Σκοπός Σχεδίαση Συστημάτων με τον Arduino Μάθημα 1 ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ Ο Αισθητήρας Δύναμης. Επανεξέταση των βασικών εννοιών της C και του προγραμματισμού. Κατανόηση των βημάτων στη συστηματική ανάπτυξη ενός προγράμματος. Κατανόηση της έννοιας «Δομή Δεδομένων». Είσοδος / ανάγνωση δεδομένων από αρχείο. Κατανόηση μίας απλής επεξεργασίας ψηφιακού σήματος. Εισαγωγή στο Ολοκληρωμένο Περιβάλλον Ανάπτυξης Προγραμμάτων (IDE) Eclipse 1
2 Μάθημα 1: Αισθητήρες Ο Αισθητήρας Δύναμης Μέρος Α : Σκοπός και Περιγραφή του Μαθήματος 1.1 ΕΠΙΔΙΩΞΗ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Οι αισθητήρες είναι βασική μονάδα των συστημάτων μέτρησης, των ρομπότ και γενικότερα, των συστημάτων που λειτουργούν στο εξωτερικό περιβάλλον, αυτόνομα. Είναι το μέσο τα όργανα που αυτά τα συστήματα μετρούν ή αντιλαμβάνονται το εξωτερικό περιβάλλον. Όπως εμείς και οι άλλοι ζωικοί οργανισμοί του πλανήτη μας, αισθάνονται το εξωτερικό περιβάλλον με διάφορα αισθητήρια όργανα, έτσι και ένα σύστημα μέτρησης ή ένα ρομπότ, έχει τους αισθητήρες, για να μετράει ή αντιλαμβάνεται το εξωτερικό περιβάλλον. Στους ζωντανούς οργανισμούς, τα αισθητήρια όργανα συνδέονται στα δίκτυα επεξεργασίας και τα δίκτυα μνήμης του κεντρικού νευρικού συστήματος, μέσα από νευρώνες. Οι πληροφορίες από τα αισθητήρια όργανα, μέσα από αυτούς τους νευρώνες, μεταβιβάζονται σε διαδοχικά στρώματα επεξεργασίας του κεντρικού νευρικού συστήματος που σταδιακά, δημιουργούν την αντίληψη (conception) των αντικειμένων του εξωτερικού περιβάλλοντος και των μεταξύ τους σχέσεων. Σ ένα μηχανικό σύστημα, δηλαδή σ ένα σύστημα μέτρησης, ρομπότ, ενσωματωμένο ή αυτόνομο σύστημα, οι αισθητήρες συνδέονται σ ένα μικροελεγκτή. Λέμε πως ένας μικρολεγκτής, είναι ένας μικροεπεξεργαστής, όμως με αναλογικές πύλες, δηλαδή εισόδους, όπου μπορούμε να συνδέουμε αναλογικές συσκευές και αισθητήρες. Οι αισθητήρες συνδέονται στις αναλογικές πύλες εισόδους του μικροελεγκτή. Τα δεδομένα / οι μετρήσεις από τους αισθητήρες, μετατρέπονται από την αναλογική στη ψηφιακή μορφή και αναλύονται, από ένα πρόγραμμα που προηγούμενα, έχουμε γράψει και εκτελείται στο μικροεπεξεργαστή τη μονάδα επεξεργασίας του μικροελεγκτή. Έτσι, ο μικροελεγκτής, παίρνοντας δεδομένα και μετρήσεις, απευθείας, από αναλογικές συσκευές που μετρούν το εξωτερικό περιβάλλον, αναλύοντας αυτά τα δεδομένα, ψηφιακά, στο μικροεπεξεργαστή, αλλά και δημιουργώντας ψηφιακές και σχεδόν αναλογικές τάσεις, στις εξόδους του, για να λειτουργεί αναλογικές συσκευές, μας επιτρέπει μία βασική ιδέα και δυνατότητα. Να συνδέουμε / συνδυάζουμε αναλογικά με ψηφιακά ηλεκτρονικά τη ψηφιακή λογική με τη αναλογική μέτρηση και λειτουργία. Αυτή η ιδέα μας επιτρέπει εύκολα να σχεδιάζουμε συστήματα που μετρούν το εξωτερικό περιβάλλον με αισθητήρες. Πέρα από τα συστήματα μετρήσεων, μας επιτρέπει να δημιουργούμε σύνθετα ρομποτικά συστήματα και ενσωματωμένα. Να συνδέουμε αναλογικές και ψηφιακές συσκευές, σ ένα διευρυμένο διαδίκτυο, δημιουργώντας το Βιομηχανικό διαδίκτυο. Στο πρώτο, από τα εργαστηριακά μαθήματα, στον Arduino, θα δούμε την ιδέα του μικροελεγκτή και της σύνδεσης αναλογικών με ψηφιακές συσκευές και τη ψηφιακή λογική, μέσα από το πιο απλό σύστημα μέτρησης, από έναν αισθητήρα. Θα χρησιμοποιήσουμε τον αισθητήρα δύναμης, για να μετράμε τη δύναμη / το βάρος που εφαρμόζεται σε μία επιφάνεια. 2
3 Σχεδίαση Συστημάτων με τον Arduino Μέσα από το απλό κύκλωμα του αισθητήρα δύναμης, θα δούμε τη βασική δομή αισθητήρων μικροελεγκτή, ενός συστήματος μέτρησης, αλλά και πως προγραμματίζουμε ένα φυσικό σύστημα, το σύστημα μικροελεγκτή αισθητήρα. Θα δούμε δηλαδή, πως συνδέουμε αισθητήρες στο μικροελεγκτή, πως ο μικροελεγκτής αναλύει αυτές τις μετρήσεις, μέσα από ένα πρόγραμμα, αλλά και πως μπορούμε να βλέπουμε αυτές τις μετρήσεις στον υπολογιστή, συνδέοντας το μικροελεγκτή στον υπολογιστή. Στο Β Μέρος, σ ένα δεύτερο πείραμα, θα μετρήσουμε διαφορετικά φυσικά μεγέθη / μεταβλητές. Θα δημιουργήσουμε ένα συνθετότερο σύστημα μέτρησης, από περισσότερους από έναν αισθητήρες, συνδέοντας στον Arduino, τον TMP36 και τον αισθητήρα φωτεινότητας, τον TSL2561, για να μετράμε μετεωρολογικές μεταβλητές θερμοκρασία, υγρασία και ένταση του φωτός, δημιουργώντας ένα μικρό μετεωρολογικό σταθμό. Θα δούμε μία διαφορετική σύνδεση / επικοινωνία αισθητήρων μικροελεγκτή, μέσα από το I2C δίαυλο. Αλλά και τη διαφορετική επικοινωνία μικροελεγκτή υπολογιστή / ασύρματη επικοινωνία. 1.2 Εισαγωγή Ο Αισθητήρας Δύναμης Ο αισθητήρας δύναμης (Force Sensitive Resistor), όπως και ο αισθητήρας κάμψης (flex sensor) που μετράει κάμψη, ανήκουν / είναι χαρακτηριστικά δείγματα, μίας ξεχωριστής κατηγορίας αισθητήρων. Οι αισθητήρες σ αυτή τη κατηγορία, είναι αντιστάσεις που όμως, έχουν τη χαρακτηριστική ιδιότητα να μεταβάλλουν τη τιμή της αντίστασης τους, ανάλογα με το πώς μεταβάλλεται η τιμή μίας εξωτερικής φυσική μεταβλητής. Έτσι, ο αισθητήρας δύναμης είναι μία αντίσταση που μεταβάλλει τη τιμή της, ανάλογα με τη δύναμη που εφαρμόζεται στην επιφάνεια του αισθητήρα. Όταν δεν εφαρμόζεται καμία δύναμη, στην επιφάνεια του αισθητήρα, τότε ο αισθητήρας έχει τη μέγιστη αντίσταση, ίση με R = 1 ΜΩ. Καθώς εφαρμόζεται δύναμη στην επιφάνεια του αισθητήρα, η αντίσταση του γίνεται μικρότερη. Όσο μεγαλύτερη η δύναμη που ε- φαρμόζεται στην επιφάνεια του αισθητήρα, τόσο μικρότερη, γίνεται η αντίστασή του. Έτσι, μετρούμε τη δύναμη που εφαρμόζεται στην επιφάνεια του αισθητήρα, μετρώντας το πώς μεταβάλλεται η αντίσταση του αισθητήρα. Ο αισθητήρας μπορεί να εντοπίζει δυνάμεις / βάρη, από 100 g 10 kg. 1.3 Η Πειραματική Διάταξη O αισθητήρας δύναμης, όπως πολλοί άλλοι αισθητήρες είναι μία αντίσταση που ό- μως, έχει την ιδιότητα να μεταβάλλει τη τιμή της, σαν συνάρτηση του εξωτερικού φωτός μεταβάλλει την αντίσταση του, όταν δέχεται πίεση ή παραμόρφωση, από την άσκηση δύναμης. 3
4 Μάθημα 1: Αισθητήρες Ο Αισθητήρας Δύναμης Αρκετοί άλλοι αισθητήρες, όπως κυρίως, η φωτοαντίσταση και το θερμίστορ λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο. Το θερμίστορ δηλαδή μεταβάλλει την αντίσταση του, όταν θερμαίνεται, ενώ η φωτοαντίσταση μεταβάλλει την αντίσταση της, ανάλογα με την ένταση του φωτός, στο χώρο. Όσο περισσότερο φώς υπάρχει, τόσο μικρότερη γίνεται η τιμή της αντίστασής της. Επειδή αυτοί οι αισθητήρες μεταβάλλουν την αντίστασή τους και όχι τάση, για να μετρούμε τη μεταβολή της αντίστασής τους, χρειάζεται να τους συνδέουμε σε κύκλωμα διαιρέτη τάσης (Εικόνες 1 και 2). Η τάση εξόδου σ ένα διαιρέτη τάσης είναι ανάλογη / εξαρτάται από τις τιμές των αντιστάσεων στο κύκλωμα. Έτσι, αν η μία από τις δύο αντιστάσεις είναι σταθερή, μπορούμε να εντοπίζουμε και να μετρούμε μεταβολές στη τιμή της δεύτερης αντίστασης, μετρώντας τη μεταβολή της τάσης εξόδου V out Η τιμή της σταθερής αντίστασης ρυθμίζει / καθορίζει την ευαισθησία του κυκλώματος. Η εξίσωση για το διαιρέτη τάσης είναι: Εικόνα 1: Το κύκλωμα του διαιρέτη τάσης. V in = I R 1 + I R 2 = I (R 1 + R 2 ) = (V out / R 2 ) (R 1 + R 2 ) Άρα, V out = V in R 2 / (R 1 + R 2 ) H V out θα είναι αυτή που θα διαβάζουμε, αν συνδέσουμε την έξοδό V out στην αναλογική είσοδο Α0 του Arduino. Στο κύκλωμα του διαιρέτη τάσης, θα αντικαταστήσουμε τη μία από τις δύο αντιστάσεις, την R 1 με τον αισθητήρα δύναμης, ενώ για την R 2, θα χρησιμοποιήσουμε μία αντίσταση R 2 = 10 kω. Ο αισθητήρας δύναμης αλλάζει την αντίστασή του, ανάλογα με τη παραμόρφωση, από τη δύναμη ή το βάρος που ασκείται, επάνω στην επιφάνεια του. Όταν στην επιφάνειά του, δεν εφαρμόζεται καμία δύναμη, τότε ο αισθητήρας δύναμης έχει τη μέγιστη τιμή αντίστασης που είναι, R 1 = 1 MΩ. Όσο μεγαλύτερη η δύναμη που εφαρ 4
Σχεδίαση Συστημάτων με τον Arduino Εικόνα 2: To κύκλωμα του αισθητήρα δύναμης. Συνδέουμε τον αισθητήρα δύναμης, σε σειρά με μία σταθερή αντίσταση R 2 = 10 KΩ, σ ένα κύκλωμα διαιρέτη τάσης. 5
6 Μάθημα 1: Αισθητήρες Ο Αισθητήρας Δύναμης Εικόνα 3: Οι μεταβολές στο κύκλωμα του διαιρέτη τάσης, καθώς μεταβάλλουμε το βάρος, στην επιφάνεια του αισθητήρα δύναμης. 6
Σχεδίαση Συστημάτων με τον Arduino μόζεται στην επιφάνεια του αισθητήρα, τόσο μικρότερη, γίνεται η αντίστασή του. Aν στην επιφάνεια του αισθητήρα, τοποθετήσουμε ένα βάρος Β = 10 kg, τότε η τιμή της αντίστασής του, πλησιάσει στο μηδέν R 1 0 Άρα, στη βάση της εξίσωσης του διαιρέτη τάσης, σ ένα μεγάλο βάρος, στην επιφάνεια του αισθητήρα δύναμης, όταν R 1 0, V out = V in. = 5 V (Εικόνα 3). Αντίθετα, για πολύ μικρά βάρη, όταν R 1 1 ΜΩ, η V out θα έχει μία μικρή τιμή (Εικόνα 3). Η συνδεσμολογία της μέτρησης δύναμης, είναι πολύ απλή και παριστάνεται στις Εικόνες 4 και 5. Έτσι, μπορούμε να μετρούμε τη δύναμη που ασκείται στην επιφάνεια του αισθητήρα δύναμης, συνδέοντας τον αισθητήρα δύναμης, σ ένα διαιρέτη τάσης, με μία σταθερή αντίσταση και μετρώντας τη τάση στην έξοδο του κυκλώματος. Η τάση στην έξοδο του κυκλώματος αντιστοιχεί στη δύναμη που εφαρμόζεται στη επιφάνεια του αισθητήρα δύναμης. Πως όμως, μετρούμε τη τάση V out, στην έξοδο του διαιρέτη τάσης? Μπορούμε να συνδέσουμε ένα πολύμετρο ή βολτόμετρο, στην έξοδο του διαιρέτη τάσης. Μπορούμε όμως, να παίρνουμε τη Vout, συνδέοντας την έξοδο του διαιρέτη τάσης σε μία αναλογική πύλη του Arduino, για παράδειγμα, στην Α0 (Εικόνα 4). Έτσι, η τάση στην Α0, γίνεται ίση με τη τάση V out, στην έξοδο του κυκλώματος του αισθητήρα δύναμης (Εικόνες 4 και 5). 1.4 Το Πρόγραμμα Όλη η διαδικασία της μέτρησης δύναμης με τον αισθητήρα δύναμης και της μετάδοσης των μετρήσεων, δηλαδή των ψηφιοποιημένων μετρήσεων από τον αισθητήρα, στον υπολογιστή, ρυθμίζεται από ένα πρόγραμμα που εκτελείται στον μικροεπεξεργαστή του Arduino. Το πρόγραμμα για τη μέτρηση δύναμης και οι βασικές λειτουργίες του προγράμματος, παριστάνονται στην Εικόνα 6. Η διαδικασία εκτέλεσης του προγράμματος είναι απλή. Αφού γράψουμε το πρόγραμμα στο αναπτυξιακό περιβάλλον του Arduino, το φορτώνουμε στον Arduino, επιλέγοντας την εντολή: Αρχείο Φόρτωση 7
Σχεδίαση Συστημάτων με τον Arduino Εικόνα 4: Η σύνδεση του κυκλώματος του αισθητήρα δύναμης, στον Arduino. 8
Σχεδίαση Συστημάτων με τον Arduino Εικόνα 5: Το σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος του αισθητήρα δύναμης. Τότε το πρόγραμμα θα αρχίσει να εκτελείται, εμφανίζοντας στη σειριακή οθόνη του υπολογιστή τις τιμές δύναμης που παίρνει / διαβάζει από την Α0 (Εικόνα ). Όμως, οι τιμές που παίρνουμε στη σειριακή οθόνη του υπολογιστή δεν είναι ούτε τιμές δύανμης, ούτε τιμές τάσης. Η εντολή analogread διαβάζει τη τάση στην είσοδο 0 του Arduino, κάθε 500 ms και μετατρέπει αυτή τη τάση σε μία τιμή στο πεδίο τιμών [0, 1023]. Έτσι, για παράδειγμα η τιμή 900 που παίρνουμε στην σειριακή οθόνη του υπολογιστή, όταν εφαρμόζουμε / τοποθετούμε ένα βάρος στην επιφάνεια του αισθητήρα δύναμης, αντιστοιχεί σε μία τάση: V in = (900 / 1023) * 5 V = 4,4 V 9
10 Μάθημα 1: Αισθητήρες Ο Αισθητήρας Δύναμης Εικόνα 7: Το πρόγραμμα για τη μέτρηση δύναμης με τον αισθητήρα δύναμης. 10