 |
|
Принципиальная схема.
Порты ввода-вывода и питание МК.
Рис. 1 Arduino Pro Mini.
На что нам следует обратить внимание? Первое – это питание схемы. Модель этого микроконтроллера питается от 5В. Это напряжение можно подать на ножку VCC. Но что делать, если батареи или аккумуляторы питания вашего робота дают большее напряжение, скажем 9 и более вольт? Для этого в схеме предназначен вход RAW, на него можно смело подавать до 14-15 вольт, но не больше, потому что внутренний стабилизатор напряжения Arduino начнет перегреваться и может выйти из строя. Оптимальным напряжением можно считать 9-12В. Его мы и будем использовать, потому что питание наших двигателей 9В. Для наших датчиков ринга и дальномера мы будем брать питание с ножки VCC. На ней будет уже стабилизированное напряжение 5 В. Следует понимать что, ток, который отдает стабилизатор не безграничен (800ma), нужно учитывать это при проектировании схемы и не запитывать мощные потребители тока, такие как двигатели и т.п.
Второе, что нам понадобится это порты широко-импульсной модуляции (ШИМ) (3,5,6,9,10,11). Четыре из них мы используем для управления двигателями, один для генерации звука и еще один у нас остается про запас.
И наконец, третье, на что обращаем внимание - это порты, которые могут обрабатывать аналоговые сигналы (АЦП). Их восемь, А0-А7, но нам понадобится четыре, а для начала даже два. Этими портами мы будем обрабатывать сигналы, поступающие с датчиков ринга.
Принципиальная схема.
В любом конструкторском деле без чертежей, схем и планов работ, не обойтись. Так же и в нашем случае. Прежде чем начать сборку устройства нам понадобится принципиальная схема. Ее можно нарисовать на клочке бумаги, в компьютере, и даже на стене. Я ее нарисовал сначала на бумаге, но для наглядности перенес в электронный вид при помощи программы SPlan 6.0.
Рис. 2 Принципиальная схема.
Для того чтобы не путаться в процессе монтажа деталей и при моделировании печатной платы, ножки на контроллере я расположил точно так же как на Ардуино Рис. 1.
Как было сказано выше, питанию мы уделим первостепенное значение. Мы будем использовать четыре элемента АА по 1,5В каждый. Когда батарейки новые, на выходе мы получим 6.4-6.5в, но даже этого маловато для питания двигателей, и для входного напряжения стабилизатора микроконтроллера. Поэтому мы будем использовать еще один готовый модуль – импульсный DC/DC повышающий преобразователь Рис.3. Его стоимость не высокая, да и работать с ним достаточно просто.
Рис.3. Импульсный DC/DC повышающий преобразователь
На вход IN преобразователя мы подаем питание с батареек, а с выхода OUT забираем повышенное напряжение. При помощи построечного сопротивления его можно регулировать. Для этого нужно подключить мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, и установить построечным сопротивлением 9.5 – 10 В. С выхода преобразователя питание пойдет на драйвер двигателей и на вход микроконтроллера RAW. Для питания датчиков ринга и датчика расстояния Ultrasonic, мы будем брать питание 5В (ножка МК VCC).
Далее необходимо подключить драйвер двигателей к ШИМ выходам Ардуино. Я не буду останавливаться на принципе работы ШИМ микроконтроллера, в Интернете достаточно подробного материала на эту тему, но говоря простым языком, подключение драйвера двигателей к ШИМ, позволит нам программно управлять их скоростью, от минимума к максимуму и наоборот. Двигатель М1 мы подключаем к выходу (3,5) а М2 к (6,9). Выход 10 МК мы будем использовать для подключения «пищалки» или зуммера ВА1. Особой премудрости в подключении нет.
Ультразвуковой дальномер Ultrasonic мы подключаем к выводу 2 (Echo) и к выводу 4 (Trig). Питание дальномера осуществляется от 5В, вывод VCC Ардуино. Принцип работы дальномера заключается в следующем: по команде микроконтроллера на вход Trig подается некий импульс, он преобразуется в ультразвуковую частоту одним из «глазков» сенсора. Как только излучатель выдал ультразвуковой импульс, встроенная схема сенсора включает счетчик времени и ждет возвращения отраженного сигнала, который принимается вторым «глазком». Результат преобразуется в некое значение, и возвращается в МК через выход Echo. Программа микроконтроллера преобразует это значение в понятную нам метрическую систему - сантиметры.
И напоследок у нас остались только ИК датчики для определения края ринга. Обычно это инфракрасный (ИК) светодиод и фототранзистор, так сказать оптическая пара. Принцип работы такого датчика весьма прост. ИК светодиод излучает свет, который, отражаясь от поверхности, улавливается фототранзистором. Чем светлее отражаемая поверхность, тем сильнее откроется фототранзистор. Коллектор транзистора, подключен к входу АЦП контроллера, он то и определит, на сколько сильно откроется транзистор. АЦП нашего контроллера 10 битный, то есть его значение при напряжении 5В на входе равно 1024.
Рис.4 Работа АЦП МК
На рисунке 4 изображен принцип работы АЦП в режиме измерения. Когда транзистор закрыт, через сопротивление R2 на вход АЦП поступает положительное напряжение, оно будет равно напряжению питания и опорному напряжению МК. Транзистор закрыт из-за того что на его базу не поступает достаточное количества света. Отражающая поверхность темная. Когда на транзистор поступает достаточное количество света (светлая поверхность), он открывается, напряжение на входе АЦП падает, стремясь к нулю. Соответственно значение самого АЦП так же будет уменьшаться. В итоге нам нужно только будет получить значение АЦП, проанализировать его и определить цвет поверхности ринга. Следует учитывать, что даже самая темная поверхность что-то да отражает. В процессе моих экспериментов значение темной поверхности колебались в пределах 700-850, а светлой 28-30. Этого вполне достаточно чтобы определить светлую и темную поверхность. Но в любом случае эти параметры подбираются экспериментально или при помощи программы калибровки, ведь датчики у всех могут быть разными. Подбирая сопротивление R1, мы можем регулировать яркость ИК светодиода, при напряжении 5В номинал может быть в пределах 180-330 Ом. Значение сопротивления R2 в пределах 10-56К.
Совсем забыл сказать про еще два датчика, которые у нас есть на принципиальной схеме. Пока их мы не будем использовать, оставим их, так сказать на случай модернизации, но печатную плату для них все же разработаем. Возможно, это будет задние или боковые датчики, которые смогут определить, с какой стороны произойдет атака противника. Возможно, кто-то захочет добавить еще датчиков для полноценного следования по линии. Вариантов для творчества достаточно.
К выводам 7 и 8 Ардуино подключены обычные светодиоды. Можно их использовать как фары. Так как у нас есть еще свободные АЦП входы можно поставить делитель напряжения и замерять емкость батарей, а светодиодами сигнализировать об их состоянии (красный-разряжены, зеленый-норма).