Thiết kế, chế tạo robot dò đường ứng dụng vi điều khiển pic 16f877a

629.8 TRƢỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: THIT K, CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƯỜNG ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A Ngườ ng d n : n v nt c n : p : Mã số sinh viên : ThS Nguyễn Thị Minh Nguyễn Minh Tiến 50K1 - ĐTVT 0951080291 NGHỆ AN - 2014 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám Hiệu trƣờng Đại học Vinh tạo cho em môi trƣờng học tập tốt, dạy cho em kiến thức bổ ích nhƣ tạo nhiều điều kiện thuận lợi để em phát huy đƣợc khả Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Điện tử - Viễn Thông, khoa Điện tử viễn thông trƣờng Đại Học Vinh giảng dạy cho chúng em kiến thức chuyên môn, định hƣớng hiểu biết nhƣ khả để chúng em thực tốt luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn cô T Nguyễn T ị M n tận tình hƣớng dẫn giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 01 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Minh Tiến MỤC LỤC Trang TÓM TẮT ĐỒ ÁN DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 11 CHƢƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT 13 1.1 Lịch sử đời robot 13 1.2 Robot đời sống sản xuất 15 2.1 Murataboy 15 1.2.2 Armar 16 1.2.3 Friend 16 1.2.4 Bác sĩ ngoại khoa 17 1.2.5 Asimo 17 1.2.6 Robot viễn tƣởng 17 1.3 Giới thiệu phần khí 18 1.3.1 Robot với bánh xe 18 1.3.2 Động điện 20 1.3.3 Bộ khung 22 1.3.4 Mơ hình Robot dị đƣờng 22 CHƢƠNG II VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877A 23 2.1 Giới thiệu chung 23 2.2 Phân loại PIC 24 2.2.1 Phân loại PIC theo ký tự 24 2.2.2 Phân loại PIC theo ký số 24 2.3 Vi điều khiển PIC 16F877A 24 2.4 Các Port Xuất nhập ghi điều khiển 27 2.4.1 Port A ghi TRISA 27 2.4.2 Port B ghi TRISB 27 2.4.3 Port C ghi TRISC 28 2.4.4 Port D ghi TRISD 29 2.4.5 Port E ghi TRISE 29 2.5 Mạch dao động cho PIC 30 2.6 Chân Reset PIC 30 2.7 Cấp nguồn cho Vi điều khiển PIC 16f877A 31 2.8 Tổ chức nhớ 31 CHƢƠNG III THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MẠCH ĐIỆN TỬ 34 3.1 Sơ đồ tổng quát 34 3.2 Khối nguồn 34 3.2.1 IC LM7805 34 3.2.2 TIP 42 35 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý 36 3.2.4 Nguyên lý làm việc 37 3.3 Khối điều khiển 37 3.4 Khối cảm biến 38 3.4.1 Mạch cảm biến dùng quang trở 38 3.4.2 Mạch cảm biến dùng Led thu phát hồng ngoại 40 3.4.3 Bố trí cảm biến dị đƣờng 42 3.5 Khối Motor Drive 43 3.5.1 Giới thiệu hoạt động motor 43 3.5.2 Điều khiển động với cầu H (H-Bridge) 44 3.5.3 Phƣơng pháp điều chế xung PWM điều khiển tốc độ đông 50 3.5.4 Nguyên lý hoạt động 52 3.6 Chế tạo mạch điện tử 53 3.6.1 Sơ đồ nguyên lý 53 3.6.2 Thiết kế mạch in 55 3.6.3 Thi công mạch in 57 3.7 Giải thuật chƣơng trình cho robot 58 3.7.1 Lƣu đồ giải thuật 58 3.7.2 Chƣơng trình giải thuật cho robot dị đƣờng 59 3.7.2 Đánh giá mạch 59 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 PHỤ LỤC 63 TĨM TẮT ĐỒ ÁN Robot dị đƣờng đƣợc định nghĩa loại xe robot có khả tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập trình lại đƣợc) dƣới điều khiển tự động hồn thành cơng việc đƣợc giao Robot dị đƣờng sử dụng cảm biến led thu-phát hồng ngoại dị tìm đƣờng đƣa tín hiệu khối vi điều khiển (PIC16F877A) xử lý đƣa tín hiệu điều khiển động cơ, đảm bảo robot hoạt động độ cao Theo lý thuyết, mơi trƣờng hoạt động cửa robot tự hành đất, nƣớc, khơng khí, khơng gian vũ trụ hay tổ hợp chúng Địa hình bề mặt mà robot di chuyển phẳng thay đổi, lồi lõm Đề tài nghiên cứu sâu nghiên cứu robot tự dò đƣờng, robot di chuyển theo vạch đƣờng đen trải phẳng màu trắng DANH MỤC HÌNH VẼ trang Hình 1.1.Robot xe đạp 15 Hình 1.2 Robot y học 16 Hình 1.3 Robot asimo 17 Hình 1.4 Robot hình ngƣời nhân tạo 18 Hình 1.5 Bánh xe chịu tải 19 Hình 1.6 Bánh xe ơmi 19 Hình 1.7 Ắc qui 19 Hình 1.8 Nguyên tắc hoạt động động chiều 21 Hình 1.9 Một số động đƣợc dùng Robot 21 Hình 1.10 Mơ hình robot 22 Hình 2.1 Sơ đồ chân PIC16FxxxA 23 Hình 2.2 Sơ đồ chân PIC16F877A 24 Hình 2.3 Sơ đồ khối PIC16F877A 26 Hình 2.5 Sơ đồ mạch Reset PIC 30 Hình 2.6 Bản đồ cấu trúc nhớ liệu PIC16F877A 32 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát phần cứng 34 Hình 3.2 Hình dạng sơ đồ chân LM7805 34 Hình 3.3 Sơ đồ chân TIP 42 35 Hình 3.4 Khối nguồn điều khiển 36 Hình 3.5 Sơ đồ mạch khối nguồn 12V 37 Hình 3.6 Sơ đồ khối 37 Hình 3.7 Khối điều khiển 38 Hình 3.8 Cấu trúc hình dạng quang trở 38 Hình 3.9 Sự phụ thuộc điện trở vào độ rọi sáng 39 Hình 3.10 Mạch quang trở điển hình 39 Hình 3.11: Hình dáng, cấu tạo LED Thu, Phát 40 Hình 3.12 Nguyên lý thu phát thu phát hồng ngoại 40 Hình 3.13 Sự phụ thuộc dòng điện vào cƣờng độ tia hồng ngoại 41 Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý cặp thu phát hồng ngoại 41 Hình 3.15 Bố trí cảm biến theo hàng ngang 42 Hình 3.16 Bố trí cảm biến trƣớc sau 43 Hình 3.17 Bố trí cảm biến theo hàng ngang 43 Hình 3.18 Motor quay thuận 44 Hình 3.19 Motor quay theo chiều ngƣợc 44 Hình 3.20 Một cầu H đơn giản 45 Hình 3.21 Relay H-Bridges 46 Hình 3.22 Relay H-Bridge có diode bảo vệ 46 Hình 3.23 Cầu H dùng RELAY kết hợp với FET 47 Hình 3.24 IRF 540 47 Hình 3.25 Cầu H bán dẫn 49 Hình 3.26 Cầu H bán dẫn hoàn chỉnh 49 Hình 3.27 IC L298 49 Hình 3.28 Sơ đồ chân L298 50 Hình 3.29 Duty cycle cc chuỗi xung khác 51 Hình 3.30 Khi thay đổi duty cycle, ta có điện áp trung bình thay đổi 51 Hình 3.31 minh họa giải thuật phƣơng pháp điều biến độ rộng xung 52 Hình 3.32 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động 52 Hình 3.33 Sơ đồ nguyên lý 53 Hình 3.34 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 54 Hình 3.35 Sơ đồ bố trí linh kiện boar điều khiển 55 Hình 3.36 Sơ đồ bố trí linh kiện boar cảm biến 55 Hình 3.37 Mạch in board điều khiển 56 Hình 3.38 Mạch in board cảm biến 56 Hình 3.39 Bản thiết kế mạch 57 Hình 3.40 hình ảnh robot dị đƣờng 57 Hình 3.41 Lƣu đồ giải thuật sensor 58 Hình 3.42 Lƣu đồ giải thuật thẳng 59 DANH MỤC BẢNG BIỂU trang Bảng 1.1 Tóm tắt lịch sử phát triển robot 13 Bảng 2.1 Sơ đồ chức PIC 16F877A 23 Bảng 2.2 Các ghi liên quan đến Port A 27 Bảng 2.3 Các ghi liên quan đến Port B 27 Bảng 2.4 Các ghi liên quan đến Port C 28 Bảng 2.5 Các ghi liên quan đến Port D 29 Bảng 2.6 Các ghi liên quan đến Port E 29 Bảng 2.7 Lựa chọn Bank Bộ nhớ liệu PIC 31 Bảng 3.1 Bảng thông số TIP 42 35 Bảng 3.2 Trạng thái mạch cầu H 45 Bảng 3.3 Bảng trạng thái động 48 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN Từ viết tắt PLC Tiếng anh Tiếng việt Programmable Logic Controller Thiết bị điều khiển lập trình đƣợc DC Direct Current Dòng điện chiều EMF Electromotive force Lực điện CEMF Counter Electromotive force Lƣợn truy cập điện động I Ampe Dòng điện V Volt Điện áp R Resistor Điện trở PIC Programable Intelligent Computer Máy tính khả trình thơng minh LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang OTP One Time Programmable Một thời gian lập trình RISC Reduced Instructions Set Computer Máy tính với tập lệnh đơn giản hóa RAM Random Access Memory Bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên ROM Read-only memory Bộ nhớ đọc EEPROM Electrically Erasable Programmable Bộ nhớ không liệu Read-Only Memory PWM Pulse-width modulation Điều biến xung ADC Analog-to-digital converter Biến đổi tƣơng - tự số CCP Capture/Compare/PWM Bắt giữ / So sánh / Điều Biến xung WDT Watch Dog Timer Dòng hẹn I/O Input/output Xuất/nhập ALU Arithmetic and logic unit Số học đơn vị logic MUX Multiplexer Bộ ghép nối GPR General Purpose RAM Vùng RAM đa mục đích MCU Multipoint control unit Bộ vi điều khiển FET Field-effect transistor Transistor trƣờng MOSFET metal-oxide emiconductor field- Transistor hiệu ứng trƣờng effect transistor IC Vi mạch tích hợp integrated circuit 10 khơng đƣợc linh hoạt gặp khơng khó khăn thật may mắn, dùng điện để thay đổi tốc độ động cách linh hoạt nhiều Em muốn nói đến phƣơng pháp điều chế xung PWM Nguyên tắc chung phƣơng pháp này, là: Khi thay đổi điện áp cấp cho động cơ, tốc độ động thay đổi theo Với điện áp cấp cho động analog, việc thay đổi điện áp bất tiện nhƣng nay, đa số điều khiển dạng số, đó, dễ dàng thực điều Một chuỗi xung có chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) thay đổi tạo điện áp trung bình thay đổi có tác dụng nhƣ điện áp analog cung cấp cho động Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung thực phần mềm Hình 3.29 Duty cycle cc chuỗi xung khác Hình 3.30 Khi thay đ i duty cycle, ta có điện áp trung bình thay đ i 51 Hình 3.31 minh họa giải thuật phương pháp điều biến độ rộng xung 3.5.4 Nguy n lý oạt động Hình 3.32 Sơ đồ nguyên lý điều khiển động Trên sơ đồ nguyên lý thấy động đƣợc điều khiển ba cổng VĐK Hai chân VĐK điều khiển để tiến hành đảo hay không đảo chiều động cơ, chân cịn lại có tác dụng tiến hành điều xung để thay đổi tốc độ động 52 Khi đầu vào A1 mức thấp, A2 mức cao, đầu vào EN mức cao, động quay thuận Khi đầu vào A1 mức cao, A2 mức thấp, đầu vào EN mức cao, động quay nghịch Khi đầu vào A1, A2 mức thấp cao, EN mức cao, động trạng thái dừng khẩn cấp Khi tín hiệu vào EN mức cao, động chạy với tốc độ tối đa, EN mức thấp động dừng Quá trình đƣợc lặp lại sau chu kì xung, chu kì xung có khoảng thời gian động đƣợc cấp xung (ton) khoảng thời gian mà động không đƣợc cấp xung (toff) Việc thay đổi khoảng thời gian ton tồn chu kì thay đổi giá trị điện áp trung bình đặt lên động dẫn đến làm thay đổi tốc độ động 3.6 Chế tạo mạch điện tử 3.6.1 đồ nguy n lý Hình 3.33 Sơ đồ nguyên lý 53 Hình 3.34 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến 54 3.6.2 T ết kế mạc n a Sơ đồ bố trí linh kiện Hình 3.35 Sơ đồ bố trí linh kiện boar điều khiển Hình 3.36 Sơ đồ bố trí linh kiện boar cảm biến 55 b Sơ đồ mạch in Hình 3.37 Mạch in board điều khiển Hình 3.38 Mạch in board cảm biến 56 3.6.3 T công mạc n Hình 3.39 Bản thiết kế mạch Hình 3.40 hình ảnh robot dị đường 57 3.7 Giải thuật chƣơng trình cho robot 3.7.1 ưu đồ g ả t uật Begin Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =1 =0 Set Flag sensor bit = Check sensor =0 Set Flag sensor bit = FF Check byte_flag_senser = FF Touch line END Hình 3.41 Lưu đồ giải thuật sensor 58 =1 Begin Kiểm tra Byte_flag_sensor = Sensor Left = Đ Turn left s Đ Sensor Right = Turn right s Sensor Center = Đ go straight End Hình 3.42 Lưu đồ giải thuật thẳng 3.7.2 C ương trìn g ả t uật c o robot dò đường Dựa vào cấu trúc phần cứng thiết kế kết hợp với yêu cầu chức năng, hoạt động hệ thống tiến hành lập trình chƣơng trình điều khiển cho vi điều khiển PIC 16F877A ngôn ngữ C với trình biên dịch Pic C Compiler Chƣơng trình điều khiển đƣợc trình biên dịch Pic C Compiler chuyển thành file HEX đƣợc nạp vào nhớ chƣơng trình PIC 16F877A 3.7.2 Đán g mạc Mạch robot dò đƣờng hoạt động ổn định, phân biệt rõ dải màu trắng đen Mạch đơn giản, gọn nhẹ, dễ thi công lắp đặt, giá thành rẻ Mạch sử dụng nguồn điện acqui, đƣợc tối ƣu hệ thống nên tiêu tốn điện năng, ứng dụng sống rộng rãi 59 Bên cạnh đó, mạch cịn số khuyết điểm hoạt động vùng có anh sáng mạnh phần led cảm biến bị nhiễu ko phát đƣợc đƣờng Để khắc phục vấn đề em sử dụng bìa màu đen che chắn cho phần cảm biến Cách ly phận cảm biến với mồi trƣờng Kết luận c ương Chƣơng trình bày q trình thiết kế, thi cơng chế tạo robot Robot sau hoàn thành đƣợc chạy thử cho thấy tính xác độ ổn định Mạch thiết kế hợp lý đảm bảo yêu cầu đặt 60 KẾT LUẬN Sau thời gian thực nhiệm vụ đề tài đồ án nghiên cứu, thiết kế, chế tạo robot dò đƣờng ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A Chúng chế tạo đƣợc thành công sản phẩm robot thỏa mãn yêu cầu đặt ra: - Robot hoạt động ổn định - Khối khí vững - Giảm thiểu can nhiễu mơi trƣờng ngồi - An tồn dễ sử dụng - Giá thành rẻ Robot hoạt động ổn định, di chuyển đƣờng có tính thẩm mỹ Tuy vậy, robot di chuyển sai, bị dừng lại ánh sáng môi trƣờng mạnh Song hƣớng nghiên cứu mà cịn phát triển mở rộng tƣơng lai Việc chế tạo thành cơng robot dị đƣờng ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A tạo tiền đề cho việc ứng dụng lập trình vi điều khiển vào việc nghiên cứu công nghê vi điều khiển khác đại Để từ chế tạo sản phẩm công nghiệp dân dụng khác Đồ án tốt nghiệp cịn có nhiều hạn chế thiếu sót nên em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp thầy cô giáo môn nhƣ khoa để em hồn thiện mặt kiến thức nhƣ đồ án tốt nghiệp Vinh, tháng 01 năm 2014 Sinh viên Nguyễn Minh Tiến 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Vinh Hiếu, Cấu trúc phần cứng PIC16F877A (tài liệu lƣu hành nội bộ) Trƣờng đại học Khoa học tự nhiên [2] Trần Thế San, Cơ sở Nghiên Cứu & Sáng tạo robot Nhà xuất Thống Kê, 2005 [3] Trần xuân Thƣờng, Tài liệu sử dụng CCS tiếng việt (tài liệu lƣu hành nội bộ) Trƣờng đại học Khoa học tự nhiên [4] Phạm Minh Hà, Kỹ Thuật mạch điện tử, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2002 [5] Nguyễn Thanh Thủy, Nhập mơn lập trình ngơn ngữ C Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [6] Advanced PIC Microcontroller Project in C (2008) [7] Lucio Di Jasio, Programming 16-bit Microcontrollers in C (2009) [8] Philips Semiconductors, I2C Bus Specification, Version 2.1, 2000 [9] http://www.dientuvietnam.net, truy cập lần cuối 05/01/2014 [10] http://vi.wikipedia.org/wiki/Robot_học, truy cập lần cuối 01/01/2014 [11] http://www.codientu.info, truy cập lần cuối ngày 05/01/2014 [12] http://www.picvietnam.com, truy cập lần cuối 05/01/2014 [13] http://www.datasheetcatalog.com, truy cập lần cuối 05/01/2014 62 PHỤ LỤC Chƣơng trình để chạy vi điều khiển PIC 16F877A đƣợc viết dựa ngơn ngữ lập trình C Sử dùng phần mền CCS để soạn thảo biên dịch: // KHOA DTVT-DH VINH // DO AN TOT NGHIEP // // // DE TAI : ROBOT DO DUONG // // GVHD : Th.S: NGUYEN THI MINH // // SINH VIEN : NGUYEN MINH TIEN- 50K1 - DTVT // #include // khai bao thu vien pic 16F877A #include // khai bao thu vien def_877a #fuses NOWDT,HS,NOPUT,NOPROTECT,NODEBUG,NOBROWNOUT,NOLVP #use delay(clock=20000000) // khai bao tan so thach anh /* ÐINH NGHIA CÁC CHÂN VÀ PORT*/ #define dir_left RB1 // dat chan RB1 La dir_left #define dir_right RB0 // dat chan RB0 La dir_right #define SENSOR PORTD //dat PORTD la SENSOR /* CHUONG TRÌNH CHÍNH */ int left=0; int right=0; void speed(signed int speed_left,signed int speed_right) //Dieu khien dong co { if(speed_left >= 0) {dir_left=0;left=1.28*speed_left;} else {dir_left=1;left=1.28*( -speed_left);} if(speed_right>=0) {dir_right=0;right=1.28*speed_right;} else {dir_right=1;right=1.28*( -speed_right);}; set_pwm1_duty(left); //bam xung dong co trai 63 set_pwm2_duty(right); //bam xung dong co phai } void main () //ham chinh { TRISC=0; // PORTC ngõ ( dong co) TRISD=255;// PORTD ngõ vào cam bien TRISB=0; PORTB=0; setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,128,1); setup_ccp1(CCP_PWM); set_pwm1_duty(0); // DK dog co trai setup_ccp2(CCP_PWM); set_pwm2_duty(0);//DK dong co phai RB2=1; //Cho dong co chay RB3=1; while(1) // vong lap vo han { switch (SENSOR) { case 0b11100111: speed(40,40); break; case 0b11110011: speed(40,30); break; case 0b11111001: speed(50,25); break; case 0b11111100: speed(60,20); break; case 0b11111110: speed(65,15); break; case 0b11001111: speed(30,40); break; case 0b10011111: speed(25,50); break; case 0b00111111: speed(20,60); break; case 0b01111111: speed(15,65); break; case 0b10111111: speed(65, 15); break; case 0b11011111: speed(30,40); break; case 0b11101111: speed(40,40); break; 64 case 0b11110111: speed(40,40); break; case 0b11111011: speed(40,30); break; case 0b11111101: speed(60,20); break; case 0b00011111: speed(0,70) ; break; case 0b00001111: speed(0,70) ; break; case 0b00000111: speed(0,70) ; break; case 0b00000011: speed(0,70) ; break; case 0b00000001: speed(0,70) ; break; case 0b11110000: speed(70,0) ; break; case 0b11100000: speed(70,0) ; break; case 0b11000000: speed(70,0) ; break; case 0b10000000: speed(70,0) ; break; case 0b00000000: speed(0,0) ; break; default : speed(20,20);break; } } } Ket thuc hoan toan chuong trinh 65 ... chon đề tài ? ?Thiết kế, chế tạo robot dò đƣờng ứng dụng vi điều khiển PIC 16F877A? ?? làm đề tài tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu Thiết kế chế tạo robot dò đƣờng giúp em thực nghiệm đƣợc nhứng kiến thức... robot Trong chƣơng em tìm hiểu lịch sử đời phát triển robot nhƣ ứng dụng robot sống Chương 2: Vi điều khiển PIC 16F877A Trong chƣơng em tìm hiểu kỹ vi điều khiển PIC 16F877A Chương 3: Thiết kế,. .. đa mục đích để sử dụng Kết luận c ương Chƣơng trình bày chi tiết vi điều khiển PIC 16F877A Lịch sử phát triển cấu trúc vi điều khiển PIC Trình bày khối chức vi điều khiển Pic 16F877A cấu truy