NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH ROBOT ĐIỀU KHIỂN TỪ XA QUA MÁY TÍNH

Ngày nay, Robot điều khiển từ xa ngày càng được đầu tư và phát triển mạnh mẽ, sử dụng trong các mục đích dò tìm bom mìn, thám hiểm hầm mỏ, kiểm tra các đường cống ngầm, hoạt động trong các môi trường có nhiều hóa chất độc hại, có nồng độ phóng xạ cao,... nguy hiểm đối với con người. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó đòi hỏi các Robot này phải có khả năng di chuyển không dây và hoạt động chính xác các chức năng của nó. Do vậy trong đề tài đồ án này em muốn giới thiệu về công nghệ không dây và dùng máy tính điều khiển Robot. Nội dung đồ án chủ yếu tập trung nghiên cứu công nghệ không dây sóng radio, tạo giao diện điều khiển máy tính và lập trình giao tiếp với vi điều khiển, thiết kế chế tạo mô hình robot điều khiển từ xa qua máy tính

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

TÓM TẮT Tóm tắt: Ngày nay, Robot điều khiển từ xa ngày càng được đầu tư và phát triển

mạnh mẽ, sử dụng trong các mục đích dò tìm bom mìn, thám hiểm hầm mỏ, kiểm tra các đường cống ngầm, hoạt động trong các môi trường có nhiều hóa chất độc hại, có nồng độ phóng xạ cao, nguy hiểm đối với con người Để thực hiện được các nhiệm

vụ đó đòi hỏi các Robot này phải có khả năng di chuyển không dây và hoạt động chính xác các chức năng của nó Do vậy trong đề tài đồ án này em muốn giới thiệu về công nghệ không dây và dùng máy tính điều khiển Robot Nội dung đồ án chủ yếu tập trung nghiên cứu công nghệ không dây sóng radio, tạo giao diện điều khiển máy tính và lập trình giao tiếp với vi điều khiển, thiết kế chế tạo mô hình robot điều khiển

từ xa qua máy tính

Từ khóa: Robot

Hà Nội, Ngày….Tháng….Năm………

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn Ths Hoàng Thế Phương đã tận tình chỉ bảo em

trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cảm ơn thầy đã dạy cho

em biết những điều cần thiết để thiết kế, chế tạo sản phẩm cũng như đã tạo điều kiện cho sinh viên được tự mình tìm tòi, nghiên cứu những kiến thức về chuyên ngành Với thời gian thực hiện đề tài ngắn, kiến thức còn hạn hẹp, dù em đã rất cố gắng nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót, em rất mong được sự góp ý của thầy

và các bạn sinh viên khác

Cuối cùng em xin cảm ơn thầy đã cho em cơ hội để có thể ứng dụng kiến thức đã học để xây dựng nên một sản phẩm thực tế, tạo cho em cảm hứng hơn trong việc học tập và làm việc sau này

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI CAM ĐOAN

Nội dung của đồ án tốt nghiệp với đề tài: ”Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình

robot điều khiển từ xa qua máy tính” sau đây, do chính em: Phạm Danh Đăng – sinh

viên lớp 64DCDT01, khoa Công nghệ thông tin, chuyên ngành Điện tử - viễn thông

nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và hoàn thành

Em xin cam đoan không sao chép các tài liệu, công trình nghiên cứu của người

khác mà không chỉ rõ trong mục tài liệu tham khảo

Em xin chân thành cảm ơn!!!

Người thực hiện

(kí và ghi rõ họ tên)

Phạm Danh Đăng

MỤC LỤC

TÓM TẮT

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Những khái niệm chung về robot 3

1.2 Ứng dụng robot trong thực tế 4

1.3 Lý do chọn đề tài 6

1.4 Đặt vấn đề 7

1.5 Mục đích đề tài 8

1.6 Tổng quan về các khối 9

1.7 Kết luận chương 1 10

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Sơ lược về vô tuyến điện tử 11

2.2 Sơ lược về ATMEGA 16 13

2.2.1 Tổng quan về ATMEGA 16 13

2.2.2 Mô tả chân linh kiện 15

2.2.3 USART trong ATMEGA16 17

2.3 Sơ lược về PT2262 18

2.4 Sơ lược về PT2272 21

2.5 Sơ lược về USB to UART 23

2.6 Sơ lược về IC L298 25

2.7 Sơ lược về một số linh kiện khác 26

2.7.1 Điện trở 26

2.7.2 Tụ điện 27

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 29

3.1 Thiết kế Robot 29

3.2 Thiết kế phần mạch 30

3.2.1 Mạch phát Robot 30

3.2.2 Mạch thu robot 33

3.3 Kết quả thiết kế 37

3.3.1 Robot 37

3.3.2 Thiết kế phần mạch 37

3.4 Giải thuật điều khiển 40

3.4.1 Giải thuật truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển 40

3.4.2 Giải thuật điều khiển mạch phát 42

3.5 Kết luận chương 3 45

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 46

4.1 Thực nghiệm 46

4.2 Phân tích kết quả 48

4.3 Kết luận chương 4 49

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

PHỤ LỤC 52

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Robot car 4

Hình 1.2 Robot dò mìn 5

Hình 1.3 Robot y học 6

Hình 1.4 Atmega 16 7

Hình 1.5 Sơ đồ khối mô hình robot 9

Hình 2.1 Quá trình lan truyền sóng ngang 12

Hình 2.2 Sơ đồ chân atmega16 13

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong AVR 14

Hình 2.4 Sơ đồ khối USART 17

Hình 2.5 PT2262 18

Hình 2.6 Sơ đồ chân PT2262 19

Hình 2.7 Khung dữ liệu của PT2262 20

Hình 2.8 Sơ đồ khối PT2262 21

Hình 2.9 PT2272 22

Hình 2.10 Sơ đồ chân PT2272 23

Hình 2.11 Sơ đồ mạch PL2303 24

Hình 2.12 Mạch thật USB to UART 24

Hình 2.13 Sơ đồ chân IC L298 25

Hình 2.14 Điện trở và kí hiệu 26

Hình 2.15 Cấu tạo tụ hóa 27

Hình 2.16 Led và kí hiệu 28

Hình 3.1 Robot sau khi hoàn thành 29

Hình 3.2 Sơ đồ mạch phát Robot 30

Hình 3.3 Module phát PT2262 31

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch thu Robot 33

Hình 3.5 Module thu PT2272 34

Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý mạch động cơ 35

Hình 3.7 Mạch phát được vẽ từ proteus 37

Hình 3.10 Mạch thu khi hoàn thành 39

Hình 3.11: Chương trình truyền dữ liệu từ máy tính xuống 41

Hình 3.12: Chương trình phát dữ liệu điều khiển 43

Hình 3.13: Chương trình thu và điều khiển Robot 45

Hình 4.1 Xe Robot sau thi công 46

Hình 4.2 Mạch sau khi được ăn mòn 47

Hình 4.3 Hiển thị trên LCD 48

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Rea Only Memory

Chip nhớ không xóa được

RISC Reduced Intruction Set Computer Máy tính cài đặt giảm thuộc tính

SRAM Static Random Acess Memory Bộ nhớ truy xuất dữ liệu ngẫu nhiên tĩnh

UART Universal Asynchronous

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề của đề tài

Ngày nay, Robot điều khiển từ xa ngày càng được đầu tư và phát triển mạnh mẽ,

sử dụng trong các mục đích dò tìm bom mìn, thám hiểm hầm mỏ, kiểm tra các đường cống ngầm, hoạt động trong các môi trường có nhiều hóa chất độc hại, có nồng độ phóng xạ cao, nguy hiểm đối với con người

Để thực hiện được các nhiệm vụ đó đòi hỏi các Robot này phải có khả năng di chuyển không dây và hoạt động chính xác các chức năng của nó

Do đó, việc nghiên cứu Robot điều khiển từ xa là vấn đề cần thiết cho thực tế

Chính vì vậy, em chọn đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình robot điều

khiển từ xa qua máy tính"

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu về điều khiển không dây từ xa

Thiết kế và chế tạo mô hình robot phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu của sinh viên các ngành điện tử viễn thông, cơ điện tử

3 Phạm vi và nội dung nghiên cứu

Thiết kế, chế tạo kết cấu cơ khí bằng Mica cho Robot có khả năng chuyển động linh hoạt và chính xác

Thiết kế, chế tạo các mạch điện tử điều khiển cho Robot và lập trình điều khiển cho Robot hoạt động thông qua việc điều khiển từ xa bằng sóng radio

Thiết kế tạo giao diện điều khiển Robot, lập trình giao tiếp máy tính với vi điều khiển và truyền đi xa bằng sóng radio

4 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu tổng hợp việc thiết kế, lắp ráp các chi tiết mô hình Robot

- Nghiên cứu thiết kế các mạch điều khiển cho Robot

- Nghiên cứu công nghệ truyền không dây, sóng radio

- Nghiên cứu tạo giao diện điều khiển trên máy tính và cách lập trình C#

Nghiên cứu thực nghiệm:

- Chế tạo mô hình Robot hoàn chỉnh để kiểm chứng kết quả nghiên cứu lý thuyết

5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn

Góp phần phát triển lĩnh vực điều khiển từ xa và công nghệ sử dụng máy tính, ứng dụng việc chế tạo các mô hình hoặc trong việc điều khiển các thiết bị phục vụ cho đời sống hằng ngày

Góp phần xây dựng các mô hình phục vụ cho việc tham khảo, học tập của các sinh viên chuyên ngành điện tử viễn thông, cơ điện tử và các ngành kĩ thuật liên quan Tạo ra phương pháp học tập nghiên cứu trực quan bằng mô hình cụ thể

6 Cấu trúc của đồ án

Cấu trúc đồ án gồm có bốn chương:

Chương 1: Giới thiệu chung về robot

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế robot và giải thuật điều khiển

Chương 4: Thực nghiệm và kết quả

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Những khái niệm chung về robot

Ngày nay, người ta vẫn còn tranh cãi về vấn đề: "Một loại máy như thế nào thì đủ tiêu chuẩn để được gọi là robot" Một cách gần chính xác, robot phải có một vài (không nhất thiết phải đầy đủ) các đặc điểm sau đây:

- Không phải là tự nhiên, tức là do con người sáng tạo ra

- Có sự thông minh, có khả năng đưa ra các lựa chọn dựa trên môi trường

và được điều khiển một cách tự động theo những trình tự đã được lập trình trước

- Có khả năng điều khiển được bằng các lệnh để có thể thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng

- Có thể tự do chuyển quay hoặc tịnh tiến theo một hay nhiều chiều

- Có sự khéo léo trong vận động

- Có thể tương tác với những vật thể trong môi trường

- Có khả năng nhận biết môi trường xung quanh

Theo những kỹ sư robot hình dáng bên ngoài của máy móc không quan trọng bằng việc hoạt động của nó được điều khiển như cách nào Hệ thống điều khiển càng

có tác dụng bao nhiêu, máy móc càng có khả năng được gọi là robot bấy nhiêu Một đặc điểm tiêu biểu để phân biệt robot nữa đó là khả năng đưa ra các lựa chọn Càng có khả năng đưa ra nhiều lựa chọn để giải quyết một vấn đề bao nhiêu, robot càng được đánh giá cao

Robot thường gồm những thành phần cơ bản:

+ Cơ cấu chuyển động

Hình 1.1 Robot car

1.2 Ứng dụng robot trong thực tế

Từ ngàn xưa, loài người đã biết sử dụng công cụ lao động trợ giúp nhằm tăng năng suất lao động Những công cụ thô sơ đồ đá ban đầu được dần thay thế bằng đồ đồng, đồ sắt Cùng năm tháng, máy móc ra đời để giải phóng con người khỏi những lao động nặng nhọc, nguy hiểm Cũng từ đó nền công nghiệp dần hình thành và phát triển

Mức độ tự động hóa của công cụ buổi ban đầu còn thấp, như những cỗ máy chạy bằng hơi nước hay máy tính to bằng nửa tòa nhà Với sự phát triển như vũ bão của khoa học kĩ thuật, loài người đã tiến bước sâu hơn khoảng không và vũ trụ xung quanh Sự trợ giúp của máy tính và kĩ thuật Robot cho phép con người có thể khám phá thế giới xung quanh mà chỉ với những tác động click chuột Từ những vi tế bào

Những Robot ban đầu với tính năng đơn giản, thô sơ đã dần được thay thế bằng những Robot mà đôi khi mắt người còn không phân biệt được đâu là Robot, đâu là người thật

Tính năng của Robot thì phụ thuộc vào từng lĩnh vực cụ thể nhưng ở bất kì lĩnh vực nào thì sự trợ giúp của nó cũng đáng kể Nhưng đáng chú ý nhất vẫn là công nghiệp, Robot có thể thay thế hoàn toàn con người ở những khâu mang tính chu kì cần

độ chính xác cao, đòi hỏi phức tạp, hay ở trong những môi trường nguy hiểm: áp suất cao, phóng xạ, độc hại

Hình 1.2 Robot dò mìn Với kĩ thuật tiên tiến hiện nay, con người có thể chế tạo ra những Robot đi sâu vào trong lòng đất để tìm tài nguyên, nguồn năng lượng mới, khám phá vỏ trái đất hay

để truy tìm sự sống ngoài hành tinh mà với bản thân con người không thể chịu được những điều kiện khắc nghiệt như vậy Công nghệ không dây được ứng dụng cho phép tạo ra những mô hình Robot nhỏ gọn, thông minh, linh hoạt trên mọi địa hình Một hiệu quả mà công nghệ không dây đem lại là cho phép con người ngồi một chỗ xa nhưng vẫn có thể điều khiển được những công việc mà vẫn đạt hiệu quả cao, đảm bảo

an toàn cho người vận hành Mà đặc biệt là những công việc nguy hiểm, môi trường khắc nghiệt, có ảnh hưởng lớn về sức khỏe cũng như tính mạng con người: ở các lò phản ứng hạt nhân, hầm mỏ sau trong lòng đất, rà phá bom mìn, khám phá đại dương,

tìm kiếm sự sống bên ngoài trái đất Hiện nay ở một số nước tiên tiến, Robot với tính năng điều khiển từ xa còn giúp đỡ việc nhà, chăm sóc sức khỏe cho người bệnh hay hỗ trợ những tính năng cho người tàn tật Với những ưu điểm đó, công nghệ không dây

và máy tính ngày càng được ưa chuộng thể hiện xu thế tất yếu của thời đại

Hình 1.3 Robot y học Robot ngày càng quan trọng với con người và gần gũi với mỗi chúng ta, nó thay thế ta làm mọi việc, từ những việc nhỏ như hút bụi đến việc thay thế con người chui xuống hầm sâu, hay cống nước để xử lý, mà trước đó do chính bày tay con người phải làm

1.3 Lý do chọn đề tài

Truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tử, dữ liệu được truyền đi

có thể là tương tự cũng có thể là số Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn

là truyền bằng sóng điện từ hay sóng Radio, bởi những ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao

Với sự phát triển của máy tính nên em lựa chọn máy tính để điều khiển và tận dụng khả năng của vi điều khiển về truyền dữ liệu nối tiếp nhờ vào bộ UART trong chip có thể giao tiếp được với máy tính Vi điều khiển có khả năng thực hiện truyền thông đa xử lý rất thích hợp cho việc truyền dữ liệu trong một hệ thống mạng không

1.4 Đặt vấn đề

Ngày nay, những ứng dụng của vi điều khiển đã đi sâu vào đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người Thực tế hiện nay là hầu hết các thiết bị điện dân dụng hiện nay đều có sự có mặt của của vi điều khiển và vi xử lí Ứng dụng vi điều khiển trong thiết

kế hệ thống làm giảm chi phí thiết kế và hạ giá thành sản phẩm đồng thời nâng cao tính ổn định của thiết bị và hệ thống

Hình 1.4 Atmega 16 Trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển: họ 8051 của Intel, 68HC11 của Motorala, Z80 của hãng Eilog, PIC của hãng Microchip, H8 của Hitachi.v.v và cuối cùng là AVR của hãng Atmel AVR là họ vi điều khiển khá mới trên thị trường cũng như đối với người sử dụng Đây là họ Vi điều khiển được chế tạo theo kiến trúc RISC (Reduced Intruction Set Computer) có cấu trúc khá phức tạp Ngoài các tính năng như các họ Vi điều khiển khác, nó còn tích hợp nhiều tính năng mới rất tiện cho người thiết

kế và lập trình

Sự ra đời của AVR bắt nguồn từ yêu cầu thực tế là hầu hết khi cần lập trình cho

vi điều khiển, chúng ta thường dùng những ngôn ngữ bậc cao HLL (Hight Level Language) để lập trình ngay cả với loại chip xử lí 8 bit trong đó ngôn ngữ C là ngôn ngữ phổ biến nhất Tuy nhiên khi biên dịch thì kích thước đoạn mã sẽ tăng nhiều so với dùng ngôn ngữ Assembly Hãng Atmel nhận thấy rằng cần phải phát triển một cấu trúc đặc biệt cho ngôn ngữ C để giảm thiểu sự chênh lệch mã đã nói trên Và kết quả là

họ Vi điều khiển AVR ra đời với việc làm giảm kích thước đoạn mã khi biên dịch và

thêm vào đó là thực hiện lệnh đúng đơn chu kỳ mấy với 32 thanh ghi tích lũy và đạt tốc độ nhanh hơn các họ vi điều khiển khác từ 4 đến 12 lần

Vì thế nghiên cứu AVR là một đề tài khá lý thú và giúp sinh viên biết thêm một

họ vi điều khiển vào loại mạnh nhất hiện nay Ngày nay công nghệ không dây và máy tính đang phát triển rất mạnh

Với các thiết bị không dây ngày càng hiện đại cho phép người sử dụng thỏa mãn những nhu cầu về giải trí, cũng như trong điều khiển sản xuất mà không cần nối dây

Nó thực sự tiện ích và tạo cảm giác thỏa mái cho người sử dụng Truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển và truyền đi không dây là một đề tài có nhiều ứng dụng thực tế nhất là trong lĩnh vực điều khiển từ xa và truyền số liệu Đặc biệt sinh viên ngành điện tử viễn thông và cơ điện tử

1.5 Mục đích đề tài

Ứng dụng máy tính giao tiếp với vi điều khiển và công nghệ không dây để truyền

dữ liệu đến Robot điều khiển Robot

Thiết kế và chế tạo mô hình robot phục vụ cho công việc học tập, nghiên cứu của sinh viên các ngành điện tử viễn thông, cơ điện tử

1.6 Tổng quan về các khối

Ở Việt Nam, việc ứng dụng công nghệ không dây và robot điều khiển từ xa chưa được rộng rãi Hiện đại hóa công nghiệp là con đường phát triển của đất nước, do đó việc ứng dụng kĩ thuật không dây vào nước ta chỉ là một sớm một chiều, nắm bắt được trình độ khoa học kĩ thuật sẽ giúp chúng ta dễ dàng tiếp cận với công nghệ của thế giới Trên cơ sở đó em xin đề xuất mô hình Robot điều khiển không dây bằng máy tính dưới đây:

Anten USB to UART

- Chuẩn truyền thông nối tiếp RS232 cho phép kết nối với vi điều khiển Ở

đề tài này em dùng USB to COM PL2303 kết nối với vi điều khiển Sự hỗ trợ SerialPort trong visual C# giúp việc lập trình trở nên đơn giản, giao diện sinh động, trực quan

- Khối thu, phát sóng Radio là kênh liên lạc giữa máy tính và Robot thực thi Nó có tác dụng là truyền tín hiệu điều khiển từ máy tính sang Robot và thu nhận phản hồi từ Robot về máy tính

- Robot là đối tượng cần điều khiển trong sơ đồ

giao tiếp máy tính

Module phát PT2262

Khối nguồn

Module thu

PT2272

- Robot được thiết kế là Robot car thực thi tất cả những hành động mà người điều khiển ra lệnh cho nó

- Với mô hình điều khiển trên cho phép ta có thể sử dụng Robot vào nhiều lĩnh vực như trong giáo dục, trong cuộc sống

- Qua đề tài này có thể ứng dụng trong việc điều khiển các thiết bị điện dân dụng ở khoảng cách xa:

thể tiết kiệm về thời gian, tiền bạc, đặc biệt là tính chất nguy hiểm của công việc, giả dụ như đề xuất cho Robot lau cửa kính ở các tòa nhà cao tầng, robot giao giấy tờ trong văn phòng

1.7 Kết luận chương 1

Trong chương này em đề cập đến lý thuyết tổng quan, giới thiệu chung về Robot, Robot cần quan trong như thế nào trong cuộc sống Lý do chọn đề tài là truyền không dây là một mảng lớn trong điện tử, có thể truyền đi dữ liệu số hay dữ liệu tương tự Mục đích đề tài là ứng dụng những công nghệ mới vào đề tài như truyền không dây và dùng máy tính để điều khiển Chương 1 phần nào cho em biết hơn về Robot và trọng tâm của đề tài của mình làm và vẽ được sơ đồ khối tổng quan của Robot

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Sơ lược về vô tuyến điện tử

Trong chương này giới thiệu về sự ra đời của sóng điện từ, nguyên lí, tính chất và quá trình truyền sóng trong không gian Nhà toán học người Scotland là James Cleck Maxwell (1831 - 1879), đã mở rộng các công trình nghiên cứu của Michael Faraday và nhận thấy mối liên hệ khăng khít của điện và từ làm cho loại sóng này có thể tồn tại Các tính toán của ông cho thấy tốc độ lan truyền của sóng gần bằng tốc độ ánh sáng trong chân không nên ông nghi ngờ rằng chính ánh sáng cũng là một dạng sóng điện

từ Nhưng mãi đến năm 1888, Henrich Hezt đã chứng minh thuyết Maxwell qua thực nghiệm bằng cách dùng điện phát ra sóng Radio và chứng minh được rằng bức xạ Radio có các tính chất của sóng, do đó xác nhận những ý tưởng của Maxwell và Faraday

Bức xạ điện từ ( hay sóng điện từ ) là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc với nhau, lan truyền trong không gian như sóng

Sóng điện từ cũng bị lượng tử hóa thành từng " đợi sóng " có tính chất như các hạt chuyển động gọi là photon Khi lan truyền, sóng điện từ mang theo năng lượng, động lượng và thông tin Sóng điện từ có bước sóng nằm trong khoảng 400nm - 700nm có thể nhìn thấy được bằng mắt người gọi là ánh sáng

Hình 2.1 Quá trình lan truyền sóng ngang Trong chân không các thí nghiệm đã cho thấy sóng điện từ lan truyền với tốc độ

c = 3.10^8 m/s, thậm chí không phụ thuộc vào hệ quy chiếu, nó thay đổi hoàn toàn quan điểm của cơ học cổ điển của Isaac Newton, thúc đẩy Albert Einstein tìm ra lý thuyết tương đối Sóng điện từ là sóng ngang, nó là sự lan truyền của các dao động liên quan đến tính chất có hướng của các phần tử, mà hướng dao động vuông góc với hướng lan truyền Trong tương tác với các hạt cơ bản, nguyên tử, phân tử, sóng điện từ phụ thuộc nhiều vào bước sóng Trong đó sóng Radio ít tương tác nhất vì có bước sóng ngắn, nó có khả năng vượt qua khoảng cách dài mà không mất năng lượng nhiều

do tương tác nên được sử dụng nhiều trong truyền thông tin Khi thu sóng bằng anten người ta vận dụng sự tương tác giữa điện trường của sóng và các vật dẫn điện Các dòng điện sẽ dao động qua lại trong các vật dẫn điện dưới ảnh hưởng của dao động điện trong sóng Radio

Thuyết điện từ chỉ ra rằng ở đâu có điện trường biến thiên thì ở đó xuất hiện từ trường, và ngược lại ở đâu xuất hiện từ trường biến thiên thì ở đó xuất hiện điện trường Đó là lí do mà sóng điện từ có thể lan truyền trong không khí Dựa vào tính chất đó người ta phát minh ra kĩ thuật vô tuyến truyền thanh ( kĩ thuật Radio ), là thiết

2.2 Sơ lƣợc về ATMEGA 16

2.2.1 Tổng quan về ATMEGA 16

AVR là một họ vi điều khiển do hãng Atmel sản xuất ( Atmel cũng là nhà sản xuất dòng vi điều khiển 89C51 mà có thể bạn đã từng nghe đến ) AVR là chip vi điều khiển 8 bits với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa RISC ( Reduced Instruction Set Computer ), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí

Hình 2.2 Sơ đồ chân atmega16 Lõi AVR kết hợp những tập lệnh với 32 thanh ghi làm việc với mục đích chung

Cả 32 thanh ghi đều được kết nối trực tiếp đến ALU Cho phép truy suất 2 thanh ghi làm việc độc lập với chu kỳ máy Với kiến trúc RISC này cho phép CPU làm việc nhanh gấp 10 lần kiến trúc CISC

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc bên trong AVR AVR là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó mạnh ngang hàng với họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ

8051 89xx sẽ có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi

- Tính năng mới của họ AVR:

- Giao diện SPI đồng bộ

- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được

- Giao tiếp I2C

- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by

- Giao tiếp USART v v

Atmega16 có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển Tính năng:

- Bộ nhớ 32K ( flash ), 1024 byte (EEPROM), 2K (SRAM)

- Đóng vỏ 40 chân, trong đó có 32 chân vào ra dữ liệu chia làm 4 PORT

A, B, C, D Các chân này đều có chế độ pull_up resistors

- Giao tiếp SPI - Giao diện I2C - Có 8 kênh ADC 10 bit

- 1 bộ so sánh analog - 4 kênh PWM

- 2 bộ timer/counter 8 bit, 1 bộ timer/counter1 16 bit

- 1 bộ định thời Watchdog

- 1 bộ truyền dẫn nhận UART lập trình được

2.2.2 Mô tả chân linh kiện

VCC & GND chân cấp nguồn cho VĐK

PORTA (PA7 PA0)

Được dành riêng cho ngõ vào analog của bộ chuyển đổi ADC Ngoài ra PORTA còn được sử dụng như 1 PORT vào ra 2 hướng nếu bộ chuyển đổi ADC không sử dụng Mỗi chân của PORTA được cấp điện trở kéo bên trong Bộ đệm ngõ ra của PORTA được điều khiển cho cả 2 khả năng, sink dòng và soure dòng Khi PORTA sử dụng ngõ vào, chúng sẽ Soure dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực

PORTB (PB7 PB0)

PORTB được sử dụng như 1 PORT vào ra 2 hướng với điện trở kéo lên bên trong Mỗi chân của PORTB được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Bộ đệm đầu ra

của PORTB được điều khiển cho cả 2 khả năng Sink dòng và Soure dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực Ngoài ra, PORTB còn có các chân để load chương trình từ máy tính xuống

PORTC (PC7 PC0)

PORTC được sử dụng như 1 PORT vào ra 2 hướng với điện trở kéo lên bên trong Mỗi chân của PORTC được cung cấp điện trở lên bên trong Bộ đệm đầu ra của PORTC được điều khiển cho cả 2 khả năng sink dòng và soure dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực

PORTD (PD7 PD0)

PORTD được dùng như 1 PORT vào ra 2 hướng với điện trở kéo lên bên trong Mỗi chân của PORTD được cung cấp điện trở kéo lên bên trong Bộ đệm ngõ ra của PORTD được điều khiển cho cả 2 khả năng, sink dòng và source dòng Khi PORTD sử dụng như ngõ vào, chúng sẽ source dòng nếu điện trở kéo lên bên trong tích cực RESET

Ngõ vào Reset Nếu mức Low đặt chân này dài hơn độ rộng xung tối thiểu sẽ reset AVR Cho dù không có xung clock

- XTAL1 & XTAL2 ngõ vào ra của bộ dao động thạch anh

- AVCC là chân cấp nguồn cho VĐK hoạt động

2.2.3 USART trong ATMEGA16

Bộ USART của vi điều khiển ATMEGA16 có thể hoạt động như một bộ truyền nhận song công, có nghĩa là hoạt động truyền và nhận có thể tiến hành đồng thời (nó chứ các thanh ghi truyền, nhận riêng lẻ)

Hình 2.4 Sơ đồ khối USART

- Bộ phát tốc độ baud có thể tạo ra một số lớn tốc độ baud

- Bộ nâng cao tốc độ baud tại tần số thạch anh thấp

- Mỗi khung dữ liệu có thể có 5, 6, 7, 8 hoặc 9 bit dữ liệu và 1 hoặc 2 bit stop

- Hỗ trợ bộ kiểm tra bit chẵn lẻ parity bằng phần cứng

- Phát hiện trạng thái Overrun

- Phát hiện khung truyền bị lỗi

- Lọc nhiễu, phát hiện lỗi bit start

- Cho phép ba ngắt riêng biệt là TX Complete, TX Data Register Empty,

RX Complete

- Trong truyền nhận bất đồng bộ hỗ trợ chức năng nhân đôi tốc độ

2.3 Sơ lƣợc về PT2262

PT2262 của hãng Priceton Technology được phát triển và ra đời sau dòng mã hóa

12 E/D của hãng Holtek Sản phẩm này có 2 dòng chính là loại có 8 địa chỉ mã hóa, 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6 địa chỉ mã hóa, 6 địa chỉ dữ liệu

Hình 2.5 PT2262 Tại Việt Nam sản phẩm chủ yếu là 8 địa chỉ mã hóa và 4 địa chỉ dữ liệu Khung

mã hóa 12 bit theo dạng: A0A1A2A3A4A5A6A7D0D1D2D3, PT2262 có 3^12 mã không trùng lặp hơn hẳn những tính năng của HT12E ra đời trước nó chỉ có khả năng

Cách mã hóa được làm bằng cách nối các chân " mã hóa địa chỉ " lên dương nguồn (mã hóa + ) bằng điện trở kéo lên hoặc kéo xuống âm nguồn (mã hóa) bằng cách nối xuống GND hoặc để trống chân mã hóa (mã hóa 0) 4 địa chỉ dữ liệu D0D1D2D3 để tránh nhiễu khi truyền tốt nhất ta nên mã hóa (+) hoặc mã hóa (-) Do

đó ta có thể truyền một lúc song song 4 bit dữ liệu 0 (hoặc 1) lên một khung gồm: 12 bit trong đó 8 bit đầu là bit mã hóa địa chỉ và 4 bit sau là 4 bit dữ liệu Tín hiệu encoder được đưa ra chân 17 của PT2262, chân này có mức 1 khi PT2262 nghỉ làm việc và có mức 0 khi nó hoạt động

Hình 2.6 Sơ đồ chân PT2262 Một khung truyền dữ liệu bao gồm các thành phần tín hiệu sau:

Dạng sóng của các bit địa chỉ và dữ liệu

Hình 2.7 Khung dữ liệu của PT2262 Tín hiệu đầu ra gồm: sóng mang dao động có tần số vào khoảng 700Khz + địa chỉ mã hóa + dữ liệu truyền Tần số sóng mang được quyết định bởi điện trở nối trên chân 15 và 16: f=R/12

Dựa vào tần số PT2262 ta có thể làm mạch phát và nhận hồng ngoại Điên áp làm việc trong diện rộng từ: 2,5V - 15V nhưng theo thực nghiệm tốt nhất ta dùng ở khoảng 9V - 12V

Hình 2.8 Sơ đồ khối PT2262 Mạch được thiết kế cho Remote điều khiển và giao tiếp máy tính Việc mã hóa kênh truyền được thực thi bằng chưng trình trong vi điều khiển, tương ứng với các trạng thái hoạt động Robot

Dữ liệu 4 bit song song từ AVR sẽ được đưa vào các chân dữ liệu từ D0 đến D3 của PT2262 và chân TE sẽ được đưa vào chân TE của PT2262 để cho phép PT2262

mã hóa Tín hiệu từ Dout của PT2262 sẽ đưa vào ngõ DATA IN của module phát RF

Control logic

Code generation

OSC

OSC1 OSC2

Bên phát dữ liệu được chuyển từ kênh nào thì tương tự bên thu cũng thu được tín hiệu tương ứng trên kênh đó Ví dụ: khung phát là 12 bit: 101010101001 nghĩa là các chân địa chỉ mã hóa là: 10101010 còn dữ liệu truyền đi se là 1001, tương ứng bên thu nhân được từ chân D0D1D2D3 là 1001 nếu chân địa chỉ tương tự là 10101010 Trên chân 15 và 16 gắn thêm điện trở dao động cho mạch Trong mạch này gắn điện trở có giá trị 470K

Hình 2.9 PT2272 Tại đầu ra dữ liệu nhận được cho ta mức điện áp vào khoảng 3,75 - 3,9V nếu dữ liệu nhận được là mức 1

Khi kênh không được truyền hoặc dữ liệu truyền là 0 nó ở mức 0V Nếu ta lấy nay mức tín hiệu đó về vi điều khiển xử lý sẽ nhận toàn là mức 0, thỉnh thoảng nhận được mức 1 do dao động trên đầu vào của chân vi điều khiển Điều đó sẽ làm sai lệch tín hiệu truyền đi

Để xử lý công đoạn này tiếp tục đưa vào bộ cách ly quang điện OP PC817 để đưa

ra mức 1 với chuẩn điện áp 5V mà vi điều khiển nhận diện được

Nhưng như thế khi kênh được truyền với giá trị 0 sẽ như thế nào? Lúc này bộ quang điện không làm việc, tại vị trí đầu vào của vi điều khiển lúc này có mức trở kháng cao, hoặc sẽ có mức 0, hoặc sẽ có mức 1 do chương trình quy định Điều đó gây khó khăn cho quá trính nhận đầu vào

Do đó để đỡ phức tạp cho thuật toán xử lý ta tiếp tục cho qua một bộ so sánh LM324 giống như cảm biến nhưng mức ưu tiên đầu ra xử lý là mức 1 tương ứng chỉ

Ta cũng lấy đầu ra của bộ so sánh LM324 về PORTA của vi điều khiển để xử lý tín hiệu truyền tương ứng với thao tác đầu ra trực quan của Robot Từ duy nhất một IC PT2262 với sự khác nhau ở "địa chỉ mã hóa" ta có thể mở rộng tới 3^8 IC thu PT2272

mà không nhầm lẫn kênh truyền đầu ra Tương ứng ta có 3^8x4 dữ liệu được giải mã

Hình 2.10 Sơ đồ chân PT2272 Việc tổ hợp các trạng thái dữ liệu ra cho phép ta xử lí gọn kênh truyền, từ 4 bit

dữ liệu ta có đến 2^4 = 16 kênh ra, tuy nhiên cần chú ý về truyền song song

Trên lý thuyết ta có thể truyền song song 4 bit dữ liệu ra cùng lúc nhưng do tính chất đường truyền là không gian nên ảnh hưởng của nhiễu làm đầu thu không được như mong muốn Để xử lí vấn đề này trong chương trình ta cần đọc đi đọc lại nhiều lần tín hiệu đầu vào đó rồi mới đưa ra tình huống xử lí

2.5 Sơ lƣợc về USB to UART

Là bộ đệm giao tiếp giữa máy tính và VDK Được thiết kế cả cổng in và out, ổn định, trong khoảng cách tương đối

Chip PL2303 thường được sử dụng để chuyển đổi từ USB 2.0 sang UART