Стартовый прибор судьи (прибор для осуществления процесса судейства в соревновании роботов)

Просмотреть картинки списком

Наставник: Павин Герман Фёдорович

Ученик: Петин Денис Игоревич (16 лет)

Город (село): г. Омск

Название колледжа: Омский авиационный техникум имени Н.Е.Жуковского, г. Омск

Название изобретения или изделия: 2) Стартовый прибор судьи (прибор для осуществления процесса судейства в соревновании роботов)

Введение

Стартовый прибор судьи (далее – стартовый прибор) предназначен для измерения времени прохождения дистанции в соревновании роботов, где роботы перемещаются по направляющей линии (трассе).

В конкурсе «Электрон», регулярно проходящим на Омской областной станции юных техников, в прошедшем году организовано новое направление технического творчества учащихся – робототехника. Одним из направлений этого конкурса является конструирование роботов, перемещающихся вдоль по направляющей линии с различной скоростью. Соревнование происходит следующим образом: испытуемая модель робота устанавливается на круговую линию (трассу) и проходит по ней определённое количество кругов. В это время с помощью секундомера происходит измерение времени, за которое робот проходит дистанцию. Модель, проехавшая трассу быстрее остальных, является лучшей. Для автоматизации процесса измерения времени, за которое робот проходит трассу, появилась необходимость в разработке и изготовлении стартового прибора судьи, который мог бы производить все измерения самостоятельно, без вмешательства человека.

На основании практического опыта, а также, по условиям проведения соревнований, были определены требования к данной конструкции: точность измерения времени (0,1 сек); установка зачётного числа кругов перед стартом; индикация на ЖК-дисплее времени одного круга и суммарного времени прохождения всей дистанции; индикация режимов работы устройства.

Описание процесса разработки

Анализ возможных схемотехнических решений показал, что для создания стартового прибора существует два альтернативных варианта: создание конструкции на дискретных цифровых элементах низкой степени интеграции или использование микропроцессорной базы. К положительным сторонам устройства на дискретных элементах можно отнести простоту в понимании взаимодействия отдельных элементов схемы, построенной на логических элементах, а также доступность элементной базы. Но такое устройство будет иметь и отрицательные стороны, а именно: большой объём и сложность конструкции, большое количество монтажных работ, отсутствие возможности внесения изменений в конструкцию. К положительным сторонам конструкции, собранной на базе микропроцессора можно отнести схемотехническую простоту, возможность легко изменять программу, тем самым, изменяя возможности прибора, не внося изменений в конструкцию, возможность придания новых свойств существующей конструкции.

Рассмотрев все возможные схемотехнические варианты, был сделан вывод, что устройство, выполненное на микропроцессоре, более вариативно в инженерно-конструкторском смысле, поскольку такую конструкцию легче адаптировать к изменившимся условиям работы. Разрабатываемый прибор может быть использован не только для измерения времени в конкурсе с роботами, но и, например, при соответствующей доработке, в качестве тахометра, для измерения оборотов ведущих двигателей робота. Также, нельзя оставить без внимания и то, что использование микропроцессоров является перспективным направлением в современном конструировании радиоэлектронной аппаратуры.

Конструкция состоит из двух основных блоков: блок фотоприёмника, на базе микросхемы К1056УП1 (DA4) и управляющий блок, на базе микроконтроллера ATMEL ATmega8.

При разработке стартового прибора проводилось исследование возможности получения информации с трассы. Рассматривались различные варианты, например, элементы оптопары прибора устанавливались по бокам направляющей линии и в то время, когда проезжала модель, она перекрывала луч оптопары. Такой способ показал не самые лучшие характеристики, а именно: слабый сигнал с фотоприёмника, не постоянное срабатывание датчика, поэтому и было принято решение установить микросхему К1056УП1, в составе которой находится усилитель напряжения фотодиода с устройством измерения средней освещенности объекта. С микросхемой-усилителем оптопары стали срабатывать лучше, но появилось большое количество помех от светодиодов робота, что вызывало ложное срабатывание датчика стартового прибора. Во время этих экспериментов обнаружилось, что фотоприёмник оптопары с усилителем достаточно неплохо реагирует на излучающие диоды робота, что, впоследствии, дало возможность использовать излучение светодиодов робота в качестве сигнала для фотоприёмника стартового прибора.

Для получения наилучшего сигнала с трассы были опробованы различные, имеющиеся в нашем распоряжении фотодиоды. Наилучший результат был получен с диодом ФД236, имеющим большую площадь кристалла и фокусирующую линзу. Таким образом, блок фотоприёмника был изготовлен на микросхеме К1056УП1(DA4) и фотодиоде ФД236. Так как три диода-излучателя на роботе включаются поочередно, то на выходе микросхемы будут также наблюдаться импульсы, когда модель находится в «поле зрения» фотоприёмника, а это приводит к множественному срабатыванию таймера-счётчика. С целью избавится от этих импульсов и получить чёткий сигнала ноль-единица была установлена интегрирующая цепочка (R41С23), после чего множественные импульсы на выходе микросхемы исчезли. Для того чтобы, максимально повысить точность срабатывания фотоприёмника, нужно было сузить «поле зрения» прибора. Для этого использовалась пластиковая трубка, диаметром 12 мм и длиной 55 мм, которая была установлена на фотодиод.

Импульсы из блока фотоприёмника поступают в блок управления на порт микропроцессора. В программе микропроцессора происходит измерение времени между этими импульсами, что является временем прохождения моделью одного круга. При прохождении моделью заданного количества кругов по трассе процессор вычисляет полное время на трассе и выводит эти значения на ЖК-дисплей.

Описание программы микропроцессора

Программное обеспечение микропроцессора разработано в графической среде «Algorithm Builder».

Программное обеспечение микропроцессора включает в себя несколько составных частей, а именно: RESET – подпрограмма (п/п) инициализации микропроцессора (настройка портов, таймера, обнуление рабочих регистров), OPROS – п/п опроса фотоприёмника и запуска таймера, FINISH – п/п опроса кнопок управления, используемых для коррекции опорного значения числа кругов, опроса кнопки перехода в режим «ПОДГОТОВКА», Lcd_out_data, Read_Data_A, Read_Data_B, Video – п/п вывода данных на ЖК-дисплей, START – п/п установка режима «СТАРТ», Z_to_Digits_5 – п/п перевода десятичных чисел в коды индикатора, TIME – п/п определения времени одного круга, суммирования числа пройденных кругов, разрешение вывода на дисплей.

Особо следует проанализировать работу п/п Timer_1_Compare_Match_A, отвечающей за формирование интервалов времени, равных 0,1 сек, для счётчиков времени круга, а также суммарного времени дистанции. Формирование интервалов времени происходит по прерываниям, которые возникают при достижении счётчиком таймера значения, равного установленному в регистре сравнения таймера. Число, записываемое в регистр сравнения таймера, определяется тактовой частотой микропроцессора, коэффициентом предварительного делителя и требуемыми интервалами времени между прерываниями, в данном случае равными 0,1 сек. Тактовая частота микропроцессора равна 4 МГц, коэффициент предварительного делителя частоты в таймере выбран равным 64. С учётом требуемой частоты прерываний 10 Гц, выводим формулу получения опорного числа регистра сравнения:

F_проц. / К_дел. = F_{счётчика.},
F_{счётчика.} x 0,1сек = N_рег.ср.
где F_проц. – тактовая частота микропроцессора,
К_дел. – коэффициент предварительного делителя,
F_{счётчика.} – частота на входе счётчика таймера,
N_рег.ср. – опорное число, записываемое в регистр сравнения.
4 000 000 Гц / 64 = 62500 Гц

62500 Гц x 0,1 сек = 6250 = #186A.

Анализ проделанной работы

Подводя итоги работы, можно отметить, что конструкция полностью отвечает поставленным требованиям. Стартовый прибор может работать с другими сменными блоками, помимо блока фотоприёмника, например, с блоком «ТАХОМЕТР». В перспективе планируется изготовить соответствующий блок, который облегчит процесс настройки роботов. Достигнута необходимая точность измерения времени (0,1 сек), конструкция снабжена ЖК-дисплеем, на котором индицируется вся необходимая информация.

Полученные технические характеристики устройства:

• Напряжение питания устройства 6…9 В.

• Погрешность измерения времени 0,1 сек.

• Установка числа кругов за один заезд 1…40.

• Максимальное измеряемое время круга 999,9 сек.

• Максимальное измеряемое время на дистанции 9999,9 сек.