Thiết kế mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm

Robot scanner siêu âm là một thiết bị máy móc có thể di chuyển được gắn trên mình những cảm biến siêu âm để dò ra những khuyết tật (rạn, nứt, vỡ,…) của đường ống một cách chính xác, robot có thể tự làm việc độc lập với người vận hành bằng việc được lập trình sẵn (thường gọi là robot tự hành). Ngoài ra robot có thể tinh chỉnh trong quá trình hoạt động thông qua người vận hành bằng các hệ thống điều khiển từ xa.Để robot scanner siêu âm có thể hoạt động được thì chúng cần những mạch điều khiển. Những mạch này có chức năng điều khiển các hoạt động của robot scanner siêu âm để robot có thể làm việc hiệu quả nhất. Robot scanner được chế tạo để có thể làm việc tại những nơi mà con người không thể trực tiếp làm việc. Vì vậy để điều khiển robot phải cần những bộ điều khiển từ xa để con người có thể ngồi tại một vị trí cố định mà cũng có thể điều khiển hoạt động của chúng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế mạch điều khiển từ xa giao tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm HÀ NỘI Tháng 07 năm 2016 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa NHẬN XÉT ĐỒ ÁN Nhận xét giáo viên hướng dẫn Nhận xét giáo viên đọc duyệt Giáo viên hướng dẫn Giáo viên đọc duyệt (Kí tên) (Kí tên) SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa MỤC LỤC NHẬN XÉT ĐỒ ÁN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN 10 CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT BÀI TOÁN VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH NĂNG 11 1.1 KHẢO SÁT ROBOT SCANNER 11 1.1.1 Giới thiệu robot scanner siêu âm .11 1.1.2 Sơ đồ tính robot scanner siêu âm 15 1.1.3 Phân chia toán 16 1.1.4 Sơ đồ tính toán toán .17 1.1.5 Mục tiêu đề tài 18 1.2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA VÀ GIAO TIẾP NGƯỜI SỬ DỤNG .19 1.2.1 Sơ đồ tính .19 1.2.2 Phân tích sơ đồ tính 20 1.3 MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC BÀI TOÁN 23 1.4 PHÂN CHIA PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM .24 1.4.1 Phần cứng 24 1.4.2 Phần mềm 24 CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG .26 2.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC 26 2.2 THIẾT KẾ CHI TIẾT PHẦN CỨNG 27 2.2.1 Khối hiển thị 27 2.2.1.1 Lựa chọn hiển thị .27 2.2.1.2 Lựa chọn IC đệm .34 2.2.2 Khối phím bấm .37 2.2.2.1 Phím bấm 37 2.2.2.2 Cần joystick 41 2.2.3 Khối CPU 42 2.2.3.1 Khảo sát tính vi xử lí .42 2.2.3.2 Lựa chọn CPU thiết kế mạch hỗ trợ CPU 44 SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa 2.2.4 Khối truyền thông 49 2.2.5 Khối dự trữ tính 51 2.2.5.1 Dự trữ vào 52 2.2.5.2 Dự trữ 54 2.2.5.3 Truyền thông dự trữ 55 2.2.5.4 Đèn báo 56 2.2.5.6 Còi báo 57 2.2.7 Khối nguồn 61 2.2.7.1 Tính toán công suất nguồn 61 a Tính toán công suất nguồn 5V 61 b Tính toán công suất nguồn 24V 63 2.2.7.2 Lựa chọn linh kiện 63 a Nguồn 5V 63 b Nguồn 24V 67 2.3 TỔNG HỢP THIẾT KẾ 68 2.4 THIẾT KẾ MẠCH IN 69 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN MỀM 70 3.1 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN .70 3.1.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 71 3.1.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển từ xa 73 3.1.2.1 Sơ đồ người sử dụng 73 3.1.2.2 Lưu đồ thuật toán 75 3.1.3 Lưu đồ thuật toán truyền thông 77 3.1.4 Lưu đồ thuật toán hiển thị .79 3.2 CẤU HÌNH CHO CHIP 80 3.2.1 Cấu hình Timer 80 3.2.2 Cấu hình UART 81 3.2.3 Cấu hình LCD 83 3.2.4 Cấu hình chân 83 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC 86 SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Nghĩa đầy đủ Từ viết tắt NSD Người sử dụng K KΩ (Ki lô ôm) VXL Vi xử lý LCD Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng) UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter CPU Central Processing Unit Psoc Programmable System on Chip SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ Hình 1: Bộ scanner mini .11 Hình 2: Bộ scanner thuê công HST-X04 12 Hình 3: Bộ HST-Lite Scanner .12 Hình 4: Kiểm tra đường ống 1500 scanner siêu âm 13 Hình 1.5: Scanner WeldROVER hãng OLIMPUS 13 Hình 6: Sơ đồ tính robot scanner siêu âm 15 Hình 7: Phân chia toán robot scanner siêu âm 16 Hình 8: Sơ đồ tính toán toán 17 Hình 9: Sơ đồ tính mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD 19 Hình 1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD 26 Hình 2: Kích thước LCD 240x128 28 Hình 3: Hình ảnh thực tế LCD 240x128 .29 Hình 4: Sơ đồ điều khiển Backlight 32 Hình 5: Sơ đồ điều chỉnh độ tương phản 33 Hình 6: Sơ đồ kết nối phụ trợ LCD 33 Hình 7: Hình ảnh chân 74HC573 35 Hình 8: Hình ảnh IC 74HC573D 35 Hình 9: Mạch kết nối IC đệm 36 Hình 10: Sơ đồ khối phím bấm .37 Hình 11: Hình ảnh nút bấm chân .37 Hình 12: Sơ đồ nguyên lý phím bấm 40 Hình 13: Hình ảnh cần Joystick 41 Hình 14: Sơ đồ khối chức VXL PSoC Cypress Micro System .43 Hình 15: Chip CY8C4245 .45 Hình 16: Sơ đồ tính CY8C4245AXI-483QFP .47 Hình 17: Hình ảnh bên chip Psoc CY8C4245AXI-483QFP .48 Hình 18: Sơ đồ chip CY8C4245 49 Hình 19: Sơ đồ khối dự trữ tính 51 Hình 20: Cấu tạo TLP521-2 52 Hình 21: Sơ đồ nguyên lý mạch dự trữ vào 53 Hình 22: Sơ đồ nguyên lý mạch dự trữ .54 Hình 23: Sơ đồ bên IC MCP2551 56 Hình 24: Sơ đồ nguyên lí modul truyền thông dự trữ 56 Hình 25: Sơ đồ nguyên lí đèn báo test CPU 57 Hình 26: Hình ảnh còi báo TMB – 12A05 58 SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa Hình 27: Hình ảnh transistor C1815 loại chân dán .59 Hình 28: Sơ đồ nguyên lí khối còi báo 60 Hình 29: Sơ đồ cung cấp nguồn 61 Hình 30: Hình ảnh LM2576 5V 63 Hình 31: Một số hình ảnh linh kiện thực tế sử dụng khối nguồn 65 Hình 32: Mạch nguyên lý nguồn 5V .66 Hình 33: Nguồn 24V 3A .67 Hình 34: Mạch nguyên lí lọc nguồn 24V 68 Hình 35: Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển từ xa giao tiếp NSD 68 Hình 1: Lưu đồ thuật toán điều khiển 71 Hình 2: Sơ đồ điều khiển 73 Hình 3: Lưu đồ thuật toán khối phím bấm 75 Hình 4: Lưu đồ thuật toán khối truyền thông 77 Hình 5: Lưu đồ thuật toán hiển thị LCD .79 Hình 6: Hình ảnh khởi động Psoc Creator 3.1 80 Hình 7: Cấu hình Timer 81 Hình 8: Cấu hình UART 82 Hình 9: Cấu hình LCD 83 Hình 10: Cấu hình chân Psoc4 83 SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa MỞ ĐẦU Trong sống đại ngày nay, đất nước thời kỳ công nghiệp hóa – đại hóa, điện từ đóng vai trò quan trọng đời sống sản xuất người Nhiều máy móc dần thay sức lao động người, giúp nâng cao suất, hiệu công việc Đặc biệt mà ngành công nghiệp phát triển đường ống dẫn xây dựng khắp nơi việc kiểm tra mối hàn đường ống nhiệm vụ đòi hỏi xác cao khó sử dụng sức lao động người Trên giới việc sử dụng siêu âm truyền thống để kiểm tra chất lượng mối hàn công nghiệp (hàng không vũ trụ, khai thác dầu khí, nhà máy điện, điện hạt nhân,…) có từ lâu phổ biến Robot scanner siêu âm thiết bị máy móc di chuyển gắn cảm biến siêu âm để dò khuyết tật (rạn, nứt, vỡ,…) đường ống cách xác, robot tự làm việc độc lập với người vận hành việc lập trình sẵn (thường gọi robot tự hành) Ngoài robot tinh chỉnh trình hoạt động thông qua người vận hành hệ thống điều khiển từ xa Để robot scanner siêu âm hoạt động chúng cần mạch điều khiển Những mạch có chức điều khiển hoạt động robot scanner siêu âm để robot làm việc hiệu Robot scanner chế tạo để làm việc nơi mà người trực tiếp làm việc Vì để điều khiển robot phải cần điều khiển từ xa để người ngồi vị trí cố định mà điều khiển hoạt động chúng Từ yêu cầu thực tiễn môn học kĩ thuật vi xử lí, chúng em chọn đề tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Thiết kế mạch điều khiển từ xa giao tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm” thực sinh viên: Nguyễn Văn Hữu SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa thầy giáo: Ts Nguyễn Văn Nghĩa giảng viên môn Kỹ Thuật Điện Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải hướng dẫn Mục đích đề tài - Khảo sát thông số Robot scanner để thiết kế - Xây dựng sơ đồ tính mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD - Thiết kế phần cứng mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD - Xây dựng lưu đồ thuật toán mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD - Viết chương trình điều khiển cho mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD - Chế tạo mô hình mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD cho robot Scanner theo mẫu - Ghép nối với mạch điều khiển khác Robot Scanner với mô hình, đồng thời cho chạy thử nghiệm Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu, chế tạo mạch điều khiển từ xa giao tiếp NSD, mô hình thử nghiệm cho robot scanner siêu âm Phạm vi nghiên cứu - Vi điều khiển chip Psoc - Truyền thông có dây - Màn hình hiển thị LCD Cơ sở khoa học - Lý thuyết vi xử lí SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa Thực tiễn đề tài - Mạch điều khiển từ xa giao tiếp người sử dụng ứng dụng nhiều thực tiễn như: Các điều khiển máy móc làm việc môi trường nguy hiểm, cao,…các vị trí mà người tới nơi trực tiếp điều khiển - Giúp cho người đứng vị trí mà điều khiển máy móc làm việc vị trí khác SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa while (sget() & 0x03); // wait until display ready // CyDelayUs(100); CD_Write(0); WR_Write(0); // activate LCD's write mode DB_Write(byte); CE_Write(0); // write value to data port // pulse enable LOW > 80 ns (hah!) ///CyDelayUs(5); CE_Write(1); // return enable HIGH WR_Write(1); // restore Write mode to inactive // using my P5/75 MHz PC with ISA bus, CE stays low for microseconds } // end dput() // int dget(void) // get data byte from LCD module { int lcd_byte; //do {} while ((0x03 & sget()) != 0x03); // wait until display ready //DB_Write(0xFF); // make PC's port an input port //CyDelayUs(100); WR_Write(1); // make sure WRITE mode is inactive CD_Write(0); // data mode RD_Write(0); // activate READ mode CE_Write(0); // enable chip, which outputs data lcd_byte = DB_Read(); // read data from LCD CE_Write(1); // disable chip RD_Write(1); // turn off READ mode DB_Write(0); // make 8-bit parallel port an output port SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 112 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa return(lcd_byte); } // dget() // void cput(int byte) // write command byte to LCD module // assumes port is in data OUTPUT mode { while (sget() & 0x03); // wait until display ready DB_Write(byte); // present data to LCD on PC's port pins CD_Write(1); // control/status mode RD_Write(1); // make sure LCD read mode is off WR_Write(0); // activate LCD write mode CE_Write(0); // pulse ChipEnable LOW, > 80 ns, enables LCD I/O ///CyDelayUs(5); CE_Write(1); // disable LCD I/O WR_Write(1); // deactivate write mode } // cput() void cursor_mode(unsigned char comm) { cput(comm); //CyDelayUs(100); } void display_mode(unsigned char comm) { cput(comm); //CyDelayUs(100); SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 113 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa } /******************************************************************* **** Draws a line from x1,y1 go x2,y2 Line can be drawn in any direction Set show to to draw pixel, set to to hide pixel ******************************************************************* ****/ void lcd_line(int x1, int y1, int x2, int y2, unsigned char show) { int dy ; int dx ; int stepx, stepy, fraction; dy = y2 - y1; dx = x2 - x1; if (dy < 0) { dy = -dy; stepy = -1; } else { stepy = 1; } if (dx < 0) { dx = -dx; stepx = -1; } else { SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 114 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa stepx = 1; } dy = 0) { y1 += stepy; fraction -= dx; } x1 += stepx; fraction += dy; lcd_pixel(x1,y1,show); } } else { fraction = dx - (dy >> 1); while (y1 != y2) { if (fraction >= 0) { x1 += stepx; fraction -= dy; } SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 115 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa y1 += stepy; fraction += dx; lcd_pixel(x1,y1,show); } } } /******************************************************************* **** Draws a circle with center at x,y with given radius Set show to to draw pixel, set to to hide pixel ******************************************************************* ****/ void lcd_circle(int x, int y, int radius, unsigned char show) { int xc = 0; int yc ; int p ; yc=radius; p = - (radius[...]... ba phần trong sơ đồ tính năng của robot scanner siêu âm Mục tiêu của đề tài là: Hiểu rõ các yêu cầu kĩ thuật, phương pháp thiết kế mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm Hoàn thiện thiết kế, chế tạo mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng cho scanner với các thông số kĩ thuật sau: - Hiển thị được các thông số hoạt động của scanner: Tốc độ đặt, tốc độ di chuyển,... robot scanner siêu âm được hình thành dựa trên 3 bài toán chính: Bài toán điều khiển Bài toán 3 Giao tiếp người sử dụng Điều khiển từ xa Bài toán 2 Bài toán 1 động cơ, bài toán điều khiển trung tâm, bài toán điều khiển từ xa và giao tiếp NSD Điều khiển trung tâm Động cơ trái Động cơ phải Hình 1 7: Phân chia bài toán của robot scanner siêu âm Từ sơ đồ trên chúng ta có thể thấy được bài toán điều khiển từ. .. tới mạch điều khiển trung tâm Khối xử lí tín hiệu là khối trung tâm, tín hiệu từ khối điều khiển từ xa trước khi đến với khối truyền thông và khối hiển thị đều phải qua khối xử lí Tương tự trước khi tín hiệu được hiển thị lên LCD cũng phải qua khối xử lí Giao tiếp người sử dụng: Có mối quan hệ với khối điều khiển từ xa, khối xử lí và khối truyền thông Khối điều khiển từ xa xuất tín hiệu qua xử lí và. .. hình điều khiển - Điều khiển từ xa với khoảng cách dự tính lớn nhất: 5 mét - Sử dụng truyền thông có dây - Điều khiển từ xa bằng phím nhấn - Nguồn cung cấp: 24VDC SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 18 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa 1.2 Xây dựng sơ đồ tính năng mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng 1.2.1 Sơ đồ tính năng Điều khiển. .. tin vào địa chỉ thanh ghi Lọc nhiễu Điều khiển tốc độ Khối điều khiển từ xa Phím nhấn điều khiển Cây tính năng người sử dụng Điều khiển tự động Điều khiển hướng Khối điều khiển trung tâm Truyền thông Xây dựng frame truyền Mã hóa thông tin Kiểm soát lỗi Lọc nhiễu Giải mã thông tin Đệm tín hiệu Hiển thị thông số hoạt động của scanner Khối giao tiếp NSD Kiểm tra và loại bỏ thông tin sai Lấy thông tin từ. .. đồ tính năng của mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52 19 Đồ án tốt nghiệp vi xử lí GVHD: Ts Nguyễn Văn Nghĩa 1.2.2 Phân tích sơ đồ tính năng Bài toán này có các khối chính như: Khối điều khiển từ xa, Khối truyền thông, Khối giao tiếp NSD - Khối điều khiển từ xa có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ người vận hành và chuyển đổi các... đặt sẵn  Chức năng điều khiển bằng tay thì người vận hành phải thao tác điều khiển trực tiếp trên bảng điều khiển để điều khiển tốc độ và hướng dịch chuyển của robot Yêu cầu đối với khối điều khiển từ xa là có thiết kế đẹp mắt, nhỏ gọn, thuận tiện cho người vận hành, hoạt động ổn định không bị nhiễu Dự kiến thiết kế gồm: 2 cần joystick điều khiển tiến lùi cho 2 động cơ, 2 nút (+) tăng tốc, 2 nút (-)... lớn nhất 5 mét Khung truyền và phương thức truyền phải nhất quán với khối truyền thông ở bài toán điều khiển và ổn định vị trí 1.3 Mối liên hệ giữa các bài toán Điều khiển từ xa: Có mối quan hệ với khối hiển thị, khối truyền thông và khối xử lí tín hiệu Tín hiệu từ khối điều khiển từ xa sẽ được hiển thị trực tiếp lên màn hình hiển thị để thuận lợi cho việc điều khiển của người vận hành đồng thời tín... LCD - Khối truyền thông là khối trung gian để liên kết các khối thành một hệ thống hoàn chỉnh Khối truyền thông có chức năng nhận thông tin từ bảng điều khiển từ xa truyền về mạch điều khiển trung tâm và ngược lại nhận tín hiệu từ mạch điều khiển trung tâm để truyền cho khối hiển thị Để có thể truyền thông được tín hiệu với các khối khác cũng như các mạch khác trong một hệ thống thì cần phải thống nhất... mềm dẻo - Công suất lớn, tín hiệu - Sử dụng ít linh kiện có biên độ cao Nhược điểm - Nhiều linh kiện - Tốc độ đáp ứng phụ - Mạch phức tạp thuộc vào CPU - Khó test - Công suất nhỏ, tín hiệu - Dễ cháy nổ linh kiện có biên độ nhỏ => Như vậy việc thiết kế một mạch điều khiển càng mềm hóa càng tốt, giúp cho việc thiết kế cũng như điều khiển trở nên đơn giản hơn, mạch điều khiển có tính mềm dẻo, dễ dàng thay