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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Lunokhod mit Mikrocontroller-Steuerung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Mikrocontroller Das beschriebene Gerät wurde entwickelt, um die Fähigkeiten von Hardware- und Softwaresystemen zur Steuerung bewegter Objekte zu demonstrieren. Bei dem Objekt handelte es sich um einen Kinderspielzeug-„Mondrover“ mit Kabelfernbedienung, der von zwei Gleichstrom-Elektromotoren angetrieben wurde und die Möglichkeit hatte, jeden von ihnen separat zu steuern. Wenn der Strom eingeschaltet wird, beginnt sich das Modell vorwärts zu bewegen. Gleichzeitig werden der darin montierte Sender und Empfänger der gepulsten IR-Strahlung eingeschaltet. Die Bewegung wird fortgesetzt, bis die Intensität des reflektierten IR-Signals den eingestellten Schwellenwert überschreitet, was auf das Vorhandensein eines Hindernisses auf dem Weg hinweist. Sobald dies geschieht, dreht sich das Modell um, bis das reflektierte Signal diesen Schwellenwert unterschreitet, danach bewegt es sich weiter vorwärts usw. Ein schematisches Diagramm des Hardware- und Softwarekomplexes zur Steuerung des Lunokhod-Modells ist in der Abbildung dargestellt. Seine Basis ist ein kostengünstiger Acht-Bit-CMOS-Mikrocontroller (MCU) AT90S2313 (DD1), der auf der fortschrittlichen RISC-AVR-Architektur basiert. Die Taktfrequenz wird vom Quarzresonator ZQ1 auf eine Frequenz von 5 MHz eingestellt (sie kann beliebig sein, bis zu 10 MHz). Eine Schaltung aus Widerstand R13 und Kondensator C12 dient zum Zurücksetzen des MK im Moment des Einschaltens. Der abnehmbare Stecker
Das Gerät enthält neben dem Mikrocontroller einen gepulsten IR-Strahlungssender (VT4, VD2), einen von einem Hindernis reflektierten Strahlungsempfänger, bestehend aus einer Fotodiode VD1, einen zweistufigen Verstärker (VT1, VT2) und einen Synchrondetektor (VT3). ) und vier elektronische Schalter (1VT1 - 1VT3, .. ., 4VT1 - 4VT3). Die Stromversorgung des Geräts erfolgt über einen Akku bestehend aus vier Ni-Cd-Akkus der Größe C mit einer Kapazität von 1500 mAh, eingebaut in das dafür vorgesehene Fach im Modell. Die Versorgungsspannung des Mikrocontrollers und des IR-Strahlungsempfängers wird durch einen unveränderten Spannungsstabilisator DA1 der Mikroschaltung aufrechterhalten. Während des Betriebs werden Impulse mit einer Wiederholfrequenz von etwa 0 Hz vom Ausgang des Ports PD4 zur Basis des Transistors VT1220 empfangen. Dadurch öffnet es sich periodisch und die an seinen Kollektorkreis angeschlossene VD2-LED erzeugt IR-Strahlung, die mit der angegebenen Frequenz in Bewegungsrichtung des Modells pulsiert. Der Widerstand R7 begrenzt den Strom durch die Emitterverbindung des Transistors und schützt den Ausgang des MK-Ports vor Schäden, wenn diese Verbindung ausfällt. Der maximale Strom durch die LED wird durch den Widerstand R9 begrenzt. Die vom Hindernis reflektierte IR-Strahlung wird von der parallel zum Widerstand R1 geschalteten Fotodiode VD2 wahrgenommen, über die die Gleichstromrückkopplung erfolgt und einen zweistufigen Verstärker an den Transistoren VT1, VT2 abdeckt. Spannungsimpulse vom Kollektor des Transistors VT2 werden einem Synchrondetektor zugeführt, der auf dem Feldeffekttransistor VT3 aufgebaut ist. Seine Verwendung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der Widerstand R3 während des Betriebs des Ortungsgeräts nicht nur Schwingungen mit einer Frequenz von etwa 1220 Hz, sondern auch Pulsationen mit einer Frequenz von 100 Hz von Glühlampen sowie zufällige Störungen im Sichtbaren erzeugt und IR-Bereiche des Spektrums. Der Grad dieser Störung entspricht häufig dem Grad der vom Hindernis reflektierten IR-Strahlung, und wenn keine besonderen Maßnahmen ergriffen werden, kann dies zur Erkennung eines falschen Hindernisses führen. Um solche Fehler zu verhindern, wurde ein Synchrondetektor verwendet. Sein Eingang (Gate des Transistors VT3) ist mit demselben Port (DO) wie der Sendereingang verbunden, daher öffnet sich synchron mit dem Blinken der LED VD2 der Transistor VT3, der den Ausgang des Verstärkers an den Transistoren VT1, VT2 mit eins verbindet der Eingänge des MK-Komparators (PB0/AIN0). Die Referenzspannung an seinem anderen Eingang wird durch den Einstellwiderstand R12 eingestellt, wodurch die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber dem reflektierten Signal angepasst wird. Der Betrieb der Elektromotoren des MK-Modells wird über die elektronischen Schlüssel S1 - S4 gesteuert. Betrachten wir die Funktionsweise eines von ihnen, zum Beispiel des ersten (die anderen verhalten sich ähnlich). Wenn die Eingangsspannung weniger als 0,6 V (log 0) beträgt, sind die Transistoren 1VT1 und 1VT3 geschlossen und 1VT2 geöffnet, sodass die Spannung am Ausgang und der daran angeschlossenen Klemme des Motors M1 nahe an der Spannung der Stromversorgung liegt Batterie GB1. Bereitstellung eines Log-Level-Schlüssels für den Eingang. 1 bewirkt, dass der Transistor 1VT1 öffnet, wodurch 1VT2 schließt und 1VT3 öffnet und die Ausgangsspannung nahe 0 wird. Der Widerstand 1R1 begrenzt den vom Schlüssel vom MK-Ausgang aufgenommenen Strom auf einen Wert von etwa 3 mA, was deutlich weniger ist als der zulässige Ausgangsstrom (20 mA bei Log-Level 0 und 10 mA bei Log-Level 1). Der Widerstandswert des Widerstands 1R2 ist so gewählt, dass einerseits bei geöffnetem 1VT2 ein ausreichender Ausgangsstrom des Schalters gewährleistet ist und andererseits der Strom durch den geöffneten Transistor 1VT1 nicht zu groß wird . Da die im Modell verwendeten Elektromotoren einen sehr hohen Strom (ca. 600 mA) verbrauchen und starke Impulsgeräusche erzeugen, mussten sie durch sparsamere und geräuschärmere DPB-902-Motoren ersetzt werden. Es ist auch möglich, andere Kommutatormotoren von Tonbandgeräten und Radio-Tonbandgeräten zu verwenden. Zur Verwaltung elektronischer Schlüssel werden die vier höchstwertigen Ziffern von Port B verwendet: PB7, PB6, PB5 und PB4. Der Betrieb des IR-Senders wird durch die niedrigstwertige Ziffer von Port D – PD0 gesteuert, die beiden niedrigstwertigen Ziffern von Port B (PB0 und PB1) sind konfiguriert und werden jeweils als direkte und inverse Eingänge des Analogkomparators verwendet. Wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, ist es zum Einschalten beispielsweise des Elektromotors M1 erforderlich, einen der Schlüssel S1, S2 zu öffnen und den anderen zu schließen. Wenn Sie beide Schlüssel öffnen oder schließen, sind die Spannungen an ihren Ausgängen gleich, sodass die Spannung am Elektromotor gleich 0 ist. Wenn Sie den Schlüssel S1 öffnen und S2 schließen, wird der linke (gemäß Diagramm) Motor aktiviert Anschluss wird mit dem Pluspol der Batterie verbunden, und das rechte - mit seinem Minus, und es beginnt sich in eine Richtung zu drehen. Wenn Sie hingegen S2 öffnen und S1 schließen, wird die Polarität des Motoranschlusses umgekehrt und dieser beginnt, sich in die entgegengesetzte Richtung zu drehen. Die Softwareaktivierung erfolgt durch Schreiben der in der Tabelle angegebenen Konstanten auf Port B. 1.
Die Softwaresteuerung des IR-Strahlungssenders erfolgt durch Schreiben einer bestimmten Nummer in Port D des MK. Wenn das niedrigstwertige Bit dieser Zahl 0 ist, ist die VD2-LED aus, und wenn es 1 ist, ist sie eingeschaltet. Aufeinanderfolgende Änderungen der Werte dieses Bits führen zum Auftreten einer pulsierenden Beleuchtungsstärke im IR-Teil des Spektrums vor dem Modell. Die Höhe der reflektierten Strahlung wird von einem Fotosensor erfasst und bei zunehmender Höhe wird auf das Vorhandensein eines Hindernisses vor Ihnen geschlossen. Die Besonderheit des Programms besteht darin, dass sich der Steueralgorithmus im MK-Timer-Handler befindet. Dies liegt daran, dass die emittierende LED mit einer bestimmten konstanten Frequenz geschaltet werden muss und zur Vereinfachung des Programms der Steueralgorithmus dort platziert ist. Nachdem beim Einschalten der Stromversorgung das Reset-Signal gegeben wurde, beginnt der MK mit der Ausführung des Programms ab der Startmarke. In diesem Teil des Programms wird die anfängliche Initialisierung des Stapels, der Register, der Ein-/Ausgabeanschlüsse B und D, eines analogen Komparators und eines 8-Bit-Timers durchgeführt. Die Impulswiederholungsrate für den Timer wird auf CK/5 eingestellt (SC ist eine Taktfrequenz von XNUMX MHz) und der Interrupt-Handler bei Timer-Überlauf. Da der Timer jedes Mal überläuft, wenn 256 (28) Impulse eintreffen, wird der Interrupt-Handler 2441 Mal pro Sekunde aufgerufen. Dadurch schaltet die emittierende LED mit einer Frequenz von ca. 1221 Hz. Die Analyse des empfangenen reflektierten Signals erfolgt alle 20 Timerzyklen, also mit einer Frequenz von 122 Hz. Der Steueralgorithmus funktioniert wie folgt. Register r24 wird als Zähler mit einem Wertebereich von 0 bis 240 verwendet. Bei jeder Überprüfung wird, wenn ein Hindernis vorhanden ist und der Zählerwert kleiner als 240 ist, um 1 erhöht, und wenn kein Hindernis vorhanden ist, er wird um den gleichen Betrag verringert, bis er gleich 0 wird. Als nächstes gibt der Zählerwert von 0 bis 16 einen Befehl zum Vorwärtsfahren, von 17 bis 31 – zum Anhalten und von 32 bis 240 – zum Umkehren. Mit diesem Algorithmus können Sie Fehlalarme vermeiden und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dem Hindernis vollständig auszuweichen (das Modell dreht sich noch einige Zeit weiter, auch nachdem es verschwunden ist). Das Register r27 enthält einen Umdrehungszähler, nach dem jede zweite Umdrehung in die entgegengesetzte Richtung zur vorherigen ausgeführt wird, und das Register r18 enthält einen Zähler für den Steueralgorithmus des Elektromotors. Es nimmt bei jedem Interrupt-Aufruf nacheinander Werte von 0 bis 3 an. Bei O wird der rechte Motor abgeschaltet, bei 2 der linke. Dadurch wird der vom Akku verbrauchte Strom reduziert, was die Akkulaufzeit des Modells von einer Akkuladung zur nächsten erhöht. Programmcodes in Form einer Hex-Datei sind in Tabelle angegeben. 2. Vollständiger Text des Programms in Assemblersprache
Das Einrichten des Geräts ist einfach. Nachdem Sie zunächst den Mikrocontroller durch Trennen von Teilen des Steckers X1 ausgeschaltet haben, ersetzen Sie die Batterie und messen Sie durch Schließen der Kontakte des Schalters Q1 die Spannung am Ausgang des Stabilisators DA1. Anschließend schließen sie ein Oszilloskop an den Drain des Transistors VT3 an und beleuchten die Fotodiode mit einer IR-Strahlungsquelle (z. B. einer TV-Fernbedienung oder einem Videorecorder), um sicherzustellen, dass der Fotodetektor funktioniert. Die übrigen Komponenten müssen nicht angepasst werden, wenn wartungsfähige Teile verwendet werden und keine Installationsfehler vorliegen. Schließen Sie abschließend das MK (im ausgeschalteten Zustand) an und überprüfen Sie die Funktionsfähigkeit des gesamten Geräts. Die Empfindlichkeit des Fotodetektors wird bei Bedarf mit dem Trimmwiderstand R12 angepasst. Autor: P. Chechet, Vasilevichi, Gebiet Gomel, Weißrussland
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