Robot điều khiển từ xa bằng sóng radio (RF)

Lĩnh vực nữa mà robot pháthuy 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 họkhông làm

2.1 Phương án thiết kế Robot

2.2 Sơ đồ khối mạch Robot

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

LỜI NÓI ĐẦU



Quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước đang trong giaiđoạn phát triển mạnh mẽ Những ứng dụng trong lĩnh vực tự động hóa do vậyngày càng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong mọi ngànhsản xuất Trong đó, Robot là một thành tựu đã xuất hiện từ rất sớm và đang cónhững 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 dụngtrong thực tế Sau khi nhận được đề tài bài tập lớn môn vi xử lý: “Robot điềukhiển từ xa bằng sóng radio (RF)” Em đã cố gắng tìm tòi và nỗ lực hoàn thiệnbài tập, nhưng hẳn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy, kính mongthầy giáo góp ý và chỉ bảo thêm, giúp em bổ sung và nắm vững hơn vốn kiếnthức 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

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 triểnlớn 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 chứcnăng: từ thăm dò chinh phục vũ trụ, hỗ trợ thầy thuốc chẩn đoán bệnh, giúp đỡngười 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, nhằmkhám phá, thăm dò và chinh phục Hành tinh này Lĩnh vực nữa mà robot pháthuy 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 họkhông làm được.Nhóm robot khác có hệ thống máy móc tạo khả năng tự hànhcao hơn, giống "người" hơn: ví dụ như ô-tô tự điều khiển (không cần sự hỗ trợcủa người); robot thích ứng thăm dò biển thế hệ thứ ba - loại robot này đi đượcgần 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 haytrong núi lửa Hiện nay, việc nghiên cứu kỹ thuật robot còn đang ở giai đoạnđầu, 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 nghiệpđược hình dung như cỗ máy thực hiện các tác vụ khó khăn, nguy hiểm hay thậmchí rất đần độn nữa Chúng nhấc những vật nặng, xách các thùng sơn hay hóachất độc hại, hay làm công việc lắp ráp khác trong hàng giờ liền, ngày qua ngàyvới một độ chính xác không thay đổi Chúng không bao giờ mệt mỏi nên chúngkhông phạm các sai lầm do mệt mỏi đem lại Chính vì thế, robot rất lý tưởng chocông việc kiểu lặp đi lặp lại Theo cấu trúc cơ khí, robot có thể được phân chiathành các loại chính như sau:

Cartesian robot/ Gantry robot

Loại robot này thích hợp với công việc gắp vật thể và đặt chúng vào vị tríkhác Các ứng dụng có thể là đóng gói, lắp ráp máy móc, cầm nắm các máycông cụ hoặc hàn theo hình cung Đối với loại robot này, cánh tay được tạothành 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

Robot có 2 khớp xoay song song với nhau cho phép thao tác trên mặtphẳng.

Thường được ứng dụng để tạo ra khung đế xoay tự do trong mô phỏngbay 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 hiệutruyền

Các tín hiệu số 0 hoặc 1 được đưa vào bộ truyền phát, nếu bộ phát làmáy 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 logictương ứng với mạch phát Tuy nhiên do kĩ thuật và công nghệ chế tạo hay điểnhình một số kiểu mạch không thể đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của việctruyền dữ liệu Ví dụ truyền tốc độ cao ( máy thu không kịp giải điều chế, băngthông 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 khắcphục khi truyền thông tin, đặc biệt trong RF

1.2.2 Mã hóa dữ liệu

Khi ta bật máy phát tức thì, máy thu chưa chắc đã giải điều chế tức thìngay 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 khâuquan trọng là phát một vài bit gọi là “chuẩn bị” Việc phát này sẽ làm cho máythu nhận được đầy đủ các bit được phát loại trừ trường hợp bỏ sót bit đầu tiên domáy 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 vụgiải 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 vìkhông 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 độbảo mật , không bị nhiễu do môi trường xung quanh

Trên không trung có rất nhiều sóng điện từ tồn tại, tác động vào máythu (gọi là nhiễu), việc mã hoá / giải mã để đưa ra được tín hiệu truyền đi, thu vềđạt độ chính xác cao Loại trừ các tác động sai do môi trường bị nhiễu tác độngvào máy thu

Phương pháp mã hoá:

Đối với điều khiển hoặc những IC có khả năng lập trình ta có thể hìnhdung 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

Việc mã hoá truyền dữ liệu cũng như mã hoá điều khiển vậy, ta có thểlàm bằng nhiều cách sử dụng các IC mã hoá / giải mã cứng, lập trình bằng IC viđiều khiển, mã hoá trực tiếp với PC….

Có rất nhiều chuẩn mã hoá, mỗi cái có một ưu nhược điểm khácnhau, 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 0thì 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 1chuỗi 01 này Máy thu sau khi thu được phải hoàn nguyên về 10101011 nhưmáy 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 vàokhoảng thời gian ngắn hay dài của bit 0 hay 1 thu được Sự thay đổi thời giannày 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 thuphát 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 trườnghợp 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 điềukhiển) hoạt động sai, vì vậy không thu được dữ liệu đúng

Để khắc phục cái đó người ta thường không dùng ngắt mà dùngcách 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 caocùng máy phát được, tín hiệu logic bị suy giảm theo thời gian theo kiểu đườngcong parabole Mã hoá Manchester giúp cho việc biến đổi nhiều bit (có thời gianquá dài) thành nhiều bit nhưng có thời gian ngắn hơn để phù hợp với tốc độ củamáy 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 cáctập 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 điềukhiển càng quan trọng

Đến năm 1980 công ty INTEL cho ra đời thế hệ thứ hai của bộ vi điềukhiển đơn chip với tên gọi 8051 Và sau đó hàng loạt các vi điều khiển cùng loạivới 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 hầuhết các công ty hàng đầu thế giới chế tạo Đứng đầu là công ty INTEL và rấtnhiều công ty khác như : AMD, SIEMENS, PHILIPS, DALLAS, OKI …

Ngoài ra còn có các công ty khác cũng có những họ vi điều khiển riêngnhư:

Họ 68HCOS của công ty Motorola

Họ ST62 của công ty SGS-THOMSON

Họ H8 của công ty Hitachi

Họ pic cuả công ty Microchip

Vi điều khiển AT89S52:

Đây là vi điều khiển thuộc họ vi điều khiển 8051 của hãng Atmel Cáctính năng của VDK :

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MẠCH PHẦN CỨNG

2.1 Lựa chọn phương án thiết kế Robot:

Với đề tài thiết kế robot điều khiển từ xa SV đã có sự phân tích cácphương 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 bịđộng ở phía trước Ưu điểm của phương án này đơn giản dễ chế tạo, khi hỏng dễsửa chữa và thay thế còn đặc điểm quan trọng nữa là giá thành rẻ và đảm bảoyêu cầu di chuyển của robot như: tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, quay trên mọi địa hìnhtrong nhà, và nhưng nơi tương đối bằng phẳng Đó cũng là mục tiêu của đề tàiđiều 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 dichuyển tốt Có thể vượt qua được mõi địa hình phức tạp hơn nhưng nhược điểm

của phương án Là qua trình chế tạo phức tạp hơn, giá thành của đai và các chitiết khác là đắt hơn nếu hỏng hóc sửa tốn kém hơn.

→ Lựa chọn phương án:

Qua 2 phương án nêu trên để đảm bảo đúng mục đích của mình SV đãquyết định lựa chọn phương án 1 là sử dụng robot 4 bánh điều khiển từ xa đểthiết 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 Thu RF: Nhận tín hiệu RF từ tay cầm điều khiển phát tín hiệu RF

PHÁT RF

THU RF

Khối Nguồn: Cung cấp điện áp hoạt động cho toàn 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

5 V

J 1

1 2 V D C

1 2

U 1

L M 7 8 0 5 1

Khối nguồn sử dụng ắc quy có điện áp 12 VDC

7805 để tạo nguồn 5V cung cấp cho hoạt động của toàn bộ mạch, đầu vàonối đất và lấy nguồn 12V từ ắc quy

2.3.2 Mạch vi điều khiển:

Mạch vi điều khiển

2.3.3 Mạch điều khiển động cơ (mạch công suất):

+Tính toán mạch cách ly, sử dụng bộ cách quang PC817.

Iled đỏ =1,7 V, Iled xanh =2,3 V

2,1Ω 10

1,2 1,7 5 I

V V V R

LED

DIODE LED

Sơ đồ chân:

I NPUT

Ở điều kiện làm việc bình thường của ULN2803: IC =100mA,

IB=250μA, VA, VCE=2V  điện trở ghép với ngõ ra của PC817 điện trở khá lớn:chọn 4,7 KΩ

IB_C1815/A1015(SAT) 1.43mA

100

2 12 I

V 12 CSAT

0,2 12 50

V 12

Nguyên lý hoạt động:

Opto để cách ly mạch vi điều khiển và mạch công suất

ULN2803 để khuếch đại dòng ra, kích hoạt động cho FET và Rơle FET cho phép dòng điện chạy qua hoặc không, điều khiển động cơchạy hay dừng

Rơle đảo chiều dòng điện, làm đảo chiều động cơ

R1

R

D19 DIODE

12V

R27

3 30 2 W

D10 D6

U5

74151

4 14 11 5

D0 D5 C Y

U9

ULN2803

10 9 1 6 18 13

COM IN1 IN6 OUT1 OUT6

D22

D27 DIODE

-U8B

L M324

5 7

R2 330

J4

CON8

1 6

D13

J 4

SWITCH LIMIT

1 5 10

LEDTHU7

1 2 7

1 0

1 5 18

Q10

R5

R26

3 30 2 W PWM3

J 2 NAP PHILL IP

J1

1 2 4 5 10 15 17

3 1

J 4

1 5V

PWM1

ROLE4 PWM2

3 5 5V

D32 D23

M1 IRF5 40

Data in

3 1

1 0

1 4

LS4 RELAY

3 1

R7

R

L EDTHU6

D9 LED

9

R2

D16

C8 104 P2.3

1 2V

P2.2

Q9 D468

OPTO6

C3 104

LEDTHU4

J3 NGUON 9V

DC3_ DC3 CON2

D7

Y1

12 V 5V

DC2_ DC2 CON2

12 V

R2 7

33 0 2W

D1 0 D6

12 V

PWM2

D1 DIODE

-U7 C LM32 4 10

COM GND IN1

IN7 OUT1

D2 2

D27 DIODE

-U8B LM324

12V 5V

Q1 0 B5 62

D2 5 D5

PWM1

ROLE4 PWM2

D6

CAMBIEN8 P2 1

LEDTHU2 P2.4

LEDTHU1 LEDTHU7

5V

D32 D23

M1 IRF54 0

Data in

LS4 RELAY

DA TA

F1 FUSE R14

R2 3

DC4_ DC4 CON2

DK ROLE4 OPTO2

12V

P2 2

Q9 D4 68

Q1 3 D4 68

R2 2 100K D2

OPTO3

DK ROLE2

D1 0

Q1 2 B5 62

D21 DIODE

CAMBIEN6 LEDTHU5

D4 5V

24V D20

39 33

21 26 28 10

P1 6 P2.0/A8 P2.2/A10 P2.5/A13

P3 2/INT0 P3 4/T0 P3.6/WR

+ C2 0.3 3UF

Data out

LEDTHU3

D9

CHƯƠNG III: LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG TRÌNH

ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT 3.1 Lưu đồ thuật tốn:

Bắt đầu

Đọc cổng P3

ORL Với 11000011(C3H)

Dừng

3.2 Chương trình điều khiển Robot:

ORG 0000H DATBIEN :

CJNE A,#0F3H,KTRA6 ; 11110011 LCALL TRAI_TIEN

- 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 haytránh vật thể cản

Một lần nữa em xin cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy Phạm Tuấn Anh

đã giúp đỡ em hoàn thành bài tập lớn này.

Sinh viên

Đỗ Khắc Huy

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Họ vi điều khiển 8051 Tống Văn On, Hoàng Đức Hải Nhà xuất bản

lao động xã hội

[2].Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051 Nguyễn Tăng Cường,

Phan Quốc Thắng Nhà xuất bản khoa học kĩ thuật-2004

[3].Giáo trình kỹ thuật xung căn bản và nâng cao Nhà xuất bản trẻ

[4].Sổ tay sơ đồ linh kiện điện tử Dương Minh Trí Nhà xuất bản khoa

học kỹ thuật

Một số trang web tham khảo:

www.tailieu.vnwww.dientuvietnam.comwww.picvietnam.comwww.Alldatasheet.com