Εργαστηριακές σημειώσεις για το μάθημα: «Εισαγωγή στην Μηχατρονική»

Transcript

1 Εργαστηριακές σημειώσεις για το μάθημα: «Εισαγωγή στην Μηχατρονική» Τμήμα Μηχανολογίας Δρ. Φασουλάς Γιάννης, Τ.Ε.Ι. Κρήτη, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Ηράκλειο Κρήτης, (2013)

2 Περίληψη 1 Εξοικείωση με Αναλογικά και ψηφιακά Κυκλώματα Αυτό το εργαστηριακό μέρος έχει σκοπό να δώσει στον φοιτητή τις βασικές γνώσεις που είναι απαραίτητες για την κατασκευή απλών αναλογικών και ψηφιακών κυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται σε Μηχατρονικά συστήματα. 1.1 Οι σταθεροποιητές τάσης Οι σταθεροποιητές τάσης (voltage regulators) αποτελούν ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή τάσης συνεχούς ρεύματος. Πρόκειται για τα ολοκληρωμένα L78S05CV και L78S09CV, η μορφή των οποίων φαίνεται στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 1.1.1: Οι σταθεροποιητές τάσης L78S05CV και L78S09CV. Τα ολοκληρωμένα αυτά είναι τριών ακροδεκτών. Στον πρώτο ακροδέκτη εφαρμόζεται τάση μέγιστης τιμής 35 Volts, ο τρίτος ακροδέκτης γειώνεται, ενώ ο δεύτερος ακροδέκτης παρέχει σταθεροποιημένη τάση 5 Volts (για το L78S05CV) και 9 Volts (για το L78S09CV). Το ρεύμα στην έξοδο των ολοκληρωμένων αυτών μπορεί να φθάσει έως και τα 2 Amperes. Με τον τρόπο 2

3 αυτόν, π.χ. η τάση των 12 Volts μπορεί να υποβιβαστεί στα 5 Volts ή 9 Volts αντίστοιχα. Σχήμα 1.1.2: Διάταξη ακροδεκτών των σταθεροποιητών τάσης L78S05CV και L78S09CV. Οι μικροελεγκτές μπορούν να τροφοδοτούνται με τάση λειτουργίας ανάλογα με τον τύπο του ολοκληρωμένου από 2VDC έως 6VDC. Μια καλή ιδέα ευρύτατα διαδεδομένη για την κατασκευή τροφοδοτικού +5V είναι η χρησιμοποίηση του σταθεροποιητή τάσης Το παρακάτω κύκλωμα αποτελείται από ένα μετασχηματιστή, μια γέφυρα, ένα σταθεροποιητή 7805 και δύο πυκνωτές εξομάλυνσης. Αν το ρεύμα που τροφοδοτεί το κύκλωμα είναι μεγαλύτερο 1 από 100mA θα πρέπει να τοποθετηθεί ψήκτρα επάνω στο Η ακριβής τιμή του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή δεν είναι καθοριστική. Σε κάθε περίπτωση, πρέπει η τάση εισόδου του σταθεροποιητή 7805 να είναι τουλάχιστον κατά 2V μεγαλύτερη από την τάση εξόδου 2. Σχήμα 1.1.3: Σταθεροποιημένο τροφοδοτικό +5V 1 Η τιµή των 100mA είναι ενδεικτική. Το µέγεθος της ψήκτρας εξαρτάται από την τάση εισόδου του Για τροφοδοτικό 5V πρέπει η τάση εισόδου του 7805 να είναι τουλάχιστον 7V. 3

4 Σε περίπτωση που χρειάζεται και αρνητική τάση - 5V θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μετασχηματιστής με μεσαία λήψη και ο σταθεροποιητής αρνητικής τάσης Σχεδίαση σταθεροποιημένου τροφοδοτικού +5V Οι μικροελεγκτές PIC μπορούν να τροφοδοτούνται με τάση λειτουργίας ανάλογα με τον τύπο του ολοκληρωμένου με τάση από 2VDC έως 6VDC. Μια καλή ιδέα ευρύτατα διαδεδομένη για την κατασκευή τροφοδοτικού +5V είναι η χρησιμοποίηση του σταθεροποιητή τάσης Το κύκλωμα του Σχήματος αποτελείται από ένα μετασχηματιστή, μια γέφυρα, ένα σταθεροποιητή 7805 και δύο πυκνωτές εξομάλυνσης. Αν το ρεύμα που τροφοδοτεί το κύκλωμα είναι μεγαλύτερο 3 από 100mA θα πρέπει να τοποθετηθεί ψήκτρα επάνω στο Η ακριβής τιμή του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή δεν είναι καθοριστική. Σε κάθε περίπτωση, πρέπει η τάση εισόδου του σταθεροποιητή 7805 να είναι τουλάχιστον κατά 2V μεγαλύτερη από την τάση εξόδου 4. Σε περίπτωση που χρειάζεται και αρνητική τάση - 5V θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί μετασχηματιστής με μεσαία λήψη και ο σταθεροποιητής αρνητικής τάσης Σχεδίαση ρυθμιζόμενου τροφοδοτικού Ένας άλλος σταθεροποιητής, που παρέχει επιπρόσθετα τη δυνατότητα ρύθμισης της τάσης εξόδου του, είναι ο LM317Τ. Το ρεύμα που μπορεί να περνά μέσα από αυτόν είναι μέχρι 1,5Α για κλίμακα τάσεων εξόδου από 1,2V έως 57V. Η επιθυμητή τάση εξόδου ρυθμίζεται από τη μεταβλητή αντίσταση R2 (Σχήμα ). Ο πυκνωτής εξόδου χρησιμοποιείται για την εξομάλυνση της τάσεως εξόδου. Μπορεί να έχει μέγεθος 1μF- 1000μF, πρέπει όμως να είναι ηλεκτρολυτικός ή τανταλίου. Για τάση εισόδου VΙΝ<28 Volt η τάση εξόδου δίνεται από τη σχέση: 3 Η τιµή των 100mA είναι ενδεικτική. Το µέγεθος της ψήκτρας εξαρτάται από την τάση εισόδου του Για τροφοδοτικό 5V πρέπει η τάση εισόδου του 7805 να είναι τουλάχιστον 7V. 4

5 R2 V OUT = 1,25(1 + ) R1 Σχήμα : Φθηνό ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό έως 1,5Α με το ολοκληρωμένο LM317Τ Σε εφαρμογές για ρεύμα μεγαλύτερο από 3Α ή 5 Α, χρησιμοποιούνται με την ίδια ακριβώς συνδεσμολογία τα ολοκληρωμένα LM150 ή LM138 αντίστοιχα. 1.2 Αναλογικά ηλεκτρονικά κυκλώματα Η Λειτουργία του SCR σε αναλογικό κύκλωμα συναγερμού Σχεδιάστε στο raster το παρακάτω κύκλωμα συναγερμού: Αλλαγή σχήματος προσθήκη αντίστασης 56Κω παράλληλα στον πυκνωτή. SCR: TIC106 Δίοδος: 1Ν4007 Σχήμα 1.2.1: Η χρήση του SCR σε κύκλωμα συναγερμού 5

6 1.2.2 Η Λειτουργία του Τρανζίστορ σάν διακόπτης α) Τρανζίστορ NPN β) Τρανζίστορ PNP Τρανζίστορ: NPN3904 W25 Δίοδος: 1Ν4007 Τρανζίστορ: NPN3906 ή 5906 Δίοδος: 1Ν4007 Σχήμα :Η χρήση του τρανζίστορ ως διακόπτης NO (Normal Open) και NC (Normal Close) Ανύχνευση φωτεινότητας με την βοήθεια φωτο- αντίστασης LDR Με το παρακάτω κύκλωμα είναι δυνατόν να εκμεταλλευτούμε την αλλαγή της τιμής της φωτο- αντίστασης (LDR) προκειμένου να ενεργοποιήσουμε το τρανζίστορ NPN και να παρέχουμε το απαραίτητο ρεύμα στο φορτίο μας (Φωτο- δίοδος LED). Υπενθυμίζουμε ότι όταν πέφτει φως πάνω στην αντίσταση LDR τότε η τιμή της μειώνεται δραστικά. 6

7 Τρανζίστορ: NPN3904 ή BC548 Δίοδος: 1Ν40007 Σχήμα : Βασικό κύκλωμα σύνδεσης τρανζίστορ με αισθητήριο μεταβλητής αντίστασης 1.3 Ψηφιακά ηλεκτρονικά στοιχεία Απλός ταλαντωτής µε την βοήθεια ενός inverted Inverted Schmitt Triger Ολοκήρωμένο κύκλωμα IC Ψηφιακές πύλες Για τα παρακάτω ολοκληρωμένα (IC) να επαληθεύσετε τους πίνακες αληθείας για τις πύλες που περιέχουν. 7

8 8

9 1.3.3 Σχεδίαση ψηφιακού κυκλώµατος Σχεδιάστε ένα ψηφιακό κύκλωμα το οποίο να ανάβει το Led προειδοποίησης μονάχα όταν στην περίπτωση που Α =LOW, B=HIGH, C=LOW, D=HIGH. Υλοποιείστε το κύκλωμα σας με τα εξαρτήματα που σας παρέχονται από το εργαστήριο. Τι πρέπει να προσέξουμε στην περίπτωση που θέλουμε να ενεργοποιήσουμε ένα dc κινητήρα; Πώς θα τροποποιήσουμε το παραπάνω κύκλωμα συνδέοντας τον dcκινητήρα; 9

10 1.3.4 Κατασκευή ενός ψηφιακού Πολυπλέκτη Να υπολογίσετε την έξοδο F του παρακάτω ολοκληρωμένου κυκλώματος σαν συνάρτηση των εισόδων A,B,G1,G2 καινα σχεδιάσετε τον πίνακα αληθείας του ψηφιακού κυκλώματος. Πόσα ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC) απαιτούνται για να κατασκευάσουμε το παρακάτω κύκλωμα; Κατασκευάστε στο breadboard το παρακάτω κύκλωμα και επιβεβαιώστε τα δεδομένα του πίνακα αληθείας. Να σχεδιάσετε το κύκλωμα χρησιμοποιώντας μονάχα πύλες NAND. Τι παρατηρείτε με την νέα σχεδίαση του κυκλώματος; Κατασκευάστε στο breadboard το νέο κύκλωμα και επιβεβαιώστε τα δεδομένα του πίνακα αληθείας. Ψάξτε στο διαδίκτυο για το datasheet του ολοκληρωμένου και μελετήστε το. Επίσης σχεδιάστε στο electronicworkbench ένα ψηφιακό κύκλωμα το οποίο να κάνει χρήση του παραπάνω ολοκληρωμένου. Παρατήρηση Γενικά, οι πολυπλέκτες (multiplexers) είναι κυκλώματα που συμπεριφέρονται σαν περιστροφικοί διακόπτες, μέσω των οποίων επιλέγεται ως σήμα εξόδου (F) οποιοδήποτε από πολλά σήματα εισόδου (A,B). Στα ψηφιακά ηλεκτρονικά, ο πολυπλέκτης είναι ένα συνδυασμός λογικών πυλών και έχει δύο ή περισσότερες εισόδους και μία έξοδο. Το ποια είσοδος θα "περάσει" στην έξοδο ελέγχεται από τη δυαδική έκφραση που θα εφαρμοσθεί σε μια άλλη ομάδα εισόδων (είσοδοι επιλογής π.χ. G1, G2). 10

11 SEVEN SEGMENT DISPLAY Κοινής καθόδου Arduino Pin 7 Segment Pin Connection 2 7 (A) 3 6 (B) 4 4 (C) 5 2 (D) 6 1 (E) 7 9 (F) 8 10 (G) 9 5 (DP) // // Natalia Fargasch Norman // Seven- segment LED Display // Common Anode pins 3 and 8 // G F + A B // - > pins and segments they control 11

12 // // F A B // G > segments // E D C // // - > pins and segments they control // E D + C DP // Segments that make each number when lit: // 0 => ABCDEF // 1 => BC // 2 => ABDEG // 3 => ABCDG // 4 => BCFG // 5 => ACDFG // 6 => ACDEFG // 7 => ABC // 8 => ABCDEFG // 9 => ABCDFG // Arduino digital pins used to light up // corresponding segments on the LED display #define A 2 #define B 3 #define C 4 #define D 5 #define E 6 #define F 7 #define G 8 // Pushbutton connected to pin 9 #define BUTTON 9 // Common anode; // on when pin is low // and off when pin is high #define ON LOW #define OFF HIGH 12

13 int count = 0; // current display count int val = 0; // digital input from button void setup() { pinmode(a, OUTPUT); pinmode(b, OUTPUT); pinmode(c, OUTPUT); pinmode(d, OUTPUT); pinmode(e, OUTPUT); pinmode(f, OUTPUT); pinmode(g, OUTPUT); pinmode(button, INPUT); zero(); void loop() { val = digitalread(button); if (val == HIGH) { count++; delay(200); switch (count) { case 0: zero(); case 1: one(); case 2: two(); case 3: three(); case 4: four(); case 5: five(); case 6: 13

14 six(); case 7: seven(); case 8: eight(); case 9: { nine(); count = - 1; // 0 => ABCDEF void zero() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, ON); digitalwrite(f, ON); digitalwrite(g, OFF); // 1 => BC void one() { digitalwrite(a, OFF); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, OFF); digitalwrite(e, OFF); digitalwrite(f, OFF); digitalwrite(g, OFF); // 2 => ABDEG 14

15 void two() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, OFF); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, ON); digitalwrite(f, OFF); digitalwrite(g, ON); // 3 => ABCDG void three() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, OFF); digitalwrite(f, OFF); digitalwrite(g, ON); // 4 => BCFG void four() { digitalwrite(a, OFF); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, OFF); digitalwrite(e, OFF); digitalwrite(f, ON); digitalwrite(g, ON); // 5 => ACDFG void five() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, OFF); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, OFF); digitalwrite(f, ON); 15

16 digitalwrite(g, ON); // 6 => ACDEFG void six() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, OFF); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, ON); digitalwrite(f, ON); digitalwrite(g, ON); // 7 => ABC void seven() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, OFF); digitalwrite(e, OFF); digitalwrite(f, OFF); digitalwrite(g, OFF); // 8 => ABCDEFG void eight() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, ON); digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, ON); digitalwrite(f, ON); digitalwrite(g, ON); // 9 => ABCDFG void nine() { digitalwrite(a, ON); digitalwrite(b, ON); 16

17 digitalwrite(c, ON); digitalwrite(d, ON); digitalwrite(e, OFF); digitalwrite(f, ON); digitalwrite(g, ON); Κινητήρα κόκκινο Α) Κύκλωμα οδήγησης dc κινητήρα και φορά κινητήρα. 17