Текст книги "Простые роботы своими руками или несерьёзная электроника"
Автор книги: Дмитрий Мамичев
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 7 страниц)
Глава 2
КОНСТРУКЦИИ МИНУВШИХ ЛЕТ
В этой главе даны описания конструкций ранее публиковавшиеся в журнале РАДИО. Их объединяет простота схемных решений, доступность повторения, возможность интерпретаций при повторении. Каждая из конструкций по-своему интересна, открывает широкое поле для фантазий.
Электронные весы – игрушка
В основу конструкции весов представленных на рисунке 1 положено явление зависимости сопротивления угольного порошка от силы его сжатия. В предлагаемой конструкции оно происходит за счёт веса взвешиваемого предмета. Датчиком давления являются таблетки активированного угля. Более подробно об их необычной роли можно прочитать в статье «Угольный тензодатчик» – автор Л.Королёв «Радио» 2008 № 3 стр. 31, 32.
На рис. 2 представлен один из вариантов принципиальной схемы весов.
Резисторы R2, R1 образуют ограничители тока. Датчик давления F имеет собственное сопротивление R3. По мере нарастания сжатия его значение уменьшается, меняя тем самым ток, проходящий через резисторы и соответственно напряжение на них. В итоге стрелка микроамперметра, плавно замедляясь, отклоняется вправо. В исходном состоянии – без предмета на чашке весов, сопротивление датчика максимально, поэтому стрелка прибора отклоняется на максимальный угол или деление шкалы. Эта отметка будет нулём весов.
При взвешивании предметов давление на датчик растёт, его сопротивление уменьшается. Поэтому убывает и ток через микроамперметр РА1 – его стрелка движется влево. Получается, что чем больше вес предмета, тем меньше отклоняется стрелка. Шкала весов обратная – ноль справа, метка максимального веса слева.
Далее о конструкции весов и деталях. Основным элементом является датчик рис. 3.
Он состоит из двух дисков 3 с контактными поверхностями, между которыми зажаты три таблетки угля 6. Собирают датчик так: ко дну футляра 1 приклеивают опорную контактную пластину 7 из фольгированного гетинакса фольгой вверх, припаивают к ней вывод 3, саму её поверхность тщательно до блеска зачищают мелкозернистой наждачной бумагой. Затем укладывают и приклеивают к фольге диск 2 с отверстиями для таблеток. Его толщина должна быть меньше толщины таблеток. Потом укладывают в отверстия таблетки. Затем полируют фольгу верхнего диска 5, припаивают вывод 3 и приклеивают диск к дну чаши 4 (фольгой вниз). Накладывают чашу на основание и выводят контактные провода. При нажатии с переменным усилием на дно чаши сопротивление датчика должно меняться приблизительно от 100 до 20 ом.
Датчик вместе с остальными элементами схемы монтируют внутри коробки, подходящего размера, предварительно сделав в лицевой панели круглые отверстия под чашу и головку микроамперметра.
Градуировку прибора производят с использованием разновесов. После включения питания стрелку прибора устанавливают на «начало последней трети шкалы» выбирая этим ноль отсчёта. Затем используя разновес 0,5 кг, производят несколько измерений – после каждый раз проверяя и если нужно выставляя ноль отсчёта. Полученные данные усредняют и фиксируют. Аналогично проводят измерения с разновесами в 1 и 2 кг. Потом шкалу прибора плотно закрывают фальшшкалой из тонкой полупрозрачной бумаги и выставляют на ней контрольные метки в 0 кг, 0,5 кг, 1 кг, 2 кг. Остальные нужные метки расставляют равномерно между контрольными метками.
В схеме опробованы и использованы микроамперметры типа М24, М906 с током полного отклонения стрелки 100 мкА и сопротивлением рамки 640 и 760 ом соответственно, таблетки угля активированного типа УБФ, резисторы – МЛТ, СП5, СПЗ. Питается устройство от элемента типа АА на 1,5 В.
Измерение массы можно считать достоверным, если стрелка прибора до и после взвешивания находилась на отметке «0». В противном случае её положение корректируют переменными резисторами или аккуратным надавливанием на дно чашки весов, а взвешивание повторяют. По мере разрядки элемента и окисления контактов датчика также нужна коррекция положения стрелки.
«Бабочка»
На одном из отечественных технических форумов по робототехнике (roboforum.ru) есть одна весьма объёмная тема, посвящённая созданию шагающих моделей насекомых на основе шарнирных соединений из стальной проволоки.
Взяв на вооружение эту идею, предлагаю вниманию читателей описание простой конструкции выходного дня – игрушки «бабочка» (рис. 4).
Сюжет игры простой – «бабочка» сидит неподвижно на траве или цветке. При приближении руки бабочка начинает взмахивать крыльями, чем ближе рука, тем чаще и сильнее взмахи.
Схема электронной части игрушки приведена на рис. 5.
На транзисторах VT1 и VT3 по схеме несимметричного мультивибратора собран генератор, которым управляет фототранзистор VT2. Нагрузка мультивибратора – электромагнит YA1 с втягивающимся якорем, приводящим в движение крылья «бабочки». При достаточном внешнем освещении сопротивление фототранзистора VT2 мало, поэтому напряжения на базе транзистора VT1 (относительно плюсовой линии питания) мало для его открывания, транзисторы VT1 и VT3 закрыты и мультивибратор не работает – «бабочка» неподвижна. При затемнении фототранзистора сопротивление его перехода увеличивается, начинает работать генератор импульсов, на электромагнит поступает питающее напряжение и «бабочка» взмахивает крыльями. Чем меньше освещён фототранзистор, тем больше и чаще взмахи.
Конструкцию механической части игрушки поясняет рис. 6.
Электромагнит 2 установлен в паз пластмассового основания 1. Основание взято из старого бобинного магнитофона. Электромагнит закреплён там клеем. К нему винтом закреплена первая пластина 12, к ней приклеена вторая пластина 11, к которой, в свою очередь, приклеен держатель 9 скобы 10.
Держатели крыльев 6 и 8 надевают на скобу 10, после чего её концы загибают. На концы держателей 6 и 8 (которые затем также загибают) надевают тягу 7, которая вторым концом закреплена на петле 3. размещённой на торце (шейке) якоря электромагнита 2. Возвратная пружина 4, изъятая из кинематики автомобильного проигрывателя CD, надета на петлю 3 и крючок 5, закреплённый в отверстиях первой пластины. Скоба 10 и крючок 5 изготовлены из жесткой стальной проволоки. Проволока взята от канцелярской скрепки.
Для держателей крыльев 6 и 8, тяги 7 и петли 3 применена мягкая стальная проволока диаметром 0,5…0,7 мм. Пластины 11 и 12, а также держатель 9 изготовлены из пластмассы толщиной 1,5 мм – 2 мм.
Более подробно элементы и способ их соединения поясняет рис. 7.
Элементы 3 и 6 – держатели крыльев, 5 – держатель скобы 4. Тяга состоит из трёх элементов —1 и 2.
Крылья и тело «бабочки» изготовлены из цветной бумаги или картона, их крепят к держателям с помощью клея. «Усы» сделаны из медной проволоки толщиной 0,5–0,8 мм, они играют роль ограничителей при взмахах крыльев.
Применены резисторы МЛТ, С2-23, конденсатор – импортный, транзистор КТ361В заменим любым серии КТ3107, фототранзистор – от привода гибких дисков компьютера «РОБОТРОН».
Электромагнит извлечён из видеомагнитофона, сопротивление его обмотки 15…20 Ом, ток втягивания якоря – 100… 150 мА, его ход – 4…5 мм. Питается игрушка от двух гальванических элементов типоразмера ААА. Выключатель может быть любого типа.
Игрушка «Жук – брызгалка»
Среди множества фонтанов Петергофа особое место занимают знаменитые петровские фонтаны-шутихи, сделанные по рисункам самого царя. Идея их состоит в том, что предметы, непосредственно не связанные с водой – деревья, дорожки, скамейки неожиданно начинают бить струями воды по незадачливым прохожим, приводя их в некоторое замешательство. По аналогичному сценарию работает игрушка, описание которой приводится в данной статье.
«Жук» спокойно сидит у воды (рис. 8), но стоит поднести к нему ладонь, и он начинает брызгать водой, мигать глазами и громко жужжать. Даже убрав руку, можно наблюдать эту картину еще несколько секунд.
Схема электронной устройства этой игрушки показана на рис. 9.
По сути, это фотореле. Работает оно следующим образом. После подачи питающего напряжения, если внешнее освещение достаточно велико, сопротивление перехода эмиттер-коллектор фототранзистора VT1 будет небольшим. Поскольку это сопротивление совместно с резистором R1 образуют делитель напряжения, то на коллекторе фототранзистора VT1 напряжения будет недостаточно для открывания диода VD1 и транзисторов VT2 и VT3. Поэтому электродвигатель М1, а также светодиоды HL1 и HL2 обесточены – игрушка находится в состоянии покоя. В таком режиме потребляемый ток мал и не превышает 0,2 мА.
Если поднести ладонь к голове «насекомого», световой поток, падающий на фототранзистор VT1 ослабнет, сопротивление участка коллектор-эмиттер и напряжение на коллекторе возрастут. Начнется зарядка конденсатора С1 и если напряжение на нем достигнет 1,2… 1,4 В транзисторы VT2 и VT3 откроются. На светодиоды и двигатель поступит напряжение питания. В результате «жук» начнет брызгать водой на руку, мигать глазами и жужжать. Если ладонь убрать, то несколько секунд, пока конденсатор С1 разряжается через резистор R2 и эмиттерные переходы транзисторов VT2, VT3 «жук» будет «недоволен» и ничего не изменится, но затем он успокоится. Глаза жука – светодиоды, мигают благодаря тому, что один из них (HL1) – мигающий. Подборкой резистора R3 можно изменять яркость свечения светодиодов.
Далее о конструкции подвижной части игрушки (рис. 10).
Двигатель 2 крепят с помощью уголка 3 к основанию 1 размерами примерно 140x80 мм. На вал двигателя 4 надевают гибкий вал 5 в качестве которого применена тонкая трубка из мягкого пластика длиной 60…70 мм, для этих целей хорошо подходит внешняя изоляционная трубка диаметром 3,5–4 мм от провода компьютерной мыши. На другом конце трубки 5 делают продольный разрез 11 длиной 18…25 мм. Это будут «усики» 10 «жука», которые при быстром вращении разворачиваются и, касаясь поверхности воды, будут ее разбрызгивать.
Валопроводом служит отрезок трубочки 6 для коктейля, который вклеен в крепежные уголки 3 и 7 с отверстием. Уголки 3, 7 и основание 1 – пластмассовые толщиной 2…3 мм. На гибкий вал 5 с небольшим усилием надевают металлическую шайбу 8, которая уменьшает биения и царапание гибкого вала о край трубки. В гибкий вал 5 со стороны разреза 11 вкручивают винт М2 12, чтобы «усы» 10 для правдоподобия в состоянии покоя были разведены в стороны 9.
В конструкции применены резисторы МЛТ, С2-23, конденсатор – К.53-1. Транзистор КТ315Б можно заменить на КТ315 и КТ3107, а КТ815Б – на транзисторы серии КТ815 с любыми буквенными индексами. Был применен фототранзистор от принтера «Роботрон», но возможно применение фототранзистора ФТ-2к. Заменой диода Д220 могут быть диоды серий Д223, КД521, КД522. Мигающий светодиод можно применить любого цвета свечения с рабочим напряжением не более 4…5 В. Второй светодиод может быть любого типа, но по цвету свечения и диаметру корпуса он должен соответствовать мигающему. Двигатель – от видеомагнитофона с рабочим напряжением 6…9 В.
Большинство элементов монтируют на печатной плате из одностороннее фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 11.
Она изготовлена методом прорезания изолирующих «канавок». Вид собранного устройства показан на рис. 12.
Плату крепят над валопроводом к основанию с помощью стойки, для этого в плате предусмотрено отверстие. Все соединения проводят гибкими монтажными проводами. По углам основания крепят стойки (на рис. 12 видны гайки), на которых «жук» стоит в воде. За двигателем приклеен еще один пластмассовый уголок, к которому крепят контактную колодку для подключения питающей. Корпус «жука» – это верхняя часть корпуса от компьютерной мыши, раскрашенная водостойкими маркерами. В ней делают отверстия под глаза (светодиоды), усики (валопровод) и «третий глаз» (фототранзистор). Вся конструкция помещается в фотованночку или другую емкость, и заливают водой до уровня, при котором «усы» в развернутом состоянии касаются ее поверхности.
Питается устройство от батареи «Крона», 6F22, максимальный потребляемый ток составляет 40–50 мА. Налаживание сводится к установке уровня освещенности, при которой «жук» активизируется. Делают это подборкой резистора R1. Продолжительность «недовольства жука» изменяют подборкой емкости конденсатора С1. Чтобы после каждого игрового цикла не отсоединять батарею питания в схему можно дополнительно ввести выключатель питания.
Игрушка-сувенир «Привет! – Пока!»
Если вы смотрели мультфильм «Мадагаскар» то, наверное, помните реплику короля Джулиана в финальной сцене прощания лемуров с Алексом и его друзьями: «Морис! У меня рука устала! Помаши за меня!». Предлагаемая игрушка-сувенир прекрасно справляется с этой задачей: легкое нажатие на кнопку – и она тут же помашет вам «ручкой». Здесь же описан вариант, который реагирует непосредственно на помахивание рукой перед ним.
Схема основного варианта игрушки изображена на рис. 13.
По сути, это оптомеханический генератор, состоящий из фототранзистора VT1, конденсатора С1, усилителя постоянного тока на транзисторе VT2 и включенного в его коллекторную цепь миллиамперметра РА1. Транзистор VT3 выполняет функцию электронного ключа в цепи питания устройства. При нажатии на кнопку SB1 конденсатор С2 мгновенно заряжается и транзистор VT3 открывается, подключая устройство к батарее питания GB1.
При освещении фототранзистор VT1 также открывается, сопротивление его участка эмиттер – коллектор становится малым и конденсатор С1 начинает заряжаться Транзистор VT2 при этом закрыт и ток через миллиамперметр РА1 не течет.
По мере зарядки конденсатора Cl напряжение на нем растет, и когда оно достигает примерно 0,6…0,7 В, транзистор VT2 начинает открываться. При этом ток через миллиамперметр увеличивается, его стрелка отклоняется к середине рабочего угла (здесь и далее под рабочим понимается полный угол отклонения стрелки прибора до переделки) и закрепленная на ней бумажная «рука» перекрывает свет, падающий на фототранзистор. Сопротивление его участка эмиттер – коллектор резко возрастает, и конденсатор С1 начинает разряжаться через резистор R1 и эмиттерный переход транзистора VT2. По мере разрядки конденсатора напряжение на его базе понижается, и он плавно закрывается. В результате «ручка» падает, после чего процесс повторяется.
Помахивание продолжается до тех пор, пока на генератор поступает питание. После отпускания кнопки SB1 транзистор VT3 некоторое время поддерживается в открытом состоянии разрядным током конденсатора С2 который течет через его эмиттерный переход, резистор R4 и генератор…???…
Затем транзистор закрывается и генератор перестает работать до следующего нажатия на кнопку SB1.
Достоинством этого варианта генератора можно считать малое потребление тока в рабочем режиме (всего около 6 мА) и ничтожное (несколько микроампер) в дежурном. Недостаток этого варианта – необходимость «стабильного» внешнего источника света.
На рис. 14 представлена схема варианта генератора, работающего при любом внешнем освещении, но потребляющего больший ток в рабочем режиме из-за введения светодиода VD1.
Он в этой конструкции установлен напротив фототранзистора VT1, и размещены они вблизи от нулевого положения стрелки таким образом, что в исходном состоянии «ручка» находится между ними. При включении питания транзистор VT2 открывается, стрелка миллиамперметра с «ручкой» отклоняется от нулевого положения и между светодиодом и фототранзистором возникает оптическая связь. В результате сопротивление участка эмиттер-коллектор фототранзистора резко уменьшается, транзистор VT2 закрывается и «ручка» возвращается в исходное положение, перекрывая световой поток. Далее процесс повторяется до тех пор, пока не закроется транзистор VT3.
Иначе ведет себя устройство, собранное по схеме на рис. 15.
Пусковой кнопки здесь нет – игрушка откликается непосредственно на ваше приветствие – стоит медленно помахать перед ней рукой и она тут же отреагирует в ответ. Происходит это благодаря тому, что датчики – фототранзисторы VT1 и VT2 – соединены последовательно и отстоят один от другого на расстояние, чуть меньшее ширины ладони В исходном состоянии оба фототранзистора освещены сопротивление их участков эмиттер – коллектор мало и транзистор VT3 закрыт. При своем движении перед игрушкой ладонь вначале перекрывает свет к одному фототранзистору и сопротивление его участка увеличивается. Это приводит к открыванию транзистора VT3, и бумажная «ручка» начинает двигаться. При этом он остается открытым до тех пор, пока ладонь полностью не пройдет над фототранзистором. Этого времени достаточно чтобы «ручка» сделала полный взмах. Далее она оказывается над вторым датчиком и все повторяется. Таким образом, на каждый взмах руки игрушка отвечает двумя.
Детали монтируют на печатной плате, изготовленной из односторонне фольгированного стеклотекстолита и пригодной для сборки всех вариантов устройства. Её габаритные размеры 18 мм на 38 мм.
Резисторы – MЛT, С2-33, конденсаторы – оксидные К50-35 или аналогичные импортные, например, серии ТК фирмы Jamicon. В авторских вариантах игрушки применены фототранзисторы и оптопара IS03 фирмы Sharp, извлеченные из пятидюймового дисковода. При повторении конструкции можно применить фототранзисторы с максимальным рабочим напряжением не менее 10 В. Оптопару VD1,VT1 (см. рис. 14) либо составляют из отдельных светодиода красного цвета свечения и фототранзистора, либо используют оптрон с открытым оптическим каналом (например, АОТ147А, АОТ147Б).
В качестве основы узла управления «ручкой» используют механизм миллиамперметра магнитоэлектрической системы с током полного отклонения стрелки 1–3 мА. Часть его корпуса с защитным стеклом и шкалу удаляют, а к стрелке приклеивают бумажную «ручку» размерами примерно 20x30 мм. Затем из отрезка тонкой проволоки изготавливают ограничитель отклонения стрелки. Один его конец сгибают в виде колечка и зажимают правым винтом крепления шкалы, а другой изгибают так, чтобы стрелка упиралась в него при отклонении примерно на половину рабочего угла. Для установки узла на основании игрушки используют два уголка, согнутых из полосок листового алюминиевого сплава толщиной 1…1,5 мм и закрепленных с помощью гаек на шпильках-выводах прибора.
Готовый узел вместе с платой и батареей питания типоразмера 6F22 помещают внутрь прозрачного куба, склеенного из листового органического стекла (рис. 16).
Кнопочный выключатель питания размещают на его верхней грани. Фототранзистор первого варианта устройства устанавливают примерно в середине рабочего угла с таким расчетом, чтобы «ручка» перекрывала падающий на него свет при отклонении стрелки до ограничителя. Установку оптопары второго варианта игрушки иллюстрирует рис. 16 (местоположение указано стрелкой). В третьем варианте фототранзисторы удобнее расположить на верхней грани куба на расстоянии 60…70 мм один от другого. Для нормальной работы первого и третьего вариантов игрушки достаточно освещенности создаваемой стоваттной лампой накаливания на расстоянии 1…2 м.
Налаживание игрушки сводится в основном к подбору резистора R3 (чем тяжелее «ручка», тем меньше должно быть его сопротивление). От емкости конденсаторов C1, С2 зависит частота и продолжительность махания, поэтому их тоже желательно подобрать. Чувствительность фотодатчиков в некоторых пределах можно регулировать подбором резистора R1.
«Настоящий» электронный кубик
Основное отличие предлагаемой конструкции игрушки-сувенира от ранее опубликованных на страницах радиолюбительских изданий состоит в том, что вместо светодиодного индикатора, имитирующего выпавшую грань, в игрушке применён кубик из шести индикаторов (рис. 17).
Принципиальная схема конструкции изображена на рис. 18.
Устройство состоит из двух взаимосвязанных генераторов на элементах микросхемы DD1 и микросхемы счётчика-дешифратора DD2. Работает оно так: генератор на элементах DD1.1 и DD1.2 генерирует колебания частотой около 200 Гц, которые подаются на вход счётчика, его работой управляет в свою очередь генератор на элементах DD1.3, DD1.4. Он генерирует тактовые импульсы с частотой следования около 1–2 Гц. Импульсы на вход счётчика поступают только тогда когда на выходе тактового генератора (вывод 4) действует напряжение высокого уровня. Резистором R3 можно регулировать частоту переключения триггеров счётчика в небольших пределах. В итоге на выходах 0–6 счётчика происходит последовательный перебор логической единицы с её временной фиксацией при логическом нуле на выводе 4 тактового генератора. Внешне работа кубика такова: сначала все грани светятся, потом некоторое время какая – то одна – далее процесс повторяется.
На транзисторах VT1-VT3 собраны ключи для управления частью светодиодов. Обратная связь (выводы 5-15 микросхемы DD2) производит обнуление счётчика при каждом седьмом такте на его входе.
Далее о конструкции сувенира. Основную часть элементов схемы монтируют на платах, сделанных из односторонне фольгированного гетинакса рис. 19, рис. 20.
Между плат соединение производят посредством жгута из 8 проводов.
Грани кубика соединяют проволочными перемычками с длиной заготовки 10–12 мм. После монтажа светодиодов, проводов, резисторов все грани гнут под 90 градусов по отношению друг к другу, получая сам кубик. Провода выпускают в отверстие треугольной формы, образующееся при сборке кубика. Боковые грани поджимают, подпаивая Г-образные кусочки проволоки к соответствующим перемычкам (рис. 17).
Затем приступают к сборке корпуса. Провода пропускают через шайбу, потом через корпус от ручки вплотную к отверстию кубика и сажают эти элементы друг на друга при помощи клея. Получившуюся стойку крепят посредством пластиковой втулки к пластмассовому футляру, подходящего размера. Внутри его размещают выключатель питания, источник питания, плату с микросхемами, регулировочный резистор и производят их окончательное соединение.
В заключение несколько слов о деталях и настройке схемы. В конструкции можно использовать практически любые светодиоды с рабочим током около 5 ма и напряжением в районе 2В. Транзисторы любые маломощные соответствующей структуры. Питается игрушка от батареи «Крона» с током потребления около 10–15 ма. Настройка сводится к подбору номиналов резисторов R4-R15 для одинакового свечения светодиодов и элементов времязадающих цепей генераторов для установки желаемых рабочих интервалов времени.
