Добавлен: 26.04.2024
Просмотров: 25
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
2.2. Разработка структурной и электрической принципиальной схем.
Структурная схема (см. рис. 2) – это совокупность элементарных звеньев объекта и связей между ними, один из видов графической модели. Под элементарным звеном понимают часть объекта, системы управления и т. д., которая реализует элементарную функцию. Она предназначена для отражения общей структуры устройства, то есть его основных блоков, узлов, частей и главных связей между ними. Из структурной схемы должно быть понятно, зачем нужно данное устройство и что оно делает в основных режимах работы, как взаимодействуют его части.
Рис. 2
Управление происходит через микроконтроллер Arduino - компактная платформа для прототипирования микроэлектронных устройств, предназначенная для использования с макетной платой. Функционал устройства во многом схож с Arduino UNO и отличается от нее лишь размерами платы и отсутствием отдельного разъема для питания.
Основа Arduino - микроконтроллер на базе ATmega328, логическая микросхема для обработки данных с тактовой частотой 16 МГц, имеющая на борту 8 аналоговых и 14 цифровых контактов общего назначения, а также все необходимые интерфейсы: I2C, SPI и UART.
Блок питания – во всех перечисленных схемах требуется блок питания 5В как основной или дополнительный источник. Наш БП 5 В будет трансформаторным.
Ввод будет производиться при помощи инфракрасного датчика, когда наша рука окажется в диапазоне видимости датчика будет срабатывать мотор.
Вывод – экран. При подачи питания на устройство на экране появляется надпись «CLOSE» и загорается красный светодиод, при поднесении руки к инфракрасному датчику надпись меняется на «OPEN» и загорается зеленый светодиод.
Принципиальная схема (см. рис. 3) устройства раскрывает основные особенности схемотехнического построения разрабатываемого устройства. Принципиальная электрическая схема автоматизации – это проектный документ, определяющий полный состав электрической части и связей между ее элементами, а также дающий детальное представление о принципах работы системы.
Принципиальные схемы служат основанием для разработки других чертежей, а также используются при наладке и эксплуатации систем автоматизации. Они разрабатываются в соответствии с техническим заданием и на основании решений, принятых в функциональной схеме автоматизации. На чертежах принципиальных электрических схем должны изображаться элементные схемы управления.
Принципиальная схема в отличие от разводки печатной платы не показывает взаимного (физического) расположения элементов, а лишь указывает на то, какие выводы реальных элементов (например, микросхем) с какими соединяются.
Рис. 3
2.3. Выбор и анализ элементной базы.
В таблице (см. табл.1) указана элементная база, использованная при создании устройства.
Таблица 1. Элементная база
| U1 | 1 | Arduino Uno R3 |
| U2 | 1 | ЖК-экран (16 x 2) |
| Rpot1 | 1 | 10 kΩ Потенциометр |
| SERVO1 | 1 | Микросервопривод |
| D1 | 1 | Красный Светодиод |
| D2 | 1 | Зеленый Светодиод |
| R1 R2 R3 | 3 | 220 Ω Резистор |
| PIEZO1 | 1 | Пьезоэлемент |
| R4 | 1 | 1 kΩ Резистор |
| DIST1 | 1 | Ультразвуковой датчик расстояния |
Рис. 4 – Arduino UNO
Arduino Uno контроллер построен на ATmega328 . Платформа имеет 14 цифровых вход/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи. В отличие от всех предыдущих плат, использовавших FTDI USB микроконтроллер для связи по USB, новый Ардуино Uno использует микроконтроллер ATmega8U2
Рис. 5 – ЖК-экран
Бывают разного размера, самый популярный – 1602 (16 столбцов 2 строки), есть ещё 2004, 0802 и другие. В наборе идёт 1602. Снабжён отключаемой светодиодной подсветкой.
Существует несколько вариантов, например синий фон белые буквы, зелёный фон чёрные буквы, чёрный фон белые буквы и проч. В наборе идёт с зелёным фоном и чёрными буквами. Сам по себе требует для подключения 6 цифровых пинов, но китайцы выпускают переходник на шину I2C на базе PCF8574, что сильно упрощает подключение и экономит пины. В наборе идёт дисплей с припаянным переходником. На переходнике также распаян потенциометр настройки контрастности (синий параллелепипед с крутилкой под крестовую отвёртку). В зависимости от напряжения питания нужно вручную подстроить контрастность. Например при питании платы от USB на пин 5V приходит 4.7V, а при внешнем питании от адаптера – 5.0V. Контрастность символов на дисплее будет разной.
Рис. 6 – Потенциометр
Потенциометр - регулируемый делитель электрического напряжения.
Потенциометр чаще всего используется в двух целях: В качестве элементов управления и в качестве подстроечных элементов. Потенциометры как правило поворачиваются на один оборот, но бывают и многооборотистые, а так же и линейные. Подключим потенциометр у плате Arduino, появляется возможность отслеживать текущее состояние потенциометра и производить какие либо действия в зависимости от текущего положения. Например регулировать яркость светодиода, или скорость двигателя, и многое другое.
Рис. 7 – Микросервопривод
Сервопривод — это электродвигатель с блоком управления, который за счёт обратной связи может точно поддерживать заданное положение вала или постоянную скорость вращения. Сервоприводы используются, чтобы аккуратно приводить в действие различные механизмы. К примеру, привод может открывать/закрывать заслонки кормушки для домашнего питомца или активировать тайник в квеструме. А ещё сервомотор даст возможность вашему роботу управлять руками или вращать головой.
Крутящий момент представляет собой произведение силы на длину рычага. Другими словами, он показывает, насколько тяжёлый груз сервопривод способен удержать в покое на рычаге заданной длины.
Рис. 8 – Светодиоды
Светодио́д или светоизлуча́ющий дио́д полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Излучаемый светодиодом свет лежит в узком диапазоне спектра, т. е. светодиод изначально излучает практически монохроматический свет (если речь идёт о СД видимого диапазона) — в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр, от которой определённый цвет свечения можно получить лишь применением светофильтра. Спектральный диапазон излучения светодиода в основном зависит от типа и химического состава использованных полупроводников и ширины запрещённой зоны
Рис. 9 - Резисторы
Резистор — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления[1], предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др.[2]. Весьма широко используемый компонент практически всех электрических и электронных устройств.
Рис. 10 – Пьезоэлемент
Пьезоэлемент - электромеханический преобразователь, изготавливаемый из пьезоэлектрических материалов, определенной формы и ориентации относительно кристаллографических осей, с помощью которого механическая энергия преобразуется в электрическую (прямой пьезоэффект), а электрическая в механическую (обратный пьезоэффект).
Рис. 11 – ультразвуковой датчик
Датчик расстояния Ардуино является прибором бесконтактного типа, и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см. На его работу не оказывает существенного воздействия электромагнитные излучения и солнечная энергия. В комплект модуля с HC SR04 arduino также входят ресивер и трансмиттер.
2.4. Прошивка микроконтроллера.
Оригинальные модули Arduino производятся в Италии, в отличии от своих клонов из Китая. Т.к. Arduino является открытым проектом с общедоступными принципиальными схемами и топологиями печатных плат, то умельцы из Китая решили создать свои клоны Arduino. От оригинала они отличаются более низкой ценой (на порядок ниже) и более дешёвыми радиодеталями, установленными на печатной плате модуля. С точки зрения программирования и разработки электрических схем на базе клонов Arduino они ничем не отличаются от оригинала.
Как было сказано ранее, китайцы всячески стараются удешевить свои клоны Arduino. Одной из мер стала замена USB → UART конвертера. В оригинальных модулях Arduino стоят ATmega8U2, ATmega16U2 либо FT232RL, а в китайских клонах — CH340G, т.к. она намного дешевле.
Поэтому драйвера оригинальных модулей Arduino и их китайских клонов различаются.
Перед установкой драйверов необходимо скачать и установить Arduino IDE. Дорогой читатель, подробное руководство по IDE можно прочитать в этом уроке.
Давайте рассмотрим, как же установить драйвера для модулей Arduino.
Установка драйверов для оригинальных модулей Arduino под OC Windows:
Для примера, мы будем устанавливать драйвера для оригинального модуля Arduino Uno.
В оригинальных модулях Arduino в качестве микросхем-преобразователей USB → UART используются микросхемы ATmega8U2, ATmega16U2 либо FT232RL. Драйвера для этих микросхем можно установить в автоматическомлибо в ручномрежиме.
Среда разработки Arduino IDE состоит из следующих компонентов:
-
Текстовый редактор кода программы (1); -
Область сообщений (2); -
Консоль (3); -
Панель инструментов (4); -
Панель с часто используемыми командами (5).
Рис. 12 – ПО Arduino IDE
Написанная в среде ArduinoIDE программа называется «скетч». Сама программа пишется в текстовом редакторе. В области сообщений выводятся ошибки и пояснения. В консоли отображается полный отчёт о компиляции программы, различные ошибки, подсказки и другая полезная информация. Панель инструментов представляет собой набор полезных функций при разработке программы. На панели с часто используемыми командами всего несколько кнопок, но они являются самыми основными при разработке программы.
