Dựa vào nội dung Robocon 2013, thiết kế và thi công mô hình robot điều khiển bằng tay bắn các hạt giống lên đĩa mặt trăng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: DỰA VÀO NỘI DUNG ROBOCON 2013, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY BẮN CÁC HẠT GIỐNG LÊN ĐĨA MẶT TRĂNG Cán bộ hướng dẫn: ThS... ĐỒ ÁN TỐT N

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

DỰA VÀO NỘI DUNG ROBOCON 2013, THIẾT KẾ

VÀ THI CÔNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY BẮN CÁC HẠT GIỐNG LÊN ĐĨA MẶT TRĂNG

Cán bộ hướng dẫn: ThS HOÀNG THỊ THƠM Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ XUÂN HƯƠNG

Khóa 51

KHÁNH HÒA, 2013

ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

DỰA VÀO NỘI DUNG ROBOCON 2013, THIẾT KẾ

VÀ THI CÔNG ROBOT ĐIỀU KHIỂN BẰNG TAY BẮN CÁC HẠT GIỐNG LÊN ĐĨA MẶT TRĂNG

Cán bộ hướng dẫn: ThS HOÀNG THỊ THƠM Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ XUÂN HƯƠNG

Khóa 51(2009 - 2013)

KHÁNH HÒA, 2013

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, thuật ngữ Robot đã trở nên quá quen thuộc trong đời sống của con người khi mà sự phủ sóng của Robot hầu như tồn tại ở hầu hết tất cả mọi lĩnh vực của đời sống

xã hội con người từ văn hóa – nghệ thuật, kinh tế, chính trị, giáo dục, y tế, khoa học … Nhờ có sự ra đời của Robot, cuộc sống con người được nâng lên một tầm cao mới, những công việc tưởng chừng như quá phức tạp, quá nguy hiểm, cần độ chính xác cao… đều có

sự góp mặt của Robot mới giải quyết nhanh chóng và hiệu quả hơn hẳn Con người đã xóa bỏ hầu hết các khoảng cách từ không gian, địa lý, môi trường nhờ có sự giúp đỡ của Robot Những bộ phim khoa học viễn tưởng về Robot đã cho chúng ta thấy được những tiềm năng và vai trò quan trọng của Robot trong sự phát triển trong tương lai của con người Nhận thấy tầm quan trọng và tiềm năng to lớn này, một cuộc thi mang tên là Robocon được tổ chức với mục đích khuyến khích và tạo động lực cho sinh viên các ngành kỹ thuật trong toàn khu vực Châu Á Thái Bình Dương cùng say mê nghiên cứu Robot Để bắt kịp xu hướng phát triển chung, cùng với niềm đam mê và yêu thích Robot, cũng như thể hiện tình yêu chung đối với cuộc thi Robocon, em cảm thấy rất thú vị khi được thực hiện đề tài đồ án “ Dựa vào nội dung của Robocon 2013, thiết kế và thi công

mô hình Robot điều khiển bằng tay bắn các hạt giống lên đĩa mặt trăng”

Trong quá trình thực hiện, do kiến thức còn hạn chế nên đồ án này sẽ không tránh được những thiếu xót, mong được sự góp ý chân thành của thầy cô để đồ án được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn cô giáo hướng dẫn Hoàng Thị Thơm cũng như các thầy cô giáo của Khoa đã giảng dạy cho em những kiến thức chuyên môn, định hướng cơ bản cùng sự giúp đỡ, góp ý của các bạn trong lớp để em có thể hoàn thành tốt đồ án này

Nha Trang, tháng 6 năm 2013

Sinh viên thực hiện NGUYỄN THỊ XUÂN HƯƠNG

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Nội dung đồ án là chế tạo Robot điều khiển bằng tay bắn hạt giống lên đĩa mặt trăng Khoảng cách tính toán là khoảng 5m, bề mặt mặt trăng cách đất là 1,5m, hạt giống

là tự gắp nên phải lấy được từ phía dưới đất

Nội dung đồ án gồm các phần sau :

Phần mở đầu

Chương I: Tìm hiểu về cuộc thi Robocon 2013

Trình bày về lịch sử cuộc thi Robocon; chủ đề, luật thi đấu năm 2013 qua đó nghiên cứu đưa ra hướng giải quyết đề tài

Chương II: Thiết kế phần cơ khí cho Robot

Thiết kế phần cơ khí cho Robot, bao gồm toàn bộ cấu trúc của Robot: phần đế, phần cánh tay, cơ cấu bắn hạt giống, cơ cấu gắp hạt giống và hạt giống

Chương III: Thiết kế mạch điều khiển Robot

Sơ đồ mạch phần cứng, nguyên lý hoạt động của các mạch sử dụng và lưu đồ thuật toán điều khiển Robot

Chương IV: Kết quả đạt được

Robot đã bắn được hạt giống lên đĩa mặt trăng, có thể vận hành bằng tay thông qua Gamepad PS2…

Kết luận và kiến nghị

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

TÓM TẮT ĐỒ ÁN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ v

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ CUỘC THI ROBOCON 2013 2

1.1 KHÁI QUÁT VỀ CUỘC THI ROBOCON 2 1.2 CHỦ ĐỀ VÀ LUẬT THI ROBOCON 2013 3 1.2.1 Chủ đề “Hành tinh xanh” 3 1.2.2 Khái quát về luật chơi: 4 1.2.3 Sân thi đấu 5 1.3 TÍNH TOÁN VỊ TRÍ BẮN HẠT GIỐNG 7 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CHO ROBOT 9

2.1 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐẾ ROBOT 9 2.1.1 Phần đế của robot 9 2.1.2 Phần bánh xe 11 2.1.3 Phần động cơ 12 2.2 THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT 14 2.3 THIẾT KẾ MẦM (HẠT GIỐNG) 15 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỂU KHIỂN ROBOT 16

3.1 CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH 16 3.1.1 Vi điều khiển: 16 3.1.2 LCD 1602A 26 3.1.3 IC 817 31 3.1.5 PISTON 32 3.1.6 Van khí nén 5/2 33 3.1.7 7805 34 3.1.8 Giao tiếp Gamepad chuẩn PS2: 36 3.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 39 3.2.1 Sơ đồ khối 39 3.2.2 Sơ đồ mạch Gamepad PS2 40 3.2.3 Mạch tạo áp chuẩn 3.3V 41 3.2.4 Mạch điều khiển 42 3.2.5 Mạch điều khiển piston 43 3.2.6 Mạch điều khiển động cơ 44 3.2.7 Mạch van khí điều khiển tay kẹp 45 3.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 46 3.3.1 Lưu đồ thuật toán cho mạch Gamepad PS2 46 3.3.2 Lưu đồ thuật toán cho mạch điều khiển chung 46 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 48

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Logo Robocon 2013 3

Hình 1.2 Kích thước sân thi đấu 5

Hình 1.3 Mô hình sân thi đấu của Robocon 2013 6

Hình 1.4 Tính toán vị trí bắn hạt giống 8

Hình 2.1 Phần đế Robot 10

Hình 2.2 Bánh xe nhôm đúc 11

Hình 2.3 Kích thước bánh xe nhôm đúc 11

Hình 2.4 Bánh xe Omni đa hướng 12

Hình 2.5 Động cơ DC 12 V có bộ giảm tốc 13

Hình 2.6 Cánh tay Robot 15

Hình 2.7 Mặt đáy của đế Robot 14

Hình 3.1 Sơ đồ chân AT89S52 17

Hình 3.2 Sơ đồ khối của AT89S52 20

Hình 3.3 Cấu trúc tổng quát của Atmega16 21

Hình 3.4 Thanh ghi trạng thái của Atmega16 22

Hình 3.5 Con trỏ ngăn xếp 23

Hình 3.6 Bộ nhớ Flash 24

Hình 3.7 Bộ nhớ SRAM 24

Hình 3.8 Sơ đồ cấu trúc bộ định thời 26

Hình 3.9 Sơ đồ chân của LCD 1602A 26

Hình 3.10 Kí hiệu và chức năng từng chân LCD 27

Hình 3.11 Bộ nhớ LCD 28

Hình 3.12 Bảng mã LCD 28

Hình 3.13 Tập lệnh LCD 29

Hình 3.14 Sơ đồ kết nối LCD với Vi điều khiển 31

Hình 3.15 Sơ đồ chân IC817 32

Hình 3.16 IRF 540N 32

Hình 3.17 Piston 33

Hình 3.18 Van khí nén 5/2 34

Hình 3.19 7805 35

Hình 3.20 Gamepad PS2 36

Hình 3.21 Sơ đồ dây Gamepad 37

Hình 3.22 Sơ đồ khối 39

Hình 3.23 Sơ đồ mạch Gamepad PS2 40

Hình 3.24 Sơ đồ mạch tạo áp chuẩn 3,3 V 41

Hình 3.25 Sơ đồ mạch điều khiển 42

Hình 3.26 Sơ đồ mạch điều khiển piston 43

Hình 3.27 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ 44

Hình 3.28 Sơ đồ mạch van khí điều khiển tay kẹp 45

Hình 3.29 Lưu đồ thuật toán của mạch Gamepad PS2 46

Hình 3.30 Lưu đồ thuật toán mạch điều khiển chung 47

Hình 4.1 Toàn cảnh Robot 48

Hình 4.2 Hệ thống lò xo kết hợp dây chun 49

Hình 4.3 Tay kẹp Robot 49

Hình 4.4 Bệ đẩy để thay đổi góc bắn cho Robot 50

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kể từ khi ra đời đến nay, Cuộc thi Robocon đã thu hút sự quan tâm hầu như của tất

cả sinh viên thuộc khối ngành kỹ thuật Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, việc chế tạo Robot đã không còn quá khó khăn với tất cả những ai đam

mê công nghệ, ham muốn chế tạo Dựa vào chủ đề cuộc thi Robocon 2013 do Việt Nam

tổ chức, em muốn thiết kế và chế tạo Robot bắn hạt giống lên đĩa mặt trăng

4 Cách tiếp cận đề tài

 Sử dụng kết hợp giữa lý thuyết đã học và thực tế đo đạc

 Tìm hiểu, tiếp thu có chọn lọc các kinh nghiệm từ những đội tham gia Robocon

 Trao đổi với giáo viên hướng dẫn để giải quyết những vấn đề khó khăn

 Tìm hiểu các lý thuyết liên quan đến đồ án trên internet, sách báo…

5 Nội dung nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Lý thuyết điều khiển cơ

 Lý thuyết điều khiển

 Tìm hiểu các cơ cấu mạch thường được sử dụng trong chế tạo Robot

 Thiết kế phần cứng Thiết kế phần mềm (chương trình đọc và giải mã Gamepad PS2, chương trình điều khiển toàn bộ Robot)

CHƯƠNG I: TÌM HIỂU VỀ CUỘC THI ROBOCON 2013

1.1 KHÁI QUÁT VỀ CUỘC THI ROBOCON

Robocon là cụm từ viết tắt từ cụm từ Robot Contest nghĩa là Cuộc thi Robot, là tên cuộc thi chế tạo Robot dành cho sinh viên các trường đại học và cao đẳng khối kỹ thuật của các nước trong khu vực Châu Á Thái Bình Dương do Hiệp hội Phát thanh Truyền hình Châu Á Thái Bình Dương (Asia Pacific Broadcasting Union, viết tắt là ABU) tổ chức hàng năm

Cuộc thi Robocon khởi xướng lần đầu tiên tại Nhật Bản từ năm 2002 với nội dung thi là “Chinh phục núi Phú Sĩ”, và cũng đúng vào năm đó, đội Robot Việt Nam là Telematic với Robot tên là V-bot đến từ trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã bất ngờ đánh bại đội Nhật Bản tại trận chung kết và dành chức vô địch dưới sự ngỡ ngàng của đội chủ nhà

Trải qua hơn 10 năm thi đấu, Việt Nam đã dành vô địch Robocon 3 lần ở các năm

2002 tại Nhật Bản với chủ đề “Chinh phục núi Phú Sĩ’, năm 2004 tại Hàn Quốc với chủ

đề “Cuộc đoàn tụ của Ngưu Lang- Chức Nữ”, đội Robot đại diện là FXR đến từ trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, năm 2006 tại Malaysia với chủ đề “Chinh phục đỉnh cao”, đội Robot đại diện là BKPro đến từ trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh Cho đến thời điểm này, Việt Nam là nước có số lần vô địch Robocon nhiều thứ 2 với 3 lần vô địch và chỉ đứng sau Trung Quốc với 5 lần vô địch

Các đội tham dự Cuộc thi Robocon được tuyển từ vòng loại tại các nước do đài truyền hình thành viên tổ chức với cùng chủ đề

Các bước tổ chức cuộc thi Robocon:

Các nước chủ nhà công bố chủ đề cuộc thi năm nay tới các nước tham dự thông qua ABU

Các trường đại học, cao đẳng sẽ lập kế hoạch thiết kế, chế tạo Robot của mình để thi theo chủ đề đó

Các đài truyền hình thành viên sẽ tổ chức cuộc thi trong nước để lựa chọn đội đại diện duy nhất và ghi hình quá trình chế tạo Robot của đội đại diện cho nước mình gửi đến ban tổ chức của cuộc thi

Đội đại diện tham gia cuộc thi, băng ghi hình cuộc thi và các băng ghi hình quá trình chế tạo Robot của các đội tham dự sẽ được ban tổ chức gửi đến các đài truyền hình

để phát sóng trong khu vực Châu Á – Thái Bình Dương

1.2 CHỦ ĐỀ VÀ LUẬT THI ROBOCON 2013

Mầm cây đầu tiên cựa mình thức giấc trên hành tinh trái đất để chọn cho mình màu

Xanh - màu của sự sống

Màu xanh trải dài từ những cánh rừng nguyên sinh rộng lớn đến khắp bờ ruộng đồng, bờ bãi, … làm nên không gian dịu mát nuôi lớn những tâm hồn

Cùng với sự phát triển kinh tế, con người với những tác động xấu chính là tác nhân làm mất dẫn đi màu xanh của hành tinh Nó đang lan tràn như một thứ dịch bệnh, đe dọa hành tinh xanh, đe dọa sự sống Thiên tai, lũ lụt, biến đổi khí hậu… Thiên nhiên đang giận dữ!

Ý thức của cộng đồng, của mỗi cá nhân chính là loại vacxin tốt nhất để ngăn chặn những thảm họa mà trái đất đang phải gánh chịu

Việt Nam đã chọn chủ đề của cuộc thi ABU Robocon 2013 là : Hành tinh xanh

Với thông điệp, mỗi quốc gia là một mảnh ghép tạo nên thế giới Trách nhiệm giữ gìn màu xanh cho trái đất thuộc về mỗi người sống trên hành tinh Ý thức và hành động – đó

là điều cần làm để duy trì sự sống cho ngôi nhà chung TRÁI ĐẤT

1.2.2 Khái quát về luật chơi:

Thời gian thi đấu mỗi trận là 3 phút Mỗi đội có 2 Robot :

+ 1 Robot tự động

+ 1 Robot điều khiển bằng tay

Robot điều khiển bằng tay lấy lá ở kho, đem gắn vào 3 ô trống gọi là Ring tại bán cầu Nam Tiếp theo, Robot điều khiển bằng tay đi lấy lá ở kho chuyển cho Robot tự động Robot tự động gắn tối thiểu 3 lá ở vùng bán cầu Bắc (bao gồm 2 lá ở phần sân đội mình

và 1 lá ở vùng chung) Sau đó, Robot tự động mới được phép chạm vào mầm đặt ở cực Bắc Robot tự động đi lấy mầm của đội mình đặt ở vùng cực Bắc chuyển cho Robot bằng tay Robot bằng tay đứng dưới đường giới hạn 2 và bắn các mầm vào vùng mặt trăng trước đội đó giành chiến thắng tuyệt đối

1.2.3 Sân thi đấu

Hình 1.2 Kích thước sân thi đấu

Sân thi đấu là một khu vực có kích thước 13000mm x 13000mm, được làm bằng gỗ dán, mặt trên sơn không bóng, được bao quanh bởi tường rào bằng sắt, cao 100mm, rộng 50mm Sân thi đấu được chia đều cho 2 đội, phân cách bởi 1 hàng rào sắt (cao 60mm, rộng 30mm) dọc theo đường Kinh tuyến gốc

Hình 1.3 Mô hình sân thi đấu của Robocon 2013

Sân thi đấu được chia làm 2 phần :

Vùng trái đất là hình quả cầu, có đường kính 8500mm, có các đường dẫn trắng làm bằng đề can không bóng (rộng 3cm) biểu trưng cho các đường Kinh tuyến và Vĩ tuyến

Có hình cây màu xanh được vẽ trong vùng Trái đất Mỗi đội có 7 ô trống (Rings) bằng đai sắt (được sơn màu xanh lá cây xẫm) đặt trong vùng Trái đất để gắn lá Bán cầu Bắc là nửa trên của vùng Trái đất Có 1 vùng chung là 4 ô ở trung tâm Bán cầu Bắc Ngoài ra, có vùng cực Bắc được giới hạn bởi đường vĩ tuyến thứ nhất Các đội thi được đặt mầm của đội mình tại vùng cực Bắc trước khi trận đấu bắt đầu Vùng bán cầu Nam là nửa dưới của vùng Trái đất

Vùng không gian là vùng bao quanh Trái đất Mặt trăng nằm ở vùng không gian,

là đĩa tròn có mặt phẳng đường kính 500mm, đặt trên một trụ sắt cao 1500mm Vị trí của Mặt trăng nằm trên đường kéo dài của đường Kinh tuyến gốc, cách điểm cực Bắc 2700mm Có 2 đường giới hạn rộng 30mm Trong đó, đường giới hạn 1 là đường kéo dài của đường Xích đạo và Đường giới hạn 2 nằm ở phía Bắc và cách đường Xích đạo 2950mm

Khu vực Robot điều khiển bằng tay là vùng không gian được sơn màu xanh lục lam Khu vực xuất phát Robot điều khiển bằng tay có kích thước 700 mm x 700 mm Khu vực dành cho đội đỏ được sơn màu đỏ, khu vực xuất phát dành cho đội xanh được sơn màu xanh lam Kho chứa lá của mỗi đội được đặt ở phía dưới sân, các vị trí xác định như hình

vẽ Trước khi trận đấu bắt đầu, mỗi kho có 12 lá

Khu vực Robot tự động là vùng Trái đất và vùng không gian bao quanh nó Có 2 khu vực xuất phát dành cho Robot tự động, khu xuất phát dành cho đội đỏ được sơn màu

đỏ, khu xuất phát dành cho đội xanh được sơn màu xanh

Lá có hình trụ đặc, đường kính 250mm, cao 200mm, nặng 200g.Lá được làm bằng xốp mật độ cao, sơn màu xanh lam dành cho đội Xanh và màu đỏ dành cho đội Đỏ Mặt trên và dưới của lá được sơn màu xanh lá cây

Mỗi đội dự thi tự sản xuất 3 mầm, có hình dạng một cái cây Chiều cao của mầm không quá 500mm Đường kính lớn nhất của mầm phải nhỏ hơn 300mm Đường kính đáy của mầm không được nhỏ hơn 150mm Trọng lượng tối đa của mầm không quá 300g Trước khi trận đấu bắt đầu, mầm sẽ được đặt ở vùng cực Bắc ở phần sân mỗi đội bởi thành viên của đội

Robot phải được thiết kế phù hợp với mầm của mỗi đội Trong mọi điều kiện, khi mầm được bắn từ Robot thì mầm không được bắn xa quá 8m Khoảng cách tối đa 8m được tính từ vị trí Mầm sau khi bắn đến vị trí Robot bắn Mầm tiếp xúc với sàn Mầm được bắn từ Robot sẽ không được sử dụng lại trong cùng trận đấu

1.3 TÍNH TOÁN VỊ TRÍ BẮN HẠT GIỐNG

Hình 1.4 Tính toán vị trí bắn hạt giống

Theo qui định của cuộc thi, Mặt trăng nằm ở phía Bắc cách cực Bắc của Trái Đất là 2700mm (2,7m) Đường giới hạn 1 trùng với đường xích đạo của Trái Đất Độ rộng của đường giới hạn là 30mm (3cm) Đường giới hạn 1 và đường giới hạn 2 cách nhau là 2950mm (2,95m) Robot điều khiển tự động sau khi gắp hạt giống, đưa cho Robot điều khiển bằng tay Sau đó Robot điều khiển bằng tay vượt đường giới hạn 1, di chuyển lên

vị trí sát đường mép giới hạn 2, bắn hạt giống lên đĩa mặt trăng Vậy nên vị trí đứng bắn cách mặt trăng là khoảng 4994 mm (4,99 m)

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ CHO ROBOT

2.1 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ CẤU ĐẾ ROBOT

2.1.1 Phần đế của robot

Thiết kế phần đế là công việc cần phải làm đầu tiên và tương đối quan trọng trong quá trình thiết kế robot Phần đế cũng là bộ phận cần phải hoàn thành đầu tiên trước khi bắt tay vào làm các cơ cấu khác Giống như mọi năm, phần đế nhìn chung không có nhiều thay đổi có chăng chỉ là thay đổi nhỏ về kích thước sao cho phù hợp hơn với từng đội Robocon Đế là bộ phận sẽ ẵm hết trọng tải của robot nên việc chọn lựa từ vật liệu đến các bộ phận như bánh xe, động cơ … cần phải được xem xét kỹ

Vật liệu làm đế robot là loại nhôm chữ V dày có kích thước 28x15 mm , đây là loại vật liệu có tính bền cao, chịu được tải lớn, dễ dàng lắp rắp hoặc tháo gỡ …

Hình 2.1 Phần đế Robot

2.1.2 Phần bánh xe

Bánh xe phía trước là bánh xe nối với cơ cấu động cơ nên tải đặt vào bánh xe khi chuyển động là rất lớn Vì vậy, trong các ứng dụng thiết kế xe robot, người ta thường sử dụng bánh nhôm đúc Bánh nhôm đúc có trọng lượng khá nhẹ, lớp vỏ bánh được làm bằng cao su nên bánh chịu lực khá lớn, bám đường tốt Bánh xe có rãnh với bán kính là 4, rất thuận tiện cho việc lắp ghép với trục động cơ

Hình 2.2 Bánh xe nhôm đúc

Hình 2.3 Kích thước bánh xe nhôm đúc

Bánh xe sau là bánh lái nên phải xoay được khi xe cần đổi hướng Do đó, trong thiết

kế robot, người ta hay sử dụng bánh đa hướng Omni Bánh xe đa hướng omni sườn bánh làm bằng nhựa PA, 8 bánh vệ tinh được gia công CNC từ nhôm cứng 6061 siêu bền giúp bánh chạy êm và giảm hao mòn đáng kể trong quá sử dụng Bánh xe có thể xoay được đa hướng nên thích hợp làm bánh lái cho robot Bánh xe có khối lượng 50g nhưng trọng tải lên đến hơn 15kg, đường kính ngoài 40mm, dày 25mm Đường kính trục 8mm Do bánh

xe có thể xoay được các hướng, nhờ đó có thể giúp robot thực hiện được những chuyển động phức tạp khác nhau, có thể kết hợp hướng di chuyển và chuyển động quay tròn

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 dòng

điện 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 phần quan 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

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 các loại động cơ có hộp giảm tốc

- Dòng và áp hoạt động

Động cơ lựa chọn là loại động cơ 12V DC, tốc độ quay là 220 vòng/phút, có bộ giảm tốc độ để tốc độ động cơ không thay đổi dù mới bắt đầu quay Kích thước động cơ nhỏ gọn, phù hợp cho việc ứng dụng trong thiết kế Robot

Hình 2.5 Động cơ DC 12 V có bộ giảm tốc

2.2 THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT

Cánh tay Robot là bộ phận quan trọng vì nó thực hiện 2 nhiệm vụ: vừa phải lấy hạt giống từ phía dưới mặt đất, vừa bắn hạt giống lên đĩa mặt trăng cách đất là 1,5m, khoảng cách bắn lại tương đối xa là khoảng 5m

Để lấy được hạt giống từ phía dưới đất thì cần phải có hệ thống kẹp giữ hạt giống đồng thời phải có hệ thống nâng để đưa hạt giống về bệ phóng để bắn đi xa Vì vậy, hệ thống khí nén nên được sử dụng trong việc thiêt kế cánh tay robot

Để bắn hạt giống lên đĩa thì hệ thống bắn sử dụng lò xo kết hợp dây chun để tăng hiệu quả khi bắn Hệ thống Piston đẩy kéo sẽ làm lò xo bị kéo dãn qua đó tạo lực cho hạt giống có thể bắn xa về phía trước Đồng thời, Robot còn được thiết kế thêm động cơ cánh tay để điều chỉnh hướng bắn được chính xác

Hình 2.6 Mặt đáy của để Robot

Hình 2.7 Cánh tay Robot

2.3 THIẾT KẾ MẦM (HẠT GIỐNG)

Theo qui định của cuộc thi, Mặt Trăng là một đĩa tròn đường kính 500mm, cao 1500mm Sau khi mầm được bắn phải đứng được trên Mặt trăng tối thiểu 3s Do đó trong thiết kế mầm chúng ta nên sử dụng giác hút Vì khi tiếp mặt, đáy mầm sẽ tạo với Mặt Trăng 1 lực ép tương đối lớn đủ để giác hút bám được trên đĩa Mặt Trăng

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ ĐIỂU KHIỂN ROBOT

3.1 CÁC LINH KIỆN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG MẠCH

3.1.1 Vi điều khiển:

AT89S52:

AT89S52 là họ IC vi điều khiển sử dụng điện năng thấp nhưng hiệu suất cao của hãng Atmel sản xuất AT89S52 là dòng vi điều khiển 8 bit với 8KB bộ nhớ Flash lập trình bên trong Đây là dòng IC được sản xuất bằng cách sử dụng Công nghệ bộ nhớ mật độ cao của Atmel và tương ứng với chuẩn của các ngành công nghiệp AT89S52 Atmel là một vi điều khiển mạnh mẽ, cung cấp các giải pháp một cách linh hoạt và giảm chi phí nhưng hiệu quả cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng AT89S52 cung cấp các tính năng tiêu chuẩn sau:

Giao tiếp nối tiếp

4 s cho hoạt động nhân chia

Sơ đồ chân :

Hình 3.1 Sơ đồ chân AT89S52

Chân VCC (chân 40): điện áp cung cấp 5VDC

Chân GND (chân 20): nối mass

Chân XTAL1(chân 18) và chân XTAL2(chân 19), thường được ghép nối với thạch anh và tụ tạo dao động cho vi điều khiển Chân XTAL1 còn là ngõ vào đến mạch khuếch đại dao động đảo Chân XTAL2 còn là ngõ ra từ mạch khuếch đại dao động đảo

Chân EA/VPP (chân 31):

+ Nối mass: sử dụng bộ nhớ chương trình bên ngoài vi điều khiển

+Nối VCC: sử dụng bộ nhớ chương trình bên trong vi điều khiển

Chân RST (chân 9): chân reset vi điều khiển về trạng thái ban đầu Hệ thống sẽ được thiết lập lại các giá trị ban đầu nếu ngõ này ở mức 1 tối thiểu 2 chu kì máy

Chân PSEN: cho phép bộ nhớ chương trình ngoài, chân này được nối với chân OE của ROM ngoài Khi vi điều khiển làm việc với bộ nhớ chương trình ngoài, chân này phát tín hiệu kích hoạt ở mức thấp, được kích hoạt 2 lần trong một chu kì máy Khi thực thi một chương trình ở ROM nội,chân này được duy trì ở mức logic 1

Chân ALE (chân 30): cho phép chốt địa chỉ Khi vi điều khiển truy xuất với bộ nhớ

ở bên ngoài, P0 có chức năng vừa là bus địa chỉ, vừa có chức năng là bus dữ liệu do đó phải tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu chân ALE dùng là tín hiệu điều khiển để giải đa hợp các đường dữ liệu và địa chỉ khi kết nối chúng với IC chốt Các xung tín hiệu ALE có tốc độ bằng 1/6 lần tần số dao động đưa vào vi điều khiển, như vậy có thể dùng tín hiệu ở ngõ ra ALE làm xung clock cung cấp cho các phần khác của hệ thống

PORT0 (P0): gồm 8 chân (từ chân 32 đến chân 39) có hai chức năng:

Chức năng xuất/nhập: các chân này được dùng để nhận tín hiệu từ bên ngoài vào để

xử lý, hoặc dùng để xuất tín hiệu ra bên ngoài, chẳng hạn xuất tín hiệu để điều khiển led đơn sang tắt

Chức năng là bus dữ liệu và bus địa chỉ (AD7-AD0): 8 chân này còn làm nhiệm vụ lấy dữ liệu từ ROM hoặc RAM ngoại, đồng thời PORT0 còn dùng để định địa chỉ của bộ nhớ ngoài

PORT1(P1): gồm 8 chân (từ chân 1đến chân 8) chỉ có chức năng làm các đường xuất/nhập, không có chức năng khác

Ngoài ra , còn có một số chân được tích hợp các chức năng đặc biệt:

P1.0 T2: Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2

P1.1 T2EX: Ngõ Nạp /Thu của Timer/Counter thứ 2

P1.5 MOSI: là chân xuất tín hiệu nếu là Master hoặc chân nhận nếu là Slave P1.6 MISO: là chân nhận tín hiệu nếu là chip Master hoặc là chân xuất tín hiệu nếu

là chip Slave

P1.7 SCK: là chân clock đồng bộ, clock này do chip Master tạo ra và điều khiển Mục đích là để hạn chế lỗi truyền bit

3 chân MOSI, MISO, SCK còn được sử dụng để nạp nối tiếp chương trình cho chip AT89S52

PORT2 (P2): gồm có 8 chân (từ chân 21 đến chân 28) có hai chức năng:

Chức năng xuất/ nhập

Chức năng là bus địa chỉ cao (A8-A15): khi kết nối với bộ nhớ ngoài có dung lượng lớn Cần 2 byte để định địa chỉ của bộ nhớ, byte thấp do P0 đảm nhận, byte cao do P2 này đảm nhận

PORT3 (P3): gồm 8 chân (từ chân 10 đến chân 17) : chức năng xuất nhập

Ngoài ra , còn có một số chân được tích hợp các chức năng đặc biệt:

P3.0 RxD: Ngõ vào nhận dữ liệu nối tiếp

P3.1 TxD: Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp

P3.2 INT0: Ngõ vào ngắt ngoài thứ 0

P3.3 INT1: Ngõ vào ngắt ngoài thứ 1

P3.4 T0: Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0

P3.5 T1: Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1

P3.6 WR: Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài

P3.7 RD: Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên ngoài

Thạch anh 11.0592 MHz: là nguồn tạo xung nhịp dao động clock ổn định (11.0592 MHz) Thạch anh sẽ được gắn vào chân XTAL1 (chân 18) và XTAL2 (chân 19) của AT89S52

Tụ gốm: dùng để lọc nhiễu cho dao động thạch anh Hai tụ gốm 33pF một đầu sẽ được nối với thạch anh, đầu còn lại nối Mass

Hình 3.2 Sơ đồ khối của AT89S52

ATMEGA16

Atmega16 là loại vi điều khiển dựa trên kiến trúc RISC Với khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock, Atmega16 có thể đạt được tốc độ 1 MIPS trên mỗi MHz (1 triệu lệnh/s/MHz)

Atmega16 có các đặc điểm sau: 16KB bộ nhớ Flash với khả năng đọc khi ghi, 512 byte bộ nhớ EEPROM, 1KB bộ nhớ SRAM, 32 thanh ghi chức năng chung, 32 đường vào

ra chung, 3 bộ định thời/bộ đếm, ngắt nội và ngắt ngoại, USART, giao tiếp nối tiếp 2 dây,

8 kênh ADC 10 bit, …

Atmega16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển hệ thống như: trình dịch C, micro assemblers, chương trình mô phỏng/ sửa lỗi, kit thử nghiệm, …

Cấu trúc nhân AVR

CPU của AVR có chức năng bảo đảm sự hoạt động chính xác của các chương trình

Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ, thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi và quản lý ngắt

Hình 3.3 Cấu trúc tổng quát của Atmega16

AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và

dữ liệu Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash

ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung Các phép toán được thực hiện trong một chu kỳ xung clock Hoạt động của ALU được chia làm 3 loại: đại số, logic và theo bit

Thanh ghi trạng thái

Đây là thanh ghi trạng thái có 8 bit lưu trữ trạng thái của ALU sau các phép tính số học và logic

Hình 3.4 Thanh ghi trạng thái của Atmega16

C: Carry Flag; cờ nhớ (Nếu phép toán có nhớ cờ sẽ được thiết lập)

Z: Zero Flag; cờ Zero (Nếu kết quả phép toán bằng 0)

N: Negative Flag (Nếu kết quả của phép toán là âm)

V: Two’s complement overflow indicator (Cờ này được thiết lập khi tràn số bù 2) H: Half Carry Flag (Được sử dụng trong một số toán hạng sẽ được chỉ rõ sau) T: Transfer bit used by BLD and BST instructions (Đây là bit cho phép toàn cục ngắt Nếu bit này ở trạng thái logic 0 thì không có một ngắt nào được phục vụ)

Con trỏ ngăn xếp (SP): Là thanh ghi 16 bit nhưng cũng có thể được xem như hai thanh chức năng đặc biệt 8 bit Có địa chỉ trong các thanh ghi chức năng đặc biệt là

$3E (trong bộ nhớ RAM là $5E) Có nhiệm vụ trỏ tới vùng nhớ RAM chứa ngăn xếp

Hình 3.5 Con trỏ ngăn xếp

Khi chương trình phục vụ ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm đi 2 vị trí Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực hiện lệnh PUSH Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2 Như vậy con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ Và giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lớn hơn hoặc bằng 0x60 vì 0x5F trỏ lại là vùng các thanh ghi

Hình 3.6 Bộ nhớ Flash

Bộ nhớ dữ liệu SRAM

1120 ô nhớ của bộ nhớ dữ liệu định địa chỉ cho file thanh ghi, bộ nhớ I/O và bộ nhớ

dữ liệu SRAM nội Trong đó 96 ô nhớ đầu tiên định địa chỉ cho file thanh ghi và bộ nhớ I/O, và 1024 ô nhớ tiếp theo định địa chỉ cho bộ nhớ SRAM nội

Hình 3.7 Bộ nhớ SRAM

Bộ nhớ dữ liệu EEPROM

Atmega16 chứa bộ nhớ dữ liệu EEPROM dung lượng 512 byte, và được sắp xếp theo từng byte, cho phép các thao tác đọc/ghi từng byte một

Các cổng và ra (I/O)

Thanh ghi DDRx : Đây là thanh ghi 8 bit (ta có thể đọc và ghi các bit ở thanh ghi này) và có tác dụng điều khiển hướng cổng PORTx (tức là cổng ra hay cổng vào) Nếu như một bit trong thanh ghi này được set thì bit tương ứng đó trên PORTx được định nghĩa như một cổng ra Ngược lại nếu như bit đó không được set thì bit tương ứng trên PORTx được định nghĩa là cổng vào

Thanh ghi PORTx: Đây cũng là thanh ghi 8 bit (các bit có thể đọc và ghi được) nó

là thanh ghi dữ liệu của cổng Px và trong trường hợp nếu cổng được định nghĩa là cổng ra thì khi ta ghi một bit lên thanh ghi này thì chân tương ứng trên port đó cũng có cùng mức logic Trong trường hợp mà cổng được định nghĩa là cổng vào thì thanh ghi này lại mang

dữ liệu điều khiển cổng Cụ thể nếu bit nào đó của thanh ghi này được set (đưa lên mức 1) thì điện trở kéo lên (pull-up) của chân tương ứng của port đó sẽ được kích hoạt Ngược lại

nó sẽ ở trạng thái Z Thanh ghi này sau khi khởi động vi điều khiển sẽ có giá trị là 0x00

Thanh ghi PINx: Đây là thanh ghi 8 bit chứa dữ liệu vào của PORDx (trong trường hợp PORTx được thiết lập là cổng vào) và nó chỉ có thể đọc mà không thể ghi vào được

Bộ định thời (timer/counter()) là một module định thời/đếm 8 bit, các đặc điểm sau: