makine tasarım samet şahin by SAMET ŞAHİN

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

UZAKTAN KUMANDALI ROBOT SİSTEMLERİ

BİTİRME ÇALIŞMASI

Muhammed Onur AKBAŞ Mustafa Sami ATILGAN

HAZİRAN 2012 TRABZON ` Ìi`ÊÜ Ì ÊÌ iÊ`i ÊÛiÀÃ Ê vÊ v ÝÊ*À Ê* Ê ` Ì ÀÊ / ÊÀ i ÛiÊÌ ÃÊ Ì Vi]ÊÛ Ã Ì\Ê ÜÜÜ° Vi °V ÉÕ V ° Ì

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

UZAKTAN KUMANDALI ROBOT SİSTEMLERİ

Muhammed Onur AKBAŞ Mustafa Sami ATILGAN

Danışmanı

:Doç. Dr. Levent GÜMÜŞEL

Danışmanı

:Yrd. Doç. Dr. Nurhan GÜRSEL ÖZMEN

Jüri Üyesi

:Yrd. Doç. Dr. Mehmet İTİK

Bölüm Başkanı : Prof. Dr. Ertan BAYDAR

Trabzon 2012 ` Ìi`ÊÜ Ì ÊÌ iÊ`i ÊÛiÀÃ Ê vÊ v ÝÊ*À Ê* Ê ` Ì ÀÊ / ÊÀi ÛiÊÌ ÃÊ Ì Vi]ÊÛ Ã Ì\Ê ÜÜÜ° Vi °V ÉÕ V ° Ì

ÖNSÖZ Bitirme tezi kapsamında günümüzde artan terör olaylarına engel olmak ve onlara karşı belirli bir önlem almak, aynı zamanda bunların önüne geçerken de bu duruma müdahale eden insanların hayatlarını riske atmamak için bu tarz uzaktan kumandalı bir sistemin gerçekleştirilmesinde bizi destekleyen ve öğretim sürecimiz boyunca her daim bilgi ve tecrübesiyle bize destek veren ve yol gösteren değerli danışman hocalarımız Sayın Doç. Dr. Levent GÜMÜŞEL’ e ve Yrd. Doç. Dr. Nurhan GÜRSEL ÖZMEN’ e, çalışmalarımızda bizim yanımızda olan Makine Mühendisi Melih LUTOĞLU ve Makine Mühendisi Buğra AYHAN’ a, bize yardımcı olan değerli arkadaşlarımıza ve bizleri yetiştiren ailelerimize çok teşekkür ediyoruz. Ayrıca bilgi ve tecrübeleriyle gelişmemize katkı sağlayarak öğretim sürecimize ışık tutan değerli bölüm hocalarımıza da teşekkür ederiz.

Muhammed Onur AKBAŞ Mustafa Sami ATILGAN Trabzon 2012

II ` Ìi`ÊÜ Ì ÊÌ iÊ`i ÊÛiÀÃ Ê vÊ v ÝÊ*À Ê* Ê ` Ì ÀÊ / ÊÀi ÛiÊÌ ÃÊ Ì Vi]ÊÛ Ã Ì\Ê ÜÜÜ° Vi °V ÉÕ V ° Ì

İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖNSÖZ

İÇİNDEKİLER

III

ÖZET

SUMMARY

ŞEKİLLER DİZİNİ

VII

TABLOLAR (ÇİZELGELER) DİZİNİ

VIII

GENEL BİLGİLER

MİKRODENETLEYİCİLER

MİKRODENETLEYİCİLER NİÇİN KULLANILIR?

2.2

MİKRODENETLEYİCİ İLE MİKROİŞLEMCİ ARASINDAKİ FARKLAR

2.3

MİKRODENETLEYİCİLERDE BULUNAN ÖZELLİKLER

2.4

MİKRODENETLEYİCİYİ SEÇİM ÖLÇÜTLERİ

2.5

PIC MİKRODENETLEYİCİ

2.5.1 PIC 16F628 MİKRODENETLEYİCİSİ VE ÖZELLİKLERİ

2.5.2 PIC 16F877A MİKRODENETLEYİCİSİ VE ÖZELLİKLERİ

2.6

HABERLEŞME STANDARTI SEÇİMİ

2.7

ASENKRON SERİ HABERLEŞME STANDARTI

2.8

VERİ İLETİŞİMİ

III

2.8.1 FİZİKSEL KARAKTERİSTİK

2.8.2 DATA FORMATI

RÖLE

ENKODERLİ MOTOR

4.1

MUTLAK TİP (ABSOLUTE) ENKODERLER

4.2

ARTIRIMSAL TİP (INCREMENTAL) ENKODERLER

ÖZGÜN PROJE ÖRNEĞİ

5.1

DEVRE KARTLARI

5.2

VERİ İLETİŞİM DİYAGRAMI

5.3

MEKANİK TASARIM

5.3.1 TUTACAK KISIM

5.3.2 KOLLAR

5.3.3 ÖN KOL VE GRIPPER ARASINDAKİ BAĞLANTI

5.3.4 DÖNER PLATFORM

5.3.5 ALT GÖVDE

5.3.6 DİŞLİLER

YAPILABİLECEK GELİŞTİRMELER

KAYNAKLAR

ÖZET

Günümüzde artık her şey yavaş yavaş robotik hale gelmekte ve bu robotların kullanım alanı hızla gelişmektedir. Artık hayatımızın her alanın kullandığımız robotlar bize birçok kolaylık sağlamaktadır. Uzaktan kumandalı araçlar, hareketini sınırlamayan, dışarıdan bir merkeze bağlı olarak kontrol edilen sistemlerdir. Bu araçlar genellikle uzaktan kumandalı, kablo bağlantılı ya da kızılötesi kontrollüdür. Bu araçlar derin okyanuslardan uzay keşiflerine kadar birçok tehlikeli uygulamada yer almaktadır. Bu araçların askeriyede kullanılması 20. Yüzyılın ilk yarısında başlamıştır. Uzaktan kumandalı robotlar bu robotu kullanan kişinin tehlikeli alanlardan uzak, güvenli olarak olaya müdahil olmasını sağlar. Bu robotlar güvenlik güçleri tarafından bomba imha ve paket taşıma olaylarında kullanılmaktadır. Anahtar Kelimeler: Uzaktan Kumanda, Paket Taşıma Robotu

SUMMARY

Nowadays, everything is getting much more robotic anymore and the usage of these robots is getting bigger and bigger. These robots are being used in every field of our lives and provide easiness to us. A remote control vehicle is defined as any mobile device that is controlled by a means that does not restrict its motion with an origin external to the device. This

often

a remote

control device,

cable between

control

and

vehicle,

an infrared controller. Remote control vehicles have various scientific uses including hazardous environments, working in the Deep Ocean, and space exploration. Military usage of remotely controlled military vehicles dates back to the first half of 20th century. There were also remotely controlled cutters and experimental remotely controlled planes in the Red Army. Remote control vehicles are used in law enforcement and military engagements for some of the same reasons. The exposure to hazards is mitigated to the person who operates the vehicle from a location of relative safety. Remote controlled vehicles are used by many police department bomb-squads to defuse or detonate explosives. Key Words: Remote Control, Package Carrier Robot

ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa No Şekil 1. PIC16F628’in bacak yapısının açık şekli görülmektedir

Şekil 2. PIC16F877A Bacak Tanımlamaları

Şekil 3. UFM-A12WPA Üstten Görünüşü

Şekil 4. UFM-A12WPA’nın Mikrokontrolöre bağlanması

Şekil 5. Çoklu Veri Gönderildiğinde ki Zaman Hesabı

Şekil 6. Rölenin Şematik Gösterimi

Şekil 7 . Master (Alıcı) Devresi

Şekil 8 . Headworker (Verici) Devresi

Şekil 9 . Eksen Motorları Devreleri

Şekil 10. Güç Kaynağı Devresi

Şekil 11. Veri İletişim Diyagramı

Şekil 12. SolidWorks Programında Tasarlanan Gripper

Şekil 13. SolidWorks programında tasarlanan ön ve arka kollar

Şekil 14. SolidWorks programında tasarlanan ara bağlantı elemanı

Şekil 15. SolidWorks programında tasarlanan döner platform

Şekil 16. Döner platformun dönmesini sağlayan sistem

Şekil 17. Robotun Genel Görünümü

VII

TABLOLAR DİZİNİ Sayfa No Tablo 1. PIC16F628’in genel özellikleri

Tablo 2. Veri Gönderme ve Kontrol Ayar Tablosu

Tablo 3. Veri Alma ve Kontrol Ayar Tablosu

Tablo 4. Baud Hızı Formülasyonu

Tablo 5. Osilatör Frekansı Seçim Tabloları

Tablo 6. Osilatör Frekansı Seçim Tabloları

Tablo 7. Analog Veri Alınmasında Ayar Tablosu

Tablo 8. Olarak Kullanılacak Pinlerin Belirlenmesinde ki Ayar Tablosu

Tablo 9. ADCON1’in 0-1-2-3 nolu Pinlerin Ayarlanmasında Kullanılan Tablo

Tablo 10. Paralel ve seri haberleşme standartları karşılaştırması

Tablo 11. UFM-A12WPA Pin Özellikleri

Tablo 12. UFM-A12 WPA’ nın teknik özellikleri

Tablo 13. UFM-A12WPA’nın Genel Data Formatını Gösteren Tablo

Tablo 14. UFM-A12WPA Veri Girişlerinin Ayar Tablosu

Tablo 15. UFM-A12WPA Veri Çıkışlarının Ayar Tablosu

VIII

1.GENEL BİLGİLER Robot, otonom veya önceden programlanmış görevleri yerine getirebilen elektromekanik bir cihazdır. Robotlar doğrudan bir operatörün kontrolünde çalışabildikleri gibi bağımsız olarak bir bilgisayar programının kontrolünde de çalışabilir. Robot deyince insan benzeri makineler akla gelse de robotların çok azı insana benzer. Robot duyargaları (sensör) ile çevresini algılayan, algıladıklarını yorumlayan, bunun sonucunda karar alan (yapay zekâ), karar sonucuna göre davranan, eylem olarak hareket organlarını çalıştıran veya durduran bir aygıttır. Bu tanıma göre bilgisayara paralel port ile bağlı ve klavyeden kontrol edilen bir araba robot değildir. Çünkü kendisi tek başına karar vermemekte, bizim klavyeden verdiğimiz talimatları uygulamaktadır. Ancak aynı araba duyargaları ile algıladıklarını yorumlamak üzere bilgisayarın mikroişlemcisini kullanıp, yorumlatıyor ve kendi karar alabiliyor, algılamalarına göre bizden bağımsız davranabiliyorsa o artık bir robottur.

Resim.1 Endüstriyel robot örneği Günümüzde robotların en büyük kullanım alanı endüstriyel üretimdir. Özellikle otomotiv endüstrisinde çok sayıda robot kullanılır. Bunların çoğu kol şeklindeki robotlardır. Bunlar parçaları monte eden, birleştiren, kaynak ve boya yapan robotlardır.

Evlerde robot kullanımı giderek artmaktadır. Evlere giren ilk robotlar Furby, AIBO gibi oyuncaklardır. Başta ABD'de olmak üzere ev işlerine yardımcı olan robotların kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Yerleri kendi kendine süpüren robot elektrik süpürgeleri büyük talep görmektedir. Robotik, makine mühendisliği, yazılım mühendisliği, elektronik mühendisliği ve kontrol mühendisliği dallarının ortak çalışma alanıdır. Robotlar bir yazılım aracılığıyla yönetilen ve yararlı bir amaç için iş ve değer üreten karmaşık makinelerdir. Robotik bütün dünyada olduğu gibi ülkemizde de büyük ilgi görmektedir. Ülkemizde Robotik Mekatronik adı altında anılır. Üniversitelerimizde Mekatronik adıyla robotik bölümleri açılmakta, ön lisans, lisans, yüksek lisans ve doktora düzeyinde eğitimler verilmektedir. Robot kavramı ve uygulamaları, insan konforu ve güvenliğiyle ilgili temel kavramlarda ve uygulama niteliklerinde ilkesel düzeyde değişimlere yol açacak bilimsel ve teknolojik bir adımdır. Robot teknolojisi, çağımız gelişim süreci içinde gelişen birçok bilimsel ve teknolojik olguların, robot adını verdiğimiz teknolojik ürünler üzerinde bütünleşmesi ve uygulamasını içerir. Robotik alanlar, çalışma yerlerine göre başlıca 4 ana grupta toplanabilir: a. Endüstriyel robotik b. Tıp ve sağlıkta robotik c. Operasyonel robotik d. Oyuncak ve hobi amaçlı robotik

a. Endüstriyel Robotik Günümüzde endüstriyel robotlar, otomotiv, beyaz eşya, kimya, cam, mobilya, gıda, elektronik, metal, seramik, kâğıt gibi birçok endüstriyel sektörde kullanıma uygundur. Dizme, yerleştirme, taşıma, paketleme, silikon çekme, delme, kesme, yapıştırma, kalite kontrol, ölçüm, test işlemleri, yükleme ve boşaltma gibi birçok üretim sürecine kullanılmaktadır. Elektronik devre elemanlarının baskılı devre üzerine yerleştirilmesinde,

elektromekanik olarak çalışan küçük cihazların ve bilgisayar disk sürücülerinin montajında bu robotlardan faydalanılmaktadır.

Resim.2 Montaj hattında çalışan endüstriyel robotlar b. Tıp Ve Sağlıkta Robotik Gelişmiş protezler Piezoelektrik sensörlerle tendonlardaki gerilimleri (beyin komutlarını) algılayabiliyorlar ve parmaklara veya eksenlere gerilimin şiddetine göre güç gönderebiliyorlar. Güç aktarımı servo motorlar ve yapay tendon sistemleriyle yapılıyor. Bu protezler çok pahalıya mal olduğundan çok yaygın olarak şimdilik kullanılamıyor. Maliyeti düşürmek için son zamanlarda bellekli metaller üzerinde çalışılıyor. Ayrıca tamamen adımlı motorlar ve hassas kontrollerle yapılan sistemlerde bulunmaktadır. Bu sayede ise, kıtalar arası iletişimle dünyaca ünlü cerrahların ameliyatlara katılması sağlanabilmektedir.

Resim.3 Cerrahi müdahale esnasında kullanılan bir robot örneği c. Operasyonel Robotik İnsanın yaşamasına elverişli olmayan ortamlarda veya hayatını tehlikeye sokacak durumlarda kullanılır. Örnek: Radyasyon veya kimyasal bir ortamda, patlayıcı cisimlerin bulunduğu yerlerde, sualtı, uzay vb. Sistemler programlanabilir ve kendi kendine çalışan bir sistem olmaktan çok uzaktan kontrollüdür. Servo DC Motor, hidrolik ve pnömatik sistemler tercih edilebilir. Yüksek teknoloji gerektirir. Özel amaçlara göre özel yaklaşımlar geliştirilir. Uzaktan yönetim için güç aktarım sistemleri (hidrolik veya pnömatik) veya radyo frekansı kullanılır.

Resim.4 Mayın taramada kullanılan bir robot örneği

d. Oyuncak ve Hobi Amaçlı Robotik Elektronik ve mekanik sistemler içeren robotik oyuncaklar çok karmaşık olabiliyor. Sibernetiğin teorik araştırmaları, ilk ticari ürünlerini bu alanda veriyor. Furby, Sony'nin AIBO robot köpeği, bu alandaki öncü ürünlerden bazılarıdır.

Resim.5 Oyuncak robotların en ünlülerinden Furby Robot hobisi ise dünyada çok sayıda kişinin uğraş alanıdır. Bu kategori herkesin değişik eğilimlerine göre şekillenebilmektedir. Hobi tutkunlarının kurduğu birçok topluluk mevcuttur. Örneğin, Japonya'da her yıl hobi robotlarının yarıştırıldığı gösteriler düzenlenmektedir. Ayrıca ülkemizde de ulusal ve uluslararası birçok yarışma yapılmaktadır. Başlıca, ODTÜ ve İTÜ’nün düzenlediği Robot Günleri ile birçok robot sistemlerini hobi olarak inceleyen kişiler yaptıklarını sergileyip, yarıştırıyor ve yeni bilgiler öğrenebiliyor. Bu alana yönelik çok sayıda kitap ve yayın vardır.

2. MİKRODENETLEYİCİLER

Bir mikrodenetleyici içerisinde bir merkezi işlem birimi (CPU, central processing unit), RAM (Random-Access Memory), ROM (Read-Only Memory), İ/O (İnput/Output) hatları, seri ve paralel portlar, zamanlayıcılar (timers), Analog-Sayısal Dönüştürücüler (A/D analag-to-digital converters) ve Sayısal-Analog Dönüştürücüler (D/A Digital-Toanalog Converters) gibi yerleşik çevresel arabirimler bulunmaktadır. Bir mikrodenetleyici tek bir yonga üzerine inşa edilmiş tek yongalık bir bilgisayar gibi düşünülebilir. Çünkü içerisinde bilgisayarın tüm birimlerini barındırmaktadır. Öncelikle, mikrodenetleyicinin en önemli özelliği bir programı saklayabilmesi ve çalıştırabilmesidir. Bir mikrodenetleyici ile mikroişlemciyi ayıran temel fark, tek bir yonga içerisinde CPU, RAM ve İ/O ünitelerinin yerleştirilmiş olmasıdır. Bu durumda bu birimler arasında ayrıca veri iletişim hattı (data bus)ve de adresleme hattı (address bus) kurulması gerekmemektedir. Bu bağlantılar yonga içerisinde dâhili olarak mevcuttur. 2.1. Mikrodenetleyici Niçin Kullanılır? Bir PC ve onu oluşturan mikroişlemciyle karşılaştırıldığında; fiziksel boyutunun küçük olması, düşük güç tüketimi, ucuz olması ve de yüksek performansa sahip olması gibi belirgin avantajlara sahiptir. Mekatronik uygulamaları, endüstriyel elektronik, biyomedikal, otomasyon sistemleri gibi farklı disiplinlerde çok çeşitli uygulama alanlarında; otomobillerde, cep telefonlarında, kameralarda, fotokopi cihazlarında, LCD monitör uygulamalarında, ev elektroniğinde çamaşır-bulaşık makinesi ve fırın gibi sistem / cihazlarda, telefon, faks, modem, elektronik oyuncak sektörü gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikrodenetleyicilerin tek başlarına programları çalıştırabilme ve depolama yetenekleri sayesinde çok yönlü uygulamalarda kullanılabilen ucuz bir kontrolör (bu anlamda bir bilgisayar) durumuna getirmiştir. Örneğin yapılan bir program ile önceden belirlenen durumlar yerine getirilirken istenen fonksiyonlar doluşturulup gereken kararlar aldırılabilir.

Mikrodenetleyicilerin

matematik

mantık

fonksiyonlarını

yerine

getirebilmesi onun son derece karmaşık görünen elektronik/kontrol devrelerini, yazılacak program kodları ile kolay bir şekilde gerçekleştirebilmesine olanak sağlar. Üstelik çok daha hassas ve de hatasız bir şekilde. Bir çamaşır makinesinin kontrol gereksinimlerinin bir PC ile kontrol yanlış bir uygulama örneği olacaktır. Bu durumda fiyatı 3-10$ arasında

değişen bir mikrodenetleyici ile bir sürücü kartından oluşan elektronik devre ile bu tür bir uygulamanın gereksinimleri karşılanabilir. Toplam maliyet ise son derece düşük olacaktır. Tasarlanan uygulamaya yenilikler getirmek analog kartlarda birçok sorunu beraberinde getirirken programın güncellenmesi çok daha kolaydır. Günümüzde elektronik dünyasına bakıldığında mikrodenetleyicilerin direk ya da dolaylı olarak hemen hemen her uygulama içerisinde devre tasarımlarında yer almaya başladığı görülebilir. Bunun nedenleri ise çok düşük maliyet, minimum güç tüketimi ve çok düşük gerilimlerle çalışabilme, çok yönlü kullanım olanağı ve bize sağladığı kontrol gücünden kaynaklanmaktadır. Bir mikroişlemciyle sistem tasarlanmak istenildiğinde CPU, RAM ve İ/O üniteleri ve bu birimler arasında veri transferini sağlayacak olan veri yoluna (data bus) ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sistemde mikrodenetleyici tercih edildiğinde ise yukarıdaki birimler tek bir yongada toplanması sebebiyle büyük bir avantaj oluşturmaktadır. Bu durumda maliyette düşmektedir. Kullanım ve kolay programlama özellikleri de dikkate alındığında kontrol gerektiren devre uygulamalarında mikro-denetleyiciler vazgeçilmez olarak yerini almaktadır. 2.2. Mikrodenetleyici ile Mikroişlemci Arasındaki Farklar

1970’li yıllarda mikroişlemcilerin piyasaya sürülmesinden hemen sonra elektronik ve kontrol uygulama alanlarında çok büyük gelişmeler olmuştur. Önceleri analog veya lojik devreleri ile tasarımları yapılan cihazlar yerlerini daha akıllı ve kullanıcıya yönelik mikroişlemci sistemlerine bıraktılar. Bir mikroişlemci kendi başına hiçbir iş yapamaz. Mikroişlemciyi kullanışlı hale getirmek için destekleyici yongalara ihtiyaç vardır. Mikroişlemci tabanlı bir sistemde, esas mikroişlemci yongasına ilave olarak bellek, giriş-çıkış yongası ve zamanlama devresini görmek mümkündür. Bu şekilde, 4-5 yongadan meydana gelen mikroişlemci sistemine klavye, LED veya LCD gibi girişçıkış devreleri de ilave edince son derece kullanışlı, akıllı bir elektronik sistem elde etmiş oluruz. Halbuki mikrodenetleyiciler , mikroişlemcilerin tersine, program saklamak için bellek elemanını, giriş/çıkış arabirimlerini, merkezi işlemci (CPU)’yi ve hatta kimilerinde analog/sayısal çevirici devreleri de dahil olmak üzere bir

takım

çevre

birimlerini üzerlerinde yerleşik olarak bulundururlar. Örneğin Microchip PICmicro serisi bazı işlemcilerde yonga üstü yerleşik, her biri 10bit çözünürlükte 8 kanal A/D çevirici, 8K program belleği, 368 Byte RAM, UART, 1 adet 8-bit, 2 adet de 16-bit

zamanlayıcı/sayıcı gibi, osilatör vb. gibi birçok çevre ve destek birimi bulunmakta. Ya da 8052-BASIC’in içinde bulunduğu 8051 ailesi yongalarında da içinde hazır BASIC yorumlayıcısı gibi olanaklar da bulunur.

Mikrodenetleyiciler, mikroişlemcilere çok benzemektedirler. Mikroişlemcili bir sistem işlemci dışında program saklamak için bellek elemanları ve dış dünyayla bağlantı kurmak için giriş/çıkış arabirim devrelerine gereksinim duyar. Mikroişlemci yalnız başına kullanılamaz. Intel 8086 serisi, Motorola 68000 serisi ya da Zilog Z80 serisi işlemciler bunlara örnektir.

Bellek, genel olarak program belleği ve veri belleği olmak üzere ikiye ayrılır. Program belleği, kullanıcının yazmış olduğu program kodunu tutar. Bu bellek, PIC mikrokontrolör serisinde 14 veya 16 bitlik olup veri belleğinden ayrılmıştır. Harvard mimarisi diye de adlandırılan bu mimari klasik, Von-Neumann mimarisinden daha hızlı çalışmaktadır. Program belleği birçok PIC mikrokontrolör serisinde flash olup bu tip bellekler

ultraviyole

(morötesi)

ışık

gerek

olmadan

silinip

yine

kolaylıkla

programlanabilirler. Veri belleği 8 bitlik olup bu bellek programda kullanılan geçici verileri tutar.

2.3. Mikrodenetleyicilerde bulunan özellikler

Bütün PIC mikrodenetleyiciler en az aşağıdaki özelliklere sahiptirler: • RISC (azaltılmış komut takımı) komut takımı ve sadece 35 assembly dili komutu • Sayısal giriş-çıkış portları • Zamanlama devresi • RAM veri belleği • EPROM veya flash program belleği Buna ilaveten, bazı PIC mikrodenetleyicilerde aşağıdaki ek özellikleri görebiliriz: • Analog-sayısal çevirici • EEPROM bellek

• Analog karşılaştırıcı devresi • Ek zamanlama devreleri • PWM devresi • Dış ve iç kesme (interrupt) devreleri • USART seri iletişim protokolü • I2C ve SPI bağlantıları 2.4. Mikrodenetleyiciyi seçim ölçütleri

Bir uygulamaya başlamadan önce hangi firmanın ürünü kullanılacağına, daha sonra da hangi parça numaralı mikrodenetleyicinin kullanılacağına karar vermek gerekir. Bunun için mikrodenetleyici gerektiren uygulamada hangi özelliklerin olması gerektiği önceden bilinmesi gereklidir. Buna göre aşağıda sıralanan özelliklerin sistem üzerindeki

gereksinimleri

ileride

yapılabilecek gelişmeleri

karşılayıp

karşılamadığı araştırıldıktan sonra seçim yapılmalıdır: • Programlanabilir sayısal paralel giriş/çıkış ucu sayısı, • Programlanabilir analog giriş/çıkış ucu sayısı, • Seri giriş/çıkış (senkron, asenkron ve cihaz denetimi gibi) ucu sayısı, • Analog karşılaştırıcının var olup olmadığı, • Motor veya servo kontrol için saat sinyali çıkışı, • Harici giriş vasıtasıyla kesme yapılıp yapılamayacağı, • Zamanlayıcı vasıtasıyla ile kesme yapılıp yapılamayacağı, • Harici bellek arabiriminin varlığı, • Harici veri yolu arabiriminin (PC ISA gibi) varlığı, • Program belleği tipi

(ROM, EPROM, PROM, FLASH ve EEPROM) ve

kapasiteleri, • Program belleği üzerinde kod koruması yapılıp yapılamayacağı, • Dahili RAM kapasitesi, • Dahili EEPROM’un var olup olmadığı ve kapasitesi, • Reel sayı hesaplamasının varlığı, • Osilatör frekans değeri (Güç tüketiminde önemli rol oynar.)

Bu listeye eklenecek özellikler artırılabilir.

2.5. PIC Mikrodenetleyici

Microchip Technology Firması tarafından üretilen mikrodenetleyici yongaları PİC (Peripheral

Interface

Controller)

“Çevresel

Arabirim

Denetleyicisi”

olarak

adlandırılmaktadır ve programlanabilen arabirim kontrolörü olarak görev yapmaktadır. Örnek olması bakımından 16F628A mikrodenetleyicisini oluşturan dahili birimler Şekilde görülmektedir. Bu birimler arasında Memory unit, central processing unit, Bus, inputoutput unit, serial unit, watchdog ve analog-digital converter gösterilebilir. Program bellegi ve veri belleği olarak ikiye ayrılır. Program belleği bir mikrodenetleyicinin uygulayacağı program komutlarının yazıldığı alandır. Yerine getirilecek olan bütün işlemler ve bu işlemlerin sıraları bu belleğin ilgili adreslerine (bu adresler program sayaçlarında tutulmaktadır) gidilerek buradan alınır. Program belleği PIC16F84A için 1K word olup PIC16F87X ailesinde ise 8K word’tür. 1K word 1024 komut sözcüğü içermekte olup her bir komut sözcüğü 14 bit program belleği büyüklüğündedir. Veri Belleği olarak genellikle RAM (Random Access Memory) bellekler kullanılır. RAM bellek yapısal olarak içerisine veri yazılabilen ve değiştirilebilen özellikte olup besleme gerilimi kesildiği anda bellekteki geçici bilgide silinecektir. Bir programın çalıştırılması için veri belleğinde yer olan yazmaçlar (register) kullanılmakta olup dosya yazmaçlarının uzunluğu 8-bittir. Yalnızca PCLATCH yazmacı 5-bit uzunluğundadır. Dosya yazmaçları (File Register) adresleri önceden belirlenmiş olan özel veri belleği alanları olup bunların dışında kalan veri alanlarına tarafımızdan tanımlanacak olan istenilen geçici değişkenler atanabilir. Konu ile ilgili detaylı bilgiler ileride anlatılacaktır.

2.5.1. PIC16F628 Mikrodenetleyicisi ve Özellikleri

PIC16F628 ismini İngilizce “Peripheral Interface Controller” kelimesinin baş harflerinden alır. Türkçe çevirisi ise “Çevresel üniteleri denetleyici arabirim”dir. RISC (Reduced Instrucition Set Computer) mimarisi adı verilen bir yöntem kullanılarak üretildiklerinden bir PIC16F628’i programlamak için kullanılacak komutlar oldukça az ve kolaydır. Bir tasarım yöntemi plan RISC mimarisindeki temel düşünce, daha kolay ve az sayıda komut kullanılmasıdır.

Resim.6 PIC16F628A PIC16F628, diğer PICler gibi RISC yapısı üzerine kurulu Harvard mimarisi ile üretilmiştir ve flaş program belleğine sahip PIC16CXX ailesinden 8 bitlik bir mikrodenetleyicidir. PIC16F628’in mimari yapısından dolayı program ve veri bellekleri fiziksel olarak ayrı birimlerdedir ve bunlara farklı veri yolları ile erişilmektedir. Tablo.1’de PIC16F628’in genel özellikleri görülmektedir.

Tablo.1 PIC16F628’in genel özellikleri

Şekil.1 ise PIC16F628’in bacak yapısının açık şekli görülmektedir RISC Mimarisinin PIC16F628’ e Kazandırdığı Özellikler •

Sadece 35 komut ile kontrol

•

Çalışma hızı: DC – 20 MHz’lik giriş zamanı

•

DC – 200 ns’ lik komut periyodu

•

14 – bit uzunluğunda ğunda komutlar

•

8- bit uzunluğunda ğunda veri yolu

•

15 özel fonksiyonlu donanım Register’leri

•

8 seviyeli derin donanım stack’i

•

Doğrudan – dolaylı ve izafi adresleme yöntemi

•

1000 kere program silip yazma özelliğine sahip Flash bellek PICI6F628’in 2k boyutunda program belleği vardır. Bu bellekteki her bir göz 14-bit

uzunluğundadır. Bu gözlerin uzunluğu ve içindeki veriler programcıyı doğrudan ilgilendirmemektedir. PIC 16F628’in program belleği 2k uzunluğundadır. PIC16F628’in RAM bölgesinin 4 parçaya (bank) ayrıldığından ve bu 4 RAM bölgesinde genel amaçlı saklayıcılar (general purpose registers) ve özel amaçlı saklayıcılar (special function registers) bulunmaktadır. Her bir RAM bölgesinin ilk 32 byte’lık kısmı özel amaçlı saklayıcılar tarafından kullanılmaktadır. Genel amaçlı saklayıcılar için ise 224 byte’lık bir alan ayrılmıştır. Bu saklayıcılarda program yazarken kullanılan değişkenler tutulur. Özel amaçlı saklayıcılar kullanılmak istendiğinde ilgili RAM bölgesine geçiş yapılmalıdır. Örneğin PORTA özel amaçlı saklayıcısına erişmek için mutlaka sıfırıncı RAM (Bank 0) bölgesine geçilmelidir. Bazı özel amaçlı saklayıcılar bütün RAM bölgelerinde bulunmaktadır ve bu saklayıcılara bank değiştirmeden erişilebilir. RAM bölgeleri arasında geçiş STATUS saklayıcısı kullanılarak yapılır. Microchip firması yukarıda bahsedilen RAM bölgesindeki 8-bitlik gözlere veri saklayıcısı (file register) adını vermektedir. PIC işlemlerini genellikle veri saklayıcıları ve W saklayıcısı (Working Register) üzerinden yapar. W saklayıcısı 8-bitlik bir saklayıcıdır ve birçok işlem bu saklayıcı üzerinden yapılmak zorundadır.

2.5.2. PIC16F877A Mikrodenetleyicisi ve Özellikleri

Resim.7 PIC16F877A’nın görünümü

PIC serisi mikroişlemciler MICROCHIP firması tarafından üretilmektedir. Üretim amacı çok fonksiyonlu mantıksal uygulamaların hızlı ve ucuz bir işlemci ile yazılım yoluyla karşılanmasıdır.PIC’in kelime anlamı ‘Peripheral Interface Controller’ giriş çıkış işlemcisidir.İlk olarak 1994 yılında 16 bitlik ve 32 bitlik büyük işlemcilerin giriş ve çıkışlarındaki yükü azaltmak ve denetlemek amacıyla çok hızlı ve ucuz bir çözüme ihtiyaç duyulduğu için geliştirilmiştir.

PIC mikrodenetleyiciler hızlı çalışmaları amacıyla RISC (Reduced Instruction Set Computing) işlemci olarak tasarlanmışlardır. Bu mikrodenetleyicilerde komut sayısı oldukça azdır. Komutların tek bir çevrimde işlenmesi mikrodenetleyicinin hızını oldukça arttırır. PIC16 mikrodenetleyicilerde ‘ go to ’, ’ call ’ gibi yönlendirme komutlarının dışındaki tüm komutlar tek çevrimde yapılır.

PIC mikrodenetleyicilerde bellek mimarisi olarak Harward mimarisi kullanılır. Bu mimaride program ve veri saklama bellekleri (RAM) birbirinden ayrı yapıdadır. Bu durum, program ve veri saklamak için aynı yapıyı kullanan Von Neumann mimarili mikroişlemcilere göre bir miktar daha pahalı olmaları anlamına gelir. Program belleğinde kullanılan flash belleğe kıyasla, veri belleğinde kullanılan statik RAM oldukça hızlıdır. Bu da Harward mimarisindeki mikrodenetleyicilerin çok hızlı olmalarını sağlar.

PIC ailesinin ilk ürünü PIC16C54 olarak bilinmektedir.PIC16C54 12 bit komut hafıza genişliği olan 8 bitlik CMOS bir işlemcidir.18 bacaklı dip kılıfta 13 G/Ç bacağına sahiptir,20 MHz osilatör hızında kullanılabilir ve 33 adet komut içermektedir.

512 byte program EPROM’u ve 25 byte RAM’i bulunmaktadır. Bu hafıza kapasitesi ilk bakışta çok yetersiz gelebilir fakat bir RISC işlemci olması birkaç işlemin bu kapasitede uygulanmasına olanak verir. PIC serisi tüm işlemciler herhangi bir ek bellek veya giriş/çıkış elemanı gerektirmeden sadece 2 adet kondansatör,1 adet direnç ve bir kristal ile çalıştırılabilirler. Tek bacaktan 40 mA akım çekebilmekte ve tüm devre toplamı olarak 1 5 0 m A a k ı m akıtma kapasitesine sahiptir. Tüm devrenin 4 MHz osilatör frekansında çektiği akım çalışırken 2 mA, bekleme durumunda ise 20 uA kadardır.

PIC16C54’un mensup olduğu işlemci ailesi 12Bit Core 16C5X olarak adlandırılır. Bu gruba temel grup adı verilir. Kesme kapasitesi ilk işlemci ailesi olan 12Bit Core 16C5X ailesinde bulunmamaktadır. Daha sonra üretilen ve orta sınıf olarak tanınan 14Bit Core 16CXX ailesi birçok açıdan daha yetenekli bir grup işlemcidir. Bu ailenin temel özelliği kesme kapasitesi ve 14 bit komut işleme hafızasıdır. Bu özellikler PIC’i gerçek bir işlemci olmaya ve karmaşık işlemlerde kullanılmaya yatkın hale getirmiştir. PIC16CXX ailesi en geniş ürün yelpazesine sahip ailedir.16CXX ailesinin en önemli özellikleri seri olarak devre üzerinde programlanması, kesme kabul edebilmesi, 33 G/Ç, A/S Çevirici, USART, I2C, SPI gibi endüstri standardı giriş çıkışları kabul edecek işlemcilere ürün yelpazesinde yer vermesidir.

PIC16F877A 33 Giriş/Çıkışa sahiptir. Geri kalan ayaklar besleme, gerilim, osilatör, Reset (MCLR) gibi mikrodenetleyicinin çalışması için gerekli donanıma ayrılmıştır.44- PIN QFN, 44-PIN PLCC, 44-PIN TQFP ve 40 PIN PDIP paketlerinde satılmaktadır.

Şekil.2 PIC16F877A Bacak Tanımlamaları

Pic16F877A’nın birçok değişik hızda çalışan tipleri vardır. Bu üretilen farklı tipleri arasında en yüksek hızda olan 20MHz kristal ile çalışabilmektedir. Bu da bir program çevriminin en az 200ns olmasına olanak sağlamaktadır. Bunun dışında 4MHz, 10MHz gibi seçeneklerde mevcuttur.8k x 14 bit flash program belleğine sahiptir. PIC’in komutları go to, call gibi yönlendirme komutları dışında hep 1 byte olduğundan, yaklaşık 8000 satır program yazmamıza olanak sağlar. Flash belleğe 100.000 kez üst üste yazma silme işlemi yapılabilir. Ram olarak tanımlanan, değişkenlerin bulunduğu veri belleği 368 x 8 bit’tir. Bu 368 adet değişken tanımlama olanağı sağlar. PIC16F877A’nın bir önceki versiyonu olan PIC16F877’nin EEPROM belleği 256 adet 8 bitlik veriyi EEPROM’a kaydetmeye izin verir, 256 x 8 bit EEPROM veri belleği vardır. EEPROM belleği, RAM veri belleğinden farklı olarak elektrik olmadan da kayıt edilen veriyi saklayabilir. Veri EEPROM belleğine 1.000.000 defa üst üste yazma silme işlemi uygulanabilir. Veri EEPROM’unda saklanan bilgiler en az 40 yıl boyunca silinmeden bellekte kalır.

PIC16F877A’nın diğer donanımsal özellikleri şu şekilde sıralanabilir: •

3 adet zamanlayıcı-sayıcı vardır. Bu zamanlayıcılardan TMR0 8 bit sayıcıdır. TMR1 uyuma durumunda bile dışarıdan bağlanan bir kristalle arttırılabilecek 16 bit’lik

bir

sayaçtır.TMR2 ise TMR0

gibi

bitlik

bir sayıcıdır. TMR2

mikrodenetleyicideki CCPM modülü içinde zamanlayıcı olarak kullanılır. •

2 adet Capture, Compare, PWM(CCPM) modülü yakalama (capture),

ile

200ns hassasiyetinde karşılaştırma (compare),

çözünürlükte PWM sinyali uygulama özelliklerine •

12.5ns hassasiyetinde 10 bitlik

sahiptir

Senkron Seri iletişim portu ile SPI(master) ve I2C (master/slave) protokollerinde seri iletişim özelliğine sahiptir.

•

(USART/SCI) portu ile Universal Senkron Asenkron Alıcı Verici özelliğine sahiptir.

•

RD(okuma), WR(yazma)

, CS(kanal seçme) kontrol özellikleriyle birlikte

paralel iletişim portuna sahiptir. •

10 bitlik,8 kanallı Analog/Dijital çeviriciye sahiptir.Referans değeri olarak PIC’i

besleyen Vdd ve Vcc dışında bir değer seçmek istediğimizde ,RA2 ve

RA3 portlarından farklı alt ve üst referans gerilimleri seçme imkanı vardır. •

PIC16F877A, PIC16F877’de

bulunmayan

iki

adet

karşılaştırıcıya

sahiptir.

Karşılaştırıcının referans gerilim değerleri, çıkış ve giriş portları yönlendirilebilir •

Bahsedilen tüm uygulamalar için birer kesme özelliği bulunur.PIC16F877A’ da kesme 15 farklı özel olaydan tetiklenebilir. Bunun dışında PORTB’nin 0. biti dışarıdan kesme istediğimizde kullanılır. B portunun RB4-RB7 girişleri de herhangi bir değişimde kesme yapacak şekilde programlanabilir.

•

PIC16F87A, 8 katlı bir yığın (stack) yapısına sahiptir. Bu iç içe 8 alt program çağırabileceğimiz anlamına gelir. Buna kesmelerde dahildir.

PIC16F877A’nın portları ve özellikleri: •

PortA:

6 bit’lik hem giriş hem çıkış özelliğine sahip bir porttur (RA0-RA5). TRISA kaydedicisinde

‘1’ olarak ayarlanan bitlerin pinleri giriş, ‘0’ olarak ayarlanan

bitlerin pinleri çıkış olarak belirlenir. Tüm pinleri Analog sayısal çevirici olarak ayarlanabilmektedir. Analog sayısal çevrim sırasında referans alınacak gerilimler de RA2 ve RA3 pinlerinden girilebilmektedir. İşlemciye ilk gerilim uygulandığında RA4 hariç diğer

beş pin

A/S çevirici

modundadır. Bu

girişler dijital

uygulamalarda kullanılmak isteniyorsa ADCON1 yazmacından gerekli değişiklikler yapılmalıdır. •

PortB:

Hem giriş hem de çıkış özelliğine sahip 8 bitlik bir porttur (RBO-RB7). RB3,RB6 ve RB7 pinleriprogramlayıcı veya

devre

üzerinde

hata

ayıklayıcı

olarak

kullanılabilmektedir. RB0 ucu kesme girişi olarak kurulduğunda isteğe göre, yükselen kenarda veya düşen kenarda bir kesme üretilebilmektedir. RB4-RB7 pinlerine girilen değerlerde de değişiklik olduğunda kesme oluşabilmektedir. PORTB pinlerinde giriş sırasında isteğe bağlı olarak entegre içerisinden pull-up direnci kullanılabilmektedir. •

PortC:

PIC16F877A’nın en çok özelliğe sahip portudur. Port özellikleri tüm devre kataloğunda bulunmaktadır. 8 adet sayısal giriş-çıkış biti vardır. Tüm port bacakları Schmitt-Trigger girişlidir. TRISC kaydedicisi üzerinde gerekli değişikler yapılarak, PORTC’nin çevresel birim özellikleri kullanılabilir.

•

PortD ve PortE:

PortD ve PortE genelde birlikte kullanılan iki porttur. Mikro bilgisayar veri yolarıyla 8 bit’lik

paralel iletişim için kullanılır. PortD, 8 bitlik veri ve adres yolunu

oluştururken, PortE kontrol uçları olarak ayrılmıştır. Eğer PortD paralel slave port olarak ayarlanırsa, RE0, RE1 ve RE2 bacakları PortD’ nin bağlandığı mikroişlemci yoluna sırasıyla READ, WRITE ve CHIP SELECT kontrol girişleri olarak kullanılabilmektedir. Bunun için TRISE yazmacının 4. biti ‘1’ yapılarak PortD paralel slave moda getirilmelidir. Tüm girişler paralel iletişim sırasında TTL seviyelerde, giriş çıkış olarak kullanıldığında Schmitt-Trigger seviyelerde çalışır. PortE, PortA gibi analog giriş olarak da seçilebilmektedir.

USART: PIC16F877’de seri port olarak veri göndermek (transmit) için RC6 pini, veri almak (receive) için RC7 pini kullanılmakta. Bu pinlerin statülerini ve tüm seri haberleşmeyi kontrol eden 2 yazmaç var. Seri haberleşme yapmak için öncelikle bu pinlerin RX ve TX olarak ayarlanması gerekiyor. Sonrasında yine haberleşme ile ilgili bilgilerin (baud hızı, stop bit sayısı, parity durumu) bu 2 yazmaca yazılması gerekiyor.

Tablo.2 Veri Gönderme ve Kontrol Ayar Tablosu

Bit 7:

CSRC: Zamanlamanın kaynağını belirliyor. Asenkron haberleşmede

değeri önemli değil (0-1)

Bit 6: TX9 :9 bit veri gönderme izin biti. 1 : 9 bit gönderim seçer 0 : 8 bit gönderim seçer

Bit 5: TXEN: Transmit izin biti. 1 : gönder 0 : gönderme

Bit 4: SYNC :Usart mod seçme biti 1 : senkron mod 0 : asenkron mod

Bit 3: - : Kullanılmıyor. Okunduğunda sıfır değeri veriyor.

Bit 2: BRGH: Hızlı-yavaş baud hızı seçme biti 1 : yüksek hız 0 : düşük hız

Bit 1: TRMT: Transmit kaydırma yazmacı durum biti (shift register) 1 : TRM boş 0 : TRM dolu

Bit 0 : TX9D : 9 bit haberleşmenin 9. biti. Parity biti de olabilir.

Tablo.3 Veri Alma ve Kontrol Ayar Tablosu

Bit 7: SPEN :Seri port seçme biti 1 : RC7 ve RC6 pinlerini seri port için ayarlar 0 : Seri port ayarlaması yok

Bit 6: RX9 :9 bit veri alma izin biti. 1 : 9 bit alma seçer 0 : 8 bit alma seçer

Bit 5: SREN :Tek data alma izin biti. Asenkron moda kullanılmıyor

Bit 4: CREN :Devamlı alma izin biti 1 : devamlı alma aktif 0 : devamlı alma pasif

Bit 3: ADDEN :RX9 biti 1 iken adres sorgusu yapmak için kullanılıyor. Bu sistemde kullanılmayacak.

Bit 2: FERR :Veri kayma hata biti (framing error) 1 : kayma hatası var 0 : kayma hatası yok

Bit 1: OERR :Taşma hata biti (overrun) 1 : taşma var 0 : taşma yok

Bit 0 : RX9D : 9 bit haberleşmenin 9. biti. Parity biti de olabilir.

İşlemci yazılımının başında bu registerlere kullanılacak konfigürasyona göre gereken değerler yazılacaktır. Baud hızı için ise SPBRG registeri kullanılıyor. Buraya yazılan 8 bitlik değer ile baud hızı Tablo.4 deki gibi yapılıyor.

Tablo.4 Baud Hızı Formülasyonu

Burada FOSC kullanılan osilatör frekansını, X ise SPBRG registerine yazılması gereken değeri temsil ediyor. Elbette ki maksimum 20 MHz saat frekansında çalışan bir denetleyicinin bütün baud hızlarında, X değerlerinin tam doğru değerler vermesi mümkün değildir. Tablo 5 ve Tablo 6’de BRGH’ın 0 ve 1 olduğu durumlar için, çeşitli saat frekanslarında ve baud hızlarındaki bağıl hata görülmektedir

Tablo.5 Osilatör Frekansı Seçim Tabloları

Tablo.6 Osilatör Frekansı Seçim Tabloları Burada bizim ilgilendiğimiz frekans 4 MHzdir. Baud hızını ise 9600 seçiyoruz. Bu şekilde teknik olarak bağıl haberleşme hatasını sıfır kabul ediyoruz.

ADC: Analog dijital çevirici modülü kullanmak için ADCON0 ve ADCON1 registerlerini işleme dahil etmemiz gerekiyor. İlgili ayarlar bu registerlerden yapılıyor. 10 bit için 8 bitlik 2 register kullanılıyor. ADRESH ve ADRESL registerleri çevrim değerini tutuyor.

Tablo.7 Analog Veri Alınmasında Ayar Tablosu

Bit 7-6: ADCS1, ADCS2 :ADC saati seçme biti 00 : FOSC/2 01 : FOSC/8 10 : FOSC/32 11 : FRC dahili RC osilatör

Bit 5-3: CHS2,CHS1,CHS0 :Analog kanal seçme biti 000 : kanal 0, (RA0) 001 : kanal 1, (RA1) 010 : kanal 2, (RA2) 011 : kanal 3, (RA3) 100 : kanal 4, (RA5) 101 : kanal 5, (RE0) 110 : kanal 6, (RE1) 111 : kanal 7, (RE2)

Bit 2: GO/DONE :A/D çevrim durum biti 1 : çevrimi başlatmak için 1 yapılır, çevrim tamamlanınca otomatik olarak 0 olur. 0 : ADC meşgul değil

Bit 1: - :Kullanılmıyor.0 okunur.

Bit 0: ADON :A/D modül açık biti 1 : modül açık, işlem sürüyor 0 : modül kapalı, çevrim akımı yok

Tablo.8 Analog Olarak Kullanılacak Pinlerin Belirlenmesinde ki Ayar Tablosu

Bit 6-4: - :Kullanılmıyor. 0 okunuyor. Bit 3-0: PCFG3, PCFG2, PCFG1, PCFG0 : A/D port konfigürasyon kontrol biti.

Tablo.9 ADCON1’in 0-1-2-3 nolu Pinlerin Ayarlanmasında Kullanılan Tablo Bu sistemde sadece 1 tane A/D kanal gerektiğinden 1110 seçmemiz yeterli olacaktır.

2.6. Haberleşme Standardı Seçimi Bilgisayarlar temel olarak paralel ve seri olmak üzere iki tür haberleşme standardını kullanır. Her ikisinin de birbirine göre üstün yanları vardır. Paralel veri iletimi 8 bitlik veri yolu kullanır. Bu da her bir zaman çevriminde (clock puls) 256 (28) karakterden bir tanesinin gönderilmesini olanaklı kılar. Seri veri iletiminin veri yolu tek bitliktir. Bu tek bit, zaman üzerinde paylaşılarak her bir zaman çevriminde bir karakterin yalnız bir bitinin gönderilmesini olanaklı kılar. Bu paralel haberleşmeyi üstün kılıyor gibi gözükmesine rağmen, daha az veri yolu kullanmak bir mühendislik düşüncesi gereğidir. Her iki haberleşme standardını kıyaslamak için Tablo.10’a göz atalım:

Paralel iletim Seri iletim Çok hızlı bilgi gönderilip – alınabilir Paralel kadar hızlı değillerdir Kullanılan kablo uzunluğu 9 feet olabilir. Kullanılan kablo uzunluğu Paralel iletim kabloları çokludur. Seri iletim kabloları genelde çifttir. Bilginin bir karakteri bir kerede Karakterin bir biti bir kerede Senkronizasyon için bir hat işgal eder Asenkron çalışmayı destekler Tablo 10: Paralel ve seri haberleşme standartları karşılaştırması

Endüstrideki birçok uygulama için seri haberleşme yeterli, çoğu zaman da gereklidir. Bu uygulama için de seri haberleşme hızı yeterli olmaktadır. Bu yüzden seri haberleşme standardını seçtik.

2.7. Asenkron Seri Haberleşme Standardı

Bir karakterin bitleri tek bir hat üzerinden sırayla gönderilir. Karakterin başında gönderilen başlama bitinden sonra alıcı ve verici birbirinden bağımsızdır. Verici, bitleri belirlenmiş bir hızda gönderirken, alıcı da teorik olarak aynı hızda bunları okur. Asenkron seri haberleşmenin önemli terimlerini şu şekilde sıralayabiliriz:

Baud Rate: Veri iletim hızıdır. 1 saniyede iletilen bit adedine denir. Standart olarak veri hızları 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, ... şeklindedir.

Start Bit: Seri haberleşmede veriler senkron yada asenkron olarak iletilebilirler. Senkron iletimde belirli bir başlangıçtan sonra veriler sıralı olarak ard arda gelirler. Uzun bir dosyanın iletiminde bu yol kullanılabilir. Asenkron iletimde ise bir veri gönderildikten sonra yeni bir veri belirli olmayan bir zamanda gelir. İşte bu yeni verinin başlangıcı start biti ile bildirilir.

Stop Bit: Gönderilen verinin bittiğini ifade eden bittir. Bu biti alan alıcı yeni bir veri için start bitini gözlemeye başlar. haberleşmenin tipine göre 1 yada 2 bit uzunluğunda olabilir.

Eşlik Biti (Parity Bit): Bir çeşit hata denetim bitidir. Start ve 8 bitlik bir veri iletildikten sonra stop biti gönderilmeden parity gönderilir. İletilen 8 bitlik veride 1’lerin sayısı çift ise EVEN tek ise ODD biti gönderilir. Alıcı bu biti kontrol ederek alınan verinin doğru olup olmadığını kontrol eder. 1 parity 1 bit uzunluğundadır.

Siplex: Bilginin sadece bir yönde aktığı durumdur.

Half dublex: Bilginin farklı zamanlarda çift yönde akabildiği durumdur.

Full dublex: Bilginin aynı anda çift yönde akabildiği durumdur.

PIN ÖZELLİKLERİ:

Tablo.11 UFM-A12WPA Pin Özellikleri

Şekil.3 UFM-A12WPA Üstten Görünüşü.

TEKNİK ÖZELLİKLER:

Tablo.12 UFM-A12 WPA’nın teknik özellikleri

KULLANIM TALİMATLARI:

UFM-A12WPA

modülü

kullanıcının

sistemine

entegre

olabilecek

şekilde

tasarlanmıştır. Özel uygulamalar için kullanılabilecek nihai bir ürün değildir. Elektronik sistemin içinde kullanılabilecek özel bir komponent olarak ele alınmalıdır. Kullanıcının temel elektronik bilgisine sahip olması gereklidir. RF teknoloji hakkında bilgi sahibi olunması kullanım açısından oldukça faydalıdır. RF ile ilgili zor kısımların önemli bir bölümü modül içinde çözülmüş durumdadır. Aşağıda bunlara ek bilgileri bulabilirsiniz.

Besleme Voltajı:

Modül belirtilen değerlerin altında bir besleme yapıldığında kararsız çalışacaktır. Besleme voltajı ve topraklama GND bağlantısı belirtilen değerlerin üzerinde veya ters olursa, modülde kalıcı tahribatlara yol açılabilir.

Besleme voltajında çalışma sürecinde ±100 mV değişimlerin üzerindeki değişimler modülün kararsız çalışmasına neden olur. Besleme devresinde regülator IC kullanılması gereklidir.

Microcontroller Bağlantısı:

Microcontroller USART portu Data‘nın modüle verilmesi ve RF olarak gelen sinyalin modülden alınması için kullanılır.

Şekil.4 UFM-A12WPA’nın A12WPA’nın Mikrokontrolöre bağlanması ba

2.8. VERİİ İLETİŞİMİ İLETİŞİ

2.8.1 F i z i k s e l Karakteristik İletim tipi

: Aseenkron (UART)

İletişim hızı : 2,4 Kbitps Link

: RS 232 – TTL (0 – 5 VDC)

2.8.2. Data Form matı 8 data bits, no parrity, 1 stop bit (8N1) CTS ve RTS kullaanılmıyor.

2.8.3. Genel Data Formatı

Tablo.13 UFM-A12WPA’nın Genel Data Formatını Gösteren Tablo •

Data Input UFM-A12 Data module Tablo.14 de gösterildiği gibi verilmelidir. Önce start of frame (3

byte), sonra data (max 72 byte) ve sonunda end of frame (5 byte). Modulun MAC katmanı datanın RF ile iletilmesi için gerekli eklemeleri (preamble, synchronization header) yaparak RF katmanına verir.

Tablo.14 UFM-A12WPA Veri Girişlerinin Ayar Tablosu

Data paketiniz 72 byte’tan uzun ve arka arkaya gönderme yapacaksanız, yahut data paketiniz 72 byte’tan kısa olmasına rağmen arka arkaya gönderme yapacaksanız, iki gönderme paketi arasında aşağıdaki hesaplama kadar zaman boşluğu bırakmanız gereklidir.

Td = (300 + Data Boyu*4) msn.

Şekil.5 Çoklu Veri Gönderildiğinde ki Zaman Hesabı •

Data Output UFM-A12

RF ‘ten alınan data T a b l o . 1 5 de gösterildiği gibi modül çıkışına verilir. Önce start of frame(3 byte), sonra data (max 72 byte) ve sonunda end of frame (5 byte). Modülün MAC katmanı datanın RF ile iletilmesi için gerekli eklemeleri (preamble, synchronization header) çıkararak modül çıkışına verir.

Tablo.15 UFM-A12WPA Veri Çıkışlarının Ayar Tablosu

3. RÖLE Röle, elektrik devrelerinde akım ve voltaj değerleri de erleri yardımı ile akım yolunu açıp kapatarak sistemin çalışma şma mantığını mantı ını düzenleyen elektromekanik cihazlardır. Röle, prensip olarak bir veya birkaç elektromagnet bobin ve bu bobinin hareket ettirdiği ettirdi kol ve kola bağlı ettirdiğ kontak düzeni olan kapalı kutu biçimindedir. Rölenin kapalı olması çevre tozlarının hassas olan kontak yüzeylerine yapışmasını yapış önlemek içindir. Röle; bobin, palet ve kontak kontak olmak üzere üç bölümden meydana gelir. Bobin kısmı rölenin giriş kısmıdır. Palett ve kontak kısmının bobin ile herhangi bir elektriksel bağlantısı ba yoktur. Bobin kısmına, smına, rölenin türüne uygun olarak bir gerilim uygulandığında uygulandı bobin mıknatıs özelliğii kazanır ve karşısında kar ısında duran metal bir paleti kendine doğru do çekerek bir veya daha fazla kontağı ğı birbirine irtibat kurarak bir anahtar görevi yapar.

Şekil.6 Rölenin Şematik Gösterimi Röleler kullanıldığı yerlere, çalışma çalı metotlarına göre isim alırlar. Akım, güç, ilk hareket, termik, manyetik ters akım, kilitleme gibi daha birçok röle çeşidi çe çeş vardır. Röleler akımın veya voltajın belli değere de ulaşması ile çalışıyorsa bunlar ani etkili rölelerdir. Akımın iki değeri eri arasında çalışan çalı diferansiyel röle; çalışma ma akımına ulaştıktan ulaş ve belli bir süre bekledikten sonra, çalışan çalış gecikmeli röle; diğer rölelerin çalışmasını şmasını sağlayan sa veya sınırlayan kilitleme rölesi; enerji nakil hatlarındaki kısa devre şartlarına karşı kar şebekeyi koruyan koruma rölesi; elektrik makinelerini koruyan termik-manyetik manyetik röle; kendisini

besleyen gerilim ortadan kalktığında çalışan sıfır rölesi; jeneratörlerin motor olacak çalışmasını önleyen ters akım rölesi endüstride elektrik devrelerinde kullanılan en yaygın röle çeşitleridir.

Resim.7 Kullanılan Röleler Modern otomasyon bilimlerinin en çok faydalandığı âletlerden biri de röledir. Meselâ, telefon sistemleri demiryolları sinyal sistemleri tamamen röle düzenine dayanmıştır. Otomatik makinelerin belli bir mantık sırasına göre çalışması rölelerle sağlanır. Elektronik konusunda atılan dev adımlarla elektromekanik rölelerin yerini yarı iletken röleler almaya başlamıştır. Elektronik mantık devreleri, mikro işlemcilerle yapılmakta, hem hacim, hem sürat, hem de az arıza yapmasıyla elektromekanik rölelere tercih edilmektedir. Normal büyüklükte bir odayı dolduran elektromekanik röleli telefon sistemi mikro işlem röle sistemiyle bir dolap hâline dönüşmüştür.

4. ENKODERLİ MOTOR Enkoderler yani sinyal üreticiler, bağlı olduğu şaftın hareketine karşılık, sayısal (dijital) bir elektrik sinyali üreten elektromekanik bir cihazdır. Enkoderler çalışma şekillerine; dönel olarak çalışan şaft enkoderler ve doğrusal olarak çalışan lineer enkoderler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Testere Dişli bir kol ya da ölçü tekerleği gibi uygun bir mekanik dönüştürme cihazı ile birlikte kullanıldığı zaman; şaft enkoderler, açısal yer değiştirme, lineer ve dairesel hareket, dönüş hızı, ivme, gibi büyüklükleri ölçmek için kullanılabilir. Enkoderli motorlar çıkış tiplerine göre de ikiye ayrılırlar:

4.1.Mutlak Tip (Absolute) Enkoderler

Bu enkoderler, her pozisyonlarında farklı sayılardaki bitlerden oluşan dijital bit dizileri şeklinde birbirine benzemeyen çıkışlar üreterek, gerçek pozisyonlarını tam olarak gösterirler. Enerjisi kesilse bile mevcut durumunu korur.

4.2.Artımsal Tip (Incremental) Enkoderler

Bu enkoderler, her pozisyonda benzer çıkış sinyalleri (Kare Dalga) üretirler. Bu sinyaller hız ölçümü (bir takometre ile birlikte) ya da sayma işlemi için (bir sayıcı ile birlikte) kullanılabilirler.

Bu tip enkoderler absolute enkoderlerden farklı olarak enerjilendikleri anda bulundukları yeri 0 kabul eder ve bunun üstüne işlem yapar ve absolute enkoderler, incremental enkoderlere göre daha pahalıdır.

Resim.8 Enkoderli Motorlar

512 / 1024 / 1048 / 4096 puls ve üstü enkoderler mevcuttur. Bu pulslar enkoder ‘in 1 tam tur attığında üreteceği puls sayısıdır. Tabi ki 4096 pulslu bir enkoder daha hassastır. Çünkü nokta aralıkları daha azdır.

Örneğin bir motor‘a bağlı enkoder‘in pozisyonuna göre motorun kontrolünü sağlayabiliriz, hangi pozisyon da olduğuna göre feedback alıp işlemlerimizi PIC aracılığı ile hesaplayarak düzenleyebiliriz.

Resim.9 Enkoderli Motorun Enkoder Kısmının Gösterimi

Artımsal (Incremental) tip şaft enkoder uygulamalarına birkaç örnek olarak;

1. Düz bir testere dişli kol üzerinde hareket eden, yuvarlak dişliye bağlanarak dairesel bir hareketin doğrusal harekete çevrimi.

2. Bir türbine bağlanarak, debi ölçümü,

3. Ölçü tekerleğine (çevre ölçüsü belirlenmiş bir tekerlek) bağlanarak boy ölçümü.

4. Elektrik motorlarının arkasına monte edilerek hız, yön ve pozisyon kontrolü,

5. Bir döner tablaya bağlanarak, direkt açısal hareket bilgisi elde edilmesi,

6. Tartı makinelerine direkt olarak bağlanıp, elektronik olarak ağırlık ölçümü uygulamaları verilebilir.

5.. ÖZGÜN PROJE ÖRNEĞİ ÖRNE

Bu projenin konu kapsamı ise daha çok operasyonel robotik alanında bulunmaktadır. İnsan nsan hayatını tehlikeye atacak durumlarda çalışması çalışması planlanan ve olası bir şüpheli üpheli paketi bulunan yerden daha güvenli başka ba bir yere taşımayı şımayı veya olduğu oldu yerde uzaktan müdahale edilmesini sağlamaktır. sa lamaktır. Uzaktan kumanda sistemi sistem ile oluşturulan mekanizma hareket ettirilerek, olası şüpheli üpheli paketi yerinde inceleme ve müdahale imkânı sağlanmaktadır. lanmaktadır. Hareket mekanizması ise palet sistemi ile gerçekleştirilmiştir. gerçekle gerçekleş Bu da engebeli arazide hareket ve çalışma çalı olanağı sağlamaktadır.

5.1. DEVRE KARTLARI

Şekil.7 Master (Alıcı) Devresi

Master (alıcı) devresinde soldaki 5’li pinlerin sol taraftan 1,3 ve 5nolu 5 pinleri sırasıyla +5V, GND ve joystick tarafından Analog veri girişi giri i yapılmaktadır. Devre kartının

+3V, +5V ve GND beslemeleri üst taraftaki 5’li soketin 1,3 ve 5. pinlerine bağlanan ba güç kaynağı tarafından karşılanmaktadır. şılanmaktadır.

Şekil.8 Headworker (Verici) Devresi

Headworker (verici) devresinde soldaki 5’li pinlerin sol taraftan 1,3 ve 5nolu 5 pinleri sırasıyla +5V, GND ve Analog veri girişleridir. leridir. Devre kartının +3V, +5V ve GND beslemeleri üst taraftaki 5’li soketin 1,3 ve 5. pinlerine bağlanan ba lanan güç kaynağı kayna tarafından karşılanmaktadır. Sağğ alt taraftaki t 3’lü pinler ile eksen motorlarının seri iletişim ileti verileri gönderilmektedir.

Şekil.9 Eksen Motorları Devreleri

Eksen motorları torları devrelerinde, motorlar PIC tarafından aldığı ğı Analog seri iletişim ileti bilgilerine göre röleler aracılığıyla aracılı ıyla tetiklenerek ileri ve geri yönde dönmeleri sağlanmaktadır. lanmaktadır. Bu devrelerde gerektiğinde gerekti PWM ile motorları rı kontrol edebilmek için L293D motor sürücü devreye eklenerek çok amaçlı hala getirilmiştir.

Şekil.10 Güç Kaynağı Devresi

Güç kaynağı devresinde devreye gelen +12V’tu 7805 ile +5’a dönüştürerek PIC için gerekli olan voltaj gerilimini sağlamış bulunuyoruz.

5.2. Veri İletişim Diyagramı

Şekil.11 Veri İletişim Diyagramı

Veri iletişim mekanizmasında kumandadan girilen motor eksen verileri, wireless modülü ile seri hattan tüm eksen motorlarını kontrol edecek olan PIC’lerin RX bacaklarına iletilmektedir. Alınan verilere göre anahtarlama görevi yapan ilgili röle ve transistörler tetiklenerek motorların ileri ve geri hareketi sağlanmaktadır.

5.3. MEKANİK TASARIM

Belirli bir amaç için robot tasarlanırken öncelikle amaca uygun olarak en basit şekilde tasarımı yapılır. Tasarım yapılırken öncelikle boyut ve ağırlık göz önünde bulundurulur. Öncelikle robottan taşımasını istediğimiz yük miktarı belirlendi. Buna bağlı olarak kuvvet ve moment hesabı yapıldı. Bulduğumuz değerlere göre kullanacağımız et kalınlıkları, dişli çevrim oranları ve uzunluklar belirlendi. Robot kolu için yaptığımız bu hesaplara bağlı olarak robotun alt gövdesinin tasarımı gerçekleştirdik. Hesapladığımız bu değerlere bağlı olarak kullanacağımız motorların sayısı ve yerleri için en uygun yerleri belirledik.

5.3.1. Tutacak Kısım

Gripper kısmı da denilen bu kısmı tasarlarken göz önünde bulundurduğumuz kriterler tutulabilecek parçanın genişliği, hafiflik ve estetiktir. Buna bağlı olarak tasarladığımız gripper tutucu kısmı adeta bir yengeci andırmaktadır. Tutucu kısım için malzeme olarak MDF kullanılmıştır. Bunun nedeni ise fazla bir eksenel kuvvete maruz kalmamakla birlikte hafif olmasını sağlamaktır. İmal edilen dişliler için ise derlin tercih edilmiştir. Derlinin tercih edilme nedeni ise hafif olmasının yanı sıra oldukça dayanıklı olmasıdır. Bu parçaları bir arada tutabilmek için kullandığımız tabla ve ara bağlantı elemanları pleksiglas malzemeden üretilmiş olup yeterince hafif, dayanıklı ve şeffaf olduğundan dolayı estetiktir. Tutucu kısmın tahriki bir adet DC motor ile sağlanmaktadır.

Şekil.12 SolidWorks Programında Tasarlanan Gripper

Resim.10. İmal Edilen Gripper

5.3.2. Kollar

Kollar tasarlanırken robotun uzanabileceği en uzak mesafe ve kendi çevresine uzanabilmesi hesaba katılarak tasarım gerçekleştirilmiştir. Kollar pleksiglastan üretilmiştir. Yanal yüklere dayanabilmesi için ön kol ve arka kol için ikişer adet kol kullanılmıştır. Kollar arasına C profiller yerleştirilerek oluşabilecek düzgünsüzlükler minimuma indirilmeye çalışılmıştır. Ayrıca kollar üzerinde boşaltma yapılarak taşıyacağı maksimum yükün %95 ini taşıyabilirken ağırlığında önemli azalmalar gerçekleşmiştir. Ayrıca dişlinin üzerinde bulunduğu St37 malzemeden yapılmış miller bu kollarda yataklanmıştır. Ön kol üzerinde bir adet enkoderli motor, potansiyometre ve bir adet dişli bulunmaktadır.

Şekil.13 SolidWorks programında tasarlanan ön ve arka kollar

Resim.11 İmal edilen kollar

5.3.3. Ön Kol ve Gripper Arasındaki Bağlantı

Burada tasarladığımız parça ön kol ve gripper arasında bağlantıyı sağlama amaçlı kullanılmakla beraber gripperin aşağı-yukarı yönde hareket etmesini sağlamaktadır. Üzerinde bir adet enkoderli motor, mil dişliler ve potansiyometre de bulunmaktadır. Eğilmesini ve yanal yüklere karşı dayanıklı olmasını sağlamak amacıyla C profil ile desteklenmiştir. Bu parça ve C profil pleksiglastan imal edilmiştir.

Şekil.14 SolidWorks programında tasarlanan ara bağlantı elemanı

Resim.12 İmal edilen ara bağlantı elemanı

5.3.4. Döner Platform

Birbirine monte edilen kollar, gripper ve ön kol ve gripper arasındaki bağlantıyı sağlayan parçanın 270º dönebilmesini sağlayan platform tasarlanırken; kolların ağırlığından dolayı düşmesini önlemek amacıyla arkasına iki adet 60º eğimde çıkıntı tasarlanmıştır. Bu noktalardan kollara takılması planlanan yaylar takılacaktır. Ayrıca bu platform 2 adet enkoderli motor ve tutacakları, potansiyometre ve dişliler de taşımaktadır. Bu platformun alt gövdeyle bağlantısı altına açılmış olan 4 adet 6 mm çapında delikten geçirilen tijlerle sağlanmıştır. Bu platformun dönmesi gövdeye sabitlenmiş bir rulmanlı yatağa yerleştirilmiş bir dişlinin bir enkoderli motor ile tahrik edilmesi ve alınan tahrikin tijlerle platforma iletilmesiyle sağlanmıştır. Gövdede yataklanmış olan dişli sistem üzerinde bir adet potansiyometre de yer almaktadır.

Şekil.15 SolidWorks programında tasarlanan döner platform

Resim.13 İmal edilen döner platform

Resim.14 Döner platformun alt gövdeyle bağlantısı

Şekil.16 Döner platformun dönmesini sağlayan sistem

5.3.5. Alt Gövde

Alt gövdenin tasarımı arazi şartlarına uyum sağlayabilmek amacıyla ön ve arka taraflarından farklı eğim açılarında tasarlanmıştır. Tahriki her iki tarafında bulunan 4 adet DC motor ile sağlanmaktadır. Bu motorlar hareket iletimi kayışlarla sağlanacağından kasnaklara bağlanmıştır. Kasnaklardan momentin düzgün iletilmesi için iki yanda da uygun kavrama açılarında gerdirmeler kullanılmıştır. Gövdenin yüksekliği, içerisine elektronik devre elemanları, dişli sistemi ve dişli yataklama elemanlarının yerleştirilmesine göre belirlenmiştir. Genişliği döner platforma göre belirlenmiştir. Uzunluğu ise üzerindeki kollar maksimum uzunluğa ulaştığında ağırlıktan dolayı meydana gelecek olan momente bağlı devrilmeyi önleme düşüncesiyle seçilmiştir. Malzeme olarak MDF seçilmiştir. Bunun nedeni ise radyal yönde gelen kuvvetlere karşı daha az esneme yapması, dayanıklı olmasının yanında hafif olmasıdır.

Şekil.17 Robotun Genel Görünümü

5.3.6. Dişliler

Pinyon dişliler üretilirken motorun miline sabitlenebilmeleri için hablı (hub) olarak üretildi ve motor miline setskur vidaları ile bağlandılar. Pinyon dişlilerin tahrik ettiği dişliler ise mukavemetini kaybetmeyecek şekilde boşaltmalar yapılarak üretildi. Dişliler üretilirken malzeme olarak derlin kullanıldı.

Pinyon Dişliler:

Gripper üzerindeki pinyon dişli; z:diş sayısı m:modül z=15, m=2;