مکاترونیک چیست؟

 

مکاترونیک فصل مشترک علوم مکانیک ، الکترونیک و محاسبات کامپیوتری می باشد که از ترکیب این دانش ها پدید آمده است. این مهندسی موجب می شود تا بتوانیم سیستم هایی ساده تر و با قابلیت اطمینان بیشتر طراحی کنیم. سیستم هایی که در عین سادگی و اقتصادی بودن ، بسیار دقیق و هوشمند عمل نمایند و به نحوی خود را با شرایط محیطی وفق دهند.

واژه مکاترونیک برای اولین بار در سال ۱۹۶۹ و توسط آقای تتسورو موری (Tetsuro Mori) مهندس ارشد شرکت یاسکاوا (YASKAWA) ژاپن مطرح شد.

امروزه ماژولهای مکاترونیکی بسیاری در صنایع مختلف وجود دارد که به کمک آنها بسیاری از کارهای پیچیده ساده شده است. برای مثال سیستم ضد قفل یک خودرو را می توان یک ماژول مکاترونیکی دانست. چراکه برای طراحی آن چندین دانش مختلف نیاز است و تیم طراح بایستی از کلیه علوم ذکر شده اطلاعات کافی داشته باشند. سایر کاربرد ها را می توان در پالایشگاه ها ، صنایع فولاد ،صنایع سیمان ، رباتیک ، مهندسی پزشکی و ... جستجو کرد.

شاخه ای تخصصی از مکاترونیک نیز امروزه وجود دارد که در زمینه نانو تکنولوژی فعالیت و تحقیق می کند.

تحصیل در زمینه رشته مکاترونیک مستلزم گذراندن دروس مختلفی از قبیل ریاضیات مهندسی پیشرفته, تئوری کنترل و کنترل دیجیتال, مدارات الکترونیکی, رباتیک , هوش مصنوعی , دینامیک و استاتیک , پردازش سیگنال , میکرو کنترلر ها , پردازش تصاویر و بینایی ماشین و انتقال داد ها می باشد.

دانشگاه های مختلفی در سراسر دنیا به این رشته از مهندسی می پردازند و پیشرفتهای فراوانی همه روزه حاصل می شود.

در ایران نیز اولین دانشگاهی که این رشته را تاسیس کرد , دانشگاه آزاد اسلامی قزوین بود.

این دانشگاه هم اکنون فارغ التحصیلان زیادی در مقطع کارشناسی ارشد داشته است. اولین سال جذب این رشته در دانشگاه قزوین سال 1382 بوده است.

علاوه بر دانشگاه قزوین ، دانشگاه های مطرح و فعال در ایران در این زمینه عبارتند از :

 دانشگاه تربیت معلم سبزوار،دانشگاه خواجه نصیر ، دانشگاه علم و صنعت، دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه سمنان ، دانشگاه تبریز و دانشگاه آزاد واحد علوم و تحقیقات تهران.

به کشورهایی که در حال حاضر سرمایه گذاری وسیعی در این رشته داشته اند می توان به

آمریکا ، ژاپن ، استرالیا ، اتریش ، آلمان ، بلژیک و روسیه اشاره کرد.

میکرو کنترل ها

 

معرفی میکروکنترلرها :
به آی سی هایی که قابل برنامه ریزی می باشد و عملکرد آنها از قبل تعیین شده میکروکنترلرگویند میکرو کنترل ها دارای ورودی - خروجی و قدرت پردازش می باشد .

 بخشهای مختلف میکروکنترلر :
میکروکنترلر ها از بخشهای زیر تشکیل شده اند

CPU واحد پردازش

Alu واحد محاسبات

I /O ورودی ها و خروجی ها

Ram حافظه اصلی میکرو

Rom حافظه ای که برنامه روی آن ذخیره می گردد

Timer برای کنترل زمان ها

و . . .

خانواده های میکروکنترلر:

خانواده : Pic - AVR - 8051

یک میکروکنترلر چگونه برنامه ریزی میشود ؟

میکرو کنترلر ها دارای کامپایلرهای خاصی می باشد که با زبان های Assembly basic, c می توان برای آنها برنامه نوشت سپس برنامه نوشته شده را توسط دستگاهی به نام programmer که در این دستگاه ای سی قرار می گیرد و توسط یک کابل به یکی از در گاه های کامپیوتر وصل می شود برنامه نوشته شده روی آی سی انتقال پیدا میکند و در Rom ذخیره می شود .

با میکرو کنترلر چه کارهایی می توان انجام داد ؟
این آی سی ها حکم یک کامپیوتر در ابعاد کوچک و قدرت کمتر را دارند بیشتر این آی سی ها برای کنترل و تصمیم گیری استفاده می شود چون طبق الگوریتم برنامه ی آن عمل می کند این آی سی ها برای کنترل ربات ها تا استفاده در کارخانه صنعتی کار برد دارد .

امکانات میکرو کنترلرها :
امکانات میکرو کنترلرها یکسان نیست و هر کدام امکانات خاصی را دارا می باشند و در قیمت های مختلف عرضه می شود .

شروع کار با میکرو کنترلر:
برای شروع کار با میکرو کنترلر بهتر است که یک زبان برنامه نویسی مثل c یا basic را بیاموزید سپس یک برد programmer تهیه کرده و برنامه خود را روی میکرو ارسال کنید سپس مدار خود را روی برد برد بسته و نتیجه را مشاهده کنید.

مقایسه خانواده های مختلف میکرو وکنترلرها:

خانواده 8051 :
این خانواده از میکرو کنترولر ها جزو اولین نوع میکرو کنترولر ها یی بود که رایج شده و جزو پیشکسوتان مطرح میشود . معروف ترین کامپایلر برای این نوع میکرو keil یا franklin می باشد میکرو های این خانواده به نوسان ساز نیاز مند هستند و درمقابل خانواده pic یا AVR از امکانات کمتری برخور دار می باشد معروف ترین آی سی ها این خانواده 89S51 یا 89C51 می باشد .

خانواده AVR :
این خانواده از میکرو کنترلرها تمامی امکانات 8051 را دارا می باشد و امکاناتی چون ADC (مبدل آنالوگ به دیجیتال) – نوسان ساز داخلی و قدرت و سرعت بیشتر – EEPROM (حافظه) از جمله مزایای این خانواده می باشد مهم ترین آی سی این خانواده Tiny و Mega است.

خانواده pic :
این خانواده از نظر امکانات مانند AVR میباشد و در کل صنعتی تر است .

 مزایای میکرو کنترلر نسبت به مدار های منطقی :

1- یک میکرو کنترلر را می توان طوری برنامه ریزی کرد که کار چندین گیت منطقی را انجام دهد.

2- تعداد آی سی هایی که در مدار به کار میرود به حداقل میرسد .

3- به راحتی می توان برنامه میکرو کنترلر را تغییر داد و تا هزاران بار میتوان روی میکرو برنامه های جدید نوشت و یا پاک کرد .

4- به راحتی میتوان از روی یک مدار منطقی کپی کرد و مشابه آن را ساخت ولی در صورتی که از میکرو کنترلر استفاده شود و برنامه میکرو را قفل کرد به هیچ عنوان نمی توان از آن کپی گرفت .

تاريخچه ميکرو پرسسور و کاربرد

 

تغيير سيستم‌هاي مکانيکي و برقي به سيستم‌هاي الکترونيکي در بيشتر تکنولوژي‌هاي عمده، سيستم‌هاي الکترونيکي جايگزين بخش‌هاي مکانيکي شده و از آن پيش افتاده‌اند. سيستم تلفن در اصل مجموعه‌اي از اجزاي مکانيکي (يعني سيستم شماره‌گير) بود که در آن حرکت فيزيکي به علائم الکتريکي تبديل مي‌شد. با وجود اين، امروزه تلفن تماماً الکترونيکي است ؛ امروزه چاپ الکترونيکي شده است. تلويزيون، کامپيوتر و بسياري از ابزارهاي ديگر نيز که در زندگي روزمره از آن استفاده مي‌کنيم همين گونه‌اند. سيستم‌هاي الکترونيکي مسلماً يکسره بر تکنولوژي فکري متکي هستند زيرا محاسبات رياضي و نوشتن نرم‌افزار و برنامه‌ها کارکرد آنها را ممکن مي‌گرداند.

يکي از برجسته‌ترين تغييرات، کوچک شدن وسايلي است که هادي برق هستند يا تکانه‌هاي برقي را منتقل مي‌کنند. وسايل اوليه مانند لامپ‌هاي خلاء که در راديوهاي قديمي ديده مي‌شود حدود 5 تا 10 سانتي‌متر ارتفاع داشتند. اختراع ترانزيستور تغييري شگرف را به دنبال داشت: توانايي توليد وسايل ميکروالکترونيک با صدها کارکرد از جمله کنترل، تنظيم، هدايت و حافظه که ميکروپرسسورها به اجرا درمي‌آورند. در آغاز هر تراشه 4 کيلو بايت حافظه داشت که بعدها به 8، 16، 32، 64 کيلو بايت افزايش يافت و امروزه سازندگان ميکروپروسسور تراشه‌هايي توليد مي‌کنند که ظرفيت ذخيره‌سازي آنها چندين مگابايت يا حتي گيگا (ميليارد) بايت است.
امروزه يک تراشه‌ي ريز سيليکني(ميکروپروسسور) حاوي مدارهاي الکترونيکي داراي صدها هزار ترانزيستور و همه‌ي اتصالات لازم و بهاي آن فقط چند دلار است. مداربندي روي اين تراشه مي‌تواند خود ميکروکامپيوتري باشد با ظرفيت پردازش ورودي / خروجي و حافظه‌ي دستيابي تصادفي و... .

اولين ميکروپروسسور:

ميکروپروسسور: پس از پيدايش الکترونيک ديجيتال و جنبه هاي جذاب و ساده طراحيهاي ديجيتال و کاربردهاي فراوان اين نوآوري، با تکنولوژيهاي SSI , MSI ، ادوات الکترونيک ديجيتال، مانند قطعات منطقي به بازار ارائه شد. شرکت تگزاس اولين ميکروپروسسور 4 بيتي را با فن آوري 2SI طراحي و عرضه نمود که بعنوان بخش اصلي ماشين حساب مورد استفاده قرار گرفت و اين گام اول در پيدايش و ظهور ميکروپروسسورها بود.

BIOSوکاربرد ميکروپرسسوردر کامپيوتر:

يکى از متداول ترين کاربردهاى Flash memory در سيستم ابتدايى ورودى ‎/ خروجى (basic input/output system) کامپيوتر است که معمولاً به BIOS شناخته مى شود. وظيفه BIOS که تقريباً روى هر کامپيوترى وجود دارد،آن است که مطمئن شود تمام قطعات و اجزاى افزارى يک کامپيوتر در کنار يکديگر به درستى کار مى کنند . هر کامپيوترى در قلب خود براى پردازش درست اطلاعات شامل يک ميکروپروسسور است . ميکروپروسسور قسمت سخت افزارى کار است. براى انجام درست کار ، به نرم افزار نيز احتياج است. هر کاربرى با دو نوع نرم افزار آشنا است:سيستم عامل و نرم افزارهاى کاربردى. BIOS نوع سوم نرم افزارى است که کامپيوتر شما براى
اجراى درست به آن نيازمند است.
BIOS چه کارى انجام مى دهد: نرم افزار BIOS مجموعه اى از وظايف مختلف را بر عهده دارد، ولى مهم ترين آنها اجراى سيستم عامل است. وقتى يک کامپيوتر روشن مى شود، ميکروپروسسور سعى مى کند اولين دستورات را اجرا کند. ولى نکته در اين است که اين دستورات بايد از جايى به ميکروپروسسور اعلام شود. گرچه سيستم عامل روى هارد وجود دارد، ولى ميکروپروسسور نمى داند اطلاعات در آنجاست. BIOS دستورات اوليه را براى اين دسترسى به ميکروپروسسور اعلام مى کند.

کاربرد ميکروپروسسوردرانواع کارتهاي هوشمند :

کارتهاي هوشمند ((DRAC|TRAMSکارتهايي هستند که از يک قسمت پلاستيکي تشکيل گرديده اند که در داخل آنها يک چيپ ميکروپروسسور ( PIHCROSSECORPORCIM) قرار دارد و اطلاعات لازم روي اين چيپها قرار مي گيرند. ميزان و تنوع اطلاعاتي که در کارت ذخيره مي گردد، به توانايي چيپ داخل آن بستگي دارد.
انواع مختلف کارتهاي هوشمند که امروزه استفاده مي شود، کارتهاي تماسي ، بدون تماسي و کارتهاي ترکيبي هستند.
کارتهاي هوشمند تماسي بايستي در داخل يک کارت خوان قرار داده شوند. اين کارتها يک محل تماس روي صفحه دارند که تماسهاي الکترونيکي را براي خواندن ونوشتن روي چيپ ميکروپروسسور )زماني که در داخل کارت خوان قرار دارد(، فراهم مي آورد. نمونه اين کارتها در زندگي روزمره بسيار به چشم مي خورد.
کارتهاي بدون تماس ، يک آنتن سيم پيچي درون خود دارا هستند که همانند چيپ ميکروپروسسور درداخل کارت ، گنجانده شده است . اين آنتن دروني اجازه انجام ارتباطات و ردوبدل کردن اطلاعات را فراهم مي آورد. براي چنين ارتباطي ، بايستي علاوه بر اينکه زمان ارتباطکاهش يابد، راحتي نيز افزايش پيدا کند..
کارتهاي ترکيبي ، به عنوان هم کارتهاي تماسي و هم کارتهاي بدون تماس عمل مي کنند و در حقيقت داخل اين نوع کارتها هم چيپ الکترونيکي و هم آنتن وجود دارد وچنانچه کارت خوان وجود داشته باشد از کارت خوان مي توان استفاده کرد و چنانچه وجود نداشته باشد، از آنتن کارت مي توان ارتباط را برقرار کرد.
شايد اين سوال پيش آيد که چرا از کارتهاي هوشمند )کارتهاي حافظه دار( به جاي کارتهاي مغناطيسي استفاده مي شود؟
پاسخ اين است که ذخيره سازي اطلاعات در کارتهاي هوشمند و ميکروپروسسور دارهزار مرتبه بيشتر ازکارتهاي مغناطيسي است . مزيت ديگر اينکه اين کارتها از سرعت ذخيره سازي بالا ومکانيسم هاي ايمني قويتري برخوردارند.

ميکروپروسسور درکنترل فرکانس :

520B يک دستگاه فرکانس متوسط است که بوسيله ميکروپروسسور کنترل مي شود، داراي نمايشگر LCD يا (Liquid Crystal Display و دو خروجي مي باشد.
کنترل هاي تاچ سوييچ و نمايشگر LCD اين امکان را به استفاده کننده مي دهد که با سرعت و دقت پارامترها را انتخاب کرده و بر روي نمايشگر LCD به وضوح مشاهده نمايد. تراپيست به سرعت با کنترل ها آشنا شده و از سهولت استفاده در درمانهاي کلينيکي لذت خواهد برد.

خصوصيات منحصر به فرد :

520B مانند هر دستگاه اينترفرنشيال مي تواند به صورت دو الکترودي، چهار الکترودي، چهار الکترودي با سيستم وکتوراسکن مورد استفاده قرار گيردوآن به خاطر کنترل آن به وسيکه ي ميکروپروسسور است. اما آنچه اين دستگاه را متمايز مي سازد جريان هاي کاملاً اختصاصي است.

ميکرو پروسسور در دستگاههاي کارت خوان :
اين سيستم با استفاده از کارت-بليت هوشمند بدون تماس قادر به ثبت اعتبار مالى و ديگر اطلاعات دارنده کارت مى‌باشد. و موارد استفاده ي آنها در اين مکانهايي است .
• مترو،• اتوبوسرانى،• عوارض اتوبان
• تعاونى فرهنگيان،• تسهيلات رفاهى و بُن کارمندى
• مراکز تفريحى و باشگاههاى ورزشى
• شناسنامه پزشکى بيمار
• سلف سرويس دانشگاهها و ادارات
• پارکينگها
• کارت تلفن،• پارکومتر،• جايگاههاى سوختگيرى

مشخصات سخت‌افزاري دستگاه:

• ميکروپروسسور: 16 بيت
• پردازنده رمزنگار کمکى
• ارتقاء خودکار نرم‌• افزارى با فلاش بايوس (منحصر بفرد در ايران)
• حافظه: 512Kb اصلى و 512Kb براى Bios
• بازسازى هوشمند اطلاعات کارت
• سازگارى ساختار کارت با استاندارد بين‌• المللى
• ذخيره‌• سازى دوگانه اطلاعات براى بازيافت اضطرارى
• رابط: RS232, RS422 و مودم ‏(RS485 بنا به سفارش)
• پورت چاپگر
• مجهز به UPS داخلى جهت کار هنگام قطع برق
• باترى پشتيبان براى نگهدارى اطلاعات
• 2 رله براى کنترل چراغ سبز و قرمز (و آژير)
• نمايشگر با کيفيت‌• FSTN داراى لامپ‌• پس‌• زمينه‌•
• امکانات جانبي: اتصال به راه‌• بند،• نمايشگر بزرگ بيرونى،• صفحه‌• کليد بيرونى
مشخصات کارت:
• چيپ MIFARE
• ابعاد: ISO 7816
• حافظه: 1024 بايت ‎(*8 BIT) EEPROM
• عمر خدماتى چيپ: 100000 بار نوشتن،• 10 سال حفظ اطلاعات

منبع:
microtak

كاربرد مكاترونيك در سيستم هاي ايمني خودرو

 

با افزايش تصادفات گسترده كه ناشي از بي احتياطي راننده و عدم دقت او در كنترل خودرو مي باشد و همچنين گسترش علم مكاترونيك در صنعت خودرو، نقش راننده در حركت مستقيم در خودروهاي امروزي تغيير كرده و بجاي راننده، يك سيستم خبره كه از چند واحد مكاترونيكي تشكيل شده است وظيفه كنترل خودرو را به عهده خواهد داشت. مكاترونيك از از در هم ادغام كردن دو كلمه مكانيك و الكترونيك تشكيل يافته است كه تركيبي از علوم مكانيك، الكترونيك و كنترل مي باشد. در سيستم هايي كه در زمينه مهندسي مكانيك و الكترونيك استفاده مي شوند شاهد افزايش كاربرد الكترونيك و پردازش اطلاعات در مكانيك هستيم. نتيجه يك سيستم مكاترونيكي تلفيق اجزا تشكيل دهنده سيستم يا سخت افزار و اطلاعات حركتي آن يا نرم افزار مي باشد. در سيستم هاي مكاترونيكي از تعدادي حسگر استفاده مي شود كه اطلاعات ضروري و حركتي اجزا اصلي سيستم را به اطلاع يك واحد كنترل مركزي مي رساند و آن واحد با كنترل عملگرهايي كه نقش بازوهاي اجرايي سيستم را دارا مي باشند سيستم را كنترل مي كند. ارتقا سيستم هاي مكاترونيكي بستگي به دريافت اطلاعات تازه در زمينه ساختمان مكانيكي اوليه، حسگرها، عملگرهاي اجرايي، پردازش اتوماتيك اطلاعات و سيستم هاي كنترل كننده مي باشد.  از سيستم هاي مكاترونيك به طور گسترده اي در خودرو استفاده مي گردد. از جمله سيستم هاي مكاترونيكي خودرو كه در سيستم هاي ايمني خودرو استفاده مي شود مي توان به سيستم كنترل سرعت قابل تطبيق با خودرو (ACC)، سيستم كنترل پايداري  (ESP)، و سيستم ترمز اضطراري اشاره كرد.
با استفاده از سيستم كنترل سرعت راننده مي تواند بوسيله اهرم هاي كنار غربيلك فرمان سرعت خودرو را در يك سرعت ثابت تنظيم كند و هنگاميكه به نزديكي خودروي جلويي رسيد به صورت اتوماتيك سرعت كاهش داده مي شود و پس از عبور خودرو مذكور سرعت خودرو به سرعت تنظيم شده باز مي گردد.
اين سيستم داراي ارتباط چند واحد كنترل مهم خودرو از جمله واحد كنترل الكترونيكي ACC، واحد كنترل الكترونيكي موتور، واحد كنترل الكترونيكي جعبه دنده اتوماتيك و واحد كنترل ترمز بوسيله شبكه مالتي پلكس مي باشد.
سيستم ACC داراي يك رادار در جلو خودرو مي باشد كه پس از دريافت اطلاعات مبني بر نزديكي به مانع با ارسال سيگنال مربوطه واحد كنترل الكترونيكي را مطلع مي كند و اين واحد نيز به صورت ديجيتالي و بوسيله شبكه مالتي پلكس با ارسال ارقام معني دار 0 و 1 به واحدهاي كنترل موتور، جعبه دنده اتوماتيك و ترمز آنها را مطلع كرده و واحد هاي فوق بوسيله عملگرهاي مربوطه سرعت خودرو را كاهش مي دهند. واحد كنترل موتور با كم كردن زاويه دريچه گاز و پاشش انژكتور دور موتور راكاهش مي دهد، واحد كنترل جعبه دنده اتوماتيك با حركت شيربرقي هاي تعويض دنده جعبه اتوماتيك دنده هاي معكوس را براي خودرو انجام مي دهد و واحد كنترل ترمز با كم كردن سرعت چرخ ها سرعت خودرو را كم مي كند و با روشن كردن چراغ ترمز عقب توسط واحد كنترل راننده خودروي عقب را از انجام عمليات ترمز مطلع مي كند با عبور مانع از جلوي خودرو سرعت دوباره توسط واحد هاي كنترل نام برده شده به حالت اوليه بر مي گردد. با بررسي سيستم كنترل سرعت مشاهده گرديد كه اين وسيله در كمك به راننده در كنترل خودكار و كم كردن تصادف نقش تاثيرگزاري خواهد داشت.
پايداري خودرو در شرايط سخت حركتي از جمله هنگام حركت در پيچ يا سطوح لغزنده يكي از مهمترين اركان براي حفظ سلامت راننده مي باشد. بسياري از رانندگان دركي از مفاهيم رانندگي نداشته و در شرايط فوق با توجه به چسبندگي كم خودرو به سطح جاده نمي توانند خودرو را كنترل كنند. درهنگام حركت خودرو در پيچ هاي تيز، خودرو ممكن است دچار كم دورزني يا بيش دورزني گردد. در حالت اول خودرو از مسير خود خارج شده و به سمت بيرون پيچ مي رود و در حالت دوم به سمت داخل پيچ حركت مي كند. در اين حالت سيستم كنترل الكتريكي ESP وظيفه اقدامات اصلاحي را به عهده خواهد داشت. در حالت اول با ترمز كردن چرخ جلو سمت بيرون پيچ و در حالت دوم با ترمز كردن چرخ عقب داخل پيچ باعث افزايش پايداري خودرو مي گردد. در سيستم ESP‌ حسگر سرعت خودرو، حسگر زاويه غربيلك فرمان، حسگر فشار ترمز و سوييچ چراغ ترمز اطلاعات را به سيستم كنترل الكترونيكي ارسال مي كنند و اين سيتم نيز با كاهش سرعت خودرو و فعال سازي سيستم ترمز، چرخ مورد نظر را ترمز مي كند. اين سيستم تلفيقي از مكاترونيك و سيستم هيدروليك مي باشد. واحد هيدروليك داراي شير هاي برقي، پمپ هيدروليك مي باشد كه از واحد كنترل الكتريكي ESP فرمان مي گيرند. واحد كنترل الكترونيكي ESP واحد ترمز ضد قفل را در هنگام ترمزگيري كنترل مي كند. در هنگام فعال سازي سيستم، چراغ مربوطه در صفحه كيلومتر شمار روشن شده و راننده را از فعال سازي سيستم مطلع مي گرداند.
سيستم هاي ESP در كنترل خودرو در هنگام كم دورزني نيز استفاده مي گردد. بدين ترتيب كه واحدكنترل الكتريكي خودرو با مقايسه مسير واقعي و مسير دلخواه زاويه انحراف را تشخيص داده و با كاهش سرعت خودرو يا با ترمز گيري دو يا چهار چرخ در فشارهاي مختلف به حفظ پايداري خودرو كمك مي كند.
تحقيقات نشان داده است كه در هنگام ترمزگيري اضطراري بسياري از رانندگان به سرعت پدال ترمز را فشار مي دهند ولي اعمال حداكثر نيرو توسط آنان بيش از حد طول مي كشد اين تاخير باعث افزايش مسافت توقف خودرو مي شود زيرا از حداكثر ظرفيت سيستم ترمز استفاده نشده است و بايستي علاوه بر رسيدن سريع به حداكثر ظرفيت ترمزگيري تا زمان توقف كامل خودرو حداكثر ظرفيت حفظ شود. سيستم ترمز اضطراري توسط واحد كنترل الكتريكي ترمز قفل نشو كنترل مي گردد. حسگر حركت پدال ترمز و يك ميكروسوييچ اطلاعات اعمال فشار ترمز ناگهاني را به اطلاع واحد كنترل الكتريكي ارسال مي كنند و آن واحد با حركت شيربرقي روي بوستر ترمز فشار وارده به بوستر را افزايش مي دهند بنحوي كه اعمال فشار بر روغن ترمز سريعتر صورت مي پذيرد و خودرو سريعتر از حركت مي ايستد.
سه سيستم فوق نقش بسزايي در ايمني سرنشينان و همچنين عابرين پياده داشته و با توجه به دقت و سرعت عمل آنها، لزوم استفاده از سيستمهاي مكاترونيكي را در خودرو نشان مي دهد. در اين مقاله سعي شده است علاوه بر تشريح كامل اين سيستمها توانايي مكاترونيك در كنترل قسمتهاي مختلف خودرو نشان تحليل گردد.

تفاوت موتور های دیزلی و موتور های بنزینی؟

 

یک موتور بنزینی مخلوط هوا و گاز را مکش می کند و آنرا متراکم می کند و بعد  مخلوط را با جرقه مشتعل می کند  یک موتور دیزلی فقط هوا را می گیرد و  آنرا متراکم می کند و بعداً سوخت را به داخل هوای متراکم تزریق می کند .  گرمای حاصل از متراکم شدن هوا موجب مشتعل شدن خود به خودی سوخت می شود .نسبت تراکم موتور های بنزینی8:1 تا12:1 است، در حالیکه نسبت تراکم موتور های دیزلی 14:1به بالا مثلاً 25:1است . نسبت تراکم بالای موتور های دیزلی منجر به بهتر شدن بازده می شود . موتور های بنزینی معمولاً از کاربراتور استفاده می کنند که هوا و سوخت را قبل  از ورود به داخل سیلندر مخلوط می کند یا دریچه تزریق سوخت دارند که فقط سوخت  را پیش از مرحله مکش می پاشد(بیرون سیلندر). موتور های دیزل از تزریق سوخت  مستقیم استفاده می کنند  یعنی سوخت را مستقیماً به داخل سیلندر می پاشند .انیمیشن زیر سیکل دیزل را در یک کنش  نشان می دهد، شما می توانید آن را با ایمیشن موتورهای بنزینی مقایسه کنید و  تفاوت آنرا ببینید .توجه  کنید که موتور های دیزل شمع ندارند . آنها هوا را می مکند ( مکش می کنند ) و  آنرا متراکم می کنند و سپس سوخت را مستقیماً به داخل محفظه احتراق تزریق می  کنند ( تزریق یا پاشش مستقیم)  و در نتیجه گرمایی حاصل از متراکم شدن هوا  موجب مشتعل شدن سوخت در یک موتور دیزل می شود . در بخش بعد مرحله تزریق  سوخت دیزل را بررسی خواهیم کرد.
تزریق  سوخت در موتور های دیزل:

انژکتور در موتور های  دیزل از اجزای  بسیار پیچیده ای تشکیل شده است و موضوع بسیاری از آزمایشات  بزرگ بوده است . ممکن است در هر موتور خاصی در یک مکان مختلف جای گرفته باشد  . انژکتور بایستی قادر باشد تا دما و فشار داخلی سیلندر را تحمل کرده و سوخت  را به قطرات ریز تبدیل کند . گردابی کردن قطرات در داخل سیلندر که باعث پخش  متناسب آنها می شود ، نیز یک چالش است .  بنابراین بعضی موتور های دیزلی  سوپاپ مکش مخصوصی قبل از محفظه احتراق به کار می گیرند یا از وسایل دیگری  برای گردابی (چرخشی) کردن هوا در داخل محفظه احتراق استفاده می کنند و یا در  غیر این صورت جرقه زنی و فرآیند احتراق بهبود می دهند . یکی از تفاوتهای بزرگ  بین موتور های دیزلی و بنزینی در فرآیند تزربق سوخت است . اکثر موتور خودرو  ها از دریچه تزریق ( انژکتور) یا یک کاربراتور استفاده می کنند که نسبت به  تزریق مستقیم ترجیح دارد . بنابراین در یک موتور خودرو ، همه سوخت در داخل  سیلندر در طی مرحله مکش بارگذاری شده و سپس متراکم می شود . مقدار تراکم  مخلوط سوخت و هوا محدود به نسبت تراکم موتور است . اگر موتور هوا را بیش از  اندازه متراکم کند ، مخلوط سوخت و هوا به طور خود به خودی مشتعل می شود و سبب  ضربه زدن می شود . موتور های دیزل تنها هوا را متراکم می کنند، بنابراین نسبت  تراکم می تواند خیلی بالا باشد. نسبت تراکم بالا، قدرت بیشتری تولید می کند .
بعضی موتور های دیزل شامل یک شمع  گرمکن
*
از انواع آن  است. موقعی که یک موتور دیزل سرد است، مرحله کمپرس ممکن است دمای هوا را به  اندازه کافی برای مشتعل کردن سوخت بالا نبرد . شمع گرمکن (glow  plug) یک سیم گرمکن الکتریکی است (مانند سیم های داغی که شما در یک برشته کن می  بیننید) که محفظه احتراق را گرم می کند و دمای هوا را موقعی که موتور سرد کار  می کند را افزایش می دهد بنابراین موتور می تواند روشن شود .همه وظایف در موتور های جدید توسط  ارتباطECM** با مجموعه از سنسور  های پیچیده ای که هر چیزی را از دور موتور تا دمای روغن و مایع خنک کننده را  اندازه گیری می کنند ، حتی وضعیت موتور(i.e.  T.D.C.)کنترل می شود .
امروزه گرمکن ها به ندرت در  موتور های بزرگ استفاده می شود . ECMدمای هوای محفظه را حس می کند و تایمینگ موتور را در هوای سرد ریتارد می کند  ، بنابراین انژکتور سوخت را دیرتر تزریق می کند. هوا در داخل سیلندر بیشتر  متراکم می شود در نتیجه گرمای زیادی
ایجاد شده، که  به روشن شدن موتور کمک می کند .
موتور های کوچک و موتورهای که کنترل  کامپیوتری پیشرفته ندارند از گرمکن برای حل این مشکل(روشن شدن در هوای سرد)  استفاده می کنند البته تنها تفاوت بین موتور های  دیزلی و موتور های بنزینی دلایل مکانیکی نیست ،بلکه از لحاظ سوخت مصرفی شان  نیز دارای تفاوت هستند .

سوخت  دیزل:

اگر شما سوخت دیزل (گازوئیل) با بنزین مقایسه کنید ،  شما می دانید که آنها متفاوت هستند . آنها مطمئناً بوی متفاوتی دارند . سوخت  دیزل (گازوئیل) سنگین تر و روغنی تر است . گازوئیل نسبت به بنزین دیرتر تبخیر  می شود، در واقع نقطه جوش آن نسبت به آب بالاتر است. معمولاً وقتی صحبت از  سوخت دیزل می شود تمام توجهات معطوف به گازوئیل می شود .

 

سر فصل دروس مکاترونیک ارشد

دانشجویان در دوره فوق لیسانس بایستی 32 واحد درسی رو پاس کنند. که 6 واحد آن پروژه است.

دروس اصلی:

مکاترونیک 1 ، مکاترونیک 2 ، رباتیک پیشرفته ، ریاضیات مهندسی پیشرفته ، کنترل پیشرفته (معمولا کنترل دیجیتال درس میدند+ فضای حالت و از این حرفا تا فازی هم پیش میرند) ، شناسایی سیستمها ، کنترل محرک های الکتریکی.

دروس اختیاری:

شبکه های عصبی ، سیستم های توزیع شده ، پردازش تصویر (بینایی ماشین) ، اتوماسیون صنعتی ، مدیریت صنعتی (دقیقا یادم نیست چی بود، راجب تیم ورک بود)، کنترل فازی ، سیستم های خبره.

دروس پیش نیاز: (برای کسانی که این دروس را در دوره لیسانس پاس نکردند!)

استاتیک ، دینامیک ، الکترونیک 1و2، ریزپردازنده (ممکن است میکرو کنترلر هم درس بدند) ، کنترل خطی.

با امید موفقیت شما در این رشته تحصیلی.

محصولات مکاترونیکى

 

فناوری مکاترونیک در بسیارى از زمینه ها کاربرد روزافزونى پیدا کرده است که در اینجا به بعضى از آنها اشاره مى کنیم. در صنایع خودروسازى، استفاده از موتورهاى با کنترل الکترونیکى به جاى کنترل کننده سنتى آن یعنى کاربراتور، باعث بهبود عملکرد موتور و کاهش مصرف سوخت و آلودگى شده است. همچنین سیستم ترمزهاى ضدقفل، سیستم تهویه هواى اتوماتیک، فرمان هاى با کمک الکتریکى _ هیدرولیکى، خودروهاى الکتریکى _ ترکیبى و… از دیگر کاربردهاى فناورى مکاترونیک در صنایع خودروسازى هستند.
در زمینه محصولات صنعتى با مصارف خانگى، مى توان به ماشین هاى لباسشویى و یا خشک کن جدید اشاره کرد که عملکرد آنها با استفاده از کنترل هوشمند به منظور مصرف بهینه انرژى، صرفه جویى در مصرف آب و همچنین افزایش کیفیت، بهبود فراوانى یافته است.
در محصولات صنعتى با کاربرد ادارى، مى توان به چاپگرها و اسکنرهاى لیزرى، دستگاه هاى کپى دیجیتال و یا دیسک درایوهاى جدید اشاره کرد که از جمله محصولات مکاترونیکى هستند.
در زمینه صنایع دفاعى مى توان به سیستم هاى هدایت موشک و یا سلاح هاى هوشمند اشاره کرد. همچنین از دیگر محصولات مکاترونیکى، دوربین هاى خودتنظیم، ماشین هاى ابزار کامپیوترى و روبوت هاى صنعتى هستند که تاثیر فراوانى در کاهش هزینه و زمان تولید و بهبود کیفیت محصولات تولیدى گذاشته اند

تفاوت مکاترونیک و رباتیک

مکاترونیک یک رشته ی چند تخصصی ، شامل رشته های مهندسی مکانیک ، مهندسی الکترونیک و مهندسی کامپیوتر است . مکاترونیک از دو کلمه ی "مکا" مخفف مکانیک و "ترونیک" مخفف الکترونیک مشتق شده است . رباتیک نیز همانند مکاترونیک از سه رشته ی هندسی مکانیک ، مهندسی الکترونیک و مهندسی کامپیوتر بوجود آمده است .

   تفاوت اصلی در آن است که سیستم های مکاترونیکی ورودی هایشان فراهم شده است (تمام ورودی ها از قبل تعریف شده و شناخته شده است) ؛ در حالی که سیستم های رباتیکی باید خودشان ورودی ها را از محیط دریافت نمایند. به عنوان مثال چراغ راهنمایی و رانندگی و ماشین لباسشویی ، سیستم های مکاترونیکی هستند . در چراغ راهنمایی و رانندگی وقتی انسان دکمه ای را فشار می دهد رنگ چراغ تغییر می کند و در ماشین لباسشویی دمای آب ، زمان و ... به آن داده شده است.  حتی وقتی چراغ راهنمایی و رانندگی در حالت خودکار قرار می گیرد و بدون نیاز به فشردن دکمه ای ، کار می نماید . هنوز به عنوان سیستم مکاترونیکی شناخته می شود چون ورودی هایش (زمان روشن بودن هر رنگ) برایش فراهم گردیده است . این فرایند ، خوکار (اتوماتیک) نامیده می شود . آن چه گفته شد در تضاد است با حالتی که چراغ راهنمایی و رانندگی دارای یک دوربین جهت تشخیص مردمی که می خواهند از عرض خیابان شوند باشد و رنگ چراغ را با توجه به فشردگی جمعیت تغییر دهد. آن چه گفته شد یک سیستم رباتیک است . این فرایند را خودمختاری (اتونوموس) گویند .

نتیجه 

* سیستم های مکاترونیکی ورودی هایشان فراهم شده است در حالی که سیستم های رباتیکی باید خودشان ورودی ها را  از محیط دریافت نمایند.

* سیستم های مکاترونیکی خودکار هستند در حالی که سیستم های رباتیکی خودمختار هستند.

* سیستم های رباتیکی نیازی به دید انسان ها (فکر و محاسبات بشر) ندارند ، در حالی سیستم های مکاترونیکی نیازمند فکر انسان ها از قبل یا همزمان می باشند.

-------------------------

 امروزه دو علم مکاترونیک و رباتیک در ایران یک علم جدید شناخته می شود ، مهندسی مکاترونیک در مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد تدریس می شود ، اما متاسفانه مهندسی رباتیک فقط در مقطع کارشناسی تدریس می شود و خبری از تدریس مهندسی رباتیک در مقطع کارشناسی ارشد حتی در آینده نیز به گوش نمی رسد . این در حالی است که در کشور های پیشرفته صنعتی دنیا مانند ایالات متحده آمریکا رشته ی مهندسی رباتیک به طور مجزا از مکاترونیک و رشته های دیگر از مقطع کارشناسی تا مقطع پست دکتری تدریس می شود . متاسفانه بعضی ها در ایران این دو رشته را یکی می دانند یا دیده شده است که مهندسی رباتیک را یکی از گرایش های مکاترونیک نام می برند . این درست است که یکی از گرایش های مکاترونیک در مقطع کارشناسی ارشد رباتیک است اما رشته های مکانیک طراحی کاربردی ، مکانیک ساخت و تولید ، کنترل ، هوش مصنوعی نیز دارای گرایش رباتیک در مقطع کارشناسی ارشد می باشند . این در حالی است که رشته ی رباتیک با رشته های مکاترونیک ، مکانیک طراحی کاربردی ، مکانیک ساخت و تولید ، کنترل و هوش مصنوعی متفاوت است. چون رباتیک یکی از گرایش های رشته ی مذکور است دلیل نمی شود که رباتیک را زیر مجموعه ی آن رشته بنامیم. امیدواریم با خواندن این مقاله تفاوت مکاترونیک با رباتیک بر خوانندگان روشن شده باشد و این مقاله جرقه ای باشد برای گسترش مهندسی رباتیک در مقاطع بالاتر در دانشگاه های کشور .

علت نامگذاری مکاترونیک

 

نام مکاترونیک از دوکلمه ی مکانیک و الکترونیک ریشه می گیرد و روشی چند رشته ای و جدید برای طراحی و ایجاد محصولی است که مبانی رشته های مهندسی برق، مکانیک، کامپیوتر، مواد، شیمی و صنایع را با هم در می آمیزد. سیستم های مکاترونیکی نوعا از اجزا سنتی مکانیک و الکتریک تشکیل شده اند ولی به دلیل بکارگیری حسگرها، عملگرها و سیستم های کنترل کامپیوتری از آن ها به عنوان سیستم های هوشمند نیز یاد می شود.  

 مکاترونیک را می توان یک فرآیند نوین مهندسی نامید که با طراحی و ساخت محصولات و سیستم های هوشمندی سر و کار دارد و شامل ترکیبی از عملگرهای مکانیکی و الکترونیکی هستند. به طور خلاصه سیستم های مکاترونیک را میتوان سیستم های هوشمند الکترومکانیک نامید.                             کسانی که در رشته ی مکاترونیک مهارت کسب می کنند باید اطلاعت کلی از شماری از تکنیک ها به دست آورند و قابلیت اداره ی کل فرآیند طراحی را داشته باشند. آنها باید قادر باشند از منابع اطلاعاتی سایرین بهره برده و از ترکیب ویژه ی فناوری هایی که اقتصادی ترین ، جدیدترین، زیبا ترین و مناسب ترین راه حل را برای مساله مورد نظر ارائه می دهند استفاده نمایند. صنعت به مهندسان مکاترونیک برای ساخت سریع محصولات جدید با بازدهی و کیفییت بالا و قیمت پایین نیازمند است.                           در آزمون کارشناسی ارشد این رشته دروس زبان عمومی-تخصصی و ریاضیات الزامی می باشد اما در مورد سه درس دیگر دانشجویان می توانند سه درس از بین 8درس دینامیک، کنترل، هوش مصنوعی، مدارهای منطقی و ریزپردازنده ها، الکترونیک1و2، برنامه نویسی و الگوریتم انتخاب نمایند. همانطور که از دروس اختیاری این رشته برمی آید متقاضیان اصلی این رشته دانش آموختگان رشته های برق، مکانیک و کامپیوتر می باشند. 

 علاوه بر دانشگاه آزاد اسلامی، دانشگاه های خواجه نصیر الدین طوسی(10 نفر روزانه،5 نفر شبانه) و سمنان(4 نفر روزانه، 1نفر شبانه) در سال 85 در این رشته دانشجو پذیرش کرده اند.

سیستم های مکاترونیکی

 

  

 آشنايي با سيستم هاي مکاترونيکي، ربات ها و کاربرد آن ها در صنعت :پيشرفت سريع و انفجاري علوم و فنون مهندسي، معاني و حوزه‌هاي جديدي در اين بخش از دانش بشري ايجاد کرده‌است. مكاترونيك يكي از پديده‌هاي مهندسي نوين است كه در آن تکنولوژي هاي مختلف مکانيک، الکترونيک، کنترل و کامپيوتر، در کنار هم براي کمک به توليد متنوع‌تر و به ‌نوعي هوشمند مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين کارگاه آموزشي با مفهوم يک سيستم مکاترونيکي، عناوين موضوعات مورد نياز يک مهندس مکاترونيک، چگونگي عملکرد مولفه هاي مختلف موجود در يک سيستم مکاترونيکي، نمونه هايي از کاربرد سنسورها و عملگرها و ساختار ربات ها به عنوان کانون مکاترونيک، آشنا مي‌شويم.

کارگاه کاربرد سنسورها در ساختمان هاي هوشمند
(يا: نقش سنسورها در (Intelligent Building Management System (IBMS)

سنسورها از جمله اجزاء اصلي و مهم سيستم‌هاي کنترل هوشمند مي‌باشند که با ارائه اطلاعات محيطي نقش ارزنده‌اي را در بسياري از جنبه هاي زندگي روزانه بشر بر عهده دارند. آنها در انواع محصولات مصرفي از قبيل ساختمان‌ها، منازل و ملزومات خانگي، اتومبيل‌ها، تجهيزات پزشکي و نظامي و... به‌کار گرفته مي‌شوند. بدون استفاده از سنسورها عمليات نظارت و کنترل و در نتيجه هوشمندي تحقق نمي‌پذيرد.

در اين کارگاه، با انواع سنسورها و اصول کارکرد آن‌ها، معناي ساختمان‌هاي هوشمند، کاربرد سنسورها در ساختمان‌ها و ضرورت استفاده از بعضي از آنها در صرفه جويي انرژي، افزايش امنيت و آسايش و رفاه ساکنين ساختمان‌ها آشنا شده و از نزديک چند نمونه ساده از سنسورها مورد بررسي آزمايشگاهي قرار خواهد گرفت.

 

معرفي مکاترونيک و جايگاه آن در مهندسي نوين

پيشرفت سريع و انفجاري علوم و فنون مهندسي، معاني و حوزه‌هاي جديدي در اين بخش از دانش بشري ايجاد کرده‌است. مكاترونيك به عنوان يكي از پديده‌هاي مهندسي نوين است كه در آن تکنولوژي هاي مختلف مکانيک، الکترونيک، کنترل و کامپيوتر که در کنار هم براي کمک به توليد متنوع‌تر و به ‌نوعي هوشمند مورد استفاده قرار مي‌گيرد. ربات‌ها که نقش خود را در اين زمينه به خوبي ايفا کرده‌اند در نقطه کانوني­ اين علم قرار مي‌گيرند. در اين کارگاه آموزشي با مفهوم مکاترونيک و درک اهميت آن در صنعت آشنا مي‌شويم و ضمن معرفي توانمند‌ي‌هاي مهندسان مکاترونيک, زير مجموعه‌هاي مکاترونيک و علوم وابسته به آن، با بررسي و تحليل يک ربات توضيح داده خواهد شد. همچنين چند نمونه ديگر از سيستم‌هاي مکاترونيکي و تحليل اجمالي آنها در گروه‌هاي چند نفره از شرکت کنندگان از ديگر قسمتهاي اين کارگاه خواهد بود.

ميکروکنترلرهاي 8051-AVR

با پيشرفت تکنولوژي مجتمع سازي تراشه‌ها، ميکروکنترلرها با ايده "يک سيستم بر روي يک تراشه" پا به عرصه گذاشتند. امروزه ميکروکنترلرها در کنترل برخي فرايندهاي صنعتي و نيز در بسياري از محصولات داراي کنترل خودکار از جمله در سيستم‌هاي خودکار درون اتوموبيل‌ها، ماشين‌هاي اداري، لوازم خانگي و حتي اسباب بازي‌ها رواج بسيار يافته‌اند. حجم کم، قيمت بسيار مناسب و سهولت طراحي سيستم‌هاي مبتني بر ميکروکنترلر از دلايل اين امر است. يکي از ميکروکنترلرهاي کلاسيک و داراي طراحي نبوغ‌آميز (با معماري CISC) ميکروکنترلر 8051  مي‌باشد. ميکروکنترلرهاي خانواده AVR نيز از جمله ميکروکنترلرهاي پيشرو با توانمندي‌هاي متنوع (با معماري RISC) مي‌باشند. در اين کارگاه آموزشي به معرفي اين دو ميکروکنترلر و ابزارهاي مرتبط به آنها, معرفي نرم افزارهاي Franklin و Odevision، معرفي شبيه‌ساز Proteus و طراحي سيستم‌هاي مبتني بر ميکروکنترلر پرداخته مي‌شود.