Луноход с микроконтроллерным управлением. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Микроконтроллеры

 Комментарии к статье

Описываемое устройство было разработано для демонстрации возможностей программно-аппаратных комплексов управления движущимися объектами. В качестве объекта была взята детская игрушка "луноход" с проводным дистанционным управлением, приводимая в движение двумя электродвигателями постоянного тока и позволяющая управлять каждым из них в отдельности. С включением питания модель начинает двигаться вперед. Одновременно включаются смонтированные в ней передатчик и приемник импульсного И К излучения. Движение продолжается до тех пор, пока интенсивность отраженного ИК сигнала не превысит установленного порога, что свидетельствует о наличии препятствия на пути. Как только это случится, модель разворачивается до тех пор, пока отраженный сигнал не станет ниже этого порога, после чего продолжает движение вперед и т. д.

Принципиальная схема программно-аппаратного комплекса управления моделью "лунохода" изображена на рисунке. Его основа - экономичный восьмибитный КМОП микроконтроллер (МК) AT90S2313 (DD1), построенный с использованием расширенной RISC-архитектуры AVR. Тактовую частоту задает кварцевый резонатор ZQ1 на частоту 5 МГц (она может быть и любой другой, вплоть до 10 МГц). Цепь из резистора R13 и конденсатора С12 служит для сброса МК в момент включения питания. Разъемный соединитель Х1 введен для быстрого соединения и разъединения МК и остальной части устройства, а также для подключения МК к компьютеру с целью обновления программы или диагностики работы.

(нажмите для увеличения)

Кроме микроконтроллера, устройство содержит импульсный передатчик ИК излучения (VT4, VD2), приемник отраженного препятствием излучения, состоящий из фотодиода VD1, двухкаскадного усилителя (VT1, VT2) и синхронного детектора (VT3), и четыре электронных ключа (1VT1 - 1VT3, ..., 4VT1 - 4VT3). Питается устройство от батареи, состоящей из четырех Ni-Cd аккумуляторов типоразмера С емкостью 1500 мА·ч, устанавливаемых в предусмотренный в модели отсек. Напряжение питания микроконтроллера и приемника ИК излучения поддерживается неизменным микросхемным стабилизатором напряжения DA1.

В процессе работы с выхода порта PD0 на базу транзистора VT4 поступают импульсы с частотой следования около 1220 Гц. В результате он периодически открывается, и включенный в его коллекторную цепь свето-диод VD2 создает в направлении движения модели пульсирующее с указанной частотой ИК излучение. Резистор R7 ограничивает ток через эмиттерный переход транзистора и защищает выход порта МК от повреждений при пробое этого перехода. Максимальный ток через све-тодиод ограничивает резистор R9.

Отраженное препятствием ИК излучение воспринимается фотодиодом VD1, включенным параллельно резистору R2, через который осуществляется ООС по постоянному току, охватывающая двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1, VT2. Импульсы напряжения с коллектора транзистора VT2 поступают на синхронный детектор, выполненный на полевом транзисторе VT3. Его применение обусловлено тем, что во время работы локатора на резисторе R3 создаются не только колебания частотой около 1220 Гц, но и пульсации частотой 100 Гц от ламп накаливания, а также случайные помехи как в видимом, так и в ИК диапазонах спектра. Уровень этих помех нередко соизмерим с уровнем отраженного препятствием ИК излучения, и если не принять специальных мер, это может привести к обнаружению ложного препятствия. Для предотвращения подобных ошибок и использован синхронный детектор. Его вход (затвор транзистора VT3) подсоединен к тому же порту (DO), что и вход передатчика, поэтому синхронно с вспышками светодиода VD2 открывается транзистор VT3, который подключает выход усилителя на транзисторах VT1, VT2 к одному из входов компаратора МК (PB0/AIN0). Образцовое напряжение на его другом входе устанавливают подстроенным резистором R12, регулируя тем самым чувствительность устройства к отраженному сигналу.

Работой электродвигателей модели МК управляет с помощью электронных ключей S1 - S4. Рассмотрим работу одного из них, например, первого (остальные действуют аналогично). При напряжении на входе менее 0,6 В (лог. 0) транзисторы 1VT1 и 1VT3 закрыты, a 1VT2 открыт, поэтому напряжение на выходе и соединенном с ним выводе двигателя М1 близко к напряжению батареи питания GB1. Подача на вход ключа уровня лог. 1 вызывает открывание транзистора 1VT1, из-за чего 1VT2 закрывается, а 1VT3 открывается и напряжение на выходе становится близким к 0. Резистор 1R1 ограничивает ток, потребляемый ключом от выхода МК, значением около 3 мА, что значительно меньше допустимого выходного тока (20 мА при уровне лог. 0 и 10 мА при уровне лог. 1). Сопротивление резистора 1R2 подобрано таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить достаточный выходной ток ключа, когда открыт 1VT2, а с другой - чтобы ток через открытый транзистор 1VT1 не был слишком большим.

Поскольку примененные в модели электродвигатели потребляют очень большой ток (около 600 мА) и создают интенсивные импульсные помехи, их пришлось заменить более экономичными и создающими меньше помех двигателями ДПБ-902. Возможно использование и других коллекторных электродвигателей от магнитофонов и магнитол.

Для управления электронными ключами используются четыре старших разряда порта В: РВ7, РВ6, РВ5 и РВ4. Работой ИК передатчика управляет младший разряд порта D - PD0, два младших разряда порта В (PB0 и PB1) настроены и используются соответственно как прямой и инверсный входы аналогового компаратора.

Как видно из схемы, для включения, например, электродвигателя М1 необходимо открыть один из ключей S1, S2 и закрыть другой. Если открыть или закрыть оба ключа, напряжения на их выходах окажутся одинаковыми, поэтому напряжение на электродвигателе будет равно 0. Если открыть ключ S1 и закрыть S2, левый (по схеме) вывод двигателя будет соединен с плюсом батареи питания,

а правый - с ее минусом, и он начнет вращаться в одну сторону. Если же, наоборот, открыть S2 и закрыть S1, полярность подключения двигателя изменится на обратную и он начнет вращаться в противоположную сторону. Программное включение осуществляется записью в порт В констант, указанных в табл. 1.

Программное управление передатчиком ИК излучения производится записью некоторого числа в порт D МК. Если младший бит этого числа равен 0, свето-диод VD2 погашен, а если он равен 1 - включен. Последовательная смена значений этого бита приводит к возникновению впереди модели пульсирующего уровня освещенности в ИК части спектра. Уровень отраженного излучения фиксируется фотодатчиком, и при его возрастании делается предположение о наличии впереди препятствия.

Особенность программы в том, что алгоритм управления размещен в обработчике таймера МК. Обусловлено это тем, что переключать излучающий светодиод необходимо с некоторой постоянной частотой, и для упрощения программы алгоритм управления помещен там же. После подачи сигнала сброса в момент включения питания МК начинает выполнять программу с отметки Start. В этой части программы производится начальная инициализация стека, регистров, портов ввода/вывода В и D, аналогового компаратора, восьмиразрядного таймера, устанавливаются частота следования импульсов на таймер, равная СК/8 (СК - тактовая частота, равная 5 МГц), и обработчик прерывания по переполнению таймера.

Поскольку переполнение таймера происходит каждый раз после поступления 256 (28) импульсов, обработчик прерывания вызывается 2441 раз в секунду. В результате излучающий светодиод переключается с частотой примерно 1221 Гц. Анализ же принятого отраженного сигнала производится один раз за 20 циклов таймера, т. е. с частотой 122 Гц.

Алгоритм управления работает следующим образом. Регистр r24 используется как счетчик с диапазоном значений от 0 до 240. При каждой проверке, если есть препятствие и значение счетчика меньше 240, оно увеличивается на 1, а если препятствия нет, уменьшается на такую же величину, пока не станет равным 0. Далее при значении счетчика от 0 до 16 выдается команда на движение вперед, от 17 до 31 - на остановку, а от 32 до 240 - на разворот. Такой алгоритм позволяет избежать ложных срабатываний и повышает вероятность полного объезда препятствия (разворот модели продолжается некоторое время и после его пропадания).

На регистре r27 организован счетчик разворотов, по которому каждый второй разворот делается в противоположную предыдущему сторону, а на регистре r18 - счетчик алгоритма управления электродвигателями. Он последовательно принимает значения от 0 до 3 с каждым вызовом прерывания. При О выключается правый двигатель, а при 2 - левый. Таким образом, снижается ток, потребляемый от батареи питания, благодаря чему возрастает время автономной работы модели от одной зарядки аккумуляторов до другой.

Коды программы в виде hex-файла приведены в табл. 2.

Полный текст программы на языке ассемблера

(нажмите для увеличения)

Налаживание устройства несложно. Вначале, отключив микроконтроллер разъединением частей разъема Х1, устанавливают на место батарею питания и, замкнув контакты выключателя Q1, измеряют напряжение на выходе стабилизатора DA1. Затем, подключив осциллограф к стоку транзистора VT3 и освещая фотодиод каким-либо источником ИК излучения (например, пультом дистанционного управления телевизором или видеомагнитофоном), убеждаются в работоспособности фотоприемника.

Остальные узлы при использовании исправных деталей и отсутствии ошибок в монтаже в налаживании не нуждаются. В завершение подсоединяют МК (при отключенном питании) и проверяют работоспособность устройства в целом. Чувствительность фотоприемника при необходимости регулируют подстроечным резистором R12.

Автор: П.Чечет, г.Василевичи Гомельской обл., Белоруссия

Смотрите другие статьи раздела Микроконтроллеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Сельскохозяйственные ГМО-культуры под угрозой 21.06.2012 Генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры, которые производят смертельные для насекомых-вредителей белки из бактерий Bacillus Thuringiensis (Bt) снизили использование токсичных инсектицидов, опасных для здоровья человека. Эти белки используются с 1996 года и являются смертельным для некоторых вредителей, но не вредят большинству других существ, включая человека. Тем не менее, оказалось, что насекомые приобретают устойчивость к Bt-белкам трансгенных культур точно так же, как и к инсектицидам. Чтобы задержать распространение "ГМО-устойчивых" вредителей, Агентство охраны окружающей среды (США) даже ввело требование сажать рядом с трансгенными обычные растения, без белка Bt. Таким образом у вредителей появляется возможность отказаться от ГМО-культуры в пользу обычной не модифицированной пищи. Это способствует выживанию восприимчивых к Bt-белку насекомых. Таким образом, если устойчивых вредителей будет меньше, они произведут на свет меньше опасного для ГМО-культуры потомства. Недавно ученые из Университета штата Северная Каролина провели подробное исследование и выяснили, что для предотвращения распространения устойчивых вредителей требуется сажать до 50% "чистых" не модифицированных культур рядом с ГМО-растениями, вырабатывающими один Bt-белок (Cry3Bb1), и 20% "чистых" растений рядом с ГМО-культурами с двумя различными типами Bt-белка. До сих пор Агентство охраны окружающей среды требовало посадки лишь 20% "чистых" растений рядом с сельхозкультурами с одним типом белка и 5% с двумя типами белков. Авторы исследования отмечают, что вредители, такие как блошка длинноусая, которая уничтожает кукурузу, очень быстро адаптируются и развивает устойчивость к Cry3Bb1. Для того, чтобы Bt-кукуруза оставалась "несъедобной" для вредителей, придется снизить количество генно-модифицированной кукурузы и использовать комбинированные методы воздействия, включая распыление инсектицидов и уничтожение насекомых с помощью приманок. В настоящее время на растениях с белком Cry3Bb1 выживают от 1 до 6% вредителей, которые приобрели устойчивость к генной модификации растений. На первый взгляд, совсем немного, но одна ферма может иметь миллионы этих насекомых, а значит - выживут и дадут потомство десятки тысяч. Если не принять срочных мер, в будущем опять придется вернуться к токсичным инсектицидам или искать новые, более сложные генные модификации сельхозкультур.

Другие интересные новости:

▪ Умная футболка предупредит астматический приступ

▪ Береза против холестерина

▪ Секрет жевания шоколада

▪ Новые твердотельные реле International Rectifier

▪ Бензопила с микропроцессором

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Биографии великих ученых. Подборка статей

▪ статья Каждый сам кузнец своей судьбы. Крылатое выражение

▪ статья Почему составленный из шин символ компании Michelin Бибендум белый, а не черный? Подробный ответ

▪ статья Стрихнос ядоносный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Преобразователь электронного пускорегулирующего аппарата, использующий самозащищенный переключательный транзистор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Расходомер топлива для автомобиля. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026