Thiết kế và thi công mô hình robot lau kính

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứuChương này sẽ giới thiệu tổng quát về mục đính nghiên cứu, ứng dụng của nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, cách lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài.Chương 2: Cơ sở lí thuyết của đề tàiChương này sẽ giới thiệu về cơ sở lí thuyết, các thiết bị được sử dụng trong đề tài.Chương 3: Thi công đề tàiChương này sẽ là phần thi công thực tế đề tài, cách xây dựng lưu đồ thuật toán, cách điều khiển các động cơ có trong robot, giới thiệu các linh kiện thực tế, thiết kế mạch, thiết kế robot.

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, cho em xin được gởi lời cảm ơn chân thành tới thầy Vũ Vân

Thanh và thầy Huỳnh Thanh Tùng, người đã hướng dẫn em hết sức nhiệt tình và

giúp em vượt qua được những hạn chế về kiến thức của bản thân để hoàn thành đồ ánnày

Em cũng xin gởi lời cảm ơn đến sự giúp đỡ hết sức nhiệt tình của các bạn cùngkhóa, sự ủng hộ của cha, mẹ, anh chị em trong gia đình cũng đã giúp em vượt quanhiều khó khăn trong quá trình làm đồ án

Ngoài ra em xin cảm ơn tất cả các thầy, cô trong trường ĐHBK Đà Nẵng đãgiảng dạy cho em suốt năm năm qua, cung cấp cho em kiến thức làm nền tảng đểhoàn thiện đồ án

Mặc dù rất cố gắng để hoàn thành tập đồ án, nhưng vì kiến thức cá nhân cóhạn, em không tránh khỏi những thiếu sót Em mong quí thầy cô có thể chỉ bảo

Em rất mong được đón nhận những ý kiến đóng góp

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2014

Sinh viên thực hiện

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

========

LỜI CAM ĐOAN

Kính gửi: Hội đồng bảo vệ đồ án tốt nghiệp khoa Điện tử - Viễn thông, Đại họcBách khoa, Đại học Đà Nẵng

Chúng em gồm:

Đề tài tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình Robot lau kính

Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ ánhay công trình đã có trước đây Nếu vi phạm điều trên chúng em xin chịu mọi hìnhthức kỷ luật từ thầy cô và hội đồng bảo vệ

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2014

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG 9

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 13

1.1 Giới thiệu chương 13

1.2 Ứng dụng của đề tài 13

1.3 Mục đích nghiên cứu 13

1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 13

1.5 Lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài 14

1.6 Kết luận chương 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 17

2.1 Giới thiệu chương 17

2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ học 18

2.3 Giới thiệu về DTMF 20

2.3.1 DTMF là gì? 20

2.3.2 Mạch giải mã DTFM 21

2.3.3 Chức năng các khối của IC MT8870 23

2.4 Vi điều khiển MSP430x2xx 26

2.4.1 Giới thiệu chung về MSP430x2xx 26

2.4.2 Các chân nhập, xuất 28

2.4.3 Điều xung dựa trên các bộ Timer của MSP430x2xx 31

2.5 Động cơ phân luồng 34

2.5.1 Giới thiệu 34

2.5.2 Đặc điểm kỹ thuật 34

2.5.3 Động cơ DC không chổi than 35

2.6 Cơ cấu chuyển động 40

2.7 Kết luận chương 41

CHƯƠNG 3: THI CÔNG ĐỀ TÀI 42

3.1 Giới thiệu chương 42

3.2 Mạch vi điều khiển 43

3.3 Mạch giãi mã DTMF 8870 45

3.3.1 Sơ đồ nguyên lý: 45

3.3.2 Nguyên lý hoạt động: 46

3.4 Xây dựng chương trình điều khiển 47

3.4.1 Điều khiển động cơ cánh quạt 50

3.4.2 Điều khiển động cơ bánh xe 54

3.4.3 Driver điều khiển động cơ DC ( Mạch cầu H ) 56

3.4.4 Buồng khí 61

3.4.5 Phần lau kính 62

3.4.6 Bảo mật 62

3.5 Kết luận chương 65

KẾT QUẢ, KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 66

KẾT QUẢ: 66

KẾT LUẬN: 66

HƯỚNG PHÁT TRIỀN ĐỀ TÀI 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 68

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ESC Electronic Speed Controller Điều khiển tốc độ điện tử

GPIO General purpose I/O Chân xuất nhập chung

DTFM Dual-tone multi-frequency Âm thanh đa tần số

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1 1 Robot phát hiện vết nứt trên vỏ tàu 14

Hình 1 2 Robot leo tường sử dụng giác hút của ĐH Seoul 15

Hình 1 3 Mecho-Gecko đang leo trên cửa kính 16Y Hình 2 1 Sơ đồ khối tổng quát 17

Hình 2 2 Phân bố các lực trên robot khi leo tường 19

Hình 2 3 Sơ đồ chân MT8870 21

Hình 2 4 Sơ đồ khối chức năng MT8870 22

Hình 2 5 Mạch steering 24

Hình 2 6 So sánh về các thành viên của họ MSP430x2xx3 28

Hình 2 7 Sơ đồ chân IC MSP430G2553 29

Hình 2 8 Sơ đồ khối Timer A 32

Hình 2 9 Timer A, up mode 33

Hình 2 10 Ducted fan dùng trong máy bay 34

Hình 2 11 Cấu tạo một động cơ BLDC điển hình 37

Hình 2 12 Giản đồ so sánh dạng sóng sin ba pha và DC ba pha 38

Hình 2 13 Sơ đồ khóa và quá trình đóng cắt điều khiển động cơ BLDC 39

Hình 2 14 Giản đồ dòng điện tương ứng ba pha của dây quấn stator 39

Hình 3 1 Sơ đồ khối 42

Hình 3 2 Kit MSP430G2553 LaunchPad 44

Hình 3 3 Mạch điều khiển trung tâm MSP430G2553 44

Hình 3 4 Mạch nguồn 3.3V 45

Hình 3 5 Sơ đồ nguyên lý 45

Hình 3 6 Layout thi công 46

Hình 3 7 Lưu đồ thuật toán hàm main 48

Hình 3 8 Lưu đồ thuật toán điều khiển Robot 49

Hình 3 9 Bộ điều dòng ESC (của hãng TURNIGY) 51

Hình 3 10 Ducted fan sử dụng trong đề tài 52

Hình 3 11 Pin Li-po 4 cell cung cấp cho cánh quạt 53

Hình 3 12 Kết nối giữa Pin-ESC-ducted fan 53

Hình 3 13 Phương thức điều khiển độ rộng xung 53

Hình 3 14 Động cơ giảm tốc được sử dụng trong đề tài 54

Hình 3 15 Bánh xe được sử dụng trong đề tài 55

Hình 3 16 Pin Turnigy 3S 11.1V 2200mAh 56

Hình 3 17 Kit mạch cầu H 56

Hình 3 18 IC L298N 57

Hình 3 19 Nối song song hai cầu H để điều khiển động cơ lên đến 4A 58

Hình 3 20 Mạch bảo vệ 60

Hình 3 21 Đáp ứng điện áp theo thời gian khi có ngắn mạch 60

Hình 3 22 Bề mặt buồng khí 61

Hình 3 23 Robot trong quá trình hoàn thiện 62

Hình 3 24 Lưu đồ thuật toán kiểm tra mật khẩu 64

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Các tần số DTFM 20

Bảng 2 2 Chức năng từng chân của MT8870 22

Bảng 2 3 Bảng mã chức năng 26

Bảng 2 4 PxSEL và PxSEL2 30

Bảng 2 5 Các mode ứng với từng giá trị của OUTMODx 33

BẢNG PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

- Layout và thi công mạch giải mã 

MỞ ĐẦU

Ngày nay, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào đời sống con người đã làmthay đổi căn bản diện mạo của thế giới Từ công nghệ điện tử, máy tính, truyền thôngđến hóa học, năng lượng… đã giúp chúng ta thuận tiện, dễ dàng hơn và đạt hiệu quảcao hơn trong công việc Trong những lĩnh vực đó, công nghệ robot cũng đã góp mộtphần hữu hiệu vào những thành tựu đã đạt được Robot trở thành một cánh tay đắc lựccho con người, làm những việc con người không làm được, tần suất 24/24 giờ và trongnhững môi trường nguy hiểm đến tính mạng, sức khỏe con người Xã hội càng pháttriển thì những tòa nhà cao tầng mọc lên càng nhiều, một khó khăn nảy sinh trong việc

vệ sinh các ô cửa kính bên ngoài tòa nhà ở độ cao hàng chục, thậm chí hàng trăm métthực sự là một thử thách đối với con người, khi công nhân phải đối mặt với rất nhiềurủi ro nếu phải thực hiện công việc đó một cách thủ công Lấy cảm hứng từ đó, chúng

em thực hiện đề tài “Robot lau kính”

Đề tài được chia thành 3 chương có nội dung như sau:

Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về mục đính nghiên cứu, ứng dụng củanghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, cách lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài

Chương 2: Cơ sở lí thuyết của đề tài

Chương này sẽ giới thiệu về cơ sở lí thuyết, các thiết bị được sử dụng trong đềtài

Chương 3: Thi công đề tài

Chương này sẽ là phần thi công thực tế đề tài, cách xây dựng lưu đồ thuật toán,cách điều khiển các động cơ có trong robot, giới thiệu các linh kiện thực tế, thiết kếmạch, thiết kế robot

Kết luận và hướng phát triển đề tài

Sau một thời gian nghiên cứu, thi công và chạy thử đề tài “thiết kế robot laukính” đã hoàn thành và đạt một số kết quả sau:

- Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại robot leo tường laukính thông dụng hiện nay

- Phân tích các thông số kỹ thuật và phương án thiết kế một robot leo tườngdùng nguyên lý phản lực cơ bản

- Thiết kế khung robot, thiết kế mạch, viết chương trình điều khiển robot quasóng điện thoại

- Chạy demo sản phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Chương một sẽ giới thiệu khái quát về ứng dụng của đề tài, mục đích nghiêncứu, phương pháp và phương tiện nghiên cứu, cũng như đưa ra lựa chọn phương án thicông đề tài để đạt hiệu quả tốt nhất, phù hợp với khả năng, nguồn nguyên liệu sẵn có

và giá thành hiện nay

Robot có khả năng di chuyển trên các mặt phẳng thẳng đứng hay trần nhà dựavào nguyên tắc khí động học được tạo ra từ cánh quạt phản lực gắn trên thân Tín hiệuđiều khiển được truyền qua tín hiệu DTMF của điện thoại Khi hoàn thành, robot có thểthay thế con người trong việc vệ sinh cửa kính ở mặt ngoài các tòa nhà cao tầng mộtcách an toàn và hiệu quả

Tạo ra một ứng dụng trong đó sử dụng Robot leo tường để lau kính, giúp conngười tiết kiệm được thời gian cũng như công sức để vệ sinh nhà ở hoặc văn phònglàm việc của mình Ngoài ra, ứng dụng còn có thể áp dụng cho các tòa nhà cao tầngnhằm giảm nguy hiểm có thể xảy ra cho các công nhân làm việc ở đây

- Phương pháp khảo cứu tài liệu:

Tham khảo, tra cứu từ các tài liệu có liên quan để thấu hiểu những kiến thức cóliên quan đến đề tài đang thực hiện

Phương tiện: Tạp chí chuyên ngành; các sách kỹ thuật chuyên môn; cácwebsite, diễn đàn trực tuyến, …

- Phương pháp thực nghiệm:

Trực tiếp thi công mạch, từ những kinh nghiệm, những qui trình thực tế rút racác kết quả chính xác đưa vào đồ án.

Phương tiện: Các dụng cụ liên quan phục vụ cho quá trình thi công

Việc chế tạo robot lau tường đã không còn mới mẻ trên thế giới nữa, người ta đãnghĩ đến nhiều giải pháp khác nhau giúp robot có thể di chuyển ở điều kiện ngược vớitrọng lực như dùng lực hút nam châm, giác hút chân không hay mô phỏng khả năngcủa các loài bò sát như thằn lằn, rắn mối… Những giải pháp trên đã đạt được một sốthành tựu đáng kể nhưng những khó khăn gặp phải cũng không ít, đó là nguyên nhântại sao mảng đề tài này vẫn chưa được ứng dụng rộng rãi vào cuộc sống

Ví dụ như việc dùng lực hút nam châm chỉ được hỗ trợ trong môi trường có bềmặt là các chất có từ tính như vách tường bằng sắt, thân tàu ngầm, ô tô…

(b) VEX Magnetic Climbing Robot Model 2

Kiểu thứ 2 là sử dụng giác hút Trường đại học Seoul National University,Seoul, Hàn Quốc đã phát triển một số phiên bản của loại robot này Các van cơ họcđiều khiển các miếng hút khiến robot có thể bám dính vào bề mặt một lực tương đốilớn, nhưng với kiểu thiết kế này, việc di chuyển robot khá khó khăn và không phù hợpvới những công việc trên bề mặt không thực sự bằng phẳng.

Một giải pháp khác khá mới mẻ là robot phỏng sinh học Để có thể bám trêntường, robot sử dụng các miếng tiếp xúc được gắn dưới chân giống như một con tắc kè.PEDA Labs và University of California Berkeley đã thiết kế một con robot như vậy cótên là Mecho-Gecko

Hình 1 3 Mecho-Gecko đang leo trên cửa kính

Cũng giống như việc dùng giác hút, robot kiểu này không thể di chuyển linhđộng được và kinh phí cho các miếng tiếp xúc thường khá cao

Giải pháp cuối cùng cũng là giải pháp chúng em lựa chọn cho đề tài này là sửdụng nguyên lý động học Ưu điểm của nó là không quá phức tạp và đắt đỏ, robot cũng

có thể di chuyển một cách rất linh hoạt như ở mặt đất Chi tiết sẽ được chúng em giớithiệu ngay sau đây

Chương một cho ta một cách nhìn khái quát về mục đích nghiên cứu và ứngdụng của đề tài “ Robot leo tường lau kính ” cũng như qua nghiên cứu các phươngpháp và sản phẩm tương tự đã có trên thế giới để đưa ra phương án thi công đề tài tối

ưu nhất

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong chương hai sẽ giới thiệu sơ đồ khối tổng quát, tìm hiểu về cơ sở lý thuyết

cơ học Nghiên cứu về DTMF, về sơ đồ khối và chức năng các khối của IC giãi mã MT8870 Giới thiệu về họ vi điều khiển MSP430x2xx3 và các thiết bị được sử dụng đểthi công robot

Lợi dụng khả năng truyền tín hiệu DTMF từ bàn phím điện thoại, ta tích hợpthêm một bộ giải mã DTMF (dùng IC MT8870) Đầu ra của bộ giải mã này là mã BCD

4 bit ứng với phím được bấm ở điện thoại điều khiển Tín hiệu này được cung cấp choMCU MSP430 giải mã tương ứng với lệnh cần điều khiển để xuất ra các cơ cấu chấphành là bộ điều dòng ESC dùng để điều khiển cánh quạt phản lực Ducted Fan và kitđiều khiển motor nối với 4 motor trên robot

2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ học

Như đã giới thiệu, sở dĩ robot có thể di chuyển trên bề mặt thẳng đứng là nhờ cócánh quạt phản lực quay với vận tốc lớn, tạo ra chênh lệch áp suất giữa trong và ngoàibuồng khí, khi áp lực lớn hơn trọng lực của thân robot thì nó có thể di chuyển được

Công thức tính chênh lệch áp suất:

P at−P¿=F ⁄ A

Trong đó:

P_in: Áp suất trong buồng khíP_at: Áp suất khí quyểnA: Diện tích buồng khí

Hình 2 2 Phân bố các lực trên robot khi leo tường

Khi robot đứng yên trên mặt phẳng thẳng đứng, lực ép của buồng khí phải bằngvới phản lực (theo định luật 3 Newton)

↔ kA(P at−P¿)=mg

Để cải thiện khả năng bám của robot, ta nên:

- Dùng bánh xe có độ bám tốt để tăng hệ số ma sát k

- Tăng diện tích tiếp xúc của buồng khí với mặt tường (tăng A)

- Tăng phản lực của cánh quạt để tạo chênh lệch áp suất lớn hơn (giảmP_in)

2.3.1 DTMF là gì?

DTMF viết tắt của Dual-tone multi-frequency là một loại tín hiệu báo hiệuđược dùng trong viễn thông, khi ta bấm một phím trên bàn phím, nó sẽ phát ra một âmriêng biệt là sự trộn lẫn của 2 tần số khác nhau Các tần số được chọn là những tần sốđặc biệt, ít gặp trong cuộc sống Vì mỗi phím trên bàn phím ứng với một âm riêng biệt,

và có thể truyền từ điện thoại này sang điện thoại khác khi 2 bên đã thông thoại vớinhau, nên nếu giải mã được tín hiệu này, ta sẽ tìm được tín hiệu điều khiển từ điệnthoại bên kia

Ưu điểm:

- Phạm vi điều khiển xa, chỉ cần 2 điện thoại nằm trong vùng phủ sóng là

có thể sử dụng được

- Có tính bảo mật cao: ta có thể cài đặt mật khẩu để phân biệt đâu là tín

hiệu điều khiển hợp lệ

2 IN- Đầu vào đảo của opamp (nối với đầu vào audio) IN

3 GS (Gain Select) đường hồi tiếp từ ngõ ra mạch khuếch đại

vi sai

IN/OUT

5 INH (INHibit) khi chân này ở mức cao: cấm giải mã các

phím A, B, C, D Bình thường nó được kéo xuống mức0

IN

6 PWND (Power down) khi chân này ở mức cao sẽ cấm mạch

dao động làm việc Bình thường ở mức thấp

10 TOE (Three state Output Enable) chân này ở mức cao sẽ cho

phép mở các đầu ra Q1-Q4, bình thường nối nguồn

Hình 2 4 Sơ đồ khối chức năng MT8870 2.3.3 Chức năng các khối của IC MT8870

2.3.3.1 Cấu hình ngõ vào:

Thiết kế đầu vào của MT8870 cung cấp 1 bộ khuếch đại opamp ngõ vào vi saicũng như một ngõ vào VREF để điều chỉnh điện áp cho đầu vào tại VDD/2 Chân GSgiúp nối ngõ ra bộ khuếch đại với ngõ vào qua một điện trở ngoài để điều chỉnh độ lợi

2.3.3.2 Dial tone filter:

Khối này sẽ tách tín hiệu tone thành nhóm tần số thấp và tần số cao Thực hiệnviệc này nhờ 2 bộ lọc thông qua 6 bậc Một từ 697Hz đến 941Hz và một từ 1209Hzđến 1633Hz Cả 2 nhóm tín hiệu này đều được biển đổi thành xung vuông bởi bộ dòZero Crossing

2.3.3.3 High group filter và Low group filter:

- High group filter là bộ lọc 6 để lọc nhóm tần số cao có băng thông từ 697Hzđến 941Hz

- Low group filter là bộ lọc 6 để lọc nhóm tần số thấp có băng thông từ 1209Hzđến 1633Hz

- Ngoài ra, có bộ Zero Crossing detectors có nhiệm vụ dò mức không để biếnđổi tín hiệu thành xung vuông

2.3.3.4 Digital detection argorethm:

Khối này là bộ thuật toán dùng kỹ thuật số để xách định tần số của các tone đến

và kiểm tra chúng tương ứng với tần số chuẩn DTMF Nhờ giải thuật lấy trung bìnhphức tạp (complex averaging) giúp loại trừ các tone giả tạo thành tiếng nói trong khivẫn đảm bảo một khoảng biến động cho tone thực do bị lệch Khi bộ kiểm tra nhậndạng được hai tone đúng thì đầu ra EST (Early Steering) sẽ lên mức active (tác động).Lúc không nhận được tín hiệu tone thì ngõ ra EST sẽ ở mức Inactive (không tác động)

2.3.3.5 Mạch steering:

Trước khi thu nhận một cặp tone đã giãi mã, bộ thu phải kiểm tra xem thời hằngcủa tín hiệu có đúng không Việc kiểm tra này được thực hiện bởi một bộ RC mắcngoài.

Khi chân EST lên mức high (mức logic cao) làm cho Vc tăng lên khi xả tụ Khi

mà chân EST vẫn còn high trong một thời đoạn hợp lệ thì Vc tiến mức ngưỡng Vtstcủa logic Steering để nhận một cặp tone Điện thế Vc chính là điện áp ngõ vào ST/GT,

do đó ngõ vào ST/GT có điện thế lớn hơn mức ngưỡng Vtst, điều này làm cho cặptone được ghi nhận và 4 bit dữ liệu tương ứng được đưa vào ngõ ra của bộ chốt Lúc đóchân EST cùng với chân ST/GT vẫn tiếp tục ở mức cao Cuối cùng sau một thời giantrễ ngắn cho phép việc chốt dữ liệu thực hiện xong thì chân STD của mạch Steering lênmức logic cao báo hiệu răng cặp tone đã được ghi nhận

Dữ liệu thu được sẽ đi ra hai chiều (data bus) khi mạch Steering được đọc MạchSteering lại hoạt động nhưng theo chiều ngược lại để kiểm tra khoảng dừng giữa hai sốquay Vì vậy bộ thu vừa bỏ qua các tín hiệu quá ngắn không hợp lệ lại vừa chấp nhậncác khoảng ngắt quá nhỏ để không thể coi dừng giữa các số Chức năng này, cũng nhưkhả năng chọn thời hằng Steering bằng mạch ngoài cho phép người thiết kế điều chỉnhhoạt động cho phù hợp với các đòi hỏi khác nhau của ứng dụng

2.3.3.6 Điều chỉnh thời gian bảo vệ:

Thời gian tối thiểu cặp tone xuất hiện để đảm bảo cho việc nhận chính xác là:

Tpcc= tDD+ tGTP

- tDD: thời gian từ khi có cặp tone ổn định cho đến khi chân EST lên mức logiccao, thời gian này là thời gian dò được cặp tone cố định

- tGTP: thời gian bảo vệ đảm bảo sự có mặt của cặp tone

- Tpcc: thời gian tối thiểu cặp tone xuất hiện

Thời gian tối thiểu cửa sự xuất hiện giữa hai cặp tone là:

tID= tDA+ tGTA

- tDA: thời gian dò được sự mất cặp tone

- tGTA: thời gian bảo vệ cho việc xách địh cặp tone bị mất

- tID: thời gian xuất hiện tổi thiểu giữa 2 cặp tone

MSP 430 là họ vi điều khiển cấu trúc RISC 16-bit được sản xuất bởi công ty

Texas Instruments

MSP là chữ viết tắt của “MIXED SIGNAL MICROCONTROLLER” Là

dòng vi điều khiển siêu tiết kiệm năng lượng, sử dụng nguồn thấp, khoảng điện áp

nguồn cấp từ 1.8V – 3.6V

MSP 430 kết hợp các đặc tính của một CPU hiện đại và tích hợp sẵn các

module ngoại vi Đặc biệt IC MSP 430 là giải pháp thích hợp cho những ứng dụng yêu

cầu trộn tín hiệu

Những đặc tính của dòng MSP 430 bao gồm:

 Điện áp nguồn: 1.8V – 3.6 V

 Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp:

- Chế độ hoạt động: 270 μA tại 1MHz, 2,2 V

- Chế độ chờ: 0.7 μA

- Chế độ tắt (RAM vẫn được duy trì): 0.1 μA

 Thời gian đánh thức từ chế độ Standby nhỏ hơn 1μs

 Cấu trúc RISC-16 bit, Thời gian một chu kỳ lệnh là 62.5 ns

 Cấu hình các module Clock cơ bản:

- Tần số nội lên tới 16 MHz với 4 hiệu chỉnh tần số +- 1%

- Thạch anh 32 KHz

- Tần số làm việc lên tới 16 MHz.

- Bộ cộng hưởng

- Nguồn tạo xung nhịp bên ngoài

- Điện trở bên ngoài

 Timer_A 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

 Timer_B 16 bit với 3 thanh ghi hình, 3 thanh ghi so sánh độ rộng 16 bit

 Giao diện truyền thông nối tiếp:

- Hỗ trợ truyền thông nối tiếp nâng cao UART, tự động dò tìm tốc độBaud

- Bộ mã hóa và giải mã IrDA (Infrared Data Associatio)

- Chuẩn giao tiếp động bộ SPI

- Chuẩn giao tiếp I2C

 Bộ chuyển đổi ADC 10 bit, 200 ksps với điện áp tham chiếu nội, Lấy mẫu

và chốt Tự động quét kênh, điều khiển chuyển đổi dữ liệu

 Hai bộ khuếch đại thuật toán (hoạt động) có thể định cấu hình (Đối với MSP430x22x4)

 Bảo vệ sụt áp

 Bộ nạp chương trình

 Module mô phỏng trên chip

Hình 2 6 So sánh về các thành viên của họ MSP430x2xx3

MSP430 được sử dụng và biết đến đặc biệt trong những ứng dụng về thiết bị đo

có sử dụng hoặc không sử dụng LCD với chế độ nguồn nuôi rất thấp Với chế độnguồn nuôi từ khoảng 1,8 đến 3,6v và 5 chế độ bảo vệ nguồn

Với sự tiêu thụ dòng rất thấp trong chế độ tích cực thì dòng tiêu thụ là 200uA,1Mhz, 2.2v; với chế độ standby thì dòng tiêu thụ là 0.7uA Và chế độ tắt chỉ duy trì bộnhớ Ram thì dòng tiêu thụ rất nhỏ 0.1uA

MSP430 có ưu thế về chế độ nguồn nuôi Thời gian chuyển chế độ từ chế độstandby sang chế độ tích cực rất nhỏ (< 6us) Và có tích hợp 96 kiểu hình cho hiển thịLCD 16 bit thanh ghi, 16 bit RISC CPU

Có một đặc điểm của họ nhà MSP là khi MCU không có tín hiệu dao độngngoại, thì MSP sẽ tự động chuyển sang hoạt động ở chế độ dao động nội

2.4.2 Các chân nhập, xuất

MSP430x2xx hỗ trợ 8 cổng vào ra từ P1 đến P8 Mỗi port có đến 8 chân I/Okhác nhau và mỗi chân có thể cấu hình thàn Input hoặc Output, có thể được đọc ghiđộc lập với nhau Port 1 và 2 có khả năng ngắt và được cấu hình riêng rẽ theo cạnh lên/xuống của tín hiệu vào Các đặc điểm chính của port I/O:

- Có thể cấu hình độc lập mỗi chân.

- Có thể kết hợp cả vào và ra

- Cấu hình ngắt độc lập trên P1 và P2

- Các thanh ghi dữ liệu vào/ra độc lập với nhau

- Có thể cấu hình các điện trở kéo lên, kéo xuống

- Cấu hình chức năng nguồn clock (ở một số dòng MSP)

2.4.2.1 Thanh ghi đầu vào PxIN

Mỗi bit ở thanh ghi PxIN lưu giá trị ngõ vào tương ứng với chân đó (khi chân đãđược cấu hình thành ngõ vào)

Bit = 0: đầu vào ở mức thấp

Bit = 1: đầu vào ở mức cao

2.4.2.2 Thanh ghi ngõ ra PxOUT

Mỗi bit trong thanh ghi PxOUT chứa giá trị ngõ ra trên từng chân tương ứng(khi chân đã được cấu hình thành ngõ ra)

Bit = 0: ngõ ra ở mức thấp

Bit = 1: ngõ ra ở mức cao

Nếu điện trở kéo lên/xuống ở các chân này đã được kích hoạt, thì các bit ở thanhghi này cũng biểu thị

Bit = 0: chân được kéo xuống

Bit = 1: chân được kéo lên

2.4.2.3 Thanh ghi hướng PxDIR

Mỗi bit trong thanh ghi này biểu thị hướng của chân tương ứng là vào/ra màkhông cần quan tâm đến chức năng của chân đó

Bit = 0: chân được cấu hình thành ngõ vào

Bit = 1: chân được cấu hình thành ngõ vào

2.4.2.4 Thanh ghi cho phép điện trở kéo lên/ kéo xuống PxREN (Resistor Enable)

Bit = 0: điện trở kéo lên/xuống bị vô hiệu hóa

Bit = 1: kích hoạt chức năng điện trở kéo lên/xuống

2.4.2.5 Thanh ghi chọn chức năng PxSEL và PxSEL2

Các chân của MSP430x2xx thường được kết hợp với các ngoại vi, để cấu hìnhchức năng cho các chân này ta set các bit trong 2 thanh ghi tướng ứng như bảng sau:

- Thanh ghi cờ ngắt P1IFG và P2IFG

Mỗi bit PxIFGx tương ứng với cờ ngắt trên chân đó, cờ ngắt được bật khi bitPxIE ở vị trí tương ứng và GIE được bật Cờ ngắt có thể được set và phải được xóabằng phần mềm

Bit = 0: không có ngắt

Bit = 1: có ngắt đang đợi

- Thanh ghi chọn sườn ngắt P1IES và P2IES

Bit = 0: cờ ngắt PxIFGx được bật khi xuất hiện sườn lên

Bit = 1: cờ ngắt PxIFGx được bật khi xuất hiện sườn xuống

- Cho phép ngắt

Mỗi bit trong PxIE cho phép hoặc cấm ngắt trên PxIFG tương ứng

Bit = 0: cấm ngắt

Bit = 1: cho phép ngắt

2.4.3 Điều xung dựa trên các bộ Timer của MSP430x2xx

Điều xung (PWM) là một phương pháp rất hiệu quả trong việc tạo tín hiệu điềukhiển như động cơ Thay vì tạo ra điện áp mong muốn trên các ngõ ra số thì ta thay đổitần số xung hoặc hệ số xung (duty cycle)

Xung điều chế được tạo ra bằng phần mềm và hầu hết các dòng MSP430 đều cócác mode và port hỗ trợ việc này

MSP430x2xx hỗ trợ 2 bộ timer là Timer A và Timer B Cả hai loại đều dùng bộđếm 16 bit với một số thanh ghi capture/compare (3 đối với TA và 7 đối với TB) Cáctín hiệu ngắt được tạo ra dựa trên bộ đếm và các điều kiện tràn

Hình 2 8 Sơ đồ khối Timer A

- Nguồn clock có thể lấy từ TACLK, ACLK, SMCLK hay INCLK bằng cáchcấu hình 2 bit TASSELx

- Sau khi được chọn, nguồn clock có thể được đưa trực tiếp vào hoặc qua bộchia 2/4/8 bằng cách cấu hình 2 bit IDx

- Timer có 4 mode hoạt động là: stop, up, continuous và up/down, trong đề tàinày dùng up mode, ở chế độ này timer sẽ đếm từ 0 đến giá trị được ghi trong thanh ghiTACCR0 (giá trị này phải nhỏ hơn 0xFFFF) Khi đếm đến giá trị này, nó sẽ bắt đầu lại

từ 0 và cờ ngắt CCIFG được bật

Các mode output được thiết lập qua OUTMODx bit và tín hiệu ra OUTx đượcthay đổi phụ thuộc vào mode được chọn

Hình 2 10 Ducted fan dùng trong máy bay

Cánh quạt của loại động cơ này thường có nhiều lá và bản mỏng hơn các loạicánh quạt khác giúp nó quay với vận tốc cao dễ dàng hơn, ngoài ra độ dài cánh quạtcũng tương đương với bán kính ống dẫn

2.5.2 Đặc điểm kỹ thuật

EDF (Electric Ducted Fan) là một loại quạt dùng motor chạy bằng pin, để quạtnày hoạt động cần phải có một bộ điều dòng gọi là ESC (Electronic Speed Controller)điều khiển mức dòng cung cấp cho động cơ Tùy thuộc vào thiết kế mà ta chọn loạiđộng cơ, nguồn và bộ ESC cho phù hợp Trong đồ án này chúng em chọn loại cánhquạt sử dụng trong máy bay mô hình để tạo lực hút, cánh quạt và ống dẫn đều bằngnhựa nên giảm được trọng lượng cho robot

Để đo tốc độ động cơ ta dùng đơn vị RPM (Revolutions Per Munite) tức là sốvòng quay được trong một phút khi đầu vào là 1V mà motor không tải Các động cơ

loại này thường có tốc độ khoảng 2-5000 RPM/V nên khi cấp nguồn quá lớn có thể gây

ra quá tải, cháy động cơ

2.5.3 Động cơ DC không chổi than

2.5.3.1 Giới thiệu, đặc điểm

Động cơ sử dụng trong đồ án này là loại động cơ DC không chổi than - BLDC(Brushles Dc motor) là một dạng động cơ đồng bộ tuy nhiên động cơ BLDC kích từbằng một loại nam châm vĩnh cửu dán trên rotor và dùng dòng điện DC ba pha cho dâyquấn phần ứng stator

Cũng giống như động cơ đồng bộ thông thường, các cuộn dây BLDC cũng đượcđặt lệch nhau 120 điện trong không gian của stator Các thanh nam châm được dánchắc chắn vào thân rotor làm nhiệm vụ kích từ cho động cơ Đặc biệt điểm khác biệt vềhoạt động của động cơ BLDC so với các động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu khác làđông cơ BLDC bắt buộc phải có cảm biến vị trí rotor để cho động cơ hoạt động.Nguyên tắc điều khiển của động cơ BLDC là xác định vị trí rotor để điều khiển dòngđiện vào cuộn dây stator tương ứng, nếu không động cơ không thể tự khởi động haythay đổi chiều quay Chính vì nguyên tắc điều khiển dựa vào vị trí rotor như vậy nênđộng cơ BLDC đòi hỏi phải có một bộ điều khiển chuyên dụng phối hợp với cảm biếnHall để điều khiển động cơ

- Ưu điểm:

Động cơ DC không chổi than BLDC (Brushles DC motor) có các ưu điểm củađộng cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu như: tỷ lệ momen/quán tính lớn, tỷ lệ công suấttrên khối lượng cao

Do máy được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên giảm tổn hao đồng và sắttrên rotor hiệu suất động cơ cao hơn

Động cơ kích từ nam châm vĩnh cửu không cần chổi than và vành trượt nênkhông tốn chi phí bảo trì chổi than Ta cũng có thể thay đổi đặc tính động cơ bằng cáchthay đổi đặc tính của nam châm kích từ và cách bố trí nam châm trên rotor Một số đặc tính nổi bật của động cơ BLDC khi hoạt động:

 Mật độ từ thông khe hở không khí lớn

 Tỷ lệ công suất/khối lượng máy điện cao

 Tỷ lệ momen/quán tính lớn (có thể tăng tốc nhanh)

 Vận hành nhẹ nhàng (dao động của momen nhỏ) thậm chí ở tốc độ thấp(để đạt được điều khiển vị trí một cách chính xác)

 Mômen điều khiển được ở vị trí bằng không

 Vận hành ở tốc độ cao

 Có thể tăng tốc và giảm tốc trong thời gian ngắn

 Hiệu suất cao

 Kết cấu gọn

- Nhược điểm :

Do động cơ được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu nên khi chế tạo giá thành cao

do nam châm vĩnh cửu khá cao nhưng với sự phát triển công nghệ hiện nay thì giáthành nam châm có thể giảm

Động cơ BLDC được điều khiển bằng một bộ điều khiển với điện ngõ ra dạngxung vuông và cảm biến Hall được đặt bên trong động cơ để xác định vị trí rotor Điều