قارب مراقبة رقمي بدون قبطان (الجزء 2)

 قارب مراقبة رقمي بدون قبطان (الجزء 2)

image001 

الهدف من المشروع هو تصميم ودراسة نموذج لقارب مراقبة يتم التحكم به لاسلكياً عن طريق الحاسوب من خلال تغيير سرعته واتجاهه، إضافة إلى التحكم بحركة كاميرا المراقبة الملحقة به. نكمل في هذا الجزء ما تبقى لصناعة هذا القارب من تحكم إليكتروني وبرمجة.


تقديم ملخص

المشروع هو مشروع فصلي مخصص للسنة الثالثة من قسم هندسة الميكاترونيك. نسعى من خلال هذا المشروع أن نحقق اساس لمشروع تخرج مميز في مجال تصنيع قارب مراقبة مع تطبيق نظام تحكم كامل بالسيطرة على  القارب من بعد مع امكانية ارسال بيانات استكشاف الى مركز المراقبة.

 

نرى أنه من المجدي أن تتبنى الشركات الخاصة أو أي جهة مهتمة مشروعاً أكاديمياً كهذا المشروع وبإشراف الخبرات الأكاديمية والصناعية والتجارية ليتم تعميم هذا النموذج الأولي وتصنيعه بمواصفات قياسية، وهذا سيعود بالنفع على جميع المشاركين بسبب عدم الحاجة لشراء النموذج بالسعر المرتفع كما هو الحال في العادة، من أجل ذلك فإن باب التواصل مفتوح من خلال وسائل الاتصال المذكورة لاحقاً.

 image002

 


محتويات الفصول

يقع التقرير في ستة فصول، كل فصل من الفصول يفتتح بمقدمة فيها مفاتيحه ويختتم بخاتمة فيها مضامينه. فيما يلي نورد الخطوط العريضة لموضوعات الفصول:

ü    الفصل 1: يتضمن مقدمة عن المشروع والهدف منه ومراحل العمل بحيث يصبح لدى القارئ فكرة كافية عن ماهية المشروع.

ü    الفصل 2: يتضمن لمحة عن البنية الأساسية للمشروع بكياناته المختلفة وتم التعريف بكل جزء وما هو التوجه العام لهذه الأجزاء.

ü    الفصل 3: عبارة عن شرح مفصل للتصميم الميكانيكي وتشكيل القارب.

ü    الفصل 4: عبارة عن شرح مفصل لتصميم الدارات الالكترونية ودارات التحكم.

ü    الفصل 5: عبارة عن شرح مفصل للجزء البرمجي من المشروع.

ü    الفصل 6: يتضمن مناقشة لكل ما ورد في المشروع وخاتمة تتضمن أهم الأفكار والمقترحات المستقبلية على المشروع.

 

هذا الجزء يتطرق لثلاث فصول الأخيرة، وبالتالي فيمكنك الرجوع للجزء الأول لمعرفة ما تقدم فيه.

 


 


الفصل 4: التصميم والتحكم الالكتروني

 

4-1 نظام التراسل اللاسلكي

تأتي ألعاب التحكم اللاسلكي بتشكيلة كبيرة من النماذج تتضمن سيارات وشاحنات وطائرات ومروحيات ومراكب شراعية ومراكب ذات محركات رجال آلية وغيرها...

 

إن تقنية التشغيل تختلف بين الألعاب المختلفة ولكن لديها نفس المبدأ الأساسي وإن كلّ الألعاب الموجهة باللاسلكي لها أربعة أجزاء رئيسية:

1.     جهاز إرسال: يحمل جهاز الإرسال في اليد للسيطرة على اللعبة حيث يقوم بإرسال موجات التحكم إلى جهاز الاستقبال.

2.     جهاز استقبال: عبارة عن هوائي ولوحة إلكترونية داخل اللعبة يستقبلان الإشارات من جهاز الإرسال وينشّطان المحرّكات داخل اللعبة كما أمرت من جهاز الإرسال. 

3.     محرك: يمكن المحرّكات أن تدور العجلات وتحرك العربة وتشغّل المراوح...

4.     مصدر كهربائي: يرسل جهاز الإرسال إشارة سيطرة إلى جهاز الاستقبال باستخدام موجات التحكم.

 

جهاز إرسال التحكم اللاسلكي للألعاب هو جهاز صغير محمول باليد يتضمّن بعض مفاتيح التحكم والإرسال اللاسلكي حيث يقوم المرسل بإرسال إشارة إلى جهاز الاستقبال في اللعبة وإن لدى جهاز الإرسال مصدر كهربائي عبارة عن بطارية 9 فولط عادةً تؤمن الطاقة للجهاز.

 

وإنّ الاختلاف الرئيسي بين الألعاب الموجهة باللاسلكي والألعاب ذات التحكم عن بعد هو أن الألعاب ذات التحكم عن بعد لها سلك يوصل جهاز التحكم باللعبة بينما التحكم اللاسلكي يكون دائماً بدون أسلاك.

 

تعمل أكثر ألعاب التحكم اللاسلكي إما بـ 27 ميغاهيرتز أو 49 ميغاهيرتز، وأن النماذج الجديدة مثل الطائرات الأكثر تطوّراً، التي تعمل بالتحكم اللاسلكي، تستخدم ترددات 72 أو 75 ميغاهيرتز. وتصنف أغلب ألعاب التحكم اللاسلكي بمستوى مدى التردد الذي تعمل به. فعربة التحكم اللاسلكي التي استخدمناها أولاً على سبيل المثال لديها علامة تميزها كنموذج 27 ميغاهيرتز. إن أكثر منتجي ألعاب التحكم اللاسلكي يصنعون نسخ من كلّ نموذج ذات ترددات تتراوح بين 27 و49 ميغاهيرتز.

 

تتراوح أجهزة الإرسال من أجهزة التحكم ذات الوظيفة الوحيدة إلى أجهزة التحكم ذات الوظيفة الكاملة مع تشكيلة واسعة من الخيارات، وأن جهاز التحكم ذو الوظيفة الوحيدة يجعل اللعبة تتقدّم عندما يضغط على الزناد وترجع إلى الوراء عندما تزيل يدك عن الزناد ولإيقاف اللعبة يجب في الحقيقة أن تطفئ الجهاز.

 

إن أكثر أجهزة التحكم ذات الوظيفة الكاملة لديها ستة مفاتيح تحكم وهي كالتالي:

1-    مفتاح للتحرك للأمام.

2-    مفتاح للرجوع إلى الوراء.

3-    مفتاح للتحرك للأمام ولليسار معاً.

4-    مفتاح للتحرك للأمام ولليمين معاً.

5-    مفتاح للرجوع للوراء ولليسار معاً.

6-  مفتاح للرجوع للوراء ولليمين معاً.

 

وفي أكثر أجهزة التحكم ذات الوظيفة الكاملة إذا لم يتم الضغط على أيّة أزرار أو لم يدور أيّ مقبض فسيتسبّب ذلك بتوقّف اللعبة وانتظار الأوامر، وتستخدم أجهزة التحكم في أنظمة التحكم اللاسلكي الأكثر تقدماً مقابض تحكم ثنائية في أغلب الأحيان ذات عدّة مستويات للرد الدقيق على التحكم.

 

4-1-1 السيطرة اللاسلكية

لنلقي نظرة أقرب على عربة التحكم اللاسلكي التي رأيناها في الأعلى وسنفترض بأنّ التردد المستخدم فيها هو 27.9 ميغاهيرتز، فستكون سلسلة الأحداث التي تحدث عندما تستعمل جهاز إرسال التحكم اللاسلكي على الشكل الآتي:

1.     تضغط على الزناد لجعل الشاحنة تتقدّم.

2.     الزناد يسبّب تلامس زوج من الاتصالات الكهربائية وبالتالي إكمال دارة أوصلت إلى محور معيّن لدارة تكاملية. 

3.     تسبّب الدارة المتكاملة بأن تجعل جهاز الإرسال يرسل سلسلة محددة من النبضات الكهربائية. إن كلّ سلسلة تحتوي مجموعة قصيرة من نبضات التزامن تتبع بسلسلة النبض، وفي الشاحنة يكون قسم التزامن الذي ينذر جهاز الاستقبال بالمعلومات القادمة عبارة عن أربع نبضات وهي بطول 2.1 جزء من الألف من الثانية مع فواصل يبلغ طولها 700 جزء من مليون من الثانية، في حين أن قسم النبض الذي يخبر الهوائي بالمعلومات الجديدة يستخدم نبضات بطول 700 جزء من المليون من الثانية مع فواصل زمنية تبلغ 700 جزء من المليون من الثانية. يستعرض الشكل (4-4) جهاز إرسال إشاري نموذجي للتحكم اللاسلكي. تسلسل النبضات المستخدمة في قسم النبض:

·        نحو الأمام 16 نبضة.

·        نحو الوراء 40 نبضة.

·        نحو الأمام واليسار 28 نبضة.

·        نحو الأمام واليمين 24 نبضة.

·        نحو الوراء واليسار 52 نبضة.

·        نحو الوراء واليمين 46 نبضة.

 image003

الشكل (4-4) جهاز إرسال إشاري نموذجي للتحكم اللاسلكي

 

4.     يقوم جهاز الإرسال بإرسال موجات تحكم تتذبذب مع التردد 27900000 دورة في الثانية (أي 27.9 ميغاهيرتز).

5.     تراقب الحافلة بشكل ثابت التردد المحدد بـ 27.9 ميغاهيرتز للإشارة، وعندما يستقبل جهاز الاستقبال موجات التحكم من جهاز الإرسال يقوم بإرسال إشارة إلى مصفاة لحجب أي إشارة يلتقطها غير التردد 27.9 ميغاهيرتز.

6.     ترسَل سلسلة النبضات إلى الدارة التكاملية في الشاحنة التي تحلل السلسلة وتشغل المحرك. وفي المثال الذي استخدمناه تشكل سلسلة النبضات 16 نبضة (للأمام)، هذا يعني بأنّ الدارة التكاملية ترسل تيارا إيجابيا إلى المحرك الذي يدير العجلات، وإذا كانت سلسلة النبضات القادمة 40 نبضة (للوراء) ستعكس الدارة التكاملية التيار إلى نفس المحرك لجعله يسرّع في الاتجاه المعاكس، تستلم المحرّكات الكهربائية القوّة من البطاريات وإنّ تدفق القوّة منظّم من قبل الدارة التكاملية.

 

بسبب حاجتنا إلى أكثر من دارة إرسال واستقبال لاسلكية احتجنا لأخذها من ألعاب عدة بترددات مختلفة، فكان لدينا لعبة بتردد 34 ميغاهيرتز وأخرى بتردد 27 ميغاهيرتز وثالثة بتردد 49 ميغاهيرتز. استخدمنا كلا منها حسب حاجتنا.

 image004

الشكل(4-5) السيارات اللاسلكية المستعملة

 

تبين الصورة في الشكل 4-6 دارات الإرسال اللاسلكي المستعملة في المشروع وهي مجمعة على لوحة واحدة ومربوطة بوساطة ترانزستورات (تعمل كمفتاح تشغيل/إيقاف أو On/Off) إلى مخارج الـمنفذ الـمتوازي LPT.

 

نلاحظ الهوائيات المرسلة الموجودة في دارات الإرسال وهي الكفيلة بإيصال الإشارة بالتردد المعين إلى دارة الاستقبال الموجودة في القارب المتحكم به.

 image005

الشكل(4-6) دارات الإرسال اللاسلكية المستعملة

 


4-2 مسجل الإزاحة

 

4-2-1 الحاجة إلى الدارة ومبدأ العمل

كما ذكر سابقاً فإننا نحصل على عدة أزواج(Bits) على خرج المستقبل اللاسلكي. لنناقش الحالة عندما يعمل المستقبل للتحكم بالسيارة اللاسلكية، عندها تكون إشارات التحكم كما يلي:

 

نلاحظ أنه عند تفعيل الزوج (bit) الذي يحرك السيارة نحو اليمين يكون الزوج الذي يحرك السيارة نحو اليسار غير مفعل (لا يمكن تحريك السيارة نحو اليمين واليسار بآنٍ معاً) وكذلك يكون الأمر بالنسبة للحركة نحو الأعلى والأسفل.

 image006

من خلال ما سبق نجد أن مجموع الأزواج التي يمكن ان تكون مفعلة بآنٍ معاً على الخرج هي زوجين فقط (2Bits). إن الزوجين على الخرج من كل مستقبل لاسلكي غير كافية للتحكم بجميع الدارات الموجودة ضمن المشروع،فما العمل إذن؟

 

سنزيد عدد هذه المخارج من خلال تقنية تحويل دخل تسلسلي إلى خرج تفرعي (Serial In-Parallel Out) أو ما يسمى اختصاراً SIPO. هذه التقنية نعتمدها باستخدام مسجل الإزاحة 74HC595 وسنوجز شرحه فيما يأتي:

 

مسجل الإزاحة هو عبارة عن شريحة متكاملة لها منفذ لإدخال البينات تسلسلياً بالتزامن مع نبضات الـساعة (Clock بالإنجليزية وhorloge بالفرنسية) وإخراج هذه البيانات تفرعياً عبر منافذ خرج متعددة، ويمكن إعادة ضبط هذه المنافذ بحيث تعود إلى الحالة الابتدائية. تجدر الإشارة إلى أن عمل هذه الشريحة يكون من خلال إرسال البيانات على المنفذ التسلسلي وإمساكها إلى حين الحاجة لإخراجها عندئذٍ يجب إعطاء نبضة ساعاتية (Clock) على منفذ التخزين STCP والذي يجعل البيانات اللازم إخراجها تظهر على الخرج.

 image007

 image008

الشكل (4-7) المخطط الوظيفي لشريحة مسجل الإزاحة(Shift Register)

الشكل (4-8) الرمز المنطقي للشريحة

 image009

 image010

يبين الجدول أرقام ووظائف جميع الأرجل لشريحة مسجل الإزاحة.

الشكل (4-9) مخطط الشريحة

تم استخدام شريحة مسجل الإزاحة في دارتي تحكم هما دارة مسجل الإزاحة 4 أزواج، ودارة مسجل الإزاحة 8 أزواج وسيتم التعرض إلى كل منهما فيما يلي.

     

 

4-2-2 دارة مسجل الإزاحة 8 أزواج (Shift Register-8Bits)

 

 image011

الشكل (4-10) مخطط دارة مسجل الإزاحة 8 بت

SL6: تغذية للدارة (5 فولط).

 

SL7: مدخلي تحكم أحدهما لإعطاء نبضات الساعة (Clock) والآخر لتفعيل الخرج (Output Enable).

 

SL8: مدخلي تحكم أحدهما لإدخال البتات التسلسليةٌ والآخر لإعادة ضبط المسجل (Reset).

 

SL9، SL10، SL11، SL12: مخارج البتات التفرعية.

 

و الصورة 4-11 تبين المخطط العملي للدارة.

 image012

الشكل (4-11) المخطط العملي لدارة مسجل إزاحة 8 أزواج (Shift Register 8 bit)

 

 image013

الشكل (4-12) شكل الدارة بعد التركيب

 

4-2-3 دارة مسجل الإزاحة 4 أزواج (Shift Register-4Bits)

 

 image014

الشكل (4-13) مخطط دارة مسجل إزاحة 4 أزواج(Shift Register 4 bit)

هذه الدارة هي نفس الدارة السابقة مع اختلاف أننا نأخذ من الخرج أربعة مداخل عوضاً عن ثمانية، وهذا الأمر خاضع لحاجتنا إلى إشارات التحكم وعدد المخارج المطلوبة.

 

وتبين الصورة 4-14 المخطط العملي لدارة مسجل الإزاحة 4 أزواج.

 image015

الشكل (4-14) المخطط العملي لدارة مسجل الإزاحة 4 أزواج

 

 image016

الشكل (4-15) شكل الدارة بعد التجميع

 


4-3 دارة تنظيم سرعة محركات القارب

 

4-3-1 مقدمة

إن المحركات التي تسير القارب هي محركات تيار مستمر (DC Motors)، والقارب لا يحتوي على دفة لتوجيه حركته باتجاه معين؛ لذلك سنعتمد في توجيهه على طريقة تغيير السرعة بحيث أن المحركين إذا تحركا بنفس السرعة فيتحرك القارب بالاتجاه المباشر وإذا اختلفت سرعة المحركين عن بعضهما فإن القارب سينحرف بحسب جهة المحرك الأسرع وتعتمد زاوية الانحراف على الفرق بين سرعتي المحركين ودائما الانحراف بجهة المحرك الاسرع.

 

إن المحرك عند وصله بتغذية معينة فإنه يسير بسرعة ثابتة. إذاً، لتغيير سرعة المحركين نحن بحاجة إلى دارة تنظيم سرعة تكون نفسها لكلا المحركين. إن الطريقة المعروفة لتغيير السرعة هي تغيير الجهد ولكن عندما يكون مطال الجهد ثابت (بثبات منبع التغذية) فإننا نحتاج إلى طريقة أخرى.

 

سنتبع في تنظيم السرعة طريقة "التعديل العرضي النبضي" (يعرف بـ Pulse Width Modulation واختصاراً بـ PWM في اللغة الإنجليزية). تعتمد هذه الطريقة على توليد نبضات من الجهد عن طريق مولد نبضات (دارة 555 مثلاً) والتحكم بفترة التوصيل (أو التشغيل) وفترة الانقطاع (أو الإيقاف) لهذه النبضات (بالإنجليزية T On  وT Off). كلما كانت فترة التوصيل أكبر من فترة القطع نحصل على جهد لفترة أطول وبالتالي يجعل هذا الجهد المحرك يسير بسرعة أكبر.

 

4-3-2 العناصر المستخدمة

-         L298

-         المؤقت NE555

-         مقاومات مختلفة القيم

-         3 ترانزستورات BC337

-         Not Gates) 74LS04N)

-         المفكك Decoder) 74154N)

 

4-3-3 دارة 555

يتم التحكم بفترة التوصيل من خلال التحكم بثابت الشحن والتفريغ للمكثف الموجود في دارة 555. يعطى ثابت الشحن بالعلاقة:

t = R2.C

حيث أن:

·        C : يمثل سعة المكثفة.

·        R2 : يمثل المقاومة التي يشحن خلالها المكثف.

 

وبنفس الطريقة نتكلم عن ثابت التفريغ. نلاحظ من دارة 555 وجود مقاومة مشتركة بين حالتي الشحن والتفريغ وهي المقاومة R2. وبالتالي، عند تغيير قيمة هذه المقاومة سوف تتغير فترتي التوصيل والقطع معاً. الفكرة الاساسية إذن تكمن في تغيير قيمة هذه المقاومة لتعديل عرض النبضة. وسيتم تغيير قيمة هذه المقاومة من خلال عدة مقاومات مختلفة القيمة موصولة على التفرع (أي على التوازي) ومع كل مقاومة هناك ترانزستور على التفرع (أي على التوازي) وعند تفعيل هذا الترانزستور ستدخل المقاومة ضمن الدارة. ومن خلال إدخال مقاومات مختلفة القيمة في الدارة فعند كل مقاومة ستكون السرعة مختلفة عنها في حالة مقاومة أخرى وهكذا.

 image017

الشكل (4-16) دارة 555

 

4-3-4 مخطط الدارة

 image018

الشكل (4-17) مخطط دارة تنظيم سرعة محركات القارب

تبين الصورتين 4-18 و4-19 المخطط العملي للدارة وشكل الدارة بعد التجميع.

 image019

الشكل (4-18) المخطط العملي لدارة الـPWM

 

 image020

الشكل (4-19) شكل الدارة بعد التجميع

 


4-4 دارة قيادة محرك خطوي

 

4-4-1 مقدمة عن المحرك الخطوي

هو محرك يتم التحكم به رقميًا ويدور عددًا محددًا من الدرجات (خطوات) في كل مرة تطبق فيها نبضة ساعاتية (clock) على دارة خاصة تستخدم للتحكم به.

 

إن عدد الدرجات في الخطوة الواحدة للمحرك الخطوي يمكن أن يكون صغيرًا إلى حد °0.72 في الخطوة الواحدة، أو كبيرًا يصل إلى °90 في الخطوة الواحدة. في المحركات العامة التي تستخدم في تطبيقات متعددة الأغراض يتراوح عدد الدرجات في الخطوة بين °15 و °30. وعكس المحرك سيرفو فإن الـمحرك الـخطوي يدور °360، ويمكن جعله يدور بشكل دائم كالـمحرك DC (ولكن سرعة دورانه الأعظمية أقل من سرعة محركاتDC).

 image021

تؤمن المحركات الخطوية عزمًا كبيرًا عند سرعات دوران منخفضة مما يجعل هذه المحركات مفيدة جدًا في التحكم بالموضع بدقة عالية وسرعات منخفضة. تستخدم المحركات الخطوية في الطابعات للتحكم بتغذية الطابعة بالورق كما تستخدم في المناظر الفلكية (أو التيليسكوبات) التي تلاحق النجوم. تستخدم المحركات الخطوية أيضًا في الراسمات (Plotters). وفي تطبيقات أخرى عديدة منها تحديد الموضع أو الدوران إلى موضع باستخدام الحساسات. يبين الشكل 4-20 نموذجًا بسيطًا لمحرك خطوي يدور °15 في الخطوة الواحدة.

يتكون القسم الثابت في هذا المحرك من ثمانية أقطاب متباعدة عن بعضها بمقدار °45. يصنع القسم المتحرك والذي يسمى الدوار (rotor) من مادة فيرومغناطيسية (Ferromagnetic material) وله ستة أسنان، والزاوية بين كل سنين هي °60. يطبق التيار على قطبين متقابلين أو على ملفين متقابلين في آنٍ واحد كي يدور المحرك خطوة واحدة. يؤدي تطبيق التيار إلى مغنطة الأقطاب المتعاكسة وهذا يجعل أسنان القسم الدوار تصبح على نفس استقامة الأقطاب المغذاة.

 

لتدوير الدوار °15 باتجاه عقارب الساعة (ابتداءً من الوضع الحالي) فإن التغذية تفصل عن الملف 1 (أي الوشيعة 1) وتوصل إلى الملف 2 وإذا فصلت التغذية عن القطب 2 ووصلت بالقطب 3 يدور المحرك °15 أخرى، وتستمر عملية التدوير بنفس الطريقة. يعكس تتالي تغذية الملفات عند الرغبة بتدوير المحرك بعكس عقارب الساعة.

 image022

الشكل (4-20) نموذج لمحرك خطوي

     

 

4-4-2 أنواع المحركات الخطوية

يعتمد الـمحرك الـخطوي المبين في الشكل السابق على الممانعة المغناطيسية المتغيرة، وكما هو واضح فإن النموذج السابق غير كامل لأنه لا يوضح التوصيلات الداخلية للمحرك الـخطوي ذي الممانعة المغناطيسية المتغيرة. كما أن النموذج السابق لا ينطبق على نموذج آخر من المحركات الخطوية ذات المغناطيس الدائم، وسنتعرف الآن على المحرك الخطوي المستخدم في دارة القيادة التي نفذناها.

 

المحركات الخطوية ثنائية القطبية:

هذه المحركات تشبه المحركات وحيدة القطبية ولكن أزواج ملفاتها (وشيعاتها) ليس لها فرعة وسطى، وهذا يعني أنه بدلاً من تطبيق جهد تغذية ثابت على ناقل (سلك) كما كانت الحال في المحركات وحيدة القطبية (كان جهد التغذية يوصل بشكل دائم مع الفرعات الوسطى)، يجب أن يطبق جهد التغذية بشكلٍ متعاقب على نهايات ملفات (وشيعات) مختلفة. وبنفس الوقت فإن  النهايات المعاكسة لزوج الملفات (الوشيعات) يجب أن توصل مع الأرض. يدور المحرك بمقدار °3 في الخطوة بتطبيق القطبيات المبينة في جدول التتابع، وتطبق القطبيات على أطراف (أسلاك) المحرك.

 image023

الشكل (4-21) المحرك ثنائي القطبية

 

تعتبر قيادة المحركات الخطوية ثنائية القطبية أكثر صعوبة من قيادة المحركات وحيدة القطبية والمحركات ذات الممانعة المغناطيسية المتغيرة، ولكن خاصيتها الفريدة في إزاحة القطبية تعطيها نسبة حجم إلى عزم أفضل. تصمم المحركات ثنائية القطبية ذات زاوية الدوران الأصغر في الخطوة بعدد أسنان أكبر.

 

4-4-3 دارات القيادة L297 وL298

تعد الدارتين L297 وL298  الأكثر استعمالاً في تصاميم قيادة المحركات الخطوية. إذ توفر هاتان الدارتان  إمكانية قيادة المحركات الخطوية أحادية القطبية أو ثنائية القطبية. كما تستطيعان تأمين تغذية محركات تستهلك بضع عشرات الميلي أمبيرات وحتى عدة أمبيرات. وقد تم تصميم هاتين الدارتين بحيث تعملان معاً، ومع ذلك يمكن استخدامها بشكل منفصل في بعض التصاميم. نقدم فيما يلي تصميماً لدارة تستخدم كلا الدارتين معاً.

 

4-4-3-1 توصيف الدارة المتكاملة L297

لقد تم تصميم الدارة المتكاملة L297، وهي متحكم بالمحركات الخطوية، بحيث تعمل مع الدارة المتكاملة L298.

المواصفات الأساسية لهذه الدارة هي كالتالي:

·  دخل تفعيل للدارة.

·  دخل تبدئة (reset).

·  عدد العناصر الخارجية اللازمة قليل.

·  نمط عمل خطوة كاملة أو نصف خطوة.

·  تحديد جهة الدوران مع أو عكس عقارب الساعة.

 

لقد تم تصميم الدارة L297 لكي تعمل مع دارة قيادة متكاملة ذات جسر مضاعف، أي شبكة مكونة من أربعة ترانزستورات دارلنغتون استطاعية أو مع عناصر مفردة. إذ يكفي تأمين اشارات ساعاتية (Clock) (تقدم الخطوة) وتحديد نمط الاتجاه لكي تقوم الدارة بالتحكم بالمحرك الخطوي. تقوم الدارة بدورها بتوليد تتابع الأوامر إلى مرحلة الاستطاعة. يبين الشكل 4-22 توزيع أرجل الدارة L297 ومخططها الداخلي بينما يبين الجدول (4-1) وظائف جميع أقطابها.

 image024

 image025

الشكل (4-22) شريحة L297

 image026

الجدول (4-1) وظائف أقطاب الشريحة L297

 

4-4-3-2 توصيف الدارة المتكاملة L298

تعد الدارة المتكاملةL298 متممة للدارة L297، وهي توفر تبسيطا لمرحلة القيادة الاستطاعية للمحرك الخطوي. كما أنها ليست أكثر من جسر قيادة مضاعف يحوي مخارج لقياس التيار المستهلك في المحرك، بالإضافة إلى مداخل تفعيل. وبالتالي لا تتطلب هذه الدارة إلا القليل جدا من العناصر الخارجية، فـهي إذن سهلة الاستخدام كثيراً.

 

تصنع هذه الدارة على شكل وحدة ذات 15 رجلا(وفق التعليب Multiwatt)كما هو مبين في الشكل 4-23 في حين يبين الجدول (4-2) وظائف أرجل هذه الدارة.

 

تتيح الدارة L298 استعمال تغذية مرتفعة نسبيا للمحرك. كما يمكنها تقديم تيار مرتفع نسبيا، وهذا ما يجعلها مناسبة للمحركات الخطوية التي تحوي ملفات (وشيعات) ذات مقاومة أومية غير مرتفعة.

 

يمكن استعمالها لقيادة المحركات الخطوية وأيضا الحواكم الكهروميكانيكية والسيلونويد ومحركات التيار المستمر.

 image027

الشكل (4-23) تعليب شريحة L298

 image028

 

الجدول (4-2) يبين وظائف جميع أرجل الشريحة L298

 

4-4-4 مخطط دارة القيادة

 image029

الشكل (4-24) مخطط دارة محرك خطوي

SL1 : مدخل طاقة 5 فولط

 

SL2 : مدخل طاقة 12 فولط

 

SL3 : مدخلي تحكم بالدارة أحدهما للتحكم باتجاه دوران محرك خطوي والآخر لتشغل وإطفاء المحرك.

 

JP1 : خرج الدارة التي يوصل إليها أقطاب محرك خطوي.

مع العلم بأنه تم تثبيت محرك خطوي ليعمل بنظام النصف خطوة.

 image030

الشكل (4-26) المخطط العملي لدارة الخطوة

 


4-5 دارة قيادة محرك التيار المستمر الذي يحرك الكاميرا شاقولياً

 

4-5-1 مبدأ عمل الدارة

استخدمنا في قيادة المحرك المستمر الذي يتحكم بحركة الكاميرا بالاتجاه العمودي دارة دفع – جذب ترانزستورية كما في الشكل (4-28). تحوي هذه الدارة على ترانزستورين أحدهما NPN والآخر PNP لهما نفس معدل الاستطاعة ونفس عامل تكبير التيار.

عند تطبيق جهد 5+ فولط (أي مرتفع أو high) على القواعد ينتقل الترنزستور NPN إلى حالة تنشيط (أي ON) ويمر تيار من موجب التغذية عبر الترانزستور إلى المحرك ثم الأرضي ليدور المحرك في جهة معينة.

 

وعند تطبيق 0 فولط (أي منخفض أو low) على القواعد ينتقل الترانزستور PNP إلى حالة تنشيط (أي ON) ويمر تيار من الأرضي عبر المحرك والترانزستور PNP إلى سالب المصدر Vcc– ويدور المحرك بجهة معاكسة للجهة الأولى.

 image031

الشكل (4-28) دارة دفع-جذب ترانزستورية

نحن نحتاج في دارتنا إلى التحكم بالاتجاه وإيقاف وتشغيل المحرك فقط ولكن بظروف مختلفة؛ فلدينا تحكم بالاتجاه عند بدء التشغيل ولدينا قواطع نهاية شوط بحيث يفعل قاطع عند وصول الحركة إلى حد معين وعند الوصول إلى هذه الزاوية من الحركة يتم عكس اتجاه الدوران بوساطة تفعيل هذا القاطع. استخدمنا قاطعي نهاية شوط في موضعين متناظرين وكل منهما يلعب نفس الدور ولكن باتجاهين متعاكسين.

 

4-5-2 المخطط النظري لدارة التحكم

 image032

الشكل (4-29) مخطط دارة قيادة محرك التيار المستمر

 

·        SL1 : مداخل التحكم بإيقاف وتشغيل المحرك وباتجاه دوران المحرك.

·        SL2 : المداخل الموصولة مع قواطع نهاية الشوط.

·        SL3 : توصل إلى طرفي المحرك.

·        SL4 : مداخل التغذية الموجبة والسالبة والخط الأرضي.

 

تمت إضافة مرحل إليكتروني (Relay, Relais) إلى الدارة من أجل التحكم بتوصيل إحدى التغذيتين إما الموجبة أو السالبة إلى قواعد الترانزستورين وبالتالي التحكم بجهة الدوران كما أسلفنا سابقاً.

 

أيضاً تم وضع صمام ثنائي (ديود) على طرفي ملف المرحلالإليكتروني لحمايته من التيارات العكسية التي يمكن أن تحدث مشاكل لدى مرورها في الدارة.

 image033

 

الشكل (4-30) المخطط العملي لدارة قيادة محرك التيار المستمر.

 


4-6 التغذية العكسية

إن تأمين التغذية العكسية للقارب سيتم عن طريق حساس مستوى الماء الذي سيثبت على جسم القارب في مكان لا يصل إليه الماء عادة. عند وصول الماء لهذا الحساس سيشير هذا الأخير إلى وجود خطر غرق أو عدم توازن لأن الماء وصل المستوى المحظور وعند ذلك سيرسل لاسلكياً قيمة واحد منطقي إلى المستقبل الموجود في غرفة التحكم وبهذا يتم التعرف على الحالة.

 

حساس المستوى:

يعتمد هذا الحساس على استخدام سلكين في ارتفاعين مختلفين على جسم القارب حيث يجب قياس مستوى الماء. يثبت أحد السلكين بالقرب من أسفل القارب ويثبت الآخر حيث يعتبر مستوى النقطة المرجعية. عندما يرتفع الماء إلى النقطة التي تغمر السلك فإن تيارا معينا يتحرض في الماء. هذا التيار يكشف بواسطة دارة إلكترونية والتي تفعل مفتاح الإرسال اللاسلكي الموجود في القارب. وعندما ينخفض مستوى الماء فلا يمر تيار بين السلكين ولا ترسل أي قيمة إلى المستقبل.

 


 


الفصل 5: التصميم البرمجي

 

5-1 مقدمة

إن المطلوب هو أن يتم التحكم عن طريق الحاسوب ويتحقق ذلك بالربط مع أي من منافذ الحاسوب. توجد ثلاثة أنواع من بوابات الحواسيب الشخصية القياسية، والتي يمكن استخدامها لوصل الدارات الالكترونية وهي:

·       البوابة التسلسلية أو المنفذ المتتالي (بالإنجليزية Serial Port).

·       البوابة التفرعية أو بوابة الطابعة أو المنفذ المتوازي (بالإنجليزية Printer/Parallel Port).

·       البوابة التشابهية أو بوابة الألعاب أو المنفذ التناظري (بالإنجليزية Game/Analogue Port).

 

على الرغم من أن البوابة التفرعية تبدو للوهلة الأولى محدودة الاستخدام، إلا أنها في الحقيقة متعددة الاستخدامات. تعتبر بوابة الطابعة التفرعية بوابة للخرج الرقمي (Digital Output). ولكن لحسن الحظ بالإضافة إلى الأزواج (bits) الثمانية المتوفرة كمخارج رقمية فإنها تمتلك العديد من خطوط المصافحة (Handshake Lines) والتي لا يقل عددها عن تسعة خطوط: خمسة مداخل وأربعة مخارج. ومن الممكن استخدام خطوط المصافحة هذه لأغراض الإدخال والإخراج الرقمي العامة.

 

إن استخدام البوابة التفرعية سيمكن من القراءة أو الكتابة بمعدلات أسرع بكثير مما يمكن أن تقدمه البوابة التسلسلية. أضف إلى ذلك أنه ستبقى بعض خطوط المصافحة غير مستخدمة ويمكن استغلالها في الدارات الالكترونية المصممة، إذ يمكننا استخدام هذه الخطوط لتوفير ثمانية أزواج (bits) أخرى من المخارج أو المداخل الرقمية.

تظهر الصورة 5-1 منفذ الطابعة والمعروف بمنفذ LPT ودلالة كل قطب فيه:

 

D0 … D7: ثمانية خطوط بيانات.

In 3 … In 7: خمسة خطوط دخل.

Out 0 … Out 3: أربعة خطوط خرج.

 

ستتم برمجة المشروع من خلال برنامج Matlab والذي يعتبر بيئة برمجية قوية تستخدم بشكل واسع في كافة المجالات التكنولوجية نظرا لتنوع مكتباته التي شملت جميع هذه المجالات.

 image034

الشكل (5-1) منفذ الـ LPT

يتم إرسال الأوامر البرمجية إلى المنفذLPT وعلى هذا الأساس يتم إخراج البيانات على خرج المنفذ ومن ثم تنتقل إلى دارة المرسل اللاسلكي ومنها عبر المستقبل إلى باقي الدارات التي تشكل نظام التحكم المشروح سابقاً.

 


5-2 المخططات التدفقية

إن تحليل النظام وتمثيله بواسطة المخططات التدفقية (بالإنجليزية flowchart) من شأنه تسهيل فهم النظام ومراحل عمله ويختصر الشرح الطويل للنظام في المشروع إلى أشكال بسيطة والمخططات التدفقية هي عملية هامة عملنا على استخدامها في عملية البرمجة. نبين فيما يلي المخطط التدفقي لحالات التحكم بحركة الكاميرا.

 

المخطط التدفقي التالي يعبر عن العملية البرمجية للتحكم بمحركات القارب:

 image035

وهذا المخطط التدفقي الثاني يعبر عن العملية البرمجية التي جرت للتحكم بمحركي الكاميرا:

 image036

يبين المخطط التدفقي التالي انتقال البينات داراتياً للتحكم بحركة الكاميرا بعد وصول البيانات إلى مسجل الإزاحة4 أزواج:

image037

يبين المخطط التدفقي التالي انتقال البيانات للتحكم بحركة القارب بعد وصول البيانات إلى مسجل الإزاحة 8 أزواج:

image039

 

 


5-3 الواجهات الرسومية

عند تنفيذ العملية البرمجية كان لا بد لنا من تصميم واجهات تخاطبية مع المستخدم لتسهيل التفاعل مع عملية التحكم وتوضيح الهدف من كل عملية.

 

تظهر الصورة 5-6 الواجهة الترحيبية التي تظهر في بداية تشغيل البرنامج وهي عبارة عن تعريف باسم القارب وبداية دخول إلى نظام التحكم كما سيلي.

image039

 

الشكل (5-6) الواجهة الترحيبية

عند اختيار زر Exit  من الواجهة السابقة سيتم الخروج من الواجهة وإنهاء العملية، أما عند اختيار زر Let's sail فسيتم الانتقال إلى واجهة تخاطبية أخرى تكون مرتبطة بها وفيها بدء عملية التحكم بالنظام.

 

تظهر الصورة 5-7 الواجهة التخاطبية التي تظهر بعد الواجهة الأولى في حال اختيار الاستمرار بنظام التحكم.

 image041

 

الشكل (5-7) واجهة اختيار التحكم

كما هو موضح في الواجهة السابقة فهنالك خياران لعملية التحكم وهما إما التحكم بحركة القارب أو التحكم بحركة كاميرا المراقبة أو كليهما.

 

عند اختيار زر التحكم بحركة القارب سيتم الانتقال إلى الواجهة التالية :

 image042

 

الشكل (5-8) واجهة التحكم بمحركات القارب

يتضح من خلال الواجهة السابقة كيفية التحكم بحركة القارب من خلال المحركين وذلك باختيار سرعة واتجاه كل منهما لتوجيه القارب حسب الحاجة.

 

أيضاً نلاحظ وجود أزرار للعودة إلى الواجهة السابقة وللخروج النهائي من البرنامج إضافة إلى زر sensor الذي يتيح قراءة الحساس للتعرف على الحالة.

 

في حال الدخول إلى واجهة التحكم بالكاميرا تكون النافذة بالشكل التالي:

 image043

 

الشكل (5-9) واجهة التحكم بالكاميرا

تبين الواجهة السابقة جميع خيارات التحكم بحركة الكاميرا بجميع الاتجاهات، أيضاً نلاحظ وجود الأزرار التي أشرنا إليها من ز العودة والخروج وزر الحساس.

 

من خلال هذه الواجهات نكون قد حققنا الربط بين الحاسوب والقارب اللاسلكي عن طريق الوسيط الذي هو النظام الداراتي الالكتروني.

 


 


الفصل 6: المناقشة والخاتمة

 

6-1 الخلاصة

تم في هذا التقرير تسليط الضوء على مشروع "قارب مراقبة شواطئ" لطلاب السنة الثالثة من هندسة الميكاترونيك في جامعة تشرين، في البداية تم شرح البنية الأساسية للمشروع ومن بعد ذلك أسهبنا في الشرح عن البنية التفصيلية للمشروع بطريقة تضمن فهم الهدف من المشروع وكيفية تصميمه.

 

تعرفنا على التصميم الهندسي للقارب ودراسته التصميمية والتجريبية، كذلك فقد مررنا على نظام التحكم الالكتروني الذي يضمن أداء القارب للمهمات المنوطة به. وبعدها فصلنا العملية البرمجية التي أجريت لتنفيذ المشروع وربطه بالحاسب.

 


6-2 المناقشة

عند مناقشة ما تم إنجازه في هذا المشروع سنقوم أولاً بالتأكيد على أن هذا المشروع طلابي بامتياز ولم تدخل الصناعة الآلية في أي من أجزاءه رغم إمكانية ذلك؛ ولكن جوهر الفائدة يكمن في الشعور بالمسؤولية وتحمل أعباء العمل والسير بخطى واثقة لتحقيق النجاح الطلابي الأكاديمي في جامعاتنا المحلية التي لطالما عانت من شح في الجانب التطبيقي لأسباب عديدة.

 

التعويل الأساسي على عملنا كطلاب وليس كمختصين أو خبراء جعل مهمتنا من الصعوبة بمكان لعدم توافر كافة المستلزمات والعدد التصنيعية التي حاولنا أن نحويها أحياناً أو أن ننقل عملنا في بعض الأحيان إلى الورشات التخصصية في كلية الهمك، ولكن كل هذا ألقى بظلاله على زمن تنفيذ المشروع وكلفته وموثوقيته.

 


6-3 المقترحات المستقبلية

إن هذا المشروع كما أسلفنا هو نواة لمشروع أكبر، المشروع الأكبر ستجري عليه تعديلات وتقنيات كثيرة أخرى. من أهم الأفكار التي يمكن أن يطور المشروع من خلالها هي كما يلي:

 

1-    ربط مجموعة قوارب مراقبة مع بعضها البعض بوساطة شبكة من الحساسات اللاسلكية وخلق نوع من التواصل الذكي بين القوارب لتوزيع المهام بينها حسب الخوارزميات المناسبة.

 

2-    التحكم بالقارب من خلال ربطه مع نظام تحديد المواقع العالمي GPS وسيقدم ذلك خدمة كبيرة إلى مركز التحكم.

 

3-    تطوير أنظمة التحسس في القارب ليرصد تغيرات البيئة المحيطة بشكل اكبر.

 

4-    زيادة كفاءة وسرعة العمل من خلال استخدام المتحكمات الصغرية على سبيل المثال.

 

5-    استغلال التقنيات المتقدمة كمعالجة الصورة لتطوير منظومة المراقبة بحيث تضمن التعرف على الأجسام أو المناطق.

 


 


كلمة شكر

نشكر الله جل وعلا على ما حبانا وأكرم علينا بإتمامنا لمشروعنا ونحمده أن أرضانا بما قدمت أيدينا ونحسبه خيراً عنده جل جلاله.

 

قيل: " من لم يشكر الناس لم يشكر الله ". لا بد أن نتقدم بأزكى رسائل الشكر والعرفان بالجميل لكل من مد لنا يداً أو كان لنا عوناً في إخراج هذا المشروع إلى الوجود.


نتقدم بشكرنا إلى د. بسام عطية الذي تفضل مشكوراً بالإشراف على هذا المشروع وكان لنا مؤنساً ومعيناً وسار معنا في هذا المشروع حتى بلغنا ما بلغناه.


نتقدم بالشكر أيضاً للمهندس أيمن مهيجة الذي كان مشرفاً على خطوات عملنا في المشروع فله جزيل الامتنان.
ولا ننسى من كان لاقتراحاته على المشروع ما يوجب الثناء والشكر، نشكر هنا المهندس عبد اللطيف داود جزيل الشكر.


كما نتوجه بالشكر لكل من الدكتور ميشيل بربهان رئيس قسم الهندسة البحرية في جامعة تشرين، والمهندس عبد الرزاق دبور، وكيف لنا أن ننسى إخوة لنا نحبهم ونشكر فضلهم قد تعلمنا في مدرستهم أبجديات العلوم فسطعت في سماءنا النجوم، جزاكم الله جميعاً عنا كل خير...

 


 


قاموس المصطلحات

العربية

الإنجليزية

الفرنسية

نموذج أولي

Prototype

Prototype

هندسة الميكاترونيك

Mechatronics Engineering

Mécatronique

الهيكل الحركي

Mechanism

Mécanisme

زوج

Bit

Bit

مفكك

Decoder

Décodeur

مسجل إزاحة

Shift Register

Registre à décalage

جسر H

H bridge

Pont H

التعديل العرضي النبضي

Pulse Width Modulation

(PWM)

Modulation de largeur d'impulsions (MLI)

 التشكيل

Shaping

Fonderie

زجاج ليفي

Fiberglass

Un plastique à renfort de verre

التصميمالبرمجي

Programming design

Conception de programmation

التشكيل والتصميم الميكانيكي

Forming & Mechanical Design

Conception mécanique

تحليل وتصميم النظام

System Analyze & Design

Analyse de systeme

التصميم والتحكم الالكتروني

Electronic design & Control

Conception Electronique

محركات تيار مستمر

DC Motors

Moteur à courant continu

مرحل إليكتروني

Relay

Relais

الـساعة

Clock

Horloge

 الخرج

Output

Sortie

إعادة ضبط (تبدئة)

Reset

Reset

الدوار

Rotor

Roteur

مادة فيرومغناطيسية

Ferromagnetic material

Matériau ferromagnétique

الراسم

Plotter

Traceur

الدارة المتكاملة

Integrated Circuit

Cicruit Integre

حساس

Sensor

Capteur

المخططات التدفقية

Flowchart

Organigramme

 


شعار المؤلفين

{ربِّ إنِّي لما أنزلت إليَّ من خير فقير}

 


معلومات عن المشروع

الجامعة

جامعة تشرين،
كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية،

 

قسم الميكاترونيك،

السنة الثالثة 2011-2012.

 image044

المؤلفين

بسام خويلد

أحمد صهيوني

أسامة ياسين

البريد

عنوان البريد الإلكتروني هذا محمي من روبوتات السبام. يجب عليك تفعيل الجافاسكربت لرؤيته.

المشرفين

الدكتور بسام عطية

المهندس أيمن امهيجة

نوع البحث

مشروع نهاية السنة الثالثة

الملفات

النسخة الأصلية بصيغة pdf

 

{jumi [*3]} 


المراجع

 

 

المراجع العربية

 

1- م. أحمد عفيفي سلامة، دورة الماتلاب خطوة بخطوة، ملتقى المهندسين العرب، 2006

2- م. عماد الكردي، الربط باستخدام البوابات التفرعية، دار شعاع للنشر

3- د. سليم ادريس، الالكترونيات العملية للمبتكرين، دار شعاع للنشر

4- د. معروف أحمد، منشورات جامعة تشرين

5- د. معروف أحمد، نظرية السفينة 1، منشورات أكاديمية الأسد للهندسة العسكرية، حلب 2004.

 

المراجع الأجنبية

 

1- Matlab، Creating Graphical User Interfaces، Inc

2- Newton C.Braga، "Mechatronics for the Evil Genius"، McGraw-Hill، Inc، 2006

3- Stan Gibilisco،" Teach yourself Electricity and Electronics"، McGraw-Hill، Inc، 2002

4- Patrick Marchand and O.Thomas Holland، "Graphics and GUIs with Matlab"، CRC Press LCC، 2003

5- Brian R-Hunt and Ronald L.Lipsman and Jonathan M.Rosenberg، "A Guide to Matlab"، Cambridge University Press، 2001

 

المواقع الالكترونية

 

www.qariya.com

www.boosla.com

www.mikroe.com

www.4electron.com

www.expertvillage.com

www.qariya.com/vb/showthread.php?t=54606&page=1 Downloaded on 30/9/2011

 

أضف تعليق


كود امني
تحديث


Go to top