Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Transkript

1 Merkur perfekt Challenge Studijní materiály T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 1 / 13

2 Název úlohy: Samohybný pásovec sledující světlo Anotace: Úkolem týmu je nastudovat problematiku řízení stejnosměrného motoru pomocí H-můstku, řešení analogového systému pro řízení motoru na základě snímané neelektrické veličiny (intenzity osvětlení) čidlem a sestavit ze stavebnice Merkur model pásového vozidla se dvěma stejnosměrnými motory umožňující pohyb vozítka za zdrojem světelného záření, přičemž stejnosměrné motory pohánějí nezávisle pásy vozítka (pravý a levý). V systému jsou uvažovány dva až tři vhodně umístěné optické senzory - fotorezistory, které mění vlastní elektrický odpor v závislosti na osvětlení. Garantující ústav: Ústav radioelektroniky Laboratoř: Technická 12, SE6.121 (šesté patro) Foto předlohy: T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 2 / 13

3 Zadání: Z připravených komponent realizujte samohybný pásovec sledující světlo. Trasa, po níž by se měl pásovec pohybovat, je definována LED pásem. Úkolem je sestavit mechanicky pásové vozítko ze stavebnice MERKUR Pásový podvozek 01. Modul pásovce je potřeba následně doplnit o soustavu dvou (případně i více) fotorezistorů s vhodným řešením clon (pomocí vystřiženého a vhodně tvarovaného kartónu) a vyhodnocovací elektroniku s využitím analogových obvodů s operačními zesilovači. Tento analogový obvod na základě úrovně osvětlení nezávislých fotorezistorů musí vhodně řídit spouštění chodu motorů správnou aktivací budičů (H-můstků). Zapojení vyhodnocovací elektroniky navrhnou soutěžící samostatně a sestaví ji na nepájivém poli (breadboardu). Funkční model musí následně automaticky projet vyznačenou trasu LED pásem bez vyjetí. Mechaniku světlocitlivého senzorového systému musí soutěžní tým vymyslet a realizovat z dostupných komponentů a materiálů. Rovněž je třeba uvažovat vliv světelného pozadí (odraz denního světla od podlahy apod.). Pro stavbu vozidla máte k dispozici stavebnici pásového vozítka MERKUR Pásový podvozek 01, desku elektroniky pásového vozítka s H-můstky pro řízení stejnosměrných motorů, všechny základní pasivní součástky (rezistory a kondenzátory z řad), čtyřnásobné operační zesilovače LM324, sady logických integrovaných obvodů řady 74, tři fotorezistory Token PGM5516-MP a propojovací vodiče. Teoretický rozbor úlohy: V první fázi řešení úlohy je třeba sestavit pásové vozítko MERKUR Pásový podvozek 01 se standardní elektronikou obsahující řídicí modul. Přijímač pro dálkové ovládání není třeba osazovat, místo něj je vhodné umístit (usadit) desku nepájivého pole. Celkový pohled na standardně sestavený systém je uveden na obrázku 1. Podle doporučeného postupu je třeba začít s montáží mechanické části a to konkrétně podvozkem. Náhled na smontovaný podvozek je prezentován na obrázku 2. Součástí podvozku jsou i stejnosměrné motorky s převodovkou. Při sestavování nezapomeňte zafixovat všechny T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 3 / 13

4 hřídelky i u nehnaných kol tak, aby pásy byly dostatečně vypnuty a nemohly z kol při jízdě sklouznout či nedrhly o jinou mechanickou část vozítka. Celkové mechanické řešení je vyobrazeno na obrázku 3. V následující fázi je třeba do konstrukce vsadit desku řídicí elektroniky s procesorem Atmel ATmega8 a moduly s LED diodami. Z desky řídicí elektroniky budou použity jen H-můstky. Obr. 1. Celkové konstrukční řešení s instalací standardních elektronických modulů. Obr. 2. Konstrukce podvozku. T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 4 / 13

5 LED použijte jen zadní, ty jsou červené, na přídi ponechte volné místo pro usazení desky nepájivého pole, na kterou umístíte senzorový systém s fotorezistory. Při instalaci modulů je nutné dát pozor na to, že zespodu podvozku musí být přimontován držák baterií. Jádrem desky řídicí elektroniky je mikrokontrolér ATmega8, ten však není, jak už bylo zmíněno, v této aplikaci využit. Pro ovládání chodu motorů včetně určení směru chodu motorů (vpřed vzad) jsou na desce umístěny dva integrované H-můstky Toshiba TA7291, jejichž ovládací vstupy jsou připojeny na konektor označený jako M, konektor M1 a M2 pro motor 1, M3 a M4 pro motor 2 (viz obr. 4). Obr. 3. Kompletní mechanická část pásovce. Dále jsou na desce konektory MOTOR 1 a MOTOR 2 pro připojení samotných motorů k řídicí desce, resp. k výstupům H-můstků. Polaritu kabelů motorů je třeba vyzkoušet. Pro připojení držáku pro 4ks AA baterií nebo akumulátorů slouží svorkovnice NAPÁJENÍ (je nutno dodržet polaritu, jinak dojde ke zničení polovodičových součástek na desce včetně H-můstků). Dále je na desce konektor ISP pro přímé programování procesoru a konektory připojené přímo na brány mikrokontroléru PORTB, PORTC a PORTD. Ty slouží pro připojení vstupních nebo výstupních periferií stavebnice, nebudou však využity. Rozmístění signálů na trojici pinů konektoru je vyznačeno symboly na desce plošného T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 5 / 13

6 spoje, bohužel jsou na desce chyby a je lépe si konkrétní zapojení konektoru rozkreslit. Důležitý je pro vás tedy pouze konektor M. Nejlepším způsobem je stanovit si jasná pravidla barev při použití propojovacích kabelů, např. na vodič kabelu s hnědou izolací připojovat záporné napájecí napětí, na červený vodič kladné napájecí napětí, oranžový kabel pak zbude na signálové propojení. Na desce nepájivého pole sestavte obvod, který bude řídit chod stejnosměrných motorů na základě úrovně osvětlení fotorezistorů. Tento obvod musíte vymyslet sami s využitím teoretických poznatků (viz dále), případně se inspirovat na Internetu. Pro správou funkci musí být mezi fotorezistory umístěna vhodná clonka, která zajistí, že pokud bude pásovec orientován ve směru světelného pásu, bude osvětlení fotorezistorů prakticky shodné a pásovec pojede dopředu. Pokud bude jeden z fotorezistorů zastíněn clonkou, znamená to, že je nutné aktivovat pouze protější motor v pohybu vpřed tak, aby se původně zacloněný fotorezistor dostal ze stínu do paprsku světla vodících LED. Elektroniku navrhněte tak, že zadní červené LED budou indikovat chod příslušného motoru. Obr. 4. Řídicí deska pásovce. Cílem je navrhnout a zapojit vyhodnocovací obvod tak, aby byl pásovec schopen automaticky projet světelnou dráhu i za slabšího denního světla, v případě příliš velké T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 6 / 13

7 intenzity okolního světla musí pásové vozítko stát a neprovádět nedefinovaný pohyb, který se projeví vyjetím z dráhy. Pasivní součástky a případně logické obvody vybírejte z připravených skříněk dle potřeby libovolně. V následujících odstavcích jsou teoreticky popsány dva základní subsystémy, které budou v pásovém vozítku použity. Prvním je princip H-můstku pro řízení stejnosměrného motoru. Druhým subsystémem je komparátor s hysterezí s operačním zesilovačem, který využijete při vyhodnocování intenzity osvětlení. Princip řízení stejnosměrných motorků H-můstkem Principiální schéma H-můstku je uvedeno na obrázku 5. H-můstek je složen ze čtyř spínacích tranzistorů (unipolárních či bipolárních) v jednoduchém můstkovém zapojení. Základní řízení probíhá spínáním tranzistorů do kříže, kdy se spíná jeden horní tranzistor a jeden spodní na opačné straně. Tak se stejnosměrný motorek připojuje k napájecímu napětí přes spínací tranzistory a umožňuje činnost v dopředném a reverzním chodu (vedení proudu zeleným, resp. modrým okruhem na schématu v obr. 5). Obr. 5. Principiální zapojení H-můstku pro řízení chodu stejnosměrných motorků. Pokud budou všechny tranzistory rozepnuté, k motorku nebude připojeno napětí a bude v klidu. Lze však sepnout současně například tranzistory T2 a T4, pak je motorek T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 7 / 13

8 zkratován a brzděn. Při řízení tranzistorů nesmí nikdy dojít k současnému sepnutí tranzistorů v příčných větvích (např. T1 a T2), protože by došlo ke zkratu a zničení tranzistorů. Diody zapojené k tranzistorům slouží k eliminaci přepětí při vypínání tranzistorů. V tuto chvíli se totiž přeruší proud motorkem, který by však z induktivní povahy motorku měl být spojitý. Rozepnuté tranzistory však nedovolí jeho průtok. To ale vyvolá nárůst napětí na svorkách motorku takový, aby se našla cesta v obvodu, kudy by tento doběhový proud mohl téci. To naštěstí zajistí právě antiparalelní diody. Obvody pro spínání tranzistorů je nutné rovněž správně vyřešit, základní problém je, že tranzistory T1 a T3 nemají svorku source (emitor) na společné napěťové hladině s tranzistory T2 a T4. To lze řešit například oddělením pomocí budících transformátorů či optočlenů. V praktických aplikacích je výhodné použít integrované provedení H-můstku, ve kterém jsou řídicí obvody, ochranné diody a obvody nedovolující současné sepnutí tranzistorů v příčné větvi integrovány. V standardní dodávané elektronice pásovce jsou použity obvody Toshiba TA7291 a to zvlášť pro každý motorek. Obr. 6. Blokové schéma integrovaného H-můstku Toshiba TA7291 (převzato z katalogového listu). T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 8 / 13

9 Tab. 1. Ovládání řízení motorku obvodem TA7291. Blokové schéma tohoto obvodu je na obrázku 6. Obvod obsahuje vlastní subsystém ochran a nastavení hladin pro buzení interních tranzistorů včetně ochranných antiparalelních diod. Obvod má dva řídicí vstupy IN1 a IN2, které lze ovládat snadno logickými úrovněmi (vzhledem k V cc ). Ovládání řízení je definováno v tabulce 1. Vysokou impedancí je míněno rozepnutí všech tranzistorů. Komparátor s hysterezí s OZ Operační zesilovač je obecně trojbran s invertujícím a neinvertujícím vstupem a jedním výstupem. V obecném principu napěťový operační zesilovač zajišťuje na svém výstupu takové napětí, aby s přispěním okolních součástek měli vstupy stejný potenciál, přičemž vstupy mají v ideálním případě nekonečný vstupní odpor (neteče do nich žádný proud). Na obrázku 7 je uvedeno schéma obecného komparátoru s operačním zesilovačem. Je zde definováno referenční napětí U REF. Na rezistoru R2 bude v závislosti na vstupním napětí U IN napětí: U R2 U IN R2 R2R1. (1) Operační zesilovač se bude snažit srovnat napětí na vstupech + a -. Proto výstupní napětí půjde do co nejnižší hodnoty (prakticky téměř k 0), pokud bude U R2 < U REF. A naopak k maximu pokud bude U R2 > U REF. T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 9 / 13

10 Obr. 7. Schéma základního (neinvertujícího) komparátoru s operačním zesilovačem. Pak můžeme sestrojit převodní charakteristiku takového obvodu, viz obr. 8, kde překlápěcí napětí U p lze odvodit z podmínky, kdy U R2 = U REF : U p U REF R2R1 R2. (2) Obr. 8. Převodní charakteristika neinvertujícího komparátoru s operačním zesilovačem. T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 10 / 13

11 Prohozením vstupních svorek lze získat invertující variantu (převodní charakteristika bude otočená). Takové jednoduché řešení má však pro naši aplikaci jistou nevýhodu. Uvažujeme, že vstupní napětí bude odpovídat osvětlení fotorezistoru. Pokud bude úroveň osvětlení na hraně a vstupní napětí bude rovno napětí U p, bude při každé velmi malé změně osvětlení docházet k přepínání (v aplikaci předpokládáme spouštění a zastavování motorku, což povede k chybné funkci). Proto je výhodné zavést do komparátoru hysterezi. Obr. 9. Schéma a převodní charakteristika neinvertujícího komparátoru s operačním zesilovačem. Zjednodušené zapojení je na obr. 9 včetně převodní charakteristiky. Je evidentní, že na výstupu se vždy drží stav před překlopením tím, že je zde zavedena zpětná vazba z výstupu. Tím se výstup podílí na ovlivňování vstupu a posouvá hranice přepnutí. Pro případ že saturační napětí (maximální a minimální výstupní napětí) prakticky dosahují hodnot napájecích napětí (zde je uvedeno nesymetrické napájení, které je aplikováno i v pásovém vozítku, tj. napájení čtyřmi tužkovými články), lze prahová napětí odvodit takto: U p U REF R2R1 R2 a (3) T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 11 / 13

12 U p- U REF R2R1 R2 U R1 R2. (4) Je zjevné, že rovnice (3) odpovídá rovnici (2), protože v tomto případě je na výstupu nulové (minimální) napětí a schéma tak odpovídá schématu na obr. 7. Při návratu je však již na výstupu maximální kladné napětí a to se podílí na udržení kladné hodnoty při poklesu vstupního napětí déle a prahové (překlápěcí) napětí pak bude nižší. Vhodnou referenci lze řešit odvozením děličem z napájecího napětí. T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 12 / 13

13 Partneři soutěže T: IČ: , DIČ: CZ / / steffan@feec.vutbr.cz 13 / 13