Thiết kế và chế tạo xe tự hành di chuyển bám vạch

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 2 MỤC LỤC 3 CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 5 1.1. Giới thiệu chung 5 1.2. Các vấn đề đặt ra 5 1.3. Phương pháp nghiên cứu 5 1.4. Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu 6 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH DI CHUYỂN BÁM VẠCH 6 2.1. Xe tự hành di chuyển bám vạch 6 2.2 Sơ lược về xe tự hành di chuyển bám vạch của nhóm 10 2.2.1 Giới thiệu sơ lược về vi điều khiển ATMEGA8 10 2.2.2 Cấu trúc Port xuất nhập. 14 2.2.3 Thanh ghi DDRx 14 2.2.4 .Thanh ghi PORTx 15 2.2.5 Mạch nạp cho chíp 16 2.2.6: IC ĐỆM DÒNG ULN2803 18 2.2.7: TỔNG QUAN VỀ TEXT LCL 20 2.2.8 Linh kiện thu phát sóng hồng ngoại 22 2.2.9 Động cơ bước 23 CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 24 3.1 .Thiết kế đồ án 24 3.1.1 Sơ đồ khối 24 3.1.2.Các modun mạch 24 3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 24 3.2.1 Mạch nguyên lý và mạch in 24 3.3 Phân tích các mạch Modul: 27 3.31 Modul tạo xung: 27 3.3.2 Modul Reset: 27 3.3.3 Modul Cảm biến: 28 3.3.4 Mạch công suất 28 3.3.5 Nguyên lí hoạt động 29 3.4 Chương trình lập trình 30 3.4.1 Lưu đồ thuật toán 30 3.4.2.Code cho Vi Điều Khiền: 30 CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN 35 4.1 ƯuNhươc điểm: 35 4.2 Hướng phát triển đề tài: 35

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

1

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực

điều khiển và truyền thông, rất nhiều máy, hệ thống tự động thông minh ra đời, đã

làm thay đổi về mọi mặt cuộc sống của con người Cụ thể trong công nghiệp là các

máy tự động, các trạm sản xuất linh hoạt, các nhà máy thông minh Trong dân

dụng là các thiết bị phục vụ trong các gia đình như máy giặt, tủ lạnh, các hệ thống

bảo vệ, chiếu sáng tự động… Trong trao đổi, mua bán cũng xuất hiện các thiết bị

tự động như các máy ATM, các máy thanh toán card, các máy bán cà phê….Với

những chiếc máy đó việc mua bán, trao đổi của con người trở lên thuận tiện hơn

Trong báo cáo này, nhóm muốn đề cập đến một trong những chiếc máy tự động

ứng dụng trong giao thương, đó là máy bán hàng tự động

Đề tài “Thiết kế và chế tạo xe tự hành di chuyển bám vạch” mà nhóm được

giao, thật sự là một thử thách, do nguyên lý hoạt động, kết cấu cơ khí, phương

pháp điều khiển của các máy loại này hoàn toàn xa lạ với các thành viên của

nhóm, các tài liệu về những chiếc máy này hoàn toàn không có Nhưng chính

thách thức đó cũng là động lực để nhóm làm việc Qua đề tài, các thành viên của

nhóm đã phát triển được nhiều kĩ năng như làm việc nhóm, cách tiếp cận với vấn

đề mới, cách giải quyết vấn đề…Hơn thế nữa trong quá trình làm đề tài, nhóm đã

vận dụng được những kiến thức đã học như thiết kế cơ khí, lập trình điều khiển,

thiết kế hệ thống… để giải một bài toán rất thực tế

Để hoàn thành tốt đề này, trước tiên và trên hết, chúng con muốn cảm ơn bố

mẹ, cảm ơn bố mẹ đã sinh ra chúng con, đã nuôi dạy chúng con, hiểu chúng con,

ủng hộ chúng con Bố mẹ cũng là động lực để chúng con phấn đấu

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Lưu Vũ Hải và các thầy cô trong bộ

môn Cơ Điện Tử, cũng như các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ chúng em

trong thời gian làm đề tài Và hơn nữa, cảm ơn thầy đã dìu dắt, trang bị kiến thức

cả chuyên môn lẫn cuộc sống cho chúng em trong bốn năm qua Sau khi ra trường,

chúng em mong vẫn được thầy, và các thầy cô giúp đỡ, chỉ bảo

Đồng thời nhóm cũng cảm ơn các bạn trong lớp CĐT2_K11 đã có những góp

ý quý báu cho nhóm Và cảm ơn về tình bạn của các bạn

Do thời gian có hạn nên cũng không thể tránh được những sai sót trong quá

trình làm đề tài Nhóm mong được những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các

bạn để có thể hoàn thiện đề tài tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2012

Sinh viên thực hiện:

Trần Hồng Quân Nguyễn Hữu Hoàng Nguyễn Trọng Trung

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 2

MỤC LỤC 3

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 5

1.1 Giới thiệu chung 5

1.2 Các vấn đề đặt ra 5

1.3 Phương pháp nghiên cứu 5

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu 6

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH DI CHUYỂN BÁM VẠCH 6

2.1 Xe tự hành di chuyển bám vạch 6

2.2 Sơ lược về xe tự hành di chuyển bám vạch của nhóm 10

2.2.1 Giới thiệu sơ lược về vi điều khiển ATMEGA8 10

2.2.2 Cấu trúc Port xuất nhập 14

2.2.3 Thanh ghi DDRx 14

2.2.4 Thanh ghi PORTx 15

2.2.5 Mạch nạp cho chíp 16

2.2.6: IC ĐỆM DÒNG ULN2803 18

2.2.7: TỔNG QUAN VỀ TEXT LCL 20

2.2.8 Linh kiện thu phát sóng hồng ngoại 22

2.2.9 Động cơ bước 23

CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 24

3.1 Thiết kế đồ án 24

3.1.1 Sơ đồ khối 24

3.1.2.Các modun mạch 24

3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 24

3.2.1 Mạch nguyên lý và mạch in 24

3.3 Phân tích các mạch Modul: 27

3.31 Modul tạo xung: 27

3.3.2 Modul Reset: 27

3.3.3 Modul Cảm biến: 28

3.3.4 Mạch công suất 28

3.3.5 Nguyên lí hoạt động 29

3.4 Chương trình lập trình 30

3.4.1 Lưu đồ thuật toán 30

3.4.2.Code cho Vi Điều Khiền: 30

CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN 35

4.1 Ưu-Nhươc điểm: 35

4.2 Hướng phát triển đề tài: 35

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG

1.1.Giới thiệu chung

Xe tự hành (robot tự hành) là một thành phần có vai trò quan trọng trong ngành robot học nói riêng và ngành cơ điện tử nói chung Cũng với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống Cơ điện tử ,robot tự hành được hoàn thiện và càng cho thấylợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cộng với nhu cầu của con người càng cao tiềm năng ứng dụng của robot tự hành là hết sức rộng lớn Có thể kể ra một vài ứng dụng của xe tự hành như:

- Vận chuyển vật liệu hàng hóa trong các tòa nhà ,nhà máy ,cửa hàng ,sân bay ,thư viện …

- Kiểm tra trong môi trường nguy hiểm khắc nhiệt như các nơi nhiễm khí độc hại ,môi trường nước, các đường cống ngầm…

- Dùng trong các lĩnh vực quân sự ,da thám canh gác…

- Phục vụ sinh hoạt gia đình ,hỗ trợ người khuyết tật…

Còn rất nhiều ứng dụng khác nữa của Xe tự hành và cũng còn những hạn chế như chi phí chế tạo cao đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi một nhược điểm của xe là còn thiếu linh hoạt và thích ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau

Có nhiều loại và kiểu dáng xe tự hành khác nhau ,nhưng với khả năng của nhóm ,nhóm đã đạt ra nhiệm vụ thiết kế và chế tạo xe đơn giản di chuyển trên địa hình phẳng với kết cấu cơ khí vững chắc ,chạy ổn định

1.2.Các vấn đề đặt ra

- Đây là một đề tài có nhiều ý tưởng những suy nghĩ về xe tự hành phong phú ,khi được giao đề tài chúng em gặp một số khó khăn:

- Tìm động cơ phù hợp với xe là tương đối khó

- Khi làm cơ khí chúng em tính được gia công cơ khí là rất khó khăn nên xe tự hành hoàn toàn làm bằng tay dẫn dến độ chính xác không cao

- Kinh phí thực hiện đề tài là không nhỏ với chúng em

1.3.Phương pháp nghiên cứu

Từ nhiệm vụ đặt ra và thực tế bên ngoài ,chúng em đã có những bước làm cụ thể để hoàn thành đề tài như sau:

- Tích cực tra cứu thông tin ,tìm tài liệu liên quan đến những gì phải dùng qua internet ,qua những cuốn sách liên quan đến đề tài tìm đồ án công trình nghiên cứu

- Thiết kế cơ khí ,vẽ mạch điều khiển ,tính toán các linh kiện cần mua

- Liên hệ với công ty để đặt hàng các linh kiện ,đòng thời đi tìm kiếm những thứ có sẵn trên thị trường ,mua đầy đủ những đồ cần thiết

- Khi có đủ đồ ,tiến hành chế tạo cơ khí ,đi đặt mạch in ,test thử cẩn thận

1.4 Phạm vi và giới hạn của nghiên cứu

- Xe tự hành rất đa dạng và nhiều ý tưởng khác nhau Tuy nhiên trong phạm vi đềtài tốt nghiệp ,với những giới hạn về thời gian ,tài chính và tầm hiểu hiểu biếtnhóm chỉ chế tạo Xe tự hành với khả năng như sau:

- Đề tài chỉ nghiên cứu loại xe tự hành có bánh xe và di chuyển trên địa hình phẳng,di chuyển bám theo vạch

- Dùng cảm biến để dò đường

- Vật liệu chế tạo đơn giản ,dễ tìm ngoài thị trường

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ XE TỰ HÀNH DI CHUYỂN BÁM VẠCH

2.1 Xe tự hành di chuyển bám vạch

“Xe tự hành di chuyển bám vạch” có những đặc điểm sau :

- Xe di chuyển bám theo vạch màu đen đã được thiêt kế sẵn

- Xe dùng chip ATMEGA8(họ AVR) là vi điều khiển của xe

- 6 con cảm biến thu phát để dò đường

- Xe được nhóm em chế tạo bằng các vật liệu đơn giản như tôn ,tấm nhôm,được bắn với nhau bởi vít

Dưới đây là một số loại xe tự hành :

Hình 1

Hình 2

Hình 3:Xe tự hành tự biết tránh các vật cản bằng song siêu âm

Sau những tham khảo ,cũng như sự góp ý của thầy giáo hướng dẫn ,nhóm đã tìm

ra hướng và hình dáng xe tự hành phù hợp với yêu cầu và vừa sức của nhóm:

Hình 7:Thân xe :gồm phần đầu xe ,và phần đựng hàng có thể tối đa 3 kg.

Hình 8:Mạch điện mô phỏng nằm trên thân xe cạnh giá để hàng

Hình 9:Chốt

Hình 10: Mô phỏng Rôbot

Hình 10: Xe tự hành di chuyển bám vạch(thực tế)

2.2 Sơ lược về xe tự hành di chuyển bám vạch của nhóm

2.2.1 Giới thiệu sơ lược về vi điều khiển ATMEGA8

1.Giới thiệu về đặc tính kĩ thuật:

• ATMEGA8 là một con vi điều khiển thuộc dòng Mega AVR của hãng

ATMEL Dòng vi điều khiển này có tính năng nổi trội là:

- Rất tích kiệm năng lượng ,hiệu suất cao

- CPU có cấu trúc RISC ,có 130 câu lệnh hầu hết được thực hiện trong một chu kỳ xung clock

- 32 thanh ghi đa dụng

- Tốc độ tốt đa lên tới 16 MIPS với thạch anh 16 MHz

- Bộ nhớ phân đoạn ,có độ bền cao ,không dễ bay hơi

• Tính năng ngoại vi

- 2 bộ timer /counter 8 bit ,một bộ so sánh

- 1 bộ timer /counter 16 bit

- Bộ đếm thời gian thực với dao động riêng

- 3 kênh PWM

- 6 kênh ADC 10 bits cho kiểu vỏ PDIP ,và 8 kênh ADC 10 bit cho kiểu vỏ TQEP

- Giao tiếp nối tiếp với TWI

- Lập trình nối tiếp USART ,giao tiếp nối tiếp SPI master/slave

- Bộ so sánh Analog on –chip

• Tính năng đặc biệt ATMega 8

- Hiệu chuẩn bộ dao động RC nội

- Bộ nguồn ngắt ngoài và bên trong

- 5 chế độ sleep :Idle ,giảm chiều ADC ,tiết kiệm năng lượng ,chế độ chờ

Hình1 2: Sơ đồ khối ATMEGA8

• 2IC 7805 : chuyển đổi điện áp ( từ 12 V – 5 V),

Hình 13:hình ảnh IC7805

• Opto :nhiệm vụ cách ly giữa nguồi công suất và nguồn vi điều khiển

(Vì động cơ vừa thu điện thế lại vừa phát điện thế nên sẽ gây nhiễu => chíp bị ảnh hưởng vậy ta dùng opto để tránh không cho 2 nguồn tiếp xúc với nhau)

Hình 14:hình ảnh opto

• Rơle (có 1 cuộn hút )

Hình 15:Rơ le

Có chức năng đảo chiều động cơ

• Có 2 con tụ điện (một ổn định đầu vào ,1 ổn định đầu ra )

• Mosfet IRF 540

Hình 16:Hình ảnh IRF 540 Mosfet có khả năng đóng mở dòng cho động cơ

Cấu trúc chân của AVR có thể phân biệt rõ chức năng (vào/ra), trạng thái (0/1) từ

đó ta có 4 kiểu vào ra cho một chân của AVR Khác với 89xx là chỉ có 2 trạng tháiduy nhất (0 1) Đặc biệt nguồn từ chân của AVR đủ khoẻ để điều khiển Led trực tiếp (dòng khoảng hàng chục mA) còn 89xx chỉ là vài uA

Để điều khiển các chân này chúng ta có 2 thanh ghi:

- PORTx :giá trị tại từng chân (0 – 1) có thể truy cập tới từng bit PORTx.n

- DDRx : thanh ghi chỉ trạng thái của từng chân , vào hoặc là ra

2.2.3 Thanh ghi DDRx

Đây là thanh ghi 8 bits (có thể đọc ghi) có chứ năng điều khiển hướng của cổng (làlối vào hay lối ra) Khi một bit của thanh ghi này được set lên 1 thì chân tương ứngvới nó được cấu hình thành ngõ ra Ngược lại nếu của thanh ghi DDRx là 0 thì chân tương ứng của nó được thiết lập thành ngõ vào Lấy ví dụ: Khi ta set tất cả 8 bit của thanh ghi DDRD đều là 1, thì 8 chân tương ứng của PORTD là PORTD.0, PORTD.1, …, PORTD.7 được thiết lập là ngõ ra.

Hình 19: Cấu trúc thanh ghi DDRx

2.2.4 Thanh ghi PORTx

PORTx là thanh ghi 8 bit có thể đọc ghi Đây là thanh ghi dữ liệu của PORTx.Nếu thânh ghi DDRx thiết lập cổng là lối ra, khi đó giá trị của thanh ghi PORTx cũng là giá trị của các chân tương ứng của PORTx, nói cách khác, khi ta ghi một giá trị logic lên bit 1 của thanh ghi này thì chân tương ứng của bit đó cũng có cùngmức logic Khi thanh ghi DDRx thiết lập cổng thành lối vào thì thanh ghi PORTx đóng vai trò như một thanh ghi điều khiển cổng Cụ thể, nếu một bit của thanh ghi này được ghi thành 1 thì điện trở treo (pull-up resistor) ở chân tương ứng với nó sẽđược kích hoạt, ngược lại nếu bit được ghi thành 0 thì điện trở treo ở chân tương ứng sẽ không được kích hoạt, cổng ở trạng thái tổng trở cao

hình20: Thanh ghi PORTD

Hình 21 :Cấu trúc thanh PORTD

Hình 22: Cấu trúc bên trong của một cổng vào ra cơ bản

2.2.5 Mạch nạp cho chíp

Đây là loại mạch nạp thông dụng nhất trong giới SV (STK200/300) sử dụng cổng LPT, có thể nạp trực tiếp từ chương trình codevision Một trong những ưu điểm lớn nhất của các chip AVR là tính đơn giản khi sử dụng trong đó có việc nạp chương trình cho chip AVR hỗ trợ khả năng nạp chương trình ngay trong hệ thống - ISP(In-System Programming), có thể nạp trực tiếp chương trình vào chip

mà không cần tháo chip ra khỏi mạch ứng dụng Mạch nạp cho AVR rất phong phú nhưng hầu hết đều rất đơn giản Dưới đây là loại mạch nạp STK200, cực kỳ đơn giản chỉ với một cổng DB25 male, và 4 điện trở vài trăm om là được

Hình 23: Mạch nạp STK200 sử dụng DB25 male, và 4 điện trở

Hình 24: ATMega8 và các chân lập trình ISP

2.2.6: IC ĐỆM DÒNG ULN2803

Giới thiệu:

ULN 2803 là một vi mạch đệm,bản chất cấu tạo là các mảng dalington chịu được dòng điện lớn và điện áp cao trong đó có chứa 7 cặp darlington cực góp hở với cực phát chung.mỗi kênh trong số 7 kênh đều có thể chịu dược dòng điện lớn trong một khoảng thời gian dài lên tới 500mA.mỗi kênh có một diode chặn-diode này có thể sử dụng trong trường hợp tải có tính cảm ứng,ví dụ như các rơle… Ứng dụng của ULN 2803 được sử dụng trong các mạch đệm điều khiển động

cơ một chiều,động cơ bước,khối hiển thị ma trận led……

Chức năng các chân:

Hinh27 : cấu trúc bên trong của ULN 2803

Hình28 : Thông số cơ bản của ULN 2803 Theo sơ đồ ta thấy với mỗi bộ đệm có một diode kết nối theo kiểu anod được kết nối với ngõ ra còn catod được nối chung với catod của các diod còn lại Ngõ racủa vi mạch là các cực góp hở,tải được nối giữa nguồn nuôi và ngõ ra của vi mạch đệm.Nguồn nuôi là nguồn điện áp dương bất kì nhỏ hơn 50V,chẳng hạn tải là động

cơ bước thì nguồn nuôi là 12V,tải là hệ thống hiển thị ma trận led thì nguồn nuôi là5V…dòng qua tải phải được tính toán sao cho dòng chảy lâu dài nhỏ hơn 500mA

và dòng đỉnh nhỏ hơn 600mA tính trên mỗi mạch

Bên trong ULN 2803 có mắc thêm các diode tránh dòng ngược khi điều khiển các thiết bị có cuộn dây(vd: role …)

Nguyên lý hoạt động:

- Nếu các chân đấu vào 11 ÷ 18 là mức 0 tì ngõ ra thả nổi

- Nếu các chân đấu vào 11 ÷ 18 là mức 1 thì ngõ ra ở mức 0

Lí do lựa chọn :

- Được bán rộng rãi trên thị trường với giá tương đối rẻ

- ULN 2803 đệm được 8 đường riêng biệt (nối trực tiếp với 8 chân của VĐK 5V)

- Dòng ra tới 500mA/50V đủ để kích các role

2.2.7: TỔNG QUAN VỀ TEXT LCL

1 GIỚI THIỆU

Text LCD là loại màn hình tinh thể lỏng dùng để hiển thị các dòng chữ trong bảng mã ASCII.Không giống các loại LCD lớn,Text LCD được chia sẵn thành từng ô,với mỗi ô chỉ hiển thị một kí tự.cũng vì lí do hiển thị được một kí ASCII nên loại LCD này được gọi là text LCD(để phân biệt với Graphic LCD có thể hiện thị hình ảnh)

Mỗi ô của text LCD bao gồm các chấm tinh thể lỏng,việc kết hợp ẩn và hiện cácchấm này sẽ tạo thành một kí tự cần hiển thị Trong các Text LCD,các mẫu kí tự được định nghĩa sẵn vì thế việc điều khiển Text LCD sẽ trở nên dễ dàng hơn

Hình30 : Sơ đồ khối LCD 16×2

2 Chức năng các chân

Hình31: Sơ đồ chân Text LCD 16×2

-D0-D7:8 đường dữ liệu

-RS: chọn thanh ghi điều khiển hay thanh ghi dữ liệu

RS = 0 Chọn thanh ghi điều khiển

RS = 1 Chon thanh ghi dữ liệu

01 Lệnh xóa man hình”Clear Display”:khi thực hiện lệnh này

thì LCD sẽ bị xóa và bộ đếm địa chỉ được xóa về 0

02 Lệnh di chuyển con trỏ về đầu màn

04 Giảm con trỏ(Dịch con trỏ sang trai)

06 Tăng con trỏ(Dịch con trỏ sang phải)

05 Dịch hiển thị sang phải

07 Dịch hiển thị sang trái

08 Tắt con trỏ, tắt hiển thị

0A Tắt hiển thị,bật con trỏ

0C Bật hiển thị,tắt con trỏ

0E Bật hiển thị,nhấp nháy con trỏ

0F Tắt con trỏ,nhấp nhay con trỏ

84 Đưa con trỏ về đầu dòng 1 LCD

C0 Đưa con trỏ về đầu dòng 2 LCD

Nguyên lí làm việc của LED thu hồng ngoại: diode quang được phân cực nghịchnhờ nguồn điện áp V và do đó có một dòng điên ngược ban đầu rất nhỏ.khi được ánh sáng chiếu vào,có thêm dòng điện bởi các hat dẫn sinh ra nhờ năng lượng của photon và chạy cùng chều với dòng điện ngược.Vì vậy dòng điện tổng chạy qua tải có trị số tăng lên theo cường độ chiếu sáng vào.

Nguyên lí làm việc của quang trở là khi có bức xạ chiếu vào ,chất bán dẫn hấp thu năng lượng làm phát sinh các điện tử tự do và lỗ trống,tức sự dẫn điện tăng lên

và giảm điện trở của chất bán dẫn các đặc tính điện và độ nhạy của quang trở tùy thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

Các quang điện trở thường được lắp với các tranzito trong các thiết bị điều khiển tự động bằng ánh sáng,trong các máy đo ánh sáng và trong nhiều thiết bị khác

2.2.9 Động cơ bước

1 Giới thiệu : động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không

dùng bộ chuyển mạch.cụ thể ,các mấu trong động cơ là stator và roto là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở,nó là những khối răng làmbằng vật liệu nhẹ có từ tính.tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bộđiều khiển.và đặc biệt ,các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kì vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kì vị trí nào.hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh