Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών Τζάμπερ Ράμι Λεωνίδα Αριθμός Μητρώου: 7640 Θέμα Ανάπτυξη σειράς εφαρμογών ψηφιακού ελέγχου μικροσυστημάτων με τον μικροεπεξεργαστή Arduino Mega Επιβλέπων Μάνεσης Σταμάτιος, Καθηγητής Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Ιούλιος 2018

2 ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Ανάπτυξη σειράς εφαρμογών ψηφιακού ελέγχου μικροσυστημάτων με τον μικροεπεξεργαστή Arduino Mega Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Τζάμπερ Ράμι Λεωνίδα Αριθμός Μητρώου: 7640 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις.../../ Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Μάνεσης Σταμάτιος Καζάκος Δημοσθένης Καθηγητής Επικ. Καθηγητής 1

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Ανάπτυξη σειράς εφαρμογων ψηφιακού ελέγχου μικροσυστημάτων με τον μικροεπεξεργαστή Arduino Mega Φοιτητής: Επιβλέπων: Τζάμπερ Ράμι Λεωνίδας Μάνεσης Σταμάτιος Περίληψη Το αντικείμενο της διπλωματικής είναι ο προγραμματισμός της Flight Electronics Multi Applications Board, μιας πλακέτας πειραμάτων της εταιρίας Flight Electronics International Ltd. προορισμένη για τη μελέτη ψηφιακού ελέγχου. Όντας κατασκευασμένη το 1993, η πλακέτα ήταν σχεδιασμένη για χρήση με συγκεκριμένους μικροεπεξεργαστές της δεκαετίας του 80. Είναι λοιπόν προφανής η ανάγκη για εκσυγχρονισμό του ελεγκτή, καθώς η συνδεσιμότητα, ο προγραμματισμός αλλά και η λειτουργικότητα τόσο παλιών επεξεργαστών είναι πλέον ξεπερασμένη. Σε καμία περίπτωση η πλακέτα της Flight Electronics και οι διαδικασίες που μπορούν να προγραμματιστούν σε αυτή μέσω του Arduino δεν αντικατοπτρίζουν πραγματικά προβλήματα ψηφιακού ελέγχου. Παρ όλα αυτά, αποτελούν πολύ χρήσιμο εργαστηριακό εργαλείο για τη πρακτική κατανόηση εννοιών όπως υπολογισμοί ανάδρασης, μετατροπές από ψηφιακό σε αναλογικό και το αντίστροφο και προγραμματισμού αλγορίθμων ελέγχου. Ο ελεγκτής που επιλέχθηκε είναι ο Arduino Mega 2560, βασισμένος στο μικροτσιπ ATmega2560. Οι πολλές ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι που διαθέτει το καθιστούν κατάλληλο για τη σύνδεση της πλακέτας και των όποιων εξωτερικών στοιχείων. Επίσης, η ευκολία προγραμματισμού του Arduino σε C/C++, κάνει την ανάπτυξη εφαρμογών σε αυτό γρήγορη και αποτελεσματική. Στο κεφάλαιο 1, δίνεται περιγραφή των τεχνικών χαρακτηριστικών του Arduino Mega 2560 και αναλύεται η χρήση του ως ελεγκτή. Τέλος, περιγράφεται ο τρόπος σύνδεσής του με ηλεκτρονικό υπολογιστή και δίνονται βασικές οδηγίες για τον προγραμματισμό του. To Flight Electronics Multi Applications Board περιέχει διάφορα ελέγξιμα στοιχεία και εργαλεία για τον έλεγχο τους. Συγκεκριμένα, τα στοιχεία που περιέχει είναι: - Πηγές αναλογικού σήματος - DIL (Dual In Line) διακόπτες - Διακόπτες λειτουργίας - Analog to Digital Converter (ADC) - Digital to analog Converter (DAC) - Κινητήρας συνεχούς ρεύματος - Θερμαντικό στοιχείο - Μπάρα ένδειξης ποσοτήτων (Bargraph) 2

4 - LED ένδειξης κατάστασης - Φωτοκύτταρο Τα εγχειρίδια που ήταν διαθέσιμα, ήταν ελλειπή σε πληροφορίες και ήταν αναγκαία η αντίστροφη μηχανική της πλακέτας και η βαθμονόμηση των στοιχείων της. Αναλυτικότερα θα αναφερθούμε σε αυτά στο κεφάλαιο 2 και 4. Πέρα από τα στοιχεία της πλακέτας, χρησιμοποιήθηκαν και εξωτερικά στοιχεία για την επέκταση των πειραμάτων και για τη βαθμονόμηση διαφόρων στοιχείων. Επίσης, έγινε προσπάθεια υλοποίησης ενός PCB για την ευκολότερη σύνδεση του Arduino με την πλακέτα της Flight Electronics. Τέλος, γίνεται ανάλυση στα πειράματα που υλοποιήθηκαν, στο τρόπο που λειτουργούν τα στοιχεία κατά τη διάρκεια των πειραμάτων και δίνεται ο κώδικας του Arduino που τα πραγματοποιεί. Για την ευκολία του αναγνώστη, ο κώδικας κάθε πειράματος δίνεται στο τέλος της ανάλυσης του και όχι σε ξεχωριστό παράρτημα. Επίσης, στις περισσότερες περιπτώσεις αναλύονται κομμάτια του κώδικα και συναρτήσεις που παρουσιάζουν ενδιαφέρον και παραλείπονται κομμάτια που είναι κοινά όπως η δήλωση σταθερών και η ρύθμιση των pin που είναι ίδια σε όλα τα πειράματα. 3

5 4

6 Πρόλογος 7 Κεφάλαιο 1: Arduino Mega Περίληψη Hardware του Arduino Mega Το Arduino Mega 2560 ως ελεγκτής Σύνδεση και Χρήση Arduino Mega 13 Κεφάλαιο 2: Το Flight Electronics Multi Aplications Board Τα εξαρτήματα της πλακέτας περιληπτικά Συνδεσιμότητα Θύρες Εισόδου και εξόδου Πηγές αναλογικού σήματος Διακόπτες Λειτουργίας Διακόπτες Εξόδου Analog to Digital Converter (ADC) Κινητήρας Συνεχούς ρεύματος Θερμαντικό Στοιχείο Bargraph Digital to Analog Converter (DAC) Ενδείξεις LED 27 Κεφάλαιο 3: Πρόσθετος Εξοπλισμός Βηματικός Κινητήρας Texas Instruments Driver Εξαρτήματα 31 Κεφάλαιο 4: Αναγνώριση λειτουργίας των στοιχείων και Reverse Engineering Μελέτη στοιχείων Ανάλυση λειτουργίας στοιχείων Έλεγχος σωστής λειτουργίας συστήματος Βαθμονόμηση αισθητήρων και στοιχείων 37 Κεφάλαιο 5: Περιγραφή Διαδικασιών και Πειραμάτων Διακόπτες και LED Πείραμα 1: Ανάγνωση διακοπτών και έξοδός στα LED Χρήση διακοπτών για τον έλεγχο αποφάσεων Πείραμα 2: Προσομοίωση μηχανικής πρέσσας Χρονικές ακολουθίες Πείραμα 3: Προσομοίωση συστήματος φωτεινών σηματοδοτών σε διασταύρωση Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Πείραμα 4: Μετατροπή αναλογικής εισόδου ποτενσιόμετρου σε ψηφιακή Αναλογική έξοδος Πείραμα 5: Παραγωγή ενός ημιτονοειδούς σήματος Bargraph Πείραμα 6: Χρήση του Bargraph για ένδειξη αναλογικής εισόδου Έλεγχος DC Κινητήρα 56 5

7 5.7.1 Πείραμα 7: Ενεργοποίηση/Απενεργοποίηση κινητήρα και αντίθετη περιστροφή Έλεγχος Θερμοκρασίας Πείραμα 8.1: Διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας με έλεγχο ON-OFF Πείραμα 8.2: Διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας με έλεγχο ON-OFF και χρήση ανεμιστήρα Πείραμα 8.3: Διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας με έλεγχο PID Μέτρηση αναλογικών ποσοτήτων και χρήση τιμών για έλεγχο διαδικασιών Πείραμα 9.1: Έλεγχος ταχύτητας κινητήρα Πείραμα 9.2: Αναγνώριση φωτισμού περιβάλλοντος Έλεγχος με χρήση εξωτερικών στοιχείων Πείραμα 10: Έλεγχος βηματικού κινητήρα με χρήση υπέρυθρου αισθητήρα Πείραμα 11: ΟΝ-OFF και PID έλεγχος κινητήρα 76 Κεφάλαιο 6: Επίλογος Ευκολία υλοποίησης ψηφιακού ελέγχου με χρήση Arduino Μελλοντικές επεκτάσεις 86 Βιβλιογραφία 87 6

8 Πρόλογος Σαν κλάδος της επιστήμης του ελέγχου, ο ψηφιακός έλεγχος έστω και σαν ιδέα, υπήρχε από τη δημιουργία των πρώτων ψηφιακών υπολογιστών. Με τα χρόνια, η σμίκρυνση των υπολογιστών αυτών σε μέγεθος και η βελτίωση της απόδοσης τους, έδωσε στους μηχανικούς ελέγχου νέα εργαλεία για τη μελέτη μεθόδων που προϋπήρχαν έστω και θεωρητικά. Προσεγγιστικές μέθοδοι απόκρισης συστημάτων στο πεδίο της συχνότητας ή σχηματισμού γεωμετρικών τόπων, που υπήρχαν για την αποφυγή πολλών και πολύπλοκων υπολογισμών μπορούσαν πλέον να αντικατασταθούν από τεχνικές που ακριβείς υπολογισμοί έπαιζαν ζωτικής σημασίας ρόλο στον έλεγχο συστημάτων. Οι πρώτοι υπολογιστές απευθείας ψηφιακού ελέγχου έκαναν την εμφάνισή τους στα μέσα της δεκαετίας του 60. Οι υπολογιστές αυτοί προσέφεραν μια διακριτή μορφή ελέγχου όπως PID ή κάποιου άλλου αλγορίθμου. Οι υπολογιστές αυτοί ήταν πολύ ακριβοί και παρουσίαζαν προβλήματα στον προγραμματισμό τους, γι αυτό και αντικαταστάθηκαν από τους πιο αξιόπιστους και εύκολα προγραμματίσιμους μικροελεγκτές. Οι ψηφιακοί υπολογιστές, έδωσαν και τη δυνατότητα εφαρμογής των πιο ανεπτυγμένων τεχνικών ελέγχου που μελετούνταν στη δεκαετία του 60 και 70, όπως τον προσαρμοστικό έλεγχο που ο αλγόριθμος αλλάζει σύμφωνα με τις συνθήκες, το βέλτιστο και σθεναρό έλεγχο καθώς και τον αρκετά διαφορετικό σε φιλοσοφία ασαφή έλεγχο. Σήμερα, με την πτώση των τιμών των ηλεκτρονικών υπολογιστών, υπάρχουν ελεγκτές προσιτοί οικονομικά αλλά και λειτουργικά από τον περισσότερο κόσμο που θέλει να ασχοληθεί έστω και ερασιτεχνικά με εφαρμογές ελέγχου. Συσκευές όπως τα Arduino, Raspberry Pi, BeagleBone, Waspmote και TelosB, είναι εύκολο να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία πρωτότυπων αλλά και τελικών προϊόντων και χρησιμοποιούνται από εταιρίες, πανεπιστήμια και ερασιτέχνες σε όλο τον κόσμο. Ο εύκολος προγραμματισμός τους, η χαμηλή τιμή αγοράς και οι δυνατότητες που προσφέρουν έφεραν τη δυνατότητα ψηφιακού ελέγχου στα χέρια του κάθε ενδιαφερόμενου. Στη παρούσα διπλωματική εργασία, ο ελεγκτής προς μελέτη είναι ο Arduino Mega 2560, ο οποίος χρησιμοποιείται για τον έλεγχο μιας πλατφόρμας (πλακέτας) πειραματικών διαδικασιών. Στόχος είναι η καλύτερη κατανόηση των διαδικασιών και των υπολογισμών που λαμβάνουν μέρος σε αλγορίθμους ψηφιακού ελέγχου μέσω του προγραμματισμού απλών πειραμάτων. 7

9 8

10 Περίληψη Το αντικείμενο της διπλωματικής είναι ο προγραμματισμός της Flight Electronics Multi Applications Board, μιας πλακέτας πειραμάτων της εταιρίας Flight Electronics International Ltd. προορισμένη για τη μελέτη ψηφιακού ελέγχου. Όντας κατασκευασμένη το 1993, η πλακέτα ήταν σχεδιασμένη για χρήση με συγκεκριμένους μικροεπεξεργαστές της δεκαετίας του 80. Είναι λοιπόν προφανής η ανάγκη για εκσυγχρονισμό του ελεγκτή, καθώς η συνδεσιμότητα, ο προγραμματισμός αλλά και η λειτουργικότητα τόσο παλιών επεξεργαστών είναι πλέον ξεπερασμένη. Σε καμία περίπτωση η πλακέτα της Flight Electronics και οι διαδικασίες που μπορούν να προγραμματιστούν σε αυτή μέσω του Arduino δεν αντικατοπτρίζουν πραγματικά προβλήματα ψηφιακού ελέγχου. Παρ όλα αυτά, αποτελούν πολύ χρήσιμο εργαστηριακό εργαλείο για τη πρακτική κατανόηση εννοιών όπως υπολογισμοί ανάδρασης, μετατροπές από ψηφιακό σε αναλογικό και το αντίστροφο και προγραμματισμού αλγορίθμων ελέγχου. Ο ελεγκτής που επιλέχθηκε είναι ο Arduino Mega 2560, βασισμένος στο μικροτσιπ ATmega2560. Οι πολλές ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι που διαθέτει το καθιστούν κατάλληλο για τη σύνδεση της πλακέτας και των όποιων εξωτερικών στοιχείων. Επίσης, η ευκολία προγραμματισμού του Arduino σε C/C++, κάνει την ανάπτυξη εφαρμογών σε αυτό γρήγορη και αποτελεσματική. Στο κεφάλαιο 1, δίνεται περιγραφή των τεχνικών χαρακτηριστικών του Arduino Mega 2560 και αναλύεται η χρήση του ως ελεγκτή. Τέλος, περιγράφεται ο τρόπος σύνδεσής του με ηλεκτρονικό υπολογιστή και δίνονται βασικές οδηγίες για τον προγραμματισμό του. To Flight Electronics Multi Applications Board περιέχει διάφορα ελέγξιμα στοιχεία και εργαλεία για τον έλεγχο τους. Συγκεκριμένα, τα στοιχεία που περιέχει είναι: - Πηγές αναλογικού σήματος - DIL (Dual In Line) διακόπτες - Διακόπτες λειτουργίας - Analog to Digital Converter (ADC) - Digital to analog Converter (DAC) 9

11 - Κινητήρας συνεχούς ρεύματος - Θερμαντικό στοιχείο - Μπάρα ένδειξης ποσοτήτων (Bargraph) - LED ένδειξης κατάστασης - Φωτοκύτταρο Τα εγχειρίδια που ήταν διαθέσιμα, ήταν ελλειπή σε πληροφορίες και ήταν αναγκαία η αντίστροφη μηχανική της πλακέτας και η βαθμονόμηση των στοιχείων της. Αναλυτικότερα θα αναφερθούμε σε αυτά στο κεφάλαιο 2 και 4. Πέρα από τα στοιχεία της πλακέτας, χρησιμοποιήθηκαν και εξωτερικά στοιχεία για την επέκταση των πειραμάτων και για τη βαθμονόμηση διαφόρων στοιχείων. Επίσης, έγινε προσπάθεια υλοποίησης ενός PCB για την ευκολότερη σύνδεση του Arduino με την πλακέτα της Flight Electronics. Τέλος, γίνεται ανάλυση στα πειράματα που υλοποιήθηκαν, στο τρόπο που λειτουργούν τα στοιχεία κατά τη διάρκεια των πειραμάτων και δίνεται ο κώδικας του Arduino που τα πραγματοποιεί. Για την ευκολία του αναγνώστη, ο κώδικας κάθε πειράματος δίνεται στο τέλος της ανάλυσης του και όχι σε ξεχωριστό παράρτημα. Επίσης, στις περισσότερες περιπτώσεις αναλύονται κομμάτια του κώδικα και συναρτήσεις που παρουσιάζουν ενδιαφέρον και παραλείπονται κομμάτια που είναι κοινά όπως η δήλωση σταθερών και η ρύθμιση των pin που είναι ίδια σε όλα τα πειράματα. 10

12 Κεφάλαιο 1: Arduino Mega 2560 To Arduino Mega είναι μικροελεγκτής της Arduino σχεδιασμένος για πιο πολύπλοκες εφαρμογές λόγω του μεγάλου αριθμού εισόδων και εξόδων που διαθέτει, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.1. Σχήμα 1.1, Μικροελεγκτής Arduino Mega Περίληψη Hardware του Arduino Mega 2560 Το Arduino Mega είναι βασισμένο στον ΑΤmega2560, ο οποίος είναι ένας χαμηλής ισχύος CMOS 8-bit μικροελεγκτής. Διαθέτει 54 ψηφιακές εισόδους/εξόδους, 16 αναλογικές εισόδους, 4 UARTS για σειριακή επικοινωνία, έναν κρυσταλλικό ταλαντωτή των 16 MHz, μια θύρα για σύνδεση USB, μια θύρα για σύνδεση μετασχηματιστή, μια θύρα ICSP (In-Circuit Serial Programming) και ένα κουμπί reset. Από μόνο του, διαθέτει τα πάντα για τη λειτουργία του μικροελεγκτή του και είναι αρκετή η τροφοδοσία του μέσω υπολογιστή από τη θύρα USB που διαθέτει, από μετασχηματιστή ή από μπαταρία για να ξεκινήσει να λειτουργεί σύμφωνα με τον προγραμματισμό του. Τα βασικά χαρακτηριστικά του φαίνονται στον πίνακα

13 Πίνακας 1.1, βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά του Arduino Mega 2560 Μικροελεγκτής ATmega 2560 Τάση λειτουργίας 5V Τάση εισόδου (προτεινόμενη) 7-12V Τάση εισόδου (οριακή) 6-20V Ψηφιακά pin I/O 54 Αναλογικά pin I/O 16 DC ρεύμα ανα I/O pin DC ρεύμα ανα 3.3V pin Μνήμη Flash SRAM EEPROM Clock Speed 20 ma 50 ma 256 KB 8 KB 4 KB 16 MHz LED_BUILTIN 13 Μήκος Πλάτος Βάρος mm 53.3 mm 37 g 1.2 Το Arduino Mega 2560 ως ελεγκτής Οι είσοδοι και έξοδοι που περιγράφηκαν παραπάνω, και η επικοινωνία τους με το ATmega2560 δίνουν πολλές δυνατότητες ελέγχου στο Arduino Mega Ανάλογα με τις ανάγκες μας, η λειτουργία του μπορεί να εμβαθύνει. Μπορεί να γίνει έλεγχος καταστάσεων και ακολουθιών, με χρήση ψηφιακών εξόδων και εισόδων και σύνδεση εξωτερικών στοιχείων όπως LED, αισθητήρων ποτενσιόμετρων και μπουτόν. Ο προγραμματισμός τέτοιων διαδικασιών είναι αρκετά εύκολος και απαιτεί απλή χρήση του Arduino IDE. Είναι όμως δυνατός και ο έλεγχος πιο σύνθετων συστημάτων, όπως ρομποτικών βραχιόνων και εκτυπωτών 3D. Εκεί απαιτείται βαθύτερη κατανόηση ψηφιακού ελέγχου, και πιο πολύπλοκες τεχνικές προγραμματισμού. Μια τέτοια είναι και ο non-blocking προγραμματισμός που χρησιμοποιείται σε κάποιες από τις διαδικασίες που διαθέτει η πλακέτα, στον οποίο στόχος είναι διαδικασίες οι 12

14 οποίες πρέπει να συμβαίνουν για κάποιο χρόνο να μην εμποδίζουν τη ταυτόχρονη περάτωση άλλων διαδικασιών. Τέλος, αν και δε μελετάται στη παρούσα διπλωματική, είναι δυνατός ο προγραμματισμός του Arduino μέσω της Assembly του μικροελεγκτή τους. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα τεράστιας ακρίβειας στο προγραμματισμό, με αυξημένη όμως πολυπλοκότητα. 1.3 Σύνδεση και Χρήση Arduino Mega Όπως έχει αναφερθεί, το Arduino συνδέεται με τον υπολογιστή μέσω θύρας USB. Η σύνδεσή του είναι απαραίτητη για τη μεταφόρτωση του κώδικα που θα αποθηκευτεί στη μνήμη του μικροελεγκτή. Εφόσον η μνήμη του Arduino έχει κάποια διαδικασία αποθηκευμένη, η απλή τροφοδοσία του είναι αρκετή για να το κάνει να εκκινήσει και να την επαναλαμβάνει συνεχόμενα. Στη περίπτωση μας, επειδή θα αποθηκεύονται συνέχεια νέες διαδικασίες, είναι απαραίτητη η συνεχής σύνδεσή του με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Ο προγραμματισμός του Arduino γίνεται στο Arduino Software (IDE), το οποίο είναι διαθέσιμο δωρεάν στην επίσημη ιστοσελίδα του Arduino. Η γλώσσα προγραμματισμού είναι ίδια με τη C/C++ με μόνη διαφορά τις επιπλέον βιβλιοθήκες και συναρτήσεις για Ι/Ο και την ύπαρξη της loop διαδικασίας αντί για main. Το IDE είναι αρκετά απλό στη λειτουργία του και προσφέρει εργαλεία για την παρακολούθηση των διαδικασιών που προγραμματίζουμε. Μέσω κατάλληλων συναρτήσεων της κλάσης Serial, όπως την Serial.print και Serial.println, είναι δυνατή η σειριακή επικοινωνία του Arduino με τον υπολογιστή. Είναι επίσης δυνατή η παρακολούθηση μεταβλητών σε πραγματικό χρόνο και ο σχεδιασμός γραφικών παραστάσεών τους. Αν και η σειριακή επικοινωνία είναι σημαντικό εργαλείο για τη σωστή ρύθμιση του κώδικα και των μεταβλητών μας, η αποστολή τιμών στον υπολογιστή, μπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση στην συνολική διαδικασία, ιδιαίτερα αν οι τιμές αυτές δεν είναι απλά δεκαδικές. Ένας τρόπος αντιμετώπισης αυτού είναι η επιλογή υψηλού ρυθμού μετάδοσης συμβόλων (baud rate). Η διαδικασία επιταχύνεται έτσι αρκετά, όμως δεν είναι τόσο γρήγορη όσο θα ήταν αν δεν υπήρχε σειριακή επικοινωνία. Εδώ, η σειριακή επικοινωνία είναι απαραίτητη για τη παρακολούθηση των πειραμάτων, όμως σε πραγματικές εφαρμογές μπορεί να αποφευχθεί αφού έχει γίνει σωστή ρύθμιση των μεταβλητών. Στό σχήμα 1.2 φαίνεται ο IDE μόλις τον ανοίξουμε. Οι 3 περιοχές που ορίζουν τα κόκκινα πλαίσια εξηγούνται στο σχήμα

15 Σχήμα 1.2, περιβάλλον προγραμματισμού του Arduino Στη περιοχή 1, γίνεται το όρισμα καθολικών μεταβλητών και σταθερών. Επίσης δηλώνονται οι συναρτήσεις και οι βιβλιοθήκες που θα χρησιμοποιηθούν. Στη περιοχή 2 (setup) ορίζεται η λειτουργία των pin που θα χρησιμοποιηθούν, δηλαδή αν θα είναι pin εισόδου ή εξόδου, και καλούνται συναρτήσεις που μπορεί να χρησιμοποιήσουν διάφορες εξωτερικές βιβλιοθήκες. Η setup καλείται 14

16 στην αρχή λειτουργίας για μια μόνο φορά, κάθε φορά που ενεργοποιείται το Arduino ή που γίνεται reset. Στη περιοχή 3 (loop) προγραμματίζεται η διαδικασία που θα εκτελείται από το Arduino. Ο κώδικας που υπάρχει στο loop θα εκτελείται σε επανάληψη συνέχεια. Στο loop μπορούν να οριστούν μεταβλητές, και να γίνει κλήση συναρτήσεων. Πρέπει να έχουμε υπόψιν λοιπόν πως το loop δε λειτουργεί όπως η main στη C αλλά σαν ένα οποιοδήποτε loop. Τέλος, στη περιοχή μετά την αγκύλη του loop γράφονται οι δικές μας συναρτήσεις που θα χρησιμοποιηθούν. Πατώντας το κουμπί Tools >Serial Monitor, και εφόσον υπάρχει σειριακή επικοινωνία στον κώδικά μας, ανοίγει νέο παράθυρο στο οποίο βλέπουμε τις μεταβλητές που έχουμε προγραμματίσει να στέλνονται στον υπολογιστή. Πατώντας Tools>Serial Plotter, ανοίγει νέο παράθυρο στο οποίο οι μεταβλητές αυτές αναπαρίστανται σε γραφική παράσταση πραγματικού χρόνου. Είναι δυνατό να αναπαρίστανται γραφικά παραπάνω από μια μεταβλητές. Ένα παράδειγμα για το πως γίνεται αυτό φαίνεται στο κώδικα παρακάτω. Serial. print (setpoint); //τύπωσε τη μεταβλητη setpoint Serial. print ( " \t" ); //τύπωσε ένα tab Serial. print ( 0 ); //τύπωσε τη σταθερά 0 Serial. print ( " \t" ); //τύπωσε ένα tab Serial. println (rpm); //τύπωσε τη μεταβλητή rpm Το αποτέλεσμα στο Serial Monitor θα είναι 3 στήλες που θα έχουν ένα κενό tab μεταξύ τους. Στο τελευταίο στοιχείο χρησιμοποιείται η println για να αλλάξει η γραμμή αμέσως μετά το τύπωμα της μεταβλητής. Στο Serial Plotter, κάθε στοιχείο θα τυπώνεται με ξεχωριστό χρώμα γραμμής. Τα υπόλοιπα κουμπιά έχουν την εξής λειτουργία: Κάνει compile τον κώδικα και ελέγχει για λάθη Μεταφορτώνει τον κώδικα στο Arduino 15

17 Δημιουργεί καινούργιο αρχείο κώδικα Ανοίγει ένα menu με όλα τα πρόσφατα αρχεία κώδικα που έχουν χρησιμοποιηθεί Αποθηκεύει το τρέχον αρχείο κώδικα Σε όλα τα πειράματα το baud rate που χρησιμοποιείται για τη σειριακή επικοινωνία του Arduino με τον υπολογιστή είναι symbols per second σε όλα τα πειράματα. 16

18 Κεφάλαιο 2: Το Flight Electronics Multi Aplications Board Το Flight Electronics Multi Applications Board παρέχει το χρήστη με προγραμματίσιμες διατάξεις, κατάλληλες για την εισαγωγή του στο ψηφιακό έλεγχο με σύγχρονους μικροελεγκτές. Πρόκειται για μια πλατφόρμα του 1993 η οποία αρχικά ήταν σχεδιασμένη για έλεγχο από μικροεπεξεργαστές πολύ παλαιότερης τεχνολογίας οι οποίοι πλέον δε δύναται να συνδεθούν με σύγχρονους ηλεκτρονικούς υπολογιστές και ο προγραμματισμός τους είναι πολύπλοκος σε σχέση με το Arduino. Σχήμα 2.1, η πλατφόρμα Multi Applications Board της Flight Electronics και η αρίθμηση των επί μέρους μονάδων. Θα αναφερόμαστε στο Flight Electronics Multi Application Board ως πλακέτα και στο Arduino ως ελεγκτή. 17

19 2.1 Τα εξαρτήματα της πλακέτας περιληπτικά Λίστα στοιχείων λειτουργίας της πλακέτας: Διακόπτες λειτουργίας (Νο. 7) Διακόπτες εξόδου (Νο. 8) Πηγές αναλογικού σήματος (Νο. 4 & 5) Analog to Digital converter (Νο. 9) Κινητήρας Συνεχούς Ρεύματος (Νο. 10) Θερμαντικό στοιχείο (Νο. 5) Bargraph (Νο. 3) Digital to Analog Converter (Νο. 2) Ενδείξεις LED (Νο. 1) Τροφοδοσία (Νο. 6) 2.2 Συνδεσιμότητα Η επικοινωνία της πλακέτας με τον ελεγκτή γίνεται μέσω ενός 40-pin καλωδίου τύπου κορδέλας. Για την τροφοδοσία, χρησιμοποιείται μετασχηματιστής 240/12V (περιοχή 6 του σχήματος 2.1). Τα pin του Arduino είναι συνδεδεμένα μέσω καλωδίων με breadboard το οποίο διαθέτει κατάλληλη θύρα για τη σύνδεση της καλωδιοταινίας. Σχήμα 2.2, Τροφοδοσία της πλακέτας 18

20 2.3 Θύρες Εισόδου και εξόδου Η θύρα εξόδου του ελεγκτή συνδέεται στη θύρα B της πλακέτας, και η κατάσταση των 8 γραμμών (υψηλή/χαμηλή) φαίνεται στα χρωματιστά LED (υψηλή = LED αναμμένο, χαμηλή = LED σβηστό). Με λίγα λόγια, τα σήματα που στέλνονται από το Arduino πηγαίνουν ως είσοδοι στη θύρα Β της πλακέτας. Τα σήματα αυτά είναι ψηφιακά, δηλαδή μπορούν να είναι είτε σε χαμηλή κατάσταση (0V) είτε σε υψηλή (5V). Κάθε φορά που ένα pin της θύρας Β είναι σε υψηλή κατάσταση, το αντίστοιχο LED ανάβει. Αντιστοιχία των pin της θύρας Β και των LED δίνεται στο κεφάλαιο 4. Μέσω των διακοπτών λειτουργίας της πλακέτας, η θύρα αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο περιστροφής του κινητήρα (δεξιόστροφα και αριστερόστροφα) και του θερμαντικού στοιχείου. Όταν δε χρησιμοποιείται από κάποια από τις παραπάνω διαδικασίες, η θύρα εξόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον Digital to Analog Converter. Η θύρα εισόδου του ελεγκτή συνδέεται στη θύρα Α της πλακέτας. Μέσω των διακοπτών λειτουργίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανάγνωση της κατάστασης του 8bit DIL διακόπτη, την ανάγνωση της εξόδου του Analog to digital Converter, την ανάγνωση της εξόδου του συγκριτή τάσεων του Digital to Analog Converter ή την ανάγνωση του υπέρυθρου αισθητήρα ταχύτητας. Στο σχήμα 2.3 φαίνεται η 40pin θύρα που χρησιμοποιείται για τις εισόδους και εξόδους της πλακέτας. Τα pin 7-10 και αποτελούν τη θύρα Α και τα pin αποτελούν τη θύρα Β. Τα pin 12 και 30 συνδέονται με τη γείωση του Arduino. 19

21 Σχήμα 2.3, 40 pin θύρα με θύρες Α και Β 2.4 Πηγές αναλογικού σήματος Οι πηγές αναλογικού σήματος βρίσκονται στις περιοχές 4 και 5 του σχήματος 2.1. Μέσω του διακόπτη τεσσάρων θέσεων SW3, το αναλογικό σήμα του Analog to Digital Converter μπορεί να παρέχεται είτε από εξωτερική πηγή, είτε από την έξοδο του αισθητήρα φωτεινότητας (Light Dependend Resistor, LDR), είτε από των αισθητήρα θερμοκρασίας, είτε από το ποτενσιόμετρο της πλακέτας. Η έξοδος του Digital to Analog Converter μπορεί να αναπαρασταθεί μέσω του Bargraph 10 βαθμίδων. Στο σχήμα 2.4, φαίνονται η εξωτερική πηγή που συνδέεται στη θύρα P2 (in και Gnd), το ποτενσιόμετρο VR6, ο αισθητήρας φωτεινότητας LDR1, ο αισθητήρας θερμοκρασίας Q1 και ο διακόπτης επιλογής SW3. 20

22 Σχήμα 2.4, πηγές αναλογικού σήματος και διακόπτης SW Διακόπτες Λειτουργίας Οι διακόπτες λειτουργίας βρίσκονται στη περιοχή 7 του σχήματος 2.1. Οι δύο αυτές ομάδες διακοπτών (SW2 και SW4), ελέγχουν τις διαδικασίες στη πλακέτα. Η ρύθμισή τους θα αναλυθεί στο εκάστοτε πείραμα. Πέρα από το διακόπτη που επιλέγει ανάμεσα στην ανάγνωση των 8bit DIL διακοπτών ή την ανάγνωση του ADC, όλοι οι υπόλοιποι διακόπτες είναι σε θέση OFF όταν είναι πάνω και ΟΝ όταν είναι κάτω. Οι 3 βραχυκυκλωτήρες (τζάμπερς) βρίσκονται για την παροχή συμβατότητας με παλαιότερους επεξεργαστές, στη περίπτωσή μας όμως η ύπαρξή τους ή μη ύπαρξή τους δε μας επηρεάζει. Οι διακόπτες λειτουργίας φαίνονται στο σχήμα 2.5. Από αριστερά προς δεξιά, έχουμε SW2A και SW2B για την ομάδα SW2. Για την ομάδα SW4 κάθε διακόπτης ενεργοποιεί το εκάστοτε στοιχείο. 21

23 2.6 Διακόπτες Εξόδου Σχήμα 2.5, Διακόπτες λειτουργίας SW2 και SW4 Οι διακόπτες εξόδου βρίσκονται στη περιοχή 8 του σχήματος 2.1. Όταν είναι επιλεγμένοι από το διακόπτη λειτουργίας (θέση SWITCH του SW2Α), η κατάστασή τους διαβάζεται από τον ελεγκτή μέσω της θύρας Α. Κάθε διακόπτης συνδέεται με μια είσοδο στο ολοκληρωμένο κύκλωμα U1. Όταν ο διακόπτης είναι στη θέση ΟΝ (πιεσμένος προς τα κάτω), γειώνει την αντίστοιχη είσοδο στο U1. Ο U1 αντιστρέφει το σήμα εισόδου και την οδηγεί στη θύρα Α. Η τοποθέτηση του διακόπτη SW2Α στη θέση ADC απενεργοποιεί το U1 και εμποδίζει την επικοινωνία του με τη θύρα Α. Για τη σωστή χρήση των καταστάσεων του SW1, ο SW2Α πρέπει να είναι στη θέση SWITCH και ο SW4A και SW4B στη θέση OFF. Οι δύο τελευταίοι χρησιμοποιούν τα bit 3&4 αν δεν είναι στη θέση off. Οι διακόπτες ελέγχου και το U1 φαίνονται στο Σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6, διακόπτες ελέγχου 22

24 2.7 Analog to Digital Converter (ADC) Ο ADC βρίσκεται στη περιοχή 9 του σχήματος 2.1. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα U2 είναι ένας Analog to Digital Converter με ακρίβεια 8bit, και ταχύτητα ρολογιού περίπου 400 KHz η οποία καθορίζεται από την αντίσταση R4 και τον πυκνωτή C2. Αυτό δίνει ένα χρόνο μετατροπής 180μS. Εφόσον η συσκευή δεν διαθέτει εσωτερικό κύκλωμα επανεκκίνησης κατά την ενεργοποίησή της, πολλές φορές είναι απαραίτητη η επανεκκίνηση του ADC με το πάτημα του PB1. Οι εν σειρά αντιστάσεις R1, VR1 και R3 ρυθμίζουν τη τάση αναφοράς του ADC η ονομαστική τιμή της οποίας είναι τα 2.50V. Για τη χρήση του ADC, ο διακόπτης SW2A πρέπει να είναι στη θέση ADC και οι SW4 SPEED και SW4 DAC στη θεση OFF για να μη χαθούν τα bit 3&4. Η λειτουργία του ADC είναι συνεχής και ανεξάρτητη από τον επεξεργαστή του ελεγκτή, οπότε τα δύο αυτά στοιχεία δεν είναι συγχρονισμένα. Αυτό σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να λάβουμε λάθος ενδείξεις. Το πρόβλημα αυτό ξεπερνιέται διαβάζοντας δύο ή περισσότερες φορές μια ένδειξη και λαμβάνοντας την τιμή της μόνο αν αυτή δεν αλλάξει. Αυτό φυσικά δε μας ανησυχεί, εφόσον ο επεξεργαστής του Arduino Mega 2560 μπορεί να διαβάσει πολλές παραπάνω από 2 συνεχόμενες ενδείξεις σε μικρό χρονικό διάστημα, εφόσον αυτός είναι ταχύτερος από τους επεξεργαστές της εποχής που σχεδιάστηκε η πλακέτα. Η πηγή αναλογικού σήματος του ADC επιλέγεται από το διακόπτη τεσσάρων θέσεων SW3. Η θέση 1, VOLTS επιλέγει ως πηγή το ποτενσιόμετρο VR6 που δίνει τιμές από 0V μέχρι περίπου 2.5V. Η θέση 2, EXT επιλέγει μια εξωτερική πηγή αναλογικού σήματος μέσω της θέσης IN του P2 η οποία πρέπει να είναι μεταξύ 0V και 2.5V. Τάσεις μεγαλύτερες των 5V μπορεί να προκαλέσουν ζημιά στον ADC. Η θέση 3, LDR επιλέγει ως πηγή τον αισθητήρα φωτός LDR1, και ανάλογα με τη φωτεινότητα, η τάση κυμαίνεται στα 0-2,5V. Τέλος, η θέση 4, HEAT επιλέγει ως πηγή την έξοδο του αισθητήρα θερμοκρασίας, το κύκλωμα του οποίου θα αναλυθεί αργότερα. Ο ADC και το PB1 φαίνονται στο σχήμα

25 Σχήμα 2.7, ADC και μπουτόν PB1 2.8 Κινητήρας Συνεχούς ρεύματος Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος βρίσκεται στη περιοχή 10 του σχήματος 2.1. Ο μικρός DC κινητήρας με την προπέλα τριών πτερυγίων, περιορίζεται στα 8000 RPM από τις δύο αντιστάσεις που τον συνδέουν με την πλακέτα (στις εφαρμογές η περιστροφή θα περιορίζεται στα RPM). Η πολικότητα της τάσης που εφαρμόζεται στο κινητήρα και κατ επέκταση η φορά περιστροφής του επιλέγεται από το ρελέ Κ1. Η ενεργοποίηση του κινητήρα και η φορά περιστροφής του επιλέγεται από τα bit εξόδου 6&7 στη θύρα Β. Η τιμή τους αποκωδικοποιείται από το U4 έτσι ώστε για bit 6 and not bit 7 έχουμε περιστροφή δεξιόστροφα, ενώ για not bit 6 and bit 7 έχουμε περιστροφή αριστερόστροφα. Πρακτικά αυτό σημαίνει πως στέλνοντας στο ένα σήμα HIGH και στο άλλο LOW, ο κινητήρας περιστρέφεται προς μια φορά ανάλογα με το ποιό είναι HIGH. Οποιοσδήποτε άλλος συνδυασμός σταματά τον κινητήρα. Για να συμβεί η αποκωδικοποίηση από το U4, πρέπει ο διακόπτης SW2B να είναι στη θέση MOTOR. Κατά την περιστροφή του κινητήρα, τα πτερύγια της προπέλας περνούν ανάμεσα από το D1, μια υπέρυθρη δίοδο και το D2 έναν αισθητήρα υπέρυθρου φωτός. Η αλλαγή του ρεύματος στον αισθητήρα, είναι αρκετή ώστε να λάβουμε έναν αρνητικό παλμό στο bit 4 της θύρας Α κάθε φορά που το πτερύγιο περνά μπροστά από το D1. Συνεπώς, τρεις συνεχόμενοι παλμοί μας δίνουν μια περιστροφή του κινητήρα. Για να συμβούν όλα αυτά, ο διακόπτη SW4 SPEED πρέπει να είναι στη θέση SPEED. Στο σχήμα 2.8 φαίνεται ο βηματικός κινητήρας, το ρελέ Κ1 και το ολοκληρωμένο κύκλωμα U4. 24

26 Σχήμα 2.8, Βηματικός κινητήρας και ρελέ Κ1 2.9 Θερμαντικό Στοιχείο Το θερμαντικό στοιχείο βρίσκεται στη περιοχή 5 του σχήματος 2.1. Η αντίσταση περιελιγμένου σύρματος R12 αποτελεί το θερμαντικό στοιχείο της πλακέτας, η οποία θα τραβήξει ρεύμα όταν ο διακόπτης SW4C είναι στη θέση HEAT και το bit 5 της θύρας Β είναι ενεργοποιημένο (HIGH). Το Q1 είναι ένας αισθητήρας θερμοκρασίας LM335. Η τάση στα άκρα του μας δίνει μια ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας σε βαθμούς Κέλβιν (10mV/K). Έτσι, αν το ποτενσιόμετρο VR2 έχει τάση στα άκρα του 2.73V (273K) τότε στους 0 ο C η διαφορά των εισόδων στα pin 2 και 3 του U6 θα είναι μηδέν. Αυτό ενισχύεται από το U6 και μπορεί να μετρηθεί από τον ADC U2. Το ποτενσιόμετρο VR3 ρυθμίζει το κέρδος του U6, και ονομαστικά είναι ρυθμισμένο να δίνει 40mV/C έξοδο στον ADC. Στη πλακέτα της Flight Electronics ο αισθητήρας δεν τροφοδοτείται και δε γειώνεται σύμφωνα με τις προδιαγραφές του LM335. Γι αυτό οι μετρήσεις δεν είναι ακριβείς όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η τωρινή ρύθμιση έγινε με χρήση ηλεκτρονικού θερμομέτρου και δίνει σχετικά καλά αποτελέσματα για ο C. 25

27 Το θερμαντικό στοιχείο R12, ο αισθητήρας θερμοκρασίας Q1 και το U6 φαίνονται στο σχήμα Bargraph Σχήμα 2.9, Θερμαντικό στοιχείο και αισθητήρας θερμοκρασίας Το Bargraph βρίσκεται στη περιοχή 3 του σχήματος 2.1. Όταν ο διακόπτης SW4D είναι στη θέση BARGR η έξοδος του DAC οδηγείται σε αυτό μέσω του U11 και U10 ώστε αυξάνοντας την τιμή που μετρά ο DAC να ανάβουν διαδοχικά LED του bargraph. Το ποτενσιόμετρο VR5 ρυθμίζει εύρος τιμών του bargraph και ονομαστικά είναι ρυθμισμένο ώστε μια τάση 2.55V από τον DAC να ανάβει το 10ο LED του. Το Bargraph φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.10, Bargraph 2.11 Digital to Analog Converter (DAC) Ο DAC βρίσκεται στη περιοχή 2 του σχήματος 2.1. Το στοιχείο U8 είναι ένας Digital to Analog Converter (DAC) που παράγει μια αναλογική τάση εξόδου ανάλογη της ψηφιακής εισόδου. Η ψηφιακή είσοδος δίνεται από τη θύρα B. Το ποτενσιόμετρο VR4 ρυθμίζει την αναλογική έξοδο στα 0.00V όταν η ψηφιακή είσοδος είναι 0 και οι τιμές του κυκλώματος 26

28 επιλέγονται ώστε μια ψηφιακή είσοδος 255 (σε δυαδικό ) να μας δίνει μια αναλογική τάση 2.55V. Η έξοδος του DAC οδηγείται στο pin 3 του U9, το οποίο είναι ένας συγκριτής που συγκρίνει την τάση του pin 3 με τη τάση του pin 2. Η τάση του pin 2 έρχεται από μια από τις αναλογικές πηγές, που επιλέγονται από τον διακόπτη SW3. Όταν η τάση στο pin 3 ξεπερνά αυτή του pin 2, το pin 7 που είναι το pin εξόδου αλλάζει από λογικό 1 σε λογικό 0. Ο DAC και ο συγκριτής τάσης U9 φαίνονται στο σχήμα Ενδείξεις LED Σχήμα 2.11, DAC και συγκριτής τάσης (U9) Οι ενδείξεις LED βρίσκονται στη περιοχή 1 του σχήματος 2.1. Η έξοδος της θύρας Α ρυθμίζεται από το U7 που οδηγεί ρεύμα στα 8 χρωματιστά LED D4-D11, δίνοντας συνεχή ένδειξη της κατάστασης των 8 bits της θύρας Β. Ένα αναμμένο LED μας δείχνει λογικό 1. Στο σχήμα 2.11 φαίνονται οι ενδείξεις LED. 27

29 Σχήμα 2.11, Ενδείξεις LED 28

30 Κεφάλαιο 3: Πρόσθετος Εξοπλισμός 3.1 Βηματικός Κινητήρας Για το πείραμα 10.1 (έλεγχος βηματικού κινητήρα) χρησιμοποιήθηκε ο μονοπολικός κινητήρας 57bygh420 της wantai motors. Οι τεχνικές προδιαγραφές του φαίνονται στον πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1, Τεχνικά χαρακτηριστικά βηματικού κινητήρα Φάσεις 2 Βήμα Τάση Ρεύμα Αντίσταση Επαγωγή Ροπή ακινησίας Ροπή συγκράτησης Κλάση μόνωσης 1.8 ± 5% / βήμα 3V 2Α / φάση 15 ± 10% Ω / φάση 2.5 ± 20% mh / φάση 90 Ν cm Max 3.5 Ν cm Min Β Σχήμα 3.1, Βηματικός κινητήρας 29

31 3.2 Texas Instruments Driver Σχήμα 3.2, Texas Instruments driver Για την οδήγηση του βηματικού κινητήρα χρησιμοποιήθηκε ο οδηγός TB6560. Πρόκειται για οδηγό διπολικού κινητήρα, οπότε η σωστή λειτουργία του συστήματος απαιτεί κατάλληλη συνδεσμολογία. Στους ακροδέκτες Α+ και Α- συνδέουμε το μαύρο και το πράσινο καλώδιο αντίστοιχα, ενώ στους ακροδέκτες Β+ και Β- συνδέουμε το κόκκινο και το μπλέ καλώδιο αντίστοιχα. Οι παλμοί προέρχονται από το bit 4 της θύρας Α της πλακέτας (ακροδέκτης CLK+) και η γείωση δίνεται από το arduino (ακροδέκτης CLK-). Για τον καθορισμό της φοράς περιστροφής, οι ακροδέκτες CW+ και CW- συνδέονται με τους ακροδέκτες 10 και 11 αντίστοιχα. Για δεξιόστροφη περιστροφή στέλνουμε λογικό 1 στο 10 και λογικό 0 στο 11 και για αριστερόστροφη κάνουμε το αντίθετο. Τέλος για τη τροφοδοσία του οδηγού και του κινητήρα χρησιμοποιεί τροφοδοτικό ρυθμισμένο στα 24V και 2Α. Αυτό συνδέεται με τον ακροδέκτη +24V για την τάση και GND για τη γείωση. Έπειτα, απαιτείται η κατάλληλη ρύθμιση του οδηγού για να αποφευχθεί τυχόν ζημιά στο κινητήρα. Όπως αναφέρεται παραπάνω, ο κινητήρας είναι σχεδιασμένος να λειτουργεί στα 2Α. Για να ρυθμιστεί αυτό στον οδηγό θέλουμε την εξής ρύθμιση στους διακόπτες του: SW1: ON SW2: OFF SW3:ON S1: OFF 30

32 Οποιαδήποτε άλλη ρύθμιση οδηγεί σε μη σωστή λειτουργία του κινητήρα και πιθανές βλάβες του. Το βήμα του κινητήρα, και συνεπώς η ακρίβεια περιστροφής του ρυθμίζεται από τους διακόπτες s3 και s4 του οδηγού, όπως φαίνεται στον πίνακα 3.2: Πίνακας 3.2, Ρύθμιση του Driver Βήμα s1 s2 Ολόκληρο OFF OFF μισό ΟΝ OFF 1/8 ON ON 1/16 OFF ON 3.3 Εξαρτήματα Για τη ρύθμιση του θερμαντικού στοιχείου της πλακέτας χρησιμοποιήθηκε ψηφιακό θερμόμετρο με ακίδα. Για κάποια πειράματα γίνεται χρήση εξωτερικού ποτενσιόμετρου. Για τη συνδεσμολογία της πλακέτας με τον ελεγκτή σε αρχικό στάδιο χρησιμοποιήθηκε breadboard, ενώ στη πορεία έγινε προσπάθεια αντικατάστασής του από PCB. Σχεδιασμός αυτού έγινε στο λογισμικό Eagle. Σχήμα 3.3, bredboard σύνδεσης πλακέτας με Arduino 31

33 32

34 Κεφάλαιο 4: Αναγνώριση λειτουργίας των στοιχείων και Reverse Engineering 4.1 Μελέτη στοιχείων Ξεκινώντας τη μελέτη της πλακέτας, ο κύριος ενδοιασμός που υπήρχε είναι αν ύστερα από τόσα χρόνια αδράνειας τα πάντα θα λειτουργούσαν σωστά. Εφόσον δε, υπήρχαν και μηχανικά μέρη (ρελέ και κινητήρας), υπήρχε πιθανότητα δυσλειτουργίας λόγω σκόνης ή σκουριάς. Τα ελάχιστα έγγραφα που υπήρχαν για τα στοιχεία της πλακέτας, ήταν πολλές φορές παραπλανητικά, καθώς έδιναν μπερδεμένες πληροφορίες. Έτσι, για την αντίστροφη μηχανική της (reverse engineering) χρειάσθηκαν πολλές ώρες εργασίας στις οποίες στέλνοντας ψηφιακό σήμα σε κάποιο pin εισόδου, μετριόνταν τυχόν αλλαγές τάσης στα pin των εκάστοτε ψηφιακών στοιχείων που σχετίζονταν με τις εισόδους. Τα αποτελέσματα έπειτα σημειώνονταν σε πίνακες αληθείας για χαρτογράφηση του κυκλώματος. Στη συνέχεια, ακολούθησε η πιο βατή διαδικασία αναγνώρισης της εξόδου της πλακέτας και της κατάλληλης εισόδου της στο Arduino. 4.2 Ανάλυση λειτουργίας στοιχείων Για τη λειτουργία της πλακέτας πρέπει αρχικά να μελετήσουμε τις εισόδους/εξόδους της. Αυτές διέρχονται μέσω 40pin καλωδιοταινίας από τον εκάστοτε ελεγκτή (στη περίπτωσή μας Arduino). Στον πίνακα 4.1 φαίνονται τα pin που αποτελούν τις θύρες Α και Β. 33

35 Πίνακας 4.1, λειτουργία των pin της 40 pin θύρας Αριθμός Pin Σήμα Θύρα A bit 7 Θύρα A bit 6 Θύρα Α bit 5 Θύρα Α bit 4 0V Θύρα Α bit 3 Θύρα Α bit 2 Θύρα Α bit 1 Θύρα Α bit Θύρα Β bit 0 Θύρα Β bit 1 Θύρα Β bit 2 Θύρα B bit 3 Θύρα Β bit 4 Θύρα Β bit 5 Θύρα Β bit 6 Θύρα B bit 7 0V (LK1) Θύρα Α bit 4 (LK2) Θύρα Β bit 3 (LK3)

36 Όπως φαίνεται, δε χρησιμοποιούνται όλα τα pin της 40pin θύρας. Όπου υπάρχει παρένθεση με (LK1, LK2, LK3) σημαίνει πως για τη λειτουργία αυτού του σήματος απαιτείται η σύνδεση του αντίστοιχου βραχυκυκλωτήρα (τζάμπερ). Για τη δική μας λειτουργία, και τα 3 τζαμπερς δε μας επηρεάζουν. Σχήμα 4.1, γραφική αναπαράσταση της 40 pin θύρας Για τον έλεγχο λοιπόν των στοιχείων της πλακέτας, στέλνουμε ψηφιακά σήματα (0/5 V) στα pin και λαμβάνουμε ψηφιακά σήματα από τα pin 7-10 και Τα pin 31 και 32 είναι βραχυκυκλωμένα με τα pin 10 και 11 αντίστοιχα αν είναι συνδεδεμένα τα τζάμπερ LK2 και LK3. 35

37 4.3 Έλεγχος σωστής λειτουργίας συστήματος Παρακάτω αναφέρονται τα στοιχεία τα οποία παρουσίασαν κάποια προβλήματα ή κάποια δυσλειτουργία. Στέλνοντας λογικό 1 στο bit 7 της θύρας Β (pin 28) και λογικό 0 στο bit 6 της θύρας Β (pin 27) ο κινητήρας ενεργοποιείται μέσω του ρελέ και περιστρέφεται δεξιόστροφα. Στέλνοντας το αντίθετο σήμα (λογικό 1 στο 26 και λογικό 0 στο 27) η πολικότητα αλλάζει μέσω του ρελέ και ο κινητήρας περιστρέφεται αριστερόστροφα. Πολλές φορές είναι ανάγκη να δωθεί μια μικρή ώθηση στα πτερύγια ώστε να ξεκινήσει τη περιστροφή του κινητήρα. Το πρόβλημα δε ξεπεράσθηκε ακόμα και μετά το καθάρισμα του κινητήρα και τη προσθήκη λιπαντικού. Στη περίπτωση που θέλουμε να ελέγξουμε τη ταχύτητα του κινητήρα μέσω pulse width modulation συναντάμε κάποια προβλήματα. Αρχικά, όπως αναφέραμε παραπάνω, ο κινητήρας πολλές φορές δυσκολεύεται να ξεκινήσει, οπότε σε χαμηλότερα ποσοστά κύκλου λειτουργίας (duty cycle), ο κινητήρας πέραν της ώθησης που χρειάζεται για να ξεκινήσει, πολλές φορές αντιμετωπίζει αντίσταση λόγω τριβής και πολλές φορές σταματά. Στο αρχικό πείραμα αυτό δε δημιουργεί πρόβλημα, καθώς δε μας ενδιαφέρει ο ακριβής έλεγχος, όμως στα πρόσθετα πειράματα (On-Off, PID), στις χαμηλές ταχύτητες χάνεται η ακρίβεια του ελέγχου. Τέλος, δεν γίνεται να κάνουμε έλεγχο της ταχύτητας του κινητήρα αριστερόστροφα καθώς υπάρχει για άγνωστο λόγω καθυστέρηση ενεργοποίησης του ρελέ, κάτι το οποίο μπορούμε και να ακούσουμε αν το δοκιμάσουμε. Συνεπώς, έλεγχος ταχύτητας του κινητήρα γίνεται μόνο δεξιόστροφα. Για τη χρήση του ADC πολλές φορές είναι απαραίτητη η χρήση του μπουτόν PB1 για την εκκίνησή του, καθώς δεν έχει εσωτερικό κύκλωμα επανεκκίνησης. Αν λοιπόν σε κάποιο πείραμα που γίνεται χρήση του ADC δε παρατηρηθεί ένδειξη λειτουργίας, θα χρειασθεί πάτημα του PB1 για εκκίνηση της λειτουργίας. 36

38 Η θερμοκρασία του θερμαντικού στοιχείου μετριέται μέσω ενός αισθητήρα LM335. Η σωστή συνδεσμολογία του φαίνεται στο σχήμα 4.2. Σχήμα 4.2, Συνδεσμολογία ενός αισθητήρα LM335 Μετρώντας τις τάσεις στους ακροδέκτες συμπεραίνουμε πως ο αισθητήρας δεν είναι γειωμένος. Συνεπώς, ενώ παρατηρείται αλλαγή στη τάση εξόδου με την αλλαγή της θερμοκρασίας, αυτή δεν ανταποκρίνεται στα 10mV/K που θα έπρεπε να είναι κανονικά. Έτσι, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, η βαθμονόμηση έγινε στους ο C με εξωτερικό ψηφιακό θερμόμετρο, εύρος στο οποίο υπάρχει μια γραμμικότητα και μπορεί να επιτευχθεί έλεγχος με κάποια ακρίβεια. 4.4 Βαθμονόμηση αισθητήρων και στοιχείων Τα διάφορα στοιχεία της πλακέτας, ρυθμίζονται και βαθμονομούνται από τα διάφορα ποτενσιόμετρα που βρίσκονται πάνω σε αυτή. Σαν γείωση στις μετρήσεις χρησιμοποιείται η επαφή GND της θύρας P1. Η γείωση αυτή ουσιαστικά προέρχεται από το arduino. Το Bargraph ρυθμίζεται από το ποτενσιόμετρο VR5, έτσι ώστε το pin 8 του U11 να είναι στα 1.22 V. Η ρύθμιση του DAC γίνεται από το ποτενσιόμετρο VR4. Θέτοντας το ποτενσιόμετρο VR6 τέρμα αριστερά (0V) η αναλογική έξοδος του DAC θα πρέπει να είναι επίσης 0V. Αυτή μπορεί να μετρηθεί από το pin 3 του U9. Είναι επιθυμητό λοιπόν να ρυθμιστεί το VR4 ώστε για 0V από το VR6 να μετράμε 37

39 0V στο pin 3 του U9. Εναλλακτικά, μπορεί να ρυθμιστεί το VR4 μέσω των μετρήσεων που θα λαμβάνονται από το Arduino. Ο αισθητήρας του θερμαντικού στοιχείου ρυθμίζεται από το VR2. Το VR2 ρυθμίζεται έτσι ώστε η διαφορά τάσης των pin 2 & 3 του U6 να είναι 0. 38

40 Κεφάλαιο 5: Περιγραφή Διαδικασιών και Πειραμάτων Κάθε διαφορετικό αρχείο κώδικα περιέχει από ένα πείραμα. Για να γίνει μελέτη ενός πειράματος πρέπει να ανοίξουμε το εκάστοτε αρχείο. Όλα τα αρχεία κώδικα ξεκινούν με τον ίδιο τρόπο: # define LED_0 23 # define LED_1 25 # define LED_2 27 # define LED_3 29 # define LED_4 31 # define LED_5 33 # define LED_6 35 # define LED_7 37 # define PA0 36 # define PA1 34 # define PA2 32 # define PA3 30 # define PA4 28 # define PA5 26 # define PA6 24 # define PA7 22 Όπως και στη C έτσι και εδώ, η εντόλή #define θέτει σταθερές. Για παράδειγμα η γραμμή #define PA0 36, δίνει στο αλφαριθμιτικό PA0 την τιμή 36, όπου αυτό χρησιμοποιείται στον κώδικα. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι γιατί τα pin του arduino είναι αριθμημένα και χρειάζεται να τα καλέσουμε με τον αριθμό τους για να διαβάσουμε την τιμή τους ή να τους αναθέσουμε τιμή. Δημιουργώντας σταθερές, αυτά μπορούν να κωδικοποιηθούν με πιο κατανοητό τρόπο. Στη περίπτωσή μας, με την ονομασία LED_X αναφερόμαστε στο X LED ή στο Χ bit της θύρας Β (χρησιμοποιείται η ονομασία LED γιατί ελέγχουν την κατάσταση των 8 LED). Με την ονομασία PAX αναφερόμαστε στο X bit της θύρας Α (Port A bit X). Σε κάποια πειράματα, στην αρχή του κώδικα γίνονται περισσότεροι ορισμοί σταθερών και χρήση εξωτερικών βιβλιοθηκών ή καθολικών μεταβλητών. 39

41 Περισσότερες λεπτομέρειες θα δίνονται όταν γίνει ανάλυση του εκάστοτε πειράματος. 5.1 Διακόπτες και LED Το παρακάτω πείραμα είναι περισσότερο εισαγωγικό και εξυπηρετεί στο να ελέγξουμε πως το Arduino επικοινωνεί σωστά με τη πλακέτα. Επίσης, κάνει πιο ξεκάθαρο το ρόλο των θυρών εισόδου και εξόδου της πλακέτας. Σκοπός του είναι με το κλείσιμο ενός DIL διακόπτη SW1 της πλακέτας να γίνεται ενεργοποίηση ενός αντίστοιχου LED Πείραμα 1: Ανάγνωση διακοπτών και έξοδός στα LED Το αρχείο με τον κώδικα του πειράματος ονομάζεται Experiment_1_Switch_Leds. Σκοπός του πειράματος είναι ο έλεγχος των 8 LED από τους 8 διακόπτες SW1. Για τη σωστή λειτουργία του συστήματος ο SW2Α πρέπει να είναι στη θέση SWITCH. Η ενεργοποίηση ενός από τους 8 διακόπτες στέλνει σήμα ON σε αντίστοιχο pin της θύρας A (θύρα εξόδου). Για παράδειγμα, η ενεργοποίηση του διακόπτη 0 στέλνει το σήμα ΟΝ στο bit 0 της θύρας Α. Από το αντίστοιχο pin μπορούμε να μετρήσουμε 5V. Το σήμα αυτό μεταφέρεται μέσω της καλωδιοταινίας στο Arduino. Το Arduino διαβάζει το σήμα αυτό και στέλνει λογικό 1 στο αντίστοιχο pin της θύρας Β, ενεργοποιώντας έτσι το αντίστοιχο LED. Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να διευκρινήσουμε πως κάθε bit της θύρας Β ελέγχει την ενεργοποίηση ή όχι του αντίστοιχου LED. Σε πολλά πειράματα θα δούμε τα LED να ενεργοποιούνται καθώς γίνεται χρήση της θύρας Β. Ουσιαστικά τα LED είναι μια δυαδική ένδειξη της τιμής που εισάγουμε. Ο κώδικας του πειράματος είναι αρκετά απλός. Το loop περιέχει μόνο τη συνάρτηση led_mode η οποία ελέγχει συνέχεια μέσω της digitalread αν κάποιο bit της θύρας Α στείλει υψηλό σήμα (HIGH, 5V). Αν συμβεί αυτό, τότε το Arduino στέλνει υψηλό σήμα στο αντίστοιχο bit της θύρας Β μέσω της digitalwrite. Αν οποιαδήποτε στιγμή ανοίξει κάποιος από τους διακόπτες SW1, το Arduino διαβάζει χαμηλό σήμα (LOW, 0V) και στέλνει χαμηλό σήμα στο αντίστοιχο bit της θύρας Β. Η διαδικασία αυτή επαναλαμβάνεται για κάθε ένα από τα 8 bit. Τέλος, μέσω της συνάρτησης Serial.print τυπώνεται σε κάθε νέα γραμμή η κατάσταση των 8 bits. 0 αντιστοιχεί σε χαμηλό σήμα και ανοικτό διακόπτη 40

42 (LED σβηστό) και 1 αντιστοιχεί σε υψηλό σήμα και κλειστό διακόπτη (LED αναμμένο). Αριστερά είναι το bit 7 και συνεχίζουν με τη σειρά προς τα αριστερά μέχρι το bit 0, με την ίδια σειρά δηλαδή που είναι τοποθετημένα και τα LED. void led_mode() { if ( digitalread (PA0) == 1 ) { digitalwrite (LED_0, HIGH ); else { digitalwrite (LED_0, LOW ); if ( digitalread (PA1) == 1 ) { digitalwrite (LED_1, HIGH ); else { digitalwrite (LED_1, LOW ); if ( digitalread (PA2) == 1 ) { digitalwrite (LED_2, HIGH ); else { digitalwrite (LED_2, LOW ); if ( digitalread (PA3) == 1 ) { digitalwrite (LED_3, HIGH ); else { digitalwrite (LED_3, LOW ); if ( digitalread (PA4) == 1 ) { digitalwrite (LED_4, HIGH ); else { digitalwrite (LED_4, LOW ); if ( digitalread (PA5) == 1 ) { digitalwrite (LED_5, HIGH ); else { digitalwrite (LED_5, LOW ); 41

43 if ( digitalread (PA6) == 1 ) { digitalwrite (LED_6, HIGH ); else { digitalwrite (LED_6, LOW ); if ( digitalread (PA7) == 1 ) { digitalwrite (LED_7, HIGH ); else { digitalwrite (LED_7, LOW ); Serial. print ( digitalread (PA7)); Serial. print ( digitalread (PA6)); Serial. print ( digitalread (PA5)); Serial. print ( digitalread (PA4)); Serial. print ( digitalread (PA3)); Serial. print ( digitalread (PA2)); Serial. print ( digitalread (PA1)); Serial. print ( digitalread (PA0)); Serial. print ( "\n" ); 5.2 Χρήση διακοπτών για τον έλεγχο αποφάσεων Το πείραμα αυτό μοιάζει με το προηγούμενο στη λογική. Διαβάζοντας τιμές από την έξοδο της πλακέτας στην είσοδο του arduino, λαμβάνουμε μια απόφαση που στέλνετε από την έξοδο του arduino στην είσοδο της πλακέτας. Εδώ θέλουμε να προσομοιώσουμε την λειτουργία μιας μηχανικής πρέσσας από πλευράς ασφάλειας χειριστή. Αν οι διακόπτες του SW1 στις θέσεις 0 και 7 είναι σε θέση ΟΝ, τότε η διάταξη είναι σε λειτουργία, το LED 1 (πράσινο) είναι αναμμένο και ενεργοποιείται ο βηματικός κινητήρας. Αν οποιοσδήποτε από τους δύο ή και οι δύο διακόπτες τεθεί στη θέση OFF, τότε η διάταξη σταματά να λειτουργεί και ανάβει το LED 7 (κόκκινο) Πείραμα 2: Προσομοίωση μηχανικής πρέσσας Για την πραγματοποίηση του πειράματος θέλουμε οι διακόπτες SW2 να είναι πάνω, και ο διακόπτης SW4 OFF/SPEED στη θέση SPEED. 42

44 Το αρχείο με τον κώδικα του πειράματος είναι το Experiment_2_Mechanical_Press_Simulation. Εδώ, κάτω από τους ορισμούς των σταθερών που έχουμε σε κάθε πείραμα υπάρχει ο επιπλέον ορισμός των stepper1 10 και stepper2 11, για τα pin που καθορίζουν τη πολικότητα του κινητήρα. Όπως και στο προηγούμενο πείραμα, το loop περιέχει μόνο μια συνάρτηση, τη safety_switch. Σε αυτή έχουμε μια συνθήκη ελέγχου. Αν το arduino διαβάσει χαμηλό σήμα σε οποιοδήποτε από τα PA7 ή PA0, τότε στέλνει χαμηλό σήμα στο LED_1 (πράσινο) και υψηλό σήμα στο LED_7 (κόκκινο). Αν όμως διαβάζει υψηλό σήμα και από τα δύο, τότε στέλνει υψηλό σήμα στο LED_1, χαμηλό στο LED_7 και καλέι τη συνάρτηση presson για το χειρισμό του βηματικού κινητήρα. Η συνάρτηση presson ακολουθεί τη non-blocking λογική που περιγράψαμε στο κεφάλαιο 1. Πιο συγκεκριμένα, η συνάρτηση millis μετράει το χρόνο σε millisecond από τη στιγμή που ξεκίνησε η διαδικασία. Όταν η διαφορά της millis με τη καθολική μεταβλητή timer που αρχικά έχει τιμή 0 είναι μεγαλύτερη από 1 ms, τότε το PA4 γίνεται υψηλό και η timer παίρνει τη τιμή της millis εκείνη τη χρονική στιγμή. Όσο η διαφορά είναι κάτω από 0, το PA4 είναι σε χαμηλή τάση. Έτσι, δημιουργείται ο παλμός που κινεί το βηματικό κινητήρα, με κύκλο λειτουργίας 50% και περίοδο 2 ms. void safetyswitch() { if ( digitalread (PA7) == 1 && digitalread (PA0) == 1 ) { digitalwrite (LED_1, HIGH ); digitalwrite (LED_7, LOW ); presson( 1 ); else { digitalwrite (LED_7, HIGH ); digitalwrite (LED_1, LOW ); presson( 0 ); void presson( bool inp) { if (inp == 1 ) { if ( millis () - timer >= 1 ) { timer = millis (); digitalwrite (PA4, HIGH ); Serial. println ( digitalread (PA4)); 43

45 else { digitalwrite (PA4, LOW ); Serial. println ( digitalread (PA4)); else digitalwrite (PA4, LOW ); 5.3 Χρονικές ακολουθίες Πολλές φορές είναι απαραίτητος ο έλεγχος του χρόνου εκτέλεσης κάποιων διαδικασιών πριν από την εκτέλεση κάποιας επόμενης διαδικασίας. Στο arduino αυτό μπορεί να επιτευχθεί είτε με τη συνάρτηση καθυστέρησης (delay) είτε με μετρητή για να μη μπλοκάρει όλος ο κώδικας όσο αναμένεται η επόμενη αλλαγή κατάστασης της διαδικασίας. Στο πείραμά μας ελέγχουμε την ακολουθία φωτεινών σηματοδοτών σε διασταύρωση. Το ένα φανάρι αναπαριστάται από τα LEDs 7,6,5 (κόκκινο, κίτρινο, πράσινο αντίστοιχα). Ομοίως το δεύτερο φανάρι αναπαριστάται από τα LED 3,2,1. Η ακολουθία φαίνεται στον πίνακα 5.1. Στη τρίτη στήλη φαίνονται σε δυαδική μορφή τα LEDs τα οποία θα είναι αναμμένα. Πίνακας 5.1, ακολουθία χρόνων και δυαδική αναπαράσταση Κύριος Δρόμος Κάθετος Δρόμος Δυαδική Αναπαράσταση Κόκκινο 15s Πράσινο 15s Κόκκινο 3s Κίτρινο 3s Κόκκινο & Κίτρινο 5s Κόκκινο 3s Πράσινο 25s Κόκκινο 25s Κίτρινο 3s Κόκκινο 3s Κόκκινο 3s Κόκκινο & Κίτρινο 3s Η παραπάνω διαδικασία επαναλαμβάνεται συνεχώς. 44

46 5.3.1 Πείραμα 3: Προσομοίωση συστήματος φωτεινών σηματοδοτών σε διασταύρωση Για την εκτέλεση του πειράματος θέλουμε όλοι οι διακόπτες SW2 και SW4 να είναι στην πάνω θέση. Το αρχείο με τον κώδικα του πειράματος είναι το Experiment_3_Traffic_Lights. Στο συγκεκριμένο πείραμα θα μπορούσε να ακολουθηθεί η εύκολη λύση των χρονικών καθυστερήσεων με τη συνάρτηση delay, όμως είναι επιθυμητό να θεωρείται πως ένας ελεγκτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για παραπάνω από μια διαδικασία ταυτόχρονα, οπότε ακολουθούμε την non-blocking λογική. Συγκεκριμένα, στο loop βλέπουμε 6 συνθήκες με κριτήριο τη μεταβλητή sequence που παίρνει αρχικά τη τιμή 1. Όταν ένα μέρος της ακολουθίας ολοκληρώνεται χρονικά σύμφωνα με τη διαφορά της millis και της μεταβλητής timer (ίδια διαδικασία με το πείραμα 2) τότε η μεταβλητή sequence αυξάνεται κατά 1. Στο έκτο μέρος, η τιμή sequence αντί να αυξηθεί, ξαναπαίρνει τη τιμή 1 ώστε η διαδικασία να επαναληφεί. void loop () { if (sequence == 1 ) { if ( millis () - current_time < ) { digitalwrite (LED_7, HIGH ); digitalwrite (LED_1, HIGH ); else { current_time = millis (); digitalwrite (LED_1, LOW ); sequence = 2 ; if (sequence == 2 ) { if ( millis () - current_time < 3000 ) { digitalwrite (LED_2, HIGH ); else { current_time = millis (); digitalwrite (LED_2, LOW ); sequence = 3 ; 45

47 if (sequence == 3 ) { if ( millis () - current_time < 3000 ) { digitalwrite (LED_6, HIGH ); digitalwrite (LED_3, HIGH ); else { current_time = millis (); digitalwrite (LED_7, LOW ); digitalwrite (LED_6, LOW ); sequence = 4 ; if (sequence == 4 ) { if ( millis () - current_time < ) { digitalwrite (LED_5, HIGH ); else { current_time = millis (); digitalwrite (LED_5, LOW ); sequence = 5 ; if (sequence == 5 ) { if ( millis () - current_time < 3000 ) { digitalwrite (LED_6, HIGH ); else { current_time = millis (); digitalwrite (LED_6, LOW ); sequence = 6 ; if (sequence == 6 ) { if ( millis () - current_time < 3000 ) { digitalwrite (LED_7, HIGH ); digitalwrite (LED_2, HIGH ); else { digitalwrite (LED_2, LOW ); digitalwrite (LED_3, LOW ); current_time = millis (); 46

48 sequence = 1 ; 5.4 Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Σε κάθε διαδικασία ψηφιακού ελέγχου είναι απαραίτητη η μετατροπή του σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό. Τη διαδικασία αυτή αναλαμβάνει ένας αναλογικός σε ψηφιακό μετατροπέας (Analog to Digital Converter). Ο ADC μπορεί να είναι ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα ή ακόμα και μια ολόκληρη πλακέτα η οποία αποτελείται από ολοκληρωμένα και διακριτά στοιχεία ανάλογα με την ακρίβεια, ανάλυση, τη ταχύτητα και τη δειγματοληψία που θέλουμε να πετύχουμε. Η πλακέτα της Flight Electronics, όπως έχει αναφερθεί, διαθέτει έναν ADC σε μορφή ολοκληρωμένου κυκλώματος, όμως εδώ δε θα γίνει χρήση αυτού. Αντίθετα, θα μελετηθεί μια από τις μεθόδους μετατροπής αναλογικού σήματος σε ψηφιακό με τη χρήση του Arduino. Η μέθοδος αυτή ονομάζεται μέθοδος διαδοχικής προσέγγισης (successive approximation). Στη πραγματικότητα, η μέθοδος αποτελεί παραλλαγή της κλασσικής μεθόδου διαδοχικής προσέγγισης. Αντί να γίνεται εκκίνηση με μια μεσαία τιμή και με υποδιαιρέσεις να βρίσκουμε την αναλογική είσοδο, η εκκίνηση γίνεται από το 0 και η τιμή ανεβαίνει μέχρι να ισούται με την αναλογική είσοδο. Ως αναλογικές πηγές, επιλέγουμε μια από τις 3 του SW3: VOLTS, EXT, LDR. Η θέση HEAT για το θερμαντικό στοιχείο δε μπορεί να μελετηθεί με χρήση του DAC. Το σήμα της αναλογικής πηγής που επιλέγεται πηγαίνει στο pin 2 του U9, που όπως είδαμε στην παράγραφο 2.11, πρόκειται για συγκριτή τάσης. Στο pin 3 του συγκριτή, πηγαίνει η έξοδος του DAC. Ο DAC παίρνει 8 bit από τη θύρα B και τα μετατρέπει σε αναλογικό σήμα V. Αυτή η τάση είναι που συγκρίνεται με την αναλογική είσοδο. Όταν η τάση στο pin 3 του συγκριτή ξεπερνά αυτή του pin 2, η έξοδος του συγκριτή γίνεται 0. Όταν συμβαίνει το αντίθετο, η έξοδος του συγκριτή γίνεται 1. Η έξοδος αυτή, πηγαίνει στο bit 3 της θύρας Α, από όπου διαβάζεται από το arduino. Η διαδικασία μετατροπής έχει ως εξής. Ορίζεται μια μεταβλητή η οποία μετατρέπεται σε δυαδική τιμή των 8bit. Κάθε bit αυτής στέλνεται σε ένα pin της 47

49 θύρας Β με το bit 7 ορισμένο ως πιο σημαντικό bit. Όπως εξηγήθηκε παραπάνω, τα bit αυτά στέλνονται στον DAC και μετατρέπεται σε αναλογική τιμή η οποία στέλνεται στο pin 3 του συγκριτή. Αν η τιμή της μεταβλητής είναι μεγαλύτερη της αναλογικής εισόδου, η έξοδος του συγκριτή γίνεται 0. Ξεκινώντας λοιπόν από τιμή 0, η μεταβλητή αυξάνεται κατά 5 και η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέχρι να ληφθεί τιμή 0 (χαμηλή τάση) από την έξοδο του συγκριτή. Η τελευταία ψηφιακή τιμή της μεταβλητής, είναι και η τιμή της αναλογικής πηγής που έχει μετατραπεί σε ψηφιακή Πείραμα 4: Μετατροπή αναλογικής εισόδου ποτενσιόμετρου σε ψηφιακή Για την εκτέλεση του πειράματος, θέλουμε ο διακόπτης SW4 DAC/OFF να είναι στη θέση DAC και ο SW3 στη θέση VOLTS. Το αρχείο με τον κώδικα του πειράματος είναι το Experiment_4_6_Digital_to_Analog_Conversion. Για το πείραμα χρησιμοποιούμε την εξωτερική βιβλιοθήκη RunningMedian σαν Median φίλτρο για τις τιμές που μετατρέπονται. Θα αναφερθούμε αναλυτικότερα παρακάτω. Αρχικά ορίζουμε τις μονοδιάστατες καθολικές μήτρες bitleds και leds, και οι δύο ορισμένες να αποθηκεύουν 8 ακέραιους. Η πρώτη χρησιμοποιείται για την αποθήκευση της δυαδικής αναπαράστασης μιας δεκαδικής τιμής στα 8 bit. Η δεύτερη έχει αποθηκευμένες τις τιμές των 8 bit της θύρας Β που ελέγχουν την κατάσταση των LEDs. Οι δύο συναρτήσεις dec2bin και bin2dec χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή δεκαδικού σε δυαδικό και δυαδικού σε δεκαδικό αντίστοιχα. Η συνάρτηση ledactivation, διαβάζει κάθε μια τιμή της μήτρας bitleds, και ενεργοποιεί το αντίστοιχο LED της πλακέτας. Αν για παράδειγμα η τιμή της leds είναι θα είναι αναμμένα τα LED 7,4,3,2. Η συνάρτηση succaprox είναι αυτή που εκτελεί τη μέθοδο διαδοχικής προσέγγισης. Ορίζεται αρχικά η ακέραια μεταβλητή refvalue η οποία ισούται με το 0. Με τη dec2bin η μεταβλητή μετατρέπεται σε δυαδική μορφή και κάθε bit αποθηκεύεται στη μήτρα bitleds. Έπειτα, καλείται η συνάρτηση ledactivation και η δυαδική μορφή της μεταβλητής στέλνεται στη θύρα Β της πλακέτας όπως περιγράψαμε παραπάνω. Τα 8 bit στέλνονται στον DAC και η αναλογική έξοδός του στέλνεται στο συγκριτή. Αν αυτός δώσει έξοδο 1, σημαίνει πως η τάση της αναλογικής πηγής είναι μεγαλύτερη της τάσης που έρχεται από τον DAC, η refvalue αυξάνεται κατά 5 και η διαδικασία επαναλαμβάνεται μέσω ενός while loop που έχει ως όρισμα την έξοδο της 48

50 πλακέτας (PA3). Όταν αυτή είναι 0, σημαίνει πως η τάση που στέλνει ο DAC είναι ίση η το πολύ κατά 5 μονάδες μεγαλύτερη της τάσης που στέλνει η αναλογική πηγή. Όταν συμβεί αυτό, η refvalue καλεί την bin2dec η οποία διαβάζει τις ήδη αλλαγμένες τιμές της μήτρας bitleds και τις μετατρέπει σε δεκαδική τιμή. Η επιλογή της αύξησης της refvalue κατά 5 έγινε διότι η αύξηση 5 μονάδων είναι η πιο αποδοτική. Μας δίνει καλή ακρίβεια και κάνει τη διαδικασία αρκετά γρήγορη. Το loop καλεί την succaprox αλλά ως όρισμα της συνάρτησης add της κλάσης sample που περιέχεται στη βιβλιοθήκη RunningMedian. Η βιβλιοθήκη αυτή μας δίνει εργαλεία για τη δημιουργία ενός Median φίλτρου. Αυτό παίρνει έναν ορισμένο αριθμό δειγμάτων, και μας δίνει την τιμή που επικρατεί. Στη περίπτωση μας, λόγω θορύβου και της όποιας καθυστέρησης εκτέλεσης της όλης διαδικασίας, η succaprox παρουσιάζει αρκετό θόρυβο από τιμές που ήταν κοντά μεταξύ τους. Με τη RunningMedian, επιλέγουμε την επικρατέστερη από ένα ορισμένο δείγμα και την αποθηκεύουμε στη μεταβλητή fin με χρήση της συνάρτησης getmedian. Η fin μετατρέπεται σε δυαδική μέσω της dec2bin και η ledactivation τη στέλνει στη θύρα Β. Σαν αποτέλεσμα τυπώνουμε τη μεταβλητή fin, δηλαδή τη δεκαδική αναπαράσταση της δυαδικής τιμής. Επίσης, τα LEDs που είναι αναμμένα, αποτελούν δυαδική αναπαράσταση της τιμής αυτής. 49

51 Σχήμα 5.1, Διάγραμμα ροής διαδικασίας πειράματος void loop () { samples.add(sucaprox()); int fin=samples.getmedian(); dec2bin(fin); ledactivation(); Serial. print ( "Voltage " ); Serial. print (fin); Serial. print ( "\n" ); int sucaprox(){ int refvalue; 50

52 refvalue= 0 ; dec2bin(refvalue); ledactivation(); while ( digitalread (PA3)> 0 ){ dec2bin(refvalue); ledactivation(); refvalue=refvalue+ 5 ; return bin2dec(); int bin2dec( void ){ int i= 0 ; int dec = 0 ; while (i< 8 ){ dec = dec + (bitleds[i]<<( 7 -i)); i++; return dec; void ledactivation( void ){ int i= 0 ; while (i< 8 ){ if (bitleds[i]== 1 ){ digitalwrite (leds[i], HIGH ); else { 51

53 digitalwrite (leds[i], LOW ); i++; void dec2bin( int dec){ int i= 0 ; while (i< 8 ){ bitleds[ 7 -i]=dec% 2 ; dec=dec/ 2 ; i++; 5.5 Αναλογική έξοδος Μέσω της θύρας P2 είναι δυνατή η σύνδεση εξωτερικής πηγής τάσης αλλά και η έξοδος ενός σήματος τάσης μέσω της πλακέτας. Για την έξοδο, χρησιμοποιείται η το pin out για τη σύνδεση της τάσης, και το pin Gnd για τη σύνδεση της γείωσης. Στο πείραμά μας, θα δημιουργήσουμε ένα ημιτονειδές και ένα πριονωτό σήμα μέσω δύο πινάκων τιμών, έναν για το κάθε σήμα αντίστοιχα. Ο κάθε πίνακας περιέχει 256 δεκαδικές τιμές, που παίζουν το ρόλο ενός σήματος που έχει υποστεί δειγματοληψία. Κάθε τιμή θα μετατρέπεται σε δυαδική και θα στέλνεται στο DAC, όπου θα μετατρέπεται σε αναλογική και θα στέλνεται στο pin out της P2. Η έξοδος αυτή μπορεί να μετρηθεί με χρήση παλμογράφου Πείραμα 5: Παραγωγή ενός ημιτονοειδούς σήματος Για την εκτέλεση του πειράματος ο διακόπτης SW2 πρέπει να είναι στη θέση SWITCH, ο DAC στη θέση ΟΝ και ο παλμογράφος κατάλληλα συνδεδεμένος, δηλαδή η είσοδος του να έρχεται από το pin out της θύρας P2 της πλακέτας και η γείωση του να πηγαίνει στο Gnd της πλακέτας. 52

54 Το αρχείο με τον κώδικα του πειράματος είναι το Experiment_5_Generate_Sinwave. Αρχικά, ορίζονται οι μονοδιάστατοι πίνακες 256 τιμών που αντιστοιχούν στα δύο σήματα. Ως sinetable ορίζεται ο πίνακας του ημιτονοειδούς και ως sawtable ο πίνακας του τριγωνικού. Όπως και στο προηγούμενο πείραμα, χρησιμοποιούνται οι συναρτήσεις ledactivation, dec2bin και bin2dec που έχουν περιγραφεί παραπάνω διότι και εδώ, χρειάζεται η μετατροπή δεκαδικού σε δυαδικό καθώς και το αντίθετο. Η συνάρτηση signalgen, παίρνει με τη σειρά κάθε τιμή ενός από τους δύο πίνακες τιμών, τη μετατρέπει σε δυαδική και καλεί τη συνάρτηση ledactivation για να στείλει τα bit στη θύρα Β. Επιστρέφει τη δεκαδική τιμή του αριθμού, η οποία στο main loop μετατρέπεται πάλι σε δυαδική τιμή και μέσω της ledactivation στέλνεται στη θύρα Β. Ο λόγος που αυτό συμβαίνει 2 φορές είναι πως στις δοκιμές, η επανάληψη της διαδικασίας, έδειχνε πιο καθαρά το σήμα στον παλμογράφο. Για την επιλογή του σήματος που θέλουμε να εμφανιστεί, πηγαίνουμε στη συνάρτηση signalgen και αντικαθιστούμε, στα δύο σημεία που εμφανίζεται, τη λέξη sintable με τη λέξη sawtable ή το αντίθετο. void loop () { dec2bin(signalgen()); ledactivation(); int signalgen(){ for ( int i= 0 ;i<( sizeof (sintable))/ sizeof ( int );i++){ dec2bin(sintable[i]); ledactivation(); return bin2dec(); 53

55 5.6 Bargraph Στα πλαίσια των πειραμάτων, η ανάδραση που λαμβάνουμε από την έξοδο της πλακέτας εμφανίζεται στον υπολογιστή μέσω της σειριακής επικοινωνίας που υποστηρίζει το Arduino. Για τα πειράματα που χρησιμοποιούν τον DAC και τη θύρα Β, η πλακέτα διαθέτει μια μπάρα από LEDs (Bargraph) ως ένδειξη του μεγέθους των τιμών που μετατρέπονται από αναλογικές σε ψηφιακές. Το Bargraph ελέγχεται από το U11, το οποίο δειγματοληπτεί ένα σήμα εισόδου, που ξεπερνώντας συγκεκριμένα επίπεδα τάσης, ανάβει ένα από τα LEDs στο Bargraph. Έτσι, όσο μεγαλύτερη η τάση, τόσο περισσότερα LEDs ανάβουν. Η ένδειξη του Bargraph αποτελεί μια ποιοτική μέθοδο παρακολούθησης του μεγέθους μιας μεταβλητής, και σε καμία περίπτωση δε θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις ακριβή ελέγχου Πείραμα 6: Χρήση του Bargraph για ένδειξη αναλογικής εισόδου Το συγκεκριμένο πείραμα χρησιμοποιεί το ίδιο αρχείο με το πείραμα 4: Experiment_4_6_Digital_to_Analog_Conversion. Ο διακόπτης SW2Α πρέπει να είναι στη θέση SWITCH, ο DAC στη θέση ΟΝ και ο BARGR στη θέση ΟΝ. Όσον αφορά τη λειτουργία του πειράματος, είναι ίδια με το πείραμα 4. Δηλαδή μετατροπή αναλογικών τιμ;ών σε ψηφιακές με τη μέθοδο διαδοχικής προσέγγισης. Εδώ, με τη χρήση του bargraph, είναι δυνατόν οι τιμές που στέλνονται στη θύρα Β, και κατά συνέπεια στο DAC να μετρηθούν ποιοτικά από την αναλογική έξοδο του DAC που στέλνεται μέσω του U11 στο Bargraph. Η βαθμονόμηση του Bargraph, γίνεται με χρήση του αρχείου του πειράματος 1, Experiment_1_Switch_Leds. Κάθε διακόπτης SW1 που ανοίγουμε από τα αριστερά προς τα δεξιά, ενεργοποιεί το αντίστοιχο LED, και συνεπώς στέλνει σήμα ΟΝ στο αντίστοιχο bit της θύρας και στην είσοδο του DAC. Έτσι, από την αναλογική έξοδο του DAC για κάθε δυαδική τιμή που μπορεί να αναπαραχθεί μέσω τον διακοπτών SW1, η οποία μπορεί να μετρηθεί με βολτόμετρο, και έχοντας ενεργοποιήσει το Bargraph (BARGR ON), παρατηρούνται τα LEDσ που ανάβουν. 54

56 Αριθμός αναμμένων LED Τάση (V) 0,24 0,54 0,82 1,12 1,41 1,66 1,96 2,27 2,57 2,93 Σχήμα 5.2, αναλογία LED με τάση εξόδου DAC Η τάση της που μετράμε από το ποτενσιόμετρο, μπορεί να ξεπεράσει την ονομαστική τιμή, δηλαδή τα 2,65 V. Πιθανότατα λόγω της σχετικά μη 55

57 σταθερής τροφοδοσίας, η τάση που τραβάει το ποτενσιόμετρο να έχει διακυμάνσεις. Το σημαντικό είναι να παρατηρήσουμε πως η τάση σε σχέση με τα LEDs που ανάβουν διατηρεί μια γραμμικότητα, γεγονός που κάνει το Bargraph αξιόπιστη μέθοδο για ποιοτικό έλεγχο μιας μεταβλητής. 5.7 Έλεγχος DC Κινητήρα Ο DC κινητήρας που διαθέτει η πλακέτα μπορεί να ελεγχθεί με απλό τρόπο, ο οποίος περιλαμβάνει την ενεργοποίηση του (ΟΝ) στην οποία θα περιστρέφεται μέχρι να φτάσει τη μέγιστη ταχύτητα, την απενεργοποίηση του (OFF), και την αλλαγή φοράς περιστροφής του. Κατά την ενεργοποίηση του, 9V στέλνονται στα άκρα του κινητήρα μέσω του ρελέ Κ1. Η τάση αυτή δεν είναι ελέγξιμη με αναλογικό τρόπο. Το ρελέ ελέγχει τη πολικότητα αυτής της τάσης, η οποία καθορίζει τη φορά περιστροφής του κινητήρα. Για δεξιόστροφη περιστροφή, πρέπει το bit 7 να είναι ΟΝ και το bit 6 να είναι OFF, ενώ για αριστερόστροφη πρέπει να συμβαίνει το αντίθετο. Στο πείραμα που ακολουθεί, προγραμματίζουμε να συμβαίνει σε επανάληψη περιστροφή του κινητήρα δεξιόστροφα για 5 δευτερόλεπτα, σταμάτημα για 5 δευτερόλεπτα, περιστροφή αριστερόστροφα για 5 δευτερόλεπτα και σταμάτημα για 5 δευτερόλεπτα. Θα μπορούσε να αλλάξει οτιδήποτε από τους χρόνους, τις φορές και τις παύσεις, όμως το πείραμα αυτό είναι ενδεικτικό του τι μπορεί να κάνει ο κινητήρας. Πιο σύνθετος έλεγχος του κινητήρα θα μελετηθεί σε επόμενο πείραμα Πείραμα 7: Ενεργοποίηση/Απενεργοποίηση κινητήρα και αντίθετη περιστροφή Το αρχείο με τον κώδικα του πειράματος είναι το Experiment_7_Motor_On_Off_Reverse. Για τη πραγματοποίησή του θέλουμε τον SW1 στη θέση SWITCH και το διακόπτη του κινητήρα MOTOR στη θέση ΟΝ. Ο κώδικας είναι ιδιαίτερα απλός. Στο main loop βρίσκεται μόνο η συνάρτηση startstop. Αυτή απλά ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί τα εκάστοτε pin. Ξεκινώντας, όλα είναι σε κατάσταση HIGH, το bit 6 της θύρας Β τίθεται σε κατάσταση LOW και ο κινητήρας περιστρέφεται δεξιόστροφα. Με τη delay(5000) η κατάσταση αυτή διατηρείται για 5 δευτερόλεπτα. Έπειτα, το bit 6 της θύρας Β οδηγείται σε κατάσταση HIGH, οπότε ο κινητήρας σταματά. Και πάλι με τη delay(5000) η κατάσταση παραμένει ως έχει για 5 δευτερόλεπτα. 56

58 Στη συνέχεια, το pin 7 οδηγείται σε κατάσταση LOW, το ρελέ αλλάζει τη φορά περιστροφής και ο κινητήρας περιστρέφεται αριστερόστροφα για 5 δευτερόλεπτα (πάλι με τη χρήση delay ). Τέλος ακολουθεί η παύση για άλλα 5 δευτερόλεπτα με την οδήγηση του pin 7 σε κατάσταση HIGH. Στο συγκεκριμένο πείραμα έγινε επιλογή της χρήσης της συνάρτησης delay αντί για μια non-blocking διαδικασία, με σκοπό να παρουσιαστεί και ο τρόπος αυτός, εφόσον δεν προκαλεί πρόβλημα στον κώδικα μας. Η εκκίνηση μετά από παύση πολλές φορές εμποδίζεται καθώς όπως έχει αναφερθεί, ο κινητήρας πολλές φορές κολλάει λόγω της ηλικίας του και δε βρέθηκε τρόπος να διορθωθεί το πρόβλημα. void startstop() { digitalwrite (LED_6, LOW ); delay ( 5000 ); digitalwrite (LED_7, HIGH ); delay ( 5000 ); digitalwrite (LED_7, LOW ); delay ( 5000 ); digitalwrite (LED_6, HIGH ); delay ( 5000 ); 5.8 Έλεγχος Θερμοκρασίας Είναι δυνατός ο έλεγχος του θερμαντικού στοιχείου (R12) της πλακέτας ενεργοποιώντας το bit 5 της θύρας Β (pin 26). Όσο η θερμοκρασία αυξάνεται, τόσο η τάση του αισθητήρα που είναι σε επαφή με το θερμαντικό στοιχείο αυξάνει. Αν το επιλέξουμε ως πηγή αναλογικής τάσης με τον SW3, τότε μέσω του ADC είναι δυνατή η μέτρηση της θερμοκρασίας. Όπως έχει αναφερθεί παραπάνω, τα έγγραφα για τη λειτουργία της πλακέτας ήταν λίγα και όχι ξεκάθαρα σε πολλά σημεία. Συγκεκριμένα, στο κομμάτι της βαθμονόμησης του θερμαντικού στοιχείου, οι περιγραφές ήταν περισσότερο παραπλανητικές. Επί πρόσθετα, ο αισθητήρας τύπου LM335 ύστερα από μέτρηση, δε φαίνεται να είναι σωστά γειωμένος. Παρ όλα αυτά, μια σχετική ακρίβεια στη βαθμονόμηση έχει επιτευχθεί με χρήση εξωτερικού ψηφιακού θερμομέτρου στο εύρος 25-40⁰ C. 57

59 Οι μέθοδοι ελέγχου που χρησιμοποιούνται έιναι 3: - Απλός ON-OFF - ON-OFF με χρήση του κινητήρα ως ανεμιστήρα - PID με χρήση εξωτερικής βιβλιοθήκης του Arduino ON-OFF: Η λογική του ελέγχου ON-OFF είναι απλή. Αρχικά, ορίζεται η τιμή στην οποία θέλουμε να πάει η ελεγχόμενη μεταβλητή (σημείο αναφοράς). Στη συνέχεια, υπολογίζεται η διαφορά της μέτρησης της ανάδρασης από κάποιον αισθητήρα (στη περίπτωση μας ο LM335 για μέτρηση θερμοκρασίας) με αυτή του σημείου αναφοράς. Αν η μέτρηση της μεταβλητής είναι μικρότερη από το σημείο αναφοράς, αυξάνεται η τιμή της μεταβλητής, συνήθως με ενεργοποίηση του στοιχείου που την ελέγχει. Αν η μέτρηση είναι μικρότερη από το σημείο αναφοράς, μειώνεται η τιμή μεταβλητής. Προφανώς, η σύγκριση επαναλαμβάνεται συνέχεια ώστε να γίνει η σωστή ενέργεια ελέγχου (αύξηση η μείωση της μεταβλητής). Το αποτέλεσμα, είναι μια ταλάντωση γύρω από το σημείο αναφοράς, η συχνότητα και το πλάτος της οποίας είναι εξαρτημένες από το πόσο γρήγορα ανταποκρίνεται η ελεγχόμενη μεταβλητή σε αλλαγές, και πόσο γρήγορη είναι η ανάδραση στο να αντιληφθεί την αλλαγή κατάστασης της σύγκρισης. Σχήμα 5.3, Τυπικό διάγραμμα ON-OFF ελέγχου Για διαδικασίες που απαιτούν μεγαλύτερη ακρίβεια και καλύτερη ανταπόκριση στο χρόνο, ο έλεγχος ON-OFF δεν είναι ενδεικτικός. Χρησιμοποιείται όμως σε 58

60 αρκετές διαδικασίες και ειδικά, όπως και στη περίπτωσή μας, στον έλεγχο της θερμοκρασίας. ON-OFF MOTOR Η συγκεκριμένη μέθοδος είναι ίδια με τον έλεγχο ON-OFF με μόνη διαφορά πως μόλις η μεταβλητή ελέγχου περνάει το σημείο αναφοράς, ενεργοποιείται ο κινητήρας (λειτουργεί ως ανεμιστήρας) ώστε να κατέβει η θερμοκρασία κάτω από το επιθυμητό επίπεδο πιο γρήγορα. Μόλις αυτό συμβεί, ο κινητήρας απενεργοποιείται, και ενεργοποιείται η τροφοδοσία του θερμαντικού στοιχείου ώστε να αυξηθεί η θερμοκρασία του. Και εδώ, προέκυψε το πρόβλημα εκκίνησης του κινητήρα από πλήρη ακινησία, οπότε για τη λήψη δεδομένων, χρειάστηκε να βοηθήσουμε την εκκίνηση χειροκίνητα. PID Μια από τις πιο διαδεδομένες μεθόδους ελέγχου είναι η PID (Proportional-Integral-Derivative). Σε αυτή, γίνεται συνεχής υπολογισμός του σφάλματος μεταξύ σημείου αναφοράς και μετρούμενης μεταβλητής και εφαρμόζεται διόρθωση σύμφωνα με πολλαπλασιαστικούς, ολοκληρωτικούς και διαφορικούς όρους (από όπου παίρνει και το όνομα του ο ελεγκτής). Σχήμα 5.4, Block diagram ελέγχου με PID Το σχήμα 5.4 δείχνει τη βασική λειτουργία του PID στην αναλογική του μορφή. Ο ελεγκτής υπολογίζει το σφάλμα e(t) ως τη διαφορά y(t)-r(t) και εφαρμόζει διόρθωση σύμφωνα με τον πολλαπλασιαστικό, ολοκληρωτικό και διαφορικό όρο. Στόχος του ελεγκτή είναι να ελαττωθεί το σφάλμα στο πέρας του χρόνου ελέγχοντας τη μεταβλητή u(t). 59