thiết kế robot tự động dò đường sử dụng vi điều khiển (pic8f4431)

MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ 1.Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot 2.Điều khiển chiều quay động cơ đảo chiều động cơ 3.Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều CHƯƠNG 3.. Ban đầu từ n

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

………

………

………

……….

………

………

………

………

……….

………

………

………

………

……….

……….

……….

Hưng Yên, Ngày….tháng… năm 2010 Giáo Viên Hướng Dẫn :

Nguyễn Ngọc Minh

Môc lôc

PHẦN I : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

A: Mục tiêu của đề tài

B Phương án lập trình điều khiển cho robot.

1.Vi điều khiển 89C51

2.Vi điều khiển PIC.

3 Một số giải thuật phương án lập trình

PHẦN III : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG LẮP RÁP RÔBÔT

CHƯƠNG 1 CẢM BIẾN TRONG ROBOT

1 Cảm biến dò đường

2.Công tắc hành trình

3.Cảm biến quang

CHƯƠNG 2 MẠCH CÔNG SUẤT ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ

1.Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot

2.Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ)

3.Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều

CHƯƠNG 3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT

1.Thiết kế mạch tổng quát điều khiển Robot

2.Thiết kế mạch điện tử cụ thể cho từng môdul

CHƯƠNG 4 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT

1.Giới thiệu phần mềm CCS C

2 Các hàm cơ bản trong CCS C

3 Thuật toán điều khiển RôBôt

a.Lưu đồ thuật toán

… mục đích của chúng ta là tạo ra những con robot ngày càng trở nên thân thiện hơn nữa với con người

Cùng với sự phát động phong trào Rôbôt mạnh mẽ của trường Đại học sư phạm kĩ thuật Hưng Yên trong những năm gần đây khoa Điện – Điện Tử đã phát động cuộc thi

Racing ( Rôbôt đua) nhằm khuyến khích niềm đam mê Rôbôt của sinh viên khoa Điện – Điện Tử nói riêng và nhà trường nói chung chúng em đã bắt tay vào nghiên cứu ngay từ những ngày đầu tiên và phát triển lên thành đề tài đồ án môn học này.

Sau một thời gian tập trung nghiên cứu, tìm tòi, học hỏi, đặc biệt dưới sự chỉ bảo,

hướng dẫn nhiệt tình của thầy: Nguyễn Ngọc Minh cùng các thầy cô trong khoa đã giúp

đỡ, tạo điều kiện cho chúng em hoàn thành đồ án môn học này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Nguyễn Ngọc Minh, cùng các thầy,cô

đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học này!

Nhóm sinh viên thực hiện :

- Thiết kế và chế tạo phần cơ khí

- Thiết kế và chế tạo mạch điện điều khiển robot

- Lập trình điều khiển robot

- Khơi dậy niềm đam mê cho sinh viên và khả năng sáng tạo cho sinh viên, vận dụng những kiến thức được trang bị trong nhà trường vào trong thực tế, khả năng làm việc theo nhóm

B Chủ đề và luật chơi

I: Giới thiệu về sân thi đấu và kích thước

* Sân thi đấu:

a Sân thi đấu với màu sắc và kích thước được thể hiện trên Hình số 1 Sân được chia làm 2 vùng: vùng màu xanh cho Robot của đội 1; vùng màu đỏ cho Robot của đội 2

b Chất liệu của sân thi đấu bằng nhựa, mặt sân bằng phẳng

Sân thi đấu

II : Chủ đề và luật thi

* Giới thiệu cuộc thi ROBOT RACING CONTEST

1.Đội thi đấu: Mỗi đội thi đấu không quá 03 thành viên

2 Đối tượng tham dự: Sinh viên Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ

thuật Hưng Yên

3 Thời gian thi đấu: Mỗi trận đấu kéo dài 03 phút

4 Quy định về Robot

a Mỗi đội sử dụng một Robot duy nhất

b Khối lượng Robot không quá 2kg

c Kích thước Robot (dài x rộng x cao) không vượt quá 300 x 200 x 200 mm

d Nguồn điện sử dụng cho Robot không vượt quá 09V (DC)

e Robot không được sử dụng sóng vô tuyến hoặc các phương tiện truyền dẫn không dây khác

5 Cách tính điểm

a Các Robot thực hiện đi từ điểm xuất phát (START) đến điểm đích (FINISH) vớihành trình 02 vòng liên tiếp theo hướng được quy định như trên Hình số 1 Hành trình vòng 1 được xác định khi Robot lần lượt đi qua các điểm Checkpoint 1, Checkpoint 2, Checkpoint 3, Checkpoint 4 và trở về điểm xuất phát (START) Hành trình vòng 2 được xác định khi Robot lần lượt đi qua các điểm Checkpoint 1, Checkpoint 2, Checkpoint 3, Checkpoint 4 và điểm đích (FINISH) Mỗi một điểm Checkpoint và điểm xuất phát (START), đích (FINISH) mà Robot đi qua được tính 10 điểm Số điểm tối đa mà một Robot đạt được trong một trận đấu là 100 điểm Khi có một đội về đích, trận đấu được kếtthúc (KNOCK-OUT)

b Thứ tự ưu tiên sẽ là: điểm trận (đội thắng được 3 điểm, đội hòa được 1 điểm, đội thua được 0 điểm), điểm hành trình (từ 0 đến 100 điểm), và điểm thời gian (từ 0 đến 180

giây) Khi hai đội có cùng số điểm có số điểm hành trình cao hơn sẽ là đội thắng cuộc Khi hai đội có cùng số

điểm trận và điểm hành trình, đội có thời gian thực hiện hành trình ngắn hơn sẽ là đội thắng cuộc

c Các đội được phép retry Robot với số lần retry không hạn chế, việc retry Robot được thực hiện tại điểm Checkpoint gần nhất mà Robot vượt qua được Trong trường hợp Robot bị phạm luật bởi Robot đối phương, Robot bị phạm luật được phép retry.

6 Phạm luật

Các trường hợp sau được cho là phạm luật và Robot bị truất quyền thi đấu:

a Robot đi không theo hướng hành trình quy định

c Robot hai đội chạm nhau, Robot gây va chạm trên phần sân của đổi phương là Robot phạm luật

d Robot dừng quá 10 giây

PHẦN II : Ý TƯỞNG VÀ PHƯƠNG ÁN CHẾ TẠO RÔBÔT

* Sau một thời gian nghiên cứu và phân tích yêu cầu của luật thi do khoa phát động chúng em đã đưa ra những ý tưởng và phương án chế tạo robot để giải quyết đề tài của cuộc thi như sau:

A Phương án về mảng cơ khí

 Giải pháp thiết kế cơ cấu cơ khí:

Để phù hợp với yêu cầu luật thi cuộc thi yêu cầu Rôbôt có tốc độ cao trong suốt quá trình đua nên cơ cấu phải gọn nhẹ bám đường tốt bẻ lái góc cua thật tốt và tăng tốc độ trên những đoạn đường thẳng

- Qua nhiều ngày họp bàn ý tưởng và tham khảo các video cũng như những mô hình Rôbôt Racing BKIT chúng em đã thiết kế và test thử tất các mô hình Ban đầu từ những

mô hình thứ nhất và được tối ưu qua các lần chế tạo tiếp theo cuối cùng đã thông nhất ra một mô hình tối ưu và đã thử nghiệm thành công

- Mô hình của bọn em như sau : mô hình Rôbôt đua xe F1,bẻ lái bánh trước nhằm đạt tốc độ cao trên suốt quãng đường đua

- Động cơ bẻ lái là động cơ RC Servo

- Chuyển động hai bánh sau bằng động cơ điện một chiều tỉ số truyền được thay đổi qua cơ cấu truyền đai

* Yêu cầu chế tạo Rôbôt kích thước phù hợp luật thi chiều dài nhỏ hơn 30cm, chiều rộng nhỏ hơn 20cm, chiều cao nhỏ hơn 20cm, khối lượng nhỏ hơn 2kg

 Chúng em đã chế tạo thành công mô hình Rôbôt Racing tham gia cuộc đua Racing do khoa Điện – Điện Tử tổ chức với nhưng thành tích cao như sau:

+ IT02 : giải nhất

+ IT01 : giải nhì

+ IT03 : giải ba

+ IT04 : giải ba

+ IT05 : giải khuyến khích

B Phương án lập trình điều khiển cho robot.

Vi điều khiển PIC.

Vi điều khiển PIC của microchip là một sự lựa chọn rất tốt cho các đội robocon donhững tính năng vượt trội của nó so với các loại vi điều khiển khác như bộ nhớ flash lớn

và có nhiều modul như : PWM, ADC,Timer, ngắt đặc biệt với sự hỗ trợ của trình dịch như CCS C và bằng việc viết bằng ngôn ngữ C người lập trình sẽ rất mềm rẻo trong việc khai triển thuật toán Hiện nay trên thị trường có khá nhiều dòng vi điều khiển PIC.VD: pic16f877, pic16f84, pic16f828, PIC18F4x31 v.v.v

Đánh giá các dòng PIC

- Dòng PIC nhiều chân nhất là dòng PIC18Fxxxx, có những số chân lên đến 80 chân.

- Dòng PIC ít chân nhất là dòng PIC10Fxxx, chỉ có 6 chân

- Dòng PIC phổ biến nhất là dòng PIC16F877A (đủ mạnh về tính năng,40 chân, bộnhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường)

- Dòng PIC hỗ trợ giao tiếp USB là dòng PIC18F2550 và PIC18F4550

- Dòng PIC điều khiển động cơ mạnh nhất là dòng PIC18F4x31

Vi điều khiển PIC 18F4431

Kết Luận:

Qua phân tích các loại dòng vi điều khiển, chúng em đã lựa chọn vi điều khiển loại PIC18F4431chuyên dụng điều khiển động cơ với các ưu điểm nổi bật so với các loại vi điều khiển khác:

 Dung lượng bộ nhớ lớn hơn: PIC18F4431 có 16 Kbyte Flash nội trú bêntrong, trong khi đó họ 80C51 chỉ có 4Kbyte Trong bộ nhớ dữ liệu RAM, PIC18F4431 cóvùng RAM mở rộng gồm 768 Byte , 256 byte EPROM

 PIC18F4431 có 3 bộ Timer/Counter

 2 module Capture/Compare/PWM (CCP)

 9 kênh chuyển đổi ADC 10bit

 Đặc biệt PIC18F4431 modul control power PWM (14 bit) từ pwm0 đếnPwm7 sử dụng rất đơn giản và linh hoạt cho việc điều xung (rất thuận tiện cho mạch điềukhiển động cơ sử dụng phương pháp PWM để điều chỉnh tốc độ động cơ)

2.Giới thiệu VĐK PIC18F4431

2.1.Những đặc điểm của PIC18F4431

2.1.1 Đặc điểm nổi bật PIC18F4431:

 33 Đầu vào ra output ,input

 14-Bit Power Control PWM Module:

- Có 4 kênh (mỗi kênh gồm 1 cặp xung đối nghịch)

- Thời gian dead time linh hoạt

- Update từng duty cycle => ngõ ra PWM đáp ứng nhanh

 Motion Feefblack Module

+ Có 3 kênh capture độc lập:

- Các chế độ hoạt động linh hoạt cho việc đo đạc độ rộng xung

- Module hỗ trợ Hall sensor + Quadrature encoder interface:

- 2 pha vào và 1 ngõ vào index từ encoder

- Hỗ trợ đo đạc vận tốc

 High speed, 200Ksps 10 bit A/D converter

+ Có 9 kênh A/D

+ 2 kênh lấy mẫu tức thời

+ Lấy mẫu lien tục:1, 2 hay 4 kênh lựa chọn

 Flexible Oscillator structure :

+ 3 nguồn ngắt ngoài

+ 2 modul capture /compare/pwm ( CCP)

- Capture 16 bit độ phân giải tối đa 6.25 ns (Tcy/6)

- Compare 16 bit , độ phân giải tối đa 100ns(Tcy)

- PWM output: độ phân giải từ 1 ->10 bit

- Là CPU sử dụng tập lệnh RISC và có tốc độ xử lý cao và công suất nhờ sử dụng

công nghệ CMOS FLASH/EFPROM

- Bộ chuyển đổi 10 bít ADC với tốc độ 5 ->10 us

- Cổng serian đồng bộ với chế độ SPI và I2C (master/slaver) thực hiện bằng phần

cứng

- Chế độ truyền nhận động bộ /bất đồng bộ với 9 bit địa chỉ kiểm tra

- Cổng song song (PSP) 8 bit

- Các chế độ định địa chỉ trực tiếp, gián tiếp, tướng đối

- Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình

- Có chế độ bảo vệ mã lập trình

- Chế độ SLEEP (tạm nghỉ) để tiết kiệm điện năng

- Cho phép chọn lựa chế độ dao động(nội , ngoại)

- Được sản xuất với nhiều loại khác nhau với cùng 1 mã vi điều khiển, tùy thuộc số

tính năng được trang bị them, các kiểu đế cắm: PDIP(40 chân),PLCC và QFP(cùng

44 chân)

2.2.Sơ đồ khối của PIC18F4431

Hình 8: Sơ đồ khối của PIC18F4431

2.3.Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431

2.3.1.Sơ đồ chân:

Hình 9: Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431

2.3.2.Chức năng các chân của Pic 18F4431

a Port A (RA0 – RA5) : chân 2 –> chân 7

- chân chức I/O năng output ,input

- Đầu vào các kênh chuyển đổi ADC

- Có tất cả 6 chân, từ RA0 -> RA5 Trong đó RA2 và RA3 dùng để tiếp nhậnđiện áp so sánh Vref+ và Vref-

- RA2 ,RA3,RA4 là chân đầu vào module feedback chuyên đọc ecoder tần sốcao

- RA4 còn là ngõ vào của xung clock cho timer0 RA5 có thể làm chân chọnslave cho port serial đồng bộ

b.Port B (RB0 – RB7) : chân 33 –> chân 40

- Các chân đầu vào ,ra input output

- chân ra cuả các modul điều xung power pwm (RB0->PWM0,

RB1->PWM1, RB3->PWM3, RB4->PWM5

- RB7 và RB6 chân nạp chương trình trực tiếp PGC,PGD

c.Port C (RC0 – RC7) : chân 15,16,17,18 và chân 23,24,25,26

- Là port I/O có 8 chân input,output

- RC0 dùng làm đầu vào bộ dao động xung clock cho Timer1

- RC1 và RC2 là 2 chân của bộ CCP1 và CCP2

- RC3 là chân ngắt ngoài INT0 và đầu vào xung clock cho bộ Timer 0

- RC4 chân ngắt ngoài INT1 và còn là chân SDI serial data in của modultruyền thông SPI

- RC5 chân ngắt ngoài INT2, và chân SCK serial clock của module truyềnthông SPI

- RC6 và RC7 là chân TX và RX của modul truyền thông USART chuẩnRS232 ,chân SDO serial data out module SPI

d.Port D (RD0 – RD7) : chân 19.20.21.22 và chân 27,28,29,30

- Là port I/O

- RD1 đầu vào xung clock ngoài của bộ timer 5

- RD2, RD3 là các chân SDA, SCL của truyền thong I2C

- RD5, RD6,RD7 là đầu ra của modul power Pwm4,pwm6,pwm7

e.Port E (RE0 – RE2) : chân 8 –> chân 10

g.Dao đông ngoài :

- chân OSC1 : chân 13

+ chân OSC2 : chân 14

Hình 10: Mạch dao động

h.Chân RESET: chân 1

2.3.3 Bộ định thời trong PIC

Pic 18f4431 có 4 bộ định thời:

a Timer0

Có các chức năng sau:

 Bộ timer/couter 8bit hoặc 16 bit

 Có thể đọc hoặc ghi được

 Nguồn xung clock có thể lấy từ bên trong hoặc bên ngoài

 Ngắt tràn từ ffh->00 với 8 bit và từ ffffh ->0000h với chế độ 16 bit

 Chọn cạnh cho xung clock ngoài

 Thanh ghi điều khiển T0CON

 Sơ đồ thanh ghi T0CON

Bảng 02: Thanh ghi T0CON

Bit 7 : TMR0ON bit điều khiển cho phép on/off

1= cho phép timer0 hoạt động

0 = không cho phép timer0 hoạt động

Bit6 T016BIT : chọn chế độ 16 bit timer0

1 = timer0 chế độ 8 bit timer/counter

0 = timer0 chế độ 16 bit timer/counter

Bit5 T0CS : timer0 bit chọn nguồn xung clock cho timer

1 = nguồn xung clock ngoài lấy từ pin T0CKI

0 = lấy từ dao động nội (CLK0)

Bit 4 T0SE : timer0 bit chọn cạnh xung clock ngoài

1 = cạnh xung HIGH_TO_LOW trên pin T0CKI

0 = cạnh xung LOW_TO_HIGH on pin T0CKI

Bit 3 PSA : bit cho phép chia tần trước của timer0

1 = cho phép chia tần trước

0 = cho phép chia tần trước và đầu vào clock của timer0 lấy từ đầu ra prescale

Bit 2 T0PS2:T0PS0: Timer0 chọn hệ số chia tần lock cho timer

111 = 1:256 Prescale value // chia trước 256

110 = 1:128 Prescale value // chia trước 128

 có thể đọc ghi và xóa được

 xung clock cho timer có thể chọn bên ngoài hay bên trong

 ngắt tràn từ ffffh ->0000h

 thanh ghi điều khiển T1CON

Sơ đồ thanh ghi điều khiển khiển T1CON

REGISTER 12-1: T1CON: TIMER1 CONTROL REGISTER

R/W-0 R-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0RD16 T1RUN T1CKPS

1

T1CKPS0

T1OSCEN

T1SYNC

TMR1CS

TMR1ON

bit 7 bit 0

Thanh ghi T1CON

bit 7 RD16: 16-Bit định chế độ hoạt động 8 hay16 bit

1 = cho phép timer 1 hoạt động ở chế độ 16 bit

0 = cho phép timer 1 hoạt động ở chế độ 8 bit

bit 6 T1RUN: Timer1 Clock

1 = nguồn clock được lấy từ dao động timer1

0 = nguồn clock lấy từ nguồn khácbit 5-4 T1CKPS1:T1CKPS0: lựa chon tỉ lệ chia clock đầu vào cho timer 1

11 = 1:8 Prescale value // chia trước 8 lần

10 = 1:4 Prescale value

01 = 1:2 Prescale value

00 = 1:1 Prescale valuebit 3 T1OSCEN: bit cho phép

dao động timer1

1 = cho phép bộ dao động Timer1

0 = khóa bộ dao động timer1bit 2 T1SYNC: bit chọn đồng bộ ngoài xung clock của timer1

When TMR1CS = 1 (dùng dao động nội):

1 = không đồng bộ với clock ngoài ở chân input

0 = đồng bộ với clock ngoài

Sử dụng khi TMR1CS = 0 (clock nội):

Bit 1 TMR1CS : chọn nguồn xung clockcho timer 1

1 = nguồn xung clock ngoài từ chân RC0/T1OSO/T13CKI

0 = clock nội lấy từ thạch anh (FOSC/4)

c Timer2

 hoạt động ở chế độ 8 bit

 Có thể đọc hoặc ghi

 Co thể lập trình chia tần trước prescaler (1:1, 1:4, 1:16) postscaler (1:1 to 1:16)

 Thanh ghi điều khiển T2CON

Sơ đồ thanh ghi điều khiển T2CON

U-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0

S3

TOUTPS2

TOUTPS1

TOUTPS0

TMR2ON

T2CKPS1

T2CKPS0bit 7 bit 0

Legend:

R = Readable

bit

W = Writable bit

U = Unimplemented bit, read as ‘0’-n = Value at

POR

‘1’ = Bit is set ‘0’ = Bit is cleared x = Bit is unknown

Thanh ghi T2CON

bit 1-0 T2CKPS1:T2CKPS0: lựa chọn tỉ lệ chia clock đầu vào timer2

00 = Prescaler is 1 // chia trước 1

01 = Prescaler is 4 // cứ 4 clock thì co 1 clock được đưa vào timer21x = Prescaler is 16

 Thanh nghi điều khiển T5CON

R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0T5SEN RESEN

(1)

T5MOD

T5PS1 T5PS0 T5SYNC(

2)

TMR5CS

TMR5ON

bit 7 bit 0

Thanh ghi T5CON

bit 7 T5SEN: Timer5 chế độ ngủ

1 = cho phép timer5 ở chế độ sleep

0 = không cho phép Timer5 SleepBit 6 RESEN: reset bit 1 bằng sự kiện

1 = không cho phép sự kiện reset bit 1

0 = cho phép reset đặc biệt với bit 1bit 5 T5MOD: bit chọn chế độ hoạt động

1 = cho phép chế độ hoạt động không liên tục

0 = cho phép chế độ hoạt động liên tục

bit 4-3 T5PS1:T5PS0: bit chọn chia tần trước cho timer5

1 = không đồng bộ với nguồn xung ngoài vào

0 = đồng bộ với nguồn xung ngoài vào

Khi TMR5CS = 0:

Timer 5 sử dụng clock từ bộ dao động thạch anh

bit 1 TMR5CS: lựa chọn nguồn xung clock cho timer 5

1 = xung đếm timer ngoài ở chân T5CKI

0 = xung clock nội từ thạch anh (TCY)

bit 0 TMR5ON: bit cho phép timer 5 hoạt động

1 = cho phép timer 5 hoạt động

0 = không cho phép timer 5 hoạt động

4.3.4 Ngắt (interrupts)

Pic18F4431 có nhiều nguồn ngắt khác nhau có mức độ ưu tiên khác nhau ,vector ngắt có ưu tiên cao nhất ở địa chỉ 000008h , vector ngắt có địa chỉ thấp nhất ở địa chỉ 0000018h mổi khi có sự kiện ngắt thì vi điều khiển sẽ dừng chương trình chính để thực hiên chương trinh ngắt

Có 10 thanh ghi điều khiển ngắt: RCON, INTCON,INTCON2,INTCON3,

PIR1,PIR2,PIR3, PIE1,PIE2,PIE3,IPR1,IPR2,IPR3

mỗi nguồn ngắt có 3 bít điều khiển ngắt :

 Bit cờ chỉ sự kiện ngắt suất hiện

 Bit cho phép thực thi chương trình rẽ nhánh đến địa chỉ vector ngắt khi cờ ngắt đãbật

 Bit ưu tiên để chọn mức ưu tiên cao hay thấp

Sơ đồ thanh ghi INTCON

REGISTER 9-1: INTCON: INTERRUPT CONTROL REGISTER

R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-0 R/W-xGIE/

GIEH

PEIE/

GIEL

TMR0IE

INT0IE RBIE TMR0I

F

INT0IF RBIF(1

)

bit 7 bit 0

Thanh ghi INTCON

2.4 Các modul cơ bản của PIC18F4431

2.4.1 Power control PWM modul

- Power control PWM modul đơn giản là tạo ra nhiều xung động bộ có độ rộng xung thay đổi được( PWM: pulse Width Modulation) Các ngõ ra của PWM ứng dụng trong điều khiển động cơ và các ứng dụng điều khiển công suất Modul PWM này hỗ trợ điều khiển các ứng dụng sau:

+ Động cơ KĐB 1 pha và 3 pha

+ Swithched Reluctance Motor+ Động cơ DC không chổi than+ UPS ( Uninterruptible Power Suppliers)+ Mutiple DC Brush motor

 Các thông số cơ bản của PWM

+ Có 8 ngõ I/O PWM với 4 duty cycle khác nhau+ Độ phân giải 14 bit dựa trên periode

+ Thời gian dead time có thể lập trình ( ứng dụng trong trường hợp PWM đối nghịch -> chống trùng dẫn)

+ Ngắt hỗ trợ update không đối ( asymmertrical update) xứng trong chế độ canh giữa

Trong modul PWM có 4 bộ tạo duty cycle riêng biệt, chúng được đánh số từ 0 ->3, Modul này có 8 ngõ ra, được đánh số từ 0->7 Trong chế độ đối nghịch các pin chẵn –pin

lẻ là 1 cặp VD: PWM0 đối nghịch với PWM1 ; PWM2 đối nghịch với PWM3…

Bộ tạo dead time sẽ chèn 1 khoản “off”giữa lúc xung PWM của xung pin này đang cạnh xuống và xung PWM của chân đối nghịch đang ở cạnh lên ( trong 1 cặp chân đối nghịch) Điều này ngăn chặn trùng dẫn -> các khoá công suất được bảo vệ

3 Một số giải thuật phương án lập trình.

Với đề thi năm nay chúng ta có thể sử dụng một số giải thuật sau:

+ Giải thuật dò đường:

- Bám vạch

- Đếm số vạch ngang

- Tăng tốc trên những đoạn đường thẳng để Rôbôt đạt tốc độ cao nhất

- …

+ Ngắt ngoài sử dụng cho encoder

Đối với mỗi con robot cụ thể chúng ta sẽ áp dụng giải thuật một cách linh hoạt Điều này

sẽ được thể hiện rõ trong từng phần lập trình cho mỗi

PHẦN III : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG LẮP RÁP RÔBÔT

CHƯƠNG 1 CẢM BIẾN TRONG ROBOT

1 Cảm biến dò đường :

1.1.Mạch cảm biến

Mạch cảm biến đóng vai trò như “mắt ’’ của robot giúp cho robot có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh, giúp cho robot đi đúng đường và xác định được vị trí trong không gian của mình trên sân, để từ đó thực hiện công việc một cách chính xác

Ta có thể sử dụng các loại thu phát hồng ngoại hoặc sử dụng quang trở để thực hiện việc dò đường bằng các vạch trắng trên sân, ta sẽ lần lượt đi khảo sát từng loại cảm biến một

LM324 + 5V + 5V

Mạch quang trở điển hình

Nguyên tắc hoạt động của mạch

Trước hết ta điều chỉnh biến trở VR để tạo điện áp chuẩn so sánh

Khi quang trở không nhận được ánh sáng (hay nhận dược rất ít ánh sáng) do Led phát phát ra, tức là không gặp vạch trắng thì điện trở của quang trở lớn nên dòng điện qua quang trở là nhỏ do đó điện áp tại chân 2 là lớn U2 > U3 nên đầu ra của LM324 là mức “0” Ura = 0V, đồng thời đầu ra của LM324 được đưa vào VĐK do

đo đầu vào của VĐK lúc này là 0V

Khi quang trở nhận được ánh sáng do Led phát phát ra thì điện trở của quang trở giảm do đó dòng điện qua quang trở lớn nên điện áp đặt vào chân 2 nhỏ U2 < U3 nên đầu ra của LM324 là “1” khi đó đầu vào VĐK là 5V

Mạch sử dụng quang trở đơn giản, dễ điều chỉnh, giá thành thấp nhưng cũng có nhược điểm đó là quang trở rất nhạy và phụ thuộc vào ánh sáng môi trường do đó

sử dụng quang trở cần phải che chắn tốt, mặt khác đặc tính của quang trở không phải phụ thuộc tuyến tính vào cường độ sáng mà là một đường phi tuyến nên có những điểm làm việc ta rất khó có thể chỉnh được độ nhạy của quang trở để phân biệt được các màu

1.1.2.Mạch cảm biến dùng thu phát hồng ngoại

Hình dáng, cấu tạo LED Thu, Phát

a.Mạch cảm biến hông ngoại phát thẳng

Trong cặp thu phát hồng ngoại (IR) này: một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter(IRE)) và một linh kiện nhận (IR receiver (IRS)) tạo thành 1 cặp cảm biến sensor.Led thu là loại phản quang, nghĩa là chỉ nhận được ánh sáng hồng ngoại của Ledphát khi ánh sáng đó được phản xạ bởi một vật chắn sáng Linh kiện phát sẽ tạo tiahồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ truyền tới linh kiện nhận

Nguyên lý thu phát của thu phát hồng ngoại

Dòng điện đi qua linh kiện thu sẽ tỉ lệ với cường độ năng lượng của tia hồng ngoại

mà nó nhận được

Sự phụ thuộc của dòng điện vào cường độ tia hồng ngoại

Trong mạch thu phát thì led phát và led nhận được nối mạch theo sơ đồ hình dướiđây, trong đó:

Sơ đồ nguyên lý của cặp thu phát hồng ngoại

Chân TX là chân cấp mass, nếu cấp thẳng mass vào chân này thì ta sẽ có mạch thuphát hồng ngoại phát thẳng, còn nếu chân TX được cấp bởi bộ dao động với tần sốthì ta có mạch phát hồng ngoại điều biến

Điểm IRSO là điểm phân áp của R9, VR1 và led nhận hồng ngoại (IRS1), dòng sẽ

đi qua linh kiện phát và nó sẽ phát ra tia hồng ngoại Nếu có 1 vật phản xạ mầutrắng thì năng lượng hồng ngoại sẽ phản hồi lại, IRS1 nhận được ánh sáng hồngngoại do Led phát phát ra, khi đó điện trở của Led thu sẽ giảm và tạo một dòng caohơn đi qua IRS1, do đó điện áp trên IRS0 sẽ hạ xuống Nếu vật phản xạ có mầuđen, hoặc mầu sẫm hơn thì ngược lại, do đó điện áp trên IRS0 sẽ nâng lên IRSO là

điểm phân áp để kích mở Transistor.

1.2.Bố trí cảm biến dò đường

Trên robot, về nguyên tắc bố trí càng nhiều cảm biến dò đường thì khả năng bám đường càng tốt Tuy nhiên, trên thực tế ta thường sử dụng 6, hoặc 8 cảm biến, tùy vào đề tài, chất lượng động cơ mà ta bố trí cảm biến Thường có hai phương pháp

bố trí cảm biến

1.2.1.Sử dụng 6 cảm biến xếp thành hàng ngang

Cách này thích hợp với loại động cơ có khả năng hãm tốt (loại động cơ có hộp giảm tốc), khi quay thường sử dụng quay bằng 1 bánh (1 bánh dừng còn 1 bánh tiến)

phát1 phát2 phát3 phát4 phát5 phát6

Thu 1

Thu 6 Thu 5

Thu 4 Thu 3

T1 T2 T3 T4 T5 T6

P8 P7

T8 T7

Hình 20: Bố trí 8 cảm biến 6 trước 2 sau

Hoặc theo một đường thẳng như hình vẽ

T8 T7

Hình 21: Bố trí 8 cảm biến theo 1 hàng ngang

Cách này thích hợp với những loại động cơ có khả năng hãm kém, khi quay thì chobánh tiến bánh lùi

cơ DC làm việc ở điện áp 12VDC hoặc 24VDC.

Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto) Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòngđiện I Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp

Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn

đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định)

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phầnquan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng

Electromotive force (EMF) Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện

áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài)

Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng

Nguyên tắc hoạt độngcủa động cơ điện một chiều

Pha 1: Từ trường của rotor

cùng cực với stator, sẽ đẩy

nhau tạo ra chuyển động

quay của rotor

Pha 2: Rotor tiếp tục quay

Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều

Dưới đây là một số động cơ đã được dùng trong robot thi đấu

Một số động cơ được dùng trong Robot

1.2.Kinh nghiệm chọn động cơ

Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng động cơ được chọn trong cuộc thi robot thường có yêu cầu chung sau:

- Tốc độ lớn

- Khả năng chịu tải cao

- Khả năng hãm tốt, thường sử dụng loại động cơ có hộp giảm tốc

- Dòng ,áp thích hợp áp yêu càu <=9V chọn động cơ thích hợp để đạt hiệu suất cao,

tối ưu để có thể đạt tốc độ cao nhất

- Đối với động cơ dùng cho cơ cấu chuyển động (phần đế của robot) yêu cầu

đặt ra là phải có tốc độ nhanh ,và có độ hãm tốt

2 Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều.

Có rất nhiều phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều như: thay đổi điện trở phần ứng, thay đổi từ thông, thay đổi điện áp phần ứng…Nhưng phương pháp hay được dùng nhiều nhất trong robot đó là thay đổi điện áp phần ứng sử dụng PWM Phươngpháp PWM_điều chế độ rộng xung là phương pháp hay được sử dụng nhất đặc biệt là trong tự động hóa, robot bởi nó đơn giản, dễ thực hiện và đảm bảo thay đổi trơn tốc độ động cơ Chúng ta sẽ chỉ đi nghiên cứu phương pháp này:

Điều khiển độ rộng của xung được làm

bằng cách tắt bật nhanh nguồn điện đặt lên động

cơ Nguồn áp 1 chiều DC sẽ chuyển thành tín

hiệu xung vuông, thay đổi từ 12V(24V) xuống

0V, bản chất của phương pháp này là thay đổi

điện áp trung bình đặt vào động cơ

Bằng cách thay đổi khoản thời gian cấp

nguồn cho động cơ (thay đổi độ rộng xung –

PWM), tức là khoảng thời gian “Bật” ton, điện áp

trung bình đặt lên động cơ sẽ thay đổi và dẫn đến thay đổi tốc độ