Đồ án tốt nghiệp cơ điện tử Chế tạo Robot 2 bậc tự do

Khái niệm về robot công nghiệp Định nghĩa theo theo AFNOR Pháp: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình

LỜI CẢM ƠN.

Đầu tiên, em xin cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Giao Thông Vận Tải nói chung và các thầy cô giáo trong ngành Cơ điện tử nói riêng đã tận tìnhgiảng dạy, truyền đạt cho em nhưng kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong thời gian qua Đặc biệt, em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới thầy giáo Trịnh Tuấn Dương đã tận tình giúp đỡ, chỉ bảo và trực tiếp hướng dẫn em trong thời gian qua để em hoàn thành tốt

đồ án tốt nghiệp của mình

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn này của em không tránh khỏi nhữngsai sót Kính mong nhận được sự chỉ bảo của thầy cô và sự góp ý của các bạn

Hà nội, 5 tháng 5 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Quốc Việt

TÓM TẮT

Được sự hướng dẫn của thầy Trịnh Tuấn Dương em đã tiến hành nghiên cứu và trình bày luận văn trong năm chương:

Chương 1 “Nghiên cứu tổng quan về Robot” Trong chương này em trình bày tóm tắt

cơ sở, lịch sử phát triển của robot, các khái niệm, định nghĩa vai trò của robot và các ứngdụng, các xu thế trong tương lai và tình hình tiếp cận Robot trong sản xuất công nghiệp nay Đây là các kiến thức cơ sở cần thiết trước khi nghiên cứu về động học robot

Chương 2 Giới thiệu các linh kiện trong đồ án, về cấu tạo, chức năng và nguyên lí hoạt động của chúng

Chương 3 Phần thiết kế và thi công nội dung chính là thiết kế mạch, nguyên lí hoạt động các khối trong sơ đồ nguyên lí,các phần mềm trong quá trình thiết kế và thi công và

sơ đồ khối tổng quan hoạt động nguyên lí

Chương 4 “Kết luận chung” Nội dung chính của chương cuối này là trình bày tóm tắtlại một số kết quả chính mà luận văn đạt được cùng với đó là một số vấn đề có thể tiếp tục

mở rộng nghiên cứu trong luận văn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT 2

MỤC LỤC 3

MỤC LỤC HÌNH 5

LỜI NÓI ĐẦU 6

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 7

1.1 Robot công nghiệp: 7

1.1.1.Sự ra đời của robot công nghiệp: 7

1.1.2.Phân loại tay máy robot công nghiệp: 8

1.1.3 Ứng dụng của robot công nghiệp 10

1.1.3.1.Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp: 10

1.1.3.2.Các lĩnh vực ứng dụng của robot công nghiệp 10

1.1.3.3.Các xú thế ứng dụng robot trong tương lai: 11

1.1.3.4.Tình hình tiếp cận và ứng dụng robot công nghiệp ở việt nam: 11

1.2 Tổng quan về robot sẽ xây dựng trong đề tài 12

1.2.1 Yêu cầu chung 12

CHƯƠNG 2:CÁC LOẠI LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI 13

2.1.Vi điều khiển 13

2.1.1 Lược sử về vi điều khiển PIC 13

2.1.2 Ưu thế của PIC 13

2.1 3Cấu trúc vi điều khiển PIC 14

2.1.4 Vi điều khiển sử dụng trong đồ án tôt nghiệp PIC18F4523 16

2.1.4.1.Một số đặc điểm của Vi điều khiển PIC18F4523 16

2.1.4.2.chức năng các chân của vi điều khiển PIC18F4523 21

2.1.4.3 Tổ chức bộ nhớ 22

2.1.4.4 Mục đích chung Thanh ghi 24

2.1.4.5.SFR Đăng ký 25

2.1.4.6 Bộ nhớ RAM các ngân hàng 25

2.1.4.7.Bộ chuyển đổi ADC 26

2.1.4.8.Các loại ngắt 28

2.2.Động cơ 30

2.2.1.Động cơ bước 30

2.2.1.1.Thông số kỹ thuật 31

2.2.1.2.điều khiển động cơ step motor 28BYJ-48 31

2.2.2.Động Servo 32

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 36

3.1.Thiết kế mạch 36

3.1.1 sử dụng phần mêm Altium thiết kế mạch 36

3.1.2.Các khối hoạt động trong sơ đồ nguyên lí 39

3.2.Phần mêm Visual basic6.0 46

3.3.Phần mềm PIC C 48

3.4.Sơ đồ khối tổng quát nguyên lí hoạt động 50

KẾT LUẬN 54

1 Sau khi hoàn thành đồ án đạt được kết quả sau: 54

2.Những mặt hạn chế của đồ án 54

3.Hướng phát triển của đề tài 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 56

MỤC LỤC HÌN Hình2.1: Cấu truc Von-Neumann và cấu trúc Havard 12

Hình.2 3 Sơ đồ chân vi điều khiển pic 18F4523 17

Hình.2 4 Sơ đồ các khối chức năng của vi điều khiển 18F4523 18

Hình.2 5 bộ nhớ ROM 21

Hình.2 6 Định địa chỉ và Thanh ghi mục đích chung 22

Hình.2 7 Địa chỉ ngăn 24

Hình.2 8 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC 26

Hình.2 9 động cơ step motor 28BYJ-48 28

Hình.2 10 hình ảnh động cơ servo rc 31

Hình.2 11 sơ đồ chu kỳ xung 32

Hình.2 12 sự tương quan giữa vị trí của trục servo với độ rộng của xung điều khiển 32

Y Hình.3 1 Cửa sổ làm việc của phần mềm Altium 34

Hình.3 2 Sơ đồ nguyên lí 35

Hình.3 3 Mạch in 36

Hình.3 4 khối điều khiển động cơ bước 37

Hình.3 5 Sơ đồ nguyên lí IC ULN2803 38

Hình.3 6 Bộ tạo dao động 38

Hình.3 7 Bộ reset 39

Hình.3 8 Bộ kết nối động cơ servo 40

Hình.3 9 Bộ kết nối nap code cho pic 40

Hình.3 10 Giao diện pickit2 v2.61 41

Hình.3 11 Bộ nguồn 42

Hình.3 12 Bộ giao tiếp may tính 42

Hình.3 13 kêt cấu Max232 43

Hình.3 14 Cửa sổ làm việc của Visual basic6.0 điều khiển cánh tay robot 45

Hình.3 15 Giao diện PIC C 46

Hình.3 16 Qúa trình lập trình,biên dich và nạp cho PIC 47

Hình.3 17 Sơ đồ nguyên li hoạt đông 48

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa,hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa sản xuất

có vai trò đặc biệt quan trọng

Mục tiêu ứng dụng kỹ thuật robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ,nâng cao năng suất,khă năng cạnh tranh của sản phẩm,đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự cạnh tranh hang hóa đặ ra một vấn đề thời sự là làm sao để hệ thống tự động hóa sản xuất phải có tính linh hoạt nhằm đáp ứng với sự biến động thường xuyên của thị trường hang hóa Robot công nghiệp là bộ phận cấu tạo thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động linh hoạt đó

Gần nửa thế kỉ có mặt trong sản xuất Robot công nghiệp đã có một lịch sử phát triển hấp dẫn Ngày nay, robot công nghiệp được dùng rộng rãi ở nhiều lĩnh vực sản xuất Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của các loại robot đã được lựa chọn và đúc kết qua bao nhiêu năm ứng dụng ở nhiều nước

Ở nước ta,trước nhưng năm 1990 hầu như chưa du nhập về kĩ thuật robot Từ năm

1990 nhiều cơ sở công nghiệp đã bắt đầu nhập ngoại nhiều loại robot phục vụ các việc như tháo lắp dụng cụ cho các trung tâm CNC, lắp ráp linh kiện điện tử, hàn vỏ xe ô tô ,xe máy và phun phủ bề mặt…Có những nơi đã bắt đầu thiết kế chế tạo và lắp ráp robot Có thể nói robot đã và đang góp phần rất lớn vào sự nghiệp công nghiệp hóa hiện đại háo đất nước với nhưng ý nghĩa to lớn đó của robot công nghiệp,chắc nhắn nghành công nghiệp chế tạo và ứng dụng robot sẻ phát triển mạnh trong tương lai

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP

1.1 Robot công nghiệp:

Khái niệm về robot công nghiệp

Định nghĩa theo theo AFNOR (Pháp): Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động

tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng,di chuyển các đối tượng vật chất:chi tiết,dao cụ, gá lắp…Theo những hành trình thay đổi đã chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau

Định nghĩa theo RIA ( Robot Institute of America): Robot là một tay máy vạn năng cóthể lặp lại các chương trình được thiết kế để di chuyển vật liệu, chi tiết,dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dung thong qua các chương trình chuyển động có thể thay đổi để hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau

Định nghĩa theo GOCT25686-85( Nga): Robot công nghiệp là một máy tự động được đặt cố định hoặc di động được,liên kết giữa một tay máy và một hệ thống điều khiển theo chương trình, có thể lập trình lại để hoàn thành các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Có thể nói robot công nghiệp là một máy tự động linh hoạt thay thế từng phần hoặc các hoạt động cơ bắp và hoạt động trí tuệ con người trong nhiều khả năng thích nghi khác nhau

1.1.1.Sự ra đời của robot công nghiệp:

Thuật ngữ “robot” lần đầu tiên xuất hiện năm 1922 trong tác phẩm “Rosum’s

Universal Robot” của Karal Capek Theo tiêng séc thì robot là người làm tạp dịch Trong tác phẩm này nhân vật Rosum và con trai ông đã chế tạo ra những chiếc máy gần giống như con người để hầu hạ con người Hơn 20 năm sau, ước mơ viễn tưởng của Karal Capek đã bắt đầu thực hiện Ngay sau chiến tranh lần thư 2 ở Mỹ đã xuất hiện những tay máy chép hình điều khiển từ xa,trong các phòng thí nghiệm phóng xạ Năm 1959 Devol

và Engelber đã chế tạo robot công nghiệp đầu tiên tại công ty Umanition

Năm 1967 Nhật Bản mới nhập về một chiếc robot đầu tiên của công ty AMF của Mỹ đến năm 1990 có hơn 40 công ty của Nhật trong đó có những công ty không lồ như

Hitachi, Misubishi, Honda đã đưa ra thị trường nhiều loại robot nổi tiếng

Từ những năm 70, việc nâng cao tính năng của robot đã chú ý nhiều đén sự lắp đặt thêm các cảm biến ngoại tín hiệu để nhận biết môi trường làm việc Tại trường đại học

tính trên cơ sở xử lí thong tin từ các cảm biến lực và thị giác Vào thời gian này công ty IBM đã chế tạo robot có cảm biến xúc giác và cảm biến lực điều khiển băng máy vi tính

để lắp ráp các máy in gồm 20 cụm chi tiết

Những năm 90 do áp dụng rộng rãi những tiến bộ khoa học về vi xử lí và công nghệ thông tin số lượng robot công nghiệp đã tăng nhanh,giá thành giảm đi rõ rệt, tính năng đã

có nhiều bước tiến vượt bậc Nhờ vậy robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại Ngày nay chuyên nghành khoa học nghiên cứu về robot

“Robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong khoa học bao gồm các vấn đề trong cấu trúc cơ cấu động học,động lực học lập trình quỹ đạo, cảm biến tín hiệu, điều khiển chuyểnđộng…

1.1.2.Phân loại tay máy robot công nghiệp:

Ngày nay,nói đến robot công nghiệp thường ta hay hình dung ra một cơ thể máy móc tương tự con người,có khả năng sử dụng công cụ lao động để thực hiện công việc thay cho con người, thậm chí có thể tính toán hay có khả năng hành động theo ý chí

Trong thực tiễn kỹ thuật, khái niệm robot hiện đại được hiểu khá rộng, mà theo đó robot là ”tất cả các hệ thống kỹ thuật có khả năng cảm nhận và xử lí thông tin cảm nhận được, để sau đó đưa ra hành xử thích hợp” Theo cách hiểu này, các hệ thống xe tự hành, hay thậm chí một thiết bị xây dựng có trang bị một cảm biến thích hợp như camera cũng được gọi là robot Các khái niệm như Hexapod, Prallel robot,tripod, Gait biped,

Manipulator robocar hay Mobile robot nhằm chỉ vào các hệ thống robot không gắn liền với các hình dung ban đầu của con người

Trong nội dung đồ án chỉ nhằm vào robot công nghiệp, thực chất là một thiết bị tay máy Công nghệ tay máy là công nghệ của dạng thiết bị kỹ thuật có khả năng thực hiện các chuyển động theo nhiều trục trong không gian, tương tự như con người

Về cơ bản có thể phân thành 2 loại chính:

+ Loại điều khiển theo chương trình gồm 2 họ:

Chương trình cứng: các thiết bị bốc dỡ, xếp đặt có chương trình hoạt động cố định Tahay gặp họ này trong các hệ thống kho hiện đại chúng có rất ít trục chuyển động và chỉ thu thập thong tin về quảng đường qua các tiếp điểm hành trình Ta không thể điều khiển theo một quỹ đạo mong muốn

Chương trình linh hoạt: là họ robot mà người sử dụng có khả năng thay đổi chương trình điều khiển chúng tùy theo đối tượng công tác Ta hay gặp chúng trong các công đoạn như hàn, sơn hay rắp ráp của công nghiệp ô tô.

 Loại điều khiển thong minh có 2 kiểu chính:

Manipulator: là loại tay máy được điều khiển trực tiếp bởi con người, có khả năng lặp lai các chuyển động của tay người Bản chất là dạng thiết bị hỗ trợ cho sự khéo léo, cho trí tuệ, cho hệ thống giác quan và kinh nghiệm của người sử dụng hay được sử dung trong các nhiệm vụ cần chuyển động phức hợp có tính chính xác cao, hay môi trường phù hợp cho sức khỏe, môi trường khó tiếp cận…

Telemaniputalor: là loại Maniputalor được điều khiển từ xa và người điều khiển phải

sử dụng hệ thống camera để quan sát môi trường sử dụng

Theo tiêu chuẩn châu Âu EN775 và VDI2860 của Đức có thể hiểu “robot công nghiệp

là một Automat sử dụng vạn năng để tạo chuyển động nhiều trục, có khả năng lập trình linh hoạt các chuổi chuyển động và quảng đường (góc) để tạo nên chuyển động theo quỹ đạo Chúng có thể được trang bị thêm các ngón(Grippe), dụng cụ hay các công cụ gia công và có thể thực hiện các nhiệm vụ của đôi tay hay các nhiệm vụ gia công khác

Như vậy robot công nghiệp khác các loại tay máy còn lại ở 2 điểm chính là “sử dụng vạn năng” và “ khả năng lập trình linh hoạt”

1.1.3 Ứng dụng của robot công nghiệp

1.1.3.1.Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp:

Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm nâng cao năng suất dây truyền công nghệ,giảm giá thành,nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm,đồng thời cải thiện điều kiện lao động Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của robot là:

Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lí bằng hoặc hơn người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc Do đó robot giúp nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm

khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng robot là vì giảm được đáng kể chi phícho người lao động

Robot giúp tăng năng suất dây chuyền công nghệ

Robot giúp cải thiện điều kiện lao động Đó là ưu điểm nỗi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải làm việc trong môi trường ẩm ướt nóng nực Thậm chí rất độc hại đến sức khỏe và tính mạng như môi trườnghóa chất điện từ,phóng xạ…

1.1.3.2.Các lĩnh vực ứng dụng của robot công nghiệp

Robot công nghiệp được úng dụng rất rộng rãi trong sản xuất,xin được nêu ra một số lĩnh vực chủ yếu:

+ Kỹ nghệ đúc

+ Gia công áp lực

+ Các quá trình hàn và nhiệt luyện

+ Công nghệ gia công lắp ráp

+ Phun sơn vận chuyển hang hóa…

1.1.3.3.Các xú thế ứng dụng robot trong tương lai:

+ Robot ngay càng thay thế trong lao động

+ Robot ngày cành trở nên chuyên dụng

+ Robot ngày càng được đảm nhận nhiều loại công việc lắp ráp

+ Robot di động ngày càng trở nên phổ biến

+ Robot ngày càng trở nên tinh khôn

1.1.3.4.Tình hình tiếp cận và ứng dụng robot công nghiệp ở việt nam:

Trong giai đoạn trước năm 1990,hầu như trong nước hoàn toàn chưa du nhập về kỹ thuật robot, thâm chí chưa nhận nhiều thong tin kỹ thuật về lĩnh vực này Tuy vậy với mục tiêu chủ yếu là tiếp cận lĩnh vực mới mẻ này trong nước đã triển khai các đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước: đề tài 58.01.03 và 52B03.01

Giai đoạn tiếp theo năm 1990 các nghành công nghiệp trong nước bắt đầu đổi mới Nhiều cơ sở đã nhập ngoại nhiều loại robot công nghiệp phục vụ các công việc như: tháo lắp dụng cụ,lắp ráp linh kiện điện tử, hàn vỏ ô tô xe máy,phun phủ các bề mặt

Một sự kiện đang chú ý là tháng 4 năm 1998 nhà máy Roze/robotech đã bước vào hoạt động ở khu công nghiệp nomura hải phòng Đây là nhà máy đầu tiên ở việt nam chế tạo và lắp ráp robot

Nhưng năm gần đây, trung tâm nghiên cứu kỹ thuật tự động hóa, trường đại học Bách khoa Ha Nội, đã nghiên cứu một loại robot mới là robot RP thuộc loại robot phỏng sinh (bắt chước cơ cấu tay người) Hiên nay đã chế tạo 2 mẫu robot RPS-406 dùng để phun men và robot RPS-4102 dùng trong công nghê bề mặt

Ngoài ra trung tâm còn chế tạo các loại robot khác như robot:SCA mini dung để dạy học, robocar công nghiệp phục vụ phân xưởng,robocar chữ thập đỏ cho người tàn tật… bên cạnh đó còn xây dưng các thuật toán mới để điều khiển robot,xây dựng “thư viện” các

mô hình của robot trong máy tính…

1.2 Tổng quan về robot sẽ xây dựng trong đề tài

1.2.1 Yêu cầu chung

 Yêu cầu về tính năng:

+ Một khớp trục quay 360 độ.

+ một khuỷu tay nâng lên hạ xuống

 Yêu cầu về kích thước:

Trong phạm vi đồ án là nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm mô hình robot nên kích thước robot cũng chỉ nhỏ gọn đảm bảo những yêu cầu đặt ra

 Điều kiện chế tạo thực tế:

Những thiết bị, linh kiện để chế tạo linh kiện phải thông dụng, dễ kiếm, mọi quá trình chế tạo cần được đơn giản hóa tối đa Đây cũng có thể coi là tiêu chí quan trọng bậc nhất trong quá trình thiết kế cũng như chế tạo robot

CHƯƠNG 2:CÁC LOẠI LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI

2.1.Vi điều khiển

2.1.1 Lược sử về vi điều khiển PIC

PIC bắt nguồn là chữ viết tắt của "Programmable Intelligent Computer" (Máy tính thông minh khả trình) là một họ vi điều khiển RISC (Reduced Instruction Set Computer) được sản xuất bởi công ty Microchip Technology.

Dòng PIC đầu tiên là PIC1650 được phát triển bởi Microelectronics Division thuộc General Instrument Lúc này, PIC1650 được dùng để giao tiếp với các thiết bị ngoại vi cho máy chủ 16bit CP1600, vì vậy, người ta cũng gọi PIC với tên "Peripheral Interface Controller" (Bộ điều khiển giao tiếp ngoại vi) CP1600 là một CPU tốt, nhưng lại kém về các hoạt động xuất nhập, và vì vậy PIC 8-bit được phát triển vào khoảng năm 1975 để hỗ trợ hoạt động xuất nhập cho CP1600 PIC sử dụng microcode đơn giản đặt trong ROM,

và mặc dù, cụm từ RISC chưa được sử dụng thời bây giờ, nhưng PIC thực sự là một vi điều khiển với kiến trúc RISC, chạy một lệnh một chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ dao động)

Năm 1985 General Instruments bán bộ phận vi điện tử của họ, và chủ sở hữu mới hủy

bỏ hầu hết các dự án - lúc đó đã quá lỗi thời Tuy nhiên PIC được bổ sung EEPROM để tạo thành 1 bộ điều khiển vào/ra khả trình Ngày nay rất nhiều dòng PIC được xuất xưởngvới hàng loạt các module ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC ), với bộ nhớ chương trình từ 512 Word đến 32K Word

2.1.2 Ưu thế của PIC

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều họ vi điều khiển như 8051, PIC, Motorola 68HC,AVR, ARM, Trong giáo trình này chúng ta chọn PIC và đặc biệt là PIC18F4431 để nghiên cứu và tìm hiểu về vi xử lý vì các lý do sau:

Họ vi điều khiển này có thể tìm mua dễ dàng tại thị trường Việt Nam

Giá thành không quá đắt

Có đầy đủ tính năng của một vi điều khiển khi hoạt động độc lập

Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới, họ vi điều khiển PIC được xử dụng khá rộng rãi Điều này tạo thuận lợi trong quá trình tìm hiểu và phát triển các ứng dụng như:

số lượng tài liệu, số lượng các ứng dụng mở đã được phát triển thành công, dễ dàng trao đổi, học tập, dễ dàng tìm được sự chỉ dẫn khi gặp khó khăn,

Sự hỗ trợ của nhà sản xuất về trình biên dịch, các công cụ lập trình, nạp chương trình

từ đơn giản đến phức tạp

Có nhiều tính năng đa dạng và các tính năng này không ngừng được phát triển.

2.1 3Cấu trúc vi điều khiển PIC

Cấu trúc phần cứng của vi điều khiển được thiết kế theo hai dạng cơ bản là cấu trúc Havard và cấu trúc Von-Neumann Điểm khác biệt giữa hai dạng cấu trúc này là cấu trúc

bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình

+ ROM (Program)

x8

RAM

CPUx8

ROM (Program)

Hình2.1: Cấu truc Von-Neumann và cấu trúc Havard

Đối với cấu trúc Von-Neumann, bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung trong một bộ nhớ do đó ta có thể tổ chức, cân đối một cách linh hoạt giữa bộ nhớ dữ liệu

và bộ nhớ chương trình Tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa khi tốc độ xử lý của CPU phải rất cao, vì với cấu trúc đó trong cùng một thời điểm CPU chỉ có thể tương tác với bộ nhớ

dữ liệu hoặc bộ nhớ chương trình Đối với cấu trúc này, độ dài lệnh luôn là bội số của 1 byte (do dữ liệu chưa được tổ chức thành từng byte)

Đối với cấu trúc Havard bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách ra thành các thành phần riêng biệt Như vậy, trong cùng một thời điểm CPU có thể truy xuất đến cả hai

bộ nhớ Điều này giúp cho tốc độ xử lý của vi xử lý tăng lên Ngoài ra, tập lệnh trong cấu trúc Havard có thể được tối ưu tùy theo yêu cầu cấu trúc của vi điều khiển mà không phụ thuộc cấu trúc dữ liệu Ví dụ, đối với vi điều khiển PIC dòng 16Fxxx thì độ dài lệnh luôn

là 14-bit

Tổ chức phần cứng của các dòng vi điều khiển PIC được thiết kế theo cấu trúc

Havard Việc được thiết kế theo cấu trúc Havard giúp cho tập lệnh của vi điều khiển PIC được tối ưu, cấu trúc lệnh không phụ thuộc cấu trúc dữ liệu và có thể linh động tùy chỉnh theo khả năng và tốc độ của từng vi điều khiển

Bộ nhớ chương trình

Flash (Flash Program Memory)

Thanh ghi lệnh

(Instruction resister)

Bộ đếm chương trình (Program counter)

Stack

RAM file resisters

Address MUX

SFR Thanh ghi trạng thái

Hình.2.2: Cấu trúc các khối bên trong của vi điều khiển PIC

2.1.4 Vi điều khiển sử dụng trong đồ án tôt nghiệp PIC18F4523

2.1.4.1.Một số đặc điểm của Vi điều khiển PIC18F4523

Vi điều khiển PIC18F4523 là loại vi điều khiển 8 bit pic

Mcrocontrollers-Mcrochip,gồm 40 chân Có khả năng tính toán với tốc độ cao và các ứng dụng trong điều khiển công suất và điều khiển động cơ Có một số tính năng sau:

+Cho phép lựa chọn nhiều tần số 8MHz đến 31mKHz

+Nguồn cung cấp điện áp 2.0-5.5V

+Tiêu thụ: 220uA (2.0V, 4MHz), 11uA (2,0 V, 32 KHz) 50nA (chế độ chờ)

+Tiết kiệm điện năng Sleep Mode

+Brown-out Reset (BOR) với các tùy chọn phần mềm điều khiển

+35 đầu vào / đầu ra

+Cao trở nội tại nguồn

+Cho phép từng chân lập trình kéo lên điện trở

+Ngắt-on-Thay đổi pin

+8K ROM bộ nhớ trong công nghệ FLASH

+Chip có thể được lập trình lại lên đến 100.000 lần

+In-Circuit Serial trình Lựa chọn.

+Chip có thể được lập trình ngay cả khi nhúng trong thiết bị mục tiêu

+256 byte bộ nhớ EEPROM

+Dữ liệu có thể được viết hơn 1.000.000 lần

+ Cố định điện áp tham chiếu (0.6V).

+ Lập trình trên chip điện áp tham chiếu.+ Chỉ đạo kiểm soát đầu ra PWM

+ Nâng cao module USART

+ Hỗ trợ RS-485, RS-232 và LIN2.0

+ Auto-Detect Baud

+ Giao tiếp đồng bộ Serial Port (MSSP)

+ hỗ trợ chế độ SPI và I2C

Hình.2 3 Sơ đồ chân vi điều khiển pic 18F4523

Hình.2 4 Sơ đồ các khối chức năng của vi điều khiển 18F4523

2.1.4.2.chức năng các chân của vi điều khiển PIC18F4523

Chân (1) sử dụng làm chân tạo bộ reset cho vi điều khiển

Các chân OSC1/CLK1/RA7(13) và OSC2/CLK0/RA6(14) dung mắc thạch anh cho mạch, tạo xung nhịp cho vi điều khiển hoặc dung làm chân CLKIN/CLKOUT

Các chân từ (2) đến (10) được sử dụng làm chân IN/OUT tín hiệu số hoặc INPUT tín hiệu tương tự Ngoài ra các chân (4) và (5) có thể sử dụng làm chân chuyển đổi A/D Chân (4) (5) (6) còn được sử dụng làm chân tín hiệu từ Encoder

Chân (12) (31) dung để cung cấp điện áp VSS=0 cho vi mạch và điện áp cho các chân I/O Chân (11) (32) dung để cung cấp điện áp VDD=5V cho vi mạch và cho các chân I/O Chân (15) có thể làm chân I/O tín hiệu số hoặc chân T1OSO/T13CK1

Chân (16) có thể làm chân I/O tín hiệu số hoặc làm chân Capture2 input/campare2

output/PWM2 output

Chân (17) có thể làm chân I/O tín hiệu số hoặc làm chân Capture1 input/campare1

output/PWM1 output

Chân (18) dùng làm chân I/O tín hiệu số

Chân (19) đến (22) và (27) dùng làm chân I/O tín hiệu số và là cổng dữ liệu hai chiều.Chân (28) đến (30) dùng làm chân I/O tín hiệu số và là cổng dữ liệu hai chiều và tăng cường đầu ra cho ccp1

Chân (23) dùng làm chân I/O tín hiệu số và SPI

Chân (24) dùng làm chân I/O tín hiệu số và SPI

Chân (25) dùng làm chân I/O tín hiệu số và TX/CK dung cho ghép nối máy tinh

Chân (26) dùng làm chân I/O tín hiệu số và RX/TD dung cho ghép nối máy tinh

Chân (33) dùng làm chân I/O tín hiệu số,ngắt 0,input tín hiệu ccp1 và tìn hiệu tương tự đầu vào 12

Chân (34) dùng làm chân I/O tín hiệu số, ngắt 1 và tìn hiệu tương tự đầu vào 10

Chân (35) dùng làm chân I/O tín hiệu số,ngắt 1 và tìn hiệu tương tự đầu vào 8.

Chân (36) có thể làm chân I/O tín hiệu số hoặc tìn hiệu tương tự 9 và làm chân Capture2 input/campare2 output/PWM2 output

Chân (37) dùng làm chân I/O tín hiệu số và tìn hiệu tương tự đầu vào 11

Chân (38) dùng làm chân I/O tín hiệu số hoặc PGM

Chân (39) dùng làm chân I/O tín hiệu số hoặc PGC

Chân (40) dùng làm chân I/O tín hiệu số hoặc PGD

2.1.4.3 Tổ chức bộ nhớ

vi điều khiển này có ba loại bộ nhớ ROM, RAM và EEPROM Tất cả họ sẽ được thảoluận từ mỗi một cách riêng biệt có chức năng cụ thể, tính năng và tổ chức

 Bộ nhớ ROM

Bộ nhớ ROM được sử dụng để lưu vĩnh viễn chương trình đang được thực thi Đây là

lý do tại sao nó thường được gọi là "chương trình bộ nhớ" Các PIC18F4523 có 8KB ROM (trong tổng số 8.192 địa điểm) Kể từ ROM này được thực hiện với công nghệ FLASH, nội dung của nó có thể được thay đổi bằng cách cung cấp một điện áp lập trình đặc biệt (13V)

Dù sao, không cần phải giải thích cụ thể vì nó được tự động thực hiện bằng phương tiện của một chương trình đặc biệt trên máy tính và một thiết bị điện tử đơn giản gọi là Lập trình viên

Hình.2 5 bộ nhớ ROM

 Bộ nhớ EEPROM

Tương tự như bộ nhớ chương trình, nội dung của EEPROM là vĩnh viễn lưu lại, thậm chí còn bị cúp điện tắt Tuy nhiên, không giống như ROM, các nội dung của EEPROM cóthể được thay đổi trong hoạt động của vi điều khiển Đó là lý do tại sao bộ nhớ này (256 điểm) là một hoàn hảo cho tiết kiệm vĩnh viễn kết quả tạo ra và được sử dụng trong quá trình hoạt động

 Bộ nhớ RAM

Đây là bộ thứ ba và phần phức tạp nhất của vi điều khiển bộ nhớ Trong trường hợp này, nó bao gồm hai phần: thanh ghi mục đích chung và thanh ghi chức năng đặc biệt (SFR)

Mặc dù cả hai nhóm của sổ đăng ký sẽ bị xóa khi có điện sẽ tắt và ngay cả khi chúng được sản xuất trong cùng một cách và hành động theo cách tương tự, các chức năng của

họ không có nhiều điểm chung

Hình.2 6 Định địa chỉ và Thanh ghi mục đích chung

2.1.4.4 Mục đích chung Thanh ghi

Tất cả -thanh ghi đa mục đích được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời và kết quả tạo

ra trong quá trình hoạt động Ví dụ, nếu chương trình thực hiện một tính (ví dụ, kể sản phẩm trên dây chuyền lắp ráp), cần phải có một đăng ký mà là viết tắt của những gì chúng

ta trong cuộc sống hàng ngày gọi là "tổng hợp" Kể từ khi vi điều khiển không phải là sáng tạo ở tất cả, nó là cần thiết để xác định địa chỉ của một số mục đích chung đăng ký

và gán cho nó một chức năng mới Một chương trình đơn giản để tăng giá trị của các đăng

ký này bằng 1, sau khi mỗi sản phẩm đi qua cảm biến, nên được tạo ra

Do đó, các vi điều khiển có thể thực hiện chương trình vì nó bây giờ biết được những

gì và ở đâu tổng phải được tăng lên được Tương tự như ví dụ đơn giản, mỗi biến chương

2.1.4.5.SFR Đăng ký

Đặc biệt-thanh ghi chức năng cũng được các vị trí bộ nhớ RAM, nhưng không giống như -thanh ghi đa mục đích, mục đích của họ là xác định trước trong quá trình sản xuất vàkhông thể thay đổi Kể từ khi bit của họ được kết nối vật lý với các mạch cụ thể trên chip (A / D chuyển đổi, nối tiếp truyền thông module, vv), bất kỳ thay đổi nội dung của họ trựctiếp ảnh hưởng đến hoạt động của vi điều khiển hoặc một số các mạch của nó Ví dụ, bằng cách thay đổi thanh ghi TRISA, chức năng của mỗi cổng A pin có thể thay đổi theo cách nó hoạt động như đầu vào hay đầu ra Một tính năng trong các vị trí bộ nhớ được rằng họ có tên của họ (thanh ghi và bit của họ), mà đáng kể tạo điều kiện cho chương trình bằng văn bản Từ cấp cao ngôn ngữ lập trình có thể sử dụng danh sách của tất cả cácđăng ký với địa chỉ chính xác của họ, đó là đủ để xác định tên đăng ký để đọc hoặc thay đổi nội dung của nó

2.1.4.6 Bộ nhớ RAM các ngân hàng

Các bộ nhớ dữ liệu được phân chia thành bốn ngân hàng Trước khi truy cập vào một

số đăng ký trong chương trình bằng văn bản (theo thứ tự để đọc hoặc thay đổi nội dung của nó), nó là cần thiết để lựa chọn ngân hàng đó có thể đăng ký Hai bit của đăng ký tình trạng được sử dụng để lựa chọn các ngân hàng, sẽ được thảo luận sau này Để tạo điều kiện hoạt động, SFR thường được sử dụng có địa chỉ giống nhau ở tất cả các ngân hàng cho phép họ được dễ dàng truy cập

Hình.2 7 Địa chỉ ngăn

2.1.4.7.Bộ chuyển đổi ADC

ADC (Analog to Digital Converter) là bộ chuyển đổi tín hiệu giữa hai dạng tương tự

và số PIC18F4523 có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0 và RE2:RE0) Hiệu điện thế chuẩn VREF có thể được lựa chọn là VDD, VSS hay hiệu điện thế chuẩn được xác lập trên hai chân RA2 và RA3

Kết quả chuyển đổi từ tín tiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bit số tương ứng và đượclưu trong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thể được sử dụng như các thanh ghi thông thường khác Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽ được lưu vào hai thanh ghi ADRESH:ADRESL, bit (ADCON0<2>) được xóa về 0 và cờ ngắt ADIF được set

Qui trình chuyển đổi từ tương tự sang số bao gồm các bước sau:

 Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC:

+ Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp mẫu (dựa trên các thông số của thanh ghi

ADCON1)

+ Chọn kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0)

+ Chọn xung clock cho kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0)

+ Cho phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0)

 Thiết lập các cờ ngắt cho bộ AD:

+ Clear bit ADIF

+ Set bit ADIE

+ Set bit PEIE

+ Set bit GIE

Đợi cho tới khi quá trình lấy mẫu hoàn tất

Bắt đầu quá trình chuyển đổi (set bit GO/DONE )

Đợi cho tới khi quá trình chuyển đổi hoàn tất bằng cách:

Kiểm tra bit GO/DONE Nếu GO/DONE =0, quá trình chuyển đổi đã hoàn tất

Kiểm tra cờ ngắt

Đọc kết quả chuyển đổi và xóa cờ ngắt, set bit GO/DONE (nếu cần tiếp tục chuyển đổi).Tiếp tục thực hiện các bước 1 và 2 cho quá trình chuyển đổi tiếp theo

Hình.2 8 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi ADC

2.1.4.8.Các loại ngắt

PIC18F4523 có hai loại ngắt:ngắt ưu tiên thấp (low priority) và ngắt ưu tiên cao (hightpriority) Hai vector thực thi ngắt tương ứng thường là 000h (hight) và 0018h (low) Một ngắt thấp đang được phục vụ sẻ bị ngưng và phục vụ ngắt cao ở 0008h nếu ngắt cao xảy

ra Ngược lai ngắt cao xảy đang xảy ra thì không bị ngắt bởi ngắt thấp

Nguồn clock có thể chọn nguồn clock nội hoặc ngoại

Ngắt Timer0 xảy ra khi tràn Đối với Timer0 8bit tràn từ FFh về 00h,đối với Timer0 16bit tràn từ FFFFh đến 0000h

 Timer1

Module Timer1 là bộ định thời/bộ đếm 16bit bao gồm 2 thanh ghi

8bit(TMR1H,TMR1L) có thể đọc và ghi được Cặp thanh ghi TMR1(TMR1H:TMR1L) tăng từ 0000h đến FFFFh và quay trở lại 0000h Ngắt TMR1, nếu được kích hoạt được phát sinh khi tràn xảy ra và được chốt ở bit cờ ngắt TMR1IF(PIR1<0>) Ngắt này có thể kích hoạt/vô hiệu bằng cách set/xóa bit cho phép ngắt TMR1,TMR1IE(PIE1<0>)

Chế độ hoạt động định thời hoặc đếm được xác định bởi bit lựa chọn xung clock TMR1CS(T1CON<1>) Ở chế độ định thời Timer1 tăng sau mỗi chu kì lệnh Ở chế độ đếm nó tăng mỗi khi có cạnh xung lên của ngõ vào xung clock ngoài Timer1 có thể được kích hoạt/vô hiệu bằng cách set/xóa bit điều khiển TMR1ON(T1CON<0>)

 Timer2

Timer2 là bộ định thời 8bit và có hai bộ chia tần số là Prescaler và Postscaler Nó có thể được sử dụng như là cơ sở thời gian PWM cho chế độ PWM của chế độ CCP Thanh

Xung clock vào (POSC/4) có thể tùy chon (1 :1,1 :4,1 :16) bởi bit điều khiển

T2CKPS1 :T2CKPS0 (T2CON<1 :0>) Module Timer2 có một thanh ghi chu kỳ 8bit PR2,có thể đọc và ghi Timer 2 tăng từ 00h cho đến khi bằng với giá trị PR2 nhận ra giá trị mặc định là FFh

Ngõ ra của Timer2 đi qua một bộ chia Postscaler 4bit (từ 1 :1 đến 1 :16) để tạo ra một ngắt TMR2(được chốt ở bit cờ TMR2IF(PIR1<1>) Timer2 có thể tắt bằng cách xóa bit điều khiển TMR2ON(T2CON<2>) để giảm công suất tiêu thụ

cơ phải thực hiện 64 bước

Hình.2 9 động cơ step motor 28BYJ-48

2.2.1.1.Thông số kỹ thuật

Các thông số:

Kích thước: Đường kính 28mm, chiều cao 19mm, chiều dài trục 7.5mm

Cường độ điện môi: 600VAC/1mA/1s

Tần số khi tải kéo: > 600Hz

Tần số không tải: > 1000Hz

Mô-men xoắn: > 34.3mN.m (120Hz)

Tiếng ồn : <40dB (120Hz, không tải, 10cm)

khối lượng: Khoảng 32g

2.2.1.2.điều khiển động cơ step motor 28BYJ-48

Do đấu chung nguồn nên khi đặt mức điện áp 0V (mức logic 0) thì sẽ có dòng chạy qua các cuộn dây và ngược lại khi đặt mức điện áp 5V (mức logic 1) thì không có dòng qua các cuộn dây

Khi cấp 1 xung điện áp lên 1 cuộn dây stato (phần ứng) thì roto (phần cảm) của động

cơ sẽ quay đi 1 góc nhất định, góc ấy là 1 bước quay của động cơ Vậy để điều khiển động cơ quay liên tục thì chúng ta chỉ việc cấp xung lần lượt cho các cuộn dây Có 2 cách điều khiển động cơ bước là:

-Điều khiển FULL bước

-Điều khiển nữa bước

 Điều khiển FULL bước

Điều khiển FULL bước có nghĩa là mỗi lần cấp điện áp cho các cuộn dây, động

cơ sẽ quay đủ 1 bước (5.625 độ), thứ tự cấp xung điều khiển như sau (thứ tự từ trái sang phải: cuộn 1 -> cuộn 2 -> cuộn 3 -> cuộn 4):

Bước 2: 1100

Bước 3: 1001

Bước 4: 0011

 Điều khiển nữa bước

Để điều khiển động cơ quay nửa bước, thứ tự các xung cấp vào các cuộn dây như sau (thứ tự từ trái sang phải: cuộn 1 -> -> cuộn 4 cuộn 1 -> -> cuộn 4)):Bước 1: 0110 1110

+ Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

2.2.2.Động Servo

Loại động cơ servo RC này được sử dụng rất nhiều trong các mô hình máy bay và robot

RC: nghĩa là radio controlled ( điều khiển bằng sóng vô tuyến )

Bên trong của động cơ gồm :