Микроконтроллер 16F676 в радиоуправляемых моделях

А. А. Шабронов    

 

 

В данной работе представлена схема, конструкция   и принцип   функционирования универсального адаптера   на микроконтроллере (МК) 16F676 в комбинации с модулем проигрывателя звуковых файлов MP3-TF-16P и модулями проводной и беспроводной связи.  Адаптер управляет методом ШИМ-модуляции двигателями постоянного тока для движения модели. Звуковой модуль выполняет звуковую поддержку темы движения и сюжета сценария модели.

Основное преимущество – это   возможность формирования алгоритмов управления на внешних вычислительных средах, и также остается возможность управлять простейшими командами движения.

Дополнительное преимущество - это различные варианты использования ШИМ-модуляции для управления манипулятором типа «искусственная рука» с наличием обратной связи для «центра принятия решений».

 

Ключевые слова: 16F676, FORTH, HC12     

 

 

1.  Введение

 

Для управления различными «манипуляторами» с использованием движения в пространстве разработано достаточно много систем и принципов. В данной реализации используются следующие принципы построения системы управления:

·         Модульное построение системы с возможностью проверки модуля и его быстрой замены в случае неисправности;

·         Функционирование модулей обеспечивается через два типа интерфейсов: проводный и беспроводный;

·         Программное обеспечение подготовлено на языке FORTH с использованием открытого кода. Используется метод по терминологии автора «яйцо программирования», т.е. выполняемое приложение (файл exe) содержит в себе и текст программы, и компилятор языка программирования и все другие данные, необходимые для предполагаемой и возможной дальнейшей модификации работающего приложения;

·         Для связи алгоритма управления верхнего уровня с низкоуровневыми командами микроконтроллера используется принцип АТ-команд. АТ-команды имеют индивидуальную структуру и представлены в описании.  Принцип АТ-команд позволяет работать нескольким программистам для одной задачи управления и на разных языках программирования.

 

Представляемый адаптер используется в управлении движущейся модели «Луноход» и разработан по заказу планетария г. Новосибирска [1].

 

2.  Схема адаптера на МК 16F676

 

Принципиальная схема адаптера с фотографиями сопутствующих модулей представлена на рисунке 1.

Назначение элементов:

·         На разъемы XP1 подключается внешнее питание, которое установлено в модели. В модели =Луноход= это две аккумуляторные батареи на 12 Вольт. Применяется 12 Вольт, которые через стабилизатор Q1(78L05) преобразуются в 5 Вольт. Диод D1(1n5817) предусмотрен для питания от источника 5 Вольт  и защищает от случайной «переполюсовки» питающих шин. Для этого режима не устанавливается Q1(78L05), а замыкаются перемычкой выводы 1-3.

  

 

 

Рисунок 1.  Схема адаптера с фотографиями сопутствующих модулей.

 

Управление методом ШИМ позволяет подключать и другие устройства, например манипуляторы «искусственная рука», как показано на рисунке 2.

 

 

 

 

Рисунок 2.   Варианты манипуляторов «искусственная рука».

 

Важное преимущество предлагаемого адаптера - возможность увеличение однотипных модулей путем параллельного подключения к внутренним и внешним интерфейсам.

Элементы схемы допускается заменять на любые отечественные или зарубежные аналоги.

 

 

3.  Конструкция адаптера.

 

Все элементы адаптера  размещены на печатной плате.  На рисунке 3 показана 3d модель печатной платы, и на рисунке 4 фотография изготовленной печатной платы с установленными элементами,

Рисунок 3.  3D модель печатной платы адаптера.

 

Рисунок 4.  Печатная плата адаптера в сборе.

 

Принципиальная схема (файл  chema_shim_16f676_10kan_os.dch) и печатная плата (файл  chema_shim_16f676_10kan_os.dip) подготовлены в редакторе DIP-TRACE и могут извлекаться из тела программы [2]. Способ  извлечения представлен в описании аналогичной авторской программы [3].   Допускается использовать отечественные или зарубежные компоненты, а также  их аналоги.

 

4.  Программное обеспечение для  управления  движением и прослушивания звуковых файлов.

 

На  МК  U2 16F676  выполняется  преобразование сигналов интерфейса UART в сигналы широтно-импульсной модуляции [2].  Алгоритм работы МК основан на прерывании цикла выдачи сигналов ШИМ  при появлении управляющих сигналов. Далее принимаются эти сигналы и, если они идентифицированы правильно, то принимаются новые характеристики выдаваемых сигналов ШИМ.

Такой режим возможен из-за выбранного периода ШИМ-сигнала в 20 миллисекунд, а сигналы управления передаются на скорости 9600 бод, что составляет для передачи 2х байт команды не более 2х миллисекунд. 

Получаем отклонение периода ШИМ-сигнала не более 10%, что никак не отражается на движении моделей и управлении, т.к. при этом всегда сохраняется заданный уровень коэффициента модуляции и, соответственно, управления.

Для работы  модуля звука MP3-TF-16P соответствующие команды приходят или из проводного или из беспроводного интерфейса.  Выдается соответствующая команда 2..5 байт и модуль соответственно выполняет то, что определили:  воспроизведение звукового записанного файла, увеличение-уменьшение силы звука, переход к очередному номеру файла или останов звучания.

Программа управления =Луноходом= lunahod_v1.exe оформлена в виде консоли и открывающихся окон для   управления моделью. На рисунке 5 представлено окно консоли управления.

Рисунок 5.  Консоль управления функциями программы.

 

После подключения к установленным портам для управления выбирается окно и программа начинает работать с новым окном по заданной функции. На рисунке 6 представлен пример окна настройки звукового сопровождения.

 

Рисунок 6.  Окно управления звукового сопровождения.

 

 

Аналогичным методом построены все окна управления. Для совместной работы окон требуется соблюдать временное разделение передачи команд.  Для управления в ручном режиме и только по радиоканалу подготовлен пульт дистанционного управления, представлен на рисунке 7.

 

 

Рисунок 7.  Пульт ручного управления модели =Луноход=

 

Описание конструкции и схемы ручного управления не входит в тему данного изложения. Отметим лишь, что он построен на модуле HC12 и МК  16F676. 

Внешний вид самой модели =Луноход= представлен в [2] в разделе «помощь».

 

 

5. Заключение.

 

В предложенной  схеме  модульного построения системы радиоуправления   создана возможность быстрого ремонта и диагностики.

Модульность позволяет менять блоки на аналогичные нового поколения с новыми возможностями, но с использованием «старого» интерфейса.

Программное обеспечение доступно для модернизации и последующего развития.

Центральное управление с доступом через два интерфейса создает возможность работы в ручном и одновременно в автоматическом режиме.

 

 

 

Литература  

1.        Новосибирский планетарий  https://nebo-nsk.ru

2.        Программа управления «Луноходом»     http://90.189.213.191:4422/temp/luna_hod_v1/test/  

3.        Журнал «Современная электроника»  2022г №8 с.50..51 « Термометрия элеватора по системе «Power over Ethernet»  https://www.soel.ru/magazines/PRINT/SoEl_2022-8pr/index.html#50

4.        Описание 16F676:  https://static.chipdip.ru/lib/204/DOC000204390.pdf

5.        Описание MP3-TF-16P:   https://mysku.club/blog/aliexpress/50345.html

6.        Описание HC12:  http://avrproject.ru/112/rf_hc12/2016-01-14_122335_HC-12_v2.3B.pdf

7.        Описание L298N: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-moduli/drayver-dvigatelya-l298n/

8.        Описание  языка Форт spf4.exe, автор  версии А.Черезов http://www.forth.org.ru/ 

9.        USB-UART адаптер http://myowndevice.ru/index.php/pribory/item/7-usb-uart-konverter

 

Шабронов Андрей Анатольевич

 Cтарший преподаватель кафедры ТЭ СибГУТИ, тел. +7-913-905-8839, e-mail: shabronov@ngs.ru

Microcontroller 16F676 in radio-controlled models

A. A. Shabronov

 

This paper presents the scheme, design and principle of operation of the universal adapter on the microcontroller (MC) 16F676 in combination with the MP3-TF-16P audio file player module and wired and wireless communication modules. The adapter controls the PWM modulation method of DC motors for the movement of the model. The sound module performs sound support of the movement theme and the plot of the model scenario.

The main advantage is the ability to form control algorithms on external computing environments, and there is also the ability to control the simplest movement commands.

An additional advantage is the various options for using PWM modulation to control a manipulator of the "artificial arm" type with feedback for the "decision center".

Keywords: 16F676, FORTH, HC12