Como soy novato en esto de los PIC primero haré algunas pruebas para ver que funciona lo hecho hasta ahora…

Hoy toca hacer de Frankenstein. Voy a transplantar el cerebro de otro robot a Reciclator 1. Voy a conectar las 8 señales de control (4 de encoders, 2 de dirección y 2 de velocidad PWM) un prototipo tengo hecho y funcionando para hacer algunas pruebas. El otro robot está basado en Intel (mi especialidad) y la utiliza hardware para los contadores de los encoders. De esta forma sé que el programa es correcto y puedo probar el hardware. Como estoy empezando con PIC y CCS no me atrevo a poner el PIC y programar porque si no funciona me costará mucho determinar si el problema es del programa o del hardware. De esta forma ahorro mucho tiempo en pruebas.

Las pruebas han sido un éxito… He podido controlar los motores y medir con precisión su velocidad. Con el frecuencímetro observo que los encoders proporcionan 4600 Hz a 5V que corresponden a 9200 Rpm del motor. Estos datos ya los había medido anteriormente, pero ahora tiene que medirlos el robot.

Este es el borrador del esquema de conexionado con el PIC:

Ahora hay que programar…

Para la decodificación de los encoders voy a aprovechar la interrupción RB_isr() que se produce cada vez que cambia el estado de los bits 7-4 del puerto B del PIC. De esta forma solo tengo que comprobar como están esos bits e incrementar o decrementar el contador los contadores en consecuencia. Además tengo 4 interrupciones (4 cambios de estado en el encoder) por cada pulso, por lo que multiplico por 4 la resolución original de 30 pulsos por revolución.

Los pulsos de los encoders siguen la secuencia de la foto:

Las flechas de los flancos pertenecen al sentido «contar». En el sentido «descontar» van al revés. Generalmente solo se usa uno de los 2 flancos de una fase para contar y el estado de la ora fase determina la dirección. En este caso podríamos usar el flanco descendente de B para contar si A esta a 0 o para descontar si A está a 1. Si se usan los dos flancos de una fase se multiplica por 2 la resolución del encoder y si se usan los 2 flancos de una fase y los 2 de la otra la resolución se multiplica por 4. El encoder que uso es de 30 pulsos por revolución, pueden medirse hasta 120 pulsos por revolución

Para decodificar la información de los encoder compongo un número de 4 bit con el estado anterior de las fases A y B del encoder y el estado actual:
Hex Anterior AB Actual AB Pulsos XOR XOR AanteriorBactual
00 00 00 NADA 00 NO IMPORTA
01 00 01 - 01 1
02 00 10 + 10 0
03 00 11 PERDIDO 11 NO IMPORTA
04 01 00 + 01 0
05 01 01 NADA 00 NO IMPORTA
06 01 10 PERDIDO 11 NO IMPORTA
07 01 11 - 10 1
08 10 00 - 10 1
09 10 01 PERDIDO 11 NO IMPORTA
0A 10 10 NADA 00 NO IMPORTA
0B 10 11 + 01 0
0C 11 00 PERDIDO 11 NO IMPORTA
0D 11 01 + 10 0
0E 11 10 - 01 1
0F 11 11 NADA 00 NO IMPORTA

NADA significa que el encoder no se ha movido, no hay nada que cambiar. PERDIDO significa que han pasado 2 pulsos respecto del estado anterior. Esto puede ser interesante si se lee el estado de los encoder mediante una interrupción periódica. Como yo lo leo solo CUANDO CAMBIA (con RB_isr()) el caso NADA no puede darse, no genera interrupción y el caso PERDIDO es imposible: cualquier cambio genera interrupción y no pueden perderse pulsos (a no ser que lleguen tan rápido que no le de tiempo a la interrupción a procesarlos, en mi caso tardo 12 us puedo procesar hasta 833 Khz). Utilizando la función XOR entre el estado anterior y el actual puedo determinar cuando he de contar o descontar y cuando no hacer nada. 00 es NADA, 11 es PERDIDO y otro estado contar o descontar según el estado de A y o B del encoder. Para contar o descontar hago un XOR de de la fase A anterior con B actual: si es 0 es CONTAR si es 1 es DESCONTAR.

A la vista de la tabla de verdad hay muchas otras formas de hacerlo, cada una con más o menos código. Puede contarse siempre que haya un 2,4,B o D y descontarse con 1, 7, 8 o E pero las comparaciones y saltos son menos óptimos que las máscaras…

Ahora llega el problema… Para ver la velocidad tengo que medir los pulsos en un intervalo de tiempo. A 5,5 V el motor gira a 10000 RPM que son 166,6 RPs. Si el intervalo es de 1 segundo tendré un máximo de 30 * 4 * 166,6 = 20000 Pulsos en un segundo. No está mal, pero solo tendré una medida ¡cada segundo!. Es muy poco. Si quiero ejecutar el proceso de regulación cada milisegundo el motor solo se ha movido, a la máxima velocidad, ¡20 pulsos!. Es muy poca resolución para hacer una buena regulación. Hay que llegar a una solución de compromiso entre lectura del encoder (cuanto más milisegundos mejor) y la regulación (cuanto menos milisegundos mejor). Voy a hacer la regulación cada 6,55 ms que corresponde a unas 152 veces por segundo. En ese tiempo al encoder le da tiempo a enviar hasta 131 pulsos. Es poco, pero bastante para regular…

La regulación es el clásico PID aunque yo solo uso PD por ahora:

ErrorVI=ConsignaVI-VelocidadI;
SalidaVI+=((ErrorVI)*KVprop) + ((ErrorVI-ErrorAntVI)*KVder);
ErrorAntVI=ErrorVI;

KVprop y KVder son los parámetros del PID. Habrá que ajustarlos para que no oscile y alcance la consigna con rapidez. Uso enteros de 16 bit con signo para los cálculos, pero en punto fijo 11.5 es decir 11 bits de entero y 5 bits de decimal. Así los cálculos son más rápidos.

Estos son los fuentes de lo hecho hasta ahora: Fuentes C CCS. Están bastante comentados, no es muy dificil seguirlos.

Este es Reciclator1 listo para pintar líneas, no para seguirlas. Así veo si oscila el PID y si las 2 ruedas mantienen sus velocidades. Como innovación he aumentado la tensión de la batería a 9,6 V usando otras 2 células para tener más margen de tensión y he incorporado un acelerómetro basado en el ADXL05 (es un componente obsoleto que tenía en una caja, a saber de donde lo he sacado), aunque el programa no lo usa todavía. No he usado el PIC 16F877 sino que pongo un 16F876 con un zócalo adaptador de 28 a 40 patas.

Después de añadir la segunda fase a los encoders hay que ajustarlos: con las salidas desfasadas 90 grados. Además hay que proveer de 5V para la electrónica a partir de la tensión de la batería y proporcionar control de potencia para los motores.

Lo primero que necesitaremos para comenzar a hacer pruebas es una salida de 5 Voltios para alimentar la parte electrónica. Casi todo el mundo conoce el LM7805 que es la solución más común para conseguir 5 V desde otra tensión inferior a 35 V. Leyendo la hoja de datos aparece un valor «Dropout Voltage = 2 V, es decir que tiene una caída de tensión mínima de 2 V, que sumados a los 5 V que queremos, hace que haya que alimentarlo con más de 7 V. En este caso como he decidido usar baterías de 7,2 V aparece un problema: cuando la tensión de la batería baje de 7 V el regulador no trabajara correctamente y los 5 V descenderán. Puede solucionarse usando una batería de mayor voltaje (con una célula más 8,4 V) pero en cualquier caso esos 2 V de caída del LM7805 se desperdician en forma de calor.

Buscando una solución, que no fuera un regulador en conmutación (demasiados componentes) encontré entre los chismes de desguace este integrado: LM2940CT -5.0. Se trata de un regulador lineal de tensión de 5 V de salida y compatible en patillaje con el LM7805. Sus características son muy similares: entrada hasta 26 V y salida 5V 1A PERO la caída de tensión típica es de 0,5 V a 1A y ¡110 mV para 100mA!. Esto permite que la tensión de la batería disminuya hasta 5,5 V (o incluso menos con < 1A de carga) y el regulador siga dando su salida de 5 V correctamente. No se si puede conseguirse con facilidad en el mercado, yo usaré uno reciclado, pero es una solución estupenda. Además desperdicia menos energía que el LM7805. En esta foto se aprecia el LM2940CT -5.0 con un radiador que además, hace de soporte para una placa de circuito impreso para dar rigidez a los motorreductores.

Esta es la lista de materiales:

1 Circuito LM2940CT -5.0.
1 conmutador 1 circuito 2 posiciones.
2 conectores complementarios a los que hayamos usado en las baterías.
4 resistencias de 4k7 para los pullup de los encoder..
Dos resistencias de 150 Ohmios. Son las limitadoras de corriente de los emisores de infrarrojos de los detectores de herradura.
1 condensador 10 microfaradio 16V. Es para desacoplar la alimentación y evitar que el ruido generado por el circuito produzca interferencias en otros componentes.
1 circuito integrado L293D.
1 circuito integrado SN74HC14. Es un séxtuple smith trigger.
2 conectores 2×4 pines macho verticales para circuito impreso.
2 conectores 2×4 pines hembra para cable plano

Este es el borrador del esquema que he utilizado:

Los diodos LED emisores de infrarrojos de los detectores de herradura los he conectado en serie dos a dos con una resistencia limitadora cada pareja de 150 Ohmios. La caída de tensión en cada uno es de 1,1 V (puede medirse con un tester alimentando el led a 5 V con 330 Ohmios en serie). La caída de tensión en cada pareja es de 2,2 V y de esta forma la corriente que circula por cada pareja es de: (5 V – 2,2 V) / 150 Ohmios = 0,0186 A. Evidentemente los cálculos los hice al revés: yo buscaba alrededor de 15 mA y me salía 186 Ohmios que aproximé a 180 Ohmios.

Si los pongo los 4 diodos con 4 resistencias limitadoras independientes sale (5 V – 1,1 V) / 0,0186A = 209 Ohmios, que puede ser 220 Ohmios. La corriente real sería (5 V – 1,1 V) / 220 Ohmios = 0,017A.

Si los pongo los cuatro en serie obtengo (5 V – 4,4 V) / 0,0186 = 32,25 Ohmios que pueden ser 33 Ohmios: (5 V – 4,4 V) / 33 Ohmios = 0,0181 A

En el caso de las resistencias limitadoras de los LED hay que tener en cuenta que su misión es DESPERDICIAR la tensión sobrante hasta llegar a la que necesita el LED. Se puede calcular la magnitud de este desperdicio.

Dos resistencias de 150 Ohmios. (5 V – 2,2 V) * 0,0186 A = 0,052 W * 2 resistencias = 0,104 W
Cuatro resistencias de 220 Ohmios (5 V – 1,1 V) * 0,017 A = 0,066 W * 4 resistencias = 0,265 W
Una resistencia de 33 Ohmios (5 V – 4,4 V) * 0,0181 A = 0,010 W * 1 resistencia = 0,010 W.

Esto en muy importante en aparatos alimentados a baterías. Si vamos a poner 4 detectores infrarrojos, por ejemplo en un siguelineas, es mejor poner los emisores en serie y una única resistencia limitadora. El ahorro es muy grande y se alarga la duración de la batería. En mi caso, que la batería es de 640 mAh a 7,2 V puede proporcionar 0,64 A * 7,2 V = 4,68 W, durante 1 hora, los 0,265 W desperdiciados en el caso de los 4 diodos independientes significan el 5,6 % de la potencia de la batería (0,265 / 4,68) * 100 = 5,66 %.

Las resistencias de 4K7 proporcionan, mientras los fototransistores no ven luz, 5 V al al smith trigger que interpreta como «1» lógico. Cuando estos fototransistores ven luz derivan esta corriente a masa y solo queda una pequeña Vce que el smith trigger interpreta como «0».

El mando de potencia de los motores lo realiza un L293D. Es capaz de funcionar desde 4,5 V hasta 36, perfecto para alimentarlo a baterías y puede entregar hasta 600 mA por canal. Como los motores que yo utilizo consumen alrededor de los 200 mA en condiciones normales va sobrado. Hay que tener cuidado porque la corriente a rotor parado es de mas de 800 mA y podría estropear el integrado en caso de choque del robot. Esto puede solucionarse usando un L293B y cuatro diodos, que soporta hasta 1A por canal, o mediante el software que detecte el choque y desconecte los motores. Otro problema, pero este de más difícil solución, es la caída de tensión tan grande que tiene el L293D. En la hoja de datos pone «Source Output Saturation Voltage = 1,4 V» y «Sink Output Saturation Voltage = 1,2 V». Esto significa que cuando un driver da corriente tiene una caída de tensión de 1,4 V y cuando le entra la corriente de 1,2 V. Como para hacer girar el motor hay que poner un driver en modo «source» y otro en «sink» la caída total en el integrado es de 2,6 V. Esto hace que al motor solo le lleguen 7,2 V – 2,6 V = 4,6 V. Estos voltios que «desaparecen» se transforman en calor en el L293D. Podría usarse otro driver de mejores características, como el L6203 pero necesita una tensión de funcionamiento mínima de 12 V. Habrá que tenerlo en cuenta para el próximo diseño.

He conectado unos inversores a las entradas de control del L293D de forma que basta con una señal para cada motor para indicar el sentido de giro. Con las señales de «enable» paro o arranco los motores o regulo la velocidad por PWM.

Así es como va quedando, he puesto velcro autoadhesivo en las baterías y en la placa del robot para que queden bien sujetas, pero que se puedan cambiar son facilidad. En la foto ya he puesto el zócalo para el PIC16F877 con el cristal en el interior, para ahorrar circuito impreso, y el conector para la comunicación.

Ya solo queda conectar las salidas de los encoder Ai, Bi, Ad y Bd y el control de motores DIRi y DIRd que es la dirección de giro y Ei y Ed que es la señal de PWM de velocidad al PIC y comenzar a probar.

Esto es todo por ahora. Espero haber dado ideas de a todos.

Como ya comente anteriormente para hacer ruedas sirve cualquier cosa redonda a la que se pueda poner un eje. Aquí construyo una rueda loca usando piezas de un contador de consumo eléctrico y un clip. Como chasis utilizaremos un material de «alta tecnología»: fibra de vidrio.

Este es el contador mecánico, usado también en cuentakilómetros de coche. El clip sirve de eje, las varillas que contiene el contador son muy aceradas y se rompen al intentar doblarlas. Una de las ruedas numeradas hace de rueda loca y la otra de soporte con libertad de movimiento. Los tornillos de 2,5mm sirven para sujetar el soporte al chasis del robot y los 4 prisioneros inmovilizan cada uno de los elementos, pero permitiendo el giro.

Esta es la rueda ya terminada y fijada a un cartón que hace de chasis. Solo hay que enderezar el clip y retorcerlo de nuevo de la forma adecuada, meter las ruedas y fijar los prisioneros. Dos taladros en la rueda que hace de soporte para los tornillos de 2,5mm y ya está.

Aunque parece una tontería esta rueda gira con muchísima suavidad y el alambre del clip hace de muelle, con lo que se consigue un poco de suspensión muy adecuada para disminuir las vibraciones en el chasis.

En la fotografía de abajo puede verse la placa de circuito impreso de fibra de vidrio que hará de chasis y las dos unidades motrices junto con la rueda loca.

Para sujetar las los motorreductores al chasis lo mejor es hacerlo directamente del eje de las ruedas, aprovechando la rosca sobrante del tornillo y usando algún acoplamiento en ángulo recto. Yo he usado unos trozos de aluminio de guía de circuito impreso. La rueda loca va atornillada sobre el chasis con tres tadros, uno para el eje y dos para los tornillos de sujeción. Así queda el chasis ya terminado. El mismo circuito impreso sirve para soldar los componentes electrónicos en las áreas libres.