Robotický shield Arduino Nano a Merkur

[aladin]

Ahoj,
po mnohých pokusech a úvahách jsem navrhl desku pro začátečníky v robotice a automatizaci.

Základní cíle byly tyto:
1. cena / výkon
2. dostupnost - možnost samovýroby
3. jednoduchá použitelnost a programovací prostředí
4. rozšiřitelnost

Po laborování s PicAxem a AVRky vyhrálo volbu Arduino Nano.
Protože chci desku používat i v Merkuru, rozměr byl zvolen 100x50mm. Hloubka bude záležet na dalších rozšířeních.
Klasické shieldy pro arduino, kterých je sice spoustu, mně nevyhovují - nejsou často vzájemně kombinovatelné a některé piny se "hádají".

Schema:

Plošný spoj:

V zapojení vstupů jsem použil "odporová" nebo také "analogová" tlačítka.
To je zapojení, kdy místo digitálního signálu použiju napěťový dělič a v programu měřím napětí na příslušném vstupu. Toto napětí mě udává pak zvolené tlačítko.
Tlačítka jsou: escape, left, right, up, down, select/enter.
Pro stroje, kde mě zajímají koncové stavy, mám konec1a .. 3b.
4 vstupy jsou např. pro encodery nebo světelné závory včetně napájení +5V a zem.

Výstupy jsou na LCD 16x2 - je zde konektor, takže můžu použít i 16x4 nebo jiný.
A 6x výstup na HW PWM, vhodné pro 3 h-můstky pro dc motory.

Poslední konektor je komunikační - serial TTL pro spojení s dalšími moduly.

Napájení není ještě definitivní, chci 6-12V s 7805. Můstky budou mít vlastní silové napájení, spojené zemí.

V sobotu 12.4.2014 bude k vidění na Robotárně (node5)

Máte nějaké návrhy na změny?

[Dex]

Já bych možná zvážil výměnu té 7805 za něco "modernějšího"

[jrt]

Napájení není ještě definitivní, chci 6-12V s 7805.

Vstupní napětí stabilizátoru 7805 musí být vždy nejméně o 3 volty vyšší než výstupní, takže v tomto zapojení je k napájení možno použít rozsah napájecích napětí 8-12V. Argument, žes to zkoušel a že to ještě funguje jak víš u mne neprojde...

Z mého pohledu je špatně:
- stabilizátor bez chladiče a v kolmé poloze - pokud se neusmaží, tak se ulomí.
- chybí ochrana proti přepólování napájecího napětí
- chybí indikační LED na napájení, alespoň jedna LED pro testovací účely a alespoň jedno tlačítko, připojené rovnou na digitální pin procesoru - viz: Funguje báječně, ale neseje, protože předpokládám, že se jedná o výrobek, určený především začátečníkům.
- chybějící svorkovnice pro připojení napájecího napětí - ten souosý konektor je dobrý pro oživování, ale v definitivní konstrukci strašně překáží.

[aladin]

Tak tyto argumenty jsem čekal... a dokonce od těchto účinkujících

Jak jsem psal, napájení není definitívní a také rozmístění součástek - To220 je fakt velké pouzdro a překáží.
Mělo být schováno pod displejem, kde se nemůže ulomit, jen se musí přiohnou nožičky (kulaté kleště).
Na souosý konektor nedám dopustit - to je to, kam připojím adapter z šuplíku a kterých je okolo mnohonásobně více, než adapterů se zelenou, bílou nebo jinou koncovkou (adaptery používám výhradně spínané, u kterých je definované max. výstupní napětí).
Do svých konstrukcí dávám vždy "bílý" konektor "PSH02-02" s definovanou zemí na pinu 1 a plus na pinu 2.
V tomto návrhu zatím není, neboť jsem věděl, že celé zapojení budu ještě překreslovat. Indikační Led na napájení je povinná za stabilizátorem.

Uvažuji o verzi 78L05 nebo LM317. Velké dilema je, z čeho bude zařízení napájeno.
Pokud chci autonomního robota, tak se naskýtá olověná baterie 6 nebo 12V, NiMH 4,8 nebo 7,2V a LiPol 7,2 nebo 10,8V.
Všechny varianty mají klady a zápory.
Asi nejotravnější mě přijdou nabíjecí NiMH po šesti kusech - manipulace při výměně a životnost jednotlivých článků.
Pro LiPol musíte mít modelářskou nabíječku, pak jsou nejlepší.
A Pb je hodně těžká a dlouho se nabíjí.

Z výše zmíněných variant je podle technických požadavků 7805 možné napájení >8V a to splňuje pouze Pb 12V a 3C LiPol .
Tak, a jsem opět na začátku. Prostě nezavděčím se všem a určitě ne technickým ignorantům.
Mohu postupovat i jinou cestou - 4x NiMH bez stabilizace - procesory to snesou. Ale je tu opět - musím vědět, co dělám.
6V Pb mohu dát s jednou nebo dvěma diodami v serii a mám také dobrý zdroj.

Tlačítka jsou připojena vlastně přímo, protože externí PullUp rezistor U$8 (u tlačítka S5) je 10k a tlačítko S6 select/enter připojeno přes 33ohmů na zem.

Indikační diody - kapitola sama o sobě.
Jak je zmíněno ve článku Funguje báječně, ale neseje, se kterým plně souhlasím, já jako neprogramátor rozhodně pokračuji ve stavbě po malých krůčcích a všude si dávám zkoušecí a indikační LEDky nebo hlášení na displeje.
Plošňák byl navržen jako jednostranný, proto se mi tam už moc věcí nevešlo bez mnoha propojek.
Až udělám verzi oboustrannou, přibyde minimálně 6 LED na PWM out.
Ale nyní si uvědomte jednu věc - k tomuto shieldu je připevněno arduino nano, které má na sobě 4 Ledky a celý modul je určený k zástavbě s přední krycí deskou 10x5cm. V tomto panelu bude vidět LCD displej, 6tlačítek a napájecí led. Zbytek bude schovaný, protože nebude potřeba.

Ještě malá pozn.: ledky připojovat přímo na výstup MCU nebo raději přes tranzistor?

[Dex]

Co bychom pro tebe neudělali

Ještě bych zahrnul do úvah LiFe články. Já jim interně a nepřesně říkám "bezpečné LiPolky". Běžné jsou dvoučlánky (6,6V), tříčlánky (9,9V) a čtyřčlánky (13,2V). Slušná nabíječka se na ně dá koupit za 500,-, dají se rychle nabít/vybít a mají nízké samovybíjení což jsem si osobně vyzkoušel a nevěřil jsem tomu (minimálně srovnatelné s Eneloopy).

Ke stabilizaci by šla použít třeba L4940 (datasheet)

A neboj, až v sobotu uvidím prototyp, tak mne ještě určitě něco napadne

[jrt]

Napájení je prostě tvé prokletí.
Když se podíváš, jak amatéři napájejí své roboty, tak zjistíš, že v malých se nejčastěji používají NiMH články velikosti AA nebo AAA a ve větších olověné gelové baterie. Když ponecháme stranou jejich nevýhody, je jasné, že jsou nejdostupnější jak články a baterie, tak i nabíječe k nim. Příkladem budiž firma Pololu.
Stacionární zařízení se samozřejmě napájejí ze síťových napaječů, kterých je k mání spousta za velmi přístupné ceny.
Všechny ostatní napájecí zdroje mají vždycky nějaký háček - buď mají omezenou životnost, nebo potřebují údržbu, často jsou poměrně nebezpečné a vždy musí mít speciální nabíječ, na kterém je třeba před použitím nastavit správné parametry. Tohle všechno tyto napájecí zdroje vyřazuje z použití v robotech pro začátečníky, leda, že bys použil baterie ze spotřební elektroniky a k nim odpovídající nabíjecí obvody. Tím se ovšem nejspíš neúměrně zdvihne koncová cena stavebnice / modulu.
Pokud by měly být použity k napájení zdroje s různě velkým napětím, tak již zmíněná firma Pololu nabízí zvyšující / snižující měniče, které zajistí správné napájení ve velmi širokém rozsahu vstupních napětí.

[aladin]

Koukám, že měniče StepUp/StepDown s více jak 1A na výstupu a účinností >80% stojí pod 500Kč a se vstupem do 11,8V ještě výrazně méně.
Proč zrovna 11,8V na vstupu? To těch 0,2V pro napájení z 12V Pb by vadilo, nebo je to rezerva pro nestabilizované adaptery?

Jak moc vadí těmto měničům zpětné napětí, tj. když bych jim přivedl +5V na výstup a nezapojil vstup? Nebo dát ochrannou diodu výstup->vstup?

• Regulator Output voltage Typical max output current Input voltage range Typical efficiency Size mm cena Kč
  #2574: S18V20F5 5 V 2 A 2.9 V – 32 V 80% – 90% 21x43 428
  #2575: S18V20F6 6 V 2 A 2.9 V – 32 V 80% – 90% 21x43 428
  #2576: S18V20F9 9 V 2 A 2.9 V – 32 V 80% – 90% 21x43 428
  #2577: S18V20F12 12 V 2 A 2.9 V – 32 V 80% – 90% 21x43 428
  #2572: S18V20ALV 4 V – 12 V 2 A 2.9 V – 32 V 80% – 90% 21x43 457
  #2573: S18V20AHV 9 V – 30 V 2 A 2.9 V – 32 V 80% – 90% 21x43 514
  #2118: S7V8A 2.5 V – 8 V 1 A 2.7 V – 11.8 V 80% – 95% 11x17 171
  #2122: S7V8F3 3.3 V 1 A 2.7 V – 11.8 V 80% – 95% 11x17 171
  #2123: S7V8F5 5 V 1 A 2.7 V – 11.8 V 80% – 95% 11x17 171
  #2119: S7V7F5 5 V 1 A 2.7 V – 11.8 V 80% – 95% 9x12 142
  #2121: S10V4F5 5 V 0.4 A 2.5 V – 18 V 70% – 80% 10x15 129
  #2095: S10V3F9 9 V 0.3 A 2.5 V – 18 V 70% – 80% 10x15 129
  #2096: S10V2F12 12 V 0.2 A 2.5 V – 18 V 70% – 80% 10x15 129
  #2120: S8V3A 2 V – 12 V 0.3 A 1.5 V – 12 V 55% – 65% 10x18 285

Podle této tabulky od Pololu mě přijdou nejzajímavější měniče S18V20F5, S7V8F5 a S10V4F5 a při použití S7V7F5 zaberu menší místo než "7805" bez chladiče na ležato.

[jrt]

Proč zrovna 11,8V na vstupu? To těch 0,2V pro napájení z 12V Pb by vadilo, nebo je to rezerva pro nestabilizované adaptery?

Je použit obvod TPS63060, jehož rozsah pracovních napětí je 2,5 až 12V. Těch 11,8V je zřejmě uváděno právě proto, aby někoho (koho tak asi?) nenapadlo připojit 12V baterii, která má v plně nabitém stavu napětí skoro 14V.

Jak moc vadí těmto měničům zpětné napětí, tj. když bych jim přivedl +5V na výstup a nezapojil vstup? Nebo dát ochrannou diodu výstup->vstup?

To ti řeknu přesně - nevím...

Podle této tabulky od Pololu mě přijdou nejzajímavější měniče S18V20F5, S7V8F5 a S10V4F5 a při použití S7V7F5 zaberu menší místo než "7805" bez chladiče na ležato.

Některé z těch měničů používám, některé jsou právě zkoušeny v rámci přípravy článku pro Robodoupě a nikdy se neprojevil nejmenší problém.

[hubacekp]

já začal používat ebay a pro inspiraci:

22 mm x 17 mm
Mini+DC-DC+Converter+Step+Down+Module
Specifications:
Input voltage:4.5V-28V
Output voltage:1.3V-17V
Output current:Rated current is 2A,maximum 3A(Additional heatsink is required)

17 mm x 11 mm
Super Mini DC-DC Converter Step Down Module
Input voltage: DC 4.75V-23V
Output voltage: DC 1.0V-17V (Adjustable, Output < Input)
Output current: Rated current 1.8A (3A MAX, can not be prolonged)

[tomasp]

V blogu Testing switch mode voltage regulators autor porovnal tři levné step-down regulátory z Číny (jiné, než na které odkazujete). Až na LM2596 to dopadlo celkem dobře. Praktickou zkušenost s tím sám ale nemám.