ROBOT TRÁNH VẬT CẢN TỰ ĐỘNG

Robot tránh vật cản vừa có nhiều ứng dụng trong thực tế vừa dễ dàng để sinh viên chúng em vận dụng những kiến thức tiếp thu được trên giảng đường vào nó. Với những cơ cấu cơ khí đơn giản nhưng lại có thể kết hợp nhiều thành phần điện tử (arduino, sensor đo khoảng cách, module điều khiển động cơ, động cơ,....) nên những robot này rất phù hợp để sinh viên học tập và nghiên cứu thêm.

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 7

1.1 Lý do chọn đề tài 7

1.2 Mục đích chọn đề tài 8

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu 8

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 8

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 8

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ROBOT VÀ ROBOT TRÁNH VẬT CẢN TỰ ĐỘNG 10

1.1 Tổng quan về robot tự động tránh vật cản 10

1.1.1 Giới thiệu chung về robot và robot tự động tránh vật cản 10

1.1.2 Các thế hệ robot 12

1.1.3 Robot tránh vật cản tự động và phân loại 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ROBOT TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN 14

2.1 Thông số của Arduino UNO R3 14

2.2 Vi điều khiển 15

a Các chân năng lượng 18

b Một vài chú ý khi sử dụng kit Arduino 18

c Bộ nhớ 19

e Lập trình cho Arduino 21

2.3 Module điều khiển động cơ 298 22

a Chức năng của các chân modunle điều khiển động cơ L298 22

b Hình ảnh về sơ đồ khối và sơ đồ các chân IC L298 23

2.4 Cảm biến siêu âm 24

a Siêu âm 24

b Khái niệm cảm biến siêu âm 24

c Nguyên lý cấu tạo cảm biến siêu âm 25

d Cách tính khoảng cách trong nguyên lý cảm biến siêu âm 25

e Cấu tạo đầu cảm biến siêu âm 27

f Ứng dụng cảm biến siêu âm 28

g Phân loại các loại cảm biến 28

2.5 Cảm biến siêu âm SRF 05 28

2.6 Động cơ giảm tốc 31

a Cấu tạo của động cơ điện 31

b Nguyên lý hoạt động động cơ điện 31

2.7 Động cơ servo 32

a Cấu tạo 35

b Nguyên lý hoạt động 37

c Servo và điều biến độ rộng xung 37

d Phân loại động cơ servo 38

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM 39

3.1 Ý tưởng thiết kế 39

3.2 Sơ đồ khối 40

3.3 Phân tích chức năng và lựa chọn từng khối 40

3.3.1 Khối nguồn 40

a.Yêu cầu 40

b Thông số linh kiện sử dụng 42

3.3.2 Khối cảm biến 43

a Yêu cầu 43

b Các phương án thiết kế 43

c Thông số linh kiện sử dụng 44

3.3.3 Module điều khiển động cơ 46

a Yêu cầu 46

b Các phương án thiết kế 46

c Thông số linh kiện sử dụng 47

Thông số kĩ thuật: 47

d Sơ đồ thiết kế 47

3.3.4 Vi điều khiển 48

a Yêu cầu 48

b Các phương án thiết kế 48

c Thông số linh kiện sử dụng 48

3.3.5 Động cơ 48

a Yêu cầu 48

b Các phương án thiết kế 49

c Thông số linh kiện sử dụng 49

3.3.5 Sơ đồ thiết kế của robot tránh vật cản tự động 50

3.3.6 Sơ đồ nguyên lý của robot tự động tránh vật cản 50

a Nguyên lý hoạt động 51

b Lưu đồ thuật toán 51

c Thiết kế 53

3.3.7 Chế tạo, kiểm nghiệm và đánh giá sản phẩm 64

a Đánh giá sai số trong qui trình gia công cơ khí 64

b Đánh giá độ chính xác và tin cậy của Robot khi thực hiện nhiệm vụ 65

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 66

4.1 Kết luận 66

4.2 Hướng phát triển 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC

Danh mục hình ảnh sử dụng trong bài báo cáo

Hình 2 1 Vi điều khiển ATmega328p trên kit Arduino UNO R3 15

Hình 2 2 Sơ đồ chân Atemega 328p 16

Hình 2 3 Atmega328p 17

Hình 2 4 Kit Arduino UNO R3 20

Hình 2 5 Phần mềm lập trình kit arduino UNO R3 22

Hình 2 6 Sơ đồ chân IC L298 23

Hình 2 7 Dải tần 24

Hình 2 8 Một loại cảm biến đo khoảng cách 25

Hình 2 9 Thời gian thu phát cửa cảm biến siêu âm 26

Hình 2 10 Công thức tính khoảng cách của cảm biến siêu âm 27

Hình 2 11 Sơ đồ phát xung của cảm biến siêu âm SRF 05 30

Hình 2 12 Động cơ giảm tốc = động cơ điện + hộp giảm tốc 31

Hình 2 13 Động cơ servo 35

Hình 2 14 Cấu tạo động cơ servo 36

Hình 2 15 Góc quay và động rộng xung 38

Hình 3 1 Sơ đồ khối 40

Hình 3 2 Pin cell 43

Hình 3 3 Cảm biến siêu âm SRF05 45

Hình 3 4 Động cơ servo sử dụng 45

Hình 3 5 Sơ đồ thiết kế cảm biến siêu âm SRF05 và Servo 46

Hình 3 6 Sơ đồ thiết kế Modunle điều khiển động cơ và động cơ giảm tốc 47 Hình 3 7 Sơ đồ thiết kế robot tránh vật cản tự động 50

Hình 3 8 Sơ đồ nguyên lý robot tránh vật cản tự động 50

Hình 3 9 Lưu đồ thuật toán 52

Hình 3 10 Robot tránh vật cản tự động 63

Hình 3 11 robot tránh vật cản tự động 64

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đời sống, cuộc sống của con người đã thay đổi ngày một tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa Đặc biệt góp phần không nhỏ đó là ngành kĩ thuật điện – điện tử trong sự nghiệp xây dựng đất nước Những thiết bị điện, điện tử được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày Từ những thời gian đầu phát triển vi xử lý đã cho thấy sự

ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định thêm Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất

và tinh thần cho con người

Do đó mong muốn áp dụng kiến thức của mình đã được học trong hơn

ba năm ở đại học, em đã quyết định nghiên cứu và chế tạo ra một sản phẩm mang tính ứng dụng vào trong đời sống thực tiễn của chúng ta Sản phẩm đó chính là robot tránh vật cản Robot tránh vật cản được thiết kế có thể tránh được vật cản phía trước mặt robot Sản phẩm này có nhiều cách để tránh vật cản như khi gập vật cản thì nó dừng lại hoặc rẽ trái rẽ phải, lùi, nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của em còn có hạn nên sẽ không tránh khỏi những sai sót Em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của thầy cô nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài này

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệp cũng như trong đời sống Sản xuất robot là nghành công nghiệp trị giá lớn và ngày càng phát triển mạnh, trong các họ robot chúng ta không thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có

Mobile robot có thể di chuyển một cách rất linh hoạt, do đó tạo nên

trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư

và nghiên cứu Mobile robot cũng được chia ra làm nhiều loại: robot học đường đi, robot dò line, robot tránh vật cản, robot tìm đường trong mê cung,…trong số đó robot tránh vật cản dễ dàng ứng dụng nhiều trong cuộc sống Việc phát triển loại robot này sẽ phục vụ rất đắc lực cho con người

1.2 Mục đích chọn đề tài

Robot tránh vật cản vừa có nhiều ứng dụng trong thực tế vừa dễ dàng

để sinh viên chúng em vận dụng những kiến thức tiếp thu được trên giảng đường vào nó Với những cơ cấu cơ khí đơn giản nhưng lại có thể kết hợp nhiều thành phần điện tử (arduino, sensor đo khoảng cách, module điều khiển động cơ, động cơ, ) nên những robot này rất phù hợp để sinh viên chúng em họp tâp và nghiên cứu thêm

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

 Nghiên cứu cơ sở lí thuyết về moudule điều khiển động cơ

 Nghiên cứu cơ sở lí thuyết về cảm biến siêu âm

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về servo, động cơ giảm tốc

 Nghiên cứu về kĩ thuật vi điều khiển

1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tƣợng nghiên cứu

 Cảm biến siêu âm

 Động cơ giảm tốc, servo

 Moudule điều khiển động cơ

 Kit Arduino UNO R3

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

 Cảm biến siêu âm SRF 05

 Động cơ giảm tốc, servo

 Modunle điều khiển động cơ L298

 Kit Arduino UNO R3

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tiễn để đưa ra kết quả sản phẩm cũng như định hướng phát triển cho đề tài

 Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết: Nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết cho đề tài, thông qua việc phân tích, tổng hợp các nguồn dữ liệu, những

số liệu thực tiễn

 Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn, thầy cô, những người có kinh nghiệm chuyên môn trong lĩnh vực về tính khả thi của sản phẩm, cách thực hiện, đánh giá…

 Phương pháp chế tạo, kiểm nghiệm và đánh giá: Tiến hành chế tạo sản phẩm, kiểm nghiệm, thống kê số liệu và đánh giá hiệu quả, tính ổn định cũng như tính chính xác của sản phẩm

1.6 Cấu trúc đồ án

Đồ án được chia ra làm 4 chương:

 Chương 1: Giới thiệu robot và robot tránh vật cản tự động

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết của robot tự động tránh vật cản

 Chương 3: Thiết kế robot tự động tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu

âm kiểm nghiệm và đánh giá sản phẩm

 Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU ROBOT VÀ ROBOT TRÁNH VẬT

CẢN TỰ ĐỘNG

1.1 Tổng quan về robot tự động tránh vật cản

1.1.1 Giới thiệu chung về robot và robot tự động tránh vật cản

Thuật ngữ robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác phẩm R.U.R(Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek Kể

từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi

Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người máy trong cuộc sống Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm để phát triển các máy cơ khí được điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng

xạ

Trong hơn nửa thế kỷ qua thì robot có nhưng tiến bộ đáng kể như trong những năm 1960 thì robot đã thay thế con người làm các công việc nặng nhọc, nguy hiểm trong các môi trường nguy hiểm, độc hại Tiếp đó là sự ra đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng các sensor xúc giác Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích ứng môi trường.Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tang sự tiện lợi

và linh hoạt cho robot

Trong những thập kỷ 80-90 do sự phát triển mạnh mẽ cửa khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số lượng robot đã gia tang, giá thành giảm đi rõ rệt và có thể đạt nhiều tính năng, ứng dụng trong đời sống và sản xuất

Trong những ngày qua thì khái niệm “ Cách mạng công nghiệp 4.0” đã được nhắc đến nhiều trên truyền thông và mạng xã hội Cùng với đó là ngành khoa học công nghệ mới đã tạo ra nhiều sản phẩm robotics Trong robotstic

có hầu hết vấn đề của “ cơ điện tử”, nó là sự kết hợp giữa cơ học máy và điều khiển điện tử

Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng lập trình được, muốn có khả năng này thì robot phải dùng đến máy tính hoặc các thiết

bị khác co chức năng tương tự Trong đó máy tính đóng vai trò như bộ não của robot

Ngày nay với sự phát triển của các bộ vi điều khiển và cải thiện tốc độ máy tính đã tạo ra những bước phát triển đáng kể cho robot.Robot ngày càng đóng vai trò quan trọng trong côn nghiệp và cuộc sống hàng ngày.Chúng sẽ thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những công việc

mà đòi hỏi tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng con người

Robot là tổng hợp của cả khoa học và công nghệ Để thiết kế và chế tạo được robot thì ta cần các tri thức của toán học, cơ học, vật lý, điện tử, lý thuyết điều khiển, khoa học tính toán và nhiều tri thức khác

Do nhu cầu sử dụng của con người trong đời sống sản xuất nên càng ngày robot àng được cải tiến như robot chăm sóc sức khỏe trong ý tế, robot thay thế con người trong các nhà máy xí nghiệp, robot xây dung trong quân

sự, … Trong đời sống thì có một số loại robot được quan tâm nhiều như là: tay máy robot, robot di động, robot phỏng sinh học và robot các nhân Tay máy robot bao gồm các loại robot như robot công nghiệp, robot y tế và robot trợ giúp người tàn tật Còn trong robot di động được thì con người nghiên cứu nhiều về robot tự hành như robot tự tránh vật cản, robot dò đường, …

Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm là robot có thể tự động

di chuyển mà không cần người điều khiển – nó có thể tự động tránh các vật cản Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm bao gồm: vi điều khiển, moudule điều khiển động cơ và cảm biến Robot tự động tránh vật cản có nhiệm vụ tránh vật cản phía trước một cách nhanh chóng và chính xác

1.1.2 Các thế hệ robot

Kể từ khi khái niện robot ra đời thì việc thiết kế và chế tạo robot đã trải qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau Theo thông kế thì có 5 thế hệ robot ra đời kẻ từ năm 1960

Thế hệ thứ nhất: bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu trình không đổi Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng

hở

Thế hệ thứ hai: robot được trang bị các sensor cho phép robot giao tiếp với môi trường bên ngoài Nhờ các sensor này mà robot có thể chọn c ác phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên ngoài Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot điều khiển thích nghi cấp thấp

Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC được sử dung trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt

Thế hệ thứ tư: Thế hệ robot này không bị giới hạn trong chương trình của chúng, robot thế hệ này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ lập trình đặc biệt như là C, C++,… để tạo ra nhiều ứng dụng hoặc chương trình không trực tuyến

Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo Robot được trang bị cá kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc để xử lý, đưa ra các quyết định hợp

lý Ngoài ra robot được trang bị mạng neuron giúp nó có khẳ năng tự học, xây dựng kiến thức

1.1.3 Robot tránh vật cản tự động và phân loại

Robot tránh vật cản là loại robot sử các sensor đo khoảng cách để tránh khỏi bị đâm vào vật cản

Phân loại robot tránh vật cản dựa theo nguyên lý làm việc của đầu cảm biến có:

 Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm: robot tránh vật cản làm việc dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến siêu âm Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra vật cản nhờ 13ang siêu âm

 Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến laser: robot tránh vật cản làm việc dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến laser Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra vật cản nhờ laser

Robot tránh vật cản sử dụng nhiều loại cảm biến: là hệ thống làm việc dựa trên nguyên lí của nhiều loại cảm biến như: cảm biến hồng ngoại và cảm biến siêu âm, cảm biến siêu âm và cảm biến laser Hệ thống này chủ yếu phát hiện ra vật cản trong những môi trường khác nhau

Phân robot tránh vật cản theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có thể chia robot tự hành thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh

 Robot chuyển động bằng chân là robot di chuyển mô phỏng theo di chuyển của con người Tuy nhiên nó rất phức tạp và chỉ có thể di chuyển

ở một số địa hình nhất định

 Robot chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do con người tạo ra Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định Lớp chuyển động bằng bánh

có thể chia ra làm 3 loại:loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển động bằng vòng xích và loại hỗn hợp bánh xe vòng xích Tiềm năng ứng dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot

xe lăn phục vụ người khuyết tật,…

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ROBOT TỰ ĐỘNG

TRÁNH VẬT CẢN

2.1 Thông số của Arduino UNO R3

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

2.2 Vi điều khiển

Hình 2 1 Vi điều khiển ATmega328p trên kit Arduino UNO R3

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Các vi điều khiển này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho

xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Atmega328 là một chíp vi điều khiển thuộc họ MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8 Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử

lý 8 bít (2KB SRAM) Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc

ra, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer (Watchdog timer

là bộ đếm thời gian hoạt động liên tục nhằm tự động thực hiện một nhiệm vụ nào đó Sau một khoảng thời gian được định trước nếu bộ đếm không được dừng hoặc refresh nó sẽ kích hoạt tác vụ đã được định sẵn ví dụ như reset

thiết bị, tắt màn hình, phát tín hiệu cảnh báo, ,) hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ bootloader

Hình 2 2 Sơ đồ chân Atemega 328p

Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz

Hình 2 3 Atmega328p Thông số chính Atmega328P-PU:

 Kiến trúc: AVR 8bit

 Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit

 Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

a Các chân năng lượng

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

b Một vài chú ý khi sử dụng kit Arduino

Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy ,nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V có thể làm hỏng board

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiển ATmega328

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng

c Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Tuy nhiên khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

d Các cổng vào/ra

Hình 2 4 Kit Arduino UNO R3 Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân

là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong

vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Chức năng của 1 số chân như sau:

 Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28

-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng

hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V

và 5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino UNO có 6 chân tín hiệu tương tự (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210

-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

e Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ C/C++ Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

Hình 2 5 Phần mềm lập trình kit arduino UNO R3

2.3 Module điều khiển động cơ 298

Module L298 có thể điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước, có

4 lỗ nằm ở 4 góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí của module Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh đạt 2A( tối đa là 2.7A)

IC L298N được gắn với các đi ốt trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ

a Chức năng của các chân modunle điều khiển động cơ L298

 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7,

10, 12 của L298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển

 4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT) được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ

 Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298 Nếu

ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động

 Với bài toán của mình ở trên, các bạn chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L298:

 Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào

 Khi ENA = 1:

 INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận

 INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch

 INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì

 Với ENB cũng tương tự với INT3, INT4

b Hình ảnh về sơ đồ khối và sơ đồ các chân IC L298

Hình 2 6 Sơ đồ chân IC L298

2.4 Cảm biến siêu âm

a Siêu âm

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được Tần số tối đa này tùy vào từng người nhưng thông thường nó khoảng 20 kHz

Hình 2 7 Dải tần Sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như: không khí, chất lỏng, chất rắn bằng với vận tốc của âm thanh Do cùng vận tốc nhưng tần số cao hơn nên sóng siêu âm có bước sóng ngắn hơn bước sóng

âm thanh Nhờ có khả năng không bị nhận biết bởi con người nên sóng siêu

âm được dùng để đo đạc khoảng cách hay vận tốc

b Khái niệm cảm biến siêu âm

Là loại cảm biến dùng để đo khoảng cách, là sản phẩm dùng để đo vật thể rắn lỏng thông qua tín hiệu sóng siêu âm truyền đi, là thiết bị đo lường được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy khu vực chứa chất lỏng, chất rắn

Hình 2 8 Một loại cảm biến đo khoảng cách

c Nguyên lý cấu tạo cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng âm ra ngoài; khi sóng âm tiếp cận tới các vật thể( chất lỏng như nước, nước thải, chất lỏng dạng kết dính…, chất rắn như hạt nhựa, cát, đá, xi măng, bột, cám gạo…); sẽ phát tín hiệu xung đưa về cảm biến; sau đó cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu đưa về thành tín hiệu dòng 4-20ma tiếp tục truyền đi tới các thiết bị kết nối để phát tín hiệu kết quả đo được

Cảm biến siêu âm hoạt động theo nguyên lý hoạt động của loài dơi vào ban đêm Loài dời vào ban đêm tuy không nhìn thấy gì nhưng nó vẫn bay với tốc độ cao mà không bị va vào vật cản Lý do đó chính là hoạt động phát ra sóng siêu âm, khi sóng siêu âm tiếp cận vật thể thì sóng phản xạ lại báo cho dơi biết nơi đó có vật cản giúp nó tránh được

d Cách tính khoảng cách trong nguyên lý cảm biến siêu âm

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì máy tính

có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm Vì vậy khoảng cách thừ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính : d = v.t/2

Hình 2 9 Thời gian thu phát cửa cảm biến siêu âm Chú thích :

V là vận tốc âm thanh truyền trong không khí ( 343m/s)

t là thời gian từ lúc phát đến khi nhận được

Hình 2 10 Công thức tính khoảng cách của cảm biến siêu âm

Công thức tính: L= V.t.cos (Ao)/2

e Cấu tạo đầu cảm biến siêu âm

Chuẩn cấu tạo của một cảm biến siêu âm gồm 3 phần chính:

 Bộ phận truyền tín hiệu sóng âm với vai trò phát ra sóng âm truyền đi

 Bộ phận nhận lại tín hiệu sóng âm với vai trò nhận lại sóng âm báo về

 Bộ phận xử lý sóng âm sau khi nhận được sự phản hồi của tín hiệu đưa

về lập tức bộ phận này sẽ tính toán khoảng cách giữa điểm phát song; và điểm sóng chạm vào vật thể thông qua thời gian song phát tới vật thể và vận tốc truyền đi của song siêu âm; cuối cùng chuyển những thông tin này thành một tín hiệu analog truyền về một bộ chuyên đọc tín hiệu để hiển thị thông tin cho người sử dụng

f Ứng dụng cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm được sử dụng rất nhiều trong các khu vực nhà máy công nghiệp; dây chuyền sản xuất, khu vực bệnh viên…

Cụ thể trong bệnh viện các y bác sĩ dùng các loại cảm biến siêu âm bằng rada để siêu âm trong bụng bà bầu xem thai nhi là gái hay trai; kiểm tra xem trong cơ thể có các khối u, các khối ung thư…

Tong khu vực biển; thì cảm biến siêu âm dùng để rò sét kiểm tra dưới đáy biển có đá ngầm hay tàu ngầm hay không

Cảm biến siêu âm ứng dụng trong công nghiệp để đo và kiểm soát lưu lượng chất lỏng trong các thùng chứa chất lỏng; bể chứa chất lỏng; hoặc kiểm tra dây chuyền sản xuất; ví dụ như kiểm tra lượng sữa trong các túi hoặc nguyên vật liệu đống gọi trong các bao; xem dung tích đúng mức quy định chưa; cái nào chạy qua cảm biến mà thiếu thể tích hay thiếu khối lượng thì cảm biến sẽ báo cho chúng ta biết Để kịp thời xử lý những thiếu sót trên

Ngoài ra; còn rất nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp cần đến sự tác động hỗ trợ của các loại cảm biến siêu âm đo mức nước

g Phân loại các loại cảm biến

Tùy vào mức độ sử dụng của người dùng; mà thị trường xuất hiện nhiều loại cảm biến đo sóng siêu âm khác nhau như:

 Cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng

 Cảm biến siêu âm Omron

 Cảm biến tiệm cận siêu âm

 Cảm biến siêu âm đo khoảng cách chất rắn

2.5 Cảm biến siêu âm SRF 05

Cấu tạo của nó gồm 3 phần:

 Phần phát tín hiệu

Các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm được chế tạo đặc biệt, hoạt động phát siêu âm có cường độ cao nhất ở một tần số nào đó ( thường là

40kHz cho các ứng dụng đo khoảng cách) Các loa này cần có nguồn tín hiệu điều khiển có điện áp cao mới phát tốt được (theo datasheet thì là ~ 30V)

Chính vì vậy trong phần phát, phần đệm công suất sử dụng một con MAX232 làm nhiệm vụ đệm Nó sẽ lấy tín hiệu từ bộ điều khiển, khuých đại biên độ lên+/-30V cung cấp cho loa gốm

Để tiết kiệm nguồn cho module cảm biến, phần cấp điện cho MAX232 được điều khiển thông qua một tran PNP, khi không hoạt động, bộ điều khiển

sẽ làm cho tran này ngưng dẫn, hạn chế tiêu thụ dòng

 Phần thu tín hiệu

Khi loa gốm làm đầu thu ( loa này được chế tạo chỉ nhạy với một tần số nào đó- 40KHz) thu được sóng siêu âm, nó sẽ phát ra một điện thế giữa hai cực Điện thế này là rất nhỏ, vì vậy nó được đưa qua một OPAM, ở đây là TL072 ( Một số module sự dụng LM324, ) Tín hiệu này liên tục được khuých đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so sánh, kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển thông qua một trans NPN

 Phần xử lý, điều khiển

Phần xử lý, điều khiển thường sử dụng một vi điều khiển (PIC16F688, STC11, ) làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính toán thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm do nó phát ra nếu nhận được tín hiệu TRIG

Nguyên lý đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm SRF05

Việc đo khoảng cách của cảm biến siêu âm được thực hiện gián thiếp thông qua việc đo thời gian phản hồi của sóng siêu âm Chúng ta sẽ đo thời gian từ lúc bắt đầu phát sóng siêu âm cho đến khi nhận được tín hiệu phản hồi

Với cảm biến siêu âm SRF05-SRF04, thời gian từ lúc phát sóng siêu

âm, cho đến khi có tín hiệu phản hồi, được tính bằng độ rộng mức 1 trên chân

ECHO

Để đo khoảng cách, ta phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ

chân TRIG Sau đó cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân ECHO cho đến

khi nhận được xung phản xạ ở chân này Chiều rộng của xung sẽ bằng với

thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến quay trở lại Tốc độ của âm

thanh trong không khí là 340 m/s tương đương với 29,412

microSeconds/cm(1000000/(340*100)) Khi đã tính được thời gian ta chia

cho 29,412 để được khoảng cách cần đo

Tính toán khoảng cách

Hình 2 11 Sơ đồ phát xung của cảm biến siêu âm SRF 05

Khi cảm biến siêu âm SRF 05 hoạt động thì SRF 05 sẽ cung cấp một

đoạn xung ngắn 10uS kích hoạt đầu vào để bắt đầu đo khoảng cách Các

SRF05 sẽ gửi cho ra một chu kỳ 8 burst của siêu âm ở 40khz và tăng cao

dòng phản hồi của nó Sau đó chờ phản hồi, và ngay sau khi phát hiện nó giảm các dòng phản hồi lại Dòng phản hồi là một xung có chiều rộng là tỷ lệ với khoảng cách đến đối tượng Bằng cách đo xung, ta hoàn toàn có thể để tính toán khoảng cách ttheo inch /

centimét

2.6 Động cơ giảm tốc

Khác với cánh tay tại các robot tĩnh, robot di động có cơ cấu chuyển động nhằm đưa robot di chuyển tới vị trí mong muốn.Cơ cấu này có thể là các máy thủy lực, khí nén, động cơ điện, động cơ giảm tốc nhưng trong đề tài này chỉ sử dụng động cơ giảm tốc

Hình 2 12 Động cơ giảm tốc = động cơ điện + hộp giảm tốc

a Cấu tạo của động cơ điện

Gồm 2 phần chính là stato va roto Stato gòm các cuộn dây của ba pha điện quốn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay còn rôt có dạng hình trụ đóng vai trò như một cuộn dây quấn trên lõi thép

b Nguyên lý hoạt động động cơ điện

Khi mắc động cơ vào mạng xoay chiều, từ trường quay do stato chính

là nguyên nhân làm quay roto trên trục Chuyển động quay của roto được trục máy truyền ra ngoài để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ câu chuyển động

 Động cơ một chiều

Động cơ 1 chiều được cấu tạo từ cuộn dây và hệ thống nam châm vĩnh cửu Loại động cơ này có thể dùng trực tiếp nguồn một chiều hoặc có thể

điều khiển thông qua độ rộng xung.Tốc độ động cơ sẽ được quy định bởi điện áp một chiều hay độ rộng xung đặt vào.Một nhược điểm khi sử dụng động cơ một chiều đó chính là kém về độ chính xác trong chuyền động Hộp giảm tốc

Là cơ cấu truyền động ăn khớp trực tiếp, có tỷ số truyền không đổi được dùng để giảm vận tốc góc, tăng momen xoắn Một đầu của hộp giảm tốc nối với động cơ như truyền động xích, đai ,… đầu còn lại của hộp giảm tốc nối với tải

Nhiệm vụ của hộp giảm tốc

 Thay đổi số vòng quay đầu ra một cách linh hoạt

 Thay đổi tỷ số truyền theo ý muốn

Phân loại hộp giảm tốc

Theo tỷ số truyền của hộp giảm tốc

cảm ứng , khe hở từ thông, cách đấu dây … ) Mặc dù vậy tùy vào nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm thay đổi sao cho phù hợp ( Dành cho những mục đích đặc biệt ) so với động cơ thường Sau đây là một vài ví dụ về nét đặc trưng của động cơ Servo :

 Mở rộng vùng điều khiển

Một số yêu cầu trong điều khiển là cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp điện mức Động cơ Servo thuộc loại này có thiết kế đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hòa mạch từ trong động cơ Như vậy động cơ Servo thuộc loại này phải được tăng cường cách điện và sử dụng sắt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm ( Rate Earth )