Разработка структурной схемы устройства

Введение

Цель курсовой работы: развитие и закрепление навыков системного подхода к проектированию современной микропроцессорной техники.

Роботы можно классифицировать по конструктивным признакам:

· типу исполнительных приводов - электрические, гидравлические, пневматические;

· типу движителя - гусеничные, колесные, колесно-гусеничные, полугусеничные, шагающие, колесно-шагающие, роторные, с петлевым, винтовым, водометным и реактивным движителями;

· типу источников первичных управляющих сигналов - электрические , биоэлектрические, акустические;

· способу управления - автоматические, дистанционно управляемые (копирующие, командные, интерактивные, супервизорные, диалоговые), ручные (шарнирно-балансирные, экзоскелетонные).

Учебный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем – транспортной, специальной и управления.

Транспортное средство состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки. Система управления устанавливается внутри корпуса. Ходовая часть мобильного робота – колесная, движение осуществляется за счет двигателей постоянного тока.

Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой с учетом взаимодействия транспортной системы с окружающей средой.

Система управления учебным роботом включает в себя информационно-управляющую часть: микроконтроллер, драйвер управления двигателями постоянного тока, Bluetooth-модуль, персональный компьютер, откуда осуществляется управляющее воздействие.

1. Анализ технического задания

Для осуществления управления учебным роботом необходимо передавать управляющие воздействие на двигатели постоянного тока робота. Основной характеристикой двигателя являются U_пит2,4…9 В[БЕН1] . Это возможно осуществить с помощью драйвера моторов L293D, который может независимо управлять двумя электромоторами постоянного тока.

Основные характеристики драйвера моторов L293D:

· Напряжение моторов : 4,5 - 36 В;

· Выходной максимальный ток: 1.2 А на каждый канал.[БЕН2]

Также, в качестве управляющего элемента используется микроконтроллер Atmega8a-PU. Он функционирует на частоте 16МГц. Объем памяти достигает до 512КБ памяти Flash, до 8КБ памяти данных, имеется интерфейсы SPI, TWI, UART . [БЕН3]

В устройстве управления учебным роботом используется Bluetooth-модуль для осуществления передачи данных с персонального компьютера на робота. [БЕН4]

Разработка структурной схемы устройства

Для решения задачи управления учебным роботом необходимы такие устройства как персональный компьютер и учебным робот. Передача данных между персональным компьютером и учебным роботом осуществляется посредством Bluetooth-модуля.

Структурная схема устройства управления учебным роботом (рисунок 1).

Микроконтроллер

Двигатели постоянного тока

Драйвер управления

Персональный компьютер

[БЕН5]

Рисунок 1 – Структурная схема устройства

В данной структурной схеме отображается работа микропроцессорного устройства управления двигателями постоянного тока, где главным управляющим элементом является микроконтроллер. С помощью персонального компьютера подаем сигналы на микроконтроллер по Bluetooth-модулю. Микроконтроллер принимает сигналы, обрабатывает их и формирует уже управляющие сигналы для драйвера управления. А драйвер управления напрямую связан с двигателями постоянного тока, и он подает необходимое напряжение для работы двигателей.

Выбор двигателей

В качестве объекта управления в данном курсовом проекте были выбраны двигатели постоянного тока в соответствии с техническим [БЕН8] заданием, установленные в машине на радиоуправлении, приобретенной специально для выполнения данной работы. Электродвигатель 300 коллекторный R370 6В (RSK400094). Потребляемый ток 0.167 А, мощность 0.548 Вт. Остальные характеристики двигателей постоянного тока приведены в приложении Б.

Выбор микроконтроллера

В качестве основного элемента получения и обработки сигналов был выбран микроконтроллер Atmega8a-PU фирмы Atmel. Питание микроконтроллера 5 В. Цифровые сигнальные процессоры фирмы Atmel получили широкое применение у радиолюбителей, так как они имеют доступную цену и достаточный набор периферии. Характеристики микроконтроллера приведены в приложении Б.

На рисунке 2 представлена цоколевка микроконтроллера Atmega8A-PU.[БЕН9]

Рисунок 2 – Цоколевка микроконтроллера Atmega8А-PU

3.3 Выбор микросхемы и интерфейса связи[БЕН10]

Для управления двигателями был выбран драйвер L293D[БЕН11] . Драйвер работает в широком диапазоне [БЕН12] напряжений, что минимизирует риск перегрева микросхемы.[БЕН13] Так же он легкодоступный и имеет полный ряд функций необходимых для выполнения данного курсового проекта.

В качестве интерфейса связи с компьютером был выбран интерфейс UART. Данный интерфейс был выбран не случайно, потому что для передачи данных используется Bluetooth модуль, который в свою очередь использует интерфейс UART. Для преобразования логических уровней RS-232 в UART используется микросхема MAX232. Скорость передачи данных - 9600 Кбит/с. [БЕН14]

Характеристики драйвера и Bluetooth-модуля приведены в приложении Б. На рисунке 3 представлена цоколевка драйвера L293D.

Рисунок 3 – Цоколевка драйвера L293D

На рисунке 4 представлена принципиальная схема микросхемы MAX232.

Рисунок 4 – Принципиальная схема микросхемы MAX232

3.4 Выбор стабилизатора[БЕН15]

Для того чтобы уменьшить входное напряжение на Bluetooth модуль было необходимо подключить стабилизатор L78L33.

На рисунке 5 представлена принципиальная схема стабилизатора L78L33.

Рисунок 5 – Принципиальная схема стабилизатора L78L33

При создании схемы электрической принципиальной подключаем микроконтроллер, драйвер, микросхемы MAX232, стабилизатор и Bluetooth-модуль согласно их спецификации.

Полученная схема представлена в приложении А.

Расчет резисторов

Резисторы для Bluetooth-модуля были подобраны исходя из его технической документации: рабочее напряжение не более 3.3 В. Соответственно были выбраны резисторы номиналом 4,7 кОм т.к. напряжение, поступающее с микроконтроллера 5 В.

Для стабильной работы светодиода так же необходимо было присоединить резистор с сопротивлением 1 кОм.

Расчет конденсаторов

Для стабилизации напряжения поступающего с источника питания были параллельно подключены конденсаторы емкостью 36 мкФ и 100 мкФ. Чтобы уменьшить входное напряжение на Bluetooth-модуль было необходимо подключить стабилизатор напряжения L78L33. Для этого согласно технической документации были подключены 2 конденсатора емкостью 0,33 мкФ и 0,1 мкФ. Конденсаторы C5-C11 взяты по рекомендациям производителя.[БЕН16]

5. Разработка платы печатной устройства[БЕН17]

Габариты разработанной печатной платы составляют 80*40мм. На плате имеются 4 крепежных отверстия.[БЕН18]

Необходимо обратить внимание на какой ток будет рассчитана та или иная дорожка. В зависимости от этого выбирается толщина дорожки.

(1)

(2)

(3)

где b – ширина дорожки,

ρ – удельная теплоемкость меди;

с – удельная теплоемкость меди;

q – плотность меди;

h – глубина дорожки;

∆t – оптимальный интервал температур для работы платы;

I - ток, на который рассчитана дорожка.

;

;

;

.

(4)

где t₂ - максимальная температура, при которой может работать плата;

t₁ - комнатная температура.

=60°-20°=40°С

Расчет силовой цепи по максимальному току двигателя.

При I= 0,167 A

Расчет сигнальной цепи по максимальному току микроконтроллера.

При I=100мА .[БЕН19]

Для платы были выбраны минимальная ширина дорожки – 0,254мм, максимальная – 0,5мм. Исходя из расчета видно, что дорожки выдержат ток, протекающий по ним.

Разработка конструкции устройства осуществляется на основе разработанной принципиальной электрической. [БЕН20]

При конструировании печатной платы необходимо учитывать следующее.

Центры отверстий должны располагаться в узлах координатной сетки. Каждое монтажное и переходное отверстие должно быть охвачено контактной площадкой.[БЕН21]

Материал платы стеклотекстолит фольгированный СФ 2-35-1.5 по ГОСТ 10316-78.

Заключение

При выполнении курсового проекта были разработаны:

· конструкторская документация устройства управления учебным роботом:

¾ схема электрическая принципиальная микропроцессорного устройства управления учебным роботом

¾ перечень элементов к схеме электрической принципиальной;

¾ печатная плата устройства управления учебным роботом;

¾ сборочный чертеж;

¾ спецификация к сборочному чертежу.

· схемы алгоритмов программы управления учебным роботом;

· программа управления учебным роботом.[БЕН24]

Введение

Цель курсовой работы: развитие и закрепление навыков системного подхода к проектированию современной микропроцессорной техники.

Роботы можно классифицировать по конструктивным признакам:

· типу исполнительных приводов - электрические, гидравлические, пневматические;

· типу движителя - гусеничные, колесные, колесно-гусеничные, полугусеничные, шагающие, колесно-шагающие, роторные, с петлевым, винтовым, водометным и реактивным движителями;

· типу источников первичных управляющих сигналов - электрические , биоэлектрические, акустические;

· способу управления - автоматические, дистанционно управляемые (копирующие, командные, интерактивные, супервизорные, диалоговые), ручные (шарнирно-балансирные, экзоскелетонные).

Учебный робот может быть представлен в виде совокупности трех больших систем – транспортной, специальной и управления.

Транспортное средство состоит из ходовой части, корпуса и энергетической установки. Система управления устанавливается внутри корпуса. Ходовая часть мобильного робота – колесная, движение осуществляется за счет двигателей постоянного тока.

Система управления обеспечивает управление движением и работой технологического оборудования, а также адаптивное управление ходовой частью и энергетической установкой с учетом взаимодействия транспортной системы с окружающей средой.

Система управления учебным роботом включает в себя информационно-управляющую часть: микроконтроллер, драйвер управления двигателями постоянного тока, Bluetooth-модуль, персональный компьютер, откуда осуществляется управляющее воздействие.

1. Анализ технического задания

Для осуществления управления учебным роботом необходимо передавать управляющие воздействие на двигатели постоянного тока робота. Основной характеристикой двигателя являются U_пит2,4…9 В[БЕН1] . Это возможно осуществить с помощью драйвера моторов L293D, который может независимо управлять двумя электромоторами постоянного тока.

Основные характеристики драйвера моторов L293D:

· Напряжение моторов : 4,5 - 36 В;

· Выходной максимальный ток: 1.2 А на каждый канал.[БЕН2]

Также, в качестве управляющего элемента используется микроконтроллер Atmega8a-PU. Он функционирует на частоте 16МГц. Объем памяти достигает до 512КБ памяти Flash, до 8КБ памяти данных, имеется интерфейсы SPI, TWI, UART . [БЕН3]

В устройстве управления учебным роботом используется Bluetooth-модуль для осуществления передачи данных с персонального компьютера на робота. [БЕН4]

Разработка структурной схемы устройства

Для решения задачи управления учебным роботом необходимы такие устройства как персональный компьютер и учебным робот. Передача данных между персональным компьютером и учебным роботом осуществляется посредством Bluetooth-модуля.

Структурная схема устройства управления учебным роботом (рисунок 1).

Микроконтроллер

Двигатели постоянного тока

Драйвер управления

Персональный компьютер

[БЕН5]

Рисунок 1 – Структурная схема устройства

В данной структурной схеме отображается работа микропроцессорного устройства управления двигателями постоянного тока, где главным управляющим элементом является микроконтроллер. С помощью персонального компьютера подаем сигналы на микроконтроллер по Bluetooth-модулю. Микроконтроллер принимает сигналы, обрабатывает их и формирует уже управляющие сигналы для драйвера управления. А драйвер управления напрямую связан с двигателями постоянного тока, и он подает необходимое напряжение для работы двигателей.