03_05.pdf

KLOCKI ELEKTRONICZNE

AUTOMATYCZNY SYSTEM

PANORAMOWANIA

KAMERą

Budowa automatycznego systemu

panoramowania kamerą, który

rozszerza obszar przez nią

nadzorowany, ilustruje sposób

wykorzystania modułów

przedstawionych w trzecim artykule z

serii „Klocków elektrycznych".

Artykuł niniejszy przedstawia sposób,

w jaki można opisane moduły dobrać i

zestawić w działające urządzenie. Tym

razem będzie to układ do poruszania

kamerą systemu nadzorującego w

panoramicznym obszarze obserwacji.

Szybkość oraz zakres jej ruchu

kątowego dają się sterować przez układ,

dzięki czemu system nabiera

szczególnej przydatności do zdalnej

obserwacji. Zakres ruchu kamery jest

wyznaczony jednym tylko wyłącznikiem.

Układ ten nadaje się do wszelkich

urządzeń wymagających sterowanego

odwracania kierunku ruchu.

W niniejszym artykule wzmianki o

oznaczeniach w rodzaju rys. 3.1 czy rys.

3.2 odnoszą się do rysunków

zamieszczonych poprzednim artykule.

Natomiast rysunki oznaczone rys. 1 lub

rys. 2 są rysunkami tego artykułu.

Układ sterujący i makieta kamery na silniku panoramowania.

Założenia projektu

5. układ jest zasilany napięciem stałym

12V.

Jak zwykle przed rozpoczęciem pro−

jektowania urządzenia trzeba zdefinio−

wać wymagania jakie ma ono spełniać.

Projektowany układ do sterowania pano−

ramicznym ruchem kamery winien speł−

niać pięć następujących podstawowych

wymagań:

1. kątową pozycją kamery ma sterować

silnik z przekładnią,

2. kamera ma poruszać się w sposób

ciągły w granicach kontrolowanych

przez układ,

3. kątowe granice oraz szybkość ruchu

kamery są sterowane przez układ,

4. jeden mikrowyłącznik wyznacza śro−

dek kąta panoramowania,

Schemat blokowy

Po ustaleniu założeń projektu, można

przystąpić do sporządzenia schematu

blokowego układu. Jest on przedstawiony

na rys. 1 . Aby schemat ten stał się zrozu−

miały, trzeba najpierw omówić wymaga−

nia samego silnika i odwracalności jego

obrotów.

Zastosowano silnik prądu stałego, po−

nieważ łatwo daje się odwracać kierunek

jego obrotów przez odwracanie polaryza−

cji zasilania. Napięcie zasilające jest do−

prowadzane do silnika za pośrednictwem

modułu regulatora szybkości obrotów.

Rys. 1 Schemat blokowy automatycznego systemu panoramowania kamerą.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

KLOCKI ELEKTRONICZNE

Długość impulsu przerzutnika mo−

nostabilnego wyznacza czas, w któ−

rym kamera obraca się w jednym kie−

runku, poczynając od momentu uru−

chomienia mikrowyłącznika. Im ten

czas jest dłuższy, tym szerszy jest kąt

panoramowania kamery, jak ilustruje

rys. 2 . Oznacza to, że kąt obserwacji

kamery jest kontrolowany w pełni

przez układ, a nie przez pozornie

prostszy zespół dwóch wyłączników

wmontowanych w podstawę kamery.

Przerzutnik i opóźnienie

Przerzutnik składa się z dwóch sprzę−

żonych krzyżowo bramek NOR, IC1c i

IC1d. Działanie przerzutnika z bramkami

AND zostało opisane wraz ze schematem

blokowym.

Z wyjściami przerzutnika łączą się dwa

układy opóźniające, utworzone z rezysto−

rów R4...R7, diod D2 i D3 oraz kondensa−

torów C4 i C5. Oba układy są identyczne.

Gdy na przykład wyjście 10 IC1c przerzu−

ca się ze stanu niskiego (0V) do wysokie−

go, to ten skok napięcia zostaje opóźnio−

ny o czas ładowania C4 przez R4. Opóź−

nienie to można w razie potrzeby modyfi−

kować doborem pojemności C4.

Bramka AND IC2c służy jako bufor i

zmienia stan wyjścia tylko wtedy, gdy

napięcie na C4 osiągnie poziom pro−

gowy, około połowy napięcia zasilają−

cego (zgodnie z opisem w części 1 i 2

" Klocków Elektronicznych"). Dzięki za−

stosowaniu bufora uzyskuje się czysty

przerzut napięcia wyjściowego, które

przez rezystor R8 zostaje doprowa−

dzone do bazy tranzystora TR2. Gdy

wyjście 10 IC2c przerzuca się z po−

wrotem do 0V, to C4 rozładowuje się

prądem płynącym przez R4, D2 i R5.

Rozładowuje się on znacznie szybciej,

niż został naładowany, ponieważ

oporność R5 jest znacznie mniejsza

od oporności R4. Działanie układu

opóźniającego pomiędzy IC1d a TR3

jest identyczne. W rezultacie, gdy

przerzutnik zmienia stan, silnik zosta−

je szybko wyłączony, po czym nastę−

puje krótka przerwa, po której silnik

zaczyna obracać się w przeciwnym

kierunku.

Rys. 2 Zasięg panoramowania w stosunku

do pozycji mikrowyłącznika.

Układ główny

Całkowity schemat układu jest poka−

zany na rys. 3 . Dwie bramki NOR, IC1a i

IC1b, tworzą przerzutnik monostabilny.

Układ taki został omówiony w części 2

"Klocków Elektronicznych" (rys. 2.8.).

Wejście 1 IC1a w stanie spoczynko−

wym jest utrzymywane przez rezystor R1

na poziomie 0V, jednak naciśnięcie mik−

rowyłącznika S1 łączy je z napięciem za−

silania. Kondensator C1 eliminuje wszel−

kie zakłócenia, które mogłyby się induko−

wać w (zwykle długim) przewodzie, łączą−

cym S1 z układem.

Czas trwania przerzutu jest wyznaczo−

ny przez kondensator C2 i sumaryczną

oporność potencjometru VR1 z rezysto−

rem R2. Ten ostatni stanowi minimalną

oporność, gdy oporność potencjometru

VR1 zostanie zredukowana do zera. Mak−

symalny czas przerzutu wynosi przy przy−

jętych wielkościach elementów 33 sekun−

dy.

“Normalnym” sygnałem wyjścio−

wym, z wyjścia 4 IC1b, jest stan wyso−

ki, pojawiający się natychmiast po wy−

zwoleniu przerzutnika i kończący się

przerzutem do 0V z chwilą upływu cza−

su przerzutu. W tym jednakże przy−

padku celowe jest posłużenie się syg−

nałem z wyjścia 3 pierwszej bramki,

IC1a, które z końcem czasu przerzutu

przerzuca się do stanu wysokiego.

Inaczej mówiąc, przerzutnik monosta−

bilny zostaje wyzwolony przez mikro−

wyłącznik, ale dodatni impuls otrzy−

muje się z niego dopiero po upływie

czasu przerzutu. Impuls ten zostaje

przesłany przez kondensator C3 do

wejść 6 i 1 dwóch bramek AND, odpo−

wiednio IC2b i IC2a. Taki sposób ge−

neracji impulsów został omówiony w

części 2 "Klocków Elektronicznych"

(sprzężenie zmiennoprądowe, rys.

2.5.). Rezystor R3 wyznacza czas

opadania impulsu i utrzymuje wejścia

1 i 6 IC2 na poziomie 0V. Dioda D1 za−

pobiega pojawieniu się impulsu ujem−

nego, mogącego powstać w momen−

cie wyzwolenia przerzutnika, gdy wy−

jście 3 IC1a przerzuca się ze stanu

wysokiego do 0V.

Bardzo ważną rolę pełni układ opóź−

niający, zatrzymujący silnik na krótką

chwilę przed odwróceniem kierunku obro−

tów i uniemożliwiający w ten sposób gwał−

towną ich zmianę. Moduł opóźnienia jest

zaopatrzony w bufor, którego zadaniem

jest dostarczanie do układu odwracania

kierunku obrotów czystych, nie zakłóco−

nych, poziomów logicznych. Kierunek ob−

rotów silnika jest wyznaczony przez stan

przerzutnika. Sprzężenie zwrotne z wyjść

układu opóźniającego jest doprowadzone

do odpowiednich wejść przerzutnika za

pośrednictwem bramek AND.

Z analizy przerzutnika z bramek NOR

na rys. 3.11 wynika, że dodatni impuls do−

prowadzony do wejścia ustawiającego

(S) wywołuje zatrzaśnięcie wyjścia nieod−

wracającego (Q) na poziomie wysokim.

Zaś dodatni impuls doprowadzony do we−

jścia kasującego (R) wywołuje zatrzaś−

nięcie wyjścia odwracającego (nie−Q,

czyli Q\) na poziomie wysokim. W rezulta−

cie każdy dodatni impuls doprowadzony

wspólnie do drugich wejść bramek AND

wywoła wzajemną zamianę stanów wyjść

Q i Q\.

Sterowanie silnikiem

W zasadzie układ sterowania kierun−

kiem obrotów silnika jest identyczny jak

na rys. 3.13. Jednakże dwa wejściowe

kondensatory wygładzające, C1 i C2, któ−

re nie są w tym przypadku potrzebne, zo−

stały pominięte.

Jeżeli kamera znajduje się z dala od

układu sterującego, umieszczenie

LED D8, sygnalizującej kierunek obra−

cania się kamery, może okazać się po−

żyteczne. Idealnie nadaje się do tego

dwukolorowa LED, której kolor świe−

cenia, czerwony lub zielony, zależy od

kierunku przepływu prądu. Gdy silnik

nie porusza się, dioda gaśnie. Rezys−

tor R13 jest niezbędny, ogranicza bo−

wiem prąd w LED.

Regulację szybkości obrotów silnika

umożliwia układ z tranzystorem Darlingto−

na TR1, potencjometrem VR2 i rezysto−

rem R10. Układ ten jest identyczny z ukła−

dem na rys. 3.13.

Impuls wyzwalający

Działanie systemu jest poprawne, gdy

impuls dochodzący do wspólnego we−

jścia bramek AND jest krótki. Szeregowy

kondensator Cx na rys. 1 (sprzężenie

zmiennoprądowe) zapewnia dotrzymanie

tego warunku. Zmiany poziomów logicz−

nych wyjść nie mogą zachodzić zbyt szy−

bko, więc sygnały sprzężenia zwrotnego

do bramek AND są pobierane za moduła−

mi opóźnienia.

Jak widać na schemacie na rys. 1 ,

kontrolę całego układu w czasie, a zatem

zakres obrotu kamery, sprawuje przerzut−

nik monostabilny. W centralnym punkcie

ruchu kamery jest uruchamiany mikrowy−

łącznik, który wyzwala przerzutnik mono−

stabilny. Różne rodzaje takich przerzutni−

ków zostały opisane w części 2 "Klocków

Elektronicznych".

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

KLOCKI ELEKTRONICZNE

Rys. 3 Kompletny schemat automatycznego systemu panoramowania kamerą.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

KLOCKI ELEKTRONICZNE

Kondensatory C7 i C8 służą do wygła−

dzania napięcia zasilającego. W ukła−

dach tego rodzaju, zawierających silniki

wytwarzające zakłócenia i czułe bramki

logiczne, są one niezbędne.

Ręczne sterowanie

kierunkiem obrotów

Układ jest przeznaczony do działania

bez nadzoru. Są jednakże sytuacje, w

których ręczne sterowanie staje się po−

trzebne. Na przykład po uruchomieniu

układu nie wie on w którym kierunku

względem mikrowyłącznika powinien ru−

szyć.

Z tego powodu równolegle do mikrowy−

łącznika S1 dodano przycisk S2, który za po−

średnictwem przerzutnika monostabilnego

umożliwia ręczne przełączanie kierunku ob−

rotów silnika. Jeżeli S1 jest rozłączony, albo

na skutek odłączenia, albo połączonym z nim

w szereg dodatkowym wyłącznikiem, S2 za−

pewnia pełną kontrolę nad kierunkiem ru−

chów kamery. Jest to szczególnie użyteczne,

gdy potencjometrem VR1 został dobrany

krótki czas przerzutu przerzutnika monosta−

bilnego.

Przełącznik ten, wraz z regulatorem

VR2 szybkości silnika, jest bardzo wy−

godny do śledzenia kamerą poruszające−

go się obiektu. Można by jeszcze użyć do−

datkowego wyłącznika w obwodzie silni−

ka, umożliwiającego natychmiastowe za−

trzymanie kamery.

Montaż

Mozaika ścieżek płytki drukowanej oraz

rozmieszczenie na niej elementów pokazuje

rys. 4 . Montaż należy zacząć od wlutowania

podstawek układów scalonych i zworek, a na−

stępnie mniejszych elementów, nie zapomi−

nając o właściwym ukierunkowaniu diod, we−

dług zaznaczonych na rysunku pasków ich

polaryzacji. Rezystory i kondensatory 100nF

(C6 i C8) można montować w dowolny spo−

sób, ale kondensatory elektrolityczne i tran−

zystory muszą zostać ukierunkowane zgod−

nie z rysunkiem. Nie wolno pomylić tranzysto−

rów TIP121, TIP41A i TIP42A, wszystkie wy−

glądają bardzo podobnie.

Wmontowany w płytę czołową obroto−

wy potencjometr VR1, do sterowania pa−

noramicznym ruchem (PAN) kamery,

zgodnie z rysunkiem łączy się z płytką pa−

rą przewodów. Jako regulatora szybkoś−

ci (SPEED), VR2, można użyć podobne−

go potencjometru obrotowego w płycie

czołowej, albo poziomego potencjometru

montażowego bezpośrednio na płytce (w

tych samych otworach).

Przełączniki, silnik i zasilacz, łączy się

z płytką za pośrednictwem końcówek lu−

towniczych. Gniazdka i wtyczki umożli−

wiają dogodne połączenia układu z silni−

Rys. 4 Płytka drukowana i rozmieszczenie na niej elementów.

kiem, wyłącznikiem i zasilaczem. W pro−

totypie użyto różnych typów złączy aby

uniknąć pomyłek. W razie potrzeby przy−

cisk S2 do ręcznego sterowania można

połączyć bezpośrednio równolegle z S1.

Na koniec należy wstawić do podstawek

układy scalone, pamiętając o starannym uzie−

mieniu swojego ciała (przez dotknięcie uzie−

mionego obiektu) przed wyjęciem ich z opa−

kowania. Należy upewnić się dokładnie, czy

zostały właściwie ukierunkowane nacięciami

w podstawkach, zgodnie z rys. 4 .

Tranzystory mocy nie muszą być wy−

posażone w radiatory, chyba że spraw−

ność zastosowanego silnika jest bardzo

niska. W czasie prób należy często

sprawdzać ich temperaturę. Na dotyk mo−

gą być nieco gorące, ale nie mogą parzyć.

ryzacji). Po ustawieniu VR1 i VR2 w środ−

kowym położeniu można włączyć układ.

Woltomierz powinien wskazać na koń−

cówkach silnika napięcie dodatnie lub

ujemne. Po uruchomieniu mikrowyłączni−

ka napięcie powinno spaść do zera, a po

czasie nastawionym przez VR1 pojawić

się w odwrotnej polaryzacji. Ponowne

uruchomienie mikrowyłącznika powinno

po tym samym opóźnieniu odwrócić na−

pięcie z powrotem.

Jeżeli VR1 jest ustawiony w pozycji ze−

rowej, tylko bardzo krótkie zwarcie mikro−

wyłącznika może wywołać odwrócenie

polaryzacji napięcia. Jeżeli czas zwarcia

S1 nie jest dostatecznie krótki, to odwró−

cenie napięcia nie nastąpi.

Za pomocą VR2 powinno dać się regu−

lować napięcie wyjściowe od 0V do pra−

wie 12V.

Teraz można przyłączyć silnik, używa−

jąc zasilacza 12V o wydajności wystar−

czającej do jego napędzania i sprawdzić,

czy układ zachowuje się poprawnie. Rów−

nież i teraz krótki czas nastawiony za po−

mocą VR1 wymaga bardzo krótkiego

Sprawdzanie

Do sprawdzania układu najlepiej użyć

stabilizowanego zasilacza 12V/100mA.

Trzeba wtedy odłączyć silnik i zastąpić go

woltomierzem cyfrowym (woltomierz ana−

logowy źle znosi ciągłe odwracanie pola−

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

KLOCKI ELEKTRONICZNE

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1, R3, R4, R7: 100k W

R2, R10: 1k W

R5, R6, R8, R9: 10k W

R11, R12: 470 W

R13: 560 W

VR1: 470k W , obrotowy potencjometr

liniowy

VR2: 47k W , potencjometr liniowy

(zob. tekst)

Kondensatory

C1, C3, C6, C8: 100nF, dyskowy

ceramiczny

C2: 100µF/16V, stojący

C4, C5: 22µF/16V, stojący

C7: 1000µF/16V, stojący

Półprzewodniki

D1...D3: 1N4148, sygnałowa

D4...D7: 1N4001, prostownicza

D8: dwukolorowa LED z oprawką

TR1: TIP121 lub TIP122, tranzystor

Darlingtona npn

TR2, TR3: BC184L, npn

TR4, TR6: TIP41A, npn

TR5, TR7: TIP42A, pnp

IC1: 4001B, poczwórna 2−wejściowa

bramka NOR

IC2: 4081B, poczwórna 2−wejściowa

bramka AND

Różne

S1: jednoobwodowy mikroprzełącz−

nik czynny

S2: jednoobwodowy przycisk

czynny, o profilu kwadratowym

SK1, PL1: gniazdko z wtykiem

2,5mm

SK2, PL2: gniazdko z wtykiem

3,5mm

SK3: gniazdko wejściowe zasilania

płytka drukowana kod 972

obudowa plastykowa 127mm x

63mm x 44mm

silnik z przekładnią (zob. tekst)

3 podstawki samoprzylepne do

płytki drukowanej

Rys. 5 Sposób włączania mikrowyłącznika przez przekładnię w prototypie.

wyjście 10 IC1c

wyjście 11 IC1d

Detekcja impulsu za C3 będzie bardzo

trudna. Jeżeli przerzutnik monostabilny

działa poprawnie, ale silnik nie odwraca

kierunku obrotów, to można spróbować

na moment połączyć drutem wspólny

punkt C3 i R3 z napięciem zasilającym.

Jeżeli przerzutnik i bramki AND działają

właściwie, powinno to spowodować od−

wrócenie kierunku obrotów silnika.

Jeżeli silnik nie obraca się w ogóle, na−

leży sprawdzić napięcia wyjść buforów

(10 i 11 IC2). Jedno z nich powinno być

dodatnie. Jeżeli oba są dodatnie, to na

obu doprowadzeniach silnika jest 0V i nie

może on działać.

Jeżeli wszystko jest w porządku, to trzeba

sprawdzić napięcia baz TR2 i TR3. Jedno po−

winno być bliskie 0V, a drugie dodatnie. W ra−

zie wątpliwości należy spróbować połączyć

rezystorem 1k W jedną z tych baz z napięciem

zasilania, co powinno uruchomić silnik. Jeśli

nie, to trzeba sprawdzić napięcie emitera

TR1, który dostarcza napięcia zasilającego

moduł końcowy, i powinien dać się regulować

za pomocą VR2.

wy za pomocą niewielkich podstawek sa−

moprzylepnych.

Silnik i przekładnia

Odpowiedni silnik z przekładnią powi−

nien w czasie działania być niemal niesły−

szalny i nadawać się do nieprzerwanej

pracy przez bardzo długie okresy.

Wałek przekładni RS został wyposażo−

ny w standardowe kółko Meccano, służą−

ce do włączania mikroprzełącznika, jak

pokazano na rys. 5 . Trzeba jednak pa−

miętać, że kółko to może nie pasować do

innych przekładni.

Istotne jest, aby mikroprzełącznik nie

pozostawał zbyt długo zwarty, może to

bowiem zaburzyć działanie przerzutnika

monostabilnego. Innymi słowy, czas

przerzutu przerzutnika monostabilnego

musi być zawsze dłuższy od czasu zwar−

cia styków mikrowyłącznika.

Kamery

Kamery nadzorujące są obecnie do

nabycia we wszelkich kształtach i rozmia−

rach. Niektóre mieszczą się w standardo−

wych obudowach, które z kolei można

umocować do wałka przekładni. Można

także nabyć komputerowe kamery wideo.

zwarcia S1 do wywołania zmiany kierun−

ku obrotów.

Obudowa

Odnajdywanie błędów

Płytka drukowana i regulatory mieszczą

się w niewielkiej obudowie z plastyku. Posłu−

gując się fotografiami trzeba zacząć od wier−

cenia dwóch otworów na potencjometry (albo

jednego, jeżeli VR2 jest na płytce), oraz głów−

nego wyłącznika S3, a w razie potrzeby i in−

nych wyłączników do ręcznego sterowania. Z

boku należy wywiercić otwory na złącza zasi−

lania, silnika i mikrowyłącznika.

Płytkę montuje się do pokrywy obudo−

Podstawowe zasady odnajdywania błę−

dów zostały opisane w części 1 "Klocków

Elektronicznych". Po zakończeniu zalecane−

go przeglądu wizualnego płytki należy w opi−

sany sposób użyć woltomierza. Doskonałymi

punktami sprawdzania są:

wejście 1 IC1a

wyjście 3 IC1a

Część czwarta

Projektem konstrukcyjnym, który zo−

stanie dołączony do części 4 "Klocków

Elektronicznych", będą elektroniczne

kości do gry o zmiennej szybkości.

Max Horsey

projekt płytki drukowanej − Alex Simm

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: