Armatronick - Progetto di un braccio robotizzato

Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

I circuiti formati da una resistenza e un condensatore presenti su ogni interruzione del

circuito sono le così dette reti

snubber, esse evitano lo scintillio sui Scheda controllo alimentazione

contatti dei relais ( prolungandone

la vita ) e permettono di avere

commutazioni con minori emissioni

di interferenze ad alta frequenza,

la rete R C anche se utilizzata per

4 7

il transistor ha la stessa funzione e si

completa con il diodo di ricircolo

D ; esso è un diodo veloce che

1

cortocircuita le tensioni inverse

generate dalla bobina del relais

durante le commutazioni

impedendo la distruzione del

transistor che altrimenti potrebbe

danneggiarsi.

Infine si può vedere nello schema

un diodo LED polarizzato dalla resistenza R , esso si accende ogni volta che viene

5

alimentato il circuito ed è posizionato sul frontale della consolle come visibile dalle foto.

Questa scheda a differenza delle altre è l’unica realizzata su basetta millefori, si è utilizzato

questo supporto data la semplicità del circuito per cui la realizzazione di un circuito

stampato avrebbe comportato soltanto una perdita di tempo per disegnarlo e realizzarlo

praticamente.

- Scheda controllo sensori

Questa scheda gestisce tutti gli ingressi provenienti da sensori alloggiati sul braccio: esso è

dotato di cinque sensori infrarossi e uno di contatto.

Tipi di sensore utilizzati e loro alloggiamento

Per quanto riguarda i tipi essi sono tre: sensore di prossimità a infrarossi, barriera infrarossa e

microswitch come sensore di contatto; analizziamo nel dettaglio il funzionamento di ogni

tipologia:

Sensore di prossimità

o Questa tipologia è utilizzata per

rilevare la presenza di un pezzo ed è posizionato al di sotto della pinza; il

funzionamento è il seguente: un emettitore di luce infrarossa (LED IR) emette un

13 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

fascio luminoso che può essere riflesso o meno; se il pezzo è presente ed è

sufficientemente riflettente una parte considerevole della radiazione viene riflessa e

può essere rilevata da un fotodiodo posizionato accanto al led emettitore.

Barriera infrarossa

o La barriera infrarossa non è altro che una fotocellula: un LED IR emette radiazione

luminosa che viene captata da un ricevitore posto di fronte ad esso ( fotodiodo IR ),

se il fascio viene interrotto da un opportuna

bandierina funzionante come finecorsa si ha un

indicazione sulla posizione di una parte meccanica

del pezzo ad esempio le due leve.

Questa tipologia è utilizzata come finecorsa per

evitare movimenti non consentiti al braccio ( ad es.

spostamenti oltre il limite superiore o inferiore ); essi

sono impiegati per la rotazione della base dove si ha

la continuità del fascio soltanto nel caso in cui essa si

trovi in posizione 0 ovvero di partenza e quindi il

braccio sia posizionato al di sopra del supporto per il

pezzo.

Altre due barriere infrarosse vengono utilizzate come

finecorsa superiore e inferiore per fornire un punto di

riferimento al microcontrollore sulla posizione e per

evitare spostamenti oltre tale limite; infine l’ultima è

usata per rilevare la presenza di un pezzo sulla base che simula il nastro

trasportatore.

Microswitch sensore di contatto

o Data l’impossibilità di utilizzare un sensore

infrarosso per rilevare l’effettiva presa del

pezzo da parte della pinza, si è utilizzato

un microswitch che si chiude, venendo

azionato da un sistema a leva, quando la

pinza ha afferrato il pezzo.

Unitamente alla resistenza di pull up,

visibile nello schema, fornisce uno 0 logico

se il pezzo è stato afferrato e un 1 in

condizioni di normalità.

Per migliorare le caratteristiche dei sensori si è scelto di modulare il fascio luminoso dei led

infrarossi pilotandoli con un’onda quadra alla frequenza di circa 11,4 Khz; grazie a questo

accorgimento si sono resi immuni i ricevitori alla luce esterna utilizzando un opportuno

circuito ricevitore di filtraggio di tipo passa banda sensibile quindi alla sola frequenza

utilizzata in trasmissione; per poter realizzare ciò si è reso necessario l’utilizzo del timer 555

come trasmettitore e di circuiti ricevitori a operazionali e tone decoder a PLL.

14 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

Il timer 555

Il timer 555 è un integrato multiuso introdotto a partire dagli anni ’70, grazie ad esso è

possibile realizzare vari circuiti multivibratori ( monostabili, bistabili, astabili); in questo caso è

utilizzato come astabile per generare un’onda quadra di frequenza variabile ( per centrare

finemente la frequenza di centro banda del filtro passa banda usato in ricezione ) e

ampiezza 5 volt; di seguito è riportato il principio di funzionamento e il calcolo dei

componenti.

È stato scelto di utilizzare questo circuito integrato data la sua larga diffusione e flessibilità,

altrimenti si sarebbero potuti utilizzare altri tipi di multivibratori astabili realizzati ad esempio

con amplificatori operazionali o porte logiche.

Funzionamento nella configurazione astabile

Schema Interno Del Timer 555

Come intuibile dallo schema interno il 555 presenta tre stati stabili dell’uscita in relazione al

livello di tensione presente sulla soglia e sul trigger; le combinazioni che determinano uno

stato basso o uno stato alto sono riportate nella tabella: oltre a queste esiste una terza

combinazione valida quando v e v corrispondente allo stato di memoria del

2 6

flip flop per cui esso mantiene lo stato precedente fino alla reimpostazione di uno 0 o di un

1. 15 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

Per quanto riguarda il funzionamento come astabile lo schema e l’andamento delle

tensioni sono riportate sotto, come si può vedere tramite il ramo di temporizzazione Ra Rb C

si introduce un ritardo nella carica del condensatore C che è costretto a caricarsi e

scaricarsi tra le due soglie 1/3 Vcc e 2/3 Vcc determinando il passaggio tra i tre stati del flip

flop in modo da generare l’onda quadra in uscita.

Il periodo di scarica di C dipende in modo direttamente proporzionale dalla somma dei

valori di Ra e Rb mentre il periodo di carica dipende soltanto dalla resistenza Rb la quale

deve essere necessariamente maggiore o uguale a 1 kohm per evitare la distruzione del

transistor interno all’integrato per eccessiva corrente.

Utilizzando questo schema quindi, il duty cicle non potrà mai essere minore del 50 per cento

in quanto Rb dovrebbe valere 0 e ciò non è possibile per il motivo esposto prima, per

ottenere tale condizione è sufficiente aggiungere un diodo e porre Ra=Rb in modo da

cortocircuitare la resistenza Rb durante il periodo di carica tramite il diodo e eguagliare i

due tempi ponendo le resistenze uguali; nello schema realizzato praticamente si sono

aggiunti in serie alle resistenze dei trimmer in modo da far variare la frequenza per tararla

sull’esatto valore necessario. 16 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

Di seguito sono riportate le formule utilizzate per il calcolo dei componenti [2.0]

[2.1]

Si è scelto prima di tutto il valore della capacità C di 1 nF ( un valore non troppo basso per

evitare errori dovuti alle capacità parassite del 555 ), dopodiché tramite le formule inverse

riportate sotto si è calcolato la resistenza minima e massima per avere rispettivamente il

periodo massimo e minimo. [2.2]

[2.3]

[2.4]

[2.5]

[2.6]

[2.7]

[2.8]

[2.9]

[2.10]

si è utilizzato un trimmer da 100 Kohm in modo da esser sicuri di raggiungere la

Per R e R

2 4

frequenza più bassa e spingersi ancora più in basso per evitare problemi legati ad eventuali

capacità - resistenze parassite e tolleranze dei componenti.

I led sono connessi direttamente all’uscita del 555 tramite le rispettive resistenze di

limitazione di corrente: esse sono calcolate per far scorrere una corrente di 100 mA nel led

del sensore di prossimità ( necessita di una corrente maggiore in quanto si rileva solo la luce

riflessa ) e 20 mA negli altri LED utilizzati per le barriere infrarosse ( il 555 riesce da solo senza

bisogno di circuiti buffer ad alimentare tutti i led essendo capace di erogare 200 mA max ).

I ricevitori

Per quanto riguarda la parte di ricezione ovvero il trattamento del segnale proveniente dai

fotodiodi si sono trovate due soluzioni differenti per il sensore di prossimità e per le barriere

infrarosse, di seguito è descritto in modo dettagliato il funzionamento dei due tipi di

ricevitore. 17 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

Ricevitori per barriera infrarossi con tone decoder NE567

Per realizzare il ricevitore per la foto barriera si è utilizzato un circuito integrato che basa il

suo principio di funzionamento sul PLL: l’NE567.

Il PLL ( Phased Locked Loop ) ovvero anello ad aggancio di fase è un dispositivo elettronico

che permette di sincronizzare la sua uscita con un segnale comunque variabile in ingresso

mantenendo una certa relazione di fase con esso e la stessa frequenza o in certi casi

multipla o sottomultipla.

Esso è costituito da tre blocchi fondamentali, il primo, un comparatore di fase che fornisce

in uscita un’onda quadra con duty cicle proporzionale alla differenza di fase; sarà minimo

se le due fasi sono le stesse e massimo in corrispondenza del massimo scostamento.

Al primo blocco segue un filtro passa basso che ha il compito di estrarre la componente

continua del primo blocco determinando una tensione di errore direttamente

proporzionale alla differenza di fase tra i due segnali applicati in ingresso.

L’ultimo blocco, un VCO o CCO ( Voltage/Current Controlled Oscillator ) è un oscillatore

controllato in tensione libero di oscillare in un range di frequenze compreso tra una minima

e una massima.

Esso riceve sul piedino di controllo la tensione di errore uscente dal secondo blocco e la sua

uscita è riportata in ingresso al comparatore di fase che confronta l’uscita con il segnale da

agganciare: inizialmente il PLL oscilla ad una frequenza propria definita da alcuni elementi

del circuito ( resistenze e condensatori ) e in questo momento la differenza di fase tra

l’onda da lui generata e il segnale da agganciare da origine a un segnale errore che

sommandosi alla tensione di riposo presente sul pin di controllo va a modificare la

frequenza del segnale generato dal VCO fintanto che questa non diventa uguale a quella

del segnale di ingresso e sfasata rispetto ad esso di 90 gradi.

Schema interno NE567 18 Andrea Aglietti V ETE A.S. 2008/2009

I.T.I.S. Leonardo Da Vinci - Firenze

È proprio sulla seconda condizione di aggancio che basa il suo funzionamento il tone

decoder, in aggiunta al PLL ha infatti al suo interno il quadrature phase detector che rileva

l’avvenuto aggancio, in questo caso la frequenza dell’oscillatore locale ( il VCO; per

l’NE567 CCO Current Controlled Oscillator ) rimane costante e ciò che può variare è il

segnale di ingresso: soltanto quando questo ha la stessa frequenza di quella generata

internamente dal CCO si troverà sul piedino 8 uno zero logico altrimenti un 1; si avrà quindi

un livello logico basso quando le fotocellule non sono interrotte e viceversa in condizione di

interruzione del fascio.

Di seguito sono riportate le formule utilizzate per il calcolo dei componenti [2.11]

Si è scelto un valore per C di 1 nF [2.12]

[2.13]

[2.14]

[2.15]

[2.16]

[2.17]

[2.18]

Il segnale proveniente dai fotodiodi non è applicato direttamente all’ingresso del tone

decoder ma tramite un condensatore di disaccoppiamento che permette alla sola

componente alternata di arrivare all’integrato bloccando invece la continua; per quanto

riguarda invece gli altri condensatori presenti nel circuito essi fanno parte di due filtri: uno è

il passa basso del PLL mentre l’altro il filtro in uscita al phase quadrature detector.

È stato fondamentale per il funzionamento corretto dei tone decoder aggiungere dei

condensatori tra il piedino di alimentazione e massa vicino agli integrati in modo da