Σχεδιασμός PCB για ρομπότ ελεγχόμενο από κινητά: 10 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Έκανα αυτό το έργο το 2012 ως μικρό έργο μου. Αυτό το έργο εμπνεύστηκε από την ανάγκη για μια μέθοδο εξουδετέρωσης των απειλών χωρίς την άμεση παρέμβαση των ανθρώπων. Εκείνη την εποχή, η χώρα μου χτυπήθηκε σκληρά από τη βία που με παρακίνησε να αναπτύξω και ένα απλό όχημα ρομπότ που μπορεί να λειτουργήσει με οποιοδήποτε κινητό τηλέφωνο. Το ρομπότ ελέγχεται μέσω συχνοτήτων ήχου DTMF που του επιτρέπει να έχει ευρύτερη λειτουργική κάλυψη ακόμη και σε δίκτυα 2G. Σε αυτό το διδακτικό, θα επικεντρωθώ περισσότερο στο σχεδιασμό του PCB.

Προμήθειες

Αποκωδικοποιητής M8870 DTMF

89C51Μικροελεγκτής

Πρόγραμμα οδήγησης κινητήρα L293D

DC Motors

Πλαίσιο ρομπότ αυτοκινήτου

Κινητό τηλέφωνο

5v Ρυθμιζόμενη παροχή ρεύματος

Βήμα 1: Βασική δομή

Ας επιθεωρήσουμε τη βασική δομή του ρομπότ.

Το φορητό ακουστικό που εμφανίζεται εκεί χρησιμοποιείται για τον έλεγχο του ρομπότ. Κάνουμε μια κλήση στο ακουστικό που τοποθετείται μέσα στο ρομπότ, το ρομπότ δέχεται αυτόματα την κλήση και στη συνέχεια πρέπει να πατήσουμε κάθε πλήκτρο για να ελέγξουμε την κίνηση του ρομπότ, η οποία ελέγχεται με τη βοήθεια μικροελεγκτή που σχετίζεται με αυτό. Το ρομπότ μπορεί να μηδενιστεί με τη βοήθεια του εξωτερικού διακόπτη επαναφοράς. Κάθε διακόπτης διατίθεται για κάθε λειτουργία. Όταν πατηθεί το πλήκτρο που αντιστοιχεί στην κίνηση του ρομπότ, ο αποκωδικοποιητής DTMF θα αποκωδικοποιήσει τον τόνο που παράγεται στον δέκτη και στέλνει τον δυαδικό κώδικα στον μικροελεγκτή. Ο μικροελεγκτής είναι προγραμματισμένος με τέτοιο τρόπο ώστε όταν εντοπιστούν οι δυαδικοί κωδικοί που αντιστοιχούν στην κίνηση, ο μικροελεγκτής να δώσει την αντίστοιχη δυαδική είσοδο στο πρόγραμμα οδήγησης του κινητήρα. Ο οδηγός του κινητήρα θα ερμηνεύσει το σήμα και θα δώσει στον κινητήρα τις κατάλληλες τάσεις, το αλλάζει και περιστρέφει τον κινητήρα προς την αντίστοιχη κατεύθυνση.

Βήμα 2: ΑΠΟΚωδικοποιητής DTMF

Ο M8870 είναι ένας πλήρης δέκτης DTMF που ενσωματώνει τόσο το φίλτρο διαχωρισμού ζώνης όσο και τις λειτουργίες αποκωδικοποιητή σε ένα πακέτο DIP ή SOIC 18 ακίδων. Κατασκευασμένο με τεχνολογία διεργασίας CMOS, το M-8870 προσφέρει χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (μέγιστο 35 mW) και ακριβή χειρισμό δεδομένων. Το τμήμα φίλτρου του χρησιμοποιεί τεχνολογία πυκνωτή μεταγωγής για φίλτρα υψηλής και χαμηλής ομάδας και για απόρριψη τόνου κλήσης. Ο αποκωδικοποιητής του χρησιμοποιεί τεχνικές ψηφιακής καταμέτρησης για να ανιχνεύσει και να αποκωδικοποιήσει και τα 16 ζεύγη τόνων DTMF σε έναν κωδικό 4-bit. Ο αριθμός των εξωτερικών εξαρτημάτων ελαχιστοποιείται με την παροχή ενός διαφορικού ενισχυτή εισόδου στο τσιπ, μιας γεννήτριας ρολογιού και ενός κλειδωμένου διαύλου διεπαφής τριών καταστάσεων. Τα ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα που απαιτούνται περιλαμβάνουν ένα χαμηλού κόστους κρύσταλλο χρώματος 3,579545 MHz, μια αντίσταση χρονισμού και έναν πυκνωτή χρονισμού. Το M-8870-02 παρέχει μια επιλογή "power-down" η οποία, όταν είναι ενεργοποιημένη, μειώνει την κατανάλωση σε λιγότερο από 0,5 mW. Το M-8870-02 μπορεί επίσης να εμποδίσει την αποκωδικοποίηση των ψηφίων της τέταρτης στήλης.

Χαρακτηριστικά του M8870:

• Πλήρης δέκτης DTMF
• Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (35mw)
• Εσωτερικός ενισχυτής ρύθμισης κέρδους
• Ρυθμιζόμενοι χρόνοι απόκτησης και κυκλοφορίας
• Ποιότητα κεντρικού γραφείου
• Λειτουργία απενεργοποίησης (5mw)
• Μονό τροφοδοτικό 5 Volt
• Καταστολή τόνου κλήσης
• Λειτουργία αναστολής

Η τεχνική DTMF εξάγει μια ξεχωριστή αναπαράσταση 16 κοινών αλφαριθμητικών χαρακτήρων (0-9, A-D, *, #) στο τηλέφωνο. Η χαμηλότερη συχνότητα που χρησιμοποιείται είναι 697 Hz και η υψηλότερη συχνότητα είναι 1633Hz. Το πληκτρολόγιο DTMF είναι διατεταγμένο έτσι ώστε κάθε σειρά να έχει τη δική της μοναδική συχνότητα τόνου και επίσης κάθε στήλη θα έχει τη δική της μοναδική συχνότητα τόνου. Πάνω υπάρχει μια αναπαράσταση του τυπικού πληκτρολογίου DTMF και των σχετικών συχνοτήτων γραμμών/στηλών. Πατώντας ένα πλήκτρο, για παράδειγμα, 5, θα δημιουργηθεί ένας διπλός τόνος που αποτελείται από 770 Hz για τη χαμηλή ομάδα και 1336 Hz για την υψηλή ομάδα.

Βήμα 3: 89C51 MICROCONTROLLER

Ο μικροελεγκτής που χρησιμοποιούμε εδώ είναι AT89C51. Το AT89C51 είναι ένας μικροϋπολογιστής CMOS 8-bit χαμηλής ισχύος και υψηλής απόδοσης με 8K byte προγραμματιζόμενης και διαγραφής μνήμης μόνο για ανάγνωση (PEROM). Η συσκευή κατασκευάζεται με τη χρήση υψηλής πυκνότητας τεχνολογίας μη πτητικής μνήμης της Atmel και είναι συμβατή με το βιομηχανικό πρότυπο 80C51 και 80C52 με οδηγίες και pinout. Είναι μια μονάδα ελέγχου που μπορεί να προγραμματιστεί σύμφωνα με τις απαιτήσεις. Σε αυτό το έργο, δέχεται ότι λαμβάνεται ο δυαδικός κωδικός που αντιστοιχεί στον εντοπισμένο τόνο και ο δυαδικός κώδικας για την οδήγηση των κινητήρων θα σταλεί στο IC του οδηγού.

Χαρακτηριστικά:

• Προϊόν της ATMEL
• Παρόμοιο με το 8051
• Μικροελεγκτής 8 bit
• Χρησιμοποιεί μνήμη EPROM ή FLASH
• Προγραμματιζόμενος πολλαπλής ώρας (MTP)

Το ATMEL89C51 διαθέτει συνολικά 40 ακίδες που είναι αφιερωμένες σε διάφορες λειτουργίες όπως I/O, RD, WR, διεύθυνση και διακοπές. Από 40 ακίδες, συνολικά 32 ακίδες διαχωρίζονται για τις τέσσερις θύρες P0, P1, P2 και P3, όπου κάθε θύρα παίρνει 8 ακίδες. Οι υπόλοιπες ακίδες ορίζονται ως Vcc, GND, XTAL1, XTAL, RST, EA και PSEN. Όλες αυτές οι καρφίτσες εκτός από PSEN και ALE χρησιμοποιούνται από όλα τα μέλη των οικογενειών 8051 και 8031.

Βήμα 4: L293D MOTOR DRIVER

Οι δύο κινητήρες κινούνται χρησιμοποιώντας το IC οδηγού κινητήρα L293D. Το L293D είναι ένα τετραπλό IC μισό-γέφυρας αμφίδρομης οδήγησης κινητήρα που μπορεί να οδηγήσει ρεύμα έως 600mA με εύρος τάσης 4,5 έως 36 βολτ. Είναι κατάλληλο για οδήγηση μικρών κινητήρων DC-Geared, διπολικού βηματικού κινητήρα κ.λπ.

Χαρακτηριστικά του L293D:

• Δυνατότητα εξόδου ρεύματος 600ma ανά κανάλι
• 1.2A κορυφαίο ρεύμα εξόδου (μη επαναλαμβανόμενο) ανά κανάλι
• Ενεργοποιήστε την προστασία FacilityOver-temperature
• Λογική τάση εισόδου "0" έως 1,5 v (υψηλή ασυλία θορύβου)
• Εσωτερικές δίοδοι σφιγκτήρα

Οι L293D είναι τετραπλές μονάδες υψηλής τάσης μισού Η. Το L293D έχει σχεδιαστεί για να παρέχει αμφίδρομο ρεύμα κίνησης έως 600 mA σε τάσεις από 4,5V έως 36 V. Και οι δύο μονάδες κίνησης έχουν σχεδιαστεί για να κινούν ένα επαγωγικό φορτίο, όπως ρελέ, ηλεκτρομαγνητικό, DC και διπολικό βηματικό κινητήρα, καθώς και υψηλό ρεύμα/ φορτία υψηλής τάσης σε θετικές εφαρμογές τροφοδοσίας. Το L293D αποτελείται από τέσσερις εισόδους με ενισχυτές και κυκλώματα προστασίας εξόδου. Οι μονάδες δίσκου είναι ενεργοποιημένες σε ζεύγη, με τις μονάδες 1 & 2 ενεργοποιημένες με 1, 2 EN και οι μονάδες 3 & 4 με 3, 4 EN. Όταν μια είσοδος ενεργοποίησης είναι υψηλή, το σχετικό πρόγραμμα οδήγησης είναι ενεργοποιημένο και οι έξοδοι τους είναι ενεργές και σε φάση με τις εισόδους τους.

Βήμα 5: Μονάδα τροφοδοσίας

Οι μπαταρίες DC χαμηλής κατανάλωσης έρχονται με κατάλληλη ονομαστική τάση 5V- 9V και ρεύμα μέγιστου. 1000mA. Για τη λήψη ρυθμιζόμενης τάσης συνεχούς ρεύματος, χρησιμοποιήθηκαν ρυθμιστές τάσης. Τα IC του ρυθμιστή τάσης διατίθενται με σταθερές (συνήθως 5, 12 και 15V) ή μεταβλητές τάσεις εξόδου. Επίσης βαθμολογούνται από το μέγιστο ρεύμα που μπορούν να περάσουν. Διατίθενται αρνητικοί ρυθμιστές τάσης, κυρίως για χρήση σε διπλές παροχές. Οι περισσότεροι ρυθμιστές περιλαμβάνουν κάποια αυτόματη προστασία από υπερβολικό ρεύμα («προστασία από υπερφόρτωση») και υπερθέρμανση («θερμική προστασία»). Πολλά από τα IC σταθερού ρυθμιστή τάσης έχουν 3 αγωγούς και μοιάζουν με τρανζίστορ ισχύος, όπως ο ρυθμιστής 7805 (+5V, 1A) που εμφανίζεται στα δεξιά. Περιλαμβάνουν μια τρύπα για τη στερέωση μιας ψύκτρας εάν είναι απαραίτητο.

Βήμα 6: Προγραμματισμός

Το λογισμικό Keil uVision χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη του προγράμματος για το 89C51 και το Orcad Capture / Layout χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό και την κατασκευή του προσαρμοσμένου μας PCB.

Όλοι οι τύποι της σειράς MT8870 χρησιμοποιούν τεχνικές ψηφιακής καταμέτρησης για να ανιχνεύσουν και να αποκωδικοποιήσουν όλα τα 16 ζεύγη τόνων DTMF σε έξοδο κώδικα 4-bit. Το ενσωματωμένο κύκλωμα απόρριψης τόνου κλήσης εξαλείφει την ανάγκη για προ-φιλτράρισμα όταν το

Το σήμα εισόδου δόθηκε στον ακροδέκτη 2 (IN-) στη διαμόρφωση εισόδου με ένα άκρο αναγνωρίζεται ότι είναι αποτελεσματική, το σωστό σήμα αποκωδικοποίησης 4 bit του τόνου DTMF μεταφέρεται μέσω εξόδου Q1 (pin11) έως Q4 (pin 14) στην οι ακίδες εισόδου P1.0 (pin 1) έως P1.3 (pin 4) της θύρας 1 του 89C51 IC. Το AT89C51 είναι η μονάδα ελέγχου. Σε αυτό το έργο, δέχεται ότι λαμβάνεται ο δυαδικός κωδικός που αντιστοιχεί στον εντοπισμένο τόνο και ο δυαδικός κώδικας για την οδήγηση των κινητήρων θα σταλεί στο IC του οδηγού. Η έξοδος από τους ακροδέκτες θύρας P2.0 έως P2.3 του μικροελεγκτή τροφοδοτείται στην είσοδο IN1 έως IN4 του οδηγού κινητήρα L293D, αντίστοιχα, για την οδήγηση δύο κινητήρων συνεχούς ρεύματος. Χρησιμοποιείται επίσης χειροκίνητος διακόπτης επαναφοράς. Η έξοδος του μικροελεγκτή δεν επαρκεί για την οδήγηση των κινητήρων DC, επομένως απαιτούνται τρέχοντα προγράμματα οδήγησης για περιστροφή του κινητήρα. Το L293D αποτελείται από τέσσερις οδηγούς. Το pin IN1 έως IN4 και το out1 σε όλο το 4 είναι οι ακίδες εισόδου και εξόδου, αντίστοιχα, του οδηγού 1 στο πρόγραμμα οδήγησης4.

Βήμα 7: Πρόγραμμα

ORG 000Η

ΑΡΧΗ:

MOV P1, #0FH

MOV P2, #000Η

L1: MOV A, P1

CJNE A, #04H, L2

MOV A, #0AH

MOV Ρ2, Α

LJMP L1

L2: CJNE A, #01H, L3

MOV A, #05Η

MOV Ρ2, Α

LJMP L1

L3: CJNE A, #0AH, L4

MOV A, #00Η

MOV Ρ2, Α

LJMP L1

L4: CJNE A, #02H, L5

MOV A, #06H

MOV Ρ2, Α

LJMP L1

L5: CJNE A, #06H, L1

MOV A, #09Η

MOV Ρ2, Α

LJMP L1

ΤΕΛΟΣ

Βήμα 8: ΣΥΝΔΕΣΗ PCB

Η κατασκευή του PCB ολοκληρώθηκε σε 4 βήματα:

1. Σχεδιασμός διάταξης εξαρτημάτων

2. Σχεδιασμός διάταξης PCB

3. Γεώτρηση

4. Χάραξη του PCB

Τα εξαρτήματα PCB δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό Orcad Capture και εισήχθησαν στο Orcad Layout για το σχεδιασμό των συνδέσεων. Στη συνέχεια, η διάταξη καθρεφτίστηκε για εκτύπωση στην καθαρισμένη σανίδα χαλκού. Μετά την εκτύπωση (χρησιμοποιήσαμε έναν εκτυπωτή με βάση βαφή σε σκόνη για να εκτυπώσουμε τη διάταξη σε λευκό χαρτί και χρησιμοποιήσαμε ένα σιδερένιο κουτί για να θερμάνουμε και να μεταφέρουμε την εντύπωση στην επιφάνεια του χαλκού. Ο επιπλέον χαλκός χαράχθηκε χρησιμοποιώντας διάλυμα χλωριούχου σιδήρου και μια μικρή ποσότητα υδροχλωρικού οξέος χρησιμοποιήθηκε ως καταλύτης. Αφού χαράχτηκε σωστά, οι τρύπες ανοίχτηκαν χρησιμοποιώντας ένα φορητό τρυπάνι PCB. Τα εξαρτήματα αγοράστηκαν και συγκολλήθηκαν προσεκτικά στον πίνακα. Όσον αφορά τα IC, τα στερεώματα συγκολλήθηκαν πρώτα πάνω στα οποία τοποθετήθηκαν τα IC.

Βήμα 9: Δοκιμή

Για να λειτουργήσει το ρομπότ όπως αναμενόταν, ενεργοποιήσαμε την αυτόματη απάντηση στο κινητό τηλέφωνο NokiaC1-02 που χρησιμοποιήσαμε ως δέκτη στο ρομπότ. Έτσι, κάθε φορά που κάποιος καλεί αυτόν τον αριθμό, το κινητό τηλέφωνο απαντά αυτόματα. Όταν ο καλών πατάει έναν διακόπτη τόνου, το ακουστικό δέκτη το λαμβάνει και το στέλνει στον αποκωδικοποιητή DTMF μέσω εξόδου ήχου. Ο αποκωδικοποιητής αποκωδικοποιεί το πλήκτρο που πατήθηκε και ειδοποιεί τον μικροελεγκτή 89C51. Στη συνέχεια, ο μικροελεγκτής εκδίδει τις κατάλληλες εντολές ελέγχου στο ρομπότ μέσω των οδηγών κινητήρα.

Βήμα 10: Αναφορές

www.keil.com/dd/docs/datashts/atmel/at89c51_ds.pdf