XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Моделирование машинки на проводном пульте управления
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Моделирование в научных исследованиях стало применяться еще в глубокой древности и постепенно захватывало все новые области научных знаний: техническое конструирование, строительство и архитектуру, астрономию, физику, химию, биологию и, наконец, общественные науки. Большие успехи и признание практически во всех отраслях современной науки принес методу моделирования ХХ в. Однако методология моделирования долгое время развивалась независимо отдельными науками. Отсутствовала единая система понятий, единая терминология. Лишь постепенно стала осознаваться роль моделирования как универсального метода научного познания. Термин "модель" широко используется в различных сферах человеческой деятельности и имеет множество смысловых значений.
Под моделированием понимается процесс построения, изучения и применения моделей. Оно тесно связано с такими категориями, как абстракция, аналогия, гипотеза и др. Процесс моделирования обязательно включает и построение абстракций, и умозаключения по аналогии, и конструирование научных гипотез. Главная особенность моделирования в том, что это метод опосредованного познания с помощью объектов-заместителей. Модель выступает как своеобразный инструмент познания, который исследователь ставит между собой и объектом и с помощью которого изучает интересующий его объект. Именно эта особенность метода моделирования определяет специфические формы использования абстракций, аналогий, гипотез, других категорий и методов познания.
Моделирование - само по себе увлекательное занятие, но наибольший интерес представляет изготовление подвижных, особенно управляемых на расстоянии моделей.
Объект исследования: машинка на проводном пульте управления.
Предмет исследования: методы моделирования, линии управления моделями как основа дистанционного управления объектами.
Цель работы: изучить возможности, теоретически обосновать и экспериментально проверить методы командных линий управления моделями, методы моделирования:
1)физический метод моделирования, при котором модель и моделируемый объект представят собой реальные объекты или процессы единой или различной физической природы;
2) структурно-функциональный метод моделирования, при котором моделями являются схемы (блок-схемы), графики, чертежи, диаграммы, таблицы, рисунки, дополненные специальными правилами их объединения и преобразования.
Гипотеза. Мы предполагаем, что самостоятельное изготовление модели, на проводном пульте управления, даст возможность создать уникальную модель (для дальнейшего применения в жизни).
Необходимость использования систем дистанционного управления объектами возникает в различных областях техники – соответствующие устройства постоянно совершенствуются. Различают автономные, неавтономные и комбинированные системы. Принципы функционирования линии управления отражены на следующей схеме (Рис. 1.1.):
Рис. 1.1. Структурная схема командной линии управления
В последнее время, в незаслуженно забыто проводное дистанционное управление моделями, хотя именно проводное управление позволяет начинающим моделистам понять как работает управление моделью, и дает огромный простор для творчества.
Моделист получает информацию о параметрах движения модели, как правило, за счет визуального наблюдения. На основе анализа этой информации принимается решение о требуемых наборах команд, необходимых для передачи. Ввод команд осуществляется с помощью соответствующих датчиков, которыми оснащен пульт управления.
При дистанционном управлении моделями возникает необходимость передачи команд двух типов. Первые – разовые команды, предназначены для включения и выключения различных устройств. Вторые – команды предполагающие плановое изменение каких-либо параметров движения модели пропорционально углу отклонения соответствующего органа управления на пульте передатчика, обеспечивая большую степень реалистичности передвижения модели. Для передачи таких команд служит аппаратура пропорционального управления.
Набор команд, необходимый для передачи на борт модели, зависит от типа модели, конкретной текущей ситуации в процессе управления и поставленной задачи, при этом необходимо обеспечить однозначную идентификацию на приемной стороне.
Передатчик, среду распространения сигнала и приемник, находящийся на борту управляемой модели, принято называть каналом связи. В зависимости от среды распространения и используемых сигналов, каналы связи подразделяются:
а)проводные; б)индукционные; в)инфракрасные; г)оптические; д) радиочастотные.
В нашей модели применен проводной канал связи.
Приемник обычно обеспечивает три функции:
выделяет полезный сигнал на фоне множества посторонних, как правило, присутствующих в среде распространения;
усиливает сигнал. Сигнал в среде распространения существенно затухает, и требуется его усиление, часто весьма значительное;
производит преобразование принятого сигнала в командный, аналогичный тому, который имел место на выходе шифратора.
Практическая. Основная часть.
1.Используемые материалы
Хочу поделиться опытом реализации проводных систем управления моделями.
Для реализации нашей модели нам понадобились:
Микросхема управления колесами (драйвером двигателей) 1 шт. (Фото 1).
Фото. 1.
П латформа (база для крепления механизмов обеспечивающих движение модели) 1шт. (Фото 2).
Фото 2.
К олёса 2 шт. (Фото 3).
Фото 3.
Моторы 2 шт. (Фото 4).
Фото 4.
Блок питания, для преобразования напряжения 1 шт.(Фото 5).
Фото 5.
М акетная панель, для сборки электронной части 1шт.(Фото 6).
Фото 6.
Литиевые аккумуляторы 2 шт. (Фото 7)
Фото 7.
П ровода, 2 кнопки, макетная плата (breadboardcard) (Фото 8).
Фото 8.
2.Выработка идеи
П ри выборе модели и методов ее реализации изначально рассматривалась самая простая систему (Рис.1.2.), это позволило нам понять сам принцип, уже дальше двигаться усложняя схему и делая её более функциональной. Схема содержала всего одну кнопку (выключатель) и позволяла выполнять всего одну команду, например двигаться вперед, когда нажата кнопка. Для этого оба мотора платформы соединялись параллельно.
Рис.1.2. Схема с одной кнопкой.
На примере этой схемы видно, что любое электронное устройство состоит из источника питания, потребителей (электродвигатели) и системы управления, которая в нашем примере будет состоять из различных кнопок и переключателей. Имеет смысл также рассказать, что в системе с прямым управлением максимальное количество состояний модели зависит от количества элементов управления. В данном случае у нас только одна кнопка, которая может находится в двух состояниях, следовательно и модель может находиться только в двух состояниях (два в степени один) -стоять или двигаться в одном направлении.
Чтобы модель могла двигаться "вперед - назад" - делаем реверс питания, по схеме с двойным переключателем (Рис.1.3.).
Рис.1.3. Схема с двумя кнопками
На этой схеме реверс питания. Данная схема наглядно показывает, что при изменении полярности - меняется направление вращения электродвигателя. Но схема не удобна тем, что модель может находится только в движении. Чтобы модель можно было остановить - придется поискать переключатель на три положения или добавить еще одну кнопку (Рис.1.4.). И это максимум, который можно реализовать, используя только два провода управления.
Рис. 1.4.Схема с двумя кнопками и двойным переключателем.
3.Сборка модели
При реализации нашей модели за основу будет взята структурная схема состоящая из трех структурных единиц (Рис.2.):
- Пульт управления (ПУ)
- Драйвер моторов (ДМ)
- Блок моторов (БМ).
Рис.2. Структурная схем модели.
Начинаем подготовку базу для реализации модели. На деревянную платформу крепим два мотора, по средствам металлических крепежей, формируя блок моторов (Рис. 3.). Фиксируем на платформе макетную панель (клеим с помощью двухстороннего скотча). Прикручиваем вспомогательное колесо. Прикручиваем к платформе базу для литиевых аккумуляторов. Устанавливаем на крепления к двигателям колеса.
Рис.3. Блок моторов.
Далее исходя из принципиальной схемы модели (Рис.4.) на макетную панель фиксируем блок питания (Фото 9), драйвер двигателей (Фото 1, Рис. 2.1.) и начинаем работу над соединением контактов.
О пираясь на принципиальную схему осуществляем соединение мотора М1, по средствам проводов, с 3 и 6 выходами драйвера двигателей, мотор М2 подключаем к 14 и 11 выходам драйвера двигателей. Перемычками, заранее заготовленными маленькими проводками, соединяем выходы драйвера двигателей № 4, 5, 7, 10, 12, 13 с минусом, а выходы драйвера двигателей №2, 16, 8, 9 соединяем с плюсом (Фото 9).
Для управления двигателями необходимо устройство, которое бы преобразовывало управляющие сигналы малой мощности в токи, достаточные для управления моторами. Такое устройство называют драйвером двигателей (Фото1,Рис.2.1).
С уществует достаточно много самых различных схем для управления электродвигателями. Они различаются как мощностью, так и элементной базой, на основе которой они выполнены.
Мы остановимся на самом простом драйвере управления двигателями, выполненном в виде полностью готовой к работе микросхемы. Эта микросхема называется L293D и является одной из самых распространенных микросхем, предназначенных для этой цели.
L293D содержит сразу два драйвера для управления электродвигателями небольшой мощности (четыре независимых канала, объединенных в две пары). Имеет две пары входов для управляющих сигналов и две пары выходов для подключения электромоторов. Кроме того, у L293D есть два входа для включения каждого из драйверов. Эти входы используются для управления скоростью вращения электромоторов с помощью широтно-модулированного сигнала (ШИМ).
L293D обеспечивает разделение электропитания для микросхемы и для управляемых ею двигателей, что позволяет подключить электродвигатели с большим напряжением питания, чем у микросхемы. Разделение электропитания микросхем и электродвигателей может быть также необходимо для уменьшения помех, вызванных бросками напряжения, связанными с работой моторов.
Теперь рассмотрим назначение выводов микросхемы L293D (Рис.2.2). Входы ENABLE1 и ENABLE2 отвечают за включение каждого из драйверов, входящих в состав микросхемы.
Входы INPUT1 и INPUT2 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT1 и OUTPUT2.
Входы INPUT3 и INPUT4 управляют двигателем, подключенным к выходам OUTPUT3 и OUTPUT4.
Контакт Vs соединяют с положительным полюсом источника электропитания двигателей или просто с положительным полюсом питания, если питание схемы и двигателей единое. Проще говоря, этот контакт отвечает за питание электродвигателей.
К онтакт Vss соединяют с положительным полюсом источника питания. Этот контакт обеспечивает питание самой микросхемы.
Четыре контакта GND соединяют с "землей" (общим проводом или отрицательным полюсом источника питания). Кроме того, с помощью этих контактов обычно обеспечивают теплоотвод от микросхемы, поэтому их лучше всего распаивать на достаточно широкую контактную площадку.
Х арактеристики микросхемы L293D
- напряжение питания двигателей (Vs) - 4,5...36V
- напряжение питания микросхемы (Vss) - 5V
- допустимый ток нагрузки - 600mA (на каждый канал)
- пиковый (максимальный) ток на выходе - 1,2A (на каждый канал)
- логический "0" входного напряжения - до 1,5V
- логическая "1" входного напряжения - 2,3...7V
- скорость переключений до 5 kHz.
- защита от перегрева.
Чтобы машина быстрее ездила можно подавать на моторы большее напряжение на выход драйвера №8 (отвечающий за питание моторов) до 9Вт, но для безопасности реализации модели мы используем напряжение 5Вт, как для всей схемы (Рис. 5).
Подготавливаем провода для пульта (усиливаем) (Фото 11).
Фото 11.
Монтируем кнопки пульта на макетку, фиксируем усиленные провода в соответствующие разъемы кнопок, устанавливаем перемычку (Фото 11, Фото 12).
Фото 11. Фото 12.
Заключение
В ходе исследовательской работы, я много узнал и реализовал на практике метод проводного дистанционного управления моделью, это позволило мне, начинающему моделисту, понять как работает управление моделью, и дало огромный простор для творчества. Мною был освоен метод получения параметров движения модели, за счет визуального наблюдения. Реализована возможность сборки модели по принципиальной схеме модели. Результатом данной работы стала машинка на проводном пульте управления, которую я могу показать друзьям и в дальнейшем использовать.
Процесс моделирования и реализации является экологически чистым. Изготовление и эксплуатация данной модели не повлекло за собой никаких существенных изменений в окружающей среде. Модель легка в эксплуатации и передвижении.
Список литературы и интернет источников
Боб Яннини. Удивительные электронные устройства (Электроника для начинающего гения).Перевод с английского. НТ Пресс, 2008 год.
Днищенко А.В. 500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями.СПб.: Наука и техника, 2007, 464 с.
Самородский П.С. Технология. Технический труд: 6 класс: учебник для учащихся общеобразовательных учреждений П.С. Самородский , А.Т. Тищенко, В.Д. Симоненко; под редакцией В.Д. Симоненко. 4-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф , 2011, - 144с.
Электронные устройства с программируемыми компонентами, автор Патрик Гёлль, ДМК Пресс, 2001 год, Москва.
http://msevm.com/2019/pult/index.htm