Глава 7. Завершение работы над Бастером I

Эта глава посвящена завершению работы над Бастером I. Под управлением 4-разрядных двоичных слов система выполняет 16 различных действий. Единственный автоматизм заключается в управлении выходом в центр, который выводит механизм поворота в среднее положение при отсутствии команд поворота на входе дешифратора команд.

Бастер I едва ли является роботом. Практически он лишь недалеко ушел от усовершенствованной игрушки, способной поворачивать. Это утверждение звучит несколько парадоксально, если подсчитать труд и средства, вложенные в него, однако при современной технологии успех всякого предприятия возможен только при реалистическом взгляде на вещи, а Бастер все-таки не робот, по крайней мере сейчас.

Несмотря на свою очевидную ограниченность, Бастер все же уникален. Немного есть любительских разработок в области науки и техники, которые в перспективе могут превратиться в нечто более значительное и совершенное. Бастер из их числа.

Настоящая глава служит двум целям. Во-первых, дать экспериментатору обзор всего, что было сделано до настоящего времени. Во-вторых, предложить некоторые дополнения и усовершенствования, которые сделают Бастера более занимательным и "послушным".

Обзор сделанной работы

Полная диаграмма соединений между различными блоками Бастера I приведена на рис. 7.1. Выходом системы управления являются двигатели движения и поворота, а ее входом - 4-разрядное двоичное управляющее слово.

Рис. 7.1. Полная диаграмма соединений между блоками Бастера I

Источник питания (гл. 2) обеспечивает выходные усилители и оба двигателя напряжением питания +6 В. Источник напряжения +12 В обеспечивает питанием выходные реле и два регулятора напряжения +5 В. Регуляторы дают стабилизированное напряжение +5 В для питания микросхем серии 7400.

Дешифратор команд движения и поворота (гл. 6) принимает с панели управления 4-разрядные двоичные управляющие слова и преобразует их в сигналы управления, которые управляют блоками движения и поворота. Дешифратор команд связан с панелью управления двухметровым кабелем.

Оба варианта схемы дешифратора команд выдают один и тот же набор выходных сигналов, но их входные сигналы несколько различаются. Так, в первом варианте дешифратора требуются как прямые, так и инверсные значения разрядов управляющего слова, а для второго варианта достаточно только прямых сигналов.

Плата управления скоростью движения (гл. 4) отвечает за преобразование входных сигналов, задающих скорость, в широтно-модулированные импульсы. Выходной сигнал блока управления скоростью обозначен S_O. Одна из функций платы усилителей реле (гл. 3) состоит в усилении сигнала S_O, что увеличивает его мощность до величины, достаточной для управления двигателем.

Логическая плата управления поворотом (гл. 5) принимает сигналы управления поворотом от дешифратора команд и сравнивает их с текущим положением механизма поворота передних колес. Сигналы обратной связи о положении механизма поворота поступают от набора контактных датчиков с магнитоуправляемыми контактами.

Блок управления поворотом выдает только два выходных сигнала M_R и M_L. Высокий потенциал на этих шинах появляется в тех случаях, когда необходим поворот колес вправо или влево. Эта система является пока единственной системой с электромеханической обратной связью, входящей в состав системы управления Бастера.

Плата усилителей реле усиливает сигнал S_O по мощности. Она также усиливает сигнал управления направлением движения и сигналы управления поворотом до уровня, достаточного для срабатывания реле на плате реле (гл. 3). Последняя обеспечивает изменение знаков напряжений, поступающих на двигатели движения и поворота. Полярность напряжения, поступающего на двигатель движения, определяет направление движения Бастера (вперед - назад), а полярность напряжения на двигателе поворота определяет направление вращения механизма поворота.

Приспособление для контроля напряжений

При работе с системой Бастер I наибольшее неудобство состоит в том, что рано или поздно аккумуляторы разряжаются до напряжения, при котором Бастер становится медлительным. При нормальной работе нельзя избежать разряда аккумуляторов, однако необходимо следить за их напряжениями. Идея состоит в том, чтобы вернуть Бастера на подзарядку аккумуляторов до того, как они разрядятся ниже допустимого уровня.

На рис. 7.2 изображена схема приспособления для контроля напряжений. Это приспособление помогает следить за напряжениями источников питания. В схеме дополнительно предусмотрена возможность использовать вольтметр для проверки логических уровней в любой точке системы. Всякий, кому приходилось устранять неисправности, оценит эту возможность по достоинству.

Рис. 7.2. Предлагаемая схема для контроля напряжений. V-вольтметр постоянного тока со шкалой 0-15 В (Radio Shack 22-036)

Отрицательный вывод вольтметра со шкалой 0-15 В подключен к общей точке источников питания. В положении переключателя +6 В положительный вывод вольтметра подключается непосредственно к аккумулятору, подающему питание на двигатели движения и поворота. Эта точка удобна для проверки, так как наиболее вероятно, что этот аккумулятор разрядится первым.

Два положения переключателя +5 В дают возможность проверить напряжения на выходах стабилизаторов напряжения +5 В. Эти контрольные точки тоже важны для нормальной работы, так как низкое напряжение питания логических микросхем может привести к ошибкам в их работе.

В четвертом положении переключателя вольтметр подключается к источнику питания +12 В. При движении по полу это напряжение не столь критично, как +5 В и +6 В, однако крайне желательно проводить двойную проверку выходного напряжения зарядного устройства для аккумуляторов, особенно в тех случаях, когда оно снабжено только амперметром.

В последнем положении 6-позиционного поворотного переключателя положительный вывод вольтметра через обычный разъем подключен к проводу, с помощью которого можно измерять напряжения и проверять логические уровни в любом месте системы. С помощью этого приспособления можно осуществить все проверки напряжения описанные в связи с логическими схемами Бастера.

Панели управления

В конце гл. 6 была описана довольно простая панель управления; она, по-видимому, более полезна для проверки работы дешифратора команд, чем для чего-либо другого. В этом разделе описываются два основных класса панелей управления: требующие задания с помощью тумблеров 4-разрядного двоичного числа и панели, в которых команды описываются на более естественном языке. Последние освобождают от необходимости постоянно пользоваться таблицей соответствия команд и двоичных кодов или запоминать ее.

Двоичные панели управления с запоминанием команды

Панель управления этого типа показана на рис. 7.3. Для хранения числа, заданного с помощью набора из 4 переключателей, в ней использован 4-разрядный регистр-защелка. Наберите на переключателях требуемое управляющее слово, после чего нажмите кнопку "запись". Схема передает набранный код на дешифратор команд движения и поворота и хранит код до следующего нажатия кнопки "запись" независимо от положения ключей.

Рис. 7.3. Схема двоичной панели управления с запоминанием команды. S1-S4 - переключатели с одной парой контактов; S5 - кнопка с нормально разомкнутыми контактами; ИС1-4 - разрядный регистр-защелка 7475; * - выходы О не используются во втором варианте схемы дешифратора

Основное преимущество этой панели управления состоит в том, что набирать новую команду можно в то время, когда Бастер исполняет предыдущую.

Прямые выходы O₁ - O₈ непосредственно соединяются с соответствующими входами дешифратора 1-8. Инверсные выходы панели управления подаются на входы Т-8 в первом варианте схемы дешифратора и не используются во втором варианте.

Схема представляет собой тривиальный пример использования обычного 4-разрядного регистра-защелки. Пока кнопка S5 находится в ее нормальном разомкнутом положении, выводы 4 и 13 соединены с земляной шиной через сопротивление 150 Ом, и любые изменения положений тумблеров не проходят на выходы. При нажатии кнопки 55 напряжение +5 В попадает непосредственно на выводы 4 и 13, в результате чего состояние ключей на входе записывается в регистр и появляется на выходе. Если переключатели S1 и S2 находятся в прямом положении (+5 В), а два других - в противоположном положении (0 В), в момент нажатия кнопки "запись" на выходах регистра появляется код 1100. Это состояние выходов будет сохраняться до тех пор, пока не будет набран новый код и не будет нажата снова кнопка "запись",

Для установки микросхемы можно воспользоваться стандартной панелью с 16-ю гнездами, предназначенной для микросхем с двойным параллельным расположением выводов. Панель для микросхемы закрепляется на обратной стороне панели с тумблерами; можно использовать панель управления, описанную в конце предыдущей главы.

Двоичная панель управления с запоминанием и сбросом

Однажды я показывал Бастера небольшой группе студентов инженерного отделения. Поставив Бастера на длинный стол, я стал демонстрировать его возможности. В это время система управлялась от двоичной панели управления с запоминанием, описанной в предыдущем разделе. Один любознательный студент решил попробовать управлять машиной и задал команду 1111 (FFAS). Бастер рванулся и помчался поперек стола. Прежде чем оцепеневший студент успел набрать 0000 на входных ключах и нажать кнопку "запись", Бастер достиг края стола и свалился, к счастью, на крепкие руки студентов. Эта захватывающая дух история побудила меня сделать панель управления со сбросом - специальной кнопкой "опасность", которая задает команду останова независимо от того, какая команда была задана перед этим.

Схема этой панели управления приведена на рис. 7.4. Как и в предыдущем варианте, в ней используется регистр-защелка 7475, но она имеет дополнительно набор вентилей И-НЕ, которые блокируются при нажатии кнопки "опасность" (КН2). Так как вентили инвертируют логические уровни на входах регистра, поступающие на входы дешифратора прямые и инверсные выходы регистра следует поменять местами.

Рис. 7.4. Схема двоичной панели управления с запоминанием со сбросом. ИС1 - 4-2И-НЕ 7400, ИС2-4 - разрядный регистр-защелка 7475; S1-S4 - переключатели с одной парой контактов; КН1 - кнопка с нормально разомкнутыми контактами; КН2 - кнопка с одной парой контактов

В нормальном положении кнопки "опасность" на один из входов всех вентилей поступает сигнал +5 В, что дает возможность инвертированный состояниям ключей попасть на входы регистра. Нормально регистр находится в состоянии хранения благодаря нулевому потенциалу на выводах 4 и 13, при нажатии кнопки "запись" (КН1) сигналы появляются на выходах.

При нажатии кнопки "опасность" на выходах всех вентилей появляются высокие потенциалы, так как один из входов каждого вентиля закорачивается на землю через сопротивление R1. Этим, однако, не исчерпывается действие кнопки "опасность". При ее нажатии на входы регистра 4 и 13 подается потенциал +5 В, что имитирует нажатие кнопки "запись". Таким образом, при нажатии кнопки "опасность" на всех входах регистра появляются высокие потенциалы, и эти уровни записываются в регистр.

Двоичный код на выходе регистра является инверсным, поэтому соединения с дешифратором команд движения и поворота должны быть соответствующим образом модифицированы по сравнению с показанными на рис. 7.3.

Панель управления с командами на естественном языке

Экспериментаторы, которым трудно пользоваться двоичными управляющими кодами, могут изготовить панель управления, которая автоматически генерирует соответствующий двоичный код при включении некоторого тумблера. Схема этой панели управления приведена на рис. 7.5, а. В ней использован тумблер (S1) для задания направления движения Бастера и семь кнопок, задающих скорость движения и углы поворота.

Рис. 7.5. Панель управления с командами на естественном языке. а - схема; б - расположение кнопок; S1 - переключательс одной парой контактов; КН1-КН7 - кнопка с одной парой контактов; ИС1, 3-2-4И-НЕ 7420, ИС2 - 6-НЕ 7404

Схема представляет собой непосредственную реализацию логических уравнений, приведенных в табл. 7.1. Эти уравнения получены из основной таблицы истинности дешифратора команд (см. табл. 6.2).

Таблица 7.1. Логические уравнения для панели управления с командами на естественном языке

Примерное расположение элементов на панели управления показано на рис. 7.5,б. Соединение с дешифратором осуществляется обычным кабелем длиной 2-2,5 м. Прямые выходы панели управления поступают непосредственно на соответствующие входы дешифратора; если используется первый вариант схемы дешифратора, необходимо подать в схему также инверсные сигналы.

При использовании этой панели управления с помощью переключателя задается направление движения и нажимается одна из кнопок команд. Важно, чтобы в каждый момент времени было нажато не более одной кнопки, так как в этом случае будет выдаваться неверный код. В кнопке "опасность" необходимости нет, так как машина остановится, как только все кнопки будут отпущены.

Панель со смысловым расположением гнезд

Экспериментаторы со вкусом к усовершенствованному управлению (и соответствующими финансовыми возможностями) могут разработать весьма интересные способы управления Бастером I. Примером может служить схема, изображенная на рис. 7.6. Эта схема имеет 14 входных гнезд - все команды дешифратора, за исключением двух команд останова. В гнездо можно вставить заземленный штеккер ("волшебную палочку") - это подаст на Бастер соответствующую команду. Например, если штеккер вставлен в гнездо FHRT, схема автоматически генерирует двоичный код FHRT (1010).

Рис. 7.6. Схема панели управления со смысловым расположением гнезд. J1-J14 -гнезда; R1-R14-2,2 кОм, 0,5 Вт; ИС1-ИС4-2-4И-НЕ 7420, ИС5 -4-2ИЛИ-НЕ 7402, ИС6-6-НЕ 7404

Предлагаемое расположение гнезд на панели управления приведено на рис. 7.7. Обратите внимание на то, что положение каждого гнезда связано с тем действием, которое задает эта команда.

Рис. 7.7. Панель управления со смысловым расположением гнезд

Эта основная идея допускает множество модификаций и усовершенствований, однако предоставим их разработку изобретательному экспериментатору. Например, пару гнездо - штеккер можно заменить нормально разомкнутыми магнитоуправляемыми контактами. При этом задача управления движением Бастера по полу сводится к задаче движения "волшебного перстня" над контактами, скрытыми за тонкой пластинкой (само собой разумеется, что на перстне закреплен маленький постоянный магнит).

Описание системы Бастер I я закончу призывом ко всем экспериментаторам, имеющим дело с роботами, которые имеют соответствующее чувство юмора или вкус к экзотике (что, по-видимому, тесно связано с продолжительным занятием электроникой): сделайте такую панель управления Бастером, которая поразит ваших друзей и убедит их в том, что вы истинный гений.