Projekty robotów: Projekt układów elektronicznych wchodzących w skład robota TWIN-CATT / cz.3z7 – ciąg dalszy

Łukasz Przystalski
www.przystalski.pl

Artykuł jest trzecim z serii siedmiu opracowań dotyczących projektu robota, które ukażą się w portalu Robotyka.com – jako wynik współpracy z Łukaszem Przystalskim, autorem projektu robota TWIN-CATT.

II

przeczytaj pierwszą część artykułu "Projekty robotów: Projekt układów elektronicznych wchodzących w skład robota TWIN-CATT / cz.3z7"

5.1 Moduł zasilania – podzespoły robota

Na moduł zasilania układów robota składają się cztery główne grupy elementów. Schemat modułu przedstawiono na rysunku 8.

Po pierwsze należy doprowadzić zasilanie z akumulatora na wejście modułu. Zasilanie modułu znajduje się po lewej stronie układu. Kolejne operacje należy zabezpieczyć bezpiecznikiem. Wybrano bezpiecznik 3A, który chroni akumulator przez skokowym poborem prądu. Następnie zabezpieczone +12V układu ulega przetworzenia przy pomocy przetwornicy DC/DC na wartość 5V. Zdecydowano się na przetwornicę LM2575HVS-5.0. W skład przetwornicy muszą wejść 4 podstawowe elementy: dwa kondensatory, dioda Schotky’ego oraz cewka indukcyjna. Wartość elementów należy dobrać wg tabeli podawanych w nocie katalogowej w zależność od napięcia zasilania i spodziewanego poboru prądu z układu. Ostatecznie +5V zostaje stabilizowane przy pomocy układu LM1117T-3.3 na wartość 3.3V. Każda wartość napięcia posiada własne gniazdo wyjściowe z sygnalizacją LED.

5.2 Moduł zasilania urządzeń WiFi

Schemat modułu zasilania przedstawiono na rysunku 9.

Na moduł składa się wejście na napięcie +12V pochodzące od akumulatora. Następnie równoległe pracują dwie grupy układów. Dwie przetwornicy napięcia LM2576-ADJ o napięciu wyjściowym +5V. Przetwornice te, w porównaniu z przetwornicą użytą w punkcie 5.1 posiadają większy dopuszczalny prąd ciągły na wyjściu. Dopisek ADJ oznacza konfigurowalność napięcia wyjściowego. Oprócz podstawowych czterech elementów, należy także dodać dzielnik napięcia, z którego punkt środkowy wraca na wejście FEEDBACK (sprzężenie zwrotne) – słowo godne do zapamiętania dla każdego automatyka. Równolegle do przetwornic pracuje układ stabilizatora L7809 dający na wyjściu napięcie +9V (na środku schematu).

6. Płyta sterująca oraz moduł bluetooth

Płyta sterująca jest modułem, który jest odpowiedzialny za przekazywanie sygnałów do poszczególnych elementów sterujących ( układ sterownika HIP4082), wykonawczych (diody, brzęczyk) czy też komunikacyjnych (moduł BTM-222). Sygnały wejściowe i wyjściowe doprowadzone są do modułu mikrokontrolera ATmega128, który jest połączony z płytą sterująca przy pomocy specjalnie przygotowanego gniazda. Wygląd płyty sterującej przedstawiono na rysunku 10.

Głównym elementem płyty jest programowalny mikrokontroler ATmega128. Sygnałami wejściowymi układu są: wejście sygnałowe pochodzący z przetworników obrotowo-impulsowych obu silników, sygnał napięciowy pochodzący z układów termicznych silników, wejścia komunikacji szeregowej UART. Sygnałami wyjściowymi z układu są: wyjście komunikacji szeregowej UART, wyjścia PWM oraz ENABLE wyprowadzone na układy U1 oraz U2 (bramki NAND) w celu sterowania prędkością i kierunkiem silników. Układ formowania sygnałów przez dwa układy bramek NAND zastosowano w celu minimalizacji użytych wyjść z układu ATmega128. Dodatkowo zainstalowano brzęczyk (buzzer), generujący sygnały dźwiękowe podczas uruchomienia robota oraz diody LED, nieoceniona pomoc podczas samego projektowania oprogramowania. Jeden z modułów UART połączono z modułem BTM-222. Moduł ten przedstawiono na rysunku 11.

Gotowy moduł został zakupiony na popularnym portalu aukcyjnym. Moduł bluetooth BTM-222 uruchomiony na płycie sterującej, działa w trybie "slave". Oznacza to, że inicjalizacja połączenia jest realizowana za pomocą innych urządzeń mobilnych. Moduł ten jest przeznaczony wyłącznie do odbierania informacji z urządzeń inicjujących połączenia zwanych "master". Sparowanie dwóch urządzeń ze sobą pozwala na komunikację w identyczny sposób, jak zrealizowana jest komunikacja szeregowa, tak popularna wśród elektroników hobbistów.

7. Projekt mostka H z wykorzystaniem układu sterownika HIP4082

Sterowanie silnikami zastosowanymi w robocie TWIN-CATT zostało rozwiązane przy pomocy mostków H. Zasada działania mostka polega na odpowiednim załączaniu poszczególnych elementów kluczujących. W przypadku mostka użytego w robocie są to tranzystory MOSFET. Jako sterownik użyto układ scalony HIP4082. Typowe wykorzystanie zaproponowane przez producenta układu przedstawiono na rysunku 12.

Układ ten jest przeznaczony do sterowania tranzystorami unipolarnymi MOS-FET poprzez sygnały PWM o częstotliwości do 200kHz. Aby ułatwić skorzystanie z tak dobrego układu jakim jest sterownik poniżej opisano wyprowadzenia układu.

Opis wyprowadzeń układu scalonego HIP4082:
BHB – Zasilanie układu "bootstrap" w kanale B
BHI – Wejście sygnału sterującego kanał B, wejście high, które steruje wyjściem BHO
BLI – Wejście sygnału sterującego kanał B, wejście low, które steruje wyjściem BLO
ALI – Wejście sygnału sterującego kanał A, wejście low, które steruje wyjściem ALO
DEL – rezystor opóźniający załączenie sterownika
VSS – Masa układu, GND
AHI – Wejście sygnału sterującego kanał A, wejście high, które steruje wyjściem AHO
DIS – Wejście cyfrowe Disable
AHB – Zasilanie "bootstrap" w kanale A
AHO – Wyjście sterujące pracą tranzystora w kanale A high
AHS – Wejście sygnału sprawdzające "bootstrap" w kanale A
VDD – Zasilanie +12V sterownika
ALO – Wyjście sterujące pracą tranzystora w kanale A low
BLO – Wyjście sterujące pracą tranzystora w kanale B low
BHS – Wejście sygnału sprawdzające "bootstrap" w kanale B
BHO – Wyjście sterujące pracą tranzystora w kanale B high

Układ "bootstrap" oznacza ideę rozwiązania układowego przez dodatnie sprzężenie zwrotne wprowadzane na sterownik. Następnie układ DC (dioda – kondensator) ulegają przeładowaniu koniecznemu do wysterowania tranzystorów. Wadą takiego rozwiązania jest możliwość powstania niestabilności oraz zwiększone szumy. Z punktu widzenia sterowania prędkością, zakres sterowania wynosi od 1% do 99% prędkości. Oczywiście silnik może posiadać zerową prędkość poprzez wyłączenie sygnału ENABLE.

Ścieżki układu zostały poprowadzone dwuwarstwowo. Kolorem niebieskim oznaczono warstwę spodnią, natomiast czerwonym – wierzchnią. Głównym założeniem było poszerzenie ścieżek toru prądowego, w którym płynący prąd miał posiadać wartość maksymalną 3A.

8. Podsumowanie
Układy elektroniczne zaprojektowano w środowisku specjalistycznym o nazwie Altium Designer 2009. Wszystkie układy wykonano metodą termo transferową w domowych warunkach. W Internecie można znaleźć wiele publikacji na temat wytrawiania własnych płytek PCB.

Projekt elektroniki wchodzącej w skład robota mobilnego jest procesem skomplikowanym. Nawet najlepszy robot, bez układów elektronicznych mogących zarządzać sygnałami wejścia i wyjścia wg zamysłu projektanta, jest nic nie wart. Na pokładzie robota znajdują się trzy akumulatory żelowe, każdy o pojemności 7Ah i napięciu pracy 12V. Stanowią element zasilający dla układów logicznych, mostków H wraz z silnikami oraz urządzeń peryferyjnych. Ładowanie akumulatorów jest bardzo łatwe, wystarczy podłączenie robota pod specjalnie przygotowaną ładowarkę. Zastosowanie tego typu ładowania zwiększa komfort użytkowania robota. Moduł ładowania dba o prawidłowe naładowanie oraz przełączanie układu akumulatorów.

Głównym elementem sterującym całą platformą jest mikrokontroler ATmega128 wraz przygotowaną płytą sterującą. Zastosowany układ scalony został wybrany z powodu dużej ilości linii wejść oraz wyjść, które pozwoliły na dogodną implementację odpowiednich modułów elektronicznych. Do sterowania prędkością obrotową silników prądu stałego wykorzystano mostki H wraz z układami sterowników. Komunikacja z urządzeniami w celach sterowania odbywa się bezprzewodowo przy pomocy technologii bluetooth.

Ostatecznie projektowany robot został wykonany, od projektu modelu 3D po zakończenie jego budowy mechanicznej. Zaprojektowano i wykonano wszystkie elementy składowe elektroniki robota. Teraz należy przystąpić do realizacji oprogramowania sterującego.

Już w następnym artykule przedstawiony zostanie ciekawy etap projektowania oprogramowania na system operacyjny Android. Zapraszam serdecznie do lektury kolejnych artykułów.

Łukasz Przystalski
tel. 517-19-20-90
lukasz@przystalski.pl
www.przystalski.pl
gg: 1248364

Źródło: Copyright by Łukasz Przystalski. Kopiowanie treści tylko za formalną zgodą autora.