po osiągnięciu 3,01 V przełącznik Schmitta przełącza się w stan „wysoki” i obniża punkt przejścia do 2 V. Napięcie 3,01 V jest nadal wyższe niż 2 V, więc stan wejścia jest nadal interpretowany jako „wysoki”. W zasadzie jest ono bardzo wysokie w stosunku do 2 V. Jeżeli napięcie tego zaszumionego sygnału wejściowego spadnie do 2,99 V, to co się stanie? Napięcie 2,99 V jest nadal wyższe niż 2 V, więc stan wejścia jest nadal interpretowany jako „wysoki”. W końcu napięcie wejściowe obniży się do 1,99 V i zostanie uznane za „niskie”. Przerzutnik Schmitta zmieni swój punkt przejścia na 3 V. Cóż, 1,99 V to znacznie mniej od 3 V. W zasadzie jest ono bardzo niskie. W ten sposób zostały wyeliminowane „średnie” napięcia. Gdy napięcie przekroczy linię przejścia, linia ta się odsunie.

Diagnozowanie problemów występujących w obwodach taktujących Jeżeli nie jesteś w stanie dostroić obwodu detektora odbić do 38 kHz, możesz wykorzystać następujące potencjalne rozwiązania: x Sprawdź napięcie dostarczane do układu. Jeżeli nie mieści się w zakresie pomiędzy 4,7 V a 5,3 V, sprawdź swój zasilacz. Napięcie powinno być stabilne. Jeżeli tak nie jest, spróbuj dodać kilka kondensatorów buforowych (10 F lub większych) bądź wymienić zastosowane kondensatory. 234 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 12. „ DOSTRAJANIE DETEKTORA ODBI

Mój zasilacz zapewnia napięcie, które nie zmienia się bardziej niż pomiędzy 4,97 V a 5 V w czasie pięciu minut. Zasilanie o napięciu niemieszczącym się w prawidłowym zakresie nie tylko uniemożliwia działanie układu PNA4602M, ale również zmienia generowaną częstotliwość, ponieważ VCO to przecież oscylator sterowany napięciem. x Sprawdź połączenia, upewniając się, czy obwód wygląda tak samo jak na schemacie (rysunek 11.10) oraz na przykładowej płytce stykowej (rysunek 11.11). x Jeżeli po przekręceniu trymera R6 od minimum do maksimum częstotliwość jest nadal zbyt niska (mniejsza niż 38 kHz), zmniejsz wartość rezystancji R5. Na przykład wymień go na rezystor 13 k. Następnie spróbuj wyregulować układ trymerem. x Jeżeli po przekręceniu trymera R6 od minimum do maksimum częstotliwość jest nadal zbyt wysoka (większa niż 38 kHz), zwiększ wartość rezystancji R5. Na przykład wymień go na rezystor 30 k. Następnie ponownie spróbuj wyregulować układ trymerem. x Jeżeli nadal nie możesz osiągnąć odpowiedniego zakresu częstotliwości, sprawdź pojemność C5 multimetrem. Jeżeli nie jest to 1 nF, to wymień R5 na kawałek przewodu, a w miejsce R6 wstaw jednoobrotowy trymer o dużej rezystancji, na przykład 500 k. Po zgrubnym dostrojeniu częstotliwości wyciągnij R6 z płytki i zmierz jego rezystancję multimetrem. Dzięki temu będziesz wiedział, jakie rezystory umieścić w obwodzie.

Dopasowanie rozsdnej dokadnoci czstotliwoci Nie musisz zbytnio przejmować się, jeżeli nie możesz osiągnąć dokładnie 38 kHz. Częstotliwość w moim układzie zazwyczaj oscyluje w zakresie pomiędzy 37,93 kHz a 38,07 kHz. Każda wartość pomiędzy 37 kHz a 39 kHz sprawdza się świetnie. Można nawet osiągnąć rozsądny poziom wykrywania w zakresie od 35 kHz do 43 kHz. A tak przy okazji, interesującą sztuczką pozwalającą na zredukowanie przesłuchów (zakłócenia obwodu) lub ograniczenie zakresu wykrywania jest celowe rozstrojenie obwodu.

Osiganie wikszej dokadnoci czstotliwoci Jeżeli naprawdę chcesz uzyskać dokładnie dostrojoną częstotliwość, możesz zmniejszyć rezystancję trymera R6, aby każdy obrót śrubą regulacyjną powodował niewielką zmianę rezystancji. Wykonaj następujące operacje: 1. Na początek dostrój układ w najlepszy możliwy sposób przy użyciu standardowych wartości R5 i R6. 2. Wyjmij R5 oraz R6 i zmierz ich rezystancję. W moim przypadku było to 21,66 k i 3,3 k, czyli razem 24,96 k. 3. Znajdź trymer o mniejszej rezystancji, na przykład 1 k zamiast 10 k. 4. Odejmij połowę wartości nowego trymera (1 k podzielone na 2 to 0,5 k) od poprzedniej sumy (24,96 k minus 0,5 k daje 24,46 k). Jest to nowa, oczekiwana wartość dla R5. Prawdopodobnie nie znajdziesz rezystora o tej wartości, ale możesz połączyć ze sobą szeregowo dwa inne — na przykład 24 k i 0,470 k. 5. Umieść nowy R5 (24,47 k) oraz nowy R6 (od 0  do 1000 ) w obwodzie. 6. Teraz, gdy będziesz obracał śrubą trymera wieloobrotowego (R6), każdy obrót będzie powodował znacznie mniejszą zmianę w częstotliwości. Wyjaśnia to zadanie R5. Może być on wyeliminowany, a R6 może być po prostu trymerem 50 k. Jednak każde trącenie śruby trymera będzie powodowało dosyć duże zmiany w częstotliwości. Nawet wibracje związane z ruchem robota mogą wywołać przesunięcie częstotliwości. Dzięki dołączeniu R5 jako bazy R6 może mieć mniejszy zakres, przez co będzie precyzyjniej dostrajał częstotliwość.

235 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Akceptowanie ograniczonej dokadnoci i stabilnoci ukadu oscylatora Zastosowany w tym obwodzie oscylator jest całkiem prosty i składa się z niewielu komponentów. Jego wadą jest ograniczona dokładność oraz stabilność. Obwody korzystające z rezonatorów kwarcowych pozwalają na poprawienie dokładności i stabilności, ale nie jest to nam potrzebne, ponieważ układ PNA4602M jest dosyć tolerancyjny. Poniżej wymienione są niektóre znane ograniczenia obwodu oscylatora: x Wraz ze starzeniem się elementów obwód oscylatora może wymagać okresowego dostrajania. Jest to dosyć proste do wykonania. x Napięcie zasilania wpływa na częstotliwość oscylatora. Jednak większość nowoczesnych stabilizatorów świetnie sobie radzi i stabilizuje napięcie z dokładnością do 0,5 procent wymaganego napięcia. x Jeżeli w pobliżu oscylatora znajdzie się źródło zakłóceń, na przykład silnik, fala może stać się niewłaściwa. Zwiększenie pojemności C5 i zmniejszenie rezystancji R5 o R6 powinno poprawić odporność na zakłócenia kosztem większego zużycia prądu. x Oscylator nie jest stabilny temperaturowo. Po dostrojeniu oscylatora do około 38,02 kHz umieściłem płytkę w zamrażarce. Było to nieco ryzykowne z dwóch powodów. Po pierwsze, kondensatory buforowe mogły zostać uszkodzone poniżej 0°C. Po drugie, moja żona mogła potrzebować lodu do drinków. Po 20 minutach wyjąłem nieco zamarzniętą płytkę i uruchomiłem ją. Częstotliwość spadła do 37,83 kHz. To niezły wynik (99,5 procent oryginalnej częstotliwości). Częstotliwość wróciła do 38,01 kHz po ogrzaniu płytki do temperatury pokojowej. Największym problemem z zimnem jest spadek pojemności kondensatora tantalowego C2, co powoduje fałszywe detekcje.

Ograniczenia detektora odbi Detektor odbić fali podczerwieni 38 kHz działa świetnie i nadaje się do różnych zastosowań, dlatego znajduje się w wielu projektach robotów. Jednak istnieją warunki środowiskowe, które będą ograniczały każdy detektor bazujący na świetle odbitym.

Brak działania na otwartej przestrzeni lub przy jasnym świetle W przypadku umieszczenia detektora na słońcu lub przy bardzo jasnych światłach wewnątrz budynku detekcja może być niemożliwa lub jej zasięg będzie znacznie ograniczony. Jest to powodowane przez dużą ilość światła, generującą duży prąd w fotodiodzie (wbudowanej w układ fotodetektora), przy której względnie mała ilość światła z promienia podczerwieni staje się mało znacząca. Albo fotodioda stanie się w pełni nasycona (maksymalnie włączona) przez jasne światło, albo szczyty i doliny szumu (cienie, fluktuacja sygnału wyjściowego) powodowanego przez jasne światło zewnętrzne będą większe niż szczyty i doliny prostokątnej fali 38 kHz nadawanej przez podczerwoną diodę LED. Poniżej wymieniłem kilka potencjalnych rozwiązań: x Zablokowanie bezpośrednich promieni słonecznych przez dodanie daszku nad emiterem, detektorem oraz wykrywanym obiektem. Oczywiście nie działa to w przypadku wykrywania ścian. x Dodanie tranzystora do obwodu emitera (patrz następny rozdział), dzięki czemu przez odpowiednio dobrane diody podczerwieni można przepuścić 1 amper lub więcej. Jednak powoduje to inne problemy — oprócz tego, że taki emiter będzie zużywał więcej prądu, będzie zbyt silny w przypadku działania we wnętrzach lub w nocy, gdzie brak szumu świetlnego tła nie pozwoli na wykrywanie odbić nawet z odległych miejsc pokoju. x Zmiana metody detekcji bazującej na świetle na bazującą na dźwiękach (stosując klikający sonar z aparatów Polaroid), wykrywaniu pojemności (detektor przewodów) lub wykrywaniu fizycznego kontaktu (czujnik dotykowy).

236 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 12. „ DOSTRAJANIE DETEKTORA ODBI

Brak możliwości wykrycia określonych rodzajów obiektów Innym potencjalnym problemem dla detektorów odbić pracujących w podczerwieni jest brak możliwości wykrycia obiektów, które albo absorbują światło podczerwone, albo są dla niego przezroczyste. Dzieje się tak, ponieważ detektor polega na odbiciu wzoru podczerwieni od obiektu. Oczywiście, jeżeli obiekt absorbuje to światło lub światło to po prostu przechodzi przez obiekt, to detektor nie będzie go wykrywał. Ponieważ wiele robotów sumo korzysta z detektorów świetlnych, wielu przeciwników ma ochronę przed wykryciem: są one pomalowane na czarno (rysunek 12.6). Większość czarnych lakierów absorbuje zarówno światło podczerwone, jak i widoczne, co utrudnia wykrycie robota przez przeciwnika.

Rysunek 12.6. Robot minisumo Hard2C korzysta z techniki stealth. Jest on pomalowany na czarno, czyli na ten sam kolor co ring sumo. Dodatkowo robot ma wysokość tylko 4 cm (tylna kolumna ma 6 cm wysokości). Dzięki temu, jak wskazuje nazwa robota, jest on trudny do wykrycia Naprawdę przezroczyste dla podczerwieni obiekty są po prostu niewykrywalne za pomocą światła podczerwonego. Jednak obiekty, które absorbują światło podczerwone, mogą być wykryte przez zmianę fizycznego położenia emiterów i detektorów. Przez skierowanie bezprzewodowej diody LED bezpośrednio na detektor i umieszczenie ich w pewnej odległości możliwe jest wykrycie obiektu absorbującego światło podczerwone, jeżeli znajdzie się pomiędzy emiterem i detektorem. Jest to nazywane przerywaczem lub sensorem przerwania strumienia, w przeciwieństwie do sensora odbić. W sensorze przerwania strumienia napięcie wskazujące wykrycie obiektu jest odwrotne. Dioda LED jest teraz skierowana na detektor, więc gdy w zasięgu nie ma żadnego obiektu, na nóżce 1. pojawia się 0 V (sygnał wykrycia). Gdy nieprzezroczysty obiekt (absorbujący lub odbijający) znajdzie się pomiędzy emiterem i detektorem, na nóżce 1. pojawia się 5 V (brak sygnału), ponieważ promień został przerwany.

Brak możliwości wykrycia dalekich lub bardzo bliskich obiektów Inna niedoskonałość detektorów odbić pracujących w podczerwieni jest wspólna dla wszystkich aktywnych (emitujących) sensorów — mają one minimalny i maksymalny zasięg. Detektor odbić wymaga, aby emitowany sygnał odbił się od obiektu i wrócił do detektora. Jeżeli obiekt jest zbyt blisko, strumień nie zdąży się rozejść i nie odbije się w kierunku detektora. W odwrotnej sytuacji, jeżeli obiekt jest zbyt daleko, sygnał rozejdzie się za bardzo, przez co będzie zbyt ciemny, aby można było wykryć jego odbicie. Możesz dobrać kąt strumienia podczerwieni, aby pasował do określonych potrzeb — wybrać inną diodę albo zastosować soczewki. Węższy strumień pozwala na osiągnięcie większego dystansu kosztem mniejszego pokrycia obszaru. Węższy strumień umożliwia osiągnięcie większego dystansu kosztem mniejszego pokrycia obszaru.

237 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Przed rozpoczęciem regulowania kąta powinieneś określić, czy Twój robot faktycznie musi widzieć tak blisko lub tak daleko. Jaką wartość będzie miał fakt, że robot widzi coś w zakresie od 2 milimetrów do 2 metrów? Jeżeli sensory dostarczałyby danych o odległości, mogłoby to być wartościowe, ale ten obwód informuje jedynie, czy coś znajduje się w określonym kierunku. Pomyśl chwilę trójwymiarowo — promień podczerwieni wychodzi z diody LED jak ostrosłup ze sferycznym szczytem. W pewnej odległości, w zależności od wysokości zamocowania sensora na robocie, strumień w końcu zacznie się odbijać od podłogi. Posiadanie informacji cyfrowej, że gdzieś w pewnej odległości znajduje się podłoga, ściana lub inny obiekt, ma małą wartość praktyczną (może poza wykrywaniem urwiska). Można więc spróbować zmniejszać odległość wykrywania.

Porównanie zasigu Twojego detektora z moimi Jeżeli martwisz się, że Twój detektor odbić działa mało efektywnie, możesz porównać swoje wyniki z moimi. Moje mało naukowe testy wykonałem w słabo oświetlonym pokoju (40 – 60 luksów). Pamiętaj, że im większa ilość światła otaczającego, tym mniejszy jest odstęp sygnału od szumu, więc zmniejsza się zasięg detekcji oraz jej niezawodność. Na płytce stykowej zainstalowałem parę diod podczerwieni Jameco 106526 (940 nm, 20 stopni, 8 mW/cm2, obudowa T13⁄4, pomalowane ręcznie na czarno) jako IR3 oraz IR4. Test był wykonywany przy prądzie 3,5 mA przepływającym przez diody podczerwieni, przy niemal całkowitym braku fałszywych wykryć w przypadku braku obiektu w zasięgu (tak przy okazji, w wyniku zwiększenia prądu w diodach do 7,5 mA występowało około 50 procent fałszywych wykryć, a po zwiększeniu prądu do 10 mA występowało 100 procent fałszywych wykryć). Podnosiłem i obniżałem docelowy obiekt, aby określić, kiedy nie jest on wykrywany (niemal brak czerwonego w dwukolorowej diodzie LED), kiedy występuje około połowy wykryć (równa mieszanka czerwonego i zielonego) oraz kiedy jest w pełni wykrywany (niemal brak zielonego w dwukolorowej diodzie LED). Wszystkie obiekty były umieszczane równolegle do powierzchni płytki, o ile nie zostało napisane inaczej. Dystans został zmierzony od góry diody podczerwieni do punktu na dolnej krawędzi celu (tabela 12.1).

Analiza wyników pomiarów odlegoci W tabeli 12.1 można znaleźć sporo cennych informacji. Dane z wiersza 1. pokazują, że czyste aluminium może być wykryte z największej odległości ze wszystkich testowanych obiektów. Jeżeli chcesz zbudować robota sumo, który ma być szybko zauważony przez przeciwnika, zbuduj go z czystego aluminium. Dane z wierszy 3., 8. i 11. demonstrują efekt użycia przezroczystych materiałów przy różnych kątach i kształtach. W wierszu 3. pokazane jest, że umieszczenie materiału przezroczystego pod prawidłowym kątem (równolegle do emitera i detektora) powoduje, że materiał ten jest łatwy do wykrycia przez sensory — niemal tak samo jak biały papier (wiersz 2.). Dane z wiersza 11. pokazują, że ten sam przezroczysty materiał, ale trzymany pod kątem 45 stopni w celu uniknięcia odbić, nie może być wykryty przez sensory, niezależnie od odległości. W wierszu 8. widzimy, że podobny materiał w postaci kostki przestaje być niewidoczny dla sensorów, nawet przy 45 stopniach (choć nie jest to udokumentowane, arkusz poliwęglanu w pozostałych testach daje podobne wyniki jak arkusz akrylu). Zbudowanie płaskiego pokrycia z akrylu pozwoli uniknąć detekcji w większości przypadków, o ile pokrycie to nie ustawi się równolegle do sensorów podczerwieni przeciwnika. Jednak robot sumo, którego cała obudowa wykonana jest z akrylu, nie będzie najlepszym zawodnikiem. Przezroczysta kostka jest nieco lepsza niż obiekty pomalowane czarną farbą (wiersz 7.) poza tym, że przezroczysty robot będzie pokazywał swoje elementy wewnętrzne, od których łatwo będzie się odbijać fala. Być może robot pokryty czarną pianką antystatyczną (wiersz 10.) byłby najlepszy w unikaniu wykrycia. Dodatkowo pianka może również absorbować sygnał sonaru. Ciekawe jest, że tak mały obiekt jak ołówek (wiersz 5.) był zauważalny z odległości około 1/4 m, co jest imponujące. Półprzezroczyste jajko styrenowe było wykrywalne (wiersz 6.), podobnie jak cienki przewód (wiersz 9.).

238 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 12. „ DOSTRAJANIE DETEKTORA ODBI

Tabela 12.1. Pomiary przykładowych odległości dla obwodu detektora odbić Wiersz

Opis celu

Brak wykrycia

Poowa wykrycia

Pene wykrycie

1

Arkusz aluminium. Grubość 1,5 mm, 20×30 cm, błyszczący, nieco tylko zmatowany (nie przypomina lustra).

Większa niż 195 cm

Około 185 cm

Mniej niż 172 cm

2

Biały papier biurowy. Stos o grubości 1 cm, 21×28 cm.

Większa niż 106 cm

Około 91 cm

Mniej niż 81 cm

3

Przezroczysty arkusz akrylowy. 1,5 mm grubości, 15×15 cm, umieszczony równolegle do płaszczyzny płytki stykowej.

Większa niż 101 cm

Około 86 cm

Mniej niż 78 cm

4

Robot Hard2C. 6 cm grubości, 10×10 cm, pomalowane na czarno aluminium.

Większa niż 44 cm

Około 34 cm

Mniej niż 27 cm

5

Ołówek. 0,75 cm średnicy, długość 19 cm, żółto-pomarańczowy, błyszcząca aluminiowa taśma trzymająca gumkę.

Większa niż 32 cm

Około 28 cm

Mniej niż 24 cm

6

Jajko plastikowe. 6,35 cm długości, zielone, styren, zawieszone na nici.

Większa niż 27 cm

Około 22 cm

Mniej niż 17 cm

7

Robot Hard2C. 6 cm grubości, 10×10 cm, pomalowane na czarno aluminium, pod kątem 45 stopni do płytki stykowej.

Większa niż 26 cm

Około 17 cm

Mniej niż 13 cm

8

Przezroczysta kostka. Grubość 5,5 mm, bok 15 cm, przezroczysta, poliwęglanowa, pusta, umieszczona pod kątem 45 stopni do płytki stykowej.

Większa niż 25 cm

Około 17 cm

Mniej niż 11 cm

9

Przewód #22 AWG, biała izolacja, skrętka miedziana.

Większa niż 23 cm

Około 17 cm

Mniej niż 14 cm

10

Czarna pianka przewodząca. 6 mm grubości, 30×60 cm, antystatyczna dla układów scalonych.

Większa niż 18 cm

Około 15 cm

Mniej niż 11 cm

11

Arkusz akrylowy. Grubość 5,5 mm, bok 15 cm, przezroczysty, umieszczony pod kątem 45 stopni do płytki stykowej.

Brak wykrycia

Brak wykrycia

Brak wykrycia

Najważniejszą informacją, jaką można wyczytać z tabeli odległości, jest to, że odległość wykrywania w dużym stopniu zależy od koloru i rozmiaru obiektu. Większość robotów, w których zastosowano ten sensor, działa całkiem nieźle w różnym otoczeniu. Jednak w nietestowanych warunkach powinieneś być przygotowany na zmianę wartości R7 w celu zmiany odległości wykrywania.

239 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Brak możliwości pomiaru odległości Układ PNA4602M jest zaprojektowany tak, aby generował sygnał cyfrowy (5 V lub 0 V) wskazujący wykrycie. Nie udostępnia on wartości odległości. Byłoby znacznie lepiej, gdyby detektor wskazywał siłę sygnału lub odległość od obiektu. Jednym z potencjalnych sposobów na uzyskanie tej informacji z detektora jest analiza zakłóceń. Na przykład mikrokontroler może dodać dziesięć kolejnych odwróconych odczytów detektora i nazwanie tej wartości siłą sygnału. Sygnał o 50 procentach zaszumienia daje 50-procentowy odczyt odległości. Niestety, jak można zauważyć w tabeli 12.1, różnica pomiędzy brakiem wykrycia a pełnym wykryciem nie jest zbyt duża. Dodatkowo refleksyjność obiektu całkowicie zmienia odległość wykrywania.

Jeste gotowy do zbudowania robota W rozdziale tym dostroiliśmy, przetestowaliśmy, skorygowaliśmy i oceniliśmy obwód wykrywacza odbić. Choć wykrywacz ten ma pewne ograniczenia, jest użyteczny na krótkich dystansach jako zderzak o szerokim kącie oraz wąski strumień o dużym zasięgu. W poprzednim rozdziale przedstawiłem zastosowanie dwukolorowej diody LED w połączeniu z układem 74AC14 do wskazania wartości binarnej. Jest to praktyczne nie tylko dla tego detektora, ale także w przypadku każdego źródła zapewniającego sygnały niski i wysoki. Dodatkowo wiesz teraz, że dzięki wejściom Schmitta sygnał wejściowy może być zaszumiony i wolnozmienny — układ 74AC14 skonwertuje go na czyste, cyfrowe wyjście. W następnym rozdziale połączymy detektor odbić z obwodami i technikami warsztatowymi prezentowanymi we wcześniejszych rozdziałach książki, aby zbudować funkcjonalnego robota z wirtualnym, szerokim zderzakiem bezkontaktowym.

240 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13 „„„

Robot Rondo

Budowa bezmózgiego eksploratora pokoju, łączenie modułów, sterowanie za pomocą układu logicznego, ponowne użycie robota Kanapka, budowanie szablonów części obudowy, użycie oszczędzających miejsce silników z przesunięciem równoległym, wymiana zębatek, wiercenie stosu elementów montażowych silnika, wybór ślizgaczy W rozdziale tym zebrane zostały przedstawione do tej pory bloki konstrukcji, dzięki którym możemy zbudować funkcjonalnego robota omijającego ściany oraz przeszkody (rysunek 13.1). Rondo to prosty robot, który zwykle porusza się w przód, ale może skręcać w lewo i w prawo oraz cofać się, aby uniknąć ścian i przeszkód, które wykrywa swoimi sensorami działającymi w podczerwieni.

Rysunek 13.1. Rondo, robot unikający przeszkód, pokazany na fotografii złożonej z pięciu klatek, przedstawiającej wybór drogi pomiędzy przeszkodami wykrywanymi czujnikami podczerwieni

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rondo wykonuje wszystkie swoje zadania bez użycia mikrokontrolera, więc nie jest potrzebne programowanie. Niestety, mając tylko prymitywny układ logiczny jako mózg, Rondo w końcu się zablokuje. W kolejnych rozdziałach opiszę te sytuacje i pokażę, w jaki sposób wykorzystać mikrokontroler w celu poprawienia autonomii robota. Rozdział ten zawiera szczegóły odtworzenia obudowy robota Rondo. Oczywiście możesz wykonać w inny sposób elementy obudowy i zbudować robota o zupełnie innym wyglądzie, ale niemal identycznym zachowaniu. „ Uwaga Robot Kanapka przedstawiony w mojej pierwszej ksice, Budowa robotów dla pocztkujcych (Helion 2012), jest wietnym modelem do porównania z robotem Rondo. Jeeli nic nie wiesz na temat robota Kanapka, moesz przejrze opisy, zdj cia i filmy na mojej witrynie http://www.robotroom.com/Sandwich.html.

Robot Rondo Rondo zawiera jedną płytkę drukowaną umieszczoną na górze obudowy (rysunek 13.2). Z przodu płytki znajdują się dwa sensory podczerwone pozwalające na wykrywanie ścian i przeszkód. Na okrągłej platformie pośrodku robota są zamontowane wszystkie jego elementy. Pod spodem Rondo posiada dwa silniki, dwa łączniki, cztery zębatki oraz dwa koła z osiami. Zasilanie zapewnia bateria 9 V umieszczona z tyłu.

Rysunek 13.2. Widok robota Rondo z przodu oraz z tyłu

Rzut oka na robota Rondo z boków Koła robota Rondo znajdują się na brzegach obudowy, w równej odległości od przodu i tyłu robota (rysunek 13.3). Taka lokalizacja kół pozwala na obracanie się robota w miejscu (zerowy kąt obrotu).

Rysunek 13.3. Widok robota Rondo z lewej i prawej strony

242 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Przy przyspieszaniu do przodu robot pochyla się w tył i opiera tylną część obudowy o podłoże. Jadąc do tyłu, robot pochyla się w przód, ciągnąc po podłożu przód obudowy. Jeżeli masa zamontowanej z tyłu baterii uniemożliwia pochylenie się w przód przy cofaniu, konieczne może być zaokrąglenie rogów w tylnej części obudowy, aby nie zaczepiała się o dywan lub szczeliny w podłodze. Kierunek, w jakim porusza się robot, jest ustawiany za pośrednictwem sterowania różnicowego. Sterowanie takie polega na różnicowaniu kierunku obrotów każdego z silników (w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara i w kierunku przeciwnym) oraz różnicowaniu ilości prądu dostarczanego do każdego z silnika. W przeciwieństwie do samochodu robot Rondo nie jest sterowany przez zmianę kąta kół — koła zawsze pozostają równoległe do boków obudowy.

Rondo z góry i z dołu Dolna część robota Rondo jest całkowicie umieszczona w okrągłej sekcji środkowej obudowy. Przewody silnika i baterii przechodzą przez środek platformy (patrz „Przepust” pośrodku rysunku 13.4). Koła i zębatki są umieszczone na obwodzie okrągłej platformy. Dzięki temu Rondo może się obracać w miejscu bez możliwości zablokowania się czy zaczepienia o przeszkodę.

Rysunek 13.4. Widok robota Rondo z góry i z dołu Po lewej stronie rysunku 13.4 znajdują się etykiety „Lewa” i „Prawa”, które oznaczają lewą i prawą stronę, gdy robot jest skierowany do przodu. Dodatkowe informacje na temat obudowy, silników i przełożeń robota Rondo znajdują się w podrozdziale „Mechanizm silników robota Rondo”, w dalszej części rozdziału.

Obwody elektroniczne robota Rondo Obwody elektroniczne robota Rondo składają się z trzech modułów: liniowego stabilizatora napięcia +5 V (rysunki 7.2, 7.3 lub 7.3 wraz z rysunkiem 7.6 z rozdziału 7.), pary sterowników silnika (z rozdziału 9. lub 10., rysunki 9.25 i 10.18 lub rysunek 10.19) oraz detektora odbić pracującego w podczerwieni (z rozdziału 11., rysunek 11.10). Moduły te są połączone w sposób pokazany na rysunku 13.5.

243 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 13.5. Schemat blokowy obwodów robota Rondo. Tak jak w większości robotów, mamy tu stabilizator napięcia, sterowanie (w tym przypadku 74AC14 z detektora odbić) oraz sterowniki silników i silniki Zwróć uwagę, że nie są wymagane żadne dodatkowe części elektroniczne poza opisanymi wcześniej, występującymi w tych modułach. Jednak ważne jest umieszczenie układu US1 w podstawce 16-nóżkowej. Pozwoli to na rozszerzanie funkcji robota w przyszłości. Zdjęcia z rozdziału 16. pokazują sposób takiego rozszerzania, więc pamiętaj o zakupieniu i użyciu takiej podstawki. Układy robota Rondo mogą być umieszczone na płytce drukowanej o wielkości 9,5×7 cm przy zastosowaniu komponentów przewlekanych (rysunek 13.6). Sekcja 1. to obwód stabilizatora napięcia. Sekcja 2. zawiera parę obwodów sterowników silników. Sekcja 3. obejmuje obwód detektora odbić pracującego w podczerwieni. W sekcjach 1. oraz 2. konieczna była zmiana numeracji części, aby na skonsolidowanej płytce nie występowały podwójne numery części.

Rysunek 13.6. Obwody robota Rondo zamontowane na wykonanej własnoręcznie płytce drukowanej 244 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Dostarczanie zasilania Niestabilizowane źródło zasilania może mieć napięcie od 7,5 do 18 V. Dlatego można zastosować alkaliczną baterię 9 V lub 8,4 V akumulator NiMH, również oznaczany jako 9 V. Jeżeli zamiast układu 7805 z diodą zabezpieczającą przed odwróceniem biegunowości zostanie zastosowany stabilizator liniowy o niskim spadku napięcia (LM2940, LP2954 lub MCP1702) oraz tranzystor mocy MOSFET do zabezpieczenia przed odwróceniem biegunowości, to minimalne niestabilizowane napięcie może wynieść tylko 5,5 V, bez znacznego wpływu na stabilizację. W takim przypadku robot może korzystać z sześciopaku baterii NiMH o rozmiarach AA lub AAA, a nawet nowego czteropaku baterii alkalicznych AA lub AAA. Stabilizator napięcia dostarcza 5 V do obwodu detektora odbić działającego w podczerwieni. W zależności od ustawionej jasności emiterów podczerwieni oraz rodzaju dwukolorowej diody LED detektor odbić podczerwieni może pobierać od 15 do 40 mA prądu. Dzięki temu wcześniej wspomniane stabilizatory bez problemu będą w stanie dostarczyć odpowiednią ilość prądu.

Kontrolowanie kierunku ruchu z uyciem prostej logiki Jak wiesz, układ detektora odbić włącza kolor czerwony w dwukolorowej diodzie LED, gdy obiekt jest wykryty, i zielony, gdy nie jest wykrywany żaden obiekt. Detektor odbić realizuje tę operację przez ustawienie jednego z wyjść układu 74AC14 na stan wysoki (5 V) oraz przez ustawienie innego wyjścia układu 74AC14 na stan niski (0 V), co powoduje dostarczenie prądu do czerwonej części diody LED. Aby włączyć kolor zielony, wyjścia są ustawiane odwrotnie, czyli pierwsze z wyjść 74AC14 ma ustawiony stan niski (0 V), a drugie wyjście stan wysoki (5 V). Niespodzianka! To sygnały, które są nam potrzebne na wejściach A oraz B sterownika silnika, aby uzyskać obrót zgodny z kierunkiem ruchu wskazówek zegara i obrót przeciwny. Gdy oba detektory PNA4602M (US4 i US3) nie wykrywają przeszkód, oba sterowniki silników są sterowane przez sygnał zielony (niski i wysoki), więc robot jedzie do przodu (lewa strona rysunku 13.7). Gdy oba detektory PNA4602M (US4 i US3) wykrywają przeszkodę, oba sterowniki silników są sterowane przez sygnał czerwony (wysoki i niski), więc robot jedzie do tyłu (prawa strona rysunku 13.7).

Rysunek 13.7. Gdy nie jest wykryta przeszkoda, Rondo porusza się do przodu (po lewej). Gdy oba sensory wykryją przeszkodę, Rondo porusza się do tyłu (po prawej)

245 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Trzeba zwrócić uwagę na pułapkę, która jest wspólna dla niemal wszystkich robotów. Ponieważ silniki są fizycznie skierowane względem siebie w przeciwne strony, jeden z nich musi mieć obroty przeciwne do obrotów drugiego, aby koła przesuwały robota w tym samym kierunku. Aby zapewnić prawidłowe działanie napędu, sygnały sterujące prawym silnikiem są zamienione (przecinające się linie na rysunku 13.5). Możesz również zamienić wyjścia sterujące prawym silnikiem albo zamienić przewody na samym silniku. Niezależnie od wybranej metody jeden z silników musi mieć zamienione sygnały, aby skompensować jego zamontowanie w przeciwnym kierunku w stosunku do drugiego silnika.

Skrcanie w lewo i w prawo Ruch do przodu i do tyłu jest dosyć oczywisty i zrozumiały. Jednak skręcanie w lewo i w prawo wymaga nieco zastanowienia. Wracając do rysunku 13.5, zwróć uwagę, że wyjścia 5. i 6. układu 74AC14 są podłączone do prawego sensora podczerwieni (US4), którego wyjścia są z kolei podłączone do lewego sterownika silnika. Każdy sensor kontroluje silnik znajdujący się po przeciwnej stronie robota, dzięki czemu robot skręca w kierunku przeciwnym do tego, w którym znajduje się wykryta przeszkoda. Na przykład gdy lewy sensor wykryje przeszkodę, a prawy nie, lewy sensor przełączy prawy silnik na ruch w tył, natomiast prawy sensor będzie nakazywał lewemu silnikowi jazdę w przód (lewa strona rysunku 13.8). Spowoduje to, że robot skręci w miejscu w prawo, omijając przeszkodę znajdującą się po prawej stronie. Odwrotna sytuacja wystąpi, gdy przeszkoda zostanie wykryta po prawej stronie (prawa strona rysunku 13.8).

Rysunek 13.8. Rondo skręca w prawo, gdy przeszkoda jest wykryta po lewej stronie (po lewej). Rondo skręca w lewo, gdy przeszkoda jest wykryta po prawej stronie (po prawej) Gdy robot obróci się tak, że przeszkoda przestanie być widoczna, robot przestanie się obracać i ruszy znów do przodu. Zwróć uwagę, że podłączenie lewego sensora do prawego silnika i prawego sensora do lewego silnika nie ma żadnego efektu przy ruchu w przód lub w tył, ponieważ sygnały przychodzące z obu sensorów są takie same (oba „brak wykrycia” lub oba „wykrycie”). Zamienione przewody i skrzyżowane sterowanie może wyglądać na mylące. Jednak wszystkie roboty korzystające ze sterowania różnicowego mają taki układ połączeń. To tylko sposób przełożenia obrotu silników na ruchy robota. Nie jest to żaden specjalny układ pozwalający ominąć ograniczenia układów sterowania robota Rondo.

246 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Stopniowe skrcanie w lewo i w prawo Jedno z najbardziej interesujących zachowań robota Rondo można zaobserwować, gdy PNA4602M nie jest w stanie wykryć przeszkody w sposób stały. W takim przypadku PNA4602M ma tendencję do bardzo szybkiego przełączania się pomiędzy stanem wykrycia (0 V) i braku wykrycia (5 V). Jak pamiętasz z poprzedniego rozdziału, „częściowe” wykrycie jest wskazywane przez mieszankę koloru czerwonego i zielonego w dwukolorowej diodzie LED. Jeżeli robot jedzie obok przeszkody, PNA4602M może wykrywać co jakiś czas przeszkodę, więc na krótko zasygnalizuje wykrycie (0 V). W takim przypadku zasilanie kierowane do przeciwnego silnika jest chwilowo odwracane. Dzieje się to tak szybko i rzadko, że robot nie obraca się w miejscu. W rzeczywistości niewielkie ograniczenie w zasilaniu jednego silnika powoduje stopniowe odsuwanie się robota od przeszkody; nie jest wykonywany ostry zwrot. Przy 50-procentowym wykryciu, silnik przełącza się tak często pomiędzy ruchem do przodu i do tyłu, że się zatrzymuje. Wynikiem jest obrót wokół jednego zatrzymanego koła, a nie obrót w miejscu.

Unikanie wycieków podczerwieni Gdy po raz pierwszy zbudowałem robota Rondo, często skręcał on w lewo, tak jakby po prawej stronie znajdował się duch obiektu. Wizualna inspekcja nic nie wykazała, ale oscyloskop pokazywał losowe wykrycia przez prawy sensor. Na początku myślałem, że może to być spowodowane uszkodzeniem detektora PNA4602M. Jednak okazuje się, że trudna do zauważenia dziura w malowaniu emitera powodowała wystarczająco duże wycieki podczerwieni, żeby PNA4602M czasami ją wykrywał. Przed przylutowaniem emiterów podczerwieni do płytki umieść każdy emiter w bardzo jasnym, skupionym świetle kolorowej diody LED. Wybierz kolor, który będzie najbardziej kontrastował z soczewką emitera podczerwieni oraz farbą (lub innym pokryciem). Umieść emiter podczerwieni przed diodą LED w taki sposób, aby światło wpadało z przodu emitera podczerwieni i ujawniało wszystkie niepokryte miejsca (rysunek 13.9).

Rysunek 13.9. Ultrajasna czerwona dioda LED (niepokazana na tym zdjęciu), umieszczona na płytce prototypowej, oświetla emiter trzymany w szczypcach. Niepomalowane miejsca są wyraźnie widoczne

247 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Po dokładnym przeglądzie i położeniu drugiej warstwy lakieru dodałem czarną koszulkę termokurczliwą, aby dodatkowo zabezpieczyć boki i tył emiterów podczerwieni. Zdecydowałem się, aby nie zaciskać koszulek, bo są one wtedy mniej elastyczne, więc w przyszłości mogę eksperymentować z regulacją kąta emiterów.

Wykonywanie obudowy robota Rondo Obudowę robota Rondo wykonałem ręcznie, korzystając z wiertarki stołowej lub frezarki ze stołem obrotowym. Jeżeli chcesz, możesz użyć plastikowego, okrągłego pudełka kuchennego lub nawet prostokątnego pudełka. Możesz nawet umieścić układy robota Rondo wewnątrz robota Kanapka z książki Budowa robotów dla początkujących (rysunek 13.10).

Rysunek 13.10. Dwa inne sposoby na dodanie układów robota Rondo do pudełka na kanapki. Ronapka? Możesz oszczędzić czas i pieniądze, umieszczając płytkę robota Rondo w obudowie robota Kanapka (po lewej). Zwróć uwagę na otwory z przodu obudowy. Alternatywna wersja pudełka na kanapki z płytką robota Rondo zamontowaną na górze, wycentrowaną osią i nieco innymi kołami (po prawej) Jeżeli zamierzasz zamontować płytkę robota Rondo wewnątrz robota Kanapka, możesz skorzystać z poniższych porad: x Wywierć kilka otworów na emitery. W przeciwnym razie plastikowe pudełko może odbijać do wnętrza podczerwień — będzie to powodowało fałszywe wykrycia. x Skieruj emitery nieco w górę i zmniejsz ilość przepływającego przez nie prądu (R7); w przeciwnym razie niski profil obudowy robota Kanapka może powodować wykrywanie podłogi. W takim przypadku robot ciągle będzie jeździł tyłem (odsuwając się od podłogi), co jest śmieszne, ale mało wartościowe. x Wymień wyłącznik zasilania użyty w robocie Rondo na dwustykowe złącze Molex do podłączenia do tylnego wyłącznika robota Kanapka. x Zastosowany w robocie Kanapka przełącznik pomiędzy jasną a ciemną linią oraz diody LED nie są używane na standardowej płytce robota Rondo. Albo pozostaw te złącza niepodłączone, albo zmień płytkę, aby te dodatkowe części były wykorzystane.

Problemy z dostępnością silników z przekładniami W doskonałym świecie budowniczy robotów byłby w stanie zaprojektować robota do dokładnie określonych zadań i specyfikacji tak, jak to sobie wymarzył. W rzeczywistości roboty są najczęściej zbudowane w taki sposób, aby były w stanie obsłużyć silniki, które akurat posiada konstruktor. Rondo pasuje do tego opisu, ponieważ zacząłem modelować podstawę na bazie silników z przekładnią, które udało mi się kupić na aukcji w internecie. 248 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Mówiąc krótko, względnie niedrogie, wysokiej jakości silniki z przekładniami nie są powszechnie dostępne. Wielu konstruktorów musi polegać na elementach dostępnych w katalogach nadwyżek. Oczywiście możesz zapłacić ponad 200 zł za silnik z przekładnią i otrzymać od producenta dokładnie to, czego oczekujesz, ale wykracza to poza budżet większości hobbystów. Inną możliwością zakupu najlepszych miniaturowych silników z przekładnią są portale aukcyjne. Spróbuj poszukać ich na portalu eBay, wykorzystując frazy „maxon”, „portescap”, „escap”, „copal”, „gearmotor”, „swiss motor” lub „mini motor”. Często można znaleźć nowe, niewiele używane lub nadmiarowe silniki najlepszych producentów; ceny tych silników bywają wtedy trzecią częścią ceny sklepowej. Oczywiście są to ograniczone źródła i nie można podać własnych parametrów, co jest możliwe przy zakupie bezpośrednio od producenta. Inną możliwością zakupu silników jest rynek detaliczny, na którym sytuacja się poprawia w związku z rosnącą popularnością robotyki jako hobby. Niedrogie silniki z przekładniami regularnie pojawiają się w sklepie Solarbotics. Również Jameco, SparkFun oraz RobotCombat (http://robotcombat.com/products/small_geared_motors.html) posiadają zapasy odpowiednich silników. Jednak niemal żaden silnik nie jest dostępny w wielu źródłach jednocześnie. Jeżeli na przykład Jameco nie ma w magazynie silników zalecanych dla robota Kanapka, jestem zalewany wiadomościami z żądaniami podania nazwy innego dostawcy (ServoCity.com). Dlatego w trosce o czytelników w książce tej unikam przypisywania projektu robota do jednego typu silnika lub jednego typu obudowy. Zamiast tego przedstawiam ogólne atrybuty silnika robota oraz obudowy, abyś mógł wybrać właściwy silnik z aktualnie dostępnych.

Uycie precyzyjnych silników Escap z przekadni w robocie Rondo Po tych wszystkich zastrzeżeniach mogę powiedzieć, że Rondo korzysta z silników Escap o numerze 13N88-110, zasilaniu 12 V i średnicy 13 mm (rysunek 13.11). Silniki te są względnie efektywne pomimo ich niewielkich rozmiarów, co przekłada się na dłuższy czas działania baterii.

Rysunek 13.11. Niewielkiej średnicy silniki Escap w robocie Rondo Silnik ten ma przełożenie 352:1. To zbyt dużo. Daje to tylko 25 obr./min przy 9 V. Przy zastosowaniu kół LEGO o średnicy 3 cm Rondo porusza się z prędkością, którą można wyliczyć w następujący sposób: prdko liniowa w cm/s = rednica koa w cm × × (obr./min/60 sekund w minucie) prdko liniowa w cm/s = 3 cm × × (25 obr./min/60) prdko liniowa w cm/s = 3,927 cm/s

Rondo jest bardzo powolny. Dla porównania prędkość robota Kanapka to około 26 cm/s. Niższe przełożenie poprawiłoby osiągi, ale dostępne silniki miały wyłącznie przekładnię 352:1. Oczywiście, Twój robot Rondo może być szybszy, w zależności od zastosowanego silnika.

249 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Pożądane cechy robota Zalecane jest, choć nie wymagane, aby obudowa robota Rondo posiadała następujące cechy: Mała — powinna być względnie niewielka, aby robot mógł przejeżdżać przez wąskie miejsca. Lekka — powinna być lekka, aby silniki nie były przeciążone. Bateria 9 V może nie być w stanie dostarczyć odpowiednio dużo prądu, aby zasilić przeciążone silniki. Przeciążone silniki mają ponadto tendencję do zatrzymywania się, gdy są zasilane impulsowo przy braku maksymalnej mocy, co w naszym przypadku spowoduje, że robot nie będzie skręcał stopniowo po wykryciu przeszkody. Dwa koła — powinna posiadać dwa koła umieszczone pośrodku robota, aby mógł się on obracać w miejscu. Jeżeli koła byłyby umieszczone na przodzie robota, jego tył mógłby kolidować z przeszkodą w czasie skrętu. Jeżeli koła byłyby umieszczone z tyłu robota, jego przód mógłby uderzyć w przeszkodę przy próbie wycofania. Okrągła — powinna być okrągła, jeżeli jest to możliwe, ze względu na potencjalne kolizje opisane w poprzednim punkcie. Wymagane jest, aby obudowa robota Rondo zapewniała niezakłócony widok w przód, pozwalający na pracę sensorów podczerwieni. Jeżeli coś będzie przeszkadzało emiterowi podczerwieni, sygnał może odbić się od tej przeszkody i trafić bezpośrednio do detektora podczerwieni, powodując fałszywe detekcje przeszkód. Jeżeli zostaną przesłonięte detektory, mogą nie być w stanie odebrać sygnału odbijającego się od przeszkody, fałszywie wskazując, że droga jest wolna. Poniżej wymienione są cechy i wymiary mojego robota Rondo: x średnica obudowy to 14 cm, całkowita wysokość 8 cm (wraz ze wszystkimi przewodami i sensorami), x masa 266 gramów bez baterii i 316 gramów z baterią 9 V, x koła umieszczone na środku, x ręcznie wykonana okrągła obudowa. Wykonałem trzy roboty Rondo z arkuszy fluorescencyjnego akrylu o grubości 6 mm, koloru zielonego, czerwonego i pomarańczowego. Zaopatrzyłem się również w 6-milimetrowe arkusze wylewanego fluorescencyjnego akrylu koloru zielonego, czerwonego, bursztynowego i niebieskiego. Dostępne są również arkusze w nieprzezroczystych kolorach, takich jak czarny, niebieski, zielony, czerwony, biały i żółty, oraz przezroczyste przyciemniane szare oraz przezroczyste przyciemniane brązowe. Akryl jest niedrogi, lekki i względnie łatwy do obróbki. Ma również kilka niedoskonałości — jest kruchy, więc może pęknąć, i mało odporny na zarysowania. Jednak 6 mm to odpowiednia grubość, aby obudowa była mocna i aby można było w niej wywiercić i nagwintować otwory na śruby o średnicy 3 mm.

Projektowanie korpusu robota Modelując nowego robota, zwykle mam w głowie kilka pożądanych części, takich jak silniki, sensory lub materiał do wykonania korpusu. Układam je na stole i eksperymentuję z kształtami i położeniem. Następnie wyciągam wielkie pudło z częściami LEGO i buduję zgrubną ramę. W przypadku szybkich projektów sklejam ze sobą elementy przenoszące obciążenia i strukturalne klocki LEGO, wiercę kilka otworów, i korpus robota jest gotowy. Jednak w przypadku większości moich robotów wolę zainwestować więcej czasu, aby osiągnąć specyficzny kształt i sylwetkę korpusu. Przez te wszystkie lata przeszedłem długą drogę, zanim budząca grozę obróbka maszynowa stała się dla mnie relaksującym zajęciem pozwalającym oderwać się od codziennych czynności. Zmiana w podejściu była tylko kwestią praktyki i zakupu właściwych narzędzi.

250 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Tworzenie szablonu Gdy skonstruuję zgrubny korpus z klocków LEGO lub zbioru luźnych elementów na biurku, tworzę dwuwymiarowe papierowe szablony w programie do rysowania. Niektórzy konstruktorzy decydują się na rozbudowane trójwymiarowe modele. Może to być odpowiednie w przypadku produkcji przemysłowej lub skomplikowanych projektów, ale ja jestem tylko zainteresowany upewnieniem się, że części mają odpowiednie wymiary i że otwory są dobrze rozmieszczone. Korzystając z Microsoft Visio, łączę linie, prostokąty i okręgi, tworząc precyzyjną, dwuwymiarową reprezentację części do wykonania (rysunek 13.12). W przeciwieństwie do rastrowych programów do rysowania programy wektorowe, takie jak Visio, pozwalają w dowolnym momencie na wybranie każdego elementu, zmianę jego wielkości lub jego przesunięcie.

Rysunek 13.12. Papierowy szablon uchwytów na silniki oraz okrągłej platformy dla robota Rondo Gdy zgrubnie określisz rozmiar i położenie elementu za pomocą myszy, możesz wpisać oczekiwane wymiary i współrzędne. Narzędzie wyrównywania ułatwia centrowanie lub układanie obiektów względem siebie. Możesz na przykład utworzyć koło o średnicy dokładnie 3 mm przez wpisanie tej wielkości do okienka Rozmiar i położenie (rysunek 13.13). Następnie narysowanie dwóch linii i wycentrowanie ich w okręgu za pomocą narzędzia wyrównywania pozwala na utworzenie krzyżyka pomagającego później centrować wiertło. Zamiast krzyżyka możesz również narysować wycentrowaną kropkę.

Rysunek 13.13. Wpisywanie oczekiwanych wymiarów niegwintowanego otworu o średnicy 3 mm z krzyżykiem

251 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Aby uzyskać nominalne wymiary silników lub innych części zawierających otwory, najlepiej korzystać ze specyfikacji producenta. We wszystkich innych przypadkach dosyć dokładne pomiary zapewnia suwmiarka (najlepiej cyfrowa). Po wpisaniu wymiarów i lokalizacji wszystkich krytycznych elementów możesz te elementy zgrupować, aby można było je przenosić jako jeden obiekt. Umieść je jeden nad drugim w miejscach, gdzie się stykają, aby upewnić się, że pasują do siebie i że otwory są odpowiednio ustawione. Użycie programu graficznego ma wiele zalet w stosunku do ręcznego rysowania szablonów: x można wpisać dokładne wymiary, kąty, wyrównanie i położenie, x zmiany są proste — są przydatne nie tylko wtedy, gdy trzeba dokonać korekt, ale umożliwiają również rozszerzanie projektu w przyszłości, x możesz powielać elementy i wykorzystywać je w całym korpusie robota lub w innych robotach, x możesz szybko pozycjonować części jedne na drugich w celu sprawdzenia, czy do siebie pasują, a następnie przenieść je w inne miejsca dokumentu w celu wykonania wydruku. Jeżeli nigdy wcześniej nie korzystałeś z programu graficznego w celu projektowania części robota, może się to wydawać pracochłonne. Jednak uwierz mi, pozwala to zaoszczędzić dużo czasu i daje dokładniejsze wyniki. Dodatkowo bardziej prawdopodobne jest wprowadzenie kreatywnych zmian, gdy wymaga to przeciągnięcia elementów myszą, a nie ponownego ręcznego rysowania całego rysunku.

Drukowanie szablonu Gdy szablon jest gotowy, wydrukuj go na papierze, naklejce lub przezroczystej folii (takiej jak używana w projektorach). Naklejki mają jednak pewną wadę, ponieważ przyklejają się do narzędzi tnących. Folie są przyjemne w użyciu, ponieważ można przez nie widzieć obrabiany materiał i mniej się rozciągają w stosunku do papieru. Ich wadą jest cena wyższa niż cena zwykłego papieru oraz brak kontrastu pomiędzy czarnym tuszem a ciemnym obrabianym elementem. Jeżeli jednak masz drukarkę kolorową, możesz wydrukować szablon w innym kolorze, aby poprawić kontrast. Po wydrukowaniu projektu użyj linijki, aby zmierzyć wymiary większych elementów, co pozwala sprawdzić, czy zostały wydrukowane w odpowiedniej wielkości. Nowoczesne drukarki są wystarczająco dokładne. Jeżeli okaże się, że wydruk różni się o ponad 1 procent od projektu, możesz zmniejszyć lub powiększyć skalę w oknie dialogowym Ustawienia strony lub Drukarka.

Mocowanie szablonu Aby wykorzystać szablon przy cięciu i wierceniu, należy go zamocować na surowym materiale. Do tego celu nieźle nadaje się malarska taśma maskująca. Mniej odpowiednie są klej kauczukowy lub kleje rozpuszczalne w wodzie — zwykle papier ma tendencję do marszczenia się. „ Uwaga Jestem pewny, e wielu zawodowych operatorów obrabiarek wzdrygnie si na my l o wykorzystywaniu gi tkich szablonów papierowych w czasie pracy. W kocu papier moe si atwo zsun , pogi , skr ci lub rozerwa , przez co kolejne operacje b d mao dokadne. Jednak zauwayem, e szablony papierowe s dokadniejsze ni moje wykonywane r cznie znaczniki i dokadniejsze ni moje amatorskie narz dzia. Oczywi cie, jeeli Twoja obrabiarka ma funkcj podgldu cyfrowego (DRO), osigniesz lepsze wyniki, kierujc si liniami na ekranie, ni przyczepiajc papier do materiau.

252 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Ustawianie szablonu na elemencie roboczym Jeżeli obrabiany element ma prostą krawędź, korzystne może być rozpoczęcie od przyklejenia narożników szablonu, a następnie wyrównanie szablonu do prostej krawędzi materiału za pomocą przymiaru warsztatowego (rysunek 13.14). Na frezarce możesz wyrównać prostą stronę materiału z brzegiem stołu frezarki, dzięki czemu szablon będzie prostopadły w stosunku do stołu. Po wyrównaniu szablonu znacznie łatwiej jest wykonywać równoległe lub prostopadłe otwory bądź ciąć przez obracanie pokrętła osi x lub y.

Rysunek 13.14. Użycie przymiaru warsztatowego do wyrównania długich brzegów szablonu do prostego brzegu materiału Po wyrównaniu umocuj narożniki szablonu, aby nie przesuwał się w czasie pracy. Przyklej pozostałe narożniki szablonu i inne brzegi, które mogą się unieść.

Punktowanie otworów w celu lepszego centrowania Niektórzy konstruktorzy uznają za pomocne punktowanie środka otworu, co ułatwia wiercenie (rysunek 13.15). Jeżeli w czasie wiercenia wiertło jest nieco przesunięte w stosunku do znacznika, zsuwa się do napunktowanego środka i otwór jest wykonywany we właściwym miejscu. W czasie punktowania i wiercenia zawsze używaj okularów ochronnych. Dodatkową zaletą korzystania z punktaka wraz z szablonami papierowymi jest to, że nawet gdy w czasie pracy szablon się nieco przesunie, znak na materiale pozwala wywiercić otwór w zaplanowanym wcześniej miejscu. Gdy korzystam z frezarki pionowej, punktowanie środków otworów jest dla mnie mało pomocne. Dokładna regulacja położenia stołu frezarki zapewnia lepszą precyzję niż moje dłonie z punktakiem i młotkiem. Unikaj punktowania środków głębokich otworów o niewielkiej średnicy. Jeżeli wiertło nie dopasuje się do napunktowanego znacznika, będzie do niego ściągane, przez co otwór będzie wywiercony pod niewielkim kątem. W przypadku płytkich otworów nie jest to znaczący problem. Jednak przy wierceniu głębokich otworów zachodzi niebezpieczeństwo uszkodzenia wiertła lub wykonania otworu pod widocznym kątem.

253 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 13.15. Punktak (na górze). Ostry szpic punktaka zaznacza środek każdego otworu do wywiercenia (na dole)

Usuwanie tamy przed obróbk brzegów Pierwszym krokiem przy przygotowaniu surowego materiału, który stanie się korpusem robota, jest zgrubne przycięcie materiału za pomocą piłki do metalu lub innego narzędzia do wymiaru nieco większego niż ostateczny. Następnie możesz wykorzystać kilka sposobów na wykończenie brzegów materiału. Możesz zmierzyć ręcznie końcowe wymiary i wykończyć zewnętrzne wymiary precyzyjnym narzędziem (takim jak frezarka) przed umocowaniem szablonu. Jeżeli na przykład musisz wykonać kilka nieskomplikowanych prostokątnych elementów, prawdopodobnie łatwiej będzie wykonać pasek materiału, a następnie odcinać od niego po kolei elementy, odmierzając odpowiednią ich szerokość. Innym podejściem jest zamocowanie szablonu do wstępnie przyciętego materiału (klej lub śruby) i użyć tego szablonu jako przymiaru zewnętrznego. Jest to niezłe w przypadku bardziej skomplikowanych kształtów. Po prostu upewnij się, czy nie przyklejasz taśmy do zewnętrznych brzegów, które będą obrabiane, ponieważ taśma zakleja narzędzie tnące. Poniżej przedstawiony jest przykład użycia śrub zamiast taśmy w przypadku obrabiania zewnętrznych brzegów materiału. W przykładzie tym wykonywanych jest wiele płyt jednocześnie, jednak metoda ta sprawdza się to równie dobrze przy mocowaniu szablonu do jednej płyty. Wykonaj następujące operacje: 1. Zgrubnie przytnij parę płyt tak, aby były nieco większe niż pożądane. 2. Połóż płyty jedna na drugą. 3. Sklej taśmą płyty, umieszczając na górze szablon. 4. Wywierć kilka otworów przez szablon. 5. Nagwintuj otwory na śruby maszynowe (nie śruby do drewna). 6. Wkręć śruby, aby wszystkie płyty trzymały się razem (rysunek 13.16). 7. Usuń taśmę z zewnętrznych brzegów (nie jest już potrzebna, ponieważ śruby trzymają wszystko razem). 8. Obrób zewnętrzne brzegi. Jeżeli umieściłeś kilka płyt jedna na drugiej, możesz je obrabiać jednocześnie. Pozwala to zaoszczędzić czas i daje świetne dopasowanie elementów.

254 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Rysunek 13.16. Dwie płyty oraz szablon papierowy trzymane początkowo przez taśmę malarską. Po wywierceniu i nagwintowaniu otworów śruby będą trzymać płyty, więc taśma nie będzie potrzebna. Powinieneś ją usunąć przed rozpoczęciem obróbki zewnętrznych brzegów

Budowa centralnej platformy dla robota Rondo Okrągła centralna platforma robota Rondo umożliwia zamocowanie jego elementów. Są do niej przymocowane płytka z układami, bateria oraz uchwyty na silniki.

Frezowanie lub zakup dysku Dysk będący centralną platformą robota został wycięty za pomocą frezarki oraz stołu obrotowego w sposób opisany w rozdziale 5. przy okazji omawiania wykonywania kół: 1. Zacznij od kawałka plastiku lub aluminium. 2. Za pomocą piły ręcznej lub stołowej wytnij element o nieco większych wymiarach niż oczekiwana średnica. 3. Wywierć otwór mniej więcej na środku obrabianego elementu lub wywierć cztery otwory wokół środka, aby można było zamocować element na stole obrotowym. 4. Przykręć obrabiany element do stołu obrotowego (rysunek 13.17). 5. Przysuń powierzchnię skrawającą frezu do brzegu obrabianego elementu, obracając stołem. Da to w efekcie okrągły element wycentrowany wokół otworu (otworów) mocującego. Możesz również kupić przezroczysty dysk akrylowy o średnicy 15 cm i grubości 6 mm — kupiłem taki za 35 zł. Oszczędza to wiele pracy, ale oczywiście nie będziesz miał pełnego wyboru kolorów, materiałów i rozmiarów.

Rozmieszczanie i gwintowanie otworów na ruby w platformie robota Rondo Centralna platforma robota Rondo wymaga wielu gwintowanych i niegwintowanych otworów na śruby trzymające płytkę z układami, baterię oraz uchwyty na silniki. Faktyczne rozmieszczenie tych otworów zależy od rozmiaru płytki i silników. Nie jest niczym niezwykłym późniejsze wiercenie otworów w podstawie robota w celu dodania nowych sensorów, wymiany części lub wykonania innych rozszerzeń.

255 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 13.17. Korpus robota zgrubnie przycięty do kształtu ośmiokąta, który ostatecznie będzie miał zaokrągloną zewnętrzną krawędź przy użyciu frezarki i stołu obrotowego. Zwróć uwagę na cztery śruby z dużymi podkładkami, bezpiecznie trzymające obrabiany element; nie będzie się on odkręcał przy obracaniu Na środku platformy powinieneś wywiercić duży otwór pozwalający na poprowadzenie kabli silników oraz baterii z dolnej części robota do płytki z układami umieszczonej na górze. Aby uniknąć frustracji przy próbach siłowego przeciągnięcia złączy i przewodów przez wąski otwór, spróbuj pomyśleć o tym wcześniej i wywiercić nieco większy przepust. Przepust o średnicy 12 mm wystarcza dla dwóch złączy Molex oraz trzech kabli użytych w robocie Rondo. 12 mm jest maksymalną wielkością chwytu wiertła, jaka jest dostępna w większości amatorskich wiertarek (niektóre mieszczą wiertła o średnicy najwyżej 10 mm). W razie potrzeby możesz zastosować wiertło o zmniejszonym chwycie. Jeżeli masz frezarkę, możesz wykonać długie zaokrąglone wycięcie przez przesuwanie osi x lub y, gdy frez przewierci się przez obrabiany element.

Mechanizm silników robota Rondo Silniki robota Rondo są montowane równolegle do siebie, aby zmniejszyć szerokość robota (rysunek 13.18). Gdyby silniki stykały się tylnymi częściami, robot byłby bardzo szeroki. Pomimo że silniki robota Rondo są o 33 procent dłuższe niż silniki robota Kanapka, ich ustawienie powoduje, że całkowita szerokość tego pierwszego robota jest o 33 procent mniejsza niż szerokość drugiego. Dodatkowo pomagają w tym cienkie opony.

Zastosowanie identycznych uchwytów na silniki Uchwyty na silniki robota Rondo składają się z czterech prostokątnych elementów, do których przymocowane są silniki i przekładnie. Choć początkowo może to wyglądać na skomplikowane, okazuje się, że wszystkie uchwyty na silniki są identyczne. Uchwyty te są wykonywane jednocześnie przez wywiercenie trzech otworów poprzez stos czterech ściśniętych razem elementów. Dzięki temu są one niemal identyczne, więc łatwo możemy je ustawić w robocie.

256 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Rysunek 13.18. Równoległe ustawienie silników pozwala ograniczyć szerokość robota Koła robota Rondo są mocowane tylko ze strony wewnętrznej. Jest to dopuszczalne, ponieważ robot ten jest dosyć lekki. Jeżeli wolisz, koła w cięższych robotach mogą być mocowane z obu stron z użyciem sześciu uchwytów (rysunek 13.19).

Rysunek 13.19. Znacznie większy robot Zupa również korzysta z równoległych silników. Dzięki zastosowaniu dwóch dodatkowych uchwytów (po jednym z każdej strony) koła robota i zewnętrzne przekładnie mają lepszą ochronę przed uszkodzeniami, ponieważ osie są zamocowane z obu stron

257 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wybór midzy montaem silników na wcisk a uyciem rub montaowych Rondo generuje tak mało momentu obrotowego, że można po prostu wsunąć silniki do otworów montażowych, nie korzystając ze śrub. Użycie plastikowych uchwytów na silniki zapewnia ciasne spasowanie pomiędzy obudową silnika i otworem montażowym. Tak jak większość plastików, akryl ulega nieznacznemu ściśnięciu w czasie wiercenia. Po wierceniu plastik rozszerza się, nieco zmniejszając rozmiar otworu. Końcowe dopasowanie jest wystarczająco dokładne, by silniki były utrzymywane na swoich miejscach tylko przez tarcie; taki sposób montażu nazywa się montażem na wcisk. Jeżeli z pewnego powodu otwory montażowe silników okażą się zbyt duże i silnik będzie wchodził w nie luźno, dodaj jedną – dwie krople kleju do otworu montażowego. Nie używaj jednak zbyt dużo kleju, ponieważ w przyszłości powinieneś móc wyciągnąć silnik z otworu. Montaż silników na wcisk jest odpowiedni tylko w bardzo małych robotach. Choć jest to wygodne, to najwłaściwszym sposobem jest mocowanie silników z wykorzystaniem śrub i otworów montażowych wykonanych przez producenta w obudowie silnika.

Monta silników za pomoc rub Ponieważ robot Zupa jest większym robotem, silnik jest przymocowany do uchwytu śrubami. Oznacza to, że uchwyty te są nieco bardziej skomplikowane niż uchwyty na silniki robota Rondo. Dwa zewnętrzne uchwyty po obu stronach (czyli razem cztery) są identyczne, podobnie jak w robocie Rondo. Jednak dwa wewnętrzne uchwyty na silniki robota Zupa różnią się od pozostałych. Wewnętrzne uchwyty są swoim lustrzanym odbiciem. Jest to spowodowane tym, że na jednym końcu uchwytu znajduje się tył silnika o większej średnicy, a na drugim śruby utrzymujące silnik we właściwym położeniu (rysunek 13.20).

Rysunek 13.20. Wewnętrzne uchwyty robota Zupa mają otwory o dwóch rozmiarach. Mniejszy otwór jest otoczony przez śruby trzymające silnik w uchwycie

Podczanie kó i zbatek LEGO Rondo korzysta z 12-milimetrowych łączników (rysunek 13.21) łączących silniki z zębatkami i kołami LEGO. Łącznik jest wykonany z pełnego pręta. Opis procesu wykonania łączników jest zamieszczony w rozdziałach od 2. do 4.

258 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Rysunek 13.21. Łącznik z pręta o średnicy 12 mm z wpuszczaną śrubą ustalającą oraz osią LEGO Upewnij się, że w łączniku przeznaczonym dla robota Rondo umieściłeś długą oś, ponieważ łącznik przechodzi przez uchwyt na silnik o grubości 6 mm, a muszą się na nim zmieścić zębatka i koło LEGO. Podczas prób dopasowania elementów robota wybierz odpowiednio długą oś.

Wybór zębatek LEGO Jak wcześniej wspominałem, preferuję zębatki LEGO, ponieważ mają one wysoką jakość, są tanie i powszechnie dostępne. Jedną z najważniejszych cech części LEGO jest możliwość ich szybkiej wymiany. Nie tylko zachęca to do eksperymentowania, ale pozwala na zmiany, które przekształcają przeciętnego robota w zwycięskiego. Odległość pomiędzy otworami w każdym z uchwytów na silnik została dobrana tak, aby odzwierciedlała odległość pomiędzy dwoma kołami LEGO. Odległość ta, często określana jako jednostka LEGO (LU — LEGO Unit), wynosi 8 mm. Dlatego odległość 2 LU pomiędzy otworami w uchwycie na silnik odpowiada 16 mm.

Centrowanie kó z uyciem koa poredniego Przy odległości 2 LU dwa 16-zębowe koła LEGO idealnie do siebie pasują (rysunek 13.22). Równa liczba zębów w każdej z zębatek nie zmienia prędkości obrotowej ani momentu obrotowego, lecz tylko pozwala dostarczyć moc silnika w inne miejsce. Układ zębatek z przełożeniem 1:1 jest nazywany kołem pośrednim. Powtarzam, że zębatki te wyłącznie dostarczają moc do innej lokalizacji, a efektem ubocznym jest odwrócenie kierunku obrotów.

Rysunek 13.22. Dwie 16-zębowe zębatki LEGO oddalone od siebie o 2 LU

259 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W tym przypadku koło pośrednie przesuwa obroty silnika do środka korpusu robota. Dzięki temu pomimo że silniki są przesunięte, moc jest dostarczana na środek korpusu (na koła), co pozwala robotowi na obracanie się w miejscu. Zalecane jest konstruowanie robotów bez kół pośrednich, ponieważ każde koło zębate zmniejsza efektywność z powodu zwiększenia tarcia. Jednak w przypadku projektu robota Rondo pozwalają one zachować niewielkie wymiary obudowy oraz możliwość obrotu robota w miejscu. Dodatkowo koła zębate LEGO izolują silniki od wybojów i innych sił działających na główną oś (przypomnij sobie początek rozdziału 5.). Takie zewnętrzne zębatki LEGO są łatwiejsze i tańsze do wymiany niż niewielkie zębatki znajdujące się w przekładni silnika.

Zmniejszanie prdkoci i zwikszanie momentu obrotowego Koła zębate o 8 zębach i 24 zębach (rysunek 13.23) również idealnie do siebie pasują przy odległości 2 LU. Przez umieszczenie koła 8-zębowego na wyjściu z silnika (poprzez łącznik) i koła 24-zębowego na osi koła prędkość obrotowa koła wynosi 8/24 lub 1/3 prędkości wałka silnika. Robot zwalnia do około 1/3 prędkości.

Rysunek 13.23. Koło zębate LEGO o 8 zębach umieszczone na wyjściu z silnika i 24-zębowe koło LEGO umieszczone na osi koła powoduje spowolnienie robota, ale zwiększenie siły napędowej Oczywiście, przy przełożeniu 352:1 w przekładni mojego silnika nie muszę jeszcze bardziej spowalniać robota. Jeżeli jednak Twój robot Rondo jest zbyt szybki, spróbuj zastosować ten układ kół o 8 i 24 zębach. W zamian za spowolnienie robota moment obrotowy (lub siła napędowa) zostanie zwiększony o ten sam współczynnik. Jeżeli Twój robot ma problemy z poruszaniem się lub zatrzymuje się na nierównościach czy przeszkodach, spróbuj zastosować większe przełożenie.

Zwikszanie szybkoci w zamian za spadek momentu Co się stanie, jeżeli zamienimy zębatki miejscami? Umieszczenie koła zębatego o 24 zębach na silniku i 8-zębowego na osi koła (rysunek 13.24) spowoduje, że koła będą kręcić się trzy razy na każdy obrót wałka silnika. Robot przyspieszy trzykrotnie. Taka zamiana kół jest bardzo wartościowa dla mojego robota Rondo! Przełożenie silnika 352:1 spadło efektywnie do około 117:1. Prędkość liniowa wzrosła z 3,927 cm/s do szaleńczych 11,8 cm/s. No dobrze, to nadal dosyć wolno. Zwiększanie przełożenia w silniku i zmniejszanie go z wykorzystaniem zewnętrznych kół zębatych nie jest efektywne. Jeżeli jednak nie masz możliwości zastosowania innego silnika z przekładnią, to zewnętrzna zmiana przełożenia pozwala na poprawienie osiągów.

260 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Rysunek 13.24. Koło zębate LEGO o 24 zębach umieszczone na wyjściu z silnika i 8-zębowe koło LEGO umieszczone na osi koła powoduje przyspieszenie robota

Zmiana szybkoci i momentu obrotowego za pomoc koa pasowego Lego produkuje również koła pasowe oraz pasy, które mogą być użyte zamiast zębatek. Aby zapewnić zmianę szybkości i momentu obrotowego, możesz zastosować koła pasowe — mniejsze i większe (rysunek 13.25).

Rysunek 13.25. Mniejsze koło pasowe połączone pasem z większym kołem pasowym daje możliwość zmiany szybkości i momentu obrotowego, tak samo jak zestaw zębatek Dwa identyczne koła pasowe pozwalają na przenoszenie mocy na większe odległości za pomocą pasa. Może to być znacznie efektywniejszy system dostarczania mocy niż długa seria zębatek. W przeciwieństwie do kół zębatych system z użyciem pasa zapewnia większą elastyczność w pozycjonowaniu każdego z kół pasowych, dając dowolność w doborze rozsądnej odległości między nimi. Zakładamy oczywiście, że możemy wykonać lub znaleźć pas o odpowiedniej długości. Jeżeli pas będzie zbyt krótki, będzie zbyt napięty i może się zerwać lub przeciążyć silnik. Jeżeli pas będzie zbyt długi, będzie za luźny i może spaść albo się ślizgać. Regulacja napięcia pasa jest częścią sztuki zastosowania systemów pasowych. Możliwość ślizgania się pasa jest jednocześnie wadą i zaletą kół pasowych i pasów. Jeżeli zostanie to zaplanowane prawidłowo, pas może się ślizgać, nie pozwalając na zatrzymanie silnika przy zbyt dużym obciążeniu. Dodatkowo ślizganie się pasa jest mniej szkodliwe niż złamanie zęba w zębatce. Jednak pas stopniowo się zużywa i rozciąga, wskutek czego zaczyna się ślizgać w niepożądanych momentach, co powoduje utratę mocy.

261 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

„ Wskazówka Po rednie koo pasowe pozwala skompensowa zuycie pasa i pomóc w utrzymaniu jego napi cia.

Osiąganie fizycznych ograniczeń ruchomych części LEGO Na poprzednich stronach pokazałem przykłady fantastycznej wymienności części LEGO. Zamiast wykonywać nowe części przy każdej zmianie, mogę po prostu wyjąć kilka części i zamienić je na inne. Pozwala to bardzo szybko uzyskać odpowiedź na pytanie, „co się stanie, gdy”. Trzeba jednak powiedzieć, że części LEGO mają swoje ograniczenia. Ponieważ są wykonane z plastiku niskiej gęstości i są zaprojektowane na rynek zabawek, nie nadają się do zastosowań wymagających odporności mechanicznej, pracy w ekstremalnych temperaturach czy niewielkiego zużycia w długim okresie. Przykładem może być pierwsza wersja robota Zupa, który ważył 1625 gramów i miał dwa silniki o mocy 6 W. Robot ten beznadziejnie zablokował się i jego silniki szybko zmieniały kierunek pracy w przód i w tył, próbując uwolnić maszynę z narożnika. Po chwili usłyszałem chrupnięcie w robocie, który następnie zaczął kręcić się wokół bezwładnego koła. Powodem była rozerwana zębatka (lewa strona rysunku 13.26).

Rysunek 13.26. Rozerwana zębatka LEGO (po lewej). Zębatka LEGO ze złamanym zębem (po prawej) Na początku myślałem, że była to wada zębatki. Krótko po wymianie uszkodzonego elementu inne koło straciło ząb (prawa strona rysunku 13.26). Aby uniknąć takich sytuacji zmieniłem program w mikrokontrolerze, aby przy zmianie kierunków oraz hamowaniu prędkość się stopniowo zmieniała. Dodatkowo obniżyłem masę robota do 1350 gramów, a napięcie zmniejszyłem z 16 V do 10 V. Zmiany te pozwoliły zmieścić się w limitach wytrzymałości zębatek LEGO i uniknąć kolejnych uszkodzeń.

Wykonywanie uchwytów na silniki robota Rondo Uchwyty na silniki robota Rondo są wykonane z akrylu o tej samej grubości (6 mm) i o tym samym kolorze co okrągła platforma centralna. Grubość jest ważna, ponieważ w każdy uchwyt muszą być wkręcone śruby o średnicy 3 mm, mocujące uchwyty na centralnej platformie.

Okrelanie wymiarów uchwytu na silnik Faktyczne wymiary uchwytu na silnik będą zależeć od wielkości silnika oraz rozmiaru wybranych kół. Kluczem do zastosowania zębatek LEGO jest wywiercenie otworów na silnik i oś w takiej samej odległości, jaka jest w klockach LEGO. Na rysunku 13.27 przedstawiona jest dwuwymiarowa reprezentacja klocków LEGO w stosunku do otworów na silnik i oś, co pozwala na ich ustawienie w prawidłowej odległości.

262 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Rysunek 13.27. Wymiary i względne położenie otworów w uchwytach na silniki robota Rondo. Jeżeli chcesz, możesz w inny sposób wykonać szablony, w zależności od użytych silników oraz kół Jeżeli zamierzasz mocować silniki na wcisk, to otwory na nie powinny być tej samej średnicy co silniki (w tym przypadku 13 mm). W przeciwnym razie zmniejsz rozmiar lewego lub prawego otworu na silnik, aby był tylko nieco większy od wałka silnika (rysunek 13.20) i dodaj otwory na śruby zgodnie ze specyfiką silnika. Zwróć uwagę, że otwór na oś jest wycentrowany poziomo, ale nie pionowo. Otwór na oś musisz ustawić w pionie tak, aby koło nie zaczepiało o centralną platformę robota. Dodatkowo koło musi mieć miejsce w dolnej części uchwytu na silnik, aby miało kontakt z podłożem. Łatwo zauważyć, że przykładowe silniki nie pozostawiły zbyt dużo przestrzeni na koła. Niestety, oznacza to, że Rondo ma problemy z jeżdżeniem po małych obiektach, a nawet po nierównej podłodze, na przykład po listwach w progach drzwi. Jednak dzięki tak bliskiej odległości między uchwytem na silnik a podłożem robot może ślizgać się na główkach śrub lub narożnikach uchwytów bez zbytniego podnoszenia przedniej części.

Przygotowanie materiau Jeżeli materiał ma przyklejoną folię ochronną, pozostaw ją na czas obróbki, chyba że producent zaleca inaczej. Niektóre plastiki, w tym akryl, są sprzedawane z papierową osłoną, chroniącą materiał przed zarysowaniem i gorącymi wiórami powstającymi w czasie obróbki. Wyciąłem piłą z arkusza akrylu cztery prostokątne fragmenty. Następnie za pomocą frezarki wykonałem płaskie, prostopadłe krawędzie. Na koniec umieściłem wszystkie cztery kawałki w imadle frezarki i sfrezowałem je do tej samej wysokości, korzystając z powiększonego frezu. Dobrym wyborem jest również frez jednoostrzowy.

Wybór gotowych kawaków materiau zamiast frezowania Krytyczne jest, aby tylko górna i być może dolna część uchwytu na silnik była płaska i prostopadła do ścianek. W zasadzie lewa i prawa strona może być nierówna, a nawet zbyt długa, bez znacznego wpływu na osiągi. Oznacza to, że nie musisz korzystać z frezarki — możesz po prostu kupić pasek materiału o właściwej szerokości. Paski takie są sprzedawane z prawidłowo wykonanym górnym i dolnym brzegiem. Potnij je piłą, tak aby miały mniej więcej potrzebną długość (ale lepiej niech będą zbyt długie niż zbyt krótkie). Nie ma potrzeby frezowania! W firmie McMaster-Carr można kupić czarny nylon o grubości 6 mm, szerokości 3,31 cm i długości 60 cm w cenie około 35 zł. Dostępne są również paski białego, prześwitującego polietylenu o ultrawysokiej wadze molekularnej (UHMW), o tych samych wymiarach i w cenie 6 zł za 60 cm. Oba te paski są szersze niż oczekiwane dla silników 13 mm, ale mogą być idealne dla większych silników. Choć ani nylon, ani polietylen nie są dostępne w ekscytujących, fluoroscencyjnych kolorach, są to materiały bardzo śliskie, co jest użyteczne, gdy robot ślizga się na końcach uchwytów na silniki. Ta sama śliskość powoduje, że materiały te są trudniejsze do zamocowania w czasie obróbki i mogą powodować, że wiertło się przesunie. Bądź więc ostrożny.

263 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wiercenie wszystkich uchwytów na silniki jednoczenie Sklej taśmą wszystkie prostokątne kawałki materiału, które mają się stać uchwytami na silniki, a następnie naklej na górze szablon (rysunek 13.28). W kolejnych punktach będziemy wiercić wszystkie uchwyty na silniki jednocześnie, aby zaoszczędzić czas i poprawić dopasowanie; dzięki temu otwory będą możliwie najbardziej równoległe. Jeżeli wiertło nieco ześlizgnie się przy wierceniu jednego otworu, ten sam błąd zostanie powielony w całym stosie, ale z zachowaniem równoległości silników i rozmieszczenia wszystkich skojarzonych otworów.

Rysunek 13.28. Gotowy do wiercenia stos półfabrykatów uchwytu na silnik razem z szablonem Możesz narysować markerem wodoodpornym linię na skos na jednej ze ścian stosu, dzięki czemu będziesz mógł montować uchwyty w takiej samej kolejności i orientacji co w czasie wiercenia. Jeżeli jest to dla Ciebie wizualnie nie do przyjęcia, spróbuj ponumerować je w narożnikach ołówkiem lub wykonując lekkie zarysowania.

Umieszczanie stosu w imadle Umieść stos uchwytów na silniki w imadle wiertarki. Pod stosem umieść podkładkę lub płaski odpad, dzięki czemu wiertło będzie mogło przejść przez stos bez uszkadzania imadła (rysunek 13.29). Ostrożnie! Jeżeli boki stosu uchwytów mające kontakt ze szczękami imadła nie są płaskie, otwory będą wywiercone pod kątem, a silniki mogą później nie pasować do dwóch elementów.

Rysunek 13.29. Umieszczenie płaskiego odpadu pod stosem uchwytów na silniki pozwala unieść stos, aby nie uszkodzić imadła, gdy wiertło przejdzie przez dół stosu

264 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Umieść wiertło o średnicy 5 mm w uchwycie wiertarki. Przesuń wiertło poza brzeg stosu i obniż je tak, aby koniec wiertła znalazł się poniżej stosu (rysunek 13.29). Ustaw blokadę głębokości, aby wiertło nie mogło być bardziej obniżone.

Pozycjonowanie wiertła W zależności od typu końcówki wiertła może być trudno określić, czy jest ono wycentrowane w stosunku do celu. Jedną z metod z zastosowaniem szablonu papierowego jest powolne obniżanie obracającego się wiertła do momentu, gdy zacznie łapać szablon, ale nie tak głęboko, aby zaczęło ciąć materiał. Następnie podnieś wiertło, aby sprawdzić, gdzie wylądowało. Dzięki tej technice zadrapiemy nieco papieru i tuszu (rysunek 13.30) i zobaczymy dokładnie, jak wiertło jest ustawione w stosunku do szablonu.

Rysunek 13.30. Tusz na środku krzyżyka na szablonie został wytarty przez wiertło, co pokazuje, że wiertło jest ustawione prawidłowo Jeżeli wiertło jest przesunięte w stosunku do znacznika, przesuń je i ponownie spróbuj zarysować szablon. Pozwala to na kilka prób regulacji, ale później ta część szablonu będzie zbyt zużyta, aby można było zauważyć miejsce rozpoczynania wiercenia. Oczywiście, o ile papier nie został całkowicie przetarty, możesz przywrócić krzyżyk za pomocą pisaka i linijki, co pozwala na kolejne próby pozycjonowania.

Wiercenie trzech otworów Umieść wiertło o średnicy 5 mm nad otworem na silnik i oś. Ponieważ jest to głęboki otwór (cztery warstwy materiału po 6 mm, czyli głębokość 24 mm) dla wiertła o tak małej średnicy, ważne jest, aby unosić je co jakiś czas, aby wyżłobienia wiertła się nie zakleiły. W przypadku plastiku wiertło paraboliczne wyrzuca wióry (odcięty materiał) lepiej niż wiertło standardowe. Choć otwór na oś jest gotowy, otwory na silnik nie będą miały średnicy 5 mm. Te 5-milimetrowe otwory służą jako otwory pilotujące dla wiertła o większym rozmiarze. Jeżeli posiadasz odpowiednio mocną wiertarkę, możesz zdecydować się, aby nie wiercić otworów pilotujących i zamiast tego polegać na sztywności szerszego wiertła, unikając skrzywienia wynikowego otworu.

265 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Przygotowanie do wiercenia większych otworów na silniki Zamocuj w uchwycie wiertarki wiertło o średnicy równej średnicy Twoich silników. W moim przypadku użyłem wiertła o średnicy 13 mm, dla silników Escap również o średnicy 13 mm. Jeżeli nie możesz dostać wiertła tak dużego, aby pasowało do silnika, być może powinieneś użyć mniejszych silników. Możesz też zastosować inną metodę mocowania silników (na przykład kątowniki przedstawione w rozdziale 18.). Przesuń wiertło poza brzeg stosu i obniż je tak, aby koniec wiertła znalazł się poniżej stosu (rysunek 13.31). Ustaw blokadę głębokości. Kroki te są niezbędne, ponieważ wiertła o większej średnicy są niemal zawsze dłuższe niż wiertła o mniejszych średnicach; poprzednie ustawienie blokady groziłoby uszkodzeniem imadła.

Rysunek 13.31. Ustawienie nowej pozycji blokady głębokości dla dłuższego wiertła pozwala uniknąć przewiercenia imadła. Zwróć uwagę, że na tym rysunku w stosie wywiercone są trzy otwory o średnicy 5 mm, tak jak jest to opisane we wcześniejszych instrukcjach. Zauważ również, że choć papierowy szablon jest umocowany za pomocą taśmy na górze stosu, to każdy element jest mocno trzymany przez imadło (a nie tylko przez taśmę)

Pozycjonowanie wiertła o większej średnicy Ponieważ środek krzyżyka został usunięty przy wierceniu otworu pilotowego, do pozycjonowania wiertła o większej średnicy nie może być użyta technika zarysowania szablonu. Zamiast tego wykonaj następujące operacje: 1. Wyłącz wiertarkę. Była już ona wyłączona w czasie wymiany wierteł, prawda? 2. Obniż wiertło nad powierzchnię elementu tak, aby nie dotykało elementu ani szablonu. 3. Zgrubnie wycentruj wiertło nad okręgiem wydrukowanym na szablonie. 4. Wybierz krawędź tnącą wiertła, która wydaje się najszerszą częścią wiertła. 5. Obróć ręcznie wiertło, tak aby wybrana krawędź tnąca była równoległa do średnicy okręgu na szablonie (lewa strona rysunku 13.32). Ustaw wiertło tak, aby jego brzeg znajdował się na krawędzi okręgu.

266 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Rysunek 13.32. Poziome ustawianie dużego wiertła przez wyrównanie jednej krawędzi tnącej, a następnie obrócenie wiertła i wyrównanie tej samej krawędzi tnącej do drugiej strony 6. Obracaj wiertło ręcznie, ustawiając tę samą krawędź po drugiej stronie okręgu (prawa strona rysunku 13.32). Jeżeli musisz zmienić położenie wiertła, to wróć do kroku 5. i powtarzaj proces do momentu, aż wybrana krawędź znajdzie się po obu stronach w równej odległości od okręgu szablonu. Wiertło jest wycentrowane. 7. Powtarzaj kroki 5. i 6., ustawiając górną i dolną część okręgu na szablonie i ustawiając wiertło w pionie. Gdy dojdziesz do wprawy w tej metodzie pozycjonowania wiertła, operacja ta będzie zajmowała tylko kilka sekund.

Wiercenie otworów na silniki Po ustawieniu wiertła we właściwym położeniu włącz wiertarkę i nawierć otwór. Nie spiesz się i czasami wyjmuj wiertło z otworu, aby usunąć wióry. Wiercenie otworu o większej średnicy wymaga więcej pracy i bardziej obciąża wiertarkę. Większe wiertła wymagają większego momentu obrotowego, tak samo jak koło o większej średnicy wymaga większego momentu obrotowego od silnika. Jeżeli plastik zacznie się topić, może to być spowodowane następującymi czynnikami: x Wiertło jest opuszczane zbyt powoli, przez co tnie za mało materiału, a tarcie wytwarza ciepło. x Wiertło jest tępe. x Wiertło jest zaklejone. x Materiał i wiertło są za gorące; wyjmij wiertło i poczekaj, aż ostygnie zarówno ono, jak i materiał. Plastik rozprasza ciepło wolniej niż aluminium, przez co jest bardziej narażony na przegrzewanie się. Po wykonaniu pierwszego otworu na silnik przesuń wiertło nad drugi otwór i przewierć go. Stos powinien wyglądać jak na rysunku 13.33.

Wykonywanie otworów do montau uchwytów na silniki do centralnej platformy Zamocowanie uchwytów na silniki do centralnej platformy robota można wykonać na kilka sposobów. Jedną z możliwości jest klejenie, ale osobiście wolę mieć możliwość rozmontowania poszczególnych elementów obudowy w przypadku, gdy pojawi się błąd, uszkodzenie lub gdy będę miał chęć na rozbudowanie robota. Lepszą strategią jest zastosowanie śrub. Wtedy musisz wybrać pomiędzy otworem na wylot przez uchwyt na silnik a otworem wchodzącym częściowo w uchwyt.

267 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 13.33. Stos uchwytów na silniki z nawierconymi otworami na silniki i środkową oś

Wybór częściowego nawiercenia otworów w uchwycie na silnik Jeżeli zdecydujemy się na częściowe nawiercenie otworów na śruby w uchwytach na silniki, wystarczą otwory o głębokości 1 cm lub mniejszej. Następnie gwintujemy otwory znajdujące się w uchwytach na silniki (rysunek 13.34) oraz wiercimy w centralnej platformie otwory o nieco większej średnicy, które nie będą gwintowane (przypomnij sobie dopasowywanie gwintowanych i niegwintowanych otworów z rozdziału 5.). Śruby są wkręcane od góry, poprzez niegwintowany otwór w platformie, w gwint znajdujący się w uchwycie na silnik.

Rysunek 13.34. Te uchwyty na silniki zostały nawiercone częściowo, a następnie nagwintowane. Śruba jest wsuwana od góry, poprzez centralną platformę robota, i wkręcana w uchwyty na silniki Dla otworów częściowo nawierconych w uchwytach na silniki użyłem wiertła o średnicy 2,5 mm oraz gwintownika o średnicy 3 mm. Otwory w centralnej platformie robota nawierciłem wiertłem o średnicy 6 mm. W przypadku częściowego nawiercania otworów na śruby ich głębokość jest znacznie mniejsza, dzięki czemu unika się wyginania wiertła i wprowadzania błędów kątowych. Ponieważ są to otwory ślepe (nie przechodzą na wylot), mają tendencję do zaklejania się wiórami w czasie gwintowania. W przypadku akrylu lub innych kruchych plastików ważne jest wyczyszczenie gwintów z resztek (świetnie działa woda z mydłem i wąskie narzędzie czyszczące), ponieważ w przeciwnym razie uchwyty na silniki mogą pęknąć pod wpływem naprężeń po przykręceniu do platformy (przypomnij sobie gwintowanie akrylowych łączników z rozdziału 4.).

268 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

Wybór w pełni przewierconych, niegwintowanych otworów w uchwytach na silniki Inną możliwością jest przewiercenie otworu przez całą długość uchwytu (rysunek 13.35). Użyj wiertła o średnicy 3 mm, ponieważ otwór pozostanie nienagwintowany. Następnie wywierć w centralnej platformie otwory wiertłem o średnicy 2,5 mm i nagwintuj je gwintownikiem o średnicy 3 mm. Od spodu robota wsuń znacznie dłuższą śrubę, która musi sięgnąć gwintu w centralnej platformie.

Rysunek 13.35. Te uchwyty na silniki są przewiercone na wylot i nie są gwintowane. Śruba jest wsuwana od dołu i wkręcana w centralną platformę robota. Estetyka jednego z otworów w uchwycie na silnik została zrujnowana przez użycie pod stosem podkładki z czarnego plastiku ABS w czasie wiercenia Otwory na wylot przez uchwyty na silniki mają kilka wad. Po pierwsze, 2,8 cm to duża głębokość dla tak cienkiego wiertła. Prawdopodobne jest, że wiertło skrzywi się i otwór będzie wywiercony pod kątem. Po drugie, długie śruby o średnicy 3 mm są droższe i mniej dostępne. Jedną z zalet długich otworów i śrub jest ich efektowny wygląd. Uważaj przy wyborze materiału na podkładkę pod stosem uchwytów. W moim przypadku był to kawałek czarnego plastiku ABS. Gdy wierciłem, czarny plastik stopił się i został wciągnięty do otworu w czasie podnoszenia wiertła. Stopiony czarny plastik zmieszał się ze stopionym akrylem, formując brzydki otwór na śrubę. Mogłem uniknąć tego problemu, wybierając kawałek przezroczystego plastiku, drewno lub ustawiając podkładkę dalej od wierconego otworu.

Ślizgacze Umieszczenie główek śrub na dole uchwytów na silniki powoduje, że robot ślizga się na tych główkach, a nie na narożnikach uchwytów na silniki. Niestety, główki śrub mogą zaczepiać się o wykładziny lub szczeliny. Z kolei metal zużywa się mniej niż plastikowe narożniki i łatwiej jest wymienić śrubę niż uchwyt na silnik. Alternatywą w przypadku większych robotów jest wykonanie wymiennego bloku ze śliskiego plastiku, takiego jak PTFE (teflonu), polietylenu UHMW („teflonu dla ubogich”), nylonu, acetalu (Delrinu), a nawet polipropylenu. Robot Zupa ma ślizgacze teflonowe z tyłu dla ruchu w przód oraz gumki z przodu ułatwiające hamowanie lub skręcanie (rysunek 13.36).

Wiercenie otworów w uchwytach na silniki Po wybraniu, czy otwory w uchwytach na silniki będą częściowe, czy na wylot, czas na ich wykonanie: 1. Obróć stos w imadle tak, aby można było wywiercić otwory na śruby; umieść pod spodem podkładkę, jeżeli masz zamiar wiercić na wylot. 2. Zamontuj w uchwycie wiertarki wiertło o odpowiednim rozmiarze. 3. Ustaw wiertło obok stosu i ustaw blokadę głębokości.

269 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 13.36. Robot Zupa, który korzysta z tego samego typu uchwytów na silniki co Rondo, ma przymocowane ślizgacze z teflonu z tyłu i gumki z przodu zapewniające wysokie tarcie. Zwróć uwagę na otwory na śruby na środku gumki (u dołu, po prawej stronie) służące do przymocowania jej do ramy szkieletu robota za pomocą śrub i podkładek 4. Ustaw wiertło przed szablonem i wycentruj je zgodnie z szablonem (rysunek 13.37). W przypadku użycia wiertarkofrezarki zablokuj oś x.

Rysunek 13.37. Centrowanie wiertła przy użyciu szablonu. Przy okazji — czy zauważyłeś, że poszczególne uchwyty na silniki nie są wyrównane po lewej stronie stosu? To bardzo źle. Jeżeli zdarzy się to w tym momencie procesu, nie usuwaj taśmy i nie próbuj wyrównać elementów! Ważne jest, aby wywiercone już otwory pozostały wyrównane względem siebie. Nie ma znaczenia, czy lewe i prawe krawędzie są wyrównane. Jeżeli jest to dla Ciebie naprawdę ważne, dokończ wiercenie otworów, a następnie sfrezuj tę stronę stosu

270 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 13. „ ROBOT RONDO

5. Podnieś wiertło i wycentruj je w szerokości każdego uchwytu na silnik, wiercąc po kolei otwory. 6. Gdy zakończysz wiercenie jednej strony, stos powinien wyglądać jak na rysunku 13.38.

Rysunek 13.38. Jeden koniec stosu uchwytów na silniki jest gotowy 7. Odblokuj oś x (jeżeli jest to potrzebne) i powtarzaj kroki od 4. do 6. po drugiej stronie stosu uchwytów na silniki. 8. Wyjmij stos uchwytów na silniki z imadła. Gratulacje! Masz cztery w miarę identyczne uchwyty na silniki. Możesz teraz usunąć taśmę i rozdzielić uchwyty.

Gwintowanie częściowo nawierconych otworów w uchwytach na silniki Jeżeli zdecydowałeś się na częściowo nawiercone otwory w uchwytach na silniki, nagwintuj je gwintownikiem o średnicy 3 mm. Nie zapomnij wyczyścić otworów z pozostałości po gwintowaniu.

Prezentujemy gotowe uchwyty na silniki Spróbuj złożyć razem uchwyty silników. Otwory na osie LEGO nie są używane w dwóch środkowych uchwytach (rysunek 13.18). Podobnie jeden z otworów na silnik nie jest wykorzystywany w zewnętrznym uchwycie na silnik. Otwory te są po prostu pozostałościami procesu produkcji. Drugi otwór na silnik w zewnętrznym uchwycie daje sporo miejsca na łącznik i zębatki, aby mogły się obracać bez ocierania o uchwyt na silnik. Gdy sprawdzisz, czy wszystko pasuje, i okaże się, że dodatkowa obróbka nie jest potrzebna, możesz zerwać folię lub papier ochronny (jeżeli materiał był nimi pokryty), jak jest to pokazane na rysunku 13.39.

271 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 13.39. Po zerwaniu pokrycia ochronnego akrylowych uchwytów na silnik widzimy pięknie wykończony element

Podsumowanie budowy robota Rondo Rondo to zwarty robot omijający przeszkody. Zwartość wynika z równoległego umieszczenia silników z zębatkami centrującymi koła, dzięki czemu robot może obracać się w miejscu. Unikatowe uchwyty na silniki pozwalają na osiągnięcie precyzyjnego ustawienia mechanizmu napędowego, a ich wykonanie nie jest zbyt skomplikowane dla hobbystów. Prosty, modularny projekt elektroniki robota Rondo jest połączeniem modułów zaprezentowanych w dotychczasowych rozdziałach książki. Budowanie robotów z modułów pozwala projektantowi na wybranie takich elementów, którym może poświęcić więcej czasu i pracy oraz na które może przeznaczyć więcej pieniędzy. Moduły umożliwiają łatwiejsze diagnozowanie i rozbudowywanie robota — można wymieniać lub ponownie wykorzystywać moduły, które zostały sprawdzone w dłuższym okresie. W następnym rozdziale będziemy testować robota Rondo, aby przeanalizować możliwości i słabości prostych układów i korpusu.

272 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14 „„„

Jazda próbna robota Rondo Testy bezpieczeństwa, pobór prądu, pomiar rezystancji obwodu, monitorowanie poboru prądu oraz najczęstsze problemy i ich rozwiązania, tworzenie toru przeszkód, unikanie śmiertelnych pułapek, histereza „świateł drogowych” oraz użycie zworek Rozdział ten zacznę od przedstawienia kilku testów i procedur, które powinieneś wykonać dla każdego zbudowanego obwodu i robota, co pozwala na ograniczenie ilości błędów i wykrycie poważnych usterek. Następnie przygotujemy i uruchomimy robota Rondo. Gdy zajdzie potrzeba, korzystaj z przygotowanej przeze mnie listy często występujących problemów i potencjalnych rozwiązań. W dalszej części rozdziału poddamy robota Rondo serii prób, aby sprawdzić, co realizuje dobrze i jakie są jego słabe punkty. Przedstawię i zasugeruję kilka zmian, ale ostatecznie analiza ograniczeń prostej logiki bramek skieruje nas na drogę rozszerzenia konstrukcji o mikrokontroler.

Przygotowanie do jazdy próbnej Po zlutowaniu ze sobą części robota, ale przed włączeniem zasilania, powinieneś wykonać kilka prostych procedur, aby zapobiec ewentualnym awariom.

Ustawienie wszystkich elementów regulowanych na średnie lub bezpieczne pozycje Elementy regulowane i przełączniki mogą być po zainstalowaniu w nieznanym stanie. Przed testowaniem płytki drukowanej wykonaj następujące czynności: 1. Przełącznik zasilania ustaw na pozycję wyłączoną. 2. Przełącz wszystkie przełączniki (w tym przełączniki DIP) w ich najmniej aktywną lub najbezpieczniejszą pozycję. Nie ma nic bardziej kłopotliwego niż poświęcenie godzin na szukanie problemu w „uszkodzonym” obwodzie, aby w końcu zauważyć, że przełączniki są niewłaściwie ustawione. 3. Ustaw wszystkie potencjometry na pozycję środkową lub inną, sensowną dla obwodu. Krok ten pozwala osiągnąć średnie wartości parametrów. Nie powinno być to niezbędne w celu uniknięcia problemów elektrycznych, ponieważ dobry projekt obwodu zawiera szeregowo podłączony opornik ustawiający minimalną rezystancję (jeżeli jest potrzebna), nawet gdy potencjometr jest ustawiony na zerową rezystancję. Podobnie powinieneś dobrać maksymalną wartość rezystancji tak, aby nie powodowała żadnych uszkodzeń elektrycznych.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Testowanie modułów jeden po drugim Jeżeli robot jest modularny, najlepiej testować płytki pojedynczo przed ich montażem. To samo dotyczy wszystkich komponentów wymiennych, takich jak silniki. Nie tylko zmniejsza to liczbę zmiennych w przypadku próby zlokalizowania problemu, ale również redukuje liczbę komponentów narażonych na uszkodzenia, gdy występuje poważny problem (na przykład przepięcie). Rondo składa się z tylko jednej płyty. Jednak możesz uznać za wartościowe złożenie i zlutowanie wyłącznie zasilacza (klips baterii 9 V, złącze zasilania, wyłącznik, stabilizator napięcia i kondensatory). Tym sposobem możesz przed dodaniem kolejnych elementów sprawdzić, czy obwód podaje napięcie 5 V. Gdy działanie modułu zostanie sprawdzone, możemy przejść do dodania kolejnego modułu, połączenia lub płyty. Oczywiście, zawsze pamiętaj o wyłączeniu zasilania w czasie montażu i demontażu oraz upewnij się, że projekt robota pozwala na uruchomienie obwodu bez części elementów (próbuj projektować płyty z rezystorami podciągającymi lub obniżającymi, aby zapewnić wartości domyślne, ponieważ praktyka taka umożliwia testowanie w izolacji).

Pomiar rezystancji kompletnego obwodu Szybki pomiar całkowitej rezystancji obwodu pozwala na sprawdzenie, czy istnieje w nim zwarcie lub przerwa. W tym prostym teście wymieniamy źródło prądu (zwykle baterię) na omomierz (najczęściej multimetr w trybie pomiaru rezystancji), aby zmierzyć efektywną rezystancję pasywną, jaką napotka bateria. Oczywiście, gdy robot działa, może włączyć niektóre tranzystory lub przełączniki, co spowoduje powstanie innych ścieżek elektrycznych niż ścieżka istniejąca w stanie pasywnym. Dodatkowo niskie napięcie wykorzystywane przez większość omomierzy nie aktywuje większości półprzewodników. Zatem choć test ten może ujawnić niektóre problemy, nie może ujawnić wszystkich zwarć lub otwartych obwodów. W kolejnych punktach opiszę, w jaki sposób przetestować całkowitą rezystancję obwodu.

Rozadowanie adunku Ważne jest, aby przed pomiarem rezystancji rozładować cały ładunek zgromadzony w obwodzie, by omomierz (lub multimetr) nie został uszkodzony ani nie podawał nieprawidłowych odczytów. Aby zapewnić rozładowanie ładunku, należy wykonać następujące operacje: 1. Odłącz wszystkie baterie i źródła prądu od robota lub testowanej płyty. Źródła prądu pozostaw odłączone w czasie testowania rezystancji. 2. Przestaw przełącznik zasilania w pozycję włączoną. 3. Umieść opornik o niewielkiej rezystancji (od 10 do 50  — użyj wyższej wartości dla rezystora o niższej mocy) i wysokiej mocy (1 W, 2 W, 3 W lub większy — im wyższy, tym lepiej) w złączu baterii obwodu (a nie w samej baterii!) na kilka sekund (rysunek 14.1). Opornik rozładowuje cały ładunek z kondensatorów zamontowanych na płycie. W przypadku sumarycznej pojemności mniejszej niż 5000 F opornik 33 , 3 W z tlenku metalu może bezpiecznie rozładować 20 V do mniej niż 0,1 V w czasie poniżej sekundy. „ Uwaga Proste wyliczenie pocztkowej mocy (20 V razy 20 V podzielone przez 33  daje 12,12 W) moe sugerowa , e przekracza ona 3 W mocy opornika. Jednak napi cie w kondensatorze szybko spada w czasie rozadowywania kondensatora. Dlatego wyliczone 12,12 W wskazuje tylko pocztkow warto szczytow mocy, a nie stale spadajc ilo energii, jak musi rozproszy opornik. Warto 3 W oznacza cig moc opornika (wzory do wyliczenia mocy szczytowej opornika s zbyt skomplikowane, aby je zamieszcza w tej ksice — musisz mi wi c zaufa ).

274 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Rysunek 14.1. Rezystor — 3 W, 33 , z tlenku metalu (cena około 1,5 zł) — rozładowuje kondensatory robota poprzez klips baterii 9 V Oczywiście, zwarcie złącza zasilania ostrzem śrubokręta również da ten efekt, ale w wyniku tego powstaje na tyle duży prąd, że może on uszkodzić obwód. Alternatywą dla opornika wysokiej mocy w celu rozładowania zasilania może być mały silnik prądu stałego, który dodatkowo zapewnia widoczne wskazanie poziomu napięcia (przez spadek prędkości obrotów). W przypadku bardzo dużych pojemności, takich jak kondensatory 1 F zastępujące baterie, użyj opornika o najwyższej możliwej mocy, połącz oporniki równolegle lub zastosuj większą rezystancję. Opornik musi być podłączony co najmniej kilka sekund. Wykorzystaj woltomierz (lub multimetr w trybie pomiaru napięcia) w celu obserwowania spadku poziomu napięcia.

Pomiar rezystancji Po rozładowaniu całego ładunku w obwodzie podłącz omomierz do złącza baterii na płycie (postępuj zgodnie z instrukcją pomiaru rezystancji znajdującą się w podręczniku multimetru). Pomiar rezystancji powinien zacząć się od bardzo małej wartości, prawdopodobnie poniżej 100 , która szybko wzrasta. Po kilku sekundach rezystancja powinna być dosyć wysoka, prawdopodobnie ponad 5000  (5 k), i powoli wzrastać. W końcu, po jakichś 30 sekundach, mierzona rezystancja powinna się ustabilizować. Rezystancja mojego robota Rondo ustaliła się na poziomie 35 000  (35 k). Oczywiście, niektóre roboty mogą mieć znacznie wyższą lub niższą rezystancję. Powodem zmiany w rezystancji jest podłączenie przez omomierz niewielkiego napięcia do mierzonej rezystancji obwodu, więc kondensatory umieszczone w obwodzie będą się ładować do poziomu tego napięcia. Gdy napięcie na kondensatorach będzie zbliżało się do poziomu przyłożonego napięcia, będą one pobierały coraz mniej prądu, przez co widoczna rezystancja obwodu wzrośnie.

Uzyskanie zbyt niskiej rezystancji Jeżeli po 30 sekundach pomiaru obwód ma bardzo niską rezystancję, na przykład poniżej 500 , oznacza to problem w układach robota. Jeżeli rezystancja jest bliska zeru, to występuje w nim zwarcie, na przykład skrzyżowane przewody lub zbyt duża kropla cyny rozlała się poza punkt lutowniczy. Może być to również powodowane przez uszkodzony element (mniej prawdopodobne, ale możliwe).

275 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Sprawdź, czy wszystkie diody LED są zainstalowane w prawidłowej orientacji. Jeżeli w układzie użyta jest dioda Zenera do ochrony przed przepięciami, pamiętaj, że zostaje ona uszkodzona (wymaga wymiany) w stanie zwartym. Jeżeli nie możesz znaleźć przyczyny po dokładnym obejrzeniu płytki z układami, spróbuj wyeliminować kilka zmiennych przez odłączenie wszystkich złączy i wyjęcie wszystkich elementów umieszczonych w gniazdach. Spróbuj również zmienić położenie potencjometrów i przełączników. Jeżeli obwód ma bardzo niską rezystancję, to niezależnie od podejmowanych czynności nie podłączaj robota ani płytki z układami do źródła zasilania. Jeżeli coś złego dzieje się z obwodem, to niska rezystancja pozwala na przepływ dużego prądu, co może spowodować trwałe uszkodzenia.

Uzyskanie zbyt wysokiej rezystancji Z drugiej strony, jeżeli układy robota mają bardzo wysoką rezystancję, na przykład więcej niż 1 000 000  (1 M), najprawdopodobniej obwód nie jest prawidłowy. Upewnij się, że przełącznik zasilania robota jest wyłączony, a omomierz jest podłączony do klipsa baterii z prawidłową polaryzacją. Problemy, jakie mogą powodować wysoką rezystancję, obejmują: przerwany przewód, przerwaną ścieżkę na płytce, luźne złącze, luźną część, nieprawidłowo zlutowane połączenie lub uszkodzony element. Sprawdź stabilizator napięcia i zabezpieczenie przed odwróceniem biegunowości baterii, aby upewnić się, czy są podłączone w prawidłowej orientacji. Dotykanie nóżek elementów rezystorem o niskiej rezystancji (100 ) pozwala utworzyć alternatywną ścieżkę elektryczną, która pomija komponent, co może pomóc w zdiagnozowaniu problemu.

Umieszczanie robota na podnośniku Po stwierdzeniu, że robot lub płytka z układami ma rezystancję w odpowiednim zakresie, powinieneś wykonać kolejne kroki przed włączeniem maszyny. Jeżeli robot lub płytka z układami posiada elementy ruchome (silniki lub siłowniki), to zabezpiecz je w taki sposób, aby błędne działanie któregokolwiek z układów nie spowodowało fizycznych zniszczeń. W przypadku większości robotów wystarczy po prostu podłożyć bloczek pod obudowę, aby podnieść z podłoża koła lub nogi. Można również dosyć łatwo zdemontować koła LEGO. Niezależnie od przyjętej metody powinieneś upewnić się, czy robot nie będzie w stanie uderzyć w Ciebie, wplątać się w coś lub spaść ze stołu laboratoryjnego (Twojego biurka lub stołu kuchennego). W przypadku robota z ramionami upewnij się, że w okolicy nie ma przeszkód ani innych osób. Jeśli chodzi o większe roboty, z pociskami, bronią, wysokim napięciem, systemami pneumatycznymi lub innymi ryzykownymi elementami, proszę, zabezpiecz siebie i okolicę w czasie testowania.

Sprawdzanie napięcia i polaryzacji baterii Zajmijmy się na chwilę baterią. Przed podłączeniem baterii do robota zmierz jej napięcie woltomierzem (lub multimetrem w trybie pomiaru napięcia). Jeżeli odłączona bateria ma niskie napięcie, to po podłączeniu do niej obciążenia, takiego jak robot z silnikami, jej napięcie spadnie do naprawdę niskiej wartości. Sprawdź, czy bateria jest zamontowana z właściwą polaryzacją. Jeżeli napięcie baterii wydaje się odpowiednie, nie zapominaj o tym, że napięcie niemal rozładowanej baterii może wydawać się odpowiednio wysokie, ale spada ono szybko po dołączeniu obciążenia. Powtórz pomiar dostarczanego napięcia po włączeniu robota. Jeżeli masz wątpliwości, przetestuj baterię i napięcie w robocie, który na pewno działa prawidłowo. Upewnij się, że zakres minimalnego i maksymalnego napięcia baterii, jak również maksymalny prąd, jaki może dostarczyć bateria, są odpowiednie do wymagań i ograniczeń układu, który ma być nią zasilany. Gdy urządzenia elektroniczne są niedostatecznie zasilane, mogą dziwnie się zachowywać (lub wcale nie działać), a gdy są narażone na napięcia wyższe niż dopuszczalne, mogą przegrzewać się albo ulegać uszkodzeniom.

276 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Kontrola poboru prądu w czasie włączania obwodu Poniżej wymieniam, co należy sprawdzić przed włączeniem zasilania: x Pokrętła i przełączniki powinny być ustawione w odpowiednim położeniu. x Poszczególne moduły powinny być przetestowane. x Całkowita rezystancja nie powinna być za duża ani za mała. x Robot powinien być uniesiony, a jego ruchy powinny być ograniczone. x Bateria powinna być odpowiednia, naładowana i prawidłowo podłączona. Ostatni test może ujawnić poważne problemy i być może ograniczyć uszkodzenia. Podłącz sondy amperomierza (lub multimetru w trybie pomiaru natężenia prądu) do jednego bieguna baterii i do złącza baterii robota, co pozwoli zmierzyć natężenie prądu w czasie włączania maszyny. Zwróć uwagę, że przy pomiarze prądu czerwona sonda zawsze powinna być podłączona do największego dodatniego źródła napięcia. Upewnij się, że rozpoczynasz pomiary przy najszerszym zakresie mierzonego natężenia. Drugi biegun baterii musi być podłączony do drugiego podłączenia złącza baterii w robocie, aby obwód był zamknięty (rysunek 14.2).

Rysunek 14.2. Podłączanie multimetru do jednego bieguna baterii i do klipsa baterii w celu pomiaru prądu Jeżeli po włączeniu przełącznika zasilania pobór prądu wydaje się zbyt duży, szybko wyłącz zasilanie. Ponieważ większość uszkodzeń elementów jest powodowana przez przegrzanie, możliwe jest szybkie przerwanie obwodu, aby uniknąć trwałych uszkodzeń. Gdy mój robot Rondo pracuje na podstawce i ma zamontowaną nową baterię alkaliczną 9 V (zmierzone 9,5 V), pobiera 32 mA przy odłączonych silnikach i 80 mA przy podłączonych silnikach Escap. Twoje wyniki mogą być inne, w zależności od napięcia baterii i zastosowanych silników. Gdy ten sam obwód podłączyłem do robota Kanapka z silnikami Hsiang Neng, pobór prądu wyniósł 130 mA. Gdy robot zostanie umieszczony na podłodze, pobór prądu wzrośnie, ponieważ silniki będą bardziej obciążone.

277 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Przygotowanie robota i korygowanie niewielkich bdów Po dokonaniu inspekcji na okoliczność awarii przedstawiam w kolejnych punktach proces przygotowania robota Rondo i przetestowania jego podstawowych funkcji.

Dostrajanie detektora odbić pracującego w podczerwieni Po włączeniu zasilania dostrój częstotliwość układu detektora odbić przez ustawienie R6. Do pomiaru częstotliwości użyłem multimetru podłączonego do punktu testowego 38 kHz (podłączonego do nóżki nr 4 układu 74AC14). Inne techniki ustawiania częstotliwości są omówione w rozdziale 12. Następnie, po usunięciu przeszkód sprzed robota, ustawiłem R7 tak, aby dioda LED detektora świeciła się na zielono (bez domieszki czerwonego). Spróbuj przekręcić R7, aż dioda będzie świecić mieszanką czerwonego i zielonego, a następnie cofaj R7 do momentu, gdy pozostanie sam zielony kolor. Da to w wyniku maksymalną odległość wykrywania, niepowodującą fałszywych wykryć wywoływanych przez zakłócenia.

Przełączanie dwukolorowej diody LED Pierwszą awarię na mojej płytce odkryłem na etapie dostrajania. Dioda LED detektora świeciła się na czerwono przy braku wykrywania i na zielono przy wykryciu. Było to działanie odwrotne do oczekiwanego! Wydaje się, że relacja pomiędzy kolorami a oznakowaniem za pomocą spłaszczenia na obudowie diod LED nie zawsze jest taka sama w przypadku różnych producentów i numerów części. Musiałem wylutować diodę LED i zamontować ją „tyłem naprzód”. Aby uniknąć tego problemu, możesz odłożyć montaż dwukolorowych diod LED na później. Następnie wsuń delikatnie na miejsce jedną z diod dwukolorowych, bez lutowania. Przytrzymaj ją na miejscu w czasie włączania robota. Jeżeli kolor jest prawidłowy (w zależności od tego, czy wykrywana jest Twoja dłoń), to wyłącz robota i wlutuj diodę w tym położeniu. Normalnie nie zalecam włączania robota z luźnymi częściami. Jednak ścieżka elektryczna diody LED jest bardzo prosta, a dodatkowo skojarzony jest z nią opornik ograniczający maksymalny pobór prądu. Jeżeli jednak nóżki tej diody są długie, powinieneś je skrócić, aby przypadkowo nie zewrzeć ich z niczym w czasie testowania orientacji.

Testowanie sensorów Układ detektora odbić powinien być dostrojony do właściwej częstotliwości, a emitery powinny mieć ustawioną maksymalną moc niepowodującą generowania fałszywych detekcji. Przesuń powoli rękę od lewej do prawej strony przed robotem (jeżeli jest to konieczne, powtórz), aby sprawdzić lewy i prawy sensor. Może być potrzebna zmiana kąta zamocowania emiterów i detektorów w kierunku brzegów robota (rysunek 14.3), aby mógł on wykrywać przeszkody po lewej stronie (tylko lewy sensor), po prawej stronie (tylko prawy sensor) oraz z przodu (oba sensory jednocześnie). Jeżeli oba sensory będą skierowane bezpośrednio w przód, będą miały tendencję do jednoczesnego wykrywania tej samej przeszkody i nie będą działać stereoskopowo. Jeżeli umieścisz obwody robota Rondo w obudowie robota Kanapka, konieczne może być zgięcie emiterów i detektorów w górę, aby nie była wykrywana podłoga. Detektory PNA4602M mają poważne problemy z wykrywaniem obiektów przy świetle fluorescencyjnym. W takim środowisku niezbędne jest zakrycie góry i tyłu detektorów nieprzezroczystym materiałem, takim jak aluminium. W pomieszczeniach biurowych robot Rondo praktycznie nie działał, o ile nie został ustawiony pod biurkiem. Nowsze zamienniki układu PNA4602M, takie jak TSOP34138 (i bardziej agresywny TSOP348138) zawierają układy filtrujące, redukujące interferencje światła fluorescencyjnego.

278 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Rysunek 14.3. Emitery i detektory skierowane w kierunku brzegów poprawiają niezależne wykrywanie przeszkód znajdujących się po bokach. Dodanie deflektora (nieprzezroczystego kawałka materiału) pośrodku lub osłonięcie górnej, tylnej i środkowej strony każdego z detektorów pozwala jeszcze bardziej poprawić możliwości stereoskopowe sensorów

Podłączanie silników Podłączanie silników może być mylące. Zamiast logicznie śledzić każdą ścieżkę, czasami łatwiej jest podłączyć silniki i obserwować kierunek ich obrotów. W czasie tego testu upewnij się, że robot jest uniesiony, i dopiero wtedy włącz zasilanie: 1. Gdy zatrzymasz dłoń przed lewym sensorem, lewa dioda LED zmieni kolor, a prawy silnik powinien zmienić kierunek. Jeżeli zamiast tego lewy silnik zmieni kierunek, zamień złącza lewego i prawego silnika. Nie wykonuj następnego kroku, dopóki nie doprowadzisz do sytuacji, gdy każdy z silników będzie sterowany za pomocą sensora po przeciwnej stronie obudowy. 2. Jeżeli przed robotem nie będzie przeszkód (obie diody LED świecą się na zielono), oba koła powinny obracać się w kierunku przodu robota. Oznacza to, że lewy silnik obraca się przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, a prawy silnik zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Jeżeli którykolwiek z silników obraca w nieprawidłowym kierunku, zamień przewody silnika w złączu. Ten test kierunku obrotów silnika został opracowany po wykryciu drugiego problemu w robocie. Silniki były zamienione miejscami, a w jednym z nich przewody były podłączone odwrotnie. Na szczęście można to łatwo poprawić. 3. Pisakiem wodoodpornym oznacz lewe i prawe złącze silnika, dzięki czemu w przyszłości będzie można uniknąć takich pomyłek.

Ocena osigów robota Rondo Po zbudowaniu robota Rondo, skontrolowaniu poprawności działania i przygotowaniu go do uruchomienia czas w końcu na nieco zabawy. Początkowo powinieneś poddać robota nieformalnym testom i obserwacjom („Leć! Bądź wolny, mały robocie!”). W tym czasie mogą ujawnić się niewielkie problemy. Ostatecznie będziesz mógł skoncentrować się na analizowaniu i poprawianiu wydajności. Na dziewiczą podróż robota Rondo wybierz gładką powierzchnię, odgrodzoną od miejsc, z których mógłby spaść. Włącz przełącznik zasilania i rozpocznij zabawę!

Problemy napotykane w czasie jazdy próbnej Wiele typowych problemów może się jednoznacznie objawić, gdy tylko postawisz robota na podłodze. Przedstawię teraz te częste dolegliwości i zasugeruję możliwe akcje korekcyjne. 279 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ciga jazda do tyu Jeżeli dwukolorowa dioda robota przełączy się na kolor czerwony, a robot będzie stale jechał do tyłu, prawdopodobnie wystąpił jeden z następujących problemów: x Robot ma zbyt duży zasięg detekcji i wykrywa ściany oraz dalekie przeszkody. Zwiększ wartość R7. x Coś w obudowie robota odbija światło podczerwone do detektorów. Poszukaj tych przeszkód. x Światło podczerwone przenika z obu emiterów bezpośrednio na detektory. Sprawdź wycieki (patrz poprzedni rozdział) i zbuduj osłony tylną i boczną. x Robot wykrywa podłogę. Podegnij sensory w górę. x Nie wykonałeś wcześniejszych testów i korekt sensorów i silników.

Problem z poruszaniem si robota Gdy dioda świeci się czystym czerwonym lub zielonym światłem, lecz mimo to robot ma problemy ze startem i wymaga popchnięcia lub zatrzymuje się, mogły wystąpić następujące problemy: x Silniki nie mają właściwego przełożenia. Spróbuj założyć 8-zębową zębatkę LEGO na wałek silnika, a na koło zębatkę LEGO 24-zębową. x Silnik ma prawidłowe przełożenie, ale jest zbyt słaby, aby poruszyć masę robota. Czy wykonałeś robota Rondo z 12-milimetrowej blachy stalowej (nie pamiętam, abym wspominał o pancerzu)? Zmniejsz masę robota lub wymień silniki na mocniejsze. x Bateria może być rozładowana. Naładuj lub wymień baterię. x Silnik wymaga zbyt dużo prądu z baterii; baterie 9 V dają maksymalnie 300 mA prądu dla silnika i układów. Zwykła bateria litowa 9 V daje jeszcze mniej prądu; użyj baterii NiMH lub LiPoly, pakietów baterii AA bądź AAA albo efektywniejszych silników. x Silnik potrzebuje większego napięcia, niż jest dostarczane; na przykład silniki 24 V zasilane napięciem 9 V będą się zatrzymywały lub dawały około jednej trzeciej nominalnej prędkości. Ponieważ Rondo korzysta ze stabilizatora liniowego, lepiej korzystać z silników o napięciu znamionowym 9 V lub 12 V, niż zwiększać napięcie pakietu baterii. x Układy sterownika silnika są zbyt słabe dla wybranych silników. Jeżeli korzystasz ze sterownika silnika 4427A (bez osobnych tranzystorów), to zastosuj układ 4424 lub IXDN404PI. Ponieważ te sterowniki silnika są wykonane w technologii CMOS, możesz je połączyć równolegle, podobnie jak MOSFET-y mocy (patrz rozdział 10.). Przykład możesz znaleźć na stronie http://www.robotroom.com/Thermal-PCB-Motor-Driver-Tests-3.html.

Powolne poruszanie si robota Jeżeli robot nie ma problemu ze startem ani zmianą kierunku, ale porusza się ze stałą, niewielką prędkością, być może wystąpiły następujące problemy: x Silnik ma zbyt duże przełożenie. Spróbuj założyć 24-zębową zębatkę LEGO na wałek silnika, a na koło zębatkę 8-zębową. Możesz również wymienić silniki na takie, które mają niższe przełożenie. x Silniki mają napięcie znamionowe wyższe niż napięcie dostarczane. Wymień silniki na przystosowane do napięcia 9 V lub 12 V. Napięcie baterii jest zbyt niskie. Niektóre akumulatory NiMH 9 V dają napięcie nominalne 8,4 V; spróbuj zainstalować baterię NiMH 9,6 V lub pakiet baterii AA albo AAA. x Zaakceptuj takiego robota, wykorzystując jego małą prędkość do lepszych obserwacji naukowych.

280 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Bardzo szybkie poruszanie si robota Jeżeli robot porusza się zbyt szybko, być może zaszły następujące warunki: x Silniki nie mają właściwego przełożenia. Niektórzy początkujący konstruktorzy korzystają ze zwykłych silników (bez przekładni), aby zaoszczędzić pieniądze, ale to się nie udaje. Dodanie masy w celu spowolnienia robota powoduje jego zatrzymywanie, więc zamiast tego załóż zębatkę z 8 zębami na silnik i z 24 zębami na koło albo wymień silniki na modele z przekładniami. x Bateria ma zbyt wysokie napięcie dla wybranych silników. Spróbuj użyć pakietu czterech baterii alkalicznych. x Nominalne napięcie silnika jest niższe niż napięcie dostarczane. Na przykład niektóre silniki z przekładnią wymagają napięcia 6 V, 4,5 V, 3 V czy nawet 1,5 V. Wykorzystywanie silnika przy wyższym napięciu niż dla niego przewidziane ogranicza jego żywotność, ponadto mogą się szybko uszkodzić zębatki przekładni. Napięcie 7,2 V dla silnika 6 V nie jest jeszcze problemem. Jednak zalecane jest, aby nie przekraczać 150 procent napięcia znamionowego silnika.

Obracanie si robota Załóżmy, że w pokoju jest dużo miejsca dla robota. Jeżeli jeździ on w kółko lub ma tendencję do skręcania w jedną stronę, być może jest to spowodowane następującymi sytuacjami: x Występuje usterka elektryczna, taka jak luźne lub nieprawidłowe połączenie. Spróbuj odłączyć silniki i ponownie je podłączyć. Jeżeli to nie zadziała, spróbuj zamienić połączenie, aby sprawdzić, czy robot zacznie obracać się w przeciwnym kierunku. Jeżeli robot zacznie obracać się wokół przeciwnego koła (a nie obracać się wokół tego samego koła, ale w tył), problem leży w połączeniach lub obwodzie, a nie silniku lub mechanice. Sprawdź napięcia multimetrem, szukając awarii. Spróbuj również wymienić układ sterownika silnika. x Mogła poluzować się śruba ustalająca łącznika jednego z silników. Dokręć śrubę. x Oś LEGO w łączniku się poluzowała. Aby to sprawdzić, spróbuj poruszać osią, przytrzymując łącznik. Być może konieczne jest ponowne przyklejenie osi do łącznika. x Oś koła się poluzowała. Upewnij się, że zębatki prawidłowo do siebie pasują. x Silnik mocowany na wcisk obraca się w uchwycie. Spróbuj przechylić robota, aby sprawdzić, czy faktycznie ma to miejsce. Jeżeli tak, kilka kropel kleju powinno załatwić problem. Jeżeli silniki są zbyt mocne, powinny być umocowane za pomocą śrub, a nie na wcisk lub klej (albo taśmę). x Śruba, 24-zębowa zębatka lub dolna część uchwytu silnika utkwiła w szczelinie podłogi lub zaczepia się o podłoże. Sprawdź, czy pod robotem nie ma śmieci. Przenieś robota na inne podłoże, aby sprawdzić, czy taki problem nadal występuje. x Otwór osi koła jest zbyt duży, co powoduje pochylanie się kół. Oś koła powinna się poruszać w górę i w dół tylko w niewielkim zakresie; tak samo powinno być, gdy używane są klocki LEGO. x Otwór osi koła lub łącznika silnika jest zbyt mały, wskutek czego powstaje zbyt duże tarcie. Po wyjęciu silnika koło, zębatki i oś powinny się swobodnie obracać po poruszeniu ich ręką. Stopniowo powiększaj ciasny otwór, aż części będą się swobodnie obracać. Do powiększenia otworu możesz użyć papieru ściernego o wysokiej gradacji (owiniętego wokół osi LEGO i skierowanego częścią ścierającą na zewnątrz) lub obracanego ręcznie kamienia szlifierskiego. Nie korzystaj z rozwiertaka lub innego podobnego narzędzia, ponieważ otwory na oś powinny być proste, a nie stożkowe. x Koła lub zębatki są zablokowane. Poszukaj włosów (najczęściej!), przyklejonych śmieci, brudu lub złamanego zęba w zębatce. x Światło podczerwone ucieka z jednego z emiterów i bezpośrednio pada na detektor. Sprawdź wycieki (patrz poprzedni rozdział) i powiększ osłony tylną i boczną. x Być może uszkodzony jest jeden z silników. Spróbuj odłączyć silnik z robota i podłączyć go bezpośrednio do baterii.

281 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Testowanie wszystkich manewrów robota Gdy Rondo działa w sposób prawidłowy, może wykonywać cztery podstawowe manewry. Można z łatwością je przetestować, umieszczając jasny obiekt (kawałek papieru) przed sensorem (sensorami) lub zasłaniając sensor dłonią: x Gdy nie są wykrywane żadne przeszkody, robot jedzie do przodu. Oba koła obracają się do przodu. x Gdy oba sensory jednocześnie wykryją przeszkodę, robot jedzie do tyłu. Oba koła obracają się do tyłu. x Jeżeli prawy sensor wykryje przeszkodę, robot skręca w lewo. Lewe koło obraca się do tyłu, a prawe koło do przodu. x Jeżeli lewy sensor wykryje przeszkodę, robot skręca w prawo. Prawe koło obraca się do tyłu, a lewe koło do przodu. Rondo wykonuje również cztery inne, subtelniejsze manewry. Są one możliwe przez szybkie przełączanie się detektorów PNA4602M w stanie częściowego wykrycia: x Gdy przeszkoda jest częściowo wykryta po prawej stronie, robot stopniowo skręca w lewo. Lewe koło obraca się wolniej niż koło prawe. x Gdy przeszkoda jest wykryta w mniej więcej 50 procentach po prawej stronie, robot skręca w lewo. Lewe koło zatrzymuje się, a prawe nadal obraca się do przodu. x Gdy przeszkoda jest częściowo wykryta po lewej stronie, robot stopniowo skręca w prawo. Prawe koło obraca się wolniej niż koło lewe. x Gdy przeszkoda jest wykryta w mniej więcej 50 procentach po lewej stronie, robot skręca w prawo. Prawe koło zatrzymuje się, a lewe nadal obraca się do przodu. Rondo wykonuje jeszcze jeden „manewr”, który jest bardzo niepożądany. Jest on szczegółowo opisany w punkcie „Utknąłem”. Robot zatrzymuje się lub chwieje się na boki, jeżeli przeszkoda jest w mniej więcej 50 procentach wykryta przez oba sensory. Żadne z kół nie obraca się w znaczący sposób. Jeżeli nie wystąpi poślizg lub zmiana w środowisku, robot pozostanie zablokowany w tym stanie. Sytuacja taka jest wskazywana przez jednocześnie włączony kolor czerwony i zielony w obu dwukolorowych diodach LED (rysunek 14.4).

Rysunek 14.4. Dwubiegunowa dwukolorowa dioda LED z dwoma kolorami zapalonymi „jednocześnie” przez szybkie przełączanie polaryzacji

282 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Wyzwania dla robota Rondo Po skorygowaniu pomniejszych błędów mój robot Rondo działa całkiem nieźle. Mam nadzieję, że również Twój robot jest sprawny. Rondo może utkwić na dywanie lub kafelkach z powodu niskiego prześwitu. Jednak koła o większym rozmiarze i tylne kółko powinny rozwiązać ten problem. Rondo wykrywa większość przeszkód. Obiekty o ciemnym kolorze zwykle powodują powstanie warunków do zatrzymania przy 50-procentowym wykryciu. Jasne obiekty (takie jak białe ściany i drzwi) widziane są ze zbyt dużej odległości, co wywołuje zbyt wczesny skręt i wykonanie manewru omijania.

Unikanie alei z papieru toaletowego Problem z jasnymi obiektami staje się szczególnie widoczny, gdy spróbujemy utworzyć sztuczne środowisko dla robota, wykonane ze zwykłych przedmiotów dostępnych w domu. W szczególności chciałem zbudować labirynt z obiektów, które są łatwo dostępne, niedrogie, bezpieczne, z których można tworzyć stosy i które mają jednakowy wygląd. Rozwiązaniem okazały się rolki papieru toaletowego. Cóż, robot Rondo miał inne zdanie! Biały papier toaletowy bardzo dobrze odbija podczerwień. Zbudowałem korytarz z naszych domowych zapasów (nie pytaj, co na to moja żona), w którym robot wykrywał „ściany” z tak daleka, że chciał tylko się wycofywać. Gdy przekręciłem R7 na najniższy możliwy poziom emisji, robot ledwie zgodził się na wjazd do alei Toaletowej (rysunek 14.5).

Rysunek 14.5. Robot Rondo niepewnie wjechał do alei Toaletowej, do mniej więcej jednej trzeciej jej długości, jak ilustrują pozycje m i n. Następnie wycofywał się o, aż uderzył w rolkę tyłem, gdzie nie ma sensorów p. Po obróceniu się w miejscu robot uciekł q, ledwie uchodząc z życiem Jednym z kilku poważnych problemów wykrytych przez ten test jest to, że Rondo wycofuje się na ślepo. Być może dodanie jednego sensora tylnego pozwoli przyszłym generacjom robota Rondo obracać się w miejscu w poszukiwaniu nowego kierunku, gdy droga do tyłu będzie zablokowana.

283 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zastosowanie kawaków drewna Testowanie zachowania robota w ślepej uliczce zostało ostatecznie wykonane przez wymianę papieru toaletowego na kawałki drewna. Gdy korytarz był odpowiednio szeroki, robot Rondo zachowywał się świetnie jak na robota bazującego na bramkach logicznych (rysunek 14.6).

Rysunek 14.6. Robot dojechał do połowy drewnianego zakątka, co pokazują pozycje m i n. Następnie obrócił się nieco i wycofał o. Gdy był wystarczająco daleko od ściany, by wykrywał ją tylko jeden sensor, ponownie się obrócił p, do momentu, gdy zauważył wyjście. Na koniec opuścił korytarz, skręcając nieco w celu odsunięcia się od ściany q

Obracanie si robota Podobnie jak większość robotów, Rondo ma problemy z wąskimi nogami stołowymi oraz obiektami stojącymi na podłodze, na których może się on zablokować. Czasami przeszkoda znajduje się poza peryferyjnym zakresem sensorów, przez co robot ociera się o nią. Zdecydowałem się wykonać okrągły korpus robota Rondo, gdyż wielu konstruktorów robotów wybiera właśnie ten kształt. Wcześniej nie eksperymentowałem z okrągłymi robotami, a ponieważ są one tak popularne, oczekiwałem od nich niezwykłych zalet. Przy centralnych kołach okrągły korpus pozwala na obracanie się w miejscu bez zawieszania się na narożnikach lub przeszkodach. Ta zaleta jest wystarczająca, aby uzasadnić wycinanie okrągłej platformy. Myślałem również, że okrągły korpus będzie prowadził robota obok przeszkód lub kierował go do otworów o odpowiedniej wielkości, nawet jeżeli robot nieco do nich nie trafi. Jednak w każdym z tych przypadków zauważyłem, że robot był kierowany w stronę przeszkody, a nie odsuwany od niej (rysunek 14.7).

284 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Rysunek 14.7. Czarna podstawa lampy z wąskim centralnym słupkiem nie jest wykrywana przez sensory podczerwieni robota Rondo. Bez pomocy innych typów sensorów robot musi polegać na kształcie swojego korpusu, który może odsunąć go od przeszkody. W tym przykładzie wystąpiła przeciwna sytuacja. Nawet gdy robot tylko otrze się o podstawę lampy, tarcie o przeszkodę spowoduje skręt w jej kierunku, doprowadzając do całkowitego zablokowania się maszyny Wybór materiału, z którego zbudowałem korpus, nie jest przyczyną problemu, ponieważ akryl jest dosyć śliski. Korpus ten był wykonany na frezarce ze stołem obrotowym i ośmiorowkowym frezem wykańczającym, jego kształt jest bardzo zbliżony do idealnego koła, bez widocznych chropowatości. Aby sprawdzić, czy można znaleźć kształt, który pozwala na odbijanie się robota ze sterowaniem różnicowym od przeszkód, konieczne jest wykonanie większej liczby eksperymentów.

Utknem Możliwe jest takie zaaranżowanie środowiska, aby wykorzystać właściwości robota i ograniczyć możliwość porażki. Płaska, czysta podłoga ze średnio odbijającymi ścianami i przeszkodami o średniej wielkości pozwalają robotowi Rondo na bezproblemowe działanie. Niestety, robot Rondo posiada stan końcowy, do którego prędzej czy później dochodzi.

Spacer pijaka Po raz pierwszy napotkałem paradygmat zwany „spacerem pijaka” w książce Full House, autorstwa Stephena Jaya Goulda (Harmony Books 1996). Duża część tej książki jest poświęcona dowodzeniu, że ostatecznym wynikiem ewolucji jest różnorodność, a nie jedna, „najlepsza” istota. Jest to książka prowokująca do myślenia, do której przeczytania zachęcam każdego, kto myśli o użyciu ścieżki ewolucyjnej przy tworzeniu swoich robotów. Sytuacja jest następująca. Pijak wychodzi z baru. W sposób losowy zatacza się na chodniku. Po jednej stronie chodnika znajduje się ściana. Po drugiej stronie chodnika znajduje się rynsztok. Jeśli założymy, że spacer nietrzeźwej osoby będzie nieskończenie długi, to jaka jest szansa, że wpadnie ona do rynsztoka? Matematycznie można wykazać, że pijak nigdy nie wpadnie do rynsztoka, ponieważ naprawdę losowy spacer może zawsze kierować w stronę ściany. Jednak z każdym krokiem coraz bardziej prawdopodobne jest, że pijak wpadnie do rynsztoka. Nie zachodzi to w przypadku, gdy pijak zdaje sobie sprawę o swoim stanie. W takim przypadku będzie starał się odsuwać od rynsztoka, ale spacer przestanie być już losowy.

285 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ponieważ mamy tu tylko jeden stan końcowy (rynsztok) i ponieważ nie ma stanu, po którego osiągnięciu nie można wpaść do rynsztoka (pijak nigdy nie trafi do domu), zgodnie z tym paradygmatem końcem jest zawsze rynsztok. Inny sposób przedstawienia tego paradygmatu jest następujący. Ponieważ scenariusz ten zawsze kończy się w rynsztoku, pijak zawsze wpadnie do rynsztoka — jest to analogiczne ze stwierdzeniem, że kluczyki do samochodu leżą w ostatnim miejscu, które sprawdzisz, ponieważ gdy je znajdziesz, przestaniesz sprawdzać.

Spacer robota Rondo Załóżmy, że robot Rondo jest umieszczony w okrągłym pokoju z płaską podłogą, w którym nie ma żadnych przeszkód, i że ma nieskończoną baterię. Gdy uwzględnimy poślizgi, niedokładne wykrywanie, zakłócenia elektryczne oraz stopień odbicia ścian, zauważymy, że ruchy robota ostatecznie utworzą losowy wzór. Jeżeli oba sensory robota Rondo będą mogły wejść w stan 50-procentowego wykrycia (zatrzymanie silników przez szybkie przełączanie obrotów do przodu i do tyłu), to przy założonej losowej aktywności sensory ostatecznie wejdą w stan 50-procentowego wykrycia. Można łatwo wyobrazić sobie kilka sytuacji w normalnym pokoju, w których oba sensory robota Rondo dadzą 50-procentowe wykrycie. Gdy robot jest na przykład skierowany pod kątem w stosunku do ściany (prostopadle, jeżeli sensory są identycznie skierowane i mają identyczną czułość), to sensory osiągną punkt 50-procentowego wykrycia w tym samym momencie. W mniej oczywistej sytuacji dwa obiekty o różnym współczynniku odbicia powodują, że robot stopniowo wchodzi w stan 50-procentowego wykrycia (rysunek 14.8).

Rysunek 14.8. Jasny obiekt (w tym przypadku czerwony), znajdujący się po lewej stronie, odbija tyle samo światła podczerwonego co ciemniejszy (w tym przypadku niebieski), bliżej położony obiekt, znajdujący się po prawej stronie. Na tym rysunku Rondo nie porusza się, ponieważ oba sensory osiągnęły 50-procentowe wykrycie. Z tego powodu oba silniki są bardzo szybko przełączane na obroty do przodu i do tyłu, co nie powoduje żadnego ruchu robota Gdy jedno koło zatrzyma się w momencie 50-procentowego wykrycia, bardziej prawdopodobne staje się, że robot będzie obracał się wokół drugiego koła, aż zatrzyma się przy 50-procentowym wykryciu. Stopniowe skręty, dzięki którym ruchy robota są płynne, również prowadzą (metodycznie, nie losowo) do stanu końcowego.

286 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Co bardziej interesujące, szybsze roboty, takie jak Rondo z silnikami robota Kanapka, rzadziej osiągają stan końcowy, ponieważ pęd robota powoduje jego niewielkie przesunięcie po zatrzymaniu silników. Z tego powodu robot często przetacza się krótko, gdy sensory osiągają 50-procentowe wykrycie.

Ograniczenie niejednoznaczności wykrycia Prawdopodobnie jesteś w stanie zaprojektować obwód, który będzie ograniczał szybkie zmiany sygnału w układzie PNA4602M, eliminując efekt zatrzymania silników. Przedstawię teraz kilka wariantów takiego obwodu.

Próba uycia obwodu opornik-kondensator Najbardziej oczywistym rozwiązaniem jest dodanie obwodu sygnału opornika i kondensatora, podobnie jak w obwodzie używanym w rozdziale 6. do wyczyszczenia (wyeliminowania odbić) sygnału przycisku lub przełącznika. Na rysunku 14.9 przedstawione są dwa elementy dodane pomiędzy układami PNA4602M a 74AC14.

Rysunek 14.9. C13 zaczyna się ładować, gdy na złączu wykrywania pojawi się 5 V, i zaczyna się rozładowywać, gdy na złączu wykrywania jest 0 V. Opornik R13 ogranicza prąd, jaki może dostarczyć złącze wykrywania, zwiększając przez to czas potrzebny na zmianę napięcia na C13. Działając razem, R13 i C13 spowalniają częstotliwość zmian widzianych na wejściu 4. (pin 9.) układu 74AC14 Przełączanie oryginalnego sygnału (po lewej stronie rysunku 14.10) jest znacznie ograniczone (pośrodku) przez dodanie opornika i kondensatora. Niestety, w wyniku otrzymujemy sygnał, który w czasie dużych fluktuacji nie ma ani wartości 5 V, ani 0 V. Normalnie nie można podłączyć napięcia utrzymującego się w średnim zakresie do wejścia cyfrowego układu CMOS. Jednak układ 74AC14 posiada wejścia z przerzutnikami Schmitta, które są zaprojektowane do przetwarzania takich napięć. A teraz niespodzianka. Choć ten ulepszony układ eliminuje szybkie 50-procentowe przełączanie pomiędzy detektorem a wejściem układu 74AC14, nadal daje na wyjściu napięcie równe mniej więcej 50 procentom napięcia zasilania (około 2,5 V). Gdy napięcie rośnie i opada (załóżmy, że pomiędzy 40 a 60 procentami) w zależności od zmian sygnału detekcji, podnosi się powyżej i opada poniżej histerezy wejścia przerzutnika Schmitta. A zatem układ 74AC14 nadal generuje falę pomiędzy 40 a 60 procentami, ale w dłuższym czasie niż wcześniej.

287 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 14.10. Oryginalny sygnał wykrycia w PNA4602M przełącza się, wskazując mniej więcej 50-procentowe wykrycie (po lewej). Dodanie obwodu RC zmniejsza skoki napięcia spowodowane fluktuacją sygnału wykrycia (pośrodku). Jednak z czasem (dziesięciokrotnie większa skala) na wyjściu układu 74AC14 nadal obserwujemy falę symetryczną (po prawej) „ Uwaga Niestety, trzy odczyty pokazane na rysunku 14.10 nie mogy by wykonane jednocze nie na podstawie tego samego sygnau, wi c nie pasuj do siebie. S to niezalene przykady.

Co interesujące, obwód konwertuje teraz sygnał cyfrowy na analogowy, a następnie z powrotem na sygnał cyfrowy. W wyniku tego pozostał problem z zatrzymaniem robota przy 50-procentowym wykryciu, ale została wyeliminowana możliwość stopniowego (od 0 do 25 procent oraz od 75 do 99 procent) skręcania. Nie to chcieliśmy osiągnąć.

Próba uycia histerezy „wiate drogowych” Moim następnym pomysłem było wyeliminowanie problemu u jego źródła. Próbowałem zapobiec wykrywaniu przez PNA4602M sygnału, który nie był wykrywalny w sposób stały. Koncepcja jest prosta — gdy PNA4602M zasygnalizuje wykrycie, nawet krótkie, to wyjście danej diody podczerwieni zostanie wzmocnione, aby to wykrycie utrzymać (podobnie jak wtedy, gdy włączasz światła drogowe w samochodzie, gdy zobaczysz coś na skraju drogi). Następnie, gdy sygnał nie jest już wykrywany (nawet przy włączonych „światłach drogowych”), wzmocnienie jest wyłączane. Na rysunku 14.11 pokazane są zmiany w obwodzie detektora odbić działającego w podczerwieni. Wszystkie pozostałe części obwodu pozostają bez zmian, identycznie jak na rysunku 11.10. Nieudana modyfikacja polegająca na dodaniu układu opornik-kondensator, pokazana na rysunku 14.9, została usunięta.

Analiza obwodu „świateł drogowych” Na razie skoncentrujemy się na emiterze i detektorze znajdujących się po prawej stronie robota. Lewa strona jest odbiciem lustrzanym prawej i działa identycznie. Gdy detektor wykryje obiekt po prawej stronie, układ PNA4602M zasygnalizuje to niskim napięciem (0 V). Sygnał ten jest podłączony do pinu 13. (0 V), co powoduje jego odwrócenie na pinie 12. (5 V), który jest podłączony do pinu 11. (5 V), który odwraca pin 10. (0 V). Pin 10. jest po prostu kopią wyjścia z układu PNA4602M. Normalnie prąd płynie przez R7 (regulacja jasności), poprzez IED4 (emiter podczerwieni), przez R4 (opornik ograniczający prąd), do masy (0 V). Jednak gdy napięcie na pinie 10. spadnie, prąd będzie płynął również przez R7, IR4, przez R14 (inny opornik ograniczający prąd), poprzez D14 (jednostronny zawór z niskim spadkiem napięcia), do pinu 10. (0 V). Przez IR4 będzie płynęło więcej prądu, gdy będzie zasilany z dwóch ścieżek zamiast z jednej. IR4 jest urządzeniem sterowanym prądem; im więcej prądu przez niego płynie, tym jaśniejszy jest emiter. „Światła drogowe” są włączone!

288 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Rysunek 14.11. Schemat zawierający tylko zmiany w obwodzie detektora odbić działającego w podczerwieni. Emitery IR3 oraz IR4 nie współdzielą już prądu, więc piny 6. i 10. mogą w sposób niezależny zapewnić dodatkowe ścieżki zasilania emiterów, gdy zostaną wykryte przeszkody Opornik R14 jest konieczny, aby zapobiec przepływowi zbyt dużego prądu przez nową ścieżkę, co mogłoby uszkodzić IR4. Nie jest możliwe przesunięcie R5 powyżej IR4 i wyeliminowanie R14, ponieważ cały prąd skieruje się do masy, bez uwzględnienia przejścia przez spadek napięcia na D14. Pozostaniemy wtedy przy oryginalnej ścieżce, więc jasność się nie zwiększy. Gdy na pinie 10. napięcie zmieni się na wysokie (5 V), dioda D14 zablokuje przepływ prądu przez R14 oraz R4. „Światła drogowe” są wyłączone! Gdyby nie była dołączona dioda D14, to wyjście emitera nie spadłoby do normalnej wartości w przypadku braku wykrycia obiektu. Dodatkowo wiele prądu (5 V podzielone przez (47  plus 220 ) daje 18,7 mA) byłoby marnowanego, ponieważ przepływałby on z pinu 10., poprzez R14, R4, do masy.

Budowa obwodu „świateł drogowych” Rozciągnąłem nieco płytkę robota Rondo (rysunek 14.12) w celu dodania komponentów „świateł drogowych”. Przy okazji dodałem miejsce na środku płytki na kable baterii oraz silników, aby przechodziły przez otwór zamiast wokół tyłu (okazało się, że było to marnowanie miejsca na płytce z układami, a kierowanie sygnałów wokół otworu było bardzo kłopotliwe).

Pomiar prądu za pomocą złącza dwuszpilkowego oraz zworki Ponieważ rozciągnięta płytka drukowana była przeznaczona dla eksperymentalnego modelu robota Rondo, umieściłem na niej złącze szpilkowe (rysunek 14.13) połączone szeregowo z emiterem podczerwieni. Po założeniu zworki ścieżka elektryczna jest połączona normalnie i emiter otrzymuje prąd.

289 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 14.12. Rozciągnięta płytka robota Rondo zawierająca na środku otwór na przewody m, ścieżki diod i rezystorów „świateł drogowych” n, złącze szpilkowe pozwalające na pomiar prądu emitera o oraz podział pomiędzy mózgiem i mięśniami p

Rysunek 14.13. Złącze szpilkowe elektrycznie rozdziela ścieżkę zasilania emitera podczerwieni. Czarny plastik trzymający szpilki na miejscu nie przewodzi prądu między szpilkami (po lewej). Zworka zawiera pasek metalu, który łączy elektrycznie szpilki, zamykając obwód (po prawej) Po wyjęciu zworki możesz podłączyć sondy amperomierza (lub multimetru działającego w trybie pomiaru prądu), aby zmierzyć ilość prądu płynącego przez emiter (rysunek 14.14). Pozwoliło mi to sprawdzić, czy przez właściwy emiter faktycznie płynie więcej prądu w momencie wykrycia obiektu („światła drogowe” włączone). Złącza szpilkowe są powszechnie dostępne. Można dostać takie z pokryciem cynowym lub złotym. Oba działają świetnie. Najlepiej użyć złączy o odległości między środkami szpilek równej 2,54 mm (100 mili — 0,1 cala), ponieważ są najpopularniejsze. Najczęściej spotykane złącza mają wysokość około 6 mm nad izolacją, choć można również znaleźć złącza o wysokości 23 mm. Dostępne są złącza o różnych układach, z prostymi szpilkami lub zagiętymi pod kątem prostym, w jednym lub dwóch rzędach. Najwłaściwszy wybór zależy od ilości wolnego miejsca na płytce. Choć można dostać złącza przycięte do odpowiedniej wielkości, na przykład dwóch szpilek, bardziej ekonomiczny jest zakup długiego paska i odrywanie (lub odcinanie) fragmentu o odpowiedniej wielkości. Paski takie są czasami nazywane odrywalnymi lub odłamywalnymi. Jeżeli zaopatrzysz się w cały pasek, nie będziesz musiał przechowywać wielu złączy o różnych długościach.

290 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 14. „ JAZDA PRÓBNA ROBOTA RONDO

Rysunek 14.14. Złącze szpilkowe zamontowane na ścieżce prowadzącej do emitera podczerwieni (po lewej). Zworka łączy elektrycznie obie szpilki, zespalając ścieżkę na czas normalnej pracy (pośrodku). Po usunięciu zworki i podłączeniu amperomierza prąd przechodzi przez jedną sondę w celu pomiaru, a następnie przez drugą sondę kontynuuje przepływ do emitera podczerwieni (po prawej) Ceny wahają się od 50 gr do 3 zł, zależnie od pokrycia i liczby szpilek. Zworki kosztują od 30 gr do 1 zł za sztukę, w zależności od rodzaju i pokrycia. Zazwyczaj minimalną wielkością zamówienia jest 10 sztuk. Zworki występują w wielu kolorach.

Skierowanie sygnaów do zcza wieloszpilkowego Szczególnie przyjemną cechą rozciągniętej płytki robota Rondo jest podwójne złącze szpilkowe (patrz { na rysunku 14.12), które rozdziela wszystkie połączenia pomiędzy „mózgiem” (sterowaniem) (74AC14) a „mięśniami” (sterowniki silników). Możemy w ten sposób odłączyć sygnały sterujące z układu 74AC14 (piny 6., 8., 10. oraz 12.; rysunek 13.5) od sterownika silnika, wyjmując zworkę. Możesz umieścić na tym złączu płytkę rozszerzającą zawierającą mikrokontroler lub inny układ logiczny, który może odczytywać oryginalne sygnały sterujące silnikami, ale wysyłać inne sygnały sterujące do silników. Złącze zawiera również szpilkę z napięciem niestabilizowanym, napięciem stabilizowanym (5 V) oraz masą, co pozwala na zasilanie dodatkowej płytki z układami. Dwa dodatkowe złącza są umieszczone w zapasowych otworach na rozszerzonej płytce, wykonanych z myślą o ewentualnym rozwijaniu projektu; otwory te mogłyby posłużyć na przykład do zamocowania dodatkowego sensora podłogi. Zewnętrzne szpilki w złączu znajdują się na ścieżce „świateł drogowych”. Usunięcie złącza ze szpilek przerywa ścieżkę, co wyłącza układ „świateł drogowych”, a robot zachowuje się jak oryginalny robot Rondo. Po dołączeniu dodatkowej płytki mikrokontroler może również włączać i wyłączać układ „świateł drogowych”.

Szukanie poprawy wydajności Zdecydowanie ścieżki „świateł drogowych” zwiększają i zmniejszają jasność emiterów podczerwieni, zgodnie z założeniami. Niestety, rozszerzona wersja robota Rondo wciąż blokuje się w niektórych sytuacjach z 50-procentowym wykryciem. Być może należałoby dalej zmniejszyć wartość oporników R13 i R14, aby jeszcze bardziej wzmocnić źródło światła podczerwonego w razie wykrycia niestabilnego sygnału.

Koniec prostych pomysów Uwierz mi; wymyśliłem kilka funkcjonalnych, ale skomplikowanych rozwiązań. Na przykład zaprojektowałem obwód RC podłączany do komparatora z bramką logiczną. Obwód ten zatrzymywał wszystkie sygnały z przedziału od 40 do 60 procent, ale przepuszczał pozostałe sygnały, co pozwalało na stopniowe skręcanie robota. Wtedy wpadłem na rozwiązanie. Otóż z problemem tym można się uporać, wykorzystując mikrokontroler — tak łatwo, że jest to świetny punkt zwrotny, który może stanowić okazję do wyjaśnienia, dlaczego konstruktorzy robotów stosują mikrokontrolery oprócz (a nawet zamiast) bramek logicznych. 291 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

292 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15 „„„

Chciabym mie mózg Mikrokontroler Atmel ATtiny84, mikrokontrolery kontra układy logiczne, jak programować mikrokontroler, prosty przykład z diodą LED, wskaźnik „bicia serca”, siedmiosegmentowy wyświetlacz LED, wejścia (sygnały cyfrowe i analogowe, przerwania, zerowanie, rezystory podciągające i obniżające), wyjścia (unikanie zakłóceń, wyjścia wysokoprądowe, modulacja szerokości impulsu, komunikacja szeregowa), pojedynczy detektor podczerwieni, pamięć, szybkość pracy, zegary, moduł nadzorujący oraz kryteria wyboru mikrokontrolera Wiele użytecznych układów sterujących robotów zostało zbudowanych z elementów dyskretnych, układów interfejsów oraz układów logicznych. Roboty Kanapka, Rondo i większość robotów BEAM to klasyczne przykłady robotów nieposiadających mikrokontrolerów. Roboty te są na tyle proste, że można je zbudować z popularnych części i że nie wymagają programowania ani specjalnych narzędzi programistycznych. Możliwe jest zwiększenie złożoności działania prostego robota przez dodanie do niego układów logicznych oraz innych komponentów. Jednak po przekroczeniu pewnego punktu znacznie łatwiej, szybciej i taniej jest dodawać zasady oraz sposoby działania robota poprzez oprogramowanie, a nie części. W tym rozdziale przedstawię wykorzystanie mikrokontrolera. Zacznę od krótkiego omówienia sposobu programowania mikrokontrolera i debugowania jego programu. Następnie przybliżę funkcje dostępne w większości mikrokontrolerów. Zakończę podaniem kryteriów, jakie powinieneś wziąć pod uwagę przy wyborze mikrokontrolera.

Przykadowy mikrokontroler Atmel ATtiny84 Przykładowym mikrokontrolerem będzie Atmel ATtiny84. Układ ATtiny84 zawiera funkcje powszechnie dostępne w różnych kontrolerach, niezależnie od producenta. Jest umieszczony w niepozornej obudowie 14-nóżkowej typu DIP (rysunek 15.1) i nie wymaga dodatkowych komponentów. Skupimy się na jednym mikrokontrolerze, ATtiny84, dzięki czemu przykłady w tej książce będą spójne i mniej mylące. Jednak wiem, że konstruktorzy przejawiają silne przywiązanie do określonego modelu i marki mikrokontrolera. Dlatego spróbuję przedstawić wykorzystanie mikrokontrolerów w sposób ogólny, nie koncentrując się na funkcjach dostępnych w określonym układzie. Po omówieniu różnych atrybutów mikrokontrolerów przedstawię kryteria, jakie możesz wziąć pod uwagę, wybierając mikrokontroler odpowiedni dla Twoich potrzeb.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 15.1. Mikrokontroler Atmel ATtiny84 ma łatwą w użyciu obudowę DIP z 14 wyprowadzeniami, podobną do wykorzystywanej w układach logicznych. Poza zasilaniem, masą i zerowaniem (ang. reset; pozostaw niepodłączone lub podłącz je do napięcia zasilania mikrokontrolera, jeżeli nie jest używane) wszystkie pozostałe wyprowadzenia są konfigurowane przez użytkownika jako wejścia, wyjścia lub jako pełniące funkcje specjalne

Porównanie mikrokontrolera z ukadem logicznym W wielu aspektach mikrokontroler jest podobny do układu logicznego. Podobnie jak układ logiczny, mikrokontroler wymaga zasilania i masy, posiada wejścia i wyjścia oraz potrzebuje ceramicznego kondensatora blokującego 0,1 F w pobliżu nóżki zasilania. Przy przełączaniu większego prądu lub przy pracy z większymi szybkościami zalecane jest dodanie kondensatora buforowego (na przykład tantalowego 10 F). Kondensatory te pełnią te same funkcje co C1 i C2 (wróć do rysunku 11.10) w obwodzie z układem logicznym 74AC14 w rozdziale 11. W mikrokontrolerze, w przeciwieństwie do standardowego układu logicznego, możesz zaprogramować większość wyprowadzeń, aby pełniły potrzebne funkcje. W tym sensie mikrokontroler pozwala nam tworzyć własne układy, których różnorodne lub skomplikowane funkcje nie są dostępne w układach logicznych.

Wybór układu logicznego zamiast mikrokontrolera Układów logicznych i mikrokontrolerów jest na rynku bardzo dużo, więc trudno jest coś uogólniać przy ich porównywaniu. Jednak układy logiczne mają kilka cech, które przewyższają mikrokontrolery: x Układy logiczne są niedrogie. x Układy logiczne są dostępne w obudowach o niskiej gęstości, przyjaznych hobbystom, takich jak 8-pinowe, 14-pinowe i 16-pinowe DIP oraz SOIC. x Układy logiczne są dostępne w formatach zgodnych ze standardami przemysłowymi i mają spójną definicję wyprowadzeń. x Standardowe układy logiczne są oferowane przez wielu producentów i dostawców. x Określony projekt układu (na przykład 74xx14) zwykle jest dostępny przez dekady. Z kolei niektóre modele mikrokontrolerów mogą wyjść z produkcji w ciągu kilku lat, co powoduje konieczność tworzenia własnych zapasów magazynowych.

294 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

x Układy logiczne zwykle są łatwiejsze do wykorzystania w czasie nauki, ponieważ wyprowadzenia nie są konfigurowalne i działanie układu jest dosyć proste. x Układy logiczne włączają się szybciej, ponieważ nie muszą uruchamiać wewnętrznych programów do konfiguracji wyprowadzeń i zmiennych (oraz nie muszą czekać na stabilizację sygnału zegara). x Układy logiczne reagują szybciej na impulsy wejściowe, ponieważ nie muszą wykonywać programu określającego sposób reakcji. x Układy logiczne i interfejsy zwykle działają w szerszym zakresie dopuszczalnych napięć. x Układy logiczne zużywają mniej prądu, szczególnie gdy nie zmieniają się wartości na wejściach. Mikrokontroler musi stale wykonywać program, nawet jeżeli stan wejść się nie zmienia (istnieją sposoby na przejście mikrokontrolera w stan uśpienia lub niskiego poboru prądu w oczekiwaniu na zmianę stanu wyprowadzeń). x Układy logiczne zwykle są w stanie dostarczyć większego prądu na wyjścia. x Układy logiczne są autonomiczne i samowystarczalne. Niektóre mikrokontrolery wymagają dodatkowych komponentów, takich jak monitorowanie niskiego napięcia oraz zegara. x Ponieważ układy logiczne są mniej skomplikowane, rzadko ulegają awariom lub nie ulegają im nigdy. Z drugiej strony skomplikowane mikrokontrolery często mają udostępniane nowe wersje, w których wyeliminowano znalezione błędy. x Układy logiczne nie wymagają programowania ani specjalnych narzędzi programistycznych. Z tych powodów możesz w różnych nowoczesnych projektach znaleźć zwykłe układy logiczne. Jeżeli masz proste zadanie, które bezpośrednio pasuje do istniejącego układu logicznego, nie zastanawiaj się długo nad jego zastosowaniem. Układy logiczne oraz interfejsy są świetnym wyborem w przypadku funkcji działających natychmiast po uruchomieniu, aż do wyłączenia zasilania, przy zastosowaniach wymagających bardzo małego zużycia prądu i przy rzadko zmieniających się wejściach, sprawdzają się bardzo dobrze w izolowaniu i buforowaniu sygnałów oraz w sterowaniu dużymi prądami.

Wybór mikrokontrolera zamiast układu logicznego Mając na uwadze wszystkie te zalety, możesz uważać, że popularność układów logicznych pozostanie niezachwiana. Jednak zalety mikrokontrolerów mieszczą się w kategoriach, które są zwykle najbardziej znaczące: x Jeden mikrokontroler może zastąpić działanie kilku układów logicznych. Pozwala to zaoszczędzić miejsce, prąd, wagę, czas na lutowanie i wykonywanie elementów oraz wydatki; stosowanie mikrokontrolerów redukuje również liczbę rodzajów części, jakie trzeba mieć w magazynie. x Możesz szybko zmienić działanie gotowego produktu poprzez oprogramowanie, eliminując konieczność lutowania przewodów, wymiany elementów, wykonywania nowych płytek drukowanych, wiercenia nowych otworów itd. x Nie są dostępne gotowe układy logiczne, które realizują bardziej skomplikowane funkcje. Choć można połączyć ze sobą różne układy i zrealizować złożone funkcje, wynikowy obwód szybko staje się zawiły. Z takich powodów mikrokontrolery (i programowane układy logiczne) wyparły układy logiczne z niemal wszystkich obwodów. W ostatnich 15 – 20 latach mikrokontrolery doprowadziły do wyeliminowania z produkcji wielu mniej popularnych układów logicznych. Poza prostszymi robotami, zaprojektowanymi specjalnie na potrzeby moich książek, moje pozostałe roboty zawierają co najmniej jeden mikrokontroler. Możliwości i elastyczność mikrokontrolerów naprawdę tchnęły życie w roboty.

295 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Jednak zalety mikrokontrolerów nie powinny powodować, że będziesz się wstydził korzystać z układów logicznych, interfejsów, układów analogowych lub tranzystorów, jeżeli ich zastosowanie jest właściwe. Podobnie jak w przypadku obudów przewlekanych i do montażu powierzchniowego, mają one różne zastosowania i łączenie ze sobą różnych technologii jest czasami użyteczne.

Programowanie mikrokontrolera Niemal wszystkie fabrycznie nowe mikrokontrolery są dostarczane bez żadnego programu. Podłączenie pustego mikrokontrolera daje nieciekawe wyniki. Konfigurowane wyprowadzenia zwykle po włączeniu zasilania są wejściami. Układ pozbawiony wyjść może tylko nasłuchiwać na wejściach i stale resetuje się w momencie napotkania nieprawidłowej instrukcji (losowych śmieci). Naszym zadaniem jako programistów jest nadanie sensu istnieniu mikrokontrolera.

Zapisywanie programów Większość nowoczesnych mikrokontrolerów zawiera pamięć nieulotną pozwalającą na przechowywanie programów. Program pozostaje w układzie nawet wtedy, gdy zostanie wyłączone zasilanie lub układ zostanie wyjęty z obwodu. Dzięki temu zaprogramowany mikrokontroler możesz przenieść do innego obwodu, włączyć zasilanie, a program natychmiast zacznie działać. Daje to w efekcie poczucie tworzenia własnych układów. Dwoma najpopularniejszymi technologiami pamięci reprogramowalnej, jakie są obecnie używane, są elektrycznie kasowana, programowana pamięć tylko do odczytu (EEPROM) oraz Flash. Pozwalają one na wielokrotne programowanie i reprogramowanie układów tysiące, miliony lub więcej razy. Program lub zawartość pamięci mogą być odczytywane nieskończoną liczbę razy i pozostają nienaruszone przez dekady. „ Ostrzeenie Znacznie starsze lub tasze mikrokontrolery s programowane jednokrotnie (OTP). Po zaprogramowaniu cz ci nie mona ju modyfikowa jej programu. Jeeli Twój program nie jest idealny za pierwszym razem, powiniene unika kupowania mikrokontrolerów OTP. S one odpowiednie do urzdze produkowanych masowo.

Określanie wielkości programu Ilość pamięci programu wbudowanej w mikrokontroler zwykle jest ograniczona. Najtańsze mikrokontrolery mogą zawierać tylko 1 KB (1024 bajty) pamięci programu. Atmel ATtiny84 (8 zł) posiada 8 KB pamięci programu. Droższe mikrokontrolery (ponad 30 zł) mogą mieć 64 KB, a nawet 128 KB pamięci programu. Jeżeli wymagane jest przechowywanie jeszcze większego programu, to zaawansowane mikrokontrolery posiadają złącza pozwalające na podłączenie pamięci zewnętrznej. Co ciekawe, najbardziej zaawansowane mikrokontrolery mogą mieć mniejszą wbudowaną pamięć, ponieważ większa część ich powierzchni półprzewodnikowej jest wykorzystywana na inne funkcje. Te zaawansowane mikrokontrolery są najczęściej podłączane do pamięci zewnętrznej, więc brak pamięci wbudowanej nie jest poważnym problemem. Tylko 1 KB pamięci programu? Choć jesteś przyzwyczajony do komputerów z 4 GB pamięci RAM i dyskiem o pojemności 1 TB — nie panikuj! Kod mikrokontrolera jest zwykle bardzo zwarty. Nie mamy tu zdjęć ani rozbudowanego systemu operacyjnego pożerającego zasoby. Po szybkim przeglądzie okazało się, że w żadnym z moich robotów kod nie przekracza 8 KB (tabela 15.1). Trzy ostatnie roboty wymienione w tabeli 15.1 mają wyświetlacze LCD. Większość przestrzeni programu jest zajmowana przez teksty pojawiające się na ekranie. Nie osiągnąłem jeszcze punktu, w którym musiałbym w robocie usuwać część kodu, aby zmieścił się we wbudowanej pamięci nieulotnej. Jednak mikrokontrolery niektórych producentów mają bardziej ograniczoną pamięć i zdarza mi się spotykać z narzekaniami programistów, których programy nie zmieściły się w limicie. 296 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Tabela 15.1. Wielkość programów w różnych robotach Nazwa robota

Wielko kodu

Beztroski

419 bajtów

Miłego Dnia

1693 bajty

Hard2C

2673 bajty

Rondo

3774 bajty

Bugdozer

4388 bajtów

Sweet

4868 bajtów

Zupa

7162 bajty

Pisanie programów Mikrokontrolery można programować w różnych językach. Najczęściej wykorzystywane są asembler, C oraz BASIC. Asembler pracuje na najniższym poziomie i z tego powodu ma największe możliwości, ale jest najbardziej skomplikowany i najmniej przyjazny. BASIC jest popularny wśród początkujących i osób potrzebujących uruchomić proste urządzenia. Najczęściej wybieranym językiem jest C. Niektóre nowsze języki (C++, Java) wchodzą na rynek mikrokontrolerów, ale mają problemy z ich ograniczoną szybkością i ilością dostępnej pamięci. Kompletne środowiska programowania mikrokontrolerów (edytory, kompilatory, debugery oraz programy do ładowania oprogramowania) są dostępne dla różnych systemów operacyjnych. Najwięcej takich pakietów jest dla Microsoft Windows, a nieco mniej dla Apple Mac OS oraz Linuksa. Odpowiednie oprogramowanie i narzędzia możesz znaleźć na witrynach producentów mikrokontrolerów. Producenci oferują również podręczniki programowania, specyfikacje techniczne i przykładowe kody. Najpopularniejszym mikrokontrolerom poświęcone są artykuły w czasopismach, a nawet całe książki. W przypadku mniej popularnych mikrokontrolerów wielu niezależnych konstruktorów udostępnia w sieci fragmenty kodu lub całe programy.

Praca bez użycia .NET Tworzenie kodu dla mikrokontrolera jest podobne do pisania programu na zwykły komputer osobisty. Cały kod wpisujemy w edytorze tekstu. Zwykle mamy w nim plik projektu z ustawieniami oraz łączami do wielu plików źródłowych. Z menu wybieramy opcję Compile. Po poprawieniu błędów składniowych możemy spróbować uruchomić program w symulatorze na PC lub w samym mikrokontrolerze. Podstawową różnicą pomiędzy pisaniem aplikacji dla PC i pisaniem kodu mikrokontrolera jest brak systemu operacyjnego w większości (ale nie wszystkich) prostych mikrokontrolerów. Poza minibibliotekami i przykładami kodu musisz napisać samodzielnie wszystkie elementy programu. Dla wielu hobbystów jest to najbardziej interesująca i wymagająca część pracy z mikrokontrolerem. Jeżeli nie zdecydujesz się na korzystanie z dostępnych bibliotek, możesz naprawdę być dumny, że każdy bajt kodu w robocie jest Twój (i nikt inny nie macza w nim palców). Możesz wtedy kontrolować każde wyprowadzenie, procesor poświęca czas wyłącznie na operacje, które Ty uznałeś za ważne, i możesz ulepszać i dostosowywać wszystko, co uważasz za istotne. Niektórzy hobbyści wolą skoncentrować się na kodzie robota. Dla nich być może lepsze są języki wysokiego poziomu załadowane do mikrokontrolera. Na przykład dobrym wyborem może być Parallax BASIC Stamp1. 1

W Polsce dużą popularnością cieszy się dostępny dla rodziny mikrokontrolerów Atmel AVR (do której należy także opisywany w książce mikrokontroler) pakiet BASCOM-AVR, stanowiący kompletne środowisko do tworzenia programów dla mikrokontrolerów AVR w oparciu o autorską odmianę języka BASIC. Pakiet jest dostępny zarówno w wersji komercyjnej, jak i w darmowej wersji demonstracyjnej — w pełni funkcjonalnej, ograniczonej jedynie dopuszczalnym rozmiarem tworzonego kodu. Dostępne są także poświęcone mu liczne publikacje (również w języku polskim) — przyp. red.

297 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Kompilowanie i przesyłanie programu Przeniesienie kodu z komputera PC do mikrokontrolera jest dosyć proste. Na początek napisz i skompiluj program mikrokontrolera na zwykłym komputerze osobistym. Następnie podłącz do portu szeregowego komputera płytę programowania (rysunek 15.2) właściwą dla wybranego mikrokontrolera. Środowisko programowania prześle skompilowany program (kod obiektu) do mikrokontrolera umieszczonego w gnieździe na płycie. Następnie można wyjąć mikrokontroler i zainstalować go w robocie lub innych projektach elektronicznych2.

Rysunek 15.2. Płyta programowania i debugowania dla mikrokontrolerów 8-bitowych Atmel AVR; zawiera różne wielkości gniazdek, w których umieszcza się programowane mikrokontrolery m, kabel szeregowy do podłączenia do komputera w czasie programowania i debugowania n, zasilacz o i kabel do programowania mikrokontrolera zainstalowanego w urządzeniu lub robocie p Wielu producentów publikuje schematy prostych płyt programowania. Ambitni konstruktorzy mogą dzięki tym schematom wykonać sobie taką płytę samodzielnie, korzystając z powszechnie dostępnych komponentów. Możesz w ten sposób zaoszczędzić nieco pieniędzy, ale jeżeli napotkasz problemy z przesyłaniem kodu do mikrokontrolera, może to być frustrujące. Stale będziesz się zastanawiać, czy to właśnie własnej konstrukcji płyta programowania nie jest źródłem problemu.

Debugowanie programu Wiele płyt programowania ma kabel debugera, który podłącza się do robota (lub innego projektu elektronicznego) w miejscu instalacji mikrokontrolera. Niektóre płyty programowania pozwalają nawet na programowanie i debugowanie mikrokontrolera zainstalowanego w robocie. Przy użyciu komputera osobistego możesz wykonywać kod krokowo i sprawdzać wartości na wyprowadzeniach, tak jak „widzi” je mikrokontroler. Jest to niezwykle przydatne, szczególnie gdy robot nie ma wyświetlacza pokazującego komunikaty diagnostyczne. 2

Wiele mikrokontrolerów (w tym także opisywany tutaj) pozwala — przy zachowaniu pewnych warunków — na ich programowanie bezpośrednio w systemie (obwodzie), którego są częścią, bez konieczności ich demontażu. Programator podłącza się wówczas przeważnie do specjalnie dla niego przygotowanego złącza szpilkowego, które połączone jest z wyprowadzeniami mikrokontrolera przeznaczonymi do jego programowania w systemie (ang. ISP — In System Programming) — przyp. red.

298 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Jeżeli płyta programowania mikrokontrolera nie zapewnia debugowania w układzie lub jeżeli z jakiegoś powodu nie można odtworzyć problemu w takim środowisku, istnieje kilka mniej skomplikowanych technik debugowania, które mogą być przydatne.

Wczanie diody LED Najprostszą techniką debugowania jest dołączenie diody LED (z rezystorem ograniczającym prąd) do jednego z wyprowadzeń mikrokontrolera (rysunek 15.3), a następnie napisanie fragmentu kodu, który włączy diodę LED w przypadku wystąpienia określonego zdarzenia.

Rysunek 15.3. Schemat mikrokontrolera z diodą LED podłączoną w celu debugowania (po lewej). Implementacja schematu na płytce stykowej (po prawej) (aby układ na płytce stykowej był prostszy, R1 jest przylutowany do jednego wyprowadzenia LED1, tak jak na rysunku 11.7 w rozdziale 11.) Kod włączający diodę LED powinien wyglądać mniej więcej następująco: 1. Po włączeniu ustaw wartość niską (0 V) wyprowadzenia 2. (lub innego) i skonfiguruj je jako wyjście. Dioda LED jest wyłączona. 2. W tym miejscu kodu, w którym chcesz zasygnalizować błąd lub pokazać moment wykonania fragmentu kodu, ustaw wartość wysoką (5 V) wyprowadzenia 2. Dioda LED zostanie włączona. Teraz wystarczy patrzeć, czy dioda LED się zapala! Po podłączeniu wielu diod do wielu wyprowadzeń możesz oznaczyć różne zdarzenia lub etapy wykonania kodu. „Aha! Czerwona dioda LED jest włączona, więc mikrokontroler przeszedł cały kod inicjujący, ale zielona dioda się nie zapaliła, więc procedura XYZ nie została wywołana”. „ Uwaga Tak jak w przypadku kadego innego ukadu, pami taj o przejrzeniu specyfikacji mikrokontrolera w celu sprawdzenia maksymalnego prdu, jaki ukad moe przesa przez wszystkie wyprowadzenia razem. Nawet jeeli kade wyprowadzenie przesya prd w granicach limitu, moe si zdarzy , e wszystkie wyprowadzenia razem przekrocz maksymalny prd cakowity. Normalnie nie b dziemy sterowa wi cej ni trzema lub czterema diodami LED na ukad, wi c zwykle nie jest to problem.

299 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ta technika debugowania jest tak skuteczna, że to powinien być pierwszy fragment kodu, jaki wypróbujesz na nowym mikrokontrolerze. Jeżeli dioda LED się zapali, będziesz wiedział, że w sposób prawidłowy skonfigurowałeś płytę i załadowałeś kod.

Zmiana wartoci wyprowadzenia Przykład z diodą LED wydaje się dosyć prosty, ale jeżeli nigdy nie korzystałeś z mikrokontrolera, możesz zapytać: „W jaki sposób mam ustawić wyprowadzenie jako wyjściowe?” albo „W jaki sposób ustawić wysoką lub niską wartość wyjścia?”. Oczywiście zależy to od typu mikrokontrolera. Producenci zwykle definiują wyprowadzenia jako zmienne globalne (w zdefiniowanych adresach pamięci) i wbudowują te definicje w język, plik nagłówkowy lub środowisko programowania. Przez zapisanie 0 lub 1 do bitu skojarzonego ze zmienną globalną wyprowadzenie zmienia się na wejście lub wyjście. Przez zapisanie 0 lub 1 do innego bitu zmiennej globalnej napięcie wyjścia zmienia się na wartość niską (0 V) lub wysoką (5 V). Odczyt tego bitu ze zmiennej globalnej zwraca 0 lub 1, w zależności od tego, czy do wyprowadzenia wejściowego przyłożone jest napięcie niskie (0 V), czy wysokie (5 V). Nie ma tu żadnej magii. Wyprowadzenia są podłączone do tranzystorów, które z kolei są podłączone do określonego adresu pamięci. Producent poinformuje Cię, do której lokacji w pamięci są podłączone wyprowadzenia. W przypadku języków wysokiego poziomu, takich jak BASIC, często dostarczone są uproszczone polecenia, które ułatwiają programiście napisanie kodu; nie musi on męczyć się z bitami. Jednak ostatecznie polecenia te wykonują to samo zadanie przełączenia bitu na predefiniowanym adresie pamięci, który jest podłączony do tego samego tranzystora podłączonego do wyprowadzenia.

Tworzenie „bicia serca” Nieco bardziej skomplikowaną techniką debugowania z użyciem diody LED jest dodanie w kodzie licznika lub stopera, którego zadaniem jest mruganie diodą LED lub innym wskaźnikiem. W takim przypadku widać, czy mikrokontroler działa prawidłowo i czy nie zawiesił się lub nie utkwił w pętli nieskończonej w podprogramie. Poniżej przedstawiony jest jeden ze sposobów zapisania pseudokodu. KONFIGURACJA (początek programu): 1. Ustaw wartość niską (0 V) wyprowadzenia 2. i skonfiguruj je jako wyjście. Dioda LED wskaźnika pulsu jest wyłączona. 2. Utwórz zmienną globalną BicieSerca i ustaw ją na 0. 3. Wykonaj pozostałe czynności inicjujące, jeżeli są potrzebne. PĘTLA GŁÓWNA (wykonywana bez końca): 1. Jeżeli zmienna BicieSerca nie ma wartości 0, odejmij od niej 1 i przejdź do kroku 8. 2. Zmienna BicieSerca ma wartość 0, więc czas na mrugnięcie diodą LED wskaźnika pulsu. Jeżeli wyprowadzenie 2. ma wartość niską (0 V), ustaw je na wartość wysoką (5 V). Dioda LED pulsu zostanie włączona. Przejdź do kroku 7. 3. Wyprowadzenie 2. ma już wartość wysoką (5 V), ustaw je na wartość niską (0 V). Dioda LED pulsu zostanie wyłączona. 4. Ustaw zmienną BicieSerca na dużą wartość, na przykład 500, aby czas pomiędzy zmianami stanu diody LED był zauważalny. 5. Kontynuuj wykonywanie pozostałej części głównej pętli, wywołując podprogramy i wykonując akcje w robocie lub urządzeniu. 6. Przejdź do kroku 4.

300 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Pokazany tu kod, bazujący przy określaniu długości błysku na liczbie wykonań głównej pętli, jest gorszy niż kod bazujący na dokładnym zegarze. Gdy podprogramy lub inne zadania robota wymagają dłuższego czasu przetwarzania, interwał między błyskami wzrasta. W dalszej części rozdziału pokażę, w jaki sposób zapewnić większą regularność wskazania pulsu, wykorzystując zegar i system przerwań. Jeżeli jednak jakakolwiek procedura wywoływana z głównej pętli ulegnie awarii, to wpłynie to na błyskanie, a to jest właśnie podstawowy cel wyświetlania wskaźnika pulsu. Wskaźnik „bicia serca” z użyciem diody LED możesz wykonać, poświęcając na to trochę miejsca na płytce (lewa strona rysunku 15.4). Zamiast korzystać z diody LED jako wskaźnika, możesz użyć brzęczyka i włączać go identycznie jak diodę LED. A może będzie to bardzo irytujące?

Rysunek 15.4. Mrugająca dioda LED jako „bicie serca” wykonana z użyciem komponentów do montażu powierzchniowego zajmuje bardzo mało miejsca. Rzut oka na diodę LED pozwala się zorientować, czy mikrokontroler otrzymuje prąd i czy działa (po lewej). W robotach Bugdozer, Zupa i Sweet pojawia się małe serce w narożnikach ich wyświetlaczy LCD (pośrodku i po prawej). Serce zmienia się z małego na duże i znów na małe — raz na sekundę. Jeżeli mikrokontroler nie działa prawidłowo, puls nie będzie miał właściwej szybkości lub się zatrzyma W przypadku bardziej złożonych robotów, które posiadają wyświetlacze LCD, można wyświetlać bijące serce na ekranie (środkowa i prawa część rysunku 15.4). Wyświetlacze LCD mają nad diodami LED tę przewagę, że zużywają znacznie mniej prądu. Wyświetlacz LCD o rozmiarach 4 znaki na 20 znaków zwykle potrzebuje tyle samo prądu co jedna dioda LED. Niezależnie od sposobu implementacji pulsu może to być bardzo przydatny wskaźnik informujący o otrzymywaniu zasilania przez mikrokontroler oraz o prawidłowym wykonywaniu kodu.

Sterowanie wywietlaczem Doskonałym narzędziem debugowania programu jest prezentacja komunikatów na wyświetlaczu. W zasadzie mógłbyś na podstawie poprzedniego przykładu podłączyć siedem wyprowadzeń mikrokontrolera do siedmiu diod LED ustawionych w kształt ósemki. W sklepach z elektroniką można dostać gotowe, wielosegmentowe wyświetlacze LED (rysunek 15.5). W zależności od tego, który segment LED jest włączony, mikrokontroler może pokazywać liczby z zakresu od 0 do 9, a nawet niektóre litery (rysunek 15.6). Dodając kolejne wielosegmentowe diody LED, możesz wyświetlać nawet komunikaty. Korzystanie z wielosegmentowych wyświetlaczy LED ma poważną wadę — szybko można wykorzystać wszystkie wyprowadzenia mikrokontrolera. Lepszym rozwiązaniem są zintegrowane moduły wyświetlaczy, które pozwalają mikrokontrolerowi na wysyłanie danych przez kilka wyprowadzeń, a wyświetlaniem tych danych zajmuje się układ (lub mikrokontroler) wbudowany w ten moduł. Inną opcją jest użycie układu interfejsu szeregowo-równoległego, takiego jak 74HC595, który konwertuje strumień danych z mikrokontrolera na wiele wyprowadzeń wyjściowych układu interfejsu.

301 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 15.5. Różne siedmiosegmentowe (lub złożone z większej liczby segmentów) diody LED do wyświetlaczy alfanumerycznych

Rysunek 15.6. Czternastosegmentowy wyświetlacz LED wyświetlający cyfry i litery. Jako ostatni pokazany jest wyświetlacz LED z włączonymi wszystkimi segmentami

Przegld wspólnych funkcji mikrokontrolerów Rynek mikrokontrolerów jest warty wiele miliardów złotych. Każdego dnia udostępniane są nowe modele z coraz większymi możliwościami. Niemożliwe jest opisanie wszystkich dostępnych funkcji i ich odmian. Jednak w kolejnych punktach przedstawię funkcje spotykane najczęściej.

302 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Obudowy mikrokontrolerów Podobnie jak zwykłe układy logiczne, mikrokontrolery są dostępne w wielu różnych obudowach i wielkościach (rysunek 15.7).

Rysunek 15.7. Przykładowe obudowy z tej samej linii mikrokontrolerów 8-bitowych. Obudowy przewlekane: 8-pinowa obudowa dwurzędowa DIP m, 16-pinowa DIP n, 40-pinowa DIP o oraz 42-pinowa ścieśniona obudowa dwurzędowa (SDIP) p. Obudowy montażu powierzchniowego: 16-pinowa obudowa SOIC q, 44-pinowa obudowa QFP r, 48-pinowa obudowa LQFP s Czasami mikrokontrolery o identycznych możliwościach są dostępne w kilku typach obudowy ({ i ). W innych przypadkach mikrokontrolery są niemal identyczne — poza tym że jedna obudowa ma dodatkowe wyprowadzenia (} i €). Inne rodzaje mikrokontrolerów mogą się znacznie różnić, posiadać inne obsługiwane moduły oraz mieć różną ilość pamięci ({ kontra |, kontra }, kontra ~). Podobnie jak w przypadku układów logicznych, zapoznaj się ze specyfikacją techniczną, gdzie możesz znaleźć ilość pamięci, konfigurację wyprowadzeń oraz funkcje dla każdego modelu i rodzaju obudowy. Warto dobrze poznać jedną rodzinę mikrokontrolerów i konsekwentnie z niej korzystać. W wielu przypadkach procedury napisane dla jednego układu będą również pracować na innych układach z rodziny. W zależności od ceny i zakresu funkcji wymaganych w określonym projekcie możesz wybrać inny układ z rodziny bez konieczności kompletnego przebudowywania kodu.

Wyprowadzenia mikrokontrolera Wyprowadzenia mikrokontrolerów są programowalne. W specyfikacji dostarczanej przez producenta przedstawione są funkcje, jakie są dostępne dla każdego wyprowadzenia. Z wyjątkiem kilku dedykowanych (zasilanie, masa itd.) większość wyprowadzeń mikrokontrolera może być skonfigurowana co najmniej jako wejścia lub wyjścia. Niektóre wyprowadzenia mikrokontrolera mogą być również podłączone do specjalnych modułów, takich jak porty szeregowe lub przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C).

Wyprowadzenia wejciowe Wyprowadzenia wejściowe mikrokontrolera są podobne do tych, które są dostępne w układach logicznych. Gdy zmierzone na pinie napięcie jest bliskie napięciu masy (0 V), jest on ustawiany na wartość niską, czyli bit 0. Gdy napięcie na pinie jest bliskie napięciu stabilizowanemu (5 V), jest on ustawiany na wartość wysoką, czyli bit 1. Wyprowadzenia te są traktowane jak wejścia cyfrowe. Napięcia o średniej wartości (na przykład 2,5 V) są niezdefiniowane i mogą być odczytywane jako niskie lub wysokie.

303 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wejścia przetwornika analogowo-cyfrowego W niektórych mikrokontrolerach dostępne są również wejścia analogowe. Wyprowadzenia przetwornika analogowo-cyfrowego mogą skonwertować takie napięcie (załóżmy, że od 0 do 5 V) na liczbę ze zdefiniowanego zakresu (na przykład od 0 do 255), zamiast udostępnić tylko cyfrowe wartości 0 lub 1. W tym przypadku napięcie 2,5 V przyłożone do wejścia analogowo-cyfrowego zostanie odczytane przez mikrokontroler jako 128. Choć większość przetworników A/C generuje wartości 8-bitowe (28 daje 256, czyli od 0 do 255), bardziej zaawansowane mikrokontrolery mogą generować wartości 10-bitowe, a nawet 12-bitowe (212 to 4096, czyli od 0 do 4095). Oznacza to, że 8-bitowy przetwornik A/C zasilany napięciem 5 V dzieli je na 256 poziomów, czyli rozpoznaje zmiany co 0,02 V, natomiast przetwornik 12-bitowy dzieli 5 V na 4096 poziomów, czyli mierzy napięcie co 0,0012 V. Przetwornik 12-bitowy jest potrzebny tylko w sytuacji, gdy robot musi odróżniać napięcie 2,5 V od 2,5013 V. Jeżeli jednak odróżnienie 2,5 V od 2,52 V jest wystarczające, to będzie nadawał się do tego standardowy 8-bitowy ADC. Roboty uwielbiają wejścia analogowe! W kolejnych rozdziałach przedstawię podłączanie sensorów do wejść analogowo-cyfrowych.

Wyprowadzenia wejściowe przerwań Niektóre wejścia cyfrowe mogą być podłączone do przerwań. Gdy napięcie na wejściu zmienia się z niskiego na wysokie lub z wysokiego na niskie, mikrokontroler przerywa wykonywaną operację, wykonuje podprogram związany ze zmienionym wejściem (musi być napisany przez nas), a następnie wraca do wykonywanej operacji. Przerwania mogą być bardzo użyteczne. Zamiast sprawdzać wartość wejścia przy każdym przebiegu głównej pętli, program może je ignorować do momentu wystąpienia przerwania. Na przykład przyciski w robocie są naciskane dosyć rzadko. Gdy są wykorzystywane wejścia obsługujące przerwania, przyciski mogą być ignorowane do momentu, w którym faktycznie zostaną naciśnięte. Inną zaletą stosowania przerwań jest natychmiastowe informowanie mikrokontrolera o zmianie stanu wyprowadzenia. Jeżeli masz zadanie krytyczne czasowo, to powinieneś je obsługiwać za pomocą wejścia skojarzonego przerwaniem. Na przykład możesz próbować określić prędkość robota przez zliczanie czasu pomiędzy znacznikami na kołach. Gdy znacznik zostanie wykryty, na sensorze optycznym koła zmienia się napięcie, które jest podawane na powiązany z przerwaniem wyprowadzenie wejściowe mikrokontrolera. Zmiana napięcia powoduje przerwanie bieżącego zadania przez mikrokontroler i uruchomienie Twojej procedury, która rejestruje czas zmiany wartości wejścia. W innym miejscu programu możesz obliczyć czas pomiędzy zmianami wartości na wejściu oraz pomnożyć go przez promień koła robota, co da w wyniku przybliżoną prędkość liniową. Większość mikrokontrolerów ma co najmniej jedno dedykowane wyprowadzenie przerwania. Niektóre mikrokontrolery zawierają również dodatkowe konfigurowane wyprowadzenia przerwań pozwalające na przetwarzanie zdarzeń z klawiatury lub umożliwiające zatrzymywanie wbudowanego zegara (często nazywane przechwytywaniem wejścia) w momencie zmiany stanu wyprowadzenia.

Wyprowadzenie zerowania Innym często spotykanym wyprowadzeniem dostępnym w wielu mikrokontrolerach jest wyprowadzenie zerowania. W zależności od mikrokontrolera podanie na niego napięcia niskiego lub wysokiego (zwykle poprzez przycisk podłączony do 5 V lub do masy) powoduje, że mikrokontroler natychmiast zaczyna wykonywanie programu od początku, niemal tak samo jak po wyłączeniu i ponownym włączeniu zasilania. Jest to podobne do ponownego uruchomienia komputera. Wyprowadzenie zerowania jest często używane przez płyty programowania do zatrzymania mikrokontrolera i rozpoczęcia ładowania nowego oprogramowania. Wyprowadzenie to zapewnia łagodniejszy sposób restartu układów sterujących robota bez konieczności wyłączania zasilania pozostałych komponentów zainstalowanych na tej samej płytce.

304 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Wykorzystanie wyprowadzenia zerowania Jeżeli mikrokontroler posiada dedykowane (niedające się konfigurować) wyprowadzenie zerowania, a zagospodarowałeś już wszystkie inne wyprowadzenia, możesz je w sprytny sposób wykorzystać. Bardzo przydatny jest w takiej sytuacji, udostępniany przez niektóre mikrokontrolery, znacznik (bit) wskazujący, czy program został uruchomiony przez włączenie i wyłączenie zasilania, użycie wyprowadzenia zerowania, czy przez wystąpienie błędu programu. Na początku programu robot może sprawdzić, czy był naciśnięty przycisk zerowania, a jeżeli tak, może wykonać odpowiednie akcje. Dobrym przykładem może być robot sumo. Gdy nastąpi włączenie zasilania, jeżeli nie było użyte zerowanie, robot włącza sensory i wyświetla odległość od przeciwnika. Pozwala to konstruktorowi na ustawienie robota na ringu przed rozpoczęciem meczu. Następnie, gdy zostanie naciśnięty przycisk zerowania, procedura startowa programu robota uwzględnia ten fakt i rozpoczyna pięciosekundowe odliczanie przed rozpoczęciem meczu. Innym sposobem na ponowne wykorzystanie wyprowadzenia zerowania (nawet jeżeli mikrokontroler nie udostępnia znacznika informującego o naciśnięciu przycisku zerowania) jest sprawdzenie w procedurze startowej wartości określonych sensorów. Możesz na przykład tak skonfigurować robota podążającego za linią, aby podążał za ciemną linią, gdy sensory były ciemne przy uruchomieniu programu, lub za jasną linią, gdy sensory były jasne w momencie uruchomienia programu. W przypadku robotów z czujnikiem odległości możesz wystawić rękę w określonej odległości i nacisnąć przycisk zerowania na robocie, aby wszedł on w określony tryb.

Konfigurowane rezystory podciągające i obniżające w wyprowadzeniach wejściowych Zaawansowane mikrokontrolery mają wbudowane w wyprowadzenia wejściowe konfigurowane rezystory podciągające lub obniżające. Jak pamiętasz, wejścia CMOS wymagają napięcia na wejściach, aby zapobiec losowemu przełączaniu wartości wejściowych przez napięcia błądzące. Jeżeli są dostępne rezystory podciągające lub obniżające, nasze oprogramowanie może włączać je w procedurze startowej, aby zapewniały domyślne wartości wejściowe bez konieczności umieszczania rezystorów na płytce z układami. Nie jest niespodzianką, że dedykowane wyprowadzenia przerwania i zerowania mają wbudowane rezystory podciągające lub obniżające, aby domyślnie miały wartość „nie zeruj” i „nie przerywaj”. Jeżeli ich nie potrzebujesz, możesz wyłączyć konfigurowane rezystory podciągające lub obniżające. Rezystory te są niepotrzebne, jeżeli wyprowadzenie będzie skonfigurowane do pełnienia funkcji innej niż cyfrowe wejście. Na przykład nie chcesz, aby domyślna wartość rezystora konkurowała z wyjściem, jak również nie chcesz, aby zmieniała wartość napięcia odczytywanego przez wejście analogowe. Innym przypadkiem, w którym warto wyłączyć rezystory podciągające lub obniżające, jest podłączenie na stałe innego układu do wyprowadzeń wejściowych mikrokontrolera. Wartości domyślne nie są wtedy potrzebne, a dodatkowy pobór prądu przez rezystor jest niepożądany. Jeżeli mikrokontroler posiada wyprowadzenia, z których nie będziesz korzystał, skonfiguruj je jako wejściowe i włącz ich rezystor podciągający lub obniżający albo skonfiguruj te wyprowadzenia jako wyjściowe.

Wyprowadzenia wyjciowe Wyprowadzenia wyjściowe mikrokontrolera również są podobne do tych, które są dostępne w układach logicznych. Możesz ustawić wyprowadzenie wyjściowe na napięcie niskie (0 V) lub wysokie (5 V lub inne podawane na wyprowadzenie zasilania mikrokontrolera). Wyprowadzenia wyjściowe są zwykle cyfrowe, czyli mają wartość niską lub wysoką, bit 0 lub 1, czyli 0 V lub 5 V — nie mają wartości pośrednich. Bardzo niewiele mikrokontrolerów zapewnia wyjścia analogowe, których napięcie może się zmieniać.

305 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Unikanie zakłóceń przy konfigurowaniu wyprowadzenia wyjściowego Większość mikrokontrolerów po włączeniu ma skonfigurowane wszystkie wyprowadzenia jako wejściowe. Zabezpiecza to mikrokontroler przed dostarczeniem niewłaściwego napięcia do pozostałych części obwodu przed skonfigurowaniem mikrokontrolera przez program. Dla przykładu wyobraźmy sobie, że niektóre wyprowadzenia mikrokontrolera są podłączone do sterownika silnika. Wolałbyś, aby mikrokontroler nie przekazywał żadnych informacji (wyprowadzenia jako wejścia — nie generują żadnego sygnału) do sterownika silnika, a nie, żeby przekazywał nieprawidłową wartość, która może spowodować uruchomienie silników. Aby zapewnić wartości domyślne (brak ruchu) dla sterownika silnika, prawdopodobnie umieścisz rezystory podciągające lub obniżające na wejściach sterownika. Po włączeniu, ale przed przełączeniem przez program wyprowadzenia z wejściowego na wyjściowy, na początku zapisz oczekiwaną wartość wyjścia. Może się to wydawać nieco dziwne, aby zapisywać wartość do (obecnie) wyprowadzenia wejściowego, ale większość mikrokontrolerów zachowuje tę wartość do wykorzystania po zmianie wyprowadzenia na wyjściowy. Skąd mikrokontroler będzie wiedział w przeciwnym razie, czy wyprowadzenie wyjściowe ma mieć ustawioną wartość niską (0 V), czy wysoką (5 V) po jego włączeniu? Jeżeli nie zapiszesz wartości wyjściowej przed przełączeniem wyprowadzenia na wyjście, może występować krótki okres, w którym wyprowadzenie wyjściowe zmieni się z wartości losowej na oczekiwaną przez Ciebie wartość wyjściową. Może to mieć różne konsekwencje, w zależności od tego, co jest podłączone do wyprowadzenia wyjściowego. Na przykład dioda LED może mrugnąć przy uruchomieniu — co z tego? Jednak jeżeli to wyprowadzenie wyjściowe jest podłączone do sterownika silnika, nie będziesz chciał obserwować takich błędów.

Wyprowadzenia wyjściowe wysokoprądowe Ponieważ mikrokontrolery w większości są zaprojektowane do sterowania sygnałami cyfrowymi niskoprądowymi, mogą dostarczać tylko kilka miliamperów prądu wyjściowego. Jest to wystarczające, jeżeli mikrokontroler jest podłączony do układów logicznych, sterowników silników itp. Jednak nie jest to prąd wystarczający do sterowania jasną diodą LED. Najbardziej oczywistym symptomem przeciążenia wejścia jest spadek napięcia „cyfrowego” na wyjściu do dowolnej wartości pomiędzy 0 a 5 V. Obecnie wiele mikrokontrolerów posiada wyprowadzenie, które jest w stanie dostarczyć większego prądu, do 25 mA. Są mikrokontrolery udostępniające tę funkcję tylko na niektórych wyprowadzeniach, więc pamiętaj o odpowiednim zaplanowaniu obwodu. Jeżeli Twój mikrokontroler nie posiada żadnego wyprowadzenia wyjścia wysokoprądowego (lub wystarczającej liczby takich wyprowadzeń), zawsze możesz podłączyć wyjście mikrokontrolera do tranzystora lub układu logicznego o większym prądzie wyjściowym (na przykład 74AC14).

Wyjście z modulacją szerokości impulsu W przypadku robota jednym z najbardziej pożądanych typów wyjść mikrokontrolera jest modulator szerokości impulsu (PWM). Przy użyciu generatora PWM możesz skonfigurować wyprowadzenie wyjściowe w taki sposób, aby zapewniało sygnał włącz/wyłącz z zaprogramowaną częstotliwością i zaprogramowanym cyklem pracy (procent czasu wyłączenia i procent czasu włączenia). PWM może na przykład generować falę prostokątną o częstotliwości 38 kHz, pokazaną na rysunku 12.4 w rozdziale 12. W zasadzie jedno wyprowadzenie PWM mikrokontrolera może zastąpić pierwsze cztery wyprowadzenia układu 74AC14 w obwodzie detektora odbić podczerwieni. Zastosowanie PWM znacznie zmniejsza złożoność obwodu oraz jego koszt, ponieważ potencjometr (R6), rezystor (R5) oraz kondensator (C5) z obwodu pokazanego na rysunku 11.10 w rozdziale 11. nie są potrzebne. Sygnał z mikrokontrolera nie wymaga dostrajania. W zasadzie robot może wyłączyć lub rozstroić sygnał, jeżeli jest to w danym momencie potrzebne.

306 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Zastosowanie tylko jednego detektora podczerwieni dzięki wykorzystaniu dwóch wyprowadzeń PWM Przy wykorzystaniu dwóch wyprowadzeń PWM z mikrokontrolera możliwe jest zastosowanie tylko jednego detektora podczerwieni przy zachowaniu możliwości rozróżniania obiektów znajdujących się po obu stronach robota. Schemat jest pokazany na rysunku 15.8.

Rysunek 15.8. Schemat przykładowego mikrokontrolera z dwoma emiterami podłączonymi do wyjść PWM i tylko jednym detektorem Umieść emitery podczerwieni po obu stronach jednego detektora podczerwieni (rysunek 15.9). Jeden z wyprowadzeń mikrokontrolera emituje sygnał o częstotliwości 38 kHz, trafiający do jednego z emiterów podczerwieni, i sprawdza sygnał z detektora w celu ustalenia, czy po tej stronie robota znajduje się przeszkoda. Następnie mikrokontroler emituje sygnał o częstotliwości 38 kHz, trafiający do drugiego z emiterów podczerwieni, i ponownie sprawdza sygnał z detektora w celu ustalenia, czy po tej stronie robota znajduje się przeszkoda.

Rysunek 15.9. Impuls emitowany z mikrokontrolera do lewego emitera podczerwieni nie odbija się od żadnego obiektu znajdującego się po lewej stronie (lewa strona rysunku). Detektor PNA4602M umieszczony pośrodku nie wykrywa niczego. Impuls wysłany z mikrokontrolera do prawego emitera podczerwieni odbija się od obiektu po prawej stronie i trafia do detektora PNA4602M (prawa strona rysunku)

307 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Mikrokontroler może włączać oba sygnały PWM jednocześnie, dzięki czemu aktywne są oba emitery podczerwieni. Daje to szerszy kąt wykrywania, który może pozwolić na wykrycie obiektów, których nie może oświetlić żaden z pojedynczych emiterów. W tym przypadku wyeliminowane zostały koszt, miejsce, waga i pobór prądu jednego z detektorów. Zapobiegamy w ten sposób interferencjom emitera po jednej stronie z detektorem po drugiej stronie. Dodatkowo robot emituje sygnał o częstotliwości 38 kHz tylko wtedy, gdy chce odczytać wartość z detektora, przez co ogranicza pobór prądu i zamiary robota są mniej oczywiste dla przeciwnika (na przykład w robocie sumo).

Użycie PWM do innych zadań Użyteczność modulatora szerokości impulsu nie jest ograniczona tylko do detektorów podczerwieni. Można korzystać z PWM do regulowania szybkości obrotów silników oraz do tworzenia analogowych napięć wyjściowych (w połączeniu z rezystorem i kondensatorem, tak jak na rysunkach 14.9 i 14.10 w rozdziale 14.). Możemy również wykorzystać PWM do tworzenia muzyki, co pokażę w ostatnim rozdziale.

PWM generowany programowo Jeżeli Twój mikrokontroler nie posiada wbudowanego wyprowadzenia wyjścia PWM, możesz emulować jego działanie programowo, przełączając wartość wyprowadzenia wyjściowego pomiędzy wartością niską i wysoką. Wadą jest konieczność poświęcenia przez program czasu na przełączanie wyprowadzeń wyjściowych, a sygnał może być zakłócony, jeżeli mikrokontroler wykona procedurę przerwania3.

Połączenie wyprowadzeń wejściowych i wyjściowych — porty szeregowe Niektóre mikrokontrolery zawierają wbudowane moduły korzystające z połączenia wyprowadzeń wejściowych i wyjściowych. Dobrym przykładem jest port szeregowy. Mikrokontroler może zawierać układy, które po aktywowaniu automatycznie konwertują przychodzący ciąg impulsów na bajty oraz automatycznie konwertują bajty na wychodzący strumień impulsów. Dzięki temu można zrealizować komunikację szeregową z innymi układami lub z komputerem, poświęcając niewiele czasu na programowanie. Istnieje wiele różnych typów protokołów szeregowych: I2C (nazywany również TWI lub dwuprzewodowym), SPI, CAN, LIN, USB itd. Kilka protokołów szeregowych wykorzystuje tylko jedno wyprowadzenie, przełączając je jako wejście lub wyjście w razie potrzeby. Większość protokołów szeregowych korzysta z co najmniej dwóch wyprowadzeń — jednego dedykowanego dla wejścia i drugiego dedykowanego dla wyjścia. Niektóre protokoły szeregowe są bardzo szybkie (megabity na sekundę), natomiast inne mają mniejszą prędkość (300, 2400, 9600 itd.). Możliwe jest emulowanie większości typów komunikacji szeregowej przy użyciu tylko oprogramowania (przerzucanie bitów). Wadą jest przywiązanie kodu mikrokontrolera do podprogramu lub to, że podprogram musi korzystać ze skomplikowanych zegarów w celu przerywania innych procesów, aby odczytać wyprowadzenia wejściowe lub przełączyć wyprowadzenia wyjściowe. Jeżeli planujesz użyć w robocie komunikacji szeregowej, najlepiej zastosować układ zawierający dedykowany moduł szeregowy, który pasuje do elementów, do jakich chcesz przekazywać dane. Inną ważną informacją na temat komunikacji szeregowej jest to, że mikrokontroler zwykle zapewnia tylko funkcje logiczne, a nie zawsze prawidłowe zakresy napięć lub połączenia. Dlatego może być konieczne dodanie układu interfejsu lub modułu szeregowego zapewniającego izolację (ochronę) mikrokontrolera i translację napięć.

3

W mikrokontrolerach pozbawionych generatora PWM jego działanie symuluje się najczęściej właśnie poprzez odpowiedni podprogram działający „na przerwaniach”, co zapewnia stabilność pracy generatora niezależnie od aktualnych działań robota. Wadą takiego rozwiązania jest ograniczenie wydajności głównego programu sterującego robota gdyż procedura przerwań zużywa na swoje potrzeby część czasu działania procesora. Przy rozwiązaniu sprzętowym nie ma to miejsca — przyp. red.

308 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Dobrym przykładem układu interfejsu jest Maxim MAX232. Jest on zaprojektowany do konwersji sygnałów szeregowych mikrokontrolera o poziomach 0 V i 5 V na napięcia odpowiednio interpretowane przez porty RS232 w starszych komputerach. W przypadku nowoczesnych komputerów z portami USB możesz użyć adaptera USB-RS232 lub jeszcze lepiej dodać moduł USB do robota (można kupić takie moduły).

Pamięć mikrokontrolera Czas przenieść się z zewnętrznych części mikrokontrolera (obudowa i wyprowadzenia) do funkcji wewnątrz mikrokontrolera. Zacznijmy od pamięci. Podobnie jak komputer, mikrokontrolery mają dwa typy pamięci: nieulotną i ulotną. Zawartość pamięci nieulotnej jest zachowywana nawet bez zasilania, tak jak na dysku twardym komputera. Z kolei zawartość pamięci ulotnej jest tracona, gdy układ przestaje być zasilany, tak samo jak zawartość pamięci o dostępie swobodnym (RAM) na komputerze. Pamięć ulotna musi zapewniać jakąś przewagę nad nieulotną; w przeciwnym razie wszyscy korzystaliby z pamięci nieulotnej. Obecnie pamięć ulotna jest szybsza i nie ma ograniczeń, jeśli chodzi o liczbę zapisów i odczytów. Ilość wbudowanej pamięci dostępnej w mikrokontrolerze zwiększa się, a ceny mikrokontrolerów spadają. Powinieneś upewnić się, czy kupujesz mikrokontroler z wystarczającą ilością pamięci (zarówno ulotnej, jak i nieulotnej), ale nie marnuj pieniędzy na pojemność, której nie będziesz potrzebował. Jednym z rozwiązań jest wybranie rodziny mikrokontrolerów, które zawierają te same układy z różnymi rozmiarami pamięci — gdy braknie Ci miejsca, będziesz mógł zastosować nieco droższy układ o większej pojemności. Istnieje ograniczenie pamięci dostępnej dla mikrokontrolera, zależne od rozmiaru jego szyny adresowej. Na przykład większość mikrokontrolerów 8-bitowych ma 16-bitową szynę adresową. Z tego powodu mogą one korzystać z 216, czyli 65 536 adresów pamięci. Istnieją techniki pomagające ominąć ten limit przez przełączanie pamięci do i z przestrzeni adresowej. Jednak można przyjąć, że najprostsze mikrokontrolery nie mogą bezpośrednio korzystać z pamięci tak dużej jak pamięć najbardziej rozbudowanych modeli.

Pami nieulotna Wbudowana pamięć nieulotna mikrokontrolera przeznaczona na program była przedstawiona we wcześniejszej części rozdziału. Oprócz programów pamięć nieulotna może przechowywać również tabele, tekst, muzykę i inne dane. Wiele mikrokontrolerów może zapisywać swoją pamięć nieulotną. Oznacza to, że można użyć pamięci nieulotnej do przechowywania ustawień bądź do zapisywania danych lub logów. Mikrokontroler może na przykład tworzyć wykres temperatury lub danych z innych sensorów i zapisywać te dane do swojej pamięci nieulotnej. Później można pobrać te dane na komputer.

Obsuga zewntrznej pamici nieulotnej Dostępne są również układy zewnętrznej pamięci nieulotnej (rysunek 15.10). Jednak jeśli mikrokontroler nie posiada adresów i wyprowadzeń magistrali danych (zbiór dziesięciu lub większej liczby dedykowanych wyprowadzeń) do obsługi pamięci zewnętrznej, taki zewnętrzny magazyn danych nie jest bezpośrednio dostępny dla programów. Obejściem jest odczyt programów z pamięci zewnętrznej i ich wewnętrzne wykonywanie. Dokładnie tak samo działa komputer — programy są wczytywane z dysku twardego do pamięci RAM i w niej są wykonywane. W większości mikrokontrolerów pamięć zewnętrzna niekorzystająca z magistrali jest zwykle zarezerwowana dla ustawień i innych danych niebędących programami. Zewnętrzne pamięci szeregowe EEPROM są niedrogie i są dostępne w przyjaznych hobbystom obudowach 8-nóżkowych DIP lub 8-nóżkowych SOIC; często mają do 512 Kb (64 KB) pamięci. Jeżeli potrzebujesz więcej pamięci, możesz użyć wielu szeregowych układów EEPROM.

309 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 15.10. Zewnętrzna pamięć nieulotna. Układ 25C320 32 Kb SPI-serial EEPROM (po lewej). Seria 24xxx korzysta z dostępu z użyciem I2C oraz z dostępu dwuprzewodowego. Seria 93xxx korzysta z dostępu trójprzewodowego. Układ DS1230 256 Kb równoległej pamięci SRAM z wbudowaną litową baterią podtrzymującą zasilanie (po prawej). Jest to pamięć szybka i niemająca ograniczeń w liczbie zapisów, tak jak pamięć ulotna, a jej zawartość może przetrwać do dziesięciu lat bez zewnętrznego zasilania „ Wskazówka Z jakiego powodu wielko ukadów pami ci zewn trznej jest podawana w bitach, a nie w bajtach. Pami taj, aby zamawiajc pami o wielko ci 32 kilobitów (Kb), nie oczekiwa 32 kilobajtów (KB) pami ci. Inaczej mówic, jeden bajt to osiem bitów. Wi c 32 Kb to tylko 4 KB.

Zewnętrzna pamięć o dostępie szeregowym jest wolniejsza, ale wymaga mniej wyprowadzeń (zwykle dwóch lub trzech). Pamięci szeregowe zazwyczaj mogą być dołączane do magistrali szeregowej SPI lub I2C wraz z innymi modułami, więc nie będą zajmowały dodatkowych wyprowadzeń4. Pamięć zewnętrzna o dostępie równoległym jest znacznie, znacznie szybsza, ale wymaga znacznie więcej wyprowadzeń (10 do 64) i czasami układów interfejsów (przerzutników, buforów). Jeżeli mikrokontroler obsługuje zewnętrzną magistralę, program może być uruchomiony bezpośrednio z pamięci o dostępie równoległym.

Pami ulotna Wbudowana pamięć ulotna (RAM) jest w mikrokontrolerach zwykle bardzo ograniczona. Brak pamięci RAM może być poważnym problemem w tanich mikrokontrolerach, ponieważ wszystkie pamięci globalne oraz stos (zmienne lokalne, adresy powrotne podprogramów, tymczasowe wartości rejestrów) są przechowywane w pamięci RAM. Dlatego brak pamięci RAM może ograniczyć funkcjonalność robota. Korzystając z mikrokontrolera, często musisz poświęcić szybkość algorytmu, aby mniejsza była zajętość pamięci RAM. Podobnie jak w przypadku pamięci nieulotnej, droższe mikrokontrolery mają zwykle więcej pamięci RAM, a najbardziej zaawansowane mikrokontrolery mają wyprowadzenia magistrali do podłączenia zewnętrznej pamięci RAM. Jeżeli potrzebujesz więcej niż kilkaset bajtów pamięci, powinieneś rozważyć kupno zaawansowanego kontrolera z zewnętrzną pamięcią RAM. Zewnętrzne pamięci RAM o dostępie szeregowym nie są powszechne; niemal wszystkie układy pamięci RAM mają dostęp równoległy. 4

Zaletą nowoczesnych magistral szeregowych (takich jak SPI czy I2C) jest możliwość dołączenia do nich kilku urządzeń jednocześnie. Wszystkie te urządzenia korzystają wówczas z tych samych linii (przewodów) komunikacyjnych, a każde z nich jest niezależnie identyfikowane przez przynależny mu, unikalny numer (adres). Wadą takiego rozwiązania jest zwiększenie ilości przesyłanych informacji (a więc obniżenie efektywnej przepustowości łącza) — z racji przesyłania także adresu układu, z którym następuje komunikacja — jak również fakt, że w danym momencie mikrokontroler może komunikować się jedynie z jednym spośród wielu dołączonych urządzeń (układów) — przyp. red.

310 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Po szybkim przeglądzie mojego kodu okazało się, że globalne użycie pamięci na zmienne globalne jest bardzo różne w poszczególnych robotach (tabela 15.2). Zwróć uwagę, że stos zajmuje całą pozostałą pamięć. Stale próbuję ograniczyć ilość używanej pamięci RAM w przeciwieństwie do pamięci nieulotnej. Tabela 15.2. Użycie pamięci RAM na zmienne globalne w różnych robotach Nazwa robota

Cakowity rozmiar wszystkich zmiennych globalnych

Beztroski

12 bajtów

Rondo

38 bajtów

Hard2C

46 bajtów

Miłego Dnia

59 bajtów

Bugdozer

111 bajtów

Zupa

155 bajtów

Sweet

174 bajty

Atmel ATtiny84 zawiera 512 bajtów pamięci RAM i spełnia wymagania większości robotów wymienionych w tabeli 15.2. Najbardziej zaawansowany mikrokontroler z tej rodziny ma 16 384 bajty pamięci RAM.

Rozmiar instrukcji mikrokontrolera Mikrokontrolery są zwykle klasyfikowane na podstawie liczby bajtów, jakimi można manipulować za pomocą jednej instrukcji (polecenia). Na przykład mikrokontroler 8-bitowy może odczytywać, zmieniać i zapisywać 8 bitów (1 bajt) jednocześnie. Choć może być dostępnych kilka instrukcji złożonych, większość jest ograniczona do obsługi 28 wartości, takich jak od 0 do 255 lub od -128 do 127. Nie oznacza to, że nie można zastosować mikrokontrolera do obliczeń na większych wartościach; po prostu będzie to wymagało co najmniej dwóch instrukcji. Mikrokontroler 16-bitowy może obsłużyć 216 wartości, na przykład od 0 do 65 535. Mikrokontroler 32-bitowy może obsłużyć 232 wartości, na przykład od 0 do 4 294 967 295. Dzisiejsze komputery osobiste zawierają najczęściej mikroprocesory 64-bitowe. Mikroprocesory są podobne do mikrokontrolerów, ale są zoptymalizowane do pełnienia centralnej funkcji w większym systemie, dlatego w większości mikroprocesorów nie marnuje się miejsca na wbudowaną pamięć systemową i moduły. Z kolei mikrokontrolery zawierają wbudowaną pamięć systemową, porty szeregowe, porty analogowo-cyfrowe, rezystory podciągające i inne funkcje pozwalające na niemal niezależne działanie. Roboty budowane przez hobbystów zawierają mikrokontrolery 8- lub 16-bitowe. Zaletami mikrokontrolerów 16-bitowych są bardziej zaawansowane polecenia oraz możliwość obsługi większych liczb, dzięki czemu kod jest krótszy i mniej skomplikowany. Wadą mikrokontrolerów 16-bitowych jest ich wyższa cena i mniejsza dostępność w obudowach przyjaznych hobbystom. Pokaż mi mikrokontroler 16-bitowy (lub 32-bitowy) z tymi samymi modułami, w tej samej obudowie i w tej samej cenie co ATtiny84, a kupię go bez wahania. Mówiąc inaczej, konstruktorzy robotów nie wybierają mikrokontrolerów 8-bitowych, ponieważ chcą operować na liczbach 8-bitowych; to inne czynniki ograniczają możliwości wyboru.

Złożoność instrukcji mikrokontrolera Jeżeli zamierzasz programować swojego robota przy użyciu asemblera, pamiętaj o zapoznaniu się z pełną listą instrukcji przed wyborem mikrokontrolera. Na przykład niektóre mikrokontrolery nie zawierają instrukcji mnożenia i dzielenia (istnieją sposoby na wykonanie tych operacji matematycznych przez przesuwanie bitów, dodawanie i odejmowanie). Z drugiej strony, jeżeli planujesz użyć języka wyższego poziomu, takiego jak BASIC lub C, to algorytmy mnożenia i dzielenia będą na ogół dostępne niezależnie od zbioru instrukcji mikrokontrolera.

311 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Szybkość mikrokontrolera Choć nowoczesny komputer osobisty działa z szybkością kilku gigaherców, nowoczesne mikrokontrolery pracują z szybkością zaledwie kilku (kilkunastu) megaherców. Niedrogie mikrokontrolery 8-bitowe zazwyczaj pracują z szybkością pomiędzy 1 a 20 MHz, a niektóre nawet do 40 MHz. Atmel ATtiny84 może pracować z prędkością do 20 MHz. Aby zrozumieć te różnice w szybkości, należy wziąć pod uwagę to, gdzie najczęściej są instalowane mikrokontrolery. Są one często używane w urządzeniach zasilanych bateryjnie, gdzie ważny jest długi czas pracy na bateriach (niski pobór prądu)5. Mikrokontrolery są również montowane w wielu produktach (samochodach, systemach alarmowych, zmywarkach, lodówkach lub zabawkach), w których generowane zakłócenia elektryczne mogą interferować z falami czy zakłóceniami wysyłanymi przez inne produkty oraz których cena byłaby wyższa ze względu na konieczność zastosowania technik ograniczania zakłóceń elektrycznych (metalowe obudowy, kondensatory). Niższa prędkość (zakres kilku megaherców) większości mikrokontrolerów daje niższe zużycie prądu i niższą emisję elektromagnetyczną. Szybkość w takich produktach jest zwykle problemem drugorzędnym. Wszystkie te argumenty odnoszą się również do nas, konstruktorów robotów, ponieważ przy wyższych częstotliwościach występują osobliwe efekty. Uwierz mi, nie chciałbyś projektować i wytrawiać w swojej piwnicy obwodu, który byłby w stanie pracować z częstotliwościami gigahercowymi.

Porównanie rónych szybkoci zegara Jak prawdopodobnie wiesz, całkowita szybkość komputera nie może być określona przez proste patrzenie na megaherce czy gigaherce. Ta miara częstotliwości, wyrażana w hercach (cykle na sekundę), informuje tylko jak często „tyka” zegar systemowy. „ Uwaga Termin „zegar” moe by mylcy. Nie naley my le o nim jak o czym , co pokazuje biecy czas. Cho mona kupi ukad zewn trzny dostarczajcy robotowi biec dat i czas, to zegar mikrokontrolera jest raczej metronomem (lub nanometronomem), który „tykajc”, dostarcza gówny sygna synchronizujcy do wszystkich wewn trznych moduów w mikrokontrolerze.

W zależności od układu, liczby bitów danych na instrukcję oraz pomocniczego sprzętu jeden komputer może być w stanie wykonać więcej pracy w jednym cyklu niż inny. Obowiązuje to również w odniesieniu do mikrokontrolerów. 8-bitowy mikrokontroler z zegarem 8 MHz może być wolniejszy niż 16-bitowy mikrokontroler 4 MHz z dodatkowymi modułami pomocniczymi. Projektanci mikrokontrolerów użyli kilku sztuczek, aby zwiększyć całkowitą wydajność bez zwiększania częstotliwości zegara. Na przykład zwykle jedna instrukcja jest realizowana przez kilka cykli procesora. Nowsze mikrokontrolery wykorzystują złożone techniki, dzięki którym większość instrukcji (o ile nie wszystkie) jest realizowana w jednym cyklu. Oznacza to, że nowszy mikrokontroler 8-bitowy może być szybszy niż nieco starszy mikrokontroler 8-bitowy, nawet przy tym samym oprogramowaniu, tych samych modułach pomocniczych i tej samej częstotliwości zegara. Jest to korzystne dla konstruktorów robotów, ponieważ mamy do dyspozycji „szybszy” układ bez zwiększania wewnętrznej częstotliwości. Pamiętaj o tym przy wybieraniu mikrokontrolera — nie możesz po prostu porównywać megaherców w celu znalezienia szybszego układu.

5

W mikroprocesorach i mikrokontrolerach (a także w większości innych układów wykonanych w technologii CMOS i pokrewnych) zużycie energii wzrasta wyraźnie wraz ze wzrostem ich częstotliwości pracy. Dzieje się tak, ponieważ — jak to opisywał autor — w układach CMOS najwięcej energii zużywa się na przeładowanie pojemności bramek tranzystorów. Większa częstotliwość pracy układów oznacza więcej przełączeń w ciągu sekundy, a więc i większe zużycie energii — przyp. red.

312 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

Generowanie sygnau zegarowego Sygnał zegarowy lub taktujący dla mikrokontrolera jest zwykle generowany zewnętrznie przez oscylator kwarcowy. Zmieniając oscylator, możesz kontrolować szybkość mikrokontrolera. Im wolniej działa mikrokontroler, tym niższe zużycie prądu i niższa emisja elektromagnetyczna. Z tego powodu w przypadku robota zasilanego z baterii słonecznej możesz zdecydować się na zastosowanie zegara 1 MHz, pomimo że mikrokontroler może działać z prędkością 8 MHz. Mikrokontroler zazwyczaj posiada dedykowane wyprowadzenie (wyprowadzenia) do odbierania sygnału zegarowego, który może być generowany przez układy przedstawione na rysunku 15.11. Wróćmy do rysunku 15.1. Gdzie znajduje się wyprowadzenie wejściowe dla sygnału zegarowego w ATtiny84? Cóż, w zasadzie ma on kilka konfigurowanych wyprowadzeń, które mogą otrzymywać sygnał zegarowy. Ale ATtiny84 jest wyposażony w wewnętrzny generator, który może tworzyć własny sygnał zegarowy!

Rysunek 15.11. Opcje zegara mikrokontrolera. Rezonatory kwarcowe m są niedrogie (od 3 do 5 zł) i dokładne, ale mogą wymagać rezystorów, kondensatorów oraz mikrokontrolera z bramkami sterującymi do tworzenia sygnału zegarowego (górny rząd). Rezonatory ceramiczne są tańsze (od 1,5 zł do 2 zł), choć mniej dokładne (około 0,5 procent). Oscylatory kwarcowe o są autonomicznymi układami (nie wymagają dodatkowych komponentów) łączącymi w sobie dokładne rezonatory kwarcowe i układy sterujące, aby dostarczyć gotowy do użycia, mocny sygnał zegarowy (dolny rząd). Oscylatory kwarcowe są nieco droższe (od 7 do 10 zł) Wewnętrznie generowany sygnał zegarowy ma wiele zalet. Brak konieczności stosowania rezonatora lub oscylatora wiąże się z następującymi korzyściami: x niższy koszt, więcej miejsca na płytce, mniej lutowania, mniej skomplikowana płytka, mniej problemów przy uruchamianiu i mniejsza waga, x mniejsze zakłócenia elektryczne, ponieważ sygnał zegarowy jest generowany i wykorzystywany wyłącznie wewnątrz mikrokontrolera, x niektóre mikrokontrolery pozwalają na programowe ustawienie częstotliwości zegara, co może nie być możliwe w standardowych rezonatorach kwarcowych i oscylatorach, x więcej dostępnych wyprowadzeń mikrokontrolera.

313 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Niektóre mikrokontrolery pozwalają nawet na zmianę „w locie” szybkości generowanego sygnału zegarowego. Dzięki temu mikrokontroler może działać w żółwim tempie kilku kiloherców, gdy jest bezczynny. Następnie mikrokontroler może wrzucić wyższy bieg i pracować z pełną szybkością w czasie zwiększonej aktywności. Główną wadą wewnętrznego zegara jest jego słaba dokładność. Mogą w nim powstawać pewne niedokładności z każdym taktem, a w dłuższym okresie mogą one sięgać nawet ±25 procent. Po dostrojeniu większość wewnętrznych zegarów może pracować z mniej więcej 5-procentową dokładnością. W większości zastosowań jest to wystarczające. Jeżeli jednak potrzebujesz dokładniejszego zegara, użyj zewnętrznego zegara lub oscylatora.

Uycie zegara jako stopera Sygnał zegarowy jest wymagany przez mikrokontroler do synchronizowania wszystkich wewnętrznych układów i operacji. Dodatkową zaletą sygnału zegarowego jest możliwość użycia go jako stopera. Większość mikrokontrolerów posiada stoper (bazujący na sygnale zegarowym), który może być skonfigurowany tak, że będzie w regularnych odstępach czasu przerywał program i wykonywał jeden z podprogramów. Może być na przykład ustawiony tak, że podprogram będzie wykonywał się 1000 razy na sekundę (1000 Hz lub 1 kHz). W procedurze przerwania można zmniejszać wartość kilku liczników, aż osiągną wartość zero. W innej części programu procedura w robocie będzie sprawdzała wartość licznika i wykonywała akcję, gdy licznik będzie miał wartość zero. Procedura wczyta do licznika nową wartość i znów będzie czekała na osiągnięcie wartości zero. Przypomnij sobie przykład „bicia serca” we wcześniejszej części tego rozdziału. Poniżej przedstawiony jest dokładniejszy mechanizm bazujący na przerwaniach zegara: KONFIGURACJA (początek programu): 1. Ustaw wartość niską (0 V) wyprowadzenia 2. i skonfiguruj to wyprowadzenie jako wyjście. Dioda LED wskaźnika „bicia serca” jest wyłączona (zwróć uwagę, że ustawiamy wartość wyprowadzenia przed przełączeniem go na wyjście, aby zapobiec zakłóceniom). 2. Utwórz zmienną globalną BicieSerca i ustaw ją na 0. 3. Ustaw przerwanie zegara w mikrokontrolerze, aby wywoływało 1000 razy na sekundę procedurę MOJA_PROCEDURA_ZEGARA. 4. Wykonaj pozostałe czynności inicjujące, jeżeli są potrzebne. Przejdź do kroku 8. (główna pętla). MOJA_PROCEDURA_STOPERA (automatycznie wywoływana 1000 razy na sekundę): 5. Jeżeli zmienna BicieSerca nie ma wartości 0, odejmij od niej 1. 6. Sprawdź i zmniejsz wszystkie pozostałe liczniki. Nie próbuj wykonywać zbyt wiele operacji w przerwaniu, ponieważ nieuprzejmie będziesz przerywał pracę innych procesów. 7. Wróć do oryginalnego zadania, które było realizowane przed przerwaniem. Nie musisz sprawdzać, które zadanie było przerwane — powrót do oryginalnego zadania jest wbudowaną instrukcją mikrokontrolera. PĘTLA GŁÓWNA (wykonywana bez końca): 8. Jeżeli zmienna BicieSerca nie ma wartości 0, przejdź do kroku 12. 9. Zmienna BicieSerca ma wartość 0, więc nadszedł czas na mrugnięcie diodą LED wskaźnika „bicia serca”. Jeżeli wyprowadzenie 2. ma wartość niską (0 V), ustaw je na wartość wysoką (5 V). Dioda LED zostanie włączona. Przejdź do kroku 11. 10. Wyprowadzenie 2. ma już wartość wysoką (5 V), ustaw je na wartość niską (0 V). Dioda LED „bicia serca” zostanie wyłączona.

314 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

11. Ustaw zmienną BicieSerca na 500; dioda LED „bicia serca” zmieni stan co 500 impulsów 1000 Hz, czyli co pół sekundy. Da to w wyniku jedno pełne mrugnięcie (pół sekundy włączona i pół sekundy wyłączona) na sekundę. 12. Kontynuuj wykonywanie pozostałych części głównej pętli, wywołując podprogramy i wykonując akcje w robocie lub urządzeniu. 13. Przejdź do kroku 8. Możesz jeszcze bardziej zwiększyć dokładność mrugania przez sterowanie diodą w procedurze przerwania, aby wyeliminować oczekiwanie przez nieokreślony czas na wykonanie tej operacji w głównej pętli. Jednak w ten sposób puls będzie działał nawet wtedy, gdy program robota utknie w podprogramie, ponieważ procedura przerwania będzie nadal wywoływana 1000 razy na sekundę. Chcemy przecież, aby „bicia serca” reprezentowało prawidłowo funkcjonujący program, który regularnie wykonuje główną pętlę. Istnieją również inne powody, aby nie wykonywać zbyt wiele pracy w procedurze przerwania. Po pierwsze, w momencie wystąpienia przerwania wykonywany program może być w trakcie przełączania wyprowadzeń (na przykład sterując silnikiem). Przerwanie powinno wykonywać minimalną pracę, aby czas jego realizacji był krótki. Po drugie, jeżeli jesteś podobny do mnie, kod dla każdej części robota zapisujesz w osobnym pliku. Nie chcę, aby procedura przerwania zawierała wiele małych elementów kodu związanych ze wszystkimi modułami robota. Znacznie bardziej eleganckim rozwiązaniem jest zmiana kilku liczników i pozostawienie procedurom wykonania operacji związanych z każdym z tych liczników.

Specjalne zegary nadzorujące Niektóre mikrokontrolery zawierają opcjonalny zegar („nadzorujący”, ang. watchdog), który resetuje (restartuje) mikrokontroler, jeżeli zegar ten nie zostanie w określonym czasie wyzerowany w pętli głównej. Jeżeli zatem program mikrokontrolera zablokuje się w pętli nieskończonej w podprogramie, nie wyzeruje zegara nadzorującego i zostanie zresetowany. Zegar nadzorujący jest przyjemną funkcją, gdy trzeba ratować unieruchomionego robota. Jest ona szczególnie przydatna, gdy mikrokontroler ustawia znacznik, dzięki czemu na początku programu można sprawdzić, dlaczego robot został zresetowany. Na przykład robot sumo podejmie walkę natychmiast po tym, jak zostanie zresetowany z powodu nieskończonej pętli. Dzięki temu „zawieszony” robot nie będzie nieruchomym celem dla przeciwnika, ale po krótkim czasie wznowi walkę. Jeżeli Twój mikrokontroler nie posiada zegar nadzorującego, możesz go wykonać samodzielnie, wykorzystując zwykły zegar przerwania. Wystarczy zmniejszać wartość w przerwaniu, a w głównej pętli zawsze zapisywać dużą wartość w liczniku. Jeżeli z jakiegokolwiek powodu główna pętla nie będzie wykonywana, procedura przerwania zmniejszy licznik do zera. W takim przypadku można w procedurze przerwania wywołać pierwszy wiersz kodu robota (zwykle jest to konfiguracja), a program robota rozpocznie działanie od początku.

Moduł nadzorujący dla niskiego napięcia Innym typem modułu nadzorującego dostępnego w wielu mikrokontrolerach jest detektor niskiego napięcia. Moduł ten jest niezwiązany ze zegarami, a jego zadaniem jest stałe monitorowanie wyprowadzenia zasilania mikrokontrolera i zatrzymywanie mikrokontrolera, gdy napięcie spadnie poniżej minimum zdefiniowanego w specyfikacji. Przez zatrzymanie mikrokontrolera moduł nadzorujący uniemożliwia jego nieprawidłowe działanie, na przykład ustawienie niepożądanego stanu wyprowadzenia lub nadpisanie programu w pamięci nieulotnej. Moduł nadzorowania niskiego napięcia włącza się w dwóch momentach: po włączeniu zasilania i przy jego wyłączaniu, zabezpieczając obwód przed projektantami korzystającymi z kondensatorów rezerwowych o bardzo dużych pojemnościach.

315 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wybór mikrokontrolera Jeżeli nie masz ulubionego mikrokontrolera, sugeruję wziąć pod uwagę następujące kryteria wyboru: Czy można kupić tę część? Czy Twój ulubiony dostawca lub sklep elektroniczny sprzedaje ten mikrokontroler? Czym innym jest przejrzenie listy zamieszczonej na witrynie producenta, a czym innym znalezienie tej części w sprzedaży. Czy można kupić akcesoria? Czy ktoś ma płytę do programowania i język programowania mikrokontrolera? Ponieważ płyta do programowania jest jednokrotnym zakupem, można ją kupić niekoniecznie w ulubionym sklepie. Czy możesz uzyskać pomoc? Czy producent oferuje pełną, dobrze napisaną dokumentację i uwagi techniczne? Czy przyjaciel, kolega lub członek lokalnego klubu korzystają z tego mikrokontrolera? Czy w sieci działa aktywna grupa wsparcia? Czy ta część pasuje? Czy mikrokontroler jest dostępny w obudowie, której będziesz mógł użyć (przewlekana lub do montażu powierzchniowego ze względnie dużymi wyprowadzeniami)? Czy działa on w zakresie napięć dostępnych w Twoim robocie oraz odpowiednim dla czujników (zwykle 5 V)? Jeżeli odpowiesz „nie” na którekolwiek z powyższych pytań, prawdopodobnie powinieneś poszukać innego mikrokontrolera. Czy to jest popularny mikrokontroler i popularny producent? Wielkość zakupów przez hobbystów ma mały wpływ na sprzedaż danego producenta. Nauczenie się wszystkiego o mikrokontrolerze jest dużą inwestycją czasu i wysiłku umysłowego. Dlatego lepiej wybrać zwycięzcę, który pozostanie dłużej na rynku, utrzymując linię i produkując ulepszone modele. Od tego momentu wybór pozostanie kwestią ceny i możliwości.

Brakuje mi… Elementy, których zawsze brakuje w mikrokontrolerze (w kolejności malejącej) to: x wyprowadzenia, x pamięć RAM, x generatory PWM, x przetworniki A/C, x szybkość, x miejsce na program, pamięć nieulotna (znajduje się wyżej na listach prezentowanych przez inne osoby), x niezależne zegary, x porty szeregowe, x wyprowadzenia (warto wspomnieć o nich jeszcze raz). Inne rzeczy, które trzeba mieć na uwadze: x Nie jestem zainteresowany mikrokontrolerem, który nie ma kilku przetworników A/C. x Nie jestem zainteresowany mikrokontrolerem, który nie ma co najmniej jednego zegara. Przy jednym zegarze mogę tworzyć dodatkowe podzegary, korzystając z liczników. x Wbudowane rezystory podciągające i obniżające są naprawdę przydatne. Można używać zewnętrznych rezystorów, ale komplikuje to płytkę i wydłuża czas montażu. x W większości zastosowań szybkość jest mniej istotna, niż myślisz. Ponieważ mikrokontrolery są tanie, można w razie potrzeby użyć kilku układów w celu rozłożenia obciążenia. 316 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 15. „ CHCIABYM MIE MÓZG

x PWM i komunikacja mogą być emulowane programowo, jeżeli jest to potrzebne. Jednak znacznie lepiej mieć te elementy wbudowane w mikrokontrolerze. x Doskonałą funkcją jest wbudowany generator sygnału zegarowego. Obniża to liczbę komponentów, jakie trzeba umieścić na płytce.

Rekomendacja 8-bitowych mikrokontrolerów Atmel AVR Mikrokontrolery 8-bitowe Atmel AVR są niedrogie, niezawodne i powszechnie dostępne. Towarzyszy im doskonała dokumentacja; mikrokontrolery te oferują wiele funkcji, są szybkie oraz stale rozwijane. Mikrokontrolery 8-bitowe Atmel są popularne wśród producentów urządzeń i w przemyśle samochodowym. Najprawdopodobniej będą miały zapewnione długoterminowe wsparcie i będą dostępne modele wykorzystujące najnowsze technologie, które upowszechnią się w przyszłości. Jako hobbysta szczególnie doceniam kilka cech 8-bitowych mikrokontrolerów z rodziny Atmel: x Płyty programowania są powszechnie dostępne w sprzedaży detalicznej. Potrzebne są najwyżej dwie różne płyty programowania dla całej rodziny układów AVR. Dodatkowo zewnętrzne firmy opracowały niedrogie kable programowania, dzięki którym płyty programowania w ogóle nie są potrzebne. x Dla programistów języka C dostępny jest bezpłatny kompilator GNU GCC. Bardziej przyjazne środowisko IDE z kompilatorem języka C jest oferowane przez firmę Imagecraft, w wersji dla hobbystów (bez obsługi arytmetyki zmiennoprzecinkowej) za 300 zł i w wersji do zastosowań komercyjnych za 750 zł. x Atmel dba o to, aby większość układów była dostępna w przyjaznych dla hobbystów obudowach DIP, a nie tylko montowanych powierzchniowo. x Z tych mikrokontrolerów korzysta wielu innych konstruktorów robotów. W internecie można znaleźć wiele porad, schematów, narzędzi i przykładów.

Rekomendacja zestawu Parallax Basic Stamp Z daleka Parallax BASIC Stamp II (BS2) wydaje się 24-pinowym mikrokontrolerem DIP. Po bliższej inspekcji (rysunek 15.12) okazuje się, że BASIC Stamp jest kompletną płytką zawierającą mikrokontroler, źródło zasilania, nieulotną pamięć programu oraz interfejs szeregowy.

Rysunek 15.12. Parallax BASIC Stamp II zawiera mikrokontroler m, 20-megahercowy zegar mikrokontrolera (rezonator ceramiczny) n, stabilizator napięcia 5 V o niskim spadku napięcia i niskim prądzie spoczynkowym o, kondensator buforowy 15 F 16 V p, tranzystory r s do konwersji sygnałów z portu szeregowego komputera, rezystory 4,7 k podciągające, zapewniające domyślne wartości wejść t oraz szeregową pamięć EEPROM 2 KB do przechowywania programów u

317 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Kunsztowny projekt tego zestawu łączy prostotę pojedynczego układu DIP z gęstością komponentów montażu powierzchniowego, które tworzą niemal kompletny mózg robota. Po dodaniu kilku przycisków, sensorów, sterowników silników, złącza baterii i kondensatora rezerwowego mamy kompletny obwód robota. Zestaw Parallax BASIC Stamp był niezmiernie popularny w środowisku hobbystów. Akcesoria, kod źródłowy, dokumentacja i wsparcie są nadal powszechnie dostępne. Konfiguracja, programowanie i debugowanie nie może być prostsze. Cena osobnej płyty programowania jest rozsądna i waha się pomiędzy 150 a 250 zł. Parallax oferuje wiele zestawów, w tym zestawy startowe i roboty, które zawierają płytę programowania. Pełny język programowania i środowisko debugowania są bezpłatne; w internecie można znaleźć jego aktualizacje. Korzystanie z BASIC Stamp ma również wady: x Koszt mikrokontrolera jest dosyć wysoki. Z tego powodu hobbyści wykorzystują ten sam mikrokontroler w różnych robotach i projektach. x BASIC Stamp jest względnie powolny. Nowsze odmiany są szybsze, ale zwykły mikrokontroler może prześcignąć BASIC Stamp. Powinieneś jednak sprawdzić, czy naprawdę potrzebujesz tak dużej szybkości. Co zaskakujące, większość naszych robotów nie wymaga zbyt dużej szybkości. x BASIC Stamp jest raczej zorientowany na jedno zadanie. Jest to jedna z klasycznych decyzji — trzeba wybrać łatwość użycia albo pełną kontrolę. Jednak w rękach eksperta BASIC Stamp może realizować wiele zadań jednocześnie. x Parallax skupia się obecnie na produkcie Propeller, dlatego jest mało prawdopodobne, aby do linii BASIC Stamp były wprowadzane znaczne usprawnienia. Jednak nie jest to istotne, jeżeli wykorzystujesz BASIC Stamp jako swój pierwszy mikrokontroler. x Nie ma zbyt wiele miejsca na program (pamięć nieulotna). Program dla BASIC Stamp obecnie nie może przekroczyć 16 KB (4000 instrukcji BASIC). x Nie ma zbyt wiele miejsca na zmienne (RAM lub pamięć ulotna). Zmienne w BASIC Stamp są ograniczone do 26 bajtów, a dodatkowo do 128 bajtów pamięci notatnikowej w nowszych układach. Ostatnie dwa punkty dotyczą wszystkich mikrokontrolerów. Trzeba jednak przyznać, że BASIC Stamp jest nieco bardziej ograniczający. Ostatecznie zalecam BASIC Stamp jako przyjemny i zaawansowany „mikrokontroler”. Jest to prawdopodobnie najszybszy sposób prototypowania i tworzenia niezbyt skomplikowanych robotów.

Po prostu zapytaj Jak wcześniej wspomniałem, naprawdę ważne jest, abyś wybrał mikrokontroler, z którego będziesz w stanie skorzystać. Skoncentrowałem się tu na mikrokontrolerach Atmel i Parallax, ponieważ je najlepiej znam. Dwoma innymi popularnymi mózgami robotów są Microchip PICmicro oraz LEGO MINDSTORMS (RCX oraz NXT). Są też dostępne inne możliwości. Niektórzy konstruktorzy omijają ograniczenia mikrokontrolerów przez ich uzupełnianie bardziej zaawansowanymi konstrukcjami z komputerów przenośnych, telefonów, laptopów, a nawet konsol do gier (Nintendo DS). Aby uzyskać dodatkowe wskazówki, po prostu pytaj. Porozmawiaj z członkami lokalnego klubu robotyków lub zajrzyj na forum społeczności zainteresowanej tą tematyką.

Rozbudowa robota Mam nadzieję, że przekonałem Cię do niezwykłej użyteczności mikrokontrolerów i że przekazałem Ci podstawową wiedzę na temat ich głównych funkcji. W następnym rozdziale zastosujemy tę wiedzę przy rozbudowie robota Rondo, abyś mógł zobaczyć, jak łatwo można rozszerzyć repertuar zachowań robota z wykorzystaniem mikrokontrolera. 318 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16 „„„

Budowa karty rozszerzajcej dla robota Rondo Łączenie dwóch równoległych płytek z układami, użycie podstawek, wybór śrub, dogrzewanie lutowanych złączy, przechwytywanie wejść w celu przekierowania sterowania, programowe eliminowanie odbić, użycie przełączników DIP oraz budowa złącza rozszerzeń Podstawowa płyta z układami w urządzeniu elektronicznym jest zwykle nazywana płytą główną. Jak pokazałem w rozdziałach 13. i 14., płyta główna robota Rondo zawiera wiele efektywnych podobwodów: stabilizator napięcia, dwa sterowniki silników oraz parę detektorów odbić podczerwieni. Jednak słabym punktem robota Rondo jest jego układ sterowania. Przy tak prostej logice, jaką można uzyskać z użyciem układu 74AC14, robot nie radzi sobie z eksploracją pomieszczenia. Nie możemy zmodyfikować „oprogramowania” układu 74AC14. Dlatego dobrze byłoby wymienić układ sterowania, pozostawiając niezmienioną resztę podobwodów. Niestety, na płycie głównej nie ma miejsca na dodanie mikrokontrolera. Istnieje jednak pomysłowy sposób na rozszerzenie robota Rondo bez wyrzucania istniejącej płyty głównej. Przecież wszystkie sygnały sterujące oraz przewody są doprowadzone do gniazda układu 74AC14. Dlaczego nie usunąć 74AC14 i w jego miejsce nie podłączyć innej płytki, z lepszymi układami sterującymi? Ta druga płytka jest nazywana kartą rozszerzającą. W rozdziale tym opisana jest karta rozszerzająca robota Rondo, przedstawiona na rysunku 16.1. Zawiera ona mikrokontroler m, przycisk n, przełączniki DIP ustawień o, złącze rozszerzeń p (do podłączenia czujnika podłogi lub innych obwodów), wzmacniacz dźwięku q (do odtwarzania muzyki) i sterowanie wzmocnieniem dźwięku r. Układ 74AC14 uratowałem, przenosząc go na kartę rozszerzeń u. Nie służy on już do podejmowania decyzji, ale nadal generuje sygnał 38 kHz dla emiterów podczerwieni. Po dodaniu karty rozszerzeń transformacja robota Rondo stała się jasno widoczna. Robot jest bardziej skomplikowany i rozbudowany.

Przeksztacenie w konfiguracj dwupitrow Najważniejszą funkcją karty rozszerzeń jest dołączenie mikrokontrolera, który zastępuje układ 74AC14 w sterowaniu działaniem robota. W tym przypadku wybrałem mikrokontroler Atmel ATmega168PA. Jednak równie dobrze będzie działać Arduino, Parallax BASIC Stamp lub Microchip PICmicro. Projekt karty rozszerzeń mógłby się tu zatrzymać. Po dołączeniu mikrokontrolera będziemy mogli przezwyciężyć blokowanie się robota; stanie się on zdolnym eksploratorem. Jednak dlaczego mamy wybijać tylko okno na poddaszu, jeżeli możemy zbudować całe drugie piętro (rysunek 16.2)?

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 16.1. Widok karty rozszerzeń robota Rondo

Rysunek 16.2. Karta rozszerzeń (na górze) dołączona w miejscu, w którym układ logiczny 74AC14 był umieszczony na płycie głównej (na dole). Zwróć uwagę, że detektory podczerwieni PNA4602M są krótsze i wpuszczone w płytę główną — nie są tak wysokie, jak były w poprzedniej wersji robota Rondo. Jest to niezbędne dla zapewnienia bardziej zwartego projektu i daje dodatkowy efekt redukcji zakłóceń elektrycznych i fałszywych wykryć powodowanych przez długie nóżki

320 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Podłączanie do gniazda DIP Dobrym wyborem byłaby taśma (podobna do kabla ~ pokazanego na rysunku 15.2 w rozdziale 15.) pozwalająca przenieść linie sterujące i sensorów z płyty głównej na kartę rozszerzeń. Jednak przez wybór określonego typu gniazda dla układu 74AC14 na płycie głównej możliwe jest usunięcie układu 74AC14 i podłączenie karty rozszerzeń bezpośrednio do gniazda. Zaletą takiego rozwiązania jest to, że nie jest wymagane dodatkowe miejsce na płytce drukowanej w celu poprowadzenia ścieżek do złącza taśmy. Wadą jest konieczność dokładnego ustawienia karty rozszerzeń względem płyty głównej. Standardowe gniazda DIP (górna część rysunku 16.3) mają zagięte paski metalu tworzące niewielkie sprężyny zapewniające kontakt z wyprowadzeniami układu (po obu stronach każdego wyprowadzenia). Gniazda tego typu są niedrogie i świetnie nadają się do montażu układów DIP.

Rysunek 16.3. Widok z góry i z boku dwóch różnych gniazd DIP z ośmioma wyprowadzeniami: sprężynowego (u góry) i szpilkowego (dół) Istnieją również gniazda szpilkowe, łatwo rozpoznawalne z uwagi na ich cylindryczny kształt. Wielu konstruktorów woli stosować gniazda szpilkowe, ponieważ mają większą powierzchnię kontaktu z wyprowadzeniami układu, dzięki czemu mają niższą rezystancję i doskonale trzymają wyprowadzenia. Teoretycznie lepszy kontakt i większe wyprowadzenia powinny pozwolić na przesył większego prądu oraz lepsze odprowadzanie ciepła. Gniazda szpilkowe są bardziej uniwersalne niż sprężynowe, ponieważ są dostępne w długich paskach, jak również w standardowych rozmiarach DIP, a ponadto pasują też do złączy szpilkowych (rysunek 16.4).

Rysunek 16.4. Pasek złączy szpilkowych (na górze) pasuje do gniazd szpilkowych (na dole) 321 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

W robocie Rondo złącze szpilkowe jest przylutowane pod kartą rozszerzeń, dzięki czemu można je umieścić w gnieździe układu 74AC14 na płycie głównej. Oznacza to, że na płycie głównej musimy umieścić szpilkowe gniazdo DIP lub dwa odpowiednio ustawione paski gniazd szpilkowych. Obie te możliwości są pokazane na rysunku 16.5. Jeżeli użyjesz standardowego gniazda sprężynowego DIP, nie będzie ono pasowało.

Rysunek 16.5. Gniazda dla układu 74AC14 na płycie głównej. 16-nóżkowe gniazdo szpilkowe DIP (po lewej) lub dwa równoległe paski gniazd szpilkowych (po prawej) Układ 74AC14 ma tylko 14 wyprowadzeń. Dodatkowe wyprowadzenia (lub wyprowadzenie) w gnieździe szpilkowym mają podłączone dodatkowe sygnały elektryczne i połączenia, dzięki czemu są dostępne dla karty rozszerzeń. W pokazanym przykładzie dodatkowe wyprowadzenie w prawym górnym narożniku jest podłączone do napięcia niestabilizowanego z pakietu baterii, które jest wykorzystywane przez układ sterownika głośnika, dzięki czemu uzyskamy większą głośność dźwięku niż w przypadku tylko 5 V. Gdy Rondo pracuje bez karty rozszerzeń, układ 74AC14 jest dosunięty do lewej strony gniazda na płycie głównej (rysunek 16.6). Dodatkowe wyprowadzenia nie są podłączone do niczego. Pamiętaj, aby nie umieszczać układu 74AC14 po prawej stronie gniazda, ponieważ niestabilizowane napięcie może go uszkodzić.

Rysunek 16.6. Układ 74AC14 na płycie głównej, gdy nie jest zainstalowana karta rozszerzeń

Uycie gniazd i zczy szpilkowych Najwygodniejszym gniazdem szpilkowym do umieszczenia na płycie głównej jest zwykłe gniazdo szpilkowe z 16 wyprowadzeniami (cena około 3 zł). Możesz też samodzielnie wykonać dowolnej wielkości gniazdo DIP, kupując pasek 64 gniazd SIP o rozstawie 2,5 mm (cena około 15 zł) i odcinając od niego odpowiednio długie kawałki. Można również dostać takie gniazda pokrywane złotem, co zapewnia doskonałą odporność na korozję, ale są one nieco droższe. Złącza są dostępne tylko w postaci dłuższych pasków. Ważnym czynnikiem jest całkowita wysokość złączy, ponieważ muszą one zapewnić odpowiednią odległość pomiędzy płytkami, aby zmieściły się tam wysokie komponenty, takie jak złącza Molex i kondensatory. W przypadku robota Rondo niemal doskonałe są złącza 15-milimetrowe, ale są one dostępne tylko w wersji złoconej, przez co są dosyć drogie (około 50 zł). Sprzedawane są złącza 64-szpilkowe, ale do naszych celów potrzeba tylko 15, więc musisz je ostrożnie odciąć. Możesz zatem albo zbudować cztery roboty Rondo, albo podzielić się tymi złączami z innymi hobbystami, albo użyć ich w innych projektach.

322 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Oddzielanie gniazd i złączy Pojedyncze złącza i gniazda (SIP) są zwykle sprzedawane w dłuższych pasmach, więc muszą być cięte na wymagane odcinki Niestety, w procesie tym często niszczone jest jedno gniazdo, ponieważ trudno jest czysto rozdzielić sąsiadujące gniazda. Łatwiej jest po prostu przeciąć jedno gniazdo przez środek (rysunek 16.7) i spiłować brzegi, dzięki czemu gniazdo po drugiej stronie będzie nieuszkodzone.

Rysunek 16.7. Rozcinanie paska gniazd narzędziem Dremel. W procesie tym poświęcamy jedno gniazdo. W czasie cięcia pasek powinien być zamocowany w imadle (niepokazane na rysunku dla zachowania czytelności) W zależności od plastiku łatwiejsze może się okazać cięcie z wykorzystaniem tarczy tnącej zamocowanej w narzędziu Dremel niż kleszczy do przewodów. Można również delikatnie naciąć materiał pomiędzy gniazdami skalpelem lub ostrym nożem, a następnie złamać taśmę. Życzę przy tym szczęścia — ja zwykle otrzymuję w takim przypadku dwa pokruszone, nadłamane końce.

Mocowanie karty rozszerze do pyty gównej Przed przylutowaniem złącza szpilkowego do karty rozszerzeń przetestuj dopasowanie karty rozszerzeń do płyty głównej. Choć złącza i gniazda zapewniają wystarczające mocowanie na czas prototypowania, to jednak w czasie normalnego działania robota płyty powinny być fizycznie połączone śrubami (rysunek 16.8). Inaczej mówiąc, gniazda i złącza powinny zapewniać tylko połączenie elektryczne pomiędzy płytami, a nie połączenie fizyczne.

Rysunek 16.8. Płyta główna (na dole) oraz karta rozszerzeń (na górze) połączone ze sobą czterema śrubami m. Okrągłe, plastikowe tuleje dystansowe n zapewniają równoległe ustawienie płyt i uniemożliwiają zbyt duże ich ściśnięcie. Aby ustawić właściwą wysokość, przy której złącza karty rozszerzeń p będą pasować do gniazda w płycie głównej q, może być konieczne użycie podkładek, sześciokątnych nakrętek lub dodatkowych śrub o

323 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Eksperymentowanie ze śrubami imbusowymi z anodyzowanego aluminium Zazwyczaj w moich robotach korzystam ze zwykłych śrub stalowych o rozmiarze M3. Jednak w sklepie Fastener Express (http://www.fastener-express.com/) zauważyłem bardzo atrakcyjne śruby imbusowe z anodyzowanego aluminium. Śruby te są dostępne w kolorach standardowym srebrnym oraz w czerwonym i niebieskim, mają różne rodzaje łbów i mogą być efektownym dodatkiem do każdego robota (rysunek 16.9).

Rysunek 16.9. Czerwona śruba z anodyzowanego aluminium z łbem imbusowym (na górze). Śruba ze stali nierdzewnej z nacięciem na śrubokręt (poniżej) Śruby z czerwonego anodyzowanego aluminium wyglądają fantastycznie w korpusie robota Rondo z czerwonego fluoryzującego akrylu. Choć płyta główna i karta rozszerzeń są ze sobą skręcone na czas lutowania, to ostatecznie będą przykręcone do centralnej platformy robota. „ Uwaga Elementy czce mog by nazywane rubami lub wkr tami, w zaleno ci od tego, jak b d uywane. ruba wymaga nakr tki do ci ni cia czonych cz ci, natomiast wkr t wymaga gwintu w otworze w cz ci. Na rysunku 5.20 z rozdziau 5. pokazany jest wkr t. Jeeli w otworach nie ma naci tych gwintów i konieczne jest zastosowanie nakr tki, to ten sam element z rysunku 5.20 nazwiemy rub. Jeeli kto spyta, czy dany element jest rub, czy wkr tem, odpowiedz: „Nie wiem, dopóki nie uyj tego elementu”. Oczywi cie niektóre gwintowane elementy czce s zaprojektowane jako wkr ty (na przykad wkr ty do drewna, które s w nie wkr cane) lub ruby (takie jak ruby maszynowe, których gwint nie jest w stanie zapewni odpowiednio mocnego poczenia i konieczne jest uycie nakr tki z podkadk).

W tabeli 16.1 porównane są atrybuty różnych materiałów, z których są wykonane śruby. Choć śruby z anodyzowanego aluminium są lekkie i atrakcyjne, są one znacznie droższe i mniej wytrzymałe w porównaniu z innymi materiałami. Tabela 16.1. Materiały na śruby (w porównaniu ze stalą) Materia

Gsto

Wytrzymao

Cena

Korozja

Magnetyczno

Przewodnictwo

stal

1×, średnia

średnia

1×, niedroga

koroduje

magnetyczna

przewodzi

stal nierdzewna

1×, średnia

wytrzymała

2×, średnia

odporna

zwykle niemagnetyczna

przewodzi

mosiądz

1,1×, cięższy

poniżej średniej

3× do 5×, droższy

odporny

niemagnetyczny

przewodzi

anodyzowane aluminium

0,35×, lekkie

zużywa się

5× do 10×, najdroższe

odporne

niemagnetyczne

nie przewodzi

nylon

0,15×, najlżejszy

najsłabszy

3,5×, droższy

odporny

niemagnetyczny

nie przewodzi

324 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Dostępne są różne odmiany i długości śrub karbonowych, powlekanych, ze stopów oraz nierdzewnych. Jeżeli nie tworzysz produktu masowego, wymagającego ograniczania kosztów, wybierz śruby ze stali nierdzewnej, ponieważ są one mocne i odporne na korozję. Nylon nie przewodzi prądu (jest izolatorem elektrycznym), dzięki czemu może być wykorzystywany w obwodach izolowanych. Zwróć uwagę, że śruby z anodyzowanego aluminium nie przewodzą prądu z powodu ich względnie grubej warstwy tlenków. Jednak znajdujące się pod spodem aluminium przewodzi prąd i w razie zarysowania może zostać odkryte. Śruby z nylonu i aluminium mają najmniejszą wagę, a ich niska odporność zwykle nie jest problemem w robotach wielkości pudełka na kanapki. Jednak unikaj korzystania ze śrub nylonowych, ponieważ mają tendencję do wykręcania się. Unikaj także stosowania aluminiowych śrub, jeżeli część ma być wiele razy montowana i demontowana, ponieważ ich gwint szybko się niszczy.

Lutowanie zcza szpilkowego Jak pamiętasz, układ 74AC14 został wyjęty z płyty głównej, aby można było wykorzystać jego zasilanie, sygnały i inne połączenia w karcie rozszerzeń. Mimo że nie chcemy już wykorzystywać układu logicznego 74AC14 do sterowania robotem, będzie on nadal generował sygnał 38 kHz dla emiterów podczerwieni oraz będzie sterował dwukolorowymi diodami LED. Układ 74AC14 zamontujemy na karcie rozszerzeń. Aby zaoszczędzić miejsce, końce złącza szpilkowego umieściłem pod 14-pinowym gniazdem DIP, na karcie rozszerzeń, w którym będzie umieszczony układ 74AC14. Ma to sens, ponieważ złącze będzie doprowadzało wszystkie połączenia potrzebne dla 74AC14, dzięki czemu połączenia pomiędzy gniazdem DIP na karcie rozszerzeń i złączami będą krótkie i proste. Choć w ten sposób oszczędzamy miejsce na płytce, to jednak lutowanie złącza po jednej stronie i gniazda po drugiej stronie karty rozszerzeń wydaje się trochę dziwne.

Lutowanie skręconych płytek Aby upewnić się, że złącza będą przylutowane prostopadle do płytki, przed rozpoczęciem lutowania skręć ze sobą obie płytki śrubami (rysunek 16.10).

Rysunek 16.10. Zwróć uwagę, że w czasie lutowania są zainstalowane śruby trzymające złącze karty rozszerzeń pod prawidłowym kątem (prostopadle), aby zapewnić najlepsze dopasowanie do wlutowanego już gniazda na płycie głównej

325 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Jednak nie lutuj jeszcze obu rzędów złącza. Zamiast tego przylutuj tylko ten rząd złącza, który będzie przykryty przez gniazdo układu 74AC14 na karcie rozszerzeń (rysunek 16.11). Zauważ, że aby grot lutownicy miał najlepszy dostęp do wszystkich punktów, najłatwiej jest lutować rząd wewnętrzny przed zewnętrznym.

Rysunek 16.11. Po lewej: końce szpilek złącza wystają przez otwory w karcie rozszerzeń, w miejscu, gdzie znajdzie się układ 74AC14. Po prawej: wlutowanie tylko jednego rzędu ułatwia lutowanie gniazda układu 74AC14

Przycinanie lutowanych końcówek Po wlutowaniu pierwszego rzędu może się okazać konieczne przycięcie lutowanych końcówek wystających z karty rozszerzeń (rysunek 16.12), aby gniazdo DIP zmieściło się ponad nimi. Gniazdo DIP z otwartą ramką (w przeciwieństwie do tego z zamkniętą ramką) ma pośrodku otwory, więc większość lutowanych końcówek zmieści się bez przycinania.

Rysunek 16.12. Przycinanie lutowanych końcówek szczypcami do drutu

Dogrzewanie lutowanych końcówek Przycięte końcówki mogą być nieco nierówne (górna część rysunku 16.13). Rozgrzewając je lutownicą, możemy je łatwo wyrównać (dolna część rysunku 16.13). Nie dodawaj więcej cyny. Po prostu przytknij grot lutownicy do każdego ze złączy i poczekaj, aż cyna się stopi, tworząc gładką powierzchnię. Powoduje to usunięcie napięć i pęknięć, jakie mogły powstać w czasie cięcia.

326 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Rysunek 16.13. Lutowane końcówki przed dogrzewaniem (góra). Te same końcówki po dogrzaniu (dół) „ Wskazówka Gdy ju zlutuj i przytn kocówki na pytce z ukadami, zawsze dogrzewam kade lutowane zcze (przyci te i nieprzyci te), aby upewni si , e wszystkie poczenia s mocne. Bardzo frustrujce i czasochonne jest poszukiwanie róda awarii powodowanej przez sabe zcze lutowane. Zaoszcz d sobie kopotów, wczajc do swoich prac nad robotem faz dogrzewania.

Lutowanie nowego gniazda DIP Za pierwszym razem, gdy próbowałem wykonać kartę rozszerzeń, zacząłem od przylutowania obu rzędów złączy, ale potem miałem ogromne problemy z wsunięciem pomiędzy nie grota lutownicy, aby sięgnąć do miejsc, w których musiałem wlutować gniazdo DIP. Dlatego lepiej jest przylutować jeden rząd złączy, usunąć śruby, rozdzielić płyty, a następnie przylutować obie strony gniazda DIP (rysunek 16.14).

Rysunek 16.14. Umieść 14-nóżkowe gniazdo DIP na przylutowanych końcówkach pierwszego rzędu złącza (po lewej). Przewróć płytę i przylutuj oba rzędy gniazda DIP (po prawej). Jeżeli drugi rząd złączy byłby wcześniej przylutowany {, to szpilki blokowałyby dostęp do drugiego rzędu wyprowadzeń lutowanego gniazda DIP | Teraz możesz zamontować drugi rząd złączy, połączyć płytki, ponownie zainstalować śruby, aby płytki były ze sobą dobrze połączone, a następnie możesz przylutować drugi rząd złączy (rysunek 16.15). Na rysunku 16.16 widać, że nowe gniazdo DIP znajduje się bezpośrednio pomiędzy rzędami złączy. Dzięki temu można łatwo zaprojektować połączenia na płytce drukowanej pomiędzy odpowiednimi wyprowadzeniami a gniazdem DIP (czyli oryginalnymi lokalizacjami na płycie głównej). Mówiąc inaczej, 74AC14 nie został usunięty z obwodu, lecz jedynie przeniesiony na drugie piętro.

327 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 16.15. Lutowanie drugiego rzędu złączy

Rysunek 16.16. Nowe gniazdo DIP dla układu 74AC14 jest umieszczone na karcie rozszerzeń. Złącza na dolnej stronie karty rozszerzeń znajdują się bezpośrednio pomiędzy wyprowadzeniami gniazda DIP, a pomiędzy wyprowadzeniami, których oryginalne działanie się nie zmieniło, poprowadzone są krótkie ścieżki

Problemy z dostępem do płyty głównej Umieszczenie karty rozszerzeń nad płytą główną utrudnia dostęp do komponentów zainstalowanych na płycie głównej. Aby na przykład dostroić częstotliwość lub jasność układu detektora odbić, konieczne jest zdemontowanie karty rozszerzeń. Na szczęście można zamontować układ 74AC14 na płycie głównej, jeżeli zachodzi potrzeba dostrojenia układu detektora.

Zmiana pooenia wycznika zasilania Korzystanie z wyłącznika zasilania przy zamontowanej karcie rozszerzającej jest niewygodne (rysunek 16.17). Wylutuj więc przełącznik z płyty głównej i w jego miejsce zainstaluj złącze. Przyklej do wyłącznika kawałek plastiku z dwoma otworami na śruby i zainstaluj go w tylnej części robota. Podłącz wyłącznik do złącza na płycie głównej.

328 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Rysunek 16.17. Po dodaniu karty rozszerzeń wyłącznik zasilania na płycie głównej przestaje być wygodny w użyciu (po lewej). Wyłącznik zasilania przeniesiony na tył robota z przewodami podłączonymi do oryginalnej lokalizacji na płycie głównej (po prawej)

Ryzykowne stosy gniazd We wczesnych fazach testowania karty rozszerzeń jeden z silników aktywował się, gdy miał być wyłączony. Wartości napięcia na karcie rozszerzeń wskazywały, że mikrokontroler prawidłowo ustawiał tryb hamowania w sterowniku silnika. Z tego powodu musiałem odczytać wartości napięcia na płycie głównej, aby sprawdzić, czy do sterownika silnika dociera prawidłowy sygnał. Niestety, pomiędzy płytą główną a kartą rozszerzeń nie było odpowiednio dużo miejsca, abym mógł sięgnąć sondą multimetru do położonych wewnątrz układów. Ponieważ na płycie głównej znajdują się komponenty przewlekane, możliwe jest wyjęcie jej z robota wraz z kartą rozszerzeń i przetestowanie ścieżek pod robotem. Ale naprawdę nie chciałem demontować robota za każdym razem, gdy musiałem sprawdzić napięcie na płycie głównej. Akceptowalnym rozwiązaniem jest tymczasowe wstawienie kilku gniazd szpilkowych DIP pomiędzy płytę główną a kartę rozszerzeń (rysunek 16.18). Nie jest to oczywiście konstrukcja stabilna, ale wystarcza na czas testów.

Rysunek 16.18. Konfiguracja „Carmen Miranda”. Kilka gniazd szpilkowych DIP umieszczonych jedno na drugim podnosi kartę rozszerzeń, aby zapewnić dostęp do komponentów na płycie głównej

329 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Osłanianie detektorów odbić podczerwieni Zaletą umieszczenia karty rozszerzeń nad płytą główną jest częściowe blokowanie przez kartę rozszerzeń dostępu światła do detektorów. W rozdziale 14. jednym z problemów odkrytych przy próbach działania robota Rondo były zakłócenia powodowane przez światło fluorescencyjne w detektorach podczerwieni PNA4602M. Aby jeszcze bardziej poprawić izolowanie sensorów, na dolnej stronie karty rozszerzeń, blisko jej brzegu, znajduje się szeroka ścieżka (nazywana wypełnieniem) (rysunek 16.19). Możesz podłączyć tę ścieżkę do masy, zapewniając na niej stałe napięcie (0 V), eliminując losowe fluktuacje spowodowane zakłóceniami elektrycznymi.

Rysunek 16.19. Szeroka ścieżka miedziana na spodniej części karty rozszerzeń pomaga ograniczyć dostęp światła oraz interferencje elektryczne docierające do detektorów podczerwieni Ponieważ płyty są nieco prześwitujące w miejscach, gdzie nie ma ścieżek miedzianych, dolna część płyty może być pomalowana czarnym lakierem (rysunek 16.20), aby zmniejszyć ilość światła przenikającego przez płytkę. Zanim podłączysz zasilanie do karty, poczekaj dłuższy czas, aby lakier wyschnął.

Rysunek 16.20. Przednia część karty rozszerzeń pomalowana na czarno na spodzie w celu zapewnienia dalszej redukcji interferencji sensora powodowanych przez padające z góry światło otoczenia Pomalowanie płytki z układami sprawia jednak, że trudno jest wylutować pomalowane złącza. Przed rozpoczęciem malowania upewnij się, że płytka działa prawidłowo. Z drugiej strony być może malowanie to już przesada.

330 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Przechwytywanie sygnaów — poznaj nowego szefa Na moment pozostawmy resztę karty rozszerzeń i skoncentrujmy się na układzie 74AC14 oraz mikrokontrolerze. Podstawowym powodem użycia karty rozszerzeń jest potrzeba przekazania sterowania robotem do mikrokontrolera. Można to osiągnąć przez odłączenie niektórych przewodów od układu 74AC14 i ich podłączenie do mikrokontrolera.

Zachowanie przydatnych funkcji Większość wyprowadzeń w złączu nadal jest podłączona bezpośrednio do układu 74AC14. W zasadzie 74AC14 zachowuje wszystkie połączenia oprócz czterech wejść (wyprowadzenia 5., 9., 11. i 13.; rysunek 16.21).

Rysunek 16.21. W stosunku do konfiguracji, w której układ był zainstalowany na płycie głównej, niemal wszystkie wyprowadzenia układu 74AC14 są niezmienione. Tylko cztery wyprowadzenia są odłączone od oryginalnych źródeł To pozwala nadal realizować wiele przydatnych funkcji przez układ 74AC14. Układ ten nadal generuje sygnał 38 kHz (wyprowadzenia od 1. do 4.) dla emiterów podczerwieni. Pod dyktando mikrokontrolera 74AC14 nadal steruje silnikami i dwukolorowymi diodami LED (wyprowadzenia 6., 8., 10. i 12.), co jest ważne, ponieważ niektóre mikrokontrolery nie są w stanie zapewnić tak dużego prądu wyjściowego, jak prąd zapewniany przez 74AC14.

Przekierowanie sygnałów wykrycia podczerwieni Lewy i prawy sygnał wykrycia z detektorów podczerwieni PNA4602M nie są podłączone do wyprowadzeń 9. i 13. układu 74AC14. Zamiast tego ścieżki wychodzące ze złącza trafiają do mikrokontrolera. Jedynie mikrokontroler wie, co „widzą” detektory podczerwieni, i tylko on może zdecydować zgodnie z programem, czy odpowiedzieć, odfiltrować, czy zignorować te informacje. Wyprowadzenia wyjściowe mikrokontrolera są podłączone do wyprowadzeń 9. i 13. układu 74AC14, więc może on nadal przekazywać dalej sygnały wykrycia.

331 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wykrywanie i przerywanie stanu zatrzymania Dzięki przechwytywaniu sygnałów wykrycia mikrokontroler ma możliwość rozpoznania stanu 50-procentowego wykrycia (przy którym silniki są zatrzymane) i może wysłać do układu 74AC14 inne sygnały (kontynuując sterowanie silnikami). W normalnych warunkach mikrokontroler przekazuje przez większość czasu sygnał wykrycia do układu 74AC14. W tym przypadku robot będzie się zachowywał identycznie jak w konfiguracji wyłącznie z płytą główną. Aby rozpoznać 50-procentowe wykrycie, mikrokontroler zlicza czas, przez jaki sygnał wykrycia był wysoki i niski w określonym okresie (załóżmy, że 1/10 sekundy). Jeżeli sygnał wykrycia zmienia się wiele razy i w obu detektorach czas pozostawania sygnału w stanie niskim jest zbliżony do czasu pozostawania sygnału w stanie wysokim (40 – 60 procent), mikrokontroler rozpoznaje taką sytuację jako powodującą zatrzymanie obu silników. W stanie zatrzymania mikrokontroler wysyła do układu 74AC14 fałszywy sygnał kontynuowania pracy silników. Mikrokontroler wysyła ten fałszywy sygnał do układu 74AC14 do momentu, w którym co najmniej jeden z detektorów zacznie wysyłać stały sygnał wysoki lub niski. Wtedy robot wznawia normalne działanie. Ten prosty algorytm zliczający uniemożliwia zatrzymanie robota, nie powodując ograniczeń w oryginalnych możliwościach eksploracji pomieszczenia.

Przekierowanie silników i elementów bipolarnych Jak pamiętasz, układ inwertera, taki jak 74AC14, daje na wyjściu napięcie przeciwne (wysokie lub niskie) do napięcia przyłożonego do wejścia. Układ 74AC14 jest nadal podłączony do sterowników silników oraz do dwukolorowych diod LED. Jednak wyprowadzenia wejściowe (5., 9., 11. i 13.) dla sterowników silników są obecnie podłączone do wyjść mikrokontrolera. Oznacza to, że mikrokontroler może wygenerować dowolne sygnały wyjściowe, a 74AC14 odwróci napięcie i przekaże je do sterowników silnika i dwukolorowych diod LED. Byłoby bardziej elegancko, gdyby 74AC14 nie odwracał napięcia, ale nie czyni to większej różnicy. Zadaniem układu 74AC14 jest zapewnienie wyższego prądu zasilającego bipolarne diody LED, dzięki czemu mikrokontroler nie musi być nimi obciążony.

Zapewnienie (niemal) kompletnej kontroli Zainstalowany na płycie głównej układ logiczny 74AC14 działał na zasadzie reakcji łańcuchowej. Wchodzący sygnał z układu PNA4602M był odwracany, wysyłany do jednego przewodu silnika, a następnie odwracany i wysyłany do drugiego przewodu silnika. Przewody silników były połączone ze sobą oraz z układem PNA4602M. Teraz sygnały z PNA4602M i przewody każdego z silników nie są już ze sobą połączone. Mikrokontroler steruje niezależnie każdym przewodem silnika. Oznacza to, że mikrokontroler może tak jak poprzednio ustawić w przewodach silnika napięcie wysokie i niskie (obroty zgodne z kierunkiem ruchu wskazówek zegara) lub niskie i wysokie (obroty przeciwne do kierunku ruchu wskazówek zegara) bądź też ustawić w obu przewodach silnika napięcie wysokie lub niskie, co powoduje hamowanie. Dioda LED kierunku działa tak jak poprzednio — świeci się na zielono w czasie ruchu robota do przodu, na czerwono przy ruchu w tył, ale wyłącza się, gdy silniki są hamowane wysokim lub niskim napięciem. Robot Rondo już się nie blokuje przy ruchu do przodu i do tyłu! Nie blokuje się przy eksploracji pokoju, ponieważ mikrokontroler może sterować silnikami w dowolny sposób.

332 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Rozszerzanie zakresu funkcji Jak wspominałem we wcześniejszej części rozdziału, karta rozszerzeń robota Rondo zawiera poza 74AC14 i mikrokontrolerem dodatkowe elementy. Jest na niej kilka przełączników, wzmacniacz dźwięku oraz złącze rozszerzeń.

Przegląd wyprowadzeń mikrokontrolera Mikrokontroler ATmega168PA jest układem 28-pinowym. Zdecydowałem się podłączyć ten mikrokontroler w sposób pokazany na rysunku 16.22.

Rysunek 16.22. Konfiguracja wyprowadzeń mikrokontrolera (US62) dla robota Rondo

Zasilanie mikrokontrolera Cztery niekonfigurowalne wyprowadzenia są wykorzystywane do podłączenia zasilania (wyprowadzenia 7. i 20.) oraz masy (wyprowadzenia 8. i 22.). Tak jak zwykle, podłączony do nich jest kondensator blokujący 0,1 F (C62). Dodałem również opcjonalny kondensator buforowy o pojemności 10 F (C63), mimo że to 74AC14 realizuje przełączanie wyższych prądów na rzecz mikrokontrolera. Kolejne niekonfigurowalne wyprowadzenie (21.) jest podłączone poprzez kondensator 0,1 F (C64) do masy. Pozwala to mikrokontrolerowi w sposób dokładniejszy konwertować sygnały analogowe na cyfrowe.

333 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wykrywanie ścian i przeszkód Wyjście lewego detektora podczerwieni PNA4602M (US3) z płyty głównej jest podłączone do wejściowego wyprowadzenia 14. w mikrokontrolerze. Prawy detektor podczerwieni (US4) jest podłączony do wejściowego wyprowadzenia 10. Praktycznie rzecz biorąc, nie ma żadnego szczególnego powodu wyboru takiego przypisania wyprowadzeń poza łatwością prowadzenia ścieżek na płytce drukowanej. Technicznie rzecz biorąc, możesz zaprogramować wyprowadzenie 14. układu ATmega168 jako wejście przechwytywania zegarowego. Dzięki temu, gdy US3 wykryje zmianę w sygnale podczerwonym, zostanie wywołany podprogram, do którego przekazany będzie znacznik czasu wykrycia zmiany. Po zastosowaniu odpowiedniego oprogramowania możesz dekodować sygnał z pilota telewizyjnego, dzięki czemu robot może odczytywać zdalne polecenia. Wadą użycia US3 jako prawdziwego detektora sygnałów podczerwieni jest brak możliwości wykorzystania go do wykrywania przeszkód, ponieważ emitowany sygnał będzie interferował z sygnałem wysyłanym przez pilota.

Sterowanie silnikami i diodami dwukolorowymi Mikrokontroler może sterować niezależnie każdym sygnałem dla silnika, aby uzyskać obroty w przód, w tył i hamowanie. Obroty swobodne nie są dostępne z uwagi na ograniczenia układów sterownika silnika na płycie głównej. Lewym silnikiem sterują wyprowadzenia 5. i 6., skonfigurowane jako wyjściowe. Prawym silnikiem sterują wyprowadzenia 12. i 13., skonfigurowane jako wyjściowe. Wyprowadzenia te zostały wybrane w taki sposób, aby wszystkie cztery znajdowały się w tym samym bajcie pamięci (który nosi nazwę „PD” lub „port D”) mikrokontrolera. Dzięki temu wszystkie cztery wyprowadzenia mogą być modyfikowane za pomocą jednego polecenia zapisu bajtu do tej lokalizacji. Gdyby konieczne było użycie wielu poleceń, w przypadku umieszczenia tych sygnałów w wielu lokalizacjach pamięci, robot mógłby czasami na krótko poruszać się w niepożądany sposób. Każda instrukcja mikrokontrolera trwa tylko 125 ns, więc wszystkie tymczasowe nieciągłości są niezauważalne dla ludzkiego oka, chyba że w czasie wykonywania polecenia wystąpi przerwanie. Oczywiście, możesz tymczasowo wyłączyć przerwania, aby uniknąć takiej sytuacji. Jednak szybciej i prościej jest umieścić wszystkie wyprowadzenia sterujące silnikami w tym samym adresie pamięci. Ustawiając jeden bajt (a dokładniej jego cztery bity), sterujemy jednocześnie dwoma silnikami.

Sterowanie dwukolorowymi diodami LED Wyprowadzenia mikrokontrolera sterujące silnikami są podłączone do wyprowadzeń wejściowych układu 74AC14. Wyjścia tego układu są podłączone do układów sterownika silnika oraz dwukolorowych diod LED. Dzięki temu te same wyjścia mikrokontrolera, które sterują silnikami, sterują również diodami LED. Niewielka zmiana wyprowadzeń w złączu na płycie głównej pozwala mikrokontrolerowi na bardziej niezależne sterowanie silnikami i dwukolorowymi diodami LED. Modyfikacja ta polega na dodaniu zworki pomiędzy wyprowadzeniem 8. a 5. oraz kolejnej zworki pomiędzy wyprowadzeniem 12. a 11. układu US1 (rysunek 11.10 w rozdziale 11.). Dzięki temu wyprowadzenia wyjściowe nie sterują bezpośrednio następnym zbiorem wejść w przypadku wykorzystywania mikrokontrolera. Mikrokontroler może zatem ustawiać wartość wyjścia sterującego diodą LED niezależnie od silnika, w związku z czym w większości przypadków można ustawić kolor diody niezależnie od kierunku obrotów silnika. Jest to jednak sztuczka. W rzeczywistości w tym robocie silniki i dwukolorowe diody LED są ze sobą ściśle związane.

334 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Odczyt stanu przycisku Wyprowadzenie 18. skonfigurowane jako wejściowe pozwala na odczytanie stanu przycisku zamontowanego na karcie rozszerzeń. Po naciśnięciu przycisku następuje połączenie wejściowego wyprowadzenia 18. z masą, co powoduje odczyt wartości zero przez mikrokontroler. Gdy przycisk zostanie zwolniony, rezystor 100 k zapewnia wartość domyślną 5 V, powodując odczyt przez mikrokontroler wartości jeden. Przycisku tego możesz użyć do dowolnego celu, w zależności od programu działającego w mikrokontrolerze. Zazwyczaj programuję ten przycisk w taki sposób, aby po jego naciśnięciu robot Rondo zaczynał działanie. Teraz robot Rondo, inaczej niż wtedy, gdy miał wyłącznie płytę główną, nie zacznie poruszać się natychmiast po włączeniu przełącznika zasilania. Program w mikrokontrolerze będzie po uruchomieniu cierpliwie czekał, aż na wejściu skojarzonym z wyprowadzeniem 18. pojawi się zero. W rzeczywistości program jedynie „uzbraja" procedurę startową, gdy następuje wciśnięcie przycisku (zero), i czeka na zwolnienie przycisku (jeden), aby faktycznie uruchomić akcję. Istnieją dwie przyczyny oczekiwania na zwolnienie przycisku. Po pierwsze, nieco denerwujące jest, gdy robot zaczyna się poruszać, a Twój palec znajduje się nadal na przycisku. Po drugie, w czasie konkursów sumo zawodnicy nieraz nie są pewni, czy wcisnęli przycisk uruchamiający obowiązkowe, pięciosekundowe odliczanie. Jednak jeżeli na początek naciśniesz przycisk „uzbrojenia” robota, możesz być absolutnie pewny, że zostanie on również zwolniony.

Eliminowanie odbi na wejciu Przypomnij sobie rysunek 6.12 z rozdziału 6. Przycisk lub przełącznik może generować dosyć dużo zakłóceń, gdy jest wciskany i zwalniany. Jeżeli mikrokontroler nie robi nic więcej poza czekaniem na pierwszą wartość zerową, to zakłócenia występujące po odczytaniu tej wartości są nieznaczące i mogą zostać zignorowane. Jeżeli jednak zamierzasz zliczać przyciśnięcia lub przycisk ma za zadanie przechodzenie pomiędzy kolejnymi stanami, to zakłócenia mogą oszukać mikrokontroler i zostać zinterpretowane jako wielokrotne naciśnięcie przycisku. Istnieje kilka sposobów na eliminowanie zakłóceń przycisku. Na rysunkach 6.6 i 6.7 w rozdziale 6. przedstawiłem sprzętowe rozwiązania wykorzystujące względnie wolno ładujący się i rozładowujący się kondensator, który absorbuje skoki napięcia i jego szybkie zmiany. Rondo posiada niemal identyczny obwód eliminacji zakłóceń dla przycisku (rysunek 16.23). Jednak aby zaoszczędzić miejsce na płytce, w obwodzie zastosowanym w robocie Rondo nie ma diody LED. Dodatkowo wartość rezystora (R65) została zwiększona, a pojemność kondensatora (C65) zmniejszona w stosunku do poprzedniego obwodu, aby rezystor i kondensator pasowały do komponentów umieszczonych w innych modułach robota. Wielokrotne wykorzystywanie takich samych wartości komponentów pozwala zaoszczędzić nieco pieniędzy przy większych zakupach, a także pomaga unikać pomyłek przy instalacji, ponieważ korzystamy z mniejszej liczby różnych wartości.

Rysunek 16.23. Schemat obwodu eliminacji odbić przycisku na karcie rozszerzeń robota Rondo

335 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ten układ eliminowania odbić przycisku jest wykorzystywany w różnych robotach i projektach elektronicznych. Rezystor podciągający R65 zapewnia domyślne wysokie napięcie. Gdy zostaje naciśnięty przycisk SW65, wyprowadzenie mikrokontrolera jest podłączane do masy i ustawia niskie napięcie. Po zwolnieniu SW65 napięcie względnie powoli wzrasta wraz z ładowaniem C65. Możesz myśleć, że R65 natychmiast ustawi sygnał 5 V, ale duża rezystancja 100 k powoduje, że niemal cały prąd z R65 jest zużyty na ładowanie C65. Jakiekolwiek skoki i szybkie odbicia przełącznika w małym stopniu zwiększają lub zmniejszają napięcie na C65. Ostatecznie C65 osiągnie na tyle wysokie napięcie, że mikrokontroler lub układ logiczny odczyta tę wartość jako 1. Dzięki zwiększonemu czasowi przejścia oraz uśrednianiu napięć ze skoków i spadków wyeliminowane są niemal wszystkie fałszywe sygnały przełączania. W robocie Rondo możemy wyeliminować R56, ponieważ wybrany mikrokontroler posiada wbudowane rezystory podciągające. Jeżeli chcesz, możesz nawet wyeliminować C65, gdyż używany przez nas przycisk wprowadza dosyć niskie zakłócenia i można je w miarę łatwo odfiltrować w sposób programowy. Wyeliminowanie tych dwóch części pozwala zaoszczędzić nieco pieniędzy i trochę czasu, który trzeba by przeznaczyć na lutowanie.

Dodanie przycisku na kart rozszerze Na rynku jest dużo niewielkich przycisków. W zależności od wielkości i działania mogą być nazwane mikroprzełącznikami lub przyciskami. Po lewej stronie rysunku 16.24 pokazany jest przykładowy miniaturowy przycisk (cena około 40 gr). Wybór przycisków jest bardzo duży; są one dostępne w wielu rozmiarach, kolorach i stylach.

Rysunek 16.24. Przyciski miniaturowe (po lewej). Przycisk testowany multimetrem (po prawej). Podłącz jedną sondę do wyprowadzenia po jednej stronie przycisku, a drugą po drugiej stronie, a następnie przyciśnij i zwolnij przycisk, aby zobaczyć zmianę rezystancji. Jeżeli rezystancja nie zmienia się, spróbuj innej kombinacji do momentu znalezienia prawidłowej pary. Test ten najlepiej wykonywać z wykorzystaniem multimetru w trybie wykrywania zwarcia, kiedy urządzenie to piszczy, gdy rezystancja spada do wartości bliskiej 0  W tym obwodzie przycisk powinien być normalnie otwarty (NO). Oznacza to, że przycisk tworzy połączenie elektryczne wyłącznie wtedy, gdy jest wciśnięty. Drugim typem przycisku jest normalnie zamknięty (NC). Oczywiście, taki przycisk tworzy połączenie, gdy jest w stanie spoczynku, i rozłącza je po przyciśnięciu. Większość miniaturowych przycisków ma cztery wyprowadzenia dla zapewnienia stabilności po wlutowaniu w płytkę. Wyprowadzenia te są zwykle połączone parami, więc wystarczy podłączyć do obwodu tylko dwa z nich (po jednej po każdej stronie). Użyj multimetru w celu sprawdzenia, które wyprowadzenia są łączone i rozłączane po naciśnięciu przycisku (prawa strona rysunku 16.24).

336 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Udostępnianie opcji za pomocą przełączników DIP Przełącznik DIP to nic więcej jak kilka małych przełączników umieszczonych w obudowie dwurzędowej. Podobnie jak przyciski, przełączniki są dostępne w wielu rozmiarach i odmianach. W robocie Rondo wykorzystałem zwykły, poczwórny, jednopolowy (SSPT) przełącznik DIP (cena około 2 zł). Spójrz na lewą stronę rysunku 16.25.

Rysunek 16.25. Trzy widoki na przełącznik DIP zawierający cztery niezależne przełączniki (po lewej). Schemat pokazujący trzy przełączniki DIP podciągnięte za pomocą rezystorów 100 k, gdy nie są zwarte z masą (po prawej) Przycisk DIP może być odczytywany przez mikrokontroler tak samo jak inne przełączniki i przyciski. W tym przypadku niezależne rezystory podciągające (R62, R63 oraz R64) zapewniają wartość wysoką na wyprowadzeniach wejściowych mikrokontrolera. Gdy użytkownik przełączy dany przełącznik, podłącza odpowiednie wyprowadzenie mikrokontrolera do masy. Program mikrokontrolera po prostu odczytuje wyprowadzenia wejściowe, na których „widzi” wartości 0 lub 1, określające, które przełączniki są włączone, a które wyłączone. Podobnie jak w przypadku obwodu przycisku, w robocie Rondo możesz wyeliminować rezystory R62 – R64, ponieważ wybrany mikrokontroler posiada wbudowane rezystory podciągające. Kondensator lub inny element sprzętowego eliminowania odbić nie jest tu potrzebny, ponieważ w przeciwieństwie do przycisku liczba zmian stanu przełącznika DIP nie jest istotna. Robot może zliczać naciśnięcia przycisku, ale w przypadku przełącznika DIP interesuje go tylko końcowy, ustalony stan. Inaczej mówiąc, chwilowe fluktuacje lub dodatkowe „odbicia” nie mają znaczenia.

Eliminowanie odbi w programie Dla przełączników wprowadzających duże zakłócenia (szczególnie przycisków) sprzętowe eliminowanie odbić może być bardzo przydatne. Do ignorowania fałszywych sygnałów można również zastosować inne podejście — programowe eliminowanie odbić, które może być wykorzystywane razem ze sprzętowym eliminowaniem odbić lub bez niego. Zaletą programowego eliminowania odbić jest brak nakładów na sprzęt (jeżeli nie bierzemy pod uwagę ceny pamięci programu w mikrokontrolerze ani czasu pracy procesora). Programowe usuwanie odbić jest realizowane przez wielokrotny odczyt wartości wejścia przez pewien czas, a następnie zaakceptowanie wartości wejściowej w momencie, gdy nie zmienia się ona przez ten czas. Inaczej mówiąc, wartość wejścia jest uwzględniana tylko wtedy, gdy jest stabilna — co następuje po ustaniu odbić.

337 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rondo ustawia stoper w momencie, gdy zmieni się wartość przycisku lub przełącznika. Jeżeli wartość wejściowa zmieni się ponownie przed wyzerowaniem stopera, jest on ponownie ustawiany na pełną wartość. Stoper osiągnie zero tylko wtedy, gdy wartość wyprowadzenia nie zmieni się przez cały ten czas, więc napięcie na wejściu musi się ustalić, aby można było polegać na jego wartości. Innym sposobem na eliminowanie odbić jest dziesięciokrotny (przykładowo) odczyt wartości wejścia i dodawanie wartości 1 za każdym razem, gdy wejście ma wartość wysoką. Po zakończeniu tych wszystkich odczytów, jeżeli wartość zmiennej jest większa od 5, to uśredniona wartość wejścia musi być wysoka. Można w takim przypadku dodać programową histerezę i akceptować tylko wartości poniżej 3 dla stanu niskiego, gdy poprzednio wejście miało stan wysoki, i analogicznie akceptować wartości powyżej 7, gdy poprzednio wejście miało stan niski. Niemal wszystkie metody sprzętowego i programowego eliminowania zakłóceń wykorzystują czynnik czasu. Im dłuższy jest okres (lub liczba odczytów), tym mniej prawdopodobne jest zaakceptowanie fałszywych wartości przełącznika. Niestety, im dłuższy jest ten czas, tym mniej natychmiastowa jest odpowiedź obwodu na naciśnięcie przycisku i mniejsze prawdopodobieństwo zaakceptowania szybkiego naciśnięcia przycisku przez użytkownika. Wydawać się może, że realizacja eliminacji odbić w programie może być trudna. Jednak możesz napisać ogólną procedurę, która odczytuje wejścia i regularnie aktualizuje wyczyszczoną wartość w zmiennej globalnej. Pozostałe fragmenty kodu korzystają ze zmiennej globalnej, a nie bezpośrednio z wejścia, co upraszcza kod.

Unikanie stanów porednich przecznika W robocie Rondo wykorzystana jest kombinacja trzech przełączników DIP w celu ustawienia podstawowego zadania lub zachowania robota. Przy jednym ustawieniu wartości przełączników robot jest eksploratorem pomieszczeń, a przy innym wojownikiem sumo. Inne ustawienie może powodować włączenie programu podążania za linią lub pokonywania labiryntów. Użycie przełącznika DIP pozwala temu samemu robotowi na realizowanie różnych zachowań. Jednak jeżeli choć jeden z przełączników DIP będzie miał problemy z niezawodnością, robot może na krótko zmieniać tryby w czasie działania. Gdy na przykład ustawienie przełącznika DIP „wył., wł., wł.” reprezentuje robota sumo, a „wył., wył., wł.” robota podążającego za linią, to luźny przełącznik może na krótko zmienić w czasie walki robota sumo w robota podążającego za linią. Z tego powodu dobrym pomysłem jest zastosowanie programowego eliminowania odbić dla przełączników, które nie zmieniają się zbyt często lub mogą na krótko odbić się po przełączeniu przez użytkownika. Procedura programowego usuwania odbić ignoruje tymczasowe błędy w czystym sygnale. W tym ostatnim przykładzie losowe sygnały powodowane przez luźny przełącznik DIP będą automatycznie usunięte przez algorytm usuwania odbić, więc ta część programu robota, która jest odpowiedzialna za zmianę trybów, nie „zobaczy” tych czasowych fluktuacji i nie zmieni trybu w trakcie pojedynku. Jeszcze bezpieczniejszym rozwiązaniem jest odczytywanie przełączników DIP tylko przed naciśnięciem przycisku rozpoczęcia pojedynku. Aby ponownie odczytać ustawienie trybu z przycisku DIP, konieczne jest wyłączenie i ponowne włączenie zasilania w robocie.

Generowanie muzyki Wyprowadzenie 15. mikrokontrolera udostępnia wbudowany generator PWM (modulator szerokości impulsu). Sprzętowe generatory PWM mogą generować tony przy bardzo małym nakładzie pracy procesora. Dlatego na karcie rozszerzeń do wyprowadzenia 13. podłączony jest wzmacniacz dźwięku. Generowanie muzyki zostanie przedstawione dokładniej w rozdziale 18.

338 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 16. „ BUDOWA KARTY ROZSZERZAJCEJ DLA ROBOTA RONDO

Pozostałe wyprowadzenia dostępne dla rozszerzeń Po rozplanowaniu wyprowadzeń potrzebnych do odtworzenia funkcji sterujących układu 74AC14 w mikrokontrolerze pozostało kilka niewykorzystanych wyprowadzeń. Wyprowadzenia 25. i 26. można skonfigurować jako wejścia cyfrowe (wartość wysoka lub niska), jako wyjścia cyfrowe (wartość wysoka lub niska) albo jako wejścia analogowe (napięcie z zakresu od 0 do 5 V jest konwertowane na wartości od 0 do 255 lub od 0 do 1023). Uniwersalność tych wyprowadzeń powoduje, że nadają się szczególnie do tego, by je udostępniać za pomocą złącza rozszerzeń. Zastosowałem tu 4-nóżkowe złącze Molex, zagięte pod kątem prostym (rysunek 16.26) w celu zachowania profilu robota i uniknięcia wystawania przewodów z jego szczytu. Pierwsze wyprowadzenie złącza jest podłączone do napięcia 5 V, a ostatnie do masy, dzięki czemu obwód rozszerzenia będzie mógł być zasilany.

Rysunek 16.26. Prostopadłe 4-nóżkowe złącze Molex podłączone do modułu wykrywania podłogi. Wyprowadzenia od góry do dołu: stabilizowane +5 V, podłoga po prawej (FL:R) (podłączony do mikrokontrolera), podłoga po lewej (FL:L) (również podłączony do mikrokontrolera) oraz GND (0 V) Dwa środkowe wyprowadzenia złącza są podłączone do wyprowadzeń analogowych mikrokontrolera. W następnym rozdziale układ wykrywania podłogi wykorzysta te wejścia analogowe do odczytu jasności po lewej i prawej stronie.

Komunikacja z innymi moduami lub komputerem Większość nowoczesnych mikrokontrolerów zawiera wbudowane układy pozwalające na komunikację z innymi mikrokontrolerami, modułami, a nawet komputerami. ATmega168PA ma układy dla trzech różnych typów komunikacji szeregowej: 1. Wyprowadzenia 2. i 3. obsługują klasyczną komunikację szeregową, zgodną z portem szeregowym komputera (w celu dostosowania poziomów napięć do standardowego złącza komputera konieczny jest adapter USB lub RS232). 2. Wyprowadzenia 27. i 28. obsługują interfejs dwuprzewodowy (TWI), będący odpowiednikiem Philips/NXP I2C, który jest zgodny z dużą liczbą różnych układów i modułów. 3. Wyprowadzenia 17., 18. i 19. obsługują zarówno interfejs SPI, jak i programowanie układu (razem z wyprowadzeniem 1.) z płytki programowania Atmel. W mojej implementacji karty rozszerzeń robota Rondo zainstalowałem złącza do wszystkich trzech interfejsów. Może to być przydatne do wyświetlania informacji diagnostycznych lub do podłączenia ciekawych akcesoriów w przyszłości. Ponieważ wyprowadzenia SPI są współdzielone z wyprowadzeniami programowania i przycisku, komunikacja SPI jest nieco ograniczona.

339 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Ulepszanie robota To niesamowite, jak łatwo można rozszerzyć potencjał robota po zbudowaniu najważniejszych funkcji (stabilizator napięcia, sterowniki silników i podstawowe sensory). Między innymi z tego powodu liczni konstruktorzy robotów wybierają gotowe moduły realizujące podstawowe funkcje, dzięki czemu mogą się skoncentrować na budowie specjalizowanych modułów. W tym rozdziale podstawowa lokalizacja na płycie głównej (gniazdo układu 74AC14) stało się centralnym zbiorem sygnałów i linii zasilania. Zainstalowanie na płycie gniazda pozwoliło na umieszczenie na górze robota karty rozszerzeń. Układ 74AC14 nadal jest wykorzystywany do takich zastosowań, jak generowanie fali i sterowanie prądem diod LED, ale nie pełni funkcji sterujących. Wejścia detektora podczerwieni zostały skierowane do mikrokontrolera. Mikrokontroler usprawnia możliwość sterowania silnikiem przez dodanie trybu hamowania, jak również możliwość wyeliminowania blokowania silników dzięki rozłączeniu bezpośredniej kaskady z odbiorników podczerwieni. Po zastosowaniu prostych algorytmów filtrujących nie tylko możemy wyczyścić sygnały wykrycia podczerwieni, ale również wyeliminować zakłócenia z przycisków i przełączników DIP. W następnym rozdziale wykorzystam przełączniki DIP do przedstawienia uniwersalności mechanizmów robota sterowanych przez odpowiednio zaprogramowany mikrokontroler. Dodanie sensorów podłogi zwiększy orientację robota w otoczeniu, natomiast odtwarzanie muzyki może ułatwić zauważenie robota przez otoczenie (a co najmniej przez konstruktora).

340 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17 „„„

Dodajemy modu sensora podogi Fotorezystory, dzielniki napięcia, pomiar światła, układ fotodiody TAOS TSL257, półokrągłe płytki prototypowe, deflektory, algorytm podążania za linią oraz sugestie na temat robota sumo W poprzednim rozdziale robot Rondo zyskał kartę rozszerzeń zawierającą mikrokontroler. W wersji z mikrokontrolerem Rondo wykorzystuje te same silniki, sterowniki silników, stabilizator napięcia oraz sensory do eksploracji pokoju bez blokowania się. Po dodaniu kilku kolejnych części Rondo może otrzymywać dane wejściowe pozwalające na realizację innych zadań, na przykład podążania za linią lub udziału w konkursie sumo. W rozdziale tym przedstawię prosty obwód wykrywania podłogi, który jest podłączany do złącza na karcie rozszerzeń. Doskonałym miejscem na ten obwód jest dolna przednia część robota — to rozległe terytorium czekające na wypełnienie układami. Instalacja obwodu pomiaru jasności w tym miejscu daje robotowi Rondo możliwość wykrywania współczynnika odbicia światła od podłogi po lewej i prawej stronie robota. W przeciwieństwie do wartości cyfrowych (0 lub 1) odczytywanych z detektorów podczerwieni obwód pomiaru światła odbitego od podłogi zwraca zakres wartości od 0 do 255, korzystając z 8-bitowego konwertera analogowo-cyfrowego (A/C) w mikrokontrolerze. Obwód wykrywania podłogi wymaga dostarczenia napięcia od 0 do 5 V, które zmienia się na wyjściu w zależności od jasności podłogi. Podobnie jak w przypadku stabilizatora napięcia, sterownika silnika oraz obwodów detektora podczerwieni, układ wykrywania podłogi jest niezależnym modułem robota. Jego użyteczność nie jest ograniczona wyłącznie do zastosowania w robocie Rondo, ponieważ można podłączyć ten obwód do innego mikrokontrolera lub robota.

Wykrywanie jasnoci za pomoc fotorezystora Fotorezystory (nazywane również fotoopornikami) są bardzo popularnymi elementami elektronicznymi pozwalającymi rozpoznawać jasność. Fotorezystory kadmowo-siarczkowe lub z selenku kadmu (CdS) (rysunek 17.1) są stosowane w większości niedrogich urządzeń elektronicznych reagujących na światło, takich jak wyłączniki zmierzchowe.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 17.1. Różne rozmiary fotorezystorów kadmowo-siarczkowych od 4 do 25 mm. Najpopularniejszy jest rozmiar (czwarty fotorezystor od lewej) około 7 mm Fotorezystory są niespolaryzowane. Dzięki temu można je podłączać dowolnym wyprowadzeniem do wyższego lub niższego napięcia. Fotorezystory działają zarówno przy napięciu stałym, jak i zmiennym. Na górnej ścianie fotorezystora znajduje się szczelina fotoprzewodząca (falista linia) rozdzielająca dwie elektrody metaliczne (rysunek 17.2). Splot (pasujące do siebie pofalowane połówki) zwiększa granicę fotoprzewodzącą pomiędzy dwoma połówkami, co obniża całkowitą rezystancję. Podobnie prostsza szczelina zmniejsza granicę, co powoduje, że układ ma wyższą całkowitą rezystancję.

Rysunek 17.2. Różne rodzaje przerw. Przy zastosowaniu tego samego materiału fotoprzewodzącego wzór pokazany po lewej stronie (wąski i pofalowany) zapewnia niższą rezystancję, ale ma niższe napięcie graniczne. Wzór po prawej stronie (szeroki i prosty) zapewnia wyższe napięcie graniczne, ale ma wyższą rezystancję Innym czynnikiem jest szerokość przerwy. Zwiększenie szerokości przerwy powoduje zwiększenie rezystancji, ale pozwala na zastosowanie większego maksymalnego napięcia. Producent może zmienić działanie fotorezystora przez modyfikację stopnia pofalowania, szerokości przerwy oraz składu chemicznego materiału fotoprzewodzącego. Nie jest możliwe ustalenie dokładnych atrybutów fotorezystora wyłącznie na bazie jego wyglądu, głównie dlatego, że nie można określić składu chemicznego materiału fotoprzewodzącego. Lepiej zapoznaj się ze specyfikacją udostępnianą przez producenta, a następnie samodzielnie wykonaj pomiary.

Konwersja zmiennej rezystancji na zmienne napięcie z użyciem dzielnika napięcia Choć technicznie rzecz biorąc, fotorezystory kadmowo-siarczkowe są półprzewodnikami, w obwodzie należy traktować je jak zmienne rezystory (na przykład potencjometry). Zamontuj fotorezystor szeregowo z rezystorem, przyłóż do jednego końca obwodu takiego układu napięcie, a do drugiego masę i zmierz napięcie pomiędzy rezystorami (rysunek 17.3). Obwód ten jest nazywany dzielnikiem napięcia. Przyłożone napięcie dzieli się pomiędzy dwoma rezystorami (jednym stałym i jednym zmieniającym się pod wpływem światła). Fotorezystor kadmowo-siarczkowy zmniejsza rezystancję przy większej ilości światła trafiającego na jego powierzchnię i zwiększa rezystancję przy mniejszej ilości światła. Powoduje to, że otrzymuje on mniejszą część napięcia niż stały rezystor przy większej ilości światła i większą część napięcia niż stały rezystor przy mniejszej ilości światła.

342 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Rysunek 17.3. Schemat układu konwertera światła na napięcie, w którym napięcie rośnie wraz z jasnością (po lewej). Obwód zmontowany na płytce stykowej (pośrodku). Przykładowe wyniki (po prawej) Jeżeli fotorezystor podłączymy na górze dzielnika napięcia (jak na rysunku 17.3), napięcie pomiędzy rezystorami będzie się zwiększało wraz ze zwiększaniem się ilości światła. Jeżeli fotorezystor podłączymy na dole dzielnika napięcia (jak na rysunku 17.4), napięcie pomiędzy rezystorami będzie spadało wraz ze zwiększaniem się ilości światła. Wybierz taką wersję obwodu, która pasuje do danego zastosowania.

Rysunek 17.4. Schemat układu konwertera światła na napięcie, w którym napięcie spada wraz z jasnością (po lewej). Obwód zmontowany na płytce stykowej (pośrodku). Wykres wyników (po prawej)

Wybór napicia dla dzielnika napicia Zwykle do dzielnika napięcia do pomiaru ilości światła stosuje się napięcie stabilizowane (na przykład +5 V), dzięki czemu napięcie w punkcie pomiaru zmienia się wyłącznie w odpowiedzi na zmiany oświetlenia, a nie spadające napięcie baterii. Jednak możesz również użyć napięcia niestabilizowanego, jeżeli napięciem odniesienia dla układu pomiarowego (na przykład mikrokontrolera lub komparatora) będzie to samo niestabilizowane napięcie. Tym sposobem spadające napięcie baterii wpłynie tak samo na rezystory i na skalę pomiaru.

343 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Fotorezystory kadmowo-siarczkowe mogą obsłużyć zazwyczaj do 50 V, więc nie jest to czynnik ograniczający dla większości robotów zasilanych bateryjnie. Upewnij się, czy zastosowane napięcie nie spowoduje, że napięcie pośrodku dzielnika napięcia przekroczy maksymalne napięcie wejściowe układu pomiarowego. Zwykle najlepiej jest przyłączyć to samo napięcie stabilizowane (5 V, 3,3 V lub inne) do dzielnika napięcia, które otrzymuje mikrokontroler bądź inny układ pomiaru napięcia.

Wybór rezystora dla dzielnika napicia W przypadku większości układów dzielnika napięcia z fotorezystorem świetnie sprawdza się stały rezystor 4,7 k. Ogranicza on prąd przepływający przez obwód pomiaru prądu, zapewnia odpowiednio duży prąd na wejściu pomiarowym, tak że większość układów A/C jest w stanie odczytać napięcie. Jeżeli w specyfikacji przetwornika A/C wymagana jest niższa impedancja (na przykład 1 k), wykorzystaj taką właśnie wartość rezystora. Oczywiście zwiększy się zużycie prądu. Przetworniki o wyższej rozdzielczości (więcej bitów), starsze lub szybsze, zwykle wymagają niższych impedancji. Możesz eksperymentować z różnymi rezystorami, aby najlepiej uzupełniały fotorezystor w oczekiwanych warunkach świetlnych. Być może najlepsza wartość rezystora to taka, która spełnia potrzeby przetwornika A/C oraz fotorezystora wyłącznie w przypadku, gdy do fotorezystora dociera taka ilość światła, która znajduje się w środku oczekiwanego zakresu. Gdy fotorezystor i stały rezystor mają taką samą rezystancję, to napięcie pomiędzy nimi ma wartość dokładnie połowy przyłożonego napięcia. Jeżeli na przykład w umiarkowanym świetle fotorezystor ma wartość 2,2 k, to po dodaniu obok niego stałego rezystora 2,2 k i przyłożeniu napięcia 5 V zmierzone na fotorezystorze napięcie wyniesie 2,5 V.

Utrzymanie parametrów poniej maksymalnego rozpraszania energii przez fotorezystor Producent fotorezystora zazwyczaj określa maksymalną rozpraszaną moc, wyrażaną w miliwatach (mW). Aby sprawdzić, czy obwód jest zgodny z tą wartością, wykonaj przedstawione poniżej obliczenia dla najgorszego przypadku: maksymalna rozpraszana moc na fotorezystorze w mW = ((½ napicia w woltach × ½ napicia w woltach) ÷ rezystancja staa w omach) × 1000 Przykadowy obwód 5 V: maksymalna rozpraszana moc w mW = ((2,5 V × 2,5 V) ÷ 4700 ) × 1000 maksymalna rozpraszana moc w mW = 1,33 mW Przykadowy obwód z rezystorem 1 kȍ dla bardziej czuego A/C: rozpraszana moc w mW = ((2,5 V × 2,5 V) ÷ 1000 ) × 1000 rozpraszana moc w mW = 6,25 mW

Opisywany przez ten wzór najgorszy przypadek występuje, gdy rezystancja fotorezystora zrówna się z rezystancją stałego rezystora. Fotorezystor rozprasza więcej mocy, gdy jego rezystancja jest mniejsza niż (jaśniejsze światło) rezystancja stałego rezystora, ponieważ na fotorezystorze następuje mniejszy spadek napięcia (stąd mniejsza moc). Fotorezystor rozprasza mniej mocy, gdy jego rezystancja jest większa niż (ciemniejsze światło) rezystancja stałego rezystora, ponieważ przez układ przepływa mniej prądu (stąd mniejsza moc). Większość fotorezystorów kadmowo-siarczkowych ma określoną maksymalną ciągłą moc od 10 mW do 250 mW przy temperaturze pokojowej (25°C). Jak można się domyślić, fizycznie większe fotorezystory mają wyższą moc niż mniejsze. Jednak jak można zauważyć na podstawie przykładowych obliczeń, ciągłe przekraczanie maksymalnej mocy nie jest problemem w obwodach 5 V.

344 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Odpowiedź fotorezystora jest nieliniowa Jednostką opisującą ilość światła widzialnego dla człowieka i padającego na powierzchnię niezależnie od położenia źródła światła oraz liczby źródeł jest luks, określający natężenie oświetlenia. Jasność światła można zmierzyć światłomierzem (rysunek 17.5), który można kupić w sklepach fotograficznych lub elektronicznych (zwykły światłomierz elektroniczny można kupić za 150 zł, ale modele fotograficzne są znacznie droższe).

Rysunek 17.5. Cyfrowy światłomierz Trzeba wiedzieć, że fotorezystory nie zmieniają rezystancji w sposób liniowy w stosunku do zmian w oświetleniu. Przy zmianie z 500 luksów na 400 luksów przykładowy fotorezystor zwiększył rezystancję o 10 procent. Z kolei przy zmianie z 200 luksów na 100 luksów ten sam fotorezystor zwiększył rezystancję o 50 procent. Po lewej stronie rysunku 17.6 przedstawiony jest wykres przykładowej rezystancji w stosunku do zmian oświetlenia. Jest to krzywa znana Ci już z rysunków 17.3 i 17.4.

Rysunek 17.6. Wykres rezystancji w stosunku do natężenia oświetlenia dla przykładowego fotorezystora (po lewej). Jest on nieliniowy (krzywa). Wykres logarytmu rezystancji do logarytmu natężenia oświetlenia dla tego samego fotorezystora (po prawej). Wykres jest niemal liniowy. (Zwróć uwagę, że skala wykresu po prawej jest znacznie większa od tej z wykresu po lewej)

345 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Po prawej stronie rysunku 17.6 pokazany jest wykres dla tego samego fotorezystora, ale tym razem osiami są logarytm o podstawie 10 z rezystancji oraz natężenia oświetlenia. Ten wykres pokazuje liniową reprezentację zachowania fotorezystora. Jeżeli dokładniej przyjrzysz się wykresom w specyfikacji fotorezystora, zauważysz, że siatka wykresu jest logarytmiczna. Każdy, kto spojrzy tylko na linie na wykresie, a nie na etykiety osi, może pomyśleć, że odpowiedź fotorezystora jest liniowa.

Tworzenie wykresu odpowiedzi konkretnego fotorezystora Względnie dokładny wykres konkretnego fotorezystora można wykonać na podstawie dwóch pomiarów rezystancji i oświetlenia, zwykle przy 10 luksach i 100 luksach. Możesz nazwać te dwa przykładowe pomiary światło10/rezystancja10 oraz światło100/rezystancja100. W czasie pomiaru natężenia oświetlenia i rezystancji układy powinny być dokładnie zakryte, aby zapobiec przenikaniu światła otoczenia, które może zmienić pomiary. Przy wykorzystaniu światłomierza należy na początek zmierzyć światło docierające do fotorezystora z jednego, kontrolowanego źródła światła, na przykład białej diody LED. Jako rezystora ograniczającego prąd płynący do białej diody LED użyj potencjometru, co pozwoli zmieniać ilość światła. Po osiągnięciu poziomu docelowego (na przykład 10 luksów) umieść fotorezystor dokładnie w tym miejscu, w którym znajdował się światłomierz. Jeżeli zostanie umieszczony bliżej, otrzyma więcej światła (większą liczbę luksów). Jeżeli zostanie umieszczony dalej, otrzyma mniej światła (mniejszą liczbę luksów). Użyj multimetru w trybie omomierza do pomiaru rezystancji przykładowego fotorezystora (nie jest potrzebny układ dzielnika napięcia) oświetlanego białą diodą LED.

Obliczanie czuoci Po uzyskaniu dwóch punktów pomiarowych (rezystancja przy 10 luksach i rezystancja przy 100 luksach) możesz obliczyć czułość fotorezystora. Wartość ta jest nazywana gammą (). czuo = warto cakowita ((log(rezystancja100 w omach) – log(rezystancja10 w omach)) ÷ (log(wiato100 w luksach) - log(wiato10 w luksach)))

Im większa czułość, tym bardziej rezystancja fotorezystora zmienia się w stosunku do światła. Na przykład fotorezystor 0,8  zmienia rezystancję szybciej niż fotorezystor 0,6 . To, czy potrzebna jest większa czułość, zależy od określonego obwodu. Czy wolisz korzystać z zakresu od 5 k do 50 k dla danego oświetlenia, czy bardziej dokładnego zakresu, od 1 k do 100 k, dla tego samego oświetlenia? To nie jest wymówka. To naprawdę zależy od wielu czynników. Istnieją przypadki, gdy fotorezystor może być uznany za „zbyt czuły” dla danego zastosowania. Jeżeli na przykład czuły fotorezystor zmienia swoją rezystancję ze 120 000 k na 18  przy wąskim zakresie światła, to na stałym rezystorze 4,7 k w dzielniku napięcia 5 V napięcie zmieni się błyskawicznie z 5 V na 0 V. Ośmiobitowy przetwornik A/C nie będzie w stanie odróżnić 4,981 V od 4,99 V, dlatego każda zmiana oświetlenia poza tym zakresem będzie dla robota niezauważalna.

Obliczanie rezystancji dla dowolnego natenia owietlenia Po zmierzeniu kilku punktów danych i obliczeniu czułości fotorezystora możemy wyliczyć przybliżoną rezystancję dla dowolnego natężenia oświetlenia. Wybierz dowolną wartość natężenia oświetlenia i wstaw ją do poniższego wzoru, aby obliczyć wynikową rezystancję: rezystancja w omach przy wybranym poziomie wiata = 10^(log(wybrany poziom wiata w luksach) - ((log(rezystancja100 w omach) - log(wiato100 w luksach)) × czuo))

Sprawdziłem doświadczalnie, że wyliczane wartości są wystarczająco bliskie zmierzonych. Pamiętaj, że im bardziej przewidywane wartości są oddalone od wartości zmierzonych, tym mniej dokładny będzie wynik.

346 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Określanie rozrzutu pomiędzy fotorezystorami Fotorezystory mogą mieć bardzo różną rezystancję, nawet jeżeli jest to ten sam model od tego samego producenta. Nie jest niczym niezwykłym, że producent oznacza dokładność rezystancji jako ±50 procent w zakresie od 10 do 100 luksów. Jeżeli dany model fotorezystora ma na przykład wartość 10 k przy 100 luksach, to dowolny fotorezystor tego samego rodzaju może mieć faktycznie rezystancję z zakresu od 5 k do 15 k. Różnice zwiększają się przy mniejszym oświetleniu. Dodatkowo czułość fotorezystorów również się zmienia (jest to nazywane tolerancją gamma) w egzemplarzach tego samego modelu. Przez to dwa fotorezystory o tej samej rezystancji przy 10 luksach mogą mieć znacząco różną rezystancję przy 100 luksach. Ponadto kontrola jakości fotorezystorów bywa zła. Zauważyłem, że około 10 procent produkowanych fotorezystorów nie mieści się w specyfikowanych wariancjach i tolerancjach. W zasadzie są one tak złe, że są bezużyteczne i nadają się do kosza na śmieci.

Badanie rozbienoci Zamówiłem za jednym razem u tego samego producenta 36 fotorezystorów o tym samym numerze katalogowym. Cztery (11 procent) fotorezystory miały odczyty bardzo wykraczające poza zakres lub tak mało zmieniały rezystancję (czułość), że uznałem je za uszkodzone. Zmierzyłem (nie wyliczyłem) rezystancję każdego z pozostałych 32 fotorezystorów dla pięciu poziomów oświetlenia z zakresu od 100 do 1000 luksów, pochodzącego ze skalibrowanego źródła białego światła, w tym samym dniu w temperaturze pokojowej. Pod koniec tych testów wykonałem ponowne pomiary kilku pierwszych fotorezystorów, aby sprawdzić, czy niezamierzone zmiany w układzie testowym (nagrzewanie się obwodu, przygasanie diod LED) nie wpłynęły znacząco na wyniki (nie wpłynęły). Rozkład wyników był w zasadzie zgodny z oczekiwaniami (rysunek 17.7). Niewiele fotorezystorów dawało wyniki o dużym odchyleniu, a większość była zgromadzona pośrodku. Choć nie jest to zauważalne na tym zmniejszonym wykresie, wiele linii przecina się w różnych punktach wykresu. Jest to spowodowane różnicami w czułości (gamma).

Rysunek 17.7. Wykres odpowiedzi 32 fotorezystorów tego samego modelu tego samego producenta zamówionych w tym samym czasie Wykres ten powinien przypominać nam, aby traktować każdy fotorezystor tak jak inny model i dokładnie go testować przed umieszczeniem w robocie. Dodatkowo powinieneś pomyśleć o testowaniu grupy fotorezystorów w celu znalezienia pasujących par.

347 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Szybkość wzrostu i spadku rezystancji Prawdopodobnie najczęściej przedstawianą wadą fotorezystorów jest względnie wolna reakcja na zmiany oświetlenia. To opóźnienie staje się wyraźniejsze przy mniejszym natężeniu światła. Choć zależy to od tego, jaki skład chemiczny fotorezystora stosuje producent, czas spadku rezystancji fotorezystora zwykle wynosi 20 – 40 ms na 10 luksów. Czas wzrostu rezystancji mieści się przeważnie w zakresie 50 – 100 ms na 10 luksów. Fotorezystory reagują szybciej na zwiększenie jasności (zmniejszenie rezystancji) niż na jej zmniejszenie (zwiększenie rezystancji). Inaczej mówiąc, rezystancja spada dwa do trzech razy szybciej, niż rośnie. Na rysunku 17.8 dioda LED oświetla przykładowy fotorezystor światłem 100 luksów. Dioda LED jest włączana i wyłączana około sześciu razy na sekundę (6 Hz). Fotorezystor jest podłączony do dzielnika napięcia 4,7 k (przypomnij sobie rysunek 17.3), więc po włączeniu diody LED napięcie rośnie. Oscyloskop pokazuje, że spadki rezystancji (wzrost napięcia) do jakichś 10 procent trwają około 30 ms. Dodatkowo na oscyloskopie widać, że wzrosty rezystancji (spadek napięcia) do 90 procent trwają około 80 ms.

Rysunek 17.8. Przebiegi oscyloskopowe pokazują, że fotorezystor dosyć wolno reaguje na zmiany jasności. Jeżeli fotorezystor reagowałby szybciej, zakrzywione linie byłyby znacznie bardziej prostokątne, zbliżone do poziomów włączania i wyłączania światła Oznacza to, że fotorezystory reagują zbyt wolno i nie są dobrym wyborem dla szybkich układów. Nadają się za to świetnie do wielu innych zastosowań w robotach oraz w prostych układach. Jeśli jednak wykonujesz bardziej złożone projekty robotów, pomyśl o zastosowaniu innej technologii wykrywania światła.

Ponowne użycie zrównoważonego obwodu odczytu jasności Z obwodu zawierającego fotorezystor korzysta robot Kanapka z książki Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012), przystosowany do podążania za linią. Obwód przedstawiony pod koniec rozdziału 14. tej książki działa w sposób akceptowalny w robocie Rondo, o ile jest zasilany stabilizowanym napięciem 5 V zamiast 9 V. PT1 należy podłączyć do wyprowadzenia 7. mikrokontrolera robota Rondo, a PT2 do wyprowadzenia 8. Ponieważ obwód ten przedstawiłem już w mojej poprzedniej książce, a tutaj poświęciłem już kilka ostatnich stron fotorezystorom, w tej książce pokażę coś bardziej zaawansowanego.

Wykrywanie jasnoci za pomoc fotodiody Fotodiody reagują do 1000 razy szybciej niż fotorezystory. Fotodioda jest zwykle podłączona do wzmacniacza (tranzystora lub wzmacniacza operacyjnego), a układ konwersji zwiększa sygnał i konwertuje prąd na napięcie. Firma TAOS (http://www.taosinc.com/) produkuje bazujące na fotodiodach sensory światło-napięcie, zamknięte w wygodnej obudowie (rysunek 17.9). Podłącz jedno wyprowadzenie do masy, drugie do napięcia — na trzecim pojawi się napięcie o wartości proporcjonalnej do wykrywanego światła. Czy to może być prostsze?

348 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Rysunek 17.9. Układ wyprowadzeń konwertera światło-napięcie TAOS TSLx257 Układ fotoczujnika TAOS TSL257 (cena około 7 zł) reaguje na szeroki zakres długości światła, od widzialnego do podczerwieni. Ten sam układ jest dostępny z filtrami kolorów do wykrywania czerwonego (TSLR257), zielonego (TSLG257) i niebieskiego (TSLB257).

Układ wykrywania odbicia światła od podłogi Na rysunku 17.10 pokazany jest układ wykrywania odbicia światła od podłogi. Białe diody LED po obu stronach oświetlają podłogę, a światło odbite trafia do każdego z sensorów TSL257. Rezystory ograniczające prąd (R85, R88) uniemożliwiają ustawienie zbyt dużego prądu za pomocą potencjometrów (R86, R87), gdyż mogłoby to spowodować uszkodzenie diod LED. Kondensatory blokujące (C86, C87) są podłączone do linii zasilających TSL257, co jest zgodne ze standardową praktyką.

Rysunek 17.10. Schemat układu wykrywania odbicia światła od podłogi wykorzystujący dwie białe diody LED o regulowanej jasności oraz konwertery światła na napięcie TSL257

349 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Mamy tu dwa sensory oraz dwie regulowane białe diody LED, aby można było niezależnie dokonywać pomiaru po lewej i prawej stronie. Daje to robotowi możliwość podążania za linią lub wybierania optymalnego kierunku skrętu, aby odsunąć się od brzegu ringu sumo (jasnej linii). „ Wskazówka Rezystancja 10 k dla R86 oraz R87 moe wydawa si zbyt dua, ale okazuje si , e fotosensory TSL257 s niezwykle wraliwe na wiato. Dlatego nie potrzeba zbyt duo prdu, aby diody LED o wietlay podog wystarczajco jasno, eby byo to odpowiednie dla sensorów.

Zamiast białych diod LED można użyć diod kolorowych, a nawet diod podczerwieni, ale nie dają one wystarczająco szerokiego spektrum, aby robot mógł „widzieć” w sposób właściwy. Na przykład niebieska taśma maskująca oświetlona czerwoną diodą LED może być rozpoznawana przez robota jako ciemna, ponieważ niebieska taśma odbija tylko niebieską część widzialnego spektrum światła. Dlatego powinieneś korzystać z białych diod LED, chyba że chcesz specjalnie budować obwód wykrywający określone kolory.

Budowa układu wykrywania odbicia światła od podłogi Układ wykrywania odbicia światła pasuje do wolnego miejsca znajdującego się na spodniej stronie w przedniej części robota Rondo (rysunek 17.11). Powinieneś umieścić sensory TSL257 możliwie daleko od siebie — na brzegach robota. Jednak zbyt duża przestrzeń pomiędzy sensorami może spowodować, że robot będzie oscylował (skręcał w jednym i w drugim kierunku) w czasie podążania za linią.

Rysunek 17.11. Obwód pomiaru współczynnika podłogi zamontowany na spodniej stronie robota Rondo. Złącze Molex zagięte pod kątem prostym m jest podłączone do złącza na karcie rozszerzeń robota (ponieważ karta rozszerzeń ma również złącza, możesz przylutować przewody bezpośrednio do tej płytki)

Wycinanie póokrgej pytki prototypowej W przedniej części robota jest wystarczająco dużo miejsca, aby zmieściła się tam prostokątna płytka z układami. Jednak jeżeli narożniki tej płytki będą wystawać, to posiadanie okrągłego robota przestanie mieć sens, ponieważ narożniki będą się zaczepiać o przeszkody i uniemożliwiać obroty robota w miejscu. Zamiast korzystać z prostokątnej płytki, możesz wyciąć półokrąg ze zwykłej płytki perforowanej (rysunek 17.12). Wykonaj następujące operacje: 1. Umieść pustą, prostokątną płytkę drukowaną na spodniej części robota. Zaznacz na płytce oczekiwany kształt, korzystając z brzegu platformy robota jako wzornika. 2. Przenieś zaznaczoną płytkę perforowaną na warsztat. Zawsze zakładaj maseczkę przed cięciem lub wierceniem materiału płytek drukowanych, ponieważ wdychanie pyłu z laminatu nie jest zdrowe. 3. Użyj piły, frezarki lub narzędzia wysokoobrotowego (Dremel) do zgrubnego wycięcia półkola. 4. Pilnikiem oraz papierem ściernym wyrównaj brzegi płytki. 350 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Rysunek 17.12. Półokrągła płytka na układy (na dole) wycięta ze standardowej, prostokątnej płytki perforowanej o rastrze 2,5 mm

Dodanie osony do pytki Aby dokładnie określać, czy podłoga jest jasna, czy ciemna, sensor TSL257 powinien „widzieć” wyłącznie światło białej diody LED odbijające się od podłogi. Bezpośrednio padające światło diody LED lub światło odbite pochodzące z pomieszczenia może z łatwością nasycić sensor, przez co będzie on stale dostarczał 5 V, niezależnie od jasności samej podłogi. Rozwiązaniem jest dodanie osłony lub obudowy wokół sensora oraz wokół całego obwodu, aby zablokować niekontrolowane światło (rysunek 17.13).

Rysunek 17.13. Światło zewnętrzne jest blokowane przez nieprzezroczystą barierę przyklejoną do zewnętrznego brzegu płytki z układami. Bezpośrednie światło z diody LED jest blokowane przez małe, plastikowe osłony. Dzięki temu jedynym znaczącym światłem wykrywanym przez TSL257 jest odbite od podłogi światło białej diody LED o regulowanej intensywności

351 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Zakadamy czarn oson Zewnętrzna bariera lub osłona otacza zewnętrzny brzeg (rysunek 17.14) płytki obwodu pomiaru współczynnika odbicia podłogi i blokuje możliwość odbicia się światła otoczenia od podłogi bezpośrednio pod sensorami. Dodatkowo bariera powinna przykrywać górną część płytki, ponieważ w przeciwnym razie światło może przenikać przez otwory do montażu elementów na płytce drukowanej (rysunek 17.15). Osłony te możesz wykonać z dowolnego nieprzewodzącego, elastycznego i nieprzezroczystego materiału. Arkusz pianki, filc, tkanina, karton lub cienki plastik są odpowiednie, o ile są wystarczająco nieprzezroczyste.

Rysunek 17.14. Arkusz czarnej pianki przyklejony do brzegu płytki m oraz przykrywający górną część płytki n, dzięki którym światło otoczenia nie wpływa na sensory. Zwróć uwagę na białą tulejkę dystansową o pomiędzy płytką układu wykrywania podłogi i centralną platformą robota. Zmieniając długość tej tulejki, możesz sterować odległością płytki od podłogi. Dzięki temu można ustawić odpowiednią odległość, aby światło białej diody LED odbiło się i wróciło do sensora TSL257

Rysunek 17.15. Dwa zdjęcia robota Rondo z zamontowanym układem wykrywania odbić światła od podłogi

352 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Na pewno znajdziesz elastyczną, czarną piankę o grubości 2 mm w sklepach rękodzielniczych. Po odcięciu paska pianki i dopasowaniu długości przyklej go do dolnego lub górnego brzegu płytki z układami, wykorzystując klej cyjanoakrylowy w żelu. Dosyć zaskakujące dla mnie było, że klej cyjanoakrylowy tak dobrze łączy piankę z materiałem płytki z układami. Powinieneś jednak wcześniej zakończyć lutowanie i testowanie obwodu i dopiero wtedy przykleić arkusz pianki do płytki z sensorami. Na czas testowania możesz przykleić piankę tylko w kilku punktach.

Wykorzystanie klocka LEGO Na osłonę sensora potrzebujemy niewielkiego, nieprzezroczystego, prostokątnego elementu, który musi być odpowiednio sztywny, aby nie zaginał się nad sensorem TSL257, gdy robot wpadnie na przeszkodę. Musimy mieć możliwość przyklejenia osłony; powinna ona być w miarę lekka. Do tego celu doskonale nadaje się klocek LEGO o wielkości 2 na 2 LU (jednostki LEGO). Proces przekształcenia jest dosyć prosty (rysunek 17.16).

Rysunek 17.16. Wiercenie, piłowanie i (lub) frezowanie zwykłego czarnego klocka LEGO, aby uzyskać osłonę sensora. Najbardziej w tym zdjęciu podoba mi się, że na koniec procesu klocek LEGO przypomina twarz wyrażającą szok. „Ach! Co ty mi zrobiłeś?” Wykonaj następujące operacje: 1. Rozpocznij od sfrezowania lub wywiercenia wewnętrznego, okrągłego palika. 2. Przewróć klocek i zeszlifuj lub sfrezuj górne paliki, otrzymując płaską powierzchnię. Pozwala to zaoszczędzić miejsce w pionie i ułatwia klejenie. 3. Wywierć, spiłuj lub wyfrezuj otwór w dolnej części klocka, aby wyprowadzenia sensora miały dostęp do płytki. Przy obrabianiu klocków LEGO można posłużyć się innym klockiem, co pomoże zamocować obrabiany klocek i utrzymać go na odpowiednim poziomie (rysunek 17.17). Upewnij się, czy ściśniesz szczęki imadła odpowiednio mocno, aby chwycić brzegi klocka, uniemożliwiając jego wyślizgnięcie się.

Dostrajanie i testowanie obwodu pomiaru odbicia podogi Po zlutowaniu, osłonięciu i zainstalowaniu obwodu w robocie musisz ustawić potencjometr każdej z diod LED, aby emitowały odpowiednią ilość światła. Na początku może się to wydawać skomplikowane, ponieważ robot nie posiada ekranu LCD ani wielosegmentowych diod LED do wyświetlania odczytywanych wartości. Istnieje jednak prosty sposób na odczyt wartości. Podłącz po prostu sondę multimetru do masy i do wyjścia lewego lub prawego sensora (rysunek 17.18) w złączu na karcie rozszerzeń. Ustaw w multimetrze tryb pomiaru napięcia.

353 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 17.17. Frezowanie górnych palików klocka LEGO. Umieść dodatkowy klocek LEGO pod spodem w imadle, aby umocować i podnieść na odpowiednią wysokość górny klocek

Rysunek 17.18. Podłączanie sond multimetru w złączu na karcie rozszerzeń. Multimetr będzie wyświetlał wartość wyjściowego napięcia sensora podłogi

Ustawianie napicia bliskiego 5 V na maksymalnie odbijajcej powierzchni Umieść robota na kilku arkuszach białego papieru lub innej białej powierzchni. Sprawdź odczyt napięcia. Najprawdopodobniej wartość ta będzie bliska 5 V. Jeżeli miernik pokazuje wartość 4,95 V lub bliską, to jest to prawdopodobnie maksymalne napięcie wyjściowe układu TSL257. Zmniejsz jasność skojarzonej z tym detektorem diody LED (po lewej stronie, jeżeli testujesz tylko lewy sensor), zmieniając wartość na potencjometrze. Z uwagi na czarną osłonkę oraz lokalizację potencjometru na płytce z sensorami dla mnie regulacja była utrudniona, gdy robot stał na jakiejś powierzchni. Po prostu podniosłem go, wykonałem kilka obrotów wieloobrotowym potencjometrem i postawiłem robota ponownie na białym papierze. Możesz również wykonać niewielkie otwory w materiale osłonki, aby można było obracać potencjometrami, gdy robot stoi na kołach. Reguluj jasność białej diody LED do momentu, gdy napięcie spadnie poniżej 4,5 V. Dzięki temu będziesz pewny, że sensor nie jest nasycony. Jeżeli chcesz, możesz jeszcze nieco zwiększyć jasność diody LED, aby napięcie było bliższe 5 V. Powtarzaj ten proces do momentu, w którym zarówno prawy, jak i lewy sensor będą dostrojone tak, aby swój szczytowy odczyt osiągały na jasnej powierzchni.

354 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Testowanie na minimalnie odbijajcej powierzchni Umieść robota na ciemnej, matowej powierzchni i zmierz napięcie obu sensorów podłogi. Będzie idealnie, gdy oba sensory ustawią wartość poniżej 0,5 V. Jeżeli napięcia sensorów będą wydawać się zbyt duże (powyżej 1 V), spróbuj czymś przykryć robota. Jeśli po przykryciu robota napięcie zauważalnie spada, oznacza to, że światło otoczenia docierające do sensorów podnosi ich odczyt. Niewielki wzrost, w granicach kilku dziesiętnych wolta, jest akceptowalny. Jeżeli światło otoczenia znacząco wpływa na sensory podłogi, ale uważasz, że płytka czujnika jest odpowiednio zakryta, być może powinieneś sobie przypomnieć, że układ TSL257 wykrywa również promieniowanie podczerwone. Być może materiał, z którego wykonałeś osłony, nie blokuje podczerwieni. Z drugiej strony, jeżeli napięcie nie spadnie po dokładnym zakryciu robota (na przykład przez metalowe pudełko), to sprawdź okablowanie obwodu i spróbuj zmniejszyć jasność białych diod LED. Upewnij się również, czy ciemna powierzchnia jest wystarczająco matowa. Błyszczące lub lustrzane powierzchnie mogą odbijać więcej światła, niż Ci się wydaje.

Podanie za lini Teraz robot Rondo posiada sensor podłogi i może podążać za linią. Uproszczony algorytm jest następujący: 1. Odczytaj przełączniki DIP. 2. Jeżeli pierwszy przełącznik jest włączony, to robot jest skonfigurowany do automatycznego wykrywania jasności linii (podłogi). Przejdź do kroku 5. Jeżeli program osiągnął ten punkt, przełączniki DIP nie konfigurują autodetekcji. Podczas konkursów prawdopodobnie bezpieczniej jest użyć przełączników DIP do określenia, czy linia jest jasna, czy ciemna, ponieważ algorytm autodetekcji może nie działać w nietestowanych warunkach. 3. Jeżeli drugi przełącznik jest włączony, to robot jest skonfigurowany do podążania za jasną linią. Ustaw zmienną globalną gCiemnaLinia = FALSE. Przejdź do kroku 10. 4. Jeżeli program tu trafi, drugi przełącznik DIP musi być wyłączony, więc robot jest skonfigurowany na ciemną linię. Ustaw gCiemnaLinia = TRUE. Przejdź do kroku 10.

Autodetekcja jasności linii Naprawdę fajny algorytm autodetekcji może wymagać wykonania przez robota pełnego koła, aby wykryć minimalny, maksymalny i średni współczynnik odbicia od podłogi. Jeżeli średni odczyt jest bliższy wartości minimalnej, podłoga jest ciemna, a linia jest jasna. Jeżeli średni odczyt jest bliższy wartości maksymalnej, podłoga jest jasna, a linia jest ciemna. Prostszym podejściem jest założenie, że operator ustawił robota tak, że linia jest wycentrowana pomiędzy sensorami podłogi. Sensor „widzi” podłogę jako jasną lub ciemną po lewej i prawej stronie linii. Jeżeli współczynnik odbicia jest poniżej 50 procent maksymalnej wartości A/C, zakładamy, że podłoga jest ciemna, a linia jasna. 5. Wczytaj wartość lewego sensora (napięcie od 0 V do 5 V przekłada się na liczby od 0 do 255 w przetworniku 8-bitowym) do zmiennej globalnej gLewyCzujnikPodlogi. 6. Wczytaj wartość prawego sensora podłogi do zmiennej globalnej gPrawyCzujnikPodlogi. 7. Zsumuj wartości gLewyCzujnikPodlogi i gPrawyCzujnikPodlogi. Wynik jest liczbą z zakresu 0 – 510. 8. Jeżeli suma wartości otrzymanych z obu sensorów jest niższa niż 50 procent współczynnika odbicia (2,5 V daje 127,5 — dwa sensory dające wartość 127,5 dają razem 255 lub więcej), to podłoga jest ciemna, a co za tym idzie, linia musi być jasna. Ustaw gCiemnaLinia = FALSE. Przejdź do kroku 10. 9. Jeżeli program tu trafił, suma musi być równa 50 procentom współczynnika odbicia lub większa, więc podłoga musi być jasna, a linia ciemna. Ustaw gCiemnaLinia = TRUE.

355 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Odczyt wartości sensora podłogi Konwersja wartości analogowych na cyfrowe (od 0 do 255) zajmuje więcej czasu niż prosty odczyt wartości wejścia cyfrowego (0 lub 1). Dlatego szybciej jest wczytywać regularnie wartości z sensorów podłogi do zmiennych globalnych, z których korzysta pozostała część algorytmu. Można to porównać do wykonywania zdjęcia stanu sensorów podłogi w określonym momencie i wykorzystywania tego zdjęcia w czasie podejmowania decyzji o sterowaniu. 10. Odczytaj wartość lewego sensora podłogi i zapisz ją w zmiennej globalnej gLewyCzujnikPodlogi oraz wartość prawego sensora podłogi i zapisz ją w zmiennej globalnej gPrawyCzujnikPodlogi.

Odwracanie wartości czujnika Teraz zastosujemy przydatną sztuczkę. Stałe sprawdzanie w algorytmie, czy robot powinien podążać za białą linią, czy za ciemną, jest bardzo niewygodne. Ponieważ wartości sensorów podłogi są wczytywane do zmiennych globalnych, a algorytm podążania za linią odczytuje te zmienne zamiast danych bezpośrednio z wejść sensorów, możesz zmodyfikować te zmienne tak, aby algorytm podążania za linią uprościć. 11. Jeżeli gCiemnaLinia = TRUE, idź do kroku 14. 12. gLewyCzujnikPodlogi = 255 - gLewyCzujnikPodlogi. 13. gPrawyCzujnikPodlogi = 255 - gPrawyCzujnikPodlogi. „ Wskazówka W zaleno ci od wyboru mikrokontrolera i j zyka programowania instrukcja rónicy symetrycznej (nazywana równie EOR lub XOR) moe by szybsza ni odejmowanie warto ci sensora od 255. Operacja ta daje identyczny wynik matematyczny.

Jeżeli robot nie jest ustawiony na ciemną linię (w tym przypadku program po wykonaniu punktu 11. przejdzie do punktu 14.), punkty 12. i 13. odwracają zmienne globalne sensorów, aby sygnały dla ciemnych linii były dla robota sygnałami dla jasnej linii i aby sygnały dla jasnej linii były sygnałami dla ciemnej. Nasze „zdjęcie” zostało odwrócone z jasnej linii na ciemnym tle na ciemną linię na jasnym tle. Jeżeli na przykład zmienna gLewyCzujnikPodlogi miała wartość 255, to teraz wynosi 0 (255 minus 255 jest równe 0). Jeżeli zmienna gLewyCzujnikPodlogi miała wartość 0, to teraz wynosi 255 (255 minus 0 jest równe 255). Jeżeli zmienna gLewyCzujnikPodlogi miała wartość 10, to teraz wynosi 245 (255 minus 10 jest równe 245). Od tego momentu robot zawsze będzie realizował algorytm podążania za ciemną linią, ponieważ wszystkie jasne linie „widziane” przez sensor stały się liniami ciemnymi. Jeśli nadal tego nie czujesz, spróbuj pomyśleć w następujący sposób. Zadaniem robota jest podążanie za ciemną linią. Jeżeli na początku linia była ciemna, to świetnie! Jeżeli na początku linia była jasna, zamieniamy ją w robocie na ciemną. W obu przypadkach linia dla robota wydaje się ciemna, więc może za nią podążać przy użyciu algorytmu podążania za ciemną linią.

Podążanie za ciemną linią Teraz robot musi określić, czy wartości sensorów są wystarczająco bliskie, aby mogły być uznane za równe, co będzie sugerować, że linia jest wycentrowana pomiędzy sensorami: 14. Odejmij gLewyCzujnikPodlogi od gPrawyCzujnikPodlogi. Jeżeli wartość jest mniejsza niż 0, odejmij gPrawyCzujnikPodlogi od gLewyCzujnikPodlogi. Wynik wskazuje, jak bliskie są wartości obu sensorów. 15. Jeżeli wartości sensorów różnią się nie więcej niż o 30 (lub inną wybraną wartość), mierzą mniej więcej tę samą jasność. O ile robot nie zjechał z trasy, linia jest prawdopodobnie wycentrowana pomiędzy sensorami. Uruchom oba silniki do jazdy w przód. Przejdź do kroku 10. 356 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Centrowanie ciemnej linii W tym miejscu wartości sensorów nie są zbliżone do siebie (w przeciwnym razie wykonany zostanie krok 15.). Oznacza to, że linia lub co najmniej część linii znajduje się pod jednym z sensorów i robot musi wykonać korektę kursu, aby ponownie wycentrować się nad linią: 16. Jeżeli wartość gLewyCzujnikPodlogi jest mniejsza niż gPrawyCzujnikPodlogi, to część lub większość ciemnej linii znajduje się pod lewym sensorem. Ustaw lewy silnik na ruch w tył, a prawy na ruch w przód, aby obrócić robota w lewo. Przejdź do kroku 10. 17. Jeżeli nie zostanie wykonany krok 16., to pozostanie jedynie możliwość, że część ciemnej linii lub cała linia znajduje się pod prawym sensorem. Ustaw lewy silnik na ruch w przód, a prawy na ruch w tył, aby obrócić robota w prawo. Przejdź do kroku 10. Kroki 16. i 17. nie są zależne od czasu. Robot powtarza kroki od 10. do 16. (lub 17.), obracając się w prawo lub w lewo, aż wartości sensorów będą bliskie siebie, co spowoduje przejście do kroku 15. i robot ruszy do przodu. Jeżeli zauważysz, że robot zatrzymał się w miejscu, obracając się w prawo i w lewo, musisz zwiększyć wartość tolerancji (30 w punkcie 15.), aż robot zacznie jechać w przód.

Ulepszanie algorytmu podążania za linią Podstawowy algorytm podążania za linią działa w sposób akceptowalny w przypadku większości tras. Nie działa jednak szczególnie płynnie ani efektywnie. Nie jest również w stanie poradzić sobie z przerwanymi liniami ani z poszukiwaniem linii, gdy robot przypadkowo opuści trasę. Robot z mikrokontrolerem ma tę zaletę, że może zawierać bardziej zaawansowany i udany algorytm. Algorytm jest całkowicie niezależny od istniejących obwodów i sprzętu. Mając dostęp do danych o jasności z lewego i prawego sensora, silniki mogą być sterowane bardziej stopniowo, zamiast w pełni w przód i w pełni w tył, w zależności od różnic w odczytach sensorów. W wyniku tego ruchy będą bardziej płynne. Bez tych nadmiernych obrotów w przód i w tył robot więcej czasu będzie jechał w przód, zwiększając w ten sposób średnią prędkość.

Zawody robotów sumo Zawody robotów sumo polegają na nieniszczącym wypchnięciu jednego robota przez innego z ringu. Więcej informacji na temat robota sumo możesz znaleźć w ilustrowanym przewodniku na mojej witrynie WWW (http://www.robotroom.com/SumoRules.html). Pierwszą cechą udanego robota sumo jest zapewnienie, że nie wyjedzie on przypadkowo poza ring. Ring jest wykonany z ciemnego materiału z jasną obwódką. Czujniki mierzące współczynnik odbicia podłogi pozwalają w łatwy sposób wykrywać brzeg ringu. Robot musi tylko wycofać się lub obrócić, jeżeli napięcie sensora podłogi wzrośnie powyżej 50 procent. Drugą cechą robota sumo jest funkcja popychania przeciwnika. Oczywiście, bardzo w tym pomaga wcześniejsze zlokalizowanie przeciwnika! Czujniki odbicia podczerwieni świetnie nadają się do lokalizacji ścian, przeszkód i robotów przeciwników. Na pustym ringu robot sumo powinien jedynie jeździć w koło (lub obracać się w miejscu) do momentu, gdy zadziała detektor podczerwieni; wtedy robot powinien ruszyć do przodu w celu wypchnięcia innego robota.

357 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Przystosowanie robota Rondo do zawodów sumo Robot Rondo, zbudowany według dotychczasowych instrukcji, nie ma odpowiedniego korpusu, aby być robotem sumo. Obudowa robota Rondo jest zbyt duża, aby kwalifikowała się do zawodów minisumo, oraz zbyt mała, aby być konkurencją dla robotów sumo standardowych wymiarów. Dodatkowo okrągły kształt robota Rondo jest zaprojektowany do odbijania się od przeszkód, a nie do ich popychania. Jednak wymiary oraz funkcje obwodów robota Rondo świetnie pasują do robota sumo. Umieszczenie płytek w mniejszej obudowie, mającej zderzak do przewracania przeciwników, pozwala łatwo wykonać konkurencyjnego robota minisumo (rysunek 17.19).

Rysunek 17.19. Obwody robota Rondo zainstalowane w obudowie minisumo Aby polepszyć namierzanie, niewielka przegroda { optycznie rozdziela detektory podczerwieni lewy i prawy. Dla nawigacji większe znaczenie ma różnica w widoku detektorów niż niewielki kąt strumieni z emiterów. Pod przednim zderzakiem znajduje się układ wykrywania odbicia światła od podłogi |, który wykrywa biały brzeg ringu sumo. Upewnij się, że obwody wykrywania podłogi są umieszczone możliwie blisko przodu zderzaka, aby robot zatrzymał się, zanim czubek zderzaka wysunie się poza brzeg ringu. Sumo Rondo ma silniki wbudowane w koła (patrz rozdział 5.), aby była zapewniona zwarta budowa z niskim środkiem ciężkości. Do tego robota wybrałem silniki Copal z przekładnią 50:1 (cena około 80 zł), ponieważ spełniają wymagania dotyczące wymiarów i szybkości. Końce silników umocowałem w bloku plastiku } z dużym otworem (o takiej samej średnicy jak silniki). Para śrub ustalających z przodu i tyłu bloku pomaga zamocować silniki. Kompletny, działający robot waży tylko 350 gramów. Jednak możesz zmaksymalizować jego masę, aby był trudniejszy do wypchnięcia przez przeciwnika. Pod silnikami zamontowałem blok mosiądzu ~, który podniósł masę robota do maksymalnego limitu dla robotów minisumo — 500 gramów. Obciążenie to obniża środek ciężkości robota (utrudnia jego przewrócenie) i poprawia trakcję (ponieważ masa naciska na koła, a nie na przedni zderzak). Wyłącznik zasilania jest umieszczony w trudnym do sięgnięcia miejscu  na płycie głównej. Zmniejsza to prawdopodobieństwo przypadkowego wyłączenia robota przez przeciwnika. W tym samym celu możesz poprawić obudowę, dodając sztywne pokrycie widocznych przewodów oraz płytki z układami.

358 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 17. „ DODAJEMY MODU SENSORA PODOGI

Zmiana strategii z wykorzystaniem przełączników DIP Roboty sumo są podzielone na dwie główne kategorie — autonomiczne i zdalnie sterowane. Zdalnie sterowane roboty sumo są podobne do zdalnie sterowanych samochodów. Podczas zawodów człowiek kieruje robota na przeciwnika. W takich robotach czujniki wykrywające przeciwników i brzeg ringu nie są potrzebne (jednak można do tych robotów dodawać pewne funkcje autonomiczne, które działają znacznie szybciej niż jakikolwiek operator, co daje znaczną przewagę). Roboty autonomiczne są samoczynnie sterowane, zwykle za pośrednictwem mikrokontrolera, tak jak robot Rondo. Większość zwycięskich robotów ma różne sensory, takie jak czujniki odbić podczerwieni oraz wykrywania odbicia światła od podłogi. Jakiekolwiek zewnętrzne sterowanie w czasie rundy jest zabronione. Jednak nie oznacza to, że autonomiczny robot sumo nie może korzystać z pewnych informacji przekazywanych przez człowieka. Możesz użyć przełączników DIP do wybrania najlepszego algorytmu z wcześniej zaprogramowanych w robocie. W zależności od przeciwnika operator może ustawić przełączniki DIP przed rozpoczęciem rundy lub meczu. Na niektórych zawodach dopuszczalne jest naciskanie przycisków lub zmiana ustawień do momentu naciśnięcia przycisku startu. W takim przypadku można ustawić przełączniki DIP, wskazujące robotowi, czy przeciwnik znajduje się prosto przed nim, z lewej, czy z prawej strony. Skonsultuj się z organizatorem imprezy, by się dowiedzieć, czy będzie to uznane za legalne.

Rosnce moliwoci W tym rozdziale przedstawiłem moduł wykrywania podłogi, który poszerza możliwości robota Rondo. Niezależnie od tego, czy zdecydujesz się na użycie komponentów dyskretnych, takich jak fotorezystory kadmowo-siarczkowe z dzielnikiem napięcia, czy na zastosowanie wzmacnianych fotodiod w układzie zintegrowanym, możliwość wykrywania jasności przez robota jest jedną z jego najbardziej podstawowych i użytecznych funkcji. Złącze na karcie rozszerzeń robota Rondo oraz sensory jasności nie są ograniczone do wykrywania odbicia światła od podłogi. Ta sama technologia pozwala wykrywać pasek lub wiele pasków na każdym kole, aby przez zliczanie impulsów określać szybkość lub liczbę obrotów każdego koła. Możesz też zainstalować detektory jasności na brzegach robota w celu wsparcia nawigacji poprzez wykrywanie cieni.

359 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

360 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18 „„„

Gotujemy gulasz z robota Wzmacniacz dźwięku LM386, generowanie muzyki za pomocą sygnału PWM, Rondo Pro, montaż silników na kątownikach, gładkie koła, sprężynowe wąsy, przełączniki dźwigniowe oraz bezprzewodowe wideo Gdy dotarłem do końca książki, zauważyłem, że zgromadziłem trochę pomysłów (i towarzyszącą im stertę części), których nie udało się wcisnąć do wcześniejszych rozdziałów. Koncepcje te w większości nie są na tyle obszerne, aby wypełniły cały rozdział, ale warto o nich wspomnieć. Mogłem albo wyrzucić te resztki, albo podać je jako jedno danie. Zgadnij, co zdecydowałem się zrobić? Ugotować gulasz z robota! Nasz posiłek zaczniemy od przystawki — układu dźwiękowego do odtwarzania tonów lub melodii. Rondo zawiera ten obwód na karcie rozszerzeń. Obiad zaczniemy od robota Rondo Pro ze smakowitymi uchwytami silników, które pozwolą zaprezentować kilka sposobów na przymocowanie silnika do korpusu robota. Gdy zaczynałem, mocowanie silników było dla mnie najtrudniejszym zadaniem, ale okazało się, że istnieje doskonała metoda (kątownik) precyzyjnego mocowania silników, która nie wymaga zbyt wiele pracy. Głównym daniem będzie Beztroski — robot solarny. W zasadzie najbardziej skupię się na sensorach tego robota. Na deser przygotowałem bezprzewodowe wideo. Jest to względnie tani i technicznie nieskomplikowany sposób dodania kamery do każdego robota wielkości pudełka na kanapki bądź większego.

Generowanie muzyki Rondo ma możliwość odtwarzania dźwięku w czasie jazdy. Choć dźwięki mają przede wszystkim uatrakcyjniać robota, mogą również pełnić funkcję diagnostyczną. W przeciwieństwie do wyświetlacza LED, który trudno odczytywać, gdy robot porusza się szybko, dźwięki sygnalizujące różne zdarzenia pozwalają na efektywne komunikowanie się z robotem także wtedy, gdy nie można obserwować go bezpośrednio.

Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Obwód dźwiękowy Obwód dźwiękowy składa się z jednego wyprowadzenia wyjściowego z mikrokontrolera, podłączonego do układu wzmacniacza dźwięku, który z kolei jest podłączony do głośnika. Obwód (rysunek 18.1) bazuje na układzie wzmacniacza dźwięku LM386-1 o mocy 250 mW, umieszczonego w 8-pinowej obudowie DIP (cena 4 zł). Jeżeli chcesz uzyskać głośniejszy dźwięk, możesz zastosować inny wzmacniacz o identycznym układzie wyprowadzeń: LM386N-3 (500 mW) lub LM386N-4 (750 mW).

Rysunek 18.1. Schemat obwodu dźwiękowego robota Rondo

Budowa obwodu dźwiękowego Komponenty w obwodzie dźwiękowym odpowiadają zalecanym w specyfikacji producenta. Tak jak zwykle, podłączony do nich jest ceramiczny kondensator blokujący 0,1 F (C5).

Regulacja siły dźwięku Potencjometr regulacji siły dźwięku (R5) powinien być potencjometrem „dźwiękowym” (nazywanym również nieliniowym lub logarytmicznym), a nie zwykłym potencjometrem liniowym (takim jak trymery stosowane w tej książce). W potencjometrach dźwiękowych rezystancja zmienia się logarytmicznie, co pasuje do charakterystyki rozpoznawania zmian siły dźwięku przez ucho człowieka. W obwodzie tym standardowy potencjometr liniowy działa w sposób możliwy do zaakceptowania. Zmiana pozycji potencjometru w stronę jednego końca zakresu nie powoduje prawie żadnej zmiany w głośności, ale taka sama zmiana w drugą stronę wywołuje dużą zmianę głośności. Chciałem zaoszczędzić miejsce, więc w obwodzie tym użyłem trymera, a ponieważ nie mogłem znaleźć trymera nieliniowego, wlutowałem zwykły — liniowy.

362 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Nasuch wartoci binarnych Trzecie wyprowadzenie potencjometru sterującego siłą dźwięku (R5) powinno być podłączone do masy, jak jest to pokazane na rysunku 18.1. Sterowanie głośnością działa tak jak podzielnik napięcia, powodując, że napięcie z wyjścia mikrokontrolera jest zmniejszane, zanim trafi do wzmacniacza dźwięku. Interesujący efekt występuje, gdy wyeliminujemy trymer sterujący siłą dźwięku (podłączając wyjście mikrokontrolera bezpośrednio do wejścia wzmacniacza) lub gdy nie podłączymy trzeciego złącza trymera do masy. Po włączeniu mikrokontrolera lub w czasie programowania albo debugowania mikrokontrolera na płytce programowania wyprowadzenie mikrokontrolera jest w stanie „wejściowym” (lub hi-z), a nie wyjściowym. Ponieważ wyprowadzenie wejściowe dźwięku tymczasowo nie jest podłączone do wyjścia, powoduje to pływanie stanu. Układ wzmacniacza dźwięku będzie wzmacniał ten szum elektryczny z kabla połączeniowego mikrokontrolera lub płytki programowania. Można wtedy usłyszeć dźwięki zbliżone do tych, które towarzyszą pracy modemu telefonicznego, generowane przez pracujące układy. Gdy trzecie wyprowadzenie potencjometru kontroli wzmocnienia jest podłączone do masy, wejście wzmacniacza jest również podłączone do masy, nawet jeżeli wyprowadzenie mikrokontrolera nie jest skonfigurowane jako wyjście. Pomiędzy wejściem wzmacniacza a masą występuje pewna rezystancja, ale działa ona jak opornik obniżający.

Zwikszanie gonoci W większości obwodów wejście wzmacniacza dźwięku jest podłączone do słabego sygnału, takiego jak sygnał demodulatora radiowego lub mikrofonu. Aby radzić sobie w ekstremalnych warunkach, układ LM386 ma ustawiony tryb wzmocnienia 200-krotnego zamiast domyślnego 20-krotnego. Tryb wysokiego wzmocnienia jest użyteczny, gdy wejście wzmacniacza dźwięku jest podłączone do mikrofonu nasłuchującego, na przykład dalekiego alarmu detektora dymu, jak w przypadku robota strażackiego, którego obwód jest pokazany na rysunku 8.6 w rozdziale 8. Dodatkowe wzmocnienie nie jest konieczne w robocie Rondo, ponieważ nawet mało efektowne 8 mA na wyjściu CMOS mikrokontrolera jest więcej niż wystarczające, aby był słyszalny silny, czysty dźwięk. Niemniej jednak zachowałem w tym robocie możliwość użycia 200-krotnego wzmocnienia poprzez przełącznik DIP SW1. Jak pamiętasz, przełączniki DIP to po prostu niewielkie przełączniki zamknięte w jednej obudowie. Zamiast wykorzystywać wszystkie przełączniki do konfiguracji, jeden przełącznik podłącza (lub odłącza) wyprowadzenie 1. układu LM386 do kondensatora 10 F, podłączonego również do wyprowadzenia 8. tego układu, co powoduje włączenie i wyłączenie funkcji 200-krotnego wzmocnienia. Normalnie mam ustawiony niski poziom wzmocnienia w robocie, aby nie przeszkadzać domownikom. Jednak jeżeli ktoś jest dość lekkomyślny i wejdzie do mojego „laboratorium”, przestawiam SW1, aby pokazać gościowi pełne możliwości robota Rondo. Następnie, gdy gość uzna, że ucieczka nie będzie niegrzeczna, przełączam ponownie SW1, aby przywrócić standardowy poziom wzmocnienia (standardowa głośność), bez zmiany precyzyjnego ustawienia trymera głośności.

Sterowanie głośnikiem W wielu aspektach wzmacniacz dźwięku realizuje te same funkcje co sterownik silnika. Pobiera on względnie słaby sygnał z mikrokontrolera i wzmacnia go do poziomu wymaganego przez urządzenie docelowe, niezależnie od tego, czy jest to głośnik, czy silnik. Zwróć uwagę, że na rysunku 18.1 układ wzmacniacza dźwięku otrzymuje napięcie niestabilizowane dostarczane do głośnika, tak samo jak układ sterownika silnika otrzymuje niestabilizowane napięcie dostarczane do silników.

Wybór gonika Najczęściej podawaną cechą głośnika jest jego impedancja (rezystancja). Do układu LM386 powinien być podłączony głośnik 8 . Odpowiedni mały głośnik 8  możesz pozyskać ze starego komputera lub innego urządzenia elektrycznego (lewa strona rysunku 18.2). Sprawdź, czy z tyłu głośnika znajduje się oznaczenie „8 ”.

363 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 18.2. Zwykły głośnik 8  wyjęty ze starego komputera (po lewej). Niewielki głośnik z obudową ochronną, przyklejony do kawałka plastiku przykręconego do obudowy (po prawej). Zwróć uwagę na kwadratowy trymer w prawym górnym narożniku, za pomocą którego regulujemy głośność Rondo korzysta ze zwartego głośnika w obudowie. Większość miniaturowych głośników jest narażona na fizyczne uszkodzenia w otwartym robocie. Jednak ten głośnik ma atrakcyjną obudowę ochronną (prawa strona rysunku 18.2). Aby robot nie był zbyt wysoki oraz aby uniknąć zajmowania zbyt dużo czasu na karcie rozszerzeń, głośnik został przyklejony do kawałka plastiku i przykręcony pod spodem, w tylnej części robota.

Wybór ukadu wzmacniacza dwiku zamiast prostego tranzystora W przeciwieństwie do zwykłych tranzystorów lub wzmacniaczy operacyjnych układ wzmacniacza dźwięku ma za zadanie nie tylko wzmacniać dźwięk, ale także jak najmniej go zniekształcać. Dodatkowo wzmacniacz dźwięku zapewnia ten sam poziom wzmocnienia dla większości słyszalnych częstotliwości. Dzięki temu różne nuty są odtwarzane z takim samym poziomem wzmocnienia dźwięku (na przykład średnie C i wyższe o półtorej oktawy F). Wzmacniacz dźwięku odfiltrowuje (odrzuca) tak dużo zakłóceń elektrycznych pochodzących z zasilania, jak jest to możliwe, nie wzmacniając ich. Wzmacniany jest zatem sam dźwięk, bez zakłóceń; w przeciwnym razie słyszelibyśmy syczenie. Zamiast korzystać z układu wzmacniacza dźwięku, możesz użyć tranzystora, a nawet układu sterownika silnika (tak podejrzewam) do sterowania głośnikiem. W rzeczywistości obwód z rysunku 9.6 działa akceptowalnie z głośnikiem zamiast silnika M1. Tracimy w ten sposób jakość dźwięku, ale zyskujemy prostotę i niski koszt. Zniekształcenia nie są zauważalne, gdy robot wydaje piski, ale mogą być zauważalne w przypadku digitalizowanych dźwięków lub wstępnie zapisanych głosów.

Podglądanie dźwięku Wykres prostokątnej fali dźwiękowej wytwarzanej przez mikrokontroler nie jest skomplikowany (rysunek 18.3). Możesz zauważyć, że wygląda podobnie jak fala prostokątna 38 kHz generowana przez układ 74AC14 (rozdziały 11. i 12.), dostarczana do emitera podczerwieni w układzie detektora odbicia podczerwieni. Jednak w tym przypadku prostokątna fala ma znacznie mniejszą częstotliwość, około 261 Hz, dzięki czemu może być słyszana przez ludzi. Poza tym sygnały te są identyczne.

364 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Rysunek 18.3. Prosta fala prostokątna { w zakresie słyszalnym (średnie C), generowana przez mikrokontroler i kierowana do wejścia wzmacniacza (po lewej). Wyjście układu LM386 steruje kondensatorem C2 w celu skonwertowania sygnału na cyfrowy | (pośrodku). Redukcja napięcia pomiędzy szczytami jest spowodowana przez kontrolę głośności. Atrybuty indukcyjne i elektromagnetyczne głośnika wpływają na końcowy kształt fali } (po prawej) Dźwięki wydobywane z instrumentów (a także ludzki głos) mają bardzo skomplikowany kształt fali, który składa się ze wzrostów, spadków i okresów bez zmian, jak również wielu częstotliwości. Jednak tony generowane przez mikrokontroler robota Rondo są czysto cyfrowe: nagłe włączenie i nagłe wyłączenie. Z tego powodu dźwięki generowane przez mikrokontroler brzmią sztucznie, podobnie jak dzwonek telefonu komórkowego lub grająca kartka z życzeniami. Mimo to dźwięki robota Rondo są bardziej niż wystarczające, aby ich użyć przy debugowaniu. Dodatkowo muzyka robota jest w miarę zabawna, nawet po dziesięciu odsłuchaniach. W razie potrzeby możesz przeznaczyć więcej mocy procesora oraz pamięci na utworzenie bardziej złożonych dźwięków.

Odtwarzanie nuty Listę częstotliwości nut można znaleźć w internecie. Skopiowałem do arkusza kalkulacyjnego częstotliwości zgodne z American Standard Pitch (dostępne pod adresem http://www.robotroom.com/IRBGoodies.html#FREQ), zastosowałem formułę do wyliczenia prawidłowych wartości numerycznych bazujących na częstotliwości zegara mikrokontrolera, a następnie wkleiłem wynikową tabelę do kodu źródłowego robota. Robot w czasie odtwarzania nut korzysta z tej tabeli w celu określenia częstotliwości zapisanej w formacie numerycznym.

Odtwarzanie muzyki Wprawdzie w dzieciństwie otrzymałem kilka lekcji gry na pianinie, ale pracę nad tą książką zaczynałem bez żadnej wiedzy na temat muzyki. Musiałem znaleźć sposób na przekształcenie zapisu nutowego kilku prostych melodii na postać zrozumiałą dla robota. Aby odtworzyć jedną nutę, robot musi znać tylko częstotliwość (wysokość dźwięku oraz oktawę) i czas odtwarzania. Aby powstała melodia, należy po prostu połączyć informacje o nutach z pauzami we właściwych momentach. Gdy robot kończy odtwarzanie pierwszej nuty przez wskazany czas, przechodzi do następnej, i proces się powtarza. Często się zdarza, że melodia jest w programie zdefiniowana jako ciąg tekstu, na przykład „4AQ 4GQ 4FQ 4GQ 4AQ 4AQ 4AH 4GQ 4GQ 4GH 4AQ 5CQ 5CH” dla „Mary Had a Little Lamb”. W tym przykładzie pierwsza cyfra w każdej sekwencji jest oktawą (od 1 do 8), litera określa wysokość nuty (od A do F), a ostatnia litera określa długość nuty (cała nuta, półnuta, ćwierćnuta itd.). Program wyszukuje wiersz tabeli dla oktawy, a następnie kolumnę dla wysokości dźwięku, odczytując w ten sposób częstotliwość. Litera określająca czas trwania jest przekształcana na zdefiniowany na stałe okres, na przykład jedna sekunda dla całej nuty.

365 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Możesz pobrać proste zapisy nutowe z sieci lub kupić w sklepie muzycznym podręcznik dla początkujących. Aby szybko określać wysokość i oktawę, wydrukowałem na folii ściągawkę, którą nakładam na zapis nutowy (rysunek 18.4). Po zapisaniu numeru oktawy i litery określającej wysokość dla każdej nuty wpisałem melodię do ciągu znaków w kodzie źródłowym. Gdy robot chce odtworzyć tę melodię, po prostu przekazuje ten ciąg do podprogramu odtwarzającego muzykę, który z kolei przekazuje kolejne nuty do podprogramu odtwarzającego nutę.

Rysunek 18.4. Przezroczysty szablon pozwala szybko odczytywać nuty z pięciolinii. Oczywiście możesz wydrukować ten szablon na zwykłym papierze, ale folia ułatwia zauważenie dodatkowych symboli umieszczanych przy nutach Początkowo napotkałem mały problem przy tym algorytmie odtwarzania melodii. Otóż po skończeniu jednej nuty algorytm natychmiast zaczynał kolejną. Z tego powodu jedna nuta od razu przechodziła w kolejną (legato), co powodowało, że brzmiało to nieco podobnie jak drunken jazz (nic nie ujmując twórcom tego rodzaju muzyki). Problem ten można łatwo rozwiązać — do podprogramu odtwarzania melodii trzeba dodać krótkie okresy ciszy (niski stan wyprowadzenia wyjściowego) pomiędzy nutami.

Odtwarzanie muzyki jednoczenie z innymi akcjami robota Rondo ma świetną cechę wpływającą na sposób odtwarzania muzyki. Może on jeździć po pomieszczeniu, wykonując swoje normalne zadania i jednocześnie odtwarzając muzykę. Niektóre roboty muszą zatrzymać wykonywaną akcję, odtworzyć melodię lub nutę, a następnie kontynuować jazdę. Wielozadaniowość robota Rondo wynika z możliwości sprzętowego generowania każdej nuty przez mikrokontroler. Wybrany przeze mnie układ mikrokontrolera ma wbudowany sprzętowy modulator szerokości impulsu (PWM). Modulator PWM otrzymuje jedną liczbę określającą częstotliwość, po czym stale przełącza wyjście ze stanu niskiego na wysoki, z zadaną częstotliwością, dopóki go nie zatrzymamy. Dzięki temu program robota musi tylko przekazać wartość częstotliwości do PWM, ustawić stoper na czas trwania nuty, a następnie wrócić do wykonywania reszty programu. Gdy stoper zostanie wyzerowany, procedura przerwania ustawi następną nutę, i tak dalej, aż do wyczerpania nut w ciągu. Możliwe jest również odtwarzanie nuty w czasie wykonywania innych zadań, bez wykorzystywania sprzętowego modulatora PWM. Jednak wymaga to częstszego wywoływania przerwań mikrokontrolera, aby procedura przerwania była wykonywana w momencie, gdy trzeba przełączyć stan wyjścia w celu wygenerowania właściwej częstotliwości. Jednak spowoduje to spadek szybkości działania programu robota. Ostatecznie jestem bardzo zadowolony z działania mojego modułu muzycznego. Powinien być budowany dla każdego robota.

366 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Skalowanie w gór Karta rozszerzeń robota Rondo znacznie zwiększyła jego możliwości. Jednak obudowa o średnicy 7 cm ogranicza liczbę dodatkowych funkcji i obwodów, jakie można na niej zamontować. Dlatego zdecydowałem się wykonać większą wersję robota, Rondo Pro, o średnicy 10 cm. Twój nauczyciel matematyki na pewno będzie z Ciebie dumny, gdy obliczysz, że zwiększenie średnicy z 7 cm do 10 cm, dwukrotnie zwiększy powierzchnię platformy robota. Wszystkie obwody opisane w tej książce działają równie dobrze w robocie Rondo Pro. Możesz więc od razu zdecydować się na zbudowanie większej obudowy zamiast mniejszej, opisanej w rozdziale 13.

Tworzenie podwójnej platformy Składając razem dwa kawałki plastiku w czasie skrawania i wiercenia, wykonałem dwie identyczne platformy Rondo Pro jednocześnie. Jednak zamiast budować dwa roboty, umieściłem jedną platformę nad drugą, przez co całkowita powierzchnia na płytki drukowane i akcesoria robota uległa podwojeniu (rysunek 18.5).

Rysunek 18.5. Obudowa Rondo Pro z dwoma platformami zapewnia dużo miejsca na części robota. Pakiety baterii, płytki z układami i sensory można zamontować pod i nad każdą z platform Aby nie zwiększać wagi robota, platformy zostały wykonane z termoplastycznego plastiku ABS o grubości 5 mm. ABS jest niedrogi, łatwy do obróbki, znacznie mniej kruchy niż akryl i zachowuje nacięte gwinty w przeciwieństwie do rozszerzającego się PCW. Płyty ABS o grubości 6 mm można kupić w sklepach internetowych w cenie 80 zł. Ponieważ czarny plastik o grubości 6 mm jest dosyć popularny, warto wcześniej sprawdzić na aukcjach internetowych (poszukaj „ABS 6 mm”), czy ktoś nie sprzedaje nieco taniej nadmiarowych arkuszy.

Ulepszone poruszanie się robota Aby robot nie musiał ślizgać się na główkach śrub, tak jak Rondo, nowa konstrukcja Rondo Pro została wyposażona w cztery koła nienapędzane. Zamontowałem dwa koła z przodu i dwa z tyłu — równoważą one napędzane koła LEGO znajdujące się pośrodku. Nienapędzane koła są wykonane z prętów teflonu (dolna część rysunków 18.5 i 18.6), przez środek których wywierciłem otwory na śruby pełniące funkcję osi. Koła te po prostu się ślizgają, gdy robot skręca w kierunku, w którym nie są one w stanie się obrócić.

367 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 18.6. Rzut boczny Rondo Pro ze śliskimi kołami z przodu i z tyłu

Zapewnienie odstępu między platformami za pomocą własnoręcznie wykonanych tulejek dystansowych Aby zwiększyć odstęp pomiędzy platformami, zwykle wstawia się pomiędzy nie tulejki dystansowe. Niestety, nawet najdłuższe podkładki śrub M3 nie zapewniają odpowiednio dużo miejsca. Przez chwilę myślałem o tubach po cukierkach M&M’s, podobnie jak w przypadku robota Kanapka, ale rozwiązanie to ogranicza mała dostępność bardzo długich śrub M3. Zamiast śrub M3 możesz użyć śrub o większej średnicy (np. 6 mm), ponieważ długie śruby o tej średnicy są łatwiej dostępne. Istnieje jeszcze jedna możliwość. Jeżeli wykonanie łączników silnika z prętów aluminiowych lub plastikowych, prezentowanych w pierwszych rozdziałach tej książki, nie sprawiało Ci trudności, możesz skorzystać ze swoich umiejętności i nawiercić w końcach prętów płytkie otwory i nagwintować je. W ten sposób możesz wykonać bardzo długie pręty dystansowe z różnych materiałów, które pozwalają na użycie bardzo krótkich (12 mm lub krótszych) śrub (rysunek 18.7).

Rysunek 18.7. Koniec pręta zamocowany w imadle pryzmatycznym w czasie wiercenia (po lewej). Gotowy pręt z wywierconymi i nagwintowanymi otworami na górze i na dole (po prawej)

368 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Aby wykonać bardzo długie pręty dystansowe, odetnij piłą lub pilarką elektryczną kilka kawałków pręta o zbliżonej długości. Po tej operacji końce prętów będą nierówne, więc nie będą pasować do równolegle umieszczonych platform. Dlatego użyj frezarki lub pilnika w celu wygładzenia i spłaszczenia końców prętów. Aby wycentrować pręt w czasie wiercenia, możesz użyć uchwytu opisanego w rozdziale 3. Nie musisz nadmiernie martwić się o wycentrowanie otworów, ponieważ pręty nie będą mocowane do obracającego się silnika. Jeżeli jednak otwory będą mocno przesunięte, pręt dystansowy się pochyli i nie będzie można dokręcić śrub do końca.

Szczeliny na koła Jeżeli przyjrzysz się konstrukcji robota Rondo, zauważysz, że koła wystają na boki. W czasie eksploracji koła i zębatki czasami zaczepiają o przeszkody. Aby ograniczyć ten problem, koła Rondo Pro znajdują się pomiędzy platformami i mają kontakt z podłożem poprzez szczeliny (rysunek 18.8).

Rysunek 18.8. Rondo Pro ma koła wystające poprzez szczeliny w platformach. Klocki LEGO { podtrzymują drugą stronę osi koła. Klocki są zamocowane do platformy dwoma śrubami Szczeliny na koła mają kilka zalet. Po pierwsze, taki projekt pozwala na umieszczenie jednej z platform pod silnikami i łącznikami. Dzięki temu w dolnej części robota znajduje się bardzo niewiele nieosłoniętych części, co redukuje ryzyko uszkodzenia silnika, przewodów, baterii i innych elementów przez przeszkodę. Po drugie, krawędzie platformy łatwiej prześlizgną się po przeszkodzie lub ścianie, jeżeli nie będzie w tym przeszkadzało koło.

Podparcie obu końców osi W Rondo Pro drugi koniec osi koła jest umieszczony w konstrukcji zapewniającej podparcie (patrz { na rysunku 18.8). W większych robotach podparcie osi chroni delikatną przekładnię przed przeciążeniami, wyginaniem lub złamaniem. Mniejsze i lżejsze roboty, takie jak standardowy robot Rondo, mogą mieć niepodparte osie. Na rysunku 18.9 pokazany jest układ napędowy Rondo Pro, widoczny po zdjęciu górnej platformy. Doskonale widać tu silnik, mocowanie silnika, łącznik LEGO (z rozdziałów od 2. do 4.), koło LEGO oraz klocek pełniący funkcję piasty.

369 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 18.9. Trzy zdjęcia silnika Rondo Pro, mocowania silnika, łącznika, koła oraz klocka LEGO pełniącego funkcję wspornika osi Choć na rysunku 18.9 układ napędowy wygląda na precyzyjny, niewielkie błędy w ustawieniu spowodowały konieczność poluzowania śrub mocujących klocek pełniący funkcję wspornika osi. Gdy siła zaciskająca jest zmniejszona, klocek ma możliwość niewielkiego poruszania się, co z kolei zmniejsza tarcie i zużycie. Wadą szczelin na koła jest brak możliwości prostego demontażu koła, ponieważ nie pozwalają na to brzegi szczeliny. Patrząc na rysunek 18.9, zwróć uwagę na dosyć długą oś umieszczoną pomiędzy łącznikiem a klockiem podpierającym i pomyśl, w jaki sposób można wymontować koło. Jedyną możliwą metodą demontażu koła jest odkręcenie silnika oraz klocka podpierającego i wyjęcie całego zestawu napędowego ze szczeliny.

Monta silników Przez ostatnie kilka lat widziałem wiele sposobów montażu silnika na korpusie robota; część z nich wypróbowałem. W robocie Kanapka zastosowałem chyba najprostszy montaż silnika — po prostu wywierciłem otwory w ścianach pudełka. Rondo posiada średnio skomplikowane uchwyty silników, choć ich właściwości techniczne są dosyć dobre. W następnych punktach przedstawię trzy inne sposoby montażu silników. Dodatkowo opiszę alternatywny łącznik LEGO dla silników z wałkami o małej średnicy.

Montaż z wykorzystaniem kątownika W Rondo Pro zastosowałem mój ulubiony sposób montażu silnika — z wykorzystaniem kawałka kątownika (rysunek 18.10). Kilka ruchów piłą oraz wywiercenie kilku otworów wystarcza, aby uzyskać precyzyjny i mocny uchwyt silnika.

Rysunek 18.10. Silnik przykręcony do kątownika aluminiowego, gotowy do przykręcenia do platformy robota

370 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Zakup ktownika aluminiowego Kątowniki mają przekrój w kształcie litery L (rysunek 18.11). Są wykonywane z aluminium, mosiądzu, stali, a nawet niektórych plastików. Aluminium jest prawdopodobnie najlepszym materiałem, ponieważ jest lekkie, niedrogie, łatwe w obróbce i odprowadza ciepło z silnika.

Rysunek 18.11. Kątownik aluminiowy. W zależności od sprzedawcy ściany mogą być nazywane nogami lub określane jako wysokość i głębokość albo wysokość i szerokość Niektórzy konstruktorzy robotów próbują zagiąć płaski arkusz aluminium, aby wykonać samodzielnie kątownik, ale rzadko udaje się uzyskać dokładny kąt prosty (90 stopni), a materiał może się uszkodzić. Jakość tych uchwytów silnika zależy od jakości kątownika, więc lepiej kupić kątownik, niż samodzielnie go wykonywać. Kątowniki aluminiowe są dostępne w sklepach budowlanych i tam się właśnie zaopatruję. Kątownik aluminiowy o grubości 2 mm i boku 25 mm kosztuje około 6 zł za metr. Taki sam kątownik aluminiowy anodowany kosztuje około 12 zł za metr. Można nawet dostać kątowniki o grubości 10 mm i o boku 10 cm. Jeżeli planujesz gwintować otwory na śruby, wybierz grubszy kątownik, na przykład 6 mm. Jeżeli planujesz nagwintować otwory w platformie robota lub zastosować nakrętkę, to możesz użyć cieńszego materiału, który będzie łatwiejszy w obróbce i będzie mniej ważył.

Przygotowanie ktownika o odpowiedniej dugoci Po zamocowaniu kątownika w imadle odetnij piłą ręczną (lub lepiej piłą taśmową) kawałki o długości odpowiedniej dla silników. Spójrz na lewą stronę rysunku 18.9 i zwróć uwagę, że po obu stronach silnika musi być pozostawione miejsce na śruby mocowania do platformy. Odcięte kawałki przeznaczone na uchwyty mogą się nieco różnić, a ich końce mogą być nierówne i poszarpane. Na szczęście ani długość, ani zadziory nie wpływają na ostateczną dokładność montażu silnika. Jednak na pewno nie chcesz skaleczyć się w rękę ani przeciąć przewodów o ostre brzegi, więc użyj frezarki, pilnika lub papieru ściernego do wyrównania brzegów (rysunek 18.12).

371 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 18.12. Odcięte końce mogą być nierówne (po lewej). Choć dla wydajności silnika nie jest to konieczne, możesz wyrównać ostre brzegi kątownika frezarką (pośrodku) lub wygładzić je papierem ściernym bądź pilnikiem (po prawej)

Wiercenie otworów przy uyciu szablonu Podobnie jak w przypadku innych elementów korpusu, wygenerowany na komputerze szablon (rysunek 18.13) pomaga w dokładnym wywierceniu otworów w uchwytach silników. Spróbuj zaopatrzyć się w specyfikację producenta silnika, aby określić dokładne położenie otworów montażowych. Wywierć te otwory w jednej ścianie kątownika, co pozwoli przykręcić do niego silnik.

Rysunek 18.13. Przyklejanie szablonów papierowych pomagających przy wierceniu. (Ups! Żaden z kawałków taśmy nie trzyma płasko szablonu na powierzchni materiału. Muszę dobrze przykleić szablony, aby otwory były wywiercone dokładnie) Dolna część uchwytu silnika powinna mieć wykonane przynajmniej dwa otwory, które pozwolą na zamontowanie uchwytu na platformie robota lub na jego korpusie. W przypadku mocniejszych silników lepiej wywiercić cztery otwory. Nie zapomnij też wywiercić centralnego otworu na wałek silnika. 372 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Pozostawienie luzu przez wiercenie odpowiednio duych, niegwintowanych otworów W czasie budowania układu napędowego nieuniknione jest popełnianie niewielkich błędów, spowodowanych niedokładnościami przy wierceniu oraz tolerancjami poszczególnych części. Choć użycie gotowego kątownika pozwala od razu uniknąć niektórych błędów, to jednak nadal mogą wystąpić problemy z nieprawidłową odległością od koła lub przekładni, brak równoległości lub złe wycentrowanie wałka, co powoduje, że jest on umieszczony niedokładnie w środku koła lub zębatki. Mądrze jest zatem wykonywać uchwyty silników tak, aby były możliwe korekty. Wszystkie otwory na śruby powinny być niegwintowane i wywiercone z pewnym zapasem. Śruby silnika oraz korpusu mają przechodzić przez uchwyt silnika i być wkręcone odpowiednio w silnik i platformę robota, w sposób pokazany na rysunku 5.20 w rozdziale 5. Taki układ pozwala na przesuwanie silnika i uchwytu w celu skorygowania błędów. Po znalezieniu optymalnej pozycji wystarczy dokręcić śruby. Dodatkowo taki montaż pozwala na stosowanie podkładek metalowych i gumowych pomiędzy uchwytem i silnikiem oraz pomiędzy uchwytem i platformą. Jest to przydatne przy korekcie wysokości lub odległości, a oprócz tego dodany materiał może absorbować wibracje i uderzenia. Ekstremalnym przykładem takiej konstrukcji jest wstawienie sprężyn pomiędzy korpusem robota a uchwytem silnika.

Oszczędzanie miejsca przez użycie przekładni prostopadłej Myślę, że najlepszą metodą budowania uchwytów silników jest zastosowanie kątownika. Jednak istnieją konstrukcje, w których odpowiednie będą inne rodzaje uchwytów. Hard2C, robot minisumo, posiada dosyć niezwykły uchwyt silników. Uchwyt ten jest zaprojektowany w taki sposób, aby zmniejszyć szerokość robota, co jest ważne, ponieważ wymiary robotów sumo są ograniczone.

Wycicie i szczelina W pojedynczym kawałku aluminium są wywiercone otwory na silniki oraz śruby mocujące. Zastosowanie jednego płaskiego kawałka gwarantuje, że silniki będą względem siebie równoległe. Pośrodku kawałka aluminium wykonane jest wycięcie (rysunek 18.14). Szerokość wycięcia odpowiada szerokości bloczka plastiku. W tym plastikowym bloczku wykonana jest szczelina, więc elementy te pasują do siebie. W pewnym stopniu przypomina to budowę szybowca z drewna balsa.

Rysunek 18.14. Pojedynczy kawałek aluminium z przykręconymi silnikami (a następnie nałożonymi zębatkami) ma wycięcie, które pasuje do szczeliny w bloku plastiku

373 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Monta osi kó Do plastikowego bloczka wsuwamy element aluminiowy; w otwory wywiercone w bloczku wsuwamy osie wraz z kołami i zębatkami (rysunek 18.15). Wycięcie i otwór na oś powinny być wykonane względnie precyzyjnie, aby zębatki do siebie pasowały. Ponieważ koła i zębatki są wciskane na osie LEGO, mogą być w pewnym stopniu regulowane, aby zwiększyć lub zmniejszyć luz na zębatkach.

Rysunek 18.15. Montaż osi w bloczku w taki sposób, aby zęby przekładni do siebie pasowały

Zmniejszanie tarcia Aby zmniejszyć straty powodowane przez tarcie, w Hard2C użyłem miniaturowych łożysk kulkowych podpierających obie strony każdej z osi. Okazało się to ostatecznie pomyłką. Osie nie były w stanie poruszyć łożyska. Środkowy bloczek jest wykonany z nylonu, a oś LEGO z polipropylenu — oba te materiały są dosyć śliskie. Oś ślizgałaby się lepiej w samym otworze w bloczku niż w łożysku ze stali nierdzewnej.

Monta ukadu napdowego w obudowie robota Ten uchwyt silnika { oraz cały układ napędowy działa bardzo dobrze w ograniczonej przestrzeni robota sumo (rysunek 18.16). Jest tu miejsce na dwie baterie 9 V | i stabilizator napięcia pomiędzy silnikami ~. Na rysunku 18.16 zaprezentowane jest zdjęcie robota od spodu. Widać na nim pozwalające wykrywać brzeg ringu sumo sensory podłogi ~, które są zamocowane na brzegu pokrywy robota.

Adaptacja wałka silnika o małej średnicy oraz zintegrowany uchwyt zgodny ze standardami LEGO Ostatni przedstawiany uchwyt silnika korzysta ze specyficznych cech silnika z przekładnią, wyprodukowanego przez Nihon Mini-Motor Company. Te popularne silniki z przekładniami pojawiają się od czasu do czasu w sklepie B.G. Micro (http://www.bgmicro.com/) jako elementy zestawów soczewek do projektorów. Jeżeli kupisz cały zestaw, silnik będzie zamontowany do kilku zewnętrznych zębatek (lewa strona rysunku 18.17), które można łatwo wymontować (wyciągnij zębatki i odkręć obudowę silnika).

374 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Rysunek 18.16. Układ napędowy zamontowany w Hard2C

Rysunek 18.17. Silnik Nihon z przekładnią, zewnętrznymi zębatkami, sprzęgłem ślizgowym i innymi elementami (po lewej). Silnik po demontażu zewnętrznych elementów (po prawej)

Modyfikacja waka silnika z przekadni Teraz umieść kołek z osią LEGO na wałku przekładni silnika (zerknij na rysunek 18.20). W zależności od silnika Nihon jego wałek najprawdopodobniej będzie wymagał niewielkich zmian, aby zapewnić dobre dopasowanie. Za pomocą narzędzia Dremel z tarczą tnącą przytnij wałek do długości nie większej niż 6,75 mm, jak jest to pokazane na rysunku 18.18. Możesz to sprawdzić, wsuwając wałek na sworzeń osi. Upewnij się, że część wałka o małej średnicy w całości mieści się w łączniku.

375 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 18.18. Specyfikacja wałka silnika Nihon z przekładnią po modyfikacji polegającej na zmniejszeniu długości i średnicy wałka

Piowanie waka Po skróceniu cienkiej części wałka spiłuj część o większej średnicy aż do uzyskania około 4,8 mm (rysunek 18.18). Sprawdź dopasowanie przez wsunięcie mosiężnej rurki teleskopowej o średnicy 5,5 mm (ścianki o grubości 0,45 mm) na oś. Pierwsza część osi, o większej średnicy, powinna pasować do mosiężnej rurki. Rurka ta jest identyczna z opisaną w rozdziale 2. tej książki, wykorzystywaną do wykonania łączników teleskopowych, których pełny opis znajduje się w książce Budowa robotów dla początkujących (Helion 2012). Aby spiłować wałek, użyłem kamienia szlifierskiego z tlenku aluminium zamocowanego w urządzeniu Dremel, natomiast silnik umieściłem w imadle (rysunek 18.19). Aby równo zeszlifować wałek, podłączyłem silnik do baterii.

Rysunek 18.19. Szlifowanie szerokiej części wałka przy użyciu kamienia szlifierskiego. Silnik jest podłączony do akumulatorka 9 V (dającego około 7,2 V), aby wałek obracał się w czasie szlifowania, co zapewnia równe zmniejszenie średnicy. W procesie szlifowania powstają spektakularne iskry

Monta rurki Wałek silnika oraz kołek z osią LEGO są wsunięte do rurki mosiężnej o średnicy 5,5 mm (rysunek 18.20), dzięki której łącznik jest mocny, części są ustawione równolegle, a klej epoksydowy nie wycieka w czasie klejenia. Za pomocą tarczy odetnij kawałek rurki o długości 9 mm. Jeżeli wolisz korzystać z piły ręcznej lub innego narzędzia, w czasie cięcia umieść pod rurką kawałek drewna, dzięki któremu ścianki rurki nie zagną się ani nie zapadną.

376 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Rysunek 18.20. Adaptacja wałka silnika Nihon do standardów LEGO przez nałożenie na niego kawałka mosiężnej rurki i kołka z osią LEGO. Połączenie jest trwałe dzięki wypełnieniu go klejem epoksydowym Po odcięciu rurki o odpowiedniej długości wyszlifuj jej brzegi. Następnie, przed wypełnieniem wszystkiego klejem epoksydowym, sprawdź, czy części do siebie pasują. Do klejenia może być przydatny uchwyt z teflonu, taki jak opisany pod koniec rozdziału 5. Dzięki uchwytowi części będą ustawione w prawidłowy sposób. Ponieważ kołek z osią luźno wchodzi na wałek silnika przed klejeniem, po zastygnięciu kleju może on być ustawiony pod kątem, co spowoduje przesunięcie kątowe dołączonego koła lub zębatki. W przeciwieństwie do innych łączników pokazanych w książce ten nie potrzebuje śruby ustalającej. Po zastygnięciu kleju nie możesz więc zdjąć tego łącznika z wałka silnika bez zastosowania destrukcyjnych metod.

Doczanie silnika z cznikiem z kokiem Materiał o szerokości 5 – 6 mm jest wystarczająco gruby, aby pewnie zatrzasnąć w nim jedną stronę łącznika kołkowego LEGO (rysunek 18.21). Cieńszy element prawdopodobnie też zda egzamin, jeżeli otwory będą wystarczająco ciasne, aby pewnie trzymać kołki; w przeciwnym razie zamontowany silnik będzie się ślizgał i chwiał w czasie pracy.

Rysunek 18.21. Otwory wywiercone w kawałku PCW pasują do kołków LEGO. Plastikowy element jest przykręcony do płytki montażowej silnika Nihon. Kołki LEGO są ustawione tak, aby połączyć całą konstrukcję z klockiem LEGO Technic

377 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Wywierć otwory o średnicy 5 mm (możesz użyć wiertła o średnicy 6 mm, jeżeli uznasz, że otwory są zbyt ciasne) w elemencie montażowym w odległościach takich samych jak w klocku LEGO Technic. Choć ja wywierciłem pięć otworów wokół otworu na wałek silnika z łącznikiem, Ty możesz wybrać inny układ lub lokalizację, w zależności od tego, jak i gdzie chcesz przymocować silnik do klocka LEGO. Możesz również wywiercić kilka otworów na małe śruby, które przymocują silnik Nihon do grubszego elementu montażowego. Początkowo chciałem nagwintować grubszy element montażowy i wkręcić śruby od strony silnika. Jednak z powodu niewielkiej odległości między otworami mocowanie z wykorzystaniem śrub i nakrętek wydaje się bezpieczniejsze. Nie jest niespodzianką to, że taki uchwyt silnika służy do dołączenia silnika do obudowy bazującej na klockach LEGO. Ten uchwyt silnika oraz silnik zostały zainstalowane w robocie Beztroski, opisanym w następnym punkcie.

Eksploracja terenów nasonecznionych Beztroski (rysunek 18.22) jest robotem, w którym eksperymentowałem z połączeniem mikrokontrolera z niestabilizowanym źródłem niskiego napięcia, takim jak panel słoneczny. Robot porusza się po jasno oświetlonym pokoju albo na płaskiej powierzchni na zewnątrz budynku, na przykład na patio lub drodze. Wykrywa ściany i przeszkody sensorami kontaktu fizycznego (wąsy i przełączniki dotykowe), ponieważ emitery podczerwieni nie są tak jasne, aby można było wykrywać ich odbicia w świetle słonecznym. Za pośrednictwem pary fotorezystorów z siarczku kadmu robot poszukuje światła dla swoich paneli słonecznych; wędrując po okolicy, zwykle unika pułapek.

Rysunek 18.22. Beztroski posiada dwa panele słoneczne i dwa długie wąsy. Płyta główna jest przykręcona do lekkiego szkieletu z klocków LEGO

Wybór kół do płynnej jazdy Beztroski ma cztery koła LEGO — dwa puste, plastikowe koła przednie o rozmiarze 30,4 na 14 VR oraz dwa koła z oponami gumowymi również o rozmiarze 30,4 na 14 VR (rysunek 18.23). Z racji niewielkiej średnicy kół robot porusza się nisko, wolno, ale osiąga nieco większy moment obrotowy, co wydaje się odpowiednie dla jego podróży za słońcem.

378 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Rysunek 18.23. Śliskie koła przednie (po lewej) i przyczepne koła tylne (po prawej) Nienapędzane gładkie i śliskie koła przednie sprawdzają się świetnie. Roboty zazwyczaj są wyposażone w płaskie kawałki plastiku lub złożone wielokierunkowe kule, na których mogą się ślizgać. Użyte tu koła są cienkie i puste w środku, dzięki czemu są niezwykle lekkie. Kręcą się przy ruchu do przodu, a przy skręcaniu ślizgają się. Zalecam wypróbowanie takiego rozwiązania w mniejszych robotach. W przeciwieństwie do kół przednich tylne mają gumowe opony, które zapewniają dużą przyczepność. Ponieważ silniki robota napędzają koła tylne, ważne jest, aby miały one dobrą trakcję.

Wykrywanie przeszkód Beztroski ma sześć sensorów przeszkód — dwa przełączniki dźwigniowe (przedni i dolny wykrywający podłogę), dwa sprężynowe wąsy i dwa fotorezystory siarczkowo-kadmowe (rysunek 18.24). Zgadnij, które są najefektywniejsze przy wykrywaniu przeszkód. To zaskakujące. Zachęcam do lektury!

Rysunek 18.24. Fotorezystory siarczkowo-kadmowe ({ i |), sensory wąsów (} i ~), przedni przełącznik dźwigniowy  oraz przełącznik dźwigniowy wykrywający podłogę (pod spodem, niepokazany)

379 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Szukanie wiata i wykrywanie cieni Zastosowane w robocie Beztroski fotorezystory z siarczku kadmu są podłączone do dzielników napięcia (w sposób przedstawiony w rozdziale 7.), które są połączone z wejściami analogowymi mikrokontrolera. Podstawowym zastosowaniem fotorezystorów jest kierowanie robota do źródeł światła w celu naładowania paneli słonecznych. Co dziwne, fotorezystory są dosyć efektywne przy omijaniu przeszkód przez robota, dzięki wykrywaniu cieni.

Dotykanie okolicy wsami Wąsy są wykonane ze sprężyn stalowych. Sprężyny te niemal uginają się pod obciążeniem własnej masy. Są prawie proste na odcinku 6 cm. Łatwo skręcają się i zginają pod dodatkowym obciążeniem, ale szybko prostują się po jego ustąpieniu. Jeżeli sprężyna taka zostanie zgięta z odpowiednio dużą siłą, zagięcie będzie trwałe. Trwałe zagięcia można wykonać dosyć łatwo ręką lub jakimś narzędziem, ale robot ma tylko ułamek potrzebnej do tego siły, więc nie trzeba się obawiać, że zagięcia takie będą powstawać przypadkowo.

Uycie spryn Wykonując sensory dotykowe ze sprężyn, warto skorzystać z następujących wskazówek: 1. Nie tnij sprężyn zwykłymi kleszczami do przewodów, ponieważ można uszkodzić szczęki kleszczy. Po zamocowaniu sprężyny w imadle użyj kleszczy do grubszego drutu. Oczywiście, większe szczypce przegubowe do cięcia prętów nie będą miały problemów z przecięciem sprężyn. 2. Ponieważ sprężyny te są długie, łatwo odprowadzają ciepło, przez co są trudne do lutowania. Wąsy są naprawdę trudne do lutowania! Na witrynie Solarbotics sugerowane jest użycie spoiwa ze stopów srebra oraz lutownicy dającej wysoką temperaturę. Warto również nieco zarysować metal papierem ściernym lub pilnikiem. Po wielu nieudanych próbach udało mi się przymocować wąsy do płytki przez przylutowanie trzymającej je pętli z nieizolowanego przewodu (rysunek 18.25).

Rysunek 18.25. Wąs jest wykonany ze sprężyny stalowej, umieszczonej w otworze na płytce drukowanej {, sprężyna jest mocowana za pomocą pętli drucianej | i przechodzi przez środek 4-pinowego złącza z usuniętymi dwoma środkowymi wyprowadzeniami } Wąsy robota Beztroski opierają się o izolującą część 4-pinowego złącza, z którego usunąłem dwa środkowe wyprowadzenia (co dało zbyt szeroką szczelinę). Konstrukcja ta jest podobna do słupków bramki. Założenie jest takie, że gdy sprężyny się o coś oprą, wąsy dotkną metalowych wyprowadzeń złącza, tworząc obwód elektryczny, podobnie jak w przypadku przełącznika.

380 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Niestety, sprężyny mają tendencję do bardzo łatwego wyginania się i skręcania, robot musi zatem naprawdę mocno o coś się oprzeć, aby uzyskały one kontakt z wyprowadzeniami. Czasami wąsy tylko prześlizgują się po przeszkodzie, gdy robot Beztroski zmienia kierunek. Przy ruchu do przodu wąs może tak zagiąć się w tył, że zostanie zauważony kontakt pomimo tego, że robot ma otwartą drogę (rysunek 18.26).

Rysunek 18.26. Lewy wąs robota Beztroski zagięty do tyłu przez przeszkodę znajdującą się po lewej stronie. Robot ma z przodu wolną drogę, ale gdy próbuje ruszyć w tym kierunku, wąs informuje o kontakcie Zamiast korzystać z wąsów ze złączem 4-pinowym, spróbuj przepuścić sprężynę przez środek rurki metalowej (podobnej do używanej w teleskopowych łącznikach silnika) lub przez wąską metalową pętlę. Choć jestem pod wrażeniem działania tych sprężyn, to wąsy w moim wykonaniu pozostawiają wiele do życzenia. Robot Beztroski niemal nigdy nie wykrył przeszkody za ich pośrednictwem. Jednak mają one pewną wartość — nie przy wykrywaniu przeszkód, ale przy ich unikaniu. Wąsy mogą delikatnie odpychać robota od przeszkód i ścian. Podobnie działa człowiek, który stojąc w łódce, odpycha się wiosłem od brzegu.

Przeczniki dwigniowe Robot Beztroski posiada dwa przełączniki dźwigniowe podłączone do korpusu, pozwalające na wykrywanie przeszkód. Jeden przełącznik znajduje się z przodu, a drugi pod spodem robota.

Montaż sensorów na przełącznikach dźwigniowych Przełączniki są przyklejone do klocków LEGO (rysunek 18.27) klejem cyjanoakrylowym. Klej ten nadaje się do łączenia większości części LEGO. Zwykle unikam przyklejania czegokolwiek na stałe do korpusu robota. Jednak przykręcanie przełączników do klocków LEGO wydaje się dziwne, ponieważ klocki z założenia są łatwe w demontażu, ponadto są powszechnie dostępne, więc mogą być wymienione wraz z przełącznikami, jeżeli jest to potrzebne.

381 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Rysunek 18.27. Dwa przełączniki dźwigniowe przyklejone do korpusu robota. Jeden przełącznik jest skierowany w dół {, aby wykrywać kontakt z podłożem. Drugi przełącznik jest skierowany do przodu |, aby wykrywać kolizje z przodu Przełącznik przedni, który normalnie nie jest naciśnięty (normalnie otwarty), wykrywa kolizje z obiektami, które na niego naciskają. Niestety, cienki słupek, taki jak noga stołu lub krzesła, może pozostać niewykryty, jeżeli trafi pomiędzy przełącznik a przednie koło. Przymocowanie patyczka z lizaka lub innego płaskiego obiektu do przedniego przełącznika zapewni większy obszar wykrywania. Jednak widziałem już niejeden zderzak oderwany od robota z powodu zaczepienia o brzeg obiektu, gdy robot cofał się lub skręcał. W końcu okazało się, że sam przełącznik przedniego zderzaka, zastosowany w robocie Beztroski, jest bardzo nieefektywny.

Wykrywanie unoszenia robota Drugi przełącznik, skierowany w dół, jest normalnie wciśnięty — przyciśnięty przez robota do podłogi. Przełącznik ten ma zamocowaną niewielką rolkę, która redukuje tarcie oraz zużycie dźwigni podczas ruchu robota. Ponieważ jest to robot solarny bez wyłącznika, przełącznik wykrywający podłogę miał początkowo wyłączać robota po jego podniesieniu. Jednak w czasie testów robot regularnie wyłączał się, gdy wjeżdżał na przeszkodę, która powodowała podniesienie jego przedniej części. Funkcja wykrywania podniesienia szybko okazała się najlepszym sposobem unikania przeszkód. Po zmianie programu w mikrokontrolerze robot wycofywał się i skręcał za każdym razem, gdy przełącznik wykrył podniesienie. Przełącznik dźwigniowy wykrywający podłogę okazał się efektywniejszym sposobem wykrywania przeszkód niż pozostałe sensory (rysunek 18.28).

Chwilowe wejcie w buty robota Zawsze chciałem zamontować na robocie kamerę wideo, aby mógł naprawdę „widzieć”. Niestety, wymagana moc obliczeniowa przekracza możliwości większości mikrokontrolerów. Istnieje sposób na popatrzenie na świat z punktu widzenia robota, ale jest to tylko zabawa, a nie prawdziwy elektroniczny wzrok robota.

382 Ebookpoint.pl

ROZDZIA 18. „ GOTUJEMY GULASZ Z ROBOTA

Rysunek 18.28. Robot Beztroski początkowo nie był w stanie wykryć nogi potwora znajdującej się pomiędzy przełącznikiem a kołem. Wąsy są również bezużyteczne w tym przykładzie. Na szczęście przełącznik dźwigniowy pod robotem wykrył, że przód robota wjechał na stopę potwora i się podniósł. Pozwoliło to na wycofanie się robota do momentu odzyskania kontaktu z podłożem i zmianę kierunku jazdy. Dobrze, że Beztroski ma napęd na tylne koła!

Dodanie do robota bezprzewodowej kamery wideo Kompletny system bezprzewodowej kamery można dostać za mniej niż 200 zł na wielu aukcjach internetowych (poszukaj frazy „kamera bezprzewodowa”). Odbiornik posiada standardowe złącza RCA, pozwalające na podłączenie go do telewizora. Transmiter i antena są umieszczone w samej kamerze (rysunek 18.29), dzięki czemu ma ona zwartą budowę.

Rysunek 18.29. Robot Rondo wyposażony w kolorową kamerę CCTV-2400TRX/C161 z mikrofonem i zintegrowanym transmiterem 2,4 GHz. Dostępne są również mniejsze mikrokamery Robot musi tylko mieć miejsce do bezpiecznego zamocowania kamery oraz wystarczająco dużo prądu (270 mA przy 9 V). Na krótki czas wystarczy bateria 9 V (niewykorzystywana do zasilania robota).

383 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Eksploracja pomieszczeń z bezprzewodowym wideo Możliwość zobaczenia tego, co „widzi” robot, daje wiele radości. W przypadku robota sumo jest to przebój! Jeśli chodzi o bardziej praktyczną stronę tego przedsięwzięcia — niektóre z decyzji robota nie wydają się tak dziwne, gdy patrzymy na to, co robi, z jego poziomu. Wcześniej nie zdawałem sobie sprawy z konsekwencji istnienia otworów wentylacyjnych w podłodze, listew przyściennych oraz wiszących u góry mebli. Nie będziesz wiedział, jak wpływa nierówny teren na sensory, jeżeli sam nie poczujesz przechyłów i wstrząsów. Możesz ustawić kamerę tak, aby przekazywany przez nią obraz obejmował małe kolorowe diody LED, dzięki czemu w telewizorze będą widoczne informacje diagnostyczne. Będzie to łatwiejsze, gdy będziesz od początku projektował robota z miejscem na kamerę. Moja kamera ma wbudowany mikrofon, co naprawdę poprawia przekaz. Słychać szum silników oraz dźwięki uderzeń robota w przeszkody. Muzyka i dźwięki odtwarzane przez robota nie zanikają w oddali, ponieważ mikrofon kamery znajduje się blisko głośnika.

Spojrzenie na siebie w bezprzewodowym wideo Gdy montowałem kamerę bezprzewodową, nasunęła mi się myśl, że być może następnym razem, gdy będziesz rozmyślał nad robotem, on będzie myślał o Tobie! Spójrz na rysunek 18.30.

Rysunek 18.30. Autor manipulujący przy robocie wyposażonym w kamerę

Dzikuj Dziękuję Ci, że zechciałeś spędzić parę wieczorów w moim domowym laboratorium. Mam nadzieję, że książka ta nasunęła Ci kilka ekscytujących pomysłów lub zasugerowała nowe techniki i zastosowania różnych części. Dzielenie się swoimi osiągnięciami z kolegami po fachu jest niezwykle przyjemnym doświadczeniem.

384 Ebookpoint.pl

DODATEK „„„

róda internetowe

Dodatek ten zawiera hiperłącza do witryn internetowych, w których możesz znaleźć więcej informacji na temat budowy robotów. W niektórych z tych hiperłączy jest rozróżniana wielkość liter. Pamiętaj, aby wpisać adres dokładnie tak, jak jest zamieszczony w tym dodatku. W tabeli A.1 znajdują się łącza do mojej witryny, w tabeli A.2 łącza do witryn z gotowymi robotami i częściami do robotów, w tabeli A.3 są wymienione łącza do witryn poświęconych klockom LEGO, tabela A.4 zawiera łącza do witryn zajmujących się narzędziami i materiałami, w tabeli A.5 są adresy firm sprzedających części elektroniczne, tabela A.6 zawiera adresy producentów, a w tabeli A.7 zamieszczone są łącza do pozostałych przydatnych stron. Tabela A.1. Witryna WWW autora Robot Room

http://www.robotroom.com/

Errata, aktualizacje, zasoby powiązane z tą książką

http://www.robotroom.com/IRBGoodies.html

Arkusz z nutami

http://www.robotroom.com/IRBGoodies.html#FREQ

Płytki drukowane

http://www.robotroom.com/PCB.html

Zasady i przewodnik dla robotów sumo

http://www.robotroom.com/SumoRules.html

Kod źródłowy robota Rondo

http://www.robotroom.com/IRBGoodies.html#SOURCE

Płytki drukowane robota Rondo

http://www.robotroom.com/IRBGoodies.html#PCBs

Kanapka, robot podążający za linią

http://www.robotroom.com/Sandwich.html

Tabela A.2. Komercyjne roboty i części robotów

Ebookpoint.pl

Mark III

http://www.junun.org/MarkIII/Store.jsp

Parallax

http://www.parallax.com/

Solarbotics

http://www.solarbotics.com/

SparkFun

http://www.sparkfun.com/

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

Tabela A.3. Łącza dotyczące klocków LEGO Bricklink LEGO MINDSTORMS Steve Hassenplug

http://www.bricklink.com/ http://mindstorms.lego.com/ http://www.teamhassenplug.org/

Tabela A.4. Narzędzia i materiały Fastener Express Little Machine Shop McMaster-Carr Micro Fasteners Micro-Mark MSC Industrial Supply Online Metals Small Parts U.S. Plastic Corp.

http://www.fastener-express.com/ http://www.littlemachineshop.com/ http://www.mcmaster.com/ http://www.microfasteners.com/ http://www.micromark.com/ http://www.mscdirect.com/ http://www.onlinemetals.com/ http://www.smallparts.com/ http://www.usplastic.com/

Tabela A.5. Detaliczni sprzedawcy części elektronicznych All Electronics B.G. Micro Digi-Key Electronic Goldmine Electronix Express Jameco Electronics Marlin P. Jones Mouser Electronics

http://www.allelectronics.com/ http://www.bgmicro.com/ http://www.digikey.com/ http://www.goldmine-elec.com/ http://www.elexp.com/ http://www.jameco.com/ http://www.mpja.com/ http://www.mouser.com/

Tabela A.6. Producenci Atmel Bourns Dremel International Rectifier IXYS Maxim Microchip Texas Advanced Optoelectronic Solutions Texas Instruments Tyco/Raychem

http://www.atmel.com/ http://www.bourns.com/ http://www.dremel.com/ http://www.irf.com/ http://www.ixys.com/ http://www.maxim-ic.com/ http://www.microchip.com/ http://www.taosinc.com/ http://www.ti.com/ http://www.circuitprotection.com/

Tabela A.7. Pozostałe Roboty BEAM ChiBots 386

Ebookpoint.pl

http://www.solarbotics.net/ http://www.chibots.org/

Skorowidz A akryl, 34 aktualizacje, 20 akumulator 12 V, 126 akumulatory niklowo-wodorkowe, 125 algorytm podążania za linią, 355–357

B badanie minimalnego napięcia wejściowego, 117 bateria, 125, 137 bezpieczeństwo, 20 bezpiecznik automatyczny, 138 polimerowy, 139 PPTC, 134, 139–141 topikowy, 138 bezprzewodowe wideo, 384 bicie, 57 blokada głębokości, 52 błędy logiczne, 148 bramka logiczna, 89, 177 budowa detektora, 222 mostka H, 188 obwodu dźwiękowego, 362 obwodu sterownika silnika, 183 platformy, 255 robota Rondo, 241–272 zasilacza, 111

Ebookpoint.pl

C cechy stabilizatorów, 122 sterownika, 148 centrowanie kół, 259 otworów, 35 piasty, 84 wiertła, 60, 270 cięcie aluminium, 46, 73 cyfrowy światłomierz, 345 czas ładowania kondensatora, 133 wyłączania, 132 części mechaniczne, 27 czułość fotorezystora, 346

D detektor podczerwieni, 214, 229–236 Patrz także układ PNA4602M ograniczenia, 236 zasięg, 238 detektor podwójny, 223 diagnozowanie problemów, 234 diagram połączeń, 89 dioda dwukolorowa, 218, 219 gasząca, flyback, 156 IR, 95 LED, 95, 152 matowana, 102 podczerwieni, 224 podczerwieni standardowa, 231

Schottky’ego 1N5817, 143, 156, 185 Zenera, 142–145 długość fali, 223 dobór bezpieczników PPTC, 141 kondensatorów, 225 kondensatorów blokujących, 137 kondensatorów buforowych, 133 tranzystorów mocy MOSFET, 191 wartości rezystora, 180 dogrzewanie końcówek, 326 dopasowanie częstotliwości, 235 dostrajanie detektora, 229, 278 dyski adaptera piasty, 72 dzielnik napięcia, 342–344

E efektywność sterownika, 210, 211 eksploracja pomieszczeń, 384 eliminowanie odbić, 335, 337 przebić, 188 emiter, 230

F fala 38 kHz, 216, 221 fałszywe impulsy, 226 fotodioda, 348 fotorezystor, 341 badanie rozbieżności, 347 obliczanie czułości, 346 obliczanie rezystancji, 346 określanie rozrzutu, 347

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

fototranzystor, 216 frezarka, 24 frezarka MicroLux, 25 frezowanie, 47, 75, 78, 255, 354 funkcje mikrokontrolerów, 302

G generator PWM, 338 generowanie muzyki, 338, 361 sygnału zegarowego, 313 głębokość otworu, 51 głośność, 363 gniazda dla układu 74AC14, 322 gniazdo DIP, 321 gwintowanie, 48, 59–62, 255, 271 gwintownik wstępny, 61 zwykły, 61

H hamowanie, 151, 164 hamulec elektroniczny, 152, 162

I informacja zwrotna, 202 interfejs, 167, 187 NPN, 170 SPI, 339 TWI, 339 inwerter, 234 inwerter 74AC14, 218 izolowanie mocy, 123 zakłóceń, 123, 137, 182

J jazda do tyłu, 280 jazda próbna, 273 język programowania, 297

K kamera wideo, 383 kanał n, 176, 182, 188 kanał p, 184, 188 karta rozszerzeń, 320, 323, 330 kątownik aluminiowy, 371

388 Ebookpoint.pl

klej cyjanoakrylowy, 85 epoksydowy, 63, 85 klejenie, 85, 86 kod paskowy rezystorów, 93 koła, 379 koła LEGO, 69 koło pasowe, 261 kombinacje przełączników mostka, 166 w układzie SN754410, 200 w układzie MC33887, 203 komponenty montowane powierzchniowo, 103, 106 przewlekane, 104 komunikacja szeregowa, 339 kondensator, 110, 135 aluminiowy elektrolityczny, 227 blokujący, 136 buforowy, 130 konstrukcje, 95 monolityczny, 135 napięcie, 95 niespolaryzowany, 94 odsprzęgający, 137 poliestrowy, 135 tantalowy, 134, 226 temperatura robocza, 95 konfiguracja płytki stykowej, 99 układu LM1117, 119 konwerter poziomów, 167 korygowanie błędów, 278 krzywa doświadczenia, 103

L LEGO MINDSTORMS®, 19 liniowy stabilizator napięcia, 108, 114, 117, 146 lutowanie gniazda DIP, 327 komponentów, 105 skręconych płytek, 325 złącza szpilkowego, 325

łączenie przewodów, 90 równoległe tranzystorów, 193 silnika z kołem, 31 tranzystorów bipolarnych, 195

łącznik, 31 centrowanie otworów, 35–37 piasty, 70, 71 łączniki teleskopowe, 32 łączniki z prętów, 33, 39, 65 długość, 40 materiał, 34, 41 narzędzia, 39 spłaszczanie końców, 58 średnica, 41 uchwyt, 45 wyrównywanie końców, 43

M maksymalna pojemność, 133 materiały na śruby, 324 mikrokontroler, 147, 167, 170, 217 Atmel, 317 ATmega168PA, 333 ATtiny84, 293 moduł nadzorujący, 315 obudowy, 303 pamięć, 309 Parallax, 317 szybkość, 312 wyprowadzenia, 333 wejściowe, 303 wyjściowe, 305 zerowania, 304 zasilanie, 333 zegar nadzorujący, 315 mikroprzełącznik, 336 minimalne napięcie wejściowe, 113, 117 modulator PWM, 366 moduły, 21 moduły elektroniczne, 28 moment obrotowy, 260 montaż, 28 bezpieczników PPTC, 140 kondensatorów, 227 osi kół, 374 powierzchniowy, 103 sensorów, 381 silnika, 370 silników, 258 układu napędowego, 374 mostek, 90 bipolarny H, 161, 165, 170, 190, 199 H MOSFET, 201 multimetr, 118, 233, 354

SKOROWIDZ

N nadajnik podczerwieni, 223 napięcie baterii, 125 domyślne, 178, 180 dostarczane silnikom, 148 stabilizowane, 168 VGS, 116 wejściowe stabilizatora, 121 wyjściowe sterownika, 208, 209 narzędzia elektryczne, 23 natężenie dostarczane silnikom, 148 niejednoznaczność wykrycia, 287 niski spadek napięcia, 114 nylon, 263

O obciążanie stabilizatora napięcia, 124 aktywne, 159 obracanie się robota, 281, 284 obroty, 151, 162 obroty swobodne, 151 obróbka mechaniczna, 23 obudowa przewlekana, 117 obudowa robota Rondo, 248 Rondo Pro, 367 obwody NPN i PNP, 159 robota Rondo, 244 stabilizowane, 142 obwód „świateł drogowych”, 288, 289 dźwiękowy, 362 mostka H, 166 odczytu jasności, 348 opornik-kondensator, 287 sterownika silnika, 153, 157, 170, 176, 183–185 wskaźnika, 218 wykrywający, 217 odczyt stanu przycisku, 335 odsprzęganie, 137 odtwarzanie muzyki, 365 nuty, 365 odwrotne podłączenie przełącznika, 169 baterii, 110, 114, 119–122, 169 odwrotny przepływ prądu, 110, 143

ograniczanie zakłóceń, 123, 137, 182 ograniczenia detekcji, 236 obwodu oscylatora, 236 opona, 83 opóźnienie w wykrywaniu, 217 oscylogram, 102, 132 oscyloskop, 233 osłanianie detektorów, 330 oś LEGO, 63 oznaczenia diod, 95 kondensatorów, 94 rezystorów, 92 oznaczenia elementów liczbowe, 91 literowe, 91

P pakiet BASCOM-AVR, 297 pamięć EEPROM, 296 Flash, 296 mikrokontrolera, 309 nieulotna, 309 RAM, 310 SRAM, 310 ulotna, 310 PCW, 34 piasta, 70, 83 pilot, 216 piłowanie, 44 plastik, 33, 73 pleksiglas, 34 płyn do gwintowania, 49 płyta główna, 323 płytka stykowa konfiguracja, 99 zasilanie, 99 płytki do montażu powierzchniowego, 105 podłączanie silników, 124, 279 pojemności bramek, 188 kondensatorów, 94, 130 poliwęglan, 34 pomiar częstotliwości, 233 odległości, 238 prądu silnika, 205 rezystancji, 274, 275 światła, 345 wałka silnika, 40

porażenie, 101 porty szeregowe, 308 poruszanie się robota, 280, 367 powiększanie otworów, 54, 81 pozycjonowanie otworów, 79 wiertła, 266 półmostek, 159 prąd spoczynkowy, 123 pręt aluminiowy, 41 program debugowanie, 298 kompilowanie, 298 przesyłanie, 298 programowanie mikrokontrolera, 296 projekt karty rozszerzeń, 319 korpusu, 250 promieniowanie podczerwone, 214 protokoły szeregowe, 308 przebicie, 188 przebieg trójkątny, 234 przebiegi napięcia, 131 przecinanie ścieżek, 27 przekierowanie silników, 332 sygnałów, 331 przełączanie diody dwukolorowej, 278 tranzystora, 176 przełącznik, 155 DIP, 337 DPDT, 132 dźwigniowy, 381, 382 przepięcie, 137, 143 przerzutnik Schmitta, 234 przetwornik analogowo-cyfrowy, 206 przycinanie prętów, 42 przycisk, 336 pseudokod, 300, 314 punktak, 254 punktowanie otworów, 253

R rezystancja, 275, 276 przełącznika, 192 tranzystora MOSFET, 193 układów robota, 133 zastępcza, 194 rezystor kod paskowy, 93 konstrukcje, 92

389 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

rezystor obniżający, 181, 182 ograniczający prąd, 155 podciągający, 181, 184 robot BEAM, 19 Beztroski, 378, 383 Bugdozer, 28 Hard2C, 28 Kanapka, 23, 158 Miłego Dnia, 152, 214 minisumo, 67 minisumo Hard2C, 237 Prędkość Światła, 28 sumo, 359 Zupa, 29, 257, 270 robot Rondo, 22, 241–272 cechy, 250 centralna platforma, 255 jazda próbna, 273 karta rozszerzeń, 320 kierunek ruchu, 245 koła, 257 korpus, 250 korygowanie błędów, 278 manewry, 282 obudowa, 248 obwody elektroniczne, 243 ograniczenia, 262 osiągi, 279 silniki, 248, 256 skręcanie, 246 uchwyty na silniki, 262, 271 zasilanie, 245 zębatki, 259 robot Rondo Pro, 367 montaż silnika, 370 podwójna platforma, 367 silnik, 370 szczeliny na koła, 369 układ napędowy, 369, 374 rozmiary fotorezystorów, 342 rozwiertak, 54 równoległy montaż, 194 ryzyko porażenia, 101 wygięcia wałka, 69

S schemat, 89 chronionego robota, 140 detektora, 221 mikrokontrolera, 299, 307

390 Ebookpoint.pl

modułu zasilania, 109, 111 mostka H, 170, 186, 189, 190 mostka H MOSFET, 187 obwodów robota Rondo, 244 obwodu dźwiękowego, 362 obwodu eliminacji odbić, 335 obwodu stabilizatora napięcia, 130 przełączników DIP, 337 regulowanego stabilizatora napięcia, 119 sterownika silnika, 154, 157, 168, 176, 183, 184, 193, 202 układu konwertera światła, 343 zabezpieczenia przeciwprzepięciowego, 144 sensor kontaktu fizycznego, 378 TSL257, 350, 351 silnik hamowanie, 151, 152, 163 kontrola szybkości, 190 moc, 148 obroty, 150, 165 pomiar prądu, 205 sterowanie, 147–212 sterownik, 196, 207 sterownik zaawansowany, 201 włączanie, 178 wyłącznik zasilania, 154 zakłócenia, 148 zasilanie, 149 silniki Escap, 249 LEGO, 68 Nihon, 375 w kole, 67 siła dźwięku, 362 skręcanie, 246 spacer pijaka, 285 spacer robota Rondo, 286 spadek napięcia, 125 sprawdzanie głębokości otworu, 57, 84 napięcia, 276 natężenia, 277 stabilizacja zasilania, 167 stabilizator napięcia, 101, 107 7805, 108, 125 LM1117, 118, 120 LM1117T ADJ, 117 stabilizatory napięcia impulsowe, 129 liniowe, 108, 129 regulowane, 118 stabilizowanie silników, 182

stan pośredni przełącznika, 338 zatrzymania, 332 sterowanie dwukolorowymi diodami, 334 głośnikiem, 363 silnikami, 332, 334 wyświetlaczem, 301 sterownik silnika, 147, 170, 176, 196–198 dwutranzystorowy, 159 tranzystorowy, 224 stół obrotowy, 87 sygnał modulowany, 216 wykrycia, 288 zegarowy, 313, 314 sygnały PWM, 308 symbol diody LED, 96 masy, 97 szczelina, 81 szlifowanie, 43, 85 szybkie impulsy, 202 szybkość zegara, 312

ślizgacze, 269 ślizganie się pasa, 261 śruba imbusowa, 324 M3, 54 M6, 76 ustalająca, 59, 62

T tarcie, 374 teflon, 73, 86 test stabilizatorów napięcia, 120 testowanie modułów, 274, 353 robota, 28 sensorów, 278 tranzystor bipolarny, 154, 195 NPN 2222A, 153, 157, 170 PNP 2907A, 157, 158 FU5505, 116 mocy, 114 MOSFET, 115, 176, 186, 192 MOSFET T1, 115

SKOROWIDZ

tryby pracy silnika, 149, 172, 203 trymer Bourns, 225 tworzywo ABS, 34

U uchwyt łącznika, 39, 45, 54 silnika, 256, 262, 269, 374 układ 25C320, 310 4424, 173 4426, 173 4427, 171, 173 4427A, 197 4428, 173 74AC14, 219, 322, 331, 340 7805, 108 Advanced CMOS, 219 CD74AC05E, 171 CMOS, 167 DS1230, 310 IR4427, 173 IRF7343, 189 IXDN404PI, 173, 198, 199 IXYS IXDN404PI, 173 LM2940, 123 LM2940CT-5.0, 113 LP2954IT, 113 MAX4427, 189 MAX8881EUT50, 127 MC33887, 201–206 MCP1702-5002E, 113 MOSFET, 92, 195 MOSFET FU5505, 116 MOSFET IRLU024N, 177 MOSFET MC33887VW, 204 PNA4602M, 214–228, 240 PPTC, 140 SN754410, 199 TAOS TSL257, 349 TC4427ACPA, 173 TPS2812P, 173 układy bipolarne, 103, 195 CMOS, 103, 177 logiczne, 147, 168, 172 scalone, 195 sterownika silnika, 156, 158, 169 wykrywania dźwięku, 135 fali, 221 odbicia światła, 350 usuwanie zakłóceń, 218 usypianie, 202

W wałek silnika, 34, 68, 375 wąsy robota, 380, 381 widok robota Rondo, 242, 243 wielkość programu, 297 wiercenie otworów, 33, 47, 78, 266–269, 372 w aluminium, 73 w łączniku, 55, 60 w plastiku, 33 w środku piasty, 84 wiertarkofrezarka, 27 wiertło do nawiercania, 53 o szlifie krzyżowym, 50 o zmniejszonym chwycie, 84 standardowe, 50 witryny internetowe, 385 wybór części, 90 diod podczerwieni, 223 głośnika, 363 gwintownika, 61 kondensatora taktującego, 228 konstrukcji kondensatora, 95 kół, 378 materiału, 73 mikrokontrolera, 295, 316 napięcia, 343 napięcia przebicia, 145 płytki stykowej, 98 rezystora, 344 tranzystora mocy, 116 trymerów, 224 układu 4427, 171 układu logicznego, 294 układu wzmacniacza dźwięku, 364 wiertła, 49, 83 wyłącznika zasilania, 113 zasilacza sieciowego, 99 zębatek LEGO, 259 wyciek podczerwieni, 247 sygnału, 230 wydajność prądowa sterowników, 208 wykonywanie płytek drukowanych, 103 wykres fali dźwiękowej, 364 odpowiedzi fotorezystora, 347 prądu zaporowego, 143 rezystancji, 345 wykrywacz dymu, 135

wykrywanie cieni, 380 fali podczerwonej, 214 jasności, 341, 348 niskiego napięcia, 132 odbicia światła, 349 budowa układu, 350–354 schemat układu, 349 testowanie obwodu, 353 ścian i przeszkód, 334, 379 unoszenia robota, 382 zdarzeń, 206 wyłączanie, 131 wyłącznik zasilania, 154, 329 wymagania, 17 wyprowadzenia mikrokontrolera, 303 detektora, 218 wyświetlacz, 301 wytaczadło, 54 wzmacniacz dźwięku LM386, 362

Z zabezpieczanie podobwodów, 182 stabilizatora, 110 tranzystora, 156 zabezpieczenie nadprądowe, 137 przeciwprzeciążeniowe, 144 przeciwzwarciowe, 122, 137 zabezpieczenie przed odwrotnym podłączeniem, 122 przegrzaniem, 122 zalety mikrokontrolerów, 295 układów logicznych, 294 zasilacz, 96 kondensatory, 112 obniżenie napięcia, 113 przepływ prądu, 112 wyłącznik, 113 zasilacze z zabezpieczeniem, 112 profesjonalne, 100 regulowane, 117 zastępcza rezystancja szeregowa, 130 zawody robotów sumo, 357 złącze Molex, 322, 339 szpilkowe, 291, 321 zmiana w obwodzie detektora, 289

391 Ebookpoint.pl

BUDOWA ROBOTÓW DLA REDNIO ZAAWANSOWANYCH

zmniejszanie spadku napięcia, 115 zwarcie, 137, 160 przeciwprzepięciowe, 144 zasilania, 143

392 Ebookpoint.pl

zwiększanie przełożenia, 260 rezystancji, 116, 139

żywotność baterii, 131

Ebookpoint.pl

Ebookpoint.pl