Беспроводное управление серводвигателем | Полный проект с исходным кодом

Я сделал своего первого робота, когда учился в колледже, и всегда думал сделать его полностью беспроводным. То же самое я подумал о том, чтобы сделать дверной замок управляемым по беспроводной сети, замок на полке и многое другое. Многие новые инженеры-электронщики либо никогда не находят времени, либо думают, что нужно много учиться и создавать, чтобы сделать что-то подобное. В этой статье я сосредоточусь на том, как мы можем это сделать, управляя серводвигателем с помощью РЧ связи. Сегодня мы будем управлять серводвигателем по радиочастотному каналу передачи данных. Итак, для начала мы увидим базовую блок-схему того, как будет работать система:

Как показано на рисунке 1, логический блок устройства имеет 3 основных раздела
1. Питание: включает источник питания и регулятор
2. Обработка сигнала: включает радиочастотное радио и контроллер для обработки полученных данных
3. Drive: включает контроллер для создания сигнала возбуждения и усиления его до желаемой мощности.

Мы будем использовать SmartRF от Knewron Technologies, устройство на базе nrf24l01. SmartRF имеет 8-битный процессор atmega324 и радиочастотное радиочастотное устройство, поэтому наш радиочастотный приемник и контроллер физически представляют собой один и тот же модуль, но я сохранил их отдельно на блок-схеме для логического понимания.

Работа сервопривода

Давайте вкратце рассмотрим методологию управления серводвигателем. Из трех линий сервопривода две — это питание и земля, а третья — линия управления или сигнальный импульс, или вход PWM, как бы его ни называли в разных частях инженерного мира. Чаще всего это сигнальная линия. Поэтому мы будем использовать это соглашение до конца статьи. Обычно сервоприводы соответствуют одному и тому же цветовому соглашению для поддержания стандартизации.
• КРАСНЫЙ: предложение положительное
• Черный/Коричневый: Земля снабжения
• Оранжевый/Белый: сигнал

На сигнальную линию необходимо подавать импульс определенной ширины и определенной продолжительности, чтобы сервопривод оставался в устойчивом положении. Ширина называется шириной импульса, а длительность связана с частотой импульса. Вам необходимо свериться с техническими данными вашего сервопривода, чтобы узнать точные значения этих двух параметров. Частота поддерживается постоянной, а ширина импульса изменяется, чтобы перевести сервопривод в другое положение.

Список деталей

• 2 модуля SmartRF
• 1 кабель USB
• 1 зарядное устройство для мобильных устройств с разъемом Micro USB
• 1 серводвигатель
• 3 соединительных кабеля «мама-папа»
• 1 макетная плата (дополнительно)

Помимо этих компонентов для подачи команд на установку потребуется ноутбук или ПК с программным обеспечением последовательного терминала.

Настройка системы

Ниже представлена схема всей установки и изображение фактической установки.

Ниже приведены фактические изображения установки.

Я буду использовать две одинаковые платы SmartRF в качестве приемника и передатчика. Передатчик подключается к порту USB ноутбука, а питание приемника осуществляется через зарядное устройство 5 В.

Управление сервоприводом по радиочастотному каналу

Для этой статьи мы будем использовать V3001, купленный в Интернете, диапазон ширины импульса которого составляет
0,9 мс для -90 градусов или 0 градусов
2,1 мс для угла 90 или 180 градусов

Для работы этого двигателя требуется частота 50 Гц на сигнальной линии. Программному обеспечению привода необходимо преобразовать значения вращения в ширину импульса и подавать этот импульс на сервопривод с частотой импульса.

Нам необходимо передать сервоприводу угол поворота по радиочастотному каналу. Для этого мы будем транслировать данные по радиочастотному каналу, со стороны приемника он должен получить данные, преобразовать их в числа и передать на сторону программного обеспечения.

Поскольку мы используем nrf24l01, мы будем отправлять команды на SPI, а полученные данные будут считываться получателем через SPI. Есть несколько доступных библиотек nrf24l01, или вы можете создать свою собственную. Итак, теперь, чтобы сохранить простоту, мы будем использовать отправку целых чисел, относящихся к миллисекундам. Для этой демонстрации я оставлю низкое разрешение, поэтому будем отправлять целые числа следующим образом:

90 -> 0,9 мс->-90 градусов
210->2,1 мс-> 90 градусов

Передатчик отправит данные от 90 до 210, и приемник будет работать соответственно.
Сначала для приемника я запущу простой цикл while для генерации импульса, и беспроводной приемник будет переведен в режим прерывания. Использование PWM или таймера даст вам возможность одновременно использовать контроллер для других задач. Пока приемник не получит новые данные, он будет сохранять последние данные и позицию. Следующий фрагмент кода создает импульсы желаемой ширины с частотой 50 Гц.

Беспроводная связь

Модули Nrf24L01 представляют собой трансиверы 2,4 ГГц; они могут передавать и принимать со скоростью максимум 2 Мбит/с. В модулях имеются встроенные настройки для настройки диапазона частот, мощности передатчика. Эти модули имеют кодовую адресацию, и вы можете настроить их адрес так, чтобы они обменивались данными только с нужными модулями. Это снижает сложность программного обеспечения, а также позволяет лучше использовать радиочастотный канал. Все эти настройки можно выполнить через SPI, а конфигурации можно обновлять во время выполнения, что делает nrf24l01 очень удобным и недорогим беспроводным решением. У него нет SOC, поэтому нам нужен внешний контроллер для управления и чтения из nrf24l01; в SmartRF у нас мощный atmega324a. У SmartRF достаточно GPIO и вычислительной мощности, поэтому небольшому приложению даже не требуется какое-либо другое периферийное устройство.

SmartRF имеет встроенный мост USB, который делает нашу настройку еще проще: передатчик будет подключен только к ноутбуку, и мы можем предоставить ему данные, то есть угол вращения, через USART, который подключен через мост USB, поэтому вы можете напрямую связываться с модулем с программным обеспечением последовательного терминала через виртуальный COM-порт.

Для связи мы установим одинаковые адреса приемника и передатчика и настроим их для работы на одном частотном канале и скорости передачи данных. Когда мы отправляем данные из nrf24L01, аппаратное обеспечение заботится о CRC, преамбуле и всем пакете связи. Эти данные принимаются стороной приемника и декодируются для извлечения только пакета данных. Как только получен действительный пакет, генерируется IRQ, и контроллер может прочитать буфер приемника, все, что контроллеру теперь нужно сделать, это прочитать данные и преобразовать их в числа для подачи на серводвигатель.

Итак, все блоки интерфейса будут выглядеть следующим образом

Если вы попытаетесь выполнить настройку самостоятельно, не используйте порт USB для питания двигателя, поскольку это может повредить порт, а лучше используйте мобильное зарядное устройство.

Теперь, когда у нас есть настройка приемника и схемы управления, мы посмотрим на сторону передатчика. Здесь мы будем читать последовательный порт, чтобы получить желаемый угол и передать его приемнику. Следующий фрагмент кода принимает угол из последовательного порта и отправляет его в радиочастотный канал.

Заключение

Установка способна передавать команды серводвигателям по беспроводной сети; эта установка с небольшими радиочастотными модулями может легко работать на расстоянии до 15-20 метров в открытой среде. Модуль не требует каких-либо дополнительных компонентов, и эта система очень полезна для приложений, в которых сервоприводами необходимо управлять удаленно. С помощью этой установки можно реализовать приложения, включая домашнюю автоматизацию, автоматизацию офиса, где сервоприложения используются для дверных замков, перекладин оконного стекла, автоматического перемещения штор и многих подобных. С помощью радиочастотных модулей высокой мощности дальность действия может быть значительно увеличена.