Thiết kế ô tô điều khiển từ xa và tự động tránh vật cản

Ứng dụng thực tế của đề tài này là mình sẽ dùng điều khiển từ xa để điều khiển xeđến một chỗ khuất mà con người không thể chui vào được, sau đó ấn định chế độ dòđường tự động, trên xe sẽ

BÁO CÁO

Đ tài: “ ề Thi t k ô tô đi u khi n t xa và t đ ng tránh v t c n ế ế ề ể ừ ự ộ ậ ả ”

M C L C Ụ Ụ i

DANH M C B NG HÌNH VẼ Ụ Ả ii

L I M Đ U Ờ Ở Ầ 1

Đ TÀI VÀ Đ NH H Ề Ị ƯỚ NG Đ TÀI Ề 2

CH ƯƠ NG I: C S LÝ THUY T Ơ Ở Ế 3

1.1 Kit Xilinx Coolrunner-II 3

1.1.1 T ng quanổ 3

1.1.2 C u hìnhấ 4

1.1.3 Các thi t b đi n trong boardế ị ệ 4

1.1.4 Đ ng hồ ồ 5

1.1.5 Các thi t b I/Oế ị 5

1.1.6 C ng k t n i m r ngổ ế ố ở ộ 5

1.1.7 Thi t k boardế ế 6

1.2 Đi u khi n vô tuy n ề ể ế 6

1.2.1 T ng quan v sóng đi n tổ ề ệ ừ 6

1.2.2 IC t o mã và gi i mã PT2262, PT2272ạ ả 7

1.2.3 Modul thu phát RF31-4CH 9

1.3 C m bi n siêu âm SRF05 ả ế 11

1.4 M ch c u H ạ ầ 13

1.4.1 Khái ni m v m ch c u Hệ ề ạ ầ 13

1.4.2 IC c u H L293D.ầ 15

CH ƯƠ NG II: QUÁ TRÌNH THI T K Ế Ế 17

2.1 S đ kh i h th ng ơ ồ ố ệ ố 17

2.2 Thi t k ph n c ng ế ế ầ ứ 18

2.2.1 Thi t k ph n khung xeế ế ầ 18

2.2.2 Thi t k b chuy n đ i đi n áp 3.3Vế ế ộ ể ổ ệ 18

2.3 Thi t k ph n m m ế ế ầ ề 19

K t lu n ế ậ 21

1 K t qu đ t đ ế ả ạ ượ 21 c 2 Nh ng t n t i và h ữ ồ ạ ướ ng phát tri n c a đ tài ể ủ ề 21

DANH MỤC BẢNG HÌNH VẼ

Hình 1.1: KIT Cool Runner II 6

Hình 1.2: S đ kh i các chân IO c a KIT Coolrunner IIơ ồ ố ủ 7

Hình 1.3: S đ k t n i CRII v i Led 7ơ ồ ế ố ớ 8

B ng 1.ả 1: B ng mã quét c a board CRIIả ủ 9

Hình 1.4: Dạng sóng điện từ trong không gian 9

Hình 1.5: Sơ đồ khối bộ thu phát RF 10

Hình 1.6: Sơ đồ chân IC thu phát RF PT2262/2272 10

Hình 1.7: Sơ đồ mã hóa bên phát 11

Hình 1.8: Sơ đồ khối các khối chức năng trong IC PT2272 12

Hình 1.9: Modul phát RF 12

Hình 1.10: Modul thi RF 13

Bảng 1.11: Chức năng các chân của modul thu RF 13

Hình 1.12: Cảm biến siêu âm SRF05 14

Hình 1.13: Dạng xung các chân ra của SRF05 mode 1 15

Hình 1.14: Dạng xung SRF05 mode 2 15

Hình 1.16: Điều khiển mạch cầu H 17

Hình 1.17: IC cầu H L293D 18

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống 20

Hình 2.2: Thiết kế phần cứng 21

Hình 2.3: M ch phân áp 3.3Vạ 22

Hình 2.4: Sơ đồ kết nối toàn hệ thống 22

Hình 2.5: Lưu đồ thuật toán hệ thống 23

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa Robot

ra đời và ngày càng được ứng dụng trong thực tế, nhất là trong các nhà máy hoặc làm việctrong môi trường khắc nghiệt Hiện nay, robot ngày càng quan trọng và không thể thiếutrong cuộc sống con người

Với chủ để robot và trong khuân khổ bộ môn “ Đồ án thiết kế hệ thống số” , nhóm

đã đề xuất và thực hiện ý tưởng thiết kế với các chức năng chính như sau:

- Chức năng 1: Điều khiển từ xa thông qua sóng RF, chế độ điều khiển có các trạngthái là đi thẳng, lùi, rẽ trái và rẽ phải

- Chức năng 2: chế độ tự động, xe tự động di chuyển trên một địa hình nào đó và tựđộng tránh va chạm với vật cản phía trước

Ứng dụng thực tế của đề tài này là mình sẽ dùng điều khiển từ xa để điều khiển xeđến một chỗ khuất mà con người không thể chui vào được, sau đó ấn định chế độ dòđường tự động, trên xe sẽ gắn thêm mấy modul mở rộng như các cảm biến để truyền dữliệu về máy tính

Để thực hiện được đề tài, nhóm đã thảo luận và tiến hành các phần chính như sau:

- Chương I: Cơ sở lý thuyết

- Chương II:Quá trình thiết kế

- Chương III: Đánh giá kết quả

Do mới lần đầu nghiên cứu về robot nên trong quá trình thực hiện còn gặp nhiều khókhăn, nhiều lỗi chưa khắc phục được Mạch chế tạo còn đơn giản, chưa tích hợp đượcnhiều chức năng, rất mong được sự góp ý của thầy hướng dẫn và các bạn

Nhóm sinh viên thực hiện

Nhóm 8 TRẦN VĂN HIỆU BÙI VĂN HÙNG NGUYỄN THẾ THẮNG NGUYỄN MẠNH TIẾN

ĐỀ TÀI VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI

Trong khuân khổ bộ môn “Đồ án thiết kế hệ thống số” và với đề bài là “Thiết kế ô tôđiều khiển từ xa và tự động tránh vật cản”, nhóm đưa ra định hướng thực hiện như sau:

 Sử dụng module thu phát không dây bằng sóng RF để điều khiển ô tô từ xa

 Sử dụng kit CoolRunner II để xử lý, điều khiển ô tô

 Sử dụng cảm biến siêu âm SRF05 để đo khoảng cách, xác định có vật cản phíatrước, từ đó xử lý để ô tô không va chạm với vật cản

 Sử dụng 3 cảm biến SRF05 để xác định hướng đi cho ô tô trong trường hợp ô tôgặp vật cản

Để thực hiện được bài tập và các định hướng đặt ra, yêu cầu các thành viên trongnhóm phải tìm hiểu và nắm chắc cơ sở lý thuyết về các thành phần liên quan, hiểu rõ vềkit xử lý CoolRunner II để có thể lập trình và giao tiếp giữa CoolRunner và các modulenhỏ khác có trong hệ thống ô tô Mục đích mà nhóm đặt ra cho để tài là:

 Thiết kế được một hệ thống số thực hiện được một số đơn giản trên nền tảng kit

xử lý CoolRuner II, ứng dụng kiến thức lập trình VHDL đã học trong môn Thiết kế logic

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Kit Xilinx Coolrunner-II.

1.1.1 Tổng quan

Giới thiệu CPLD: CPLD là sự phát triển tiếp của PLD như PLA, PAL với phần tử cơbản là các Macrocell, bao gồm nhiều khối tương tự PAL( có thể chứa từ 2-100 khối mỗikhối 16 macrocell) Mỗi macrocell có 20 cổng logic

Board coolrunner II được phát triển từ nền tảng hoàn chỉnh mạch USB-powered choCoolrunner II CPLD của Xilinx Board Coolrunner II bao gồm các linh kiện sử dụng nănglượng hiệu quả cao, một bộ dao động được lập trình sẵn, nhiều chuẩn I/O và khối I/O, kếtnối với bộ nguồn bằng một cổng USB2 Board còn bao gồm năm đầu nối mở rộng tạothành 64 tín hiệu CPLD có sẵn kết nối ngoại vi của mạch

Hình 1.1: KIT Cool Runner II

- Một bộ dao động tần số cố định 8MHz và một ổ cắm cho một bộ dao động thạchanh.

- Bộ kết nối mở rộng cho 64 tín hiệu I/O (32 trên các kết nối Pmod và 32 trên cáckết nối kiểu parallel)

- Một dây DS28E01Q EEPROM

Hình 1.2: S đ kh i các chân IO c a KIT Coolrunner II ơ ồ ố ủ 1.1.2 C u hình ấ

CPLD của board Coolrunner II phải được cấu hình( hay lập trình) bởi người dùngtrước khi nó có thể thực hiện bất kì chức năng nào Các tập tin có thể được tạo ra từ sơ đồnguyên lý hoặc các tập tin mã nguồn HDL bằng cách sử dụng phần mềm ISE WebPackmiễn phí của Xilinx Những file cấu hình có thể được chuyển giao cho board Coolrunner

II bằng một dây cáp USB và phần mềm trung gian của Xilinx hoặc sử dụng một dây cápkết nối lập trình ra bên ngoài

Sau khi cấu hình, các CPLD vẫn giữ được trạng thái vô thời hạn của nó Khi boardCoolrunner II được hỗ trợ, cấu hình CPLD ngay lập tức được nạp Một cấu hình mới cóthể được nạp bất cứ lúc nào, và ngau sau khi một cấu hình mới được nạp, nó xác địnhhành vi của CPLD

1.1.3 Các thi t b đi n trong board ế ị ệ

Board Coolrunner II có thể được cấp nguồn từ cổng USB tích hợp của nó hoặcnguồn cung cấp bên ngoài gắn vào đầu nối JP3 Jump JP2 cũng có thể được chọn trênboard sử dụng nguồn USB hoặc nguồn năng lượng bên ngoài Nguồn bên ngoài từ bất cứnguồn nào được định tuyến thông qua một bộ điều chế Maxim LT3028 để cung cấp 2nguồn điện áp (3,3V với các thiết bị I/O và 1,8V với vùng lõi board) theo yêu cầu củaCPLD Khi nguồn board được cung cấp, Led báo hiệu cấp nguồn sẽ phát sáng

Để sử dụng một nguồn điện bên ngoài, thiết lập Jump JP2 để BAT và cung cấp điệncho các chân JP3 trong khoảng 3,6- 9V

Board Coolrunnner II được sử dụng từ một mạch in 4 lớp với các lớp bên trong dànhriêng để đi dây nguồn Vcc và nối đất GND Với cấu hình Maxim cùng một bộ nguồn nuôitốt và các tụ điện trên tất cả các IC sẽ tạo ra năng lượng tiêu hao thấp và giúp tiết kiệmđáng kể năng lượng, đồng thời giúp cho việc thiết kế được đơn giản hơn.

1.1.4 Đ ng h ồ ồ

Board Coolrunner II bao gồm một bộ dao động tần số cố định cung cấp một tín hiệuđồng hồ 8MHz Đầu ra của bộ dao động đặt ở nhãn PCLK trong sơ đồ mạch in, được kếtnối tới chân GCLK2 của CPLD (tại P38) để nó có thể được chuyển đến bộ chia đồng hồnội bộ Các đường kết nối cho một nửa kích thước tiêu chuẩn bộ dao động DIP được cấptại IC3

1.1.5 Các thi t b I/O ế ị

Board Coolrunner II cung cấp hai nút bấm và hai công tắc trượt cho các đầu vào vàmàn hình Led 4 số cho các đầu ra

Các nút bấm hoạt động mức thấp và các chuyển mạch bao gồm các điện trở để bảo

vệ khi bị ngắn mạch Các đèn Led hoạt động ở mức cao và màn hình hiển thị Led 7 đoạnanode chung sử dụng các transistor riêng biệt hoạt động khi các tín hiệu cực cathode ởmức tích cực thấp

Ba đèn Led bổ sung khi hoạt động báo hiệu nguồn cấp cho USB hoạt động tốt(LD4), bảng nguồn tốt (LD5) và tình trạng thái liên kết USB tốt (LD6)

Hình 1.3: S đ k t n i CRII v i Led 7 ơ ồ ế ố ớ 1.1.6 C ng k t n i m r ng ổ ế ố ở ộ

Board Cool runner II cung cấp 4 khối 12 chân kết nối modul ngoại vi, mỗi kết nốicung cấp 2 kết nối VDD và GND và 8 tín hiệu CPLD riêng biệt Mỗi kết nối có thể phục

vụ 1 Pmod 12 chân đơn hoặc 2 Pmod 6 chân Digilent làm cho một số Pmod 6 chân có thểgắn vào các kết nối của chúng, bao gồm cả bảng mạch loa, mạch cầu H, bảng mạch cảmbiến, vv

Cơ chế mở rộng linh hoạt cho phép các nhà thiết kế dễ dàng thêm các chức năng nhưchuyển đổi analog-to-kỹ thuật số, giao diện động cơ servo, đèn flash nối tiếp, kênh nốitiếp chuẩn RS232, và hơn 20 mô-đun ngoại vi khác, vv

Board Coolrunner II cũng cung cấp 1 kết nối mở rộng 40 chân bao gồm 3 tín hiệunguồn cung cấp và 37 tín hiệu vào ra I/ O

1.1.7 Thi t k board ế ế

Thiết kế được lập trình sẵn vào CPLD có một số chức năng có thể dễ dàng nhìn thấykhi các module ngoại vi thích hợp được được đưa tới các cổng có liên quan

Trong thiết kế board Cool runner II, chuyển mạch Pmod đi vào cổng J8, Pmod PS2

đi vào cổng J7, và Pmod hiển thị Led 7 đoạn đi vào các cổng J5 và J6 Tuy nhiên, việcthiết kế cũng có thể thay đổi khi sử dụng các cổng khác nhau

B ng 1 ả 1: B ng mã quét c a board CRII ả ủ 1.2 Điều khiển vô tuyến.

1.2.1 Tổng quan về sóng điện từ

Sóng điện từ là sự kết hợp của dao động điện trường và từ trường vuông góc vớinhau, lan truyền trong không gian

Hình 1.4: Dạng sóng điện từ trong không gian

Để tạo ra sóng điện từ, người ta dùng mạch dao động cộng hưởng LC, nó được kếtnối bởi một cuộn dây và một tụ điện, khi mạch LC bị kích thích, trong cuộn dây sẽ xuấthiện từ trường và trong tụ điện sẽ xuất hiện điện trường, khi vào trạng thái cộng hưởng, từtrường trong cuộn dây L và điện trường trong tụ C sẽ kết hợp tạo ra d ạng sóng điện

từ trường Bây giờ chỉ cần dùng dây anten cho sóng trong mạch LC phát vào không gian,chúng ta đã có tia sóng dùng cho công việc điều khiển vô tuyến

Sơ đồ khối bộ thu phát RF:

ư

Hình 1.5: Sơ đồ khối bộ thu phát RF

Bên phát: dùng mạch cộng hưởng LC tạo ra sóng mang có tần số ổn định dùng làmsóng mang Dùng mạch tạo ra tín hiệu mã lệnh và cho mã lệnh điều chế vào sóng mangrồi cho phát vào không gian

Bên thu: dùng mạch cộng hưởng LC làm bẩy sóng để bắt thu sóng điện từ có trongkhông gian, nó đã được phát ra từ bên phát, cho giải mã để lấy ra tín hiệu mã lệnh cótrong sóng mang, dùng tín hiệu mã lệnh để đóng mở các thiết bị

1.2.2 IC tạo mã và giải mã PT2262, PT2272

 IC tạo mã lệnh PT 2262

Sơ đồ chân:

Hình 1.6: Sơ đồ chân IC thu phát RF PT2262/2272

- Chân OSC1 và OSC2 dùng gắn điện trở R để định tần cho xung nhịp, dùng tạo racác dãy xung mã lệnh Tần số xung nhịp phải lấy tương thích giữa bên phát và bên nhận

- Các chân A0 - A5 dùng nhập mã địa chỉ, trên mỗi chân có thể có 3 trạng thái, chonối masse là bit 0, cho nối vào nguồn dương là bit 1 và bỏ trống là bit F

- Chân A6/D0 - A11/D5 có thể dùng như các chân địa chỉ từ A6 đến A11, nhưngkhi dùng như chân nhập dữ liệu Data thì chỉ xác lập theo mức 0 và mức 1, chỉ có 2 trạngthái.

- Chân TE dùng cho xuất nhóm xung mã lệnh, nó có tác dụng ở mức áp thấp.Nghĩa là khi chân này ở mức áp thấp, nó sẽ cho xuất ra xung mã lệnh trên chân Dout

- Chân Dout, là chân ngã ra của nhóm tín hiệu mã lệnh, các tín hiệu mã lệnh đều ởdạng xung, nghĩa là lúc ở mức áp thấp, lúc ở mức áp cao

IC PT2262 trong mạch phát tín hiệu mã lệnh với 4 kênh điều khiển:

Hình 1.7: Sơ đồ mã hóa bên phát

- Các điện trở 10k dùng đặt các chân 10, 11, 12, 13 tương ứng với D0, D1, D2, D3

Khi xung mã lệnh phát ra từ IC PT2262, nhóm xung mã lệnh này sẽ được đưa vào

IC PT2272 để được giải mã và phát ra tín hiệu để điều khiển các thiết bị

Sơ đồ khối bên trong IC PT 2272 như sau:

Hình 1.8: Sơ đồ khối các khối chức năng trong IC PT2272

- Chân OSC1 và OSC2 dùng gắn điện trở để định tần cho xung nhịp, xung nhịp

này cần thiết cho hoạt động của ic

- Các chân địa chỉ là A0 đến A5 và chân địa chỉ/dữ liệu là A6/D5 đến A11/D0,

trạng thái bit trên các chân này dùng xác lập mã lệnh dùng cho việc dò mã lệnh của bênphát

- Chân đầu vào là DIN, sau khi qua 2 tầng khuếch đại đảo, tín hiệu mã lệnh cho

vào mạch computer logic để dò mã lệnh, nếu mã lệnh của bên phát đúng với mã lệnh đãxác lập trong ic, nó sẽ cho qua mạch Output Logic chờ xuất ra, khi mạch dò xung đồng bộSynchro Detect xác nhận tín hiệu vào là chính xác, nó sẽ cho xuất lệnh điều khiển trênchân VT

Chỉ khi mã lệnh của bên phát và bên thu được đặt giống nhau và tần số xung nhịpphù hợp, lúc đó cặp IC này mới "hiểu nhau", có tác dụng dùng trong điều khiển, nếu

có khác nhau thì bên thu sẽ không nhận ra bên phát và sẽ không phát lệnh điều khiển VTtheo lệnh của bên phát. 

1.2.3 Modul thu phát RF31-4CH

a Modul phát RF

Hình 1.9: Modul phát RF

Hình trên là một loại modul phát RF, IC phát được sử dụng là IC PT2262 Modulđược chế tạo với 4 nút bấm A, B, C, D

- Khi ít nhất 1 nút được bấm thì nó sẽ cho phát đi tín hiệu mã hóa nút bấm đó để chobên thu có thể so sánh và nhận tín hiệu

- Đặc điểm:

+ Tần số hoạt động: 315Mhz

+ Kiểu điều chế : ASK

+ Antenna nội

+ Khoảng cách truyền < 20m (không vật cản)

+ Nguồn cung cấp: pin 12V 27A

2 VCC Chân cấp nguồn (nối tới VCC+)

3 DATA #1 Dữ liệu ngõ ra 1 (nối với chân 10 của IC 2272)

4 DATA #2 Dữ liệu ngõ ra 2 (nối với chân 11 của IC 2272)

5 DATA #3 Dữ liệu ngõ ra 3 (nối với chân 12 của IC 2272)

6 DATA #4 Dữ liệu ngõ ra 4 (nối với chân 13 của IC 2272)

7 TEST Dùng cho mục đích kiểm tra (nối với chân 17 của IC 2272)

Bảng 1.11: Chức năng các chân của modul thu RF

Chú ý: Khoảng cách thu được đo bằng LOS (line of sight) với sự can thiệp của một

radio nhỏ Khoảng cách thực tế có thể khác nhau rất nhiều tùy thuộc vào việc cài đặt vàmôi trường hoạt động Đổi tần module có thể thay đổi khoảng cách, phụ thuộc vàoantenna thu khác nhau Antenna thu bên ngoài có thể cần dùng để tối ưu hiệu suất hoạtđộng

1.3 Cảm biến siêu âm SRF05

Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phát siêu

âm Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm Sóng siêu âm từ đầu pháttruyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ ngược trởlại và được đầu thu ghi lại Vận tốc truyền âm thanh trong không khí là một giá trị xácđịnh trước, ít thay đổi Do đó nếu xác định được khoảng thời gian từ lúc phát sóng siêu

âm tới lúc nó phản xạ về đầu thu sẽ quy đổi được khoảng cách từ cảm biến tới vật thể.Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo tối đa lên tới 3-4 mét

Hình 1.12: Cảm biến siêu âm SRF05

SRF05 có thể thiết lập cách hoạt động thông qua các chân điều khiển MODE(OUT).Nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thôngqua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO

 Cách 1: Tách riêng chân TRIGGER và ECHO (thường được sử dụng)

Module cảm biến SRF05 có hai chân TRIGGER và ECHO riêng biệt Khi chânMODE để trống (chân MODE có điện trở kéo lên VCC, khi để trống nó sẽ nhận mức điện

áp VCC) SRF05 sẽ sử dụng cả 2 chân chức năng TRIGGER và ECHO cho việc điềukhiển hoạt động của cảm biến Có thể mô tả hoạt động của cảm biến bằng giản đồ dạngxung như hình dưới: