Глава 11. Аварийные сигналы препятствия и "голода"

Блок "отъезд", который был описан в предыдущей главе, вырабатывает выходной сигнал, предназначенный для подачи звукового аварийного сигнала в тех случаях, когда Бастер попадает в "ловушку". Этот сигнал, обозначенный на рис. 10.1 B_AL, будет поступать на плату подачи аварийных сигналов, которая генерирует непрерывный звуковой сигнал аварии частотой 3 кГц при высоком уровне на шине BAL.

Однако функции платы аварийных сигналов этим не ограничиваются. Эта плата генерирует также прерывистый звуковой сигнал, как только основной аккумулятор питания Бастера разрядится до +10 В; если же напряжение питания продолжает падать, то в конце концов плата выдает управляющий сигнал, который останавливает всю систему. Значительная часть этой главы посвящена теории и работе схемы, которая следит за уровнем напряжения питания и выдает сигналы аварии и остановки.

С технической точки зрения важно следить за состоянием основного источника питания Бастера +12 В и подавать аварийный сигнал, когда напряжение питания упадет до такого уровня, при котором Бастер станет медлительным. И если в этот момент аккумуляторы не будут подзаряжены, следует полностью выключить систему, чтобы избежать окончательной разрядки.

Существует и более существенная причина философского порядка для того, чтобы следить за уровнем напряжения питания. Одна из основных целей всей программы создания Бастера - построение машины, которая ведет себя подобно животному, а животному органически присуще стремление или рефлекторный механизм выживания. В некоторых отношениях отъезд от препятствий представляет собой рефлекторный механизм выживания - без него Бастер очень скоро стал бы абсолютно беспомощным, даже наткнувшись на небольшое препятствие. Это же относится и к уровню напряжения аккумуляторов: мертвые батареи - это мертвый Бастер.

Подобно любому животному, Бастер должен питаться, чтобы выжить. Он должен чувствовать необходимость "подкрепиться" (чувствовать голод) и иметь возможность предпринять что-либо, чтобы избежать голодной смерти. В этом состоит основное содержание режима "голод".

Система Бастер II не имеет полного режима "голод", при котором Бастер обнаруживает разрядку аккумуляторов, после чего сам отыскивает зарядное устройство. К настоящему моменту система почти готова к тому, чтобы обнаруживать низкий уровень напряжения питания, поэтому сейчас в нее будут включаться платы слежения за напряжением питания и подачи аварийных сигналов. Процесс поиска зарядного устройства - более сложная задача слежения, которая впервые рассматривается в гл. 14 и используется для реализации режима "голод" в гл. 15.

Общие принципы работы

На рис. 11.1 приведена блок-схема системы слежения за напряжением питания и подачи аварийных сигналов. Первая плата следит за падением напряжения питания до двух уровней значений, а также за током зарядки аккумуляторов. Это достигается с помощью входного сигнала REF, поступающего на плату слежения. Входной сигнал поступает от независимой сухой батареи, которая используется лишь для задания опорного напряжения схемам, следящим за уровнем напряжения питания.

Рис. 11.1. Схема соединений в блоке подачи аварийных сигналов. * - временное соединение

На вход D⁺ поступает напряжение с выхода зарядного устройства, которое сравнивается на плате с напряжением аккумуляторов +12 В. Это необходимо для того, чтобы в конечном итоге сформировать сигнал, который будет удерживать Бастер в его "гнезде" все время, пока он голоден и потребляет ток от зарядного устройства. Что касается варианта Бастер II, сигнал D⁺ отвечает главным образом за то, что во время подзарядки Бастер не будет проявлять активности.

Когда основное напряжение питания упадет ниже +10 В на время, большее 6 с, на выходе платы слежения Н_HS появится высокий уровень. Это временное условие служит для того, чтобы режим "голод" не включался каждый раз после того, как мгновенная перегрузка вызовет кратковременное падение напряжения питания. Аналогично сигнал на выходе H_LS появляется при падении напряжения питания ниже критической величины порядка 8 В. На плате подачи аварийных сигналов эти выходные сигналы H_HS и H_LS используются логическими схемами для подачи звукового сигнала аварии, когда на входе H_HS появляется высокий уровень, и для выключения системы при появлении высокого уровня на входе H_LS.

Высокий уровень на выходе платы слежения H_BC поддерживается в течение всего времени, пока Бастер подключен к зарядному устройству и потребляет от него заметный ток. В тот момент, когда аккумуляторы заряжаются до нормального уровня, сигнал Н_BC исчезает.

Плата подачи аварийных сигналов состоит из двух генераторов, нескольких логических схем и усилителя звуковой частоты. Один из генераторов настроен на 3 кГц, другой выдает частоту ~2 Гц. Когда с выходной платы блока "отъезд" поступает сигнал В_АL, логические схемы пропускают сигнал с частотой 3 кГц с выхода одного из генераторов на вход усилителя низкой частоты. Услышав звук этой частоты, вы поймете, что Бастер попал в затруднительное положение.

Сигнал Н_HS разрешает работу логических вентилей, которые формируют прерывистый аварийный сигнал, используя частоты 3 кГц и 2 Гц. Прерывистый сигнал означает, что аккумуляторы разрядились, а непрерывный сигнал, - что Бастер попал в ловушку. В данном случае непрерывный сигнал имеет приоритет над прерывистым. Если на плату подачи аварийных сигналов одновременно придут сигналы В_АL и Н_HS (Бастер в ловушке и голоден), то будет звучать непрерывный сигнал.

Другие логические вентили на плате подачи аварийных сигналов полностью выключают систему, если поступает сигнал HLS. При правильно настроенной схеме формирования этого сигнала на плате слежения за напряжением питания система не должна выключаться до тех пор, пока аккумуляторы не разрядятся до уровня, при котором Бастер уже не может двигаться.

Небольшая часть платы аварийных сигналов занята двумя логическими вентилями и транзисторным усилителем, который управляет светодиодом № 8 на панели индикации (см. гл. 8). Когда система отключается ввиду разряда аккумуляторов, этот светодиод мигает с частотой 2 Гц; никаких звуковых сигналов при этом не подается.

Как видно из рис. 11.1, выход платы аварийных сигналов H_CON/H_SD поступает на вход селектора команд высокого приоритета G_D2. Это соединение, а также нулевой код, поданный на входы данных, - временные. Благодаря им при выключении из-за разрядки аккумуляторов Бастер прекращает всякое движение. В дальнейшем в гл. 14 вход G_D2 будет использован для реализации режима "голод" в полном объеме.

Плата слежения за напряжением питания

Плату слежения за напряжением питания (см. схему на рис. 11.2) можно разбить на три основные части: детектор степени разрядки аккумуляторов, при которой подается аварийный сигнал, детектор степени разрядки, при которой система выключается, и детектор тока зарядки аккумуляторов. Батарея +12 В, от которой берется опорное напряжение для схем слежения за уровнем напряжения, и выпрямительный диод, используемый в детекторе тока зарядки, расположены вне платы (см. схему соединений на рис. 11.1).

Рис. 11.2. Схема платы слежения за напряжением питания. ИС1 - счетверенный компаратор LM139, ИС2 - сдвоенный таймер 556 (Radio Shack 276-1728), ИС3 - сдвоенный ждущий мультивибратор 74123 (Radio Shack 276-1817), ИС4 - сдвоенный J-K - nhbuth 7473 (Radio Shack 276-1803); D1, 2 - любые диоды

Принцип работы

Плата слежения за напряжением питания содержит две одинаковые схемы, которые образуют двухуровневый детектор напряжения. Во входных каскадах этих схем используется компаратор LM139. Опорное напряжение от эталонной батареи + 12 В снимается со средних точек потенциометров настройки R1 и R2. В нормальном состоянии напряжения на выходах компараторов LS1 и LS2 близки к 0 до тех пор, пока напряжение питания +12 В больше, чем заданные потенциометрами R1 и R2 опорные напряжения. В тот момент, когда напряжение питания упадет ниже заданного уровня, на выходе компаратора появится уровень порядка +5 В.

Предположим, к примеру, что с помощью R1 опорное напряжение для LS1 задано равным +10 В. Пока основной аккумулятор не разрядится до напряжения +10 В, на выходе LS1 будет низкий уровень. В момент падения напряжения питания ниже +10 В компаратор изменит свое состояние, на его выходе появится +5 В.

Компаратор LS2 работает точно так же, как и LS1. Однако для наших целей уровень срабатывания LS2 нужно установить ниже, чем LS1. Для определенности примем, что порог срабатывания компаратора LSI задан +10 В, a LS2 - +8 В.

Рассмотрим теперь работу компараторов. Нормально на их выходах напряжение близко к 0. Когда по какой-либо причине напряжение питания упадет ниже +10 В, на выходе первого компаратора скачком появится сигнал +5 В, который сохранится до тех пор, пока напряжение питания не возрастет до уровня порядка +10,5 В. Если же напряжение питания будет продолжать падать, на выходе LS1 сохранится высокий уровень, а когда напряжение упадет ниже +8 В, высокий уровень появится и на выходе LS2.

Выход LS1 поступает прямо на вход схемы таймера типа 555 (F1). Пока на выходе LS1 низкий уровень (нормальные условия работы), выход F1 также удерживается в 0. При переключении LS1 на +5 В в ответ на падение напряжения питания включается F1 и выдает импульс фиксированной длительности. Времязадающие конденсатор и резистор (С2 и H4) выбраны так, чтобы обеспечить задержку на 6 с. Если на выходе LS1 +5 В будет находиться дольше, чем в течение 6 с, то импульс F1 закончится и задним фронтом запустит генератор импульсов (PG1). Если же в течение этого 6-секундного интервала напряжение питания опять возрастет, F1 будет автоматически сброшен в 0.

PG1 представляет собой ждущий мультивибратор или генератор импульсов. Задний фронт входного сигнала от таймера F1 запускает мультивибратор, который выдает на выходе 3-13 положительный импульс длительностью 10 мс. Задний фронт этого импульса (через 10 мс после конца импульса F1) стробирует триггер FF1.

FF1 включен так, что нормально на его выходе Н_HS низкий уровень. Если выход компаратора LS1 на входе триггера 4-1 равен 1, то импульс, приходящий от PG1, изменит состояние триггера, в результате чего на выходе Н_HS появится +5 В. Если же во время прихода импульса от PG1 на входе 4-2 низкий уровень (ситуация, возникающая тогда, когда падение напряжения длится меньше чем 6 с), то триггер не может изменить состояние и H_HS остается равным 0.

Коротко говоря, на выходе платы слежения Н_HS сигнал появляется в тех случаях, когда основное напряжение питания упадет ниже +10 В на время, большее 6 с. В момент восстановления напряжения питания, даже если Н_HS был установлен, он опять станет равным 0, что означает конец аварийной ситуации.

На самом деле схемы таймера и генератора импульсов использовались для того, чтобы обеспечить включение режима "голод" только в тех случаях, когда основные аккумуляторы действительно разряжаются до критического уровня. Мгновенные перегрузки могут вызвать падение напряжения питания ниже уровня +10 В, но таймер и генератор импульсов эффективно отфильтровывают эти ситуации, способные включить режим "голод".

Детектор нижнего уровня напряжения, состоящий из LS2, F2, PG2 и FF2, работает аналогично, удерживая сигнал H_LS в нуле до тех пор, пока уровень напряжения питания не упадет ниже +8 В на время, большее 6 с.

Что касается использования этих двух сигналов в системе Бастер II, то Н_HS обеспечивает подачу звукового аварийного сигнала разряда аккумуляторов, а НLS выключает всю систему и включает мигание светодиода на панели индикаторов.

Детектор тока зарядки LS3 (см. схему на рис. 11.2) построен с использованием третьего компаратора, содержащегося в корпусе LM139. Входные сигналы снимаются с выпрямителя, расположенного в цепи зарядки аккумуляторов (см. рис. 11.1). Эта схема основана на нелинейности вольтамперной характеристики диода. Пока аккумуляторы потребляют большой зарядный ток, прямое падение напряжения на диоде составляет 0,5-0,8 В. По мере того как аккумуляторы набирают полный заряд, ток заряда сокращается и напряжение на диоде также падает. В конце концов прямое падение напряжения приведет к такому уровню, при котором состояние на выходе изменится.

LS3 включен по схеме инвертирующего компаратора, причем выходное напряжение зарядного устройства (обозначено D+) подается на инвертирующий вход. Таким образом, выход LS3 равен 0, когда аккумуляторы заряжены или Бастер отключен от зарядного устройства. Единственное условие, при котором на выходе LS3 высокий логический уровень, - зарядный ток, достаточный для поддержания в насыщении выпрямительного диода.

Следует иметь в виду, что система Бастер II не в состоянии полностью использовать все возможности плат блока "голод". Плата слежения за напряжением питания выглядит, разумеется, переусложненной и слишком дорогой для простой подачи аварийного сигнала. Однако эти же схемы будут служить важным звеном в более сложном и содержательном действии слежения, составляющем часть программы Бастер III.

Установка и начальная регулировка

Всю плату слежения за напряжением питания можно разместить на односторонней печатной плате размером 100 X 150 мм. Как обычно, регулировочные элементы R1, R2 и R3 следует разместить в таком месте, до которого легко добраться для точной настройки в дальнейшем.

Установите законченную плату слежения за напряжением питания в самую нижнюю из имеющихся позиций стойки печатных плат. Соедините ее с источником питания, эталонной батареей и выпрямительным диодом, как показано на рис. 11.1. Местоположение эталонной батареи несущественно - ее можно разместить в любом удобном месте на корпусе Бастера или на стойке плат. Что касается выпрямительного диода, его следует разместить как можно ближе к контактам зарядного устройства.

Важно, чтобы пороги срабатывания компараторов настраивались в условиях реальных нагрузок. Для регулировки LS1 предоставьте Бастеру возможность двигаться до тех пор, пока напряжение питания не начнет падать ниже +10 В (при одновременной работе обоих двигателей). Приподнимите задние колеса Бастера так, чтобы он не мог двигаться, и дайте ему команду FFAS. При проведении описываемой ниже регулировки LS1 поддерживайте напряжение питания на уровне + 10 В, придерживая рукой задние колеса с необходимой силой.

Соедините другой вольтметр с выходом LS1 (вывод 1-2) и следите за тем, как выходное напряжение скачет от 0 на +5 В и обратно при вращении потенциометра R1 в обе стороны. Поддерживая напряжение питания +10 В, поверните R1 так, чтобы на выходе LS1 был 0, после чего плавно поворачивайте его в обратную сторону до тех пор, пока на выходе не появится +5 В. Этот компаратор теперь настроен на работу с порогом переключения +10 В.

Для настройки уровня срабатывания компаратора LS2 следует смотреть за его выходным сигналом (на выводе 1-1), нагружая задние колеса с такой силой, чтобы напряжение питания упало до +8 В. Потенциометр R2 поворачивайте до тех пор, пока на выходе не появится +5 В. Выход LS2 может и не возрасти выше +4 В, так как низкое напряжение может повлиять на работу стабилизатора. Важно настроить R2 так, чтобы компаратор переключался на более высокое напряжение, как только напряжение питания упадет до +8 В.

Наконец, во время зарядки аккумуляторов, когда процесс уже заканчивается, можно установить порог срабатывания компаратора LS3. Зарядите аккумуляторы до их максимального уровня, а затем плавно вращайте R3 до тех пор, пока выход LS3 (выходной сигнал платы слежения HBC) не перескочит с +5 В на 0.

Плата подачи аварийных сигналов

Как показано на схеме рис. 11.3, таймеры F1 и F2 (они не рассматривались выше) включены по схеме мультивибратора. С помощью R1 F1 настраивается до получения симметричных прямоугольных колебаний частотой 3 кГц. Что касается F2, частота его работы составляет 2 Гц при скважности порядка 30%. Необходимость настройки частоты генератора F1 вызвана тем, что в дальнейшем он будет использоваться в качестве источника для акустической связи. Точная установка частоты и скважности F2 необязательна, но эти параметры должны быть близкими к приведенным значениям.

F1 и F2 работают непрерывно, но их выходные сигналы проходят на вход усилителя звуковой частоты и каскада управления светодиодом лишь при выполнении определенных условий.

Рис. 11.3. Схема платы подачи аварийных сигналов. ИС1 - сдвоенный таймер 556, ИС2 - 3-3И-НЕ 7410, ИС3, 4 - 4-2И-НЕ 7400, ИС5 - усилитель звуковой частоты 2,5 Вт, LM380; Q1 - 2N697

Если обозначить выход F1 через f₁, то непрерывный сигнал аварии поступает на вход усилителя при условии f1 ⋅ B_AL ⋅ H_LS = 1. Сомножитель H_LS включен в произведение с таким расчетом, чтобы при выключении системы из-за разрядки аккумуляторов до предельного уровня аварийный сигнал не подавался.

Если выход F2 обозначить через f₂, то аварийный сигнал разрядки аккумуляторов выражается в виде f₁⋅f₂⋅H_HS⋅H_LS. Логическое перемножение сигналов f₁ и f₂ формирует прерывистый сигнал, который поступает на вход усилителя, когда H_HS равно 1 (аккумуляторы разряжены), но H_LS еще равно О (уровень напряжения выше критического).

Логическая сумма звуковых сигналов препятствия и "голода" с выходом усилителя звуковой-частоты выходит с платы через вывод A_AL. В качестве звукового усилителя использован LM380, имеющий мощность 2,5 Вт. Регулировка коэффициента усиления осуществляется с помощью потенциометра R7.

Сигнал f₂ частотой 2 Гц обеспечивает мигание светодиода, когда система выключается из-за разрядки аккумуляторов. Для этого случая логическое условие выглядит просто как f₂⋅H_LS. Так как сигнал f₂ имеется всегда, единственным условием мигания светодиода является появление H_LS. Транзистор Q1 управляет светодиодом, уменьшая требования к нагрузочной способности микросхемы.

Кроме рассмотренных выше, лишь один логический сигнал представляет интерес в настоящее время - H_CON/H_SD. Полная роль этого сигнала станет более ясной на этапе Бастер III. До этого момента достаточно сказать, что H_CON/H_SD = H_LS + H_BC. Этот сигнал поступает на вход селектора команд со вторым приоритетом (см. рис. 11.1). Так как этот уровень приоритета временно включен так, чтобы постоянно задавать управляющее слово FSTO, очевидно, что появление сигнала о разрядке аккумуляторов до предельного уровня (H_LS) или сигнала о зарядке аккумуляторов (H_BC) полностью останавливает систему.

Остальные выходы платы будут рассмотрены в гл. 15 в связи с режимом поиска.

Изготовление, настройка и проверка

Единственный важный момент, который нужно учесть при изготовлении платы аварийных сигналов, состоит в том, что закорачиваемые на землю выводы усилителя LM380 должны быть припаяны к медной полосе, имеющей максимально возможную площадь. Чтобы обеспечить необходимый теплоотвод, достаточно заземлить выводы 3, 4, 5, 10, 11, 12 на участок фольги площадью не менее 6 см².

Установите плату аварийных сигналов над платой слежения и сделайте соединения в соответствии с рис. 11. 1.В качестве динамика можно взять любой, имеющий сопротивление 8 Ом, который можно удобно закрепить на передней части шасси. На данном этапе конкретное расположение динамика не имеет значения, но в дальнейшем он должен быть размещен выходным отверстием вперед.

Сейчас можно настроить рабочую частоту F1. Если в вашем распоряжении имеется частотомер, соедините его с выводом 1-4 и точно настройте 3 кГц с помощью потенциометра R1. Можно воспользоваться также осциллографом, настраивая R1 до получения совершенно симметричного сигнала на выводе 1-4.

Пометьте тумблер S_2s на местной панели ручного управления как "имитация голода", а тумблер S_2x - как "блокировка голода".

Теперь при включении тумблера "имитация голода" Бастер должен выключаться управляющим словом FSTO (1000), однако при этом светодиод не должен мигать. Включение тумблера "блокировка голода" вызывает противоположный эффект: тумблер блокирует "естественное" выключение, вызванное разрядом аккумуляторов до предельного уровня.

Работа этих тумблеров тоже представляется весьма тривиальной на данном этапе; с их истинным назначением придется подождать до тех пор, пока не будет установлен блок слежения.

Самая лучшая окончательная проверка работы плат слежения за напряжением питания и подачи аварийных сигналов - дать разрядиться аккумуляторам. Выключите тумблеры "имитация голода" и "блокировка голода" и предоставьте Бастеру возможность продолжать двигаться в течение некоторого времени. Когда аккумуляторы разрядятся до +10 В, из динамика раздастся прерывистый сигнал, а когда аккумуляторы разрядятся ниже +8 В, аварийный сигнал прекратится, Бастер остановится, и единственным признаком жизни будет мигающий светодиод и управляющее слово 1000 на панели индикации.

Может оказаться, что энергии аккумуляторов не хватит, чтобы Бастер мог двигаться до тех пор, пока не будет остановлен сигналом общего выключения. В этом случае поверните потенциометр R2 на плате слежения так, чтобы компаратор переключался при более высоком уровне напряжения. После остановки Бастер должен оставаться в состоянии FSTO до тех пор, пока аккумуляторы снова не будут полностью заряжены.