thiết kế và chế tạo mazing robot ìm đường trong mê cung

Mazing robot còn là một robot linh hoạt và thông minh, ưu điểm này có được là do người sử dụng có thể thay đổi phương thức hoạt động của robot và đưa ra các giải thuật giúp Mazing robot

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

LẦN 8, 2006

TÊN CÔNG TRÌNH

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MAZING ROBOT

TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG

MÃ SỐ: SV77-2005

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10/2006

S 0 9

S KC 0 0 1 6 6 9

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

ĐOÀN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

LẦN LẦN 8888, , , , NĂM NĂM NĂM 2006 2006 2006

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MAZING ROBOT

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MAZING ROBOT

TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG TÌM ĐƯỜNG TRONG MÊ CUNG

A THÔNG TIN CHUNG 1

B PHẦN TÓM TẮT NỘI DUNG GIẢI PHÁP 1

1 Mô tả tóm tắt nội dung của giải pháp – kết quả ứng dụng 1

2 Điểm mới – Điểm sáng tạo 1

3 Hiệu quả kinh tế – xã hội 1

4 Khả năng áp dụng, triển vọng áp dụng 1

C PHẦN MÔ TẢ NỘI DUNG CHÍNH CỦA GIẢI PHÁP 2

1 Tên giải pháp: Thiết kếvà chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung 2

2 Mô tả giải pháp kỹ thuật đã biết 2

3 Mục đích của giải pháp dự thi 2

4 Mô tả giải pháp dự thi 2

4.1 Nguyên lý của giải pháp 2

4.1.1 Dàn ý nghiên cứu3 Mục đích của giải pháp dự thi 2

4.1.2 Phương pháp nghiên cứu 3

4.1.3 Phương tiện nghiên cứu 3

4.1.4 Các yếu tố tác động đến giải pháp 3

4.2 Các nội dung công nghệ chủ yếu 3

4.2.1 Sơ đồ khối của Mazing Robot 3

4.2.2 Nguồn nuôi 5

4.2.3 Động cơ bước 7

4.2.4 Vi mạch chuyên dụng SLA7026 11

4.2.5 Thiết bị hiển thị LCD (Liquid crystal character display) .15

4.2.6 Cảm Biến Hồng Ngoại 21

4.2.7 Khái Quát Về Vi Điều Khiển Atmega8535 25

4.2.8 Thiết kế và thi công sân 29

4.2.9 Thiết kế và thi công robot 30

4.2.10 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH 32

5 Đánh giá giải pháp 35

5.1 Tính mới và sáng tạo 35

5.2 Khả năng áp dụng 35

5.3 Hiệu quả 35

D KẾT LUẬN 35

E HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 35

DANH SÁCH HÌNH

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1: Một số micromouse trên thế giới 2

Hình 2: Sơ đồ khối tổng quát của Mazing Robot 3

Hình 3: Hình dạng tổng quát của Mazing Robot .4

Hình 4: Board sensor .4

Hình 5: Board điều khiển công suất 4

Hình 6: Board xử lý trung tâm 5

Hình 7: Sơ đồ khối chức năng của Lm2575 6

Hình 8: Hình dạng và sơ đồ chân của Lm2575 6

Hình 10: Sơ đồ tạo nguồn 5V bằng Lm2575 6

Hình 11: Hình dạng của LM7812 .7

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 12V 7

Hình 13: Hình dạng bên ngoài của động cơ bước 7

Hình 14: Cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cửu 8

Hình 15: Sơ đồ chức năng của động cơ bước 9

Hình 16: Thông số kích thước khi chạy thẳng 10

Hình 17: Thông số kích thước khi quay 45 độ 10

Hình 18: Sơ đồ chân của SLA7026 .11

Hình 19: Sơ đồ khối chức năng của SLA7026 .12

Hình 20: Sơ đồ mạch ứng dụng điều khiển môtơ bước .12

Hình 21: Sơ đồ khối mạch điều khiển PWM .13

Hình 22: Dạng sóng ngõ ra trên pha A 13

Hình 23: Sơ đồ khối GAL16V 14

Hình 24: Sơ đồ chân GAL16V8 14

Hình 25: GAL16V8 đã lập trình 14

Hình 26: Sơ đồ khối của LCD 15

Hình 27: Hình dạng của LCD 15

Hình 28: Điều chỉnh độ tương phản 16

Hình 29: Sơ đồ của hệ thống cảm biến 22

Hình 30: Cấu tạo của loại cảm biến quang điện .22

Hình 31: Cấu tạo của EL-1KL3 23

Hình 32: Cấu tạo của ST-1KL3B .24

Hình 33: Sơ đồ nguyên lý của mạch phát 24

Hình 34: Sơ đồ nguyên lý của mạch thu .24

Hình 35: Sơ đồ chân của Atmega8535 .25

Hình 36: Sơ đồ khối của Atmega8535 26

Hình 37 : Bản đồ bộ nhớ của Atmega8535 28

Hình 38 : Tệp thanh ghi của Atmega8535 .29

Hình 39: Hình dạng sân nhìn góc nghiêng 29

Hình 40: Hình dạng các góc cua của sân .30

Hình 41: Thông số kích thước của sân .30

Hình 42: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển .31

Hình 43: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển công suất 31

Hình 44: Sơ đồ nguyên lý của mạch thu-phát cảm biến .32

Hình 45: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch thu-phát hồng ngoại .32

DANH SÁCH BẢNG

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1: Bảng luật điều khiển đầy bước .9

Bảng 2: Bảng luật điều khiển 2 pha 9

Bảng 3: Bảng luật điều khiển nửa bước .10

Bảng 4: Các chân LCD (pinout) .15

Bảng 5: Bảng mã lập trình LCD 17

Bảng 6 Bảng mã ghi đọc dữ liệu từ LCD 18

Bảng 7: Địa chỉ của DD RAM .19

Bảng 8: Địa chỉ của CG RAM 19

Bảng 9: Đặc điểm quang điện của EL-1KL3 .23

Bảng 10.: Đặc điểm quang điện của ST-1KL3B 24

Bảng 11 : Bảng các vectơ ngắt của Atmega8535 28

BẢN MÔ TẢ GIẢI PHÁP DỰ THI

BẢN MÔ TẢ GIẢI PHÁP DỰ THI

A

A THÔNG TIN CHUNGTHÔNG TIN CHUNGTHÔNG TIN CHUNG::::

1 Tên giải pháp: Thiết kếvà chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung

2 Thuộc lĩnh vực: Điện – Điện tử

3 Người dự thi: Nguyễn Hữu Lộc – Phùng Tuấn Hưng

Tên cơ quan: ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM

Số điện thoại: 0919382365 (Lộc) – 0902927580 (Hưng)

B

B PHẦN TÓM TẮT NỘI DUNG GIẢI PHÁPPHẦN TÓM TẮT NỘI DUNG GIẢI PHÁPPHẦN TÓM TẮT NỘI DUNG GIẢI PHÁP::::

1111 Mô tả tóm tắt nMô tả tóm tắt nMô tả tóm tắt nội dung của giải phápội dung của giải phápội dung của giải pháp –––– kết quả ứng dụng kết quả ứng dụng kết quả ứng dụng::::

- Trong lĩnh vực sản xuất ngày nay cũng như trong nhiều lĩnh vực hoạt động khác thì tự động hóa đã và đang là yếu tố rất quan trọng và cần thiết, nó đã thể hiện nhiều ưu điểm rất lớn, hiệu quả thiết thực mà nó mang lại chính là sự gia tăng về năng suất, sự an toàn và dễ dàng trong sử dụng, sự chính xác và thông minh trong vận hành,… Tự động hóa cơ bản là sự kết hợp của ba lĩnh vực chủ yếu Cơ-Điện-Tin Nghiên cứu về tự động hóa cũng chính là nghiên cứu về Cơ-Điện-Tin, và Robot chính là sản phẩm đặc trưng cho sự kết hợp này Ngược lại nghiên cứu về Robot cũng chính là tìm hiểu một giải pháp cho vấn đề tự động hóa

- Nhóm nghiên cứu đã thiết kế hoàn chỉnh sân chạy và Mazing Robot để làm mô hình giảng dạy cho các ngành nghề liên quan đến vi điều khiển

- Mazing robot là một robot có kiểu dáng gọn, đẹp, dễ tháo lắp và thay thế Với phần cứng được thiết kế và thi công hợp lý giúp cho robot hoạt động an toàn, dễ dàng và chắc chắn Mazing robot còn là một robot linh hoạt và thông minh, ưu điểm này có được là do người sử dụng có thể thay đổi phương thức hoạt động của robot và đưa ra các giải thuật giúp Mazing robot có thể hoạt động trong các mê cung khác nhau bằng cách nạp chương trình mới xuống vi điều khiển thông qua board điều khiển trung tâm

2222 Điểm mới Điểm mới Điểm mới –––– Điểm sáng tạo: Điểm sáng tạo: Điểm sáng tạo:

- Đề tài sử dụng dòng vi điều khiển mới và mạnh của hãng chip nổi tiếng Atmel, cụ thể là con Atmega8535

- Board mạch gọn ,đẹp, được thiết kế thành các module giúp cho việc tháo lắp, thay thế rất dễ dàng và đặc biệt là ta có thể thay thế module điều khiển để sử dụng các dòng vi điều khiển của các hãng khác như: Motorola, Microchip,…

- Các thuật toán tìm đường đi, tốc độ di chuyển sẽ do người dùng lập trình và có thể nạp vào Mazing Robot giúp cho người học nâng cao khả năng tư duy lập trình để giải quyết vấn đề

- Sử dụng màn hình LCD làm cho việc giao tiếp với Robot trở nên dễ dàng

3333 Hiệu quả kinh tế Hiệu quả kinh tế Hiệu quả kinh tế –––– xã hội: xã hội: xã hội:

- Giá thành sản phẩm thấp hơn nhiều so với sản phẩm của nước ngoài

- Có thể sử dụng để tham gia các cuộc thi Micromouse tìm đường trong mê cung

4444 Khả năng áp dụng, triển vọng áp dụng: Khả năng áp dụng, triển vọng áp dụng: Khả năng áp dụng, triển vọng áp dụng:

- Mazing Robot tuy vẫn còn một vài điểm cần cải tiến nhưng hiện tại vẫn có thể được ứng dụng để giảng dạy cho sinh viên các ngành kỹ thuật liên quan

- Trong tương lai, nhóm nghiên cứu sẽ phát triển Mazing Robot ở tầm cao hơn với những tinh năng mới, hiện đại và ưu việt hơn nhằm mở rộng phạm vi nghiên cứu của người học trên mazing Robot

C PHẦN MÔ TẢ NỘI DUNG CHÍNH CỦA GIẢI PHÁP:

C PHẦN MÔ TẢ NỘI DUNG CHÍNH CỦA GIẢI PHÁP:

1111 Tên giải phápTên giải phápTên giải pháp:::: Thiết kếvà chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung

2222 Mô tả giải pháp kỹ thuật đã biếtMô tả giải pháp kỹ thuật đã biếtMô tả giải pháp kỹ thuật đã biết::::

- Mazing Robot được lấy ý tưởng từ các Micromouse trên thế giới

- Mỗi loại micromouse có chức năng và nhiệm vụ khác nhau, nhưng về căn bản chúng có được điều khiển bởi một bộ xử lý trung tâm, di chuyển bằng động cơ, và sử dụng cảm biến đóng vai trò phát-thu các tín hiệu để xử lý một cách tự động

- Phần lớn chúng được sử dụng trong các cuộc thi và phục vụ cho việc giảng dạy

Hình 1: Một số micromouse trên thế giới

Nhược điểmNhược điểmNhược điểm của các micromouse của các micromouse của các micromouse::::

- Giá thành quá cao so với điều kiện ở Việt Nam

- Một số linh kiện trên robot không có trên thị trường nước ta

- Chương trình cho robot đã được viết sẵn nên người sử dụng chỉ có thể sử dụng các hàm do nhà sản xuất cung cấp

3333 Mục đích của giải pMục đích của giải pMục đích của giải pháp dự thi:háp dự thi:háp dự thi:

- Đào tạo đội ngũ cán bộ kỹ thuật tự động hóa để kế thừa và phát huy những tri thức tiên tiến là một yêu cầu cấp bách và cần thiết Để việc đào tạo ấy đạt kết quả cao thì ngoài trình độ của người giáo viên thì phương pháp giảng dạy là rất quan trọng Việc sử dụng các mô hình trong giảng dạy sẽ giúp người học có cái nhìn rõ ràng hơn về vấn đề tự động hóa, đồng thời cũng tạo nên sự đam mê, hứng thú cho người học đặc biệt là trong lĩnh vực vi điều khiển

- Nghiên cứu về Robot để phục vụ giảng dạy môn vi điều khiển là điều rất cần thiết và phù hợp cho sinh viên các ngành nghề liên quan Ở các nước phát triển như Singapor, Hàn Quốc, Nhật Bản… thì vấn đề này đã được triển khai và thực hiện Về mức độ và qui mô ở mỗi nước sẽ khác nhau nhưng đều có chung mục đích là giúp cho người học tiếp thu kiến thức một cách trực quan, cụ thể Ở nước ta cũng cần thiết phải phát triển mô hình dạy và nghiên cứu học này

- Qua việc thực hiện đề tài này nhóm nghiên cứu muốn ứng dụng những kiến thức đã được học và tham khảo từ nhiều nguồn hoàn thành sản phẩm để nâng cao trình độ học hỏi và nghiên cứu của nhóm

- Giải pháp "Thiết kế và chế tạo Mazing Robot tìm đường trong mê cung" ra đời nhằm giải quyết các yêu cầu trên

4444 Mô tả giải pháp dự thiMô tả giải pháp dự thiMô tả giải pháp dự thi::::

4.1

4.1 Nguyên lý của giải pháp: Nguyên lý của giải pháp: Nguyên lý của giải pháp:

4.1.1

4.1.1 Dàn ý nghieDàn ý nghieDàn ý nghiên cứu:ân cứu:ân cứu:

Tham khảo tài liệu

- Thiết kế và thi công sân

- Thiết kế mạch và thi công robot

- Lập trình

4.1.2

4.1.2 Phương pháp nghiên cứu:Phương pháp nghiên cứu:Phương pháp nghiên cứu:

- Tham khảo tài liệu: Chủ yếu là các tài liệu có kiến thức liên hệ đến kỹ thuật số, kỹ thuật điện tử, ngoại vi và vi điều khiển

- Tham khảo ý kiến của các thầy cô, các bạn sinh viên có kinh nghiệm

- Thử nghiệm và sửa lỗi

4.1.3

4.1.3 Phương tiện nghiên cứu:Phương tiện nghiên cứu:Phương tiện nghiên cứu:

- Trong đề tài sử dụng các phương tiện cần thiết như: máy vi tính, máy dao động ký, testboard, VOM,…cũng như các chương trình phần mềm để lập trình và mô phỏng

4.1.4

4.1.4 C C Các yếu tố tác động đến giải pháp:ác yếu tố tác động đến giải pháp:ác yếu tố tác động đến giải pháp:

- Kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế

- Tài liệu kỹ thuật liên quan đến đề tài rải rác và không nhiều

- Việc chống nhiễu cho cảm biến cũng gây khó khăn cho nhóm

Trong điều kiện đó, đề tài đã được thực hiện với những đặc điểm sau:

+ Thiết kế và chế tạo sân chạy robot với khổ 1.2m x 2.4m

+ Nguồn nuôi robot cho robot là pin có khả năng sạc lại

+ Sử dụng Atmega8535 là trung tâm để điều khiển robot

+ Dùng cảm biến hồng ngoại để dò đường

+ Kết hợp với bộADC 10 bit để xử lý tín hiệu cảm biến

+ Giao tiếp với người dùng qua thiết bị hiển thị LCD 16x2

+ Điều khiển động cơ bước bằng vi mạch công suất chuyên dụng SLA7026

+ Sử dụng phần mềm BascomAVR để lập trình cho Atmega8535

Bộ xử lý

trung tâm

Thiết bị hiển

thị LCD Các led hiển thị trạng thái

Vi mạch điều khiển công suất động cơ

Động cơ bước

Chọn kênh thu

Hình 3: Hình dạng tổng quát của Mazing Robot

- Mazing Robot là một micromouse được thiết kế và chế tạo với hình dạng phù hợp để dò đường trong mê cung

- Cảm biến: là loại cảm biến quang phản xạ hồng ngoại

- Bộ xử lý trung tâm: là “bộ não” xử lý chương trình và điều khiển mọi hoạt động của robot bằng vi điều khiển Atmega8535

- Để dễ dàng trong việc sử dụng, điều khiển và thay thế lắp ráp, Mazing robot được thiết kế trên ba board mạch:

+ Board cảm biến

+ Board điều khiển công suất

+ Board xử lý trung tâm

Hình 4: Board sensor

Hình 5: Board điều khiển công suất

Hình 6: Board xử lý trung tâm

- Board cảm biến: phát tín hiệu và thu tín hiệu phát đưa về bộ xử lý trung tâm

- Board điều khiển công suất: điều khiển công suất động cơ

Việc điều khiển hoạt động của robot đòi hỏi phải có nguồn nuôi thích hợp

4.2.2

4.2.2 Nguồn nuôi:Nguồn nuôi:

- Trong đề tài này ta sử dụng 3 nguồn:

+ Nguồn 20V cung cấp cho động cơ bước

+ Nguồn 12V cung cấp cho các cảm biến để phát tín hiệu

+ Nguồn 5V cho các yêu cầu còn lại để mạch hoạt động

Thiết kế nguồn Thiết kế nguồn Thiết kế nguồn 5555VVV::::

- Để tạo nguồn 5V ta không dùng Lm7805 vì nó không đáp ứng được các yêu cầu về thiết kế, cụ thể là:

V −V ≤13Vđối với Lm7805trong khi ta cần V0−Vi =20 5 15V− = >13V

Khi sử dụng thường bị nóng, có khả năng hư hỏng hoặc làm việc không chính xác

- Ta thay thế Lm7805 bằng Lm7525, nó có các đặc điểm sau:

+ Là nguồn ổn áp xung

+ Là một IC ổn áp có dòng tải lớn

+ Có khả năng cung cấp các điện áp ngõ ra cố định: 3.3V, 5V, 12V và15V, ngoài ra ta có thể chọn điện áp tùy y.ù

- Khi sử dụng phải kết hợp với các linh kiện khác: cuộn dây, điện trở, tụ điện

- Có tầm điều chỉnh điện áp ngõ ra lớn

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp ngõ vào tối đa:

+ Lm2575 45V

+ Lm2575HV 60V

- Điện áp ngõ vào chân ON / OFF : −0.3≤V≤ +Vin

- Khoảng nhiệt độ hoạt động: -650C đến 1500C

- Cường độ dòng tải: ILOAD ≤1A

- Tần số dao động nội cố định: 52kHz

Sơ đồSơ đồSơ đồ khối chức năng: khối chức năng: khối chức năng:

Hình 7: Sơ đồ khối chức năng của Lm2575

Hình dạng, sơ dồ chân và ký hiệu:Hình dạng, sơ dồ chân và ký hiệu:

Hình 8: Hình dạng và sơ đồ chân của Lm2575

Hình 9: Ký hiệu của Lm2575 trong Orcad

Ứng dụng điển hình:Ứng dụng điển hình:Ứng dụng điển hình:

- Tạo nguồn 5V

+ Ta sử dụng sơ đồ dưới đây cho đồ án

+ Kết hợp Lm2575 với các linh kiện khác

Hình 10: Sơ đồ tạo nguồn 5V bằng Lm2575

Thiết kế nguồn Thiết kế nguồn Thiết kế nguồn 121212VVV::::

Ta không dùng nguồn 5V để cấp cho cảm biến phát mà dùng nguồn 12V để cảm biến có thể phát xa hơn, và giảm dòng tải cho nguồn 5V

- Ta sử dụng IC Lm7812 để tạo nguồn 12V

Đặc điểm của LmĐặc điểm của LmĐặc điểm của Lm781278127812::::

- Dòng ngõ ra có thể đạt tới 1A

- Có khả năng chịu nhiệt khi bị quá dòng

- Không cần các linh kiện ngoại vi khi sử dụng

Sơ đồ chân và hình dạng:Sơ đồ chân và hình dạng:Sơ đồ chân và hình dạng:

Hình 12: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn 12V

Để robot di chuyển được thì phải sử dụng động cơ, loại động cơ phù hợp được sử dụng trong đề tài này là động cơ bước

4.2.3

4.2.3 Động cơ bước:Động cơ bước:Động cơ bước:

Đặc tính của động cơ bước:Đặc tính của động cơ bước:Đặc tính của động cơ bước:

- Là loại động cơ cho phép chuyển đổi những tín hiệu xung điều khiển thành chuyển động quay của trục rototheo từng bước đều nhau

- Động cơ bước một cực (uninpolar) hay còn gọi là động cơ 6 dây có một cực chung

- Có khả năng điều khiển chính xác, nó thường được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động như trong máy in, máy photocopy…

- Điều khiển được cả tốc độ lẫn vị trí

- Rất thích hợp với tín hiệu số do máy tính cung cấp,việc điều khiển vị trí mạch hở rất đơn giản không cần đến cảm biến vị trí, nhưng vẫn có thể điều khiển vị trí mạch kín cùng với cảm biến vị trí

- Có công suất nhỏ hay momen xoắn nhỏ, lý do là lực giữ cho roto dừng ở vị trí giữa các bước là lực hút giữa 2 cực cùng tên khác nhau

Hình dạng của động cơ bước:Hình dạng của động cơ bước:Hình dạng của động cơ bước:

Hình 13: Hình dạng bên ngoài của động cơ bước

Thông số kỹ thuật:Thông số kỹ thuật:Thông số kỹ thuật:

- Góc quay 0

1.8

Cấu tạo của động cơ bước:Cấu tạo của động cơ bước:Cấu tạo của động cơ bước:

- Có ba loại động cơ bước khác nhau:

+ Động cơ có roto bằng nam châm vĩnh cửu (hình 14)

+ Động cơ có roto từ trường cưỡng bức

+ Động cơ tổ hợp

Hình 14: Cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu:Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu:Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu:

- Nó hoạt động theo nguyên tắc tác động giữa một trường điện từ và một hoặc nhiều nam châm vĩnh cửu Stato bao gồm một số cặp cực (gọi là các pha) do các cuộn dây tạo ra, còn roto là nam châm vĩnh cửu Khi một trong các cuộn dây bị kích hoạt, một trong các cặp cực của stato sẽ hình thành nên nam châm điện với hai cực Bắc (B) và Nam (N) Cực B và N của stato sẽ hút lấy cực N và B của roto làm roto quay Khi cặp cực N và B của roto thẳng đứng với hướng từ trường của nam châm điện do một pha của stato tạo ra, roto sẽ dừng lại

- Để làm cho động cơ bước loại này quay theo chiều kim đồng hồ thì ta lần lượt kích các xung vào các cực A( với xung IA = Imax), B (với xungIB = Imax), A(IA = -Imax), B(IB = -Imax) Ta có thể viết gọn lại theo ký hiệu A+, B+, A-, B- (dấu”+” tương ứng với dòng điện dương, dấu

“-“ tương ứng với dòng điện âm Để làm động cơ quay ngược chiều, ta cho kích thứ tự xung theo chiều ngược lại: A+, B-, A-, B+

- Nếu động cơ bước có số pha là p và số răng là nr thì số bước của động cơ này là:

r

S = p.n Vd: Trên hình 14, p = 2, nr = 10, nên S = 2 x 10 = 20 bước

- Góc quay đủ một bước tính như sau:

Hình 15: Sơ đồ chức năng của động cơ bước

Cách điều khiển động cơ bước:Cách điều khiển động cơ bước:

- Góc bước lớn nhất là 0

90 ứng với một môtơ có 4 bước trên một vòng quay, phần lớn các môtơ bước sản xuất gần đây đều có 200 bước trên một vòng quay Số bước trên một vòng quay càng lớn thì độ phân giải càng cao và việc định vị càng chính xác Nhưng việc nâng cao độ phân giải bị giới hạn bởi ứng suất cơ học trên môtơ Để khắc phục sự hạn chế này người ta đã áp dụng các phương pháp điện tử để thu nhỏ kích thước một bước, đó là phương pháp điều khiển nửa bước hoặc 2 pha

- Ta có 3 phương pháp điều khiển môtơ bước:

+ Điều khiển 1 pha (Full Step)

+ Điều khiển 2 pha

+ Điều khiển nửa bước (Half Step)

Phương pháp điều khiển Phương pháp điều khiển Phương pháp điều khiển 1111 pha pha pha::::

Bảng 1: Bảng luật điều khiển đầy bước

Phương pháp điều khiển Phương pháp điều khiển Phương pháp điều khiển 2222 pha pha pha::::

Bảng 2: Bảng luật điều khiển 2 pha

Phương pháp điều khiển nửa bước:Phương pháp điều khiển nửa bước:Phương pháp điều khiển nửa bước:

- Thực chất phương pháp điều khiển nửa bước là sự kết hợp hai phương pháp điều khiển 1 pha và 2 pha Đây là phhương pháp được nhóm nghiên cứu sử dụng trong đề tài

Bảng 3: Bảng luật điều khiển nửa bước

Cách tính bước cho các góc quay:Cách tính bước cho các góc quay:Cách tính bước cho các góc quay:

Chạy thẳng:Chạy thẳng:Chạy thẳng:

- Động cơ bước mà ta sử dụng có góc bước đủ là1.80, nếu ta dùng phương pháp điều khiển nửa bước thì mỗi bước của nó là 0.90

Hình 16: Thông số kích thước khi chạy thẳng

- Nếu động cơ có đường kính là d (mm), khoảng cách giữa hai bánh xe là w (mm) cứ một vòng quay hết 400 bước thì động cơ sẽ đi được quãng đường làπd Khi đó mỗi bước sẽ đi được:

400

n x

d

Quay Quay Quay 454545 độ độ độ::::

Hình 17: Thông số kích thước khi quay 45 độ

- Khi đó tỉ lệ về tốc độ giữa bánh xe ngoài và bánh xe trong là:

+

w rr

- Từ đó ta sẽ tính ra được số bước của mỗi động cơ để đi được bằng cách thay

x 2 r4

Để dễ dàng cho việc điều khiển động cơ bước người ta dùng vi mạch chuyên dụng SLA7026 để điều khiển

4.2.4

4.2.4 Vi mạch chuyên dụng SLAVi mạch chuyên dụng SLAVi mạch chuyên dụng SLA702670267026::::

- Công suất lái môtơ bước sử dụng vi mạch tích hợp SLA7026 Allegro điều khiển lái dòng cao theo phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

- Hai động cơ bước sử dụng trong đồ án này là các động cơ của hãng KOREA SERVO CORPORATION

- Để board mạch điều khiển nhỏ gọn, có tính ổn định cao nhưng vẫn đảm bảo công suất thì người thiết kế đã chọn vi mạch công suất lái động cơ bước SLA7026 có các đặc tính và thông số sau:

Đặc tính:

- Được thiết kế để lái các stepper motor 2 pha và đơn cực

- Mạch công suất sử dụng các NMOS FETS cho dòng và điện áp lái ngõ ra cao, chuyển mạch nhanh

- Không cần gắn cánh tản nhiệt để giải nhiệt cho vi mạch

- Dòng tải theo phương pháp PWM được điều hòa bằng cách so sánh tương thích với dòng thông qua điện trở dò dòng tải và điện áp tham chiếu

- Ngõ vào tương thích với mức logic 5V và với vi xử ly.ù

Thông số:

- Điện áp cung cấp tải : VBB = 46V

- Điện áp ngõ ra trên FET : VDS = 100V

- Nguồn cung cấp điều khiển VCC = 46V

- Dòng đỉnh ngõ ra I OUTM = 5.0A ( tW < 100µs )

- Dòng hoạt động ngõ ra I OUT = 3.0A

- Tầm điện áp ngõ vào VIN = - 0.3V đến 7.0V

- Điện áp tham chiếu VREF = 2V

Sơ đồ chân:

Hình 18: Sơ đồ chân của SLA7026

Sơ đồ khối chức năng:

Sơ đồ khối chức năng:

Hình 19: Sơ đồ khối chức năng của SLA7026

Ứng dụng điều khiển động cơ bước:

Ứng dụng điều khiển động cơ bước:

Hình 20: Sơ đồ mạch ứng dụng điều khiển môtơ bước

Điều hòa dòng ngõ ra PWM:

Điều hòa dòng ngõ ra PWM:

Sơ đồ khối mạch điều khiển PWM:

Hình 21: Sơ đồ khối mạch điều khiển PWM

Dòng ngõ ra ( dòng trên cuộn dây động cơ ) có dạng sóng như hình sau:

Ví dụ cho pha A

Hình 22: Dạng sóng ngõ ra trên pha A

Việc thiết lập mốc giá trị cho dòng PWM bao gồm các giá trị thành phần sau:

- Nguồn cung cấp cho điện áp tham chiếu, Vb thường là 5V

- Điện trở phân áp trong mạch cung cấp điện áp tham chiếu R1, R2

- Điện trở dò dòng RS

Dòng ngõ ra I OUT được tính bởi công thức sau:

hay

Thiết kế phần điều khiển SLA

Thiết kế phần điều khiển SLA702670267026

- Để điều khiển một SLA7026 thì phải dùng 4 ngõ điều khiển : A, A\, B và B\ Do đó một board điều khiển công suất với 2 motor bước thì phải cần đến 8 đường tín hiệu, do vậy sẽ hạn chế số đường tín hiệu của vi điều khiển khi muốn giao tiếp điều khiển các đối tượng khác Để giải quyết vấn đề này người thiết kế đãsử dụng một vi mạch số lập trình được PLD GAL16V8B giao tiếp điều khiển SLA7026 GAL16V8 có chức năng nhận tín hiệu xung nối tiếp sau đó chuyển thành tín hiệu song song điều khiển SLA7026

GAL16V8 có sơ đồ khối như sau:

Hình 23: Sơ đồ khối GAL16V

GAL16V8 có sơ đồ chân như sau:

Hình 24: Sơ đồ chân GAL16V8

- Chương trình nạp cho GAL16V8 được viết bằng ngôn ngữ ABEL

- Sau khi lập trình GAL16V8 sẽ có chức năng như sau:

Hình 25: GAL16V8 đã lập trình

Trong đó:

CLK_A: Chân ngõ vào xung clock

DIR_A: Chân chọn hướng cho động cơ quay thuận hay nghịch

EN_A: Chân cho phép động cơ hoạt động

PHRASE_A: Chân cho phép điều khiển động cơ theo phương pháp nửa bước hay một bước

Khi sử dụng robot có một vấn đề mà ta không thể bỏ qua đó là khả năng giao tiếp giữa người và robot Để thuận tiện cho việc trao đổi với người dùng, thiết bị hiển thị LCD được sử dụng trong đề tài

4.2

4.2 5555 Thiết bị hiển thị LCDThiết bị hiển thị LCDThiết bị hiển thị LCD ((((Liquid crystal character displayLiquid crystal character displayLiquid crystal character display)::::

- Trong đề tài sử dụng LCD 2 dòng x 16 ký tự, sử dụng chíp HD44780 của Hitachi, là LCD phổ biến và thông dụng trên thị trường Bên cạnh loại LCD sử dụng chíp HD44780 thì còn có LCD 162A sử dụng chíp KS0066U của SamSung , tuy khác loại chíp nhưng cả hai loại có chân

ra giống nhau và cách sử dụng hoàn toàn tương tự nhau LCD có là một thiết bị ngoại vi có thể xuất (để hiện thị), nhập (đọc giá trị từ

về), có sơ đồ chân như hình sau:

Sơ đồ khối của LCD :

Hình 26: Sơ đồ khối của LCD

LCD có hình dạng bên ngoài như sau:

2 Vdd 5V Nguồn cung cấp

3 Vo Nguồn cung cấp cho chữ

4 RS H/L H: tín hiệu dữ liệu, L: tín hiệu cho lệnh

5 R/W H/L H: chế độ đọc, L: chế độ ghi

6 E H, H→L Tín hiệu cho phép 7.14 DB0 DB7 H/L Đường dữ liệu

15 LED+ 4.2V Cực dương đèn nền

16 LED- 0V Cực âm đèn nền

Bảng 4: Các chân LCD (pinout)

Một số đặc tính :

• Hiển thị: 16 x 2 hàng

• Bộ điều khiển: KS0066U hoặc tương đương

• Hỗ trợ đèn nền, đèn chữ

• Hỗ trợ bảng lệnh để lập trình

• Thời gian đáp ứng nhanh

Sơ đồ mạch cấp nguồn 5V , điều chỉnh contrast (độ tương phản):

Hình 28: Điều chỉnh độ tương phản

- Còn đối với mạch cấp nguồn cho LED nền, ta có thể cấp trực tiếp hoặc dùng một biến trở để có thể điều chỉnh sáng tối khi cần

Bảng mã lệnh để lập trình LCD:

Bảng mã lệnh để lập trình LCD:

Mã lệnh Lệnh

Tmax với fpc hay fosc=270 KHz Xóa màn

Trở về đầu

Chọn chế độ

hiển thị 0 0 0 0 0 0 1 D C B Chọn hiển thị toàn bộ màn hình (D), hiển thị con trỏ (C), và tắt/mở nhấp nháy (B) 39µs

Con trỏ hoặc

Di chuyển con trỏ và dịch toàn bộ nội dung hiển thị LCD mà không làm thay đổi nội dung R/L=1: dịch phải, R/L=0: dịch trái, S/C=1: hiển thị dịch, S/C=0: di chuyển con trỏ

39µs

Bảng 5: Bảng mã lập trình LCD

18

Bảng 6: Bảng mã ghi đọc dữ liệu từ LCD

Ghi chú

- Khi tần số thay đổi thì thời gian thực hiện tối đa sẽ thay đổi theo

Chẳng hạn với fpc hay fosc=250 KHz thì thời gian thực hiện tối đa là

39*270/250=42µs

- LCD có hai RAM là CG và DD RAM DD RAM chứa nội

dùng hiển thị còn CG RAM là RAM chứa kiểu chữ (font) cần xuất

" " Không quan tâm, nó có thể là "1" hay "0"

Thiết lập hướng di chuyển con trỏ:

ID –Tăng hay giảm con trỏ sau mỗi byte được nhập để hiển thị

S – Dịch chuyển màn hình khi byte được gửi để hiển thị

Cho phép màn hình và con trỏ:

D – Mở màn hình(1) / Tắt màn hình (0)

C – Hiển thị con trỏ(1) / Tắt con trỏ (0)

B – Mở con trỏ nhấp nháy (1)/ Tắt (0)

Di chuyển con trỏ và dịch màn hình:

SC – Dịch màn hình On(1)/Off(0)

RL - Hướng dịch màn hình Phải(1)/Trái(0)

Thiết lập chiều dài dữ liệu:

DL – kiểu giao tiếp 8(1)/4(0)

N – số dòng hiển thị 1(0)/2(1)

F – kiểu Font chữ hiển thị 5x10(1)/5x7(0)

Cờ báo bậne "Busy Flag":

BF – Cờ này được set = 1 trong khi LCD đang xử lý dữ liệu

Set địa chỉ CGRAM/Display:

Cờ đọc bận và

địa chi’

Cờ BF=1 chỉ rằng lệnh đang được thực hiện bên trong LCD

Nội dung bộ đếm địa chỉ cũng có thể đọc

19

D – dữ liệu

Lưu ý: LCD có hai RAM là CG và DD RAM DD RAM chứa nội dung hiển thị còn CG RAM là RAM chứa kiểu chữ (font) cần xuất

Bảng 7: Địa chỉ của DD RAM

Địa chỉ của CGRAM:

Bảng 8: Địa chỉ của CG RAM