Scheda di controllo Robot Pathfinder

Scheda di controllo

ultimo aggiornamento 16 giugno 2006

La scheda principale del robot Pathfinder è rappresentata dalla scheda di controllo, su di esso è presente il chip PIC16F870 prodotto dalla MICROCHIP che rappresenta il "cervello" del robot Questa scheda viene assemblata con i componenti allegati ai primi 8 fascicoli, mentre PIC16F870 è allegato al fascicolo 40. Sulla scheda è inoltre presente l'integrato MAX232 incaricato delle comunicazioni con il PC con esso otterremo di adattare i livelli di tensione TTL in uscita del microcontroller ai livelli di tensione più elevati che richiede la porta seria le del PC. Troviamo poi l'integrato 40106 e le resistenze che lo accompagnano che formano l'elettronica necessaria per il condizionamento dei sensori ottici modello CNY70, di cui è dotato il robot.		Scheda di controllo montata lato componenti
File PDF LABORATORIO PRATICO	File PDF COSTRUZIONE DEL PATHFINDER

Fascicolo n°1 Fascicolo n°2 Fascicolo n°3 Fascicolo n°4

1 CDROM

1 telaio

1 Circuito stampato RV501r3/1
2 Resistenze 2,2 kohm
4 Resistenze 47 kohm
4 Resistenze 220 ohm

1 Condensatore 100 nF ceramico
2 Condensatori 27 pF ceramici
1 Regolatore 7805
1 Dado
1 Bullone

2 Condensatore 100 nF ceramico
1 Condensatore elettr. 470 uF 16Vl
1 Condensatore elettr. 100 uF 16Vl
2 Condensatori elettr. 22 uF 16Vl

1 Zoccolo 13x2 femmina x c.s.
1 Connettore maschio 4 poli x c.s.
1 Connettore maschio 2 poli x c.s.

Fascicolo n°5	Fascicolo n°6	Fascicolo n°7	Fascicolo n°8


1 Circuito integrato 40106 1 Condensatore elettr. 22 uF 16Vl 3 Connettori maschio 3 poli per c.s.	1 Circuito integrato MAX232 2 Connettore maschio 3 poli per c.s.	1 Zoccolo IC 14+14 1 Condensatore elettr. 22 uF 16Vl 1 Quarzo 4MHz	2 Distanziatori 20 mm 2 Distanziatori 10 mm 2 Dadi 2 Bulloni

Scheda di controllo montata lato saldatura

Elenco dei componenti
R1 2,2 Kohm ¼ W	C3 Condensatore 100 nF ceramico	Y1 Quarzo 4 MHz
R2 2,2 Kohm ¼ W	C4 Condensatore elettr. 22 uF 16Vl	1 Zoccolo IC 14+14
R3 2,2 Kohm ¼ W	C5 Condensatore elettr. 22 uF 16Vl	1 zoccolo IC 8+8 (non fornito)
R4 47 Kohm ¼ W	C6 Condensatore elettr. 470 uF 16Vl	1 zoccolo IC 7+7 (non fornito)
R5 220 ohm ¼ W	C7 Condensatore 27 pF ceramico	1 Zoccolo 13x2 femmina x c.s.
R6 47 Kohm ¼ W	C8 Condensatore 27 pF ceramico	1 Connettore maschio 4 poli x c.s.
R7 220 ohm ¼ W	C9 Condensatore 100 nF ceramico	1 Connettore maschio 2 poli x c.s
R8 47 Kohm ¼ W	C10 Condensatore 100 nF ceramico	3 Connettori maschio 3 poli per c.s.
R9 220 ohm ¼ W	C11 Condensatore elettr. 100 uF 16V	2 Distanziatori 20 mm
R10 47 Kohm ¼ W	U1 7805	2 Distanziatori 10 mm
R11 20 ohm ¼ W	U2 MAX232	3 Dadi
C1 Condensatore elettr. 22 uF 16Vl	U3 PIC16F870	3 Bulloni
C2 Condensatore elettr. 22 uF 16Vl	U4 40106	1 circuito stampato RV501r3/1

Nota: nel mio montaggio anche se on forniti dalla Peruzzo ho utilizzato per il montaggio degli integrati MAX232 e 40106 degli zoccoli, contrariamente di come viene richiesto di montarli direttamente sulla scheda.

Schema elettrico della scheda

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Questa è la scheda di controllo del robot, essa ospita il microcontroller, cioè il dispositivo che farà di Pathfinder un robot intelligente capace di risolvere i lavori per cui lo programmeremo.
Su questa scheda si trova anche l'elettronica necessaria per stabilire la comunicazione con il PC e i circuiti di condizionamento dei sensori ottici.

	Pathfinder dispone di un microcontroller modello 16F870, (posizionato sullo zoccolo U3, da 28 pin) del costruttore Microchip. L'elettronica necessaria per far funzionare il microcontroller è semplice, richiede solo un'alimentazione da 5 V e la massa, e un circuito oscillatore formato da un cristallo di quarzo Y1 (valore 4 MHz) e da due condensatori C7 e C8 da 27 pF
Componenti circuito oscillatore

I piedini del microcontroller, che serviranno per ricevere i segnali d'ingresso dei sensori e inviare i segnali di uscita per i motori e gli attuatori, sono collegati con il connettore JP19, da 26 pin.
Questo connettore servirà da bus di espansione, e siccome dispone di tutti i segnali del microcontroller, servirà da base per far sì che le altre schede si possano collegare alla scheda di controllo. In questo modo potremo sviluppare la struttura modulare di controllo di Pathfinder.

PIN	Segnale	PIN	Segnale
1	RA0	14	Microfono
2	RC0	15	RB1
3	RA1	16	GND
4	RC1	17	RB2
5	RA2	18	GND
6	RC2	19	RB3
7	RA3	20	+5V
8	RC5	21	RB4
9	RA4	22	+V
10	RC6	23	RB5
11	RA5	24	+V
12	RC7	25	RB6
13	RB0	26	RB7

In questa figura possiamo vedere lo schema elettronico di una parte della scheda di controllo.
In particolare possiamo vedere il microcontroller un PIC16F870 e Il suo circuito oscillatore, e anche i collegamenti fra il microcontroller e il bus di espansione.
Notiamo inoltre un condensatore da 100 nF situato In parallelo all'alimentazione d'ingresso del microcontroller, che servirà per stabilizzare la tensione a fronte di possibili disturbi.

Datasheet

Il circuito incaricato delle comunicazioni con il PC si basa su di un circuito integrato MAX232 e quattro condensatori.
Con questi elementi otterremo di adattare i livelli di tensione TTL in uscita del microcontroller ai livelli di tensione più elevati che richiede la porta seria le del PC.
In questo schema possiamo vedere i collegamenti di questo circuito di comunicazione. I condensatori permettono al chip MAX232 di generare le tensioni di lavoro a ±8 V.
Inoltre quest'ultimo ha il compito di codificare i dati del microcontroller per inviarli al PC, e di decodificare i dati del PC per inviarli al microcontroller.
Il circuito integrato MAX232 permette di realizzare comunicazioni full-duplex, inviando e ricevendo dati dal PC in modo simultaneo.

D atasheet

Proseguiamo con l'analisi delta scheda di controllo; nell'immagine sono mostrati due connettori tramite i quali la scheda di controllo comunica con la scheda di alimentazione e i connettori del robot. Tramite questi connettori si ricevono le tensioni di alimentazione per far funzionare tutta l'elettronica del robot, inoltre sono inviati il segnale audio e i segnati di comunicazione con il PC.

Connettore JP1
Pin	Segnale
1	+5V
2	+V
3	GND
Connettore JP2
Pin	Segnale
1	OUT
2	IN
3	Microfono
4	GND

	Nell'Immagine possiamo vedere il regolatore di tensione U1 (integrato 7805) e due condensatori, che hanno il compito di stabilizzare la tensione di funzionamento del robot. Sotto è visibile lo schema elettrico che formano parte della scheda di controllo. Con questa elettronica si stabilizza la tensione ricevuta tramite il connettore JP1 a un valore di 5 V, adeguato per tutti i componenti elettronici e gli integrati di cui è composto il robot. Questo regolatore di tensione può fornire un'intensità massima di corrente di 1 A. La tensione regolata è applicata solamente all'elettronica di controllo del robot, i motori ricevono l'alimentazione direttamente, senza passare attraverso questo regolatore.
	D atasheet

Questo connettore JP5 a due pin, e le resistenze da 2,2 Kohm R1 e R3, sono i componenti necessari per permettere al microcontroller di stabilire la comunicazione I2C con la memory card, su cui sarà montata la EEPROM.
Tramite questo connettore potremo comunicare con la memory card e scaricare i nostri programmi sul microcontroller in modo semplice.
Dal valore della resistenza si desume che il clock di I2C deve essere impostato a 400 Khz.

Il bus I2C
Il bus I2C è composto da 2 linee chiamate SDA (dati) e SCL (clock), entrambe del tipo a collettore aperto.
La linea SDA e' di tipo bidirezionale, e permette lo scambio dei dati tra i dispositivi I2C collegati, mentre la linea SCL e' unidirezionale e serve come clock per sincronizzare la comunicazione.
Questo bus è stato ideato dalla Philips ed è utilizzato come già detto da moltissimi dispositivi usati anche in apparecchi commerciali. Molto comuni sono ad esempio le EEPROM della famiglia 24Cxx.

La comunicazione con un dispositivo I2C è caratterizzata da alcune fasi che sono sempre uguali per qualsiasi dispositivo.
L'inizio e la fine della comunicazione I2C vengono determinati inviando nel bus gli impulsi di START e di STOP ottenuti mediante una particolare sequenza di stati logici nelle linee SDA e SCL.

I quattro connettori mostrati nell'immagine, insieme al circuito integrato 40106 (un integrato in tecnologia C-MOS costituito da porte NOT triggherate. Queste porte oltre a negare il segnale di ingresso possono evitare che i disturbi in ingresso possano essere trasmessi all’ uscita) e le resistenze che lo accompagnano, formano l'elettronica necessaria per il condizionamento dei sensori ottici modello CNY70, di cui è dotato il robot.
Utilizzeremo questi sensori ottici per diversi scopi , come il controllo del movimento dei piedini di Pathfinder, o per permettere al robot, in assetto da veicolo, di seguire un circuito disegnato sul pavimento.Questa è l'elettronica di condizionamento dei sensori.
Fondamentalmente questa elettronica ha il compito di alimentare le due parti del sensore, fotodiodo e fototransistor, e di convertire il segnale ricevuto in un livello logico TTL, adatto al funzionamento del microcontroller.

D atasheet

	Sensore ottico a riflessione Tipo CNY70
Si tratta di uno dei sensori più utilizzati in microrobotica, dato il suo basso costo, e le sue svariate applicazioni pratiche. Abitualmente è utilizzato se si si desidera che il robot mobile segua un percorso segnato da una linea sul pavimento. Funzionamento ed utilizzo All'interno della capsula di questo sensore è montato un diodo LED che emette raggi infrarossi, invisibili all'occhio umano. Il diodo è dotato di due terminali, l'anodo (A) ed il catodo (K). Sulla stessa superficie è ubicato un fototransistor che ha la proprietà di condurre corrente fra l'emettitore (E) e il collettore (C), proporzionale alla quantità di luce che incide sulla base. Dato che sia l'emettitore sia il ricevitore dei raggi sono disposti sulla stessa superficie, è necessario che davanti ad entrambi sia presente una superficie riflettente, per fare in modo che il fototransistor possa ricevere i raggi che genera il led. La superficie riflettente deve essere situata a pochi millimetri da quella su cui sono montati emettitore e ricevitore, per far si che i raggi riflessi abbiano sufficiente intensità.

Foto dei 4 sensore forniti nel corso dell'opera		Alla scheda controllo vengono collegati i sensori ottici tipo CNY70

Dimensioni del sensore


Posizionamento di 2 sensori CNY70 sulle ruote laterali	Posizionamento di 1 sensori CNY70 sul motore di movimento eccentrico

Posizionamento di 2 sensori CNY70 sulla parte frontale per la funzione seguilinea

Elenco revisioni:
16/06/2006	Aggiornato pagina inserimento file PDF Costruzione e Laboratorio
22/12/2005	Aggiunto descrizione sensori CNY70 collegati alla scheda, e revisione grafica della pagina
08/06/2005	Emissione preliminare

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