Robot điều khiển từ xa bằng sóng radio (RF)

Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh ĐỀ CƯƠNG SƠ BỘ Lời mở đầu Chương 1: Tổng quan công nghệ 1.1 Tổng quan về Robot 1.2 Giới thiệu về công nghệ thu phát RF 1.3 Họ vi điều khiển 8051 Chương 2: Xây dựng mạch phần cứng 2.1 Phương án thiết kế Robot 2.2 Sơ đồ khối mạch Robot 2.3 Các sơ đồ mạch nguyên lý 2.3.1 Mạch nguồn 2.3.2 Mạch vi điều khiển 2.3.3 Mạch công suất điều khiển động cơ 2.3.4 Mạch thu phát RF Chương 3: Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển cho Robot 3.1. Lưu đồ thuật toán 3.2. Viết chương trình điều khiển cho Robot Kết luận Tài liệu tham khảo Giáo viên hướng dẫn Sinh viên SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 1 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh LỜI NÓI ĐẦU  Quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ. Những ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa do vậy ngày càng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong mọi ngành sản xuất. Trong đó, Robot là một thành tựu đã xuất hiện từ rất sớm và đang có những thay đổi mạnh mẽ, thông minh hơn, linh hoạt hơn, chính xác hơn. Điều khiển Robot từ xa cũng là một lĩnh vực có nhiều ứng dụng trong thực tế. Sau khi nhận được đề tài bài tập lớn môn vi xử lý: “Robot điều khiển từ xa bằng sóng radio (RF)”. Em đã cố gắng tìm tòi và nỗ lực hoàn thiện bài tập, nhưng hẳn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy, kính mong thầy giáo góp ý và chỉ bảo thêm, giúp em bổ sung và nắm vững hơn vốn kiến thức của mình. Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Tuấn Anh, đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, hỗ trợ, tạo mọi điều kiện để em hoàn thành Bài tập lớn này . Sinh viên thực hiện ĐỖ KHẮC HUY SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 2 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh CHƯƠNG I: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 1.1 Tổng quan về robot: Một bước di chuyển ngắn của robot đồng nghĩa với một bước phát triển lớn về tri thức của nhân loại. Sáng tạo ra robot là niềm vinh hạnh của con người. Quần thể robot hiện nay khá phong phú, chúng thực hiện được rất nhiều chức năng: từ thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡ người khuyết tật, cho đến vận chuyển đồ vật và tham vui chơi cùng với trẻ em. Các nhà nghiên cứu châu Âu và Mỹ đã phóng nhiều robot lên sao Hoả, nhằm khám phá, thăm dò và chinh phục Hành tinh này. Lĩnh vực nữa mà robot phát huy tác dụng tích cực là hỗ trợ thầy thuốc khám, chẩn đoán và phát hiện bệnh. Robot còn hỗ trợ người khuyết tật thực hiện các thao tác hàng ngày, mà họ không làm được.Nhóm robot khác có hệ thống máy móc tạo khả năng tự hành cao hơn, giống "người" hơn: ví dụ như ô-tô tự điều khiển (không cần sự hỗ trợ của người); robot thích ứng thăm dò biển thế hệ thứ ba - loại robot này đi được gần giống người. Nhóm robot này hoạt động ở những địa điểm nguy hiểm nhất mà con người không thâm nhập được, như trong nhà máy điện hạt nhân hay trong núi lửa. Hiện nay, việc nghiên cứu kỹ thuật robot còn đang ở giai đoạn đầu, nhưng đã có những ứng dụng ban đầu rất thành công. Có thể khẳng định, đây là lĩnh vực công nghệ rất có triển vọng. Robot điển hình trong công nghiệp được hình dung như cỗ máy thực hiện các tác vụ khó khăn, nguy hiểm hay thậm chí rất đần độn nữa. Chúng nhấc những vật nặng, xách các thùng sơn hay hóa chất độc hại, hay làm công việc lắp ráp khác trong hàng giờ liền, ngày qua ngày với một độ chính xác không thay đổi. Chúng không bao giờ mệt mỏi nên chúng không phạm các sai lầm do mệt mỏi đem lại. Chính vì thế, robot rất lý tưởng cho công việc kiểu lặp đi lặp lại. Theo cấu trúc cơ khí, robot có thể được phân chia thành các loại chính như sau: SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 3 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Cartesian robot/ Gantry robot Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị trí khác. Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máy công cụ hoặc hàn theo hình cung. Đối với loại robot này, cánh tay được tạo thành từ 3 khớp trượt mà trục của chúng trùng với hệ trục tọa độ Đê-các-tơ. Cylindrical robot: Sử dụng trong công nghệ lắp ráp, cầm nắm các máy công cụ, hàn điểm. Loại robot này, trục có dạng hệ tọa độ trụ SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 4 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Spherical/Polarrobot: Được sử dụng để cầm nắm các dụng cụ, hàn điểm, đánh bong, hàn hơi hoặc hàn theo cung. Trục của robot tạo thành hệ tọa độ cầu. SCARA robot: Được sử dụng để gắp nhả vật, đóng gói, lắp ráp hay cầm nắm máy công cụ. SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 5 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặt phẳng. Articulated robot: Sử dụng để lắp ráp, đánh bóng, hàn hơi, hàn theo cung, sơn phun. Loại robot này có tối thiểu 3 khớp xoay Parallel robot SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 6 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Thường được ứng dụng để tạo ra khung đế xoay tự do trong mô phỏng bay. Loại robot này có các khớp trượt và xoay đồng thời 1.2 Giới thiệu về công nghệ thu phát Radio (RF): 1.2.1. Đôi nét về truyền tin không dây: Truyền tin không dây là cách thức truyền tải tin tức, dữ liệu thông qua hệ thống không dây như hồng ngoại, sóng điện từ , sóng radio,… Đối với truyền dữ liệu số thông thường người ta phải mã hoá tín hiệu truyền . Các tín hiệu số 0 hoặc 1 được đưa vào bộ truyền phát, nếu bộ phát là máy điều chế ASK đơn giản thì mức 1 tương ứng là máy sẽ phát ra sóng điện từ, mức 0 tương đương là máy không phát ra sóng điện từ . Dựa vào tín hiệu on / off này mà máy thu sẽ đưa ra một mức logic tương ứng với mạch phát. Tuy nhiên do kĩ thuật và công nghệ chế tạo hay điển hình một số kiểu mạch không thể đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của việc truyền dữ liệu. Ví dụ truyền tốc độ cao ( máy thu không kịp giải điều chế, băng thông của máy thu quá nhỏ , truyền bit với khoảng thời gian quá dài …v.v ) Bởi rất nhiều yếu tố nên trong truyền thông có rất nhiều kiểu để khắc phục khi truyền thông tin, đặc biệt trong RF. SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 7 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh 1.2.2. Mã hóa dữ liệu Khi ta bật máy phát tức thì, máy thu chưa chắc đã giải điều chế tức thì ngay được mà sau đó một khoảng thời gian (phụ thuộc vào công nghệ máy thu) thì mới có tín hiệu được đưa ra. Đây có thể hiểu như trễ đường truyền. Bởi thế trước khi phát 1 chuỗi dữ liệu người ta thường làm một khâu quan trọng là phát một vài bit gọi là “chuẩn bị”. Việc phát này sẽ làm cho máy thu nhận được đầy đủ các bit được phát loại trừ trường hợp bỏ sót bit đầu tiên do máy thu không kịp giải điều chế nếu như ta không có sự “phát chuẩn bị này”. Dữ liệu được đưa vào máy phát là dạng nối tiếp. Trong truyền thông số, các bit 0 hoặc 1 sẽ được đưa vào đầu dữ liệu phát và máy thu có nhiệm vụ giải điều chế, hoàn lại dạng của tín hiệu này. Tốc độ baud: tốc độ thu phát hay mã hoá dữ liệu rất quan trọng bởi vì không phải bộ thu phát nào cũng có khả năng đáp ứng tốc độ cao . Việc mã hoá được coi rất quan trọng trong điều khiển, nó nâng cao độ bảo mật , không bị nhiễu do môi trường xung quanh . Trên không trung có rất nhiều sóng điện từ tồn tại, tác động vào máy thu (gọi là nhiễu), việc mã hoá / giải mã để đưa ra được tín hiệu truyền đi, thu về đạt độ chính xác cao. Loại trừ các tác động sai do môi trường bị nhiễu tác động vào máy thu. Phương pháp mã hoá: Đối với điều khiển hoặc những IC có khả năng lập trình ta có thể hình dung dễ dàng hơn về mã hoá. Ví như quy định nếu máy thu thu được 8 bit 10101011 trong khoảng thời gian 500us (micrô giây) thì ra lệnh cho đèn bật lên. Bây giờ muốn bật đèn sáng, ta chỉ việc đưa 1 chuỗi bit 10101011 với độ trễ thời gian các bit tương ứng vào máy phát, tức thì đèn được bật lên . Nói đến đây ta có thể hiểu mã hoá / giải mã là những cái ta quy định, ngầm định, đặt ra để làm một mục đích nào đó có tính chất bảo mật, mà chỉ ta và hệ thống của ta mới hiểu được. SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 8 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Việc mã hoá truyền dữ liệu cũng như mã hoá điều khiển vậy, ta có thể làm bằng nhiều cách sử dụng các IC mã hoá / giải mã cứng, lập trình bằng IC vi điều khiển, mã hoá trực tiếp với PC…. Có rất nhiều chuẩn mã hoá, mỗi cái có một ưu nhược điểm khác nhau, tuỳ vào những ứng dụng cụ thể để sử dụng. Các loại mã hoá / giải mã như: PWM, RC5, Manchester, on/off, PCM …. Mỗi mã hoá có đặc điểm riêng, có rất nhiều chuẩn về mã hoá, giải mã, ở đây chỉ lấy đơn cử một mã hoá đơn giản để giải thích : Mã hoá ManChester là một mã hoá đơn giản. Với những bit phát là 0 thì mã hoá này sẽ được mã hoá là 01 hoặc cũng có thể là 10 (tuỳ ta đặt). Với bit =1 sẽ được mã hoá thành 10 (hoặc cũng có thể là 01 tuỳ ta đặt) . Bây giờ ta muốn phát 1 chuỗi 8 bit 10101011 để truyền đến máy thu ta sẽ mã hoá chuỗi trên thành: 1001100110011010 và máy thu sẽ thu được 1 chuỗi 01 này. Máy thu sau khi thu được phải hoàn nguyên về 10101011 như máy phát phát ra, ta gọi quá trình này là giải mã - Decoder . Với mã Manchester việc nhận ra được đâu là 0 và đâu là 1 dựa vào khoảng thời gian ngắn hay dài của bit 0 hay 1 thu được. Sự thay đổi thời gian này cho phép xác định bit ta thu được là 1 hay 0. Sự cần thiết của thuật toán giải mã/mã hóa: Bình thường nếu không có mã hoá, giải mã, đối với một số máy thu phát đơn giản sử dụng dạng điều chế ASK sẽ xảy ra một số rắc rối sau : a) Môi trường có nhiều sóng điện từ gây nhiễu làm đầu ra dữ liệu sẽ có những xung nhiễu ở đầu data out, nếu ta lập trình vi điều khiển trong trường hợp này và sử dụng ngắt ngoài thì đó là một sai lầm lớn và khó có thể làm được. Bởi vì khi môi trường nhiễu ảnh hưởng đến máy thu làm cho đầu data out lúc là 1, lúc là 0 (tính chất không ổn định vì nhiễu) chính cái đó làm cho ngắt (vi điều khiển) hoạt động sai, vì vậy không thu được dữ liệu đúng. SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 9 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Để khắc phục cái đó người ta thường không dùng ngắt mà dùng cách hỏi lặp đi lặp lại gọi là mã CRC. b) Nếu truyền nhiều bit 1 thì thời gian phát của máy phát quá dài, trong khi đó thời gian của máy thu thì không thể kéo dài duy trì mức logic cao cùng máy phát được, tín hiệu logic bị suy giảm theo thời gian theo kiểu đường cong parabole. Mã hoá Manchester giúp cho việc biến đổi nhiều bit (có thời gian quá dài) thành nhiều bit nhưng có thời gian ngắn hơn để phù hợp với tốc độ của máy thu. 1.3. Vi điều khiển 8051: Vi điều khiển viết tắt là Micro-controller, là mạch tích hợp trên một chip có thể lập trình được, dùng để điều khiển hoạt động của một hệ thống. Theo các tập lệnh của người lập trình, bộ vi điều khiển tiến hành đọc, lưu trữ thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó. Trong các thiếh bị điện và điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển, điều khiển hoạt động của TV, máy giặt, đầu đọc laser, điện thọai, lò vi-ba … Trong hệ thống sản xuất tự động, bộ vi điều khiển được sử dụng trong Robot, dây chuyền tự động. Các hệ thống càng "thông minh" thì vai trò của hệ vi điều khiển càng quan trọng. Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điều khiển đơn chip với tên gọi 8051. Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loại với 8051 ra đời và hình thành họ vi điều khiển MCS-51 . Đến nay họ vi điều khiển 8 bit MCS51 đã có đến 250 thành viên và hầu hết các công ty hàng đầu thế giới chế tạo. Đứng đầu là công ty INTEL và rất nhiều công ty khác như : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI … SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 10 [...]... của mình SV đã quyết định lựa chọn phương án 1 là sử dụng robot 4 bánh điều khiển từ xa để thiết kế 2.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển Robot: ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ THU RF VI ĐIỀU KHIỂN NGUỒN TAY CẦM ĐIỀU KHIỂN PHÁT RF Nhiệm vụ từng khối: Khối Vi điều khiển: Nhận tín hiệu từ khối thu RF và điều khiển động cơ Khối Thu RF: Nhận tín hiệu RF từ tay cầm điều khiển phát tín hiệu RF SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 13 Bài... GVHD: Phạm Tuấn Anh 3.3 Kết quả: - SV đã thiết kế được phần cứng phối ghép vi điều khiển AT89S52 với mạch thu phát sóng radio (RF) và robot với động cơ sử dụng là động cơ 1 chiều - Tiến hành lập trình điều khiển từ xa cho Robot thơng qua bộ thu phát sóng RF - Hướng phát triển trong tương lai có thể là thiết kế Robot điều khiển từ xa kết hợp tự động dò đường, có nhiều chức năng hơn như vượt địa hình hay... LUẬN Qua bài tập lớn về “thiết kế Robot điều khiển từ xa qua sóng RF”, em đã bước đầu làm quen lập trình được cho các ứng dụng đơn giản của vi điều khiển 8051, qua đó tạo tiền đề để tiếp tục học tập và nắm bắt được các họ vi điều khiển cao cấp hơn như AVR, PIC, ARM… Do trình độ và thời gian có hạn, mặt khác bước đầu tiếp xúc với lĩnh vực mới là điều khiển robot từ xa nên khơng tránh khỏi những hạn... thiết kế Robot: Với đề tài thiết kế robot điều khiển từ xa SV đã có sự phân tích các phương án thiết kế như sau: Phương án 1: Robot sử dụng bộ 4 bánh Robot sử dụng 4 bánh 2 bánh chủ động phía sau và điều khiển 2 bánh bị động ở phía trước Ưu điểm của phương án này đơn giản dễ chế tạo, khi hỏng dễ sửa chữa và thay thế còn đặc điểm quan trọng nữa là giá thành rẻ và đảm bảo u cầu di chuyển của robot như:... mạch, đầu vào nối đất và lấy nguồn 12V từ ắc quy 2.3.2 Mạch vi điều khiển: SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 14 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Mạch vi điều khiển Ngun lý hoạt động: Nhận tín hiệu digital từ mạch thu RF qua Port 3, xuất tín hiệu điều khiển động cơ qua các chân P1.0, P1.1, P1.4, P1.5 Mạch Reset để khởi tạo lại trạng thái ban đầu cho mạch vi điều khiển Mạch dao động sử dụng thạch anh... nữa là giá thành rẻ và đảm bảo u cầu di chuyển của robot như: tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, quay trên mọi địa hình trong nhà, và nhưng nơi tương đối bằng phẳng Đó cũng là mục tiêu của đề tài điều khiển robot từ xa Phương án 2: Robot sử dụng bộ truyền đai Robot dạng đai thì chạy nhanh vượt được nhiều địa hình hơn khả năng di chuyển tốt Có thể vượt qua được mõi địa hình phức tạp hơn nhưng nhược điểm SV:... vi điều khiển và mạch cơng suất ULN2803 để khuếch đại dòng ra, kích hoạt động cho FET và Rơle FET cho phép dòng điện chạy qua hoặc khơng, điều khiển động cơ chạy hay dừng Rơle đảo chiều dòng điện, làm đảo chiều động cơ 2.3.4 Mạch thu- phát RF: a, Mạch phát RF: Khối phát RF Ngun lý hoạt động: Tín hiệu digital từ nút nhấn điều khiển qua PT2262 sẽ được mã hóa rồi gửi đến Trasmitter để gửi đi dưới dạng sóng. ..Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Ngồi ra còn có các cơng ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêng như: Họ 68HCOS của cơng ty Motorola Họ ST62 của cơng ty SGS-THOMSON Họ H8 của cơng ty Hitachi Họ pic cuả cơng ty Microchip Vi điều khiển AT89S52: Đây là vi điều khiển thuộc họ vi điều khiển 8051 của hãng Atmel Các tính năng của VDK : - Tương thích với tập lệnh 8051 - 8K bộ nhớ FLASH... khiển phát tín hiệu RF SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 13 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh Khối Nguồn: Cung cấp điện áp hoạt động cho tồn bộ mạch Khối Điều khiển Động Cơ: Điều khiển động cơ dùng FET và Rơle Tay cầm điều khiển phát: Phát tín hiệu RF điều khiển 2.3 Các sơ đồ mạch ngun lý: 2.3.1 Mạch nguồn: 5V J1 J2 1 2 1 V IN G N D U 1 VO U T 3 1 2 R 1 LM 7805 330 2 12V D C C 1 C 2 1 0 0 0 u F /2 5 V 0... nhiƠu cã gi¸ trÞ lµ 33pF 2.3.3 Mạch điều khiển động cơ (mạch cơng suất): SV: Đỗ Khắc Huy- ĐTĐ49ĐH2 15 Bài tập lớn vi xử lý GVHD: Phạm Tuấn Anh +Tính tốn mạch cách ly, sử dụng bộ cách quang PC817 Iled đỏ =1,7 V, Iled xanh =2,3 V R = VCC − VLED − VDIODE 5 − 1,7 − 1,2 = = 2,1Ω I LED 10 +ULN2803: Dùng để khuếch đại dòng ra từ VĐK trước khi đưa vào mạch động lực điều khiển động cơ Gồm 8 BJT ghép darlington . án 1 là sử dụng robot 4 bánh điều khiển từ xa để thiết kế. 2.2 Sơ đồ khối mạch điều khiển Robot: Nhiệm vụ từng khối: Khối Vi điều khiển: Nhận tín hiệu từ khối thu RF và điều khiển động cơ Khối. ứng dụng trong thực tế. Sau khi nhận được đề tài bài tập lớn môn vi xử lý: Robot điều khiển từ xa bằng sóng radio (RF) . Em đã cố gắng tìm tòi và nỗ lực hoàn thiện bài tập, nhưng hẳn sẽ không. điều khiển 2.3.3 Mạch công suất điều khiển động cơ 2.3.4 Mạch thu phát RF Chương 3: Lưu đồ thuật toán và chương trình điều khiển cho Robot 3.1. Lưu đồ thuật toán 3.2. Viết chương trình điều khiển