ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΥΦΥΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Π. Ράλλη κ Θηβών 250, 122 44 Αθήνα, 210 5381427, fax 2105451128, islab@in.teipir.gr ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ 506. ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ I Σημειώσεις του Εργαστηριακού Μέρους
506 ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΤΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΥ ΜΕΡΟΥΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΙΡΑΙΑ ΤΜΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΤΟΜΕΑΣ ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΥΦΥΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Γ. ΧΑΜΗΛΟΘΩΡΗΣ Α. ΧΑΤΖΟΠΟΥΛΟΣ Φ. ΡΕΠΟΥΛΙΑΣ ΣΕΛΙΔΕΣ: ΦΥΛΛΑ: ΣΕΙΡΑ - ΗΜ/ΝΙΑ ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗΣ: ΑΡΙΘΜΟΣ ΑΝΤΙΓΡΑΦΩΝ: -2-
Β1. Ο διαιρέτης τάσης Η λειτουργία πολλών εφαρμογών και κυκλωμάτων στηρίζεται στη διαθεσιμότητα ηλεκτρικών τάσεων με διαφορετική τιμή από την τάση της γενικής τροφοδοσίας. Στην περίπτωση που αυτές οι απαιτήσεις συνοδεύονται από μηδενικό ή αμελητέο ρεύμα, μπορούμε να παράγουμε τις ενδιάμεσες τιμές της τάσης χρησιμοποιώντας ένα απλούστατο κύκλωμα κατασκευασμένο από παθητικά ηλεκτρονικά στοιχεία: το διαιρέτη τάσης. Ι. Αναγνώριση του κυκλώματος Ο διαιρέτης τάσης είναι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα (Σχήμα 1) που αποτελείται από δύο αντιστάσεις σε σειρά (R1 και R2) και μία πηγή σταθερής ηλεκτρικής τάσης Ε. Αυτή η συνδεσμολογία κυκλώματος "διαιρεί" την τάση της πηγής σε δύο μέρη. Ο κόμβος μεταξύ των αντιστάσεων αποτελεί το σημείο "λήψης" της παραγόμενης τάσης εξόδου (V OUT ), ενώ το μέγεθος της τάσης εξόδου καθορίζεται από το λόγο των αντιστάσεων (R1 και R2) σύμφωνα με τη σχέση: R V 2 out = E R R 1+ 2 Σχήμα 1: Κύκλωμα διαιρέτη τάσης Η παραπάνω σχέση δίνει την τιμή της τάσης εξόδου του κυκλώματος στην περίπτωση που ο κόμβος είναι ελεύθερος ή συνδέεται σε φορτίο με άπειρη αντίσταση (R L = ). Στην περίπτωση αυτή, το ρεύμα που διαρρέει τον κόμβο προς τα "έξω" είναι μηδέν. Ανάλογα με την περίπτωση, και για τις ανάγκες της συγκεκριμένης εφαρμογής, η αντίσταση του οργάνου που συνδέεται με τον κόμβο ενδεχομένως δεν μπορεί να -3-
θεωρηθεί, άπειρη. Στην περίπτωση αυτή η τάση εξόδου πρέπει να συνυπολογίσει και την πτώση τάσης λόγω του ρεύματος εξόδου. ΙΙ. Κατασκευή και μετρήσεις 1. Σχηματίστε κύκλωμα διαιρέτη τάσης χρησιμοποιώντας μια σταθερή αντίσταση στη θέση της αντίστασης R1 και μια ρυθμιζόμενη μεταβλητή αντίσταση στη θέση της R2. Παρατηρείστε ότι η τάση εξόδου του κυκλώματος είναι μεταβλητή και εξαρτώμενη από τη ρύθμιση της αντίστασης R2. Μετρήστε με το πολύμετρο και καταγράψτε στο φύλλο έργου τις τιμές των R1, R2min, R2max. 2. Με χρήση της μαθηματικής σχέσης που αναγράφεται στο μέρος "A", υπολογίστε και καταγράψτε στο φύλλο έργου την αναμενόμενη μέγιστη και ελάχιστη τιμή της τάσης εξόδου, όπως προκύπτει από τα όρια των τιμών μεταβολής της R2. Υπολογίστε και καταγράψτε στο φύλλο έργου επίσης το εύρος των τιμών της τάσης εξόδου ως διαφορά ΔV=Vmax-Vmin 3. Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 1 χρησιμοποιώντας τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα που διατίθενται στο Εργαστήριο. Ρυμίστε τη μεταβλητή αντίσταση στις ακραίες θέσεις της και μετρήστε και καταγράψτε στο φύλλο έργου τη μέγιστη και ελάχιστη τιμή της τάσης εξόδου που προκύπτει, καθώς επίσης και το εύρος των τιμών (διαφορά). 4. Επαναλάβετε την προηγούμενη κατασκευή χρησιμοποιώντας διαφορετική τιμή για την R1. Καταγράψτε εκ νέου το εύρος τιμών τάσης εξόδου και αποτυπώστε την τιμή που βρήκατε στο φύλλο έργου. 5. Συγκρίνετε τα αποτελέσματα των μετρήσεων στις δύο τελευταίες περιπτώσεις. Ποιά από τις δύο κατασκευές είναι προτιμότερη, και για ποιό λόγο; Καταγράψτε την απάντησή σας συνοπτικά στο φύλο έργου. -4-
Β2. Αισθητήρια φωτεινότητας Η φωτο-αντίσταση (LDR - Light Dependent Resistor) είναι ένα απλό και αποτελεσματικό αισθητήριο μέτρησης της φωτεινής ακτινοβολίας. Η αντίσταση της μεταβάλλεται αντίστροφα με την προσπίπτουσα φωτεινή ακτινοβολία. Σχήμα 1: Η φωτοαντίσταση (LDR) Ι. Σύνδεση βασικό κύκλωμα Η φωτο-αντίσταση συνδέεται στο διαιρέτη τάσης (Σχήμα 2) ώστε να παράγει τάση V OUT ανάλογη με τη φωτεινότητα. +5V ` GND LD R Σχήμα 2. Κύκλωμα διαιρέτη τάσης με φωτο-αντίσταση Μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα ψηφιακό αισθητήριο φωτεινότητας το οποίο να παράγει στην έξοδο του 0 ή 1 (0 V ή 5 V) με κριτήριο εάν η φωτεινότητα ξεπερνά ή υπολείπεται από μία καθορισμένη τιμή (Σχήμα 3). -5-
V binary V OUT 1 V 1 Φ 1 0 Φωτεινότητα Φωτεινότητα Φ 1 Σχήμα 3. Εξάρτηση της τάσης εξόδου από τη φωτεινότητα Για τη πραγματοποίηση αυτού του αισθητηρίου κάνουμε χρήση του κυκλώματος συγκριτή (Σχήμα 4). +5V 1K 1K V ref 741 V binary LD R 2K2 V out GND Σχήμα 4. Κύκλωμα ψηφιακού αισθητηρίου φωτεινότητας με τη χρήση συγκριτή ΙΙ. Κατασκευή και χειρισμοί 1. Μετρήστε τη τιμή της φωτο-αντίστασης για πλήρη έκθεση στο φως της αίθουσας (R LITE ) και για πλήρη σκίαση (R DARK ). Καταγράψτε αυτές τις τιμές στο φύλλο έργου. 2. Υπολογίστε και επιλέξτε την τιμή της σταθερής αντίστασης R 1 και κατασκευάστε το κύκλωμα του διαιρέτη τάσης. Μετρήστε την τάση εξόδου V OUT για πλήρη έκθεση της φωτο-αντίστασης στο φως της αίθουσας (V LITE ) και για πλήρη σκίαση (V DARK ). Καταγράψτε αυτές τις τιμές στο φύλλο έργου. 3. Κατασκευάστε το κύκλωμα του ψηφιακού αισθητηρίου φωτεινότητας με συγκριτή. Για την παραγωγή της τάσης αναφοράς V ref χρησιμοποιήστε διαιρέτη τάσης με μεταβλητή αντίσταση. Επιδείξτε το σημείο μεταγωγής του συγκριτή σκιάζοντας τη φωτο-αντίσταση. -6-
Β3. Απλός έλεγχος κίνησης του Μ2 Ένας απλός έλεγχος (οδήγηση) της κίνησης του Μ2 επιτυγχάνεται ελέγχοντας εξωτερικά, μέσω του κυκλώματος γέφυρας "Η", την ενεργοποίηση ή και τη φορά περιστροφής των ηλεκτρομειωτήρων. Έτσι το Μ2 μπορεί να κατευθυνθεί με σταθερή ταχύτητα εμπρός και πίσω, να κινηθεί σε ευθύγραμμη ή σε αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη κυκλική τροχιά, καθώς επίσης και να εκτελέσει σχεδόν "επιτόπια" αριστερόστροφη ή δεξιόστροφη περιστροφή. I. Αναγνώριση του χειριστηρίου και του chip L293 Αναγνωρίστε τους ακροδέκτες του χειριστηρίου που διανέμεται στο εργαστήριο. Το χειριστήριο διαθέτει δύο πλήκτρα (Α και Β) συνδεδεμένα σε διάταξη pull down όπως στο Σχήμα 1 κατωτέρω. -7-
Σχήμα 1. Απεικόνιση και ηλεκτρικό κύκλωμα του χειριστηρίου Επίσης αναγνωρίστε τους ακροδέκτες του ολοκληρωμένου κυκλώματος γέφυρας «Η» L293D. Συμβουλευθείτε το Σχήμα 2 κατωτέρω και το φύλλο δεδομένων (data sheet) του κατασκευαστή που διανέμεται στο Εργαστήριο. Σχήμα 2. Σχηματική επεικόνιση (pinout) του ο/κ L293D II. Σύνδεση και δοκιμή χειρισμών δύο Η/Κ 1. Συνδέστε το χειριστήριο με τη μία πλευρά της γέφυρας «Η», χρησιμοποιώντας καλώδια και αντιστάσεις. Επίσης συνδέστε τις σχετικές εξόδους της γέφυρας «Η» με τους ηλεκτρομειωτήρες κίνησης του ΒΧ24, έτσι ώσγχάνετε κίνηση εμπρός ή στάση του αντίστοιχου τροχού. Επιδείξτε τη χρήση του χειριστηρίου για να "οδηγείτε" το Μ2. Καταγράψτε στο φύλλο έργου ένα πίνακα αληθείας που να περιγράφει την κίνηση του Μ2 για κάθε κατάσταση των πλήκτρων Α και Β του χειριστηρίου (ενεργοποίηση ή όχι). 2. Αφαιρέστε το χειριστήριο. Τί παρατηρείτε; Καταγράψτε την απάντησή σας στο φύλλο έργου IIΙ. Σύνδεση και δοκιμή χειρισμών ενός μόνο Η/Κ 3. Αλλάξτε τη σύνδεση των εξόδων της γέφυρας «Η» ώστε να ελέγχετε την κατεύθυνση περιστροφή ενός από τους ηλεκτρομειωτήρες κίνησης του ΒΧ24. Επιδείξτε τη χρήση του χειριστηρίου για να "οδηγείτε" το Μ2. Καταγράψτε στο φύλλο έργου ένα πίνακα αληθείας που να περιγράφει την κίνηση του Μ2 για κάθε κατάσταση των πλήκτρων Α και Β του χειριστηρίου (ενεργοποίηση ή όχι). -8-
-9-
Β4. Εξοικείωση με το BX24 Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με τον τρόπο σύνδεσης των γραμμών τροφοδοσίας και επικοινωνίας του ΒΧ24, σε πρακτικό επίπεδο, μέσω της δοκιμαστικής σύνδεσης και χρήσης για μια απλή εφαρμογή προγραμματισμού. I. Αναγνώριση και βασική εγκατάσταση Προετοιμάστε στην πλακέτα δοκιμών τα βοηθητικά κυκλώματα που υποστηρίζουν το ΒΧ24. Ειδικότερα, σε μια πλευρά της πλακέτας δοκιμών, προετοιμάστε ένα απλό κύκλωμα σταθεροποιημένης τροφοδοσίας συνεχούς τάσης 6 Volt με διακόπτη. Συνδέστε την πλευρά GND της τροφοδοσίας σε έναν διακόπτη με επαφή εργασίας (κ.α.) τύπου "μπουτόν" που θα χρησιμοποιηθεί ως πλήκτρο επανεκκίνησης (RESET) του επεξεργαστή του ΒΧ24. Συνδέστε το καλώδιο επικοινωνίας στη σειριακή θύρα (DB9) του υπολογιστή και ξεχωρίστε τις γραμμές RX, TX, DTR και GND (ακροδέκτες 2-5 της σειριακής θύρας). Τοποθετείστε το ΒΧ24 στην πλακέτα δοκιμών και συνδέστε, όπως στο σχήμα 1, τις γραμμές GND και +6V της τροφοδοσίας στους ακροδέκτες του ΒΧ24 με αριθμό 23 και 24 αντίστοιχα. Επίσης συνδέστε την ελεύθερη γραμμή του διακόπτη RESET στον ακροδέκτη του ΒΧ24 με αριθμό 22. Ακόμη, συνδέστε τις γραμμές RX, TX, DTR και GND της σειριακής επικοινωνίας στους ακροδέκτες του ΒΧ24 με αριθμό 1, 2, 3 και 4 αντίστοιχα. Σχήμα 1. Βασικές συνδέσεις του ΒΧ24-10-
Σχήμα 2. Το ΒΧ24 εκτός κυκλώματος II. Προγραμματισμός και λειτουργία του ΒΧ24 1. Συνδέστε μεταξύ του ακροδέκτη του ΒΧ24 με αριθμό 8 και του ακροδέκτη με αριθμό 4 ή 23 μια εξωτερική φωτοεκπομπό δίοδο (LED) σε σειρά με μια αντίσταση περιορισμού του ρεύματος. Επίσης συνδέστε στον ακροδέκτη του ΒΧ24 με αριθμό 9 ένα διακόπτη S με κύκλωμα pull-down και αντίσταση περιορισμού του ρεύματος. Ο διακόπτης S θα χρησιμοποιηθεί ως πλήκτρο έναρξης του προγράμματος. Επίσης ρυθμίστε τη σειριακή επικοινωνία με το ΒΧ24 σε ταχύτητα 19200 Baud, παράμετροι 8Ν1. Σχήμα 3. Πρόσθετα εξωτερικά στοιχεία 2. Χρησιμοποιείστε το περιβάλλον ανάπτυξης του ΒΧ24 για να μετατρέψετε σε εκτελέσιμο και να μεταφέρετε στη μνήμη προγράμματος τον κώδικα προγράμματος που θα σας δοθεί στο Εργαστήριο. 3. Εκκινήστε την εκτέλεση του προγράμματος. Καταγράψτε στο φύλλο έργου τα μηνύματα που εμφανίζονται στην οθόνη monitor, τις ενέργειες που κάνετε και την ανταπόκριση του ΒΧ24. -11-
Β5. Προγραμματισμένη κίνηση του Μ2 Σκοπός της άσκησης είναι ο προγραμματισμός της κίνησης του Μήχατρον (M2) σύμφωνα με ένα προκαθορισμένο «σενάριο». Το ΒΧ24 υλοποιεί ένα απλό σύστημα ελέγχου ανοικτού βρόχου, δηλαδή παράγει εντολές που απευθύνονται στο σύστημα κίνησης του Μ2, Σχήμα 1. Ο βρόχος ελέγχου Ι. Βασική εγκατάσταση Τοποθετείστε το ΒΧ24 στη βάση εξυπηρέτησης του Μ2. Βεβαιωθείτε ότι όλες οι συνδέσεις (ΒΧ24, τροφοδοσία, επικοινωνία, εντολές κίνησης) λειτουργούν. Εντοπίστε τις γραμμές της γέφυρας Η για κίνηση εμπρός, δεξιά, αριστερά και πίσω και συνδέστε τις μέσω αντιστάσεων περιορισμού του ρεύματος σε τέσσερις ακροδέκτες του ΒΧ24. Συνδέστε τα αισθητήρια κίνησης του αριστερού και του δεξιού τροχού του Μ2 στους ακροδέκτες του ΒΧ24 με αριθμό 9 και 10 αντίστοιχα. Συνδέστε την τροφοδοσία των αισθητηρίων και δοκιμάστε τη λειτουργία τους (ΠΡΟΣΟΧΗ! μην περιστρέφετε τους κινητήρες με το χέρι - υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να καταστρέψετε τους οδοντωτούς τροχούς στο εσωτερικό του μειωτήρα). Συνδέστε μεταξύ του ακροδέκτη του ΒΧ24 με αριθμό 8 και του ακροδέκτη με αριθμό 4 ή 23 μια εξωτερική φωτοεκπομπό δίοδο (LED) σε σειρά με μια αντίσταση περιορισμού του ρεύματος. Επίσης, συνδέστε ένα απλό κύκλωμα μηχανικού διακόπτη που να λειτουργεί ως πλήκτρο εκκίνησης της εκτέλεσης του προγράμματος. ΙΙ. Δοκιμές προγραμματισμού Κατασκευάστε πρόγραμμα ώστε το ΒΧ24 έτσι ώστε το Μ2 να εκτελεί τις εξής κινήσεις: ευθεία μήκους 8 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα δεξιά ευθεία μήκους 3 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα δεξιά ευθεία μήκους 5 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα αριστερά ευθεία μήκους 3 περιμέτρων τροχού και στροφή 45 ο προς τα αριστερά ευθεία μήκους 4 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα αριστερά -12-
ευθεία μήκους 3 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα αριστερά ευθεία μήκους 3 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα αριστερά ευθεία μήκους 4 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα δεξιά ευθεία μήκους 4,25 περιμέτρων τροχού και στροφή 45 ο προς τα δεξιά ευθεία μήκους 4,5 περιμέτρων τροχού και στροφή 90 ο προς τα δεξιά Όλες οι στροφές γίνονται κλειστές δηλαδή με αντίθετη κίνηση των τροχών. Μόλις αρχίσει η εκτέλεση του προγράμματος, η πράσινη φ/δ του ΒΧ34 εκπέμπει 5 διαδοχικούς παλμούς διάρκειας 250 ms για να δηλώσει ετοιμότητα και το Μ2 αναμένει στην αρχική θέση την εντολή εκκίνησης. Η κίνηση αρχίζει όταν ενεργοποιηθεί το πλήκτρο εκκίνησης. Κατά τη διάρκεια της κίνησης και έως ότου ολοκληρώσει το σενάριο, το Μ2 αγνοεί τυχόν επόμενες ενεργοποιήσεις του πλήκτρου εκκίνησης. Σχήμα 2. Η τροχιά του Μ2 Μεταφέρετε το πρόγραμμα στο ΒΧ24 και επιδείξτε τη λειτουργία του με το Μ2. Αποθηκεύστε τον κώδικα BasicX που χρησιμοποιήσατε. ΙΙΙ. Δοκιμές προγραμματισμού Προσαρμόστε το πρόγραμμα που αναπτύξατε ως εξής: Η παραγωγή εντολών προς το σύστημα κίνησης (γέφυρα Η) θα κωδικοποιείται ως χωριστό υποπρόγραμμα (Subroutine) με παραμέτρους κλήσης τη διεύθυνση περιστροφής κάθε κινητήρα και τον επιθυμητό αριθμό παλμών του αισθητηρίου κάθε κινητήρα Στην πρώτη στροφή (σημείο A στο Σχήμα 3) η φ/δ (στον ακροδέκτη 8) εκπέμπει ένα φωτεινό παλμό, στην επόμενη στροφή (σημείο C) εκπέμπει δύο κ.ο.κ. έως και την ολοκλήρωση του σεναρίου κίνησης. -13-
ΙV. Ερωτήματα Εάν το Μ2 ακολουθήσει επακριβώς την προγραμματισμένη τροχιά, πόσο θα απέχει η τελική θέση Κ στην οποία θα σταματήσει το Μ2 από την αρχική θέση εκκίνησης Α; Πόσο απέχει στην πράξη; Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την απόσταση Α-Κ; Αποτυπώστε τις απαντήσεις σας σε συντομία στο φύλλο έργου Πώς μπορούμε να ενεργοποιήσουμε την εκκίνηση του προγράμματος χωρίς καμιά απολύτως μηχανική επαφή; Σχεδιάστε, στο φύλλο έργου, σε επίπεδο αρχής, ένα απλό κύκλωμα που θα μπορούσε να εξυπηρετήσει αυτό το στόχο. -14-
Β6. Σειριακή επικοινωνία με το Μ2 Σκοπός της άσκησης είναι ο τηλεχειρισμός του Μήχατρον (M2) ώστε να εκτελεί απλές κινήσεις (μπρος, πίσω, αριστερά, δεξιά) σύμφωνα με τις εντολές που δίνονται από το πληκτρολόγιο του υπολογιστή και μεταδίδονται μέσω σειριακής επικοινωνίας. Εδικότερα, το ΒΧ24 υλοποιεί ένα απλό σύστημα ελέγχου ανοικτού βρόχου, δηλαδή παράγει εντολές που απευθύνονται στο σύστημα κίνησης του Μ2 (γέφυρα Η L293D), λαμβάνοντας υπόψη πληροφορίες σχετικά με χαρακτήρες (byte) που φθάνουν σε μια σειριακή θύρα. F= κίνηση εμπρός B= κίνηση πίσω L= στροφή αριστερά R= στροφή δεξιά S= στάση (διακοπή της κίνησης, εάν υπήρχε) Ι. Προετοιμασία Συνδέστε με ένα καλώδιο τη σειριακή έξοδο του υπολογιστή (ακροδέκτης 3 του βύσματος DB9) στον ακροδέκτη εισόδου της σειριακής θύρας COM1 του BX24 (και τη γραμμή GND). Ρυθμίστε την επικοινωνία σε 9600 Baud, παράμετροι 8Ν1. -15-
ΙΙ. Ανάπτυξη και δοκιμή κώδικα Αναπτύξτε κώδικα γλώσσας BasicX για τη λειτουργία που περιγράφηκε πιο πάνω. Χρησιμοποιείστε τις εντολές διαχείρισης σωρών (Queue) για την οργάνωση της σειριακής επικοινωνίας από τον υπολογιστή προς το ΒΧ24, όπως απεικονίζεται διαγραμματικά στο Σχήμα 1. Μελετήστε το τμήμα της τεκμηρίωσης της Βιβλιοθήκης Συστήματος που καλύπτει τις εντολές OpenQueue, OpenCom, GetQueue, PutQueue, StatusQueue. Υπολογίστε το μήκος του σωρού σε byte και καταγράψτε τη διαδικασία υπολογισμού στο φύλλο έργου. Σχήμα1. Ρόλος του σωρού εισόδου κατά τη σειριακή επικοινωνία Χρησιμοποιείστε αποκλειστικά συμβολικές σταθερές (Const) για την αντιστοίχιση μεταξύ εισερχόμενων χαρακτήρων-εντολών και αριθμητικών τιμών ASCII. Επιδείξτε τη λειτουργία του προγράμματος με το ΒΧ24. ΙΙΙ. Βελτίωση, προσθήκες στον κώδικα Προσθέστε στο πρόγραμμα ώστε το ΒΧ24 να επαναλαμβάνει, προς επιβεβαίωση (echo) τις εντολές, ως έξοδο στη σειριακή θύρα πρός τον υπολογιστή. Επίσης, προσθέστε στο "ρεπερτόριο εντολών" δύο επιπλέον χαρακτήρες: U= αύξηση της ταχύτητας D= μείωση της ταχύτητας. -16-
Β7. Μέτρηση αναλογικών σημάτων με το Μ2 Α. Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι η μέτρηση αναλογικών σημάτων ηλεκτρικής τάσης με το Μ2 και η εμφάνιση των σχετικών τιμών στην οθόνη του υπολογιστή. Το καθαυτό όργανο αντίληψης των αναλογικών σημάτων θα είναι ο αναλογικός-ψηφιακός (Α/D) μετατροπέας που βρίσκεται ενσωματωμένο στην θύρα Α του BX24. Β. Βασική εγκατάσταση Τοποθετείστε το ΒΧ24 στη βάση εξυπηρέτησης του Μ2. Βεβαιωθείτε ότι όλες οι συνδέσεις (ΒΧ24, τροφοδοσία, επικοινωνία) λειτουργούν. Εντοπίστε τις γραμμές της θύρας Α (ακροδέκτες 13 έως 20 του ΒΧ24). Με τη βοήθεια μίας φωτοαντίστασης LDR, σχηματίστε κύκλωμα διαιρέτη τάσης και συνδέστε την έξοδο του κυκλώματος σε μία από τις γραμμές της θύρας Α. Γ. Δοκιμές Προγραμματισμού Το ΒΧ24 υλοποιεί ένα απλό σύστημα συλλογής και μεταφοράς δεδομένων προς τον υπολογιστή. Η λειτουργία του προγράμματος περιλαμβάνει: τη συλλογή αναλογικών μετρήσεων που μεταβάλονται χρονικά, ανάλογα με τη μεταβολή της φωτεινότητας της φωτοαντίστασης LDR τη μετατροπή αυτών των αναλογικών μετρήσεων σε ψηφιακά σήματα (εσωτερική λειτουργία BX-24 με τη βοήθεια του ενσωματωμένου κυκλώματος A/D) τη σειριακή μετάδοση των μετρήσεων από το μικροελεγκτή προς τον υπολογιστή (μέσω της θύρας RS-232) και, τέλος, την καταγραφή των μετρήσεων στην οθόνη του Development System (πρόγραμμα περιβάλλοντος του BasicX) A) Συνδέστε με ένα καλώδιο τη σειριακή έξοδο του υπολογιστή (ακροδέκτης 3 του βύσματος DB9) στον ακροδέκτη εισόδου της σειριακής θύρας COM1 του BX24 (και τη γραμμή GND). Αναπτύξτε και δοκιμάστε κώδικα γλώσσας BasicX για τη λειτουργία που περιγράφηκε πιο πάνω. -17-
Β) Συνδέστε μεταξύ του ακροδέκτη του ΒΧ24 με αριθμό 8 και του ακροδέκτη με αριθμό 4 ή 23 μια εξωτερική φωτοεκπομπό δίοδο (LED) σε σειρά με μια αντίσταση περιορισμού του ρεύματος. Επίσης, συνδέστε ένα απλό κύκλωμα διακόπτη που να λειτουργεί ως πλήκτρο εκκίνησης της εκτέλεσης του προγράμματος με ελάχιστη μηχανική επαφή (απλό άγγιγμα του Μ2) ή χωρίς επαφή (αξιολογείται πρόσθετα). Εμπλουτίστε τη λειτουργία του προγράμματος ώστε: το πλήκτρο εκκίνησης διακόπτη να αρχίζει τη διαδικασία συλλογής και μεταφοράς δεδομένων ο ΒΧ-24 να αναβοσβήνει την φωτοδίοδο (LED) με συγκεκριμένο ρυθμό εναλλαγής αναλαμπών που θα είναι ανάλογος του φωτισμού του χώρου του εργαστηρίου και σύμφωνος με τον παρακάτω πίνακα. Φωτισμός Εργαστηρίου Μέγιστος Μέτριος Ελάχιστος Μηδενικός (σκότος) Ρυθμός Εναλλαγής LED 50 αναλαμπές ανά δευτερόλεπτο 25 αναλαμπές ανά δευτερόλεπτο 5 αναλαμπές ανά δευτερόλεπτο Το LED είναι σβηστό -18-
Β8. Φωτοφοβική / φωτοφιλική λειτουργία (κίνηση) Ο σκοπός της άσκησης είναι η δημιουργία ενός συστήματος κλειστού βρόχου ελέγχου για την κίνηση του Μ2. Ο νόμος ελέγχου θα οδηγεί το όχημα έτσι ώστε να παρουσιάζει μια προγραμματισμένη "συμπεριφορά". Συγκεκριμένα, με τη χρήση αισθητήρων φωτός, το όχημα θα κατευθύνεται προς την πηγή φωτός κατά τη φωτοφιλική συμπεριφορά ή, στην περίπτωση της φωτοφοβικής συμπεριφοράς, θα απομακρύνεται από το φώς. Σχήμα 1: Το κύκλωμα οδήγησης του κινητήρα. Σχήμα 2: Το Μ2 εφοδιασμένο με αισθητήρες φωτός. ΙΙ. Κατασκευή και λειτουργία Χρησιμοποιείστε το κύκλωμα της άσκησης Β2 (Σχήμα 1) για τον έλεγχο της κίνησης του Μ2. Το Μ2 φέρει δύο φωτοαντιστάσεις προσανατολισμένες ώστε να καλύπτουν τη δεξιά-εμπρός και αριστερά-εμπρός περιοχή του οχήματος, όπως στο Σχήμα 2. 1. Κατασκευάστε το κύκλωμα των δύο διαιρετών τάσης και του συγκριτή και συνδέστε το κατάλληλα με το ¼ της γέφυρας Η. Στην έξοδο της γέφυρας συνδέστε ένα LED. Ρυθμίστε κατάλληλα το trimmer για να αντισταθμίσετε την ασυμμετρία των δύο διαιρετών τάσης. -19-
2. Κατασκευάστε ακόμα ένα κύκλωμα όμοιο με το προηγούμενο. Ρυθμίστε το trimmer ώστε το δεύτερο αυτό κύκλωμα να έχει τον ίδιο βαθμό ευαισθησίας στο φως με το κύκλωμα του βήματος 1. 3. Επιδείξτε τη φωτοφοβική συμπεριφορά. Συνδέστε κατάλληλα τους κινητήρες. 4. Αλλάξτε τη συνδεσμολογία για το σχεδιασμό της φωτοφιλικής συμπεριφοράς. Επιδείξτε την τελευταία. -20-
Β9. Αναγνώριση τωνηλεκτρομειωτήρων του Μ2 ΙΙ. Αναγνώριση του συστήματος κίνησης 1. Τροφοδοτείστε τον ένα ηλεκτρομειωτήρα του Μ2. Υπολογίστε την ταχύτητα περιστροφής του τροχού. Μετρήστε την παρεχόμενη τάση στον ηλεκτροκινητήρα και το ρεύμα του τυμπάνου. Επίσης μετρήστε την αντίσταση του κυκλώματος τυμπάνου. Υπολογίστε την ηλεκτρομηχανική σταθερά k m του ηλεκτρομειωτήρα από την εξίσωση: V= k m ω + I a R a όπου: k m ω V Ι a R a ηλεκτρομηχανική σταθερά του κινητήρα η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής του δρομέα [rad/s] η τάση στα άκρα του κυκλώματος τυμπάνου [V] η ένταση του ρεύματος στο κύκλωμα του τυμπάνου [A] η συνολική ωμική αντίσταση του κυκλώματος τυμπάνου [Ohm] 2. Υποθέστε ότι οι τροχοί του Μ2 στρέφονται με διαφορετική ταχύτητα. Στην περίπτωση αυτή, το σώμα του Μ2 περιστρέφεται "γύρω από τον εαυτό του". Ποιό είναι το γεωμετρικό κέντρο αυτής της περιστροφής; Η θέση του κέντρου περιστροφής είναι σταθερή και εάν όχι από ποιούς παράγοντες εξαρτάται; -21-