Điều khiển robot từ xa qua sóng RF và sử dụng cảm biến siêu âm tránh vật cản

Giới thiệu chung về đề tài Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin,ngành Kỹ thuật điều khiển, tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới.. Tự đ

BÁO CÁO

Đề bài: Điều khiển robot từ xa qua sóng RF và sử dụng

cảm biến siêu âm tránh vật cản

PHỤ LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1. Giới thiệu chung về đề tài

Cùng với sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin,ngành Kỹ thuật điều khiển, tự động hóa đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới

Tự động hóa, điều khiển không những làm giảm nhẹ sức lao động của con người

mà còn góp phần rất lớn trong việc nâng cao năng suất lao động, cải thiện chấtlượng sản phẩm chính vì thế tự động hóa ngày càng khẳng định được vị trí cũngnhư vai trò của mình trong các ngành công nghiệp và đang được phổ biến rộng rãitrong các hệ thống công nghiệp nói chung và việt nam nói riêng

Không chỉ dừng lại ở đó, sự phát triển của tự động hóa còn đem lại nhiềutiện ích phục vụ đời sống hàng ngày cho con người Để phục vụ tốt hơn nữa đờisống con người trong thời điểm xã hội ngày càng hiện đại và phát triển hiện nay.Thay thế dần con người làm việc ở những nơi nguy hiểm, độc hại những nơi màcon người không thể tới được

Vấn đề đặt ra trước tiên khi xây dựng một hệ thống tự động hóa, điều khiểnkhông còn là nên hay không nên, mà là lựa chọn hệ thống điều khiển, mạngtruyền thông nào để điều khiển và giám sát cho phù hợp với yêu cầu và nhiệm vụthực tế

Do đó em chọn đề tài “Điều khiển ô tô có chức năng đi thẳng, rẽ trái, phải,truyền nhận dữ liệu bằng sóng RF, sử dụng kit CPLD”

Khả năng ứng dụng của đề tài không chỉ dừng lại ở việc điều khiển mộtmột oto từ xa mà trong tương lai có thể điều khiển các thiết bị chuyển động từ xa:Robot tự hành, các robot nạo vét cống rãnh, robot tham hiểm, dò phá bom mìn,điều khiển và giám sát các đèn tín hiệu giao thông từ xa điều khiển các thiết bị ởnhững nơi mà con người không thể trực tiếp tới được, các thiết bị chữa cháy từ xa,điều khiển các thiết bị ở những môi trường hóa chất độc hại, các thiết bị đóng cắt

từ xa trong các trạm biến áp trong nhà máy điện

1.2. Các vấn đề đặt ra

Đề tài “Điều khiển ô tô có chức năng đi thẳng, rẽ trái, phải, truyền nhận dữliệu bằng sóng RF, sử dụng kit CPLD” là một đề tài khó, nó đòi hỏi kiến thức tổnghợp ở nhiều lĩnh vực như: cơ khí thiết kế, xử lý tín hiệu số, mạch điện tử, điềukhiển, truyền thông không dây, lập trình điều khiển

Các vấn đề chính của đề tài:

- Tìm hiểu mạch nguyên lý, kit CPLD

- Tính toàn thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí

- Tính toán thiết kế mạch điều khiển

- Đánh giá chất lượng của mô hình

CHƯƠNG II: SƠ ĐỒ KHỐI 2.1 Mô hình điều khiển

Khốinguồn

Khối

RF, tay cầm

Kit CPLD, khối RF

Độngcơ

Khối đo

cầu H

Xilinx còn cung cấp các phần mềm hỗ trợ lập trình FPGA, CPLD như ISE,EDK, LogicCore, System Generator Các công cụ này hỗ trợ rất nhiều cho quátrình lập trình CPLD, FPGA giúp giảm thời gian và công sức thiết kế Các phiênbản phần mềm trên được nâng cấp thường xuyên.

2.2.2. Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL

VHDL là ngô ngữ mô tả phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ rất cao, làmột loại ngôn ngữ mô tả phần cứng được phát triển dùng cho chương trìnhVHSIC( Very High Speed Intergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ

Mục tiêu của việc phất triển VHDL là có được một ngôn ngữ mô tả phầncứng tiêu chuẩn và thông nhất cho phép thử nghiệm các hệ thống nhanh hơn cũngnhư cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế.

Ngôn ngữ VHDL được ba công ty Intermetics, IBM và Texas Instrucmetsbắt đầu nghiên cứu và phát triển vào tháng 7 năm 1983 Phiên bản đầu tiên đượccông bố vào tháng 8 năm 1985 Sau đó VHDL được đề xuất để tổ chức IEEE xemxét thành một tiêu chuẩn chung Năm 1987 đã đưa ra tiêu chuẩn về VHDL( tiêuchuẩn IEEE-1076 1987)

VHDL được phát triển để giả quyết các khó khan trong việc phát triển, thayđổi và lập tài liệ cho hệ thông số.VHDL là một ngôn ngữ độc lập không gắn vớibất kỳ một phương pháp thiết kế, một bộ mô tả hay công nghệ phần cứng nào.Người thiết kế có thể tự lựa chọn công nghệ, phương pháp thiết kế trong khi chỉ

sử dụng một ngôn ngữ duy nhất Và khi đem so sánh với các ngô ngữ mô tả phầncứng khác ta thấy VHDL có một số ưu điểm hơn hẳn là:

- Thứ nhất là tính công cộng:

VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay làmột tiêu chuẩn của IEEE VHDL được sự hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bịcũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thông

- Thứ hai là khả năng được hỗ trợ bởi nhiều công nghệ và nhiều phương pháp thiết kế:

VHDL cho phép thiết kế bằng nhiền phương pháp ví dụ phương pháp thiết

kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện có sẵn VHDL cũng hỗ trợcho nhiều loại công cụ xây dựng mạch như sử dụng công nghệ đồng bộ hay khôngđồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng ngẫu nhiên

- Thứ ba là tính độc lập với công nghệ:

VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng Một mô tả hệthống dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng

hợp mạch khác nhau tùy thuộc công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thểđược áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế.

- Thứ tư là khả năng mô tả mở rộng:

VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số chođến mức cổng VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mứcnhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức Như vậy ta cóthể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả chi tiết

- Thứ năm là khả năng trao đổi kết quả:

Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL cóthể chạy trên mọi bộ mô tả đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL Các kết quả mô tả hệthông có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công nghệ thiết kế khácnhau nhưng cùng tuân theo tiêu chuẩn VHDL

- Thứ sáu là khả năng hỡ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế:

VHDL được phát triển như một ngôn ngữ lập trình bậc cao, vì vậy nó thểđược sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiềungười Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quả lý, thửnghiệm và chia sẻ thiết kế Và nó cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn

2.2.3 Kit CoolRunner II XC2C256 TQ-144

CoolRunner II là thiết bị được thết kế cho việc hoạt động với hiệu suất cao

và sử dụng năng lượng thấp Điều này cho phép tiết kiệm năng lượng khi truyềnthông tốc độ cao với các thiết bị hoạt động bằng pin Do sử dụng điện năng thấp

và năng động nên độ tin cậy của hệ thống được cải thiện

Thiết bị này bao gồm 16 khối chức năng được liên kết với nhau thông qua

ma trận điện kết nối trong nâng cao Ma trận điện kết nối trong là nguồn cung cấp

dữ liệu 40 đầu vào và bổ sung cho mỗi khối chức năng Mỗi khối chức năng baogồm 40 đầu vào và 16 macrocells chứa các bit cấu hình cho phép tổ hợp hoặc thiết

lập phương thức hoạt động Ngoài ra chúng ta có thể thiết lập hoặc cài đặt trước

và cấu hình như là một flip flop D hoặc T

CoolRunner II được phát triển và hoàn thành trên nền tảng USB-powered.Bảng mạch này bao gồm hiệu quả năng lượng cao, tiết kiệm năng lượng, khả lậptrình và hỗ trợ một số thiết bị vào ra chung Ngoài ra nó cũng có 5 kết nối mởrộng cho phép kết nối với 64 CPLD sẵn có ở bên ngoài

Tính năng bao gồm:

- CoolRunner II TQ-144 bao gồm 256 macrocells

- Một cổng USB2 để lập trình JTAG và truyền dữ liệu

- Tần số cố định 8MHz và một ổ cắm cho tần số ngoại

- Mở rộng kết nối với 64 tín hiệu vào ra

- Một dây DS28E01Q EEPROM

CoolRunner II phải được nạp cấu hình (hay chương trình) của người dùngtrước khi nó có thể thực hiện bất kỳ chức năng nào Tập tin có thể được tao ra từ

sơ đồ hoặc tập tin từ mã nguồn HDL bằng cách sử dụng ISE miễn phí Webpackphần mền từ Xilinx Các file chương trình có thể được chuyển cho bảng mạchbằng cách sử dụng một cáp USB và phần mền của Xilinx Sau khi nạp chươngtrình, CPLD giữ lại trạng thái của nó vô thời hạn

Nguồn cung cấp cho CoolRunner II:

CoolRunner II có thể được cấp nguồn từ cổng USB tách rời của nó hoặc từmột nguồn cung cấp bên ngoài gắn vào kết nối JP3, JP2 chọn xem bảng mạch sửdụng nguồn USB hoặc nguồn điện bên ngoài Nguồi điện bên ngoài, từ bất kỳnguồn nào được định tuyến thông qua một điều chế cơ bản LT3028 để tạo ra 2nguồn cung cấp điện áp 3.3V cho I/O và 1.8V cho lõi theo yêu cầu của CPLD

CoolRunner II cung cấp 2 nút bấm và 2 thiết bị chuyển mạch trượt đầu vào,

4 đèn led xanh và 4 led 7 đoạn hiển thị kết quả đầu ra Các nút bấm hoạt độngthấp, các đèn led hoạt động cao và led 7 đoạn sử dụng tách riêng chung anode

Hình 2.2: Sử dụng I/O

CoolRunner II cung cấp 4 mô đun mỗi mô đun gồm 12- pin kết nối thiết bịngoại vi Mỗi kết nối cung cấp 1 VDD và 1 GND Ngoài ra nó cũng cung cấp 1kết nối mở rộng 40-pin bao gồm 3 nguồn tín hiệu và 37 chân I/O cho tín hiệu

2.3 Khối RF

2.3.1 Tổng quan về sóng RF

Trong một phiên truyền thông, vì tận cùng bản chất của dữ liệu bao gồmcác bit 0 và 1, bên phát dữ liệu cần có một cách thức để gửi cá bit 0 và 1 để gửi

co bên nhận Một tín hiệu xoay chiều hay một chiều tự nó sẽ không thực hiện tác

vụ này Tuy nhiên nếu một tín hiệu có thay đổi và có dao động, dù chỉ một ít, sựthay đổi này sẽ giúp phân biệt bit 0 và bit 1 Lúc đó, dữ liệu cần truyền sẽ có thểgửi và nhận dữ liệu thành công dựa vào sự thay đổi của tín hiệu Dạng tín hiệuđiều chế còn gọi là sóng mang Có ba thành phần của dạng sóng có thể tạo rasóng mang, đó là biên độ, tần số, và pha Tất cả các dạng truyền thông dùng sóng

vô tuyến đều dùng vài dạng điều chế để truyền dữ liệu Để mã hóa dữ liệu vàotrong một tín hiệu qua sóng AM/FM, điện thoại di động, truyền hình vệ tinh, taphải thực hiện một vài kiểu điều chế trong sóng vô tuyến đang truyền

a. Biên độ và bước sóng

Truyền thông vô tuyến bắt đầu khi các sóng vô tuyến được tạo ra từ mộtmáy phát và gửi đến máy nhận ở một vị trí khác Sóng vô tuyến tương tự như cáccơn sóng mà bạn hay gặp ở biển, hồ, sông, suối Sóng có hai thành phần chính:biên độ và bước sóng Biên độ là chiều cao, độ mạnh hoặc công suất của sóngBước sóng là khoảng cách giữa hai điểm tương tự trên hai đỉnh sóng liên tiếp.Biên độ và tần số cả hai đều là các thuộc tính của sóng

b. Pha

Pha là một thuật ngữ mang tính tương đối Nó chỉ ra mối quan hệ giữa haisóng có cùng tần số Để xác định pha, bước sóng được chia thành 360 phần, đượcgọi là độ

c. Mã hóa bit

Mã hóa bit là quá trình chuyển đổi dãy bit (1- 0) sang một tín hiệu thíchhợp để có thể truyền dẫn trong môi trường vật lý Việc chuyển đổi này chính là sửdụng một tham số thông tin thích hợp để mã hóa dãy bit cần truyền tải Các tham

số thông tin có thể được chứa đựng trong biên độ, tần số, pha hoặc sườn xung,v.v Sự thích hợp ở đây phải được đánh giá dựa theo các yêu cầu kỹ thuật nhưkhả năng chống nhiểu cũng như gây nhiểu, khả năng đồng bộ hóa và triệt tiêudòng một chiều

Việc tạo mã để có tín hiệu trên các hệ thống số có thể thực hiện một cáchđơn giản là gán một giá trị điện thế cho một trạng thái logic và một giá trị kháccho mức logic còn lại Tuy nhiên để sử dụng mã một cách có hiệu quả, việc tạo

mã phải dựa vào một số tính chất sau.(Phổ tần của tín hiệu, sự đồng bộ, khả năng

dò sai, tính miễn nhiễu và giao thoa, mức độ phức tạp và giá thành của hệ thống)

Dưới đây giới thiệu một số dạng mã thông dụng và được sử dụng cho cácmục đích khác nhau tùy vào các yêu cầu cụ thể về các tính chất nói trên hình 2.2

Tần số tín hiệu: 433.92Mhz.

Tầm phát và thu: khoảng 100m – 200m

Bên phát gồm modul phát tín hiệu RF, 4 nút nhấn, sử dụng chipAtmega16L để xử lý tín hiệu và sử dụng truyền thông nối tiếp UART Khi 1 nútđược nhấn thông qua Atmega16L xử lý rồi truyền UART đến DRF7020D13 đểphát RF

Bên thu gồm module thu tín hiệu RF, cũng sử dụng chip Atmega16L để xử

lý tín hiệu nhận được từ module RF thông qua truyền thông nối tiếp UART

a. Module DRF7020D13

DRF7020D13 là module được thiết kế cho các truyền thông trong không.Tính năng bao gồm đều chế và giải điều chế, hoạt động đa kênh, sử dụng băngthông hiệu quả và chống nhiễu hiệu quả làm cho nó trở thành một module truyềnthông không dây mạnh mẽ và đấng tin cậy

Module có thể được cài đặt để làm việc trong các kênh khác nhau với 200k

Hz không gian Công nghệ mã hóa đổi mới EDAC ( phát hiện và sửa lỗi) được sửdụng để đảm bảo thông tin lien lạc đáng tin cậy Bởi độ tin cậy cao module có thểlọc lỗi và giải thông tin tự động

DRF7020D13 tích hợp 256 byte bộ đệm, khi bộ đệm trống người dùng cóthể chuyển thành 256 byte dữ liệu trong một thời gian Module cung cấp tiêuchuẩn UART/ TTL để lựa chọn DRF7020D13 hoạt động tại điện áp 3.3V – 5.5Vvới độ nhạy lên tới 118dBm Nó có thể gửi bất kỳ kích thước của gói dữ liệu vàngười dùng không cần phải thực hiện bất kỳ cài đặt hay lập trình phức tạp nào.Khi kết hợp với bảng mạch chuyển đổi, module DRF7020D13 có thể chuyển sangmodule giao diện RS232 và giao tiếp với máy tính hoặc thiết bị RS232 một cách

dễ dàng

b. Atmega16L

Atmega16L là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựatrên kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computer) Với công nghệ này chophế các lệnh thực thi chỉ trong một chu kỳ xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu

có thể đạt đến một triệu lệnh trên giây ở tần số 1MHz Vi điều khiển này cho phépngười thiết kế có thể tối ưu hóa chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ

xử lý

Atmega16L có tập lệnh phong phú về số lượng vwois 32 thanh ghi làmviệc đa năng Toàn bộ 32 thang ghi đều được nối trực tiếp với ALU ( ArithmeticLogic Unit) cho phép truy cập 2 thanh ghi độc lập trong một chu kỳ xung nhịp

Khi làm việc với Atmega16L có rất nhiều phần mềm được dùng lập trìnhbằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio củaAteml, trình dịch C như CodeVisionAVR,…

Các tính năng của Atmega16L:

- Hiệu suất cao ( high performance), là loại vi điều khiển AVR 8 bit côngsuất thấp

- Cấu trúc lệnh đơn giản

o 130 được thực thi trong vòng một chu kỳ xung nhịp

o 32 thanh ghi công dụng chung 8 bit

o Đầy đủ các xử lý tĩnh

- Bộ nhớ chương trình và dữ liệu không bay hơi(nonvolatile)

o 16k byte trong hệ thông flash khả trình có thể nạp và xóa 1,000lần

o Tùy chọn khởi động phần mã với các bit nhìn độc lập trong hệthông bằng cách vào chương trình khởi động chip

o 512 byte EEPROM có thể xóa và ghi 100,000 lần

o 1 byte RAM nhớ tĩnh (SRAM)

o 4 kênh băm xung PWM

o 8 kênh ADC 10 bit

o Byte định hướng 2 đường giao tiếp nối tiếp.

o Giao tiếp USART nối tiếp khả trình

o Giao tiếp SPI

o Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự

- Giao tiếp JTAG

- Vào ra các gói dữ liệu

- Chân 9: RESET để đưa chip về trạng thái ban đầu

- Chân 10: VCC cấp nguồn cho vi điều khiển

- Chân 11, 31: GND

- Chân 12, 13: 2 chân XTAL2 và XTAL1 dùng để đưa xung nhịp từ bênngoài vào chip.

- Chân 14 – 21: Cổng nhập xuất dữ liệu song song D (PORTD) nó có thểđược sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

- Chân 22 – 29: Cổng nhập xuất dữ liệu song song C (PORTC) nó có thểđược sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

- Chân 30: AVCC cấp điện áp so sánh cho bộ ADC

- Chân 32: AREF điện áp so sánh tín hiệu vào ADC

- Chân 33 – 40: Cổng nhập xuất dữ liệu song song A (PORTA) nó có thểđược sử dụng các chức năng đặc biệt thay vì nhập xuất dữ liệu

c. Truyền thông nối tiếp không đồng bộ USART

Vi điều kiển Atmega16L có 1 module truyền thông nối tiếp USART Vớichế độ truyền nối tiếp không đồng bộ, chúng ta sử dụng 2 chân của Atmega16L đểphục vụ cho truyền nhận dữ liệu: chân truyền dữ liệu TxD ( Transmitted Data) vàchân nhận dữ liệu RxD ( Reveived Data)