Thiết kế và chế tạo robot đo nhiệt độ điều khiển từ xa

Theo những kỹ sư robot hình dáng bên ngoài của máy móc không quan trọng bằng việc hoạt động của nó được điều khiển như cách nào.. Robot có thể thay thế hoàn toàn con người ở những khâu m

Xin chân thành cảm ơn các bạn trong lớp 49CTU đã giúp đỡ, đóng góp

ý kiến cho trong quá trình làm đề tài để đề tài của mình được hoàn thiện hơn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

Chương I : TỔNG QUAN ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA 2

1.1 Những khái niệm chung về robot 3

1.2 Ứng dụng robot trong thực tế 4

1.3 Lý do chọn đề tài 7

1.4 Mục đích 7

1.5 Yêu cầu 7

Chương II: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp nghiên cứu 8

2.1 Phương pháp nghiên cứu 9

2.2 Nội dung nghiên cứu 11

2.2.1 Các phương án thiết kế 11

2.2.1.1 Phương án 1: 11

2.2.1.2 Phương án 2: 11

2.2.1.3 Phương án 3: 12

2.2.2 Thiết kế chế tạo phần cơ khí 13

2.2.2.1 Quá trình chế tạo robot 13

2.2.2.2 Chế tạo phần khung 14

2.2.2.3 Chọn và gá động cơ 14

2.2.2.4 Chế tạo bánh tự lựa 15

2.2.2.5 Chế tạo bánh xe 15

2.2.3 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển 16

2.2.3.1 Sơ lược về vô tuyến điện từ 16

2.2.3.2 Sơ lược về ATMEGA32 18

2.2.3.3 Mô tả chân linh kiện 20

2.2.3.4 USART trong ATMEGA32 21

2.2.4 Sơ lược về PT2262 23

2.2.5Sơ lược về PT2272 25

2.2.6.Modul Rf 27

2.2.7 Sơ lược về RS232 29

2.2.8 Sơ lược về Usb 2 com pl 2303 32

2.2.9 Sơ lược MODBUS 33

2.2.9.1 Phân loại 33

2.2.9.2 Cơ chế giao tiếp 33

2.2.9.3 Chế độ truyền 35

2.2.10 Cảm biến nhiệt độ 36

2.2.10.1 Sơ lược về LM35 36

2.2.10.2 Sơ lược về Ds18b20 38

2.2.12 Động cơ bước 43

2.2.13 Thiết kế phần mạch 46

2.2.13.1 Mạch nguồn 46

2.2.13.2 Mạch vi điều khiển 47

2.2.13.3 Thiết kế mạch giao tiếp 48

2.2.14 Thiết kế phần mềm 51

2.2.14.1 Giải thuật điều khiển robot 51

2.2.14.2 Giải thuật nhận và hiển thị camera 54

2.2.14.3 Chuẩn hóa giao thức 55

2.2.14.4 Giải thuật đo nhiệt độ và gửi nhiệt độ về 57

Chương III: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 58

3.1.Thực nghiệm 59

3.1.1 Kiểm tra mạch công suất 59

3.1.2 Kiểm tra module Rf và camera 60

3.2.Cách tiến hành cho robot chạy thử 61

3.3 Tháo lắp, vận chuyển 61

3.4 Phân tích kết quả 62

Chương IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ SUẤT 64

4.1 Kết luận 65

4.1.1 Những kết quả đạt được 65

4.1.2 Những kết chưa quả đạt được 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình1.1: Mô hình robot điều khiển từ xa 3

Hình 1.2 Dragon Runner 4

Hình 1.3: Robot y học 5

Hình1.4.Robot snakelike 6

Hình1.5.Robot Quince 6

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát 9

Hình 2.2 Phương án 1 11

Hình 2.3 Phương án 2 12

Hình 2.4 Phương án 3 13

Hình 2.5 Khung robot 14

Hình 2.6 Cách gá động cơ 14

Hình2.7 chế tạo bánh trước 15

Hình 2.8 Bánh xe của robot 15

Hình 2.9: Quá trình lan truyền song ngang 16

Hình 2.10 Quá trình thu phát sóng của ăngten 17

Hình 2.11 Atemega 32 18

Hình 2.12 Sơ đồ chân atmega32 18

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc bên trong atmega32 19

Hình 2.14 Sơ đồ khối USART 22

Hình 2.15 PT2262 23

Hình 2.16 Sơ đồ chân PT2262 24

Hình 2.17 Khung dữ liệu của PT2262 24

Hình 2.18 Sơ đồ khối PT2262 25

2.2.5Sơ lược về PT2272 25

Hình 2.19 PT2272 26

Hình 2.20 Sơ đồ chân PT2272 26

Hình 2.21 Modul hope –rf(RF_TR) 27

Hình 2.22 Kết nối VDK và Rf 28

Hình 2.23: Config hope_rf 28

2.2.7 Sơ lược về RS232 29

Hình 2.24.: Rs232 29

Hình2.25.Cổng com 29

Hình 2.26: pl 2303 32

Hình 2.27 Usb 2 com pl_2303 32

Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý mạch usb2 com pl 2303 33

Hình 2.29: Lm35 36

Hình 2.30: Lm35 37

Hình 2.31: Sơ đồ chân của cảm biến nhiệt LM35 37

Hình 2.31 DS18B20 39

Hình 2 32 Bảng nhiệt độ và giá trị chuyển đổi 40

Hình 2.33 Mô tả quá trình tạo xung reset 40

Hình 2.34: Camera 42

Hình 2.35: Bộ kết nối máy tính 42

Hình 2.36 Cấu tạo động cơ bước 43

Hình 2.38: Sơ đồ mạch nguồn 5v vi điều khiển 46

Hình 2.39: Sơ đồ mạch nguồn 9v và 12v 46

Hình 2.40: Sơ đồ mạch Atmega32 48

Hình 2.41: Mạch giao tiếp hope_rf và atmega32 49

Hình 2.42: Sơ đồ mạch opto cách ly 50

Hình 2.43: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ 50

Hình 2.44: Mạch uln 2803 50

Hình 2.45: Role 12V 51

Hình 3.1 Ăcquy 59

Hình 3.2 Đồng hồ đo 59

Hình 3.3 Mạch công suất 60

Hình 3.4 Ảnh thu được ở khoảng cách 15m 60

Hình 3.5 Ảnh thu được ở khoảng cách khoảng 30m 61

Hình 3.6 Hình ảnh robot đang đo nhiệt độ 61

Hình 3.7 Quá trình tháo lắp robot 62

Hình 3.8 Tổng quan robot sau khi hoàn thành 62

tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao

Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công–nông-lâm-ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong họat động đời sống hằng ngày

Nền công nghiệp điện tử và các sản phẩm của nó là nền tảng cơ bản nhất cho việc ra đời của máy tính và sâu xa hơn chính là nên sản xuất hiện đại ngày nay Các sản phẩm của công nghiệp điện tử đã đi sâu vào đời sống của mỗi quốc gia, vùng lãnh thổ và mỗi con người chúng ta Công nghiệp điện tử là lĩnh vực không thể thiếu đối với tất cả các khía cạnh trong cuộc sống hiện đại nhân loại ngày nay Một trong những ứng dụng rất quan trọng của công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa

Là sinh viên chuyên ngành cơ điện tử của khoa cơ khí, trường đại học Nha Trang, em luôn khát khao được tìm hiểu những lĩnh vực mới mẻ như công nghệ

truyền không giây Với đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế và chế tạo robot đo nhiệt độ điều khiển từ xa” em đã phần nào hiểu biết về lĩnh vực này

Trong quá trình làm việc em đã rất cố gắng hoàn thành công việc, nhưng do thời gian có hạn và kinh nghiệm còn non kém nên không tránh khõi nhiều thiếu sót Rất mong được sự góp ý tận tình của các thầy và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Hùng và các thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử đã tận tình giúp đỡ em thực hiện xong đề tài này

Sinh viên thực hiện

VÕ KỲ LAM

Chương I TỔNG QUAN ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA

1.1 Những khái niệm chung về robot

Ngày nay, người ta vẫn còn đang tranh cãi về vấn đề: “Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là một robot? Một cách gần chính xác, rôbốt phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây:

- Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

- Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

- Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

- Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

- Có khả năng điều khiển đuợc bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng

- Có thể di chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

- Có sự khéo léo trong vận động

Theo những kỹ sư robot hình dáng bên ngoài của máy móc không quan trọng bằng việc hoạt động của nó được điều khiển như cách nào Hệ thống điều khiển càng có tác dụng bao nhiêu, máy móc càng có khả năng được gọi là rôbốt bấy nhiêu Một đặc điểm tiêu biểu để phân biệt robot nữa đó là khả năng đưa ra các lựa chọn Càng có khả năng đưa ra nhiều lựa chọn để giải quyết một vấn đề bao nhiêu, robot càng được đánh giá cao

Hình1.1: Mô hình robot điều khiển từ xa

1.2 Ứng dụng robot trong thực tế

Từ ngàn xưa con người đã biết sử dụng những dụng cụ thô sơ nhưng rất sáng tạo

để phục vụ cho đời sống sản xuất như: dùng cày kéo kết hợp với sức lực vật nuôi trâu bò, hay kết hợp với chính sức lao động của bản thân để tạo ra của cải vật chất Nhưng từ sau cuộc cách mạng khoa học kỉ thuật nó đã thay đổi hoàn toàn bộ mặt thế giới Nền công nghiệp phát triển mạnh mẽ và những sản phẩm mà nó mang lại ngày càng to lớn Máy móc dần thay thế con người ở những khâu có tính chu kỳ, lặp đi lặp lại, giải phóng sức lao động của con người mà năng suất lao động càng cao Nhưng mức độ tự động hóa còn thấp, thiết bị thô sơ, máy móc cồng kền, đó là những động cơ chạy bằng hơi nước hay hững chiếc máy tính to bằng tòa nhà

Ngày nay nới sự phát triển như vũ bão của kỉ thuật điện tử máy móc ngày càng tinh vi hơn đọ chính xac cao, năng suất mang lại càng lớn Con người có thể đi sâu vào lòng đất, hay đi đến những vùng xa lạ của trái đất để thám hiểm nhưng họ không trực tiếp bước trên đôi chân của mình Với sự hỗ trợ của máy tính và robot

họ chỉ cần những động tác đơn giản những cái click chuột là có thể quan sát được cả thế giới bên ngoài qua màn ảnh nhỏ

Tùy thuộc vào chức năng mà robot có cấu tạo phù hợp nhất Robot có thể thay thế hoàn toàn con người ở những khâu mang tính chu kỳ cần độ chính xác cao đòi hỏi phức tạp với khả năng làm việc không biết mệt mỏi hay ở trong những môi trường nguy hiểm : áp suất cao, phóng xạ, độc hại…

Công nghệ không dây được ứng dụng cho phép tạo ra những mô hình Robot nhỏ gọn, thông minh, linh hoạt trên mọi địa hình Bằng cách gắn thêm camera quan sát

từ xa, người ta có thể điều khiển chúng theo ý muốn, tạo hiệu quả công việc như mong muốn

Để tăng cường hiệu quả chiến đấu, quân đội Mỹ đã cho triển khai nhiều loại

robot tối tân nhằm hỗ trợ các binh sĩ trên chiến trường

Hình 1.2 Dragon Runner

Dragon Runner là một robot dò thám kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và rất cơ động Với kích thước dài khoảng 38cm, rộng hơn 27cm, cao 13cm, nó là một trinh sát cừ khôi với phạm vi hoạt động và quan sát ở tầm thấp Robot này đã được Hải quân Mỹ triển khai trong chiến trường Iraq Được thiết kế với độ bền rất cao, Dragon Runner có thể chịu đựng được hầu hết những tác động vật lý khắc nghiệt nhất nếu bị phát hiện (như bị ném vào tường, rơi từ trên cao xuống…)

Robot này được trang bị một camera nhỏ, một máy thu âm, một đèn hồng ngoại (để hoạt động ban đêm) và những bộ cảm biến hồng ngoại (để tránh chướng ngại vật) Trong thời đại công nghệ càng ngày càng được thu nhỏ hiện nay thì Dragon Runner càng chứng tỏ ưu điểm và khả năng cừ khôi của mình

Một trong những hiệu quả mà công nghệ không dây đem lại là cho phép con người có thể ngồi ở một nơi rất xa nhưng vẫn có thể điều khiển được những công việc mà vẫn đạt hiệu quả cao, đảm bảo an toàn cho người vận hành Mà đặc biệt là những công việc nguy hiểm, môi trường khắc nghiệt, có ảnh hưởng lớn về sức khỏe cũng như tính mạng con người Vì vậy robot được ứng dụng ngày càng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực y tế, quốc phòng, robot bán hàng tự động hay robot chăm sóc người tàn tật ở một số nước tiên tiến

Hình 1.3: Robot y học

Minh chứng cụ thể nhất là robot cứu hộ của Nhật Bản trong trận động đất khủng khiếp và kèm theo là sóng thần với sức tàn phá ghê gớm hôm 11/3

Một nhóm nghiên cứu của Đại học Satoshi Tadokoro, Nhật Bản đã

nghiên cứu và cho ra đời một robot giống như một con rắn mang tên snakelike có thể luồn lách vào những vị trí nhỏ hẹp để tìm kiếm tung tích những người mất tích

nguy hiểm ở các khu vực mà nhân viên cứu hỏa không đến được Nó có một camera tích hợp và có thể di chuyển 5,2 m/giây

Robot ngày càng quan trọng với con người và gần gũi với mỗi chúng ta, nó thay thế ta làm mọi việc, từ nhưng việc nhỏ như hút bụi đến việc thây thế con người chui xuống hầm sâu, hay công nước để xử lý, mà trước đó do chính bàn tay con người phải làm

1.3 Lý do chọn đề tài

Ngày nay công nghệ không dây đang phát triển rất mạnh Với các thiết bị không dây ngày càng hiện đại cho phép người sử dụng thỏa mãn những nhu cầu về giải trí cũng như trong điều khiển sản xuất mà không cần dây nối Nó thực sự tiện ích và tạo cảm giác thoải mái cho người sử dụng Truyền tín hiệu không dây là một đề tài

có nhiều ứng dụng thực tế nhất là trong lĩnh vực điều khiển từ xa và truyền số liệu

Vì vậy em tận dụng khả năng truyền thông nối tiếp nhờ bộ UART trong chíp atmega32 đã dược học để thực hiện đề tài này

1.4 Mục đích

Thiết kế chế tạo robot ứng dụng công nghệ không dây kết hợp với máy tính điều

khiển robot theo yêu cầu, đọc nhiệt độ đo được từ cảm biến nhiệt độ ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ

 Thiết kế mạch điều khiển nhỏ gọn, đơn giản nhưng đầy đủ chức năng

 Khả năng đáp ứng nhanh, truyền nhận dữ liệu chính xác

 Có tính kinh tế, thẩm mỹ cao

Chương II PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Ở Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ điều khiển từ xa và điều khiển từ xa Robot chưa được rộng rãi Hiện đại hóa công nghiệp là con đường phát triển của đất nước, do đó việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển từ xa ngày càng được chú trọng Làm chủ được công nghệ điều khiển rô- bot từ xa sẽ giúp chúng ta dễ dàng tiếp cận được trình độ công nghệ điều khiển rô bot của thế giới Trên cơ sở đó em xin đề xuất mô hình Robot điều khiển không dây bằng máy tính dưới đây :

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát

Trong đó:

- Máy tính là vật trung gian đóng vai trò chủ đạo trong điều khiển mọi hành động của Robot Người điều khiển không cần quan sát trực tiếp Robot mà có thể ngồi trước màn hình máy tính và ra lệnh thực thi, hình ảnh sẽ lấy từ camera gắn trên Robot phản hồi về, và các thông số được robot thu thập

RF

Nguồn

- Chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 cho phép khoảng các kết nối

giữa máy tính và thiết bị ngoại vi được xa, ít bị nhiễu tác động Sự hỗ trợ của MSCOMM trong VisualBasic giúp việc lập trình trở nên đơn giản, giao diện sinh động, trực quan

- Khối thu, phát sóng Radio là kênh liên lạc giữa máy tính và Robot

thực thi Nó có tác dụng là chuyển tín hiệu điều khiển từ máy tính sang Robot và thu nhận phản hồi từ Robot về máy tính

- Khối thu thập số liệu, là cảm biến nhiệt độ

- Robot là đối tượng cần điều khiển trong sơ đồ

- Robot thực thi tất cả những hành động mà người điều khiển ra lệnh cho nó

- Với mô hình kín điều khiển trên cho phép ta có thể sử dụng Robot vào nhiều lĩnh vực của cuộc sống không chỉ riêng công nghiệp

- Qua đề tài này có thể ứng dụng trong việc điều khiển các thiết bị điện dân dụng

ở khoảng cách xa :

+ Tinh chỉnh thời gian ở các cột đèn giao thông

+ Thắp sáng hoặc tắt đèn đường

+ Các thiết bị điện trong nhà: bơm, quạt, đèn…

+ Tiện nghi do điều khiển không dây đem lại giúp cho con người có thể tiết kiệm về thời gian, tiền bạc, đặc biệt là tính chất nguy hiểm của công việc, giả dụ như đề xuất cho Robot lau cữa kính ở các tòa nhà cao tầng…

Phương pháp nghiên cứu chế tạo robot đo nhiệt độ điều khiển từ xa dựa trên các phân tích, tính toàn lý thuyết kết hợp với thực tiễn

Xây dựng phương án thiết kế và chế tạo dựa trên khảo sát thực tế và các phương

án đưa ra để chọn phương án tối ưu nhất Mỗi phương án đưa ra được đánh giá các

ưu điểm, nhược điểm, tính khả thi Sau khi chọn được một trong các phương án sẽ tiến hành tính toán, thiết kế phần cơ khí, chọn vật liệu, chọn động cơ Thiết kế phần mạch,chọn các linh kiện sao cho hợp lý, chọn phương thức điều khiển, giải thuật, phần mềm, viết chương trình điều khiển

Sau khi hoàn thành cho chạy thử nghiệm để phân tích đánh giá kết quả về độ ổn định của mạch điều khiển, kết cấu cơ khí có bền không, đồng thời phát hiện những hạn chế thiếu sót tìm ra giải thuật điều khiển tối ưu nhất

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Các phương án thiết kế

2.2.1.1 Phương án 1:

 Hoạt động: Robot được thiết kế gồm 2 bánh chủ động được nối với cùng một động cơ có công suất lớn thông qua bộ truyền động xích như hình vẽ, bánh tự lựa được gắn vào một động cơ bước để điều khiển hướng, camera được gắn ở phần đầu

 Ưu điểm:

 Robot có khung sườn khá chắc chắn

 Khả năng tự cân bằng và vượt các địa hình gồ ghề cao vì bánh xe lớn, khung robot thấp

 Dễ dàng điều khiển tốc độ động cơ vì chỉ sử dụng một động cơ

 Có thể điều khiển hướng chuyển động một cách chính xác và nhanh nhất nhờ động cơ bước

 Nhược điểm:

 Gặp nhiều khó khăn trong việc chế tạo bộ truyền động xích

 Khi lắp ráp dễ xảy ra hiện tượng rê ở bộ truyền động xích

 Tính khả thi không cao với trình độ của sinh viên

Hình 2.2 Phương án 1

2.2.1.2 Phương án 2:

 Hoạt động: Robot được thiết kế gồm 2 động cơ gắn ở 2 bánh chủ động, một

bánh tự lựa xoay quanh ổ bi, một động cơ bước để diều khiển camera Để điêu

khiển hướng ta điều khiển tốc độ hai động cơ như muốn rẽ trái ta giảm tốc độ bánh trái tăng tốc dộ bánh phải, có thêm cánh tay robot để đo nhiệt độ những nơi không thể đến gần, có phần khung khá chắc chắn để bảo vệ robot

 Ưu điểm:

 Thiết kế khá đơn giản

 Giải quyết được vấn đề điều khiển hướng một cách đơn giản mà hiệu quả nhờ sự cơ động của bánh tự lựa

 Dể dàng điều khiển tốc độ động cơ

 Tính khả thi cao vì vật liệu dễ tìm, cơ cấu dễ chế tạo hơn phương án 1

 Ưu điểm:

 Thiết kế khá đơn giản

 Giải quyết được vấn đề điều khiển hứơng chuyển động nhờ bánh tự lựa được thiết kế xoay quanh ổ bi

 Dễ dàng điều khiển hướng cũng như tốc độ

 Khả năng cân bằng cao dễ di chuyển, gọn gàng hơn phương án 2

 Có tính thẩm mỹ

 Nhược điểm:

 Chỉ đi được trên địa hình bằng phẳng vì khả năng vượt địa hình thấp, bánh

xe nhỏ sát với khung xe

 Qua phân tích đánh giá các phương án đưa ra cuối cùng em chọn phương án

3 làm phương án thiết kế chính thức Với việc gắn thêm động cơ bước điều khiển góc quay camera, một động cơ nâng cánh tay và một động cơ thả cảm biến như hình

vẽ

Hình 2.4 Phương án 3 2.2.2 Thiết kế chế tạo phần cơ khí

2.2.2.1 Quá trình chế tạo robot

B1: Tiến hành đo đạt chế tạo khung robot

B2: Chế tạo bánh trước

B3: Lắp động cơ, lắp bánh cho robot

B4: Chế tạo cánh tay robot

B5: Lắp đặt hệ thống điều khiển

B6: Cho robot chạy thử để đánh giá kiểm tra

B7: Tiến hành chỉnh sửa trang trí

2.2.2.2 Chế tạo phần khung

Phần khung robot được chế tạo bằng nhôm tĩnh điện chữ v, kích thước 20mmx20mm Nó có ưu điểm là dễ thi công, giá cả không đắt lắm, có độ bền, độ cứng vững cao

Hình 2.5 Khung robot

2.2.2.3 Chọn và gá động cơ

Động cơ gắn cho 2 bánh là loại động cơ một chiều công xuất nhỏ để phù hợp với robot Gá động cơ là việc hêt sức quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động của robot và việc điều khiển Do đó động cơ cần được gá chắc chắn, nên em chọn phương pháp gán cứng động cơ vào khung xe bằng 4 bulông và đai ốc như hình dưới

Hình 2.6 Cách gá động cơ

2.2.3 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển

2.2.3.1 Sơ lược về vô tuyến điện từ

Trong phần này giới thiệu về sự ra đời của sóng điện từ, nguyên lí, tính chất và quá trình truyền sóng trong không gian Nhà toán học người Scotland là James Cleck Maxwell ( 1831 – 1879 ), đã mở rộng các công trình nghiên cứu của Michael Faraday và nhận thấy mối liên hệ khăng khít của điện và từ làm cho loại sóng này

có thể tồn tại Các tính toán của ông cho thấy tốc độ lan truyền của sóng gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không nên ông nghi ngờ rằng chính ánh sáng cũng là một dạng sóng điện từ Nhưng mãi đến năm 1888, Henrich Hezt đã chứng minh thuyết Maxwell qua thực nghiệm bằng cách dùng điện phát ra sóng Radio và chứng minh được rằng bức xạ Radio có các tính chất của sóng, do đó xác nhận những ý tưởng của Maxwell và Faraday

Bức xạ điện từ ( hay sóng điện từ ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng

Sóng điện từ cũng bị lượng tử hóa thành những “ đợt sóng ” có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon.Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóng điện từ có bước sóng nằm trong khoảng 400nm – 700nm có thể nhìn thấy được bằng mắt người gọi là ánh sáng

Hình 2.9: Quá trình lan truyền song ngang

Trong chân không các thí nghiệm đã cho thấy sóng điện từ lan truyền với tốc độ

c = 3.10^8 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, nó thay đổi hoàn toàn quan điểm của cơ học cổ điển của Isaac Newton, thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý

thuyết tương đối Sóng điện từ là sóng ngang, nó là sự lan truyền của các dao động liên quan đến tính chất có hướng của các phần tử mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền Trong tương tác với các hạt cơ bản, nguyên tử, phân tử; sóng điện từ phụ thuộc nhiều vào bước sóng Trong đó sóng Radio ít tương tác nhất vì có bước sóng ngắn, nó có khả năng vượt qua khoảng cách dài mà không mất năng lượng nhiều do tương tác nên được sử dụng nhiều trong truyền thông tin Khi thu sóng bằng anten người ta vận dụng sự tương tác giữa điện trường của sóng và các vật dẫn điện Các dòng điện sẽ dao động qua lại trong các vật dẫn điện dưới ảnh hưởng của dao động điện trong sóng Radio

Hình 2.10 Quá trình thu phát sóng của ăngten

Thuyết điện từ chỉ ra rằng ở đâu có điện trường biến thiên thì ở đó xuất hiện từ trường, và ngược lại ở đâu xuất hiện từ trường biến thiên thì ở đó xuất hiện điện trường Đó là lí do mà sóng điện từ có thể lan truyền được trong không khí.Dựa vào tính chất đó người ta phát minh ra kỉ thuật vô tuyến truyền thanh ( kỉ thuật Radio )

là thiết bị ứng dụng chuyển giao thông tin không dây dùng cách biến điệu sóng điện

từ có tần số thấp hơn tần số sóng ánh sáng Sóng Radio có tần số trong khoảng 3Hz – 300Ghz

2.2.3.2 Sơ lược về ATMEGA32

Hình 2.11 Atemega 32

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất (Atmel cũng là nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến) AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa-RISC(Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí

Hình 2.12 Sơ đồ chân atmega32

Lõi AVR kết hợp những tập lệnh với 32 thanh ghi làm việc với mục đích chung

Cả 32 thanh ghi đều được kết nối trực tiếp đến ALU Cho phép truy suất 2 thanh ghi làm việc độc lập với chu kỳ máy Với kiến trúc RISC này cho phếp CPU làm việc nhanh gấp 10 lần kiến trúc CISC

Hình 2.13 Sơ đồ cấu trúc bên trong atmega32

AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người

sử dụng, so với họ 8051 89xx sẽ có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi

- Tính năng mới của họ AVR:

 Giao diện SPI đồng bộ

 Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

 Giao tiếp I2C

 Bộ biến đổi ADC 10 bit

 Các kênh băm xung PWM

 Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by vv

 Giao tiếp USART vv

Atmelga32 có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển

- Tính năng:

 Bộ nhớ 32K(flash) -1024 byte (EEPROM) - 2 K (SRAM)

 Đóng vỏ 40 chân , trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT A,B,C,D Các chân này đều có chế độ pull_up resistors

 Giao tiếp SPI - Giao diện I2C - Có 8 kênh ADC 10 bit

 1 bộ so sánh analog - 4 kênh PWM

 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit

 1 bộ định thời Watchdog

 1 bộ truyền nhận UART lập trình được

2.2.3.3 Mô tả chân linh kiện

VCC&GND Chân cấp nguồn cho VDK

PortA(PA&…PA0)

Được dành riêng cho ngõ vào analog của bộ chuyển đổi ADC Ngoài ra PortA còn được sử dụng như 1 Port vào ra 2 hướng nếu bộ chuyển đổi ADC không sử dụng Mỗi chân của port A được cấp điện trở kéo bên trong Bộ đệm ngõ ra của Port

A được điều khiển cho cả 2 khả năng, sink dòng và soure dòng Khi Port A sử dụng ngõ vào, chúng sẽ Soure dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực

Port B(PB7…PB0)

Port B được sử dụng như 1 Port vào ra 2 hương với điện trở kéo lên bên trong Mỗi chân của Port B được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Bộ đệm đầu ra của PortB được điều khiển cho cả 2 khả năng Sink dòng và soure dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực Ngoài ra, Port B còn có các chân để load chương trình từ máy tính xuống

Port C(PC7…PC0)

PortC được sử dụng như 1 Port vào ra 2 hương với điện trở kéo lên bên trong Mỗi chân của Port C được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Bộ đệm đầu ra của Port C được điều khiển cho cả 2 khả năng Sink dòng và soure dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực

Port(PD7…PD0)

Port D được dùng như 1 Port vào ra 2 hướng với điện trở kéo lên bên trong Mỗi chân của Port D được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Trong đó đáng chú ý nhất là hai chân truyền, nhận dữ liệu rx,tx Bộ đệm ngõ ra của Port D được điều khiển cho cả 2 khả năng, sink dòng và source dòng Khi Port D sử dụng như ngõ vào, chúng sẽ source dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực

RESET

Ngõ vào Reset Nếu mức Low đặt vào chân này dài hơn độ rộng xung tối thiểu

sẽ reset AVR Cho dù không có xung clock

XTAL1 & XTAL2 Ngõ vào ra của bộ dao động thạch anh

AVCC là chân cấp nguồn cho VDK hoạt động

2.2.3.4 USART trong ATMEGA32

Bộ USART của vi điều khiển ATMEGA32 có thể họat động như một bộ truyền nhận song công, có nghĩa là hoạt động truyền và nhận có thể tiến hành đồng thời (nó chứa các thanh ghi truyền, nhận riêng lẻ)

Hình 2.14 Sơ đồ khối USART

- Bộ phát tốc độ baud có thể tạo ra một số lớn tốc độ baud

- Bộ nâng cao tốc độ baud tại tần số thạch anh thấp

- Mỗi khung dữ liệu có thể có 5,6,7, 8 hoặc 9 bit dữ liệu và 1 hoặc 2 bit stop

- Hỗ trợ bộ kiểm tra bit chăn lẻ parity bằng phần cứng

- Phát hiện trạng thái Overrun

- Phát hiện khung truyền bị lỗi

- Lọc nhiễu, phát hiện lỗi bit start

- Cho phép ba ngát riêng biệt là TX Complete, TX Data Register Empty, RX Complete

- Trong truyền nhận bất đồng bộ hỗ trợ chức năng nhân đôi tốc độ

Tại Việt Nam sản phẩm chủ yếu là 8 địa chỉ mã hóa và 4 địa chỉ dữ liệu.Khung

mã hóa 12 bit theo dạng: A0A1A2A3A4A5A6A7D0D1D2D3, PT2262 có 3^12 mã không trùng lặp hơn hẳn những tính năng của HT12E ra đời trước nó chỉ có khả năng mã được 212 mã không trùng lặp

Cách mã hóa được làm bằng cách nối các chân “mã hóa địa chỉ “ lên dương nguồn (mã hóa +) bằng điện trở kéo lên hặc kéo xuống âm nguồn (mã hóa -) bằng cách nối xuống GND hoặc để trống chân mã hóa (mã hóa 0) 4 địa chỉ dữ liệu D0D1D2D3 để tránh nhiễu khi truyền tốt nhất ta nên mã hóa (+) hoặc mã hóa (-)

Do đó ta có thể truyền một lúc song song 4 bit dữ liệu 0 (hoặc 1) lên một khung gồm : 12 bit trong đó 8 bit đầu là bit mã hóa địa chỉ và 4 bit sau là 4 bit dữ liệu Tín hiệu encoder được đưa ra chân 17 của PT2262, chân này có mức 1 khi PT2262 nghỉ làm việc và có mức 0 khi nó hoạt động

Hình 2.16 Sơ đồ chân PT2262

Một khung truyền dữ liệu bao gồm các thành phần tín hiệu sau:

Dạng sóng của các bít địa chỉ và dữ liệu

Hình 2.17 Khung dữ liệu của PT2262

Tín hiệu đầu ra gồm : sóng mang dao động có tần số vào khoảng

700Khz + địa chỉ mã hóa + dữ liệu truyền Tần số sóng mang được quyết định bởi điện trở nối trên chân 15 và 16 : f= R/12

- Dựa vào tần số PT2262 ta có thể làm mạch phát và nhận hồng ngoại Điện áp làm việc trong diện rộng từ : 2,5V – 15V nhưng theo thực nghiệm tốt nhất ta dùng ở khoảng 9V – 12V

Hình 2.18 Sơ đồ khối PT2262

Mạch được thiết kế cho Remote điều khiển và giao tiếp máy tính Các địa chỉ mã hóa được nối vào các chân Port của vi điều khiển để có thể mã hóa 1 ( hoặc 0 ) dễ dàng, các kênh dữ liệu được nối vào chân từ P0.0 – P0.4 của Port 0 Việc mã hóa kênh truyền được thực thi bằng chương trình trong vi điều khiển, tương ứng với các trạng thái hoạt động của Robot

Dữ liệu 4 bit song song từ AVR sẽ được đưa vào các chân dữ liệu từ D0 đến D3 của PT2262 vàchân /TE sẽ được đưa vào chân TE của PT2262 để cho phép PT2262

mã hoá Tín hiệu từ Doutcủa PT2262 sẽ đưa vào ngõ DATA IN của module phát

RF để điều chế và bức xạ ra ngoài

2.2.5Sơ lược về PT2272

- Tương tự như kiểu mã hóa địa chỉ và dữ liệu của PT2262, khung nhận tương

ứng gồm: 12 bit trong đó 8 bit đầu là mã hóa địa chỉ và 4 bit sau là dữ liệu:

- Các chân mã hóa của PT2262 nối như thế nào thì các chân mã hóa từ

A0 → A7 của PT2272 cũng phải nối tương tự như vậy

- Khi truyền một mã đúng mà PT2272 nhận được sẽ có một xung dương phát ra trên chân 17

- Bên phát dữ liệu được chuyển từ kênh nào thì tương tự bên thu cũng thu được tín hiệu tương ứng trên kênh đó Ví dụ: Khung phát là 12 bit : 101010101001 nghĩa

là các chân địa chỉ mã hóa là : 10101010 còn dữ liệu truyền đi sẽ là 1001, tương

ứng bên thu ta nhận được từ chân D0D1D2D3 là 1001 nếu các chân địa chỉ tương tự

là 10101010 Trên chân 15 và 16 gắn thêm điện trở tạo dao động cho mạch

Hình 2.20 Sơ đồ chân PT2272

- Việc tổ hợp các trạng thái dữ liệu ra cho phép ta xử lí gọn kênh truyền, từ 4 bit

dữ liệu ta có đến 2^4 = 16 kênh ra, tuy nhiên cần chú ý về truyền song song

Tuy nhiên việc sử dụng bộ module này gặp phải nhiều vấn đề nan giải do phải thiết kế nhiều module điều khiển, lập trình phức tạp Vì vậy phương án dùng

bộ modul này được loại bỏ mà thay thế bằng bộ module hope_rf, được trình bày dưới đây

2.2.6.Modul Rf

Hình 2.21 Modul hope –rf(RF_TR)

Là bộ modul được bán sẵn ta chi cần thiết kế 2 chân giao tiếp với VDK.Nhưng khi đó việc giao tiếp với máy tính sẽ khó khăn hơn bởi VDK chỉ có 1 Tx và 1 Rx

Mà khi đó ta cần 1 Tx, 1 Rx kết nối với VDK

1 Tx,1 Rx kết nối với máy tính Đòi hỏi lúc đó máy tính như là 1 master còn VDK là những slave

- Gồm 2 cặp giống nhau,trên đó có tích hợp rx và tx

- Giao tiếp bằng cổng USART

- Truyền thông không dây khoảng cách khoảng 300m không có vật cản

- Giao tiếp với VDK bằng 2 chân tx và rx

- Nguồn sử dụng 5V

- Mạch đã đóng gói thành chuẩn nên dễ thay thế không phải hiệu chỉnh

2.2.7 Sơ lược về RS232

- Là bộ đệm giao tiếp giữa máy tính và VDK Được thiết kế cả công in và out,

ổn định, trong khoảng cách tương đối

a) b)

Hình 2.24.: Rs232

a) Rs232, b) Sơ đồ chân Rs232

- Chuẩn RS322 sử dụng phương thức truyền đối xứng,sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây tín hiệu và đất

- Mức diện áp được sử dụng -15V đến +15V Mức logic 1 tương đương với điện

áp từ -3V đến -15V,mức logic 0 tương đương với điện áp từ 3V đến 15V

- Tốc độ truyền nhận khoảng 20kps và phụ thuộc vào khoảng cách Công suất phát tương đối thấp nhờ trở kháng đầu vào hạn chế

Chuẩn RS232 loại 9 chân:

Giao diện chuẩn RS232 loại 9 chân (cổng COM):

Hình2.25.Cổng com

Ưu điểm giao diện nối tiếp RS232:

-Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao

- Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp

Các Chân và chức năng của cổng Com DB9

3 Transmit Data TxD Truyền dữ liệu

4 Data Terminal

Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ nhận khi muốn truyền dữ liệu

Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu

Yêu cầu gửi, bộ truyền đặt đường này lên mức hoạt động khi sẵn sàng truyền dữ liệu

8 Clear To Send CTS Xóa để gửi, bộ nhận đặt

Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232:

- Trong chuẩn RS232, các giới hạn trên đối với mức logic 0 và logic 1 là

±12V.Chuẩn RS232 ngày nay đang được áp dụng còn cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 đến 7000

- Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V,mức logic 0 từ +3V đến +12V

- Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF

- Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 nhưng phải nhỏ hơn 7000

- Tốc độ truyền/nhận dữ liệu cưc đại là 100kbps(ngày nay có thể đạt được 200kbps)

- Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không thể vượt quá 15 m nếu không sử dụng Modem

- Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn là: 50, 75, 110, 150, 300,600, 1200,

2400, 4800, 9600, 28800,…56600, 115200 bps

- Tuy nhiên loại cổng Com 9 chân chỉ sử dụng được với các máy tính có cổng Com, hiện nay trên thị trường có mạch usb 2com pl 2303 nhỏ gọn hơn và sử dụng được với hầu hết các máy tính được trình bày sau đây:

đường này lên mức hoạt động

để thông báo cho bộ truyền là

nó sẵn sàng nhận dữ liệu

Báo chuông, cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông

2.2.8 Sơ lược về Usb 2 com pl 2303

lý dưới đây: