Hệ thống cơ điện tử’ điều khiển robot dò đường

dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta.. Đây chỉ là mộ

Trang 1

MỤC LỤC

trang

Lời nói đầu

PHẦN 1: Ý tưởng, mục đích thiết kế mô hình

1 Giới thiệu chung

2 Mô hình thiết kế mô phỏng các thành phần của robot

PHẦN 2 : Tính toán hệ thống,thiết kế phần cơ khí và mạch điều khiển

1 Cơ khí

2 Các modun của mạch điều khiển robot

PHẦN 3: Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các thành phần chính

1 Cấu tạo,nguyên lý hoạt động của van khí 5/2 điện tư

2 Cấu tạo,nguyên lý hoạt động của modun cảm biến

3 Cấu tạo,nguyên lý hoạt động của modun điều khiển

PHẦN 4: Chương trình lập trình

1 Lưu đồ thuật toán

2 Chương trình lập trình

PHẦN 5 Kết luận

1 Ưu Nhươc điểm và Hướng phát triển

2 Tài liệu tham khảo

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta con người đang cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay cho con người chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình Để tìm ra các ý tưởng sáng tạo hay hàng năm đều diễn ra cuộc thi robocon châu á thái bình dương đó là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp dụng vào thực tế

Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án “Hệ Thống Cơ Điện Tử’’ điều khiển robot dò đường nó lại là bước khởi đầu trong lập trình robot để robot có thể thực hiện các công việc tiếp theo Đây chỉ là một công việc nhỏ của lập trình điều khiển robot nhưng qua quá trình thiết kế và thi công đề tài chúng em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu Mục đích của đề tài hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của VĐK trong thực tiễn để rồi tư đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hằng ngày cần đến

Do thời gian nghiên cứu và hoàn thành đồ án không nhiều,trình độ chuyên môn, tiếp thu các môn học còn hạn chế mặc dù đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành tốt đồ án môn học bằng các kiến thức đã học, một số sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác nhưng cũng không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy, chúng em rất mong nhận được sự góp ý quý báu của thầy và các bạn để đồ án này có thể hoàn thiện ở mức tốt nhất Bên cạnh sự hoàn thiện đó chúng

em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đoàn Lê Anh người đã hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt

đồ án này

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Trang 3

PHẦN 1: Ý TƯỞNG,MỤC ĐÍCH THIẾT KẾ MÔ HÌNH

I) GIỚI THIỆU CHUNG:

1)TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ:

a) Cơ điện tử được mở ra tư định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric Thuật ngữ mechatronics được tạo thành bởi “mecha” trong mechanics và “tronics” trong electronics Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm được phát triển sẽ ngày càng được kết hợp chặt chẽ và hữu cơ thành phần điện tử vào trong các cơ cấu và rất khó có thể chỉ ra ranh giới giữa chúng

“Cơ điện tử là sự kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật cơ khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh trong thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp.” - Harashima, Tomizuko và Fukada đưa ra năm 1996

“Cơ điện tử là một phương pháp luận được dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm cơ điện.”

-Năm 1997, Shetty và Kolk quan niệm Gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa

Một hệ cơ điện tử không chỉ là sự kết hợp chặt chẽ các hệ cơ khí, điện và nó cũng không chỉ đơn thuần là một hệ điều khiển Nó là sự tích hợp đầy đủ các hệ trên.”

b) Ứng dụng của cơ điện tử với đời sống con người:

• Trong y học: thuộc nhóm này có các thiết bị cắt lớp,các thiết bị thí nghiệm về AND,nhân bản phôi và các loại máy chiếu các loại tia bức xa

̣;X,laszer,coban;các thiết bị mổ nội soi,…

• Trong công nghiệp: ở đây có các loại máy công nghiệp tự động được điều khiển theo chương trình,FMS (hệ thống công nghệ sản xuất linh hoạt),CAD-CAM,người máy,các hệ thống tự động,công cụ vận chuyển thông minh,…

• Trong không gian vũ trụ: các hệ thống vận tải trong không gian và vũ trụ như:vệ tinh,tàu vũ trụ,máy bay,…

• Trong sinh hoạt hằng ngày: ở đây có các sản phẩm tiêu biểu như máy giặt,hệ thống bảo vệ nhà cửa,ôtô,garage ôtô tự động,các loại robot phục vụ đời sống con người (robot hút bụi,robot thông minh có thể làm được nhiều công việc khác nhau…),…

2) GIỚI THIỆU VỀ ĐỒ ÁN:

a) Giới thiệu về robot:

Robot có thể được định nghĩa như sau: đó là những máy tự động đa chức năng,có thể lập trình lại,được thiết kế để di chuyển vật thể, hàng hóa, bộ phận,công cụ, hay các thiết bị đặc biệt thông qua những chuyển động đã được lập trình sẵn dành cho các công việc thực tế cụ thể nào đó

Ý tưởng: Trong đời sống hằng ngày rất nhiều công việc mà con người phải thực hiện trong một ngày,đặc biệt đối với người nông dân thì công việc đồng áng luôn chiếm chọn thời gian một ngày của họ,để rút ngắn thời gian làm việc và tăng năng suất lao động đòi hỏi phải ứng dụng công nghệ,máy móc và các thiết bị hỗ trợ giúp tiết kiệm thời gian và công sức,sau quá trình học tập chúng em nhận thấy cần phải chế tạo ra 1 thiết bị nào đó giúp người nông dân hoàn thành 1 cách nhanh nhất các công việc hằng ngày và đồ án hệ thống cơ điện tử của chúng em là robot tưới cây, robot có thể di chuyển trong vườn 1 cách đa dạng và linh hoạt, tưới cây khi gặp cây

b) Mô hình thiết kế:

Trang 4

II) GIỚI THIỆU 1 SỐ LINH KIỆN TIÊU BIỂU CỦA ROBOT:

1) Chip điều khiển:

1 Khái quát các tính năng:

Trước tiên, ta lướt qua các tính năng của P89V51RD2:

+Khái quát:

ϒ P89V51RD2 là vi điều khiển 80C51 có 64kB Flash và 1024bytes<1kB> bộ nhớ dữ liệu RAM

ϒ Tính năng đặc biệt của P89V61RD2 là ở chế độ hoạt động mode x2 Người thiết kế chọn chạy ứng dụng của mình ở chế độ này để nâng đôi tốc độ khi hoạt động ở cùng tần số dao động<một chu kì máy=6 chu kì xung nhịp>

ϒ Bộ nhớ chương trình Flash cho phép lập trình ISP hoặc/và song song Chế độ lập trình song song được đưa ra để thích ứng với tốc độ cao, giảm thời gian và giá thành

ϒ IAP/ISP

+Các tính năng:

ϒ CPU 80C51

ϒ Hoạt động ở 5VDC trong tầm tần số dao động đến 40MHz

ϒ 64kB ISP

ϒ SPI

ϒ 5 PCA với chức năng PWM/capture/compare 16bits

ϒ 4 cổng xuất nhập

ϒ 3 Timers/Couters 16bits

ϒ Watchdog Timer có thể lập trình được

ϒ 8 nguồn ngắt

ϒ 2 thanh ghi DPTR

Trang 5

ϒ Tương thích mức logic TTL và CMOS

ϒ Phát hiện nguồn yếu <Brownout Detect>

ϒ Chế độ Low-power, Power down, Idle

Sơ đồ khối của MCU P89V51RD2

Sơ đồ chân của dòng 89V51

Trang 6

Port 0, Port 1, Port 2, Port 3: Như cấu trúc 8051 kinh điển

P1.0 - T2: Ngõ vào Counter cho Timer/Counter 2 hoặc ngõ ra cho Counter/Timer 2

P1.1 - T2EX: Điều khiển hướng và cạnh kích chức năng Capture cho timer/Counter 2

P1.2 – ECI: Ngõ vào xung nhịp Tín hiệu này là nguồn xung nhịp ngoài cho chức năng PCA P1.3 –CEX0: ngõ vào xung nhịp cho chức năng Capture/Compare modul 0 P1.4:

o SS: Chọn cổng phụ vào cho SPI

o CEX1: ngõ vào xung nhịp cho chức năng Capture/Compare modul 1

P1.5:

o MOSI: phục vụ SPI

P1.6:

o MISO: phục vụ SPI

P1.7:

o SCK: phục vụ SPI

PSEN: Cho phép dùng bộ nhớ chương trình ngoài Khi MCU sử dụng bộ nhớ chương trình

trong chip, PSEN không tích cực Khi sử dụng bộ nhớ chương trình ngoài, PSEN thường ở mức tích cực 2 lần trong mỗi chu kì máy Sự chuyển mức cao sang thấp trên ↓PSEN cưỡng

bức tư bên ngoài khi ngõ vào RST đang ở mức cao trong hơn 10 chu kì máy sẽ đưa MCU vào chế độ lập trình host tư bên ngoài

RST: Khi nguồn dao động đang hoạt động, mức cao trên chân RST trong ít nhất 2 chu kì máy

sẽ Reset lại hệ thống Nếu chân PSEN chuyển mức trong khi RST vẫn còn ở mức cao, MCU

sẽ vào chế độ lập trình host tư bên ngoài, nếu không, sẽ hoạt động bình thường ↓

EA: Cho phép sử dụng bộ nhớ chương trình ngoài

o EA=’0 Bộ nhớ ngoài ’’’’’’’’’’’’’ ’

o EA=’1 Bộ nhớ trong chip ’’’’’’’’’’’’’ ’

ALE/PROG: Cho phép khóa địa chỉ<Như 8051 cổ điển> ngoài ra, chân này còn được

dùng để đưa vào chế độ lập trình FLASH

2 Tổ chức bộ nhớ:

MCU P89V51RD2 có 2 vùng không gian địa chỉ riêng biệt: vùng lưu trữ cho bộ nhớ chương trình và cùng địa chỉ cho bộ nhớ dữ liệu <cấu trúc Harvard>

a Lựa chọn bank bộ nhớ chương trình flash:

Có 2 vùng bộ nhớ nội flash trong MCU, Block 0 có 64kB và được tổ chức thành 512 sector, mỗi sector chứa 128 Bytes Block 1 chứa chương trình ISP/ICP và được kích hoạt khi chọn kết hợp bit reset mềm (SWR) <FCF.1> và bit chọn bank (BSEL) <FCF.0>

b Thực thi đoạn code Reset nguồn sau khi bật nguồn: <Power-on reset code

execution>

Trang 7

Khi mới cấp điện vào MCU, tất cả các port đều ở trạng thái bất kì nào đó tới khi oscillator bắt đầu hoạt động và quá trình reset kéo tất cả các pin lên mức cao Quá trình bật nguồn mà không

đi đôi với việc Reset MCU hợp lý sẽ dẫn tới tình trạng ta không biết MCU thực thi lệnh ở vùng nhớ nào! Điều đó có thể dẫn đến mã lệnh trong flash bị thay đổi Reset hệ thống trong khi chương trình đang hoạt động sẽ không có ảnh hưởng tới RAM của MCU, tuy nhiên, nội dung của vùng nhớ RAM trên chip trong quá trình bật nguồn là các giá trị ngẫu nhiên

Khi bắt đầu mở nguồn, chân RST phải được giữ ở mức cao một khoảng thời gian đủ cho oscillator khởi động <thường là vài mili giây đối với dao động ở tần số thấp>, thêm nữa, để quá trình reset là hợp lệ, cần giữ mức cao ít nhất 2 chu kì máy Các giá trị trở và tụ được chọn trên hình 2

Hình 3: Mạch MCU P89V51RD2 khi sử dụng ISP

Nói một cách dễ hiểu, để quá trình Reset là hợp lệ, ta nên mắc mạch RC như hình 2 Khi dùng

ở chức năng ISP/ICP, cần thêm một Push button kéo lên nguồn như hình 3 Quá trình Reset ngoài<chỉ nhấn nút RESET> và POR là có tác dụng như nhau

Chức năng PWM của PCA:

Hình 15: Chức năng PWM của PCA

Ở chức năng này, giá trị ở ngõ ra CEX phụ thuộc vào giá trị của 2 thanh ghi: CCAPnL và CL, khi CL tăng lớn hơn CCAPnL thì CEX sẽ chuyển sang mức 1, ngược lại, sẽ ở mức 0, mỗi lần tràn cờ, CCAPnL sẽ nạp lại giá trị tư CCAPnH, chính điều này cũng cho phép ta cập nhật duty cycle mới mà không gây ảnh hưởng tới quá trình PWM

Chức năng PWM này có độ phân giải 8 bit, tức là ta được 256 mức chia <tương đối mịn với áp 24V thì mỗi mức sẽ được 24/256≈94mV>

2) Nguồn

Trang 8

thông số acquy:

-kích thước(mm):L:97-W,43-H,52-TH:58

-công suất cung cấp1,.2Ah

-điện áp:12V

3)Động Cơ

-động cơ có gắn cơ cấu giảm tốc

- Động cơ này chuyên dùng cho cơ cấu nâng, kẹp, trược hoặc có thể dùng để chạy cho robot

tự động nào có tốc độ không cần cao

- Nguồn 24VDC, tốc độ 70vòng/phút ,công suất 7w Momen xoắn cực đại 1.9N.m

- Khối lượng 150g, đường kính trục 6mm

- Hệ số giảm tốc là 60:1

Trang 9

Nguyên lý làm việc

Khi cho điện áp một chiều U vào hai chổi điện A và B (dương ở A và âm ở B), trong khung dây abcd có dòng điện Khung dây abcd có điện nằm trong tư trường sẽ chịu tác dụng của lực điện tư (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh ra mômen làm quay khung dây Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau, nhưng do có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo chiều quay của khung dây (tức rôto) không đổi Khi rôto quay, các thanh dẫn rôto cắt tư trường sẽ cảm ứng sđđ Eư Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải ở động cơ, chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư được gọi là sức phản điện

Phương trình cân bằng điện áp của động cơ điện một chiều là:

U = Eư + IưRư

Tư phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng của động cơ ta rút ra:

E ư = U - I ư R ư

Thay trị số Eư = k.E.n.Φ = 0, ta có phương trình tốc độ:

Nhìn vào phương trình trên, muốn điều chỉnh tốc độ n, ta có các phương pháp sau:

Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng

Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm Vì dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao công suất trên điện trở điều chỉnh lớn Phương pháp này chỉ sử dụng ở động cơ công suất bé Thay đổi điện áp U

Dùng nguồn một chiều điều chỉnh được điện áp cung cấp điện cho động cơ như hình 3-18 Phương pháp này được sử dụng nhiều

Thay đổi tư thông

Thay đổi tư thông bằng cách thay đổi dòng kích tư Để thay đổi dòng kích tư, người ta mắc thêm Rđc vào mạch kích tư Khi điều chỉnh tốc độ, người ta kết hợp các phương pháp Ví dụ phương pháp thay đổi tư thông với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh rất

Trang 10

rộng, đây là ưu điểm lớn của động cơ điện một chiều.Dưới đây, ta xét cụ thể các loại động cơ điện một chiều

4) IC ổn áp LM7805 hạ điện áp trong dải 12V xuống 5V

opto PC 817

Sơ đồ ứng dụng:

Tác dụng: Cách ly điều khiển giữa hai tầng mạch điện khác nhau

Với sơ đồ ứng dụng trên.vơi OK1 khi cung cấp 5V vao chân số 1, LED phía trong Opto nối giữa chân số 1 và 2 sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn đến 3-4 thông,mức logic sẽ bị chuyển tư 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp tư IC

Mục đích: Nếu có sự cố tư tầng ứng dụng như cháy, chập, tăng áp, thì cũng không làm ảnh

hưởng đến tầng điều khiển

Trang 11

Opto dùng để cách ly phần công suất với phần VDK,cấu tạo có 1led phát bên trái và

phototransiter bên phải

6) LM324

Có 4 bộ opam dánh số tư 1 đến 4 như trong hình,

7)RƠLE và FET

Rơle đươc sử dụng là loại rơle 8 chân,12V

Trang 12

FET được sử dụng là IRF 540

PHẦN 2 : THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

I)Phần cơ khí:

Trang 13

• 1 tấm alu 30x35cm + sắt khoan lỗ làm khung mô hình

• Động cơ 24v DC

• Van 5/2 điện tư

• Piston xilanh khí tác dụng kép

• Bánh nhôm 2 cái đường kính 10cm,1 bánh trước 4cm

II)Phần mạch điều khiển:

• Mạch trung tâm: xử lý các tín hiệu tư các modun trong hệ thống mạch

• Mạch cảm biến:gồm mạch dò đường và mạch khuếch đại tín hiệu

• Mạch động cơ

PHẦN 3: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

1 Mạch Nguyên lý:

Trang 14

2 Phân tích các mạch Modul:

• Modul tạo xung:

AT89S52 có một bộ chia tần số bên trong chip, bộ này sẽ cung cấp xung clock cho các khối trong chip tư nguồn dao động bên ngoài sử dụng mạch tạo dao động tư thạch anh qua 2 chân là XTAL1 và XTAL2

Trong đồ án này mạch dao dộng thạnh anh tạo tần số12Mhz

Mạch tạo xung

• Modul Reset:

Trang 15

Sử dụng nút nhấn để reset cho chip thông qua chân RST là ngõ reset của chip Khi tín hiệu được đưa lên mức cao trong ít nhất 2 chu kỳ máy thì các thanh ghi trong bộ vi điều khiển được tải những giá trị thích hợp để khởi động hệ thống

Sơ đồ nguyên lí mạch reset

• Modul Cảm biến:

mạch sử dụng 4 cặp led thu phát Khi 4 led phát được bật nếu gặp nền trắng sẽ phản quang lại led thu nhận được (led thu chính là quang trở ) khi được chiếu sáng làm quang trở thông tín hiệu được đưa qua bộ so sánh op amp (của LM324) ta tín hiệu đầu ra của bộ so sánh Op Amp với mức logic=1 đưa về chân của vi điều khiển và ngược lại nếu không gặp nền trắng quang trở sẽ không thông tín hiệu được đưa qua bộ so sánh op amp ta được tín đầu ra của bộ so sánh

Op Amp với mức logic =0 tín hiệu trả về chân vi điều khiển

Sơ đồ nguyên lí mạch cảm biến

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,08 MB