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:

Ранняя Вселенная не была ледяной 28.11.2025

Понимание того, как формировались первые структуры во Вселенной, требует взгляда в эпохи, в которых не существовало ни звезд, ни галактик, ни привычных нам источников света. Научные группы по всему миру пытаются восстановить картину тех времен при помощи слабейших радиосигналов, оставшихся от водорода, который наполнял космос вскоре после Большого взрыва. Новые результаты, полученные на радиотелескопе Murchison Widefield Array в Австралии, неожиданным образом меняют представление об этих ранних этапах. Сразу после Большого взрыва, произошедшего около 13,8 миллиарда лет назад, пространство стремительно расширялось и остывало. Через несколько сотен тысяч лет образовался нейтральный водород, и началась так называемая эпоха тьмы, когда Вселенная была лишена источников излучения. Лишь значительно позже гравитация собрала газ в плотные области, где зародились первые звезды и ранние черные дыры, а их интенсивное излучение привело к реионизации водорода и окончательному появлению света. ...>>

Устройство идеальной очистки воздуха 28.11.2025

Качество воздуха в закрытых помещениях давно стало важнейшим фактором здоровья, особенно в городах, где люди проводят подавляющую часть времени внутри зданий. В последние годы исследователи уделяют все больше внимания именно тем технологиям, которые способны задерживать или разрушать вредоносные частицы до того, как они попадут в дыхательные пути человека. Одним из таких новаторских направлений стала разработка инженеров Университета Британской Колумбии в Оканагане, которые предложили принципиально иной подход к очистке воздуха в присутствии людей. По словам профессора Школы инженерии доктора Санни Ли, традиционные персонализированные вентиляционные системы действительно могут улучшать качество воздуха вокруг пользователя, однако их принцип работы имеет ряд ограничений. Человек вынужден находиться в строго определенной зоне, а одновременное использование одной системы несколькими людьми снижает эффективность. Кроме того, непрерывный поток сухого очищенного воздуха способен вызывать ...>>

Ощущение текстуры через экран гаджета 27.11.2025

Гаджеты научились передавать изображение и звук с впечатляющей реалистичностью, но тактильные ощущения по-прежнему остаются недоступными для полноценной цифровой симуляции. Именно поэтому инженеры и исследователи во всем мире стремятся создать технологии, которые позволят "почувствовать" виртуальный объект так же естественно, как и настоящий. Новая разработка специалистов Северо-Западного университета США стала одним из самых заметных шагов в этом направлении. Возглавлявшая исследование аспирантка Сильвия Тан (Sylvia Tan) подчеркивает, что прикосновение остается последним фундаментальным чувственным каналом, для которого пока нет зрелого цифрового аналога. По ее словам, если визуальные и звуковые интерфейсы давно обеспечивают высокую степень реалистичности, то осязание лишь начинает приближаться к этому уровню. В недавней публикации в журнале Science Advances Тан отмечает, что новая технология способна изменить само представление о взаимодействии человека с устройствами. Разработ ...>>

Случайная новость из Архива Боевой лазер HELIOS 20.01.2021 ВМС США получил боевой лазер для монтажа на боевой корабль. Система HELIOS будет смонтирована на эскадренном миноносце USS Preble (тип "Арли Берк") в период его технического обслуживания. Тем самым ВМС США получат единственную в мире уникальную боевую лазерную установку для испытаний в реальных условиях. Система HELIOS или высокоэнергетический лазер с интегрированными системами оптического ослепления и наблюдения представляет собой составной источник качественного лазерного излучения. Это волоконно-оптический лазер на основе технологии спектрального сложения, когда несколько отдельных лазеров соединяются для формирования луча повышенной мощности (почти как у "Звезды смерти", но поменьше). Мощность установки HELIOS превысила 60 кВт, что выше заявленной в проекте. К слову, составные лазеры отлично масштабируются, что позволяет создать установку для сухопутного, мобильного или воздушного базирования со своими специфическими требованиями. Подобные проекты разрабатывают в других странах, например, в Германии. Для поражения небольших воздушных и надводных целей это считается идеальным решением как с точки зрения экономии боеприпасов, так и с позиций скорости и точности поражения целей.

Другие интересные новости:

▪ Противозачаточные таблетки влияют на чувство страха

▪ Открытие нового миллисекундного пульсара в шаровом скоплении Terzan 6

▪ Найден метод значительного увеличения сил оптического взаимодействия

▪ Вокруг света за 46 дней

▪ Двойной объектив для съемки VR-контента от Canon

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Детская научная лаборатория. Подборка статей

▪ статья Петь Лазаря, Беден как Лазарь. Крылатое выражение

▪ статья Как арабы пишут и читают цифры? Подробный ответ

▪ статья Начальник службы инкассации банка. Должностная инструкция

▪ статья Жидкий клей Синдетикон. Простые рецепты и советы

▪ статья Занимательные опыты дома. Энциклопедия

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025