Điều khiển robot mini dùng sóng RF

1 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ MỤC LỤC SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 2 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ LỜI NÓI ĐẦU Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hằng ngày. Một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa bằng RF. Sử dụng RF được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp và các lĩnh vực khác trong cuộc sống với những thiết bị điều khiển từ xa rất tinh vi và đạt được năng suất, kinh tế thật cao. Xuất phát từ những ứng dụng đó, em đã thiết kế và lắp ráp một mạch và robot mini ứng dụng nhỏ trong thu phát RF: “ Điều khiển robot mini dùng sóng RF ”. Robot được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại được) dưới sự điều khiển nó có khả năng hoàn thành nhiệm vụ hay công việc được giao. Trong thời đại công nghiệp hóa như hiện nay robot đóng một vai trò vô cùng quan trọng, nó hỗ trợ con người và đem lại lợi ích vô cùng lớn trong công nghiệp cũng như sinh hoạt hang ngày của con người. Nội Dung báo cáo gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan về truyền sóng RF. Chương 2: Tổng quan về một số linh kiện sử dụng. Chương 3: Thiết kế mạch và robot mini. Chương 4: Ứng dụng của mạch và robot mini trong thực tế. SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 3 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã tận tình dạy dỗ trong suốt những năm qua. Trong đó phải kể đến quý thầy cô Khoa Công Nghệ Điện Tử đã tạo điều kiện cho em thực hiện đồ án tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn Th.s Nguyễn Thị Thu Hà đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình chọn đề tài và thực hiện đề tài.Với thời gian thực hiện đề tài ngắn, kiến thức còn hạn hẹp, dù em đã cố gắng nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót, em rất mong nhận được sự chỉ dẫn thêm của quý thầy cô. Sinh viên thực hiện: Phạm Công Quý - 0641050123 SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 4 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ DANH MỤC HÌNH ẢNH SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 5 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN SÓNG RF 1.1 Giới thiệu điều khiển từ xa Ít người biết rằng những chiếc điều khiển từ xa đầu tiên trên thế giới được ra đời nhằm mục đích phục vụ cho chiến tranh. Các loại điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến xuất hiện vào chiến tranh thế giới thứ I nhằm hướng dẫn các tàu hải quân Đức đâm vào thuyền của quân đồng minh. Đến chiến tranh thế giới II, điều khiển từ xa dùng để kích nổ những quả bom. Sau chiến tranh, công nghệ tuyệt vời của chúng tiếp tục được cải tiến để phục vụ đắc lực trong đời sống con người. Và đến nay, có thể nói, gần như ai cũng đã từng sử dụng điều khiển từ xa để điều khiển một thiết bị nào đó. Ban đầu, người ta dùng điều khiển từ xa sử dụng công nghệ tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) và sau đó bắt đầu ứng dụng công nghệ hồng ngoại IR (Infrared Remote) vào điều khiển từ xa. Hiện nay trong đời sống, chúng ta sử dụng cả hai loại điều khiển từ xa này. 1.2 Tổng quan về truyền sóng 1.2.1 Khái niệm - Sóng điện từ là quá trình biến đổi năng lượng tuần hoàn giữa điện trường và từ trường làm cho năng lượng điện từ lan truyền trong không gian. 1.2.2 Đặc điểm - Sóng điện từ có hai thành phần: Điện trường : E (V/m) Từ trường : H (A/m) SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 6 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ Đây là hai đại lượng vectơ (có phương, chiều, độ lớn), có quan hệ mật thiết với nhau trong quá trình sóng truyền lan trong không gian. - Các nguồn bức xạ sóng điện từ thường có dạng sóng cầu hoặc sóng trụ, khi nghiên cứu ta chuyển về dạng sóng phẳng. - Nghiên cứu với sóng điện từ phẳng, truyền lan trong môi trường điện môi đồng nhất và đẳng hướng. - Biểu diễn sóng điện từ bằng hệ phương trình Maxoel dạng vi phân. - Khi sóng truyền lan, tại mỗi điểm thành phần từ trường và điện trường có pha như nhau. 1.2.3 Mặt sóng - Sóng điện từ lan tỏa trong không gian, tại mỗi điểm sóng điện từ được đặc trưng bởi pha và cường độ. - Mặt sóng: Là quỹ tích những điểm trong không gian tại đó sóng điện từ có pha như nhau và cường độ bằng nhau - Hai dạng mặt sóng đặc biệt: Mặt sóng phẳng, mặt sóng cầu - Quá trình truyền lan sóng điện từ: Tính chất sóng Sóng điện từ bức xạ ra không gian dưới dạng vô số các mặt sóng liên tiếp . Nguồn bức xạ sóng điện từ chỉ đóng vai trò là nguồn bức xạ sơ cấp. Quá trình sóng truyền lan, các mặt sóng được tạo ra đóng vai trò là nguồn bức xạ thứ cấp tạo ra các mặt sóng tiếp sau nó. 1.2.4 Phân cực sóng - KN: Trường phân cực là trường điện từ với các vecto E và H có thể xác định được hướng tại thời điểm bất kỳ (biến đổi có tính quy luật). Ngược lại là trường không phân cực (biến đổi ngẫu nhiên trong không gian) - Mặt phẳng phân cực: Là mặt phẳng chứa vec tơ E và phương truyền lan sóng (vecto Z). SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 7 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ • Phân loại + Phân cực đường thẳng: Mặt phẳng phân cực cố định khi sóng lan truyền. - Phân cực đứng: Vecto E vuông góc với mặt phẳng nằm ngang. - Phân cực ngang: Vecto E song song với mặt phẳng nằm ngang. + Phân cực quay: Mặt phẳng phân cực quay xung quanh trục của phương lan truyền. - Phân vực tròn: Khi vecto E quay, biên độ không thay đổi (vẽ lên đường tròn). - Phân cực elip: Khi vecto E quay, biên độ thay đổi liên tục vẽ lên đường elip. Quay phải: Quay thuận chiều kim đồng hồ. Quay trái: Quay ngược chiều kim đồng hồ. 1.2.5 Phân chia sóng điện từ • Tính chất quang học + Sóng ánh sáng cũng là sóng điện từ, ở băng tần thị giác cảm nhận được, khi nghiên cứu sóng điện từ thường sử dụng sóng ánh sáng cho trực quan. + Các tính chất quang của sóng ánh sáng cũng đúng cho sóng điện từ : - Truyền thẳng - Phản xạ, khúc xạ - … • Ứng dụng các băng sóng + LF, MF: Phát thanh điều biên nội địa, thông tin hàng hải + HF: Phát thanh điều biên cự ly xa + VHF, UHF: Phát thanh điều tần (66 – 108 MHz), truyền hình, viba số băng hẹp, hệ thống thông tin di động mặt đất. + SHF: Viba số băng rộng, thông tin vệ tinh + EHF: Thông tin vũ trụ . 1.2.5.1 Sóng đất SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 8 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ • Nguyên lý: + Bề mặt trái đất là môi trường dẫn khép kín đường sức điện trường. + Nguồn bức xạ nằm thẳng đứng trên mặt đất, sóng điện từ truyền lan dọc theo mặt đất đến điểm thu. • Đặc điểm: + Năng lượng sóng bị hấp thụ ít đối với tần số thấp, đặc biệt với mặt đất ẩm, mặt biển (độ dẫn lớn). + Khả năng nhiễu xạ mạnh, cho phép truyền lan qua các vật chắn + Sử dụng cho băng sóng dài và trung với phân cực đứng. 1.2.5.2 Sóng không gian Nguyên lý: + Anten đặt cao trên mặt đất ít nhất vài bước sóng. + Sóng điện từ đến điểm thu theo 2 cách: - Sóng trực tiếp: Đi thẳng từ điểm phát đến điểm thu. - Sóng phản xạ: Đến điểm thu sau khi phản xạ trên mặt đất. • Đặc điểm: + Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện môi trường. + Phù hợp cho băng sóng cực ngắn, là phương thức truyền sóng chính trong thông tin vô tuyến. 1.2.5.3 Sóng tầng điện ly (sóng trời) • Nguyên lý: + Lợi dụng đặc tính phản xạ sóng của tầng điện ly với các băng sóng ngắn. + Sóng điện từ phản xạ sẽ quay trở về trái đất. • Đặc điểm: + Không ổn định do sự thay đổi điều kiện phản xạ của tầng điện ly. SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 9 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ 1.2.5.3 Sóng tự do (song thẳng) • Nguyên lý: + Môi trường truyền sóng lý tưởng (đồng tính, đẳng hướng, không hấp thụ). + Sóng truyền lan trực tiếp đến điểm thu theo một đường thẳng. • Đặc điểm: + Môi trường chỉ tồn tại trong vũ trụ, sử dụng cho thông tin vũ trụ. + Bầu khí quyển trái đất trong một số điều kiện nhất định được coi là không gian tự do. 1.3 Điều khiển từ xa bằng sóng hồng ngoại (IR) Ngày nay, đây là loại điều khiển từ xa có vai trò “thống trị” trong hầu hết các thiết bị gia đình. Một chiếc điều khiển IR sẽ gồm các bộ phận cơ bản nằm trong một hộp nối cáp kỹ thuật số như sau: Các nút bấm; một bảng mạch tích hợp; các núm tiếp điểm; đi - ốt phát quang (đèn LED). Nguyên lý cơ bản của loại điều khiển từ xa này là sử dụng ánh sáng hồng ngoại của quang phổ điện từ mà mắt thường không thấy được để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần điều khiển. Nó đóng vai trò như một bộ phát tín hiệu, sẽ phát ra các xung ánh sáng hồng ngoại mang một mã số nhị phân cụ thể. Khi ta ấn một nút phía bên ngoài thì sẽ vận hành một chuỗi các hoạt động khiến các thiết bị cần điều khiển sẽ thực hiện lệnh của nút bấm đó. Quy trình này cụ thể như sau: Đầu tiên, khi ta nhấn vào một nút như “Tăng âm lượng” chẳng hạn, nó sẽ chạm vào núm tiếp điểm bên dưới và nối kín một mạch tăng âm lượng trên bản mạch. Các mạch tích hợp có thể tự dò tìm ra từng mạch cụ thể cho từng nút bấm. Tiếp đó các mạch này sẽ gửi tín hiệu đến đèn LED nằm phía trước. Từ đây, đèn LED sẽ phát ra một chuỗi các xung ánh sáng chứa các mã nhị phân (gồm những dãy số 1 và 0) tương ứng với lệnh “tăng âm lượng”. Mã lệnh này gồm nhiều mã con như khởi động, tăng âm lượng, mã địa chỉ thiết bị và ngừng lại khi ta thả nút ra. SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 10 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ Về phía bộ phận cần điều khiển, nó sẽ gồm một bộ thu tín hiệu hồng ngoại nằm ở mặt trước để có thể dễ dàng nhận được tín hiệu từ điều khiển từ xa. Sau khi đã xác minh mã địa chỉ này xuất phát đúng từ chiếc điều khiển của mình, chúng sẽ giải mã các xung ánh sáng thành các dữ liệu nhị phân để bộ vi xử lý của thiết bị có thể hiểu được và thực hiện các lệnh tương ứng. Hiện nay, ta sử dụng thiết bị điều khiển IR cho hầu hết các vật dụng trong nhà như tivi, máy stereo, điều hòa nhiệt độ…. Chúng rất bền, tuy nhiên lại có hạn chế liên quan đến bản chất chỉ truyền theo đường thẳng của ánh sáng. Do đó, loại điều khiển IR có tầm hoạt động chỉ có khoảng 10 mét và cũng không thể truyền qua các bức tường hoặc vòng qua các góc. Chúng chỉ hoạt động tốt khi ta trỏ thẳng hay gần vị trí bộ thu của vật cần điều khiển. Ngoài ra, nguồn ánh sáng hồng ngoại có ở khắp nơi như ánh sáng mặt trời, bóng đèn huỳnh quang, từ cơ thể con người… nên có thể làm cho điều khiển IR bị nhiễu sóng. Để tránh hiện tượng này, người ta phải cài đặt cho bộ lọc của các bộ phận thu chỉ thu nhận những bước sóng đặc biệt hoặc tần số riêng biệt của ánh sáng hồng ngoại phù hợp với nó và chặn ánh sáng ở bước sóng khác để hạn chế sự nhiễu sóng một cách tối đa. 1.4 Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF) Là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển IR chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí kiểm soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh… Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó. So với loại điều khiển IR, lợi thế lớn nhất của SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ [...]... các xung hồng ngoại nhằm mở rộng phạm vi điều khiển hoạt động của các thiết bị trong gia đình… 1.4.1 Hoạt động Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân Bộ phận thu sóng vô tuyến trên thiết bị được Điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó 1.4.2 Ưu... 1.93.6V Điện áp thường cung cấp là 3.3V Nhưng các chân IO tương thích với chuẩn 5V Điều này giúp nó giao tiếp rộng dãi với các dòng vi điều khiển Hình 1.4 Sơ đồ kết nối vi điều khiển Khi kết nối tới vi điều khiển bạn nhớ cấu hình chân đó là output hay input (AVR, PIC) a Địa chỉ truyền nhận: Khung truyền của nRF24L01 từ 3-5 bytes dùng làm địa chỉ Bạn có thể cấu hình, nhưng địa chỉ truyền như thế nào thì địa... còn nhân thì vẫn như nhau ATmega16 là một lọai vi điều khiển có nhìều tính năng đặc biệt thích hợp cho việc giải quyết những bài toán điều khiển trên nền vi xử lý Các lọai vi điều khiển AVR rất phổ biến trên thị trừơng Việt Nam nên không khó khăn trong việc thay thế và sửa chữa hệ thống lúc cần thiết hay hỏng hóc Hơn nữa giá thành của dòng Vi Điều Khiển này cũng khá phải chăng Các phần mềm lập trình... Thanh ghi điều khiển bộ định thời/bộ đếm TCCR0 Hình 2.11 Thanh ghi điều khiển bộ định thời Bit 7-FOC0: So sánh ngõ ra bắt buộc Bit này chỉ tích cực khi bit WGM00 chỉ định chế độ làm việc không có PWM Khi đặt bit này lên 1, một báo hiệu so sánh bắt buộc xuất hiện tại đơn vị tạo dạng sóng - Bit 6, 3-WGM01:0: Chế độ tạo dạng sóng SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 31 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ Các bit này điều khiển đếm... kỹ thuật số địa chỉ của thiết bị nhận trong các tín hiệu vô tuyến Điều này giúp bộ thu vô tuyến trên thiết bị hồi đáp tín hiệu tương ứng một cách chính xác Hiện nay, cả hai loại điều khiển này đều được ứng dụng hết sức rộng rãi trong đời sống Người ta còn tích hợp cả hai lại để tạo thành những loại điều khiển từ xa vạn năng có thể điều khiển nhiều loại thiết bị cùng lúc hay chỉ cần bấm một nút sẽ tự... sẽ cho phép giao tiếp SPI Xung clock đồng bộ Chân MOSI, nhận dữ liệu từ vi điều khiển Chân MOSI, nhận dữ liệu từ vi điều khiển Chân ngắt nhận, khi có dữ liệu mới sẽ có 1 sườn từ 0->1 trên IRQ Nối đất Nối đất Bảng 1 : thứ tự chân của module NRF24L01 1.5.1 Thông số kỹ thuật 1.5.1.1 Đặc điểm của NRF24L01 Hình 1.2: Sơ đồ khối NRF24L01 - Hoạt động ở giải tần 2.4G - Truyền dữ liệu tốc độ cao 250kbps, 1Mbps... CSN : Chip select Mức 0 sẽ cho phép giao tiếp MOSI : Xuất tín hiệu từ NRF24L01 đến vi điều khiển MISO : Nhận tín hiệu từ vi điều khiển gửi đến Hình 1.3 Khung truyền/nhận dữ liệu chuẩn SPI 1.5.1.3 Khung truyền dữ liệu SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 15 TRƯỜNG ĐHCNHN - KHOA ĐIỆN TỬ Định dạng gói tin 1byte đồng bộ 3 - 5 byte Địa chỉ byte điều khiển gói 1-32 byte data 1-2 byte CRC Trong đó : - - Byte đồng bộ : 01010101... Phân tích: -Modul nRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn 2.4G nên Modul này khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện môi trường có vật cản -Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền Điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ liệu SVTH : PHẠM CÔNG QUÝ 18 TRƯỜNG ĐHCNHN KHOA ĐIỆN TỬ trên nhiều kênh khác nhau -Modul khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó... truyền tải rộng, có thể sử dụng cách thiết bị cần điều khiển đến hơn 30 mét đồnng thời có thể điều khiển tín hiệu xuyên qua được tường, kính……… Tuy nhiên, nó cũng có hạn chế đó là tín hiệu vô tuyến cũng có mặt khắp nơi trong không gian do hàng trăm loại máy móc thiết bị dùng các tín hiệu vô tuyến tại các tần số khác nhau Do đó, người ta tránh nhiễu sóng bằng cách truyền ở các tần số đặc biệt và nhúng... đồng bộ = 10101010, ngược lại byte đồng bộ = 01010101 Byte này được tính toán và tự động chèn vào gói tin Địa chỉ : chứa 3 đến 5 byte địa chỉ gửi, do người dùng tự điều chỉnh Giá trị mặc định = 0x00FFFFFF điều chỉnh tại thanh ghi TX_ADDR Byte điều khiển gói : bao gồm 9 bit, chức năng như sau [ 6 bit ] độ dài Data - - [2 bit ] PID identity [1 bit NO_ACK ] cờ Độ dài Data : giá trị từ 1-32, cho biết độ . đã thiết kế và lắp ráp một mạch và robot mini ứng dụng nhỏ trong thu phát RF: “ Điều khiển robot mini dùng sóng RF ”. Robot được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự. tuyến (RF) Là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển IR chỉ dùng trong nhà thì điều khiển RF lại dùng cho. gần như ai cũng đã từng sử dụng điều khiển từ xa để điều khiển một thiết bị nào đó. Ban đầu, người ta dùng điều khiển từ xa sử dụng công nghệ tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) và sau đó bắt