Bygga en robotarm för Science Olympiad (2 / 14 steg)

Steg 2: S. 1, Plan: Microcontroller och krets församlingen överväganden

Enkelt uttryckt en mikrokontroller är en kompakt dator-on-a-chip med en CPU, minne, och ett par eller mer internt definierats input och output portar, samt andra inbyggda kringutrustning såsom timers eller analog till digital omvandlare. I praktiken kan en mikrokontroller programmerare att få direkt åtkomst till maskinvara från en högre nivå språk (än församlingen), ofta baserade på C eller C++. Exempel: Atmel-C och Arduino språket. Med andra ord, du kan läsa och skriva digitala signaler till IO pinnar, få eller skicka analoga signaler med ett ADC eller DAC (om handkontrollen har en), och komma åt och ändra inre timers, register och annan hårdvara.

När prototyper, är det ofta besvärligt att bygga upp den nödvändiga stödstrukturen att köra en mikrokontroller som en klocka generator, USB-gränssnittet (inte nödvändigt, men användbar om du vill följetong felsökning eller seriell kommunikation), eller strömförsörjning, så en utbrytning styrelse som innehåller dessa funktioner används i stället. Arduino för 8-bitars Atmel AVR och mbed för 32-bitars ARM är två exempel.

i. Arduino

Arduino är överlägset den mest populära och enklaste att använda mikrokontroller för hemmafixare elektronik. Det kommer med sin egen utvecklingsverktyg som är tillgänglig som en gratis nedladdning och den vanliga varianten, Arduino Uno, kan programmeras med en USB hane typ A till typ B hane-kabel (bild 1).

Förutom programmeras via USB-kabeln, kan Arduino också skicka och ta emot seriella data via den här anslutningen. Eftersom hantera enkla seriell ingång och utgång inte kräver programmeraren att genomföra USB-protokollet, det är mycket lättare än vad man kan förvänta sig, serial.print och läsa på Arduinoen slut och popen/pclose på datorns sida (mer om detta senare).

Andra varianter av Arduino plattformen erbjuder ytterligare funktioner som kan vara önskvärt: vi valde att använda Arduino Mega 2560 (bild 2) eftersom det ståtar med den största mängden program utrymme, antal IO portar och antalet extra hårdvara seriella portar för framtida expansion. På gång hade inte jag köpt mikrokontroller, jag ännu beslutat om en kontrollprogram, så att ha så mycket program utrymme som möjligt ifall jag valde att genomföra allt (inklusive omvänd kinematik!) direkt på chip var en prioritet.

Vilka Arduino jag köpa? Hur lägger jag ihop den robotarm kretsar?

En utmaning du kommer att möta är i den faktiska fysiska konstruktionen av robotarm kretsen – Hur ansluter jag servon till Arduino, batteriet till servon, etc.? Arduino standardpaket erbjuder rader av kvinnliga rubriker för att hålla sig sladdar in i, men den här sortens rat's nest stil konstruktion är knappast hållbart eller lätt att felsöka. Det bästa alternativet är att använda en extra kretskort för att ansluta alla elektriska komponenter av armen. Några alternativ finns:

1. fuska genom att köpa en Arduino prototyping sköld (jag nämner detta först eftersom det är förmodligen det bästa alternativet)
En Arduino "sköld" är alla tillägg kretskort som ansluts till toppen av mikrokontroller. Exempel: SD skölden för läsning eller skrivning till blixt minne korten, LCD skölden för gränssnitt med display, och bokstavligen hundratals andra. Flera olika prototyper sköldar finns som är i huvudsak bara tomt kretskort med bekväma anslutningar till den Arduino stift. Robotarm kretsen kan monteras på en av dessa tomma kort med en lödkolv och en handfull komponenter (bild 3).

2. Använd en skärbräda
En skärbräda hyser prototyper av elektroniska kretsar genom att tillåta att komponenter till löst tryck passar in i sammankopplade rader och kolumner för headers. Vissa Arduino ombord som Arduino Nano (bild 4) och Arduino Mini är utrustade med rader av nedåt inför manliga headers istället för uppåt inför kvinnliga rubriker, så att de kan ansluta till en skärbräda som en integrerad krets dopp. Denna väg är det enklaste att välja design ändring flexibilitet och experiment-du är inte tvungen att löda något, men brödunderläggen är liggande till passande råttans Bon. Om du väljer detta är det bästa alternativet, använda en Arduino Nano, Arduino Mini kommer inte med all maskinvara som du behöver för att programmera eller kommunicera med den via följetong.

3. gör bakbord permanent med en protoboard
En protoboard (bild 5) är ett tomt glasfiber kretskort med förborrade hål och vias med standard (0.1") komponent avstånd, samma som på en skärbräda. Grindar kan du göra en breadboarded design permanent med löda, men också lider av råttans häckande problem. Aldrig löda en Arduino direkt på en perfboard-Använd två parallella rader av kvinnliga headers för en Nano för att ansluta till snarare än att sticka det genom styrelsen och lödning det. Om du gör ett misstag som inte kan fastställas, eller om du vill installera en uppgradering, är det både billigare och lättare att köpa en ny $3 protoboard än en $40 Arduino.

4. etch egna kretskort (vad vi gjorde)
Att göra ett anpassat kretskort från grunden kan vara en svår process, men är i särklass det bästa valet; Det är liten chans att mänskliga fel vid monteringen och om styrelsen är korrekt utformad, det kommer att fungera första gången du slår på, 100% av tiden (Bild 6). Att göra ett kretskort från grunden kräver Örnen CAD, en laserskrivare, fotopapper, ett järn (som, faktiska strykjärn, inte en lödkolv), Tom PCB material och järnklorid, de flesta av dessa leveranser kan vara köpt på en lokal elektronik hobby butik som "Du-Do-It" elektronik eller online om du vill spara pengar, men vänta på leverans. Det finns andra instructables som beskriver processen i detalj.

II. andra alternativ (för den mer äventyrlige)

Jag nämner bara dessa är komplett-

Om du hittar Arduino att bli för dyrt, eller du vill etch en bräda som innehåller både microcontroller och robotarm kretsar, kan du använda ett kalt Atmega chip laddad med Arduino bootloader, en kristalloscillator och en FTDI converter chip för seriell kommunikation via USB. Alternativt, om du inte behöver seriell kommunikation, ett kalt Atmega chip eller en Arduino Pro Mini, programmerade med en FTDI adapter kabel skulle också fungera.

Om du behöver mer hastighet eller minne än en Arduino eller AVR kan leverera, eller en 32-bitars processor (som inte var nödvändiga för projektet, jag hittade), mbed är ett bra alternativ (bild 7). Den levereras med en snygg online kompilator och utveckling verktyg, "dra och släpp" programmering via USB, och massor av bibliotek som enkelt kan tas med i projektet utan en nedladdning - bara peka online-verktyget till sidan på mbed webbplats med biblioteket och du är good to go. Jag har inte försökt att kommunicera med en mbed över följetong, men jag tänka mig inte att det är alltför annorlunda än att göra det med en Arduino. Om du har tid och budget, och planerar att genomföra mer än bara en följetong till servo bridge i mikro, är mbed ett bra val.

Köpställen: Sparkfun elektronik (http://www.sparkfun.com)
Rekommenderas:
-Arduino Uno R3 (med en prototyping sköld)
-Arduino Nano (med en skärbräda eller protoboard)
-Arduino Mega 2560 (med en custom-etsad ombord, eller i fall där hela programmet kommer att vara i mikro) (Vad vi gjorde)