1697

модуль GSM и другие беспроводные интерфейсы;

USB Host;

SD card;

модуль управления низковольтным мотором на базе L298. Поддержи-

ваются шаговый и коллекторный двигатели с напряжением до 12В и током до 2А на канал. Могут подключаться также реле, электромагниты и т. п. Мо-

дуль не имеет гальванической развязки;

графический ЖКИ индикатор;

модуль с макетным полем.

Сторонние производители выпускают широкую гамму датчиков и ис-

полнительных устройств, подключаемых к Ардуино. Например, гироскопы,

компасы, манометры, гигрометры, термометры, релейные модули, индикато-

ры, клавиатуры и т. п.

Ардуино обладает несколькими способами общения с другими Ардуи-

но, микроконтроллерами и обычными компьютерами. Платформа позволяет установить последовательное (Serial UART TTL) соединение через контакты

0 (RX) и 1 (TX). Установленный на платформе чип ATmega16U2 транслирует это соединение через USB: на компьютере становится доступен виртуальный

COM-порт. Программная часть Ардуино включает утилиту, которая позволя-

ет обмениваться текстовыми сообщениями по этому каналу.

Встроенные в плату светодиоды RX и TX светятся, когда идёт передача данных между чипом ATmega162U и USB компьютера.

Отдельная библиотека позволяет организовать последовательное со-

единение с использованием любых других контактов, не ограничиваясь штатными 0 и 1.

С помощью отдельных плат расширения становится возможной орга-

низация других способов взаимодействия, таких как ethernet-сеть, радиока-

нал, Wi-Fi.

Платформа состоит из аппаратной и программной частей; обе чрезвы-

чайно гибки и просты в использовании. Программирование ведется целиком через собственную программную оболочку (IDE), бесплатно доступную с сайта Ардуино. В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер про-

ектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер Микроконтроллер на плате программируется при помощи упрощенной версии С++, известной как язык Ардуино (основан на язы-

ке Wiring) и среды разработки Ардуино (основана на среде Processing).

Проекты устройств, основанные на Ардуино, могут работать самостоя-

тельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на компь-

ютере. Платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или купле-

ны в сборе. Программное обеспечение доступно для бесплатного скачивания.

Исходные чертежи схем (файлы CAD) являются общедоступными, пользова-

тели могут применять их по своему усмотрению. Поддерживаются операци-

онные системы Windows, MacOS X и Linux.

Закачка программы в микроконтроллер Ардуино происходит через предварительно запрограммированный специальный загрузчик. Загрузчик создан на основе Atmel AVR Application Note AN10 и может работать через интерфейсы RS-232, USB или Ethernet в зависимости от состава периферии конкретной процессорной платы. В некоторых вариантах, таких как Ардуино

Mini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется от-

дельный переходник. Пользователь может самостоятельно запрограммиро-

вать загрузчик в чистый микроконтроллер. Для этого в IDE интегрирована поддержка программатора на основе проекта AVRDude.

Ардуино обладает предохранителем, защищающим USB-порты вашего компьютера от перенапряжения и коротких замыканий. Хотя большинство компьютеров обладают собственными средствами защиты, предохранитель даёт дополнительную уверенность. Он разрывает соединение, если на USB-

порт подаётся более 500 мА, и восстанавливает его после нормализации си-

туации.

Платформа может работать при наличии напряжения от 6 до 20 В. Од-

нако при напряжении менее 7 В работа может быть неустойчивой, а напря-

жение более 12 В может привести к перегреву и повреждению. Поэтому ре-

комендуемый диапазон: 7−12 В.

На Ардуино доступны следующие контакты для доступа к питанию:

Vin предоставляет тот же вольтаж, что используется для питания плат-

формы. При подключении через USB будет равен 5 В;

5V предоставляет 5 В вне зависимости от входного напряжения. На этом напряжении работает процессор. Максимальный допустимый ток, по-

лучаемый с этого контакта 800 мА;

3.3V предоставляет 3,3 В. Максимальный допустимый ток, получаемый с этого контакта 50 мА;

GND – земля.

3.2 Имеющиеся виды памяти

Так же платформа оснащена 32 кБ flash-памяти, 2 кБ из которых отве-

дено на загрузчик. Он позволяет прошивать Ардуино с обычного компьютера через USB. Эта память постоянна и не предназначена для изменения по ходу работы устройства. Её предназначение — хранение программы и сопутству-

ющих статичных ресурсов.

Также имеется 2 кБ SRAM-памяти, которые используются для хране-

ния временных данных вроде переменных программы. По сути, это опера-

тивная память платформы. SRAM-память очищается при обесточивании.

При отсутствии свободного места в ОЗУ могут произойти сбои про-

граммы, например, она может записаться, но не работать. Для определения данного состояния требуется превратить в комментарии или укоротить стро-

ки скетча (без изменения кода). Если после этого программа работает кор-

ректно, то на ее выполнение был затрачен весь объем ОЗУ. Существует не-

сколько путей решения данной проблемы:

При работе скетча с программой на компьютере можно перебросить часть данных или расчетов на компьютер для снижения нагрузки на Arduino.

При наличии таблиц поиска или других больших массивов можно ис-

пользовать минимальный тип данных для хранения значений. Например, тип данных занимает два байта, а byte - только один (но может хранить неболь-

шой диапазон значений).

Неизменяемые строки и данные во время работы скетча можно хра-

нить во флеш-памяти. Для этого необходимо использовать ключ PROGMEM.

Ещё имеется 1 кБ EEPROM-памяти для долговременного хранения данных. EEPROM — (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)

электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, ЭСППЗУ). Память та-

кого типа может стираться и заполняться данными несколько десятков тысяч раз. Используется в твердотельных накопителях. Одной из разновидностей

EEPROM является флеш-память (Flash Memory).По своему назначению это аналог жёсткого диска для Ардуино. В данном проекте данный вид памяти используется для хранения значений дозатора после выключения платформы.

3.3 Преимущества контроллера Ардуино

В результате можно выделить основные плюсы выбора данной плат-

формы:

цена. Любую модель и комплектующие можно заказать и купить в спе-

циализированных магазинах за достаточно малую цену, что увеличивает возможность расширения;

кроссплатформенность. Программное обеспечение Arduino работает на

Windows, Macintosh OS X, Linux и других операционных системах, посколь-

ку является открытым и работает на Java. Большинство микроконтроллерных систем ограничиваются Windows;

простая среда программирования. Программная оболочка является простой в использовании для новичков, но достаточно гибкой для продвину-

тых пользователей, чтобы быстро достичь нужного результата;

открытый исходный код. Язык может быть расширен с помощью C++

библиотек, более продвинутые специалисты могут создать свой собственный инструментарий для Arduino на основе компилятора AVR C;

открытые спецификации и схемы оборудования. Схемы модулей опуб-

ликованы под лицензией Creative Commons, поэтому опытные схемотехники могут создать свою собственную версию модуля для своих нужд. Даже срав-

нительно неопытные пользователи могут сделать макетную версию модуля,

чтобы понять, каким образом он работает, и сэкономить деньги;

после изучения всей информации по предоставленной платформе и сравнения с другим, был сделан выбор данного контроллера, который во-

площает в себе все требуемые качества для проекта роботизированной руки.

3.4 Дополнительное оборудование

Помимо используемого микроконтроллера в проекте необходимо бы-

ло выбрать и другие основные элементы. Так как данный проект предполага-

ется применять на различных предприятиях для работы с жидкими веще-

ствами необходимо подобрать соответствующий химический дозатор.

Данное устройство необходимо для забора жидкости и переноса в не-

обходимое место. Так же такие устройства имеют возможность выбирать не-

обходимое количество жидкости для забора.

В основном выделяют два вида химических дозаторов, это механиче-

ские и автоматические. Автоматические дозаторы стоят в несколько раз до-

роже обычных, механических.

Автоматический химический дозатор представляет собой комплекс-

ное устройство с микроконтроллер. Позволяет программно изменять количе-

ство набираемой жидкости и коэффициент добавления. Основной объём яв-

ляется тысяча микролитров. Так же некоторые автоматические дозаторы имеют возможность автоматического сброса использованной пипетки. Пита-

ние такого устройство происходит от встроенной батарейки и требует свое-

временной подзарядки. Для определения количества набранной жидкости в конструкции используется фоторезистор и два выступа, благодаря которым устройство считает количество оборотов и переводит в необходимый объём.

Основным недостатком подобных устройств является плохая отказоустойчи-

востью быстрей расход ресурсов, и не ремонтопригодность. Таким образом,

при выходе из строя необходимо приобретать новый дозатор. На рисунке 7

изображен дозатор, используемый в проекте.

Рисунок 7 – Автоматический химический дозатор Biohit eLINE

Механический дозатор не имеет электронных частей, количество до-

зируемой жидкости регулируется вращающимся механизмом на резьбе. Так же набор и сброс жидкости происходит по нажатию кнопки, если нажать не до конца, то часть жидкости останется в пипетке. Так же для сброса исполь-

зованной пипетки имеется специальный рычажок, который позволяет легко избавится от использованной пипетки. Плюсом данного дозатора является отказоустойчивость и малая цена, и при выходе из строя не сложно заменить дозатор на новый. На рисунке 8 изображен механический дозатор.

Рисунок 8 – Автоматический химический дозатор Biohit eLINE

Исходя из имеющихся особенностей, был приобретён автоматиче-

ский химический дозатор. Так как в проекте предусматривается выполнения задач без участия человека, умение автоматического сброса пипетки, набора и слива жидкости были решающими.

3.5 Выбор комплектующих

Для проекта, необходимо подобрать комплектующие, которые будут установлены непосредственно в манипулятор. Одним из самых важных эле-

ментов являются сервомоторы, в которых встроены сервоприводы.

Сервопривод это привод с управлением через отрицательную обратную связь, позволяющую точно управлять параметрами движения.

Сервоприводом является любой тип механического привода, имеющий в составе датчик и блок управления приводом, автоматически поддержива-

ющий необходимые параметры на датчике согласно заданному внешнему значению.

Проще говоря, сервопривод является автоматическим точным исполни-

телем, получая на вход значение управляющего параметра, в режиме реаль-

ного времени, он своими силами, основываясь на показаниях датчика, стре-

мится создать и поддерживать это значение на выходе исполнительного эле-

мента.

Сервомотор это сервопривод с мотором, предназначенный для приве-

дения в движение устройств управления через поворот выходного вала, при-

меняются в таких областях, как открытие и закрытие клапанов, переключате-

ли и так далее. На рисунке 9 изображен основные элемент сервомотора.

Рисунок 9 – Сервопривод в разборе.

Важными характеристиками сервомотора являются динамика двигате-

ля, равномерность движения, энергоэффективность.

Серводвигатели широко применяются в промышленности, например, в

металлургии, в станках с ЧПУ, прессо-штамповочном оборудовании, авто-

мобильной промышленности, тяговом подвижном составе железных дорог.

В основном в серво использовались 3 полюсные коллекторные двига-

тели, в которых тяжелый ротор с обмотками вращается внутри магнитов.

Первое усовершенствование, которое было применено это увеличение количества обмоток до 5. Таким образом, вырос вращающий момент и ско-

рость разгона. Второе усовершенствование это изменение конструкции мо-

тора. Стальной сердечник с обмотками очень сложно раскрутить быстро. По-

этому конструкцию изменили, обмотки находятся снаружи магнитов, и ис-

ключено вращение стального сердечника. Таким образом, уменьшился вес двигателя, уменьшилось время разгона и возросла стоимость.

Ну и наконец, третий шаг это применение бесколлекторных двигате-

лей. У бесколлекторных двигателей выше КПД, так как нет щёток, и трущих-

ся частей. Они более эффективны, обеспечивают большую мощность, ско-

рость, ускорение, вращающий момент.

В данном проекте был выбраны сервомоторы Torobot .Одним из крите-

риев выбора было размер сервомотора, так как необходима была установка в манипулятор, и моторы должны были быть достаточно компактными, но в тоже время достаточно мощным, для того чтобы поднимать собственный вес и вес всей конструкции . Тяга выбрана сервомотора около 15 килограмм на сантиметр, двигать всю конструкцию. Так же был приобретен один мощный сервомотор на основание, так как выбранные сервомоторы не справлялись с таким весом. Для стабильной работы необходимо напряжение равное 5

вольтам, но допускается диапазон от 4.8 до 7 вольт. С изменением входного напряжения изменяется сила тяги, максимум которой равен 15 килограмм на сантиметр.

На самом контроллере имеется всего один пин питания с напряжением

5 вольт, так как нам необходимо использовать шесть сервомоторов, была ис-

пользована беспаечная макетная плата. Применение макетной платы позво-

ляет проверить, наладить и протестировать схему ещё до того, как устрой-

ство будет собрано. Это позволяет избежать ошибок при конструировании, а

также быстро внести изменения в разрабатываемую схему и тут же прове-

рить результат. Плюс беспаечной монтажной платы это отсутствие процесса пайки при макетировании схемы. Это обстоятельство значительно сокращает процесс макетирования и отладки устройств.

Беспаечная макетная плата состоит из пластмассового основания, в ко-

тором имеется набор токопроводящих контактных разъёмов. Этих контакт-

ных разъёмов очень много. В зависимости от конструкции макетной платы контактные разъёмы объединяются в строки по 5 штук. В результате образу-

ется пятиконтактный разъём. Каждый из разъёмов позволяет подключать к нему выводы электронных компонентов или токопроводящих проводников диаметром, как правило, не более 0.7 миллиметров.

Основа макетной платы – ABS пластик. Контактные разъёмы выполне-

ны из фосфористой бронзы и покрыты никелем. Благодаря этому, контакт-

ные разъёмы рассчитаны на 50 000 циклов подключения, отключения. Оби-

лие соединительных проводников и сама конструкция макетной платы при работе собранного устройства провоцирует помехи. Эти помехи отрицатель-

но влияют на работу схемы, собранной на макетке. Чтобы избежать этого общий провод схемы электрически соединяют с металлической подложкой.

Сама подложка закрепляется на нижней части беспаечной макетной платы.

В качестве соединений использовались провода, предназначенные для беспаечной макетной платы. За счет малого напряжения используются тон-

кие провода, так как плата не рассчитана для работы с высоким напряжени-

ем.

В качестве внешнего источника питания использовался специальный блок питания, который предназначенный для снабжения узлов к электриче-

ской энергией постоянного тока, путём преобразования сетевого напряже-

ния до требуемых значений. Использование данного источника питания обу-

словлено тем, что он имеет постоянные 5 вольт. Этого достаточно для ста-

бильной работы всей системы. Но блок питания нельзя просто так подклю-

чить к схеме. Так же нужно учитывать что максимальное потребление сер-

водвигателя составляет около одного ампера, поэтому исходя из того что в конструкции используется шесть сервомоторов, необходимо использовать блок питания с шестью и более амперами. Так как все двигатели одновре-

менно не будут использоваться на полную мощность.