đồ án tốt nghiệp điều khiển chuyển động rôbôt bằng động cơ bước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIKHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ---o0o--- BÀI TẬP LỚNMôn : VI XỬ LÝ Đề tài : ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG RÔBÔT BẰNG ĐỘNG CƠ BƯỚC Thầy hướng dẫn : Nguyễn Hoàng Dũng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -o0o -

BÀI TẬP LỚNMôn : VI XỬ LÝ

Đề tài :

ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG RÔBÔT BẰNG ĐỘNG CƠ BƯỚC

Thầy hướng dẫn : Nguyễn Hoàng Dũng

Nhóm sinh viên :

1 Hoàng ĐứcGiang Nguyên

2 Nguyễn Phi Tuấn

3 Phạm Quang Vinh

4 Vũ Thị Thanh Thảo 5.Nguyễn Thu Thủy

HÀ NỘI , THÁNG 5-2006

LỜI NÓI ĐẦU Sau một thời gian học tập trên giảng đường của trường đại học bách khoa Hà Nội nói chung hay khoa điện tử viễn thông nói riêng ,chúng em

đã tiếp thu được những kiến thức khoa học và công nghệ Đặc biệt là môn vi xử lý do thầy Nguyễn Hoàng Dũng giảng dạy, chúng em đã có cơ hội chuyển kiến thức lý thuyết thành sản phẩm thực tế qua đề tài “ Điều khiển chuyển động rôbôt bằng động cơ bước” Nhận được sự quan tâm

và chỉ bảo của thầy chúng em đã hoàn thành được sản phẩm của mình Qua đây chúng em có thêm được nhiều kiến thức thực tế giúp cho công việc sau này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn.

- Chuyển động động cơ bước theo ý muốn của người lập trình

+ Chuyển động thẳng: tiến, lùi

+ Chuyển động quay trái, phải

+ Điều khiển được tốc độ chuyển động của động cơ.

+ Điều khiển động cơ bước theo đường đi bất kì ( bằng cảm ứng

quang).

+Mạch điều khiển động cơ

+Thiết kế mô hình động cơ

+Viết chương trình điều khiển

II.Sơ đồ khối của hệ thống

III.Thiết kế và phân tích nguyên lý từng khối

1.Khối điều khiển

Để điều khiển chuyển động của động cơ theo ý muốn cần phải có trình dịch chính xác với chuyển động của động cơ, và một nguồn dòng phù hợp đảm bảo cho động cơ hoạt động Có rất nhiều cách làm phục

vụ mục đích này Với việc điều khiển động cơ chỉ cần dòng qua cuộn dây cỡ 500 mA, có thể dùng dãy IC loại dãy Darlington côllêctơ hở : +ULN2003, ULN2803

+DS2003( national semiconductor 2003) ,MC1413(motorola)

Tuy nhiên những cách làm trên chỉ sử dụng cho những động cơ nhỏ, trên thực tế chúng tôi dùng IC opto coupler và IC tip 122 có cấu tạo dùng mạch mắc theo kiểu Darlington

a.Một số đăc tính kĩ thuật của tip 122

BCE

đến 8 ampe.

Mạch được mắc theo sơ đồ

Nhưng trên thực tế ta măc tip 122 với opto coupler để dòng vào cực bazơ nhỏ hơn 120 mA thì ta sẽ mắc đầu vào với 1 điện trở R= 10k b.1 số đặc tính kĩ thuật của opto coupler

Khi điều khiển động cơ chuyển động trên mặt đất ta phải dùng một động cơ có công suất lớn với mức điện áp là 12V Mặt khác tín hiệu ra

là một là 5V, điều đó phải kích áp và dòng qua động cơ Có rất nhiều cách khác nhau, và một trong những cách hay chính là dùng opto coupler như một khoá chuyển từ 5V sang 12V và đưa trực tiếp nguồn dòng từ nguồn sang động cơ.Với cấu tạo:

Tuy nhiên cấu tạo của opto coupler(p51) trên thị trường Việt Nam chỉ

có 4 chân 1, 2, 4, 5 mà không có các chân còn lại vì không cần thiết.

IC ULN2003 cho dòng vào cuộn dây I<500 mA.

b Thiết kế mạch tạo chuyển động dùng ULN2003 :

Nối hai IC ULN2003 với :

+ Đầu vào các chân từ 1-4 của 2 IC lần lượt với đầu ra tương ứng 4 bit thấp và cao của 89C51.

+ Đầu ra nối với các chân A, B, C, D của 2 động cơ bước.

Sơ đồ nối chân cụ thể giống như hình vẽ tổng quan của mạch điều khiển động cơ sẽ nói tới sau.

c Giới thiệu sơ lược về IC 89C51

-IC điều khiển 89C51tương thích với họ MSC51 có đặc điểm sau : + 4K Bytes Flash rom

+ 128 Bytes Ram

+ 4 port 8 bit

+ 2 bộ định thời 16 bit

+ Có port nối tiếp

+ Có thể mở rộng bộ nhớ chương trình ngoài 64 K Byte

+ Bộ xử lý bit

- Cấu trúc bên trong của 89C51:

TXD * RXD *

INT\ * 1 INT\ * 0 TIMER2 TIMER1 PORT nối tiếp

EA\ RST PSEN ALE

Các thanh ghi khác

128 byte Ram

Rom 4K-8051 OK-8031

Timer1 Timer2

Các port I\

O Tạo dao

động

- Sơ đồ chân của 89C51 :

40

29 30 31 9

17 16 15 14 13 12 11 10

RD\

WR\

T1 T0 INT1 INT0 TXD RXD

A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8

28 27 26 25 24 23 22 21

8 7 6 5 4 3 2 1

32 33 34 35 36 37 38 39

Po.7 Po.6 Po.5 Po.4 Po.3 Po.2 Po.1 Po.0

AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0

P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0

P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0

PSEN\

ALE EA\

RET

Vcc

20 Vss

30p

30p

XTAL1 XTAL2

-Phương pháp điều khiển động cơ bước

Các cuộn dây được cấp dòng theo vòng Mỗi khi vòng dây được cấp thì động cơ được gọi là quay 1 bước

Hoạt động của từng cuộn dây trong động cơ bước.

A B

C D A',B',C',D'

A

A'

t B

B'

t C

C'

t D

D'

t

Các cuộn dây ABCD được nạp theo chu trình :

“ABCD”= “1001”  “1100”  “0110”  “0011”.

Lúc đó động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ được 1 vòng

Muốn động cơ quay thuận chiều kim đồng hồ thì ta chỉ việc thay đổi ngược lại chu trình nạp trên

Tuy nhiên, chúng em xin sử dụng động cơ bước trên thị trường với các bước khác trong sách:

“ABCD”= “1001”, “1110”, “0110”, “0001” Với các cuộn dây B,C luôn cùng mức điện áp

2.Hoạt động của rôbôt

a.Hoạt động về mặt định tính

+Chuyển động tịnh tiến:

Khi nguồn 5V cung cấp vào toàn mạch và động cơ, tín hiệu thay đổi liên tục sẽ được xuất ra ở cổng P0 đưa vào đầu vào của 4 chân đầu của ULN2003, tín hiệu ra được đưa lần lượt ra 2 động cơ làm cho 2 động cơ chạy cùng lúc với vận tốc như nhau, điều đó sẽ gây ra chuyển động tịnh tiến của rôbôt.

+Chuyển động quay:

Sau khi đi đươc quãng đường, chúng ta muốn động cơ chuyển hướng

Để thực hiện được ta sẽ thôi không xuất tín hiệu ở 4 bít đầu, hay sau, tuỳ theo hướng quay Lúc đó một động cơ sẽ không còn tín hiệu vào và

sẽ không quay Lúc này do sức nặng của bánh đủ làm cho động cơ là một trục quay để bánh còn lại quay quanh chúng Điều đó cũng dẫn đến chuyển động quay của rôbôt

Giải pháp trên rất hiệu quả nhưng chúng cũng có thể thực hiện chuyển động quay của rôbôt bằng cách cho 2 động cơ chuyển động ngược chiều nhau, dẫn đến chuyển động quay như ý muốn.

b.Hoạt động của động cơ về mặt định lượng

Tuỳ thuộc vào chương trình chạy cho trễ( delay) bao nhiêu thì tốc độ động cơ sẽ thay đổi bấy nhiêu Tốc độ v của động cơ tỷ nghịch với hàm trễ

cần tăng hoặc giảm tỉ lệ nghịch hàm delay với tốc độ động cơ.

Theo tính toán thực tế thì rôbốt có thể chạy được với hàm delay có độ trễ là AF.AF đến 5f.5f

V.Thiết kế mạch chạy theo đường đi tuỳ ý

1.Đặt vấn đề

Khi có mạch điều khiển động cơ như trên, chúng em lại muốn phát triển thêm về việc điều khiển rôbốt.Rôbốt chuyển động theo một đường đi nhất định của người lập trình thì không thể linh hoat trong mọi tình huống.Vì vậy, chúng em muốn điều khiển rôbôt theo đường đi vạch ra trên mặt đất, cụ thể ở đây là dải đen sẽ tiếp tục khai thác ở ngay sau

2 Thiết kế mạch

Trên nhưng kinh kiện đã có sẵn trong cuộc sống, bằng tìm tòi nhóm đã quyết định dùng một linh kiện đơn giản đó chính la quang trở Băng sự phụ thuộc của điện trở vào quang nhóm đã thiết kế ra mạch để ngăt ngoài vi điều khiển đồng thời chuyển những chương trình chạy phù hợp của động cơ ứng với các ngắt đó hay nói cách khác là xử lý cho đúng những vấn đề trên đường đi của rôbốt

2.1 Sơ đồ mạch

2.2 Ghép nối và hoạt động của mạch trên đường đi

a.Ghép nối:

Các chân 2,3 của mạch trên được nối với các chân ngắt của động cơ,

cụ thể là chân 2 được nối với chân 12, chân 3 nối với chân 13 của 89C51 b.Hoạt động của mạch

Cơ sở: khi chiếu một nguồn sáng vào quang trở các mức điện trở sẽ thay đổi Vì vây dựa vào các mức điện trở thay đổi ta co thể mắc 1 chân quang trở với âm nguồn và một chân qua trở (r) như hình vẽ

Khi cấp nguồn 5v cho mạch do quang trở nối tiếp với R nên ta có thể tinh được áp chân lên quan trở băng công thức

Để cho mức điện áp trên giữa khi cảm nhận màu đen và màu trắng là lớn và điện áp ở mức 0 phải nhỏ hơn một khá nhiều, đồng thời điện áp ở mức 1 không quá bé ta sẽ tính được R

Trên thực tế chúng ta đo được mức điện áp trên quang trở ở mức màu trắng là 4k và mức màu đen là 40k Chúng ta tính toán và chon trở R=70k.

Tín hiệu này được khuyếch đại bởi tranzitor C828 như hình vẽ Lúc đó

ta có mạch đầu ra ở cực C của tranzitor đạt mức 0 và 1 như yêu cầu Một tín hiệu được qua cổng not đưa sang chân 12, còn lại thì đưa sang chân 13 để thực hiện chương trình ngăt như lập trinh.

Như hướng dẫn chi tiết trong lập trình đã làm cho động cơ chuyển động theo vạch đen một cách chuẩn xác

VI Lập trình vi điều khiển

1 Chương trình điều khiển chuyển động của động cơ theo 1 đường

-MOV 7fh,#01h

MOV IE,#10000001B

RETI

; GO FORWARD Forward:

ljmp int1

; - MAIN PROGRAM org 30h

-MOV 7fh,#01h

MOV IE,#10000001B

RETI

; GO FORWARD Forward:

VI.Tài liệu tham khảo

Kĩ thuật vi xử lý, tác giả: Văn Thế Minh.

Cấu trúc lập trình và họ vi điều khiển 8051, tác giả: Nguyễn Tăng

Cường – Phan Quốc Thắng.

Datasheet và các linh kiện lấy từ trang AT89C51, và các linh kiện khác

Một lần nữa chúng em xin cảm ơn thầy chủ nhiệm bộ môn vi xử lý đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành được bài tập lớn với những kiến thức lý thú Nếu có điều kiện chúng em xin phát triển thêm

về con rôbôt với những tính năng đặc biệt hơn như: cảm ứng đồ vật khi chuyển động hay những tác dụng khác để rôbốt có thể là một công cụ hoàn thiện hơn của con người