การออกแบบ PCB สำหรับหุ่นยนต์ควบคุมด้วยโทรศัพท์มือถือ: 10 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ฉันทำโปรเจ็กต์นี้ในปี 2555 เป็นโปรเจ็กต์ย่อยของฉัน โปรเจ็กต์นี้ได้รับแรงบันดาลใจจากความต้องการวิธีการต่อต้านภัยคุกคามโดยปราศจากการแทรกแซงของมนุษย์โดยตรง ตอนนั้นเองที่ประเทศของฉันได้รับผลกระทบจากความรุนแรง ซึ่งกระตุ้นให้ฉันพัฒนาและยานพาหนะหุ่นยนต์อย่างง่ายที่สามารถใช้งานได้โดยโทรศัพท์มือถือทุกเครื่อง หุ่นยนต์ถูกควบคุมผ่านความถี่เสียง DTMF ซึ่งช่วยให้ครอบคลุมการทำงานได้กว้างขึ้นแม้ในเครือข่าย 2G ในคำแนะนำนี้ ฉันจะเน้นที่การออกแบบ PCB มากขึ้น

เสบียง

ตัวถอดรหัส DTMF M8870

89C51ไมโครคอนโทรลเลอร์

ตัวขับมอเตอร์ L293D

มอเตอร์กระแสตรง

โครงรถหุ่นยนต์

โทรศัพท์มือถือ

5v แหล่งจ่ายไฟที่มีการควบคุม

ขั้นตอนที่ 1: โครงสร้างพื้นฐาน

มาตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐานของหุ่นยนต์กัน

โทรศัพท์มือถือที่แสดงมีไว้เพื่อควบคุมหุ่นยนต์ เราโทรไปยังโทรศัพท์ที่วางอยู่ภายในหุ่นยนต์ จากนั้นหุ่นยนต์จะรับสายโดยอัตโนมัติ จากนั้นเราจะต้องกดปุ่มแต่ละปุ่มเพื่อควบคุมการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ ซึ่งควบคุมด้วยความช่วยเหลือของไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เกี่ยวข้อง หุ่นยนต์สามารถรีเซ็ตได้ด้วยความช่วยเหลือของสวิตช์รีเซ็ตภายนอก สวิตช์แต่ละตัวได้รับการจัดสรรสำหรับการทำงานแต่ละครั้ง เมื่อกดปุ่มที่สอดคล้องกับการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ ตัวถอดรหัส DTMF จะถอดรหัสโทนเสียงที่สร้างขึ้นที่เครื่องรับและส่งรหัสไบนารีไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกตั้งโปรแกรมในลักษณะที่เมื่อตรวจพบรหัสไบนารีที่สอดคล้องกับการเคลื่อนไหว ไมโครคอนโทรลเลอร์จะให้อินพุตไบนารีที่สอดคล้องกันกับไดรเวอร์มอเตอร์ ไดรเวอร์มอเตอร์จะตีความสัญญาณและจะให้แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมกับมอเตอร์ด้วยเหตุนี้จึงสลับและหมุนมอเตอร์ไปในทิศทางที่สอดคล้องกัน

ขั้นตอนที่ 2: DTMF DECODER

M8870 เป็นเครื่องรับ DTMF เต็มรูปแบบที่รวมเอาทั้งตัวกรองแยกแถบความถี่และฟังก์ชันถอดรหัสเข้าในแพ็คเกจ DIP หรือ SOIC 18 พินเดียว ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีกระบวนการ CMOS M-8870 ใช้พลังงานต่ำ (สูงสุด 35 mW) และการจัดการข้อมูลที่แม่นยำ ส่วนตัวกรองใช้เทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบสวิตช์สำหรับตัวกรองกลุ่มสูงและต่ำและสำหรับการปฏิเสธสัญญาณเสียง ตัวถอดรหัสใช้เทคนิคการนับแบบดิจิทัลเพื่อตรวจจับและถอดรหัสคู่โทนเสียง DTMF ทั้ง 16 คู่เป็นรหัส 4 บิต จำนวนส่วนประกอบภายนอกลดลงโดยการจัดหาแอมพลิฟายเออร์อินพุตดิฟเฟอเรนเชียลบนชิป เครื่องกำเนิดสัญญาณนาฬิกา และบัสอินเตอร์เฟสแบบสามสถานะแบบสลัก ส่วนประกอบภายนอกขั้นต่ำที่จำเป็น ได้แก่ คริสตัลระเบิดสี 3.579545 MHz ราคาประหยัด ตัวต้านทานเวลา และตัวเก็บประจุเวลา M-8870-02 ให้ตัวเลือก "ปิดเครื่อง" ซึ่งเมื่อเปิดใช้งาน การบริโภคจะลดลงเหลือน้อยกว่า 0.5 mW M-8870-02 ยังสามารถยับยั้งการถอดรหัสตัวเลขของคอลัมน์ที่สี่ได้อีกด้วย

คุณสมบัติของ M8870:

• ตัวรับ DTMF ที่สมบูรณ์
• ใช้พลังงานต่ำ (35mw)
• แอมพลิฟายเออร์การตั้งค่าเกนภายใน
• เวลาในการรับและปล่อยที่ปรับได้
• คุณภาพสำนักงานกลาง
• โหมดปิดเครื่อง (5mw)
• แหล่งจ่ายไฟ 5 โวลต์เดียว
• การลดเสียงโทรออก
• โหมดยับยั้ง

เทคนิค DTMF จะแสดงอักขระที่เป็นตัวอักษรและตัวเลขคละกันทั่วไป 16 ตัว (0-9, A-D, *, #) อย่างชัดเจนบนโทรศัพท์ ความถี่ต่ำสุดที่ใช้คือ 697 Hz และความถี่สูงสุดที่ใช้คือ 1633Hz แป้นกด DTMF ถูกจัดเรียงเพื่อให้แต่ละแถวมีความถี่เสียงที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวเอง และแต่ละคอลัมน์ก็จะมีความถี่เสียงที่เป็นเอกลักษณ์ของตัวเองด้วย ด้านบนคือการแสดงคีย์แพด DTMF ทั่วไปและความถี่แถว/คอลัมน์ที่เกี่ยวข้อง โดยการกดแป้น เช่น 5 จะสร้างเสียงดูอัลโทนที่ประกอบด้วย 770 Hz สำหรับกลุ่มต่ำ และ 1336 Hz สำหรับกลุ่มสูง

ขั้นตอนที่ 3: 89C51 ไมโครคอนโทรลเลอร์

ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่เราใช้ที่นี่คือ AT89C51 AT89C51 เป็นไมโครคอมพิวเตอร์ CMOS 8 บิตที่ใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพสูง พร้อมแฟลช 8K ไบต์ที่โปรแกรมและหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียวที่ลบได้ (PEROM) อุปกรณ์นี้ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีหน่วยความจำแบบไม่ลบเลือนความหนาแน่นสูงของ Atmel และเข้ากันได้กับชุดคำสั่งและพินเอาต์มาตรฐานอุตสาหกรรม 80C51 และ 80C52 เป็นหน่วยควบคุมที่สามารถตั้งโปรแกรมได้ตามความต้องการ ในโครงการนี้ จะรับรหัสไบนารีที่สอดคล้องกับโทนเสียงที่ตรวจพบ และรหัสไบนารีสำหรับขับเคลื่อนมอเตอร์จะถูกส่งไปยังไอซีไดรเวอร์

คุณสมบัติ:

• ผลิตภัณฑ์ของ ATMEL
• แอปที่คล้ายกับ 8051
• ไมโครคอนโทรลเลอร์ 8 บิต
• ใช้หน่วยความจำ EPROM หรือ FLASH
• ตั้งโปรแกรมได้หลายครั้ง (MTP)

ATMEL89C51 มีพินทั้งหมด 40 พินสำหรับฟังก์ชันต่างๆ เช่น I/O, RD, WR, ที่อยู่และอินเตอร์รัปต์ จากทั้งหมด 40 พิน มีทั้งหมด 32 พินสำหรับพอร์ต P0, P1, P2 และ P3 สี่พอร์ต โดยที่แต่ละพอร์ตใช้ 8 พิน พินที่เหลือถูกกำหนดเป็น Vcc, GND, XTAL1, XTAL, RST, EA และ PSEN พินเหล่านี้ทั้งหมดยกเว้น PSEN และ ALE ถูกใช้โดยสมาชิกทุกคนในตระกูล 8051 และ 8031

ขั้นตอนที่ 4: L293D MOTOR DRIVER

มอเตอร์ทั้งสองถูกขับเคลื่อนโดยใช้ไอซีไดรเวอร์มอเตอร์ L293D L293D เป็น IC ตัวขับมอเตอร์แบบสองทิศทางแบบครึ่งตัว H-bridge สี่เท่า ซึ่งสามารถขับกระแสไฟได้สูงถึง 600mA ด้วยช่วงแรงดันไฟฟ้า 4.5 ถึง 36 โวลต์ เหมาะสำหรับการขับเคลื่อนมอเตอร์ DC-Geared ขนาดเล็ก มอเตอร์แบบไบโพลาร์ ฯลฯ

คุณสมบัติของ L293D:

• ความสามารถกระแสเอาต์พุต 600ma ต่อช่องสัญญาณ
• 1.2A กระแสไฟขาออกสูงสุด (ไม่ซ้ำ) ต่อช่องสัญญาณ
• เปิดใช้งานการป้องกันอุณหภูมิเกินของสิ่งอำนวยความสะดวก
• ลอจิก "0" แรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุด 1.5 v (ภูมิคุ้มกันเสียงรบกวนสูง)
• แคลมป์ไดโอดภายใน

L293D เป็นไดรฟ์ครึ่ง H กระแสสูงสี่เท่า L293D ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้กระแสไฟขับเคลื่อนแบบสองทิศทางสูงถึง 600 mA ที่แรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 4.5V ถึง 36 V ไดรฟ์ทั้งสองได้รับการออกแบบเพื่อขับเคลื่อนโหลดแบบเหนี่ยวนำ เช่น รีเลย์ โซลินอยด์ DC และสเต็ปปิ้งมอเตอร์ไบโพลาร์ ตลอดจนกระแสไฟสูง/ โหลดไฟฟ้าแรงสูงในการใช้งานแหล่งจ่ายไฟบวก L293D ประกอบด้วยอินพุตสี่ตัวพร้อมแอมพลิฟายเออร์และวงจรป้องกันเอาต์พุต ไดรฟ์ถูกเปิดใช้งานเป็นคู่ โดยไดรฟ์ 1 & 2 เปิดใช้งานโดย 1, 2 EN และไดรฟ์ 3 &4 เปิดใช้งานโดย 3, 4 EN เมื่ออินพุตที่เปิดใช้งานอยู่ในระดับสูง ไดรเวอร์ที่เกี่ยวข้องจะถูกเปิดใช้งานและเอาต์พุตจะทำงานและอยู่ในเฟสกับอินพุต

ขั้นตอนที่ 5: หน่วยจ่ายไฟ

แบตเตอรี่ DC สำหรับงานต่ำมาพร้อมกับระดับแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมที่ 5V-9V และกระแสไฟสูงสุด 1000mA. เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการควบคุม ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าถูกนำมาใช้ ไอซีควบคุมแรงดันไฟฟ้าสามารถใช้ได้กับแรงดันเอาต์พุตคงที่ (โดยทั่วไปคือ 5, 12 และ 15V) หรือตัวแปร พวกเขายังได้รับการจัดอันดับโดยกระแสสูงสุดที่พวกเขาสามารถผ่าน มีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงลบ ส่วนใหญ่สำหรับใช้ในอุปกรณ์คู่ หน่วยงานกำกับดูแลส่วนใหญ่มีการป้องกันอัตโนมัติบางส่วนจากกระแสไฟที่มากเกินไป ('การป้องกันโอเวอร์โหลด') และความร้อนสูงเกินไป ('การป้องกันความร้อน') ไอซีควบคุมแรงดันไฟฟ้าคงที่จำนวนมากมี 3 ลีดและดูเหมือนทรานซิสเตอร์กำลัง เช่น ตัวควบคุม 7805 (+5V, 1A) ที่แสดงทางด้านขวา มีรูสำหรับติดแผ่นระบายความร้อนหากจำเป็น

ขั้นตอนที่ 6: การเขียนโปรแกรม

ซอฟต์แวร์ Keil uVision ถูกใช้เพื่อพัฒนาโปรแกรมสำหรับ 89C51 และ Orcad Capture / Layout ถูกใช้เพื่อออกแบบและประดิษฐ์ PCB ที่เรากำหนดเอง

ซีรีส์ MT8870 ทุกประเภทใช้เทคนิคการนับแบบดิจิทัลเพื่อตรวจจับและถอดรหัสคู่โทนเสียง DTMF ทั้ง 16 คู่ให้เป็นเอาต์พุตโค้ด 4 บิต วงจรปฏิเสธเสียงสัญญาณโทรศัพท์ในตัวช่วยขจัดความจำเป็นในการกรองล่วงหน้าเมื่อ

สัญญาณอินพุตถูกให้ที่พิน 2 (IN-) ในการกำหนดค่าอินพุตแบบปลายเดียวที่รับรู้ว่ามีประสิทธิภาพ สัญญาณถอดรหัส 4 บิตที่ถูกต้องของโทน DTMF จะถูกโอนผ่าน Q1 (pin11) ผ่านเอาต์พุต Q 4 (พิน 14) ไปยัง พินอินพุต P1.0 (พิน 1) ถึง P1.3 (พิน 4) ของพอร์ต 1 ของ 89C51 IC AT89C51 เป็นหน่วยควบคุม ในโครงการนี้ จะรับรหัสไบนารีที่สอดคล้องกับโทนเสียงที่ตรวจพบ และรหัสไบนารีสำหรับขับเคลื่อนมอเตอร์จะถูกส่งไปยังไอซีไดรเวอร์ เอาต์พุตจากพินพอร์ต P2.0 ถึง P2.3 ของไมโครคอนโทรลเลอร์จะถูกป้อนไปยังอินพุต IN1 ผ่าน IN4 ของไดรเวอร์มอเตอร์ L293D ตามลำดับ เพื่อขับเคลื่อนมอเตอร์ DC แบบมีเกียร์สองตัว นอกจากนี้ยังใช้สวิตช์รีเซ็ตแบบแมนนวล เอาต์พุตของไมโครคอนโทรลเลอร์ไม่เพียงพอต่อการขับเคลื่อนมอเตอร์กระแสตรง ดังนั้นจำเป็นต้องมีไดรเวอร์ปัจจุบันสำหรับการหมุนของมอเตอร์ L293D ประกอบด้วยไดรเวอร์สี่ตัว พิน IN1 ถึง IN4 และ out1 ตลอด 4 เป็นพินอินพุตและเอาต์พุตตามลำดับของไดรเวอร์1 ถึงไดรเวอร์4

ขั้นตอนที่ 7: โปรแกรม

ORG 000H

เริ่ม:

MOV P1, #0FH

MOV P2, #000H

L1: MOV A, P1

CJNE A, #04H, L2

MOV A, #0AH

MOV P2, A

LJMP L1

L2: CJNE A, #01H, L3

MOV A, #05H

MOV P2, A

LJMP L1

L3: CJNE A, #0AH, L4

MOV A, #00H

MOV P2, A

LJMP L1

L4: CJNE A, #02H, L5

MOV A, #06H

MOV P2, A

LJMP L1

L5: CJNE A, #06H, L1

MOV A, #09H

MOV P2, A

LJMP L1

จบ

ขั้นตอนที่ 8: การสร้าง PCB

การสร้าง PCB เสร็จสมบูรณ์ใน 4 ขั้นตอน:

1. การออกแบบเลย์เอาต์ส่วนประกอบ

2. การออกแบบเค้าโครง PCB

3. การขุดเจาะ

4. การแกะสลัก PCB

ส่วนประกอบ PCB ถูกตั้งค่าโดยใช้ซอฟต์แวร์ Orcad Capture และนำเข้าไปยัง Orcad Layout เพื่อออกแบบการเชื่อมต่อ จากนั้นเลย์เอาต์จะถูกมิเรอร์เพื่อพิมพ์ลงบนกระดานทองแดงที่ทำความสะอาดแล้ว หลังการพิมพ์ (เราใช้เครื่องพิมพ์สีฝุ่นเพื่อพิมพ์เลย์เอาต์ลงบนกระดาษสีขาวและใช้กล่องเหล็กเพื่อให้ความร้อนและถ่ายโอนความประทับใจไปยังพื้นผิวกระดานทองแดง ทองแดงพิเศษถูกกัดออกโดยใช้สารละลายเฟอริกคลอไรด์และ กรดไฮโดรคลอริกจำนวนเล็กน้อยถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา หลังจากที่บอร์ดได้รับการแกะสลักอย่างถูกต้องแล้ว รูก็ถูกเจาะโดยใช้เครื่องเจาะ PCB แบบใช้มือถือ ส่วนประกอบต่างๆ ถูกซื้อและทำการบัดกรีอย่างระมัดระวังบนบอร์ด สำหรับ IC นั้น จะมีการบัดกรีแบบแยกส่วนก่อน ที่วางไอซีไว้

ขั้นตอนที่ 9: การทดสอบ

เพื่อให้หุ่นยนต์ทำงานได้ตามที่คาดไว้ เราได้เปิดใช้งานการตอบรับอัตโนมัติบนโทรศัพท์มือถือ NokiaC1-02 ที่เราใช้เป็นเครื่องรับบนหุ่นยนต์ ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่มีคนโทรไปที่หมายเลขนั้น โทรศัพท์มือถือจะรับสายโดยอัตโนมัติ เมื่อผู้โทรกดสวิตช์โทน เครื่องรับจะรับและส่งไปยังตัวถอดรหัส DTMF ผ่านสัญญาณเสียงออก ตัวถอดรหัสถอดรหัสคีย์ที่กดและแจ้งไมโครคอนโทรลเลอร์ 89C51 ไมโครคอนโทรลเลอร์จะออกคำสั่งควบคุมที่เหมาะสมให้กับหุ่นยนต์ผ่านทางไดรเวอร์มอเตอร์

ขั้นตอนที่ 10: การอ้างอิง

www.keil.com/dd/docs/datashts/atmel/at89c51_ds.pdf