đồ án 1. robot dò line

đồ án 1. robot dò line đồ án 1. robot dò line đồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò lineđồ án 1. robot dò line

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1. Đặt vấn đề:

Tự động hóa là tổng hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điều khiển, công nghệ thông tin và cơ điện tử Các lĩnh vực này kết hợp lại với nhau tạo thành các

hệ thống tự động hóa và cao hơn là tự động cả quá trình sản xuất Ngành công nghiệp tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng và hết sức cần thiết để đáp ứng mục tiêu phát triển kinh tế, nhất là trong quá trình công nghiệp hóa-hiện đại hóa như hiện nay Nó đòi hỏi một nguồn nhân lực có trình độ cao để vận hành

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta và ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Chúng đã góp phần của mình vào công cuộc lao động, chính Robot đã làm nên một cuộc cách mạng khoa học, kỹ thuật và đang phục cụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dich vụ, giải trí…

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại Robot quy mô lớn như: những cánh tay máy trong các dây chuyền sản xuất, những hệ thống sản xuất tự động… Nhỏ hơn là những Robot có khả năng di chuyển, làm những công việc nguy hiểm thay thế con người, Robot giúp người già, người bán hành…

Trong đồ án lần này em thực hiện thiết kế Robot dò line (xe dò line), đối với những Robot tiên tiến thì đây chỉ là một phần nhỏ phục vụ cho Robot trong công tác dò tìm đường tự động, nhưng đồ án này sẽ tạo cho em nền tảng để làm những cái lớn hơn, có ích hơn trong quá trình học tập và làm việc sau này

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

2.1 Đối tượng:

-Mô hình xe dò line

-Chạy mô hình ổn định quá trình cảm biến và điều khiển động cơ theo bản

đồ có line đơn giản

2.2 Phạm vi nghiện cứu:

Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số linh kiện: LM393, quang trở, led siêu sáng và một số linh kiện khac phục vụ cho đề tài

Thời gian và kiến thức có hạn, nên phạm vi đồ án chỉ tập trung vào nghiên cứu và thiết kế xe đơn giản trên cơ sở hoạt động của bộ phận cảm biến và điều chỉnh động cơ

3. Phương pháp nghiên cứu:

Đồ án làm rõ vấn đề bằng phương pháp nghiên cứu trên các phần mềm: Protues, ráp mạch trên testboard , kinh nghiệm có sẳn và tìm kiếm một số tài liệu

có liên quan từ sách linh kiện điện tử, trên mạng về các mạch op-amp cùng với

sự đóng góp ý kiến từ giáo viên và các bạn…

4 Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn của đề tài:

Đề tài “ Thiết kế mạch cảm biến dò line robot/ xe dò line” tuy chỉ ngừng lại ở phạm vi nhỏ nhưng đề tài có ý nghĩa khá quan trọng trong công nghệ chế tạo Robot hiện đại như hiện nay Đóng vai trò là mắt của Robot, nhận biết đường

đi và điều chỉnh tốc độ động cơ

Với thời kì hiện đại như hiện nay, đề tài có ứng dụng khá rộng rãi trong công nghệ chế tạo Robot, đặc biệt là Robot dò đường xuất hiện hầu hết trong các cuộc thi robocon, khơi nguồn sáng tạo vô tận của sinh viên để Robot chạy ổn định

Khối nguồn Khối cảm biến

Khối xử lý trung tâm Khối chấp hành

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.Giới thiệu mạch dò line:

Hình 2.1.a Sơ đồ khối mạch cảm biến dò line

- Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện áp 9V DC một chiều Để cấp nguồn cho khối khuyếch đại hoạt động ta sử dụng IC ổn áp 7805 và 1 tụ để làm mạch nguồn đơn giản cấp cho các khối khuyếch đại hoạt động

o Điều khiển tắt mở nguồn

o Chia nguồn thành nhiều mức nguồn khác nhau

o Ổn định nguồn cung cấp cho các tải tiêu thụ

- Khối cảm biến: sử dụng 4 quang trở nhận tín hiệu vạch dẫn đường và 4 led siêu sáng hiển thị cho cảm biến dò đường

- Khối xử lý trung tâm: quan trọng nhất là LM393 so sánh điện áp từ cầu chia điện thế , nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý, đưa mức điện áp cao thấp ở chân 1 và 7 ra khối diều khiển tiếp theo

- Khối điều khiển: nhận tín hiệu từ các ngõ ra của LM393(chân 1,7) IC

7408 tích hợp điều kiện và đưa ra mức 0 và 1 kích transistor điều khiển khối chấp hành là động cơ

- Nguyên lý cơ bản hoạt động của xe dò line mô tả dưới hình 2.1.b

Hình 2.1.b nguyên lý hoạt động cơ bản

2.Cách bố trí cảm biến:

Hình 2.2 Cách bố trí cảm biến

Loại ánh sáng của led phát có ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng cảm biến.Trong mạch do sử dụng quang trở nên màu sắc của led phát không quan trọng vì nó chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Tuy nhiên, nếu sử dụng led hồng ngoại thì sẽ phụ thuộc vào cường độ của hồng ngoại

Điện áp đặt trên led siêu sáng trắng có điện áp khoảng 2V, dòng qua led

từ 10 đến 15mA, ta có thể chọn điện trở hạn dòng cho led siêu sáng:

Rled===200 Chọn Rled=220

Ở đây ta dùng led siêu sáng và quang trở để cảm biến dò đường, khi led phát tín hiệu và có tín hiệu phản lại thì quang trở sẽ thay đổi điện trở, nó phát tín hiệu đưa vào op-amp xử lý rồi đưa tín hiệu điều khiển động cơ

3 Giới thiệu linh kiện:

3.1 Led siêu sáng:

Có cấu tạo tương tự như led đơn, nhưng ánh sáng mạnh hơn LED( viết tắt của từ Licht Emitting Diode), còn được gọi la diode phát quang, là các diode có khả năng phat ra ánh sáng hồng ngoại, tử ngoại Cũng như diode, led được cấu tạo từ một bán dẫn loại P, ghép với một bán dẫn loại N

Hình 2.3 Led siêu sáng

3.2 Quang trở(LDR):

LDR(Light dependent resistor) là một linh kiện điện tử có điện trở thay

đổi giảm theo ánh sáng chiếu vào Đó là điện trở phi tuyến, phi ohmic Quang trở dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối Quang trở hoạt động dựa trên hiệu ứng quang dẫn

Hình 2.4 Quang trở

Nguyên lý làm việc: khi có ánh sáng 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 làm giảm điện trở của chất bán dẫn Các đặc tính điện và độ nhạy của quang trở phụ thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo

3.3 IC LM393:

LM393 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 2 bộ khuếch đại thuật toán(Op-Amp) trong nó Đặc biệt nguồn của LM393 có thể hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu, tức là chỉ cần Vcc và GDN là đủ

- Khi điện áp V+>V- thì ngõ ra của op-amp ở mức +Vcc

- Khi điện áp V+<V- thì ngõ ra của op-amp ở GND hoặc –Vcc

- Điện áp và dòng ngõ ra:

+ Điện áp ngõ ra từ 0-Vcc-1,5V + Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng( dòng sink) thì dòng đẩy tối đa có thể lên đến 20mA, khi mắc theo kiểu hút dòng thì dòng hút tối đa là lên đến 40mA

- Có công suất 1W

- Tần số hoạt động là 1Mhz

- Độ lợi khuếch đại điện áp DC tối đa khoảng 100 dB

- Vùng điện áp nuôi rộng: với nguồn đơn thì từ 5V-30V, cới nguồn đôi thì từ ±1,5V- ±16V

- Vùng điện áp lối vào: từ -0,3V-+32V

- Ứng dụng:

+ Mạch khuếch đại công suất + Mạch so sánh

+Mạch nháy theo nhạc +Mạch sạc pin cho xe đạp điện +Mạch cộng tín hiệu, trừ tín hiệu, mạch khuếch đại vi sai +Điều khiển tự động hóa PID

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế LM393

Nguyên lý so sánh của mạch Opamp như sau: Nếu cho vào cổng (+) (cổng 3,5) một điện áp lớn hơn điện áp cổng (-) (cổng 2,6) thì ở cổng ra (cổng 1,7) sẽ

là mức dương 1 Nếu cho vào cổng (+) (cổng 3,5) một điện áp nhỏ hơn điện áp

cổng (-) (cổng 2,6) thì ở cổng ra (cổng 1,7) sẽ là mức âm 0 Cấp nguồn cho Opamp ở cổng 8(+) và 4(-)

Hình 2.6 Sơ đồ chân LM393

- Chân 1: ngõ ra(1)

- Chân 2: lối vào đảo(1)

- Chân 3: lối vào không đảo(1)

- Chân 4: nguồn

- Chân 5: lối vào không đảo(2)

- Chân 6: lối vào đảo(2)

- Chân 7: ngõ ra(2)

- Chân 8: nối đất

3.4 Cổng logic AND-IC 7408

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế IC 7408

Điện áp cung cấp: 4.75V ~ 5.25V

• Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

• Dòng điện ra mức cao: IOH = -0.4mA

• Dòng điện ra mức thấp: IOL = 8mA

IC 74LS08 là IC thuộc họ TTL do hãng Fairchild sản xuất Cấu tạo bên trong IC 74LS08 có bốn cổng logic AND, mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra

Điện áp đầu vào cung cấp cho IC 74LS08 thấp chỉ trong khoảng từ 4.75V

~ 5.25V, IC hoạt động tốt nhất ở điện áp 5V

Hình 2.8 sơ đồ chân IC 7408

3.5 IC 7805

Điện áp đầu vào tối thiểu: 2V

• Dòng cực đại có thể duy trì: 1A

• Dòng đỉnh: 2.2A

• Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W

• Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

IC ổn áp 7805 là mạch tích hợp sẵn trong gói TO-220 với một điện áp đầu

ra cố định là 5V, yêu cầu điện áp đầu vào tối thiếu là 7V IC 7805 có thế cung cấp điện áp đầu ra với dòng điện lên đến 1A

Đối với IC 7805 hiện nay đều có tích hợp bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ ngắn mạch và giữ vùng hoạt động an toàn các Transistor công suất trong mạch, để bảo

vệ cho nó về cơ bản không thể phá hủy

Hình 2.9: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân IC 7805

3.6 Một số linh kiện và thành phần khác :

- Điện trở

- Tụ điện

- Động cơ DC giảm tốc

- Transistor C1815

- Biến trở 100k

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

1 Sơ đồ nguyên lý:

1.1 Mạch nguồn:

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Mạch nguồn dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều, cung cấp dòng điện 220V qua cầu chỉnh lưu và xử lý bằng IC 7812 đưa ra nguồn 12v DC cho toàn mạch

1.2 Mạch cảm biến và xử lý:

Hình 3.2 (a) Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến

Gồm 4 led sáng và 4 quang trở và hearder 6 chân ráp với mạch điều khiển

để truyền tính hiệu

Hình 3.2.(b)Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý

Gồm 2 IC LM 393 và 1 IC 7408 mỗi con LM393 nhận tính hiệu từ 2 quang trở đối xúng nhau qua tâm của mạch cảm biến

 Nguyên lý hoạt động:

Chia bộ phận cảm biến như 4 mắt (1,2,3,4) tương ứng với thứ tự 4 biến trở trên hình 3.2(b), giữa mạch cảm niến và mạch xử lý được nối với nhau bằng header 6 chân Quang trở và led siêu sáng đóng vai trò như mắt của Robot

*Quẹo phải

Tức mắt 3 hoặc 4 đang nhận vạch đen, lúc này vạch đen sẽ hấp thụ ánh

của quang trở tăng lên Điện áp từ quang trở truyền qua vào chân chân 5 của cả 2 op-amp, khi đó LM 393 so sánh điện áp giữa các cặp chân (5 với 6) nếu điện áp chân V+ (chân 5) < chân V- (chân 6) thì ngõ ra chân 7 của op-amp cho ra mức thấp, điện áp qua biến trở (dùng để điều chỉnh độ nhạy của quang trở) vào chân

số 6 của op-amp tùy thuộc vào môi trường sáng tối, mức điện áp trung bình từ 1 đến 3V Khi đó chân 2 chân 7 của 2 op-amp 1 trong 2 chân cho ra mức thấp hoặc

cả 2 đều thấp thì không đủ điều kiện kích cho transistor ở chân 6 của 7408 làm cho motor bên phải sẽ dừng khi ấy phía chân của mắt 1 và 2 nhận vạch trắng motor trái vẫn quay và xe sẽ quẹo phải

*Quẹo trái

Tức mắt 1 hoặc 2 đang nhận vạch đen, lúc này vạch đen cũng hấp thụ ánh sáng và mức so sánh điện thế tương tự ở cách quẹo phải, lúc này so sánh điện áp giữa các cặp chân (3 và 2) nếu điện áp chân V+ (chân 2) < chân V- (chân 3) thì ngõ ra chân 1 của op-amp cho ra mức thấp điện áp qua biến trở (dùng để điều chỉnh độ nhạy của quang trở) vào chân số 6 của op-amp tùy thuộc vào môi trường sáng tối, mức điện áp trung bình từ 1 đến 3V Khi đó 2 chân 1 của 2 op-amp, 1 trong 2 chân cho ra mức thấp hoặc cả 2 đều thấp thì không đủ điều kiện kích cho transistor ở chân 3 của 7408 làm cho motor bên trái sẽ dừng khi ấy phía chân của mắt 3 và 4 nhận vạch trắng motor phải vẫn quay và xe sẽ quẹo trái

*Chạy thẳng

Bình thường 4 mắt nhận vạch trắng xe chạy thẳng, lúc này do cả 2 motor quay cùng 1 điện áp và tốc độ gần bằng nhau, xe chạy thẳng cho đến khi 1 trong

2 bên chạm vạch đen

4 mắt quang trở có tác dụng kéo dài mạch dò để tránh quáng tính của motor làm xe chạy lệch với line Mắt 2 và 3 thiết kế rộng hơn line nhỏ để dò line nhuyễn hơn

Đặc biệt mỗi op-apm nhận tín hiệu từ 2 quang trở đối xứng nhau qua tâm của mạch cảm biến nên việc dò line sẽ tốt cho xe, vẫn hoạt động được nếu mất 1 trong 2 op-amp

2 Sơ đồ mạch in:

Hình 3.3 Sơ đồ mạch in mạch cảm biến

Hình 3.4 Sơ đồ mạch in mạch xử lý

3 Hình ảnh thực tế:

Hình 3.5 (a) Hình ảnh thực tế mạch cảm biến

Khoảng cách giữa led và quang trở là 0.45 in

Khoảng cách giữa 2 led giữa là 1.1in

(b) Hình ảnh thực tế mạch xử lý

Hình 3.6 bản đồ dò line của robot

- Line là băng keo đen trên nền giấy cứng rộng 1 in

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN

1 Kết quả đạt được:

- Thiết kế thành công mô hình xe dò line

- Mạch chạy ổn định, hoạt động đúng yêu cầu đặt ra

- Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch cũn g như của các linh kiện và nghiên cứu được cách sử dụng các phần mềm như protues…

- Thể hiện được khả năng hoàn toàn tự động của mạch

- Học hỏi được nhiều điều từ bạn bè, từ đó rút ra kinh nghiệm cho bản thân

2 Ưu khuyết điểm:

 Ưu điểm:

- Đảm bảo về tính thẩm mĩ

- Bộ phận cảm biến nhạy

- Mạch ổn định, không nhiễu

- Có tính công nghệ

- Mạch đơn giả, chi phí không cao

- Dễ thay thế đối với trường hợp hư hỏng (các IC có đế)

- 1 trong 2 IC LM393 hư xe vẫn hoạt động bình thường nhưng độ chính sác không cao

- Sữ dụng nguồn bin gọn và tiện lợi cho xe chạy thực tế không phải

mô phỏng

- Có biến trở điều chỉnh tránh bị nhiễu và trong điều kiện sáng tối

có thể điều chỉnh được

 Khuyết điểm:

- Kiến thức và kinh nghiệm còn ít nên vẫn còn nhiều khó khăn

- Nguồn bin còn yếu xe hoạt động không lâu

- Không điều khiển được tốc độ của động cơ (khắc phục thủ công bằng cách quấn keo ở bánh để bám đường tốt)

- Xe không quẹo được các góc vuông và các góc nhỏ hơn 90o

- Biến trở to xe cồng kềnh, bánh trước không phải bánh đa hướng nên vẫn chưa hoàn toàn hoàn mỹ trên cơ sỡ lý thuyết

3.Hướng phát triển của đề tài:

Tương lai gần robot sẽ tự tránh vật cản, vượt chứng ngại vật, dò được ở

cả 2 chế độ nền trắng line đen và nền đen line trắng

Trong thực tế ta có thể nghiên cứu phát triển mạch lên để phục vụ cho nhiều lĩnh vưc khác như: robot vệ sinh nhà, băng truyền không cần thiết kế cơ khí cao, cao hơn nữa theo cơ chế dò đường hoặc định vị có thể phục vụ cho quân

sự, nghiên cứu…

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] https://tutaylam.com/huong-dan-lam-mot-robot-duong-don-gian

http://mualinhkien.vn/chi-tiet-bv/huong-dan-lam-robot-do-duong-do-line-dung-lm393-sieu-don-gian.html