Lunokhod avec contrôle par microcontrôleur

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Lunokhod avec contrôle par microcontrôleur. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique

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Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / microcontrôleurs

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Le dispositif décrit a été développé pour démontrer les capacités des systèmes matériels et logiciels de contrôle d'objets en mouvement. L'objet était un « rover lunaire » jouet pour enfants doté d'une télécommande filaire, entraîné par deux moteurs électriques à courant continu et permettant de contrôler chacun d'eux séparément. À la mise sous tension, le modèle commence à avancer. Dans le même temps, l'émetteur et le récepteur de rayonnement IR pulsé qui y sont montés sont allumés. Le mouvement se poursuit jusqu'à ce que l'intensité du signal IR réfléchi dépasse le seuil défini, ce qui indique la présence d'un obstacle sur le chemin. Une fois que cela se produit, le modèle se retourne jusqu'à ce que le signal réfléchi descende en dessous de ce seuil, après quoi il continue d'avancer, etc.

Un diagramme schématique du complexe matériel et logiciel permettant de contrôler le modèle Lunokhod est présenté sur la figure. Sa base est un microcontrôleur (MCU) CMOS huit bits économique AT90S2313 (DD1), construit à l'aide de l'architecture avancée RISC AVR. La fréquence d'horloge est réglée par le résonateur à quartz ZQ1 à une fréquence de 5 MHz (elle peut être n'importe quelle autre, jusqu'à 10 MHz). Un circuit composé de la résistance R13 et du condensateur C12 sert à réinitialiser le MK au moment de la mise sous tension. Le connecteur détachable X1 est introduit pour une connexion et une déconnexion rapides du MK et du reste de l'appareil, ainsi que pour connecter le MK à un ordinateur dans le but de mettre à jour un programme ou de diagnostiquer une opération.

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En plus du microcontrôleur, l'appareil contient un émetteur de rayonnement IR pulsé (VT4, VD2), un récepteur de rayonnement réfléchi par un obstacle, composé d'une photodiode VD1, d'un amplificateur à deux étages (VT1, VT2) et d'un détecteur synchrone (VT3 ), et quatre interrupteurs électroniques (1VT1 - 1VT3, .. ., 4VT1 - 4VT3). L'appareil est alimenté par une batterie composée de quatre batteries Ni-Cd de taille C d'une capacité de 1500 mAh, installées dans le compartiment prévu dans le modèle. La tension d'alimentation du microcontrôleur et du récepteur de rayonnement IR est maintenue par un stabilisateur de tension de microcircuit inchangé DA1.

Pendant le fonctionnement, des impulsions avec une fréquence de répétition d'environ 0 Hz sont reçues de la sortie du port PD4 vers la base du transistor VT1220. En conséquence, il s'ouvre périodiquement et la LED VD2 connectée à son circuit collecteur crée un rayonnement IR pulsé à la fréquence spécifiée dans la direction du mouvement du modèle. La résistance R7 limite le courant traversant la jonction émetteur du transistor et protège la sortie du port MK des dommages lorsque cette jonction tombe en panne. Le courant maximum traversant la LED est limité par la résistance R9.

Le rayonnement IR réfléchi par l'obstacle est perçu par la photodiode VD1, connectée en parallèle avec la résistance R2, à travers laquelle s'effectue le retour en courant continu, recouvrant un amplificateur à deux étages sur les transistors VT1, VT2. Les impulsions de tension du collecteur du transistor VT2 sont fournies à un détecteur synchrone réalisé sur le transistor à effet de champ VT3. Son utilisation est due au fait que pendant le fonctionnement du localisateur, la résistance R3 crée non seulement des oscillations d'une fréquence d'environ 1220 Hz, mais également des pulsations d'une fréquence de 100 Hz provenant de lampes à incandescence, ainsi que des interférences aléatoires à la fois dans le visible et les plages IR du spectre. Le niveau de ces interférences est souvent proportionnel au niveau de rayonnement IR réfléchi par l'obstacle, et si des mesures particulières ne sont pas prises, cela peut conduire à la détection d'un faux obstacle. Pour éviter de telles erreurs, un détecteur synchrone a été utilisé. Son entrée (grille du transistor VT3) est connectée au même port (DO) que l'entrée de l'émetteur, donc, de manière synchrone avec les flashs de la LED VD2, le transistor VT3 s'ouvre, qui connecte la sortie de l'amplificateur sur les transistors VT1, VT2 à un des entrées du comparateur MK (PB0/AIN0 ). La tension de référence à son autre entrée est réglée par la résistance ajustée R12, ajustant ainsi la sensibilité de l'appareil au signal réfléchi.

Le fonctionnement des moteurs électriques du modèle MK est contrôlé à l'aide des clés électroniques S1 - S4. Considérons le fonctionnement de l'un d'eux, par exemple le premier (les autres agissent de la même manière). Lorsque la tension d'entrée est inférieure à 0,6 V (log 0), les transistors 1VT1 et 1VT3 sont fermés et 1VT2 est ouvert, donc la tension à la sortie et à la borne du moteur M1 qui y est connecté est proche de la tension de l'alimentation. batterie GB1. Fourniture d'une clé de niveau log à l'entrée. 1 provoque l'ouverture du transistor 1VT1, ce qui entraîne la fermeture de 1VT2, et 1VT3 s'ouvre et la tension de sortie devient proche de 0. La résistance 1R1 limite le courant consommé par la clé depuis la sortie MK à une valeur d'environ 3 mA, ce qui est nettement inférieur supérieur au courant de sortie autorisé (20 mA au niveau log 0 et 10 mA au niveau log 1). La résistance de la résistance 1R2 est choisie de manière à, d'une part, assurer un courant de sortie suffisant de l'interrupteur lorsque 1VT2 est ouvert, et d'autre part, pour que le courant traversant le transistor ouvert 1VT1 ne soit pas trop important. .

Étant donné que les moteurs électriques utilisés dans le modèle consomment un courant très élevé (environ 600 mA) et créent un bruit impulsionnel intense, ils ont dû être remplacés par des moteurs DPB-902 plus économiques et moins bruyants. Il est également possible d'utiliser d'autres moteurs à collecteur provenant de magnétophones et de magnétophones radio.

Pour gérer les clés électroniques, on utilise les quatre chiffres les plus significatifs du port B : PB7, PB6, PB5 et PB4. Le fonctionnement de l'émetteur IR est contrôlé par le chiffre le moins significatif du port D - PD0, les deux chiffres les moins significatifs du port B (PB0 et PB1) sont configurés et sont utilisés respectivement comme entrées directes et inverses du comparateur analogique.

Comme le montre le schéma, pour allumer par exemple le moteur électrique M1, il faut ouvrir l'une des clés S1, S2 et fermer l'autre. Si vous ouvrez ou fermez les deux clés, les tensions à leurs sorties seront les mêmes, donc la tension sur le moteur électrique sera égale à 0. Si vous ouvrez la clé S1 et fermez S2, le moteur gauche (selon le schéma) la borne sera connectée au positif de la batterie,

et celui de droite - avec son moins, et il commencera à tourner dans un sens. Si, au contraire, vous ouvrez S2 et fermez S1, la polarité de la connexion du moteur sera inversée et celui-ci commencera à tourner dans le sens opposé. L'activation du logiciel s'effectue en écrivant sur le port B les constantes indiquées dans le tableau. 1.

Lunokhod avec contrôle par microcontrôleur

Le contrôle logiciel de l'émetteur de rayonnement IR s'effectue en écrivant un certain numéro sur le port D du MK. Si le bit le moins significatif de ce nombre est 0, la LED VD2 est éteinte, et s'il est 1, elle est allumée. Des changements consécutifs dans les valeurs de ce bit conduisent à l'apparition d'un niveau d'éclairage pulsé dans la partie IR du spectre en avance sur le modèle. Le niveau de rayonnement réfléchi est enregistré par un photocapteur et, à mesure qu'il augmente, une hypothèse est émise quant à la présence d'un obstacle devant.

La particularité du programme est que l'algorithme de contrôle est situé dans le gestionnaire de minuterie MK. Cela est dû au fait qu'il est nécessaire de commuter la LED émettrice avec une certaine fréquence constante, et pour simplifier le programme, l'algorithme de contrôle y est placé. Après que le signal de réinitialisation soit donné au moment de la mise sous tension, le MK commence à exécuter le programme à partir du repère Start. Dans cette partie du programme, l'initialisation initiale de la pile, des registres, des ports d'entrée/sortie B et D, d'un comparateur analogique, d'un temporisateur de huit bits est effectuée, le taux de répétition des impulsions du temporisateur est réglé sur CK/8. (SC est une fréquence d'horloge de 5 MHz) et le gestionnaire d'interruption en cas de dépassement de la minuterie.

Étant donné que le temporisateur déborde à chaque fois que 256 (28) impulsions arrivent, le gestionnaire d'interruption est appelé 2441 1221 fois par seconde. En conséquence, la LED émettrice commute à une fréquence d'environ 20 Hz. L'analyse du signal réfléchi reçu est effectuée une fois tous les 122 cycles de temporisation, soit avec une fréquence de XNUMX Hz.

L'algorithme de contrôle fonctionne comme suit. Le registre r24 sert de compteur avec une plage de valeurs de 0 à 240. A chaque contrôle, s'il y a un obstacle et que la valeur du compteur est inférieure à 240, elle est augmentée de 1, et s'il n'y a pas d'obstacle, elle est diminuée du même montant jusqu'à ce qu'elle devienne égale à 0. Ensuite, lorsque la valeur du compteur de 0 à 16 donne l'ordre d'avancer, de 17 à 31 - d'arrêter et de 32 à 240 - de faire demi-tour. Cet algorithme permet d’éviter les fausses alarmes et augmente la probabilité d’éviter complètement l’obstacle (le tour du modèle continue pendant un certain temps même après sa disparition).

Le registre r27 contient un compteur de tours, selon lequel un tour sur deux est effectué dans le sens opposé au précédent, et le registre r18 contient un compteur pour l'algorithme de commande du moteur électrique. Il prend séquentiellement des valeurs de 0 à 3 à chaque appel d'interruption. En O, le moteur droit est éteint et en 2, celui de gauche est éteint. Ainsi, le courant consommé par la batterie est réduit, ce qui augmente la durée de vie de la batterie du modèle d'une charge de batterie à l'autre.

Les codes de programme sous la forme d'un fichier hexadécimal sont donnés dans le tableau. 2.

Texte intégral du programme en langage assembleur

(cliquez pour agrandir)

La configuration de l'appareil est simple. Tout d'abord, après avoir éteint le microcontrôleur en débranchant des parties du connecteur X1, remplacez la batterie et, en fermant les contacts de l'interrupteur Q1, mesurez la tension à la sortie du stabilisateur DA1. Ensuite, en connectant un oscilloscope au drain du transistor VT3 et en éclairant la photodiode avec une source de rayonnement IR (par exemple, une télécommande de téléviseur ou un magnétoscope), ils sont convaincus que le photodétecteur fonctionne.

Les composants restants ne nécessitent aucun réglage si des pièces réparables sont utilisées et s'il n'y a aucune erreur d'installation. Enfin, connectez le MK (hors tension) et vérifiez la fonctionnalité de l'appareil dans son ensemble. La sensibilité du photodétecteur, si nécessaire, est ajustée à l'aide de la résistance d'ajustement R12.

Auteur : P. Chechet, Vasilevichi, région de Gomel, Biélorussie

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