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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Lunokhod con controllo a microcontrollore. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / microcontrollori Il dispositivo descritto è stato sviluppato per dimostrare le capacità dei sistemi software e hardware per il controllo di oggetti in movimento. L'oggetto era un "rover lunare" giocattolo per bambini con un telecomando a filo, azionato da due motori elettrici DC e che permetteva di controllarli separatamente. Quando l'alimentazione è accesa, il modello inizia ad andare avanti. Allo stesso tempo, il trasmettitore e il ricevitore di radiazione IR pulsata montati al suo interno vengono accesi. Il movimento continua fino a quando l'intensità del segnale IR riflesso supera la soglia impostata, che indica la presenza di un ostacolo sul percorso. Quando ciò accade, il modello ruota finché il segnale riflesso non scende al di sotto di questa soglia, dopodiché continua in avanti e così via. Nella figura è mostrato un diagramma schematico del complesso hardware-software per il controllo del modello "Lunokhod". Si basa sull'economico microcontroller (MC) CMOS a otto bit AT90S2313 (DD1) costruito utilizzando l'architettura avanzata AVR RISC. La frequenza di clock è impostata dal risonatore al quarzo ZQ1 a una frequenza di 5 MHz (può essere qualsiasi altra, fino a 10 MHz). Un circuito del resistore R13 e del condensatore C12 serve a resettare l'MK nel momento in cui viene accesa l'alimentazione. Viene introdotto il connettore X1 per la connessione e la disconnessione rapida dell'MK e del resto del dispositivo, nonché per il collegamento dell'MK a un computer per aggiornare il programma o diagnosticare il lavoro.
Oltre al microcontrollore, il dispositivo contiene un trasmettitore di radiazione IR pulsata (VT4, VD2), un ricevitore di radiazione riflessa da un ostacolo, costituito da un fotodiodo VD1, un amplificatore a due stadi (VT1, VT2) e un rivelatore sincrono (VT3), e quattro interruttori elettronici (1VT1 - 1VT3, ..., 4VT1 - 4VT3). Il dispositivo è alimentato da una batteria composta da quattro batterie Ni-Cd di dimensione C con una capacità di 1500 mAh, installate nell'apposito vano nel modello. La tensione di alimentazione del microcontrollore e del ricevitore IR è mantenuta da un regolatore di tensione del microcircuito invariato DA1. Durante il funzionamento, vengono ricevuti impulsi con una frequenza di ripetizione di circa 0 Hz dall'uscita della porta PD4 alla base del transistor VT1220. Di conseguenza, si apre periodicamente e il diodo luminoso VD2 incluso nel suo circuito collettore crea una radiazione IR che pulsa con una frequenza specificata nella direzione del movimento del modello. Il resistore R7 limita la corrente attraverso la giunzione dell'emettitore del transistor e protegge l'uscita della porta MK da danni durante la rottura di questa giunzione. La corrente massima attraverso il LED è limitata dal resistore R9. La radiazione IR riflessa dall'ostacolo viene percepita dal fotodiodo VD1 collegato in parallelo al resistore R2, attraverso il quale viene effettuata la retroazione in corrente continua, coprendo l'amplificatore a due stadi sui transistor VT1, VT2. Gli impulsi di tensione dal collettore del transistor VT2 vengono inviati a un rilevatore sincrono realizzato su un transistor ad effetto di campo VT3. Il suo utilizzo è dovuto al fatto che durante il funzionamento del localizzatore, il resistore R3 crea non solo oscillazioni con una frequenza di circa 1220 Hz, ma anche increspature con una frequenza di 100 Hz da lampade a incandescenza, nonché interferenze casuali sia nella gamma visibile che IR dello spettro. Il livello di queste interferenze è spesso commisurato al livello di radiazione infrarossa riflessa dall'ostacolo e, se non vengono prese misure speciali, ciò può portare alla rilevazione di un falso ostacolo. Per prevenire tali errori, è stato utilizzato un rilevatore sincrono. Il suo ingresso (il gate del transistor VT3) è collegato alla stessa porta (DO) dell'ingresso del trasmettitore, quindi, in sincronia con i lampeggi del LED VD2, si apre il transistor VT3, che collega l'uscita dell'amplificatore sui transistor VT1, VT2 a uno degli ingressi del comparatore MK (PB0 / AIN0). La tensione esemplare all'altro suo ingresso è impostata da un resistore sintonizzato R12, regolando così la sensibilità del dispositivo al segnale riflesso. Il funzionamento dei motori elettrici del modello MK è controllato dalle chiavi elettroniche S1 - S4. Considera il lavoro di uno di loro, ad esempio il primo (gli altri si comportano allo stesso modo). Quando la tensione di ingresso è inferiore a 0,6 V (log. 0), i transistor 1VT1 e 1VT3 sono chiusi e 1VT2 è aperto, quindi la tensione in uscita e l'uscita del motore M1 ad esso collegato è vicina alla tensione della batteria di alimentazione GB1. Sottomissione all'input del registro a livello di chiave. 1 provoca l'apertura del transistor 1VT1, a causa della quale 1VT2 si chiude e 1VT3 si apre e la tensione di uscita si avvicina a 0. Il resistore 1R1 limita la corrente consumata dalla chiave dall'uscita MK a un valore di circa 3 mA, che è molto inferiore alla corrente di uscita consentita (20 mA a livello di log. 0 e 10 mA a livello di log. 1). La resistenza del resistore 1R2 è selezionata in modo tale da fornire, da un lato, una corrente di uscita sufficiente del tasto quando 1VT2 è aperto e, dall'altro, in modo che la corrente attraverso il transistor aperto 1VT1 non sia troppo grande. Poiché i motori elettrici utilizzati nel modello consumano una corrente molto elevata (circa 600 mA) e creano un intenso rumore impulsivo, è stato necessario sostituirli con motori DPB-902 più economici e con meno interferenze. È possibile utilizzare altri motori elettrici da collettore da registratori e registratori radio. Per la gestione delle chiavi elettroniche vengono utilizzate quattro cifre di ordine elevato della porta B: РВ7, РВ6, РВ5 e РВ4. Il funzionamento del trasmettitore IR è controllato dal bit meno significativo della porta D - PD0, i due bit meno significativi della porta B (PB0 e PB1) sono configurati e utilizzati rispettivamente come ingressi diretti e inversi del comparatore analogico. Come si vede dallo schema, per accendere, ad esempio, il motore elettrico M1, è necessario aprire uno dei tasti S1, S2 e chiudere l'altro. Se apri o chiudi entrambi i tasti, le tensioni alle loro uscite saranno le stesse, quindi la tensione sul motore elettrico sarà 0. Se apri il tasto S1 e chiudi S2, l'uscita sinistra (secondo lo schema) del motore sarà collegata al positivo della batteria, e quello giusto - con il suo meno, e inizierà a ruotare in una direzione. Se invece si apre S2 e si chiude S1, la polarità di collegamento del motore sarà invertita ed esso inizierà a ruotare in senso contrario. L'inclusione software si effettua scrivendo sulla porta B delle costanti indicate in Tabella. 1.
Il controllo software del trasmettitore di radiazioni IR viene eseguito scrivendo un certo numero sulla porta D dell'MK. Se il bit meno significativo di questo numero è 0, il LED VD2 è spento, se è 1, è acceso. Il cambiamento sequenziale dei valori di questo bit porta al verificarsi di un livello di illuminazione pulsante davanti al modello nella parte IR dello spettro. Il livello di radiazione riflessa viene fissato da un fotosensore e, man mano che aumenta, viene ipotizzata la presenza di un ostacolo davanti. La particolarità del programma è che l'algoritmo di controllo è inserito nel gestore del timer MK. Ciò è dovuto al fatto che è necessario accendere il LED che emette con una certa frequenza costante e, per semplificare il programma, viene inserito l'algoritmo di controllo. Dopo che è stato dato un segnale di reset nel momento in cui l'alimentazione è accesa, l'MK inizia l'esecuzione del programma dal segno Start. In questa parte del programma vengono inizializzati lo stack, i registri, le porte I/O B e D, il comparatore analogico, il timer a otto bit, la frequenza di ripetizione dell'impulso per il timer è impostata su CK / 8 (CK - frequenza di clock pari a 5 MHz) e il gestore di interrupt di overflow del timer. Poiché il timer va in overflow ogni volta dopo 256 (28) impulsi, il gestore di interrupt viene chiamato 2441 volte al secondo. Di conseguenza, il LED che emette commuta a una frequenza di circa 1221 Hz. L'analisi del segnale riflesso ricevuto viene eseguita una volta ogni 20 cicli del timer, ovvero con una frequenza di 122 Hz. L'algoritmo di controllo funziona come segue. Il registro r24 viene utilizzato come contatore con un intervallo di valori da 0 a 240. Ad ogni controllo, se c'è un ostacolo e il valore del contatore è inferiore a 240, aumenta di 1, e se non c'è ostacolo, diminuisce della stessa quantità fino a diventare uguale a 0. Inoltre, con un valore del contatore da 0 a 16, viene emesso un comando per andare avanti, da 17 a 31 - per fermarsi e da 32 a 240 - per tornare indietro . Un tale algoritmo evita falsi positivi e aumenta la probabilità di un completo bypass di un ostacolo (il modello si gira per un po' di tempo anche dopo che è scomparso). Sul registro r27 è organizzato un contatore di giri, secondo il quale ogni secondo giro viene effettuato nella direzione opposta a quella precedente, e sul registro r18 - un contatore dell'algoritmo di controllo del motore. Assume sequenzialmente valori da 0 a 3 ad ogni chiamata di interrupt. A O, il motore destro è spento e a 2, il motore sinistro. Pertanto, la corrente consumata dalla batteria viene ridotta, aumentando così la durata della batteria del modello da una carica all'altra. I codici del programma sotto forma di un file esadecimale sono riportati nella tabella. 2. Testo completo del programma in linguaggio assembly
La configurazione del dispositivo è semplice. Innanzitutto, spegnendo il microcontrollore scollegando le parti del connettore X1, installare la batteria in posizione e, chiudendo i contatti dell'interruttore Q1, misurare la tensione all'uscita dello stabilizzatore DA1. Quindi, collegando l'oscilloscopio al drain del transistor VT3 e illuminando il fotodiodo con una sorgente di radiazione IR (ad esempio un telecomando per una TV o un videoregistratore), si assicurano che il fotorilevatore funzioni. I nodi rimanenti, quando si utilizzano parti riparabili e l'assenza di errori nell'installazione, non devono essere regolati. Infine, l'MK è collegato (con l'alimentazione spenta) e viene verificata l'operatività del dispositivo nel suo insieme. La sensibilità del fotorilevatore, se necessario, regola il resistore di sintonia R12. Autore: P. Chechet, Vasilevichi, regione di Gomel, Bielorussia
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