Σκοπός Ψηφιακά Αντικείμενα Μάθημα 1 Δραστηριότητα 2 ΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΣΑΡΩΣΗΣ ΤΟΥ ΟΠΤΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ. Ψηφιακά Αντικείμενα Μικροελεγκτής Προγραμματισμός Φυσικών Συστημάτων Συστήματα Πραγματικών Εφαρμογών Νέα Ψηφιακά Αντικείμενα Αισθητήρες Αισθητήρας Υπερήχων Κινητήρες Σερβοκινητήρες Έλεγχος Σερβοκινητήρα 1
2.1 ΕΠΙΔΙΩΞΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Η βασική επιδίωξη αυτής της δραστηριότητας, είναι να δούμε την ιδέα του STEM, μέσα από τη σχεδίαση, σχεδιάζοντας ένα απλό, αλλά πολύ αποτελεσματικό (robust) οπτικό σύστημα που συχνά, χρησιμοποιείται σ ένα ρομπότ, για να εντοπίζει αντικείμενα και τις αποστάσεις τους απ αυτό, σ ένα οπτικό πεδίο 0 180, στο χώρο, μπροστά από το ρομπότ. Το σύστημα σάρωσης αποτελείται από δύο βασικές μονάδες: τον αισθητήρα υπερήχων που μετράει την απόσταση ενός αντικειμένου, μπροστά και ένα σερβοκινητήρα (Εικόνα 1). Η λειτουργία του σερβοκινητήρα είναι να περιστρέφει το αισθητήρα υπερήχων, σ ένα πεδίο 0 180, για να εντοπίζουμε αντικείμενα, όχι μόνον σε μία συγκεκριμένη οπτική γωνία, αλλά σε όλα το χώρο του οπτικού πεδίου (Εικόνα 1). Σχεδιάζοντας το σύστημα σάρωσης, βλέπουμε την έννοια του ψηφιακού αντικειμένου, όχι μόνον σαν το πρόγραμμα μίας εφαρμογής, ενός animation ή μίας προσομοίωσης, αλλά και σαν το πρόγραμμα που λειτουργεί ένα πραγματικό σύστημα. Γιατί το σύστημα που σχεδιάζουμε, σ αυτή τη δραστηριότητα, εκτός από το hardware, το σερβοκινητήρας και τον αισθητήρα υπερήχων, περιλαμβάνει και το πρόγραμμα που λειτουργεί αυτό το σύστημα, υπολογίζοντας την απόσταση αντικειμένων, στη βάση του χρόνου που η ανάκλαση ενός ηχητικού σήματος, κάνει να επιστρέψει στον αισθητήρα και δημιουργώντας τα ηλεκτρικά σήματα τις τάσεις που περιστρέφουν τον σερβοκινητήρα. Επειδή το σύστημα σάρωσης προγραμματίζεται, αποτελεί ένα νέο ψηφιακό αντικείμενο. Όπως στη προσομοίωση ενός συστήματος, έτσι και στη σχεδίαση και το προγραμματισμό ενός πραγματικού συστήματος, εφαρμόζουμε τη θεωρία και μέσα από την εφαρμογή της, στη πράξη, μαθαίνουμε. Όμως σε σχέση με τη προσομοίωση, η σχεδίαση ενός πραγματικού συστήματος, επιτρέπει επιπλέον δυνατότητες: να λύνουμε πρακτικά προβλήματα, να γεφυρώνουμε τη θεωρία με τη πράξη, να σχεδιάζουμε συστήματα που λειτουργούν σ ένα πραγματικό περιβάλλον και που μπορεί να έχουν πραγματικές εφαρμογές. Σχεδιάζοντας το σύστημα σάρωσης, μαθαίνουμε βασικές έννοιες της φυσικής, των ηλεκτρικών κυκλωμάτων και των ηλεκτρονικών, σχεδιάζοντας το ηλεκτρικό / η- λεκτρονικό κύκλωμα ενός πραγματικού συστήματος. Μαθαίνουμε να συνδυάζουμε αναλογικά με ψηφιακά κυκλώματα και να προγραμματίζουμε αυτά τα κυκλώματα Κυρίως, η σχεδίαση του συστήματος σάρωσης είναι μία διαδικασία που αναπτύσσει μία βασική δεξιότητα ενός μηχανικού: τη δυνατότητα να σχεδιάζουμε συστήματα πραγματικών εφαρμογών. 2
Εικόνα 1: Το σύστημα σάρωσης του οπτικού πεδίου, αποτελείται από έναν αισθητήρα υπερήχων, επάνω σ ένα σερβοκινητήρα. Ο σερβοκινητήρας περιστρέφει τον αισθητήρα, από 0 180, για να υπολογίζουμε την απόσταση από κάθε αντικείμενο, σ αυτό το πεδίο. 2.2 Εισαγωγή Το Ψηφιακό Πλαίσιο Τα ψηφιακά αντικείμενα είναι υλικό που δημιουργούμε χρησιμοποιώντας προγράμματα στον υπολογιστή ή ακόμα, στο tablet, για να περιγράφουμε ή να αναλύουμε θεωρητικές έννοιες και ιδέες, να αναλύουμε τη λειτουργία ενός συστήματος ή κυκλώματος. Ένα ψηφιακό αντικείμενο, στη πιο απλή μορφή του, μπορεί να είναι σημειώσει σε Word ή pdf, μία παρουσίαση στο PowerPoint ή ένα video. Πιο σύνθετα ψηφιακά αντικείμενα, είναι η προσομοίωση, ένα animation, μία εφαρμογή που δημιουργούμε για το tablet ή το κινητό. Ένα ψηφιακό αντικείμενο μπορεί να δημιουργείται μεμονωμένα ή σαν μονάδα της ηλεκτρονικής τάξης ενός μαθήματος. Με την εξέλιξη των υπολογιστών που είχε και έχει, σαν βασικό της χαρακτηριστικό, τη τάση για ψηφιοποίηση, η έννοια του ψηφιακού παίρνει μία ευρύτερη σημασία. Δεν περιορίζεται πλέον σε ότι δημιουργούμε στον υπολογιστή, αλλά επεκτείνεται / περιλαμβάνει πραγματικά αντικείμενα. Ο μικροεπεξεργαστής, στη μορφή του μικροελεγκτή, ενσωματώνεται, σαν κεντρική μονάδα λειτουργίας, όχι μόνον στον υπολογιστή, αλλά σε κάθε σχεδόν συσκευή, από το κινητό, μέχρι το αυτοκίνητο και τις ηλεκτρικές συσκευές του σπιτιού μας. 3
Η δυνατότητα, εύκολα να ενσωματώνουμε το μικροεπεξεργαστή, σαν μικροελεγκτή, σε οποιοδήποτε σύστημα, σημαίνει πως πλέον μπορούμε να προγραμματίζουμε οποιοδήποτε αντικείμενο, για την ακρίβεια, οποιοδήποτε ηλεκτρικό ή μηχανικό σύστημα, από ένα ποδήλατο, μέχρι τις μηχανές ενός πλοίου και από μία λάμπα και τη μηχανή του καφέ, μέχρι τα μη επανδρωμένα. Αυτή η νέα δυνατότητα, αλλάζει τον τρόπο που σχεδιάζουμε αντικείμενα και συστήματα, τον τρόπο που σκεφτόμαστε τη λειτουργία αντικειμένων, αλλά έχει δημιουργήσει και μία νέα τάση / προσέγγιση στο STEM, μέσα από τη σχεδίαση πραγματικών συστημάτων. 2.3 Τα Νέα Ψηφιακά Αντικείμενα Σαν ψηφιακό χαρακτηρίζεται οτιδήποτε έχει ψηφιακή λογική ή ψηφιακή μορφή / παράσταση. Μπορεί δηλαδή να αναγνωρίζεται και να εκτελείται από τον επεξεργαστή, ενός υπολογιστή και το αποτέλεσμα αυτής της επεξεργασίας να εμφανίζεται στην οθόνη του υπολογιστή. Καθώς ο μικροεπεξεργαστής ενσωματώνεται σε συσκευές και συστήματα, αυτά α- ποκτούν ψηφιακή λογική. Γίνονται δηλαδή, ψηφιακά αντικείμενα. Όπως, το ψηφιακό, πλέον, δεν περιορίζεται σε ότι δημιουργούμε, στον υπολογιστή, αλλά περιλαμβάνει καθετί κάθε σύστημα και συσκευή που έχει ενσωματωμένο, έναν μικροελεγκτή, έτσι και τα ψηφιακά αντικείμενα του STEM, δεν περιορίζονται μόνον στη προσομοίωση, το animation, το video, το PoerPoint ή όποιο άλλο μαθησιακό αντικείμενο, δημιουργούμε, χρησιμοποιώντας τον υπολογιστή, αλλά περιλαμβάνουν και κάθε σύστημα ή συσκευή που προγραμματίζουμε, άρα έχει / λειτουργεί με ψηφιακή λογική. Αυτά συστήματα και συσκευές που προγραμματίζουμε είναι τα νέα ψηφιακά αντικείμενα του STEM. Φυσικά, η ιδέα της ενσωμάτωσης του μικροεπεξεργαστή σε συστήματα και συσκευές, δεν είχε Εικόνα 2: Το σύστημα σάρωσης, συχνά χρησιμοποιείται σε ρομπότ, σαν ένα πολύ απλό, όμως πολύ αποτελεσματικό οπτικό σύστημα, για να εντοπίζει την απόσταση αντικειμένων, μπροστά από το ρομπότ. 4
και δεν έχει σα σκοπό, το STEM. Αυτή η ιδέα ξεκίνησε και εξελίχθηκε, μέσα από τα Συστήματα Μετρήσεων (Data Acquisition Systems) και αποβλέπει / αποσκοπεί στη σχεδίαση αυτόνομων συστημάτων. Έτσι, τα συστήματα ψηφιακής λογικής μπορεί να είναι πολύ απλά, όπως απλά ρομποτικά συστήματα και αυτοματισμοί, όπως ο συναγερμός ή ένα σύστημα αυτόματου ποτίσματος, αλλά και πολύ σύνθετα συστήματα ερευνητικών και βιομηχανικών εφαρμογών, όπως Φυσικά, αυτή η ιδέα έχει εφαρμογή και στο STEM. Γιατί, συνδυάζοντας αναλογικά με ψηφιακά ηλεκτρονικά και ενσωματώνοντας ένα μικροελεγκτή, σ ένα σύστημα, για να το προγραμματίζουμε, κάνει πολύ απλή τη σχεδίαση συστημάτων. Μπορούμε, πολύ εύκολα, να δημιουργούμε πραγματικά συστήματα με πολύ σύνθετες / πολύ προχωρημένες λειτουργίες που πολύ δύσκολα θα μπορούσαμε να σχεδιάσουμε, από αναλογικές μόνον συσκευές. Η ενσωμάτωση του μικροελεγκτή και του προγράμματος σε συστήματα, κάνοντας απλή τη σχεδίαση πραγματικών συστημάτων, μας επιτρέπει να χρησιμοποιούμε τη σχεδίαση, στο STEM. Έτσι, εμφανίζονται τα νέα ψηφιακά αντικείμενα του STEM. Απλά, αλλά πραγματικά συστήματα που σχεδιάζουμε, από αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα και που τα προγραμματίζουμε να εκτελούν διάφορες λειτουργίες, ακόμα και λειτουργίες πραγματικών εφαρμογών. Μέσα από τη σχεδίαση αυτών των συστημάτων ψηφιακών αντικειμένων, μαθαίνουμε. Η σχεδίαση ενός πραγματικού, έστω και απλού, συστήματος είναι μία διαδικασία που συνδυάζει θεωρητικές ιδέες και έννοιες, από πολλά διαφορετικά αντικείμενα, τη φυσική, τα ηλεκτρικά κυκλώματα, τα ηλεκτρονικά. Προγραμματίζοντας αυτό το σύστημα, μαθαίνουμε να προγραμματίζουμε Σ αυτή τη δραστηριότητα, εξετάζουμε τα ψηφιακά αντικείμενα συστήματα που σχεδιάζουμε από αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα, μέσα από ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα αυτών των συστημάτων: το σύστημα σάρωσης του οπτικού πεδίου. Δημιουργώντας αυτό το σύστημα, βλέπουμε τις δυνατότητες που επιτρέπει στο STEM, η σχεδίαση των νέων αυτών ψηφιακών αντικειμένων. 2.4 Τα Βασικά των Κινητήρων Η βασική αρχή λειτουργίας των DC κινητήρων, είναι σχετικά απλή. Εφαρμόζουμε μία συνεχή τάση, στα άκρα του κινητήρα. Ρυθμίζουμε τη ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, μεταβάλλοντας τη τάση στα άκρα του. Αλλάζουμε τη φορά περιστροφής του, αλλάζοντας τη πολικότητα της τάσης, στα άκρα του. Μπορούμε να αλλάζουμε τη τάση στα άκρα του κινητήρα, χρησιμοποιώντας διάφορα ηλεκτρικά κυκλώματα ελέγχου (PLCs). 5
Εικόνα 3: Συνδεσμολογία ενός DC κινητήρα, στον Arduino Μέσα από το τρανζίστορ, ο κινητήρας, συνδέεται στη γείωση. Όταν περνάει ρεύμα από το τρανζίστορ, τότε η τάση στα άκρα του κινητήρα, περιστρέφει το κινητήρα. Όταν διακόπτουμε το ρεύμα μέσα από το τρανζίστορ, εφαρμόζοντας μικρή τάση στη Βάση, τότε διακόπτουμε το ρεύμα μέσα από το κινητήρα, σταματώντας τη λειτουργία του. Μπορούμε όμως, να δίνουμε και να μεταβάλλουμε τη τάση στα άκρα ενός κινητήρα, μέσα από έναν μικροελεγκτή. Για μικρούς DC κινητήρες, όπως για παράδειγμα, οι κινητήρες στα τηλεχειριζόμενα αυτοκίνητα και στους CD players που λειτουργούν με τάσεις 9 12 V, μπορούμε να λειτουργούμε αυτούς τους κινητήρες, συνδέοντας τους απευθείας, σ ένα μικροελεγκτή, για παράδειγμα σ έναν Arduino, όπως παριστάνεται στο κύκλωμα της Εικόνας 3. Συνδέουμε το ένα άκρο του κινητήρα στη γείωση και το άλλο σε μία έξοδο, έστω στην έξοδο 9 του Arduino. Έτσι, μπορούμε να δίνουμε και να μεταβάλλουμε τη τάση στα άκρα του κινητήρα, μεταβάλλοντας τη τάση, στην έξοδο 9 του Arduino, από 0 5 V. Οι DC κινητήρες είναι ιδανικοί, για συνεχή κίνηση / συνεχή περιστροφή. Για παράδειγμα, χρησιμοποιούμε DC κινητήρες, για να περιστρέφουμε τους τροχούς και να κινούμε ένα ρομποτικό αυτοκίνητο. Όμως, οι DC κινητήρες έχουν ένα μειονέκτημα. Δεν έχουν ακρίβεια, γιατί δε διαθέτουν feedback. Δεν μπορούμε δηλαδή να φέρουμε / περιστρέψουμε ένα DC κινητήρα σε μία ακριβή γωνιακή θέση. 6
Αυτή η δυνατότητα, είναι πολύ χρήσιμη, όταν θέλουμε να περιστρέφουμε ένα σύστημα σε μία ακριβή θέση. Παραδείγματα αυτής της περιστροφής, είναι η μετακίνηση ενός ρομποτικού βραχίονα ή η περιστροφή ενός φωτοβολταικού πίνακα, ώστε, κάθε στιγμή της ημέρας, να είναι ιδανικά προσανατολισμένος στον ήλιο. Γι αυτό το σκοπό, για να περιστρέφουμε ένα σύστημα σε ακριβείς θέσεις, χρησιμοποιούμε σερβοκινητήρες. 2.5 Σερβοκινητήρες Ουσιαστικά, ένας σερβοκινητήρας είναι ένας DC κινητήρας, έχει δηλαδή τον ίδιο μηχανισμό, μ ένα DC κινητήρα, με μία βασική διαφορά. Ένας σερβοκινητήρας είναι ένας DC κινητήρας που συνδέεται μ ένα ποτενσιόμετρο που στέλνει feedback, στο σύστημα ελέγχου του κινητήρα, για τη θέση του σερβοκινητήρα. Μ αυτό το τρόπο, μπορούμε να δίνουμε εντολές στο κινητήρα να περιστρέφεται σε συγκεκριμένες γωνίες. Ο κινητήρας παραμένει σε καθεμία από αυτές τις γωνίες, μέχρι να του δώσουμε εντολή να περιστραφεί, σε μία άλλη γωνία. Έτσι, χρησιμοποιούμε σερβοκινητήρες, όχι για να περιστρέφουμε τους τροχούς, σ ένα αυτοκίνητου, αλλά όποτε θέλουμε ακριβή έλεγχο στη περιστροφή ενός συστήματος, όπως για παράδειγμα, σ ένα ρομποτικό βραχίονα, στη περιστροφή του οπτικού οργάνου ενός ρομπότ, είτε αυτό είναι μία κάμερα ή ένας αισθητήρας υπερήχων, στη περιστροφή ενός φωτοβολταικού πίνακα, ώστε κάθε στιγμή, να είναι ιδανικά προσανατολισμένος, στον ήλιο. Σ αυτή τη δραστηριότητα, εξετάζουμε τους σερβοκινητήρες και τον έλεγχο σερβοκινητήρα. 2.6 Τύποι Σερβοκινητήρων: Standrad και Συνεχούς Περιστροφής Είναι δύο τύποι σερβοκινητήρων: κανονικοί και συνεχούς περιστροφής. Ένας σερβοκινητήρας μπορεί να περιστρέφεται, από 0 έως 180. Ένα ποτενσιόμετρο που συνδέεται σε σειρά με το κινητήριο άξονα τον άξονα μετάδοσης κίνησης του κινητήρα, χρησιμεύει / μας επιτρέπει να υπολογίζουμε τη γωνιακή θέση του κινητήρα. Ο έλεγχος, δηλαδή η περιστροφή ενός σερβοκινητήρα σε συγκεκριμένη γωνία περιστροφής, γίνεται με τη διαμόρφωση εύρους παλμού. Στέλνουμε στο κινητήρα, ένα παλμό που το εύρος, δηλαδή η διάρκεια του θετικού τμήματος, σαν ποσοστό της περιόδου του παλμού, καθορίζει την ακριβή γωνιακή θέση που θα περιστρέψουμε το σερβοκινητήρα. Εάν αφαιρέσουμε το ποτενσιόμετρο από ένα σερβοκινητήρα, τότε ο σερβοκινητήρας θα περιστρέφεται συνεχώς, όπως ακριβώς ένας DC κινητήρας και το εύρος του 7
Εικόνα 4: Η χαρακτηριστική μορφή των σερβοκινητήρων και ο χρωματικός κώδικας των καλωδίων, στους ακροδέκτες ενός σερβοκινητήρα. παλμού που στέλνουμε στο κινητήρα, απλά, καθορίζει τη ταχύτητα περιστροφής του. 2.7 Ελέγχοντας ένα Σερβοκινητήρα Σε αντίθεση μ έναν DC κινητήρα, ένας σερβοκινητήρας έχει τρείς ακροδέκτες: τροφοδοσία που συνήθως υποδηλώνεται με κόκκινο καλώδιο, γείωση (ground) με καφέ ή μαύρο καλώδιο και τον ακροδέκτη σήματος που υποδηλώνεται με πορτοκαλί ή λευκό καλώδιο, για τους κινητήρες που θα χρησιμοποιήσουμε με πορτοκαλί (Εικόνα 4). Όπως οι DC κινητήρες, έτσι και οι σερβοκινητήρες μπορεί να τραβούν πολύ ρεύμα. Αν και για τους κινητήρες που χρησιμοποιούμε, σ αυτή τη δραστηριότητα η τάση τα 5 V Arduino, επαρκούν, θα δούμε πως μπορούμε να χρησιμοποιούμε μία εξωτερική πηγή τροφοδοσίας, ώστε αν χρειάζεται να μπορούμε να τροφοδοτούμε το κινητήρα με μεγαλύτερη τάση, από τα 5 V του μικροελεγκτή. Ελέγχουμε ένα σερβοκινητήρα, δηλαδή καθορίζουμε τη γωνία που θα περιστρέψουμε αυτό το σερβοκινητήρα, χρησιμοποιώντας τη Διαμόρφωση Εύρους Παλμού 8
Εικόνα 5: Η έννοια της διαμόρφωσης εύρους παλμού.. (pulse width modulation). Η Διαμόρφωση Εύρους Παλμού είναι μία τεχνική που χρησιμοποιείται πολύ στις τηλεπικοινωνίες και στον έλεγχο κινητήρων. Όμως τι είναι αυτή η τεχνική και σε τι χρησιμεύει? 2.7.1 Διαμόρφωση Εύρους Παλμού Στις εξόδους ενός μικροελεγκτή δεν μπορούμε να δημιουργούμε αναλογική τάση, παρά μόνον ψηφιακή που μπορεί μόνον να αλλάζει από 5 V στα 0 V και πάλι στα 5 V. Κάθε μετάβαση από τα 5 V στο 0 V, μέχρι τα επόμενα 5 V, ονομάζεται / αποτελεί ένα τετραγωνικό παλμό. Έτσι, όπως η αναλογική τάση αποτελείται από κύματα, η ψηφιακή τάση αποτελείται από τετραγωνικούς παλμούς (Εικόνα 5). Αν και δεν μπορούμε να δημιουργούμε κανονική αναλογική τάση, στις εξόδους ενός μικροελεγκτή, μπορούμε να φτάσουμε κοντά στη μορφή της αναλογικής τάσης, χρησιμοποιώντας τη τεχνική της Διαμόρφωσης Εύρους Παλμού (Εικόνα 5). Η ιδέα είναι πολύ απλή. Δεν μπορούμε να αλλάξουμε τη μορφή της ψηφιακής τάσης. Αυτή, πάντα, θα αποτελείται από τετραγωνικούς παλμούς. Όμως, μπορούμε να κάνουμε κάτι άλλο: να μεταβάλλουμε το εύρος τη διάρκεια του θετικού τμήματος του παλμού μίας ψηφιακής τάσης, σαν ποσοστό της περιόδου του παλμού. Αυτή ακριβώς είναι η έννοια της διαμόρφωσης παλμού (Εικόνα 5). Σ ένα DC κινητήρα, χρησιμοποιούμε τη διαμόρφωση παλμού, για να ρυθμίζουμε τη ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. Δημιουργώντας ένα τετραγωνικό παλμό, στη βάση του τρανζίστορ, στο κύκλωμα του κινητήρα, κλείνουμε και ανοίγουμε το 9
Εικόνα 6: Έλεγχος σερβοκινητήρα. κύκλωμα του κινητήρα. Μεταβάλλοντας τη σχετική διάρκεια του θετικού τμήματος του παλμού, καθορίζουμε το χρόνο που επιτρέπουμε ρεύμα στο κινητήρα, σαν ποσοστό του συνολικού χρόνου. Για παράδειγμα, για ένα τετραγωνικό παλμό με διάρκεια θετικού τμήματος 75%, τότε 75% του χρόνου, το κύκλωμα του κινητήρα θα είναι κλειστό και 25% ανοικτό. Επειδή ο κινητήρας δεν είναι συνέχεια σε λειτουργία, αλλά 75% του χρόνου, για 0.5 ms κάθε 2 ms, θα είναι σαν να πατάμε φρένο, για 0, 5 ms, κάθε 2 ms. Άρα, αυτό που θα συμβεί θα είναι πως ο κινητήρας δεν θα σταματήσει να περιστρέφεται, αλλά θα συνεχίσει να περιστρέφεται, όμως επιβραδύνοντας τη περιστροφή του. Πριν σταματήσει τελείως, θα κλείσουμε πάλι το κύκλωμα και ο κινητήρας θα συνεχίσει να περιστρέφεται πάλι με τη μέγιστη ταχύτητα περιστροφής. Αυτή η εναλλαγή, ανάμεσα στη περιστροφή με μέγιστη ταχύτητα, για 1,5 ms και φρένο για το υπόλοιπο 0,5 ms κάθε περιόδου Τ = 2 ms, θα επιβραδύνει τη ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα. 2.7.2 Έλεγχος Σερβοκινητήρα με τη Διαμόρφωση Εύρους Παλμού Για ένα σερβοκινητήρα, χρησιμοποιούμε τη διαμόρφωση εύρους παλμού, για να κα- 10
θορίζουμε τη γωνία περιστροφής του κινητήρα, τη γωνία δηλαδή που θα περιστρέψουμε το κινητήρα. Για παράδειγμα, αν δημιουργήσουμε, σα σήμα στο σερβοκινητήρα, ένα τετραγωνικό παλμό που το εύρος διάρκεια του θετικού τμήματος του παλμού, είναι 1 ms, τότε θα φέρουμε το σερβοκινητήρα σε γωνία 0. Αν σα σήμα, δώσουμε ένα τετραγωνικό παλμό με εύρος θετικού τμήματος 2 ms, τότε θα περιστρέψουμε το κινητήρα στις 180 (Εικόνα 6). Ενδιάμεσες τιμές εύρους παλμού, δημιουργούν τη περιστροφή σε αντίστοιχες, ενδιάμεσες γωνίες. Για παράδειγμα ένας παλμός, εύρους 1.5 ms, περιστρέφει το κινητήρα στις 90 (Εικόνα 6). Όταν δημιουργούμε ένα παλμό, ενός συγκριμένου εύρους και περιστρέφουμε το σερβοκινητήρα, στην αντίστοιχη γωνία θέσης, ο σερβοκινητήρας θα παραμείνει σ αυτή τη θέση, μέχρι να του δώσουμε μία άλλη εντολή, να δημιουργήσουμε δηλαδή ένα νέο παλμό. Όμως, αν θέλουμε να περιστρέψουμε το σερβοκινητήρα σε μία συγκεκριμένη γωνία και ο σερβοκινητήρας να παραμένει σ αυτή τη γωνία, αντιστεκόμενος σε κάθε μεταβολή από αυτή τη θέση, τότε θα πρέπει να ανανεώνουμε / να ξαναστέλνουμε την εντολή, δηλαδή το παλμό που τον έφερε σ αυτή τη θέση, κάθε 20 ms. 2.8 Δημιουργώντας το Κύκλωμα του Σερβοκινητήρα Εξωτερική Πηγή Τροφοδοσίας Σ αυτή την ενότητα, προχωρούμε να δημιουργήσουμε το κύκλωμα του σερβοκινητήρα. Γενικά, οι κινητήρες, περισσότερο οι DC κινητήρες και λιγότερο, οι σερβοκινητήρες, τραβούν πολύ ρεύμα, περισσότερο από το ρεύμα που μπορεί να δημιουργεί η τάση τροφοδοσίας του μικροελεγκτή. Γι αυτό, είναι καλό και πολλές φορές απαραίτητο, να χρησιμοποιούμε μία εξωτερική πηγή τροφοδοσίας, για παράδειγμα μία μπαταρία των 9 V. Έτσι, παρ όλο που οι σερβοκινητήρες που χρησιμοποιούμε σ αυτή τη δραστηριότητα, μπορεί να λειτουργούν με τη τάση τροφοδοσίας των 5 V, από τον Arduino, στο κύκλωμα που θα δημιουργήσουμε, για τη λειτουργία αυτών των κινητήρων, θα χρησιμοποιήσουμε μία εξωτερική πηγή τροφοδοσίας, μία μπαταρία των 9 V (Εικόνα 7). Τόσο, για να δούμε πως μπορούμε να χρησιμοποιούμε μία εξωτερική πηγή σ ένα κύκλωμα κινητήρα, όσο και για το ενδεχόμενο που ο κινητήρας μπορεί να χρειαστεί να τραβήξει μεγαλύτερο ρεύμα, από το ρεύμα τροφοδοσίας, από το μικροελεγκτή. Επειδή οι σερβοκινητήρες που χρησιμοποιούμε μπορεί να λειτουργούν με τάση 5 V, αλλά τους τροφοδοτούμε, από μία εξωτερική πηγή που έχει τάση 9 V, χρειάζεται να μετατρέψουμε τη τάση της πηγής που είναι 9 V, στη τάση λειτουργίας του σερβοκι 11
Εικόνα 7: To κύκλωμα του σερβοκινητήρα 12
νητήρα που είναι 5 V. Γι αυτό, χρησιμοποιούμε ένα ρυθμιστή τάσης (Εικόνες 7 & 8). Ο ρυθμιστής τάσης, είναι μία πολύ απλή συσκευή που έχει τρείς ακροδέκτες που αντιστοιχούν στη τάση στην είσοδο, τη τάση στην έξοδο του ρυθμιστή και τη γείωση (ground). Ο ακροδέκτης γείωσης το ground του ρυθμιστή, συνδέεται τόσο στο ground, δηλαδή στον αρνητικό πόλο της τάσης εισόδου, όσο και στο ground στον αρνητικό πόλο της τάσης εξόδου (Εικόνες 7 & 8). Εικόνα 8: Η διάταξη του ρυθμιστή τάσης.. Ο ακροδέκτης εισόδου του ρυθμιστή, συνδέεται στο θετικό πόλο της τάσης εισόδου και ο ακροδέκτης εξόδου του ρυθμιστή, είναι / αντιστοιχεί στο θετικό πόλο της τάσης εξόδου (Εικόνα 7). Η τάση εισόδου στο ρυθμιστή πρέπει να είναι μεγαλύτερη της τάσης εισόδου. Η λειτουργία του ρυθμιστή είναι να μετατρέπει τη τάση εισόδου σε μία χαμηλότερη τάση που είναι συγκεκριμένη, για το ρυθμιστή που χρησιμοποιούμε. Για παράδειγμα, ο ρυθμιστής που χρησιμοποιούμε, σ αυτό το κύκλωμα, μετατρέπει τάσεις εισόδου 9 V 30 V, σε τάση εξόδου 5 V. Η διαφορά καταναλώνεται, σα θερμότητα. 2.9 Η Λειτουργία των Πυκνωτών στο Κύκλωμα του Σερβοκινητήρα Οι πυκνωτές σε κάθε πλευρά του ρυθμιστή τάσης, ονομάζονται πυκνωτές απόζευξης. Η λειτουργία τους, είναι να εξομαλύνουν απότομες μεταβολές, στη τάση εισόδου, δημιουργώντας / επιτρέποντας μία σταθερή τάση 5 V στην έξοδο, ακόμα και αν, προσωρινά, η τάση στην είσοδο μεταβληθεί απότομα. 2.10 Πειραματική Διάταξη Ολόκληρο το κύκλωμα του σερβοκινητήρα, παριστάνεται στην Εικόνα 7. Συνδέουμε το ποτενσιόμετρο, στην αναλογική πύλη 0 του Arduino και το ακροδέκτη σήματος 13
Εικόνα 9: Το πρόγραμμα για τον έλεγχο του σερβοκινητήρα.. του σερβοκινητήρα στη ψηφιακή έξοδο 9 του Arduino. Θα δημιουργούμε το παλμό, στο κινητήρα, στην ψηφιακή έξοδο 9 του Arduino. Έχοντας περιγράψει το κύκλωμα του κινητήρα, μπορούμε τώρα να γράψουμε το πρόγραμμα, για να λειτουργεί / να περιστρέφει το κινητήρα. 2.11 Το Πρόγραμμα Το αναπτυξιακό περιβάλλον του Arduino περιέχει μία βιβλιοθήκη που απλοποιεί πολύ τον έλεγχο σερβοκινητήρων. Λέγοντας μία βιβλιοθήκη, εννοούμε συναρτήσεις προγραμματιστικές συναρτήσεις που έχουν ήδη γραφεί και μπορούμε να τις χρησιμοποιήσουμε ενσωματώσουμε στο δικό μας πρόγραμμα, χωρίς να χρειάζεται να τις ξαναγράψουμε. 14
Εικόνα 10: To κύκλωμα του συστήματος σάρωσης. 15
Η βιβλιοθήκη συναρτήσεων, για τον έλεγχο σερβοκινητήρων, είναι χαρακτηριστική πολλών άλλων βιβλιοθηκών συναρτήσεων που περιέχει το περιβάλλον ανάπτυξης του Arduino και μπορούμε να χρησιμοποιούμε, για διαφορετικές λειτουργίες. Η βιβλιοθήκη, για τον έλεγχο σερβοκινητήρων, απλοποιεί πολύ το πρόγραμμα για τον έλεγχο αυτών των κινητήρων. Χρησιμοποιώντας / καλώντας τις συναρτήσεις αυτής της βιβλιοθήκης, δεν χρειάζεται να γράψουμε στο πρόγραμμα, τις εντολές, για να δημιουργούμε παλμούς με διαφορετικές τιμές εύρους, ώστε να περιστρέφουμε το κινητήρα σε αντίστοιχες γωνίες. Αυτό το κάνουν οι συναρτήσεις της βιβλιοθήκης. Απλά, καλούμε τη συνάρτηση myservo.write(), για να περιστρέψουμε το κινητήρα, δίνοντας στη συνάρτηση, σαν παράμετρο, τη γωνία που θέλουμε να περιστρέψουμε το κινητήρα (Εικόνα 9). Η συνάρτηση περιέχει το κώδικα, για τη δημιουργία του τετραγωνικού παλμού που πρέπει να δημιουργήσουμε, για να περιστρέψουμε το κινητήρα στη συγκεκριμένη γωνία. Αν για παράδειγμα, θέλουμε να περιστρέψουμε το κινητήρα σε γωνία 45, δεν χρειάζεται να γράψουμε εντολές στο πρόγραμμα, για να δημιουργήσουμε ένα τετραγωνικό παλμό εύρους 1.25 ms που χρειάζεται, για τη περιστροφή του κινητήρα, στη συγκεκριμένη γωνία. Απλά, προσδιορίζουμε στη συνάρτηση myservo.write(), τη γωνία των 45 και αυτή περιλαμβάνει το κώδικα που για τη γωνία των 45, θα δημιουργήσει ένα παλμό, εύρους 1.25 ms. Ο πιο απλός τρόπος να δοκιμάσουμε τη λειτουργία του σερβοκινητήρα είναι να αντιστοιχίσουμε τιμές του ποτενσιόμετρου σε γωνίες σερβοκινητήρα. Στρέφοντας το ποτενσιόμετρο στο 0, περιστρέφει το κινητήρα σε γωνία 0, ενώ στρέφοντας το ποτενσιόμετρο στη τιμή 1023, περιστρέφουμε το κινητήρα σε γωνία 180. Ολόκληρο το πρόγραμμα, παριστάνεται στην Εικόνα 9. 2.12 Το Πρόγραμμα για τη Σάρωση του Οπτικού Πεδίου Έχοντας δημιουργήσει το κύκλωμα και το πρόγραμμα, για τον έλεγχο τη περιστροφή του σερβοκινητήρα, σ αυτή τη δραστηριότητα και έχοντας ακόμα, δημιουργήσει το κύκλωμα και το πρόγραμμα, για να μετρούμε την απόσταση, σ ένα αντικείμενο, χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα υπερήχων, μπορούμε, εύκολα, να δημιουργήσουμε το κύκλωμα και το πρόγραμμα του συστήματος σάρωσης, συνδυάζοντας τα επιμέρους μέρη το σερβοκινητήρα και τον αισθητήρα υπερήχων αυτού του συστήματος. Έτσι το κύκλωμα του συστήματος σάρωσης, παριστάνεται στην Εικόνα 10 και το πρόγραμμα, στην Εικόνα 11. 16
17
Εικόνα 11: To πρόγραμμα για τη λειτουργίας του συστήματος σάρωσης. 18