FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCHTECHNOLOGIÍ

ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY

Projekt BROB 2013

B13. Jízda po čáře pro reklamní robot

Vedoucí projektu: Ing. Tomáš Florián

Autoři práce: Martin Maršál, Marek Návara, Ondřej Pijáček

1. Zadání

Implementujte modul do podvozku robotu, který umožňuje jízdu robotu po předem definované trase. Trasa robotu by měla být pro člověka na první pohled neodhalitelná, proto zvažte přednostně použití magnetické pásky přilepené k podlaze pod kobercem. Řízení robotu bude realizováno po některé ze standardních sériových sběrnic (RS-485, Ethernet apod.).

2. Teoretický popis

2.1. Úvod do problematiky

Při návrhu modulu jsme vycházeli z návrhu kolegů z minulých let. Jako vodící

čára je použita magnetická páska, která může být schována například pod

kobercem. Na snímání čáry jsou použity 3 snímače KMZ-51. Dva krajní

snímače na rozlišení směru a prostřední senzor na určení velikosti výchylky.

Signál ze snímačů je potřeba zesílit na hodnotu, kterou je možné převést AD

převodníkem s co nejmenším zkreslením.

Jako řídící jednotka je použit mikročip ATmega8. Tento čip má

dostatek kanálů AD převodníku, modul USART na sériovou komunikaci a je

dostatečně rychlý. Také byl vybrán kvůli podpoře ze školy.

Na komunikaci s řízením motorů je použita sériová linka RS-485.

Převod mezi mikročipem a RS-485 je řešen pomocí SN75176AD.

Napájení je řešeno z baterií Fektbota a je stabilizováno na 5V DC-DC

měničem LM2594.

Celý modul jsme se rozhodli rozdělit na řídící desku, která bude

obstarávat, řízení, komunikaci a napájení celého systému a dále na 3 desky

se snímači. Každý snímač má vlastní desku, aby bylo možné doladit přesnou

vzdálenost snímačů od sebe. Ta by se měla pohybovat kolem 2 až 3

centimetrů.

Pro program řízení je využito jazyka C. Program musí být schopný

zmagnetizovat snímač, zpracovat jeho výstupní hodnotu, algoritmem

spočítat požadované rychlosti motorů a ty poté odeslat přes sériovou linku.

Toto bude probíhat v opakovaném cyklu.

2.2. Řídící jednotka - ATMEGA8 -16PU

Vybrané vlastnosti:

Taktovací frekvence 16 MHz

8 Kbajt programové paměti

130 instrukcí

32 pracovních registrů

2 osmibitové čítače a 1 šestnáctibitový

6tikanálový AD převodník

Programovatelný modul USART

23 programovatelných I/O pinů

Obrázek 1:Rozložení portů ATMEGA8

2.3. LM2594 – DC-DC měnič

Mezní hodnoty:

Obrázek 2: Základní zapojení LM2594

Obrázek 3: Rozložení pinů LM2594

2.4. SN75176AD – sériová linka RS485

Doporučené provozní hodnoty:

Obrázek 4: Vnitřní zapojení SN75176AD

2.5. Snímač magnetického pole KMZ 51

KMZ-51 snímá intenzitu magnetického pole. Je založen na principu

magnetorezistivních účinků permalloye. Pro jeho správnou funkci je potřeba

snímač pravidelně odmagnetizovat velmi krátkým pulzem (jednotky µs) proudu o

velikosti přibližně 1A. Doporučené provozní hodnoty:

Obrázek 5: Vnitřní zapojení KMZ 51

2.6. INA126P – přístrojový zesilovač

Mezní hodnoty:

Obrázek 6: Vnitřní zapojení INA128

3. Návrh výroby

3.1. Program řídící jednotky

Řídící program nebyl zkompletován z časových důvodů prakticky zkompletován.

Z teoretického hlediska je v programu potřeba nejprve odmagnetizovat snímače a poté

postupně převést hodnoty snímačů pomocí ADC (a přerušení po dokončení převodu).

Tyto hodnoty zpracovat, což znamená porovnat hodnoty z krajních snímačů a určit, na

jakou stranu má zatočit a poté z prostředního snímače určit velikost výchylky: hodnotu

porovnat s intervaly a dle toho načíst velikost výchylky. Spočítané hodnoty rychlosti obou

motorů poté odeslat přes sériovou linku. Jako Master zařízení nemá žádné problémy

rychlost odesílat s protokolem 8-N-1.

3.2. Schéma zapojení řídící desky

Kompletní návrh byl vypracován v programu EAGLE. Na vstupu (levé svorky) je připojeno napájení

napětí baterky robotu. Pomocí DC-DC měniče LM2594M napětí sníženo na 5V . Pro řízení jsme využili

programovatelný procesor ATmega8. Pro komunikaci s motory robotu je využita sériová linka

75176AD (RS485). Výstup sériové liny je realizován za pomoci konektoru D-SUB F09. Déle jsou osazeny

tři konektory pro spojení se třemi snímacími jednotkami.

Obrázek 7: Zapojení řídící desky

3.3. Seznam součástekřídící desky

4x Odpor 10kΩ

1x Odpor 120Ω

1x Tlumivka 100μH

2x Kondenzátor 1μF/50V

2x Kondenzátor 22pF/500V

2x Kondenzátor 100μF/25V

1x Dioda 1N5817

1x Krystal 16MHz 1x AMTEGA8 1x LM2594M

1x SN75176AD

1x Mikro spínač

1x D-SUB F09

1x Konektor 2_piny

3x Konektor 4_piny

3.4. Schéma zapojení snímací jednotky

Nejdůležitější část snímací jednotky je součástka KMZ-51. Ta snímá intenzitu magnetického

pole. Výstup je následně zesílen přístrojovým zesilovačem INA126P ,který signál zesílí 100x. Další

část je odmagnetizování snímače KMZ 51.

Obrázek 8: Zapojení snímací jednotky

Seznam součástek jedné snímací jednotky

3x Odpor 1kΩ

2x Odpor 10kΩ

2x Odpor 0,5Ω

1x Odpor 2Ω

2x Kondenzátor 10nF/50V

1x Kondenzátor 10μF/25V

2x Kondenzátor 470nF/63V

2x Dioda 1N4148

2x Tranzistor BC337

2x Tranzistor BC327

1x Tranzistor BC557

1x Tranzistor BC547

1x KMZ 51

1x INA128P

1x Konektor 4_piny

4. Realizace

4.1. Program mikrokontroléru ATMEGA8

4.2. Úchyt snímacích jednotek

4.2.1. První díl

4.2.2. Druhý díl

4.3. Desky plošných spojů, osazovací plány

4.3.1. Snímací jednotka left

4.3.2. Snímací jednotka center

4.3.3. Snímací jednotka right

4.3.4. Základová deska

Reference

[1] TEXAS INSTRUMENTS. Precision, LowPower INSTRUMENTATION AMPLIFIERS:

INA128,INA129 [online]. Texas, 1995, FEBRUARY 2005 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z:

http://www.ti.com/lit/ds/sbos051b/sbos051b.pdf

[2] TEXAS INSTRUMENTS. DIFFERENTIAL BUS TRANSCEIVER: SN75176A [online]. Texas,

1984, MAY 1995 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn75176a.pdf

[3] TEXAS INSTRUMENTS. LM2594/LM2594HV SIMPLE SWITCHER® PowerConverter 150 kHz.

5A Step-Down VoltageRegulator: LM2594, LM2594HV [online]. Texas, 1999, APRIL 2013 [cit.

2013-05-04]. Dostupné z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2594.pdf

[4] PHILIPS. Magneticfield sensor: KMZ51 [online]. 1998, JUN 2000 [cit. 2013-05-04]. Dostupné z:

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/KMZ51_3.pdf

[5] ATMEL. Atmel® AVR® 8-bitMicrocontroller: ATmega8, ATmega8L [online]. 2013 [cit. 2013-05-

04]. Dostupné z: http://www.atmel.com/Images/Atmel-2486-8-bit-AVR-microcontroller-

ATmega8_L_datasheet.pdf