CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT RASTREJADOR · CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT...

CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT RASTREJADOR

CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL

NOSTRE ROBOT RASTREJADOR

Per Xavier Pedrals Camprubí i Xavier Picas Pagerols

Treball de recerca

IES Guillem de Berguedà

2n de Batxillerat B

Curs 2011-2012

Tutor: Mario Cambredó


Página 2

1. INTRODUCCIÓ ....................................................................................................... 3

2. ABSTRACT .............................................................................................................. 4

3. CONCEPTES PRÈVIS: L’ELECTRÒNICA ........................................................... 5

3.1. Tipus d’electrònica ........................................................................................................ 5

3.2. Electrònica analògica ..................................................................................................... 5

3.3. Electrònica digital .......................................................................................................... 5

3.3.1. Sistema binari ........................................................................................................ 5

3.3.2. Sistema hexadecimal ............................................................................................. 5

3.4. Components electrònics: .............................................................................................. 6

3.4.1. Classificació ........................................................................................................... 6

3.4.2. Components actius ................................................................................................ 6

3.4.3. Components passius............................................................................................ 12

4. ELECTRÒNICA DE CONTROL ........................................................................... 13

4.1. Sistemes de control ..................................................................................................... 13

4.2. Sistemes de control automàtics .................................................................................. 15

4.3. Robòtica ...................................................................................................................... 16

4.3.1. Components d’un robot: ..................................................................................... 16

4.3.2. Funcionament d’un robot: .................................................................................. 17

4.3.3. Classificació dels robots ...................................................................................... 18

5. DISSENY, CONSTRUCCIÓ I PROGRAMACIÓ D’EN PIC ............................... 19

5.1. Disseny ........................................................................................................................ 19

5.1.1. Components utilitzats ......................................................................................... 19

5.2. Construcció .................................................................................................................. 25

5.3. Programació ................................................................................................................ 36

5.4. Pressupost ................................................................................................................... 42

6. CONCLUSIONS ..................................................................................................... 46

7. AGRAÏMENTS ....................................................................................................... 49

8. BIBILOGRAFIA ..................................................................................................... 49

9. ANNEXOS .............................................................................................................. 51


Pàgina 3

1. INTRODUCCIÓ

Avui en dia l’electrònica es troba a tot arreu, des de qualsevol aparell que tenim

a casa fins les enormes màquines presents en la indústria passant pels telèfons mòbils

que tots tenim a dins la butxaca. Podem afirmar que la nostra societat es mou i avança

gràcies a l’electrònica. Qui hauria dit que tothom tindria un ordinador personal amb

internet a casa? O que tindríem un mòbil amb connexió wifi amb càmera incorporada de

8 mega-píxels i de 32GB de memòria? O que podríem guardar tots els treballs de

l’escola en un minúscul pen drive? I és que el món de l’electrònica és un món que tot

just s’estan descobrint totes les seves possibilitats. Qui sap com serà el món d’aquí a

quinze anys més.

I és per aquest motiu que hem decidit fer un treball sobre electrònica barrejat

amb la robòtica tot construint un robot rastrejador. El projecte ens resultava molt

interessant ja que estem les 24 hores del dia envoltats de productes electrònics. Ens va

semblar que obtenir uns coneixements bàsics o inclús una mica més profunds sobre

aquest tema ens serien molt útils pel nostre futur al món laboral ja que és un camp que

creiem que està en desenvolupament i és molt important.

L’objectiu d’aquest treball és dissenyar i construir un robot capaç de seguir una

línia de color contrastat amb el terra.

Inclou tres punts principals. El primer punt es fa una introducció a l’electrònica,

on s’expliquen els conceptes bàsics per comprendre millor el tema. Es fa un esment a

l’electrònica analògica i digital, on s’explica el sistema binari i hexadecimal. També hi

ha una classificació dels components electrònics, així com les característiques, utilitats i

funcionament de cadascun dels components més comuns.

El segon punt és sobre l’electrònica de control, on es parla el tema de sistemes

de control i es fa esment als tipus de sistemes. Seguidament es desenvolupen els

sistemes de control automàtic, on hi ha explicat que es un autòmat i un PLC. Finalment

es parla de la robòtica, on es fa una classificació tan de la seva arquitectura com la seva

cronologia.

Per acabar, l’últim punt parla sobre el nostre robot. Esta constituït de dos punts:

el primer parla sobre el disseny on s’explica tot el procés que vam abans de la

construcció i el segon sobre la construcció i programació on s’explica com el vam

construir i també com el vam programar. Finalment hi ha el pressupost final del robot.


Página 4

2. ABSTRACT

Nowadays electronics is everywhere, from any device which we have at home to

the huge machines presents in the industry going through the cell phones we all have

inside the pocket. We can say that our society moves and progresses thanks to

electronics. Who could have said that everyone would have a computer with internet at

home? Or that we would have a phone with Wi-Fi, with camera of 8 mega-pixels and

32GB of memory? Or that we could keep all school work in a tiny pen drive? The

electronics world is a world which all the possibilities are being discovered. Who knows

what the world will be like in fifteen years.

This is why we decided to do a project about electronics blended with robotics

by building a robot. The project was very interesting for us because we are surrounded

by electronics 24 hours a day. We thought that getting a basic or even a little deeper

understanding on this subject would be very useful for our professional future because it

is a field in constant development and we believe it is very important.

The aim of this essay is to design and build a robot which is able to follow a line

of a contrasting colour on the ground.

This essay consists of three main points. The firs point is an introduction to

electronics, which explains the basics for a better understanding of the topic. It makes

mention of analogue and digital electronics where binary and hexadecimal systems are

explained. There is also a classification of electronic components and features, utilities

and operation of each common component.

The second point is about control electronics, where the subject of control

systems is explained and types of systems are also mentioned. Then, automatic control

systems are described and there is a definition of what an automaton and PLC are.

Lastly, there is a part about robotics, where we can find a classification based on

architecture and chronology.

The last point is about our robot. It consists of two parts: the first one is about

the design, where we explain all the process we followed before its construction; and

the second one is about the building and programming, where there is an explanation of

how we built it and also how we created the program. Finally, there is the final budget

of the robot.


Pàgina 5

3. CONCEPTES PRÈVIS: L’ELECTRÒNICA

L’electrònica és una branca de la física que estudia el comportament dels

electrons per tal de controlar-los utilitzant forces elèctriques i magnètiques. D’aquesta

manera es poden utilitzar per fer funcionar tot tipus d’aparells electrònics, que en són

una enorme varietat. Gairebé tot el que ens envolta funciona gràcies a aquest flux

d’electrons controlats per l’ésser humà.

3.1. Tipus d’electrònica

En el món de l’electrònica, el flux d’electrons no transporten res més que

informació perquè els diferents components puguin fer la seva funció depenent

d’aquesta informació. Hi ha dues maneres d’enviar, transportar i rebre aquesta

informació: de manera analògica i digital.

3.2. Electrònica analògica

Quan es treballa amb senyals elèctrics els quals el valor de la tensió pot tenir

valors continus en funció del temps, es diu que es treballa amb senyals analògics.

Aquests senyals poden representar la llum o el so perquè són senyals continus.

3.3. Electrònica digital

L’electrònica digital es caracteritza perquè els seus senyals no són valors

continus sinó nombres, d’aquí el seu nom, de dígit. Per transportar aquesta informació

en nombres els enginyers i informàtics van idear el que s’anomena sistema binari.

Consisteix a transformar els nombres en uns i zeros, tensió o no tensió.

3.3.1. Sistema binari

A la vida quotidiana no veiem uns i zeros si no que veiem nombres sencers.

Aquests nombres estan en sistema decimal o sistema de base deu. Això significa que

només es fan servir dos dígits per formar els nombres, el u i el zero. En aquest sistema

es fan servir potències de 2 enlloc de potències de 10 del sistema decimal.

3.3.2. Sistema hexadecimal

S’utilitza per comprimir més els nombres binaris i representar-los amb menys

dígits. Aquest sistema és de base 16 (incloent-hi el 0). Es caracteritza perquè les seves


Página 6

xifres són 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, on les lletres representen el 10, 11,

12, 13, 14 i 15 respectivament.

3.4. Components electrònics:

Un component electrònic és un dispositiu que forma part d’un circuit electrònic.

Es caracteritzen perquè afecten els electrons per portar a terme la seva funció per la que

han estat dissenyats. Normalment estan encapsulats i tenen dos o més terminals

metàl·lics per estar connectats entre ells i formar un circuit.

3.4.1. Classificació

Es poden classificar de dues maneres:

Segons la seva estructura física:

o Discrets: són els components que estan encapsulats un a un, com

resistors o transistors.

o Integrats: són els components que estan formats per diferents

components discrets com els circuits integrats que en tenen milions.

Segons el seu funcionament:

o Actius: són els components que poden subministrar energia elèctrica com

poden ser les piles o les bateries. També hi ha els semiconductors que

tenen la capacitat de modificar-la o ampliar-la com pot ser un transistor,

un díode o els microcontroladors.

o Passius: són components que suposen una carga pel circuit elèctric i per

si sols no modifiquen ni generen cap corrent elèctric. Poden ser les

resistències o els condensadors entre altres.

3.4.2. Components actius

Els principals components actius estan fabricats a partir de materials

semiconductors. El principal material semiconductor utilitzat és el silici, però acostuma

a estar “dopat” per canviar les seves propietats elèctriques. Aquest dopatge es basa en

l’addició d’electrons o forats (falta d’electrons). Per una banda, si se l’hi ha afegit

electrons és del tipus N. D’altra banda, si se l’hi ha afegit forats és del tipus P. Si

s’uneixen aquests dos materials i s’hi aplica una tensió positiva a la part del material del

tipus P (polarització directa), tan els forats com els electrons són atrets cap a la unió dels

dos materials. Quan passa això, els electrons ocupen els forats de la part del tipus P els


Pàgina 7

passen de llarg el material fins a arribar al càtode de la pila. En canvi, si posem la tensió

positiva al material de tipus N (polarització inversa), tan els forats com els electrons no

se’n van cap a la unió sinó que se’n van ben lluny d’ella i per aquest motiu el corrent

elèctric no pot circular.

Figura 8. Polarització directa i polarització inversa. Font: http://ca.wikipedia.org/

wiki/Semiconductor

Els principals components semiconductors són els següents:

Díode: és el component semiconductor més senzill. Esta format per la unió dels

materials N i P. La seva funció bàsica és que només deixa passar el corrent

elèctric en un sentit. Això passa quan està polaritzat directament, es a dir, quan

el pol positiu de la pila esta connectat amb l’ànode del díode (observar figura 8).

Això es degut a les característiques de la unió d’aquests dos materials explicades

en el punt anterior.

Hi ha diversos tipus de díodes, com el díode emissor de llum o més conegut

com a díode LED (de l’anglès light-emitting díode). El funcionament és el

mateix que un díode normal però amb la diferència que emet llum quan els

electrons passen del material N al P.

Transistors: és un component molt important en el món de l’electrònica. Es pot

utilitzar tan en electrònica digital com en l’electrònica analògica. Als circuits

digitals s’utilitza com a interruptor i d’aquesta manera permet que funcionin les

portes lògiques i microprocessadors. Als circuits analògics s’usen com a

amplificadors, com per exemple en els amplificadors d’àudio o en els

amplificadors de freqüència.

Es basa en la unió dels materials semiconductors P i N i consta de tres parts:


Página 8

Figura11. Transistor. Font: http://www.reuk.co.uk/What-is-a-Transistor.htm

o Base (B): és la part que controla el pas del corrent elèctric del col·lector a

l’emissor. Com més corrent passi per la base més corrent deixarà passar.

Aquest corrent es pot calcular de la següent manera:

𝐼𝑐 = 𝛽 · 𝐼𝑏

On Ic és la intensitat del col·lector, 𝛽 és la constant d’amplificació que

varia per a cada transistor i Ib és la intensitat de la base.

o Col·lector (C): és l’encarregat de portar una intensitat major cap al

transistor perquè la base la deixi passar cap a l’emissor.

o Emissor (E): és el que rep el corrent del col·lector i te la funció de

distribuir aquesta intensitat amplificada que ve del transistor.

Se’n poden trobar de diversos tipus però els més importants i més utilitzats són

els anomenats transistors bipolars o BJT (de l’anglès Bipolar Junction

Transisor). D’aquests n’hi ha de dos tipus: els NPN i PNP. Aquests noms

provenen dels materials els quals estan fets i amb el seu respectiu ordre.

o Transistors NPN: consisteix amb un material del tipus P que és la base,

envoltada per el material de tipus N. Es pot veure en la figura juntament

amb el seu símbol:

Figura 12. Símbol i material d’un transistor NPN. Font: http://www.allaboutcircuits

.com/vol_3/chpt_4/1.html

La fletxa de l’emissor indica el sentit convencional del corrent. Funciona com un

interruptor: quan li arriba corrent per la base deixa passar un corrent molt més elevat del

col·lector cap a l’emissor. En canvi si no li arriba corrent per la base, no deixa passar

aquesta intensitat major del col·lector cap a l’emissor.


Pàgina 9

Figura 13. Funcionament transistor NPN. Font: http://www.edu365.cat/eso/muds/

tecnologia/problemes/diodes_transistors/index.htm

Nosaltres n’hem utilitzat dos d’aquest tipus per fer-los servir com a interruptor

per accionar els motors que faran avançar el robot, com es veu en la figura 13. El

microcontrolador enviarà una senyal cap a la base i deixarà passar una major intensitat

pels motors perquè puguin funcionar correctament.

o Transistors PNP: consisteix amb un material del tipus N que és la base,

envoltada pel material de tipus P. Es pot veure en la figura 15:

Figura 15. Símbol i material d’un transistor PNP. Font: http://www.allaboutcircuits

.com/vol_3/chpt_4/1.html

La fletxa de l’emissor indica el sentit convencional del corrent elèctric.

El seu funcionament és molt semblant al d’un transistor NPN. L’única diferència

és que perquè funcioni de la mateixa manera que un NPN la base necessita rebre

un petit voltatge negatiu.

Microprocessadors i microcontroladors: abans d’explicar què és, cal aclarir la

diferència entre aquests dos components. Un microcontrolador és un circuit

integrat que inclou tres unitats bàsiques: unitat de processament, memòria i

perifèrics. És totalment autònom i porta a terme les tasques per a les que ha estat

programat prèviament. En canvi, un microprocessador és una part essencial d’un

microcontrolador. És la unitat de processament del microcontrolador, i la seva


Página 10

funció és interpretar les instruccions del programa i processar les dades. Es pot

observar en aquesta imatge:

Figura 17. Esquema d’un microcontrolador. Font: http://tecnolauto.blogspot.com/

2008/05/las-tecnologas-de-automatizacin-por.html

Les parts més importants d’un microcontrolador són les següents:

Memòria: serveix per emmagatzemar les dades. És com un gran armari amb

molts calaixos ordenats per poder accedir a ells amb facilitat. D’aquesta manera

es pot llegir i accedir al contingut més ràpidament.

Els diferents tipus de memòria més importants són les següents:

o Memòria ROM: s’utilitza per guardar permanentment el programa que

s’està executant.

o Memòria Flash: aquest tipus de memòria permet escriure i esborrar el seu

contingut un nombre il·limitat de vegades. És molt popular i la gran

majoria dels microcontroladors es fabriquen amb aquesta tecnologia.

o Memòria RAM: s’utilitza per emmagatzemar temporalment les dades i

els resultat creats i utilitzats durant el funcionament. Quan la font

d’alimentació es para, es perd aquesta memòria.

o Memòria EEPROM: és similar a la memòria RAM però amb la

diferència que quan la font d’alimentació para les dades es queden

permanentment guardades. S’utilitza per guardar valors creats durant el

funcionament que tenen que estar permanentment guardats.

Microprocessador (CPU): com hem dit la seva funció és interpretar les

instruccions del programa i processar les dades per poder controlar tots els

processos de dins el microcontrolador. Té tres parts fonamentals:


Pàgina 11

o Descodificador d’instruccions: té la funció de descodificar les

instruccions del programa i accionar diferents circuits per poder realitzar

l’operació per la qual ha estat programat.

o Unitat lògica aritmètica (ALU): realitza totes les operacions lògiques i

matemàtiques sobre les dades.

o Acumulador: és utilitzat per emmagatzemar totes les dades a les que se li

ha de realitzar alguna operació o també pot guardar resultats preparats

que seran usats en el procediment.

Perifèrics: els perifèrics més freqüents en els microcontroladors són els

següents:

o Entrades i sortides: són els pins d’entrada i sortida d’informació.

Permeten al microcontrolador saber el que està passant al seu voltant

gràcies a les entrades i enviar diferents respostes per les sortides

depenent d’aquestes entrades.

o Temporitzadors i comptadors: si el porten incorporat a dins se’n diu

temporitzador però si és extern es diu comptador. Són molt habituals i

s’utilitzen per la mesurar del temps. Es basen en contar els polsos de

l’oscil·lador per saber el temps que ha passat.

o Convertidor analògic/digital: és un circuit intern del microcontrolador

que té la funció de convertir les senyals continues en senyals digitals

perquè la CPU pugui processar la informació.

Un dels microcontroladors més famosos i populars són els de la família PIC de

la companyia Microchip. És degut a que són de baix cost i programables, fet que permet

utilitzar-los per moltes funcions diferents. Nosaltres hem utilitzat un Picaxe-14M que

equival a un PIC16F684, ja que porta un pre-programa que permet programar-lo amb

Basic. S’expliquen més detalladament les seves prestacions en la part de disseny.

Reguladors de tensió: és un component que té la funció de regular el voltatge

d’un circuit electrònic, com indica el seu nom. Normalment es posa a les fonts

d’alimentació per poder generar una sortida de voltatge constant i d’aquesta

manera s’aconsegueix protegir aparells electrònics que han de treballar amb un


Página 12

voltatge constant pel seu bon funcionament, com pot ser un microcontrolador.

El que hem utilitzat nosaltres és el més famós, el 7805, que proporciona un

voltatge de sortida de 5V perfecte pel bon funcionament de tots els components

de la placa, principalment el microcontrolador.

Figura 18. Pinout del 7805. Font: http://taller.tagabot.org/index.php/Arduino/Armada

3.4.3. Components passius

Els principals components electrònics passius són els següents:

Resistències: tenen la capacitat d’impedir el pas dels electrons a través seu. La

resistivitat que presenta una resistència es calcula en Ohms.

Hi ha dos tipus de resistències:

o De valor fix: són els resistors els quals el seu valor de residència és

constant:

o De valor variable: són els resistors els quals el seu valor de resistència

pot variar.

Nosaltres hem utilitzat un total de 12 resistències de diferents valors per protegir

els diferents components de la placa.

Condensadors: els condensadors són elements que permeten emmagatzemar

electricitat i utilitzar-la quan es necessiti. Tenen dues plaques metàl·liques cara a

cara i estan separades per un material aïllant que es diu dielèctric.

La relació entre la càrrega elèctrica que emmagatzema un condensador i el

voltatge al qual està sotmès s'anomena capacitat. La seva unitat en el SI és el

farad (F).

Nosaltres n’hem fet servir dos de polièster de 100 nF per a filtrar el voltatge i

sigui més constant perquè els components puguin treballar correctament.


Pàgina 13

4. ELECTRÒNICA DE CONTROL

L’electrònica de control és la branca de l’electrònica que estudia diferents

sistemes de control per obtenir una sortida desitjada en un procés.

En aquest punt s’explica què és un sistema de control i de quins tipus n’hi ha,

seguit d’una explicació sobre els sistemes de control automàtic on es fa esment de

l’automatització i finalment es desenvolupa el tema de la robòtica.

4.1. Sistemes de control

És la part de l’enginyeria automàtica que estudia el els sistemes de control. Es

caracteritzen perquè hi ha tot un seguit d’elements que permeten influir en un

comportament, de manera que es puguin controlar les sortides per poder portar a terme

un procés desitjat determinat.

Els elements bàsics d’un sistema de control són els següents:

Sensors: els sensors són un tipus de components electrònics que analitzen,

detecten o mesuren diferents variables del seu entorn. Per exemple, poden

mesurar la temperatura, la distància, l’acceleració, la inclinació, el desplaçament,

la pressió, la força, la humitat, el pH, etc.. Tenen la capacitat de transformar en

energia elèctrica la informació que reben de l’exterior per poder transmetre-la

cap al sistema de control. Cada sensor ha de complir la funció per la que ha estat

dissenyat i, per això, se li exigeix que compleixi una sèrie de característiques:

o Exactitud i precisió: la precisió i exactitud han de ser les màximes

possibles. Per exemple, si s’ha de col·locar un objecte sobre una

superfície gran, sense importar la posició de l’objecte, no es requereix

una gran precisió de la posició, però en canvi si s’ha de situar un cargol

sobre una femella, es necessitarà un precisió més elevada.

o Rang: és l’interval el qual el sensor és capaç de detectar variacions d’una

magnitud. Per seguretat, el rang ha de ser superior als valors màxims i

mínims que el sensor pogués assolir en qualsevol moment per poder

evitar errors en el sistema de control.

o Resposta: és el temps que el sensor tarda a proporcionar un senyal

després de realitzar una mesura. Perquè un sensor sigui útil ha de tenir

una resposta ràpida perquè la unitat de processament pugui reaccionar el

més aviat possible.


Página 14

Controladors: analitzen les entrades enviades pels sensors i calculen una acció

depenent del procés desitjat que volem que es faci.

Actuadors: són els mecanismes que executen l’acció del controlador per tal de

portar a terme el procés.

Els sistemes de control es poden classificar de la següent manera:

Sistema de llaç obert o no-realimentat: és un sistema el qual rep una informació,

la analitza i realitza un senyal de sortida per a realitzar una acció. La

característica principal és que no hi ha realimentació. Això vol dir que el procés

no és controlat per si s’està portant a terme correctament. Per exemple: tenim un

termòstat que funciona sense realimentació. El seu comportament seria que

mentre revés la senyal d’entrada d’estar engegat, donaria una senyal de sortida

que permetria als radiadors estar engegats, encara que la temperatura ambient no

sigui la que volem.

Aquests sistemes es caracteritzen perquè són senzills però no es pot assegurar el

seu bon funcionament, ja que si ens mirem l’exemple del termòstat, no es pot

controlar a quina temperatura volem que estigui la sala.

Sistemes de control de llaç tancat o realimentats: és un sistema el qual rep una

informació, la analitza i realitza un senyal de sortida per a realitzar una acció,

però aquesta senyal torna a ser enviada com a senyal d’entrada perquè passi per

un element anomenat comparador, que compara la senyal d’entrada amb la de

sortida o, dit d’una altra manera, mira el que s’està portant a terme amb el que es

vol portar a terme per aconseguir que el procés desitjat es porti a terme

correctament. Tornat a l’exemple anterior del termòstat: ara el tenim com un

sistema realimentat. Enlloc de tenir els radiadors engegats tota l’estona a una

temperatura constant, el que faria seria comparar la temperatura que hi ha amb la

temperatura que volem que hi hagi i d’aquesta manera faria variar la senyal

d’entrada per poder controlar la temperatura.

Senyal d’entrada Sistema de control Senyal de sortida

Senyal d’entrada

Comparador

Sistema de control Senyal de sortida


Pàgina 15

Aquests sistemes es caracteritzen perquè solen ser més complexos que els de llaç

obert. La diferència principal amb aquests es que la senyal d’entrada es compara amb la

sortida i per aquest motiu és molt més segur que es porti a terme el procés desitjat

correctament.

4.2. Sistemes de control automàtics

Es diu que un sistema de control és automàtic quan regula i controla el seu

procés per si sol, sense la intervenció dels humans. A més, corregeix els errors que

presenta en el seu funcionament. Gairebé tots els sistemes realimentats són automàtics.

Tornant a l’exemple del termòstat, es pot dir que és automàtic perquè només es

programa una temperatura de referència i ell sol farà augmentar o disminuir la

temperatura sense la nostra intervenció. Estan presents en diferents llocs:

En processos industrials: augmenten la quantitat i la qualitat d’un producte

gràcies a la producció en cadena i redueixen els costos de producció.

A les llars: milloren la qualitat de vida. Un clar exemple és la casa intel·ligent o

domòtica.

En avanços tecnològics: per exemple en el camp de l’automoció últimament

s’estan fent cotxes amb parabrises que s’accionen sols quan plou o quan entrem

en un túnel el fars també s’engeguen sols.

Gràcies a aquests sistemes de control automàtics va néixer l’automatització que

és el control de maquinària o processos industrials per reduir el treball humà. Neix de la

mecanització, de la necessitat que les eines pensin, que tinguin un “cervell” que permeti

que treballin per elles soles, sense la nostra ajuda. D’aquestes màquines que tenen

“cervell” se’ls diu autòmats. Un autòmat és una màquina que funciona de manera

automàtica, moltes vegades fent el mateix moviment repetitiu, i sense cap intervenció

humana. Un exemple pot ser un braç industrial.

El “cervell” dels autòmats són els PLC (de l’anglès Programmable Logic

Controller) Són uns aparells electrònics que poden ser programats pels humans per

aconseguir que controlin màquines i processos industrials. Perquè un PLC aconsegueixi

complir amb la seva funció és necessari programar-lo amb certa informació sobre els

processos que es vol portar a terme. Aquesta informació és rebuda per sensors, que

envien un senyal d’entrada i el PLC genera un senyal de sortida perquè els actuadors

facin la seva feina i d’aquesta manera s’aconsegueix portar a terme el procés desitjat.


Página 16

L’estructura de qualsevol PLC és la següent:

Convertidor de tensió: converteix el voltatge altern de 220V de la xarxa a un

voltatge continu de 24V o 12V.

CPU: és la unitat central de processos que és com el verdader cervell de tot el

sistema. Rep les ordres de l’operari i de les entrades de dades. Després processa

aquestes dades per enviar una resposta de sortida.

Mòdul de sortida: és l’encarregat d’activar i desactivar els actuadors depenent de

les respostes de sortida del CPU.

Terminal de programació: és el que permet comunicar al ser humà amb el

sistema. Fa la funció de transferir i modificar els programes.

4.3. Robòtica

La robòtica neix gràcies a l’automatització de màquines. Sense l’automatització

no hi hauria robòtica ja que la robòtica inclou un conjunt de disciplines que permeten

realitzar i automatitzar estructures mecàniques destinades a la producció industrial, que

són capaces d’exercir tasques repetitives on es necessita una alta precisió que seria

impossible per un humà.

D’aquestes màquines automàtiques se’n diu robots. Un robot és un aparell

automàtic capaç de manipular objectes o d’executar operacions segons un programa i fa

tasques que normalment fan les persones. Segueix les següents característiques:

Pot saber que passa al seu entorn amb l’ajuda de sensors.

Pot manipular coses del seu entorn amb l’ajuda d’actuadors.

Té certa intel·ligència per prendre decisions en una seqüencia programada

automàtica.

Es programable

Pot moure’s en un o més eixos de rotació o translació.

Pot realitzar moviments coordinats.

4.3.1. Components d’un robot:

Els robots consten de dues parts diferenciades:

Part mecànica: està constituïda per una estructura més o menys complexa

formada per un conjunt de peces rígides que s'uneixen entre si mitjançant

articulacions. Aquesta estructura es mou gràcies als actuadors, elements


Pàgina 17

mecànics que transmeten els moviments a les articulacions del robot.

L'accionament del sistema mecànic pot ser de tres formes diferents:

o Pneumàtic: utilitza aire comprimit. Els actuadors són cilindres

pneumàtics.

o Hidràulic: utilitza un líquid, normalment algun tipus d’oli. Els actuadors

són cilindres i motors hidràulics.

o Elèctric: utilitza l’energia elèctrica per alimentar motors o algun altre

tipus de dispositius elèctrics.

El moviment combinat de les articulacions permet que es realitzin les tasques,

depenent de la seva utilitat per adoptar diverses formes.

Sistema de control: està format pels sistemes electrònics que controlen les accions

que ha de realitzar cada element del robot. Com hem explicat, aquest sistema de

control pot ser un PLC, però hi ha vegades que pot ser un ordinador o un

microcontrolador.

4.3.2. Funcionament d’un robot:

Un robot ha de realitzar una sèrie de tasques en unes condicions determinades,

sempre supervisat per un programa que li ordena què ha de fer en cada moment. El seu

funcionament intern es basa en la recepció de senyals d'entrada, que són les

instruccions, i l'execució de les accions corresponents mitjançant els senyals de sortida.

Aquest procés es pot diferenciar en tres fases:

Fase de percepció de l'entorn: el robot disposa de sensors per saber el que passa

al seu entorn. Cada sensor detecta una magnitud física variable: temperatura,

excessiva humitat en un terreny, un obstacle enmig d'una trajectòria, etc... I la

converteix en un senyal elèctric. El conjunt de senyals generades pels sensors

formen les dades d'entrada al sistema.

Processament i interpretació de les dades: la CPU del PLC o de l’ordinador rep

les dades digitals procedents del sensor, les interpreta i activa els senyals de

sortida corresponents per a executar una acció.

Execució de l'acció: és l'execució física d'un canvi al robot, ja sigui un moviment

d'una articulació, un canvi de posició, una parada, etc... Aquestes tasques són

realitzades per dispositius motrius que com hem dit poden ser motors elèctrics,

cilindres pneumàtics o hidràulics.


Página 18

Figura 19 . Esquema del funcionament d’un robot. Font: http://www.kalipedia.com

/informatica/tema/graficos-esquema-funcionamientorobot.html?x1=

20070821klpinginf_47.Ees&x=20070821klpinginf_92.Kes

4.3.3. Classificació dels robots

La seva classificació més comuna es basa en la seva cronologia:

1a generació: són robots manipuladors que realitzen un procés seguint unes

instruccions programades prèviament de forma seqüencial. Es basen en sistemes

de control de llaç obert.

2a generació: són robots d’aprenentatge. Disposen de sistemes de control de llaç

tancat amb sensors que els hi permet adquirir informació del medi on es troben i

adaptar la seva actuació. L’operador realitza els moviments requerits mentre el

robot li segueix i els memoritza.

3a generació: són robots amb control sensorial. Tenen la capacitat de planificar

feines i d’adaptar-se a diferents entorns. Són capaços de re-programar-se d’una

manera automàtica en funció de les dades dels sensors.

4a gernació: són robots intel·ligents. Tenen la capacitat de prendre decisions i

resoldre problemes per ell mateix. Això és possible gràcies a que els sensors

envien informació a la computadora de control sobre l’estat del procés.


Pàgina 19

5. DISSENY, CONSTRUCCIÓ I PROGRAMACIÓ D’EN PIC

5.1. Disseny

Abans de començar a construir un robot cal fer un plantejament previ per decidir

que ha quines funcions ha de tenir el robot. En el cas d’en Pic vam pensar en les

següents accions:

Que sigui capaç de seguir una línia sense perdre-la.

Si es troba un objecte pel camí, que sigui capaç de detectar-lo i parar per no

xocar contra ell.

També vam decidir quines característiques volíem que tingués:

Que el tamany no fos gaire gros perquè tingués una bona mobilitat.

Fer servir piles AA recarregables per poder-les recarregar en lloc de comprar-ne

de noves cada vegada que s’esgotessin.

Fer servir peces de fusta per fer el xassís per aconseguir un robot lleuger i de

baix cost.

Que tingués tres rodes: dues controlades per dos motors elèctrics i l’altra que fos

una roda boja i pogués anar en totes direccions.

Que el microcontrolador fos de la família PIC ja que són programables.

Finalment, però, gràcies al consell del nostre tutor és un Picaxe, que és molt més

fàcil de programar ja que es pot fer amb el llenguatge Basic.

5.1.1. Components utilitzats

Tot seguit vam pensar en quins components hauríem d’utilitzar per portar a

terme el nostre projecte, que són els següents:

Piles: 6 piles d’1’2V recarregables, que són un total de 7,2V. Proporcionen

l’energia elèctrica al circuit per poder alimentar a tots els components de la

placa, els sensors i els dos motors elèctrics. Tenen una capacitat de 2100 mAh i

utilitzen la tecnologia de níquel i hidrur metàl·lic.

Regulador de tensió: Vam pensar en el regulador de tensió TS7805. Aquest

component és molt important ja que protegeix la placa i els sensors d’un voltatge

massa elevat pel seu funcionament ja que proporciona una tensió constant de

5V. Té tres terminals: un d’entrada, un de sortida i la massa. Pel seu bon


Página 20

funcionament i el de tot el circuit, s’ha de col·locar un condensador entre la

sortida i la massa.

Figura 21 Figura 22

Figura 21. TS7805 donant una sortida de 4,95V. Font: pròpia.

Figura 22. TS7805 soldat a la placa. Font: pròpia.

Sensors òptics: vam pensar en els sensors d’infrarojos per reflexió CNY70. La

nostra primera idea va ser només utilitzar-ne dos però després d’estar pensant i

reflexionant ens vam decidir per utilitzar-ne quatre perquè les possibilitats que el

robot perdés la línia disminuirien.

Són un dels sensors òptics més utilitzats i populars per construir robots

rastrejadors gràcies a la seva fiabilitat i el seu baix cost. Tenen la funció de distingir la

línia negra sobre el terra blanc. Per aconseguir-ho en el seu interior tenen un LED

emissor de rajos infrarojos i un receptor que es diu fototransistor. El seu funcionament

és senzill: els rajos infrarojos emesos es reflecteixen contra el terra i retornen cap al

sensor on hi ha el fototransistor, el qual deixa passar corrent a través seu si li retornen

aquests rajos infrarojos, com si fos un interruptor. És per aquest motiu que treballa amb

senyals digitals. Quan el terra és negre els rajos no es reflecteixen però, en canvi, si el

terra és blanc, si que ho fan. Per poder detectar aquest canvi cal que el sensor estigui a

pocs mil·límetres del terra. Es pot observar en la següent figura:

Figura 23

Emissor de

rajos

infrarojos

Receptor

fototransistor


Pàgina 21

Figura 24 Figura 25

Figura 23. Funcionament sensor CNY70. Font: http://www.kreatives-

chaos.com/artikel/liniensensor-mit-cny70

Figura 24. Esquema sortida cap al microcontrolador. Font:

http://www.comohacerturobot.com/Taller/taller-sensorOptico.htm

Figura 25. Sensor CNY70. Font: igual que la figura 24

Sensor de distància: vam estar mirant diversos sensors però ens vam decidir pel

sensor GP2Y0A21YK0F ja que estava disponible en la pàgina web del Picaxe,

no és gaire car i a més és fàcil d’utilitzar. El seu funcionament és semblant al

d’un sensor CNY70. També emet rajos infrarojos, però es reflecteixen encara

que la superfície sigui negre, i un receptor els capta. Tot seguit, un circuit que

porta integrat calcula el temps que ha tardat en arribar l’ona emesa després de

xocar amb l’objecte. Un cop calculat el temps es pot saber a la distància a la que

està un objecte i depenent d’aquesta distància genera un voltatge o un altre, per

tant dóna una sortida analògica que varia amb la distància. La seva funció és

detectar si hi ha quelcom davant del robot. En el cas que hi hagi un objecte, el

microcontrolador analitzarà el voltatge obtingut i accionarà el procés de parar.

Figura 26. Sensor de distància utilitzat. Font: pròpia

Emissor Receptor

Senyal de sortida

cap al

microcontrolador


Página 22

Resistències: vam pensar en un total de 12 resistències per protegir els

components de la placa:

o Quatre són de 220Ω pels LEDS d’infrarojos dels sensors òptics perquè si

calculem la resistència mínima que necessita que és de

V/Imax=5/0,05=100Ω. Per tant, li posem una resistència que és una mica

més del doble que la mínima que necessita.

o Quatre més són de 10kΩ per la part del fotodíode dels sensors òptics.

Com més gran sigui aquesta resistència millor, perquè la seva funció és

impedir un curtcircuit amb la pila. El que realment importa són els volts

que arriben al microcontrolador i no la intensitat.

o N’hi ha dues de 330Ω pels dos LEDS vermells a la sortida del

microcontrolador. Són de 330Ω per impedir que es cremin els LEDS.

o Les dues últimes resistències són de 1kΩ per impedir que els transistors

s’espatllin ja que com a màxim hi poden arribar 0,2A a la base.

Condensadors: després de llegir-nos tots els “datasheets” dels components vam

descobrir que necessitàvem dos condensadors de 100nF. Serveixen per filtrar el

voltatge i sigui més constant. Estan situats entre la massa i el voltatge de sortida

del regulador de tensió pel seu bon funcionament igual que entre la massa i el

voltatge d’entrada del microcontrolador perquè els motors puguin funcionar

correctament. Si no hi fossin i els motors es volguessin accionar no es podria

perquè no pararia d’haver-hi caigudes de tensió i no podrien engegar.

Figura 27. Condensador soldat a la placa. Font: pròpia

Transistors: per poder accionar els motors vam pensar en dos transistors NPN

que es diuen BDX53 i la seva funció és controlar els motors. Com hem explicat

abans, quan els NPN reben una intensitat petita per la base, deixa passar un

corrent molt més gran del col·lector a l’emissor. Així doncs, hem connectat la

base a una sortida del microcontrolador perquè li arribés una corrent petita i


Pàgina 23

d’aquesta manera pogués deixar passar el corrent molt més elevat que necessiten

els motors per poder funcionar correctament.

Figura 28.Els dos transistors soldats a la placa. Font: pròpia

LEDS: per fer més estètic el robot vam pensar en fer servir LEDS. La seva

funció no és essencial pel seu funcionament ja que serveixen per indicar cap a

quina banda esta girant. N’hi hem posat dos, un per a cada motor i són de color

vermell. Cada un esta protegit per una resistència de 330Ω per evitar que es

cremin a causa dels 5V de sortida del microcontrolador.

Motoreductors: per fer moure el robot vam pensar en moto-reductors perquè

porten un mecanisme d’engranatges reductor que redueix la velocitat de gir del

motor per tenir una velocitat de sortida moderada. Hem utilitat dos moto-

reductors RBL4100, un per a cada banda, pel seu baix cost comparat amb molts

d’altres moto-reductors, que eren molt més cars.

Figura 29. Motoreductor RBL4100. Font:

http://www.picaxe.biz/tienda/index.php?page=pp_producto.php&md=0&ref=rbl4100

Microcontrolador: primerament vam pensar en utilitzar el Picaxe-08, el qual té 8

pins, però ens vam decidir pel Picaxe-14M. La raó principal es que com que

volíem utilitzar quatre sensors òptics no teníem les entrades i sortides suficients

amb el Picaxe-08. En canvi, el Picaxe-14M té catorze potes les quals cinc són

entrades: quatre de digitals i dues digitals/analògiques. Les quatre entrades


Página 24

digitals serveixen pels quatre sensors òptics i una entrada analògica serveix pel

sensor de distància. També te sis sortides, però només em fem servir quatre:

dues pels dos LEDS i dues pels dos motors. Totes quatres són digitals, es a dir,

donen 1 (5V) o 0 (0V). El voltatge amb que ha de treballa ha de ser de 5V

constants, per aquest motiu hem utilitzat el regulador TS7805. Una altra raó és

que li pots introduir fins a 80 línies de programa.

Figura 30. Pinout del Picaxe-14M. Font: http://www.hvwtech.com/

products_view.asp?ProductID=601

A l’hora de programar-lo es pot fer amb llenguatge Basic, malgrat que els

microcontroladors nomes es poden programar amb el llenguatge C. Això és possible

gràcies a que el Picaxe-14M equival al PIC16F684 el qual ja porta un pre-programa per

poder-lo programar en llenguatge Basic. Es necessita el programa anomenat “PICAXE

Programming Editor” que serveix exclusivament per la programació de

microcontroladors Picaxe. Només s’ha d’escriure el programa i connectar el

microcontrolador amb l’ordinador mitjançant un cable de descàrrega Picaxe (amb

connector estèreo de 3,5mm) i descarregar-li el programa. El circuit de connexió és el

següent:

Figura 31. Circuit de programació Picaxe-14M. Font: http://www.picaxe.com.mx/prog.

xhtml

El programa que vam dissenyar al principi es basa en el processament de les

dades que li arriben dels 5 sensors (òptics i de distància) per executar les ordres perquè


Pàgina 25

el robot aconsegueixi seguir la línia. L’organigrama que hi ha a continuació traduït al

llenguatge humà seria el següent: si els dos sensors del mig detecten la línia el robot

anirà recte. En el moment en que un dels dos sensors del mig no la detecten i un dels

extrems si, executa l’ordre de girar cap a la banda corresponent. També hi ha la l’ordre

de parada en cas que hi hagi un obstacle a davant.

Figura 32. Esquema del funcionament del robot. Font: pròpia

5.2. Construcció

Material utilitzat:

6 piles recarregables d’1,2V.

Resistències:

o 4 resistències de 220Ω i 0,25W

o 5 resistències de 10kΩ i 0,25W

o 3 resistències de 1kΩ i 0,25W

o 2 resistències de 330Ω i 0,25W

2 condensadors de polièster de 100 nF

2 LEDs de 3mm vermells

4 sensors òptics CNY70

1 sensor de distància Sharp GP2Y0A21YK0F

Sensor 1

Sensor 2

Sensor 3

Sensor 4

Processament

(Picaxe)

Si la línia està a la

part del mig, els dos

motors s’accionen


part de l’esquerre, el

motor dret s’acciona

per girar cap a

l’esquerre

Sensor de

distància

El robot es para si

detecta un objecte


part de la dreta, el

motor esquerre

s’acciona per girar

cap a la dreta


Página 26

1 regulador de tensió TS7805

2 transistors NPN

1 microcontrolador Picaxe-14M

2 moto reductors RBL4100

1 interruptor

1 sòcol de 14 pins

1 placa protoboard

1 placa de fibra de vidre de 10x10cm amb una cara positiva per la placa PCB

2 rodes de fusta

1 roda boja

1 tauler premsat o tàblex per fer el xassís

Peces del joc de construccions Knex

Filferro dolç

Cartolines

Paper de diari

Cola d’empaperar

Pintura tempera

La nostra primera idea del robot era més simple del resultat final actual. A mida

que avançàvem en el projecte vam introduir canvis en el robot per tal de millorar el seu

funcionament o per fer-lo més estètic.

El nostre primer prototip que vam construir el dia 28/6/11 consistia en una placa

de fusta rectangular amb un motoreductor per cada banda. Era molt ample i curt (figura

33). Ja que era un prototip, vam fer servir una placa protoboard (figura 34) on hi vam

muntar tot el circuit electrònic amb tots els components. Gràcies a aquesta placa ens va

ser molt fàcil trobar la manera de col·locar els components i dissenyar el programa pel

microcontrolador de tal manera que tot funcionés correctament.


Pàgina 27

Figura 33. Prototip1. Font: pròpia. Figura 34. Placa protoboard. Font: pròpia.

En les primeres proves que vam fer amb aquest prototip ja ens vam adonar que

havíem de fer canvis. El primer canvi va ser col·locar dos sensors més, ja que fins

llavors només en teníem dos. D’aquesta manera el robot no perdria la línia tan

fàcilment. El segon canvi significatiu va ser alimentar els sensors amb 5V i no amb 9V,

com fins estàvem fent fins llavors. El problema era que amb 9V anava massa de pressa i

perdia la línia constantment. Amb el canvi a 5V vam aconseguir reduir aquest problema,

però encara no era suficient. Vam estar observant i analitzant perquè perdia la línia fins

que al final vam arribar a la conclusió que era problema de la col·locació dels sensors.

Fins a aquell moment els teníem col·locats en línia i vam fer un canvi que consistia en

endarrerir els dos sensors dels extrems de tal manera que quedessin en forma de U

(figura 35). D’aquesta manera, si els dos sensors del mig perdien la línia encara quedava

la possibilitat que un dels dos extrems més endarrerits la pogués tornar a localitzar.

Figura 35. Sensors en forma de U. Font: pròpia.

Un com vam aconseguir que tot funcionés correctament vam dissenyar i

construir el segon prototip durant els dies 14/7/11 i 15/7/11. Aquest el vam construir

amb un tauler premsat d’una forma més estètica. Era més allargat i més petit que el

prototip 1 i ja estava pensat com si fos el robot definitiu. En aquest prototip bàsicament

ens vam dedicar a retocar detalls del programa del microcontrolador perquè funcionés

millor. Un dels problemes que teníem fins llavors es que perdia la línia amb de tan en


Página 28

tan i per evitar-ho vam canviar el programa. Li vam introduir que si estava girant cap a

la dreta i de cop no rebia cap senyal de cap sensor girés cap a l’esquerra per tornar a

recuperar la línia i al revés, si estava girant cap a l’esquerra i de cop no rebia cap senyal,

girés cal a la dreta.

Figura 36. Prototip 2. Font: pròpia.

Un cop el robot no perdia la línia vam fer un pas endavant per arribar al resultat

final. Vam dissenyar la placa PCB (de l’anglès Printed Circuit Board o placa de circuit

imprès) el dia 19/07/11. És una placa on es col·loquen els components i es connecten

entre ells a través de pistes o rutes normalment de coure. Es basa en soldar els

components en aquesta placa de tal manera que quedin permanentment connectats allà.

Per aquesta raó vam fer servir la placa protoboard per fer tot el disseny.

Nosaltres vam fer servir un programa anomenat PCB Wizard per dissenyar la

placa. És un programa que es pot descarregar gratuïtament a

http://www.gratisprogramas.org/descargar/pcbwizard-full. Permet dibuixar les pistes de

coure juntament amb tots els components. Aquest programa també permet visualitzar la

placa com si fos real, amb tots els components soldats a la placa. En aquesta captura de

pantalla es pot veure la nostra placa d’aquesta manera:


Pàgina 29

Figura 37. Programa PCB Wizard amb la nostra placa dissenyada. Font: pròpia.

Figura 38. Disseny de la placa PCB. Font: pròpia.

Un cop la vam tenir dissenyada, el dia 2/8/11 vam haver de fer un procés

laboriós per tenir-la físicament. Aquest procés va consistir en diferents passos:

Insolació: en aquest pas es necessita una placa positiva de fibra de vidre, un

insolador i el disseny del circuit imprès en una transparència. S’ha de col·locar

la transparència sobre la placa i enganxar-la amb cinta adhesiva de tal manera

que no es pugui moure. Tot seguit s’ha de posar sota d’un insolador durant uns 3

minuts perquè la llum reaccioni amb la resina fotosensible.


Página 30

Figura 39. Procés d’insolació de la nostra placa. Font: pròpia.

Figura 40. Representació del procés d’insolació. Font:

http://optimus.meleeisland.net/downloads/misc/construccion_pcb.pdf

Per tal de millorar l’eficàcia d’aquest pas, es millor col·locar dues transparències

iguals una sobre l’altra per impedir que reaccioni tota la resina. D’aquesta manera

s’assegura que aquest pas surti correctament.

Revelat: el segon pas consisteix en eliminar de la placa la resina que ha

reaccionat amb la llum. Per aconseguir-ho vam haver de posar la placa dintre

d’un líquid anomenat revelador. Permet deixar al descobert el coure on hi ha

incidit la llum i és, per tant, el coure que posteriorment haurà de marxar per

poder formar les pistes adequades.

Llum

Transparència

Resina fotosensible

Fibra de vidre Coure

Durant el revelat Després del revelat


Pàgina 31

Figura 41. Representació de l’abans i el després del procés de revelat. Font:


Figura 42

Figura 43

Figura 42. La nostra placa durant el revelat. Font: pròpia.

Figura 43. La nostra placa després del revelat. Font: pròpia.

Atacat: el que hem aconseguit amb els dos passos anteriors és tenir el coure que

ha de fer de pista protegit per la resina fotosensible. En aquest pas el que es fa és

atacar el coure desprotegit amb una solució d’aigua i clorur de ferro a uns 40ºC

perquè desaparegui i només quedin les pistes. Es pot veure en la figura següent:

Figura 44. Representació de la placa després del revelat. Font:



Página 32

Figura 45

Figura 46

Figura 45. La nostra placa durant l’atacat. Font: pròpia.

Figura 46. Placa acabada. Font: pròpia.

Fer els forats: per poder soldar tots els components a la placa fa falta fer els

forats. Per tant, en aquest pas es porta a terme el foradament de la placa per fer

els forats. Es pot veure en les següents imatges:

Figura 47 i 48. La placa durant el procés de fer els forats. Font: pròpia

Soldadura: el dia 3/8/11 vam soldar tots els components a la placa. Per fer-ho

vam utilitzar un soldador i estany. Es pot veure en les imatges següents:


Pàgina 33

Figura 50 Figura 49

Figura 49. Placa per la part de les soldadures. Font: pròpia.

Figura 50. Placa per la banda dels components. Font: pròpia.

Figura 51. Robot definitiu. Font: pròpia.

Un cop vam tenir la placa muntada vam provar si funcionava tot correctament el

dia 31/8/11. Per sorpresa de tots, no va anar. Primer vam pensar que podia ser que a

algun lloc es fes mal contacte, però va resultar que no. Després de fer diverses proves

vam descobrir que si posàvem el microcontrolador al sòcol no funcionava i si el

posàvem a la placa protoboard si. Després de mirar-nos els manuals i les diferències que

hi havia de la placa al protoboard, vam descobrir que ens havíem deixat de posar dues

resistències, concretament no vam llegir que s’havien de posar les dues resistències del

circuit de programació al pin 2. Així dons vam haver de soldar les resistències a la placa

per la part de la soldadura perquè tot funciones correctament.


Página 34

Figura 52. Les dues resistències soldades posteriorment. Font: pròpia.

Finalment el dia 2/9/11 per acabar el robot vam pensar de fer-li una carcassa

perquè no es veiessin tots els cables i quedés més estètic. La nostra primera idea va ser

fer una carcassa perquè sembles un cotxe de Formula 1, però després d’intentar fer-la

vam veure que era massa complicat i laboriós. Vam passar a un “pla B” que era fer una

carcassa com si fos un cotxe antic. D’aquesta manera seria més original i peculiar. Pel

disseny i construcció vam utilitzar peces d’un joc que es diu Knex.

Figura 53. Esquelet de la carcassa. Font: pròpia.

Després ho vam reforçar amb filferro dolç per acabar de donar-hi la forma desitjada i ho

vam cobrir tot amb cartolina durant els dies 3, 7 i 8 de setembre.

Figura 54

Figura 55


Pàgina 35

Figura 54. Detall del morro amb filferro. Font: pròpia.

Figura 55. Carcassa coberta amb cartolina. Font: pròpia.

Finalment els dies 8 i 9 de setembre vam utilitzar cola d’empaperar barrejada amb aigua

per cobrir-ho tot amb paper de diari i poder pintar-ho després.

Figura 56 Figura 57

Figura 56. Carcassa coberta de paper de diari amb cola d’empaperar. Font: pròpia.

Figura 57. Carcassa pintada. Font. Pròpia.

Així doncs, després d’afegir uns detalls a la carcassa i muntar-la el dia 27/11/11, el

robot queda acabat.

Figura 58. En Pic acabat. Font: pròpia


Página 36

5.3. Programació

Per programar el microcontrolador hem utilitzat el programa PICAXE

Programmig Editor. És un programa fet expressament per programar xips Picaxe que

utilitza el llenguatge Basic. Nosaltres el vam comprar en format CD perquè hi anava

inclòs un programa anomenat ISIS Picaxe VSM que ens permetia poder dissenyar

circuits electrònics. Abans de poder programar el microcontrolador vam haver de

configurar-lo de la següent manera:

Vam haver de dir-li que el que volíem programar era un microcontrolador

Picaxe-14M

Figura 59. Captura de pantalla del programa Picaxe Programming Editor. Font:

pròpia.

Tot seguit també vam haver de dir-li amb quin port volíem connectar-nos amb el

microcontrolador. En el nostre cas vam haver d’utilitzar el port COM 11.

Figura 60. Captura de pantalla del programa Picaxe Programming Editor. Font:

pròpia.


Pàgina 37

Per entendre el procés de programació del robot també cal saber el seu

funcionament.

Tot comença quan es dóna contacte ON amb l’interruptor. El primer component

a funcionar és el regulador de tensió, ja que esta just després de la pila. Rep un voltatge

de 7,2 V i el redueix a 5V per poder alimentar els quatre sensors i tota la placa

electrònica. Un cop els sensors han rebut aquest voltatge comencen a treballar. Com

hem explicat, cada sensor té un LED de rajos infrarojos que reboten contra el terra i

tornen cap al sensor. Si reboten contra la línia negre els sensors no donen senyal de

sortida, és a dir, envien un 0. En el cas contrari envien un 1. Aquests senyals arriben al

microcontrolador, el “cervell” del robot. La seva funció consisteix en interpretar aquesta

informació per tal d’efectuar una resposta. Per interpretar-la, el microcontrolador

segueix el programa que prèviament li hem descarregat. Es pot trobar en tres casos

diferents:

Que només els sensors de la dreta estiguin sobre la línia. En aquest cas interpreta

que ha de girar cap a la dreta per recuperar la línia i no perdre-la. Per aconseguir

que el robot giri, dóna una senyal de sortida 1 cap al transistor, que fa la funció

d’interruptor, i s’acciona el motor esquerre. Mentre està girant, analitza si s’ha

sortit de la línia per recuperar-la girant cap a la banda contrària, es a dir,

l’esquerre. També dóna senyal 1 a un LED de color vermell per indicar que

s’està girant cap a la dreta.

Figura 61. Captura d’imatge del codi font on s’analitzen les entrades per girar cap a la

dreta. Font: pròpia.

Que només els sensors de l’esquerre estiguin sobre la línia. En aquest cas

interpreta que ha de girar cap a l’esquerre per recuperar la línia. Per fer aquest

gir cap a l’esquerre, el microcontrolador dona una senyal 1 però aquest cop a


Página 38

l’altre transistor perquè accioni el motor dret. Mentre està girant analitza si s’ha

sortit de la línia per recuperar-la girant cap a la banda contrària, es a dir, lla

dreta. També dóna senyal 1 a un LED de color vermell per indicar que s’està

girant cap a l’esquerre.

Figura 62. Captura d’imatge del codi font on s’analitzen les entrades per girar cap a

l’esquerre. Font: pròpia

Que el sensors del mig estiguin sobre la línia. Interpreta que el robot ha d’anar

recte i per aquest motiu dóna senyal 1 als dos transistors perquè accionin els dos

motors i d’aquesta manera el robot no giri. També dóna senyal 1 als dos LEDS

de color vermell per indicar que s’està anant recte.

Figura 63. Captura d’imatge del codi font on s’analitzen les entrades per anar recte.

Font: pròpia.

El microcontrolador apart de rebre informació d’aquests quatre sensors òptics

també rep informació del sensor de distància, que dóna una sortida analògica. Per aquest

motiu el microcontrolador transforma el voltatge rebut en una variable del 0 al 255.

Com més voltatge rebi més gran serà aquesta variable i voldrà dir que el sensor de

distància té un objecte a prop. Al contrari, quan rebi un voltatge baix voldrà dir que no

hi ha cap objecte. Per configurar el microcontrolador perquè llegís en analògic vam

haver de dir-li que llegís la pota 4 com una entrada analògica i que els valors que rebés

els transformés amb una variable b0 que anava del 0 al 255 (1B de memòria). Però com


Pàgina 39

sap si el valor de la variable vol dir que està a prop o que està lluny d’un objecte? Doncs

això s’ha de configurar en el programa. Nosaltres hem utilitzat el valor de 110 després

de fer diferents proves. Es pot trobar en dos casos diferents:

Figura 64. Codi font del programa on li diem que llegeixi la pota 4 com una entrada

analògica i ho transformi en una variable b0. Font: pròpia.

Quan el valor de la variable sigui inferior de 110. El microcontrolador

interpretarà aquest fet com si no tingués cap objecte a davant, i per tant,

continuarà seguint la línia.

Quan el valor de la variable sigui superior a 110. En aquest cas interpretarà que

té algun objecte al davant i executarà l’ordre de parada, és a dir, donarà senyal 0

als dos transistors perquè els motors es parin.

Figura 65. Captura d’imatge del codi font on s’analitza la variable b0 per parar per si

hi ha algun objecte. Font: pròpia

Finalment per poder descarregar-li el programa nomes vam haver de connectar

el cable de descàrrega Picaxe correctament amb el microcontrolador utilitzant el circuit

de la figura 31. La condició principal perquè se li pugui descarregar un programa al

microcontrolador és que estigui alimentat per 5V. Un cop el vam tenir alimentat només

vam haver de prémer a “program” i ja el vam tenir programat.


Página 40

Figura 66. Captura de pantalla del Picaxe Programming Editor amb el botó

“program” encerclat. Font: pròpia


Pàgina 41

Tot seguit hi ha l’esquema del circuit on es poden veure totes les connexions

entre els components:


Página 42

Captura de pantalla del circuit d’en PIC amb el programa Picaxe VSM. Font: pròpia

5.4. Pressupost

Material Nom Preu unitari Unitats Preu

total

Piles

recarregables AA

1,2V

3,2 € 6 19,49 €

Porta piles per 6

piles AA 1,14 € 1 1,14 €

Regulador de

tensió TS7805 0,25 € 1 0,25 €


Pàgina 43

Sensor òptic

CNY70 0,93 € 4 3,72 €

Sensor de

distància Sharp

GP2Y0A21YK0F

10,10 € 1 10,10 €

Microcontrolador

Picaxe-14M 2,15 € 1 2,15 €

Transistor

BDX53 1,48 € 2 2,96 €

Resistències

(diferents valors) 0 € (deixades) 12 0 €

Condensadors de

polièster de 100

nF

0 € (deixats) 2 0 €

LED vermell de

3mm 0,08 € 2 0,016 €

Motoreductor

RBL4100 2,84 € 2 5,68 €


Página 44

Interruptor 0 €

(reutilitzat) 1 0 €

Sòcol de circuit

integrat de 14

pins

0,10 € 1 0,10 €

Placa de fibra de

vidre positiva (per

PCB)

0 € (deixada) 1 0 €

Tauler de tàblex 0 €


Peces del Knex 0 €

(reutilitzades) - 0 €

Fil ferro dolç 0 €


Cartulina 0 €

(reutilitzades) 1 0 €

Cola d’empaperar 0 €

(reutilitzada) 1 0 €


Pàgina 45

El preu de 85,16 € és el preu que ha costat fer el primer, però a partir d’aquest ja

seria més barat ja que hi ha coses que només necessitem comprar-ne una vegada, com

per exemple el sòcol Picaxe (0,13€), el cable USB (13,29€), i el programa per

programar (3,69€). Ens estalviem 17,11€ i per tant el robot sortiria a 68,05€. Per altra

Pintura tempera 0 €


Sòcol Picaxe

Stereo 3,5mm 0,13 € 1 0,13 €

Cable USB

descàrrega Picaxe 13,29 € 1 13, 29 €

Software Picaxe

Programming

Editor

3,69 € 1 3,69 €

Rodes de fusta 0 €

(reutilitzades) 2 0 €

Roda boja 0 €


Ports - - 9 €

Reemborsament

agencia de

transports

- - 4,15 €

Total import net - - 72,17 €

18% IVA - - 12,99 €

TOTAL

IMPORT - - 85,16 €


Página 46

banda si compréssim els components a l’engròs i no al detall ens sortirà bastant més

barat. Com es pot veure en aquesta taula de pressupostos, hi ha diversos materials que

hem reutilitzat o que ens han deixat, com poden ser els materials per la carcassa, el

xassís i per fabricar la placa PCB. Per tant n’hauríem de comprar i el preu del robot final

tornaria a pujar. Creiem que hi ha massa hores de feina com perquè surtis rendible

vendre’n perquè el preu del robot final hauria de ser d’uns 90€ - 100€ perquè hi

tinguéssim un benefici, i aquest preu tan elevat per un robot que solament segueix una

línia creiem que és excessiu.

6. CONCLUSIONS

Per construir aquest robot rastrejador ens hagués estat pràcticament impossible

només amb els coneixements que teníem de la nostra etapa a l’institut. Una de les coses

que hem utilitzat que ja sabíem ha estat la famosa llei d’Ohm per calcular els valors de

les resistències que necessitàvem. Cal dir que el nostre robot és un prototip, és a dir, no

està destinat a la venda i per aquest motiu no té les mateixes qualitats d’un producte del

mercat. Per aquest motiu ha estat sotmès a gran quantitat de proves per tal de millorar-lo

i eliminar al màxim els defectes que tingués. També cal aclarir que no és cap còpia d’un

altre robot semblant que es pugui trobar al mercat, sinó que ha estat dissenyat i construït

dels de zero basant-nos en els coneixements que hem adquirit, ja sigui a través

d’internet, per diferents contactes, o per nosaltres mateixos. Per últim esmentem que

tots els problemes que ens han anat sorgint els hem solucionat a mesura que el

construíem.

El que hem hagut d’aprendre per portar a terme aquest projecte han estat moltes

coses, ja que al principi no sabíem per on començar. Vam haver d’endinsar-nos en el

món de l’electrònica i començar a buscar informació sobre tots els tipus de xips i tots

els altres components, perquè servien i com funcionaven. Vam aprendre que hi ha molts

tipus de xips, entre els quals hi ha els microcontroladors i que es poden programar.

Gràcies el nostre tutor vam descobrir que hi havia uns microcontroladors especials per

principiants, els Picaxe, que són fàcils de programar i utilitzen el llenguatge Basic. Per

aquest motiu vam haver d’entrar en el món de la programació i aprendre a utilitzar

aquest llenguatge llegint-nos manuals. A l’hora de triar els altres components, com

poden ser els transistors o el regulador de tensió, vam tenir alguns problemes ja que n’hi


Pàgina 47

ha de molts tipus diferents i cadascun té unes característiques específiques. Per aquest

motiu vam haver de buscar els components que més bé s’adaptessin a les nostres

necessitats llegint els manuals o “datasheets” de cada component fins trobar l’adequat.

També vam haver d’aprendre com funcionava una placa protoboard i

posteriorment com es construïa una placa PCB. Gràcies a certs contactes, que ens van

facilitar el material, vam poder dissenyar-la i construir-la ràpidament.

Un dels problemes més greus que hem tingut ha estat a l’hora de poder

connectar l’ordinador amb el microcontrolador, ja que els circuits que vam trobar per

internet eren enganyosos i ho vam connectar tot malament. Finalment, després de fer

moltes proves i obtenir consells de contactes, vam aconseguir programar el Picaxe-14M.

Un altre gran problema ha estat la correcte utilització del microcontrolador, ja

que ens vam llegir els manuals molt per sobre i no ens vam adonar que les dues

resistències del circuit de programació hi havien d’estar sempre presents i connectades a

la pota 2 del microcontrolador, ens en vam donar compte quan posàvem el

microcontrolador sobre el sòcol, ja que no funcionava. Ho vam haver de solucionar

soldant les dues resistències que ens faltaven a la placa com es pot veure en la figura 51.

Un altre problema sense tanta rellevància va ser la construcció del xassís del

robot i l’acoblament de les rodes de fusta als moto reductors. Com que tot el robot està

construït per nosaltres i amb peces que vam trobar per casa va ser bastant difícil que tot

encaixés perfectament i tingués una bona estabilitat. Per acoblar les rodes de fusta als

moto reductors vam tenir alguns problemes perquè quedessin ben encaixades i no es

moguessin però finalment amb un bis ho vam aconseguir.

Un altre problema que també ens va portar maldecaps va ser la base on es

col·loquen els sensors òptics. Va ser bastant dificultós trobar les mides adequades entre

els sensors perquè el robot pogués seguir bé la línia, però finalment, després de fer

moltes proves vam trobar les mides justes. També va ser dificultós fer els forats amb la

mida exacte perquè els sensors hi cabessin i alhora no quedessin massa poc ajustats i

poguessin caure.

L’últim problema a destacar, i és probablement el que ens ha ocupat més temps,

ha estat la bona programació del microcontrolador. Al principi el nostre robot anava bé

però perdia la línia sovint. Després de fer molts retocs i provar diferents coses vam

aconseguir reduir la possibilitat de perdre la línia.


Página 48

Si comencéssim aquest projecte ara, després d’haver adquirit tots aquests

coneixements, ho enfocaríem d’una manera diferent. Alhora de fer el disseny i triar els

components pensem que ho faríem d’una manera més ràpida perquè ara ja estem

familiaritzats amb segons quins components i ja sabríem on buscar-los. Tampoc

hauríem de llegir-nos un altre cop tots els manuals per a la programació dels

microcontroladors Picaxe i a l’hora de programar-lo ens seria molt més fàcil perquè ens

hem passat bastantes hores modificant i perfeccionant el programa i considerem que

hem assolit un nivell bàsic. Una gran avantatge és que no tornaríem a cometre els

mateixos errors i problemes que ens hem anat trobant, com pot ser la connexió entre el

microcontrolador i l’ordinador, que la vam fer malament, o, posteriorment, el moment

que ens vam deixar de soldar un parell de resistències al Picaxe i no ens funcionava res.

Per millorar el robot que hem construït se’ns han acudit diverses coses:

Que fos capaç de decidir si anar cap a la dreta o cap a l’esquerre en el cas que es

trobés en un encreuament.

En el cas que es trobi un objecte, que tingués la capacitat d’evitar-lo passant-lo

pel costat o fer marxa enrere o simplement que gires sobre si mateix i continues

el circuit en sentit contrari.

Per evitar la utilització de piles, la placa podria estar alimentada per plaques

solars o amb piles de combustible que utilitzen hidrogen.

Incorporar-li una càmera per poder observar per on passa el robot.

Que pugui ser controlat per ordinador a través d’internet

De cara a les aplicacions que podria tenir un robot rastrejador podria ser en el

món de la indústria. Per exemple, en un magatzem industrial molt gran es podrien

utilitzar els principis de funcionament d’en Pic per fabricar un robot que sigui capaç de

transportar material d’un lloc a un altre del magatzem seguint una línia del terra. Però

l’aplicació que pensem que li escau millor al nostre robot és de diversió, com si fos una

joguina per regalar per Nadal perquè un nen hi pugui jugar.

Com a valoració personal d’aquest projecte ens agradaria dir que ha estat un

projecte molt interessant i entretingut i que malgrat els entrebancs que ens hem anat

trobant i el munt d’hores que hi hem dedicat, ha estat una molt bona experiència. Hem

de dir que en alguns moments vam estar a punt d’abandonar perquè ja se sap, si falla un

component electrònic res no funciona i es molt difícil identificar el causant de aquest


Pàgina 49

problema ja que s’han de revisar tots els components un per un i tot i així a vegades no

trobes el problema. Ens ha servit per assolir uns coneixements en electrònica que ens

han ajudat a encaminar-nos de cara a l’any que ve per cursar una carrera universitària de

tipus tècnica. Ens agradaria advertir a qualsevol persona que vulgui fer un treball similar

que cal començar amb temps ja que el treball és laboriós i s’ha de tenir paciència i ganes

per acabar-lo.

7. AGRAÏMENTS

Volíem agrair al nostre tutor Mario Cambredó l’ajuda que ens ha proporcionat

en els moments de dubtes i, sobretot, els seus consells per poder realitzar el treball

escrit correctament i amb unes bones pautes.

També agraïm a Pere Picas i Josep Picas el temps que ens han donat resolent

dubtes i la seva ajuda desinteressada en la construcció de la placa PCB i la programació

del microcontrolador.

8. BIBILOGRAFIA

Webs visitades:

Comprar tot tipus de components: http://es.rs-online.com/web/ [15/5/11]

Web de la casa Picaxe: http://picaxe.es/ [29/5/11]

Informació de robots rastrejadors: http://www.robolot.org [15/5/11]

Descarregar gratuïtament un programa per simulacions: http://www.yenka.com

[22/5/11]

Informació robòtica: http://robots-argentina.com.ar/ [29/5/11]

Informació general: http://www.edu365.cat/ [29/5/11]

Informació general: http://www.xtec.cat/ [29/5/11]

Informació electrònica i picaxe: http://www.tecnologiaseso.es [13/6/11]

Informació sensors òptics: http://www.micropik.com/pdf/cny70.pdf [14/6/11]

PICs, electrònica i robòtica: http://picrobot.blogspot.com [15/6/11]

Datasheets de components: http://www.datasheetcatalog.com/ [18/6/11]

Datasheets de components: http://www.alldatasheet.com/ [18/6/11]


Página 50

Construcció placa PCB: http://optimus.meleeisland.net/downloads/misc/

construccion_pcb.pdf [26/7/11]

Informació components electrònics: http://tecnologiafuentenueva.

wikispaces.com/file/view/COMPONENTES+ELECTR%C3%93NICOS+B%C3

%81SICOS.pdf [3/9/11]

Conceptes de robòtica: https://sites.google.com/site/aulatecrobotica

n/home/conceptes [3/9/11]

Conceptes bàsics sobre electrònica: http://www.elprisma.com/apuntes

/ingenieria_electrica_y_electronica/conceptoselectronica/ [[3/9/11]

Conceptes generals electrònica: http://www.superpbenavides.com/conceptos-

basicos-electronica.html [3/9/11]

Informació general: http://www.monografias.com/ [19/9/11]

Electrònica analògica: http://guimi.net/descargas/Monograficos/G-

Electronica_analogica.pdf [19/9/11]

Circuits i sistemes digitals: http://www.iearobotics.com/

personal/juan/docencia/apuntes-ssdd-0.3.7.pdf [19/9/11]

Electrònica en general: http://www.unicrom.com/ [1/7/11]

Informació microcontroladors: http://www.mikroe.com/ [2/7/11]

Blog de tecnologia: http://tecno4ovaz.blogspot.com/ [2/7/11]

Llibres consultats:

Tecnologia 4ESO. Editorial Teide. ISBN: 978-84-307-8684-8 [16/6/11]

Tecnologia Industrial I. Editorial Edebé. ISBN: 978-84-236-9207-1 [4/9/11]

Ciències per al món contemporani. Batxillerat. Editorial Teide. ISBN 978-84-

307-5246-1. [24/9/11]


Pàgina 51

9. ANNEXOS

Ampliació de conceptes

9.1. Annex 1: Plànols del xassís d’en Pic

170mm

30mm

15mm

100mm

60mm 100mm 15mm

60mm

20mm

Alçat

Planta

Perfil


Página 52

9.2. Annex 2: Fitxes tècniques dels components utilitzats

Regulador de tensió TS7805:

Paràmetre Mínim Típic Màxim

Voltatge de sortida 4,90V 5V 5,10V

Voltatge d’entrada 7V - 35V

Potència dissipada - - 2W

Temperatura de

treball -20ºC 25ºC 85ºC

Sortida de tensió de

soroll - 40μV -

Caiguda de tensió - 2V -

Resistència de

sortida - 17mΩ -

25mm


Pàgina 53

Corrent màxima de

sortida - 2,2A -

Coeficient de

temperatura - -0,6 mV/ºC -

Temperatura de


Sensors CNY70:


Voltatge emissor - 1,25V 1,6V

Voltatge receptor - 5V 32V

Corrent emissor - - 50mA

Corrent receptor 0.3 mA 1 mA 50mA

Potència dissipada - - 200mW

Temperatura de


Sensor de distància Sharp:


Rang de mesurament 10 cm - 80 cm

Voltatge entrada 4,5 V 5 V 5,5 V

Intensitat - 30 mA 40 mA

Voltatge sortida 0 V - Voltatge

entrada

Temperatura de treball -10ºC - 60ºC

Transistors BDX53:


Voltatge col·lector-emissor - - 45 V


Página 54

Voltatge col·lector-base - - 45 V

Voltatge emissor-base - - 5 V

Corrent del col·lector - - 8-12 A

Corrent de la base - - 0,2 A

Potència dissipada - - 60W

Temperatura de treball -65ºC 25ºC 150ºC

Moto reductor RBL4100:


Voltatge d’alimentació 3V 4,5V 12V

Velocitat sense càrrega - 100 rpm -

Velocitat amb càrrega - 87 rpm -

Consum sense càrrega - 0,2A -

Consum amb càrrega - 0,5A -

Potència - 0,4W -

9.3. Annex 3: Codi font sencer del programa d’en Pic.


Pàgina 55


Página 56

9.4. Annex 4: Taula d’equivalències de nombres decimals, binaris i

hexadecimals

Sistema decimal Sistema binari Sistema hexadecimal

0 0000 0

1 0001 1

2 0010 2

3 0011 3

4 0100 4

5 0101 5

6 0110 6

7 0111 7

8 1000 8

9 1001 9

10 1010 A

11 1011 B

12 1100 C

13 1101 D

14 1110 E

15 1111 F

9.5. Annex 5: Origen del disseny de la carcassa

En construir el primer prototip ja vam veure clar que el robot necessitava

millorar el seu acabat estètic ja que tants cables i peces soltes semblaven un

trencaclosques electrònic mal muntat. La idea inicial per construir la carcassa era fent-la

amb un disseny similar al d’un cotxe de fórmula 1 com els que es veuen a la televisió

però després de veure tots els inconvenients que ens resultava alhora de muntar-lo ens

vam decantar per un disseny més clàssic, l’escarabat.

El Volkswagen Sedan, també conegut com a Volkswagen Tipus 1 i més

comunament com Escarabat, és un automòbil de baix cost produït pel fabricant alemany

Volkswagen a l’any 1938. Fou el primer automòbil de la marca i van construir-se'n 21

milions, una xifra més que espectacular en aquells temps.


Pàgina 57

Investigant una mica sobre els orígens d’aquest clàssic ens vam endur una

sorpresa ja que no teníem ni idea de la curiosa història que s’amaga rere el disseny

d’aquest automòbil. Tot començà en els temps en que Adolf Hitler, llavors canceller a

Alemanya, ideà una xarxa d'autopistes dissenyades per unir tot el país per carretera

ràpidament, però es trobà amb l'inconvenient que la majoria de la població alemanya no

tenia cotxe.

El 1933 Hitler feu cridar a Ferdinand Porsche per encarregar-li el disseny d'un

"Volkswagen" que significa vehicle popular o més ben dit, un automòbil a l'abast de

l'economia popular. Es tractava d’un vehicle bàsic que havia de ser capaç de transportar

dos adults i tres nens a una velocitat màxima de 100km/h, i que fos assequible per a la

classe obrera. A més a més el propi Hitler va especificar que el cotxe havia de necessitar

el mínim manteniment possible i a més a més havia de tenir una carcassa moderna i

aerodinàmica.

A l’any 2003 es va fabricar l’últim Escarabat que actualment està exposat al

museu de Wolfsburg, Alemanya.

9.6. Annex 6: Diari

15/5/11 dia 0:

Comencem a investigar des de zero ja que el nostre coneixement en el camp de

la robòtica és pràcticament nul i necessitem començar a informar-nos sobre xips i altres

elements electrònics com els transistors, díodes, resistències, etc...

Objectiu d’avui: recopilar informació sobre diferents tipus de xips que podríem

utilitzar.

Problemes: hem començat a buscar xips i hem vist que n’hi ha de molt tipus. Al

investigar una mica més hem après que funcionen a base de portes lògiques. N’hi ha que

es poden programar i n’hi ha que ja venen programats amb les diferents portes lògiques

introduïdes a dins.

Per exemple: hem trobat un xip anomenat “CD74AC32M” que les seves potes o

pins formen portes del tipus OR.

També hem descobert que els xips del tipus PIC són programables, com aquest

PIC16LF1828.


Página 58

Hem començat a ficar-nos dins el món de les portes lògiques, de moment ja

n’hem distingit de 6 tipus:

-Portes AND

Amb una porta AND, les dues entrades han d'estar activades (1) per que la

sortida estigui activada. Si A i B estan activades (1), la sortida estarà activada (1). Si A

o B es troben desactivades (0) la sortida també estarà desactivada (0).

ENTRADA SORTIDA

A B A AND B

0 0 0

0 1 0

1 0 0

1 1 1

Es simbolitza així:

-Portes OR

Amb una porta OR, si qualsevol de les entrades està activada (1), la sortida

estarà activada (1). Si A o B estan activades, la sortida també estarà activada (1). Si tant

A com B estan desactivades (0), la sortida estarà desactivada (0).

ENTRADA SORTIDA

A B A OR B

0 0 0

0 1 1


Pàgina 59

1 0 1

1 1 1


-Portes NOT:

La porta lògica NOT es limita a canviar el senyal que arriba a l’entrada, si és

positiu (1) el canvia per negatiu (0) i al revés, si és negatiu (0) el canvia per positiu (1).

ENTRADA SORTIDA

0 1

1 0


-Portes EXOR:

Aquesta porta dóna com a sortida positiu (1) a la sortida únicament quan les

dues entrades són diferents, és a dir, que és negativa (0) i l’altra és positiva (1). Quan les

dues entrades tenen el mateix estat (totes dues 0 o totes dues 1) la sortida és negativa

(0).

ENTRADA SORTIDA

A B A EXOR B

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0


Página 60


-Portes NAND:

Aquesta porta està composta per una AND i una NOT. A la sortida surt l’estat

contrari que una AND, és a dir, dóna negatiu (0) únicament quan les dues entrades valen

1.

ENTRADA SORTIDA

A B A NAND B

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0


-Porta NOR:

Aquesta porta està composta per una OR i una NOT. A la sortida surt l’estat

contrari que una OR, és a dir, dóna positiu (1) únicament quan les dues entrades valen 0.

ENTRADA SORTIDA

A B A NAND B

0 0 1

0 1 1

1 0 1

1 1 0


Pàgina 61


22/5/11 dia 1:

Hem trobat a http://www.yenka.com/en/Free_Yenka_home_licences/ un

programa que ens podem descarregar gratuïtament i que ens permet fer circuits

electrònics amb microcontroladors PIC.

29/5/11 dia 2:

Avui ens disposem a trobar informació sobre tot tipus de components electrònics

per poder fer-los servir en el nostre robot rastrejador.

Resistències: és un objecte format per un material que oposa el pas del corrent

elèctric. La seva unitat es l’ohm (Ω). La resistència d’un circuit es pot calcular de la

següent manera amb la llei d’Ohm:

Hi ha un codi de colors que serveix per identificar el valor en Ohms d'una

resistència

Els dos primers anells corresponen a les dues primeres xifres, i el tercer anell, indica el

nombre de zeros. Finalment hi ha un quart anell que indica la tolerància del component.

Semiconductors:

Díode: està fabricat amb materials semiconductors. Això permet que nomes

deixa passar el corrent elèctric en un sentit, quan li arriba per A (ànode) i surt per K

(càtode). Quan passa això actua com un interruptor tancat i es diu que està en estat de

conducció amb polarització directe. Del contrari es diu que esta en estat de blocatge i

actua com un interruptor obert. Es diu que esta amb polarització inversa.


Página 62

Díode LED: és un emissor de llum. Actua igual que un diode i quan està en estat

de conducció emet llum. La caiguda de tensió entre els seus terminals ha de ser de 1,5 V

i hi pot passar entre 10 i 30 mA d’intensitat.

Transistors: està format per tres parts de semiconductors. Aquestes parts

s’anomenen col·lector, base i emissor. La base sempre esta entre el col·lector i

l’emissor. Hi ha dos tipus de transistors:

Tipus PNP:

Tipus NPN:

Aquest tipus és el més utilitzat i probablement el que farem servir en la part de

potència per poder fer funcionar els motors, ja que els voltatges i intensitats que s’han

de fer servir pels motors i per la placa de control són diferents.

Actua com un transistor de commutació. Això vol dir que quan li arriba el

corrent per la base, deixa passar el corrent que arriba pel col·lector i passa cap a

l’emissor.


Pàgina 63

En el cas que no li arribi corrent per la base actua com un interruptor obert i no

deixa passar el corrent del col·lector a l’emissor.

Condensadors: es un dispositiu que té la capacitat d’emmagatzemar energia

elèctrica i desprès alliberar-la. En funció de la seva capacitat per emmagatzemar

l’energia (mesurada en Farads) en distingim la següent classificació:

Condensadors fixos: mantenen la seva capacitat i es distingeixen pel material

dielèctric que han estat construïts.

Condensadors variables: tenen la capacitat de ser ajustats i així variar la seva

capacitat d’emmagatzematge.

13/6/11 dia 3:

Avui comencem a projectar els nostres objectius per al robot, que de moment

són aquests:

-Que sigui capaç de seguir una línia que contrasti amb la superfície on està

pintada

-Que sigui capaç de assolir certa velocitat

-Que no es desviï del rumb pintat


Página 64

De moment ens centrarem única i exclusivament en el primer que és l’objectiu

fonamental d’aquest treball.

Pressupost

Volem construir el millor robot amb tantes característiques i funcions com sigui

possible pel preu de 30€, 15 per cap.

Hem pensat en fer servir un microcontrolador del tipus PIC. El que ens ha cridat

més l’atenció ha estat el fet que poden ser programats. D’aquesta manera podrem

processar la informació que ens arribi dels sensors CNY70, i poder accionar els

diferents servomotors. Encara hem de triar el tipus de PIC que utilitzarem, ja que n’hem

trobat diferents models. Per exemple els PIC12 tenen menys pins que els PIC16 i aquest

menys que els PIC18.

A l’hora de programar-los s’usa un dispositiu anomenat programador.

- Els principals programadors de PICs que hem trobat:

PICStart Plus (port sèrie y USB)

Promate II (port sèrie)

MPLAB PM3 (port sèrie y USB)

ICD2 (port sèrie y USB)

ICD3 (USB)

PICKit 1 (USB)

IC-Prog 1.06B

PICAT 1.25 (port USB2.0 para PICs y Atmel)

WinPic 800 (port paral·lel, sèrie y USB)

PICKit 2 (USB)

PICKit 3 (USB)

Terusb1.0

Eclipse (PICs y AVRs. USB.)

MasterProg (USB)

14/6/11 dia 4:


Pàgina 65

Avui al ser la primera setmana de vacances ens disposem a començar a pensar

com farem la placa de control i amb quins components.

Probablement optarem pel sensor CNY70 òptic reflectiu. L’hem triat perquè els

seu cost es bastant barat i és fàcil d’utilitzar. Actua com un transistor NPN. Com més

llum rep del detector, més corrent deixa passar.

Avui també ens hem centrat en el microcontrolador que utilitzarem. Ahir vam

veure que els microcontroladors del tipus PIC són programables, però avui hem entrat a

la pàgina web de picaxe i en hem adonat que potser seria més fàcil fer-ho amb un

Picaxe-8M, de nomes 8 pins, ja que hem pensat que només necessitem dues entrades

(pels dos sensors) i 4 sortides (dues pels servomotors i dues per dos LEDs). Aquests dos

LEDs ens indicaran si el robot està girant cap a la dreta o cap a l’esquerra.

Estem decidint si fer servir Picaxe o Pic.

15/06/11 dia 5:

Amb l’ajuda del llibre de 4t d’ESO de tecnologia de l’editorial Teide hem

descobert que existeixen un tipus de aparells anomenats reguladors de tensió que són

més eficaços, barats i més fàcils de fer servir que un conjunt de resistències en sèrie,

anem a informar-nos primer del tema per corroborar si la informació que tenim és vàlida

i és apte per el nostre tipus de treball.

Reguladors de tensió:

Un regulador de tensió és un dispositiu electrònic dissenyat amb l'objectiu de

proporcionar un voltatge constant i inferior al voltatge que proporciona la font

d’alimentació per tal de que els aparells que no puguin suportar el voltatge original

puguin funcionar correctament.

Avui també ens hem estat mirant com farem que el nostre robot es mogui

utilitzant servomotors. Potser utilitzarem 2 servomotors que Hitec HS-311 que al llibre

de 4t d’ESO de tecnologia també fan servir. Allà diu que té una tensió de funcionament

d’entre 4,8 i 6V.

Com que el regulador 7805 necessita una tensió d’entrada igual o major que 8V

per poder tenir una sortida de 5V, hem hagut de trobar un motoreductor que es pugui


Página 66

utilitzar amb més de 8V. A la web de picaxe n’hem trobat un que es diu RBL4100 i a

més a més es barat i fiable.

16/06/11 Dia 6:

Avui volem començar a aclarir els components que necessitarem comprar per

poder muntar i programar el nostre robot, a continuació posem la llista:

-Resistències: decidir els valors

-Transistors: BDX53(X2)

-Sensor òptic: CNY70 (X2)

-Micro controlador: PICAXE-08M

-Connectors: Picaxe 8 pins,

-Soldador: JBC 14S 11W

-Protoboard (+ programador) Kit Picaxe 08M amb cable de sèrie

-Interruptor

-Servos: -Futaba BLS651 o Hitec HS311

- Motoreductor: RBL4100

-Cables: Normals (negre i vermell)

-Pila i porta pila

-Regulador de tensió: TS7805

-Díodes LED (verd i vermell)

-Estany: per soldar

-Rodes : de cotxe teledirigit

Pels preus que estem veient és obi que superarem el nostre pressupost, per la

qual cosa intentarem reciclar alguns dels materials que ens fan falta de joguines o

aparells vells que trobem per casa.

17/06/11 Dia 7:

El pressupost real queda així:

Component Unitats Preu

Kit Inicación Picaxe 08M,cable Serie

1

10,75

http://www.picaxe.biz/tienda/index.php?page=pp_producto.php&md=0&codp=9095



Pàgina 67

Microcontrolador Picaxe-08m

1

1,85

Regulador de tensión 5V-1A

1

0,25

LED rojo de 3mm

1

0,08

LED verde de 3mm

1

0,08

Pack 10 Resistores 220 ohm

1

0,42

Zócalo circuito integrado 8 pins

1

0,08

Motoreductor RBL4100

2

5,68

CNY70

2

1,86

Transistor BDX53

2

2,96

Subtotal 24,01

Costs de transport 9,00

Reemborsament agencia de transportes 4,15

IVA 6,69

Total (€) 43,85

18/6/11 Dia 8:

Ens hem adonat que el nostre robot només complirà una funció i hem pensat de

fer-li fer dues funcions. La primera, com ja hem dit, serà la de seguir la línia i la segona

hem pensat de ficar-li un sensor de proximitat perquè eviti algun obstacle i no hi xoqui.

A la web de picaxe hem trobat diferents sensors d’ultrasons que podríem fer servir. Però




















Página 68

ens hem trobat davant d’un problema i es que el nostre microprocessador triat no té

suficients entrades per poder acoblar-li aquest nou sensor. Per tant, hauríem d’agafar un

microprocessador que pogués tenir més entrades i això portaria a variar la nostra llista

de la compra i l’esquema de la placa.

20/6/11 Dia 9:

Ahir dia 19 vam estar parlant amb uns familiars entesos en electrònica perquè

ens donessin la seva opinió sobre com havíem dissenyat el circuit. Ens van aconsellar

que poséssim 4 sensors fotoelèctrics enlloc de 2 per evitar que el robot perdés la línia.

També ens van dir que els LEDs que havíem posat abans del transistor els poséssim

amb un altre output del picaxe perquè no hi hauria prou intensitat per fer-li fer llum. I

per últim també ens van aconsellar que el motoreductor el poséssim al col·lector del

transistor i no a l’emissor. També ens van advertir que amb 9V els motors potser anirien

massa de pressa i els sensors no tindrien temps d’actuar, i per això potser hauríem de

baixar la tensió que passes pels motors.

Així dons, la llista de la compra i l’esquema tornen a canviar.

21/6/11 Dia 10:

Avui hem discutit sobre com programarem el nostre Picaxe-14M. Ens van

aconsellar de fer el prototipus en una placa protoboard i programar-lo directament allà

sense haver-lo de treure i posar tota l’estona perquè es podria espatllar. Per aquest

motiu, hem trobat un circuit molt simple que ens permetria programar-lo però

necessitem un cable USB de descàrrega Picaxe i un sòcol Picaxe Stereo 3’5mm i una

resistència de 22k i una de 10k. Així dons la llista de la compra torna a canviar i es la

següent (i esperem que sigui la definitiva):


Pàgina 69

Component Unitats Preu

Portapilas para 6 pilas formato AA con clip

1

1,14

Regulador de tensión 5V-1A

1

0,25

CNY70

4

3,72

Sensor de distáncia Sharp GP2Y0A21YK0F

1

10,10

Microcontrolador Picaxe-14M

1

2,15

Transistor BDX53

2

2,96

LED rojo de 3mm

2

0,16

Motoreductor RBL4100

2

5,68

Zócalo circuito integrado 14 pins

1

0,10

Zocalo Picaxe Stereo 3,5mm

1

0,13

Cable USB descarga Picaxe

1

13,29

Software Picaxe Programming Editor

1

3,69

SubTotal 43,37

Gastos de envío 9,00

Reembolso agencia de transportes 4,15


























Página 70

IVA 10,17

Total (€) 66,69

Les resistències no les hem comprat perquè ens les deixen uns familiars per no

haver de comprar un pack de 10.

Les resistències són de 220 ohms i 100k per la següent raó:

Necessitem que hi hagi el mínim consum d’intensitat perquè les piles puguin

durar més. La resistència mínima que es pot posar al díode LED d’infrarojos del sensor

CNY70 es calcula:

R=V/I=5/0,05=100 ohms (mínim). Si posem una resistència de 220ohms tenim

una intensitat de I=V/R= 5/220= 0,022 A = 22 mA (menys de la meitat) i també hem

triat que sigui de 220 ohms perquè es el valor de la resistència que permet que hi hagi

mes o menys la meitat del consum màxim.

La resistència que hi ha desprès del fotodíode com més gran sigui millor perquè

el que importa es que arribin els volts a l’input del picaxe-14m, per tant haurà de ser de

100k.

Les resistències dels LEDs que fan d’intermitent també tindran una resistència

de 330 ohms perquè no s’espatllin amb la intensitat que surt dels outputs.

La resistència de 10k que hi ha abans dels transistors serveixen perquè no

s’espatlli per la intensitat.

El condensador que hi ha entre els 5V d’entrada al picaxe i els 0V de sortida del

picaxe serveix perquè no hi hagin fluctuacions de la tensió i perquè sigui constant quan

entri al picaxe.

28/6/11 Dia 11:

Ahir ens van arribar les peces i avui ens disposem a començar a muntar el

prototip a la placa protoboard, però abans comprovarem que les peces funcionin.

Hem començat comprovant el regulador de tensió. Tot seguit hem soldat els

cables al sensor CNY70 i hem comprovat si funciona. Quan el sensor estava sobre el

paper blanc el LED feia més llum i quan estava sobre la superfície negre no en feia.


Pàgina 71

També vam intentar de programar el nostre picaxe-14M amb el Programming

Editor però a la hora que li dèiem de descarregar el programa al xip ens deia que no

detectava el hardware.

29/6/11 Dia 12:

Avui hem parlat amb el Mario sobre els problemes a la hora de programar el

picaxe -14M. Hem aconseguit un parell de rodes reutilitzades d’un cotxe teledirigit

però no hem sabut programar el xip novament.

30/6/11 Dia 13:

Avui hem començat a programar per escrit el programa que haurem de

descarregar al nostre picaxe-14M. Ho hem programat en Basic i en diagrama de línies,

de les dues maneres, tot i que no esta acabat.

Avui també ens hem fixat en el disseny de la carcassa del nostre robot. Com que

a davant hi haurà 4 sensors en línia, hem pensat de que el nostre robot s’assembli a un

cotxe de Ferrari de formula 1. Hem fet el primer esbós del cotxe i no ens ha desagradat

la idea.

6/7/11 Dia 14:

Avui després de molts intents fallats hem aconseguit muntar be el circuit per tal

de poder programar el nostre processador Picaxe, el problema principal ha sigut un

esquema enganyós que tenia la vista equivocada, amb la qual cosa ens ha fet equivocar

a l’hora de connectar els cables, després de molts intents i de canviar opcions per

casualitat se’ns ha acudit que el circuit podria estar mal connectat, hem repassat els

esquemes i manuals subministrats amb el producte i finalment hem canviat el circuit per

curiositat i ens ha funcionat.

Hem fet un programa senzill per provar el funcionament del xip i ha funcionat

correctament.

Dia 11/7/11 Dia 15:

Avui hem fet el prototip de tot el circuit sobre la placa protoboard i hem

programat el microcontrolador per tal que tot funcioni correctament i li hem tirat fotos.


Página 72

Avui també hem construït el prototip del robot, de manera senzilla tot i que ja

ens ha portat bastants problemes i ens ha conduït a canviar certs aspectes del disseny

definitiu del robot, com per exemple la posició dels sensors, que aniran més avançats i

en formació de semicercle respecte al robot.

El resultat ha resultat satisfactori tot i que el robot se’ns ha perdut el més d’una

corba i l’hem hagut de redreçar perquè pogués seguir el circuit.

Dia 12/7/11 Dia 16:

Hem canviat el programa que havíem escrit per al robot per tal que funcioni a la

inversa, és a dir, que detecti una línia negra sobre un fons blanc enlloc de detectar una

línia blanca sobre un fons negre.

Dia 13/07/11 Dia 17:

Avui hem seguit fent algun canvi al programa per tal que el robot es posi a donar

voltes quan perd la línia per tal que pugui retrobar-la. Comencem a planejar la

construcció d’un segon prototip més estret i amb les rodes més grans.

Dia 14/07/11 Dia 18:

Avui hem començat a construir el nostre nou prototip, de moment sembla que

funcionarà bé però encara ens falta muntar els motors i les rodes.

Dia 15/07/11 Dia 19:

Ens hem trobat amb problemes per canviar les rodes del robot, hem fet canvis en

l’estructura del prototip i finalment ha quedat acceptable, ara comencem a fer proves per

tal de millorar l’eficàcia dels sensors.

Dia 16/07/11 Dia 20:

Hem canviat altre cop la posició dels sensors. Hem endarrerit més els dels

extrems i estem buscant una manera de fer que el robot vagi més lent a l’hora de girar

quan perd la línia però no ens en sortim.


Pàgina 73

Dia 18/07/11 Dia 21:

Hem tornat a canviar la posició dels sensors ja que quedava massa espai entre la

línia i els sensors exteriors i això li provocava un error al robot que creia haver perdut la

línia i es posava a donar voltes.

Dia 19/07/11 Dia 22:

Avui hem fet al disseny de la placa amb l’ajuda del programa PCB Wizard.

Dia 26/7/11 dia 23:

Avui hem buscat informació sobre com es fa una placa PCB i a on podem

comprar els materials necessaris.

Dia 2/8/2011 dia 24:

Avui gràcies a l’ajuda d’en Josep Picas, que ens ha facilitat el material, hem

construït la placa PCB.

Dia 3/8/2011 dia 25:

Avui hem soldat a la placa els components electrònics.

Dia 31/8/2011 dia 26:

Avui després d’un més sense treballar, continuem amb el nostre robot. L’hem

provat amb la placa PCB i va de meravella. No se surt de la línia ni un sol cop. Però hi

ha un problema: quan posem el picaxe-14M al sòcol el robot es torna boig, però si

posem el xip sobre la placa protoboard i fem que surtin cables del sòcol cap a la placa

protoboard on hi ha el xip funciona perfectament. Hem descobert que ens vam deixar

unes resistències. Només hem hagut de soldar-les a la part de les soldadures per no

tornar a fer una nova placa.

Dia 1/9/2011 dia 27:

Avui hem estat parlant i hem decidit fer la carcassa amb filferro dolç per després

cobrir-lo amb cola d’empaperar i després pintar-ho. Com que ens costava molt que el


Página 74

filferro quedés recte hem decidit provar-ho amb palets de fusta que es fan servir per fer

els “pinxos”.

Dia 2/9/2011 dia 28:

Avui hem tingut una magnífica idea de fer l’esquelet de la carcassa amb peces

del Knex, ja que es poden unir entre elles fàcilment i es poden fer moltes formes

diferents i originals. Avui hem començat a fer la carcassa. Quan l’acabem, tenim previst

acabar-la i tapar-la amb tires de paper de diari untades amb cola d’empaperar per

després poder pintar-hi a sobre.

Dia 3/9/2011 dia 29:

Avui hem continuat fent la carcassa. Ens pensàvem que tindríem temps per

acabar-la però ens ha faltat temps.

Dia 7/9/2011 dia 30:

Avui hem continuat fent la carcassa.

Dia 8/9/2011 dia 31:

Avui al matí hem acabat de fer la carcassa amb peces del Kenex, filferro

enganxat amb cinta adhesiva i cartolina per sobre. Quan hem acabat de fer tot això ja ha

sigut hora de dinar, per aquest motiu hem fet una primera capa de paper de diari amb

cola d’empaperar perquè quan acabéssim ja estigués la cola seca per poder fer una

segona capa per acabar de polir les arrugues.

Dia 9/9/2011 dia 32:

Avui hem quedat per pintar la carcassa d’en Pic. L’hem pintat amb temperes de

color groc. Hem fet una primera capa i quan s’ha assecat hem fet la segona.

Dia 12/9/2011 dia 33:

Avui hem fet les línies de color negre a la carcassa.

Dia 27/11/11 dia 34:


Pàgina 75

Avui hem acabat de fer els últims detalls a la carcassa i finalment l’hem

col·locada a sobre del robot. Per fi hem acabat el robot.

CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT RASTREJADOR · CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT...

Documents

Transcript of CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT RASTREJADOR · CONSTRUCCIÓ DEL PIC, EL NOSTRE ROBOT...