Đồ án: Thiết kế mô hình Robot dò đường

Đồ án: Thiết kế mô hình Robot dò đườngMục đích của đề tài Thiết kế mô hình Robot dò đường hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vi điều khiển trong thực tiễn để rồi từ đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hằng ngày cần đến.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được của con người, dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong đời sống hằng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của chúng ta con người đang cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay cho con người, chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình Để tìm ra các ý tưởng sáng tạo hay hàng năm đề diễn ra cuộc thi robocon châu á thái bình dương đó là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp dụng vào thực tế

Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án điều khiển robot dò đường, nó lại là bước khởi đầu trong lập trình robot để robot có thể thực hiện các công việc tiếp theo Đây chỉ là một công việc nhỏ của lập trình điều khiển robot nhưng qua quá trình thiết kế và thi công đề tài chúng em đã rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu Mục đích của đề tài hướng đến là tạo ra bước đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vi điều khiển trong thực tiễn để rồi từ đó tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hằng ngày cần đến

Mặc dù đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành xong đồ án môn học bằng các kiến thức đã học, một số sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác nhưng cũng không tránh khỏi những thiếu sót Do vậy, chúng em rất mong được sự góp ý quý báu của thầy cô và các bạn để đề tài có thể hoàn thiện ở mức cao nhất

Nhân đây cho chúng em xin gữi lời cám ơn chân thành đến Thầy Phạm Duy Dưởng và các Thầy bộ môn đã tận tình hướng dẫn để chúng em hoàn thành tốt đề tài của mình!

Nhóm sinh viên thực hiện :

Bùi Xuân Dũng Trần Văn Thọ Bùi Phúc Hát

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN 8051

1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu chung

MCS-51 là họ vi điều khiển của hãng Intel Vi mạch tổng quát của họ MCS-51 là chip

8051

Chip 8051 có một số đặc trưng cơ bản sau:

– Bộ nhớ chương trình bên trong: 4 KB (ROM)

– Bộ nhớ dữ liệu bên trong: 128 byte (RAM)

– Bộ nhớ chương trình bên ngoài: 64 KB (ROM)

– Bộ nhớ dữ liệu bên ngoài: 64 KB (RAM)

– 4 port xuất nhập (I/O port) 8 bit

– 2 bộ định thời 16 bit

– Mạch giao tiếp nối tiếp

– Bộ xử lý bit (thao tác trên các bit riêng lẻ)

– 210 vị trí nhớ được định địa chỉ, mỗi vị trí 1 bit

– Nhân / Chia trong 4 µs

Ngoài ra, trong họ MCS-51 còn có một số chip vi điều khiển khác có cấu trúc tương đương như:

Bảng 1

Bảng 1: Cấu trúc tương ứng của họ 8051

1.2 Các phiên bản của chip vi điều khiển 8051

1.2.1 Bộ vi điều khiển 8052

8052 là một phiên bản của họ 8051 8052 có tất cả các thông số kỹ thuật của

8051, ngoài ra còn có thêm 128 byte RAM, 4KB ROM và một bộ định thời nữa Như vậy, 8052 có tổng cộng 256 byte RAM, 8KB ROM và ba bộ định thời

Bảng 2

1.2.2 Bộ vi điều khiển AT8951 của Atmel Corporation

AT8951 là phiên bản 8051 có ROM trên chip là bộ nhớ Flash Phiên bản này rất thích hợp cho các ứng dụng nhanh vì bộ nhớ Flash có thể được xóa trong vài giây Dĩ nhiên là để dùng AT8951 cần phải có thiết bị lập trình PROM hỗ trợ bộ nhớ Flash nhưng không cần đến thiết bị xóa ROM vì bộ nhớ Flash được xóa bằng thiết bị lập trình PROM Để tiện sử dụng, hiện nay hãng Atmel đang nghiên cứu một phiên bản của AT8951 có thể được lập trình qua cổng COM của máy tính PC và Như vậy sẽ không cần đến thiết bị lập trình PROM

Bảng 3: Cấu trúc bộ vi điều khiển 8051

1.2.3 Bộ vi điều khiển DS5000 của Dallas Semiconductor

Một phiên bản phổ biến khác nữa của 8051 là DS5000 của hãng Dallas Semiconductor Bộ nhớ ROM trên chip của DS5000 là NV-RAM DS5000 có khả năng nạp chương trình vào ROM trên chip trong khi nó vẫn ở trong hệ thống mà không cần phải lấy ra Cách thực hiện là dùng qua cổng COM của máy tính PC Đây

là điểm mạnh được ưa chuộng,Ngoài ra NV-RAM còn có nhiều ưu việt là cho phép thay đỏi nội dung RAM theo từng byte mà không phải xóa hết trước khi lập trình như

bộ nhớ EPROM

2 Các chân của chip 8051

2.1 Sơ đồ khối và chức năng các khối của chip 8051

Hình 1: Sơ đồ khối của chíp 8051

– Other registers: Các thanh ghi khác Lưu trữ dữ liệu của các port xuất/nhập, trạng thái làm việc của các khối trong chip trong suốt quá trình hoạt động của

– Serial port: Port nối tiếp điều khiển việc xuất nhập dữ liệu duới dạng nối tiếp giữa trong và ngoài chip thông qua các chân TxD, RxD

– Timer 0, Timer 1: Bộ định thời 0, 1 dùng để định thời gian hoặc đếm sự kiện (đếm xung) thông qua các chân T0, T1

– Bus control: Điều khiển bus điều khiển hoạt động của hệ thống bus và việc di chuyển thông tin trên hệ thống bus

– Bus system: Hệ thống bus liên kết các khối trong chip lại với nhau

2.2 Sơ đồ chân và chức năng các chân của chip 8051

Hình 2: Sơ đồ chân chíp 8051

2.2.1 Port 0

Port 0 (P0.0 – P0.7) có số chân từ 32 – 39

Port 0 có hai chức năng:

– Port xuất nhập dữ liệu (P0.0 - P0.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài

– Bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu đa hợp (AD0 – AD7) có sử dụng bộ nhớ ngoài

Lưu ý: Khi Port 0 đóng vai trò là port xuất nhập dữ liệu thì phải sử dụng các điện trở kéo lên bên ngoài

Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 0 (P0.0 - P0.7) được cấu hình là port xuất dữ liệu Muốn các chân Port 0 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trình lại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port truớc khi bắt đầu nhập

dữ liệu từ port (vấn đề này được trình bày ở phần kế tiếp) Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 0 đóng vai trò là ngõ vào của dữ liệu (D0-D7)

– Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 1 (P1.0 – P1.7) được cấu hình

là port xuất dữ liệu Muốn các chân Port 1 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trình lại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port truớc khi bắt đầu nhập dữ liệu từ port (vấn đề này được trình bày ở phần kế tiếp)

Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 1 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉ byte thấp (A0 – A7)

2.2.3 Port 2

Port 2 (P2.0 – P2.7) có số chân từ 21 – 28

Port 2 có hai chức năng:

– Port xuất nhập dữ liệu (P2.0 – P2.7)không sử dụng bộ nhớ ngoài

– Bus địa chỉ byte cao (A8 – A15) có sử dụng bộ nhớ ngoài

Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 2 (P2.0 – P2.7) được cấu hình là port xuất dữ liệu Muốn các chân Port 2 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trình lại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port truớc khi bắt đầu nhập

dữ liệu từ port (vấn đề này được trình bày ở phần kế tiếp)

Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 2 đóng vai trò là ngõ vào của địa chỉ byte cao (A8 – A11) và các tín hiệu điều khiển

2.2.4 Port 3

Port 3 (P3.0 – P3.7) có số chân từ 10 – 17

Port 3 có hai chức năng:

– Port xuất nhập dữ liệu (P3.0 – P3.7) không sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc các chức năng đặc biệt

– Các tín hiệu điều khiển có sử dụng bộ nhớ ngoài hoặc các chức năng đặc biệt

Ở chế độ mặc định (khi reset) thì các chân Port 3 (P3.0 – P3.7) được cấu hình là port xuất dữ liệu Muốn các chân Port 3 làm port nhập dữ liệu thì cần phải lập trình lại, bằng cách ghi mức logic cao (mức 1) đến tất cả các bit của port truớc khi bắt đầu nhập

dữ liệu từ port (vấn đề này được trình bày ở phần kế tiếp)

Khi lập trình cho ROM trong chip thì Port 3 đóng vai trò là ngõ vào của các tín hiệu điều khiển (xem sách “Họ vi điều khiển 8051” trang 333-352)

Chức năng của các chân Port 3:

Bảng 5

P3.0 RxD B0H Chân nhận dữ liệu của port nối tiếp P3.1 TxD B1H Chân phát dữ liệu của port nối tiếp

Bảng 5: Chức năng của các chân Port 3

PSEN\ = 0 trong thời gian CPU tìm - nạp lệnh từ ROM ngoài

PSEN\ = 1 CPU sử dụng ROM trong (không sử dụng ROM ngoài)

Khi sử dụng bộ nhớ chương trình bên ngoài, chân PSEN\ thường được nối với chân OE\ của ROM ngoài để cho phép CPU đọc mã lệnh từ ROM ngoài

– Là tín hiệu xuất, tích cực mức cao

ALE = 0 trong thời gian bus AD0 - AD7 đóng vai trò là bus D0 - D7

ALE = 1 trong thời gian bus AD0 - AD7 đóng vai trò là bus A0 - A7

Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân ALE đóng vai trò là ngõ vào của xung lập trình (PGM\)

Lưu ý: fALE = fOSC/6 có thể dùng làm xung clock cho các mạch khác

(MHz): tần số xung tại chân ALE f

(MHz): tần số dao động trên chip (tần số thạch anh)

Khi lệnh lấy dữ liệu từ RAM ngoài (MOVX) được thực hiện thì một xung ALE bị bỏ qua

EA\ = 0 Chip 8051 sử dụng chương trình của ROM ngoài

EA\ = 1 Chip 8051 sử dụng chương trình của ROM trong

Khi lập trình cho ROM trong chip thì chân EA đóng vai trò là ngõ vào của điện áp lập trình(Vpp = 12V – 12,5V cho họ 89xx; 21V cho họ 80xx, 87xx)

Lưu ý: Chân EA\ phải được nối lên Vcc (nếu sử dụng chương trình của ROM trong) hoặc nối xuống GND (nếu sử dụng chương trình của ROM ngoài), không bao giờ được phép bỏ trống chân này

2.2.8 Chân XTAL1, XTAL2

XTAL (Crystal): tinh thể thạch anh, chân số 18-19

Chức năng:

– Dùng để nối với thạch anh hoặc mạch dao động tạo xung clock bên ngoài, cung cấp tín hiệu xung clock cho chip hoạt động

– XTAL1 ngõ vào mạch tạo xung clock trong chip

– XTAL2 ngõ ra mạch tạo xung clock trong chip

Lưu ý: fTYP = 12MHz fTYP (MHz): tần số danh định

Lưu ý:

tReset ≥ 2 × TMachine TMachine = 12/fOSC

tReset(µs): thời gian reset fOSC = (MHz): tần số thạch anh

TMACHINE(µs): chu kỳ máy

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý chân Reset

Dùng để lưu trữ chương trình điều khiển cho chip 8051 hoạt động

Chip 8051 có 4 KB ROM trong, địa chỉ truy xuất: 000H – FFFH

3.2 Bộ nhớ dữ liệu (RAM)

Dùng để lưu trữ các dữ liệu và tham số

Chip 8051 có 128 byte RAM trong, địa chỉ truy xuất: 00H – 7FH

RAM trong của chip 8051 được chia ra:

– RAM đa chức năng:

– RAM định địa chỉ bit: Cho phép xử lý từng bit dữ liệu riêng lẻ mà không ảnh hưởng đến các bit khác trong cả byte

3.3 Thanh ghi chức năng đặc biệt

3.3.1 Thanh ghi A

3.3.2 Thanh ghi B

Phép nhân 2 số 8 bit không dấu -> kết quả là số 16 bit

– Byte cao -> chứa vào thanh ghi B

– Byte thấp -> chứa vào thanh ghi A

– Phép chia 2 số 8 bit -> thương số và số dư là số 8 bit

– Thương số -> chứa vào thanh ghi A

– Số dư -> chứa vào thanh ghi B

3.3.3.Thanh ghi ngăn xếp (Stack Pointer)

Con trỏ stack SP (stack pointer) là 1 thanh ghi 8 bit ở địa chỉ 81H SP chứa địa chỉ của dữ liệu hiện đang ở đỉnh của stack Các lệnh liên quan đến satck bao gồm lệnh cất dữ liệu vào stack và lệnh lấy dữ liệu ra khỏi stack Việc cất vào stack làm tăng SP trước khi ghi dữ liệu và việc lấy dữ liệu ra khỏi stack sẽ giảm SP Vùng stack của

8051 được giữ trong RAM nội và được giới hạn đến các địa chỉ truy xuất được bởi kiểu định địa chỉ gián tiếp Các lệnh PUSH và POP sẽ cất dữ liệu vào stack và lấy dữ liệu từ stack, các lệnh gọi chương trình con (ACALL, LCALL) và lệnh trở về (RET, RETI) cũng cất và phục hồi nội dung của bộ đếm chương trình PC (Program counter)

3.3.4 Con trỏ dữ liệu DPTR

Con trỏ dữ liệu DPTR (data pointer) được dùng để truy xuất bộ nhớ chương trình ngoài hoặc bộ nhớ dữ liệu ngoài DPTR là một thanh ghi 16 bit có địa chỉ là 82H

3.3.5 Thanh ghi bộ đệm truyền thông nối tiếp (Serial Data Buffer)

Bộ đệm truyền thông được chia thành hai bộ đệm, bộ đệm truyền dữ liệu và bộ đệm nhận dữ liệu Khi dữ liệu được chuyển vào thanh ghi SBUF, dữ liệu sẽ được chuyển vào bộ đệm truyền dữ liệu và sẽ được lưu giữ ở đó cho đến khi quá trình truyền dữ liệu qua truyền thông nối tiếp kết thúc Khi thực hiện việc chuyển dữ liệu từ SBUF ra ngoài, dữ liệu sẽ được lấy từ bộ đệm nhận dữ liệu của truyền thông nối tiếp

3.3.6 Thanh ghi của bộ định thời/bộ đếm

8051 có 2 bộ đếm/định thời (counter/timer) 16 bit để định các khoảng thời gian hoặc để đếm các sự kiện Các cặp thanh ghi (TH0, TL0) và (TH1, TL1) là các thanh ghi của bộ đếm thời gian Bộ định thời 0 có địa chỉ 8AH (TL0, byte thấp) và 8CH (TH0, byte cao) Bộ định thời 1 có địa chỉ 8BH (TL1, byte thấp) và 8DH (TH1, byte cao).Hoạt động của bộ định thời được thiết lập bởi thanh ghi chế độ định thời TMOD (Timer Mode Register) ở địa chỉ 88H Chỉ có TCON được định địa chỉ từng bit

3.3.7 Các thanh ghi điều khiển

Các thanh ghi điều khiển đặc biệt như IP, IE, TMOD, TCON, SCON và PCON là các thanh ghi điều khiển và ghi nhận trạng thái của hệ thống ngắt, bộ đếm/định thời,

truyền thông nối tiếp

4 Ứng dụng

Vi điều khiển là một IC lập trình, vì vậy Vi điều khiển cần được lập trình trước khi sử dụng Mỗi phần cứng nhất định phải có chương trình phù hợp kèm theo, do đó trước khi viết chương trình đòi hỏi người viết phải nắm bắt được cấu tạo phần cứng và các

yêu cầu mà mạch điện cần thực hiện

Ứng dụng của vi điều khiển rất rộng rãi trong đời sống va trong công nghiệp.Tất cả những thiết bị điện tử có phần điều khiển tự động đều có thể có mặt vi điều khiển,trong nhu cầu công nghiệp hóa thì vi điều khiển trong vai trò quan trọng bậc nhất trong chuyên nghành tự động và điều khiển

Những ứng dụng đơn giản của vi điều khiển 8051:

– VĐK giao tiếp led đơn và phím nhấn

– Kết nối VĐK với Rơle

– Kết nối VĐK với LCD

– Kết nối VĐK với ma trận led.…

Chương trình là tập hợp các lệnh được tổ chức theo một trình tự hợp lí để giải quyết các yêu cầu của người lập trình.Tập hợp tất cả các lệnh gọi là tập lệnh Họ Vi điều khiển MSC-51 đều có chung một tập lệnh, các Vi điều khiển được cải tiến sau này thường ít thay đổi hoặc mở rộng tập lệnh mà chú trọng phát triển phần cứng.Vì các lệnh của Vi điều khiển có dạng số nhị phân quá dài và khó nhớ, hơn nữa việc gỡ lỗi khi chương trình phát sinh lỗi rất phức tạp và khó khăn Khó khăn này được giải quyết với sự hỗ trợ của máy vi tính, người viết chương trình có thể viết chương trình cho vi điều khiển bằng các ngôn ngữ lập trình cấp cao, sau khi việc viết chương trình được

hoàn tất, các trình biên dịch sẽ chuyển các câu lệnh cấp cao thành mã máy một cách tự động Các mã máy này sau đó được đưa (nạp) vào bộ nhớ ROM của Vi điều khiển, Vi điều khiển sẽ tìm đến đọc các lệnh từ ROM để thực hiện chương trình Bản thân máy tính không thể thực hiện các mã máy này vì chúng không phù hợp với phần cứng máy tính, muốn thực hiện phải có các chương trình mô phỏng dành riêng.Chương trình cho

Vi điều khiển có thể viết bằng C++,C,Visual Basic, hoặc băng các ngôn ngữ cấp cao khác Tuy nhiên hợp ngữ Assembler được đa số người dùng Vi điều khiển sử dụng để lập trình, vì lí do này chúng tôi chọn Assembly để hướng dẫn viết chương trình cho Vi điều khiển Assembly là một ngôn ngữ cấp thấp, trong đó mỗi câu lệnh chương trình tương ứng với một chỉ lệnh mà bộ xử lý có thể thực hiện được Ưu điểm của hợp ngữ Assembly là: mã gọn,ít chiếm dung lượng bộ nhớ, hoạt động với tốc độ nhanh, và nó

có hiệu suất tốt hơn so với các chương trình viết bằng ngôn ngữ bậc cao khác

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ ROBOT GIỚI THIỆU VỀ ROBOT DÕ ĐƯỜNG

1 Tổng quan về robot

1.1 Lịch sử

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Chúng đã góp phần mình vào công cuộc lao động, chính robot đang làm nên một cuộc cách mạng về lao động, khoa học, và đang phục vụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa học quân sự,

khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí, v.v

Vậy robot xuất hiện từ khi nào?

Năm 1921 nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã đưa lên sân khấu vở kịch

có tiêu đề “Romands Univesal Robot” Theo tiếng Séc “Robot” nghĩa là “Người tạp dịch” Có thể nói đây là một gợi ý, một ý tưởng ban đầu về những cỗ máy có khả năng thao tác như con người Đến trước chiến tranh thế giới lần thứ hai nhu cầu sử dụng những máy móc có khả năng thay thế con người ở những môi trường làm việc độc hại

đã trở thành một nhu cầu cấp thiết Ban đầu cơ cấu máy này hoạt động giống như tay máy của người vận hành Cấu tạo của cơ cấu này bao gồm các thanh và các khớp và

hệ thống giây chằng Người vận hành điều khiển tay máy thông qua một cơ cấu khuyếch đại cơ khí.Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai (năm 1945), xuất hiện cơ cấu máy được điều khiển từ xa để cầm nắm chất phóng xạ Cho đến những năm 1950 cùng với sự ra đời của kỹ thuật điều khiển chương trình số NC (Number Control) kỹ thuật tay máy lúc này đã kết hợp được cả kỹ thuật điều khiển xa và điều khiển chương trình số Sự kết hợp này đã tạo ra những thế hệ máy điều khiển từ xa có khả năng mềm dẻo, khả năng tự động hoá cao gọi tên là robot

Năm 1949, máy phay điều khiển số ra đời phục vụ sản xuất ở Mỹ Đến năm 1960 George Devol đưa ra mẫu Robot đầu tiên Năm 1961 cũng tại Mỹ Robot công nghiệp (IR: Industrial Robot) đầu tiên đưa ra thị trường: Robot Unimat 1990 (Do trường đại học MIT chế tạo) đây là Robot phản hồi lực nó được ứng dụng vào công nghiệp sản xuất ô tô Theo con số thống kê thì đến năm 1990 toàn thế giới đã triển khai và ứng dụng khoảng 300.000 IR Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật Vi xử lý và Tin học

mà số lượng IR tăng nhanh chóng và tính năng cũng có nhiều bước đột phá, giá thành trên một đơn vị IR giảm dần

Đó là về lịch sử, còn ngày nay, robot đã có mặt ở khắp nơi, ngay cả trong gia đình chúng ta, chúng ta cùng điểm qua những con robot mà cả thế giới biết đến

1.2.Robot trong đời sống và sản xuất

1.2.1.Robot đi xe đạp

Hình 1: Robot đi xe đạp

Với chiều cao chỉ với 50cm, chú robot mang “quốc tịch” Nhật này được coi là

“vua” giữ thăng bằng Vì dù là đạp hay đang dừng xe , khí cụ con quay sẽ luôn giữ cho chú robot này đứng vững Một số bộ phận đặc biệt khác cho phép Murataboy xác định được chướng ngại vật trên đường và giảm xóc khi va phải chướng ngại vật Murataboy là ví dụ cho loại robot có khả năng di chuyển bằng 2 chân, đang là một trong những thách thức lớn của việc nghiên cứu và sản xuất robot

1.2.2 Robot làm việc nhà

Được nghiên cứu tại trường đại học Karlsruhe (Đức), lĩnh vực ưa thích nhất của

cô là vào bếp Nhờ những cử động của đôi cánh tay giống hệt như người, Armar có khả năng dọn bàn ăn, cho bát đĩa vào máy rửa bát và sắp xếp thực phẩm Một chiếc camera kỹ thuật số cho phép cô giúp việc này nhận diện được người đang ra lệnh và

tuân lệnh khi dò thấy những cử chỉ tay của người ấy

Hình 2: Robot làm việc nhà

1.2.3 Robot là bạn của những người khuyết tật

Friend là nghiên cứu của các nhà khoa học Đức Người máy này thực chất

có dạng một chiếc xe lăn với đôi cánh tay giống con người Thông qua một bộ phận nhận diện giọng nói, chủ nhân chiếc ghế

có thể ra lệnh cho người giúp việc này mở cửa, rót nước Hệ thống định vị không gian 3 chiều gắn trên xe cho phép người

sử dụng chỉ cần đưa tay chỉ hướng, robot

sẽ tự động tìm ra đường đi tốt nhất

Hình 3: Robot trong y học

1.2.4 Robot là bác sĩ ngoại khoa

Hãy tưởng tượng những cánh tay kim loại với những khớp nối chằng chịt mổ xẻ trên một cơ thể bằng xương bằng thịt Với nhiều người đó là một cơn ác mộng Trên thực tế việc sử dụng người máy thay các bác sĩ phẫu thuật lại đảm bảo độ chính xác và

tỷ lệ thành công cao hơn cho ca mổ Sự chính xác này cùng với việc giảm thiểu các thiết bị y khoa giúp đường mổ sắc và gọn hơn đồng thời giúp bệnh nhân đỡ mất nhiều máu.Ca mổ vẫn sẽ được một bác sĩ phẫu thuật theo dõi trực tiếp thông qua một camera nối với một cánh tay robot 2 cánh tay robot còn lại thực hiện những thao tác thành thạo của một bác sĩ thực thụ Người máy này xứng đáng là niềm tự hào của các nhà khoa học Mỹ

Hình 4: Robot là bác sĩ

1.2.5 Asimo, robot giống người nhất

Asimo lần đầu tiên ra đời năm 1993 tại Nhật, đặt tên P1, là thành quả nghiên cứu của tập đoàn Honda Asimo P1 đã khiến các nước phương Tây kinh ngạc vì ý tưởng chế tạo một loại robot giống hệt con người Tuy vậy mục đích ban đầu của Honda chỉ là nghiên cứu một người máy phục vụ các nhu cầu của chúng ta Ngày nay, cả 2 ý tưởng này, robot giống người và đáp ứng nhu cầu của con người đã trở thành tiêu chí chung trong nghiên cứu Asimo

Hình 5: Robot asimo

1.2.6 Robot viễn tưởng

Được trang bị hệ thống nhận dạng giọng

nói, có khả năng ngôn ngữ và diễn đạt, Mỹ đã

giới thiệu một người máy là bản sao của

Philipe K.Dick, tác giả của nhiều truyện viễn

tưởng nổi tiếng, mất năm 1982

Đó là những gì chúng ta được chứng kiến về

sự phát triển của thế giới, nhưng chúng ta

cũng cần biết rằng Việt Nam cũng có những

con robot vô cùng thông minh Đã đưa vị thế

củaViệt Nam lên 1 tầm cao mới Hình 6: Robot người nhân tạo

Và chú robot này chính là robot TOPIO :Từ ngày 5 - 10/2/2009, chú robot “made in Vietnam” Topio 2.0 do Công ty Cổ phần Robot TOSY (TOSY Robotics JSC) nghiên

cứu và chế tạo đã tham gia triển lãm lớn nhất thế giới về đồ chơi lần thứ 60 tại Đức

2 Giới thiệu về robot dò đường

Robot dò đường là 1 biến thể đặc biệt của robot hướng sáng.Sở dĩ nói như vậy là

do chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quang điện ( quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ đó điềuchỉnh hướng đi thích hợp Khi robot đi lệch vào vùng có vạch vẽ, ánh sáng phát ra từ robot không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ 1 phần làm sai lệch độ sáng giữa 2 cảm biến Việc còn lại là thiết kế sao cho robot có hành vi khắc phục sự sai lệch đó và ta có được loại robot đi theo đường vẽ

Nhiệm vụ của các cảm biến quang được mô tả như hình sau:

Hình 7: Nhiệm vủ của cảm biến trong Robot dò đường

Đường đi được vạch sẵn với chiều dài mặt cắt ngang xác định Đường đi được đặt trên nền có vật liệu khác loại Nếu đường đi là vật liệu phản quang thì nền không phản quang và ngược lại

Robot sử dụng các LED phát chiếu xuống mặt đường đi hoặc nền Ánh sáng hồng ngoại sẽ phản xạ lại khi gặp vật liệu phản quang Sử dụng cảm biến quang Robot xác định được trạng thái của mình trên mặt đường: lệch trái hoặc phải so với mặt đường, còn hoặc không còn trên mặt đường,…; từ đó đưa ra quyết định điều khiển tương ứng Dựa trên yêu cầu của đề bài và bám sát với nội dung môn học, nhóm chọn phương án thiết kế

Robot vận hành có 3 bánh, 2 bánh sau chủ động, bánh trước xoay tròn định hướng (bánh đa hướng).Robot dẫn động bằng 2 động cơ 1 chiều đặt ở hai bánh sau.Phần dò đường dùng 8 cặp cảm biến (8 led phát và 8 quang trở.), tín hiệu đưa về đi qua khâu

so sánh LM324 để đảm bảo mức điện áp đưa vào vi điều khiển.Phần xử lý chọn vi điều khiển 89S52 của Atmel

2.2 Nguyên tắc hoạt động của robot dò đường

Robot dò dường hoạt động độc lập dựa vào cảm biến dò đường gắn tên thân robot và đường đi là vạch trắng dán trên nền đất.Cảm biến được hiểu như là con mắt của robot

2.3 Ứng dụng của robot dò đường

Được ứng dụng vào công nghệ dò đường di chuyển tự động trong vận chuyển hàng hóa Tuy còn sơ khai vê nguyên tắc điều khiển nhưng robot dò đường đã tạo một bước ngoặc quan trọng trong công nghệ thiết kế và chế tạo robot, mở ra một kỷ nguyên mới

về nghành công nghệ kỹ thuật tự động hóa và đưa tự động hóa vào sản xuất

MẠCH CÔNG SUẤT

CHƯƠNG III THIẾT KẾ MÔ HÌNH ROBOT DÕ ĐƯỜNG

1 Cấu trúc cơ bản của Robot dò đường tự động

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc cơ bản của Robot dò đường tự động

MẠCH CÁCH LY

KHỐi XỬ LÝ TRUNG TÂM AT89S52

KHỐI CẢM BIẾN Cảm biến dò đường

BỘ PHẬN CHẤP HÀNH

KHỐI CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH

– Khối công tắc hành trình: các công tắc hành trình sử dụng cho việc xác định trạng thái của cơ cấu chấp hành và trạng thái của robot

– Khối VĐK: quan trọng nhất là chip 89S52 điều khiển toàn bộ hoạt động của Robot: nhận tín hiệu từ khối cảm biến,khối điều chỉnh, sau đó gửi tín hiệu qua khối hiển thị và điều khiển khối cơ cấu chấp hành

– Khối cơ cấu chấp hành: là mạch công suất dùng để điều khiển động cơ bánh

xe, và các động cơ của các cơ cấu chấp hành

2 Các khối cơ bản của Robot

2.1 Khối nguồn cấp cho robot

Hình 2: Sơ dồ mạch nguồn cho Robot

Dùng nguồn 12V để cấp điện áp vào, sau đó thông qua khối lọc, hạ áp dùng 7805 ta lấy ra điện áp 5V ổn định để cung cấp cho các khối còn lại

Ngoài ra còn có một số biện pháp bảo vệ như dùng cầu chi 2A, dùng diode chống ngược nguồn

2.3 Khối cảm biến dò đường

Cảm biến quang dò đường là thành phần quan trọng không thể thiếu trong điều khiển

lộ trình chạy của Robot một cách chính xác và đẹp mắt Sơ đồ mạch được lựa chọn là kiểu thông dụng do đơn giản nhưng để nâng cao khả năng nhận dạng vạch trắng và phù hợp với việc dùng chung nguồn vi điều khiển +12V, ta sẽ nâng cao điện áp cung

cấp cho cảm biến, tăng số led phát ánh sáng trắng

Hình 3: Sơ đồ cảm biến dò đường

Điện áp đặt lên các led siêu sáng trắng có điện áp khoảng 2V, dòng qua led từ 10 đến 15mA Ta có thể chọn điện trở hạn dòng cho led siêu sáng:

Chức năng của khối:

– Tạo tín hiệu phản hồi về khối vi xử lý trung tâm để từ đó điều khiển động cơ – Nguyên lý hoạt động: Khi có ánh sáng thì điện trở của quang trở sẽ giảm và ngƣợc lại, điện trở của nó thay đổi cỡ từ 0.5k (khi có ánh sáng) đến 250k (không có ánh sáng), ta sử dụng led phát làm nguồn sáng cho nó

Khi gặp nền trắng, ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở nó giảm xuống và khi gặp vạch đen (băng keo đen) thì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh sáng => trở nó tăng Từ đó dựa vào 2 quang trở, robot có thể phân biệt được vạch đen trên nền trắng (dưới sự hỗ trợ của opamp so sánh)

– Khi rơle chưa được kích hoạt thì nam châm điện không hoạt động nên tiếp

điểm của cầu H giữ nguyên vị trí ban đầu Tức là tiếp điểm 4 và 6 (cầu H) được nối với nhau, tiếp điểm 13 và 11 (cầu H) được nối với nhau Khi có xung kích vào PWM, dòng điện chạy tới tiếp điểm 4 (cầu H), qua tiếp điểm 6 (cầu H) rồi qua động cơ về tiếp điểm 11 (cầu H), qua tiếp điểm 13(cầu H) rồi về âm nguồn (nối đất) Do vậy, động cơ quay theo chiều thuận

– Khi rơle được kích hoạt thì nam châm điện hoạt động kéo tiếp điểm của cầu H làm tiếp điểm 4 và 8 (cầu H) được nối với nhau, tiếp điểm 13 và 9 (cầu H) được nối với nhau Khi có xung kích vào PWM, dòng điện chạy tới tiếp điểm 4 (cầu H), qua tiếp điểm 8 (cầu H) rồi qua động cơ về tiếp điểm 9 (cầu H), qua tiếp điểm 13(cầu H) rồi về âm nguồn (nối đất) Do vậy, động cơ quay theo chiều nghịch

3.4 Khối xử lý trung tâm

Sử dụng vi xử lý 8 bit AT89S52 có cấu trúc tương tự như 89C51 (8051)

Đây là VĐK thuộc họ MCS-51, với 8K bytes bộ nhớ, có thể đọc/ghi dữ liệu khoảng

do sự cố kỹ thuật nên có tốc độ không ổn định cũng như việc điều khiển đòi hỏi tốc độ động cơ được thay đổi liên tục, nên có thể thiết kế mạch công suất cho 3 động cơ bao gồm 1 FET và 1 Rơle tận dụng đầy đủ ưu thế các chân điều xung

Dòng xuất nhập của các chíp vi điều khiển tương đối nhỏ Đối với một số các ứng dụng sử dụng số lượng cổng I/O nhỏ thì ta có thể dùng trực tiếp các cổng này Trong mạch Robot các cổng I/O được tận dụng tối đa nên ta sẽ thiết kế thêm các mạch đệm xuất nhập trước mỗi cổng điều khiển, các chíp đệm có thể sử dụng cung cấp dòng lớn hơn cho tải, chống nhiễu tốt như: 74LS04, 74LS244, 74LS541…

Hình 5: Sơ đồ mạch vi điều khiển