Maszyna do automatycznego nalewania cieczy

Łukasz Godziejewski
MARM Projekt
Temat: Maszyna do automatycznego nalewania cieczy.
Opis ogólny
Projekt zakładka stworzenie oprogramowania do maszyny nalewającej ciecz w dowolnej
kombinacji ośmiu możliwych miejsc naczyń. Po wciśnięciu przycisku Start przez użytkownika,
urządzenie automatycznie wykrywa w których z ośmiu miejsc znajdują się naczynia –
dojeżdża do właściwych pozycji oraz wypełnia naczynie dostarczoną cieczą.
Opis mechaniki
Urządzenie posiada pompę z której poprowadzona jest silikonowa rurka do kranika. Kranik
umieszczony jest na karetce prowadnicy liniowej, umiejscowionej równolegle do płytki z
czujnikami. Prowadnica liniowa sterowana jest silnikiem DC z enkoderem, umożliwiającym
określenie pozycji karetki prowadnicy. Na początku prowadnicy znajduje się krańcówka,
dzięki której wiadome jest czy karetka znajduje się w pozycji początkowej. Na górze
urządzenia znajduje się wyświetlacz wraz z dwoma przyciskami oraz przycisk z enkoderem
obrotowym.
Opis elektroniki
Przednia płytka składa się z ośmiu czujników odległości – są to czujniki optyczne APDS-9130 z
zintegrowanym układem do obróbki sygnału analogowego. Posiadają interfejs 𝐼 2 𝐶,
korzystając z którego można odczytać cyfrowe wartości pomiarów w zakresie 0 − 1023. Jako
że czujniki nie posiadają możliwości konfiguracji adresu 𝐼 2 𝐶 poprzez ustawienia pinów (mają
fabrycznie wgrany adres) – skorzystano dodatkowo z ośmiokanałowego układu typu
𝐼 2 𝐶 𝑀𝑢𝑥, dzięki któremu możliwa jest komunikacja z każdym czujnikiem osobno.
Ponadto, na przedniej płytce znajduje się osiem diod RGB, których barwy są sterowane
trzema kanałami PWM. Diody są włączane i wyłączane ośmiokanałowym układem typu LED
Driver, który umożliwia komunikację z głównym mikrokontrolerem poprzez interfejs 𝐼 2 𝐶.
Główna płytka PCB zawiera mikrokontroler sterujący urządzeniem oraz niektóre peryferia.
Można na niej znaleźć np. dwa sterowniki silników (𝐼 2 𝐶) – jeden do silnika prowadnicy
liniowej, drugi do pompy. Poza tym są wyjścia do pozostałych urządzeń peryferyjnych w
postaci gniazd wystawiających sygnały 𝑆𝑃𝐼, 𝐼 2 𝐶, 𝑃𝑊𝑀 lub zwyczajne podłączenie do pinu
𝐺𝑃𝐼𝑂 – schemat podłączeń poszczególnych układów znajduje się na rysunku 1.
Poza wymienionymi wcześniej układami, z komunikacji 𝐼 2 𝐶 będzie jeszcze korzystał czujnik
napełnienia naczynia znajdujący się na czubku kranika. Z komunikacji 𝑆𝑃𝐼 korzysta tylko
wyświetlacz bazujący na sterowniku 𝑆𝑇7565 (model EA DOGL128-6).
Do GPIO podłączone zostaną wszystkie przyciski(po jednym pinie), enkoder silnika(dwa piny)
oraz przycisk z enkoderem obrotowym (trzy piny).
Rysunek 1. Schemat podłączeń elektroniki
Opis oprogramowania - założenia
Oprogramowanie będzie się składać z kilku modułów realizowanych równolegle. Stany
większości urządzeń peryferyjnych będą cyklicznie odczytywane i przechowywane w
zmiennych do których będzie mieć dostęp pętla główna. W ten sposób zrealizowany będzie
np. dostęp do tabeli pozycji 1 – 8 i ich stan, napełnienie naczynia i pozycja karetki (odczyt
enkodera silnika).
Pętla główna przedstawiona jest na rysunku 2. Po wciśnięciu klawisza start urządzenie
upewnia się czy karetka znajduje się w pozycji początkowej (odczyt krańcówki – jeśli taka
pozycja jest nie spełniona to karetka jest dosuwana do początku aż krańcówka zmieni stan).
Następnie wyzerowana jest zmienna przechowująca pozycję karetki oraz sprawdzone jest
czy co najmniej jedna pozycja naczynia jest zajęta. Jeśli nie – urządzenie kończy pracę, jeśli
tak – uruchamiany jest cykl nalewania. W cyklu tym urządzenie pobiera pozycję następnego
naczynia – dojeżdża do danej pozycji oraz nalewa ciecz dopóki nie zostanie zwrócony sygnał
napełnienia naczynia. Dany cykl jest powtarzany aż skończą się pozycje naczyń – wtedy
karetka wraca do krańcówki i urządzenie ponownie przechodzi w stan oczekiwania.
Rysunek 2. Schemat przedstawiający główną pętlę oprogramowania.
Opis rzeczy zrealizowanych
W ramach projektu zrealizowano większość z założeń opisanych w poprzedniej części. Całe
oprogramowanie napisano korzystając z środowiska mbed oraz biblioteki mbed RTOS. W
wątki głównym na początku inicjalizowane są przerwania – enkoder prowadnicy(pozycja
karetki), krańcówka, przycisk start oraz timer odpowiadający za zliczanie enkodera
obrotowego(przycisku).
W następnym wywołaniu konfigurowane są pozostałe wątki działające równolegle do
głównego – motorsThread, sensorsThread, ledsThread i lcdThread – które, zgodnie z
nazwami, odpowiadają za obsługę poszczególnych peryferiów. Przy każdym wykorzystaniu
𝐼 2 𝐶 i printf(UART) zakładany jest mutex aby wyeliminować potencjalne konflikty dostępu do
zasobu.
Opis wątków:




sensorsThread – cyklicznie odczytuje dane pomiarowe z czujników odległości na
płytce przedniej(𝐼 2 𝐶).
motorsThread – obsługuje pompę (poprzez wywołania start/stop) oraz
pozycjonowanie prowadnicy liniowej (z zewnątrz zadawana jest nowa pozycja, do
której wątek następnie dąży – coś w rodzaju regulatora P) - 𝐼 2 𝐶.
ledsThread – obsługuje sterowanie LEDami RGB w płytce przedniej – ustawia kolory
poprzez trzy sygnały PWM oraz wybiera aktualnie aktywną diodę poprzez sterownik
diód typu LED Driver, sterowany poprzez 𝐼 2 𝐶.
lcdThread – odpowiada za odświeżanie wyświetlacza i rysowanie na nim zadanych
elementów. Obecnie przez około dwie sekundy wyświetla logo, a następnie
przechodzi do rysunku szklanki, wypełnionej zgodnie z wyborem użytkownika – SPI.
Pętla główna została zrealizowana zgodnie z maszyną stanów przedstawioną na rysunku 2 –
po wciśnięciu klawisza START dojeżdża karetką do krańcówki (jeśli już tam była odsuwa się
trochę i wraca). Następnie podjeżdża do pozycji pierwszej i sprawdza czy ma w danym
miejscu uruchomić proces nalewania. Później sprawdza następną pozycję którą powinna
osiągnąć – jeśli takiej nie ma – wraca do krańcówki.
Proces nalewania odbiega od założeń gdyż nie udało się zrealizować pomiaru wypełnienia
docelowego zbiornika. Zostało to zrealizowane w formie pewnej stałej czasowej
przemnożonej przez wartość wybraną przez użytkownika (teoretycznie zakres 10 – 50ml).
Użytkownik może wybrać poziom napełnienia szklanek (tj. czas pracy pompy) korzystając z
enkodera mechanicznego. Jest to odzwierciedlone na wyświetlaczu oraz, przy włączonych
logach debugujących, wybraną wartość widać w konsoli portu szeregowego na komputerze.
Oprogramowanie
Kod źródłowy wraz z dokumentacją wykorzystanych klas można znaleźć pod adresem:
https://developer.mbed.org/users/Sateg/code/PBMain/
Wykorzystano bibliotekę mbed oraz mbed RTOS. Dodatkowo do obsługi sterownika wyświetlacza
skorzystano z programu użytkownika igorsk:
https://developer.mbed.org/users/igorsk/code/DOGLCDDemo/
Został on odpowiednio odchudzony i dostosowany do potrzeb projektu. Logo wyświetlane na
początku zostało wygenerowane z monochromatycznej bitmapy korzystając z programu BMP-LCD:
http://www.hobbytronics.co.uk/bmp-lcd-converter
Poniżej znajduje się opis funkcji w pliku main.cpp, gdyż środowisko mbed nie generuje dokumentacji
do tego pliku:
void limiterHit() – funkcja wykonywania w przerwaniu krańcówki. Zmienia stan maszyny stanów oraz
ustawia stan prowadnicy liniowej na ustawiony (błąd pozycji = 0).
void countPulses() – przerwanie z enkodera silnika – zlicza pulsy.
void startCycle() – przerwanie z przycisku START – odczytuje stan sensorów i uruchamia główny
algorytm.
void encoderHit() – obsługa enkodera mechanicznego (przycisku obrotowego) – sprawdza stan
obecny i porównuje z poprzednim. Na podstawie tabeli stanów (encoderTable) stwierdza czy
obrócono w prawo czy w lewo (czy zignorować).
void setupInterrupts(), void setupThreads() – dwie funkcje konfiguracyjne opisane wcześniej –
konfigurują przerwania i wątki RTOSa.
uint8_t getNextPosition(uint8_t currentPosition) – określenie następnej pozycji do której powinna
dojechać karetka prowadnicy liniowej na podstawie obecnej i odczytu z sensorów.
Dodatkowo w każdym pliku .cpp znajduje się makro debug, które domyślnie wysyła po UART’cie na
konsolę komputera informacje pomagające w debugowaniu programu. Można je wyłączyć
usuwając/zakomentowując linijkę #define DEBUG. Potrafi to przyspieszyć działanie programu gdyż
funkcja printf->UART potrafi być czasochłonna.
Wszystkie typy pól zostały nazwane w sposób opisowy oraz zgodny z przyjętymi standardami
odnośnie stylu programowania. Wszystko poza plikiem main.cpp zostało zaimplementowane w
formie klas – zgodnie z zaleceniami platformy mbed.