Организация сопряжения датчиков с аналоговым выходом с ПК и демонстрацией в matlab

Каждая компания или фирма, которая проектирует и конструирует роботов, использует определенный набор средств, позволяющий решать задачу позиционирования в определенных условиях.

Для этого подбирается управляющий узел (микроконтроллер, ЭВМ) и набор датчиков и модулей. На рынке представлено множество готовых модулей, которые напрямую подключаются к микроконтроллеру, что существенно облегчает задачу разработки устройства.

Как правило, конструктивные особенности роботов для решения тех или иных задач накладывают ряд ограничений. Это может быть разная реализация поворотного механизма. Различные габариты платформы и мощность двигателей, скорость движения, маневренность, рабочая среда и т.д.

Поэтому разработчики берут в расчет конструктивные особенности и применяют уже конкретные модули для решения поставленных задач.

Алгоритм движения робота по прямой траектории с GPS данных

В качестве одно из вариантов траектории движения - “Гауссом” (работа комбайна на поле).

1. Устанавливаем робота вручную в нужном нам направлении для прохождения заданной нами траектории (длина прямого участка траектории гауссом, и количество таких участков).

2. По цифровому компасу будет определено и передано на МК направление в статике, а также глобальные координаты по GPS.

3. Зная вектор между текущей точкой и конечной, а также вектор текущего движения робота, можно корректировать движение робота при отклонении от заданной траектории:

• Вычисляем вектор текущего направления

• Вычисляем вектор от робота к нужной точке. Этот вектор разворачиваем на 90 градусов.

• Тогда при параллельности, а следовательно и истинности направления движения, скалярное произведение вектора текущего направления и вектора от робота до конечной точки будет равно нулю. Управляющее воздействие не подаем на рулевой механизм.

• При отклонениях траектории скалярное произведению будет в пределах от -1 до 1. Так как вектор от робота к нужной точке развернули на 90 градусов, то при отклонении робота вправо результирующий угол между векторами будет (90°+О). То есть скалярное произведение будет отрицательным, и как следствие при значении скалярного произведения от -1 до 0 нужно подворачивать влево. И наоборот, со значениями скалярного произведения векторов от 0 до 1, подворачивать вправо.

• В зависимости от значения подаем управляющее воздействие на поворотный механизм. Изменяем скважность сигнала ШИМ, подавая его на сервопривод, пропорционально отклонению. Чем больше значение по модулю, тем больше управляющее воздействие соответственно. От знака скалярного произведения зависит направления “подворота” (отрицательное - поворот влево, положительное - поворот вправо).

Заключение

В ходе данной работы был подключен GPS модуль к микроконтроллеру. Разработан алгоритм движения робота по GPS. В перспективе будет рассмотрена более сложная траектория с повышением точности позиционирования.

Литература

1. Блог: Arduino [Электронный ресурс]. URL: http://arduino.ru/ Режим доступа: свободный (дата обращения: 15.01.2015).

2. Datasheet на GPS модуль Ublox 6m.

3. Datasheet на микроконтроллер ATmega328.

References

1. Blog: Arduino [Jelektronnyj resurs]. URL: http://arduino.ru/ Rezhim dostupa: svobodnyj (data obrashhenija: 15.01.2015).

2. Datasheet na GPS modul' Ublox 6m.

3. Datasheet na mikrokontroller ATmega328.

Черных А.А.

Студент, НИ Томский политехнический университет

ОРГАНИЗАЦИЯ СОПРЯЖЕНИЯ ДАТЧИКОВ С АНАЛОГОВЫМ ВЫХОДОМ С ПК И ДЕМОНСТРАЦИЕЙ В

MATLAB

Аннотация

В данной работе будет описана организация сопряжения датчиков с компьютером. Большая группа датчиков - аналоговые, то есть датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины. Анализ и обработку полученных данных, а также контроль оборудования удобно производить на компьютере. Связь датчиков с ПК целесообразно осуществлять через микроконтроллер по UART интерфейсу с демонстрацией в программе Matlab.

Ключевые слова: микроконтроллер, аналоговый датчик, АЦП, UART интерфейс.

Chernykh A.A.

Student, Tomsk Polytechnic University

ORGANIZATION OF INTERFACE WITH SENSORS WITH ANALOG OUTPUT AND PERSONAL COMPUTER WITH

DEMONSTRATION IN MATLAB

Abstract

This article describes a realization of sensor-computer interface. A large group of sensors are analog, i.e. sensors generating analog signals proportional to the change of input value. Data Analysis and processing as well as device control can be easily performed on a computer. Sensor and computer connection made through microcontroller using UART interface with demonstration in MatLab program.

Keywords: microcontroller, analog sensor, ADC, UART interface.

Введение

За последние годы в связи с заметным уменьшением природных ресурсов, тревожными глобальными изменениями климата и ростом численности населения Земли, роль автоматизации всё больше усиливается, а сферы её применения непрерывно расширяются.

На сегодняшний день практически не существует технических устройств, которые не содержат элементов автоматики -начиная от простых устройств, используемых в быту, и заканчивая сложнейшими промышленными установками.

Практически в каждой автоматической системе присутствуют различные сенсоры. Широко распространены датчики с аналоговым выходом. Для удобства обработки данных, а также для контроля производства с ПК требуется передача данных с установок на главный компьютер. В данной работе реализуется и тестируется один из таких вариантов.

Сборка и программирование устройства с передачей данных на ПК

Для сборки данного устройства была выбрана следующая элементная база: плата с микроконтроллером Atmega 16, макетная плата, резистор 5 Ком, соединительные провода, переходник USB - UART.

Собранная схема устройства представлена на рисунке 1. Потенциометр 5кОм, имитирующий датчик с аналоговым выходом, подключен к порту PA0 микроконтроллера для измерения напряжения.

34

Программа написана в среде Atmel Studio 6.0 на языке C++. Применялась следующая периферия, встроенная в МК: UART, АЦП, TIMER.

Рис. 1 - Монтаж схемы

Настройки UART

Выводы микроконтроллера, используемые модулем UART, являются линиями порта PD. В качестве входа приемника (RXD) используют вывод PD0, а в качестве выхода передатчика (TXD) - вывод PD1.

Для корректной работы и своевременной передачи данных с МК на ПК необходимо настроить UART в МК. Один из

F и

основных регистров - UBRR. Его значение находится по формуле: UBRR = ^ — 1, где Fck - тактовая частота

микроконтроллера, BAUD - скорость передачи данных МК модуля в бодах, 16 - для обычного асинхронного режима (8 - для ускоренного).

Также следует настроить следующие регистры:

UCSRB |= (1 << TXEN) | (1 <<RXEN);

Выставление данных битов в единицы разрешает прием и передачу данных.

Аналого-цифровой преобразователь

Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код. В данной работе используется 10-битное АЦП.

Основные настройки:

Используется первый канал АЦП, а также в качестве референса - потенциал, поданный на вывод AVCC.

ADMUX = 0x00|(1<<ADLAR)|(1<<REFS0);

Включаем АЦП и запускаем одиночное преобразование, включаем прерывание по окончанию преобразования.

ADCSRA = 0xCD.

Вывод данных на ПК

Для вывода данных была использована математический пакет matlab. В COM - порт передаются данные с МК по интерфейсу UART. Была написана программа на обработку данных, и вывод значений напряжения с потенциометра в виде графика в реальном времени (Рис.2).

35

Заключение

В результате проведенной работы было собрано устройство сопряжения датчиков с компьютером на основе UART интерфейса.

Проведены лабораторные испытания, заменив датчик на потенциометр. Данные были выведены в виде графика от времени через математический пакет Matlab. При доработке ПО и аппаратной части, данное устройство возможно применять с разными датчиками для решения различных задач по анализу и мониторингу процессов в автоматических системах.

Литература

1. Электронная энциклопедия [Электронный ресурс].ЦКЬ: https://ru.wikipedia.org Режим доступа: свободный (дата обращения: 05.01.2015).

2. Datasheet на микроконтроллер AT mega 16.

3. Сайт: MathWorks - Центр компетенций [Электронный ресурс]. URL: http://matlab.exponenta.ru/ Режим доступа: свободный (дата обращения: 25.12.2014).

References

1. Jelektronnaja jenciklopedija [Jelektronnyj resurs].URL: https://ru.wikipedia.org Rezhim dostupa: svobodnyj (data obrashhenija:

05.01.2015).

2. Datasheet na mikrokontroller AT mega 16.

3. Sajt: MathWorks - Centr kompetencij [Jelektronnyj resurs]. URL: http://matlab.exponenta.ru/ Rezhim dostupa: svobodnyj (data obrashhenija: 25.12.2014).

Черных А.А.

Студент, НИ Томский политехнический университет

РАЗРАБОТКА СИЛОВОГО МОДУЛЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА НА ОСНОВЕ

СХЕМЫ H-МОСТ

Аннотация

В данной работе будет описан расчет и сборка усилителя на основе биполярных транзисторов. Подбор элементной базы, которая соответствовала нагрузке, и обеспечивалась стабильная работа. Тестирование данного силового модуля под управлением МК Atmega16.

Ключевые слова: транзистор, эмиттер, база, коллектор, оптопара, гальваническая развязка, двигатель, микроконтроллер.

Chernykh A.A.

Student, Tomsk Polytechnic University

DEVELOPMENT OF DC-MOTOR CONTROL MODULE, BASED ON H-BRIDGE SCHEME

Abstract

This article describes the calculation and assembly of the amplifier based on bipolar transistors. Selection of new elements, which correspond to the load, and ensures stable operation. Testing of the power module running controlled by Atmega16 microcontroller.

Keywords: emitter, base, collector, opto-galvanic isolation, motor, microcontroller.

Введение

Усилитель является одним из основных узлов различной аппаратуры в устройствах автоматики, телемеханики, вычислительной и информационно-измерительной техники. Электронный усилитель - это устройство, преобразующее маломощный электрический сигнал на входе в сигнал большой мощности на выходе с минимальными искажениями формы.

Усиление мощности сигнала осуществляется за счет потребления усилителем энергии от источника питания.

Выбор структуры усилителя

Так как требуемый коэффициент усиления достигает нескольких сотен, то целесообразно составлять усилитель из нескольких простейших усилителей. Такие простейшие усилители называются усилительными каскадами.

Принцип работы и расчет силового модуля

Как правило, управление двигателем постоянного тока осуществляется изменением напряжения, подаваемого на концы обмотки якоря. Для реверсирования двигателя необходимо менять полярность этого напряжения. Для этого используется мостовая схема: Н-мост (драйверы двигателей), состоящая из четырех силовых ключей (в некоторых случаях 2х управляющих дополнительно) и управляющих элементов. Управляющий сигнал, подаваемый на силовую часть схемы, генерируется с помощью микроконтроллера. Для изменения напряжения (аналогового сигнала) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Микроконтроллер генерирует ШИМ-сигнал с определенным коэффициентом заполнения (см. рис. 1).

Коэффициент заполнения определяет среднее значение напряжения, которое может составлять от 0 до 5В на выводе микроконтроллера, что соответствует 0..7,2В, подаваемым на обмотку якоря двигателя, а также необходимый ток, так как микроконтроллер подает очень маленький ток. На графике показаны сигналы с коэффициентом заполнения 0,25 и 4.

Пунктирная линия соответствует средним значениям напряжения - 1В и 4В соответственно. Коэффициент заполнения устанавливается с помощью установки значения регистра в AVR микроконтроллере ATmega16 - OCR1AL (для 8-битного ШИМ, который используется для управления двигателем). Это позволяет установить 256 различных скоростей вращения электродвигателя. Значению OCR1AL = 0 соответствует среднее напряжение на выводе OC1A 0В, значению OCR1AL = 255 соответствует напряжение 5В. Частота ШИМ-сигнала составляет 4 000 000 / 256 = 15 625 Гц.

Силовая часть мостовой схемы приведена на рисунке 2. Она состоит из четырех силовых транзисторов, двух управляющих транзисторов, резисторов, ограничивающих базовые токи, шунтирующих диодов и гальванической развязки в виде двух оптопар. Питание Н-моста происходит от блока питания, подающего постоянное напряжение +7,2В относительно земли.

Рассчитываем параметры для маломощного ДПТ, потребляемого ток до 1А и напряжением 7,2В.

13= 14 = 1А (max) ; Упит = 7,2 В; Увх1 = Увх2 = 5 В

Максимальный коллекторный ток на силовых транзисторах (при пуске двигателя) составляет 2 А. Чтобы обеспечить переход транзисторов в режим насыщения, базовый ток должен быть не меньше:

f = = — = 0,067А , где h2l3 для (VT1); /2 = f = 0,067А

ft2l3 15

36