Разработка схемы управления

    ,

    .

Схема реализации этих выражений представлена на рисунке 6.

                         Рисунок 6. Схема реализации триггера С 

   Рассмотрим  область, в которой вторичная переменная D=1. Сигналы Z и S1   входят в эту область, т.е. являются сигналами установки триггера D. Им соответствуют сочетания вторичных переменный и . А сигналы 1, L и U2 выходят из области D=1, то есть они являются сигналами сброса триггера D. Им соответствуют сочетания вторичных переменных , и соответственно. Логические выражения для установки и сброса триггера D имеют следующий вид:

    ,

    .

Схема реализации этих выражений представлена на рисунке 7.

   

                      Рисунок 7. Схема реализации триггера D 

    После  того как схемы реализации  триггеров собраны, необходимо  их соответственно подключить к самим триггерам. Для реализации этого требуются четыре триггера. На каждый из входов, которых подается соответствующие сигналы их установки или сброса.

Синтез схемы  генерации выходных функций производится в соответствии с картой Карно. 
 
 
 
 
 
 
 

Таблица 4. Карта Карно для выходных функций: 

   Далее прямые выходы триггеров подключаются к дешифратору, необходимому для преобразования двоичных выходных сигналов триггера в десятичные, управляющие исполнительными механизмами нашего манипулятора. Подключение производится по разрядно, т.е. младший разряд к младшему, старший к старшему и т.п.

   Так же выходные сигналы триггеров, как  с прямых, так и с инверсных  выходов необходимо подать на соответствующие  им входы на входе схемы,  т.е. на входные элементы И-НЕ. Тем самым осуществляется как бы «замыкание» вспомогательных сигналов схемы.

   Таким образом, после всех указанных действий на входе схемы останутся свободными только те входы, которые необходимы для подключения к схеме внешних путевых датчиков, которые будут в дальнейшем сообщать схеме положение нашего манипулятора. Подключение к этим датчикам входов схемы осуществляется по маркировке самих входов и по таблице 2.

   Сигналы с выходов дешифратора, соответственно карте Карно (таблица 4) идут на соответствующие им исполнительные механизмы – в нашем случае на золотники пневмораспределителей. Сигналом на включение соответствующего исполнительного механизма в нашей схеме служит логическая единица, или уровень напряжения около 5 В. Поэтому напрямую выходы дешифратора не подключаются к исполнительным механизмам, которых в нашей схеме 8. Это невозможно из-за низкой силы тока используемой в схеме, и необходимой для ее нормальной работы. Применение высоких токов и напряжений в полупроводниковых элементах губительно для последних. Для нормальной же работы исполнительных механизмов – золотников необходимы значительные управляющие токи, так как только они могут создать необходимые электромагнитные силы, способные управлять перемещением золотников в пневмораспределителях. Поэтому это предусматривается путем включения в схему управления роботом-манипулятором усилительных каскадов (электронных ключей на транзисторах).

   Так как  на выходах нашего дешифратора присутствуют сигналы, сигнализирующие об одном и том же действии исполнительных механизмов, то такие выходы необходимо объединить, перед тем как подавать сигналы на исполнительное устройство. Для этого в своей схеме я использую элементы ИЛИ, выдающие сигнал на выходе, при хотя бы одном единичном сигнале на входе, или на всех входах. Эти элементы размещаются непосредственно после дешифратора, и объединяют только те выходы, по которым идут идентичные сигналы управления. Если с дешифратора идет управляющий сигнал, не имеющий идентичного, то такой сигнал не нужно подавать на элемент логического сложения.

   Для того, что бы в нашем роботе-манипуляторе с пневматическими исполнительными механизмами обеспечить постоянство его положений необходимо в схему включить дополнительные схемные реализации на триггерах. Это необходимо для того, что бы, например, если манипулятору подан сигнал на захват заготовки, и после этого сигнал на поворот схвата, он не уронил ее. Это может произойти, т.к. после подачи сигнала о захвате заготовки, соответствующий пневмоцилиндр действует на схват и фиксирует в нем деталь. Затем подается сигнал, например, о повороте манипулятора, и сигнал на захват пропадает (пневмоцилиндр захвата схвата перестает действовать), новый сигнал появляется на пневмоцилиндре поворота. И это может стать причиной выпадения заготовки из схвата. Что бы этого не происходило, необходимо, что бы схват удерживал и при повороте заготовку. Это реализуется с помощью введения в нашу схему шести дополнительных элементов – триггеров.

   При включении  этих триггеров, сигналы с соответствующих  исполнительных механизмов не будут пропадать до следующей операций, пока не будут поданы противоположные им сигналы. Тогда эта дополнительная схема будет переключаться в следующие состояния. В нашем случае это реализуется с помощью четырех противоположных сигналов: поворот вправо – поворот влево, схват захвата – захват разжат, подъём упора – опускание упора. Для реализации этих условий используется следующее включение триггеров, на которые поступают противоположные управляющие сигналы: 

   

   Рисунок 8. Пример включения триггеров для хранения противоположных состояний схемы. 

   При поступлении  сигнала установки, например на верхний  триггер, будет сбрасываться нижний, а когда сигнал придет на нижний триггер, то соответственно сброситься верхний. Одновременное поступление на триггеры установочных сигналов невозможно, так как на эти триггеры приходят противоположные по управлению сигналы.

   Эта часть  схемы устанавливается непосредственно  между дешифратором или элементами ИЛИ и усилительными каскадами.

   После усилительных каскадов усиленные сигналы подаются через разъем на исполнительные механизмы – золотники, которые в свою очередь осуществляют перемещения нашего робота-манипулятора. 

2. Разработка принципиальной  схемы

2.1Выбор элементной базы и разработка принципиальной электрической                                            схемы. 

   После разработки логической схемы появляется возможность выбора элементной базы электронного устройства. В первую очередь, необходимо решить какие функциональные части электронного устройства могут быть построены на интегральных микросхемах, а какие на дискретных электрорадиоэлементах.

   Если  какая-либо функциональная часть или  все устройство могут быть построены на интегральных микросхемах, то нужно выбирать именно их ввиду значительных преимуществ, связанных с разработкой, производством и эксплуатацией микроэлектронной аппаратуры. Практически любое электронное устройства, построенное на интегральных микросхемах, имеет некоторое количество дискретных электрорадиоэлементов.

   На  дискретных элементах создают электронные устройства, которые не могут быть построены на интегральных микросхемах последующим двум основным причинам: значения некоторых электрических параметров не могут быть получены с применением интегральных микросхем; промышленность не выпускает ИМС данного функционального назначения.

   Для реализации вторичных переменных А, В, С, D выбираем микросхемы К155ЛА4 (74LS10N), К155ЛА1 (74LS20PС), К155ЛИ1 (74F08PC), К555ЛИ3 (74LS11N), К155ТМ2 (74LS74).

   

Рисунок 9. Условно-графическое  обозначение микросхем. 

   Микросхема  К155ЛА4 (74LS10N) представляет собой комбинацию из трех элементов  «И-НЕ», каждый из которых имеет по три входа, и инвертирующий выход. В микросхеме задействовано два конъюнктора, с тремя входами в каждом, присутствующими в нашей схеме.

   Микросхемы  К155ЛА1 (74LS20PС) представляют собой комбинации из двух элементов «И-НЕ», каждый из которых имеет по четыре входа,  и инвертирующий выход. Эти микросхемы устанавливаются для всех остальных конъюнкторов с четырьмя входами.

   Микросхема  К555ЛИ6 (74LS11N) представляет собой комбинацию трех элементов «И», каждый из которых имеет по три входа.

   Микросхемы  К155ЛИ1 (74F08PC) представляют собой комбинации из четырех элементов «И», каждый из которых имеет по два входа. Микросхемы необходимы для объединения установок и сбросов всех остальных триггеров.

   В логической и электрической схемах, есть некоторые  расхождения из-за применения триггеров с низким активным уровнем на входах R,S, т.е. триггеры устанавливаются не 1, а 0. И чтобы не изменить правильность работы схемы, необходимо убрать инверсию с выходов конъюнкторов, т.к. она уже используется на входах триггеров. Это достигается применением вышеуказанных микросхем.

   Микросхема  К155ТМ2 (74LS74) представляет собой комбинацию из двух триггеров. Установка триггеров производится логическим 0.

   В схеме  сбрасывания триггера B, сигнал проходит только через один конъюнктор, тогда как сигнал установки этого же триггера проходит два элемента. Методом моделирования электрических схем в WORKBENCH мы установили, что в цепи сброса присутствует  ситуация риска. Риск исключается путем введения в схему дополнительных элементов: двух конъюнкторов.

   Схемную реализацию таблицы истинности, для  выходных функций можно легко  осуществить, использовав дешифратор К155ИД3 (74LS154N), переводящей двоичный код в шестнадцатеричный.

   

Рисунок 10. Условно-графическое  обозначение дешифратора.

   Работу  данного дешифратора можно проследить по следующей таблице истинности:

   Таблица  5. Таблица истинности дешифратора.

     

   Из  таблицы истинности описывающей работу нашего робота, представленной в виде карты Карно для выходных функций (таблица 4) видно какому из выходов дешифратора соответствует выполнение той или иной операции. Нетрудно заметить, что сигналы на некоторых выводах дешифратора символизируют выполнение одного и того же процесса. Эти сигналы объединяются посредством элементов ИЛИ. Которые в нашем случае собраны на микросхеме К155ЛЛ1 (74LS32N). Применение инвертирования на выходе необходимо для того что бы согласовать работу дешифратора с триггерами, которые так же как и представленные выше переключаются низким активным уровнем.

   Единичные сигналы с дешифратора подаются на триггеры через промежуточный элемент НЕ, представленный микросхемой К155ЛН1 (74LS04). Что также необходимо для согласованной работы дешифратора и триггеров 
 

   Триггеры  используемые для хранения состояний  исполнительных механизмов, представленные после дешифратора, собираются также на стандартных микросхемах К155ТМ2 (74LS74), как и указанные выше.

   После того как управляющие сигналы  получены, их необходимо усилить, что реализуется в нашей схеме применением усилительных каскадов (транзисторных ключей). Выполненных на базе транзисторов марки КТ937А-2, и токоограничивающих резисторов с номинальным сопротивлением 1 кОм. К выходу усилителей непосредственно через разъем подключаются соответствующие золотники, соответствующих исполнительных механизмов.