FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCHTECHNOLOGIÍ ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY Projekt BROB 2013 B13. Jízda po čáře pro reklamní robot Vedoucí projektu: Ing. Tomáš Florián Autoři práce: Martin Maršál, Marek Návara, Ondřej Pijáček
1. Zadání Implementujte modul do podvozku robotu, který umožňuje jízdu robotu po předem definované trase. Trasa robotu by měla být pro člověka na první pohled neodhalitelná, proto zvažte přednostně použití magnetické pásky přilepené k podlaze pod kobercem. Řízení robotu bude realizováno po některé ze standardních sériových sběrnic (RS-485, Ethernet apod.).
2. Teoretický popis 2.1. Úvod do problematiky Při návrhu modulu jsme vycházeli z návrhu kolegů z minulých let. Jako vodící čára je použita magnetická páska, která může být schována například pod kobercem. Na snímání čáry jsou použity 3 snímače KMZ-51. Dva krajní snímače na rozlišení směru a prostřední senzor na určení velikosti výchylky. Signál ze snímačů je potřeba zesílit na hodnotu, kterou je možné převést AD převodníkem s co nejmenším zkreslením. Jako řídící jednotka je použit mikročip ATmega8. Tento čip má dostatek kanálů AD převodníku, modul USART na sériovou komunikaci a je dostatečně rychlý. Také byl vybrán kvůli podpoře ze školy. Na komunikaci s řízením motorů je použita sériová linka RS-485. Převod mezi mikročipem a RS-485 je řešen pomocí SN75176AD. Napájení je řešeno z baterií Fektbota a je stabilizováno na 5V DC-DC měničem LM2594. Celý modul jsme se rozhodli rozdělit na řídící desku, která bude obstarávat, řízení, komunikaci a napájení celého systému a dále na 3 desky se snímači. Každý snímač má vlastní desku, aby bylo možné doladit přesnou vzdálenost snímačů od sebe. Ta by se měla pohybovat kolem 2 až 3 centimetrů. Pro program řízení je využito jazyka C. Program musí být schopný zmagnetizovat snímač, zpracovat jeho výstupní hodnotu, algoritmem spočítat požadované rychlosti motorů a ty poté odeslat přes sériovou linku. Toto bude probíhat v opakovaném cyklu. 2.2. Řídící jednotka - ATMEGA8-16PU Vybrané vlastnosti: Taktovací frekvence 16 MHz 8 Kbajt programové paměti 130 instrukcí 32 pracovních registrů 2 osmibitové čítače a 1 šestnáctibitový
6tikanálový AD převodník Programovatelný modul USART 23 programovatelných I/O pinů Obrázek 1:Rozložení portů ATMEGA8
2.3. LM2594 DC-DC měnič Mezní hodnoty: Obrázek 2: Základní zapojení LM2594 Obrázek 3: Rozložení pinů LM2594
2.4. SN75176AD sériová linka RS485 Doporučené provozní hodnoty: Obrázek 4: Vnitřní zapojení SN75176AD
2.5. Snímač magnetického pole KMZ 51 KMZ-51 snímá intenzitu magnetického pole. Je založen na principu magnetorezistivních účinků permalloye. Pro jeho správnou funkci je potřeba snímač pravidelně odmagnetizovat velmi krátkým pulzem (jednotky µs) proudu o velikosti přibližně 1A. Doporučené provozní hodnoty: Obrázek 5: Vnitřní zapojení KMZ 51
2.6. INA126P přístrojový zesilovač Mezní hodnoty: Obrázek 6: Vnitřní zapojení INA128
3. Návrh výroby 3.1. Program řídící jednotky Řídící program nebyl zkompletován z časových důvodů prakticky zkompletován. Z teoretického hlediska je v programu potřeba nejprve odmagnetizovat snímače a poté postupně převést hodnoty snímačů pomocí ADC (a přerušení po dokončení převodu). Tyto hodnoty zpracovat, což znamená porovnat hodnoty z krajních snímačů a určit, na jakou stranu má zatočit a poté z prostředního snímače určit velikost výchylky: hodnotu porovnat s intervaly a dle toho načíst velikost výchylky. Spočítané hodnoty rychlosti obou motorů poté odeslat přes sériovou linku. Jako Master zařízení nemá žádné problémy rychlost odesílat s protokolem 8-N-1. 3.2. Schéma zapojení řídící desky Kompletní návrh byl vypracován v programu EAGLE. Na vstupu (levé svorky) je připojeno napájení napětí baterky robotu. Pomocí DC-DC měniče LM2594M napětí sníženo na 5V. Pro řízení jsme využili programovatelný procesor ATmega8. Pro komunikaci s motory robotu je využita sériová linka 75176AD (RS485). Výstup sériové liny je realizován za pomoci konektoru D-SUB F09. Déle jsou osazeny tři konektory pro spojení se třemi snímacími jednotkami. Obrázek 7: Zapojení řídící desky
3.3. Seznam součástekřídící desky 4x Odpor 10kΩ 1x Odpor 120Ω 1x Tlumivka 100μH 2x Kondenzátor 1μF/50V 2x Kondenzátor 22pF/500V 2x Kondenzátor 100μF/25V 1x Dioda 1N5817 1x Krystal 16MHz 1x AMTEGA8 1x LM2594M 1x SN75176AD 1x Mikro spínač 1x D-SUB F09 1x Konektor 2_piny 3x Konektor 4_piny
3.4. Schéma zapojení snímací jednotky Nejdůležitější část snímací jednotky je součástka KMZ-51. Ta snímá intenzitu magnetického pole. Výstup je následně zesílen přístrojovým zesilovačem INA126P,který signál zesílí 100x. Další část je odmagnetizování snímače KMZ 51. Obrázek 8: Zapojení snímací jednotky
Seznam součástek jedné snímací jednotky 3x Odpor 1kΩ 2x Odpor 10kΩ 2x Odpor 0,5Ω 1x Odpor 2Ω 2x Kondenzátor 10nF/50V 1x Kondenzátor 10μF/25V 2x Kondenzátor 470nF/63V 2x Dioda 1N4148 2x Tranzistor BC337 2x Tranzistor BC327 1x Tranzistor BC557 1x Tranzistor BC547 1x KMZ 51 1x INA128P 1x Konektor 4_piny
4. Realizace 4.1. Program mikrokontroléru ATMEGA8 4.2. Úchyt snímacích jednotek 4.2.1. První díl 4.2.2. Druhý díl
4.3. Desky plošných spojů, osazovací plány 4.3.1. Snímací jednotka left
4.3.2. Snímací jednotka center
4.3.3. Snímací jednotka right
4.3.4. Základová deska
Reference [1] TEXAS INSTRUMENTS. Precision, LowPower INSTRUMENTATION AMPLIFIERS: INA128,INA129 [online]. Texas, 1995, FEBRUARY 2005 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/sbos051b/sbos051b.pdf [2] TEXAS INSTRUMENTS. DIFFERENTIAL BUS TRANSCEIVER: SN75176A [online]. Texas, 1984, MAY 1995 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn75176a.pdf [3] TEXAS INSTRUMENTS. LM2594/LM2594HV SIMPLE SWITCHER PowerConverter 150 khz. 5A Step-Down VoltageRegulator: LM2594, LM2594HV [online]. Texas, 1999, APRIL 2013 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2594.pdf [4] PHILIPS. Magneticfield sensor: KMZ51 [online]. 1998, JUN 2000 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/kmz51_3.pdf [5] ATMEL. Atmel AVR 8-bitMicrocontroller: ATmega8, ATmega8L [online]. 2013 [cit. 2013-05- 04]. Dostupné z: http://www.atmel.com/images/atmel-2486-8-bit-avr-microcontroller- ATmega8_L_datasheet.pdf