Robot spin -...

Robot spin

2019-2020

Naam: Thian Van Meensel

Klas: T3Ei6

Thian Van Meensel Robot spin 2

Voorwoord

Ik ben Thian Van Meensel, 17 jaar. Ik woon in Geel-Zammel. Voordat ik naar

deze school kwam zat ik op de Bovenschool van de Sint-Lambertusscholen te

Westerlo en volgde de richting wetenschappen, nu zit in het zesde jaar van de

richting Elektronica/ICT op Sint Jozef Geel.

Als onderwerp voor mijn geïntegreerde proef koos ik om voor een robot, om dit

onderwerp goed te kunnen onderzoeken ga ik zelf een robot spin maken.

Ik wil graag meneer T. Smets bedanken (leerkracht netwerken, embedded linux,

software en PLC) voor alle hulp ook zou ik meneer G. Noeyens (leerkracht

embedded C) willen bedanken voor de suggesties bij het elektronische gedeelte.

En ten slotte zou ik ook mijn ouders willen bedanken voor de financiële steun en

voor het nalezen van mijn scriptie.


Inhoudstabel VOORWOORD .................................................................................................................................................. 2

INHOUDSTABEL ................................................................................................................................................ 3

AFBEELDINGEN ................................................................................................................................................. 5

TABELLEN ......................................................................................................................................................... 6

1 INLEIDING ................................................................................................................................................ 7

2 BLOKSCHEMA’S ........................................................................................................................................ 8

2.1 TEKENING BLOKSCHEMA ......................................................................................................................... 8 2.2 UITLEG BLOKSCHEMA ............................................................................................................................. 9

2.2.1 Raspberry Pi ................................................................................................................................. 9 2.2.2 Ultrasone sensor .......................................................................................................................... 9 2.2.3 Servo’s ......................................................................................................................................... 9 2.2.4 Power monitor ............................................................................................................................. 9 2.2.5 Camera ........................................................................................................................................ 9 2.2.6 Website ....................................................................................................................................... 9 2.2.7 Database ..................................................................................................................................... 9

2.3 VERLOOPSCHEMA ............................................................................................................................... 10

3 KEUZE COMPONENTEN .......................................................................................................................... 11

3.1 CONTROLLER ..................................................................................................................................... 11 3.1.1 Opties ........................................................................................................................................ 11

3.1.1.1 Arduino uno Rev 3 ............................................................................................................................ 11 3.1.1.2 Raspberry Pi 3b+ .............................................................................................................................. 11 3.1.1.3 Orange Pi 2 plus ............................................................................................................................... 11 3.1.1.4 Banana Pi M4 ................................................................................................................................... 12

3.1.2 Conclusie ................................................................................................................................... 12 3.1.3 I/O Raspberry Pi 3b+ .................................................................................................................. 13

3.2 SERVO.............................................................................................................................................. 14 3.2.1 Werking ..................................................................................................................................... 14 3.2.2 Opties ........................................................................................................................................ 15

3.2.2.1 DS3218 ............................................................................................................................................ 15 3.2.2.2 MG996R ........................................................................................................................................... 15

3.2.3 Conclusie ................................................................................................................................... 15 3.3 BATTERIJ .......................................................................................................................................... 16

3.3.1 WEEE Directive ........................................................................................................................... 16 3.3.2 Opties ........................................................................................................................................ 17

3.3.2.1 Zink-koolstof (ZnC) ........................................................................................................................... 17 3.3.2.2 Zink-lucht (Zn-lucht) ......................................................................................................................... 18 3.3.2.3 Lithium ion (Li-ion) ........................................................................................................................... 20 3.3.2.4 Nikkel metaalhybride (NiMH)............................................................................................................ 26

3.3.3 Conclusie ................................................................................................................................... 28 3.4 I/O-EXPANDER ................................................................................................................................... 29

3.4.1 Conclusie ................................................................................................................................... 29 3.4.2 Specificaties ............................................................................................................................... 29

3.5 ANALOOG DIGITAAL CONVERTER ............................................................................................................. 30 3.5.1 Werking ..................................................................................................................................... 30 3.5.2 Opties ........................................................................................................................................ 31

3.5.2.1 MCP3008 ......................................................................................................................................... 31 3.5.2.2 MCP3208-CI/P .................................................................................................................................. 31 3.5.2.3 ADS1115 .......................................................................................................................................... 32

3.5.3 ADC type SAR ............................................................................................................................. 32 3.5.3.1 Werking SAR .................................................................................................................................... 32

3.5.4 Conclusie ................................................................................................................................... 34


3.6 AFSTAND SENSOR................................................................................................................................ 35 3.6.1 Ultrasone sensor ........................................................................................................................ 35 3.6.2 Infrarood sensor ......................................................................................................................... 36 3.6.3 Opties ........................................................................................................................................ 36

3.6.3.1 MB ULTRASONIC V3 ......................................................................................................................... 36 3.6.3.2 HC-SR04 ........................................................................................................................................... 37

3.6.4 Conclusie ................................................................................................................................... 37 3.7 CAMERA ........................................................................................................................................... 38

3.7.1 Werking ..................................................................................................................................... 38 3.7.2 Opties ........................................................................................................................................ 38

3.7.2.1 Camera Module V2 ........................................................................................................................... 38 3.7.2.2 Camera V2 8MP IR............................................................................................................................ 38

3.7.3 Conclusie ................................................................................................................................... 38 3.8 LED-STRIP ......................................................................................................................................... 39

3.8.1 Werking ..................................................................................................................................... 39 3.8.1.1 Led................................................................................................................................................... 39 3.8.1.2 WS2812b ......................................................................................................................................... 41

3.8.2 Keuze ......................................................................................................................................... 41

4 PROBLEMEN .......................................................................................................................................... 42

4.1 STROOM ........................................................................................................................................... 42 4.2 PCA9685 ........................................................................................................................................ 43

5 PROTOCOLLEN ....................................................................................................................................... 44

5.1 I2C .................................................................................................................................................. 44 5.2 SPI ................................................................................................................................................. 46 5.3 PWM.............................................................................................................................................. 48

6 CODE...................................................................................................................................................... 49

6.1 BESTURINGSSYSTEEM: STRETCH .............................................................................................................. 49 6.2 ADAFRUIT PYTHON PCA9685 ............................................................................................................... 49

6.2.1 Installatie ................................................................................................................................... 49 6.2.2 Code .......................................................................................................................................... 49

6.3 ULTRASONE SENSOR ............................................................................................................................ 50 6.3.1 Code .......................................................................................................................................... 50

6.4 LED-STRIP ......................................................................................................................................... 50 6.4.1 Installatie WS2812b ................................................................................................................... 50 6.4.2 Code .......................................................................................................................................... 50

7 PRINTED CIRCUIT BOARD ....................................................................................................................... 52

7.1 SCHEMA ........................................................................................................................................... 52 7.2 PRAKTISCH ........................................................................................................................................ 53

8 VERMOGEN BEREKENING ...................................................................................................................... 54

9 PRIJSLIJST ............................................................................................................................................... 55

10 BESLUIT .................................................................................................................................................. 56


Afbeeldingen

Figuur 1: Blokschema ........................................................................................ 8

Figuur 2: Verloopschema ................................................................................. 10

Figuur 3: Raspberry pi 3b+ .............................................................................. 11

Figuur 4: Arduino uno ...................................................................................... 11

Figuur 5: Orange pi 2 plus ................................................................................ 12

Figuur 6: Banana pi M4 ................................................................................... 12

Figuur 7: Pinout Raspberry Pi 3b+ ................................................................... 13

Figuur 8: DS3218 ............................................................................................. 14

Figuur 9: Voorbeeld binnenkant servo ............................................................. 14

Figuur 10: Pulsen naar servo ............................................................................ 14

Figuur 11: Servo DS3218 ................................................................................. 15

Figuur 12: Servo MG996R ............................................................................... 15

Figuur 13: WEEE directive .............................................................................. 16

Figuur 14: Zink-koolstof batterij ...................................................................... 17

Figuur 15: Binnenkant zink-koolstof batterij .................................................... 17

Figuur 16: Zink-lucht batterij ........................................................................... 18

Figuur 17: Opbouw zink-lucht batterij ............................................................. 19

Figuur 18: Lithium-ion batterij ......................................................................... 20

Figuur 19: Binnenkant lithium-ion batterij ....................................................... 20

Figuur 20: Varta lithium-ion batterij, Museum Autovision, Altlussheim,

Duitsland .................................................... Fout! Bladwijzer niet gedefinieerd.

Figuur 21: Nikkel metaalhybride batterij .......................................................... 26

Figuur 22: Binnenkant nikkel metaalhybride batterij ........................................ 27

Figuur 23: PCA9685 ........................................................................................ 29

Figuur 24: Pinout PCA9685 ............................................................................. 29

Figuur 25: MCP3008 ........................................................................................ 30

Figuur 26: Monsters nemen .............................................................................. 31

Figuur 27: MCP 3008 ....................................................................................... 31

Figuur 28: MCP3208-CI/P ............................................................................... 31

Figuur 29: ADS1115 ........................................................................................ 32

Figuur 30: Werking sar verloop schema ........................................................... 32

Figuur 31: Capacitieve DAC ............................................................................ 33

Figuur 32: HC-SR04 ........................................................................................ 35

Figuur 33: Werking infrarood sensor ................................................................ 36

Figuur 34: MB ultrasonic V3............................................................................ 36

Figuur 35: HC-SR04 ........................................................................................ 37

Figuur 36: Camera ........................................................................................... 38

Figuur 37: Delen van led .................................................................................. 40


Figuur 38: I²C werking ..................................................................................... 44

Figuur 39: Verbinding spi master en slave ....................................................... 46

Figuur 40: PMW duty cycle ............................................................................. 48

Figuur 41: Code PCA9685 ............................................................................... 49

Figuur 42: Code ultrasone sensor ..................................................................... 50

Figuur 43: Variabelen led-strip ......................................................................... 51

Figuur 44: Code led-strip ................................................................................. 51

Figuur 45: Schema PCB ................................................................................... 52

Figuur 46: Schema PCB power supply ............................................................. 52

Figuur 47: PCB ................................................................................................ 53

Tabellen Tabel 1: Vermogen tabel .................................................................................. 54

Tabel 2: Prijslijst .............................................................................................. 55


1 Inleiding

In dit werk bekijk ik het maken van een robotspin.

Ik heb gekozen om een robot spin te maken, het is een relevante geïntegreerde

proef omdat het heel goed bij de technische vakken past zoals elektronica en

embedded linux. Bij elektronica past het goed omdat er veel elektronische

componenten in zitten en er schema’s getekend moeten worden. Bij embedded

linux past de geïntegreerde proef goed omdat de programmeer taal python is(de

hoofdtaal die we bij dit vak zien) en we een besturingssysteem van de linux

familie gebruiken. Voor de maatschappij is deze geïntegreerde proef nuttig

omdat er niet genoeg onderzoek kan gebeuren naar robots, deze komen ook

steeds meer op de werkvloer voor. Dus het is heel belangrijk dat wij ze heel

goed begrijpen.

Eerst verduidelijk ik het doel van de geïntegreerde proef door middel van een

blokschema waaronder ik ook een geschreven uitleg geef van het blokschema.

Daarna ga ik bespreken welke componenten gebruikt heb en waarom ik deze

gebruikt heb en tenslotte ga ik de code bespreken.


2 Blokschema’s

2.1 Tekening blokschema

Figuur 1: Blokschema


2.2 Uitleg blokschema

2.2.1Raspberry Pi

De Raspberry Pi is het brein van het project, het stuurt alle actoren aan en leest

alle sensoren in. Ook zal het de basis zijn voor het web gebeuren.

2.2.2Ultrasone sensor

De ultrasone sensor dient voor object detectie en zal er dus voor dienen om

botsingen met objecten te voorkomen.

2.2.3Servo’s

De servo’s gaan de poten doen bewegen maar omdat de Raspberry Pi maar 1

servo tegelijk kan aansturen gaan we tussen de Raspberry Pi en de servo’s een

pca9685 zetten, dit zorgt er dan voor dat de Raspberry Pi toch alle servo’s

tegelijk kan aansturen.

2.2.4Power monitor

De power monitor gaat er voor zorgen dat we niet te veel vermogen gaan

gebruiken en gaat heel het project zekeren. Dit kan je zien als een schakelaar die

open gaat als er iets mis gaat.

2.2.5Camera

De camera zal een beeld gaan maken en dat doorsturen naar de Raspberry Pi,

hierdoor gaat de bestuurder kunnen zien waar de robot is en zo ook obstakels

ontwijken.

2.2.6Website

De website is als een werkt zoals een afstandsbediening van een drone je kan de

robot aansturen. Dit is niet het enige wat je hier kan doen je kan ook zien

hoeveel batterij je nog hebt en je kan hier ook de beelden real time zien.

2.2.7Database

De database linkt de Raspberry Pi met de website samen. De database geeft de

commando’s door aan de Raspberry Pi en de Raspberry Pi geeft de video door

aan de database zodat de gebruiker de video op de website kan zien.


2.3 Verloopschema

Figuur 2: Verloopschema


3 Keuze componenten

3.1 Controller

3.1.1Opties

3.1.1.1 Arduino uno Rev 3

Figuur 4: Arduino uno

De Arduino uno Rev 3 kost 20 euro en heeft 16 input’s en output’s. De arduino

heeft ook 2 kB RAM van de ATmega328P chip die op het board zit.

3.1.1.2 Raspberry Pi 3b+

De Raspberry Pi 3b+ kost 37.95 euro en heeft 40 in en outputs. Heeft ook wifi

(wifi 802.11.b/g/n/ac), ethernet (10/100/1000 Mbit gigabit over usb 2.0 anders

tot 300Mbit) en een camera interface. Het heeft 1 GB LPDDR2 RAM en kan tot

4 mutithreads doen en kan dus 4 taken tegelijk doen en de processor heeft een

basis klok frequentie van 1.4 Ghz. De Raspberry Pi heeft ook een operating

systeem nodig, hiervoor word meestal een versie van Debian gebruikt.

3.1.1.3 Orange Pi 2 plus

Figuur 3: Raspberry pi 3b+


Figuur 5: Orange pi 2 plus

De Orange pi 2 plus kost 36.67 euro, heeft 40 inputs en outputs, wifi (802.11

b/g/n), ethernet (10/100 Mbit/s) en 2GB DDR3 RAM. De Orange Pi 2 plus kan

ook tot 4 mutithreads doen en kan dus 4 taken tegelijk doen, de processor heeft

een basis klok frequentie van 1.3 Ghz. De Orange Pi heeft ook een operating

systeem nodig hiervoor word meestal een versie van Debian gebruikt. De

Orange Pi heeft ook een camera interface.

3.1.1.4 Banana Pi M4

Figuur 6: Banana pi M4

De Banana Pi M4 kost 34.92 euro heeft 40 in en outputs, heeft wifi (802.11

b/g/n/ac), heeft internet (10/100 Mbit/s), heeft 1GB DDR4 RAM. De Banana Pi

M4 kan tot 4 mutithreads doen en kan dus 4 taken tegelijk doen, de processor

heeft een basis klok frequentie van 1.2 Ghz. De Banana Pi heeft ook een

operating systeem nodig hiervoor word meestal een versie van Debian gebruikt.

(BPI-M4, sd)

3.1.2Conclusie

Ik kies voor de Raspberry Pi omdat we deze vorig schooljaar al hadden

aangekocht, 4 kanalen voor wifi heeft, wat heel belangrijk is voor een snelle

verbinding tussen de persoon die het aanstuurt en Raspberry Pi, de Raspberry Pi

heeft ook de snelste processor klok frequentie. Een ander voordeel is dat de

Raspberry Pi ook een camera interface heeft zodat de GPIO pinnen vrij blijven

voor andere componenten aan te sturen.


3.1.3I/O Raspberry Pi 3b+

Figuur 7: Pinout Raspberry Pi 3b+


3.2 Servo

3.2.1Werking

Figuur 9: Voorbeeld binnenkant servo

In een hobby servo vindt je 4 hoofd componenten, een DC motor, een

versnellingsbak, een potentiometer en een controle circuit. De potentiometer is

aan het laatste tandwiel (tandwiel van de uitgangsas) vast gemaakt zodat als de

motor beweegt de potentiometer ook beweegt en dus een voltage creëert dat

relateert tot de overeenkomstige hoek van de servo. Dit signaal wordt

vergeleken met het signaal dat naar de servo komt en als het nodig is activeert

de controller de H-brug die er voor zorgt dat de motor in de andere richting

draait. Dit blijft gebeuren tot het signaal van de potentiometer gelijk is aan het

signaal afkomstig van het input signaal. Een servomotor wordt aangestuurd door

pulsen.

Figuur 10: Pulsen naar servo

Figuur 8: DS3218


3.2.2Opties

3.2.2.1 DS3218

Figuur 11: Servo DS3218

- Waterdicht

- Digitaal

- 20 kg/cm kracht

- Max hoek van 180°

- Metalen tandwielen

- Goedkoop

3.2.2.2 MG996R

Figuur 12: Servo MG996R

- 13 kg/cm

- Max hoek van 180°

- Metalen tandwielen

- Digitaal

- Duur

3.2.3Conclusie

Ik kies voor de DS3218 omdat deze heel goedkoop is en ook sterker is. Deze

servo heeft ook als bijkomend voordeel dat hij tegen een spatje water kan.


3.3 Batterij

3.3.1WEEE Directive

Figuur 13: WEEE directive

Afval van elektrische en elektronische apparatuur (AEEA) of in het Engels Waste

of electrical and electronic equipment (WEEE) zoals computers, tv-toestellen, koelkasten

en mobiele telefoons is een van de snelst groeiende afvalstromen in de Europese

Unie. Hiervan werd ongeveer 9 miljoen ton van gegenereerd in 2005. Naar

verwachting zal dit groeien tot meer dan 12 miljoen ton in 2020.

AEEA is een complexe mix van materialen en componenten die vanwege hun

gevaarlijke inhoud grote milieu- en gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken

als ze niet goed beheerd worden en bovendien vereist de productie van moderne

elektronica het gebruik van schaarse en dure grondstoffen zoals goud, hiervan

word ongeveer 10% van het totale goud wereldwijd wordt voor gebruikt. Om bij

te dragen voor een beter milieubeheer van AEEA en om bij te dragen aan een

circulaire economie en ophaling van grondstoffen te verbeteren behandeling en

recycling van elektronica aan het einde van hun levensduur van essentieel

belang.

Om deze problemen aan te pakken zijn twee wetgevingsstukken ingevoerd: de

richtlijn betreffende afgedankte elektrische en elektronische apparatuur (WEEE

Directive) en de richtlijn betreffende de beperking van het gebruik van bepaalde

gevaarlijke stoffen in elektrische en elektronische apparatuur (RoHS-richtlijn)

De eerste AEEA-richtlijn is in februari 2003 in werking getreden. De richtlijn

voorzag in de invoering van inzamelingsregelingen waarbij consumenten hun


AEEA gratis kunnen binnen brengen. Deze regelingen hebben tot doel de

recycling van AEEA en/of hergebruik er van te verhogen. Ook is de EU-

wetgeving tot beperking van het gebruik van gevaarlijke stoffen in elektrische

en elektronische apparatuur is in februari 2003 in werking getreden. deze

wetgeving schrijft voor dat zware metalen zoals lood, kwik, cadmium en

zeswaardig chroom en vlamvertragers zoals polybroombifenylen (PBB) of

polybroomdddifenylethers (PBDE) worden vervangen door veiligere

alternatieven. In december 2008 heeft de Europese Commissie voorgesteld de

richtlijn te herzien. De RoHS-herschikkingsrichtlijn is op 3 januari 2013 van

kracht geworden.

3.3.2Opties

3.3.2.1 Zink-koolstof (ZnC)

Figuur 14: Zink-koolstof batterij

Opbouw

Het omhulsel van de droge zink-koolstof cel

is een zink blikje. Het blikje bevat een laag

NH4Cl of ZnCl2 dit is een waterige pasta die

de papier laag vochtig maakt deze laag

scheid het zink van het blikje van het

mengsel van poederkool (meestal

grafietpoeder) en mangaan (IV) oxide

(MnO2). Dit verpakt dan weer de

koolstofstaaf. Koolstof is het enige

praktische geleider materiaal omdat elk

gemeenschappelijk metaal snel corrodeert in

de positieve elektrode in een elektrolyt

op basis van zout.

Vroege soorten en goedkope cellen gebruiken een separator bestaande uit een

laag zetmeel of bloem. Nu wordt laag met zetmeel gecoate papier wordt

Figuur 15: Binnenkant zink-koolstof batterij


gebruikt in moderne cellen, deze is dunner en maakt het mogelijk maakt meer

mangaandioxide te gebruiken. Oorspronkelijk werden de cellen verzegeld met

een laag asfalt om uitdroging van het elektrolyt te voorkomen maar

tegenwoordig wordt er een thermoplastische sluitring gebruikt. De koolstofstaaf

is licht poreus waardoor opgehoopt waterstofgas kan ontsnappen. Hierdoor

wordt het waterige elektrolyt behouden. De verhouding van mangaandioxide en

koolstofpoeder in de kathodepasta beïnvloedt de kenmerken van de cel: meer

koolstofpoeder verlaagt de interne weerstand, terwijl meer mangaandioxide de

opslagcapaciteit verbetert.

Voordelen

1. De kosten van deze batterij cel is vrij laag.

2. Verschillende vormen, maten en capaciteiten van deze cellen zijn

gemakkelijk te verkrijgen.

3. Lange betrouwbaarheid.

Nadelen

1. De energiedichtheid is vrij laag.

2. Het geeft slechte service bij lage temperatuur.

3. Het heeft een slechte lekkage weerstand.

4. Bij hoge stromen is de batterij niet efficiënt. 5. De spanning daalt evenredig met ontlading.

3.3.2.2 Zink-lucht (Zn-lucht)

Figuur 16: Zink-lucht batterij


Opbouw Doorsnede van een zink-lucht batterij:

Figuur 17: Opbouw zink-lucht batterij

A. Separator

B. zinkpoederanode en elektrolyt

C. anode kan

D. isolatorpakking

E. kathode kan

F. luchtgat

G. kathodekatalysator en huidige collector

H. luchtdistributielaag

I. Semi permeabel membraan

Voordelen

1. Hogere energiedichtheid maar een lager vermogen.

2. Opgeboud uit goedkope materialen.

3. Het zink-luchtsysteem heeft, wanneer het wordt verzegeld, een

uitstekende houdbaarheid, met een zelfontladingspercentage van slechts 2

procent per jaar.

4. In verhouding tot hun fysieke grootte slaan zink/luchtbatterijen meer

energie op per gewichtseenheid (in termen van 220 Wh/kg) dan bijna elk

ander primair type. Primaire cellen beschikbaar in een bereik van knop en

munt cel maten.

5. Oplaadbare hoogvermogencellen beschikbaar voor tractietoepassingen.

Nadelen

1. Gevoelig voor extreme temperaturen en vochtige omstandigheden.

2. Kooldioxide uit de lucht vormt carbonaat dat geleidbaarheid vermindert.

3. Hoge zelfontladings coëfficiënt.

4. Na activering drogen chemicaliën meestal uit en moeten de batterijen snel

worden gebruikt.

5. Hoewel opladen mogelijk is, is het ook lastig en is het alleen geschikt

voor soorten met een hoog vermogen.

6. Hoge interne weerstand, wat betekent dat zinkluchtbatterijen enorm groot

moeten zijn om aan hoge stroombehoeften te voldoen.

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Zinc_air_cell_2.jpg


3.3.2.3 Lithium ion (Li-ion)

Figuur 18: Lithium-ion batterij

Opbouw

De drie primaire functionele

componenten van een lithium-

ion batterij zijn de positieve en

negatieve elektroden en

elektrolyt. Over het algemeen is

de negatieve elektrode van een

conventionele lithium-ioncel

gemaakt van koolstof. De

positieve elektrode is een

metaaloxide en het elektrolyt is

een lithiumzout in een organisch

oplosmiddel. De

elektrochemische rollen van de

elektroden keren tussen anode

en kathode dit is afhankelijk van

de richting van de huidige stroom door de cel.

De meest commercieel populaire anode (negatieve elektrode) is grafiet. De

positieve elektrode is over het algemeen een van de drie materialen: een gelaagd

oxide (zoals lithiumkobaltoxide), een polyanion (zoals lithiumijzerfosfaat) of

een spinel (zoals lithiummangaanoxide). Onlangs zijn elektroden waarin grafeen

Figuur 19: Binnenkant lithium-ion batterij


zit (gebaseerd op 2D- en 3D-structuren van grafeen) ook gebruikt als

componenten van elektroden voor lithiumbatterijen.

Het elektrolyt is meestal een mengsel van organische carbonaten zoals

ethyleencarbonaat of diethylcarbonaat dat complexen van lithium-ionen bevat.

Deze niet-waterige elektrolyten gebruiken over het algemeen niet-coördinerende

anionzouten zoals lithiumhexafluorfosfaat (LiPF6), lithium hexafluoroarsenate

monohydraat (LiAsF6), lithiumperchloraat (LiClO4), lithium tetrafluorboraat

(LiBF4) en lithiumtriflate (LiCF3SO3).

Afhankelijk van de materiaalkeuzes kunnen de spanning, energiedichtheid,

levensduur en veiligheid van een lithium-ionbatterij drastisch veranderen. In

huidige onderzoeken is het gebruik van nieuwe architecturen met behulp van

nanotechnologie onderzocht om de prestaties te verbeteren. De

aandachtsgebieden zijn het elektrodematerialen op nanoschaal en de alternatieve

elektrodestructuren.

Puur lithium is zeer reactief. Het reageert krachtig met water om

lithiumhydroxide (LiOH) en waterstofgas te vormen. Daardoor wordt er meestal

een niet-waterig elektrolyt gebruikt en een verzegelde container sluit vocht uit

het accupakket.

Lithium-ion batterijen zijn duurder dan NiCd batterijen, maar werken over een

groter temperatuurbereik met hogere energiedichtheden. Ze hebben een

beschermend circuit nodig om de piekspanning te beperken.

Opslag

Als je een Li-ion battery wil opslagen doe je dat best bij 20°C en bij 4-3.7V

want dan is er bijna geen zelf ontlading meer. Natuurlijk moet er we wel

opletten dat er geen kortsluiting is want dan kan de batterij ontploffen. Ook

moeten we opletten dat de batterij niet onder de 2V/cel gaat want dan is de

batterij kapot.

Geschiedenis

Achtergrond

Lithium batterijen werden voorgesteld door de Britse chemicus M. Stanley

Whittingham terwijl hij werkte voor Exxon in de jaren 1970. Whittingham

gebruikte titanium(IV) sulfide en lithiummetaal als de elektroden. Deze

oplaadbare lithiumbatterij kon echter nooit praktisch worden gemaakt. Titanium


disulfide was een slechte keuze, omdat het moet

worden gesynthetiseerd onder volledig

verzegelde omstandigheden, ook vrij duur

(ongeveer $1000 per kilogram voor titanium

disulfide grondstof in de jaren 1970). Bij

blootstelling aan lucht reageert titaniumdisulfide

op waterstofsulfideverbindingen, die een

onaangename geur hebben en bovendien giftig

zijn voor de meeste dieren. Onderandere door

deze reden is Exxon gestopt met de ontwikkeling

van Whittingham's lithium-titanium disulfide batterij. Batterijen met metalen

lithium-elektroden presenteerden veiligheidsproblemen, omdat lithiummetaal

reageert met water en ontvlambare waterstofgas vrijgeeft. Daarom is het

onderzoek verplaatst naar de ontwikkeling van batterijen waarin alleen

lithiumverbindingen aanwezig zijn, die lithium-ionen kunnen accepteren en

vrijgeven.

Ontwikkeling

1973 Adam Heller stelde de lithiumthionylchloridebatterij voor, die nog

steeds wordt gebruikt in geïmplanteerde medische hulpmiddelen en in

afweersystemen waar een houdbaarheid van meer dan 20 jaar, een hoge

energiedichtheid en/of tolerantie voor extreme bedrijfstemperaturen

vereist zijn.

1977 Samar Basu demonstreerde elektrochemische intercalatie van lithium in

grafiet aan de Universiteit van Pennsylvania. Dit leidde tot de

ontwikkeling van een werkbare lithium intercalated grafietelektrode bij

Bell Labs (LiC6) om een alternatief te bieden voor de

lithiummetaalelektrodebatterij.

1979 Werkend in afzonderlijke groepen, Ned A. Godshall et al. en kort

daarna John B. Goodenough (Universiteit van Oxford) en Koichi

Mizushima (Tokyo University), demonstreerden een oplaadbare

lithiumcel met spanning in de 4 V-serie met behulp van lithium

kobaltdioxide (LiCoO2) als depositieve elektrode en lithiummetaal als

de negatieve elektrode. Deze innovatie leverde het positieve

elektrodemateriaal op dat vroege commerciële lithiumbatterijen

mogelijk maakte. LiCoO2 is een stabiel positief elektrodemateriaal dat

fungeert als donor van lithium-ionen, wat betekent dat het kan worden

gebruikt met een ander negatief elektrodemateriaal dan lithiummetaal.

Door het gebruik van stabiele en gemakkelijk te hanteren negatieve

elektrodematerialen mogelijk te maken, heeft LiCoO2 nieuwe

oplaadbare batterijsystemen ingeschakeld. Godshall et al. identificeerde

Figuur 20: Varta lithium-ion batterij, Museum Autovision, Altlussheim, Duitsland


verder de vergelijkbare waarde van ternaire verbinding lithium-

overgang metaaloxiden zoals de spinel LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2,

LiFeO2, LiFe5O8, en LiFe5O4 (en later lithium-koper-oxide en lithium-

nikkel-oxide kathode materialen in 1985)

1980 Rachid Yazami demonstreerde de omkeerbare elektrochemische

intercalatie van lithium in grafiet en vond de lithiumgrafietelektrode

(anode) uit. De organische elektrolyten die op dat moment beschikbaar

waren zouden tijdens het opladen ontleden met een grafietnegatieve

elektrode. Yazami gebruikte een vaste elektrolyt om aan te tonen dat

lithium via een elektrochemisch mechanisme in grafiet omkeerbaar kon

worden. Vanaf 2011 was Yazami's grafietelektrode de meest gebruikte

elektrode in commerciële lithium-ionbatterijen.

De negatieve elektrode heeft zijn oorsprong in het PAS (polyacenic

semigeleidend materiaal) dat ontdekt door Tokio Yamabe en later door

Shjzukuni Yata in de vroege jaren 1980. Het zaad van deze technologie

was de ontdekking van geleidende polymeren door professor Hideki

Shirakawa en zijn groep, en het kan ook worden gezien als zijnde

begonnen met de polyacetyleen lithium-ion batterij ontwikkeld door

Alan MacDiarmid en Alan J. Heeger et al.

1982 Het patent US4340652A werd aan Godshall et al toegekend voor het

gebruik van LiCoO2 als kathodes in lithium batterijen, dit patent was

gebaseerd op Godshall's Stanford University Ph.D. proefschrift en 1979

publicaties.

1983 Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David, en John

Goodenough ontwikkelden een mangaan spinel als een commercieel

relevant geladen kathode materiaal voor lithium-ion batterijen.

1985 Akira Yoshino assembleerde een prototype cel met koolstofhoudend

materiaal waarin lithium-ionen als de ene elektrode konden worden

ingebracht, en lithiumkobaltoxide (LiCoO2) als de andere elektrode. Dit

heeft de veiligheid drastisch verbeterd. LiCoO2 maakte industriële

productie mogelijk en maakte de commerciële lithium-ion batterij

mogelijk.

1989 Goodenough en Arumugam Manthiram toonden aan dat positieve

elektroden die polyanionen bevatten, bijvoorbeeld sulfaten, hogere

spanningen produceren dan oxiden als gevolg van het inductie-effect

van de polyanion.

Commercialisering en vooruitgang


1991 Sony en Asahi Kasei brachten de eerste commerciële lithium-ion

batterij uit. Het Japanse team dat de technologie succesvol op de markt

bracht werd geleid door Yoshio Nishi.

1996 Akshaya Padhi, KS Nanjundawamy en Goodenough identificeerde

LiFePO4 (LFP) als een kathode materiaal.

1996 Goodenough, Akshaya Padhi en collega's stelden lithiumijzerfosfaat

(LiFePO4) en andere fosfo-olivines (lithiummetaalfosfaten met de

zelfde structuur als minerale olivien) als positieve elektrodematerialen

voor.

1998 C. S. Johnson, J. T. Vaughey, M. M. Thackeray, T. E. Bofinger, en S.

A. Hackney melden de ontdekking van de hoge capaciteit, hoge

spanning lithium-rijke NMC kathode materialen.

2001 Christopher Johnson, Michael Thackeray, Khalil Amine en Jaekook

Kim vragen een patent aan voor NMC lithium rijke kathoden op basis

van een domeinstructuur.

2001 Zhonghua Lu en Jeff Dahn vragen een patent aan voor de lithium

nikkel mangaan kobaltoxide (NMC), dit is een klasse van positieve

elektrode materialen. Deze verbeterd de veiligheid en energiedichtheid

ten opzichte van de veel gebruikte lithium kobalt oxide batterij.

2002 Yet-Ming Chiang en zijn groep aan het MIT toonden een aanzienlijke

verbetering in de prestaties van lithiumbatterijen door de geleidbaarheid

van het materiaal te stimuleren door het matteriaal in te smeren met

aluminium, niobium en zirkonium. Het exacte mechanisme dat de

stijging veroorzaakte werd het onderwerp van een uitgebreid debat.

2004 Yet-Ming Chiang verbeterde weer de prestaties door gebruik te maken

van lithium ijzer fosfaat deeltjes die een diameter van minder dan 100

nanometer hebben. Deze verminderde deeltjesdichtheid bijna een factor

van bijna 100, verhoogde het oppervlak van de positieve elektrode en

verbeterde capaciteit en prestaties. Commercialisering leidde tot een

snelle groei in de markt voor hogere capaciteit LIB's, evenals een patent

inbreuk strijd tussen Chiang en John Goodenough.

2005 Y Song, PY Zavalij, en M. Stanley Whittingham rappordeerde een

nieuwe twee-elektronen vanadium fosfaat kathode materiaal met een

hoge energiedichtheid.


2011 De lithium nikkel mangaan kobaltoxide (NMC) kathodes ontwikkeld in

Argonne National Laboratory worden commercieel vervaardigd door

BASF in Ohio.

2011 Lithium-ion batterijen zijn goed voor 66% van alle draagbare

secundaire (dwz, oplaadbare) batterij verkoop in Japan.

2012 John Goodenough, Rachid Yazami en Akira Yoshino ontvingen in

2012 de IEEE Medal for Environmental and Safety Technologies voor

de ontwikkeling van de lithium-ion batterij.

2014 John Goodenough, Yoshio Nishi, Rachid Yazami en Akira Yoshino

kregen de Charles Stark Draper-prijs van de National Academy of

Engineering voor hun baanbrekende inspanningen op dit gebied.

2014 Commerciële batterijen van Amprius Corp. bereikten 650 Wh/L (een

toename van 20%), met behulp van een siliconen anode en werden

geleverd aan klanten.

2016 Koichi Mizushima en Akira Yoshino ontvingen de NIMS Award van

het National Institute for Materials Science, voor Mizushima's

ontdekking van het LiCoO2 kathodemateriaal voor de lithium-ion

batterij en Yoshino's ontwikkeling van de lithium-ion batterij.

2016 Z. Qi en Gary Koenig rapporteerden een schaalbare methode om

LiCoO2 ondermicrometer formaat te produceren met behulp van een op

sjablonen gebaseerde benadering.

2019 De Nobelprijs voor de Scheikunde ging naar John Goodenough,

Stanley Whittingham en Akira Yoshino "voor de ontwikkeling van

lithium-ionbatterijen".

Voordelen

1. Een hoge energiedichtheid.

2. Een lagen zelfontladings coëfficiënt.

3. Er is geen onderhoud nodig om prestaties te blijven behouden.

4. Een hogere celspanning (3.6V).

5. Er zijn veel verschillende type Li-ion batterijen.

Nadelen

1. Er is bescherming nodig tegen overladen en te hard ontladen.

2. De levensduur is beperkt (500-1000 laadonlaadingscycli).


3. Veel vliegtuigmaatschappijen limiteren het aantal Li-ion batterijen

aanboord waardoor deze vooral met boten moeten getransporteerd

worden.

4. Een lithium ion batterij is vrij duur.

5. Ondanks dat deze technologie al voor een aantal jaar aanwezig is wordt ze

toch nog steeds ontwikkeld.

3.3.2.4 Nikkel metaalhybride (NiMH)

Figuur 21: Nikkel metaalhybride batterij

Opbouw

Het nikkel-metaal hydride paar leent zich voor de wondconstructie, die

vergelijkbaar is met constructie die gebruikt door cilindrische nikkel-cadmium,

Li-ion en primaire lithium batterijen. De basiscomponenten bestaan uit de

positieve en negatieve elektroden die door separatoren worden geïsoleerd. De

ingeklemde elektroden worden samen gewikkeld en in een metalen blikje

ingebracht dat na injectie van elektrolyt wordt verzegeld.

Nikkel-metaal hydride batterijen zijn meestal verzegelde ontwerpen met metalen

behuizingen en tops die elektrisch geïsoleerd van elkaar. De de behuizing dient

als de negatieve terminal voor de batterij, terwijl de top dient als de positieve

terminal. Afgewerkte batterij ontwerpen kunnen gebruik maken van een plastic


isolerende wrap deze

wordt gekrompen over

de behuizing om voor

elektrische isolatie

tussen cellen in de

batterij te zorgen.

Nikkel-metaal hydride

batterijen bevatten een

hersluitbare

veiligheidsopening

ingebouwd in de top. De

nikkel-metaal hydride

batterij is zo ontworpen

dat de zuurstof

recombinatie cyclus

eerder beschreven is in

staat om gassen

gevormd tijdens overbelasting onder normale bedrijfsomstandigheden te

recombineren, waardoor de druk binnen de batterij terug in evenwicht komt.

Echter in gevallen van uitgebreide overlading of oncombineerbare batterij lader

combinaties is het mogelijk dat zuurstof en waterstof sneller zal worden

gegenereerd. In dergelijke gevallen zal de veiligheidsopening opengaan om de

druk te verminderen en te voorkomen dat de batterij scheurt. De

ventilatieopening wordt weer afgelost zodra de druk is genormaliseerd. De

uitzetting van gas via de hersluitbare vent kan elektrolyt dragen, die kristallen of

roest kan vormen eenmaal buiten het blik

Voordelen

1. Een NiMh batterij heeft minstens 30% procent meer capaciteit in

vergelijking met de standaard NiCd batterij.

2. Minder gevoelig voor geheugen dan NiCd - minder oefening cycli nodig

zijn.

3. Eenvoudige opslag en transport, het is niet onderworpen aan regelgevende

controle.

4. Nikkelgehalte maakt recycling winstgevend.

5. Niet giftig, daardoor is de batterij milieuvriendelijk.

6. Het heeft een breed temperatuurbereik.

Nadelen

1. Er is een complexer laadalgoritme nodig, de NiMH genereert meer

warmte tijdens het opladen en vereist een langere laadtijd dan de NiCd.

Figuur 22: Binnenkant nikkel metaalhybride batterij


2. Hoge zelfontlading, dit is meestal 50% hoger dan NiCd. Maar nieuwe

chemische additieven verbeteren wel de zelfontlading.

3. Coulombic efficiëntie slechts ongeveer 65% t.o.v. 99% van een Li-ion.

4. Prestaties degradeeren wanneer de batterij wordt opgeslagen bij

verhoogde temperaturen.

5. Is zeer gevoelig voor overbelasting.

3.3.3Conclusie

Ik kies voor een Lithium-ion batterij omdat deze veel energie kan opslagen,

weinig weegt en veel stroom kan leveren.


3.4 I/O-expander

3.4.1Conclusie

Ik heb de PCA9685 gekozen omdat het een van de weinigen is die ook PWM op

de output kan brengen.

3.4.2Specificaties

Figuur 24: Pinout PCA9685

- 12bit resolutie

- Gebruikt I²C

- Max 16 servo’s

Figuur 23: PCA9685


3.5 Analoog digitaal converter

3.5.1Werking

De resolutie is waarschijnlijk de belangrijkste overweging

van een ADC de belangrijkste overweging. De resolutie is

het aantal bits dat de ADC terug geeft, hoe nauwkeurig de

ADC is. Bijvoorbeeld een ADC met een 10-bits uitvoer kan bijvoorbeeld tot

1024 (210) unieke omstandigheden voor signaalmeting vertegenwoordigen. Over

het meetbereik van 0% tot 100% zullen er precies 1024 unieke binaire getallen

worden uitgevoerd door de omzetter (van 0000000000 tot 1111111111, met

1111111111 en 0000000000 inclusief). Een 11-bit ADC heeft twee keer zoveel

toestanden naar zijn uitgang (2048 of 211), wat twee keer zoveel unieke

voorwaarden voor signaalmeting tussen 0% en 100 vertegenwoordigt. Resolutie

is erg belangrijk in data-acquisitiesystemen (circuits ontworpen om fysieke

metingen in elektronische vorm te interpreteren en vast te leggen). Stel dat we

de hoogte van water in een 40-voet hoge opslagtank meten met behulp van een

instrument met een 10-bit ADC. 0 voet water in de tank komt overeen met 0%

van de meting, terwijl 40 voet water in de tank overeenkomt met 100% van de

meting. Omdat de ADC is vastgesteld op 10 bits binaire gegevensuitvoer, wordt

elk tankniveau geïnterpreteerd als een van de 1024 mogelijke toestanden. Om te

bepalen hoeveel fysiek waterniveau in elke stap van de ADC wordt

weergegeven, moeten we de meetbreedte van 40 voet delen door het aantal

stappen in het bereik van 0 tot 1024, dat is 1023 (één minder dan 1024). Door dit

te doen, krijgen we een cijfer van 0,039101 voet per stap. Dit komt overeen met

0.46921 inch per stap, wat beetje minder dan een halve inch per stap is voor elke

binaire telling van de ADC. Dit is dan ook de kleinste verandering die de ADC

kan waarnemen.

Een andere belangrijke overweging van ADC-schakelingen is de

bemonsteringsfrequentie of conversiesnelheid. Dit is gewoon de snelheid

waarmee de converter een nieuw binair getal terug geeft aan de master. Net als

resolutie is deze overweging gekoppeld aan de specifieke toepassing van de

ADC. Als de ADC wordt gebruikt om langzaam veranderende signalen zoals

niveau in een wateropslagtank te meten, kan deze waarschijnlijk een zeer

langzame bemonsteringsfrequentie hebben en nog steeds voldoende presteren.

Omgekeerd, als het wordt gebruikt om een audiosignaal te digitaliseren dat

meerdere duizenden keren per seconde draait, moet de omzetter aanzienlijk

sneller zijn.

Figuur 25: MCP3008


Figuur 26: Monsters nemen

3.5.2Opties

3.5.2.1 MCP3008

Figuur 27: MCP 3008

- Gebruikt SPI

- 10 bit resolutie

- 8 kanalen

- 200 kSPS

- Bij de goedkoopste ADC’s

3.5.2.2 MCP3208-CI/P

Figuur 28: MCP3208-CI/P

- Gebruikt SPI

- 12 bit resolutie

- 8 kanalen


- 100 kSPS

- Duurder

3.5.2.3 ADS1115

Figuur 29: ADS1115

- Gebruikt I²C

- 16 bit resolutie

- 4 kanalen

- 860 SPS

- Duurder

3.5.3ADC type SAR SAR is de afkorting van Successive Approximation Register wat in het

nederlands

opeenvolgende benaderings register betekend

3.5.3.1 Werking SAR

Figuur 30: Werking sar verloop schema

De capacitieve DAC


In een capacitieve DAC zitten N condensatoren voor N-bit resolutie met de

toevoeging van een tweede capacitor voor de minst belangrijke bit. Hieronder is

een voorbeeld van een capacitieve DAC:

Figuur 31: Capacitieve DAC

Voorbeeld van een capacitieve DAC:

Tijdens de acquisitie is de gemeenschappelijke aansluiting verbonden met aarde

door S11 te sluiten en laadt en ontlaadt de analoge ingang (Ain) de

condensatoren. De vasthoudmodus treedt op als de ingang wordt verbroken door

S1 te openen. S11 wordt vervolgens geopend en stuurt de gemeenschappelijke

terminal naar -Ain. Als S2 vervolgens wordt aangesloten op Vref, wordt een

spanning gelijk aan Vref / 2 toegevoegd aan -Ain. De beslissing over het meest

significante bit wordt hierna bepaald.

De maximale insteltijd van een capacitieve DAC wordt bepaald door de

insteltijd van het meest significante bit. Dit komt door het feit dat de grootste

verandering in de uitvoer van de DAC's optreedt vanwege dit meest significante

bit.

Het is vergeven als je denkt dat een 16-bit SAR ADC twee keer zo lang duurt

om de uitvoer te produceren dan een 8-bit SAR ADC vanwege het feit dat er

twee keer zoveel outputbits zijn. In werkelijkheid zou de insteltijd van de interne

DAC in de 16-bits SAR ADC veel langer duren dan de insteltijd van de 8-bits

versie. Als gevolg hiervan is de bemonsteringssnelheid van SAR ADC's met

hoge resolutie aanzienlijk lager in vergelijking met versies met lage resolutie.

De lineariteit van de totale ADC is afhankelijk van de lineariteit van de interne

DAC. Als gevolg hiervan is de ADC-resolutie, niet verrassend, beperkt door de

resolutie van de interne DAC.

De comparator

De comparator moet snel en accuraat zijn. Net zoals de DAC moet de

comparator een resolutie op zijn minst zo goed zijn als de SAR ADC. De ruis


geassocieerd met de comparator moet minder zijn dan de minst belangrijke bit

van de SAR ADC

De sterkte punten van een SAR ADC zijn,

laag energie verbruik,

fysiek klein.

De zwakken punten van een SAR ADC zijn,

gelimiteerde resolutie door de limieten van de DAC of comparator,

de ADC wordt fysiek groter als het aantal bits toeneemt.

(Smith, 2015)

3.5.4Conclusie Ik kies voor de MCP 3008 omdat de ADC het SPI protocol gebuikt en 8 input

kanalen heeft, een hoog sample rate heeft en ook omdat een van de goedkoopste

8 pin ADC’s is.


3.6 Afstand sensor

3.6.1Ultrasone sensor

Ultrasone sensoren zijn sensoren die werken met behulp van geluidsgolven op

frequenties hoger zijn dan waarneembaar voor het menselijk oor. Dit gaat om

golven met een frequentie hoger dan 18 kHz tot 200 kHz. In dergelijke sensoren

verzendt een transmitter een ultrasone golf. Door reflectie op een voorwerp of

materie ontstaat een echo van deze geluidsgolf. Door het tijdsinterval tussen het

verzenden en het ontvangen van de geluidsgolf te meten kan men afstanden

bepalen. Afhankelijk van de fysieke afstand tussen transmitter en receiver moet

men nog een meetkundige bewerking uitvoeren, zoals triangulatie, om de

correcte afstand te bekomen. Ook dient men rekening te houden met het medium

waarin de ultrasone golf wordt verzonden, zoals lucht of water. De ultrasone

golf verplaatst zich door elke medium met een verschillende snelheid. Bij lucht

bedraagt deze 340 m/s bij kamertemperatuur. Deze snelheid is ook afhankelijk

van de temperatuur. Naargelang de nauwkeurigheid van de gebruikte transmitter

en receiver kan men een ultrasone sensor gebruiken in vochtige, stoffige

ruimtes. Ook kan bij sommige toestellen een glazen of doorzichtige oppervlakte

gedetecteerd worden. Wel neemt de nauwkeurigheid in dergelijke situaties af.

Sponsachtige texturen, kleding en rubbers kunnen ernstige problemen geven

voor een ultrasoon sensor, door het hoge absorptievermogen van dit materiaal.

Voordelen

- Ultrasone sensoren zijn onafhankelijk van de kleur en optische reflectie

van een object

- Geen (kunstmatige) belichting nodig: ze werken ook in het donker

- Detectie van (onzichtbare) scheuren en barsten

- Eenvoudige en goedkope omvormers

- De snelheid waarmee de golf terugkomt is lineair met de afstand

Nadelen

- Kan niet gebruikt worden in ruimtes met een hoge dichtheid aan

voorwerpen, omdat de reflectie in dergelijke ruimtes niet meer correct is

- Kan niet gebruikt worden op voorwerpen met een te hoog

absorptievermogen, zoals sponzen, rubber en kleding

- Zonder temperatuurcompensatiesensor kan een ultrasone sensor niet

gebruikt worden bij zeer lage en hoge temperaturen omdat de snelheid

van de uitgezonden golf afhankelijk is van het temperatuur van het

gebruikte medium (deeltjesdichtheid). Ook is het gebruikte medium

belangrijk, door een houten balk gaat een ultrasone golf bijna niet door

terwijl door lucht deze wel goed door gaat.

Figuur 32: HC-SR04


- Ultrasone sensoren zijn ook beïnvloedbaar door luchtvochtigheid,

luchtdruk en bepaalde deeltjes in de atmosfeer.

- Ze hebben een minimale meetafstand.

3.6.2Infrarood sensor

In infrarood sensor heeft een hele simpele werking, er zijn twee componenten:

een infrarood zender en een infrarood ontvanger. Eerst zend de infrarood zender

infrarood golven waarna de infrarood ontvanger deze ontvangt. De ontvanger

produceert een voltage overeenkomstig met het aantal infrarood licht dat terug

gestuurd is.

Voordelen

- Laag energie verbruik

- Werkt dag en nacht

- Kan ook zachte objecten detecteren zoals sponsen

- Is heel nauwkeurig

Nadelen

- Duur

- Bij sensor kan foute waardes weergeven bij zonlicht

3.6.3Opties

3.6.3.1 MB ULTRASONIC V3

Figuur 34: MB ultrasonic V3

Figuur 33: Werking infrarood sensor


- Max meetafstand 4cm

- Max meethoek 15°

- Signaal van 40 kHz

- duur

3.6.3.2 HC-SR04

Figuur 35: HC-SR04

- Max meetafstand 400cm

- Max meethoek 15°

- Signaal van 40 kHz

- goedkoop

3.6.4Conclusie

Ik kies voor de ultrasone sensor (hc-sr04) omdat deze goedkoop is, niet

gehinderd wordt door veranderend licht en we hebben deze sensor ook al

gebruikt op school.


3.7 Camera

3.7.1Werking

Een digitale camera of digitaal fototoestel is een camera

waarbij de beeldvorming niet op film maar door middel

van een lichtgevoelige sensor (Charge Coupled Device

= CCD of Complementary Metal Oxide Semiconductor =

CMOS) plaatsvindt en vervolgens digitaal wordt verwerkt en opgeslagen.

Recente ontwikkelingen in de techniek van de digitale camera zijn er de oorzaak

van dat film steeds minder wordt gebruikt. Een voordeel van een digitale camera

is onder andere dat er geen film in hoeft - een foto kost vrijwel niets extra tot je

besluit hem op papier af te drukken. Ook is het resultaat zeer snel te bekijken -

op het lcd-schermpje van de camera, op een computerscherm of een

printerafdruk. Ook zijn er tegenwoordig geheugenkaarten met zoveel capaciteit

dat er vele honderden tot duizenden foto's op een kaartje passen.

3.7.2Opties

3.7.2.1 Camera Module V2

- 5Mp

- 750P

- 1080p

- Heeft genoeg licht nodig

- Gemaakt door Raspberry foundation

- goedkoop

3.7.2.2 Camera V2 8MP IR

- 8Mp

- 1080P

- Kan s ’nachts ook werken (met infrarood)

- Gemaakt door Raspberry foundation

- duur

3.7.3Conclusie

Ik kies voor de camera die de Raspberry foundation maakt omdat deze direct

werkt, goedkoop is en een goede resolutie heeft.

Figuur 36: Camera


3.8 Led-strip

3.8.1Werking

De led-strip kan data inlezen met het WS2812 protocol, hier heeft de led-strip

maar 1 data lijn voor nodig en natuurlijk een vcc en GND. Om met het WS2812

protocol een één te sturen moet je de data lijn 8µs hoog maken en dan 45µs laag

maken. Als je een nul wil sturen dan doe je het omgekeerde. Als je wil beginnen

met data te sturen naar je led-strip dan reset je hem eerst. Hierdoor wacht de led-

strip op een rgb waarde (rgb staat voor rood groen blauw). Wanneer de eerste

led data binnen krijgt kijkt hij maar naar de eerste 24 bits, de rest stuurt hij door

naar de volgende leds. De 24 bits die de led nu heeft bijgehouden is

onderverdeeld in 8 bits voor rood, 8 voor groen en 8 voor blauw. Deze 8 bits

zijn een waarde van 0 tot 255, nul betekent dat de led voor 0% aan is en 255

betekent dat de led voor 100% aan is. Als het niet 0 of 100% is dan wordt er

door de led een PWM signaal berekent om de waarde er tussen te kunnen

bereiken.

3.8.1.1 Led

Led komt van het Engels light emitting diode in het Nederlands licht uitstralende

diode. Een led is een elektronische halfgeleidercomponent opgebouwd als een

diode, als de led stroom doorlaat staalt het licht uit. Dit kan zichtbaar licht in

diverse kleuren zijn maar ook infraroodstraling of ultraviolet straling. De led is

uitgevonden in 1962 aanvankelijk werd het alleen gebruikt als indicatorlampje

of voor signaalopdracht. Als gevolg van technologische verbetering is de

lichtopbrengst toegenomen en aan het eind van de jaren 1990 konden leds

geproduceerd worden als lichtbronnen voor gewoon dagelijks gebruik. Meestal

is een led ingebouwd in een kleine doorzichtige behuizing van een paar

millimeter groot, die tevens als lens fungeert.


Figuur 37: Delen van led

Onderdelen van de led:

1. Epoxiharslens (behuizing)

2. Draadverbinding

3. Reflector

4. Halfgeleiderkristal

5. Aambeeld

6. Ondersteuning

7. Frame

8. Afgeplatte zijde (aanduiding kathode)

A. Anode (positieve zijde)

B. Kathode (negatieve zijde)

De halfgeleider van een led heeft een negatieve en positieve zijde. De negatieve

zijde heeft extra elektronen en wordt ook wel N-type materiaal of valentieband

genoemd. De positieve zijde heeft extra positief geladen deeltjes en wordt P-

type materiaal of geleidingsband genoemd. Door de interactie tussen deze zijden

ontstaat er een 'verboden zone' in het midden van de diode. Deze zone geleidt

geen elektriciteit. Wanneer de negatieve kant van een spanningsbron wordt

aangesloten op het N-type materiaal en de positieve kant aan het P-type

materiaal, beginnen de negatieve elektronen en positieve deeltjes naar elkaar toe

te bewegen. De 'verboden zone' in het midden wordt kleiner en verdwijnt.

Wanneer een negatief elektron reageert met een positief deeltje, verliest deze

energie in de vorm van een foton. Deze fotonen vormen samen een lichtstraal.


3.8.1.2 WS2812b

WS2812b is de meer energie efficiënte opvolger van WS2812. WS2812b

gebruikt het gegevensoverdracht protocol de enkele NZR communicatiemodus.

NZR is de afkorting van non-return-to-zero in het Engels. Na het resetten van de

pixels bij de eerste spanning ontvangt de DIN-poort gegevens van de controller,

de eerste pixel verzamelt de eerste 24bit gegevens en stuurt deze vervolgens

naar de interne latch, de andere gegevens worden opnieuw gevormd door het

interne signaal versterkingscircuit die het naar de volgende pixel stuurt door de

D0-poort.

3.8.2Keuze Ik kies voor een leds-strip met het WS2812 protocol omdat deze op 5 volt werkt

zoals de rest van het systeem waardoor de keuze voor de batterij makkelijker is.

Ook omdat dit een heel robuust systeem is en goedkoop is.


4 Problemen

4.1 Stroom

Mijn servo’s verbruiken 2.5A max dus in het totaal 40A hierdoor is het nodig

om een stroom onderbreking in te voeren als er iets mis gaat. Hieronder vind je

het vereenvoudigde schema.

Doordat we de stroom gaan meten weten we wanneer we te veel stroom gaan

verbruiken en dus componenten gaan moeten afsluiten. Ik ga per twee servo’s

meten. Hierdoor kan ik ook weten of er een poot tegen iets aan zit en deze ook

weg sturen van het obstakel. Dit werkt natuurlijk samen met de ultrasone

sensoren die ook aan object detectie doen. Dit schema heeft ook een nadeel: als

de Raspberry Pi door een probleem uitvalt dan kunnen wij de servo’s niet meer

uit zetten maar dit gebeurd zo weinig dat we dit scenario in dit kleine project

kunnen negeren, industrieel zou dit niet mogelijk zijn. Hieronder vind je het

volledige schema.


4.2 PCA9685

Wanneer ik met de PCA9685 meer dan drie servo’s aanstuur gaat er minstens

één ongecontroleerd draaien. Waaraan dit ligt weet ik niet maar dit probleem

hebben we omzeilt door alle servo’s aan te sturen met DMA PWM. DMA PWM

staat voor direct memory acces pulse width modulation. Je zou dit ook met

software PWM kunnen doen maar hierdoor zou onze CPU heel zowaar belast

worden omdat wij niet 1 maar 16 PWM signalen hebben. Een ander type PWM

is DMA PWM dit is ook aanwezig op de meeste ARM microcontrollers zoals de

Raspberry Pi. Elke implementatie heeft zijn eigen kenmerken. In het algemeen

maakt DMA het mogelijk een randapparatuur om het geheugen direct te

gebruiken zonder de noodzaak om de microprocessor kern register te gebruiken.

Dit is geweldig, bijvoorbeeld als een apparaat moet laden / opslaan brokken

geheugen. Een AD-converter (Analog Digital) kan bijvoorbeeld veel kanalen

samplen en vervolgens DMA gebruiken om de resultaten ergens anders in het

geheugen op te slaan. Hierdoor wordt de CPU gespaart wat heel goed voor mijn

project is.


5 Protocollen

5.1 I2C

De I2C-bus vroeger noemde dit de IIC-bus (Inter-IC-bus). I2C is een synchrone

seriële bus, ontwikkeld voor datacommunicatie tussen microprocessoren en

andere IC's. De I2C-bus werd in 1979 door Philips ontwikkeld, in 1980

gepatenteerd als een betrouwbaar en goedkoop alternatief voor een reeks van

andere databussen die destijds werden toegepast in consumentenapparaten.

Sinds 2006 valt deze divisie van Philips onder de firma NXP, die dus ook de

verantwoordelijkheid draagt voor de I2C-standaard. Soms spreekt men van

Two-Wire Interface (TWI) maar dan bedoelt men meestal het I2C-protocol maar

dit is geen officiële naam.

Het I2C-systeem had aanvankelijk enkele nadelen, zoals een lage snelheid (100

kbit/sec) en een geringe storingszekerheid bij lange leidingen (in de praktijk

mag de totale lengte van de bus zeker niet langer dan 3 meter zijn), maar later is

de snelheid opgevoerd en zijn er speciale buffer-IC's ontwikkeld om de

leidinglengte van de bus te vergroten.

I2c heeft twee buslijnen: SDA (serial clock) en SCL (serial clock). Over de

SDA-lijn wordt de data verzonden en de clock wordt over de SCL-lijn

verzonden. Onderstaande afbeelding verduidelijkt hoe SCL en SDA

samenwerkt.

Figuur 38: I²C werking

Om te kunnen communiceren heeft het I²C protocol minstens één master nodig

en minstens één slave. De master heeft de controle over de I²C-bus en genereert

het kloksignaal, start bit en stop bit. De slaves communiceren alleen dan, nadat

de master daartoe een verzoek stuurt.

Communicatie op de I²C-bus:

1. De master stuurt een start bit deze bestaat uit een hoog-naar-laagsignaal

op de SDA-lijn(flankgestuurd) terwijl de SCL-lijn hoog is.

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:I2C_data_transfer.svg


2. Vervolgens stuurt de master een adres plus een read/writebit over de I2C-

lijn. De read/writebit geeft aan of de master data wil versturen of wil

ontvangen.

3. De slave die het aangeroepen adres heeft, zal dan reageren met een

'acknowledge', zodat de master weet dat het aangeroepen IC actief is.

Een acknowledge of een 'bevestiging' betekent dat de master na het

verzenden van het laatste databit de SDA-lijn loslaat waardoor deze lijn

omhoog getrokken wordt en dat de master dan nog 1 extra klokpuls

verzendt waarbij voorafgaand aan het omhooggaan van de SCL-lijn de

slave als bevestiging van goede ontvangst van de data de SDA-lijn

omlaag trekt en weer loslaat nadat de SCL-lijn weer laag is geworden. Bij

het verzenden van bijvoorbeeld 1 byte bestaande uit 8 bits zal de master

dus 9 klokpulsen op de SCL-lijn uitzenden.

4. Er wordt één byte per keer verzonden plus een 'acknowledge' van de

ontvanger om te bevestigen dat de data zijn ontvangen. Nadat de data zijn

verstuurd, zal de master de stopbit verzenden: een laag-naar-hoogsignaal

op de SDA-lijn (flankgestuurd), terwijl de SCL-lijn hoog is.

5. Om goed te kunnen werken is het verstandig de beide buslijnen hoog te

houden door een pull-upweerstand. De waarde van de weerstand is

afhankelijk van de spanning op de bus (bij 3,3 V systemen tussen

ongeveer 1,8 kΩ en 2,7 kΩ, maar bij 5V meestal 4,7 kΩ). Dit is ook

afhankelijk van de snelheid waarmee men de bus wil laten werken.

Voordelen

• Lage kostprijs.

• Eenvoudige bedrading (2 signaallijnen).

• Uitgebreid gamma van IC's met de I2C-interface.

• Robuuste bouw.

• Langzame perifere chips kunnen wachtcycli afdwingen.

• Geïntegreerde multi master mogelijkheid, dat wil zeggen meerdere

microcontrollers (masters) kunnen dezelfde bus gebruiken en zelfs

onderling communiceren.

Nadelen

• Als er één aangesloten chip (IC) niet goed functioneert in de I2C -bus, kan

dit de hele lijn van I2C blokkeren, zodat er helemaal geen communicatie

meer op de I2C-lijnen kan plaatsvinden.

• I2C wordt traag bij grotere hoeveelheden data.


5.2 SPI

Serial Peripheral Interface (SPI) is een synchrone seriële datalink tussen ten

minste twee IC’s. Er is in eerste instantie sprake van één master en één slave. De

communicatie tussen de master en de slave gebeurt te allen tijde in full duplex.

De start van de communicatie gebeurt door de masterchip. Het is mogelijk om

meerdere slaves te hebben, maar ze moeten dan ieder een aparte chipselect

hebben. Er zijn altijd vier verbindingen voor communicatie nodig. Daarom

spreken we van een four-wire serial bus.

Benaming:

• SCLK: Seriële Clock, wordt

geleverd door de master

• MOSI: Master Out Slave In, op

deze lijn wordt er data verzonden

van de output van de master naar

de input van de slave.

• MISO: Master In Slave Out, op deze lijn wordt er data verzonden van de

output van de slave naar de input van de master.

• SS of CS: Slave Select of Chip Select, deze lijn wordt actief laag

aangestuurd. De lijn voor de geselecteerde slave zal laag zijn. Wanneer de

communicatie met de slave gedaan is, zal de lijn een logische 1 krijgen.

De communicatie start met het selecteren van een juiste kloksnelheid. Deze

snelheid kan behoorlijk variëren van 1 MHz tot 100 MHz. De snelheid moet

binnen het bereik van de master en de slave liggen. Het is mogelijk dat de

master tegen grotere snelheid kan werken dan de slave en omgekeerd.

Vervolgens zal op de juiste Slave Select (SS) lijn een logische 0 gestuurd

worden. Als er maar 1 chip (slave) is kan men deze lijn permanent op 0 houden.

Het is mogelijk dat de chip pas werkt wanneer hij een edge (van hoog naar laag)

detecteert. In dit geval mogen we de lijn niet op een logische 0 houden. Deze

slave select hangt zeer nauw samen met het sturen van de klokpulsen. Sommige

chips hebben een wachtperiode nodig vooraleer je de klokpulsen naar de slave

mag sturen zoals een dac (digital analog converter) of adc (analog digital

converter). Vervolgens zal er per klokcyclus een volledig duplex signaal

doorgestuurd worden. Namelijk zowel de master als de slave zullen een bit

doorsturen. De master zal over de MOSI lijn sturen en de slave zal van deze lijn

aflezen. Het omgekeerde zal op de MISO lijn gebeuren. De slave zal data sturen

en de master zal van deze lijn aflezen. In vele gevallen wordt er gebruikgemaakt

van shift registers. Meestal is de registergrootte 8 bits en wordt de least

significant bit eerst gestuurd maar dit is niet altijd het geval. Bij de MS5607-

Figuur 39: Verbinding spi master en slave


02BA01 Micro Altimeter Module, met LCP cap wordt een register van 24 bits

gebruikt en de most significant bit eerste gestuurd. Wanneer het complete

register is doorgestuurd wordt de data verwerkt. Dit kan inhouden dat de data

weggeschreven wordt naar het geheugen. Wanneer er meer data verstuurd moet

worden zal de data ingeladen worden en beginnen we weer vanaf het begin.

Voordelen

• Full duplex.

• Snellere communicatie dan bijvoorbeeld de I²C-bus.

• Geen limiet aan woordgrootte.

• Eenvoudige hardware.

• Adressering niet nodig.

• Geen aparte oscillator voor slave

• Laag energieverbruik.

• Eén extra pin per slave.

• Kan zeer hoge kloksnelheden aan.

Nadelen

• Meer pinnen nodig dan bij I²C.

• Geen controle door de slave (master kan de klok vertragen, slave niet).

• Geen controle of er iets verbonden is.

• Maximaal één master.

• Geen foutcontrole.

• Gevoelig voor ruis.


5.3 PWM

Puls breedte modulatie (PBM of PWM van het Engelse pulse-width modulation)

verder gebruiken we PWM omdat dit het meeste in de industrie gebruikt wordt.

PWM is een modulatietechniek waarbij in een vaste frequentie pulsen worden

uitgezonden waarvan de breedte gevarieerd wordt. PWM wordt veel gebruikt als

vorm van elektrische voeding of als manier van digitale informatieoverdracht.

Men stuurt een elektrisch signaal in de vorm van een blokgolf met een vaste

frequentie. De spanning is dus volledig ingeschakeld (1) of volledig

uitgeschakeld (0). Bij PBM wordt de arbeidscyclus van het signaal aangepast.

De arbeidscyclus is de verhouding van de tijd dat het signaal hoog (1) is tot de

periode van het signaal. Men beïnvloedt zo de gemiddelde waarde van het

signaal.

Figuur 40: PMW duty cycle

PWM kent vele toepassingen, een eenvoudig voorbeeld is de aansturing van een

led. Wanneer we de led aansturen met een PWM-signaal dan zal de led op hoge

snelheid aan- en uitschakelen. Wanneer de gebruikte frequentie hoog genoeg is

dan zal de traagheid van het oog ervoor zorgen dat het lijkt dat de led zachter

brandt.

Voorgaande voorbeeld haalt al aan dat de gebruikte frequentie van belang is. De

schakelfrequentie moet snel genoeg zijn zodat het schakelen geen merkbare

invloed heeft op de belasting. Deze schakelfrequentie kan variëren van enkele

keren schakelen per minuut bij een elektrisch fornuis, tot 100 Hz in een dimmer

voor gloeilampen, enkele kilohertz (kHz) bij motorsturingen en tien tot

honderden kHz in schakelende voedingen voor televisies en computersystemen.

Het grote voordeel van PWM als vermogensregeling is dat het vermogensverlies

over de schakelapparaten zeer klein is.


6 Code

6.1 Besturingssysteem: Stretch

Als besturingssysteem gebruik ik Debian 9.0 ook wel gekend als Stretch. Dit is

een Linux gebaseerd os en de officiële versies worden gepubliceerd op deze

website www.debian.org/distrib/netinst. Debian is een os speciaal gemaakt voor

de Raspberry Pi en namaak Raspberry Pi’s. Ik heb voor dit besturingssysteem

gekozen omdat je kan hier je heel makkelijk een website kan op hosten ook zijn

er hier al veel programma’s voor geïnstalleerd zoals python en bovendien

gebruikte wij Debian ook tijdens het vak Embedded Linux.

6.2 Adafruit Python PCA9685

6.2.1Installatie

Adafruit Python PCA9685is een library voor python die je kan gebruiken voor

servo’s aan te sturen via een pca9685 die op I²C werkt. De Adafruit Python

PCA9685 library kan je vinden op

github.com/adafruit/Adafruit_Python_PCA9685/ je installeert deze library in

debian door de volgende code in je terminal in te typen: sudo apt-get install git build-essential python-dev.

6.2.2Code

Figuur 41: Code PCA9685

http://www.debian.org/distrib/netinst

https://github.com/adafruit/Adafruit_Python_PCA9685/


Hieronder vind je de gebruikte variabelen:

• Servo_min is de minimale puls lengte dat je servo aan kan

• Servo_max is de maximale puls lengte dat je servo aan kan en is dus 180°

• STOP is gelijk aan 4096 dit is het signaal voor de PCA9685 om niets

meer te sturen

Om de servo aan te sturen moet je 3 gegevens mee sturen: welke servo je wil,

een nul en de gewenste hoek. Dit doe je met de functie pwm.set_pwm().

6.3 Ultrasone sensor

6.3.1Code

Figuur 42: Code ultrasone sensor

Dit is een functie waarin we de afstand tot een object gaan berekenen. Dit

gebeurt door een puls van 10 microseconden hierna starten we de tijd. Als we

een signaal terug krijgen dan stoppen we de tijd. Nu kunnen we de afstand gaan

berekenen door de starttijd van de stoptijd af te trekken. Deze uitkomst

vermenigvuldigen we met de 34300 (dit is de afstand dat geluid in cm op een

seconde aflegt. Omdat we heen en terug meten moeten we het verkregen getal

nog door twee delen.

6.4 Led-strip

6.4.1Installatie WS2812b De library voor de led-strip (ws281x) kan je vinden op: https://github.com/jgarff/rpi_ws281x.

Deze library kan je instaleren door in je terminal volgende code in te typen: sudo pip3 install rpi_ws281x.

6.4.2Code

https://github.com/jgarff/rpi_ws281x


Figuur 43: Variabelen led-strip

Hieronder vind je de betekenis van de variabelen,

• LED_COUNT is het aantal leds in je led-strip

• LED_PIN is de pin waar je de data naar stuurt met PWM

• LED_FREQ_HZ dit is de frequentie die zal gebruikt worden voor de data

naar de leds te versturen

• LED_DMA dit is het direct acces memory channel die de library zal

gebruiken om het PWM signaal te genereren, je gebruikt best channel

0,1,2,3,5,6,7 niet want deze worden al door andere processen gebruikt.

• LED_BRIGHTNESS is de helderheid van je led

• LED_INVERT als dit True is dan worden alle waardes omgedraaid (een 1

wordt 0 en omgekeerd)

• LED_CHANNEL dit moet 1 zijn als je een van de volgende GPIO pinnen

wil gebruiken: 13, 19, 41, 45, of 53.

Figuur 44: Code led-strip

De led-strip aansturen is heel gemakkelijk met deze library, je roept de functie

aan en je geeft mee welke led aan moet en dan geef je de kleur mee. De kleur

kan je bepalen door in de functie de waardes van Red, Green en Blue aan te

passen van 0 tot 255.


7 Printed circuit board

Om mijn GIP ordelijk te houden maak ik gebruik van een PCB. De PCB heb ik

getekend in Autodesk Eagle.

7.1 Schema

Figuur 45: Schema PCB

Figuur 46: Schema PCB power supply


7.2 Praktisch

Figuur 47: PCB


8 Vermogen berekening component stroom (max) in A vermogen (max) in W

Raspberry Pi 0.7 3.5

led strip 1.5 7.5

servo 48 336

I/O-expander 0.01 0.05

ADC 0.0005 0.0025

ultrasone sensor 0.144 0.57

camera 0.25 1.25

totaal: 50.6045 348.8725 Tabel 1: Vermogen tabel


9 Prijslijst Component prijs per stuk prijs totaal

servo: DS3218 € 2.66 € 42.56

Raspberry Pi 3b+ € 36.17 € 36.17

ultrasone sensor: hc-sr04 € 1.00 € 8.00

servo armpjes € 1.02 € 8.16

camera: Camera Module V2 € 29.95 € 29.95

Verf € 2.99 € 17.94

i/o-expander: pca9685 € 17.95 € 17.95

adc: MCP3008 € 3.50 € 7.00

Led-strip € 9.34 € 9.34

IRL540 € 0.74 € 5.92

Totaal: € 182.99 Tabel 2: Prijslijst


10 Besluit

Dit werk is een voorbeeld van een manier waarop je een robotspin kan maken.

Wanneer je dit zelf maakt raad ik aan om ook de pca9685 te gebruiken samen

met de bijhorende library want dit maakt het heel wat makkelijker om meerdere

servo’s aan te sturen.

Robot spin -...

Documents

Transcript of Robot spin -...