Простой BEAM-роот с логической микросхемой

[Catcatcat]

Автор - Digital

ПРОСТОЙ РОБОТ С ЛОГИЧЕСКОЙ МИКРОСХЕМОЙ.

Продолжая разговор о простых роботах, рассмотрим применение логических элементов в их электронных схемах. Использование логических микросхем позволяет сделать поведение роботов более интересным и реализовать более сложные алгоритмы.

В предыдущей теме "ПРОСТЕЙШИЙ РОБОТ НА ОДНОЙ МИКРОСХЕМЕ" рассматривался робот, следующий по линии. В схеме этого робота использовались два датчика, реализованные на фототранзисторах, которые подключались напрямую к входам драйвера двигателей L293D. Алгоритм движения такого робота был очень простым: когда под левым и правым датчиком находилось белое поле, то включались оба мотора и робот двигался вперед. Если один из датчиков попадал на черную линию, проходящую между ними, то соответствующий мотор останавливался и робот поворачивался, выравнивая свое положение над линией и так далее.

Такой робот может очень уверенно следовать по линии, если она не имеет крутых поворотов. Если же скорость робота будет высокой, а поворот резким, то вероятность схода с линии у такого робота становится достаточно большой.

Для того чтобы сделать робота, не "боящегося" резких поворотов, достаточно добавить в его схему логический элемент, при этом оставив всего один датчик.

Алгоритм движения нашего нового робота будет следующим: когда датчик будет находиться над черным полем, то один из моторов будет включен, а другой выключен. Таким образом, робот будет поворачиваться до тех пор, пока датчик не перейдет на белое поле. Тогда работающий мотор выключится, а выключенный - включится. Робот начнет поворачиваться в другую сторону, пока датчик снова не окажется над черной линией. Алгоритм повторится снова, и робот, слегка виляя из стороны в сторону, начнет двигаться вдоль границы белого и черного.

Логический элемент, который мы добавим в схему робота, называется элемент "НЕ", или "инвертор". Инвертор имеет один вход и один выход. Когда на вход инвертора подается логическая "1" (логическая единица - сигнал высокого уровня), то на выходе мы будем иметь логический "0" (логический ноль - низкий уровень сигнала), а когда на вход будет подан логический "0", то на выходе будет присутствовать логическая "1".

^{Обозначение элемента "НЕ" в американском стандарте ANSI, Обозначение элемента "НЕ" на схемах по российскому ГОСТу и
европейскому стандарту DIN, Иногда цифру "1" внутри элемента не ставят для простоты и Таблица истинности для логического элемента "НЕ".}

Помимо логического элемента НЕ, существуют также элементы ИЛИ и И, обеспечивающие логическое сложение и логическое умножение соответственно. Кроме того, часто используются комбинированные элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Подробнее о логических элементах можно прочитать здесь.

Схема робота будет выглядеть следующим образом:

^{Номинал резистора R2 подбирается таким образом, чтобы обеспечить наилучшую чувствительность датчика.}

При подключении фототранзистора использован подтягивающий резистор R2, так как у Транзисторно-Транзисторных Логических (ТТЛ) микросхем на входе при отсутствии сигнала присутствует высокий логический уровень (логическая "1"). Резистор, подтягивающий вход к "земле", обеспечит низкий уровень (логический "0") при отсутствии сигнала от фототранзистора.

Принцип работы схемы построен на инвертировании сигнала, поступающего от фототранзистора. Когда датчик будет освещен (находится над белым полем), фототранзистор откроется и на входе INPUT1 драйвера моторов L293D появится сигнал высокого уровня (логическая "1"). Мотор М1 будет вращаться. Кроме того, сигнал от фототранзистора будет подан на вход элемента "НЕ", который превратит логическую "1" в логический "0" и подаст его на вход INPUT4. Мотор М2 будет стоять.

^{Схема робота. Состояние 1 (фототранзистор освещен).}

Когда робот повернется и датчик окажется над белым полем, фототранзистор закроется и на входе INPUT1 окажется сигнал низкого уровня (логический "0"). Мотор М1 остановится. Логический "0" инвертируется элементом "НЕ", и на входе INPUT4 появится логическая "1". Мотор М2 начнет вращаться.

^{Схема робота. Состояние 2 (фототранзистор не освещен).}

Чередование состояния 1 и состояния 2 обеспечит роботу следование по границе белого и черного.
В данной схеме может быть применена логическая микросхема К155ЛН1, содержащая 6 инверторов, или ее аналог SN7404N.

^{Расположение логических элементов "НЕ" внутри микросхем К155ЛН1 и SN7404N.
К 14-му выводу подключают питание микросхемы (+5 вольт), к 7-му - общий провод ("землю").}

Также можно применить микросхемы стандартной логики К155ЛА3 (4 элемента 2И-НЕ) или К155ЛЕ1 (4 элемента 2ИЛИ-НЕ), соединив входы у одного из элементов и получив таким образом элемент "НЕ".

Неиспользуемые входы логической микросхемы можно соединить с питанием через резистор с сопротивлением 1 КОм. Это обеспечит стабильность ее работы.

Описываемый робот может быть реализован и без использования подтягивающего резистора. В этом случае эмиттер фототранзистора можно подключить к "земле" и использовать два элемента "НЕ".

Следует заметить, что логический элемент, помимо своего прямого назначения, может выступать усилителем сигнала. Поэтому именно такой вариант схемы часто используют при создании спортивных роботов для соревнований "Гонки по линии".

© MyRobot

Дополнительная информация:
Подтягивающий резистор
Что такое ТТЛ
Фототранзистор
Логический элемент

[Catcatcat]

Автор - Digital

Что необходимо:
1. Драйв. L293D (аналоги: LM18293N, К1128КТ3, К1128КТ4Р, КР1128КТ4, КР1128КТ4А, L293DD)
2. Логика К155ЛН1 (аналоги: 155лн1, км155лн1, 133лн1, 155лн2, к155лн2, км155лн2)
3. Два фотоэлемента (фототранзисторы любые)
4. Два сверхъярких светодиода (желательно зеленые)
5. Два моторчика
6. Источник питания на 5 вольт
7. 15см проводов
8. 5 резисторов: 4 на 220 Ом (обычные маркированы полосами: коричневая, коричневая, красная, четвёртая - абсолютно любая) и 1 на 1кОм (красный, черный, коричневый)
9. Несколько выключателей и клемников
10. Панелька DIP-16 под драйв. (опционально)
10. Подложка, на которой всё будет установлено (любая, хоть картонка)
11. Шасси и три-четыре колеса.