T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
LİSANS BİTİRME PROJESİ
KOKU TAKİP EDEN ROBOT
SACİDE MERVE DİNÇER 210246
MAHMUT POYRAZ 196142
YRD. DOÇ. DR. AYTEN ATASOY
MAYIS 2013
TRABZON
II
III
T.C.
KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
LİSANS BİTİRME PROJESİ
KOKU TAKİP EDEN ROBOT
SACİDE MERVE DİNÇER 210246
MAHMUT POYRAZ 196142
YRD. DOÇ. DR. AYTEN ATASOY
MAYIS 2013
TRABZON
IV
LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU
Sacide Merve DİNÇER ve Mahmut POYRAZ tarafından Yrd. Doç. Dr. Ayten
ATASOY yönetiminde hazırlanan “Koku Takip Eden Robot” başlıklı lisans bitirme projesi
tarafımızdan incelenmiş kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak
kabul edilmiştir.
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Ayten ATASOY ……………………..
Jüri Üyesi 1: Yrd. Doç. Dr. Yusuf SEVİM ……………………..
Jüri Üyesi 2: Yrd. Doç. Dr. Gökçe HACIOĞLU ……………………..
Bölüm Başkanı: Prof. Dr. İsmail Hakkı ALTAŞ ……………………….
V
ÖNSÖZ
Bu projeyi hayata geçirmemizde bize yol gösteren danışman hocamız Sayın Yrd. Doç.
Dr. Ayten ATASOY’a Arş. Gör. Selda GÜNEY KUL’a, Öğr. Gör. Dr. Emre
ÖZKOP’ateşekkür ederiz.
Projenin pratik kısmında bizden yardımlarını esirgemeyen değerli arkadaşlarımız
Mustafa Nedim TAN’a ve Arş. Gör. Ceyhan YILMAZ’a teşekkür ederiz.
Laboratuvarlarda çalışma imkanı sunan Bölüm Başkanlığına, desteklerinden dolayı
Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve KTÜ Rektörlüğüne teşekkür ederiz.
Bizi hayatımız boyunca maddi ve manevi yönden destekleyen ailelerimize
şükranlarımızı sunarız.
Mayıs 2013
Sacide Merve DİNÇER
Mahmut POYRAZ
VI
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
Lisans Bitirme Projesi Onay Formu IV
Önsöz V
İçindekiler VI
Özet VIII
Semboller Kısaltmalar IX
1. Giriş 1
1.1 Koku Nedir? 2
1.2 Neden Elektronik Burun? 2
1.3 Elektronik Burunun Literatürdeki Yeri 3
1.4 Patlayıcı Maddelerle İlgili Yapılan Çalışmalar 3
2. Teorik Altyapı 4
2.1 Sensörün Belirlenmesi 4
2.1.1 Koku Tanıma İçin Geliştirilen Sensörler 4
2.1.2 TGS2620 Metal Oksit Gaz Sensörü 5
2.1.3 TGS2620 İle Yapılan Deneyler 6
2.2. Mikrodenetleyiciler 8
2.2.1 MSP430 Mikrodenetleyici Ailesinin Genel Özellikleri 9
2.2.2 MSP430G2553 10
2.3 Motor Sürücü Devre 11
2.3.1 L298 Motor Sürücü Entegresi 11
VII
2.4 Motorlar 13
3. Tasarım 14
3.1 Program Akış Şeması 14
3.2 MSP430G2553’ün Programlanması 15
3.3 PWM İle Motor Hız Kontrolü 18
4. Karşılaşılan Problemler Ve Çözümler 20
5. Sonuçlar 21
6. Yorumlar Ve Değerlendirme 22
Kaynaklar 23
Ekler 24
EK 1. Standartlar Ve Kısıtlar Formu 24
Özgeçmiş 26
VIII
ÖZET
Patlayıcı ve narkotik maddeleri yaydığı koku molekülleri sayesinde bulup kokuyu
izleyerek kaynağını bulma amaçlı tasarlanan “Koku Takip Eden Robot” adlı bu projeyi
gerçeklerken patlayıcı ve narkotik maddelerle çalışılmaya izin olmadığından dolayı
deneyler Equal adlı parfümeri ürünü ile gerçekleştirilmiştir. Bu proje kullanılan herhangi
bir koku ile koku takip sisteminin oluşturulması aynı sistemin patlayıcı ve narkotik
maddeler ile de gerçeklenebileceğini gösterir niteliktedir.
Bu proje, tüm dünyada olduğu gibi ülkemizde de en büyük tehdit unsuru olan terörizm
ile mücadele adına atılmış küçük bir adımdır. Mayınların metal dedektörü ile tespiti
mümkün olduğundan artık mayınların plastik kapsüller kullanılarak üretilmesi, bunun gibi
narkotik maddelerin bulunması sırasında yalnız eğitimli köpeklerin kullanılması sebebiyle
patlayıcı ve narkotik maddelerin yaydığı kokular sayesinde tespit edilebileceği fikri bizi bu
proje üzerine çalışma konusunda ikna etmiştir.
Bu projede, motorun hareketini sağlayacak iki adet ileri-geri ve sağa-sola hareket
edebilen düşük güçlü DC motor, koku tanı sistemi için 3 adet TGS2620 metal oksit gaz
sensörü, sensörlerden aldığı veri ile motoru kontrol edecek 1 adet MSP430G2553
mikrodenetleyici, motorları sürmek için L298 motor sürücü entegresi ve devre için gerekli
olan diğer devre elemanları kullanılarak mevcut koku üzerinde hareket eden robotik sistem
gerçeklenmiştir.
IX
Semboller Ve Kısaltmalar
ADC : Analog - Digital Converter
BOR : Brown Out Reset
Cm : Santimetre
CO : Karbonmonoksit
CPU : Central Processing Unit
DAC : Digital - Analog Converter
DC : DirectCurrent
IN : Input
ISP : In System Programmable
I2C : Inter – Integrated Circuit
I/O : Input/Output
kΩ : kilo ohm
kB : kilobyte
LCD : Liquid Crystal Display
µA : mikro amper
MIPS : Microprocessors Without Interlocked Pipeline Stages
nA : nano amper
OUT : Output
Ppm : Parts Per Million
Ppt : Parts Per Trillion
PWM : Pulse Width Modulation
X
RAM : Random Access Memory
RISC : Reduced Instruction Set Computer
USART : Universal Synchronous Asynchronous Receiver Trasnmitter
1
1. GİRİŞ
“Koku Takip Eden Robot” adlı bu projede sensörler vasıtasıyla kokuyu tespit eden,
sensörlerden alınan veri ile mikroişlemcinin kontrolünde mevcut koku üzerinde hareket
edebilen bir robotik sistem geliştirmek amaçlanmıştır. Projeyi gerçekleme aşamasında
sistemli bir yol izlenmiştir. İlk olarak koku tespiti için uygun olan metal oksit sensör
belirlenip ölçüm için elverişli ortam şartlarında teste tabi tutulmuştur. Sensörlerden alınan
veri sayesinde motorları kontrol edecek mikrodenetleyici belirlenip gerekli olan algoritma
mikrodenetleyiciye yüklenmiştir. Motorları sürmek için sisteme uygun olan motor sürücü
devre mikrodenetleyici kontrolünde sürülerek robotun koku üzerinde hareketi sağlanmıştır.
Tüm bu elemanların kullanılabilirliği, hacmi, ağırlığı, besleme gerilimleri, harcadığı
güçleri ve maliyetleri göz önünde bulundurularak seçilmiştir.
Geliştirilen her yeni metal oksit gaz sensörünün ayırt edebilirliği ve hassasiyetinin bir
öncekine göre daha yüksek olmasını göz önüne alarak sensör seçimi yapılmıştır. Metan,
CO, etanol, hidrojen, bütan ve propan gazları ile iletkenliği yüksek oranda değişen
TGS2620 metal oksit gaz sensörü seçilmiş, test içinse içinde bu gazların bulunmasına
dikkat edilen Equal adlı parfümeri ürünü kullanılmıştır.
Sensörlerden alınan veri ile sistemin hareketini kontrol edecek mikrodenetleyici
seçilirken özellikle üzerinde ADC ve DAC bulunması, I/O sayısının sisteme uygun olması
ve mikrosaniyeler mertebesinde çalışmasına dikkat edilmiştir. Bu özellikleri bünyesinde
barındıran MSP430G2553 mikrodenetleyicisi ile sistem kontrol edilmiştir.
Bu projenin tasarımındaki amaç insan hayatını kolaylaştırmak, insan hayatını tehlikeye
sokabilecek unsurlara karşı önlem almaktır. Proje geliştirilmeye açık, özellikle de askeri
alandaki uygulamalar için elverişlidir.
Projenin gerçeklenme sürecinde uygun elemanların belirlenmesi, teorik bigilerin
edinilmesi donanımsal ve yazılımsal aşamalar üç bölüm altında detaylı olarak
paylaşılmıştır.
2
1.1Koku Nedir?
Organik maddelerden yayılan uçucu moleküllere koku denir. Kokunun algılanabilmesi
için her ne kadar organik bileşiklerden oluşması gerekse de birtakım anorganik maddeler
de uçucu koku molekülü yayma özelliğine sahiptir.
İnsana hoş gelen kokular yapısındaki atomların bağlanma şekli ile alakalıdır. Tek bir
atomun bağlanma şeklinin değişimi bile çok hoş bir kokuyu itici hale getirebilir.
1.2 Neden Elektronik Burun?
İnsanlar burunlarındaki koku epiteli üzerindeki milyonlarca alıcı vasıtasıyla bir çok
kokuyu ayırt edebilir. Koku duyusu en az işitme, görme, tatma duyusu kadar önemli olup
aralarında en karmaşık yapıya sahip olanıdır. Ne var ki binlerce kokuyu ayırt eden insan
burnu aynı kokuya belirli süre maruz kaldığında burun bu kokuya alışır (yorgunluk
durumu: fatique). Diğer yandan insan burnunun algılayamadığı karbonmonoksit ve
karbondioksit gibi gazlar da mevcuttur. Örneğin şofben ve soba zehirlenmeleri ortamdaki
karbonmonoksitin fark edilemediğinden meydana gelir.
Elektronik burun çeşitli gaz sensörleri kullanılarak işlevsel olarak memeli burnuna
benzetilmeye çalışılan elektronik aygıtlardır. Elektronik burunlar insan burnunun
algılayamadığı bir çok kokuyu tespit eder ve bunun yanında kokulara karşı yorgunluk
durumu oluşmaz. İnsan burnu ile elektronik burunun karşılaştırılmış hali Çizelge 1.1’de
gösterilmiştir.
Çizelge 1.1. İnsan Burnu İle Elektronik Burunun Karşılaştırılması [1]
İnsan Burnu Elektronik Burun
Kokunun Algılanması Reseptör Nöronlar
(10.000.000 Reseptör)
Sensör / Hissedici Eleman(6-64
Sensör)
Kokunun Tanımlanması Gromerulus Sinyal İşleme Modülü
Kokunun Yorumlanması ve
Hafızada Tutulması
Beyin Desen Tanıma Modülü
Hassasiyet Trilyonda Bir Birim (ppt) Milyonda Bir Birim (ppm)
Seçicilik 10.000-20.000 <50
3
1.3 Elektronik Burunun Literatürdeki Yeri
İlk olarak 1982’de İngiltere’deki Warwick Üniversitesinde ortaya atılan elektronik
burun fikrinden sonra orataya çıkan ilk prototip elektronik burun 300’de çalışan metal
oksit sensörlerden yapılmıştı.
1990lı yıllarda gelişan teknoloji ile oda sıcaklığında çalışan polimer tabanlı elektronik
burunlar geliştirildi. Polimer tabanlı sistemler kolay uygulanabilir ve ucuz olmasına
rağmen kullanım alanı sınırlı kaldığından insanlar daha hassas elektronik burun sistemleri
geliştirmeye yönelmiştir.
Şimdiye kadar daha çok gıda endüstrisinde çalışmalar yapılmıştır. Tıpta hastalık teşhisi
ve patlayıcı-narkotik maddeler içinse çalışmalara devam edilmektedir.
1.4 Patlayıcı Maddeler İle İlgili Yapılan Çalışmalar
Toprak ve su içindeki patlayıcıları elektronik burun ile algılama: Bu çalışma 5 Ekim
1999’da California Amerikan Kimyasal Toplum Konferansında sunuldu.[2]
Elektronik burun tabanlı koku kaynak yerelleştirme(Electronic nose-based odour source
localization) : Bu çalışma reform ve terör önleme yasası 2004 (PL 108-458) tarafından
109. Kongrede ele alındı. Henüz test aşamasında olan bu çalışma birkaç yıldır
geliştirilmeye çalışılıyor. Operasyonel ve politik konulara tam olarak çözüm sağlamış
değil.[3]
Connecticut Üniversitesinde Yrd. Doç. Dr. YuLei tarafından büyük açık alanlarda
bulunan uçucu patlayıcı buharların tespiti için elde taşınabilir bir sensör parçası olacak
şekilde insan saçının çapından 100.000 kez daha dar olacak şekilde bir ultra ince moleküler
eleme zarı geliştirmek için çalışıyorlar. Bu üç yıllık proje için ulusal bilim vakfı 792.404
dolar hibe tarafından finanse edilmektedir. (2010)[4]
4
2. TEORİK ALTYAPI
2.1 Sensörün Belirlenmesi
İnsanların duyu organları olduğu gibi otomatik kontrol sistemlerinin de etrafında olup
biteni algılamasını sağlayan algılayıcıları vardır. Bunlara sensör (algılayıcı) denir.
Sistemler sensörler vasıtasıyla ortamdaki fiziksel değişiklikleri (basınç, ısı, ışık, ses vb.)
algılarlar. Algılayıcıların ölçülen giriş büyüklüklerine göre makanik, termal, elektriksel,
manyetik, ışıma ve kimyasal çeşitleri vardır.
2.1.1 Koku Tanıma İçin Geliştirilen Sensörler
Koku denince her ne kadar sensörün kimyasal sensör olacağı akla gelse de gelişen
teknoloji koku sensör çeşitliliğini artırmıştır. 1982’den günümüze kadar yapay burun
teknolojisinde kullanılan sensörler Çizelge 2.1’de gösterilmiştir.
Çizelge 2.1. Koku Tanıma İçin Geliştirilmiş Sensörler[1]
Yapay Burun Teknolojisi Sensör Elemanı Üretildiği Tarih
Elektronik Metal Oksit 1982
Polimerler 1991
Optik Temelli Floresan Boyalar 1996
Kalorimetrik Boyalar 2000
Nanoteknoloji Temelli Karbon Nanotüpler 2001
Silikon Nanoteller 2007
Altın Nanoparçacık 2009
Fotonik Temelli Fotonik Kristaller 2009
Kızılötesi Fiberler 2010
5
2.1.2 TGS2620 Metal Oksit Gaz Sensörü
Bu projede, saptanabilir bir gazın varlığında iletkenliği havadaki gaz konsantrasyonuna
bağlı olarak artan TGS2620 metal oksit gaz sensörü kullanılmıştır. Düşük güç tüketimi,
alkol ve organik çözücü buharlara yüksek hassasiyet, uzun ömürlü ve ölçümler sırasında
basit elektrik devresi kullanılması gibi özellikleri olan TGS2620 daha çok alkol testlerinde,
organik buhar dedektörlerinde, kuru temizlemede ve yarı iletken endüstrisinde uygulama
alanı bulmuştur. Sensörün dış görünümü Şekil 2.1.’de, gaz sensörün çalışma prensibi ise
Şekil 2.2.’de gösterilmiştir.
Şekil 2.1 TGS2620 Dış Görünümü
Şekil 2.2. Sensörün Çalışma Prensibi[5]
Sensör ısıtıcı gerilimi 푉 ve sensör gerilimi 푉 olmak üzere iki gerilim girişi gerektirir.
Isıtıcı gerilimi sensörün ölçüm yapacağı optimum ortam sıcaklığını sağlamak içindir.
6
5 V’luk DC güç kaynağı devre için gerekli olan 푉 ve 푉 gerilimlerini sağlamak için
yeterlidir. Sensörün temel ölçüm devresi Şekil 2.3’te gösterilmiştir.
Şekil 2.3. TGS2620 Temel Ölçüm Devresi[6]
2.1.3 TGS2620 İle Yapılan Deneyler
TGS2620 oda sıcaklığında (25) aseton ve equal kokularının sensöre farklı
uzaklıklarda ölçümlere tabi tutulmuştur. Sensöre seri bağlı 푅 direnci 4.7 kΩ olarak
belirlenmiştir. Sensörün aseton ve equal kokularına verdiği tepkiler Çizelge 2.2.1 ve
Çizelge 2.2.2’de gösterilmiştir.
7
Çizelge 2.2.1TGS2620’nin Aseton Kokusuna Verdiği Tepki
Kokunun Kaynağının Sensöre Uzaklığı 푹푳Direnci Uçlarındaki Gerilim
100 cm 0 V
80 cm 0 V
60 cm 0 V
50 cm 0 V
40 cm 0 V
30 cm 1.2 V
25 cm 1.7 V
20 cm 2.2 V
15cm 2.7 V
≤10 cm 3.5~3.7 V
Çizelge 2.2.2. TGS2620’nin Equal Kokusuna Verdiği Tepki
Kokunun Kaynağının Sensöre Uzaklığı 푹푳Direnci Uçlarındaki Gerilim
100 cm 0 V
80 cm 0 V
60 cm 0 V
50 cm 0 V
40 cm 0 V
30 cm 1.5 V
25 cm 1.9 V
20 cm 2.5 V
15 cm 3.5 V
≤10 cm 4.4~4.7 V
8
Yapılan ölçümlerde görüldüğü gibi aseton kokusunun algılanma mesafesi ve iletlenlik
değişimi equal kokusuna oranla çalışmak için daha uygundur. Fakat sistem koku üzerinde
hareket edecek bir gezgin sistem olacağından asetonun çok çabul yayılıp etkisini
kaybetmesi yön belirlemeyi karmaşık ve verimsiz hale getirdiğinden çalışılacak koku equal
kokusu olarak seçilmiştir.
TGS2620 sensörü ile yapılan testlerde koku sensöresensörün 4 yanından gelecek
şekilde ayrı ayrı denenmiştir. Deney sonuçlarında ise sensörde bulunan çentikli kısmın tam
aksi yönden gelen kokularda iletkenlik değişiminin maksimum olduğu görülmüştür. Buna
bağlı olarak sensör dizme işleminde sensörlerin yönleri de göz önünde bulundurulmuştur.
Robotun ön kısmında bulunacak 3 sensörün dizilimi Şekil 2.4’te gösterilmiştir.
Şekil 2.4. TGS2620 Sensör Dizilimi
2.2 Mikrodenetleyiciler
Mikrodenetleyici üzerinde her türlü şeyi bulabileceğimiz bir çip olan gömülü sistemdir.
Mikrodenetleyiciler tek bir çip üzerinde çekirdek, hafıza, ve çeşitli programlanabilir
birimleri olan giriş çıkış portları, zamanlayıcı, ADC, DAC bulundurur. Bu gelişmiş
entegrasyon mühendislere yapılması planlanan uygulamanın boyutlarını, maliyetini ve güç
9
tüketimini en aza indirmeyi sağlar. Böylelikle mikrodenetleyiciyi birbirinden farklı birçok
uygulamnın kontrolü için en uygun hale getirir.
2.2.1 MSP430 Mikrodenetleyici Ailesinin Genel Özellikleri
Aile içerisinde cihazın türevleri olmasına rağmen bir MSP430 mikrodenetleyici şu
özellikleri ile karakterize edilir.
Düşük Güç Tüketimi
0.1 μ퐴 RAM’de veri saklama
0.8 μ퐴 gerçek zamanlı saat modunda çalışma
250 μ퐴/MIPS aktif çalışma
Düşük Çalışma Gerilimi (1.8V~3.6V)
<1μ푠 saat başlangıcı
<50 푛퐴 port kaçağı
Sıfır güç- BOR
Çip Üzerindeki Analog Cihazlar
10/12/16-bit ADC
12-bit çift DAC
Karşılaştırma kapılı zamanlayıcılar
İşlemsel yükselteçler
SVS
16-bit RISC CPU
Bit, byte ya da word olarak komut işleme
Sıkıştırılmış çekirdek tasarımı ile güç tüketimini ve maliyeti düşürme
Etkin derleyici
27 çekirdek komutu
7 adresleme modu
Geniş kapsamlı vektörel-işkesme kapasitesi
Esneklik
256 kB’a kadar ISP Flash
100’e kadar pin sıralama seçeneği
USART, I2C, Zamanlayıcılar
LCD sürücüsü
10
Mikrodenetleyinin performansı; 16-bitlik veri yolu, 7 adresleme modu ve hızlı
uygulamalar için kısa ve yoğun program kodu sağlayan azaltılmış komut seti ile doğrudan
ilişkilidir. Bir mikrodenetleyici çekirdeği 16-bitlik CPU, RISC, akıllı çevre birimleri ve
VonNeumann mimarisiyle ortak adres yolu ve bellek veri yolunu birbirine bağlayan esnek
saat sistemini kullanır.
2.2.2 MSP430G2553
MSP430 ailesinin ultra düşük güç tüketimi sağlayan MSP430G2553 mikrodenetleyicisi
tipik olarak düşük maliyetli sensör sistemlerinden gelen analog sinyalleri yakalayıp bunları
dijital değerlere dönüştürür ve sonra bu verileri işleyip bir göstergeye ya da ana bilgisayar
sistemine iletir. MSP430G2553 mikrodenetleyicisinin dış görünümü Şekil 2.5’de
gösterilmiştir.
Şekil 2.5. MSP430G2553 Mikrodenetleyicisinin Dış Görünümü
Hafızası ve I/O bacak sayıları projeye uygun olan MSP430G2553
mikrodenetleyicisinin bacak yapısı Şekil 2.6’da gösterilmiştir.
11
Şekil 2.6. MSP430G2553 Bacak Yapısı [7]
2.3 Motor Sürücü Devre
2.3.1 L298 Motor Sürücü Entegresi
L298 dört giriş dört çıkışa sahip H köprüsü bulunduran bir motor sürücü entegresidir.
Robotun hareketini sağlayan birbirinden bağımsız iki farklı DC motoru iki farklı yönde
hareket ettirmek için motor sürücü devreye ihtiyaç duyulur. Kullanılan L298 motor
sürücüentegresininin dış görünümü Şekil 2.7’de gösterilmiştir.
Şekil 2.7. L298 Motor Sürücü Entegresi Dış Görünümü
12
İki yöne hareket edebilen bir motor iki girişe sahip olduğundan L298 motor sürücü
entegresinin 4 çıkışı ile 2 tane bağımsız motor sürülebilir. L298 robotik sistemlerde en çok
tercih edilen motor sürücü entegredir. IN1, IN2, IN3, IN4 olmak üzere 4 input OUT1
OUT2, OUT3, OUT4 olmak üzere 4 outputa sahiptir. İçerdiği iki adet enable pinine verilen
gerilim enable pininin bağlı olduğu çıkış portunun beslemesini belirler. L298 motor sürücü
entegresinin bacak bağlantıları Şekil 2.8’de gösterilmiştir.
Şekil 2.8. L298 Bacak Bağlantıları [8]
5V’luk iki adet DC motor sürmek için L298 motor sürücü entegre ile düzenlenen motor
sürücü devre Şekil 2.9’da gösterilmiştir.
Şekil 2.9. Motor Sürücü Devre
13
Enable A ve Enable B pinleri entegrenin içinde bulunan H köprülerini aktifleştirmek
için kullanılır. İnput1 ve İnput2 1. Motoru ileri geri hareket ettirmek için, İnput3 ve İnput4
2.motoru ileri geri hareket ettirmek için kullanılır. SENSA ve SENSB pinleri çıkış akımını
sınırlamak için kullanılır. Çıkış akımında herhangi bir sınırlama yapılmayacaksa bu pinler
doğrudan şaseye bağlanır.
2.4. Motorlar
Herhangi bir enerji formunu mekanik enerjiye dönüştüren makinelere motor denir.
Elektrik motorlarında da elektrik enerjisi mekanik enerjiye dönüştürülür. Elektrik motorları
şu şekilde sınıflandırılabilir.
Doğru Akım Motorları
Fırçalı Doğru Akım Motoru
Fırçasız Doğru Akım Motoru
Alternatif Akım Motorları
Senkron Motor
Asenkron Motor
Hibrit Motorlar
Üniversal Motorlar
DC motorlar, bobin üzerinden geçen akımın neticesinde oluşturduğu manyetik alanların
oluşturduğu kutuplaşmayı ileri ve geri yönlü olarak kullanarak yani zıt kutupların birbirini
çekmesi ve aynı kutupların birbirini itmesi prensibinin dairesel harekete dönüşümünün en
basit halidir. Robotik ve endüstriyel uygulamalarda en çok kullanılan motor tipidir.
AC motorları, içindeki metalden yapılmış kütlenin döner bir elektromanyetik alan
yardımıyla sürüklenmesi ilkesi ile çalışır. Döner alanın hızı ile oluşan manyetik alanın
hızına göre senkron ve asenkron olarak adlandırılır. AC motorlar büyük güçlüdür ve
sanayide kullanılırlar.
Üniversal motorlar hem DC hem de AC akımda çalışabildiği için bu şekilde
adlandırılmıştır. Daha çok elektrik süpürgeleri, mikserler, tıraş makineleri, saç kurutma
makineleri gibi yüksek devir sayısı gerektiren makinelerde kullanılır. Hibrit motorlar ise
elektriksel veya alternatif bir enerji kaynağını mekanik enerjiye dönüştüren motorlardır.
14
3.TASARIM
3.1 Program Akış Şeması
Sekil 3.1. Program Akış Şeması
15
Robotik sistemin tasarımı için en uygun elemanlar belirlendikten sonra Şekil 3.1’de
gösterildiği gibi program akış şeması çizilip izlenecek aşamalar belirlendi. Sensörlerin
iletkenlik değişimine göre mikrodenetleyici karar vereceğinden sistem kurulmadan önce
değerler belirlenip kurulduktan sonra belirlenen değerlerle sistem test edilip karar verilecek
gerilim değeri yeniden belirlenmiştir.
Robotik sistemin önüne gelecek şekilde monte edilen 3 adet TGS2620 metal oksit gaz
sensöründen araca göre solda olan Sensör1, solda olan Sensör3 ikisinin tam ortasında
bulunansa Sensör2 olarak adlandırıldı. Sensör2den mikrodenetleyiciye gelen gerilim
seviyesi 1.2V’u aştığında motorun hareket etmeye başlamasına karar verildi. Sensörlerin
hassasiyeti ve ortamdaki en ufak değişikliğe bile tepki göstermesi nedeniyle robotun düz
gitme hareketi Sensör1 ve Sensör3 arasındaki gerilim farkına bağlandı. Sensör1 ve Sensör
3 arasındaki gerilim farkı 1V’tan büyük olduğu takdirde motorun büyük olan tarafa doğru,
küçük olduğu takdirde ise motorun düz bir şekilde hareket etmesine karar verildi. Motorun
düz gitme hareketinin sağ ve sol kenarlarda bulunan Sensör1 ve Sensör2 ile
belirlenebileceği görüldü. Mevcut koku üzerinde hareket eden robotun koku üzerine denk
gelen Sensör2’de oluşan gerilim seviyesi 1.2V’u aştığında motorun çalışmaya başlamasına
ve hareket halinde iken Sensör2’de oluşan gerilim seviyesi 1.2V’un altına düştüğünde
motorun durmasına karar verildi.
3.2 MSP430G2553’ün Programlanması
MSP430G2553’ü programlarken arayüz olarak IAR Embeded kullanıldı. Program akış
şemasında belirtildiği gibi ilerleyen program kodu şu şekildedir:
Mikrodenetleyici bacakları ile motor bağlantıları alt programı :
voidinitializeMotor(void)
P2SEL &= 0x3F; // XIN ve XOUT basit I/O için kullan
P1DIR |= (MOTOR1 + MOTOR2) + MOTOR1_LOJIK1 + MOTOR1_LOJIK0;
//Motorlar output
P2DIR |= (MOTOR2_LOJIK0 + MOTOR2_LOJIK1); //motor lojik değerler output
16
P1OUT &= ~(MOTOR1 + MOTOR2);
Motorların PWM ile hız kontrolünü sağlayan alt program:
void motor1pwm(unsignedcharsurPWM, unsignedchardurPWM)
motor1sur();
while(surPWM--); // motor1 n birim çalışır
motor1dur();
Aynı program ikinci motor için tekrarlanır.
Sensörden gelen verilerle motorun hareketini sağlayan ana programın işlevsel kısmı
aşağıda verilmiştir.
void main(void)
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
initializeMotor();
initializeTGS();
bufferSol = 0;
17
bufferSag = 0;
while (1)
while(SENSOR2 == 1) // sensör2 pasif oldugu sürece dur..
motor1dur(); //koku yoksa dur
motor2dur();
while(SENSOR2 == 0) // sensor2 aktif oldugu sürece ilerle
bufferSol = 0;
bufferSag = 0;
motor1yon(ILERI);
motor2yon(ILERI);
motor1pwm(TEMEL_HIZ,140); //eşit hızda ileri
motor2pwm(TEMEL_HIZ,140);
//koku yana kaymıssa kokuyu yakala
if(bufferSol>bufferSag&& (--bufferDelay>0))
motor2yon(ILERI);
motor1yon(GERI);
18
motor2pwm(TEMEL_HIZ+55,0); //sağ motor çalış, sola hızlı dön
motor1pwm(TEMEL_HIZ+55,0); //sol motor geri çalış
elseif(bufferSag>bufferSol&& (--bufferDelay>0))
motor1yon(ILERI);
motor2yon(GERI);
motor1pwm(TEMEL_HIZ+55,0); //sağ motor çalış, sola hızlı dön
motor2pwm(TEMEL_HIZ+55,0); //sol motor geri çalış
3.3 PWM İle Motor Hız Kontrolü
Projede kullanılan TGS2620 metal oksit sensörlerin çalışma hızı hazır kit halinde temin
edilen motor-dişli sisteminin hızının neredeyse yarısına eşit olduğundan motor hızının
kontrolüne ihtiyaç duyuldu. Motor hızı, motorun DC besleme gerilimi düşürülerek kontrol
edilebilir. DC gerilimi ayarlamanın farklı bir yöntemi Pulse-Widht Modulation(PWM)dir.
Bu yöntem; DC gerilimin tepe değerini belli bir seviyede tutarak, belirli aralıklara
bölünmüş sinyalin genişliğini ayarlama stratejisine dayanmaktadır. Böylece DC gerilim
değeri ayarlanmış olur. PWM ile DC gerilim ortalama değerinin değişimi Şekil 3.2’de
gösterilmiştir.
19
Şekil 3.2. PWM İle DC Gerilimin Darbe Genişliğine Göre Değişimi[9]
20
4. KARŞILAŞILAN PROBLEMLER VE ÇÖZÜMLERİ
Proje gerçekleme aşamasında bazı problemlerle karşılaşıldı ve çözümlenmeye çalışıldı.
Problem 1: Sensörlerin hassasiyetinden kaynaklı kokuya aynı şartlarda her zaman aynı
tepki veremediğinden motorun kontrolü zorlaştı.
Çözüm 1: Motorun hareketinde yön belirlerken Sensör1 ve Sensör3 karşılaştırılıp
aralarındaki farka göre motor yönlendirildi.
Problem 2: Motor ve dişli sistemi hazır omurga ile temin edildiğinden motorları
istenilen hızın üzerinde çalıştı.
Çözüm 2: Motorun hızı PWM’le kontrol edildi.
Problem 3: Motor keskin dönüşlerde koku yolundan sapıp tekrar aynı yola dönemedi.
Çözüm 3: Keskin dönüşlerde motorlar zıt yönde aynı hızda çalıştırıldı. Yumuşak
dönüşlerde motorlar zıt yönde farklı hızda çalıştırıldı.
21
5. SONUÇLAR
Koku Takip Eden Robot adlı proje, tanıtılan mevcut koku üzerinde yolundan sapmadan
hareket edebilecek şekilde prototip olarak gerçeklenmiştir. Algılama metal oksit gaz
sensörleri ile sağlanmıştır. Sensörlerin iletkenlik değişimine göre mikrodenetleyiciye
gerekli algoritmalar yazılımsal olarak yüklenerek motorların mevcut koku üzerinde
hareketi sağlanmıştır. Robotik sistemin hareketinden alınacak maksimum verim kapalı
ortamda ve oda sıcaklığında çalıştırıldığında mümkündür. Bunun yanında robotun doğru
yolu izlemesi için ortamda bulunan farklı koku yoğunlukları minimum seviyede olmalıdır.
Yapılan teorik ve pratik çalışmanın sonucu olarak gerçeklenen robotik sistem
sensörlerden aldığı verileri işleyerek mevcut koku üzerinde hareket etmiştir.
22
6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME
Savunma sanayisinde kullanıma oldukça elverişli olan bu proje, başka kimyasal ve
biyolojik materallerin kokusu kullanılarak gıda endüstrisinde ve tıp alanında da uygulama
alanı bulabilir.
Patlayıcı ve narkotik maddelerle gerekli yerlerden izin alınarak çalışıldığında amaca
uygun şekilde bir sistem modeli gerçeklenebilir. Yazılım algoritması geliştirilerek daa
fazla algılayıcı ile daha kapsamlı sistemler geliştirilebilir. GPS, kameralar ve kablosuz
haberleşme sistemleri ile çok daha gelişmiş profesyonel sistemler oluşturulabilir.
23
KAYNAKLAR
[1]. M. Bayındır, M Yaman ve A. Yıldırım, “Koku Bilimine Doğru”, Bilim Ve Teknik, Sayfa 34,39 Eylül 2011
[2]. G.W. Watson and S. McGuire “Detection Of Explosives In Soil and Water With An Electronic Nose” in AmericanChemicalSociety Meeting, 1999 Page 9,
[3]. (2000), The IEEE website [Online].Available:http://www.ieee.org/
[4]. (2012), The UCONN website [Online]. Available: http://www.engr.uconn.edu
[5]. Ü. Kızıl, L. Genç ve M. Saçan, “Elektronik Burun Sistemlerinin Tasarım İlkeleri”, U. Ü. Ziraat Fakültesi Dergisi, 2011, Cilt 25, Sayı 1, 109-118
[6]. “TGS 2620 datasheet” Figaro USA
[7]. “MSP430G2553 datasheet” Texas Instrument, USA
[8]. “L298 datasheet” , STMicroelectronics, Printed in Italy
[9]. F.Arslan,(2013) Homepage [Online]. Available: http://fevziarslan.blogspot.com/
24
EKLER
Ek 1. Standarlar ve Kısıtlar Formu
1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız.
Projemizde, savunma sanayinde kullanılması öngörülen narkotik maddeler ve
patlayıcıların yerinin tespiti için tasarlanmıştır. Tasarım; mekanik tasarım, donanım ve
yazılım olmak üzere üç aşamada gerçekleştirilmiştir.
2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü?
Hayır.
3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız?
Şimdiye kadar lisans derslerinde edindiğimiz teorik bilgilerin yanı sıra özellikle
microprocessors dersinde edindiğimiz yazılım bilgilerini kullandık.
4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir?
Herhangi bir mühendislik standardı kullanılmamıştır.
5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir?
a) Ekonomi: Tasarım yapılırken gerekli olan tüm araç, gereç ve malzemelerin maliyet
analizleri önceden yapılarak en az maliyetle tasarım amaçlanmıştır.
b) Çevre sorunları: Projemiz daha çok kapalı ortamlarda ölçüm yapmak için tasarlanmıştır,
sensörlerin hassasiyetinden dolayı açık alanlarda kullanıma uygun değildir.
c) Sürdürülebilirlik: Projemizin en önemli özelliklerinden bir tanesi ileriye yönelik
geliştirilebilir olmasıdır.
d) Üretilebilirlik: Savunma sanayi ve askeri alanlarda kullanımı amaçlandığı için ancak
belirli izinler dahilinde üretimi yapılabilir.
e) Etik: Projenin gerçekleştirilmesi ve tez yazımı sürecinde etik konular dikkate alınmış ve
proje gerçekleştirilmiştir. Etik kısıtlar olarak tasarımın daha önce gerçekleştirilmiş bir
proje ile çok fazla ortak noktası bulunmaması ve özgün olması konusunda dikkat
edilmiştir.
25
f) Sağlık: Projenin asıl amacı insan hayatını ve sağlığını tehdit eden narkotik maddelerin ve
patlayıcılardan kurumak. Bu konu, en az risk oluşturacak şekilde düşünülmüştür.
g) Güvenlik: Projenin gerçekleştirilmesi ve sonrasında güvenlik açısından bir problem
olmayacak şekilde iş süreci ilerlemiştir. Güvenlik açısından herhangi bir problem yoktur.
h) Sosyal ve politik sorunlar: Sosyal ve politik açıdan bir sorun oluşturmayacak şekilde
proje gerçekleştirilmiştir.
Projenin Adı Koku Takip Eden Robot
Projedeki Öğrencilerin Adları Sacide Merve DİNÇER Mahmut POYRAZ
Tarih ve İmzalar
26
ÖZGEÇMİŞ
Sacide Merve DİNÇER, 1986 yılının Aralık ayında Trabzon’da doğdu. İlköğretim ve
lise öğrenimini Trabzon’da tamamladı. 2006 yılında KTÜ Fen Edebiyat Fakültesi
Matematik Bölümüne yerleştikten iki sene sonra tekrar ÖSS’ye girip KTÜ Elektrik
Elektronik Mühendisliğine yerleşti ve şu an son sınıf öğrencisi olarak öğrenimini
sürdürmektedir. İyi seviyede ingilizce bilgisine, orta derecede Matlab, C++ programlama
bilgisine sahiptir.
27
ÖZGEÇMİŞ
Mahmut POYRAZ, 1990 yılının Mart ayında Kahramanmaraş’ta doğdu. İlköğretim ve
lise eğitimini Kahramanmaraş’ta tamamladı. 2007 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümüne başladı ve son sınıf öğrencisi olarak
öğrenimini sürdürmektedir. Orta seviyede İngilizce bilgisine sahip. Matlab, Proteus ve C
programlama dillerine orta seviyede hakimdir.