Thiết kế chế tạo Robot hút bụt tự động

Tuy vậy cleaner robot vẫn phải hoạt động dưới sự điều khiển của con người, cụ thể trong trường hợp robot cần sạc lại pin hay đổ rác thải hút được.. Nhiệm vụ của đề tài là sử dụng camera

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong điều kiện kinh tế xã hội và khoa học kỹ thuật phát triển mạnh như ngày nay, những ứng dụng của công nghệ vào cuộc sống ngày càng phải thông minh hơn và khả năng tự động cao hơn Căn cứ vào đòi hỏi cấp thiết đó, đề tài có nhiệm vụ làm tăng sự thông minh cho robot quét nhà bằng cách áp dụng công nghệ xử lý ảnh Robot quét nhà hay cleaner robot là một robot ra đời từ khá lâu, nhiệm vụ của nó là di chuyển khắp bề mặt sàn để hút bụi So với máy hút bụi bằng tay, cleaner robot thông minh và

tự động hơn rất nhiều, nó có khả năng làm việc mà không cần nhiều sự can thiệp của con người Tuy vậy cleaner robot vẫn phải hoạt động dưới sự điều khiển của con người, cụ thể trong trường hợp robot cần sạc lại pin hay đổ rác thải hút được Nhiệm

vụ của đề tài là sử dụng camera để dẫn đường cho robot tới trạm sạc, do đó robot có thể tự động sạc lại mà không cần sự giúp đỡ của con người Công nghệ mà đề tài hướng tới là xử lý ảnh, đây là một công nghệ hiện đại và có khả năng áp dụng rộng rãi nhằm làm tăng tính tự động và thông minh của các thiết bị điện tử Do đó, bên cạnh việc cải tiến cho robot cleaner, đề tài cũng nhằm mục đích làm chủ công nghệ xử lý ảnh

2 Tình hình nghiên cứu

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm cải tiến cleaner robot, thậm trí những cleaner robot có khả năng tự động dò tìm trạm sạc cũng đã có mặt trên thị trường Nhưng những cleaner robot đó sử dụng tin hồng ngoại để dò tìm trạm sạc Cụ thể là một chùm tia hồng ngoại hẹp được trạm sạc phát ra, robot sẽ thu và đo cường độ ánh sáng thu được để xác định hướng di chuyển tới trạm sạc Tuy vậy sử dụng camera vẫn là một giải pháp cao cấp hơn và toàn diện hơn cho việc nhận dạng và tìm kiếm

3 Mục đích nghiên cứu

Như đã trình bày trong phần “ Tính cấp thiết của đề tài” , bản khóa luận hướng tới

2 mục đích chính, đó là: cải thiện tính thông minh cho cleaner robot và làm chủ công nghệ xử lý ảnh Sau khi hoàn thành bản khóa luận, cleaner robot có thể tự động tìm trạm sạc và sạc lại pin mỗi khi pin yếu Phần xử lý ảnh sử dụng kỹ thuật nhận dạng trạm sạc bằng màu sắc và hình đạng để tìm ra chính xác vị trí của trạm sạc

4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện được mục đích của bản khóa luận, việc đầu tiên là phải chế tạo một

mô hình của cleaner robot Mô hình đó phải bao gồm những bộ phận của một robot tự hành và có thể đặc trưng được cho cleaner robot Cụ thể là robot đó phải bao gồm: khối cảm biến, khối nguồn, khối điều khiển và khối động cơ Sau đó camera không dây sẽ được gắn lên robot, tín hiệu hình ảnh từ camera sẽ được thu và xử lý bởi một máy tính Tín hiệu điều khiển sau đó lại được truyền trở lại robot qua đường truyền RS232 không dây Phần mềm được dùng để thiết kế mạch điện tử cho robot là phần mềm Altium Designer 6.0 Phần mềm dùng cho mô phỏng là Proteus7.5 Vi xử lý dùng để điều khiển robot là Atmega128, được lập trình bằng ngôn ngữ C thông qua phần mền Codevision Phần lập trình xử lý ảnh được thực hiện trên máy tính, ngôn ngữ dùng để lập trình là ngôn ngữ C++ thông qua phần mềm Visual C++ Hỗ trợ cho việc sử lý ảnh là thư viện OpenCV, một thư viện được phát triển bởi Intel, hỗ trợ rất mạnh về xử lý ảnh

5 Kết quả đạt được của đề tài

Đã chế tạo thành công mô hình của robot cleaner

Robot có thể di chuyển theo các kiểu đường đi của một robot cleaner trong thực tế

Robot có thể nhận biết pin yếu, tự động bật camera và tìm trạm sạc pin rồi sau

đó sạc lại

Khả năng tìm trạm sạc của robot tương đối chính xác, do áp dụng 2 kỹ thuật nhận dạng vật thể, đó là: dựa vào màu sắc và dựa vào hình dạng

Khi sạc đầy, robot tự động ngắt sạc và chuyển sang chế độ quét nhà

Mọi thông tin liên quan tới robot được thông báo qua màn hình LCD và qua tiếng nói

6 Kết cấu của khóa luận

Khóa luận bao gồm 3 phần, được chia làm 3 chương:

Chương 1: Giới thiệu tổng quát về cleaner robot

Chương 2: Thiết kế mạch điện tử

Chương 3: Xử lý ảnh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT VỀ CLEANER ROBOT

1.1 Tổng quan về robot cleaner

Một cleaner robot trong thực tế được cấu tạo gồm các bộ phận cơ khí sau: đế robot, thanh cảm biến va chạm, cơ cấu giúp robot di chuyển, cơ cấu quét nhà và thùng chứa rác Nhưng robot quét nhà dùng cho khóa luận, chỉ là một robot mô phỏng, do đó

nó không có bộ phận hút bụi và thùng chứa rác Robot dùng trong khóa luận mô phỏng lại hoạt động của robot thực bằng cách di chuyển theo các kiểu đường đi của robot trong thực tế, bao gồm: đi theo hình chữ S, đi men tường, nhận dạng, xoắn ốc và xoắn

đa giác

Hình 1.1: Robot cleaner trong thực tế

Do mục đích của đề tài là sử dụng camera để nhận dạng trạm sạc cho robot, do đó trên robot dùng trong khóa luận còn được gắn thêm một camera Thuật toán xử lý ảnh không thể thực hiện trên những vi điều khiển nhỏ hơn 32 bit, trong khi đó vi điều khiển dùng cho robot là Atmage128, một vi điều khiển 8 bit, do vậy tín hiệu hình ảnh

do robot thu được phải được truyền không dây về máy tính để xử lý Sau đó tín hiệu điều khiển lại được truyền trở lại robot thông qua đường truyền RS232 không dây Việc áp dụng máy tính vào điều khiển hoạt động của cleaner robot là hoàn toàn khả thi, vì trong tương lai không xa, những ngôi nhà thông minh sẽ trở nên phổ biến và việc sử dụng một máy tính trung tâm để theo dõi và điều khiển hoạt động của toàn bộ ngôi nhà là điều chắc chắn

Hình 1.1: Robot dùng trong khóa luận

Hình 1.2: Mô hình thu phát tín hiệu giữa robot và máy tính

1.2 Camera không dây

Camera không dây sử dụng trong khóa luận là loại camera màu, tín hiệu phát ra ở tần số 1,000 MHz, khoảng cách lớn nhất là 200m Để thu được tín hiệu, trong khóa luận sử dụng bộ thu tín hiệu hình ảnh RF của hãng Gadmei Tín hiệu sau khi thu được

là tín hiệu video tương tự, có thể tương thích với tivi, để đưa được vào máy tính, tín hiệu đó cần được số hóa Có thể dùng một USB tivi box để làm việc này, tín hiệu vào tivi box là tín hiệu video tương tự, tín hiệu ra là tín hiệu số composite, tín hiệu này có thể đưa trực tiếp vào máy tính thông qua cổng USB (Hình 1 2)

1.3 RS232 không dây

Để máy tính có thể điều khiển hoạt động của robot, khóa luận đã sử dụng bộ thu phát RS232 không dây của hãng Maxstream Trong điều kiện không gian không có nhiều vật cản, khoảng cách mà thiết bị này có thể hoạt động lên đến 11km Để có thể thực hiện việc truyền thông cần có một cặp thiết bị thu phát này, một chiếc đóng vai trò là bộ phát, cái còn lại đóng vai trò là bộ thu Trên thực tế, thiết bị này có thể thực hiện việc thu phát song song Đối với bản khóa luận, một bộ được kết nối trực tiếp với cổng Com của máy tính, và bộ còn lại được kết nối với vi điều khiển sau khi đã đưa qua mạch chuyển đổi tín hiệu từ RS232 sang tín hiệu TTL

1.4 Hoạt động của Cleaner robot

Hoạt động của cleaner robot dùng trong khóa luận bao gồm 3 chế độ chính, đó là: quét nhà, tìm trạm sạc và sạc pin

1.4.1 Khởi động

Khi robot được khởi động, nó sẽ kiểm tra giắc cắm adapter của mạch sạc và dung lượng pin để quyết định chế độ làm việc: nếu có cắm sạc pin thì robot sẽ ở chế độ sạc, nếu không cắm sạc pin và dung lượng của pin còn ít, robot sẽ quyết định chế độ tìm trạm sạc, nếu dung lượng pin còn nhiều, robot sẽ thực hiện chế độ quét nhà

Hình 1.2: Lưu đồ giải thuật lúc khởi động

để khởi động lại robot Robot có 5 kiểu di chuyển để quét nhà, đó là: đi theo hình chữ

S, đi men tường, nhận dạng, xoắn ốc và xoắn đa giác

Hình 1.3: 5 kiểu di chuyển để quét nhà

Pin luôn luôn được kiểm tra trong quá trình quét nhà, nếu phát hiện pin yếu, robot

sẽ dừng ngay chương trình quét nhà, để chuyển sang chế độ tìm trạm sạc Khi robot quét nhà xong, máy tính sẽ phát ra thông báo cho người sử dụng biết để tắt robot

Hình 1.4: Thuật toán quét nhà

1.4.3 Chế độ tìm trạm sạc

Khi robot phát hiện ra pin yếu, nó sẽ thông báo với máy tính để máy tính chuyển sang chế độ tìm trạm sạc Đồng thời camera trên robot cũng được bật, robot đợi nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính thông qua cổng truyền thông nối tiếp Máy tính sẽ trực tiếp điều khiển hoạt động của robot trong chế độ này

Trạm sạc được đánh dấu bằng một tấm giấy hình chữ nhật, màu đỏ Đầu tiên máy tính sẽ thu nhận tất cả những vị trí có màu sắc giống màu sắc của trạm sạc, sau đó đưa robot di chuyển tới lần lượt các vị trí đó Khi robot tới gần vật nghi ngờ là trạm sạc, máy tính sẽ kiểm tra hình dạng của vật đó, nếu đó đúng là trạm sạc thì cho robot tiếp cận, còn nếu đó không phải là trạm sạc thì cho robot quay đi 45 độ theo chiều kim

đồng hồ để tiếp tục tìm kiếm Nếu camera không thu nhận thấy khu vục nào có màu sắc giống trạm sạc, robot cũng sẽ quay lần lượt từng 45 độ theo chiều kim đồng hồ để kiểm tra Thời gian dành cho tìm trạm sạc là 10 phút, nếu trong khoảng thời gian này robot không tìm ra trạm sạc, nó sẽ rơi vào trạng thái ngủ.

Hình 1.5: Trạm sạc cho robot

Hình 1.6: Thuật toán tìm trạm sạc

1.4.4 Chế độ sạc pin

Robot bắt đầu chế độ sạc pin ngay khi bộ phận sạc của robot tiếp xúc với nguồn điện thích hợp Robot sẽ thông báo lên máy tính để tắt chế độ tìm trạm sạc, đồng thời robot cũng tắt camera Robot cũng có thể cắm sạc trực tiếp mà không cần thông qua chế độ tìm trạm sạc Trong quá trình sạc, dung lượng pin của robot luôn luôn được kiểm tra Khi pin đầy, robot sẽ tự động lùi lại một chút để tách ra khỏi trạm sạc Sau khi tách ra khỏi trạm sạc, robot sẽ ở chế độ quét nhà và chờ người sử dụng thiết lập

Hình 1.7: Hình ảnh của robot và trạm sạc

Hình 1.8: Thuật toán quét nhà

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ

2.1 Tổng quan về mạch điện tử của cleaner robot

Cleaner robot dùng trong khóa luận chỉ là mô hình của một cleaner robot thực trong thực tế, vì mục đích chính của khóa luận là áp dụng thị giác máy tính để giúp cleaner robot tìm đường đến trạm sạc, nên robot chỉ bao gồm những thành phần điện

tử cơ bản, như: khối điều khiển, bộ phận cảm biến va chạm, loa báo, thiết bị hiển thị, khối điều khiển động cơ và khối nguồn Trong khi một robot cleaner trong thực tế ngoài các thành phần đã liệt kê trên còn cần có: bộ phận hút bụi, cảm biến để nhận biết cầu thang và thiết bị điều khiển từ xa

Hình 2.3: Sơ đồ cấu trúc phần điện tử

KHỐI ĐIỀU KHIỂN

2.2 Khối mạch nguồn

2.2.1 Nhiệm vụ của khối mạch nguồn

 Tạo ra điện áp 12V2A ổn định cấp cho 2 động cơ Động cơ được điều khiển bằng cách cung cấp xung PWM, nên trong quá trình hoạt động, động cơ sẽ tạo ra nhiễu Nhiễu này có thể làm ảnh hưởng tới nguồn cung cấp cho mạch điều khiển, do

đó tạo nguồn ổn định cho động cơ cũng chính nhằm mục đích triệt tiêu nhiễu này

 Cung cấp điện áp 5V1A cho mạch vi điều khiển, mạch sensor, và một số mạch khác

 Mạch nguồn phải có khả năng kiểm tra điện áp của pin và thông báo với mạch điều khiển

 Pin sử dụng cho robot là pin Ni-mh Đây là loại pin đòi hỏi kỹ thuật sạc khá phức tạp, do đó mạch nguồn phải được thiết kết để nạp cho loại pin này

 Mạch nguồn phải có khả năng tự động ngắt kết nối với pin, không lấy năng lượng từ pin trong lúc đang sạc Thay vào đó là lấy năng lượng từ mạch sạc

2.2.2 Thiết kế mạch nguồn

2.2.2.1 Mạch tạo điện áp không đổi 5V

Hình 2.4: Sơ đồ mạch tạo nguồn 5V sử dụng LM7805

Chíp LM7805 là một loại chíp rất phổ biến, dùng để tạo nguồn 5V Ưu điểm của chíp này là cách sử dụng rất đơn giản, tính ổn định cao Nhưng nhược điểm là chíp chỉ tạo được dòng ra tối đa là 0.5A, khi chíp hoạt động ở công xuất cao nhiệt lượng tỏa ra rất lớn và có thể dẫn tới cháy chíp Để khắc phục nhược điểm này, nên mắc nhiều chíp LM7805 song song với nhau Như vậy sẽ tạo được dòng lên đến 1A và giảm công suất hoạt động cho mỗi chíp

Một vài thông số đáng lưu ý khi sử dụng chíp LM7805:

• Nhiệt độ hoạt động T J: C T o C

J

0 < <

• Điện áp vào V _Com:7V <V_Com<20V

• Dòng điện vào I IN:5mA<I IN <1A

Cùng họ với chíp LM7805 còn rất nhiều loại khác cho điện áp đầu ra cố định như: LM7806, LM7808, LM7810, LM7812, LM7815…phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau

2.2.2.2 Mạch cấp nguồn cho động cơ

Động cơ sử dụng cho robot là động cơ 1 chiều, điện áp tiêu thụ 12V, 0.5A Mạch nguồn cho động cơ phải đảm bảo cung cấp điện áp 12V không đổi và dòng điện tối thiểu là 1A Chíp LM2576-12 có thể đáp ứng được điều này Ưu điểm của chíp LM2576-12 là: số lượng phụ kiện đi kèm ít, đơn giản; dòng điện đáp ứng cao; điện áp

ra ổn định

Hình 2.5: Sơ đồ mạch tạo nguồn 12V cho động cơ

Một số thông số kỹ thuật của chíp LM2576-12:

• Điện áp vào V _Com:15V <V_Com<40V

• Dòng điện tải I Max =3A

2.2.2.3 Mạch nạp điện cho Pin

 Giới thiệu về pin Ni-mh

Pin sử dụng cho robot là loại pin Ni-mh (Nickel Metal Hidride)

Hình 2.6: Pin Ni-mh

Pin Ni-mh có nhiều ưu điểm như: dung lượng lưu trữ lớn, cung cấp dòng tải cao, điện trở trong nhỏ Với những đặc điểm đó, pin Ni-mh rất thích hợp cho những robot

tự hành

Pin Ni-mh thường được mắc nối thành bộ gồm hai hay nhiều cell Mỗi cell có điện

áp 1.2V Dung năng của bộ pin được đo bằng đơn vị mAH (miliAmpere x hours) Một

bộ pin có dung năng C mAH có thể cấp dòng tải C mA liên tục trong 1 giờ, 2C mAH trong 30 phút…

Đồ thị 1.1: Đường đặc tuyến mô tả quá trình xả của pin Ni-mh

Trong quá trình hoạt động, điện áp của pin chỉ thay đổi nhỏ trong khi pin vẫn còn năng lượng, điệp áp của pin chỉ thực sự giảm mạnh khi năng lượng của pin gần cạn hết (Đồ thị 1 1).Điều này cũng là một ưu điểm của pin Ni-mh, cho phép tạo ra một nguồn

có điện áp ổn định, cũng dễ dàng cho việc kiểm tra dung lượng của pin

Để nạp pin cần sử dụng một nguồn dòng Giá trị của nguồn dòng sẽ quyết định tốc

độ và thời gian nạp Căn cứ vào tốc độ nạp, có thể chia thành các phương pháp nạp pin như sau:

• Trickle charge (nạp từ từ): dòng yêu cầu từ C/30 đến C/11

• Slow charge (nạp chậm): dòng nạp từ C/10 đến C/5

• Rapid charge (nạp nhanh): dòng nạp từ C/4 đến C/2

• Fast charge (nạp siêu tốc): dòng nạp từ C/2 đến C

• Maintenance (duy trì): nạp bằng xung, có dòng trung bình từ C/512 đến C/128

Đồ thị 1.2: Đường đặc trưng mô tả điện áp và nhiệt độ

Từ đường đặc trưng mô tả quá trình nạp pin Ni-mh (Đồ thị 1 1) có thể thấy: khi pin chưa đầy điện áp và nhiệt độ của pin tăng từ từ; đến khi pin đầy điện áp và nhiệt độ tăng đột ngột, tuy nhiên sau đó nếu tiếp tục nạp điện áp của pin lại giảm mạnh Từ đó

có thể rút ra phương pháp nạp như sau: luôn luôn theo dõi tỉ lệ ∆V/∆t và tỉ lệ ∆T/∆t, khi thấy tỉ lệ ∆V/∆t tăng đột ngột rồi sau đó giảm và tỉ lệ ∆T/∆t tăng mạnh thì có thể kết luận là pin đã đầy và có thể kết thúc quá trình nạp Trong nhiều trường hợp không nhất thiết phải theo dõi giá trị của nhiệt độ (∆T/∆t) mà chỉ cần kiểm tra sự tăng giảm của hiệu điện thế (∆T/∆t) cũng đủ để kết luận dung lượng của pin Ứng dụng cho clearner robot trong khóa luận chỉ dùng kỹ thuật kiểm tra hiệu điện thế

 Thiết kế mạch sạc cho pin Ni-mh

Như đã trình bày trong phần “Giới thiệu về pin Ni-mh”, pin Ni-mh đòi hỏi kỹ thuật sạc bằng một nguồn dòng Độ lớn của dòng điện có thể thay đổi tùy vào việc sạc

nhanh hay chậm Chíp LM317 là một chíp thông dụng, đơn giản và thích hợp cho ứng dụng trên.

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp cho pin Ni-mh

Một số thông số kỹ thuật của chíp LM317:

• Nhiệt độ hoạt đông: C T o C

J

55 < <

−

• Điện áp hoạt động: 3V <V IN −V OUT <40V

• Dòng điện ra: I OUT <1.5A

Ứng dụng cho robot clearner trong khóa luận, điện áp của pin dùng cho robot là 16V do đó cần cấp nguồn nạp tối thiểu 16+3=19V Bài khóa luận sử dụng điệp áp của adapter là 22V và dòng điện nạp cho pin là 1A

Chip LM317 luôn luôn duy trì một điện áp chênh lệch giữa chân OUT và chân ADJ là 1.24V, do đó điện trở R3 có giá trị 1.24Ω mắc giữa chân OUT và chân ADJ sẽ tạo ra dòng điện 1A không đổi chạy vào pin Diode D1 có tác dụng chỉ cho dòng điện chạy theo một chiều từ mạch sạc vào pin Chân bazo của transistor Q1 được nối với tín hiệu điều khiển “Charge”, khi chân “Charge” dương, transistor Q1 thông làm cho chân ADJ của LM317 nối đất, do dó điện thế ra V OUT =1.24V , pin không được sạc, khi chân

“Charge” âm, transistor Q1 ngắt, điện thế ra V OUTlớn hơn điện thế của pin, do đó có dòng 1A chạy vào pin

Điện áp tham chiếu của pin được lấy ra từ chân V_sen1, được đưa và ADC0 của vi điều khiển Giá trị của V_sen1 được tính theo công thức:

bat V bat

V R R

R bat V sen

4710

10_

76

7_

×

=

2.2.2.4 Mạch role

Nhiệm vụ của mạch role là tự ngắt nguồn của pin khi robot chuyển từ chế độ hoạt động sang chế độ sạc, thay vào đó là sử dụng nguồn 22V từ adapter Vì nếu vừa sử dụng pin vừa sạc có thể gây giảm tuổi thọ của pin Để làm được điều này, trong thiết

kế đã sử dụng role SRD-05VDC Đây là role 5 chân, khi cuộn dây nối giữa chân 4 và chân 5 không được cấp điện thì chân 1 được nối với chân 2, ngược lại, khi cuộn dây được cấp điện chân 1 được nối với chân 3 (Hình 2 3Hình 2 8)

Hình 2.8: Hình ảnh và sơ đồ role SRD-05VDC

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý mạch role

Khi không có điên áp vào từ adapter qua giắc cắm J1, chân V_Com của role thông với chân V_bat, điện áp dùng cho robot lúc này lấy từ pin Khi có điện áp, cuộn dây trong role sẽ có dòng điện chạy qua sẽ làm role chuyển kết nối từ chân V-Com đến chân V_22v, lúc này điện áp tiêu thụ lấy từ nguồn adapter bên ngoài

Chân V_sen1 là chân tham chiếu điện áp của adapter, thông báo cho vi điều khiển biết robot đã kết nối với nguồn sạc 22v bên ngoài hay không Chân V_sen1 nối trực tiếp lên chân ADC1 của vi điều khiển Công thức tính điện áp của chân V_sen1 như sau:

v V v

V R R

R v V sen

4710

1022

_76

722

_1

+

×

=+

2.3.1 Nhiệm vụ của mạch điều khiển

 Điều khiển hoạt động trực tiếp tới các phần khác, như: động cơ, LCD, mạch sạc pin, loa báo hiệu và thu nhận tín hiệu từ cảm biến tiệm cận

 Giao tiếp với máy tính để thông báo tình hình làm việc của robot và nhận kết quả xử lý ảnh từ máy tính gửi đến

 Khối điều khiển sẽ điều khiển robot làm việc ở 3 chế độ, đó là: quét nhà, dò tìm trạm sạc và sạc

2.3.2 Thiết kế mạch điều khiển

Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển trung tâm là Atmega128 – sản suất bởi hãng Atmel Đây là vi điều khiển phổ thông và là vi điều khiển đặc trưng của dòng Atmage với rất nhiều tính năng được tích hợp bên trong Trong bản khóa luận đã sử dụng một bo mạch Atmega128 được lắp sẵn, trên đó đã gắn chíp Atmega128, thạch anh, reset và các kết nối với các cổng vào ra từ chíp

2.3.2.1 Giới thiệu về vi điều khiển Atmega128

Hình 2.10: Dạng đóng gói và sơ đồ chân của Atmega128

 Các đặc điểm cơ bản của Atmage128

ROM : 128 Kbytes, có khả năng ghi/ xóa lên đến 10,000 lầnSRAM: 4Kbytes

EEPROM : 4Kbytes, có khả năng ghi/ xóa 100,000 lần

Bộ dao động nội RC tần số 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz

Hỗ trợ boot loader

Tần số tối đa 16MHz đối với dòng Atmega128

Tần số tối đa 8MHz đối với dòng Atmega128L

Điện thế : 4.5v - 5.5v đối với Atmega128

Điện thế: 2.7v – 5.5v đối với Atmega128L

 Các khối ngoại vi

2 bộ định thời 8 bit (0,2)

2 bộ định thời 16 bit (1,3)

Bộ định thời watchdog

ADC 8 kênh với độ phân giải 10 bit

Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào

2 kênh PWM 8 bit

6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi độ phân giải từ 2 tới 16 bitHai khối USART lập trình được

Khối truyền nhận nối tiếp SPI

Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI

 Một số tính năng đặc biệt

Có khả năng nạp chương trình ngay trên bo mạch

6 chế độ tiết kiệm năng lượng

Có khả năng ngắt cả trong và ngoài vi điều khiển

Lựa chọn tần số hoạt động bởi phần mền

Hình 2.11: Sơ đồ khối của Atmega128

2.3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển

Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển

Bảng 1-1: Mô tả chức năng các chân của vi điều khiển được sử dụng

Motor_L_0 10 Ra Kết hợp với chân Motor_L_1 để thay đổi

chiều quay bánh bên tráiMotor_L_1 11 Ra Kết hợp với chân Motor_L_0 để thay đổi

chiều quanh bánh tráiMotor_R_0 12 Ra Kết hợp với chân Motor_R_1 để thay đổi

chiều quanh bánh phảiMotor_R_1 13 Ra Kết hợp với chân Motor_R_0 để thay đổi

chiều quanh bánh phải

Sensor_right 45 Vào Nhận tín hiệu từ sensor bên phải

Sensor_left 44 Vào Nhận tín hiệu từ sensor bên trái

Đây là chân ADC, dùng để kiểm tra có nguồn bên ngoài kết nối với mạch sạc hay không

của pinCác tài nguyên của vi điều khiển Atmega128 được sử dụng cho robot:

• 13 chân vào/ra

• Bộ truyền thông nối tiếp UART0

• 2 kênh ADC

2.4 Mạch cảm biến và loa báo

2.4.1 Nhiệm vụ của mạch cảm biến và loa báo

 Mạch cảm biến và loa báo có 2 cảm biến quang dạng khe, kết hợp với hệ thống cơ khí được gắn ở đầu robot, sẽ truyền tín hiệu về vi điều khiên khi xảy ra va chạm giữa robot và vật cản trên đường đi Hai cảm biến nằm mỗi bên và lêch về đằng trước cho phép robot cảm nhận va chạm đến từ bên trái, bên phải hay đằng trước

 Loa báo có nhiệm vụ thông báo tình trạng của robot, như: pin yếu, bắt đầu sạc, sạc xong

2.4.2 Thiết kế mạch cảm biến và loa báo

Hình 2.13: Opto và sơ đồ cấu tạo

Khi robot va chạm với vật cản, hệ thống cơ khí sẽ ngăn cản ánh sáng hồng ngoại truyền từ led phát sang transistor thu Tín hiệu sau đó được đưa qua bộ so sánh sử dụng chíp LM324 để thành tín hiệu chuẩn đưa vào vi điều khiển

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý của mạch cảm biến va chạm

Loa báo hiệu sử dụng một loại còi, khi được cấp điện loại còi này sẽ phát ra âm thanh với tần số 4KHz Bằng việc thay đổi tần số cấp điện cơ thể tạo ra các âm thanh khác nhau Loa sử dụng trong khóa luận dùng để thông báo tình trạng của robot như: hết pin, sạc xong…

Hình 2.15: Loa và sơ đồ mạch thông báo

2.5 Mạch điều khiển động cơ

Động cơ sử dụng giúp cho robot di chuyển là loại động cơ một chiều, điện thê hoạt động từ 5V đến 12V Robot có 2 động cơ gắn vào 2 bánh chủ động Chíp L298 là một loại chip công xuất dùng để điều khiển loại động cơ này Trong L298 có tích hợp 2 mạch cầu H, cho phép điều khiển hoạt động cùng lúc cho 2 động cơ

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý của chip L298

Một số thông số kỹ thuật của chip L298:

• Điện áp cung cấp tối đa: 50v

• Dòng tải tối đa cho mỗi mạch cầu H: 2A

• Điện áp điều khiển: −0.3v<V dk <7v

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển motor

Khi động cơ hoạt động, có những lúc động cơ quay hay dừng, quay theo chiều kim đồng hồ hay theo chiều ngược khi đồng hồ Những lúc chuyển trạng thái như vậy sẽ làm xuất hiện những xung nhiễu gây ảnh hưởng tới mạch điều khiển thậm chí gây cháy chip điều khiển, nên nhất thiết phải sử dụng các diot mắc ngược (Hình 2 17) để triệt tiêu nhiễu

Mô tả hoạt động của mạch điều khiển động cơ Vì hai động cơ là tương tự nhau nên chỉ cần mô tả hoạt động của một động cơ

Bảng 1-2: Mô tả hoạt động của mạch điều khiển động cơ

Motor_L_E Motor_L_1 Motor_L_