T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Uzaktan Robotik El Kontrolü
228574 Hilal ALTUN
228598 Fulya AKDENİZ
228600 Neşe ÜNVER
Yrd. Doç. Dr. Kadir TÜRK
Mayıs 2013
TRABZON
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Uzaktan Robotik El Kontrolü
228574 Hilal ALTUN
228598 Fulya AKDENİZ
228600 Neşe ÜNVER
Yrd. Doç. Dr. Kadir TÜRK
Mayıs 2013
TRABZON
ii
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU
Hilal ALTUN, Fulya AKDENİZ, Neşe ÜNVER tarafından Yrd. Doç. Dr. Kadir TÜRK
yönetiminde hazırlanan “Uzaktan Robotik El Kontrolü” başlıklı lisans bitirme projesi
tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak
kabul edilmiştir.
Danışman : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
Jüri Üyesi 1 : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
Jüri Üyesi 2 : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
Bölüm Başkanı : Unvanı Adı ve SOYADI ………………………………
iii
ÖNSÖZ
Günümüzde birçok işin kolaylaştırılması amacıyla robotik üzerine farklı çalışmalar
yapılmaktadır. Bu çalışmaların en önemlileri insan sağlını korumayı ve gündelik işleri
kolaylaştırmayı amaçlayan çalışmalardır. ‘’Uzaktan Robotik El Kontrolü’’ isimli
projemiz insan elinin yaptığı hareketi algılayarak, kablosuz bir şekilde robot el üzerinde
hareketin aynısını taklit edebilmesi ve insan hayatını farklı alanlarda kolaylaştırması
amaçlacıyla yapılmıştır.
İlk olarak hazırlamış olduğumuz bu çalışmada bizlere zamanını ayıran ve
danışmanımız olan değerli hocamız Yrd. Doç. Dr. Kadir TÜRK’ e ve Tez çalışmamız
süresince bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü’ ne
Mühendislik Fakültesi Dekanlığı’ na ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm
Başkanlığı’ na içten teşekkürlerimizi sunarız.
Ayrıca proje yapımında her türlü yardımı sağlayan ve bilgilerini hiç çekinmeden
bizimle paylaşan Doç. Dr. İsmail KAYA’ ya ve Araş. Gör. Cemaleddin ŞİMŞEK’ e ve
bize çalışma ortamı sunan İletişim Laboratuarına teşekkürü bir borç biliriz.
Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bizim her konuda yanımızda olan ve desteğini
hiç esirgemeyen, canımız ve hep destekçimiz olan ailemize çok teşekkür ederiz.
Son olarak örnek olan tüm hocalarımıza ve arkadaşlarımıza saygı ve sevgilerimizi
sunarız.
Mayıs 2013
Hilal ALTUN Fulya AKDENİZ Neşe ÜNVER
iv
İÇİNDEKİLER
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU ........................................................................................ ii
ÖNSÖZ ........................................................................................................................................... iii
İÇİNDEKİLER .................................................................................................................................. iiv
ÖZET .............................................................................................................................................. vi
SEMBOLLER DİZİNİ…………………………………………………………………………………………………………………..vii
KISALTMALAR DİZİNİ………………………………………………………………………………………………………………viii
ŞEKİLLER DİZİNİ ............................................................................................................................ iix
Tablolar Dizini ................................................................................................................................. x
1.GİRİŞ ............................................................................................................................................ 1
1.1.Çalışma Takvimi .................................................................................................................... 2
2.ROBOT NEDİR? ............................................................................................................................ 3
2.1.Robotların Tarihsel Gelişimi ................................................................................................. 3
3.HABERLEŞME ............................................................................................................................... 4
3.1. Haberleşme Sistemlerinin Elemanları ................................................................................. 4
3.2. Kablosuz İletişim .................................................................................................................. 4
3.2.1. Kablosuz Haberleşmenin Bazı Türleri ........................................................................... 5
3.2.1.1. Bluetooth (IEEE 802.15.1)…………………………………………………………………………………….5
3.2.1.2. IrDA Sistemi…………………………………………………………………………………………………………6
3.2.1.2.1. Genel IrDA Karakteristikleri………………………………………………………………………………6
3.2.1.2.1.2. IrDA'nın Kullanım Alanları……………………………………………………………………………..6
3.2.1.3. ZigBee Standartı………………………………………………………………………………………………….7
3.2.1.3.1. Ağ ve XBee'ye Genel Bakış……………………………………………………………………………….8
3.2.1.3.2. XBee Modül Stilleri………………………………………………………………………………………….8
3.2.1.3.3. ZigBee'nin Ağ Yapısı ve Fİziksel Tabaka…………………………………………………………..10
3.2.1.3.4. ZigBee Topolojileri……………………………………………………………………………………...…11
3.2.1.3.5. ZigBee'nin Kullanım Alanları…………………………………………………………………………..11
v
3.2.1.3.6. ZigBee'nin Bazı Kablosuz Teknolojilerle Karşılaştırılması…………………………………11
4.Elektronik Devrimi ............................................................................................................. 12
4.1. Fiziki Programlama ............................................................................................................ 13
4.2. Gömülü Sistemler .............................................................................................................. 13
4.3. Mikroişlemci Nedir? .......................................................................................................... 14
4.4. Mikrodenetleyici Nedir? .................................................................................................... 16
4.5. Mikrodenetleyicilerin Mikroişlemcilere Göre Avantajları ................................................. 16
4.6. Açık Kaynaklı Donanımlar .................................................................................................. 17
5. ARDUİNO .................................................................................................................................. 18
5.1.Arduino Çeşitleri ................................................................................................................ 18
5.1.1.Arduino Uno ................................................................................................................ 20
6.KULLANILAN MALZEMELER ....................................................................................................... 23
6.1.Servo Motorlar ................................................................................................................... 23
6.1.1.Servo Motorun Çalışma Prensibi ................................................................................. 24
6.2.Flex Sensör ........................................................................................................................ 24
6.2.1. Flex Sensörle İlgili Bazı Devre ve Gösterimler ............................................................ 25
7.TASARIM VE DENEYSEL ÇALIŞMALAR........................................................................................ 29
7.1.Maket Elin Yapımı .............................................................................................................. 29
7.2.Flex Sensörle İlgili Deneysel Çalışma Aşaması.................................................................... 31
7.3.Xbee ile İlgili Çalışmalar ...................................................................................................... 34
7.4.Servo Motorla İlgili Çalışmalar ........................................................................................... 34
7.5.Programlama Aşaması ....................................................................................................... 36
8.SONUÇLAR ................................................................................................................................. 37
9.YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME ............................................................................................. 38
KAYNAKÇA .................................................................................................................................... 39
EKLER ............................................................................................................................................ 40
vi
ÖZET
Projenin amacı; İnsan sağlığı ve güvenliği açısından uygun olmayan yerlerde deney
çalışma yapabilmek için uzaktan kontrol edilebilen robotik bir el gerçekleştirmektir.
Giyilebilir herhangi bir eldivenin üzerine flex sensörler yerleştirilip hareket ettirilen
parmakların hareketleri ve hareket miktarları ölçülecek ve bu bilgiler kablosuz
haberleşme modülü X-bee üzerinden uzaktaki robotik ele gönderilip aynı hareketler
taklit ettirilmeye çalışılacaktır. Projede flex sensörlerin direnç değerlerindeki
değişimlere göre servo motorlar harekete başlamaktadır ve bu hareket Arduino Uno R3
mikro denetleyicisi ile kontrol edilmektedir. Burada her şeyi kontrol etmek için Arduıno
platformu kullanılmıştır.
vii
SEMBOLLER DİZİNİ
R Direnç
I Akım
V Gerilim
S Dik kesit alanı
L Uzunluk
ρ Özdirenç
d Uzaklık
m Metre
I Giriş
O Çıkış
A Analog Giriş
Kb Kilo bit
Mb Mega bit
Kb/sn Kilo bit/ saniye
viii
KISALTMALAR DİZİNİ
ALU Aritmetik Logic Unit
RX Transmiter
TX Receiver
PWM Pulse Width Modulation
LAN Local Area Network
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
CPU Central Processing Unit
Bps Bits Per Second
IrDA İnfrared Data Association
ZC ZigBee Coordinator
ZR ZigBee Router
ZED ZigBee End Device
ix
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1. Xbee pro modül ................................................................................................................ 8
Şekil 2. Tipik bir mikroişlemci ile xbee pin bağlantısı .................................................................. 9
Şekil 3. Dış dünya ile elektronik ve interaktif sistemlerin etkileşimi .......................................... 13
Şekil 4. Genel bir gömülü sistem blok diyagramı. ....................................................................... 14
Şekil 5. Bir mikroişlemci sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı .................................. 15
Şekil 6. Bir mikrodenetleyici sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı ............................ 16
Şekil 7. Arduino uno kartı önden görünümü ................................................................................ 20
Şekil 8. Arduino uno kartı arkadan görünümü ............................................................................. 21
Şekil 9. Arduino kartı pin gösterimi ............................................................................................. 22
Şekil 10. RC servo motorun iç blok diyagramı ............................................................................ 23
Şekil 11. Servo motor ................................................................................................................... 24
Şekil 12. Flex sensor .................................................................................................................... 25
Şekil 13. Flex sensörün boyutsal diyagramı ................................................................................ 25
Şekil 14. Flex sensör devresi ........................................................................................................ 26
Şekil 15. Ayarlanabilir tampon .................................................................................................... 27
Şekil 16. Eşik seviyeli anahtarlama ............................................................................................. 27
Şekil 17. Direnç gerilim çevirici .................................................................................................. 28
Şekil 18. Flexible boru ................................................................................................................. 29
Şekil 19. Boruların yarım ay şeklinde kesimi .............................................................................. 30
Şekil 20. Borulara misinaların yerleştirilmesi. ............................................................................. 30
Şekil 21. Maket elin kullanıma hazır hali .................................................................................... 31
Şekil 22. Flex sensörün minimum direnç değeri .......................................................................... 32
Şekil 23. Flex sensörün maksimum direnç değeri........................................................................ 32
Şekil 24. Flex sensör devresinin proteus gösterimi ...................................................................... 33
Şekil 25. Flex sensör devresinin ares şekli ................................................................................... 34
Şekil 26. Servo motor devresinin proteus gösterimi .................................................................... 35
Şekil 27. Servo motor devresinin ares gösterimi.......................................................................... 36
x
Tablolar Dizini
Tablo 1. Çalışma takvimi .............................................................................................................. 2
Tablo 2. Arduino’ larda kullanılan mikrodenteleyici temel özellikler. ....................................... 19
1. GİRİŞ
Günümüz teknolojisi robotik sistemlere olan ilgiyi artırmış olmakla beraber bu
alanda yapılan projelerde gün geçtikçe artmaktadır. Hobi olarak yapılan robotik
sistemlerin yanında insan hayatını kolaylaştırmak için de birçok çalışma yapılmıştır.
Bizim gerçekleştirdiğimiz robotik el projesinin de bir insanın yapamayacağı tehlike
içeren işlerin yapılmasına büyük hizmet sunacağı düşünülmektedir. İnsan vücuduna
zarar verebilecek maddelerle yapılan deneyler, bomba imha gibi durumlar buna örnek
verilebilir.
Bu proje plastik borular yardımıyla tasarlanmış maket elin, kişinin yapacağı el ve
parmak hareketlerini taklit etmesi esasına dayanmaktadır. Tasarlanan maket elin her bir
parmağına misinalar yardımıyla servo motorlar ve hareketi taklit edilecek ele giyilen
eldivene de flex sensörler yerleştirilmiştir. Elimiz ile maket el arasındaki haberleşme
kablosuz olarak sağlanmış olup kablosuz haberleşme modülü Xbee üzerinden
yapılmıştır. Burada flex sensörlerin direnç değişimiyle birlikte servo motorlar
programlama doğrultusunda harekete geçip maket eli hareket ettirmektedir. Bu
hareketin programlaması Arduino Uno R3 mikrodenetleyicisi ile kontrol edilmiştir.
2
1.1. Çalışma Takvimi
Proje Tablo 1. ‘deki gibi çalışma takvimine uygun yapılmıştır.
Tablo 1. Çalışma takvimi
TARİH
YAPILAN
İŞ
11-28 ŞUBAT
21-10 MART
10-20 MART
20-30 MART
1-15
NİSAN
15-20 NİSAN
20-30 NİSAN
1-10
MAYIS
10-15 MAYIS
15-24 MAYIS
HAREKET EDECEK
ROBOT ELİN
TASARIMININ
GERÇEKLENMESİ
SERVO MOTORLARIN
TEST EDİLİP HAREKET
EDECEK ROBOT ELE
MONTAJI
FLEX SENSÖRLERİN
KULLANILACAK
ELDİVENE MONTAJI
VE ANALOG
DEĞERLERİNİN TEST
EDİLMESİ
MİKROİŞLEMCİ-SERVO
MOTOR
BAĞLANTISININ
YAPILIP TEST
EDİLMESİ
MİKROİŞLEMCİ -FLEX
SENSÖRL
BAĞLANTISININ
YAPILIP TEST
EDİLMESİ
HABERLEŞME
PROGRAMININ
DENENMESİ
PROJENİN TEST
EDİLMESİ İÇİN
FİZİKSEL
DÜZENLEMENİN
YAPILMASI
PROJENİN TEST
UYGULAMASININ
YAPILMASI
3
2. ROBOT NEDİR?
Robotlar doğayı taklit eden insan hayatını kolaylaştıran makinalardır. Robotlar,
otonom ya da kumanda edilen, algılayıcıları, kontrol sistemi, eyleyicileri, ve bedensel
yapıları ile nesneleri tutmak, kavramak, hareket ettirmek, taşımak, üretim yapmak gibi
amaçları yerine getirebilen elektronik, mekanik veya simetrik yapılardan oluşan yapay
sistemlerdir[1].
2.1. Robotların Tarihsel Gelişimi
Robot kelimesi ilk olarak 1921 yılında bir tiyatro oyununda karşımıza çıkar. Ünlü
Çek bilim kurgu yazarı Karel Capek tarafından yazılan R.U.R. oyunu (Rosumovi
Umeli Roboti) Prag- Çekoslavakya’ da sahnelenmiş bir bilim kurgu yapıtıdır. Yazar,
Çekce’ de işgücü anlamına gelen robota kelimesini oyunda kullanarak bu kelimenin
terim olarak yerleşmesine yol açmıştır[1].
4
3. HABERLEŞME
3.1. Haberleşme Sistemlerinin Elemanları
Verici
Verici tarafından gönderilen bilgi iletilmeden önce iletilecek hale getirilir, gücüne
göre iletim yaptığı mesafesi değişmek kaydıyla, gerekli kodlamaları yapar gerekirse
kuvvetlendirme yapılır.
İletim Ortamı
İletim ortamı sinyalin iletildiği ortama verilen addır.
İletim ortamları kablolu ( kılavuzlu ) ve kablosuz (kılavuzsuz) olmak üzere ikiye
ayrılır.
Kablolu İletim Ortamı: Verilerin iletimi sadece bu kabloların bağlı olduğu cihazlar
arasında olur. Kablolu iletim ortamları: Bakır kablo, bükümlü kablo, koaksiyel kablo,
fiber optik kablo vs.
Kablosuz İletim Ortamı: Kablosuz iletim ortamlarında iletişim, veriler en uygun alıcı
cihaz kullanarak radyo ve TV yayınlarındaki gibi herkes tarafından alınabilmektedir.
Kablosuz iletim ortamları: Hava, su, boşluk vs. gibi doğal ortamlardır.
Alıcı
Vericide iletilecek hale gelen bilgi iletim ortamından geçtikten sonra alıcıya gelir.
3.2. Kablosuz İletişim
Günümüz bilgi çağının en büyük yansıması haberleşme teknolojisi üzerinde
olmuştur. Kablolu haberleşme sistemlerinin yanında artık kablosuz haberleşme
sistemleri, kullanıcılara genel olarak herhangi bir yerde herhangi bir anda iletişim
kurma olanağı sağlamaktadır. Kablosuz haberleşme teknolojileri kablo kullanımını
5
azaltmaktadır. Bu sistem belli bir mesafede hareket serbestliği sağladığından sabit veya
hareketli bir üniteden bilgi almak veya göndermek kablosuz haberleşme için büyük bir
avantajdır. İlk düşünce bilgisayar ve onun çevresindeki elektronik ünitelerin (klavye
yazıcı, tarayıcı vb.) birbirleriyle kablosuz olarak haberleşmesini sağlamaktı. Daha sonra
bu düşünce genişleyerek daha da büyük alanlarda kullanılması hedeflenmektedir.
Dar alan kablosuz haberleşme sistemleri özellikle askeri sahada, hastanelerde,
otomobil sanayisinde ve büyük alışveriş merkezlerinde kullanılmaya başlanmış olup
gün geçtikçe kullanım alanları artmaktadır. Bu sistemdeki temel amaç düşük güç
sarfiyatı ile en az 10m’lik bir alanda kabloyu ortadan kaldırarak güvenli bir haberleşme
ağı kurmaktır.
3.2.1. Kablosuz Haberleşmenin Bazı Türleri
Kablosuz haberleşme kanalı üzerinden yapılan her tür haberleşmedir. Bluetooth ve
WiFİ, WI-MAX, 3G ve 4G gibi teknolojiler şuan en popüler olanlarıdır. PAN’ ler için
geçtiğimiz senelere kadar Bluetooth ve WiFi olmak üzere iki ana teknoloji/standart
bulunmaktaydı. Fakat her sistemin yenilikler, kolaylıklar gibi getirisi olmakla birlikte,
bazı istekleri karşılayamazlar ve 1999 yılında FireFly çalışma grubu, ZigBee’yi
tasarlamaya başlamıştır. Öncelikle IEEE 802.15.04-2003 temel alınarak, ZigBee
Alliance‘ in bu sürece katılmasıyla ZigBee PAN ağlarından birisi haline gelmiştir.
3.2.1.1. Bluetooth( IEEE 802.15.1)
Bluetooth adını (M.Ö. 910-940) yılları arasında yaşayan Danimarka Kralı Harald
Blataad’ tan almıştır[2].
Bluetooth genel olarak bina içi kablosuz ağ sistemi olarak tanımlanabilir. Tasarlanış
amacı kısa mesafelerde düşük güç tüketmek suretiyle diğer komşu elektronik cihazlarla
bağlantı kurarak veri alış verişinde bulunmaktır[3].
Bluetooth birbirini kapsam alanında görme şartını ortadan kaldırmış olmasına
rağmen güvenlik problemi ortaya çıkmış ve bu kamsam alanı içindeki sistemi
haberleşecek olan sitemlerin girişim ve bayılmadan dolayı bağlantı kopma problemleri
6
oluşmuştur. Aynı zamanda Bluetooth sistemi kapsam alanı dışındaki sistemlerle de
girişim oluşturabilmektedir.
3.2.1.2. IrDA Sistemi
Genel olarak IrDA elektronik düzenekler arası kablosuz bağlantı kurmak amacıyla
kullanılır. IrDA noktadan noktaya haberleşme biçimi olup 30˚ ’lik dar bir görme açısına
sahiptir[4].
IrDA sisteminde (İnfrared data association) verici ve alıcının mutlaka birbirini
görme zorunlulukları vardır ve aksi halde bağlantının mümkün olmaması bu
teknolojinin kullanılabilirliğini azaltmıştır.
3.2.1.2.1. Genel IrDA Karakteristikleri:
Her ülke ve birimde kullanılan elektronik aletlerde kablosuz bağlantı
gerçekleştirmek.
Geniş donanım desteği sağlamak ve yazılım platformları oluşturmak.
Noktadan noktaya olan haberleşmelerde kablo bağlantısını ortadan kaldırmak.
Standartlar arası uyum sağlamak.
Diğer elektronik düzeneklerde girişimi engellemek.
Yüksek veri (data ) hızı[5].
3.2.1.2.2. IrDA’ nın Kullanım Alanları:
IrDA aşağıdaki sıralanan düzenekler arası veri iletişimini sağlamak için kullanılır.
PC, diz üstü bilgisayarlar
Yazıcı tarayıcılar
Telefon modemler
Dijital kameralar
Yerel alan ağları (LAN)
7
Tıbbı ve endüstriyel cihazlar
Saatler[6].
Kablosuz haberleşmede her zaman büyük boyutlarda veri aktarımına ihtiyaç
duyulmaz. Sensör ve kontrol cihazları gibi küçük boyutlarda veri iletebilir veya
alabilirler. Bu durumda verilerin iletimini sağlamak ve kontrolünü sağlamak için akıllı
ağ topolojilerini destekleyecek bir teknolojiye ihtiyaç doğmuştur. Bunun üzerine IEEE,
802.15.4 standartını çıkarmıştır. Bu standartı temel alan Zigbee protokolünün ve bu
protokolü destekleyen cihazların üretilmesini sağlamıştır.
3.2.1.3. ZigBee Standartı
ZigBee küçük alanlı kişisel ağ sistemlerinde düşük güç ve data ile en iyi çözümü
sağlayan bir haberleşme standartıdır. IEEE ve ZigBee Alliance tarafından IEEE
802.15.4 standartı olarak geliştirilmiştir[6].
Bu yapı sayesinde kişisel veya kurumsal herhangi bir kablosuz karmaşık ağ yapısı
kurulabilir, genişletilebilir ve bu yapıyı diğer teknolojilerle haberleştirebiliriz.
ZigBee 1998’ den itibaren Buetooth ve WiFi’ nin bazı uygulamalar için uygun
olmadığının fark edilmesiyle tasarlanmış geliştirilmeye başlanmıştır.
Bu özellikler:
Bazı mühendislerin düzenledikleri kablosuz dijital radyo ağları alanında bir
ihtiyaç olduğunu görmüşleriyle başlamıştır.
İlk olarak, bu konuda IEEE 802.15.4 standart protokolü Mayıs 2003’ te
tamamlanmıştır.
2003’ te gelişmiş bir ağ destekleyicisi olan Philips Semiconductors, bu konudaki
yatırımlarını sona erdirmiştir. Philips Zigbee Birliği yönetim kurulundaki
üyeliğini halen devam ettirmektedir.
4 Aralık 2004’ te ZigBee’ nin şartnamesi(patenti) tasdik edilmiştir.
ZigBee Birliğinin üye sayısı Ekim 2004’ te 22 ülkeden alınacak üyelerle beraber
toplam üye sayının 100’ ün üzerinde olması planlanmış, Nisan 2005’te üye
sayısı 150’ nin üzerine, Aralık 2005’ te ise 200’ün üzerine çıkmıştır.
8
ZigBee Birliği 13 Mayıs 2005 tarihinde ZigBee 2004 Specifications diye de
bilinen Specification 1. 0 sürümünün kamuya açık ulaşım hakkını duyurdu.
ZigBee Birliği 2006’nın Eylül ayında ZigBee 2006 Specifications olarak da
bilinen ZigBee standartlarının gelişmiş versiyonunu tamamlandığını ve acil
üyelik sisteminin açıldığını duyurmuştur.
3.2.1.3.1. Ağ ve XBee’ ye Genel Bakış
Xbee RF modem bir çeşit kablosuz alıcı vericidir. Xbee bir kablosuz sensör ağında
kuvvetli ağ haberleşmeleri için gerekli özellikleri sağlayan data haberleşmelerinde
uygulanmış protokolü kullanır. Mesela bu özellikler; data güvenliğini sağlamak için
adresleme, bilgi verme ve yeniden deneme olarak incelenebilir. Xbee aynı zamanda data
haberleşmesinin yanında cihazların uzaktan kontrolü ve izlenmesi gibi ek özelliklere de
sahiptir.
3.2.1.3.2. XBee Modül Stilleri
XBee modülü’ nün çeşitli sürümleri olsa da Şekil 1.‘ de gösterildiği gibi benzer pin
bağlantıları vardır. XBee çeşitleri arasında güç çıkışı, anten tarzı, çalışma frekansı ve
dahili ağ yetenekleri gibi farklılıklar olabilir.
Şekil 1. Xbee pro modülü
9
Şekil 2. ‘ de XBee ile tipik bir 3.3 V denetleyici bağlantısı görülmektedir.
Şekil 2. Tipik bir mikroişlemci ile xbee pin bağlantısı
Xbee’ nin pin bağlantılarına bakmak gerekirse bunu EK 2’ deki tablo ile
açıklayabiliriz.
DOUT/DIN: Bu pinler kontrolörden ya da bilgisayardan (DOUT) seri bilgi alımını
ve XBee’ ye (DIN) gönderimini sağlayan pinlerdir. Bilgi hem XBee modülleri
arasındaki iletim için hem de XBee bilgisinin okunması ve kurulması için gerekli olan
bilgidir. Senkron seri haberleşmede varsayılan veri oranı 9600 Bps’ dir.
RESET: Bu pin üzerindeki anlık bir düşüş xbee ye kaydedilen düzenleme ayarlarını
sıfırlayacaktır.
CST/RTS/DTR: Bunlar xbee ve kontrol ya da bilgisayar arasındaki veri transferinin
koordinasyonu için kullanılır. Xbee RTS hattı düşük tutulmadığı sürece DOUT
hattından kontrolörlere bilgi gönderimi yapmayacaktır. Bu kontrolörden xbee’ ye daha
XBee
Mik
roko
ntr
ollö
r
DOUT
DIN
GND
VSS
3.3V
10
çok bilgi alımını sağlar. DTR yeni bir data programı yüklendiğinde xbee tarafından tipik
olarak kullanılır.
İletim gerçekleşiyorken xbee kontrolörden CTS hattına daha çok data göndermek
için bildirim yapabilir. CTS nadiren gereklidir çünkü xbee kontrolürden kabul edilen
datadan çok çok daha hızlı data gönderir.
DIO0-DIO7/D08:Bun pinler standart 3.3V dijital giriş ve çıkış olarak kullanılır.
Xbee pinlerin ayar durumunu kontrol edebilir.
AD0 to AD6: Bu pinler xbeeye 10 bitlik analog dijital konvertör girişleridir.
RSSI: XBee bu pin üzerinde Pwm çıkışı olarak alınan RF sinyalin gücünü rapor
edebilir.
PWM0/1: Bu pinler analog çıkış filtrelemesi ya da direk olarak kullanılabilen 10 bit
Darbe genişlik modülasyon çıkışı için ayarlanabilir. Analog çıkışı için filtrelenir ya da
direk olarak kullanabilirler.
3.2.1.3.3. Zigbee’ nin Ağ Yapısı ve Fiziksel Tabaka
ZigBee protokolünün kullandığı 3 tip aygıt vardır.
ZigBee Koordinatör(ZC): ZigBee protokolünü kullanan aygıtlardan en yetenekli
olanıdır. ZC aracı ağ bağlantılarını düzenler ve diğer ağlarla olan köprülemeyi sağlar.
ZigBee koordinatör ayrıca ağda bilgiyi depolayabilme özelliğine sahiptir. Güvenlik
anahtarının da ağda yönetilmesi ile ilgili bilgileri depolayabilir.
ZigBee Yönlendirici (ZR): ZigBee ’ de uygulama çalıştığı zaman
Yönlendirici(router) kendini ara yönlendirici olarak göstererek veri akışını sağlar.
ZigBee sistemlerinde geçiş aygıtı olarak görev almaktadır.
ZigBee Son Cihaz (ZED): Bağlı olduğu diğer ZigBee koordinatör ve ZigBee
yönlendirici aygıtlarıyla iletişim kurmak için yeterli derecede özellik içermektedir.
ZigBee son cihaz, diğer aygıtlardan veri yayını yapmaz. Aradaki bu köprüleme durumu
11
aradaki düğümlerin uyku durumuna geçmesiyle uzun ömürlü kullanıma olanak
sağlamaktadır.
3.2.1.3.4. Zigbee Topolojileri
Zigbee Topolojileri Ağ katmanı şeklinde olup 3 ‘e ayrılır. Bunlar Yıldız Topolojisi,
Ağaç Topolojisi ve Örgü Topolojisidir.
Zigbee Düşük data hızlı, düşük güç tüketimli, düşük maliyetli, otomasyon ve uzaktan
kontrol uygulamaları için kablosuz ağ protokolünü amaçlayan bir teknolojidir. Bu
sistem IEEE .802.15.4. standartı olarak geliştirilmiştir.
3.2.1.3.5. Zigbee’ nin Kullanım Alanları
Teknolojik yönden sık sık batarya değişimi pratik değildir fakat düşük güç
tüketimi gerektiren yerler için avantajlı bir yapıdır. Pil ya da batarya ile
gerçekleştirilen işlemlerde düşük güç tüketimi sağlaması,
Ağ sistemlerinde 255 cihaza hizmet verebilmesi,
Basit protokol tanımlaması,
Dünyada deneyimli şirketlerin birkaçı tarafından geliştirilmiş incelenmiş ve
kanıtlanmış bir standart olması,
Ekonomik olması, nedeniyle kullanımı tercih edilir.
3.2.1.3.6. Zigbee’nin Bazı Kablosuz Teknolojilerle Karşılaştırılması
Zigbee ve diğer kablosuz teknolojiler arasında Başarı alanları, ağ boyutu vs. gibi bazı
farklılıklar bulunmaktadır. Bu karşılaştırmalar EK 3’ te belirtilmiştir.
12
4. ELEKTRONİK DEVRİMİ
Son yüzyıl içerisinde dünyamız büyük bir değişim geçirdi. Elektroniğin ortaya
çıkmasıyla gelişen bilgisayar teknolojisi tüm dünyayı müthiş bir değişime uğrattı.
Elektronik ve bilişim teknolojilerinin içinde olmadığı bir alan hemen hemen yok
diyebiliriz.
Gelişen teknoloji ışığında geçmişte insan eliyle yapılan işlemler artık bilgisayarlar
sayesinde gerçekleştirilmeye başlandı. Bu sayede içlerinde bulunan sistemleri akıllı
hale getiren gömülü sistemler denilen bir alan ortaya çıkmış oldu.
Dijital elektronikle birlikte sayısal işlemler yapan devreler tasarlandı. Sonrasında da
bu sayılarla yapacağı işlemleri belirli bir program dahilinde yürüten mikroişlemciler
ortaya çıktı. Öncesinde her bir iş için ayrı bir devre kurulması gerekirken, artık devrede
fiziki bir değişim yapmadan yalnızca program değişikliğiyle farklı işlemler yapılabilir
hale geldi.
Günümüzde bilinenin aksine üretilmiş olan mikroişlemcilerin çoğunluğu
bilgisayarlarda değil yaşamımızın her alanına yayılan akıllı cihazların içerisinde
bulunuyor. Artık hayatımızın her alanında bu akıllı sistemleri görmek mümkün zaman
içerisinde de mikroçip bulunmayan hiçbir ürün kalmayacak gibi görünüyor.
Genel olarak elektronik mühendisliğinin uygulama alanına giren elektronik sistem
tasarımı günümüzde artık tasarımcılarında ilgi odağı haline geldi. Dolayısıyla projelerin
gerçekleşebilmesi için bir platforma ihtiyaç vardı. İşte böyle bir temeli baz alarak
Arduino denilen proje oluşturulmuştur. Yazılım bilgisi kısıtlı olan kişilerin de projeler
tasarlaması için yapılmış olan Arduino bizim de projemizde kullanacağımız
mikroişlemci çeşididir.
Arduino temel olarak açık kaynaklı donanıma dayalı bir fiziki programlama
platformudur. Aynı zamanda gömülü sistemler geliştirmeye olanak veren bir
platformda diyebiliriz.
13
4.1. Fiziki Programlama
Ortaya çıkan yazılımlar programlamayla uğraşanların da bildiği gibi genellikle
bilgisayar içerisinde çalışan sanal işlemler yaparlar. İşte bundan farklı olan ve dış
dünyayla etkileşimde bulunan sistemlerin programlanmasına fiziki programlama
denir. Bahsedilen sistemler dış dünyadan algılayıcılar aracılığıyla aldığı sıcaklık, ses,
ışık şiddeti gibi büyüklükleri elektronik ortama aktarıp elektronik olarak işledikten
sonra eyleyiciler aracılığıyla yine dış dünyaya bir etki sunan sistemlerdir.
Bu etkileşimi Şekil 3.’ teki diyagramla gösterebiliriz:
Şekil 3. Dış dünya ile elektronik ve interaktif sistemlerin etkileşimi[7].
4.2. Gömülü Sistemler
Gömülü sistemlerin birçok tanımı olmakla birlikte belirlenen bir işi gerçekleştirmek
amacıyla tasarlanmış donanım, yazılım ve bazen de mekanik birimlerden oluşan ve
genellikle kendisinden daha büyük bir sistemin içine gömülü olarak çalışan sistemlerdir
diyebiliriz. Gömülü bilgisayar sistemi bulundurmayan elektronik cihaz hemen hemen
yok denilecek kadar azdır. Bunlara birkaç örnek verecek olursak; cep telefonları, dijital
fotoğraf makineleri, video kaydedicisi, hesap makinesi, televizyon gibi kişisel tüketici
İNTERAKTİF SİSTEM
EYLEYİCİLER
SENSÖRLER
DIŞ DÜNYA
14
cihazları, ofis cihazları, elektrikli ev aletleri, otomobiller, elektronik ölçüm cihazları
gibi
Genel bir gömülü sistemi Şekil 4.’teki blok diyagramıyla gösterebiliriz
Şekil 4. Genel bir gömülü sistem blok diyagramı [7].
4.3. Mikroişlemci Nedir?
Mikroişlemcilerin çoğu zaman merkezi işlem ünitesi(CPU-Central Processing Unit)
olarak adlandırılması bilgisayar programlarının yapmak istediği tüm işleri yerine
getirebilmesinden kaynaklanmaktadır. Mikroişlemciler kişisel bilgisayarlarda olduğu
gibi elektrikli aygıtların kontrolünde kullanıldığında gömülü bilgisayar sistemi sınıfına
girmektedir. Şöyle denebilir ki; sistemin belleğine yazılan program cihaza sürekli
olarak aynı işlemi yaptırmak amacıyla yazılır.
Bir mikroişlemci sisteminde aşağıdaki yardımcı ünitelere gereksinim vardır.
BELLEK
MİKRODENETLEYİCİ
SENSÖRLER VE
GİRDİ ELEMANLARI
EYLEYİCİLER VE
ÇIKTI ELEMANLARI
15
1. Merkezi İşlem Birimi(CPU)
2. Giriş/Çıkış(Input/Output) ünitesi
3. Bellek(Memory) ünitesi
Bu üniteler CPU çipi dışında, bilgisayarların ana kartı üzerinde bulunan çiplerden
veya bağlantı yuvalarına yerleştirilmiş kartlardan oluşur. Aralarındaki iletişim adres
yolu (addres bus) ve veri yolu(data bus) adı verilen iletim hatları ile yapılır.
Mikroişlemcili sistemde yukarıda saydığımız üniteler dışında ana kart üzerine
yerleştirilmesi gereken özel amaçlı ünitelerde gerekebilir. Örnek verecek olursak;
gerilim, ışık, ısı gibi analog bir veri girişini dijital veriye dönüştürmek için ADC çip’ i
yada tam tersi dijital bir veriyi analog veriye dönüştürmek için DAC çip’ i sisteme
eklenmelidir[8].
Bir mikroişlemci sisteminin temel bileşenlerini Şekil 5.’ te verilen diyagramda
gösteridiği gibidir.
Şekil 5. Bir mikroişlemci sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı[8].
I/O
Giriş/Çıkış
Ünitesi
Çevresel üniteler
Monitör, printer, klavye, sabit disk,
modem vb.
Single board (tek bord) mikroişlemci kartı
CPU
Mikroişlemci
Kontrol Ünitesi
ALU
RAM
Bellek
ROM
Bellek
16
4.4. Mikrodenetleyici Nedir?
Mikroişlemcili bir sistemin içerisinde bulunması gereken temel bileşenlerden RAM,
ROM, ALU, kontrol ünitesi ve I/O ünitesini tek bir çip içinde barındıran devreye
mikrodenetleyici denir. Veri giriş aygıtlarından gelen dijital veya analog verileri ALU
ve kontrol ünitesi yoluyla değerlendiren mikrodenetleyiciler sonrasında çıkış sinyalini
I/O portları aracılığıyla kontrol ettiği aygıtlara gönderirler.
Şekil 6.’ da görüldüğü gibi bir mikrodenetleyici sisteminin temel bileşenleri aşağıda
gösterilmektedir.
Şekil 6. Bir mikrodenetleyici sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı[8].
4.5. Mikrodenetleyicilerin Mikroişlemcilere Göre Avantajları
Mikroişlemci ile kontrol edilecek olan bir sistemi gerçekleştirmek için gereken
donanımda CPU, RAM, I/O chip’leri ve bunlar arasında veri alış verişini sağlamak için
de veri yolu, kontrol yolu, adres yolu gerekmektedir. Aynı zamanda bu çipler
arasındaki iletişimi sağlayan bu yolları yerleştirmek için gereken baskı devre katıdır.
Çevresel
üniteler
LED, LCD, Isı,
Işık sensörü,
role vb.
Tek çip Mikrodenetleyici
I/O
(PO
RTA
,
PO
RTB
..)
Kontrol Ünitesi
ALU
RAM
ROM
17
Mikrodenetleyici ile kontrol edilecek sistemde ise yukarıda bahsettiğimiz üniteleri
tek bir çip içerisinde barındıran bir entegre bir de devre kartı yeterli olacaktır. Tek bir
entegre ile elektronik çözümler sunmanın maliyetinin daha düşük olacağı bir gerçektir.
Bunun yanında kullanım ve programlama kolaylığı da ayrı bir avantajıdır.
4.6. Açık Kaynaklı Donanımlar
Açık kaynak kavramını ilk olarak yazılım alanında duymuş olsak ta son zamanlarda
donanım alanında kendine yer bulmaya başladı. Yazılımların kaynak kodlarının
kullanıcılara üzerinde değişiklik yapabilme hakkıyla beraber verildiği açık kaynak
kavramı donanım tarafında da bir donanıma ait bütün tasarım elemanlarının o
donanımla birlikte üzerinde değişiklik yapma ve serbestçe üretme haklarıyla beraber
verilmesini kapsamaktadır. Arduino da günümüzde en popüler açık kaynak donanım
projelerinden biridir.
18
5. ARDUİNO
Arduino kökenleri Wiring ve Processing projelerine dayanmaktadır. Henüz
programlama deneyimi olmayan kişilere programlamayı öğretebilmek amacıyla
processing programlama dili ve geliştirme ortamı oluşturulmuştur.
Genel olarak elektronik mühendislerinin kullanım alanlarından olan mikrodenetleyici
tabanlı tasarım kapılarını Arduino ile birlikte teknik bilgisi çok az olan insanlara da açtı.
Çevresiyle etkileşim içinde olan interaktif nesneler oluşturmak isteyen tasarımcılar
Arduino ile bunu kolaylıkla yapabilme olanağı buldu.
Arduino’ nun bu kadar popüler olma nedenlerine bir bakalım:
Bütün platformlarda( Windows, Linux vs.) çalışabilen geliştirme ortamı ve
sürücülerinin kurulumu çok kolay olmaktadır.
Birçok karmaşık işleme kolaylık sağlayabilecek zengin bir kütüphane desteğine
sahiptir.
Programlamalar oldukça hızlı çalışmaktadır.
Birçok ek donanıma birlikte çalışabilecek donanım desteği sağlamakta, ve
Arduino’ya bağlanmayan hemen hemen hiçbir sensör çeşidi yok gibidir.
Fiyatı benzerlerine göre oldukça uygundur.
Açık kaynaklı olduğu için isteyen herkes istediği gibi kullanma hakkına sahip
yani örnek verecek olursak bir eğitim kurumu Arduino için lisans parası
ödemeden rahatça kullanabilir.
İnternet ortamında yapılmış birçok proje bulma imkanı sağlamaktadır.
5.1. Arduino Çeşitleri
Arduino kartlarının birçok çeşidi bulunur. Temel olarak bütün kartlarda benzer
bileşenler olmakla beraber mikrodenetleyici modelleri, giriş/çıkış pinleri ve dahili
modüllerin sayısı, boyut, çalışma gerilimleri gibi farklılıklara sahipler[7].
19
Arduino’larda kullanılan mikrodenetleyicilerin temel özellikleri Tablo 2.’ de
verilmiştir.
Tablo 2. Arduino’ larda kullanılan mikrodenteleyici temel özellikleri[7].
Mikrodenetleyici Atmega 2560 Atmega 328 Atmega 168
Çalışma Gerilimi
5V
5V
3.3V veya
5V (modele
göre
değişiyor)
Dijital Giriş/Çıkış 54(14 tanesi PWM) 14(6 tanesi PWM) 14(6 tanesi
PWM)
Analog Giriş Pinleri
16 6 6
Her bir G/Ç pini
başına akım
40mA 40mA
40mA
3.3V gerilim çıkışı
akımı maksimum
50mA 50mA
50mA
Flash Bellek
256KB(8 kb’ı program
yükleyici tarafından
kullanılıyor.)
32KB(2KB bootloader
tarafından kullanılıyor)
16Kb
SRAM 8KB 2KB 1KB
EEPROM 4KB 1KB 512 Bayt
Saat Hızı 16MHz 16MHz
8MHz(3.3V
modeli)
16MHz(5V
modeli)
9 çeşit Arduino kartı bulunmaktadır. Bunlar;
1. Arduino Uno
2. Arduino Mega
3. Arduino Lilypad
20
4. Arduino Adk
5. Arduino Ethernet
6. Arduino Bluetooth
7. Arduino Mini ve Mini Pro
8. Arduino Nano
9. Arduino Leonardo
5.1.1. Arduino Uno
En çok kullanılan Arduino modellerinden biri olan ve projemizde de tercih edilen
Arduino kartıdır. Üzerinde Atmega328 mikrodenetleyici, USB bağlantı portu, güç
regülatörü, 16 MHz kristal gibi bileşenler bulunuyor. Üzerindeki seri-USB dönüştürücü
sayesinde USB portu üzerinden hem programlanabilmekte hem de bilgisayar ile seri
portu üzerinden iletişim kurulabilmektedir. Kart hem USB üzerinden hem de adaptör
üzerinden beslenebilmektedir [7].
Arduino Uno kartının ön ve arka görünümü Şekil 7. ve Şekil 8.’ de görüldüğü
gibidir.
Şekil 7. Arduino uno kartı önden görünümü
21
Şekil 8. Arduino uno kartı arkadan görünümü
Atmega328 Mikrodenetleyicisi: Programların üzerine yüklendiği ve diğer tüm
işlemlerin gerçekleştirildiği mikrodenetleyici modülü Arduino kartının beyni
diyebileceğimiz bir birimdir. Kart üzerine bir soketle yerleştirilmiştir.
1. 9-12V DC Güç Girişi: Bu giriş Arduino kartını beslemek için kullanılır. Karta
bağlanan 9-12V’ luk adaptör projeleri USB bağlantısı olmadan beslemek için
kullanılabilir.
2. USB Bağlantı Konnektörü: Arduino’ ya program yüklemekte ve bilgisayarla
haberleşmede kullanılan bağlantı ucudur.
3. Dijital Giriş-Çıkış Pinleri: Dijital giriş ve çıkışta kullanılan Arduino pinleri
burada bulunmaktadır. Bunun yanında analog çıkış (PWM) almak içinde kullanılan
pinlerin yanında ( ῀ ) işareti bulunur.
4. Analog Giriş Pinleri ve Güç Bağlantıları: Projelerde kullanılabilecek analog
giriş ve gerilim bağlantıları bu kısımda bulunmaktadır. Aynı zamanda analog-dijital
dönüştürücünün referans giriş pini ve seri iletişim pinleri de (RX ve TX) burada
bulunur.
5. Reset Butonu: Bu buton ile Arduino yeniden başlatılır. Programların yeniden
başlatıldığı fonksiyon setup( )’ tır, bu sırada RAM bellek üzerinde bulunan veriler
silinir. Reset butonu programları yeniden başlatmak için kullanılabilir.
6. 13 Nolu Pine Bağlı Olan LED: Yazdığımız programların çalışır durumda
olduğunu görmek amacıyla LED kullanılabilir. LED 13 nolu dijital pine bağlıdır.
22
7. Seri İletişim Giriş(RX) ve Çıkış(TX) LED’leri: Bu LED’ler seri haberleşmede
kullanılan RX ve TX pinlerinin durumunu gösterir. LED’ lerin yanması seri
haberleşmenin olduğunun bir göstergesidir.
8. Güç LED’i: Bu LED ise Arduino kartının güç gösterim LED’ idir. Besleme
çıkışının doğru çalışıp çalışmadığını göstermektedir.
9. Kart Üzeri Programlama Pinleri: Arduino’ da bulunan Atmega
mikrodenetleyici harici bir programlayıcı kullanarak da programlanabilir.
Şekil 9. ‘da gösterilen Arduino kartı pin gösterimine bakarak digital va analog pinleri
görebiliriz.
Şekil 9. Arduino kartı pin gösterimi
ARDUİNO
AN
ALO
G G
İRİŞ
RST
AREF
D13
D12
D11
D10
D9
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
DİJİTA
L GİR
İŞ/ÇIK
IŞ
GND
AN
ALO
G G
İRİŞ
A0
A1
A2
A3
A4
A5
23
6. KULLANILAN MALZEMELER
6.1. Servo Motorlar
Servo motorlar nümerik kontrollü makinelerde (CNC) model uçaklarda, arabalarda,
küçük güçteki birçok robot uygulamalarında kullanılmaktadır. Servo motor içerisinde
DC elektrik motoru, planetar dişli sistemi, geri besleme potansiyometresi ve DC motor
pozisyon kumanda elektroniği bulunmaktadır.
Şekil 10. RC servo motorun iç blok diyagramı
Şekil 10.’ da bir servo motorun iç yapısını temsil etmektedir. Servo motorları
devreye bağlayabilmemiz için 3 adet kablo kullanılır. Kablolardan iki tanesi enerji için
diğer kablo ise sinyal girişi için kullanılır. Kırmız renkteki kablo genellikle artıyı,
Kahverengi veya siyah kablo genelde toprağı, turuncu ya da beyaz renkteki kablo ise
sinyal hattını temsil eder.
Elektronik
Devre
DC
MOTOR
Dişliler
Potansiyometre
Servo
24
6.1.1. Servo Motorun Çalışma Prensibi
İçerisinde dişli olan ve hareketi çok hassas olan bu dc motorlar normal olarak ±90
derece açı içerisinde ve geri besleme kullanarak hareket etmektedirler. Motora 1 ms
darbe verildiğinde motor tamamıyla bir yöne döner (örneğin -90 derece). 1.5 ms darbe
verililince motor ortada durur (0 derece). 2 ms darbe verincede motor tamamıyla diğer
yöne (örneğin +90 derece) gidip durmaktadır[9].
Servo motorların robotlarda kullanılmasının en önemli nedeni, düşük gerilimde
yüksek tork üretmeleridir. Bir servo motorun görünümü Şekil 11.’ de görüldüğü gibidir.
Şekil 11. Servo motor
6.2. Flex Sensör
Flex sensör üzerine uygulanan basınçla direnci değişen bir devre elemanıdır.Şekil
12.’ de bir flex sensörün görünümü verilmiştir.
Robotik uygulamalarda, tıbbi cihazlarda, müzik aletlerinde, bilgisayar ve çevre
birimlerinde sıkça kullanılan sensör çeşididir.
25
Şekil 12. Flex sensor
Flex sensörün direnç aralığı 10 K Ohm ile 60 K Ohm arasında değişmektedir.
Çalışma aralığı 300
C ile 600C arasında değişmektedir.
6.2.1. Flex Sensörle İlgili Bazı Devre ve Gösterimler
Flex Sensörün Boyutsal Diyagramı
KULLANILABİLİR UZUNLUK
112.24 [4.419]
AKTİF UZUNLUK
95.25 [3.750]6.35[0.250]
Şekil 13. Flex sensörün boyutsal diyagramı
Yukarıdaki Şekil 13.’ te bir flex sensörün boyutsal diyagramı gösterilmektedir. Flex
sensörün kullanılabilir uzunluğu 112.24 mm aktif uzunluğu ise 95.25 mm’dir.
26
Temel Flex Sensör Devresi
+
-
GirisV
1R
2RCIKISV
VOLTAJ
BÖLÜCÜSÜ
EMPEDANS
TAMPONU
Şekil 14. Flex sensör devresi
OUT = VIN
(1)
Şekil 14.’ teki temel flex sensor devresinde empedans tampon tek taraflı bir işlemsel
yükselteçtir.Bunlar sensörlerle kullanılırlar çünkü opampların düşük akım
kutuplanması, voltaj bölücü olarak flex sensörün kaynak empedansından dolayı hatayı
azaltır. Devrenin çıkış gerilimi Denklem (1)’ te verildiği gibidir.
LM 358 ve LM 324 opampları bunu destekler
Ayarlanabilir Tampon
Şekil 15. ‘te ayarlanabilir tampon devresi görülmektedir. Hassasiyet ayarını yapmak
için bir potansiyometre devreye eklenebilir.
27
V
+
-
MR
1R
2R
3R
V
V
V
MR
+
-
+
-
CIKISV
4R
5R
5R
6R
V
Aya
rlana
bilir
Sen
sör
Aya
rlana
bilir
Sen
sör
CIKISV
Şekil 15. Ayarlanabilir tampon
Eşik Seviyeli Anahtarlamada Değişken Sapma
V
+
-
MR
1R
2R
3R
V
U1
CIKISV
Aya
rlana
bilir
Sen
sör
Şekil 16. Eşik seviyeli anahtarlama
28
Şekil 16.’da bir opamp kullanılır ve değiştirilen giriş voltajına bağlı olarak hem
düşük hemde yüksek seviyede çıkış verir. Bu yolla flex sensörü herhangi bir
mikrokontrolör kullanmadan bir anahtar gibi kullanabiliriz.
Direnci Gerilime Çevirici
REFV
-
+
GR
U1
CIKISV
Aya
rlana
bilir
Sen
sör
Şekil 17. Direnç gerilim çevirici
Flex sensör aynı zamanda çift taraflı opamp kaynağı kullanarak girişin direncini
gerilime çevirici olarak kullanılabilir.Negatif bir referans gerilimi pozitif bir çıkış
verebilir.Bükülmeden dolayı düşük bir çıkış istiyorsak flex sensor Şekil 17. de’ki gibi
kullanılmalıdır.
29
7. TASARIM VE DENEYSEL ÇALIŞMALAR
Uzaktan robotik el kontrolü projemiz maket bir elin insan elinin yapacağı hareketleri
taklit etmesi esasına dayanmaktadır. Amacı insan elinin yaptığı hareketleri kopyalarak
robot ele aynı hareketleri kablosuz haberleşme yardımıyla yaptırmaktır.
7.1. Maket Elin Yapımı: Bu amaca yönelik çalışmalara öncelikle maket elin
yapımıyla başlanmıştır. Maket elin malzemesi olarak Şekil 18.’ de görüldüğü gibi
esnek yapıya sahip klima atık su borusu kullanılmıştır.
Şekil 18. Flexible boru
Bu borular el üzerindeki eklemlerin yapacağı bükülme hareketlerini
gerçekleştireceğinden eklem yerlerine uygun noktalardan Şekil 19.’da görüldüğü gibi
yarım ay şeklinde kesilmiştir.
30
Şekil 19. Boruların yarım ay şeklinde kesimi
Parmakları temsil eden boruların her birinin baş tarafından Şekil 20.’ de görüldüğü
gibi misinalar düğümlenerek boruların içerisinden geçirilmiş ve servo motora
bağlanmak üzere hazır hale getirilmiştir.
Şekil 20. Borulara misinaların yerleştirilmesi.
31
Proje için hazır hale gelen maket elimiz Şekil 21.’ de görülmektedir.
Şekil 21. Maket elin kullanıma hazır hali
7.2. Flex Sensörle İlgili Deneysel Çalışma Aşaması
Maket elin hazırlanmasının ardından taklit edilecek ele giyilen eldivene
yerleştirilmek üzere flex sensör aşamasına geçilmiştir. Bu aşamada internet üzerinden
parmak uzunluğunda 4.5 inç yani yaklaşık 11cm’lik flex sensörleri temin ettik.
Öncelikle şekil e de görüldüğü gibi eldivenin bir parmağına yerleştirilen flex sensörün
direnç aralıkları ölçümler sonucunda bulunmuştur. Bu aşamada parmağın tam açık ve
tam kapalı durumları için iki direnç değeri multimetreden ölçülmüştür. Flex sensör düz
bir konumda iken yaklaşık olarak 10k olduğu Şekil 22.’de maksimum eğimde ise
yaklaşık 20k değerini gösterdiği Şekil 23. 'te görülmektedir.
32
Şekil 22. Flex sensörün minimum direnç değeri
Şekil 23. Flex sensörün maksimum direnç değeri
Sensörümüzü arduinoda kullanabilmek için öncelikle direnç değerini gerilim
değerine dönüştürmek amacıyla her bir flex sensörün önüne 10k lık direnç
yerleştirilerek gerilim bölücü yapılmıştır. Ardından bu değer arduinoda analog digital
dönüşrtürücü(ADC) birimi kullanılarak sayısal değere dönüştürülmüştür.
33
Fleksif sensörlerin bükülmesiyle ortaya belli bir direnç değeri çıkmaktadır. Bu
değerde anlık olarak arduinonun analog girişlerine gönderilmektedir. Gönderilen
değerlerden minumum 10 kilo ohm ve maksimum 20 kilo ohm olan direnç değerleri
referans alınarak istediğimiz kontrol işlemini gerçekleştirilmiştir.
Sensörlerin çalışması için gereken gerilim bread board üzerinden alınan 5 Voltluk
gerilim ile sağlanmaktadır. Gerilim bölücü devresinin çalışıp çalışmadığını test etmek
amacıyla devre ilk önce boarda kurulup ardından Proteus programında devrenin dizaynı
oluşturulmuş olup Şekil 24.’ te görüldüğü gibidir.
Şekil 24. Flex sensör devresinin proteus gösterimi
ISIS’de şematik dizaynı tamamlanan devre ARES’ e aktarılarak baskı devreye hazır
hale getirilmiştir. Devrenin bu hali Şekil 25.’ de görülmektedir.
34
Şekil 25. Flex sensör devresinin ares şekli
7.3. Xbee ile İlgili Çalışmalar
Xbee arduinoya fleksif sensörden gelen bilginin servo motorlara ulaşmasını
sağlayan haberleşme modülüdür.
Sensörlerden sırayla okunan bilgiler xbee modülü ile seri olarak gönderilmiştir.
sensörlerdeki tüm bilgiler yazılan programa göre 200 milisaniye de bir
güncellenmektedir ve her bir bilgi arasında 5 milisaniye gecikme bulunmaktadır.verici
arduinodan alıcı arduinoya 5 milsaniye aralıkla gelen veriler alıcı arduinoda daha
önceden tanımlanmış değişkenlere kaydedilmiştir.xbee aracılığıyla sensörlerden gelen
servoların derece aralığına eşitlediğimiz bilgileri son olarak servolara atıyoruz.
7.4. Servo Motorla İlgili Çalışmalar
Hazırlanan maket elin her bir parmağını hareket ettirmek için 5 adet servo motor
kullanılmıştır. Kullanılan servo motorlar R/C tipi servo motor olup aldığı sinyale göre
motor milini istenilen açıya döndürerek o açıda sabit tuttuğu için tercih edilmiştir. Servo
motorların dönüşü ile birlikte parmakların hareket etmesi için her bir parmaktan çıkan
misinalar servo motorların pervanelerine bağlanmıştır. Servolar tam harekette yaklaşık
olarak 500 mA akım çekmektedir.bu durumda parallel bağlı olan 5 servonun aynı anda
çalışması için 2.5-3 A akıma ihtiyaç duyulmaktadır. Arduinonun çalışması için gerekli
35
olan beslemeden yeterli akım alınamadığından servolar arduinodan farklı bir kaynakla
beslenmiştir. Bunun için 6 V 4 A’lık bir adaptör kullanılmıştır.
Servo motorun Arduino ile bağlantısını sağlayan sarı kablolar 5 servo motor için
Arduino’nun PWM çıkışı uçlarına bağlanmıştır. Bu uçlar sırasıyla 8-9-10-11-12
numaralı pinlerdir. Kırmızı kablo pilin + ucuna kahvrengi kablo ise pilin – ucuna
bağlanmıştır. Pil ile servo motor arasına 6A’lik diyot yerleştirilmiştir. Bunun nedeni ters
enerji gelmesi durumunda servoların zarar görmesini engellemektir.
Servo motor devresinin çalışıp çalışmadığını test etmek amacıyla öncelikle boarda
kurulup ardından Proteus programında devrenin dizaynı oluşturulmuştur. Oluşturulan
devre Şekil 26.’da görülmektedir.
Şekil 26. Servo motor devresinin proteus gösterimi
ISIS’de şematik dizaynı tamamlanan devre ARES’e aktarılarak baskı devreye hazır
hale getirilmiştir. Devrenin bu hali Şekil 27.’de görülmektedir.
36
Şekil 27. Servo motor devresinin ares gösterimi
7.5. Programlama Aşaması
Gerekli bağlantılar yapıldıktan sonra projenin programlama aşamasına geçilmiştir.
Programlama aşamasında öncelikle flex sensörlerin düz ve tam bükülme durumundaki
analog değerleri serial monitörden okunarak programda bu değerler için aralıklar
belirlenmiştir. Arduino işlemcisi okunan bu analog değerleri servo motorlara açısal bilgi
gönderecek şekilde programlanmıştır.
37
8. SONUÇLAR
Elektronik alanda yapılan çalışmaların en önemlileri insan sağlığını koruyacak türde
olanlarıdır. Bu düşüncesiyle başladığımız proje başarıyla gerçekleştirilmiş olup
amaçlandığı gibi tasarlanan robot el üzerinde flex sensörler bulunan eldiveni giyen
kişinin yaptığı el hareketlerini taklit edebilmektedir. Bunun yanında yine başlangıçta
hedeflediğimiz gibi bu işlem kablosuz haberleşme ile arada kablo kısıtlaması olmadan
gerçekleştirilmiştir.
Proje yapım aşamasında hassas elemanların kullanımı konusunda bazı problemler
yaşanmıştır. Örneğin flex sensörlerden direnç değeri algılamak için yapılan bükme
hareketleri sensörün uç kısımlarında kırılmalara neden olmuştur ancak sonrasında bu
uçlara uygulanan silikon sayesinde bu soruna çözüm bulunmuştur
Sonuç olarak projemiz istenilen amaca ulaşmakla birlikte geliştirilmeye açıktır.
38
9. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME
Öncelikli amacımız insan işlerini kolaylaştırmak, insan hayatını tehlikeye atacak
türden çalışmalardan, uygun ekipmanla, insanı olabildiğince uzak tutmak olmuştur.
Bu kapsamda yaptığımız ilk çalışma maket elin yapımı olmuştur. Esnek bir yapıya
sahip olan klima atık su borusu kullanılarak el tasarlanmıştır. Sonrasında maket elin
taklit edeceğe ele giyilmek üzere hazırlanan eldivene flex sensörler yerleştirilip gerekli
ölçümler alınmıştır. Projede flex sensörlerin direnç değerlerindeki değişimlere göre
servo motorlar harekete başlamaktadır ve bu hareket arduino Uno R3 mikro
denetleyicisi ile kontrol edilmektedir. .İki el arasındaki haberleşme ardunıo ve X-bee ile
sağlanıp burada XBee kontrol ve izleme amaçlı kullanılmıştır. XBee ‘nin tercih edilme
nedeni wi-fi ve bluetooth gibi haberleşme teknolojilerinin kimi uygulamalarda elverişsiz
olmasıdır.
Proje zamanla geliştirilmeye açıktır. Ağırlık kaldıracak kadar sağlam, insan kolunun
yaptığı her hareketi yapacak olan, hatta nesneleri yerden alıp, nesneleri kaldırabilen bir
protez kol yapmak projenin geliştirilebilir amaçları arasındadır. Buradaki en etken nokta
daha ucuza mal etmek ve insanlara daha çok yardımcı olmaktır. Ayrıca yapılan bu eller
fizik tedavi alanında da kullanılabilir. Yalnızca bir eli olan insanlar el sayesinde sağ sol
senkronizasyonu ile bazı işlerini rahatlıkla yapabileceklerdir.
Aynı zamanda projenin yaygınlaşıp geliştirilmesiyle bu alanda ar-ge çalışması yapan
firmalar ve bireylere bu projenin neticelerinden faydalanabilecektir.
39
KAYNAKÇA
[1]. Çamoğlu, D., Kontrollü Robotik, Dikeyeksen Yayıncılık, Şubat 2011.
[2]. (2013), The Harald website. [Online]. Avaliable:
www.cellular.co.za/bluetooth_king_harald.html
[3]. Haartsen, J. C., The Bluetooth Radio System, IEEE Personal
Communications, 7, 1(2000)28-36.
[4]. (2013) The Extendedsystem website. [Online]. Available:
http://www.extendedsystems.com/.
[5]. Kahveci, S., ‘’Dar-alan Kablosuz Haberleşme Sistemlerinin Başarım
Analizleri ve Turbo Kodlayıcıların Sistem Başarımına Etkisi’’ , Doktora tezi,
Şubat 2006, Trabzon.
[6]. Kahveci, S., ‘’Zigbee Standartının Genel Özellikleri ve Kapasite Analizi’’,
K. T. Ü., F.B.E., Doktora Tez İzleme Raporu(4. Dönem), Aralık 2003.
[7]. Taşdemir,C., Arduino, Dikeyeksen Yayın Dağıtım, Yazılım ve Eğitim
Hizmetleri San. ve Tic. Ltd. Şti., İstanbul, 2012.
[8]. Altınbaşak, O., Mikrodenetleyiciler ve PIC Programlama, 7. baskı, Atlas
Yayıncılık ve Elektronik Tic. Ltd. Şti., İstanbul, 2006.
[9]. D. İbrahim, PIC Mikrokontrolör Robot Projeleri, Bileşim Yayıncılık
Fuarcılık ve Tanıtım Hizmetleri A.Ş., İstanbul, Türkiye, 2005.
40
EKLER
EK 1. Malzeme Tablosu
Sıra No Malzeme Adı Miktarı Birim Fiyat(TL) Toplam Tutarı
(TL)
1 Flex Sensör 5 35 175
2 XBee Pro Modülü 2 55 110
3 Servo Motor 5 30 150
4 Güç Kaynağı 2 2 4
5 Arduino Uno R3 2 20 40
6 Arduino Xbee Shield 2 15 30
TOPLAM 509
41
EK 2. Xbee üzerindeki pinleri ve işlevleri
Pin Adı Tip Fonksiyon
1
VCC
P
2.8 V - 3.4V
2
DOUT
O Seri veri çıkışı (alınan veri)
3
DIN
I
XBee Seri veri girişi (veri iletimi için)
4 DO8
O
Dijital veri çıkışı-8
5 RESET I
Sıfırlama modülü
6 PWM0/
RSSI
O
O Darbe Genişliği Modülasyonlu çıkış
PWM sinyali olarak alınan Sinyal Gücü Göstergesi
7 PWM1 O Darbe Genişliği Modülasyonlu çıkış 8 Rezerve 9 DTR
SLEEP_RQ
DI8
I
I
I
Veri Terminali Hazır: firmware güncellemeleri için
anlaşmak
Uyku Modu: yapılandırıldığında yüksek yerlerde uyku
modunda XBEE
Dijital Çıkış 8 10 GND G Zemin ( Vss ) 11 AD4
DIO4
A
IO
Dijital Giriş 4 Analog
Dijital Giriş / Çıkış 4
12 CTS
DIO7
O
IO
Denetleyici uyuşursa (düşük) için çıkışı Gönder ve
Temizle
Dijital Giriş / Çıkış 7 13 Yüksek = Uyanık, Düşük = Uyku O Dijital çıkış, durum göstergesi ON 13 14 VREF A Dijital referans gerilimi bir Analog 15 ASSOC
AD5
DIO5
O
I
IO
Bir ağ katılmadan göstergesi ilişkili
Dijital Giriş 5 Analog
Dijital Giriş / Çıkış 5
16 RTS
AD6
IO6
I
IO Girişi (Düşük) gönder
Dijital Giriş 6 Analog
Dijital Giriş / Çıkış 6
17-
20
AD3-AD0
DIO3-DIO0
A
IO
Dijital Giriş 3 0 Analog
Giriş / Çıkış 3 0 Dijital
Tipi: P, P = Güç, G = Toprak, I = Giriş, O = Çıkış, A = Analog Giriş
42
EK 3. Zigbee’nin bazı kablosuz teknolojilerle karşılaştırılması
Özellik
Zigbee
GPRS/GSM
Wi-Fi
Bluetoo
th
Odaklanma alanı
İzleme ve Kontrol
Geniş alan ses
ve veri
Web,
email,
Video
Kablo
yerine
Sistem Kaynağı
4-32 Kb
16 Mb+
1 Mb+
250Kb+
Pil Ömrü (gün)
100- 1000+
1-7
0.5-5
1-7
Ağ Boyutu
~ Sınırsız (2 64
)
16 Mb+
32
7
Ağ veri genişliği
(kb/sn)
100- 1000+
64 - 128+
11000-
54000
720
Kapsama Alanı
(metre)
1 - 100+
1000+
1-100
1-10+
Başarı alanları
Dayanıklılık,
maliyet, güç
tüketimi
Ulaşılabilirlik,
kalite
Hız,
esneklik
Maliyet,
rahatlık
43
EK 4. Standartlar ve Kısıtlar Formu
Karadeniz Teknik Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Bölümü
STANDARTLAR VE
KISITLAR
FORMU
1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.
Projenin tasarım boyutu gerçek el ebatlarında olması planlanmaktadır.
Gerçekleştirilmesi karmaşık olmayan, hayatın birçok yerinde uygulanabilecek bir
projedir.
2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?
Projede gerek kullanılacak yazılımlarda, gerekse sensör haberleşmesindeki değer
analizlerinde matematiksel formüller kullanılmıştır. Projedeki servo motorların Darbe
Genlik Modülasyonu(PWM) kullanılarak kontrol edilmesi gerekmektedir.
3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?
Bu projede Programlamaya giriş ve Bilgisayar programlama dersindeki C tabanlı alt
yapı ile mikroişlemci bilgileri birleştirilip geliştirilerek kullanılmış olup bunun yanı sıra
elektronik derslerinde edinilen birçok bilgi kullanılmıştır.
4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?
Projemizde TS 9770 standardı kullanılacaktır. Proje sonunda oluşturduğumuz
sistemin optimum şekilde çalışması için gereken tüm standartlar göz önünde tutulurken
uygun maliyette olmasına dikkat edilmiştir.
44
5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?
a) Ekonomi
Projenin üretim maliyeti, gerçek hayata uygulanabilirlik açısından çok önemli bir
faktördür. Projede kullanılacak olan elemanların işlevselliği ve fiyatı gözetilerek
fiyat/performans elemanları seçilmeye çalışılmıştır .
b) Çevre sorunları:
Projenin çevreye herhangi bir zararı olmayacaktır. Düşük enerji tüketimi ile çevre
dostu olarak düşünülebilir.
c) Sürdürülebilirlik:
Mikrodenetleyici kontrollü kablosuz sistemler yeni gelişmekte olan bir sektördür.
Mikroişlemci ve sensörlerin gelişmesiyle ilerde çok daha gelişeceği aşikârdır. Ayrıca
Projemiz kesinlikle çok kolay geliştirilebilir, farklı sistemlerle ortak çalışması
sağlanabilecek bir projedir.
d) Üretilebilirlik:
Projede kullanılan elemanların fiyatları oldukça cüzi bir miktardadır. Kullanılabilir
fiyat kıyaslamasında, üretilebilirlik öne çıkmaktadır. Seri üretime geçilme imkânı olursa
da maliyetler daha da aşağı çekilebilir.
e) Etik:
Mühendislik etik değerlerini gözetebilecektir. Etik açısından bakıldığında
projemizde herhangi bir kısıt bulunmamaktadır.
45
f) Sağlık:
Tasarlanacak projede insan sağlığına kötü yönde etkileyecek herhangi bir şey
bulunmamaktadır. Aksine faydası vardır.
g) Güvenlik:
Sistemin çalışma gerilimi 6V DC olduğundan güvenlik açısından bir sorun teşkil
etmez.
h) Sosyal ve politik sorunlar:
Sosyal ve politik herhangi bir sorun teşkil etmemektedir. Sistemimizin dışa
bağımlıolmayıp kendi öz kaynaklarını kullandığımız için hiçbir sosyal ve politik yönden
hiçbir etkisi yoktur. Diğer üretim yöntemlerinde olduğu gibi dışa bağımlılık yoktur.
Projenin Adı : Uzaktan Robotik El Kontrolü
Projedeki Öğrencilerin Adları :
Hilal ALTUN Fulya AKDENİZ Neşe ÜNVER
15.05.2013
46
ÖZGEÇMİŞ
1990 yılında Trabzon’ da doğdum. İlkokulu 100. Yıl İlköğretim okulunda okudum.
Lise eğitimimi Trabzon Lisesinde tamamladıktan sonra lisans eğitimime 2009 yılında
Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği
bölümünde başladım, halen eğitimime burada devam etmekteyim.
Hilal ALTUN
1990 yılında Malatya’da doğdum. İlköğretimi Özel Rahime Batu Kolejinde
tamamladım. Lise eğitimimi ise Özel Turgut Özal Kolejinde tamamladıktan sonra 2009
yılında başladığım Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik
Elektronik Mühendisliği bölümünde halen eğitimime devam etmekteyim. Yabancı dil
olarak İngilizce bilmekteyim.
Fulya AKDENİZ
1990 yılında Kırşehir’ in Mucur İlçesi’nde doğdum. İlkokulu Yahya Kemal
İlköğretim okulunda tamamladıktan sonra 2008 yılında Kurtuluş Süper Lisesi’nden
mezun oldum. 2009 yılında başladığım Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik
Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünde halen eğitimime devam
etmekteyim. Yabancı dil olarak İngilizce bilmekteyim.
Neşe ÜNVER