Глава 1. Обзор образовательного комплекта
В основе набора находится Arduino-совместимая аппаратная платформа - программируемый контроллер, позволяющий не только выполнять часть лабораторных работ, не прибегая к сборке схем, но и использовать его в качестве вычислительного модуля собранной робототехнической платформы. На контроллере расположены две программируемые кнопки, два светодиода и драйверы моторов, позволяющие подключать два двигателя постоянного тока. Для подключения беспроводных устройств в контроллер встроен Bluetooth модуль. А для возможности локализации в пространстве имеется встроенный инерциальный модуль. Всё это позволяет использовать данный программируемый контроллер в большом количестве образовательных проектов. Таким образом, применение образовательного комплекта «Конструктор программируемых моделей инженерных систем (Стартовый)» позволяет организовать учебный процесс по изучению основ создания инженерных систем для школьников средних и старших классов. Рисунок 1.0.0
Рисунок 1.0.0. Собранная модель машинки
1.1 Программируемый контроллер со встроенной инерциальной системой
Внешний вид программируемого контроллера «КПМИС (Стартовый)» представлен на рисунке 1.1.1.
Рисунок 1.1.1. Внешний вид контроллера КПМИС (Стартовый)
Программируемый контроллер КГ "Прикладная робототехника" входящий в состав комплекта является Arduino контроллером. Работа происходит так же, как и с классическим Arduino Leonardo. Форм – фактор контроллера соответствует Arduino подобной плате. Контроллер производства ГК "Прикладная робототехника" позволяет использовать большинство Arduino подобных плат расширения. Кроме классического вывода сигнальных линий и интерфейсов, на контроллере расположены дополнительные электронные модули и элементы, расширяющие его функционал (Рисунок 1.1.2)
Рисунок 1.1.2. Схема расположения основных элементов контроллеров КПМИС (Стартовый)
На приведенной выше схеме представлены следующие элементы:
Клеммник для подключения внешнего питания
Гнездо для подключения DC стандарта 2.1x5.5
Переключатель питания
miniUSB разъем для подключения контроллера к ПК и его последующего программирования
Колодка с гнездами, содержащая стандартные линии питания
Колодка с гнездами, содержащая аналоговые линии
Колодка с гнездами, содержащая цифровые линии и интерфейс UART0
Колодка с гнездами, содержащая цифровые линии и интерфейс I2C
9-10 – Колодки со штырями, содержащие цифровые линии D2-D13.
11-12 – Колодки со штырями, содержащие линии входного питания.
13-14 – Колодки со штырями, содержащие линии «Земля».
15 – Программируемая тактовая кнопка, заведена на цифровую линию D11.
16 – Программируемая тактовая кнопка, заведена на цифровую линию D12.
17 – Тактовая кнопка, заведена на линию RESET. Выполняет перезагрузку встроенного микроконтроллера.
18 – Встроенный инерциальный модуль, содержащий в себе гироскоп и акселерометр.
19 – Сигнальный светодиод линии 5В.
20 – Программируемый сигнальный светодиод, заведен на линию D13.
21 – Программируемый сигнальный светодиод, заведен на линию D5.
22 – Модуль беспроводной передачи данных Bluetooth HC-05.
23-24 – Джамперы, подключающие модуль беспроводной передачи данных к интерфейсу UART0 микроконтроллера. 23 – линия TX, 24 – линия RX. При снятых джамперах линии интерфейса свободны и могут быть использованы произвольным образом через линии гнезд D0 и D1.
25 – Джампер, вводящий модуль беспроводной передачи данных в режим AT-команд.
26 – Колодка со штырями интерфейса ISP.
27 – Клеммник MOT2 для подключения двигателя постоянного тока к драйверу. Драйвер управляется линиями D10 (Скорость), D8 (Направление).
28 – Клеммник MOT1 для подключения двигателя постоянного тока к драйверу. Драйвер управляется линиями D9 (Скорость), D7 (Направление).
29 – Самовосстанавливающийся предохранитель.
Питание контроллера может осуществляться следующими способами:
Через USB-порт для загрузки управляющих программ. При питании данным способом контроллеру может не хватить тока для управления исполнительными механизмами - двигателями и сервоприводами.
Через DC-разъем для подачи питания от входящего в состав набора блока питания 7,5 или 12В.
Через клеммник для подачи питания от входящего в состав набора аккумулятора на 7.2В. Для подачи питания данным способом должен использоваться входящий в состав набора кабель с разъемом Tamiya. Будьте внимательны при соблюдении полярности при подключении!
Не рекомендуется подключать к плате и аккумулятор, и блок питания одновременно!
Обратите внимание! На центральные колодки штырей выводится входное напряжение питания. Если вы запитаете плату от источника 9 – 12 В и подключите к данной линии сенсоры, рассчитанные на напряжение питания 3.3 или 5 В, есть риск их выхода из строя. Старайтесь использовать центральные колодки штырей только для подключения исполнительных механизмов, которым требуется силовое питание.
1.2 Двигатель с колесом
Модуль “Двигатель с колесом” (рисунок 1.2.1.) является основой для создания мобильных роботов и учебных машинок в проектах по робототехнике. Он представляет собой электромеханическое устройство, в котором двигатель постоянного тока вращает колесо, обеспечивая движение конструкции по заданным направлениям. Использование подобных модулей позволяет освоить базовые принципы механики, электрики и программирования.
В практических работах с такими модулями закрепляются знания о создании простых моделей: собирают машинку, подключают двигатель к контроллеру и программируют её движение. Для управления используются сигналы, которые задают скорость и направление вращения каждого двигателя, что позволяет передвигать робот вперед, назад или совершать разворот за счет разной скорости вращения правых и левых колес.
Рисунок 1.2.1. Модуль “Двигатель с колесом”
В данном модуле управляющим мотором является двигатель постоянного тока.
Двигатель постоянного тока (ДПТ) - устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую (рисунок 1.2.2.).
Рисунок 1.2.2. Двигатель постоянного тока внутренности
Основные части ДПТ:
Якорь — вращающаяся часть двигателя, на которой создается электромагнитное поле.
Сердечник полюса — усиливает магнитное поле, создаваемое обмоткой полюса.
Обмотка полюса — провод, намотанный на сердечник, создает магнитное поле при подаче тока.
Статор — неподвижная часть двигателя, в которой создается магнитное поле.
Вентилятор — охлаждает двигатель во время работы.
Щётки — передают электрический ток на вращающийся якорь через коллектор.
Коллектор — обеспечивает подачу тока на якорь, меняя полярность для вращения.
Принцип действия:
Взаимодействие магнитного поля статора (обычно от постоянных магнитов) и магнитного поля ротора (якоря), через который течет ток. Коллектор и щетки автоматически переключают направление тока в обмотках ротора, обеспечивая непрерывное вращение.
Ключевые уравнения:
Электрическая цепь: U = I * R + E, где
U - напряжение на якоре (В)
I - ток якоря (А)
R - сопротивление цепи якоря (Ом)
E - противо-ЭДС (противоэлектродвижущая сила, обратная ЭДС) (В)
Угловая скорость ротора (ω): (рад/с) (ω = 2πn/60), где
n - скорость в об/мин возникает при вращении, противодействует приложенному напряжению.
Вращающий момент: M = k_t * I, где
M - электромагнитный момент (Н·м)
k_t - коэффициент момента (Н·м/А)
Как управлять (для робота):
Скорость (ω): регулируется напряжением U (чем выше U, тем выше скорость). На практике используется ШИМ.
Момент (M): регулируется током I (чем выше I, тем выше момент).
Направление: меняется полярностью напряжения U на якоре. Реализуется схемой H-моста.
На управляющей плате для подключения двигателей предусмотрены специальные силовые клеммы (27 и 28 на рисунке 1.1.2).
Для подключения красный кабель мотора соединяют с клеммой, обозначенной знаком “+” на контроллере, черный кабель мотора соединяют с клеммой “-”. Для надежного контакта, после вставки кабеля в клемму, болт на клемме затягивается до легкого сопротивления, чтобы провод зафиксировался и не выпал.
1.3 Датчик скорости
Датчик скорости или энкодер (рисунок 1.3.1) представляет собой электромеханический датчик, который фиксирует скорость вращения колеса или вала двигателя. Работа основывается на регистрации оптических или магнитных импульсов, возникающих при движении, что позволяет получать данные о скорости и количестве оборотов. В зависимости от модели исполнения, данные энкодеры могут быть встроенными в сам двигатель, могут крепиться к нему штатными средствами, или в самом простом случае - устанавливаются рядом с двигателем, на вал которого одевается диск с прорезями. Такие энкодеры называются датчиками угла поворота, т.к. они, в первую очередь, фиксируют только число оборотов вала двигателя, а все необходимые преобразования требуется реализовывать пользователю.
Энкодер (рисунок 1.3.1.) представляет собой электронный модуль, с установленной на ней микросхемой LM393 и щелевым датчиком ITR9680. Данный щелевой датчик используется совместно с диском со щелями, установленным на валу привода.
Рисунок 1.3.1. FC-33 Датчик скорости электродвигателя (энкодер)
Принцип действия модуля: щелевой датчик представляет собой оптическую пару, т.е. в одном выступе корпуса располагается ИК-светодиод, а в другом - фототранзистор. Если внутри оптопары находится непрозрачная часть диска, то излучение от ИК-светодиода не попадает на фототранзистор, и он находится в закрытом положении. Когда во время вращения диска между выступами оптопары попадает щель диска, ИК-излучение попадает на фототранзистор и фиксируется срабатывание. Зная частоту срабатывания, можно пересчитать количество отсчетов в скорость вращения колеса или пройденный путь.
Данный модуль имеет простую схему подключения - на модуле находится стандартный 3х пиновый разъем, в котором имеется линия питания, линия земли и сигнальная линия. Таким образом, сигнальная линия может быть подключена к цифровым портам (желательно к тем, которые имеют прерывания). А питание и земля подключаются соответственно к 5 В и земле.
1.4 Сервопривод
Сервопривод (рисунок 1.4.1) — это компактное электромеханическое устройство, которое умеет поворачивать свой выходной вал на точно заданный угол и удерживать его. Нужный угол задаётся специальным управляющим сигналом. Благодаря этому сервопривод позволяет точно перемещать подвижные части конструкции — например, поворачивать «руку» робота или открывать шлагбаум.
Рисунок 1.4.1. Сервопривод
Чаще всего применяют сервоприводы двух видов: одни поворачиваются на заданный угол и удерживают его, другие поддерживают заданную скорость вращения. Разберёмся, из чего состоит сервопривод и как он работает.\ Основа сервопривода — привод, то есть электромотор с редуктором. Электромотор превращает электрический ток в механическое вращение. Но вращается он, как правило, слишком быстро для практических задач, поэтому скорость нужно понизить. Этим занимается редуктор — набор шестерёнок, который уменьшает скорость вращения и одновременно увеличивает крутящий момент (силу, с которой вал способен поворачивать нагрузку).\ Чтобы сервопривод «знал», на какой угол он уже повернулся, ему нужен датчик обратной связи — энкодер (датчик угла поворота). Энкодер переводит положение вала обратно в электрический сигнал. Часто роль такого датчика выполняет потенциометр (регулируемый резистор, сопротивление которого меняется при повороте). Кроме мотора, редуктора и потенциометра внутри сервопривода есть управляющая электроника. Она принимает внешний сигнал с нужным углом, считывает реальное положение вала с потенциометра, сравнивает их и включает или выключает мотор — до тех пор, пока вал не встанет в заданное положение.\ Теперь о том, как сервоприводу сообщают желаемый угол. По отдельному управляющему проводу на него подают управляющий сигнал (рисунок 1.4.2). Это последовательность импульсов: они идут с постоянной частотой, но разной длительностью (шириной). Именно от длины импульса зависит, в какое положение встанет вал. Обычно импульсы подаются с частотой 50 Гц — это значит, что новый импульс приходит каждые 20 миллисекунд (1 секунда ÷ 50 = 20 мс).
Рисунок 1.4.2. Схема управляющих сигналов
Основные характеристики сервоприводов:
Крутящий момент М [Н*м] – сила, с которой вал поворачивает нагрузку;
Скорость вращения T/60[c] – время, за которое вал поворачивается на 60°;
Максимальный прямой ток I_F [А] – наибольший ток, который потребляет привод;
Размер a x b x h [мм]
Вес m [г]
Поясним про скорость: её измеряют временем, за которое рычаг сервопривода поворачивается на 60°. Чем меньше это время, тем быстрее привод.
По весу сервоприводы делят на маленькие, стандартные и большие — они весят примерно 8–25, 40–80 и 50–90 граммов соответственно.
Ещё сервоприводы бывают аналоговыми и цифровыми, и работают они по-разному.
Аналоговый сервопривод получает управляющие импульсы с частотой 50 Гц, то есть проверяет своё положение лишь 50 раз в секунду. В промежутках между импульсами вал слабо удерживается, и любое внешнее воздействие может его сдвинуть. В состоянии покоя напряжение на мотор не подаётся вовсе. Если вал чуть отклонился от нужного положения, электроника подаёт на мотор короткий сигнал небольшой мощности; чем больше отклонение, тем мощнее сигнал. Из-за этого при маленьких отклонениях мотор реагирует слабо и не развивает большой момент — возникают так называемые «мёртвые зоны» (участки, где сервопривод почти не реагирует на небольшие сдвиги по времени и по углу).
Цифровой сервопривод устроен сложнее: в нём есть специальный процессор. Он принимает управляющие импульсы, обрабатывает их и сам подаёт сигналы на мотор гораздо чаще — с частотой 200 Гц и выше. Поэтому цифровой привод удерживает положение точнее и реагирует быстрее. Платой за это становятся более высокое энергопотребление и цена: такие приводы сложнее в производстве и стоят дороже.
Обычно угол поворота сервопривода ограничен 180 градусами. Но существуют приводы без такого ограничения — они могут вращаться непрерывно. Их называют сервоприводами постоянного вращения.
В состав набора входит и другой сервопривод (рисунок 1.5.1) — более крупный и мощный, с металлическими шестернями и усиленным корпусом.
Рисунок 1.5.1. Сервопривод
Его мотор и редуктор развивают высокий крутящий момент, поэтому такой привод способен перемещать детали, которые требуют большей силы. Положение вала, как и у обычного сервопривода, задаётся управляющим сигналом, что обеспечивает точное позиционирование. Управляется этот привод ШИМ-сигналом (широтно-импульсная модуляция — способ управления, при котором меняется длительность импульсов). Длительность импульса задаёт угол поворота, который у данной модели достигает 180°. Благодаря прочной конструкции привод сохраняет стабильность и точность хода даже при значительных нагрузках.
1.6 Макетная плата
Макетная плата (рисунок 1.6.1.) предназначена для быстрого монтажа электронных схем без пайки. Проводники расположены внутри корпуса и соединяют группы отверстий, что позволяет устанавливать компоненты и формировать электрические соединения простым вставлением проводов и элементов.
Рисунок 1.6.1. Макетная плата
Плата состоит из центральной области для размещения микросхем и элементов, а также двух боковых шин, обычно используемых для питания. Шины позволяют удобно распределять напряжение по схеме, а их разметка помогает избегать ошибок при подключении. Конструкция способствует быстрой сборке и модификации схем, что упрощает проверку и тестирование различных вариантов соединений.
На ней выполняются первые лабораторные работы по подключению компонентов, сборке простых цепей, изучению принципов работы датчиков, модулей и других устройств.
Для работы используются стандартные соединительные провода, входящие в состав набора (“мама-мама”, “папа-мама”, “папа-папа”). При подключении важно соблюдать полярность и аккуратно фиксировать провода, чтобы обеспечить стабильный контакт и исключить случайное смещение элементов во время работы.
а) мама-папа б) мама-мама
в) папа-папа
Рисунок 1.6.2. Соединительные провода (а- папа-мама, б- мама-мама, в- папа-папа)
1.7 Дисплей
Дисплей с интерфейсом I2C (рисунок 1.7.1.) используется для вывода текстовой информации и состоит из двух строк по 16 символов каждая. Благодаря плате-адаптеру I2C модуль требует только два сигнальных провода для управления, что упрощает подключение и экономит выводы контроллера.
Рисунок 1.7.1. Дисплей
Практически все существующие сегодня LCD дисплеи имеют идентичное устройство. Основной элемент дисплея — это жидкие кристаллы, особое вещество, которое может изменять свои оптические свойства под воздействием электрического поля. Жидкие кристаллы находятся между двумя стеклянными пластинами и способны пропускать или блокировать свет (Рисунок 1.7.2).
Стеклянные пластины. Две прозрачные стеклянные или пластиковые пластины служат основой дисплея. На их внутренние поверхности нанесены электроды из прозрачного проводящего материала (обычно оксида индия и олова, ITO). Эти электроды формируют пиксели или сегменты дисплея.
Поляризационные фильтры для пропускания световых волн только с определенной ориентацией колебаний. Один фильтр расположен перед слоем жидких кристаллов, второй после. Без жидких кристаллов свет через такую пару фильтров не прошел бы.
Слой жидких кристаллов (LC), необходимый для контроля количества света, проходящего через ячейку (пиксель), состоит из органических молекул, обладающих свойствами как жидкости (текучесть), так и кристалла (упорядоченность).
Электроды на стеклянных пластинах формируют сетку пикселей или сегментов (например, для отображения цифр или букв).
Рисунок 1.7.2. Устройство LCD монитора
Принцип работы LCD дисплея заключается в том, что при условии отсутствия молекул жидких кристаллов, свет пропускается первым поляризационным фильтром и полностью блокируется вторым.
Сами жидкие кристаллы расположены между этими фильтрами таким образом, чтобы преломлять свет, проходящий через первый фильтр так, чтобы он беспрепятственно проходил через второй. То есть в спокойном состоянии излучение блокируется и не проходит через матрицу, а при возбуждении электромагнитного поля плоскость излучения меняется так, чтобы свет проходил без препятствий.
Для того, чтобы молекулы жидких кристаллов располагались в нужном порядке без воздействия электричеством, на контактирующую поверхность электродов нанесены специальные микроскопические бороздки, выстраиваются молекулы в нужном порядке. Таким образом, если воздействовать на определенные области матрицы получается изображение.
Каждый современный жидкокристаллический экран имеет высокое разрешение. Это означает, что матрица состоит из большого количества пикселей, при этом управлять ими можно каждым по отдельности, то есть, если увеличить какую-либо область экрана, можно заметить мелкие ячейки. Меняя напряжение каждой из этих ячеек, можно изменить угол преломления света именно в данной точке. Путем создания необходимого напряжения в каждой из ячеек и создается определенное изображение.
LCD дисплеи бывают разных размеров, входящий в наш набор имеет размерность на 32 символа. То есть для вывода информации доступны 2 строки по 16 столбцов.
В лабораторных работах дисплей 1602 I2C применяется для визуализации данных и создания интерактивных проектов.
1.8 ИК датчик
ИК датчик (инфракрасный датчик препятствий) с интерфейсом для микроконтроллеров (рисунок 1.8.1.) используется для обнаружения объектов или движения на близких расстояниях. Он состоит из инфракрасного передатчика и приемника, которые позволяют детектировать отражение ИК-излучения от поверхностей. Благодаря простому аналоговому или цифровому выходу модуль требует минимального количества проводов для подключения, что упрощает интеграцию с контроллерами вроде Arduino и экономит выводы.
Рисунок 1.8.1. ИК датчик
Основной элемент датчика — это инфракрасный светодиод (IR LED), который излучает невидимый для глаза свет в инфракрасном диапазоне. Этот свет отражается от объектов и улавливается фотодиодом или фототранзистором (Рисунок 1.8.2).
Рисунок 1.8.2. Принцип отражения света инфракрасным светодиодом
Инфракрасный передатчик служит источником излучения. Приемник (фотодиод или фототранзистор) регистрирует отраженный сигнал. На плате часто размещены потенциометры для регулировки чувствительности и дальности обнаружения, а также индикаторный для визуализации срабатывания. Фильтры и оптика для фокусировки ИК-лучей и минимизации помех от внешнего освещения. Без объекта перед датчиком сигнал приемника минимален.
Электроды и контакты для подключения: обычно VCC (питание 5V), GND (земля) и OUT (выходной сигнал).
1.9 Набор резисторов
Резистор – элемент электрической цепи, обладающий определенным или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для преобразования напряжения в силу тока электрической цепи. Другими словами, резистор — это некий барьер, ограничивающий силу проходящего через него тока для долговременного и безопасного использования остальных элементов электрической цепи (Рисунок 1.9.1 и 1.9.2).
Рисунок 1.9.1. Набор резисторов различных сопротивлений
Рисунок 1.9.2. Резистор на 220(Ом)
Для определения электрического сопротивления и подбора правильного резистора используется закон Ома:
I = U/R
Где I – Сила тока в цепи [A] ,
U – Напряжение между участками цепи [B],
R – Сопротивление [Ом]
Резистор является одним из самых часто применяемых в электронике элементов, который служит для ограничения тока в цепи. Резисторы условно классифицируют по номинальному значению сопротивления току. Номинал резистора можно определить по цветным полоскам (Рисунок 1.9.3).
Рисунок 1.9.3. Цветовая маркировка резистора.
Резисторы используются практически во всех лабораторных работах и входят в состав большинства электронных схем.
1.10 Набор светодиодов
Светодиод – полупроводниковый прибор, излучающий определенный свет.
Рисунок 1.10.1. Пример светодиодов, входящих в набор
Принцип работы светодиода основан на явлении электролюминесценции. Когда ток проходит через полупроводниковый материал, электроны переходят на более высокий энергетический уровень, а затем возвращаются на более низкий, испуская фотоны света. Проще говоря светодиод представляет собой полупроводниковый элемент, способный излучать свет в определенном диапазоне.
Характеристиками светодиода являются:
Рабочий (номинальный) ток (I) – Значение постоянного тока, на который рассчитан светодиод. Определяет яркость и долговечность светодиода. Измеряется в Амперах (А) или миллиамперах (мА)
Напряжение (U) – Разность электрических потенциалов, необходима для начала прохождения тока через светодиод. Зависит от типа материала и цвета светодиода, числа кристаллов. Измеряется в Вольтах (V)
Мощность (P) – Показывает количество энергии, которое светодиод потребляет за единицу времени. Рассчитывается по формуле: P=U * I
Падение напряжения (VF) – Это постепенное уменьшение напряжения при замкнутой цепи, за счёт активного сопротивления внутри проводника. Измеряется так же, как и общее напряжение, в V.
Интенсивность (IV) – Это сила света (его яркость), которую излучает светодиод в определённом направлении. Есть несколько систем измерения, мы используем систему кандела (кд или IV)
Длина волны (λ) – Это расстояние между двумя последовательными точками волны, находящимися в одинаковойц фазе. Этот параметр определяет цвет диода, который увидит наш глаз. Измеряется в нанометрах (λ). Рабочий диапазон длин волн светодиода представлен на рисунке 1.10.2.
Рисунок 1.10.2. Диапазон длин волн светодиода
Для долгой и безопасной работы светодиода важно правильно подобрать резистор.
Электроды и контакты для подключения: обычно анод подключается к положительному напряжению через ограничительный резистор, катод — к земле.
На управляющей плате выводы маркируются соответствующим образом: цифровые или аналоговые контакты применяются для управления светодиодом с помощью программных сигналов.
1.11 Тактовая кнопка
Кнопка - механическое устройство, которое может замыкать и размыкать электрическую цепь. Есть множество видов кнопок, работающих по разным правилам. Например, тактовая кнопка (push button) замыкает цепь, только пока палец давит на неё. Кнопка на размыкание, напротив, разрывает цепь при нажатии. Существуют также кнопки с группой контактов, одни из которых разрывают цепь при нажатии на кнопку, а другие в это время цепь замыкают. Маленькие версии таких кнопок часто называют микропереключателями (Рисунок 1.11.1).
Рисунок 1.11.1. Тактовая кнопка
Тактовые кнопки можно найти практически в каждом электронном приборе: в клавиатуре компьютера, в телефоне, в пульте от телевизора, и т.д. Существуют кнопки с фиксацией, при нажатии на которую один раз — цепь замыкается, при нажатии второй раз — размыкается. Кнопки с фиксацией используют для переключения режима работы устройства. Примером такого применения кнопки с фиксацией является переключатель источника питания между батареей и блоком питания.
Существуют и другие механизмы по механическому управлению током, кроме кнопок, такие как тумблеры и рубильники.
На контроллере имеется 3 простейших тактовых кнопки (позиции 15,16,17 на плате (рисунок 1.1.2.). При этом кнопка на позиции 17 является схемотехнически включенной в цепь перезагрузки (Reset) контроллера. Таким образом, нажатие на нее приведет к принудительному прерыванию выполняющейся программы и полной перезагрузки системы. Кнопки, располагающиеся на позициях 15 и 16, являются программируемыми. Другими словами, программным способом можно реализовать процедуру их опроса, и в зависимости от их состояния (нажаты или нет), реагировать определенным образом, включать или выключать встроенный светодиод.
Рисунок 1.11.2. Микропереключатель
Тактовая кнопка подключается следующим образом: один из её выводов соединяется с землёй GND, второй подключается к цифровому входу микроконтроллера. На этот же вход активируется внутренний подтягивающий резистор к питанию, благодаря чему в разомкнутом состоянии на входе удерживается высокий уровень, а при нажатии кнопки вход замыкается на землю и принимает низкий уровень.
1.12 Пьезодинамик
Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. В узком смысле, под звуком понимают механические колебания, рассматриваемые с точки зрения их восприятия органами чувств.
Звук как волна описывается двумя основными характеристиками: амплитудой и частотой. Амплитуда характеризует громкость звука, а частота определяет тон, высоту.
Звук характеризуется множеством параметрами, такими как частота, амплитуда, коэффициент затухания, характеризующий быстроту убывания, амплитуда со временем, и громкость, зависящая от звукового давления.
Пьезодинамик, или пьезоизлучатель звука (англ. buzzer), переводит переменное напряжение в колебание мембраны, которое создает звук. Другими словами, пьезодинамик является конденсатором, который при зарядке или разрядке испускает звук.
Рисунок 1.12.1. Внешний вид пьезодинамика
Характеристики пьезодинамика:
Номинальное напряжение, VF [В]
Громкость, P [дБ] (Децибел)
Пиковая частота, fP [Гц] (Герц)
Ёмкость, С [Ф] (Фарад)
Пьезодинамик управляется подачей переменного напряжения определенной частоты. Для генерации звука можно подключить напрямую к микроконтроллеру.
Анод (+) пьезодинамика подключается к цифровому выходу микроконтроллера. Катод (-) подключается к общему выводу GND.
1.13 УЗ-дальномер
Ультразвуковой дальномер – устройство, предназначенное для определения расстояния от датчика до объекта. В основе принципа измерения устройства лежит эхолокация, как у дельфинов и летучих мышей. Датчик состоит из передатчика, генерирующего ультразвуковые волны, приёмника, который «слушает» эхо, и обвязки для нормальной работы модуля (Рисунок 1.13.1.)
Рисунок 1.13.1. Внешний вид ультразвукового датчика
Принцип работы ультразвукового датчика можно представить следующим образом. Дальномер генерирует звуковые волны на частоте 40 кГц. После того как эти волны отражаются от объекта и возвращаются на приёмник, датчик выдаёт информацию о времени, затраченном на прохождение звука от датчика до объекта и обратно (Рисунок 1.13.2.).
Рисунок 1.13.2. Принцип работы ультразвукового датчика
Ультразвуковой сигнал распространяется широко направленной волной в 30°. Направление распространения ультразвукового сигнала из передатчика показано на рисунке 1.13.3. Наиболее эффективный угол измерения 15°. Посторонние объекты, попадающие под этот угол измерения, могут сбивать показания датчика.
Рисунок 1.13.3. Схема распространения звуковой волны
На показания ультразвуковых дальномеров не влияют засвет от солнца или цвет объектов, как это происходит с инфракрасными датчиками. Ультразвуковая волна будет отражаться практически от любых поверхностей, даже от прозрачных, но могут возникнуть трудности с определением расстояния до пушистых или мелких предметов.
1.14 Фоторезистор
Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Чем интенсивней свет, тем больше создается свободных носителей зарядов и тем меньше становится сопротивление элемента.
Рисунок 1.14.1. Внешний вид фоторезистора
Фоторезистор работает только в определенном диапазоне длин волн света. Их условно разделяют на разные цвета, с которыми они работают. При подборе правильного фоторезистора нужно это учитывать. Также на значение датчика влияет температура. Фоторезисторы работают в определенном диапазоне температур. Это тоже нужно учитывать при подборе.
Для характеристики интенсивности света используют величину освещенности, которая для разных условий окружающих среды представлена в таблице 1.14.1. Интенсивность света измеряется в люксах [лк].
| Окружающая среда | Освещенность (лк) |
| Полная луна | 0,1 |
| Сумерки | 1 |
| Аудитория | 10 |
| Учебный класс | 30 |
| Рассвет или закат | 400 |
| Операционный зал больницы | 500 - 1000 |
| Прямой солнечный свет | 10000 |
Таблица 1.14.1. Значение освещенности для различных условий окружающей среды
Обозначение фоторезистора на электрических схемах изображено
на Рисунке 1.14.2.
Рисунок 1.14.2. Изображение фоторезистора на электрической схеме
1.15 Семисегментный индикатор
Семисегментный индикатор - устройство отображения цифровой информации. Наиболее простая реализация индикатора представлена на рисунке 1.15.1. Семисегментный индикатор состоит из семи элементов индикации (сегментов) и дополнительного светодиода (точки), включающихся и выключающихся по отдельности (рисунок 1.15.2.). Включая их в разнообразных комбинациях, из них можно составить упрощённые изображения арабских цифр. Каждый из светодиодов имеет свой анод, катод у всех общий.
Рисунок 1.15.1 Семисегментный индикатор
Рисунок 1.15.2. Схема подключения индикатора
Сегменты обозначаются буквами от A до G; восьмой сегмент - десятичная точка, предназначенная для отображения дробных чисел, называется decimal point (DP) (рисунок 1.15.3.).
Рисунок 1.15.3. Обозначение сегментного индикатора
Кроме десяти цифр семисегментные индикаторы способны отображать буквы. Но немногие из букв имеют интуитивное семисегментное представление.
В латинице: заглавные- A,B,C,E,F,G,H,I,L,N,O,P,S,U,Y,Z, строчные - a,b,c,d,e,g,h,i,n,o,q,r,t,u.
В кириллице: А,Б,В,Г,г,д,Е,е,и,й,Н,О,о,П,п,Р,С,с,У,Ч,Ы (два разряда),Ь,Э.
Семисегментные индикаторы имеют высокую популярность. Этому способствуют следующие их качества:
Разнообразие размеров. Известны светодиодные индикаторы с высотой цифры от 2,5 мм до 32 см.
Низкая цена. В средствах индикации нет ничего дешевле светодиодных цифровых индикаторов.
Малые точки управления. Современные светодиодные индикаторы могут подключаться к выводам микроконтроллеров без дополнительных ключей, то есть ими легко управлять микроконтроллером без сложных дополнительных деталей.
Допускаются жесткие условия эксплуатации (температурный диапазон, высокая влажность, вибрации, агрессивные среды и т.д.). Поэтому конструкционному качеству светодиодных индикаторов нет равных среди других типов элементов индикации. Неограниченный срок службы.
Рисунок 1.15.4. Основные конфигурации семисегментного индикатора
Перед использованием семисегментного индикатора в схеме с микроконтроллером необходимо определить его тип и обеспечить корректное подключение с резисторами.
Семисегментные индикаторы выпускаются в двух основных конфигурациях (рисунок 1.15.4.):
Общий катод (Common Cathode, CC). Катоды всех светодиодных сегментов соединены вместе в один общий вывод - к земле (GND) схемы. Чтобы зажечь отдельный сегмент, на его анодный вывод необходимо подать логическую единицу (HIGH, +5V).
Общий анод (Common Anode, CA). Аноды всех светодиодных сегментов соединены вместе в один общий вывод, который подключается к источнику питания (+5V) схемы. Чтобы зажечь отдельный сегмент, его катодный вывод необходимо соединить с землей (GND), то есть подать логический ноль (LOW, 0V).
В нашем наборе представлен семисегментный индикатор с общим катодом.
Каждый светодиод в сегменте индикатора требует индивидуального резистора 220 Ом, включенного последовательно с ним. Прямое подключение светодиода к выводу микроконтроллера и источнику питания без резистора приводит к протеканию через светодиод тока, превышающего его максимально допустимый.
1.16 Шаровая опора
Шаровая опора предназначена для создания дополнительной опорной точки в роботах, в нашем случае для машинки.
Опора с шаром придает конструкции повышенную устойчивость, сохраняет её исходную подвижность и маневренность за счёт шарнирной системы.
Рисунок 1.16.1. Внешний вид шаровой опоры
1.17 Металлический захват с фланцами
Металлический захват — это рычажный кронштейн, который жестко закреплен на валу сервопривода и соединен с остальными деталями шарнирными болтами или винтами. Такая деталь выполняет роль рычага и переходного фланца между валом сервопривода и механизмом, который нужно поворачивать или перемещать.
Рисунок 1.17.1. Внешний вид металлического захвата
Данный металлический захват в машинке используется как рабочий орган для захвата и перемещения объектов.
С помощью сервопривода захват открывается и закрывается, благодаря чему машинка может захватывать небольшие предметы (кубики, детали и тд) и удерживать их. После захвата объект перемещается вместе с машинкой в нужную точку, где захват снова раскрывается и освобождает предмет, что позволяет демонстрировать задачи транспортировки и сортировки на учебном стенде.
1.18. Аккумуляторная батарея 7,2 В
В состав комплекта входит аккумуляторная батарея, которая является источником питания и может использоваться для автономного движения машинки без подключения к блоку питания из сети (рисунок 1.18.1). При неправильном обращении аккумулятор может стать причиной пожара, взрыва и серьезных травм!
Рисунок 1.18.1 Аккумуляторная батарея
Общие требования безопасности при работе с литиевыми аккумуляторами:
Изучите и соблюдайте действующие нормы по хранению и транспортировке литиевых аккумуляторов.
Храните аккумуляторы в прочных, несгораемых ёмкостях, в сухом и хорошо проветриваемом помещении.
Не допускайте короткого замыкания. Запрещён контакт разъёмов с металлическими предметами.
Не используйте аккумуляторы с механическими повреждениями, вздутием или подозрительным запахом. Проводите осмотр перед каждым использованием.
Утилизируйте использованные аккумуляторы в соответствии с федеральным и местным законодательством.
Электролит обладает сильным коррозионным действием. При попадании на кожу или в глаза немедленно промойте водой и обратитесь к врачу.
Не подвергайте аккумуляторы воздействию открытого огня, нагреву, влаге, статическому или электромагнитному полю.
Не разбирайте, не прокалывайте и не деформируйте аккумуляторы.
Зарядка аккумулятора:
Используйте только зарядное устройство и кабели из комплекта поставки или одобренные производителем.
Убедитесь, что зарядное устройство поддерживает нужный тип аккумулятора и выбран правильный режим зарядки. Несовместимые устройства или режимы могут привести к взрыву или пожару.
Не заряжайте аккумулятор без присмотра. При вздутии или перегреве немедленно прекратите зарядку и поместите батарею в огнеупорную емкость.
Заряжайте аккумулятор примерно раз в три месяца при длительном хранении.
Храните батарею в сухом месте, вдали от источников тепла и влаги. Исключите контакт с металлическими предметами, способными вызвать короткое замыкание. Используйте специальные контейнеры из несгораемых материалов.