Thiết kế chế tạo xe dò đường

MỤC LỤC Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 1. GIỚI THIỆU CHUNG Vi xử lý (viết tắt là µP hay uP), đôi khi còn được gọi là bộ vi xử lý, là một linh kiện điện tử máy tính được chế tạo từ các tranzito thu nhỏ tích hợp lên trên một vi mạch tích hợp đơn. Khối xử lý trung tâm (CPU) là một bộ vi xử lý được nhiều người biết đến và được ví như bộ não của máy tính nhưng ngoài ra nhiều thành phần khác trong máy tính cũng có bộ vi xử lý riêng của nó, ví dụ trên cạc màn hình, ổ đĩa cứng… cũng có các bộ bộ vi xử lý. Vi điều khiển có thể được coi là một máy tính được tích hợp trên một chíp, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào ra, ADC, DAC, timer, ngắt Ở máy tính thì các mô đun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài. Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động, v.v. Hầu hết các vi điều khiển ngày nay được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard, kiến trúc này định nghĩa bốn thành phần cần thiết của một hệ thống nhúng. Những thành phần này là lõi CPU, bộ nhớ chương trình (thông thường là ROM hoặc bộ nhớ Flash), bộ nhớ dữ liệu (RAM), một hoặc vài bộ định thời và các cổng vào/ra để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi và các môi trường bên ngoài - tất cả các khối này được thiết kế trong một vi mạch tích hợp. Vi điều khiển khác với các bộ vi xử lý đa năng ở chỗ là nó có thể hoạt động chỉ với vài vi mạch hỗ trợ bên ngoài. Đề tài thiết kế xe chạy theo đường vẽ sẵn được chúng em thực hiện dựa trên nền kiến thức về mạch điện tử, vi xử lý nói chung và vi điều khiển họ 8051 nói riêng được thầy giáo hướng dẫn trên lớp. Thực hiện đề tài này là tiền đề để chúng em nắm được những kiến thức cơ bản về vi điều khiển 8051, từ đó tạo cơ sở để tiếp tục nghiên cứu những họ vi điều khiển khác như AVR, PIC, ARM… phục vụ trong quá trình học tập và làm việc sau này. Chúng em chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hồng Quang đã hướng dẫn chúng em hoàn thành bài tập này. 2 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 2. MÔ TẢ KĨ THUẬT 2.1 THIẾT KẾ MẠCH Hai mạch chính sử dụng trong bài tập này là mạch SENSORS để dò đường và mạch VI XỬ LÝ VÀ ĐỘNG CƠ để thu tín hiệu, xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển hai động cơ để dẫn hướng. Ngoài ra, để nạp chương trình cho vi điều khiển, chúng em sử dụng mạch nạp ISP loại đơn giản tự làm theo sơ đồ trên mạng Internet. a) MẠCH SENSORS Đường đi của xe được vẽ bằng vạch đen nằm trên nền trắng. Để xe nhận ra được đường đi, chúng em sử dụng các cặp led thu phát hồng ngoại đặt gần nhau. Các led phát phát ra ánh sáng đỏ, các led thu có điện trở phụ thuộc vào có nhận được ánh sáng phản xạ từ đường đi hay không. Khi cặp thu phát ở vị trí nền trắng, ánh sáng từ led phát phát ra phản xạ trên nền trắng và tới led thu. Led thu thu được ánh sáng này thì điện trở giảm xuống, điện áp ở cực Anot của led thu gần về 0. Ngược lại, ở vị trí vạch đen, ánh sáng từ led phát phát ra không phản xạ lại được do bị vạch đen hấp thụ. Led thu không nhận được ánh sáng này nên điện áp ở cực Anot của nó gần bằng 5 V. Điện áp ra từ led thu được đem so sánh với điện áp chuẩn đã được tinh chỉnh hợp lý qua IC LM324 để cho ra mức logic 0-1, đưa vào vi điều khiển xử lý. Hình ảnh minh họa như sau: 3 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 IC LM324 gồm 4 bộ so sánh. Mỗi bộ so sánh được minh họa như hình bên. Trong đó, đầu vào đảo nối với cực Anot của led thu và đầu vào không đảo nối với điện áp so sánh từ chiết áp. 4 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Khi led ở ngoài nền trắng, mức điện áp trên led thu đo được là 3.0V, ngược lại, mức điện áp thu đo được khi bắt vào vạch đen là 4.6 V. Điện áp so sánh (Vref) được đặt qua biến trở 10k là 3.8 V. Khi ở ngoài nền trắng: V led thu <V ref nên Output=1 Khi bắt vạch đen: V led thu >V ref nên Output=0 Để bắt đường được tốt, chúng em sử dụng 6 cặp led thu phát được bố trí như sau (LT: Led thu; LP: Led phat): LT3 LP3 LT1 LT2 LT5 LT6 LP1 LP2 LP5 LP6 LT4 LP4 5 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Sơ đồ nguyên lý mạch SENSORS: Sơ đồ mạch in: 6 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 b) MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐỘNG CƠ  Khối NGUỒN: Trong khối nguồn chúng ta sử dụng 1 bình ắc quy khô 12V.Mặt khác hệ thốngiều khiển cần phải có nguồn 5V để cung cấp cho khối VI ĐIỀU KHIỂN và khối SENSORS. Để tạo nguồn 5V DC chúng ta sử dụng IC ổn áp 7805, với đầu vào gồm đất chung của toàn hệ thống và nguồn 12 VDC lấy trực tiếp từ nguồn ắc quy. IC ổn áp LM7805 được lắp một tản nhiệt loại nhỏ để tản bớt nhiệt khi hoạt động giúp khối nguồn cũng như toàn bộ mạch hoạt động ổn định. Mạch nguồn như sau: Trong mạch nguồn có sử dụng một cầu chì kí hiệu là SW2 phòng xảy ra sự cố chập mạch, nhằm bảo vệ cho mạch nguồn cũng như các khối liên quan khác.  Khối VI ĐIỀU KHIỂN Khối này gồm có Vi điều khiển AT89S52, mạch RESET, mạch tạo dao động, các led báo vạch về từ mạch SENSORS, Jumpers đầu vào dùng để nạp ISP. + Vi điều khiển AT89S52 được chúng ta sử dụng vì nó có đầy đủ những chức năng của vi điều khiển AT89C51. Ngoài ra còn có thêm một timer (timer2) và có bộ nhớ Flash, công nghệ nạp ISP (In System Programming) tức là nạp mà không cần tháo chip ra khỏi mạch, giúp việc lập trình và test rất thuận tiện. Giá thành thậm chí còn rẻ hơn AT89C51. + Mach RESET có chức năng reset lại hoạt động của vi điều khiển, được nối vào chân số 9 của vi điều khiển là chân tích cực cao. Khi chân số 9 được set lên 1 thì vi điều khiển được reset lại. Để chống rung khi ấn nút, chúng ta dùng một tụ hóa nối song song với nút ấn. + Mạch DAO ĐỘNG sử dụng thạch anh 12Mhz, như vậy một chu kì máy là 1us, rất thuận tiện cho việc tính toán và lập trình. Tuy nhiên có hạn chế là không thể 7 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 truyền thông với máy tính qua cổng COM (đòi hỏi thạch anh 11.0592Mhz). Thạch anh này được nối đất với tụ gốm 33p để lọc nhiễu. + Các Jumpers dùng để nạp ISP sử dụng mạch nạp ISP loại đơn giản, chỉ cần dùng 5 chân: GND, MOSI, MISO, SCK, RESET nối với cổng LPT của máy tính thông qua jack DB25. Sử dụng kiểu nạp ISP này rất thuận tiện khi lập trình và test xe vì không phải tháo chip (hạn chế hỏng, gẫy chân chip), tốc độ nạp chấp nhận được, ít khi bị lỗi, chi phí thấp. + Các led báo vạch về dùng để phản ánh tình trạng của các led thu phát ở mạch SENSORS. Khi một cặp thu-phát bắt vào vạch đen thì led báo tương ứng sẽ sáng lên và ngược lại. Nói cách khác, các led báo này phản ánh vị trí lệch của xe so với vạch đen, từ đó giúp debug chương trình thuận tiện hơn rất nhiều.  Khối LCD HIỂN THỊ Trong bài tập này chúng ta sử dụng một LCD để giới thiệu cũng như hiển thị những thông tin cần thiết khác, đồng thời học cách giao tiếp giữa hai vi xử lý. Do LCD tiêu thụ dòng khá lớn đặc biệt là khi bật đèn nền, làm mau hết ắcquy nên 8 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 chỉ sử dụng LCD với những trường hợp cụ thể. Để bật tắt đèn nền, chúng ta sử dụng một bóng thuận A1015, được điều khiển bởi chân P0.7 của vi điều khiển. Khi P0.7=0 thì bóng thông, cực A của LCD được nối với nguồn 5V, đèn nền sáng và ngược lại. Ngoài ra trong khối còn sử dụng một biến trở 10k tạo điện áp ra đưa vào chân VEE của LCD để điều chỉnh độ tương phản. Khi điện áp EE 0 V U ≈ thì độ tương phản là lớn nhất, EE 5 V U ≈ V thì độ tương phản là nhỏ nhất.  Khối ĐỘNG CƠ Để điều khiển động cơ quay thuận ngược nhanh chậm, chúng ta không thể dùng trực tiếp các chân của vi điều khiển được vì dòng ra của chân vi điều khiển nhỏ. Do vậy chúng ta sử dụng IC L293D gồm hai mạch cầu H bên trong, mỗi mạch cầu H dùng điều khiển một động cơ có sơ đồ khối như hình vẽ: 9 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Trong khối này còn sử dụng một công tắc nguồn, có tác dụng bật tắt động cơ khi điều chỉnh vị trí của xe trước khi chạy. Bảng chân lý mô tả hoạt động của L293D trên một kênh như sau Giả sử ta cần điều khiển động cơ bên trái. Ba chân cần điều khiển là IN1, IN2, EN1 và đầu ra OUT1 OUT2 của L293D được nối với hai dây của động cơ một chiều. TRẠNG THÁI IN1 IN2 EN1 DỪNG X X 0 QUAY THUẬN 1 0 1 QUAY NGƯỢC 0 1 1 10 [...].. .Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Mạch in tổng hợp: 11 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50  Mạch nạp ISP Mạch nạp sử dụng là loại mạch ISP đơn giản, có sơ đồ như hình dưới: • Mạch nạp thực tế: 12 Thiết kế xe dò đường 2.2 Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 MÔ TẢ PHẦN CỨNG CPU Cấu trúc chung của bộ vi điều khiển 8051:... nhược điểm của ngôn ngữ này là khó hiểu và rắc rối Sơ đồ khối điều khiển được tóm tắt như sau: 2.4 16 Thiết kế xe dò đường MẠCH SENSORS Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XE CHUYỂN ĐỘNG Lưu đồ thuật toán điều khiển: 17 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 KHỞI TẠO GIỚI THIỆU DÒ ĐƯỜNG NO YES LỆCH Đi thẳng Cua trái Or Cua phải NO VẠCH YES Chương trình con khi bắt vạch đích 2.5... điện Do vậy chúng ta chỉ bật đèn LCD khi cần hiển thị ở những trường hợp cần thiết Hình ảnh sản phẩm hoàn chỉnh 22 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 4 KẾT LUẬN Qua quá trình làm bài tập lớn vi xử lý với sản phẩm thực tế là chiếc xe chạy theo đường đi này, chúng em đã học hỏi được rất nhiều kiến thức: thiết kế xe, thiết kế mạch, làm mạch in, lập trình, hiệu chỉnh… Điều quan trọng là chúng em đã... 19 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Mạch SENSORS Mạch vi VI ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐỘNG CƠ  Lập trình Đây có thể coi là vấn đề phức tạp nhất vì là linh hồn của xe tự hành, điều khiển toàn bộ hoạt động của xe và cũng là vấn đề tiêu tốn nhiều thời gian nhất Vấn đề 1: Đọc và xử lý tín hiệu SENSORS Tính toán, thu thập các trường hợp xe lệch ra khỏi đường, xe gặp khúc cua, xe không bắt được vạch đen, xe. .. L293: tốt 18 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 3 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ PHÂN TÍCH LỖI Trong quá trình thực hiện bài tập lớn, chúng em gặp một số khó khăn sau và đã từng bước khắc phục  Tài liệu Đây là lần đầu tiên thực hiện một sản phẩm thực dựa trên nền kiến thức học tập được nên nhiều vấn đề chưa được thông suốt Trước hết, là cách làm xe về cơ khí, thiết kế mạch, dò đường ra sao, cua xe trái phải... không quay đều nhau 21 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Một số trường hợp ở về thu thập tín hiệu SENSORS có cùng một kết quả tuy nhiên lại có những các giải quyết khác nhau nên động cơ lúc quay thế này, lúc quay thế khác Do vậy chúng em đã hiệu chỉnh lại Kết quả: Động cơ chạy đúng, bám đường tốt, xử lý góc cua khá, xe chạy ổn định, theo đúng chương trình đã lập sẵn Hạn chế: Xe chuyển động chưa... PHẦN KHÁC  Thân xe Thân xe được làm từ một miếng nhựa tổng hợp, kích thước 15x20 cm, đằng trước có gắn bánh lái có thể quay 360o, do vậy chuyển động của xe phần lớn do hai bánh sau quyết định Hai bánh đằng sau được lắp vào hai trục của động cơ một chiều để lái chiều chuyển động của xe Hai động cơ sử dụng là động cơ một chiều loại 15V được gắn chặt vào thân xe 2.3 15 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH... ra khỏi đường, xe gặp khúc cua, xe không bắt được vạch đen, xe bắt vạch đích, xe cua ở góc cua gấp… Xử lý các trường hợp trên như thế nào? Trong quá trình test xe, nhiều khi Sensors bắt không chuẩn hoặc không ổn định 20 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Khắc phục: Để thu thập các trường hợp, dùng tay đẩy xe đi theo đường đặc biệt là các khúc cua và ghi tín hiệu hiển thị trên các led báo về,... tài liệu trên mạng Internet… Kết quả: Học hỏi được nhiều kinh nghiệm làm robot đơn giản từ các nguồn trên, các tutorial về thiết kế mạch, thiết kế cơ khí, băm xung, ngắt…  Vật tư Vấn đề: Các linh kiện điện tử khá sẵn (chợ Trời, Hàn Thuyên…) Tuy nhiên một số chi tiết cơ khí khó tìm hơn: các bánh xe, thân xe Nguồn ắcquy cũng rất quan trọng, cung cấp năng lượng cho toàn bộ xe Khắc phục: Tìm mua trong... cho toàn bộ xe Khắc phục: Tìm mua trong chợ Trời, các cửa hàng bán đồ cơ khí, cửa hàng bán đồ cũ, cửa hàng sửa chữa xe máy… Kết quả: Tìm mua đủ các vật tư và tiến hành lắp ráp hoàn chỉnh toàn bộ xe gồm mạch điều khiển và kết cấu cơ khí  Thiết kế mạch Vấn đề: Chưa có kinh nghiệm về thiết kế mạch thực tế, cần giải quyết các vấn đề: vẽ mạch nguyên lý và mạch in sử dụng hai phần mềm Orcad Capture và Orcad . IN2 EN1 DỪNG X X 0 QUAY THUẬN 1 0 1 QUAY NGƯỢC 0 1 1 10 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Mạch in tổng hợp: 11 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50  Mạch nạp ISP Mạch nạp sử dụng. bài tập này. 2 Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 2. MÔ TẢ KĨ THUẬT 2.1 THIẾT KẾ MẠCH Hai mạch chính sử dụng trong bài tập này là mạch SENSORS để dò đường và mạch VI. sau: 16 MẠCH SENSORS MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ XE CHUYỂN ĐỘNG Thiết kế xe dò đường Nhóm 2 – TĐH 4 – K50 Lưu đồ thuật toán điều khiển: 17 KHỞI TẠO GIỚI THIỆU DÒ ĐƯỜNG LỆCH YESNO Cua trái Or Cua phải Đi