Rover Terkendali Gerakan Menggunakan Akselerometer dan Pasangan Pemancar-Penerima RF: 4 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:57

Hei, Pernah ingin membangun rover yang dapat Anda kemudikan dengan gerakan tangan sederhana tetapi tidak pernah bisa mengumpulkan keberanian untuk menjelajah ke dalam seluk-beluk pemrosesan gambar dan menghubungkan webcam dengan mikrokontroler Anda, belum lagi perjuangan berat untuk mengatasi jangkauan yang buruk dan line-of- masalah penglihatan? Nah, jangan takut… karena ada jalan keluar yang mudah! Lihatlah, saat saya mempersembahkan kepada Anda ACCELEROMETER yang perkasa! *ba dum tsss*

Akselerometer adalah perangkat yang sangat keren yang mengukur percepatan gravitasi di sepanjang sumbu linier. Ini mewakili ini sebagai tingkat tegangan yang berfluktuasi antara ground dan tegangan suplai, yang dibaca mikrokontroler kami sebagai nilai analog. Jika kita menerapkan otak kita sedikit (hanya sedikit matematika dan beberapa fisika Newton), kita tidak hanya dapat menggunakannya untuk mengukur gerak linier sepanjang sumbu, tetapi kita juga dapat menggunakannya untuk menentukan sudut kemiringan dan merasakan getaran. Jangan khawatir! Kami tidak akan membutuhkan matematika atau fisika; kita hanya akan berurusan dengan nilai mentah yang ditunjukkan oleh akselerometer. Sebenarnya, Anda sebenarnya tidak perlu terlalu khawatir tentang teknis akselerometer untuk proyek ini. Saya hanya akan menyentuh beberapa spesifik dan menguraikan hanya sebanyak yang Anda butuhkan untuk memahami gambaran besarnya. Meskipun, jika Anda tertarik untuk mempelajari mekanika bagian dalamnya, lihat di sini.

Anda hanya perlu mengingat hal ini untuk saat ini: akselerometer adalah alat (sering digabungkan dengan giroskop) yang membuka pintu ke semua game sensor gerak yang kami mainkan di ponsel cerdas kami; permainan balap mobil misalnya, di mana kita mengarahkan kendaraan hanya dengan memiringkan perangkat kita ke kedua arah. Dan, kita dapat meniru efek ini dengan menempelkan akselerometer (dengan beberapa alat bantu, tentu saja) ke sarung tangan. Kami hanya mengenakan sarung tangan ajaib kami dan memiringkan tangan kami ke kiri atau ke kanan, ke depan atau ke belakang dan melihat rover kami menari mengikuti irama kami. Yang harus kita lakukan di sini adalah menerjemahkan pembacaan akselerometer ke sinyal digital yang dapat ditafsirkan oleh motor pada rover dan merancang mekanisme untuk mengirimkan sinyal ini ke rover. Untuk mencapai hal ini, kami memanggil Arduino yang baik dan pembantunya untuk percobaan hari ini, pasangan pemancar-penerima RF yang beroperasi pada 434MHz sehingga menghasilkan jangkauan sekitar 100-150m di ruang terbuka, yang juga menyelamatkan kita dari line-of- masalah penglihatan.

Peretasan yang cukup bagus, bukan? Mari selami…

Langkah 1: Kumpulkan Persediaan Anda

• Arduino Nano	x1
• Akselerometer (ADXL335)	x1
• Motor DC 5V + Roda	x2 masing-masing
• Roda sapi*	x1
• Driver Motor L293D + soket IC 16 pin	x1 masing-masing
• Pemancar RF 434 MHz	x1
• Penerima RF 434 MHz	x1
• IC Encoder HT-12E + soket IC 18 pin	x1 masing-masing
• IC Decoder HT-12D + soket IC 18 pin	x1 masing-masing
• Pengatur Tegangan LM7805	x1
• Saklar Tombol Tekan	x2
• LED Merah + resistor 330O	x2 masing-masing
• LED kuning + resistor 330O	x1 masing-masing
• LED Hijau + resistor 330O (opsional)	x4 masing-masing
• Resistor 51kO dan 1MO	x1 masing-masing
• Kapasitor Radial 10µF	x2
Baterai, Konektor Baterai, Kabel USB, Kabel Jumper, Header Wanita, Terminal Sekrup 2-pin, PCB, Chasis, dan Aksesori Solder Anda yang biasa

Jika Anda bertanya-tanya mengapa kami menggunakan roda sapi, masalahnya adalah, modul pemancar dan penerima RF hanya memiliki 4 pin data, yang berarti bahwa kami hanya dapat menggerakkan 2 motor dan oleh karena itu penggunaan roda sapi untuk mendukung struktur. Namun, jika Anda merasa rover Anda akan terlihat lebih keren dengan empat roda, jangan khawatir, ada solusinya! Dalam hal ini, cukup coret roda sapi dari daftar dan tambahkan sepasang motor DC 5V lainnya, disertai dengan roda masing-masing, dan perhatikan peretasan sederhana yang dibahas menjelang akhir langkah 3.

Akhirnya, untuk yang berani, ada ruang untuk sedikit modifikasi lain dalam desain, yang agak melibatkan rekayasa Arduino Anda sendiri. Buka bagian bonus di langkah berikutnya dan lihat sendiri. Anda juga memerlukan beberapa perlengkapan tambahan: ATmega328P, soket IC 28pin, osilator kristal 16Mhz, dua tutup keramik 22pF, pengatur tegangan 7805 lainnya, dua tutup radial 10μF dan resistor 10kΩ, 680Ω, 330Ω, dan ya, minus Arduinonya!

Langkah 2: Pasang Pemancar

Kami akan memecah proyek menjadi dua konstituen: sirkuit pemancar dan penerima. Pemancar terdiri dari akselerometer, Arduino, dan modul pemancar RF yang digabungkan dengan IC encoder HT-12E, semuanya terhubung sesuai skema terlampir.

Akselerometer, seperti yang diperkenalkan sebelumnya, berfungsi untuk mengenali gerakan tangan kita. Kami akan menggunakan akselerometer tiga sumbu (pada dasarnya tiga akselerometer sumbu tunggal dalam satu) untuk memenuhi kebutuhan kami. Ini dapat digunakan untuk mengukur percepatan di ketiga dimensi, dan seperti yang mungkin sudah Anda duga, itu tidak menghasilkan satu, tetapi satu set tiga nilai analog relatif terhadap tiga sumbunya (x, y dan z). Sebenarnya, kita hanya membutuhkan akselerasi sepanjang sumbu x dan y karena kita hanya dapat menggerakkan rover dalam empat arah: maju atau mundur (yaitu sepanjang sumbu y) dan kiri atau kanan (yaitu sepanjang sumbu x). Kami membutuhkan sumbu z jika kami membuat drone, sehingga kami juga dapat mengontrol naik atau turunnya melalui gerakan. Bagaimanapun, nilai analog yang dihasilkan akselerometer ini harus diubah menjadi sinyal digital agar dapat menggerakkan motor. Ini diurus oleh Arduino yang juga mentransmisikan sinyal-sinyal ini, setelah dikonversi, ke rover melalui modul pemancar RF.

Pemancar RF hanya memiliki satu pekerjaan: untuk mengirimkan data "serial" yang tersedia di pin 3 keluar antena di pin 1. Ini menganjurkan penggunaan HT-12E, encoder data paralel-ke-serial 12 bit, yang mengumpulkan hingga 4 bit data paralel dari Arduino pada jalur AD8 hingga AD11, sehingga memungkinkan kami menyediakan ruang untuk hingga 24=16 kombinasi I/O yang berbeda dengan pin data tunggal pada pemancar RF. 8 bit yang tersisa, yang diambil dari jalur A0 hingga A7 pada encoder, merupakan byte alamat, yang memfasilitasi pemasangan pemancar RF dengan penerima RF yang sesuai. 12 bit kemudian disatukan dan diserialisasi, dan diteruskan ke pin data pemancar RF, yang pada gilirannya, ASK-memodulasi data ke gelombang pembawa 434MHz dan menembakkannya melalui antena di pin 1.

Secara konseptual, setiap penerima RF yang mendengarkan pada 434Mhz harus dapat mencegat, mendemodulasi, dan memecahkan kode data ini. Namun, baris alamat pada HT-12E, dan pada pasangan HT-12D (dekoder data serial-ke-paralel 12 bit), memungkinkan kita untuk membuat pasangan pemancar-penerima RF unik dengan merutekan data hanya ke penerima yang dituju sehingga membatasi komunikasi dengan semua orang lain. Yang kami perlukan hanyalah mengkonfigurasi saluran alamat secara identik di kedua sisi. Misalnya, karena kami telah menghubungkan semua baris alamat untuk HT-12E kami, kami harus melakukan hal yang sama untuk HT-12D di ujung penerima atau penjelajah tidak akan dapat menerima sinyal. Dengan cara ini, kami juga dapat mengontrol beberapa penjelajah dengan sirkuit pemancar tunggal dengan mengonfigurasi saluran alamat secara identik pada HT-12D di setiap penerima. Atau, kita dapat mengenakan dua sarung tangan, masing-masing ditempelkan dengan rangkaian pemancar yang berisi konfigurasi saluran alamat yang berbeda (misalnya, satu dengan semua saluran alamat diarde dan yang lainnya dengan semua ditinggikan, atau satu dengan satu saluran diarde sementara tujuh lainnya ditahan tinggi dan yang lainnya dengan dua garis dibumikan sementara enam garis lainnya tetap tinggi, atau kombinasi lainnya darinya) dan masing-masing kemudi memiliki beberapa penemu yang dikonfigurasi secara identik. Mainkan sang maestro di simfoni android!

Satu hal penting yang perlu diperhatikan saat merakit rangkaian adalah nilai Rosc. HT-12E memiliki rangkaian osilator internal antara pin 15 dan 16, yang diaktifkan dengan menghubungkan resistor, yang disebut Rosc, di antara pin tersebut. Nilai yang dipilih untuk Rosc sebenarnya menentukan frekuensi osilator, yang dapat bervariasi tergantung pada tegangan suplai. Memilih nilai yang sesuai untuk Rosc sangat penting untuk fungsi HT-12E! Idealnya, frekuensi osilator HT-12E harus 1/50 kali dari rekan HT-12D. Oleh karena itu, karena kami beroperasi pada 5V, kami memilih resistor 1MΩ dan 51kΩ sebagai Rosc untuk masing-masing sirkuit HT-12E dan HT-12D. Jika Anda berencana untuk mengoperasikan sirkuit pada tegangan suplai yang berbeda, lihat grafik “Frekuensi Osilator vs Tegangan Suplai” di halaman 11 dari lembar data HT-12E terlampir untuk menentukan frekuensi osilator dan resistor yang tepat yang akan digunakan.

Selain itu, sebagai catatan tambahan, kami akan menggunakan header perempuan di sini (melayani tujuan yang sama seperti soket IC) untuk menyambungkan akselerometer, pemancar RF, dan Arduino di sirkuit alih-alih langsung menyoldernya ke PCB. Tujuannya adalah untuk mengakomodasi sedikit komponen yang dapat digunakan kembali. Katakanlah, sudah lama sejak Anda merekayasa rover yang dikendalikan gerakan dan hanya duduk di sana, setengah tertutup debu, di atas rak piala Anda dan Anda menemukan instruksi hebat lainnya yang memanfaatkan kemanjuran akselerometer. Jadi apa yang kamu lakukan? Anda cukup menariknya keluar dari bajak Anda dan mendorongnya ke sirkuit baru Anda. Tidak perlu memanggil "Amazon" untuk memberi Anda yang baru:-p

Bonus: Singkirkan Arduino, namun Jangan

Untuk berjaga-jaga jika Anda merasa sedikit lebih berani, dan terutama jika Anda berpikir bahwa mengeluarkan keajaiban yang dirancang dengan indah ini (Arduino, tentu saja) untuk tugas sepele seperti tugas kita sedikit berlebihan, bersabarlah sedikit lebih lama.; dan jika tidak, silakan lewati ke langkah berikutnya.

Tujuan kami di sini adalah menjadikan Arduino (otak Arduino, sebenarnya; ya, saya sedang berbicara tentang IC ATmega!) Menjadi anggota tetap tim. ATmega akan diprogram untuk menjalankan hanya satu sketsa berulang-ulang sehingga dapat berfungsi sebagai bagian abadi dari rangkaian, seperti halnya HT-12E-sebuah IC belaka, hanya duduk di sana, melakukan apa yang seharusnya. Bukankah ini seharusnya sistem tertanam yang sebenarnya?

Bagaimanapun, untuk melanjutkan peningkatan ini, cukup modifikasi sirkuit sesuai skema kedua yang terlampir. Di sini, kita cukup mengganti header perempuan untuk Arduino dengan soket IC untuk ATmega, menambahkan resistor pull-up 10K pada pin reset (pin 1) dari IC dan memompanya dengan jam eksternal antara pin 9 dan 10 Sayangnya, jika kita menyingkirkan Arduino, kita juga melepaskan regulator tegangan bawaannya; ergo, kita harus mereplikasi sirkuit LM7805 yang telah kita gunakan untuk receiver di sini juga. Selain itu, kami juga menggunakan pembagi tegangan untuk menarik 3.3V yang diperlukan untuk menyalakan akselerometer.

Sekarang, satu-satunya tangkapan lain di sini adalah memprogram ATmega untuk melakukan tugasnya. Anda harus menunggu sampai langkah 4, meskipun. Jadi, pantau terus…

Langkah 3: Dan, Penerima

Penerima terdiri dari modul penerima RF yang digabungkan dengan IC dekoder HT-12D dan sepasang motor DC yang dioperasikan dengan bantuan driver motor L293D, semuanya terhubung sesuai skema terlampir.

Satu-satunya tugas penerima RF adalah mendemodulasi gelombang pembawa (diterima melalui antenanya di pin 1) dan merender data "serial" yang diambil di pin 7 dari mana ia diambil oleh HT-12D untuk deserialisasi. Sekarang, dengan asumsi bahwa jalur alamat (A0 hingga A7) pada HT-12D dikonfigurasi identik dengan rekanan HT-12E, 4 bit paralel data diekstraksi dan diteruskan, melalui jalur data (D8 hingga D11) pada HT-12D, ke pengemudi motor, yang selanjutnya menginterpretasikan sinyal-sinyal ini untuk menggerakkan motor.

Sekali lagi, perhatikan nilai Rosc. HT-12D juga memiliki rangkaian osilator internal antara pin 15 dan 16, yang diaktifkan dengan menghubungkan resistor, yang disebut Rosc, di antara pin tersebut. Nilai yang dipilih untuk Rosc sebenarnya menentukan frekuensi osilator, yang dapat bervariasi tergantung pada tegangan suplai. Memilih nilai yang sesuai untuk Rosc sangat penting untuk fungsi HT-12D! Idealnya frekuensi osilator HT-12D harus 50 kali dari rekan HT-12E. Oleh karena itu, karena kami beroperasi pada 5V, kami memilih resistor 1MΩ dan 51kΩ sebagai Rosc untuk masing-masing sirkuit HT-12E dan HT-12D. Jika Anda berencana untuk mengoperasikan sirkuit pada tegangan suplai yang berbeda, lihat grafik “Frekuensi Osilator vs Tegangan Suplai” di halaman 5 dari lembar data HT-12D terlampir untuk menentukan frekuensi osilator dan resistor yang tepat yang akan digunakan.

Juga, jangan lupa header perempuan untuk penerima RF.

Secara opsional, LED dapat dihubungkan melalui resistor pembatas arus 330Ω ke masing-masing dari 4 pin data HT-12D untuk membantu menentukan bit yang diterima pada pin tersebut. LED akan menyala jika bit yang diterima HIGH (1) dan akan redup jika bit yang diterima LOW (0). Atau, satu LED dapat diikat ke pin VT dari HT-12D (sekali lagi, melalui resistor pembatas arus 330Ω), yang akan menyala jika transmisi valid.

Sekarang, jika Anda mencari peretasan dengan motor yang saya bicarakan di langkah pertama, itu sangat mudah! Cukup sambungkan kedua motor di setiap set secara paralel seperti yang ditunjukkan pada skema kedua. Ini bekerja sebagaimana mestinya karena motor di setiap set (motor depan dan belakang di kiri dan motor depan dan belakang di kanan) tidak pernah digerakkan ke arah yang berlawanan. Artinya, untuk membelokkan rover ke kanan, motor depan dan belakang di sebelah kiri keduanya harus digerakkan ke depan dan motor depan dan belakang di sebelah kanan keduanya harus digerakkan ke belakang. Demikian pula, agar bajak berbelok ke kiri, motor depan dan belakang di sebelah kiri harus digerakkan ke belakang dan motor depan dan belakang di sebelah kanan harus digerakkan ke depan. Oleh karena itu, aman untuk memberi makan pada pasangan tegangan yang sama ke kedua motor dalam satu set. Dan, cara untuk melakukannya adalah dengan menghubungkan motor-motor tersebut secara paralel.

Langkah 4: Ke Kode

Hanya ada satu hal yang harus dilakukan untuk menjalankan dan menjalankan rover. Ya, Anda menebaknya dengan benar! (Saya harap Anda melakukannya) Kami masih harus menerjemahkan pembacaan akselerometer ke dalam bentuk yang dapat ditafsirkan oleh pengemudi motor untuk dapat menggerakkan motor. Jika Anda berpikir bahwa karena pembacaan akselerometer adalah analog dan pengemudi motor mengharapkan sinyal digital, kita harus menerapkan semacam ADC, yah, tidak secara teknis, tapi itulah yang perlu kita lakukan. Dan itu cukup mudah.

Kita tahu bahwa akselerometer mengukur percepatan gravitasi di sepanjang sumbu linier dan percepatan ini direpresentasikan sebagai tingkat tegangan yang berfluktuasi antara ground dan tegangan suplai, yang dibaca mikrokontroler kita sebagai nilai analog yang bervariasi antara 0 dan 1023. Namun, karena kita Saat mengoperasikan akselerometer pada 3.3V, sebaiknya kita menyetel referensi analog untuk ADC 10-bit (yang terintegrasi dalam ATmeaga di atas Arduino) ke 3.3V. Itu hanya akan membuat segalanya lebih mudah dipahami; meskipun, itu tidak akan menjadi masalah besar untuk percobaan kecil kami bahkan jika kami tidak melakukannya (kami hanya perlu mengubah kodenya sedikit). Namun, untuk melakukannya, kita cukup menyambungkan pin AREF pada Arduino (pin 21 pada ATmega) ke 3.3V dan menunjukkan perubahan kode ini dengan memanggil analogReference(EXTERNAL).

Sekarang, ketika kita meletakkan akselerometer datar dan analog. Baca percepatan di sepanjang sumbu x dan y (ingat? kita hanya membutuhkan dua sumbu ini), kita mendapatkan nilai sekitar 511 (yaitu setengah jalan antara 0 dan 1023), yang hanya a cara mengatakan bahwa ada 0 percepatan di sepanjang sumbu ini. Daripada menggali detail faktanya, bayangkan saja ini sebagai sumbu x dan y pada grafik, dengan nilai 511 menunjukkan titik asal dan 0 dan 1023 titik akhir seperti yang digambarkan pada gambar; arahkan akselerometer sedemikian rupa sehingga pinnya mengarah ke bawah dan dipegang lebih dekat dengan Anda atau Anda dapat membalikkan/mengganti sumbunya. Artinya, jika kita memiringkan akselerometer ke kanan, kita harus membaca nilai yang lebih besar dari 511 sepanjang sumbu x, dan jika kita memiringkan akselerometer ke kiri, kita akan mendapatkan nilai yang lebih rendah dari 511 di sepanjang sumbu x. Demikian pula, jika kita memiringkan akselerometer ke depan, kita harus membaca nilai yang lebih besar dari 511 di sepanjang sumbu y, dan jika kita memiringkan akselerometer ke belakang, kita harus membaca nilai yang lebih rendah dari 511 di sepanjang sumbu y. Dan ini adalah bagaimana kita menyimpulkan, dalam kode, arah mana rover harus didorong. Tapi ini juga berarti bahwa kita harus menjaga akselerometer benar-benar stabil dan sejajar sejajar dengan permukaan datar untuk dapat membaca 511 di kedua sumbu agar rover tetap diparkir. Untuk sedikit meringankan tugas ini, kami mendefinisikan ambang tertentu yang membentuk batas, seperti yang digambarkan pada gambar, sehingga rover tetap tidak bergerak selama pembacaan x dan y berada dalam batas dan kami tahu pasti bahwa rover harus diatur dalam bergerak setelah ambang batas terlampaui.

Misalnya, jika sumbu y membaca 543, kita tahu bahwa akselerometer dimiringkan ke depan sehingga kita harus mengarahkan rover ke depan. Kami melakukan ini dengan mengatur pin D2 dan D4 HIGH dan pin D3 dan D5 LOW. Sekarang, karena pin ini disambungkan langsung ke HT-12E, sinyal diserialisasikan dan dikeluarkan dari pemancar RF hanya untuk ditangkap oleh penerima RF yang duduk di rover, yang dengan bantuan HT-12D menghilangkan serial sinyal dan meneruskannya ke L293D, yang pada gilirannya menafsirkan sinyal-sinyal ini dan menggerakkan motor ke depan

Anda mungkin ingin mengubah ambang batas ini, untuk mengkalibrasi sensitivitas. Cara mudah untuk melakukannya adalah dengan menyambungkan akselerometer Anda ke Arduino Anda dan menjalankan sketsa yang menampilkan pembacaan x dan y ke monitor serial. Sekarang gerakkan akselerometer sedikit, lihat bacaannya dan putuskan ambang batasnya.

Dan, itu saja! Unggah kode ke Arduino Anda dan nikmatilah!! Atau, mungkin tidak secepat ini:-(Jika Anda tidak melewatkan bagian bonus, mengunggah kode ke ATmega Anda akan berarti sedikit lebih banyak pekerjaan. Anda punya dua opsi:

Opsi A: Gunakan perangkat USB ke Serial seperti papan breakout dasar FTDI FT232. Cukup jalankan kabel dari header TTL ke pin yang sesuai pada ATmega sesuai pemetaan di bawah ini:

Pin di Papan Breakout	Pin di Mikrokontroler
DTR/GRN	RST/Reset (Pin 1) melalui tutup 0,1µF
Rx	Tx (Pin 3)
terima kasih	Rx (Pin 2)
Vcc	Keluaran +5v
CTS	(tidak terpakai)
Gnd	Tanah

Sekarang, colokkan salah satu ujung kabel USB ke papan breakout dan ujung lainnya ke PC Anda dan unggah kode seperti biasa: luncurkan Arduino IDE, pilih port serial yang sesuai, atur jenis papan, kompilasi sketsa dan tekan unggah.

Opsi B: Gunakan UNO jika Anda memilikinya di suatu tempat. Cukup tancapkan ATmega Anda ke UNO, unggah kode seperti biasa, cabut IC dan dorong kembali ke sirkuit pemancar. Mudah sekali!

Salah satu dari opsi ini akan berfungsi, dengan asumsi Anda cukup pintar untuk membakar bootloader sebelumnya di ATmega Anda, atau, jika Anda lebih pintar untuk membeli ATmega dengan bootloader yang sudah diinstal di tempat pertama. Jika tidak, lanjutkan dan lakukan dengan mengikuti langkah-langkah yang diuraikan di sini.

Andddd, kami resmi selesai! Saya harap Anda menikmati instruksi yang sangat panjang ini. Sekarang, lanjutkan, selesaikan pembuatan rover Anda jika Anda belum selesai, mainkan sebentar dan kembalilah untuk membanjiri bagian komentar di bawah dengan pertanyaan dan/atau kritik yang membangun.

Terima kasih

P. S. Alasan saya tidak mengunggah foto proyek yang sudah selesai adalah, karena saya tidak menyelesaikannya sendiri. Di tengah jalan membangunnya, saya memikirkan beberapa tambahan, seperti kontrol kecepatan, penghindaran rintangan dan mungkin LCD pada rover, yang sebenarnya tidak terlalu sulit jika kita menggunakan mikrokontroler pada ujung transmisi dan penerima. Tapi, mengapa tidak melakukannya dengan cara yang sulit?! Jadi, saat ini saya sedang bekerja ke arah itu dan saya akan memposting pembaruan segera setelah membuahkan hasil. Namun, saya menguji kode dan desain dengan bantuan prototipe cepat yang saya buat menggunakan modul dari salah satu proyek saya sebelumnya; kalian bisa lihat videonya disini.