DEDALO. Motori passo-passo Ruota motrice n.1 Ruota motrice n.2. Ruota di snodo. avanti

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2 DEDALO Dedalo è il nome di un progetto nato con l intento di realizzare automa in grado di riconoscere labirinti (creati con strisce di colore nero su pavimenti o cartoncino bianco, aventi incroci perpendicolari) e risolverli; per poter fare questo ha bisogno di vedere e muoversi nello spazio. Il sistema mobile è realizzato da un robot a 3 ruote di cui 2 motrici e una ruota posteriore di appoggio e snodo. Le 2 ruote motrici sono mosse da due motori passo (50 step - bipolari) questi motori hanno la caratteristica di essere mossi attraverso piccoli passi di alcuni gradi e questo permette all automa di muoversi con precisione e di conoscere perfettamente la sua posizione. Per eseguire una svolta basta bloccare una ruota oppure per ruotare su se stessi si muovono le due ruote in verso opposto (figure sottostanti). Il sistema di controllo è formato da 4 parti: alimentatore, sensori, microcontrollore e circuito di potenza per i motori. Motori passo-passo Ruota motrice n.1 Ruota motrice n.2 Ruota di snodo avanti Gira a destra Gira a sinistra Ruota a destra Ruota a sinistra

3 ALIMETAZIOE La parte principale dello schema di alimentazione è il regolatore di tensione 7805, esso ha il compito di regolare a 5V la tensione proveniente dalla batteria, che è di 12V(1,3Ah). Il 7805 è in grado di erogare fino ad 1A, esso non richiede circuito esteri di protezione in quando è provvisto di una efficiente protezione interna. Visto che la tensione effettiva di dropout è di 7V (Vi-Vo=12-5) è necessario un dissipatore, questo è stato determinato durante le prove del prototipo. I condensatori, 2 da 10uF elettrolitici e 2 da 100nF poliestere,servono per livellare gli eventuali disturbi di alimentazione. Sulla scheda è presente un interruttore che interrompe la linea dei 12V a monte del regolatore quindi tutta l alimentazione al robot. È anche dotata di un jack interruttore in modo da potere collegare il carica batteria, inserendo lo spinotto le 2 polarità vanno direttamente sui morsetti della batteria isolando il resto del circuito d alimentazione. Su questa scheda sono posizionati tutti i connettori per collegare le alimentazioni delle singole schede.

4 SESORI IFRAROSSI La parte dei sensori è formata dai sensori a infrarossi, dal circuito di condizionamento e dai led di visualizzazione. -I led a infrarossi: hanno la funzione di illuminatori ed emettono una luce fuori dal visibile precisamente nel campo degli infrarossi (in fase di studio del prototipo si è utilizzato una normale telecamera per controllare il corretto funzionamento). - I sensori a Infrarossi: si è utilizzato i fotodiodi ( PW41 ) che sono sensibili a una parte dello spettro della luce con una lunghezza d onda Lambda compresa fra 850 nm e 1050 nm, quindi sensibili a una parte dell infrarosso (780 nm - 1 mm).

5 In polarizzazione diretta sono considerati dei diodi standard Fig. 1 mentre in polarizzazione inversa, come si può vedere in figura 1, la corrente che lo attraversa dal anodo verso il catodo è proporzionale con una legge fisica alla intensità luminosa che colpisce la giunzione del diodo, quindi in caso di buio (inteso nella lunghezze d onda a cui è sensibile) il diodo in polarizzazione inversa non conduce corrente, questo idealmente, perché in realtà viene percorso da 2 30 na. Sempre idealmente in questo caso il fotodiodi viene considerato un circuito aperto con hai suoi capi la tensione di alimentazione (fig. 2b). Fig.2 +VCC +VCC +VCC R R R Vo Vo = VCC I Vo = VCC - RI I I = 0 a) All aumentare della illuminazione all infrarosso aumenta logaritmicamente il passaggio di corrente, quindi la tensione hai capi del fotodiodo e pari a Vo = Vcc - I R (fig. 2c fig. 3). La caratteristica intrinseca sfruttata dai fotodiodi è molto semplice, se viene irradiata una giunzione P- si ha un aumento maggiore dei portatori minoritari rispetto a quella dei portatori maggioritari e quindi un aumento della corrente inversa. Fig. 3 Tutto il sistema si basa sulla proprietà di riflessione delle onde luminose sulle superficie chiare e non riflessione su quelle scure, dovute al fatto che i colori scuri o meglio il nero, riesce a trattenere una buona parte delle radiazioni luminose. Quindi la tensione hai capi del fotodiodo è inversamente proporzionale alla chiarezza della superficie su cui si riflette la luce all infrarosso. La resistenza su cui cade tensione al passaggio della corrente è composta da un trimmer e una resistenza in questo modo si può variare il valore di resistenza tra R+Rtrim e R. Aumentando la resistenza si incrementa la sensibilità del sensore, questo è vero perché considerando il fotodiodo un generatore ideale di corrente già con un piccolo flusso di corrente si a una caduta di tensione sulla resistenza accettabile. Quindi con un alto valore di resistenza sarà necessario una minore intensità luminosa per avere una variazione di Vo rispetto a quella necessaria con una bassa resistenza. b) c)

6 Il circuito di condizionamento è formato da degli operazionali(lm324) in configurazione comparatore non invertente,si è scelto di realizzare il circuito di condizionamento con operazionali anche perché presentano una resistenza di ingresso considerevolmente alta, quindi c è un basso assorbimento di corrente dai sensori ( na), questo evita, visto le bassissime correnti circolati sui fotodiodi, di influenzare il livello di tensione prelevato dai sensori, anche se in caso di buio la misura viene in parte alterata dall assorbimento degli operazionali. Il livello di tensione a cui commutano le uscite è determinato da un partitore di tensione costituito da un trimmer, in questo modo possiamo agire sul livello a cui viene distinto se il sensore è posizionato sul bianco o sul nero. ell ambiente sono presenti disturbi dovuti a degli infrarossi generati da svariate fonti, per evitare questi disturbi si potrebbe modulare l illuminazione dei led a infrarossi a una determinata frequenza e in ricezione si potrebbe posizionare un rivelatore di tono (E567) che riveli quella determinata frequenza a cui viene ricevuta la luce a infrarossi riflessa. In fase di progettazione del prototipo si è scelto di non utilizzare nessun sistema di modulazione perché si è notato che i disturbi sono di piccola intensità e non influenzano il riconoscimento di una zona bianca o nera, naturalmente questo è vero se si tiene il livello di commutazione e la sensibilità entro certi limiti. La visualizzazione è stata utilizzata soprattutto in fase di progettazione per studiare certi funzionamenti e alcuni comportamenti in determinate situazioni, in oltre è utile durante la regolazione dei trimmer, che per un corretto funzionamento andrebbero tarati ogni qual vota si cambia l ambiente di lavoro.(es. luce dell ambiente, ecc.)

7 PARTE DI POTEZA Il cuore del circuito di potenza sono due L298, che sono degli integrati con al loro interno due ponti H gli ingressi sono compatibili TTL, le uscite presentano una tensione di uscita pari al volume di ( Vs 12V) e sono collegate a connettori per i motori. I ponti H presentano il vantaggio di non utilizzare l alimentazione duale rispetto al ponte a T, un altro vantaggio dei L298 è quello di isolare la parte logica da quella di potenza. Le basi dei transistor sono comandate da porte logiche, quest ultime permettono la funzione dell enable (attivazione) sull intero ponte e comandano le quattro basi con l impiego di soli 2 ingressi. Imponendo In 1 a un livello logico alto e In 2 ad uno basso avremo che su OUT1 è presente Vs mentre OUT2 è a massa. Invertendo i livelli logici degli ingressi avremo un inversione delle tensioni di uscita fra OUT1 e OUT2, con conseguente inversione del flusso di corrente.

8 Sulle uscite sono collegati dei diodi di libera circolazione per non far scaricare sul L298 i picchi positivi ( superiori a VS ) e negativi ( inferiori a GD ) dovuti all induttanza dei motori. I pin di Rsense vengono attraversati da tutta la corrente e sono collegati a delle resistenza da 5W per limitarla, con dei jumper è possibile scollegare queste resistenze oppure cortocircuitare per avere tutto il passaggio di corrente. È necessario limitare la corrente a causa delle caratteristiche dei motori, infatti con il massimo flusso di corrente gli L298 vanno in protezione termica entro pochi minuti dall accensione non riuscendo a dissipare tutta la potenza attraverso i dissipatori. Di fatto anche limitando la corrente attraverso le resistenze è necessario collegare ai due L298 un dissipatore a causa delle notevoli potenze in gioco. I jumper sono stati posti anche per un eventuale collegamento con una scheda di misurazione di corrente.

9 MICROCOTROLLORE Come sappiamo bene, non ci sarebbe coordinazione tra le nostre gambe ed i nostri occhi se non ci fosse il cervello; lo stesso accade in Dedalo, tutto sarebbe inutile se non esistesse il microcontrollore (PIC), vale a dire un componente che integra al suo interno tutti i circuiti che lo rendono totalmente indipendente (CPU, Memoria, periferica di I/O, ecc...), in parole povere un vero e proprio mini-computer a bordo. La scheda del microcontrollore ha la funzione rendere il PIC16F84 in grado di lavorare,quindi alimentare il circuito integrato, fornire al pic con un quarzo da 4MHz la frequenza di lavoro; porta anche a +5V attraverso una resistenza il pin MCLR con la possibilità di resettare il pic con un pulsante.questa scheda alimenta anche il modulo aureal RTX data SAW per la trasmissione dei dati via radio e da qui partono i collegamenti atti a comandare le altre schede di Dedalo. Il PIC quindi elabora i dati inviati dalla scheda dei sensori attraverso un software presente al suo interno, precedentemente programmato, e comanda i due motori in base alle informazioni ricevute attraverso al scheda di potenza.

10 SOFTWARE ; ;--- Gruppo: indi Gianni Conti Emanuel ;--- Classe: Vet ;--- Anno: 2002/2003 ; ICLUDE "macro.inc" ICLUDE "P16f84.inc" ICLUDE "ascii.inc" LIST P=PIC16F84 COFIG 0x3FF1 ; ERRORLEVEL -302 ; EQU DELLE DEI FILE USATI EL PROGRAMMA ORG 0x0C P_COM_1 EQU 0x0C ;puntatori della tabella delle fasi dei motori 1 e 2 P_COM_2 EQU 0x0D ; VERSO_1 EQU 0x0E ;contengono i versi dei motori VERSO_2 EQU 0x0F ;1=avanti 0=fermo -1=indietro VEL EQU 0x10 ;regola la velocità dei motori C_VEL EQU 0x11 ;contatore per la velocità C1 EQU 0x12 ;contatori utilizzati nella routine di delay C2 EQU 0x13 ; R1 EQU 0x14 ;valori per il ritardo minimo R2 EQU 0x15 ; FASI_1 EQU 0x16 ;contengono la combinazione istantanea FASI_2 EQU 0x17 ; delle fasi dei motori STEP_1 EQU 0x18 ;contiene i numeri di passi fatti dai motori 1 e 2 STEP_2 EQU 0x19 ; STEP EQU 0x1A ;contatore inverso dei passi da eseguire DIREZIOE EQU 0x1 C_IT EQU 0X1C YTE_TX EQU 0x1D

11 ; EQU DEI SETTAGGI SET_R1 EQU 251 ;delay minimo (parte bassa) SET_R2 EQU 13 ;(parte alta) STEP_90 EQU 100 ;passi per ruotare di 90 STEP_180 EQU 255 ;passi per ruotare di 180 STEP_CETRO EQU 30 ;passi per posizionare i sensori al centro ;dell'incrocio STEP_ASSE EQU 80 ;passi per posizionare l'asse al centro dell'incrocio ULL EQU 0 ;carattere di allineamento ; DEFIE #DEFIE S_EST_S RA4 ;sensore sinistro esterno #DEFIE S_IT_S RA3 ;sensore sinistro interno #DEFIE S_IT_D RA2 ;sensore destro interno #DEFIE S_EST_D RA1 ;sensore destro esterno #DEFIE PI_TX RA0 ;tx data saw ; IIZIO PROGRAMMA PRICIPALE (MAI) ORG 0x00 ; IIZIALIZZAZIOE DELLE PORTE E DELLE IMPOSTAZIOI DEL PIC --- AK1 bcf bcf AK0 OPTIOS,5 OPTIOS,3 TRISA,b' ' TRIS,b' ' ; AZZERAMETO E IMPOSTAZIOI DEI FILE P_COM_1,0 P_COM_2,0 VERSO_1,1 VERSO_2,1 VEL,1 FASI_1,0 FASI_2,0

12 ; IIZIO LOOP PRICIPALE ; RITARDO IIZIALE R1,0 R2,0 call call DELAY2 DELAY2 ; PROGRAMMA DEDALO ripeti btfsc S_EST_D ;controlla i sensori esterni goto incrocio ;se sono sul nero vai a incrocio btfsc S_EST_S ;altrimenti continua goto incrocio call CTRL_LIEA_IT call MUOVI goto ripeti incrocio STEP,STEP_CETRO VERSO_1,1 VERSO_2,1 call MUOVI_STEP call call goto CTRL_GIRA GIRA ripeti ; FIE MAI

13 ; IIZIO SOTTO PROGRAMMI ; MUOVE DI U PASSO IL MOTORE PASSO-PASSO.1 (SIISTRA) STEP_PP_1 ADDFF P_COM_1,VERSO_1 ;somma al puntatore il verso ADFL P_COM_1,b' ' ;prende i 3 bit meno significativi del ;puntatore call TA_COM_1 ;chiama la tabella di look up ;delle fasi movwf FASI_1 ;metti il valore restituito in FASI_1 iorwf FASI_2,W ;FASI_1 or FASI_2 => W movwf PORT ;W => PORT incf STEP_1,F ;incrementa i passi ; MUOVE DI U PASSO IL MOTORE PASSO-PASSO.2 (DESTRA) STEP_PP_2 ADDFF P_COM_2,VERSO_2 ;somma al puntatore il verso ADFL P_COM_2,b' ' ;prende i 3 bit meno significativi ;del puntatore call TA_COM_2 ;chiama la tabella di look up ;delle fasi movwf FASI_2 ;metti il valore restituito in FASI_2 iorwf FASI_1,W ;FASI_2 or FASI_1 => W movwf PORT ;W => PORT incf STEP_2,F ;incrementa i passi

14 ; TAELLA DI COMADO DELLE FASI DEL MOTORE TA_COM_1 ADDFF PCL,P_COM_1 retlw b' ' ;mezzo passo retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' ;retlw b' ' ;passo singolo ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;doppia fase ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;retlw b' ' ; TAELLA DI COMADO DELLE FASI DEL MOTORE TA_COM_2 ADDFF PCL,P_COM_2 retlw b' ' ;mezzo passo retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' retlw b' ' ;retlw b' ' ;passo singolo ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;doppia fase ;retlw b' ' ;retlw b' ' ;retlw b' '

15 ; COTROLLA LA VELOCITA' GEERALE DEI MOTORI CTRL_VEL MOVFF ritardo call decfsz goto C_VEL,VEL R1,SET_R1 R2,SET_R2 DELAY2 C_VEL,F ritardo ; MUOVE MOT_PP_1,MOT_PP_2 CTRL_VEL E IVIA I DATI AL PC MUOVI call STEP_PP_1 ;muovi di un passo il motore 1 call STEP_PP_2 ;muovi di un passo il motore 2 call CTRL_VEL ;ritardo ; MUOVE IL ROOT DEI PASSI COTEUTI EL WORK REGISTER MUOVI_STEP next_step call MUOVI ;muove di un passo i 2 motori decf STEP,F ;decrementa i numero dei passi FTRZ STEP ;ritorna se i passi sono 0 goto next_step ; ESEGUE U RITARDO DEL PROGRAMMA DI U TEMPO DELAY2 MOVFF MOVFF delay decfsz C1,1 goto delay decfsz C2,1 goto delay C2,R2 C1,R1

16 ; ESEGUE U RITARDO PARI A 4*W DELAY1 movwf d1 nop decfsz goto C1 C1,F d1 ; SEGUE UA LIEA ERA USADO I DUE SESORI IR ITERI CTRL_LIEA_IT btfss S_IT_S ;controlla il sensore interno sinistro, goto destra ;se è sul nero vai a destra btfss S_IT_D ;controlla il sensore interno destro, goto sinistra ;se è sul nero vai a sinistra avanti destra sinistra ;i sensori interni sono entrambi sul nero VERSO_1,1 ;imposta entramabi i versi dei motori VERSO_2,1 ;per andare avanti ;il sensore interno di sinistra è sul bianco VERSO_1,0 ;imposta i versi dei motori per andare a destra VERSO_2,1 ;il sensore interno di destra è sul bianco VERSO_1,1 ;imposta i versi dei motori per andare a sinistra VERSO_2,0

17 ; SEGUE UA LIEA ERA USADO I DUE SESORI IR ESTERI CTRL_LIEA_EST btfsc goto btfsc goto avanti_2 sinistra_2 destra_2 S_EST_S sinistra_2 S_EST_D destra_2 VERSO_1,1 VERSO_2,1 VERSO_1,1 VERSO_2,0 VERSO_1,0 VERSO_2,1

18 ;--- COTROLLO DA CHE PARTE PUO GIRARE E SCELTA DI DOVE GIRARE -- CTRL_GIRA DIREZIOE,-1 btfss S_EST_S ;controlla tutti i sensori goto next ;se sono tutti sul nero btfss S_EST_D ;è giunto alla fine del labirinto goto next btfss S_IT_S goto next btfss S_IT_D goto next VERSO_1,1 VERSO_2,-1 qui call MUOVI goto qui next incf DIREZIOE,F ;incrementa la direzione ADDFF PCL,DIREZIOE ;la prima volta passa da -1 a 0 goto g_destra ;e controlla a destra goto g_avanti ;la seconda volta controlla avanti goto g_sinistra ;la terza volta controlla a sinstra ;la quarta volta torna indietro g_destra btfss S_EST_D ;se il sensore esterno di destra è goto next ;sul nero continua,altrimenti prova un'altra ;direzione g_sinistra btfss S_EST_S ;se il sensore esterno di sinistra è goto next ;sul nero continua,altrimenti prova un'altra ;direzione g_avanti btfsc S_IT_D ;se almeno uno dei due sensori esterni è sul nero ;continua,altrimenti prova un'altra direzione btfsc S_IT_S goto next

19 ; ESEGUE LA SVOLTA PREDEDO LA DIREZIOE DA DIREZIOE GIRA ADDFF PCL,DIREZIOE ;somma al PCL la direzione goto s_destra ;seleziona il salto da eseguire goto s_avanti goto s_sinistra goto s_dietro s_avanti VERSO_1,1 ;imposta entrambi i motori avanti VERSO_2,1 STEP,STEP_CETRO call MUOVI_STEP ;avanza per fare uscire i sensori ;dall'incrocio s_destra VERSO_1,1 ;imposta i motori per andare avanti VERSO_2,1 STEP,STEP_ASSE ;avanza per centrare l'asse dei motori con il call MUOVI_STEP ;centro dell'incrocio VERSO_1,-1 ;imposta il verso e il numero di passi VERSO_2,1 ;dei motori per girare a destra di 90 STEP,STEP_90 goto svolta s_sinistra VERSO_1,1 ;imposta entrambi i motori avanti VERSO_2,1 STEP,STEP_ASSE ;avanza per centrare l'asse dei motori con il call MUOVI_STEP ;centro dell'incrocio VERSO_1,1 ;imposta il verso e il numero di passi VERSO_2,-1 ;dei motori per girare a destra di 90 STEP,STEP_90 goto svolta s_dietro VERSO_1,1 ;imposta entrambi i motori avanti VERSO_2,1 STEP,STEP_ASSE ;avanza per centrare l'asse dei motori con il call MUOVI_STEP ;centro dell'incrocio VERSO_1,-1 ;imposta il verso e il numero di passi VERSO_2,1 ;dei motori per girare a destra di 90 STEP,STEP_180 goto svolta

20 svolta call MUOVI_STEP ;esegue il movimento preimpostato assetta call MUOVI ;muove di un passo i motori con la ;direzione precedente btfss S_IT_D ;controlla i sensori interni goto assetta ;se entrambi sono sul nero continua btfss S_IT_S ;atrimenti torna a fare un altro passo goto assetta

21 ; ; IVIA 4800 bps con 4MHz ; IVIA_W movwf YTE_TX movlw d'8' movwf C_IT bcf PI_TX nop nop nop nop nop bsend movlw d'48' call DELAY1 rrf YTE_TX,F btfss CF goto lsend goto hsend hsend bsf PI_TX goto nsend lsend nop bcf PI_TX goto nsend nsend decfsz C_IT,F goto bsend movlw d'49' call DELAY1 nop bsf PI_TX movlw d'52' call DELAY1 ; FIE DELLE SUROUTIE ED

22 DIAGRAMMA DI FLUSSO Inizio Inizializzazione Ritardo iniziale S est Dx? S est Sx? Ctrl linea int Muovi Step <= Step centro Verso1 <= Avanti Verso2 <= Avanti Muovi step Ctrl gira Gira

23 Step pp 2 Step pp 1 P Com 2 =++ Verso P Com 2& 0x03 P Com 1 =++ Verso P Com 1& 0x03 Tab Com 2 Tab Com 1 W => Fase 2 W <= Fase 2 or Fase 1 W => Port W => Fase 1 W <= Fase 1or Fase 2 W => Port Ctrl Vel Muovi Muovi Step Cn Vel <= vel RH <= SET RH RL <= SET RL Step pp 1 Muovi Delay 2 Step pp 2 Step =-- 1 Cn Vel =-- 1 Ctrl Vel Step? 0 0 Cn Vel? Return 0 0 Return Return

24 Delay 2 Ctrl linea int CL <= RL CH <= RH S int DX CL =-- 1 CL? 0 0 S int SX CH =-- 1 CH? 0 Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Avanti 0 Return Return Delay 1 Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Stop W => CL CL =-- 1 Return CL? 0 0 Verso 1 <= Stop Verso 2 <= Avanti Return Return

25 Ctrl gira Direzione <= -1 S int DX S int SX S est DX S est DX S est SX Return S int SX FIE LAIRITO Direzione =++ 1 PLC =++ Direzione S int DX 0 1 Return 2 S est SX 3 Return Return

26 Gira PLC =++ Direzione Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Avanti Step <= Step asse Muovi step Verso 1 <= Indietro Verso 2 <= Avanti Step <= Step 90 Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Avanti Step <= Step asse Muovi step Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Avanti Step <= Step centro Verso 1 <= Indietro Verso 2 <= Avanti Step <= Step 180 Muovi step Muovi step Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Avanti Step <= Step asse Muovi Muovi step S int DX Verso 1 <= Avanti Verso 2 <= Indietro Step <= Step 90 S int SX Return