1697

9) корректировка без использования программы;

На данный момент подобная тематика плохо развита и не имеет гото-

вых решений. Имеются наработки в направлении, но отсутствуют программ-

ный код для контроллера и схема подключения компонентов.

При создании комплекса были подобранны необходимые сервомоторы

, которые возможно установить и способные привести в движение механи-

ческие части. За счет уменьшения поднимаемого веса при увеличении рчага,

в основании конструкции использовался мощные сервомоторы способные поднимать 30 килограмм на сантиметр

Так как для каждого узла соответствовал один сервомотор, было реше-

но вывести питание элементов отдельно и для удобства подключения к кон-

троллеру использовать плату расширения, которая позволяла подключать пи-

тание напрямую к плате.

В качестве связующих элементов конструкции использовался алюми-

ниевый профиль, что позволят уменьшить вес конструкции, но при этом оставить прочность.

2.2 Характеристики объекта автоматизации

Объектом автоматизации является роботизированный манипулятор на основе микроконтроллера.

В качестве механической части использовался манипулятор с шестью степенями свободы с механизмом захвата. Манипулятор был приобретен в специализированном магазине и улучшен под необходимые задачи

Разрабатываемый комплекс предназначен для :

1)использования в медицинских лабораториях;

2)использования в химических лабораториях;

3)использования в лабораториях для получения цвета искусственного камня;

4)использования в качестве обучающего пособия для обучения сту-

дентов.

Входные данные для управления комплексом задаются оператором в спеуиально разработанной программе, после чего на микроконтроллер от-

правляется пакет данных, который расшифровывается в самой платформе.

После чего выполняются заданные ранее оператором действия.

Процесс обработке заключается в расшифровке полученного пакета.

Даннй пакет состоит из набора чисел, каждый из которых отвечает за свою соответствующую функцию. Все функции находятся в микроконтроллере и выполняются при их вызове с учетом переданных параметров

В случае изменения входных данных в процессе обработки будут соот-

ветственно изменены и выходные сигналы.

Выходные данные представлены в виде выходных сигналов, которые служат для управления сервомоторами.

2.3 Требования к проекту

Функции системы Комплекс выполняет следующие функции:

1)Обработка входных данных;

2)Управления подключенными устройствами;

3)Осуществление управлением манипулятора;

4)Автономность работы.

Разработка системы регламентируется следующими стандартами:

1)ГОСТ 34.602-89 (Техническое задание на создание автоматизиро-

ванной системы);

2)ГОСТ 34.201-89 (Виды, комплектность и обозначение докумен-

тов при создании автоматизированных систем);

3)ГОСТ 24.104-85 (Автоматизированные системы управления. Об-

щие требования);

4) ГОСТ 34.601-90 (Автоматизированные системы. Стадии созда-

ния);

5)ГОСТ 25861-83 (АСУ. Требования по безопасности средств вы-

числительной технике).

6)ГОСТ 2.114-95 ЕСКД. (Технические условия).

7)ГОСТ 23336-78 (Правила выполнения схем моделирования )

8)ГОСТ 10434-82 (Соединения контактные электрические)

9)ГОСТ 21552-84(Средства вычислительной техники. Общие тех-

нические требования)

За счет использования Arduino, система способна работать с другими информационными устройствами, например с электронно-вычислительными машинами и другими контролерами.

Система работает на Windows, Macintosh OS X, Linux и других опера-

ционных системах, поскольку является открытым и работает на Java. Так же имеются различные загрузчики, которые можно использовать вместо стан-

дартного приложения. Пользователю для работы с контроллером необходимо только подключение питания.

Для надёжной эксплуатации комплекса необходимо использовать ста-

бильное питание, так как любой скачек напряжения может, вывеси из строя всю электронную начинку устройства

Основным источником питания может послужить компьютерный блок питания. При его использовании выделяются 2 провода, которые выдают 5

вольт, которые обеспечивают стабильную работу сервомоторов. Но так же можно использовать батарейки большой емкости, для обеспечения мобиль-

ности.

Для питания контроллера можно использовать USB выход компьютера или использовать любой источник питания с выходом USB.

В состав разработанного аппаратно технического комплекса входят следующие компоненты:

1)контроллер Arduino Uno;

2)программный код;

3)сервомоторы различной мощности;

4)плата расширения Sensor Shield V5.0;

5)алюминиевый корпус;

6)химический дозатор;

7)лопасти для сервомоторов.

Программное обеспечение устанавливается на контроллер и поступает в таком виде к потребителю. Так же в комплекте установлены сервомоторы,

плата расширения, блок питания, макет лаборатории. Данный комплект, не требует ни какой установки на электронно-вычислительную машину, про-

грамма запускается на операционной системе семейства Windows , требует указать номер подключенного COM порта, что достаточно для начала рабо-

ты. Единственным необходимым объектом для установки является драйвер платформы Arduino.

Созданный комплекс устройств ориентирован на людей не знакомых с подобными техническими устройствами и позволяет свободно работать лю-

бому с данным комплексом.

Для начала работы необходимо подключение питания и запустить про-

грамму для работы с манипулятором.

Для данной системы не требуется внедрение безопасности и осуществ-

ления секретности, так как в системе не хранятся личные, конфиденциальные или секретные данные.

При нестабильной работе, можно выполнить перезапуск системы, пу-

тем встроенной кнопки reboot, которая перезапускает систему и отчищает память. Так же можно вытащить питание и подключить снова, подобная про-

цедура никак не отразится на системе.

Достоинством системы является ее простота в использовании и авто-

номность работы. Пользователю не требуется основных знаний для подклю-

чения системы.

Система отвечает всем требованиям, обозначенным в инструкциях по технике безопасности на предприятии. Для питания предусмотрен заземля-

ющий контур, все силовые и коммутационные провода с исправной изоляци-

ей, аппаратное компоненты отвечают требования техники безопасности.

2.4 Постановка задачи

Основной целью разработки проекта является аппаратно программный комплекс для смешивания летучих соединений на базе микроконтроллера и написание программного обеспечения для Ардуино и персонального компь-

ютера.

Основными задачами работы являются:

изучение имеющихся решений;

выбор основного контроллера;

выбор конструции;

разработка программного обеспечения для персонального компью-

тера;

написание программного кода для платформы Arduino;

сборка и установка компонентов конструкции.

При рассмотрении имеющихся решений были выделены основные кон-

струкционные решения ,исходя из которых было принято предложение о ис-

пользовании в основе конструкции манипулятор с шестью степенями свобо-

ды.

При выборе контроллера основным критерием было, чтобы платформа легко расширялась, имела возможность работать со сторонними компонен-

тами и была не требовательной к питанию.

Для корректной работы и исключения выхода из строя контроллера была произведена и оттестирована виртуальная схема. Это помогло в выборе питания для сервомоторов и самого контроллера, так же исключило ошибки при подключении компонентов.

В результате тестов была улучшена изначальная конструкция, замене-

ны сервомоторы, повышено питание на основные узлы. Так же разработана схема подключения кнопок для автоматизированного дозатора на основе электронных ключей

Так же одним из важных элементов системы был химический дозатор.

При выборе данного устройство основополагающим фактором было наличие

сбрасывающего устройства, в противном случае необходимо было разраба-

тывать специальную стойку для снятие используемых пипеток, что усложня-

ет конструкцию и техническое решение.

В результате был получен полностью работоспособный проект с воз-

можностью модификации изначальной конструкции и возможностью изме-

нения базовых функций

3 ВЫБОР АППАРАТНОЙ ЧАСТИ

В основе проекта главной задачей был выбор аппаратной части, кото-

рая была бы достаточно мощной для выполнения поставленных задач, имела возможность работы с внешними устройствами и механизмами, была легко-

доступна как сама платформа, так и комплектующие. Также рассматрива-

лось, что проект будет мобильным и будет иметь возможность дополнения функций, поэтому платформа должна была быть легко расширяемой и доста-

точно компактной. При отсутствии работы с подобными устройствами одним из основных критериев была легкая обучаемость и простота работы.

В настоящее время предоставляется большое количество возможных платформ и микропроцессорами для решения подобных задач, но это либо сложные дорогостоящие устройства, либо с ограниченным функционалом.

После рассмотрения нескольких вариантов за основу проекта была вы-

брана аппаратная платформа Ардуино, которая является достаточно распро-

страненной платформой для реализации проектов, связанных с участием управления и приведения в действия различных механизмов. За счет своей популярности имеет большое количество комплектующих и плат расшире-

ния, а так же возможность работать и с любым другим оборудованием, не предназначенным для данной платформы.

3.1 Аппаратная вычислительная платформа Ардуино

Ардуино – это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств. Платформа пользуется огромной попу-

лярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программиро-

вания, а также открытой архитектуре и программному коду, которая позво-

ляет легко работать с электромеханическими устройствами. Плата програм-

мируется через USB без использования программаторов.На рисунке 5 изоб-

ражена платформа ардуино.

Рисунок 5 – Платформа Aduino Uno

Ардуино позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на этой базе могут полу-

чать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а

также могут управлять различными исполнительными устройствами.

Ардуино и Ардуино-совместимые платы спроектированы таким обра-

зом, чтобы их можно было при необходимости расширять, добавляя в устройство новые компоненты. Эти платы расширений подключаются к Ар-

дуино посредством установленных на них штыревых разъёмов. Существует ряд плат с унифицированным конструктивом, допускающим конструктивно жесткое соединение процессорной платы и плат расширения в стопку через штыревые линейки. Кроме того, выпускаются платы уменьшенных габаритов

(например, Nano, Lilypad) и специальных конструктивов для задач робото-

техники. Независимыми производителями также выпускается большая гамма всевозможных датчиков и исполнительных устройств, в той или иной степе-

ни совместимых с базовым конструктивом Ардуино.

Воснове аппаратной платформы лежит микропроцессор ATmega328p

стактовой частотой 16 МГц, обладает памятью 32 кБ и имеет более 20 кон-

тролируемых контактов ввода и вывода для взаимодействия с внешним ми-

ром. Так же имеются более производительные платы с большим количеством выходов и большей памятью, но при решении данной задачи представленный контроллер является наиболее подходящим.

Все микроконтроллеры построены по одной схеме. Система управле-

ния, состоящая из счетчика команд и схемы декодирования, выполняет счи-

тывание и декодирование команд из памяти программ, а операционное устройство отвечает за выполнение арифметических и логических операций;

интерфейс ввода/вывода позволяет обмениваться данными с периферийными устройствами; и, наконец, необходимо иметь запоминающее устройство для хранения программ и данных. Обобщённая структура микроконтроллера изображена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Обобщенная структура микроконтроллера Порты ввода-вывода микроконтроллеров оформлены в виде штыревых

линеек. Никакого буферизирования, защиты, конвертации уровней или под-

тяжек, как правило, нет. На платформе расположены 14 контактов (pins), ко-

торые могут быть использованы для цифрового ввода и вывода. Какую роль исполняет каждый контакт, зависит от вашей программы. Все они работают с напряжением 5 В, и рассчитаны на ток до 40 мА. Также каждый контакт име-

ет встроенный, но отключённый по умолчанию резистор на 20 - 50 кОм. Не-

которые контакты обладают дополнительными ролями:

serial: 0 и 1. Используются для приёма и передачи данных по USB;

внешнее прерывание: 2 и 3. Эти контакты могут быть настроены так,

что они будут провоцировать вызов заданной функции при изменении вход-

ного сигнала;

PWM: 3, 5, 6, 9, 10 и 11. Могут являться выходами с широтно-

импульсной модуляцией (pulse-width modulation) с 256 градациями;

LED: 13. К этому контакту подключен встроенный в плату светодиод.

Если на контакт выводится 5 В, светодиод зажигается; при нуле светодиод гаснет.

Помимо контактов цифрового ввода/вывода на Ардуино имеется 6 кон-

тактов аналогового ввода, каждый из которых предоставляет разрешение в

1024 градации. По умолчанию значение меряется между землёй и 5 В, однако возможно изменить верхнюю границу, подав напряжение требуемой величи-

ны на специальный контакт AREF.

Кроме этого на плате имеется входной контакт Reset. Его установка в логический ноль приводит к сбросу процессора. Это аналог кнопки Reset

обычного компьютера.

Помимо портов на платах микроконтроллеров иногда устанавливается периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet. Опциональный набор внешней периферии на модулях расширения включает в себя:

USB Device (чаще всего как виртуальный COM порт через FTDI FT232,

имеются также версии с эмуляцией USB HID Class клавиатур и мышек);

проводной и беспроводной Ethernet как на основной плате, так и на платах расширения;