Ngày nay, việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một phát triển, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao.Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụng được lại là một điều rất phức tạp. Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 bit đơn giản đến các bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64 bit. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông – lâm – ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày.Một trong những ứng dụng thiết thực trong đó là ứng dụng về nhiệt kế điện tử. Qua những kiến thức đã học được ở môn Vi Điều Khiển, chúng em đã quyết định nhận làm đồ án môn học: Thiết kế, chế tạo robot lau nhà sử dụng vi điều khiển.
Trang 1M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC
Lời nói đầu 2
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 3
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ROBOT LAU NHÀ 4
1.Giới thiệu các loại robot lau nhà 4
2.1 Thiết kế sơ đồ khối và chức năng từng khối 6
a, Giới thiệu cảm biến siêu âm Devantech SRF05 7
b, Giới thiệu về động cơ servo 10
*,Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051 12
+, Sơ đồ khối AT89C51 13
*, Chức năng các chân của AT89C51 14
a, Giới thiệu về ic L293D 16
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 20
3.1.1 Thiết kế mạch nguồn 20
3.1.2 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm 20
3.1.3 Thiết kế mạch cảm biến 21
3.1.4 Thiết kế mạch động lực 23
3.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý toàn mạch 25
3.4 Lưu đồ thuật toán điều khiển 28
CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 38
Trang 2Lời nói đầu
Ngày nay, việc ứng dụng những thành tựu của khoa học kỹ thuật tiêntiến, thế giới của chúng ta đã và đang ngày một phát triển, văn minh và hiện đạihơn Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với cácđặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tốrất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao
Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành
và sử dụng được lại là một điều rất phức tạp Các bộ vi điều khiển theo thời giancùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ
vi điều khiển 4 bit đơn giản đến các bộ vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64bit Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa nhiệm vụ Điện tử đã đápứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông – lâm – ngưnghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày
Một trong những ứng dụng thiết thực trong đó là ứng dụng về nhiệt kếđiện tử Qua những kiến thức đã học được ở môn Vi Điều Khiển, chúng em đã
quyết định nhận làm đồ án môn học: Thiết kế, chế tạo robot lau nhà sử dụng
vi điều khiển.
Mặc dù đã rất cố gắng thiết kế và hoàn thành đồ án đúng thời hạn nhưng
do thời gian ngắn và năng lực còn hạn chế nên vẫn còn những sai sót Chúng emmong thầy giáo góp ý để việc học tập của chúng em được tốt hơn
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Tuyền
Trang 3NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Ngày Tháng Năm CHỮ KÝ GIÁO VIÊN
Trang 4CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ROBOT LAU NHÀ.
1.Giới thiệu các loại robot lau nhà.
Các loại robot lau nhà hiện nay có những kỹ thuật dẫn đường cho robot khácnhau Có hai hướng chính đó là sử dụng cảm biến và sử dụng hình ảnh
1.1 Robot lau nhà sử dụng cảm biến.
Trên thị trường có rất nhiều loại robot lau nhà sử dụng cảm biến để tránh vậtcản, tất cả đều hoạt động theo nguyên tắc chung là sử dụng cảm biến siêu âmhoặc là cảm biến hồng ngoại để nhận biết vật cản
Ưu điểm của việc sử dụng cảm biến cho robot lau nhà là tín hiệu vào ra ởhai mức là cao và thấp lên dễ cho việc lập trình điều khiển
Từ đó, chúng em sẽ chọn sử dụng cảm biến siêu âm để nhận biết vật cản chorobot
2 Các phương án thực hiện đề tài.
1, Tìm hiểu đề tài
2, Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các linh kiện có trong mạch
3, Thiết kế sơ đồ khối phần cứng của mạch
4, Thiết kế sơ đồ nguyên lý phần cứng của mạch
5, Thiết kế lưu đồ thuật toán
Trang 6CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ MỘT SỐ LINH KIỆN SẼ DÙNG.
2.1 Thiết kế sơ đồ khối và chức năng từng khối.
Hình 2.1: Sơ đồ khối toàn mạch.
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện cho toàn mạch hoạt động
- Khối cảm biến: Nhận biết vật cản
- Khối điều khiển: Nhận biết và xử lý tín hiệu từ khối cảm biến, đồng thờiđiều khiển tín hiệu ra khối động lực
- Khối động lực: Nhận biết tín hiệu từ khối điều khiển để điểu khiển hướng
đi cho robot
Trang 72.2 Một số linh kiện sẽ dùng.
2.2.1 Khối cảm biến.
a, Giới thiệu cảm biến siêu âm Devantech SRF05.
Siêu âm Devantech SRF04 được sử dụng để thu các thông tin về khoảngcách một cách chính xác trong dải từ 3cm đến 3m Sensor này gồm bộ thu phát siêu âm tách biệt, sensor có 4 chân nối trong đó hai chân cho nguồn nuôi, hai chân còn lại một cho xung tín hiệu vào, một cho tín hiệu ra
Hình 2.2.1a:Cảm biến siêu âm SRF05
- Xung phản xạ mức cao có độ rộng xung tỉ lệ với khoảng cách
- Góc mở của bộ phát là 300.SRF04 hoạt động thông qua việc truyền một xung
âm thanh có tần số
nằm ngoài dải tần số nghe của con người Xung này truyền ở tốc độ âm thanhkhoảng 0.9ft/giây, dưới dạng một chùm hình nón, âm thanh phản xạ trở lại tớiđầu thu từ vật thể bất kì trên đường đi của sóng siêu âm Tín hiệu điện tại đầuthu có dạng các xung với độ kéo dài xung phụ thuộc vào khoảng cách phản xạ
kể từ vị trí vật tới đầu thu Để việc thu phát làm việc hiệu quả, bộ phát tạmngừng phát sóng trong khoảng thời gian siêu âm được truyền sau đó đợi tín hiệuphản xạ Xung ở đầu ra của sensor được đưa tới bộ xử lý Việc xác định
thời gian kéo dài xung sẽ giúp cho robot xác định được khoảng cách Các đặctrưng của SRF04 có thể kể ra như sau:
- Điện áp sử dụng 5VDC, dòng tiêu thụ cực đại 50mA, thường là 30mA
- Vùng làm việc của sensor: phát hiện khoảng cách từ 3cm tới 3m
Trang 8- Xung kích phát 10us mức cao tương thích TTL.
Một số yêu cầu về khoảng thời gian thu phát siêu âm:
Tín hiệu xung kích phát siêu âm được giữ ở mức thấp (logic 0) và sau đóđưa lên mức cao (logic 1) trong 10us để khởi phát xung siêu âm Xung siêu âmđược tạo ra thông qua sườn xuống của tín hiệu lối vào Sau khi được kích phát,sóng siêu âm sẽ được phát ra trong 8 chu kì burst Bộ nhận sẽ giữ khoảng trốngtrong khoảng thời gian chừng 100us để tránh nhiễu, ồn từ các âm sắc nhọn của
sự khởi phát và sau đó cho phép nghe âm thanh phản xạ Đường tín hiệu dội âm
ở mức thấp cho đến khi cho phép nhận âm thanh Khi quá trình nhận được chophép, bộ thu sẽ phát hiện sườn xuống của tín hiệu dội âm (nếu có vật) hoặctimeout (vượt quá thời gian cho phép) Việc đo thời gian được tiến hành từ
sườn xuống của tín hiệu lối vào và kết thúc khi sườn xuống của tín hiệu dội âm.Nếu không có vật được phát hiện xung phản xạ sẽ vượt quá thời gian cỡ 36ms
Nguyên tắc hoạt động :
-Vùng hoạt động của cảm biến siêu âm được xác định bằng cách truyền mộtxung âm thanh ra bên ngoài Xung này sẽ di chuyển với tốc độ âm thanh trongvùng hình nón
-Và âm thanh phản hồi lại từ vùng này khi có bất kỳ vật cản nào trên đường đicủa sóng siêu âm
-Để xác định vùng làm việc bạn cần 2 chân : chân input trigger và chân tạo xungoutput
Trang 9Hình 2.2.1b: Dạng xung truyền của SRF04.
Cách sử dụng SRF04:
-Để bắt đầu làm việc với SRF04 bạn cần gửi tới chân input trigger của SRF04một xung cạnh lên một khoảng thời gian nào đó ( ít nhất khoảng 10us) Sẽ cóxung falling edge (mỗi xung có độ rộng một chu kỳ) về trên chân input trigger
và sẽ có 8 xung này Mạch nhận tín hiệu sẽ không nhận tín hiệu trong mộtkhoảng thời gain ngắn khoảng 100us để tránh tiếng ồn âm thanh ban đầu này
Hình 2.2.1c: Giản đồ hoạt động của SRF04.
Trang 10Chân output vẫn ở mức thấp cho đến khi mạch nhận cho phép, và sau đó xung ratrên chân output và để biết khoảng cách tới vật thể ta đo chiều rộng của xungnày.Tùy theo xung này ta sẽ biết khoảng cách tới vật thể hoặc không có vật thểtrong vùng làm việc.
-Giá trị xung thô trả về được tính bằng ms.Từ đó ta tính được khoảng thông quacông thức sau:
S[m]=344m/s*ti[s]/2
-Với vùng phát hiện từ 3cm tới 3m , ta có thể tính được độ dài của xung là từ100us đến 18ms
-Nếu không có vật cản nào được phát hiện thì chiều rộng của xung là 36ms
b, Giới thiệu về động cơ servo.
Một động cơ servo (Servo Motors) là một tổ hợp chung cơ bản của bốn
bộ phận: một động cơ điều khiển tốc độ DC, một bánh răng, một vi điều khiển
và một cảm biến
Khả năng định vị của động cơ servo thường được tính toán để kiểm soátđược chính xác hơn so với những động cơ DC thông thường khác Động cơservo thường cấu tạo gồm 3 dây: dây nguồn, dây tiếp đất và dây điều khiển.Không giống như động cơ DC hoạt động trên cơ chế xoay chiều bật tắt nguồn,năng lượng (nguồn điện) của động cơ servo được nạp vào liên tục Động cơservo hoạt động bằng việc kiểm soát dòng điện, giúp động cơ định hướng chínhxác hướng hoạt động của mình
Động cơ servo được thiết kế để dừng tại một vị trí cụ thể Các vị trí nàycần được tính toán chính xác để khiến máy móc hoạt động được đúng với mụctiêu đề ra theo ý đồ của người thiết kế Ví dụ như kiểm soát các bánh lái trênmột chiếc thuyền hoặc cần khiến một cánh tay robot hay chân robot di chuyểntrong một phạm vi nhất định
Trang 11Hình 2.2.1d: Động cơ servo
Động cơ servo sẽ không quay như động cơ DC thông thường vốn hoạtđộng xoay qua lại với góc quay đạt tới mốc 360 độ (hoặc hơn) Trong khi đó,động cơ servo sẽ hoạt động bằng việc nhận một tín hiệu lệnh quyết định góc vịtrí ở đầu ra và sử dụng sức mạnh (cơ năng) của một động cơ DC cấu tạo bêntrong sẽ quay trục quay đến đúng vị trí Vị trí này được xác định bởi các vi cảmbiến
PWM được sử dụng cho các tín hiệu lệnh của động cơ servo Tuy nhiên,không giống như động cơ DC được PWM điều khiển bằng biến độ rộng xung đểkiểm soát tốc độ quay, động cơ servo dùng điều biến độ rộng xung đó để xácđịnh vị trí của trục động cơ, chứ không chỉ đơn thuần là tốc độ
Trung bình một đơn vị xung được tính dựa trên vị trí trục (thường làkhoảng 1,5ms), mục đích làm sao để giữ trục luôn ở đúng vị trí Mỗi khi giá trịxung tăng lên, sẽ khiến cho trục motor lần lượt chuyển động theo chiều kimđồng hồ, và luôn sẽ có một xung ngắn hơn để đảo trục ngược lại chiều kim đồng
hồ Xung điều khiển serco thường được lặp đi lặp lại khoảng 20 mm/s Có thểnói đơn giản, trục servo di chuyển đến đâu rồi cũng quay về lại vị trí ban đầu
Trang 12Khi động cơ được lệnh di chuyển, nó sẽ điều khiển trục di chuyển đến vịtrí cần đến và giữ nguyên ở vị trí đó, cho dù ngay cả khi có ngoại lực tác độnglực đẩy lên nó, các trục động cơ sẽ từ chối di chuyển khỏi vị trí đã thiết lập bởi
bộ điều khiển
2.2.2 Khối điều khiển.
*,Giới thiệu tổng quan về họ Vi điều khiển 8051.
AT89C51 là một vi điều khiển 8 bit, chế tạo theo công nghệ CMOS chấtlượng cao, công suất thấp với 4 KB PEROM (Flash Programeable and erasableread only memory)
Các đặc điểm của 8951 được tóm tắt như sau:
- 4KB bộ nhớ, có thể lập trình lại nhanh, có khả năng ghi xóa tới
1000 chu kỳ
- Tần số hoat động từ 0 Hz đến 24 MHz
- 3 mức khóa bộ nhớ lập trình
- 2 bộ Timer/Counter 16 bit
- 128 Byte RAM nội
- 4 Port xuất/nhập (I/O) 8 bit
- Giao tiếp nối tiếp
Trang 13OTHER REGISTER 128 byte RAM
128 byte RAM 8032\8052 ROM
0K:
8031\8032 4K:8951 8K:8052
TEMER2 8032\8052 TEMER1 TEMER1
+, Sơ đồ khối AT89C51
Hình 2.2.2a: Sơ đồ khối của AT89C51
Trang 14Hình 1.2.1b: Sơ đồ chân của AT89C51
*, Chức năng các chân của AT89C51
+ Port 0 (P0.0 – P0.7 hay chân 32 – 39): Ngoài chức năng xuất nhập ra,
port 0 còn là bus đa hợp dữ liệu và địa chỉ (AD0 – AD7), chức năng này sẽđược sử dụng khi AT89C51 giao tiếp với thiết bị ngoài có kiến trúc bus
+ Port 1 (P1.0 – P1.7 hay chân 1 – 8): có chức năng xuất nhập theo bit
và byte Ngoài ra, 3 chân P1.5, P1.6, P1.7 được dùng để nạp ROM theo chuẩnISP, 2 chân P1.0 và P1.1 được dùng cho bộ Timer 2
+ Port 2 (P2.0 – P2.7 hay chân 21 – 28): là một port có công dụng kép.
Là đường xuất nhập hoặc là byte cao của bus địa chỉ đối với các thiết kế dùng
bộ nhớ mở rộng
Trang 15+ Port 3 (P3.0 – P3.7 hay chân 10 – 17): mỗi chân trên port 3 ngoài
chức năng xuất nhập ra còn có một số chức năng đặc biệt sau:
P3.0 RXD Dữ liệu nhận cho port nối tiếp
P3.1 TXD Dữ liệu truyền cho port nối tiếp
P3.2 INT0 Ngắt bên ngoài 0
P3.3 INT1 Ngắt bên ngoài 1
P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Counter 0
P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/Counter 1
P3.6 WR Xung ghi bộ nhớ dữ liệu ngoài
P3.7 RD Xung đọc bộ nhớ dữ liệu ngoài
+ RST (Reset – chân 9): mức tích cực của chân này là mức 1, để reset ta
phải đưa mức 1 (5V) đến chân này với thời gian tối thiểu 2 chu kỳ máy (tươngđương 2µs đối với thạch anh 12MHz
+ XTAL 1, XTAL 2: AT89S52 có một bộ dao động trên chip, nó thường
được nối với một bộ dao động thạch anh có tần số lớn nhất là 33MHz, thônthường là 12MHz
+ EA (External Access): EA thường được mắc lên mức cao (+5V) hoặc
mức thấp (GND) Nếu ở mức cao, bộ vi điều khiển thi hành chương trình từROM nội Nếu ở mức thấp, chương trình chỉ được thi hành từ bộ nhớ mở rộng
+ ALE (Address Latch Enable): ALE là tín hiệu để chốt địa chỉ vào
một thanh ghi bên ngoài trong nửa đầu của chu kỳ bộ nhớ Sau đó các đườngport 0 dùng để xuất hoặc nhập dữ liệu trong nửa chu kỳ sau của bộ nhớ
+ PSEN (Program Store Enable): PSEN là điều khiển để cho phép bộ
nhớ chương trình mở rộng và thường được nối với đến chân /OE (OutputEnable) của một EPROM để cho phép đọc các bytes mã lệnh PSEN sẽ ở mứcthấp trong thời gian đọc lệnh Các mã nhị phân của chương trình được đọc từEPROM qua Bus và được chốt vào thanh ghi lệnh của bộ vi điều khiển để giải
Trang 16mã lệnh Khi thi hành chương trình trong ROM nội, PSEN sẽ ở mức thụ động(mức cao).
+ Vcc, GND: AT89S52 dùng nguồn một chiều có dải điện áp từ 4V –
5.5V được cấp qua chân 40 (Vcc) và chân 20 (GND)
2.2.3 Khối động lực.
a, Giới thiệu về ic L293D.
mạch kích, mạch cầu đều được tích hợp sẵn L293D có điện áp danh nghĩa cao(lớn nhất 36V) và dòng điện danh nghĩa lớn nhất 1.2A nên rất thích hợp chocác các ứng dụng công suất nhỏ như các động cơ DC loại nhỏ và vừa
Hình 2.2.3a: Sơ đồ chân ic L293
Mạch hoạt động nhờ tín hiệu từ vi điều khiển gửi đến để cho mạch cầu H để
Trang 17Hình 2.2.3b:Bảng trạng thái của L293D.
Tín hiệu từ vi điều khiển đến các chân của L293D thay đổi để làm đổichiều quay của động cơ, chân En luôn được để ở mức cao sẵn sàng cho động cơhoạt động, các chân Input được cấp tín hiệu để động cơ quay theo chiều xácđịnh
b,Giới thiệu về động cơ giảm tốc.
Hình 2.2.3c:Động cơ giảm tốc.
Trang 18Hình 2.2.3d: Cấu tạo động cơ dc.
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châmvĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối vớinguồn điện một chiều
Trang 20CHƯƠNG III: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH.
3.1 Thiết kế sơ đồ mạch cho toàn khối.
3.1.2 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm.
Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển AT89C51, qua chươngtrình đã lập trình được nạp cho chip, vi điều khiển sẽ điều khiển hoạt động củarobot
Bộ dao động thạch anh có tác dụng tạo xung nhịp với tần số 12MHz choVĐK hoạt động Hai đầu này được nối vào 2chân XTAL1 và XTAL2 của VĐK
Bộ RESET có tác dụng đưa vi điều khiển về trạng thái ban đầu Khi nútReset được ấn điện áp +5V từ nguồn được nối vào chân Reset của vi điều khiểnđược chạy thẳng xuống đất lúc này điện áp tại chân vi điều khiển thay đổi độtngột về 0, VĐK nhận biết được sự thay đổi này và khởi động lại trạng thái banđầu cho hệ thống
Trang 21Hình 3.1.2: Sơ đồ mạch vi xử lý 3.1.3 Thiết kế mạch cảm biến.
Hình 3.1.3Sơ đồ mạch khối cảm biến.
Trang 22Khối cảm biến gồm có một cảm biến siêu âm được gắn trên trục xoay củađộng cơ servo Cảm biến siêu âm đo khoảng cách từ robot tới vật cản bằng cáchtính thời gian từ lúc sóng siêu âm được phát ra đến vật chắn rồi phản hồi về.
Sử dụng bằng cách truyền một xung vào chân trigger của module, sau đóchờ một xung trả về trên chân echo, đo khoảng thời gian từ lúc truyền tới lúcnhận, chia đôi rồi nhân với vận tốc cho ta khoảng cách đến vật cản cần đo
Động cơ servo có nhiệm vụ thay đổi hướng cảm biến, thay đổi hướng đo
để nhận biết hướng nào có vật cản và không có vật cản cho robot hoạt động.Servo được điều khiển bởi vi điều khiển, muốn ở góc 900 ta cấp cho chân PMWmột xung có độ rộng 1.5ms, quay trái ta cấp xung nhỏ hơn 1.5ms, quay phải tacấp xung lớn hơn 1.5ms
3.1.4 Thiết kế mạch động lực.