Archiwa autora: Daria

Szkoła podstawowa – propozycje ćwiczeń

1. Podstawowe zasady BHP

Przed rozpoczęciem zajęć należy przedstawić uczniom podstawowe zagadnienia związane z bezpieczeństwem pracy z elektrochemicznymi źródłami zasilania oraz ogólne zasady bezpieczeństwa podczas pracy z prądem, np.

  • nie wolno przenosić podzespołów elektrycznych/elektronicznych, płytek stykowych czy urządzeń pomiarowych z innych stanowisk,
  • podzespoły na płytce stykowej łączymy pod kontrolą nauczyciela, przy wyłączonych źródłach zasilania,
  • układ można zasilić dopiero po sprawdzeniu jego poprawnego połączenia przez nauczyciela,
  • łączenie podzespołów oraz wykonywanie pomiarów należy wykonywać zgodnie z instrukcją i poleceniami nauczyciela (groźba uszkodzenia podzespołów lub urządzeń pomiarowych),
  • nie wolno dotykać nieizolowanych części obwodu znajdującego się pod napięciem.

2. Podstawowe pojęcia

Prąd elektryczny – uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych przez poprzeczny przekrój przewodnika w czasie.

  • prąd stały -charakteryzuje się stałym zwrotem oraz kierunkiem przepływu ładunków elektrycznych,
  • prąd przemienny – charakteryzuje się okresowymi zmianami natężenia i kierunku przepływu prądu.
Ryc

Ryc

Napięcie – różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami obwodu elektrycznego.

Rezystancja – parametr elementu elektrycznego, którego cechą charakterystyczną jest opór jaki stawia on przepływającemu przez niego prądowi.

Kierunek przepływu prądu – przyjmuje się, że prąd płynie od „plusowego” bieguna baterii do bieguna „minusowego”.

3. Elementy zestawu podzespołów elektrycznych

IMG_5849

koszyk baterii wraz z 4 bateriami oraz przewodami (czerwony to plus zasilania, czarny to minus zasilania)

UWAGA! Gdy w koszyku znajdują się baterie nie należy zwierać bezpośrednio ze sobą przewodów wychodzących z koszyka baterii – grozi wybuchem!

.

bateria

bateria – elektrochemiczne źródło zasilania

.

.

plytka stykowa

płytka stykowa – ułatwia łączenie ze sobą podzespołów elektronicznych

.

.

.

dioda LED

dioda LED (dioda elektroluminescencyjna) – źródło światła, zamienia energię elektryczną na energię świetlną

.

.

.

rezystory

rezystory – elementy obwodu elektrycznego, których zadaniem jest ograniczanie prądu w obwodzie elektrycznym

.

.

.

IMG_7646

brzęczyk (buzzer) – sygnalizator dźwiękowy, przekształca energię elektryczną w słyszalny sygnał dźwiękowy

.

.

.

silnik

silnik – element elektromechaniczny, zamienia energię elektryczną na mechaniczną (ruch obrotowy)

.

.

.

smiglo

śmigło – wraz z silnikiem tworzy element napędowy, przetwarza energię mechaniczną (ruch obrotowy) na siłę ciągu

.

.

.

IMG_5837

gotowe przewody połączeniowe do płytek stykowych – elementy układu elektrycznego łączące ze sobą podzespoły przez które będzie płynął prąd

.

.

IMG_5836

ręcznie wykonane przewody połączeniowe do płytek stykowych – elementy układu elektrycznego łączące ze sobą podzespoły przez które będzie płynął prąd

.

.

do przeprowadzenia wszystkich proponowanych ćwiczeń niezbędny będzie także:

IMG_5844

multimetr – uniwersalny przyrząd pomiarowy łączący w sobie funkcje m.in. amperomierza (pomiar prądu), woltomierza (pomiar napięcia), omomierza (pomiar rezystancji)

.

4. Symbole graficzne podstawowych elementów układu elektrycznego/ elektronicznego

zrodlo zasilania

symbol graficzny źródła zasilania

.

.

.

symb rezystora

symbol graficzny rezystora

.

.

.

symb diody

symbol graficzny diody świecącej

.

.

.

symb buzzera

symbol graficzny brzęczyka

.

.

.

symb silnika

symbol graficzny silnika

.

.

.

symb woltomierza

symbol graficzny woltomierza

.

.

.

symb amperomierza

symbol graficzny amperomierza

.

.

.

symb omomierza

symbol graficzny omomierza

.

.

.

symb linie poloczone

symbol graficzny linii obwodu połączonych ze sobą elektrycznie

.

.

.

symb linie niepoloczone

symbol graficzny linii obwodu niepołączonych ze sobą elektrycznie

.

.

5. Samodzielne przygotowanie przewodów połączeniowych do płytki stykowej (tzw. zworek)

Z przewodu należy zdjąć szarą izolację, tak by dotrzeć do poskręcanych ze sobą cieńszych przewodów. Kolejnym etapem jest ucięcie potrzebnej długości fragmentu przewodu i zdjęcie niewielkiego, ok. 1cm fragmentu izolacji na obu jego końcach. UWAGA! Druciki w przewodach są cienkie i łatwo się łamią, trzeba obchodzić się z nimi ostrożnie!

jak zworki6. Zasady korzystania z płytki stykowej

Płytka stykowa posiada otwory znajdujące się w pewnej odległości od siebie w które wkłada się „nóżki” podzespołów elektronicznych. Ten odstęp to tzw. raster i wynosi on 2,54mm (jest to standardowy raster w płytkach stykowych).

Niektóre pola są ze sobą elektrycznie połączone, co obrazuje poniższy schemat:

plytka stykowa schWzdłuż płytki mamy podłużne szyny, które służą do rozprowadzania po płytce napięcia – do nich należy podpiąć dodatni i ujemny biegun baterii.

Więcej informacji na temat obsługi płytki stykowej można znaleźć tutaj.

7.  Propozycje ćwiczeń

a) pomiar napięcia baterii

cel: nauka pomiaru napięcia baterii multimetrem; umiejętność określenia stopnia rozładowania baterii; nauka odczytywania napięcia nominalnego z obudowy baterii i porównywania go z wynikiem zmierzonym woltomierzem

zastosowane środki: różne typy baterii, baterie o różnym stopniu rozładowania, multimetr

przebieg ćwiczenia: nauczyciel wyjaśnia uczniom działanie multimetru, a następnie przeprowadza pokaz pomiaru napięcia baterii, wskazuje jak odczytać napięcie nominalne baterii, porównuje go z wynikiem uzyskanym doświadczalnie; uczniowie samodzielnie, pod kontrolą nauczyciela, dokonują pomiaru napięcia różnych baterii

pomiar napiecia baterii

b) podłączenie zasilania do jednej diody LED

cel: nauka odczytywania schematów elektrycznych i składania na ich podstawie obwodów; nauka pomiaru natężenia napięcia oraz natężenia prądu w obwodzie, uczeń wie, że aby podłączyć diodę do źródła zasilania niezbędne jest ograniczenie zbyt dużego prądu, który mógłby ją spalić

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, zworki, diody LED w różnych kolorach, rezystor

przebieg ćwiczenia: nauczyciel wyjaśnia krótko budowę baterii i biegunowość jej wyprowadzeń – „nóżek”, uczniowie na płytkach stykowych, pod kontrolą nauczyciela łączą podzespoły, zgodnie z poniższym schematem, nauczyciel wyjaśnia rolę rezystora w obwodzie oraz zasady pomiaru napięcia i natężenia prądu w obwodzie, uczniowie zgodnie ze wskazówkami nauczyciela dokonują pomiarów multimetrem, sprawdzają jakie otrzymają wyniki zamieniając świecącą diodę LED na diodę w innym kolorze

cw 1acw1b

c) podłączenie do źródła zasilania równolegle 3 diod LED

cel: doskonalenie umiejętności pomiaru napięcia i natężenia w obwodzie; nauka odczytywania schematów elektrycznych i składania na ich podstawie obwodów; nauka łączenia podzespołów równolegle; porównywanie wartości napięcia i natężenia prądu w gałęzi głównej i każdej z osobnych gałęzi doprowadzających zasilanie do diod LED; nauka, że napięcie  jest takie same w gałęzi głównej i każdej z trzech gałęzi doprowadzających zasilanie do diod; nauka, że natężenie prądu jest różne w każdej z trzech gałęzi doprowadzających zasilanie do diod, ale ich suma daje natężenie w gałęzi głównej; porównywanie wyników pomiaru spadków napięć na wszystkich podzespołach i wyciągnięcie wniosków, że spadki napięć są takie same na podzespołach o identycznych parametrach (rezystory), a różne na podzespołach o różnych parametrach (np: różnokolorowe diody LED)

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, zworki, 3 diody LED w różnych kolorach, 3 rezystory

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela na podstawie schematu składają obwód na płytkach stykowych, nauczyciel przypomina zasady pomiaru napięcia w obwodzie, uczniowie dokonują pomiarów woltomierzem (pomiędzy czerwonym a czarnym przewodem od koszyka baterii, masą a miejscem przed rezystorami, masą a miejscem między rezystorami a diodami) oraz amperomierzem (między czerwonym przewodem koszyka baterii a rezystorami oraz rezystorami a diodami), a wyniki zapisują; uczniowie wraz z nauczycielem porównują uzyskane w wyników pomiarów wartości natężenia i napięcia, wyciągają wnioski z doświadczenia; uczniowie mierzą woltomierzem spadki napięć na poszczególnych rezystorach oraz diodach, zapisują uzyskane wyniki i na ich podstawie wyciągają wnioski

cw2acw2bcw2c

d) szeregowe połączenie do źródła zasilania rezystorów i diody

cel: nauka, że rezystancja rezystorów połączonych szeregowo wzrasta (sumuje się) przez co w układzie płynie mniejszy prąd, a tym samym świecenie diod LED jest słabsze

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, zworki, 3 diody LED w różnych kolorach, 3 rezystory

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela na podstawie schematu składają obwód z połączonymi szeregowo: rezystorem i 3 różnokolorowymi diodami, obserwują jasność świecenia diody, mierzą amperomierzem prąd płynący w układzie, zapisują uzyskany wynik; uczniowie zgodnie ze schematem do uprzednio złożonego obwodu dodają jeden rezystor połączony szeregowo z pierwszym rezystorem, obserwują jasność świecenia diod, mierzą przepływający w obwodzie prąd i zapisują wynik; uczniowie zgodnie ze schematem do uprzednio złożonego obwodu dodają kolejny rezystor, który z pozostałymi także będzie połączony szeregowo, obserwują jasność świecenia diod, mierzą prąd i zapisują wyniki; uczniowie analizują otrzymane wyniki, z pomocą nauczyciela próbują sformułować wnioski

cw4ccw4bcw4a

e) połączenie do źródła zasilania równolegle 3 rezystorów i szeregowo 3 diod LED

cel: nauka, że rezystancja rezystorów połączonych równolegle maleje przez co w układzie płynie większy prąd, a tym samym świecenie diod LED jest mocniejsze

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, zworki, 3 diody LED w różnych kolorach, 3 rezystory

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela, na podstawie schematu, składają obwód z rezystorem i diodami połączonymi szeregowo na płytkach stykowych, obserwują jasność świecenia diod, mierzą prąd płynący między diodami, a wyniki zapisują; uczniowie, zgodnie ze schematem, włączają do obwodu kolejny rezystor, który będzie połączony równolegle z pierwszym rezystorem, ponownie obserwują jasność świecenia diod, mierzą prąd jaki przepływa między nimi, a następnie zapisują wynik; uczniowie analogicznie dokładają do obwodu trzeci rezystor, przeprowadzają obserwacje i zapisują wyniki; uczniowie analizują otrzymane wyniki, z pomocą nauczyciela próbują sformułować wnioski

cw3c

cw3b

cw3a

f) połączenie do źródła zasilania równolegle 3 rezystorów i szeregowo 3 diod LED

cel: nauka, że prąd w układzie nierozgałęzionym jest jednakowy w każdym punkcie; w układzie rozgałęzionym suma prądów w każdej z gałęzi jest równa wartości natężenia w głównej linii obwodu

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, zworki, 3 diody LED w różnych kolorach, 3 rezystory

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela, na podstawie schematu, składają obwód z rezystorem i diodami połączonymi szeregowo na płytkach stykowych, amperomierzem sprawdzają wartość prądu w różnych punktach obwodu; uczniowie włączają do obwodu kolejne dwa rezystory, połączone z pierwszym rezystorem równolegle, mierzą wielkość prądu w każdej z gałęzi bocznych i porównują z natężeniem w głównej linii obwodu; uczniowie analizują otrzymane wyniki, z pomocą nauczyciela próbują sformułować wnioski

cw3ccw3a

g) podłączenie buzzera do źródła zasilania

cel: nauka, że energię elektryczną można zamienić w dźwięk

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, zworki, buzzer

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela, na podstawie schematu, składają obwód na płytkach stykowych

IMG_8296

h) podłączenie silnika do źródła zasilania, budowa jeżdżącego pojazdu

cel: nauka, że energię elektryczną można zamienić w energię mechaniczną

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, silnik, 4 koła, śmigło, opaski plastikowe do mocowania silnika i osi kół

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela budują pojazd

przyklad_wykonania_robota

i) praca silnika z obciążeniem i bez obciążenia

cel: nauka, że mocniej obciążony silnik pobiera więcej prądu z baterii

zastosowane środki: koszyk baterii, 4 baterie 1,5V, płytka stykowa, silnik, 4 koła, śmigło, opaski plastikowe do mocowania silnika i osi kół

przebieg ćwiczenia: uczniowie z pomocą nauczyciela budują pojazd, mierzą prąd w obwodzie; do silnika podłączają śmigło i ponownie mierzą natężenie prądu; uczniowie analizują otrzymane wyniki, z pomocą nauczyciela próbują sformułować wnioski.

Pomiar prądu:

- bez śmigła ok 0,39Abez_smigla

 – ze śmigłem ok 1,3A:

obciazenie_smiglo

Uwagi końcowe:

Podczas pomiaru prądu silnika tańszymi multimetrami może wystąpić kłopot z otrzymaniem stabilnego wyniku. Związane jest to z zakłóceniami emitowanymi przez silnik podczas jego pracy. Zakłócenia powstają na skutek iskrzenia powstającego na połączeniu szczotki-komutator. Zakłócenia te można eliminować poprzez dołączenie do wyprowadzeń silnika kondensatora ceramicznego 100nF.

Multi-robot, część bazowa – montaż

Zestaw części do budowy multi-robota dostępny jest na stronie www.celtor.pl.

Ryc

Ryc. 1 Zestaw podzespołów do budowy części bazowej multi-robota.

Do budowy pierwszego line followera wykorzystaliśmy płytki uniwersalne. Z tego powodu musieliśmy za pomocą licznych zworek i przewodów samodzielnie tworzyć połączenia pomiędzy poszczególnymi podzespołami. Wymagało to oczywiście większego nakładu pracy, ale i niewątpliwie miało walor edukacyjny.

Multi-robot z uwagi na stopień skomplikowania, a jednocześnie większy stopień wtajemniczenia osób go wykonujących, zostanie zbudowany na specjalnie dedykowanym obwodzie drukowanym. Poszczególne punkty lutownicze zostały już połączone odpowiednimi ścieżkami, a miejsca do których należy przylutować kolejne podzespoły są opisane.

Ryc

Ryc. 2 Obwód drukowany części bazowej multi-robota z oznaczonymi punktami lutowniczymi poszczególnych podzespołów – strona górna.

Od których podzespołów zacząć lutować? Zasadą jest, że zaczynamy od zworek i małych elementów, by stopniowo przejść do tych coraz większych.

Zworki najlepiej jest zagiąć pęsetą, a nie np. palcami, dzięki temu będą one miały ładniejszy kształt.

Zworka 1 i 2 łączy nóżki 1, 9 i 16 układów L293D. Zworka 3 łączy 10 nóżkę układu U2 ze złączem CON4 – IN23P. Zworka 4 i 5 łączą podzespoły leżące niżej z plusem zasilania.

Ryc

Ryc. 3 Sposób przylutowania zworek ZW1, ZW2, ZW3 oraz ZW4 (a – górna część płytki; b, c – dolna część płytki).

Kolejnym etapem będzie przylutowanie układów L293D (U1 i U2) oraz zworki 6 (ZW6), która łączy 16 nóżkę jednego i 1 nóżkę drugiego układu.

Ryc

Ryc. 4 Przylutowanie układów L293D (U1 i U2) oraz zworki ZW6 (a, b – górna część płytki; c, d – dolna część płytki).

Przed przylutowaniem stabilizatora L7805 (U3) należy zagiąć jego nóżki (np. przy pomocy kombinerek lub szczypiec). Obok niego znajdują się kondensatory elektrolityczne 100uF (C4, C8).

Ryc

Ryc. 5 Montaż stabilizatora L7805 (U3) oraz kondensatorów 100uF (C4, C8) (a, b, c – górna część płytki; d, e – dolna część płytki).

Teraz rezystory:

  • 4 x 10kΩ – R3, R4, R7, R10 – przez nie prąd dopływa do kolektorów poszczególnych tranzystorów w części obwodu z czujnikami podczerwieni;

 

Ryc

Ryc. 6 Montaż rezystorów 10kΩ (R3, R4, R7, R10) po górnej stronie płytki.

  • 8 x 470Ω – R1, R5, R8, R9 – rezystory te zabezpieczają fototranzystory przed zbyt wysokim prądem bazy w przypadku gdyby potencjometry (P1, P2, P3, P4) zostały maksymalnie skręcone; R2, R6, R11, R12 zabezpieczają diody nadawcze podczerwieni.

 

Ryc

Ryc. 7 Montaż rezystorów 470Ω (R1, R2, R5, R6, R8, R9, R11, R12) po górnej stronie płytki.

Pora na potencjometry precyzyjne, wieloobrotowe (P1, P2, P3, P4) za pomocą których będzie można regulować prąd dopływający do fototranzystorów.

Ryc

Ryc. 8 Montaż potencjometrów (P1, P2, P3, P4).

Kondensatory elektrolityczne 47uF (C1, C2, C3) zapobiegają wzbudzaniu układu, tłumią szpilki napięciowe.

kondensatory 47uF

Ryc. 9 Montaż kondensatorów 47uF (C1, C2, C3).

Podobną funkcję pełnią kondensatory ceramiczne 100nF (C5, C6, C7).

Ryc

Ryc. 10 Montaż kondensatorów ceramicznych 100nF (C5, C6, C7).

Włączanie i wyłączanie się tranzystorów (T1, T2, T3, T4) zależy od zmian natężenia światła odbieranych przez fototranzystory.

Ryc

Ryc. 11 Montaż tranzystorów (T1, T2, T3, T4) po górnej stronie płytki.

Diody (D1, D2, D3, D4) mają kolor niebieski, fototranzystory (FT1, FT2, FT3, FT4, FT5, FT6, FT7, FT8) zaś są czarne.

Ryc

Ryc. 12 Diody nadawcze podczerwieni (D1, D2, D3, D4) oraz fototranzystory podczerwieni (FT1, FT2, FT3, FT4, FT5, FT6, FT7, FT8) na tle: a) górnej; b) dolnej strony płytki.

Nóżki diod nadawczych podczerwieni należy krótko obciąć, a następnie przylutować tak, aby znalazły się one po dolnej stronie płytki.

Ryc

Ryc. 13 Montaż diod nadawczych podczerwieni po dolnej stronie płytki.

Z obu stron diod nadawczych podczerwieni należy przylutować fototranzystory podczerwieni. UWAGA! Należy je umieścić pod kątem – wychylone w stronę diod.

Ryc

Ryc. 14 Montaż fototranzystorów podczerwieni (FT1, FT2, FT3, FT4, FT5, FT6, FT7, FT8) po dolnej stronie płytki.

Za pomocą złącz (CON1, CON4, CON5, CON9) będziemy mogli połączyć czujniki z układami sterującymi lub całą płytę bazową z częścią mikroprocesorową multi-robota.

Ryc

Ryc. 15 Montaż złącz (CON1, CON4, CON5, CON9) po górnej stronie płytki.

Przejdziemy teraz do montażu silników.

Ryc

Ryc. 16 Elementy niezbędne do montażu silników na płytce bazowej multi-robota.

Do silników przylutowujemy kondensatory ceramiczne 100nF (niwelują zakłócenia emitowane przez komutator i szczotki pracujące wewnątrz silników), a następnie przewód.

Ryc

Ryc. 17 Montaż kondensatorów 100nF oraz przewodów do silników M1, M2.

Montujemy silnik M1…

Ryc

Ryc. 18 Montaż silnika M1 po górnej stronie płytki.

a następnie silnik M2.

Ryc

Ryc. 19 Montaż silnika M2 po górnej stronie płytki.

Końcówki przewodów odchodzące od silników przylutowujemy w specjalnie oznaczonych punktach lutowniczych.

Ryc

Ryc. 20 Montaż przewodów odchodzących od silników.

Jeśli zamierzamy zakończyć budowę multi-robota na jego części bazowej i cieszyć się line followerem, czeka nas tylko jeszcze przylutowanie dwóch kabelków po spodniej stronie płytki. Łączą one wyprowadzenia złącza CON1 (odbierającymi informację z czujników) ze złączem CON4 (połączonym z układami L293D):

  • pin FT12 w złączu CON1 z pinem IN14L w złączu CON4;
  • pin FT34 w złączu CON1 z pinem IN14P w złączu CON4.
Ryc

Ryc. 21 Montaż przewodów łączących piny ze złącza CON1 z pinami ze złącza CON4.

Ostatnim już etapem budowy line followera jest przylutowanie przewodów od koszyka baterii (pamiętajcie o wyjęciu z niego baterii przed lutowaniem!) do złącza CON10.

Ryc

Ryc. 22 Montaż przewodów zasilających multi-robota.

Teraz pozostało wykonać pierwszy test potwierdzający poprawność montażu. Prawidłowo zmontowany robot od razu jeździ w sposób właściwy po czarnej linii z białym tłem. Jeżeli np robot jedzie do tyłu lub się obraca oznacza to, że najprawdopodobniej źle zostały przylutowane przewody silników do obwodu drukowanego (zamieniony plus z minusem).

Multirobot, część bazowa – zasada działania

Do zasilenia części bazowej multi-robota w zupełności wystarczy napięcie 6V. Tak jak do tej pory proponuję zastosować koszyk z czterema bateriami AAA 1,5V.

Kolejną część obwodu stanowi stabilizator w otoczeniu kondensatorów, który zapewni nam stałe napięcie rzędu 5V:

Ryc

Ryc. 1 Fragment obwodu multi-robota ze stabilizatorem (U3) oraz otaczającymi go kondensatorami (C2, C3, C5, C8).

Zasada działania multi-robota jest analogiczna do tej w pierwszym prostym line followerze, który zbudowaliśmy na początku. Oba roboty są wyposażone w reflektory oświetlające tor oraz czujniki reagujące na zmiany natężenia odbitego z tą różnicą, że zamiast oświetlenia widocznego dla ludzkiego oka zastosowano elementy podczerwieni. Ten prosty zabieg spowoduje, że robot będzie mniej wrażliwy na światło dzienne.

Reflektory to 4  diody nadawcze podczerwieni. Każda z nich jest zabezpieczona przed zbyt wysokim prądem odpowiednim rezystorem:

reflektory

Ryc. 2 Fragment obwodu multi-robota z reflektorami (D1, D2) oraz rezystorami (R2, R6).

(Ten fragment układu występuje w 2 powtórzeniach.)

Część obwodu z czujnikami (fototranzystorami podczerwieni) reagującymi na zmiany natężenia oświetlenia wygląda następująco:

Ryc

Ryc. 3 Fragment obwodu multi-robota z fototranzystorami (FT1, FT2), tranzystorem T1, potencjometrem (P1) oraz rezystorami (R1 i R3).

(Ten fragment układu występuje w 4 powtórzeniach.)

Nowym podzespołem o którym nie mówiliśmy w ramach kursu elektroniki dla początkujących jest fototranzystor:

Ryc

Ryc. 4 Schemat fototranzystora.

Ze schematu widzimy, że posiada on standardowo kolektor i emiter… ale co z bazą? W zwykłym tranzystorze prąd dopływający do bazy steruje jego pracą załączając go i wyłączając. Fototranzystor włącza się i wyłącza w zależności od natężenia światła, dlatego też na schemacie baza została zastąpiona strzałkami obrazującymi promienie. Poza tą różnicą fototranzystor zachowuje się jak standardowy tranzystor.

Wróćmy do czujników multi-robota. Każdy czujnik posiada dwa fototranzystory reagujące na zmiany natężenia światła. Gdy jest ono zbyt słabe fototranzystory pozostają wyłączone, a prąd przepływający przez rezystor R1 i potencjometr P1 w całości dopływa do bazy tranzystora T1, a tym samym jest wystarczający do jego włączenia.

Gdy natężenie światła docierającego do fototranzystorów zwiększy się i stanie się wystarczające do ich załączenia przez złącze kolektor – emiter zaczyna płynąć prąd. Przez to prąd dopływający do bazy tranzystora jest zbyt niski i pozostaje on wyłączony.

Jak zapewne się domyślacie informacja z każdego z tych 4 czujników powinna docierać do jakiegoś układu sterującego pracą silnika, ale w rzeczywistości nie dociera! Jak to możliwe? Jak układ sterujący silnikami może nie być w żaden sposób połączony z czujnikami? Skąd ma wiedzieć kiedy ruszyć, a kiedy stanąć?

Multi-robot to robot zaprojektowany z myślą o osobach, które uczą się konstruować roboty, rozbudowywać je i programować. Dlatego informacja z czujników położonych w części bazowej robota dociera do odpowiednich złącz – informacja z fototranzystorów:

  • FT1 i FT2 trafia do złącza FT12;
  • FT3 i FT4 trafia do złącza FT34;
  • FT5 i FT6 trafia do złącza FT56;
  • FT7 i FT8 trafia do złącza FT78.
Ryc

Ryc. 5 Fragment obwodu multi-robota z czujnikami połączonymi do złącz FT12 i FT34.

(Ten fragment układu występuje w 2 powtórzeniach.)

Jeżeli chcemy zakończyć budowę multi-robota na płytce bazowej – odpowiednie złącza do których dociera informacja z fototranzystorów wystarczy połączyć z odpowiednimi złączami przy układach sterujących silnikami. Wystarczą do tego zwykłe zworki.

Jeśli będziecie mieli ochotę na dalszą rozbudowę robota, a tym samym naukę jego programowania czy po protu chcielibyście zbudować robota, którym można by sterować zdalnie – wystarczy zarówno złącza przy czujnikach, jak i te przy układach sterujących silnikami połączyć z mikroprocesorem. (dokładną instrukcję jak to zrobić znajdziecie przy opisie części mikroprocesorowej multi-robota).

Przejdziemy teraz do układów sterujących silnikami.

Każdy z silników połączony jest ze swoim sterownikiem – układem L293D.

Ryc

Ryc. 6 Układ L293D.

Jego notę katalogową znajdziecie na stronie www.celtor.pl. Szczególnie interesuje nas tzw. „block diagram” widoczny na stronie drugiej:

block diagram

Ryc. 7 Schemat funkcji pinów układu L293D.

Te 4 trójkąty wewnątrz układu L293D to 4 wzmacniacze. Każdy z nich możemy połączyć z osobnym silnikiem, który będzie się kręcił w jedną stronę (tak jak to widać po prawej stronie układu). Możemy także 2 wzmacniacze połączyć z jednym silnikiem, który będzie mógł obracać się w obie strony (tak jak to widać po lewej stronie układu).

W multi-robocie wszystkie 4 wzmacniacze układu L293D połączymy z jednym silnikiem. W efekcie uzyskamy większe wzmocnienie i szybszą pracę silnika.

Prześledźmy teraz połączenie wszystkich nóżek układu L293D w multi-robocie na przykładzie układu oznaczonego symbolem U1.

Ryc

Ryc. 8 Fragment obwodu multi-robota: stabilizator napięcia (U3) wraz z otaczającymi go kondensatorami (C2, C3, C5, C8), kondensatorami zapobiegającymi niekontrolowane wzbudzanie układów (C4, C6, C7), sterownikami silników L293D (U1, U2) oraz silnikami (M1, M2).

Nóżki 4 i 5 oraz 12 i 13 są połączone z masą, zgodnie ze schematem z noty katalogowej.

Nóżka 1 i 9 doprowadzają napięcie do wzmacniaczy, zaś nóżka 16 doprowadza napięcie do układu L293D z tego powodu wszystkie te nóżki zostały połączone (aby nie zaciemniać schematu licznymi liniami łączącymi poszczególne nóżki ich połączenia wrysowano w układ L293D, tak jak np. połączenie nóżki 1 i 16).

Nóżka 2 i 15 oraz 7 i 10 doprowadzają sygnał (1 lub 0) do czterech wzmacniaczy:

  • nóżkę 2 i 15 zwarto razem, a następnie ich wyprowadzenie połączono ze złączem IN14L (w przyszłości złącze to będzie zwarte ze złączem FT12 odbierającym sygnał z fototranzystorów 1 i 2);
  • nóżkę 7 i 10 zwarto razem, a następnie ich wyprowadzenie połączono ze złączem IN23L (w przyszłości złącze to będzie zwarte ze złączem FT34 odbierającym sygnał z fototranzystorów 3 i 4).

Co się stanie, jeśli sygnał, czyli logiczna 1, trafi zarówno do nóżek 2 i 15, jak i do nóżek 7 i 10? Na schemacie powyżej widzimy, że ich wyjścia, czyli nóżki 3 i 14 oraz 6 i 11, łączą się z przeciwnymi biegunami silnika M1. W takiej sytuacji silnik pozostanie wyłączony.

Silnik zacznie obracać kołem tylko w sytuacji, gdy do jednej pary nóżek (np. 2 i 15) dotrze sygnał (logiczne 1), a do drugiej (np. 7 i 10) nie (logiczne 0).

No dobrze, więc co trzeba zrobić, żeby robot jechał do przodu. Na której parze nóżek (2 i 15 czy 7 i 10) ma się pojawić logiczne 1? Wszystko zależy od tego jak podłączymy silnik.

Na koniec spójrzcie jeszcze na schemat z ryc. 7, a dokładnie na silnik po lewej stronie układu. Jak już tłumaczyłam przed chwilą, kierunek obrotu silnika zależeć będzie od informacji docierającej do niego ze sterownika – układu L293D. Połączenie linii wokół silnika przypomina trochę literę H, dlatego też układ elektroniczny umożliwiający sterowanie kierunkiem obrotu silnika nazywamy mostkiem H.

 

 

Multi robot

Jeśli zbudowałeś już pierwszego prostego robota typu line follower i masz ochotę na większe wyzwanie – zapraszam do zapoznania się z multirobotem.

multirobotJest to autorska konstrukcja oferowana przez sklep elektroniczny www.celtor.pl, która powstała specjalnie z myślą o czytelnikach bloga RobotykaDlaPoczątkujących!

Multirobot będzie posiadał następujące funkcje:

  • robot typu line follower,
  • robot mini sumo (wymiary i masa robota spełniają standardy jakie muszą spełniać roboty na zawodach, więc nic nie stoi na przeszkodzie, abyś i Ty wziął w nich udział!),
  • robot zdalnie sterowany.

Oczywiście nie od razu Rzym zbudowano… W kolejnych wpisach będą zamieszczać instrukcję budowy kolejnych części robota.

Zaczniemy od części bazowej – kompletnego modułu napędowego umożliwiającego zbudowanie robota line follower bez części mikroprocesorowej:

multirobot plyta bazowaKolejnym etapem będzie część mikroprocesorowa z czujnikami ultradźwiękowymi i modułem odbiornika radiowego. W skład zestawu wchodzi m.in. zaprogramowany mikrokontroler, który w zależności od wybranego programu posiada 3 opcje:

  • mini sumo: automatyczny wybór koloru ringu, automatyczne wyszukiwanie przeciwnika, blokada przed przypadkowym zjazdem z ringu, najazd na przeciwnika, możliwość startu np z pilota IR (dostępny port)
  • line follower (robot podążający za linią): automatyczna zmiana trasy po wykryciu poziomej linii
  • zdalne sterowanie: kierowanie robotem z czterokanałowej aparatury do zdalnego sterowania z trymerami cyfrowymi, płynna regulacja prędkości obrotowej silników: jazda przód tył oraz skręcanie prawo/lewo, możliwość sterowania serwomechanizmem.

Będziecie mieli również możliwość wgrania własnego programu przez złącze ISP.

multirobotNa koniec omówimy budowę i zasadę działania 4-kanałowego nadajnika do zdalnego sterowania z trymerami cyfrowymi, pracującego na częstotliwości 433MHz.

zdalne sterowanie

Lekcja 15: Wzmacniacz mikrofonowy

Na tej lekcji chciałam Wam zaproponować budowę wzmacniacza mikrofonowego. To ciekawe i przydatne urządzenie możecie wykorzystać (jak zapewne się domyślacie) do wzmacniania głosu lub ogólnie rzecz biorąc dźwięku.

Do jego budowy wykorzystamy dwa nowe podzespoły: mikrofon i głośnik.

Ryc. 1

Ryc. 1 Mikrofon

Jest to mikrofon pojemnościowy (elektrostatyczny). Jego membrana jest jednocześnie okładką kondensatora. Drgania powietrza zmieniają odległość pomiędzy okładkami kondensatora, co wpływa na zmiany jego pojemności.

Zanim przejdziemy do budowy wzmacniacza przeliczymy taki oto prosty układ:

Ryc

Ryc. 2 Schemat obwodu złożonego ze źródła zasilania, rezystorów RC, R1, R2) oraz tranzystora.

Powyższy układ posłuży nam później do wzmacniania sygnału z mikrofonu, dlatego niektóre założenia muszą uwzględniać specyfikę pracy z mikrofonem.

Pewnie oglądaliście kiedyś film na którym ktoś analizował komputerowo głos lub dźwięk. Nie jest to nigdy jednolity sygnał – zmiany sygnału akustycznego powodują drgania membrany mikrofonu co przekłada się na zmiany napięcia na wyjściu z mikrofonu.

Ryc

Ryc. 3 Przykładowy zapis dźwięku (źródło: http://www.kryminalistyka.fr.pl/praktyka_cejos1.php)

Jak się pewnie domyślacie  w naszym wzmacniaczu mikrofonowym, sygnał wzmacniany jest przez  tranzystor. Dociera on z mikrofonu (przykład przebiegu Ryc. 4.) do bazy tranzystora.

Ryc

Ryc. 4 Przykładowy przebieg  zmian napięcia docierającego do bazy tranzystora w czasie.

Muszę Wam jeszcze zdradzić, że głośnik docelowo będzie podłączony pomiędzy rezystorem RC a tranzystorem. Z tego powodu skupimy się na zmianach napięcia pomiędzy ww. punktem a masą:

Ryc

Ryc. 5 Schemat obwodu złożonego ze źródła zasilania, rezystorów RC, R1, R2) oraz tranzystora w którym zmiany natężenia prądu mierzy woltomierz.

Sygnał z mikrofonu docierający do bazy tranzystora będzie powodował zmianę prądu bazy a co za tym idzie zmieniać się będzie prąd kolektora, wówczas napięcie na woltomierzu będzie maleć. W momencie, gdy sygnał docierający do bazy będzie zbyt niski, to woltomierz pokaże duże napięcie (tą samą zasadę działania tranzystora wykorzystaliśmy w budowie robota linefollower).

Zależność tą obrazują poniższe wykresy. Na wykresie ryc. 6a) mamy przykładowy sygnał docierający do bazy – jest on stosunkowo niewielki. W zależności od zmian napięcia bazy tranzystor będzie odpowiednio wzmacniał sygnał, a to w konsekwencji spowoduje zmiany napięcia na woltomierzu z powyższego schematu – wykres ryc. 6b).

Warto tu ponownie podkreślić, że mamy do czynienia z wzmacniaczem odwracającym – duży sygnał bazy to małe napięcie na woltomierzu i odwrotnie.

Ryc

Ryc. 6 Wykres obrazujący a) zmiany napięcia docierającego do bazy tranzystora w czasie; b) zmiany napięcia mierzonego woltomierzem zgodnie z ryc. 5.

Gdybyśmy źle dobrali parametry podzespołów z ryc. 2 nasz wykres nieco przesunąłby się w dół lub w górę, a ponieważ nie możemy w naszym przypadku otrzymać napięcia poniżej 0V  lub wyższego od napięcia zasilania bezpowrotnie stracilibyśmy część informacji wychwyconej przez mikrofon:

Ryc

Ryc. 7 Wykres obrazujący zmiany napięcia mierzonego woltomierzem zgodnie z ryc. 5 w przypadku źle dobranych w obwodzie podzespołów.

Z tego właśnie powodu do obliczeń schematu z ryc. 2 przyjmiemy spadek napięcia na rezystorze RC w wysokości 3V.

Pozostałe niezbędne założenia, które przyjęłam do obliczeń to:

IC = 10mA

UBE = 0,72V (tranzystor będzie znajdował się w stanie pracy liniowej)

β = 230

Zacznę od rezystancji rezystora RC:

RC = UC / IC

RC = 3V / 0,01A

RC = 300Ω

Rezystory R1 i R2 wraz z linią obwodu doprowadzającą prąd do bazy tworzą typowy dzielnik napięcia. Jak pamiętamy z lekcji 6 prąd w dzielniku powinien być 10-krotnie wyższy niż w linii obwodu łączącej go z bazą tranzystora: IDZ = 10 x IB

Obliczenie prądu bazy i prądu dzielnika nie powinno nam sprawić większych trudności:

IB = IC / β

IB = 0,01A / 230

IB = 43,5μA

IDZ = 10 x IB

IDZ = 10 x 43,5μA

IDZ = 435μA

Spadek napięcia na rezystorze R1 to nic innego jak napięcie zasilania minus UBE, czyli spadek napięcia na rezystorze R2.

UR1 = UZAŚ – UBE

UR1 = 6V – 0,72V

UR1 = 5,28V

Pozostało nam tylko obliczyć rezystancję rezystorów R1 i R2.

R1 = UR1 / IDZ

R1 = 5,28V / 435μA

R1 = 12,137kΩ

R2 = UBE / IDZ

R2 = 0,72V / 435μA

R2 = 1,65kΩ

Skoro obliczyliśmy układ z ryc. 2 pozostało nam już tylko stworzyć układ, który wzmacniałby dźwięk. A oto i on:

Ryc

Ryc. 8 Schemat wzmacniacza mikrofonowego.

Jak widzicie nasz schemat z ryc. 2 został użyty w dwóch powtórzeniach. Dlaczego?

Z jednej strony chodzi o większe wzmocnienie sygnału z mikrofonu. Jeden tranzystor byłby za słaby, a dźwięk wydobywający się z głośnika zbyt cichy.

Z drugiej strony obie części układu z tranzystorami są wzmacniaczami odwracającymi: pierwszy tranzystor odwraca sygnał w fazie o 180 stopni (ryc. 6b) względem sygnału pierwotnego (ryc. 6a). Drugi tranzystor odwraca sygnał z pierwszego tranzystora w fazie również o 180 stopni, a my w efekcie otrzymujemy sygnał nieodwrócony względem sygnału pierwotnego.

Przed głośnikiem znajduje się kondensator 100uF. Jaka jest jego funkcja? On usuwa składową stałą. Co to znaczy? Gdyby go tam nie było to przez nasz głośnik stale płynąłby prąd ograniczony rezystorem 300Ω stale płynąłby prąd, w sytuacji gdy:

  • tranzystor byłby wyłączony – cały prąd płynąłby do głośnika;
  • tranzystor byłby włączony – część prądu płynęłaby do głośnika, a część przez tranzystor.

Pamiętamy, że kondensator podłączony do źródła prądu stałego naładuje się i przestanie przewodzić prąd. Dlatego po zastosowaniu kondensatora prąd przez głośnik będzie przepływał tylko w sytuacji gdy tranzystor będzie wyłączony.

Kolejna kwestia – dlaczego pomiędzy jednym i drugim układem tranzystorowym dodano kondensator o bardzo małej pojemności (100nF)? Powody są dwa, a pierwszy z nich to usunięcie składowej stałej (identycznie jak to miało miejsce w przypadku kondensatora 100uF).

Drugi powód to wycięcie niskich tonów. Chodzi o to, że taki wzmacniacz mikrofonowy lepiej wzmacnia niskie tony niż wysokie, tzn. lepiej wzmacniałby piskliwy cienki głosik niż np. męski basowy głos (pojawiałyby się trzaski). Kondensator użyty w tym miejscu ma działać jak taki „filtr” wycinając niskie tony, a to wszystko przez reaktancje:

XC = 1 / 2πfC

XC – reaktancja [Ω]

C – pojemność [F]

f – częstotliwość [Hz]

Reaktancja to parametr kondensatora, który zależy od pojemności i częstotliwości. W naszym przypadku pojemność kondensatora jest stała, zmienia się tylko częstotliwość. Spadek częstotliwości spowoduje wzrost reaktancji, a tym samym słabsze przenoszenie niskich tonów.

Gdybyśmy użyli kondensatora o większej pojemności niż 100nF wzmacniacz lepiej wzmacniałby niskie tony.

W układzie z ryc. 8 pojawia się także rezystor 10kΩ. Do okładek mikrofonu musi dochodzić odpowiednie napięcie. Im to napięcie będzie większe (oczywiście w pewnym przedziale!) tym większa będzie czułość mikrofonu. Z dobraniem rezystora nie możemy przesadzić, ponieważ jeśli użyjemy rezystora o zbyt dużej rezystancji może się okazać, że do mikrofonu dochodzi zbyt małe napięcie, aby go zasilić. Ja doświadczalnie dobrałam rezystor 10kΩ.

Pozostał nam już tylko kondensator 1μF użyty pomiędzy mikrofonem a pierwszym tranzystorem. Identycznie jak w przypadku poprzedniego kondensatora chodzi o usunięcie składowej stałej i wycięcie niskich tonów. A dlaczego ma akurat taką pojemność. Cóż, w elektronice niekiedy jest tak, że pewne rzeczy trzeba przyjąć doświadczalnie. Oczywiście jest możliwość obliczenia najbardziej optymalnej pojemności tego kondensatora, ale niestety na obecnym etapie kursu jest to trudne i myślę że zbędne.

Skoro obliczyliśmy nasz układ pozostało nam jedynie przygotować:

1) głośnik – trzeba przylutować do niego przewody – plus i minus są oznaczone na spodzie jego obudowy:

Ryc

Ryc. 9 Głośnik z przylutowanymi przewodami.

2) mikrofon – tu także trzeba przylutować przewody (np. odcięte od rezystora nóżki) po spodniej stronie mikrofonu – punkt lutowniczy połączony z obudową to minus:

Ryc

Ryc. 10 Mikrofon z przylutowanymi przewodami.

A oto mój wzmacniacz mikrofonowy:

Ryc

Ryc. 11 Wzmacniacz mikrofonowy.