ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP CHẾ TẠO XE DÒ ĐƯỜNG

Yêu cầu phần cứng : Về phần cứng em sẽ chuẩn bị nguồn từ bin điện thoại và được ổn áp qua 1mạch nguồn cho đầu ra 9v 1A cấp cho động cơ, 12v 1A cấp cho vi điều khiển, mộtmạch vi điều khiể

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay cuộc sống của con người ngày càng phát triển Tất cả các lĩnh vựcđều đi lên một hướng rất mạnh mẽ Đặc biệt là lĩnh vực điện tử, đây là lĩnh vực tiềmnăng của đất nước ta Nói về điện tử thì có rất nhiều sản phẩm khác nhau, mỗi sảnphẩm có mỗi công dụng cũng như chức năng khác nhau Vì thế nhiều thiết bị máymóc đã ra đời và thay thế con người làm việc, sản xuất Bắt kịp xu hướng này nhiềucông ty, xí nghiệp, nhà máy… đều làm theo xu hướng tự động hóa trong quá trình làmviệc, sản xuất để tăng năng suất, cũng như giảm bớt chi phí trong quá trình sản xuất.Những thiết bị máy móc làm việc thay thế con người nói trên chính là những chúROBOT rất thông minh, chúng hoạt động và làm việc dưới sự thiết lập sẵn của conngười

Là một sinh viên ngành cơ điện tử, thấy những chú ROBOT thông minh nhưthế thì em cũng rất tò mò Dựa vào các kiến thức đã học nên em quyết định làm mộtchú ROBOT dò đường để xem chúng hoạt động như thế nào và làm thế nào để điềukhiển được chúng

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

MỤC LỤC 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 6

2.1 Phương pháp nghiên cứu : 6

2.2 Yêu cầu của hệ thống : 6

2.2.1 Yêu cầu phần cứng : 6

2.2.2.Yêu cầu phần mềm : 6

2.3.Phương án thiết kế : 6

2.3.1.phương pháp : 6

2.3.2 Ưu điểm: 7

2.3.3 Nhược điểm: 7

2.3.4 Kết luận: 7

2.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí : 7

2.5 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển: 7

2.5.1 Cơ sở lý thuyết : 7

2.5.1.1 AVR : 7

2.5.1.2 LM7805 : 15

2.5.1.3 LM324 : 16

2.5.1.4 IRF540 : 17

2.5.1.5 Tụ hóa : 18

2.5.1.6 Tụ pi : 18

2.5.1.7 Điện trở : 18

2.5.1.8 Biến trở : 19

2.5.1.9 Nút nhấn : 19

2.5.1.10 Thanh cắm đực : 20

2.5.1.11 Thạch anh : 20

2.5.1.12 LED 21

2.5.1.13 Quang trở : 21

2.5.1.14 LED 7 đoạn (anot chung) : 21

2.5.1.15 Transistor A1015 : 22

2.5.2 Thiết kế : 23

2.5.2.1 Mạch điều khiển : 23

2.5.2.2 Chương trình điều khiển : 30

CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 42

3.1 Chuẩn bị 42

3.2 Thi công và lắp ráp 42

3.2.1 Vẽ mạch in 42

3.2.2 In mạch lên mạch đồng 42

3.3 Sản phẩm thực tế: 42

3.3.1 Hình ảnh các mạch: 42

3.3.2 Hệ thống mô hình hoạt động : 47

3.4 kiểm tra nguồn, mạch vi điều khiển và mạch công suất : 48

3.5 Chạy thử nghiệm kết quả: 49

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 50

4.1.Kết luận 50

4.1.1 Kết quả đạt được 50

4.2.Đề xuất 50

4.2.1 Đề xuất phần cứng 50

4.2.2 Đề xuất phần mềm 50

Tài liệu tham khảo qua internet 51

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Phương án thiết kế 6,7Bảng 2: kiểm tra nguồn, mạch vi điều khiển và mạch công suất 48,49

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu :

Em nghiên cứu làm xe dò đường bằng cách điều chế độ rộng xung điều chỉnh tốc độ động cơ trên họ AVR ( em đã được học ở môn Kỹ Thuật Ứng Dụng Vi Điều Khiển)

Và nghiên cứu lập trình LED 7 đoạn

2.2 Yêu cầu của hệ thống :

2.2.1 Yêu cầu phần cứng :

Về phần cứng em sẽ chuẩn bị nguồn từ bin điện thoại và được ổn áp qua 1mạch nguồn cho đầu ra 9v 1A (cấp cho động cơ), 12v 1A (cấp cho vi điều khiển), mộtmạch vi điều khiển xử dụng vi xử lý atmega8 , một mạch công suất xử dụng 2 mosfetIRF540 ( hoặc H1061) và được cách li quang bởi OPTO, một mạch mắt dò đườngdùng quang trở, một mạch so sánh (dùng IC LM324), 1 mạch LED 7 đoạn (anotchung) và một mạch nộp

2.2.2.Yêu cầu phần mềm :

Về phần mềm :

Đối với robot dò đường : em sẽ viết chương trình điều chế độ rộng xung (PWM) để

điều khiển tốc độ động cơ ( viết trên phần mềm codevision)

Đối với LED 7 đoạn : em sẽ viết chương trình đếm số từ 0-999999

2.3.Phương án thiết kế :

2.3.1.phương pháp :

CÁC

BƯỚC PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN CHÚ Ý

B2 Cố định tờ giấy với mạch in Gấp các mép giấy quanh mạch đồngB3 Cắm bàn là, để số 3/5 → Max Chờ bàn là nóng khoảng 3-4 phútB4 Ủi mạch in khoảng 3 → 7 phút Kiểm tra độ dính của mạch in

B5 Ngâm nước để lớp giấy bong ra Cẩn thận, lớp sơn có thể bị bong raB6 Dùng tay chà nhẹ lớp giấy Đặc biệt chỗ các đường mạch in gần

nhauB7 Dùng bút tô lại những chỗ bị đứt

mạch in

Cẩn thận khỏi bị tô dính các đường khác

B9 Sau khi ăn mòn hết, rửa lại với nước Rửa kỹ

B10 Dùng xăng lau lớp sơn

B11 Quét lớp nhựa thông để bảo vệ mạch Lấy nhựa thông hòa với xăng

B12 Dùng bàn là hơ lại mạch hoặc phơi

B14 Kiểm tra mạch có bị chập không Đo những chân không nối, những

chângần nhau

Vcc_in & GND; Vcc_out & GND;B15 Lắp và hàn linh kiện Thấp hàn trước, cao hàn sau Chưa lắp

2.4 Thiết kế, chế tạo phần cơ khí :

Phần cơ khí của robot dò đường khá đơn giản : chọn 1 miếng mica làm khung

xe, khoan lỗ bắt vít 2 động cơ và bánh tự lượng vào sao cho cân đối và hợp lý Cácmạch điện được đặt lên xe sao cho hợp lí và cũng cố định bằng vít

2.5 Thiết kế, chế tạo phần điều khiển:

2.5.1 Cơ sở lý thuyết :

2.5.1.1 AVR :

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất

AVR là chíp vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa RISC

So với các loại chíp điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cảtrong tính ứng dụng và đặc biệt là về chức năng

Hầu hết các chíp AVR có những tính năng sau;

- Có thể sử dụng xung clock lên đến 16MHZ, hoặc sử dụng xung clock nội lênđến 8MHZ( sai số 3%)

- Bộ nhớ chương trình flash có thể lập trình lại rất nhiều lần và bộ nhớ lớn, cóSRAM (ram tĩnh) lớn, và đặc biệt có bộ nhớ lưu trữ được EEPROM

- Ngõ ra vào (I/O PORT) 2 hướng

- 8 bits, 16 bits timer/counter tích hợp PWM

- Các bộ chuyển đổi Analog-digital phân giải 10 bits, nhiều kênh.

- Chức năng Anolog comparator

- Giao diện nối tiếp USART( tương thích chuẩn nối tiếp RS-232)

Một số chip AVR thông dụng;

Và đây là hình ảnh chỉ rõ tính năng của từng chân

 Mô tả chân:

 VCC: Điện áp cung cấp.

 GND: Nối đất.

 PortB, PortC, PortD: Có thể được cấu hình như các cổng cổng I/O 8-bit hai

hướng thông thường hoặc cấu hình để sử dụng các chức năng đặc biệt khác Các chân của Port có thể được nối với các điện trở kéo lên bên trong (lựa chọncho từng bit)

 Reset: Là đầu vào Khi đưa một mức điện áp thấp vào chân này có độ dài lớn

hơn một xung sẽ reset hệ thống

 XTAL1, XTAL2: Các đầu vào dao động.

 AVCC: Điện áp cấp cho các bộ ADC Thường được nối với VCC qua một bộ

lọc thông thấp

 AREF: Điện áp tham chiếu cho các bộ biến đổi ADC.

 Vi điều khiển Atmega8:

 Là vi điều khiển 8-bit CMOS công suất tiêu thụ thấp dựa trên cấu trúc RISC AVR Bằng cách thực hiện các lệnh trong một chu kỳ đồng hồ Atmega8 đạt được tốc độ xấp xỉ 1MIPS trên 1MHz cho phép người thiết kế tối ưu công suất tiêu thụ với tốc độ sử lý

 Các tính năng:

 Cấu trúc RISC

 Hỗ trợ 130 lệnh

 32x8 thanh ghi dùng chung

 Tốc độ 16 MIPS với thạch anh 16 MHz

 Bộ nhớ

 8K Byte bộ nhớ Flash

 512 Byte EEPROM

 1K Byte SRAM

 Hỗ trợ lập trình ngay trên mạch với chương trình mồi

 Có các bít khóa bảo mật

 Giao diện JTAG

 Khả năng quét biên theo chuẩn JTAG

 Hỗ trợ gỡ lỗi trên chip

 Lập trình bộ nhớ Flash, EEPROM, các bít khóa qua giao diện JTAG

 6 kênh ADC 10 bit

 Giao tiếp I2C, USART, SPI

Đây là sơ đồ khối atemega 8

Đây là lõi CPU AVR

 Các cổng vào ra:

 Các cổng vào ra và các thanh ghi dùng để điều khiển hướng của cổng được lậptrình giá trị tới từng bit Bộ đệm cổng có thể đủ mạnh để điều khiển hiển thịtrực tiếp LED sáng Tất cả các chân đều có các điện trở kéo lên bên trong

Sơ đồ nguyên lý tương đương cổng vào ra.

 Mỗi cổng vào ra có thanh ghi dữ liệu PORTx (PORTB, PORTC, PORTD), thanh ghi hướng dữ liệu DDRx và thanh ghi dữ liệu vào PINx Khi bit thanh ghi hướng dữ liệu bằng “1” thì chân đó là chân ra, bằng “0” là chân vào.

 Các ngắt:

 Khi có ngắt xảy ra, vi điều khiển sẽ tự động lưu các tham số của chương trình

và nhảy đến chương trình con thực hiện ngắt

 Giao tiếp SPI ( Serial Peripheral Interface)

 Giao tiếp ngoại vi nối tiếp SPI cho phép trao đổi dữ liệu đồng bộ tốc độ cao giữa Atmega8 và các thiết bị ngoại vi hoặc giữa các thiết bị AVR với nhau

 Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) bao gồm các đặc điểm dưới đây

 Truyền dữ liệu đồng bộ 3 dây (Three wire)

 Chế độ hoạt động Master / Slave

 Chuyển dữ liệu MSB First hoặc LSB First

 7 tốc độ bit có thể lập trình

 Cờ ngắt cuối phiên truyền

 Cờ ngăn xung đột ghi

 Đánh thức khỏi chế độ chờ Idle

 Chế độ SPI Master tốc độ kép (CK/2 )

 Các bộ nhớ:

 Bộ nhớ Flash: 8K bytes được quản lý như 4K x 4.

 Bộ nhớ Eeprom: 512K bytes Bộ nhớ Eeprom không bị mất dữ liệu khi mất

nguồn, có thể ghi đọc trong lúc chạy chương trình, dùng để lưu các tham số

 Nguồn dao động:

Bên trong AVR đã có sẵn một bộ giao động có thể lựa chọn với tần số từ 1Mhz – 8 Mhz (mặc định 1Mhz)

 Giao tiếp SPI

 Thanh ghi điều khiển SPCR

 Bit 7 – SPIE: Cho phép ngắt SPI

 Bit 6 – SPE: Cho phép SPI

 Bit 5 – DORD: Thứ tự dữ liệu DORD = 1 , LSB first, DORD = 0, MSB first

 Bit 4 – MSTR: Chọn Master/Slave, 1 Master, 0 Slave

 Bit 3 – CPOL: Chọn cực Clock, bằng 1 SCK ở mức cao khi rảnh, bằng 0 SCK ở mức thấp khi rảnh

 Bit 2 – CPHA: Pha Clock

 Bits 1, 0 – SPR1, SPR0: chọn tốc độ đồng hồ

 Thanh ghi trạng thái SPSR

 Bit 7 – SPIF: Cờ ngắt SPI

 Bit 6 – WCOL: Cờ xung đột ghi

 Bit 5 1 – Res: Bit dự trữ

 Bit 0 – SPI2X: Bit nhân đôi tốc độ

 Thanh ghi dữ liệu SPDR

 Giao tiếp USART

 USART: Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and

Transmitter - Thu phát nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ chung là giao tiếp nối tiếp có độ linh hoạt cao Giao tiếp tại các chân TXD, RXD, XCK của vi điều khiển Các tính năng chính:

 Hoạt động song công

 Hai chế độ đồng bộ và không đồng bộ

 Hoạt động đồng bộ xung Master hay Slave

 Máy phát tốc độ Baud độ chính xác cao

 Hỗ trợ truyền các khung nối tiếp với 5 ,6 ,7, 8 hoặc 9 bit dữ liệu và 1 hoặc 2bit stop

 Tạo toàn vẹn dữ liệu chẵn, lẻ và hỗ trợ kiểm tra tính chẵn lẻ bằng phần cứng

 Dò tràn dữ liệu

 Dò lỗi khung truyền

 Bộ lọc nhiễu bao gồm dò tìm bit khởi động sai và bộ lọc số thông thấp

 3 ngắt riêng biệt: Phát xong, trống thanh ghi dữ liệu TX , thu xong

 Chế độ truyền thông nhiều bộ sử lý

 Chế độ truyền thông không đồng bộ tốc độ kép

 Sơ đồ khối:

Sơ đồ khối bộ USART

2.5.1.2 LM7805 :

Đây là ic ổn

áp out 5V 1A

 Công dụng

ổn áp out 5V

 Mô tả chân: Chân 1: điện

INPUT-Cụ thể ở Robot dò đường của em : tín hiệu so sánh OUTPUT từ IC LM324 đượcđưa vào vi điều khiển ATMEGA8 từ đó ta biết xe đang ở vị trí nào và điều chỉnhtốc độ động cơ cho phù hợp

2.5.1.4 IRF540 :

Đây là mosfet IRF540

Công dụng của IRF540 nâng dòng từ mạch vi điều khiển sang mạch công

suất IRF540 cũng như 1 khóa điện tử vậy khi có 1 dòng điện nhỏ chạy vào chân G(cổng vào) ngay lập tức sẽ có 1 nguồn điện lớn hơn (ta cấp) sẽ chạy từ chân S( nguồn )xuống chân D (cổng ra) và cấp đến động cơ

2.5.1.5 Tụ hóa :

 Công dụng

Lọc điện áp xoay chiều sau khi đã được chỉnh lưu thành điện áp bằng phẳng

Khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp

Mắc điện trở thành cầu phân áp để có một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước

2.5.1.8 Biến trở :

 Công dụng

Biến trở cũng giống nhự điện trở là hạn dòng qua tải cho phù hợp

Nhưng khác ở đây là em có thể điều chỉnh được giá trị trở kháng từ đó cho ra các giá trị hạn dòng khác nhau

Cho phép kết nối các linh kiện với nhau bằng cách cắm dây

Quang trở chính là điện trở mà nó có thể tự động thay đổi giá trị tùy thuộc vào cường

độ sáng của môi trường

2.5.1.14 LED 7 đoạn (anot chung) :

2.5.2 Thiết kế :

2.5.2.1 Mạch điều khiển :

a) Mạch vi điều khiển và mạch công suất (sử dụng atmega 8):

Đây là sơ đồ nguyên lí mạch vi điều khiển + Công Suất

đây là sơ đồ mạch in của mạch vi điều khiển + mạch công suất

Linh kiên gồm: 1 lm7805, 3 tụ hóa, 2 tụ pi 104, 2 tụ pi 18, 1 led , 1 nút nhấn,

3 diod 4007, jump cắm, 1 atmega8, 5 trở 1k, 3 trở 10k, 1 thạch anh 8 MHZ, 2opto, 2 mosfet irf 540

 Công dụng linh kiện : công dụng của các linh kiện này em đã trình bày ở

trên ( từ trang 7 đến trang 22)

 Nguyên lý hoạt động của vi điều khiển ATMEGA8 :

Khi cấp nguồn điện ( 12v) ngay lập tức tụ hóa 1000uf 25v được nộp đầy điện

và xem như là một bể chứa điện với nhiệm vụ lọc cho điện áp bằng phẳng vàchống nhiễu Tiếp đến điện nộp vào tụ pi 104 với nhiệm vụ chống nhiễu Sau đóđiện áp dương được đưa vào chân 1 LM7805, điện áp âm được đưa vào chân 2lm7805, và nhiệm vụ của LM7805 là ổn áp ra nguồn 5v Tiếp theo điện áp 5v lấpđầy tụ hóa 1000uf 25v và tụ pi 104 với nhiệm vụ như trên Đồng thời lúc này điện

áp +5v được cấp cho các chân : VCC, AVCC của atmega8, mass cấp cho chânGND, AGND, RESET của atmega8 Cùng lúc này điện áp +5v qua trở 1K (hạndòng) làm LED báo nguồn sáng Khi Atmega8 hoạt động đồng thời lúc này thạchanh 8MHZ cũng hoạt động kèm theo là hai tụ pi 18pf hoạt động với nhiệm vụchống nhiễu

Nói về cổng CON6 gồm các chân : VCC, MOSI, MISO,SCK, RESET, GND,các chân này được kết nôi với atmega8 Chương trình lập trình trên máy tính đượcđưa vào vi điều khiển atmega8 qua cổng CON6

 Nguyên lý hoạt động của khối công suất :

Đầu tiên tín hiệu từ vi điều khiển được đưa vào opto (cách li quang) làm cho ledbên trong opto sáng ,làm thông hai cực của photo diod mở cho tín hiệu dòngđiện chạy qua Tín hiệu này được đưa vào chân G (cổng vào) của irf540, ngâylập tức chân S và chân D của irf540 được thông với nhau và một dòng điện vớitín hiệu lớn ( ta cấp vào chân nguồn của irf540 (chân S) ) chạy từ chân S xuốngchân D (cổng ra) và đi đến động cơ

b) Mạch so sánh (dùng IC LM324) :

Đây là sơ đồ nguyên lý mạch so sánh (dùng LM324).

Đây là sơ đồ mạch in của mạch so sánh

+ Linh kiện gồm : 2 IC LM324, 6 biến trở tinh chỉnh 10k, 6 led, 6 trở 1k.

+ Công dụng linh kiện : công dụng của các linh kiện này em đã trình bày ở trên

( từ trang 7 đến trang 22)

 Nguyên lý hoạt động của mạch so sánh (dùng LM324) :

Khi điện áp đầu vào INPUT+ và INPUT- được cấp vào lần lượt từ biến trở vàquang trở thì IC LM324 bắt đầu so sánh Nếu INPUT+ > INPUT- thì đầu ra bằng

1 (5V),

ngược lại nếu INPUT+ < INPUT-bằng 0 (0V) 6 con led có nhiệm vụ hiển thị để

ta biết đầu ra hiện giờ là 5V hay 0V

Từ trạng thái 0 hoặc 1 OUTPUT ra từ IC LM324 được đưa vào vi điều khiển đểthay đổi tốc độ động cơ sao cho phù hợp (ta đã lập trình vào vi điều khiển trước)

c) Mạch mắt dò đường (dùng quang trở) :

Đây là sơ đồ nguyên lí mạch mắt dò đường

Đây là sơ đồ mạch in của mạch mắt dò đường

+ Linh kiện gồm : 8 quang trở, 8 led trắng trong, 8 điện trở 330, 8 điện trở 10k + Công dụng linh kiện : công dụng của các linh kiện này em đã trình bày ở trên

+ Khi ở trong nền đen (quang trở không nhận được ánh sáng) điện trở của quangtrở rất lớn, nên điện áp qua nó rất bé, khi đưa vào mạch so sánh điện áp quang trở(INPUT-) nhỏ hơn điện áp từ biến trở (INPUT+) thì đầu ra của IC LM324 sẽbằng 1 và led báo sáng và tín hiệu đưa vào vi điều khiển sẽ là 5V Ngược lại khi ởnền trắng(quang trở nhận được ánh sáng) điện trở của quang trở rất bé, nên điện

áp qua nó rất lớn, khi đưa vào mạch so sánh áp quang trở (INPUT-) lớn hơn điện

áp từ biến trở (INPUT+) thì đầu ra của IC LM324 sẽ bằng 0 và led báo tắt và tínhiệu đưa vào vi điều khiển sẽ là 0V.

+ Gía trị OUTPUT từ IC LM324 được đưa vào vi điều khiển, vi điều khiển nhậnbiết được xe đang ở vị trí nào và điều khiển tốc độ động cơ phù hợp để xe chạyđúng đường

d) Mạch nguồn (ổn áp điện áp từ pin điện thoại) :

Đây là sơ đồ nguyên lí mạch nguồn (ổn áp 9v cấp cho động cơ và 12v cấp cho vi điều khiển từ pin điện thoại)

Đây là sơ đồ mạch in của mạch nguồn

+ Linh kiện gồm : 3 tụ hóa 1000uf/25, 3 tụ pi 104, 1 LM7809, 1 LM7812, 2 trở

4k7, 2 LED báo nguồn

+ Công dụng linh kiện : công dụng của các linh kiện này em đã trình bày ở trên ( từ

trang 7 đến trang 22)