LẬP TRÌNH ROBOT TỰ ĐỘNG ĐƠN GIẢN VỚI VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A

lap trinh robot tu dong voi pic16f877a-old

Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 1/14 LẬP TRÌNH ROBOT TỰ ĐỘNG ĐƠN GIẢN VỚI VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A Cao Hoàng Long, EM-BOT Robot Team chlong.mechatronics@gmail.com ; embot.robocon@gmail.com Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ Tóm tắt Tài liệu hướng dẫn lập trình cho robot tự động dò đường theo vạch trắng và điều khiển các cơ cấu (nâng hạ, gắp nhả quà) một cách cơ bản nhất.Vi điều khiển được sử dụng trong tài liệu là PIC16F877A của Microchip.Lập trình bằng ngôn ngữ C với trình biên dịch CCS. 1 TÓM TẮT VỀ THIẾT KẾ ROBOT TỰ ĐỘNG Robot tự động trong các cuộc thi Robocon gồm 3 thành phần chính: Cơ khí, Mạch điện tử, Lập trình. 1.1 Cơ khí Một robot đơn giản gồm 2 động cơ truyền động cho 2 bánh xe bên trái và bên phải giúp robot di chuyển. Phía trước có thể là 1 hoặc 2 bánh tự do (bánh tự lựa, omni, mắt trâu,…). Để thực hiện được các công việc như nâng hạ trục, gắp nhả đẩy quá, robot được trang bị thêm các động cơ khác để truyền động cho các cơ cấu này. Tất cả các bộ phận trên được bố trí trên một khung bằng nhôm, sắt,… Phần hướng dẫn chi tiết về thiết kế cơ khí sẽ được trình bày trong một tài liệu khác. Tài liệu này chỉ tập trung vào phần lập trình. Hình 1: Mô hình robot dò dường đơn giản 1.2 Mạch điện tử Hình 2: Sơ đồ hoạt động của robot tự động Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 2/14 1.2.1 Mạch ngõ vào (cảm biến, nút ấn, công tắc hành trình) Với robot đơn giản, ngõ vào thường là mức logic lấy từ cảm biến quang (quang trở, quang diode), nút ấn hoặc công tắc hành trình. Từ đó mạch vi điều khiển xử lý các tín hiệu này để xuất ngõ ra (thường là động cơ DC) cho phù hợp. Cảm biến quang phải được che chắn cẩn thận để hạn chế ảnh hưởng từ các nguồn ánh sáng bên ngoài. C1 104 CTHT SW2 BIT0 5V R3 10K Hình 3: Mạch cảm biến, nút ấn và công tắc hành trình 1.2.2 Mạch vi điều khiển Mạch sử dụng vi điều khiển PIC16F877A của Microchip. Mạch nhận tín hiệu từ ngõ vào, xử lý và xuất ngõ ra qua một mạch cách ly bằng opto ra mạch công suất. RA5 RA4 RC7 RC0 RA2 RA3 RA0 RA1 RB1 RB2 RB4 RB5 RB0 RB6 RB7 RB3 RE0 RE1 RC3 RC4 RE2 RC5 RC6 RD4 RD0 RD1 RD2 RD3 RD5 Y1 CRYSTAL PIC16F877A RA0/AN0 2 RA1/AN1 3 RA2/AN2/VREF-/CVREF 4 RA3/AN3/VREF+ 5 RA4/T0CKI/C1OUT 6 RA5/AN4/SS*/C2OUT 7 RB0/INT 33 RB1 34 RB2 35 RB3/PGM 36 RB4 37 RB5 38 RB6/PGC 39 RB7/PGD 40 RC0/T1OSO/T1CKI 15 RC1/T1OSI/CCP2 16 RC2/CCP1 17 RC3/SCK/SCL 18 RC4/SDI/SDA 23 RC5/SDO 24 RC6/TX/CK 25 RC7/RX/DT 26 RD0/PSP0 19 RD1/PSP1 20 RD2/PSP2 21 RD3/PSP3 22 RD4/PSP4 27 RD5/PSP5 28 RD6/PSP6 29 RD7/PSP7 30 OSC1/CLKIN 13 OSC2/CLKOUT 14 VDD 32 VDD 11 VSS 31 VSS 12 MCLR*/VPP 1 RE0/RD*/AN5 8 RE1/WR*/AN6 9 RE2/CS*/AN7 10 C5 30p C6 30p 5V RC1 RC2 RESET MCU MODULE RD6 RD7 Hình 4: Mạch vi điều khiển 1.2.3 Mạch công suất điều khiển động cơ DC Một số mạch thông dụng: D14 1N5819 D13 1N5819 24V C2 104 MOTOR2 CON2 1 2 M2 IRF540 R12 330 2W LS2 RELAY 3 2 4 6 7 5 1 8 P-DIR2 P-PWM2 Q5 B562 Q4 D468 D12 1N5819 12V D3 QUANG TRO D2 LED R 1 330 R2 33K VCC VCC - + U1A LM324 3 2 1 R4 100K CAMBIEN 1 Vạch trắng: mức 1 Nền: mức 0 Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 3/14 Hình 5: Mạch công suất sử dụng 1 FET và 1 relay U3 IR 2184 COM 3 LO 4 VB 8 IN 1 VCC 5 SD 2 VS 6 HO 7 U4 IR2184 COM 3 LO 4 VB 8 IN 1 VCC 5 SD 2 VS 6 HO 7 + C5 4.7u + C1 4.7u C6 100n C2 100n D1 DIODE R4 4.7R R6 4.7R R7 4.7R R5 4.7R D2 DIODE + C3 4.7u C4 100n 12V IN2 Q1 IRF540 Q3 IRF540 Q2 IRF540 Q4 IRF540 24V C7 470n + C8 470u J1 MOTOR 1 2C14 104 IN1 Hình 6: Mạch cầu H điều khiển động cơ với Half Bridge Driver IR2184 Phần hướng dẫn chi tiết về mạch điện tử sẽ được trình bày trong một tài liệu khác. Tài liệu này chỉ tập trung vào phần lập trình. Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 4/14 1.3 Lập trình Đây là phần chính của tài liệu này. Ngôn ngữ lập trình được sử dụng là C, với trình biên dịch CCS cho vi điều khiển PIC của Microchip. Kiến thức ban đầu: Lập trình C căn bản Các tài liệu tham khảo:  Tài liệu CCS tiếng Việt: http://www.mediafire.com/?hd2ugmmzvwf  Hướng dẫn lập trình PIC-DKS:http://www.mediafire.com/?e0ioxeideyx  Giáo trình PIC (ĐH Reading): http://www.mediafire.com/?iyewnoldyjk  Lập trình C cho PIC 8bit: http://www.mediafire.com/?tnjlztmmzdm  CCS Manual (tra cứu lệnh): http://www.mediafire.com/?htljg1jg2mn Đây là các tài liệu cần đọc qua trước khi vào lập trình cho PIC để có thể biết các hàm nhận tín hiệu ngõ vào, xuất tín hiệu ngõ ra, ngắt, timer, counter, PWM,… Các hàm quan trọng sẽ được nhắc lại ở phần 2. 2 LẬP TRÌNH CHO ROBOT TỰ ĐỘNG DÒ ĐƯỜNG ĐƠN GIẢN Chương trình giúp robot chạy theo vạch trắng trên nền màu sậm. 2.1 Phần cứng  8 cảm biến quang dò đường  Mạch công suất điều khiển 2 động cơ  Mạch vi điều khiển: o PORTD: nối với tín hiệu ra của 8 cảm biến o Động cơ trái:  Chân C0: điều khiển chiều (DIR_LEFT)  Chân C1: điều khiển cho phép chạy (EN_LEFT) o Động cơ phải:  Chân C3: điều khiển chiều (DIR_RIGHT)  Chân C2: điều khiển cho phép chạy (EN_RIGHT) (Các ngõ vào và ngõ ra có thế nối với bất cứ PORT và chân nào của vi điều khiển) 2.2 Nguyên tắc điều khiển 2.2.1 Điều khiển động cơ Trạng thái DIRECTION ENABLE Thuận 1 1 Ngược 0 1 Dừng x 0 Tương tự đối với các động cơ điều khiển các cơ cấu. 2.2.2 Hướng di chuyển của robot Trạng thái Động cơ trái Động cơ phải Thẳng Thuận Thuận Quay trái Thuận Ngược (Dừng) Quay phải Ngược (Dừng) Thuận Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 5/14 2.2.3 Xử lý tín hiệu cảm biến (xem hình vẽ) Mục đích của việc dò đường là hướng cho robot đi theo 1 vạch thẳng màu trắng trên một nền màu đậm (đen, xanh,…) Cảm biến được đặt ở giữa robot. o Khi cảm biến số 3,4 nằm trên vạch trắng (mức 1): robot chạy thẳng o Khi robot lệch sang trái: quay phải để điều chỉnh robot về đúng vạch o Khi robot lệch sang phải: quay trái để điều chỉnh robot về đúng vạch 7 6 5 4 3 2 1 0 Trạng thái cảm biến Giữa vạch Lệch trái mức 1 Lệch trái mức 2 Lệch trái mức 3 Lệch trái mức 4 Ngoài vạch Lệch phải mức 1 Lệch phải mức 2 Lệch phải mức 3 Lệch phải mức 4 Ngoài vạch Hình 7: Các mức độ lệch ra khỏi vạch trắng của robot 2.3 Chương trình điều khiển #include <16f877A.h> #include <def_877A.h> #fuses HS,NOWDT,NOPROTECT,NOLVP #use delay(clock=20000000) /* ĐỊNH NGHĨA CÁC CHÂN VÀ PORT */ #define DIR_LEFT RC0 #define EN_LEFT RC1 #define DIR_RIGHT RC3 #define EN_RIGHT RC2 0 0 000000 0 0 000000 0 0 01 0 01 0 0 00 0 011 0 0 00 0011 0 0 00 1 0 0 00 0 1 1 0 0 00 0 0 10 0 1 000 0 0 00 10 0 0 00 11 0 1 00 0 0 1 0 00 0 0 Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 6/14 #define SENSOR PORTD /* KHAI BÁO CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON */ void motor_left_forward(); void motor_left_reverse(); void motor_left_stop(); void motor_right_forward(); void motor_right_reverse(); void motor_right_stop(); void forward(); void reverse(); void stop(); void turn_left(); void turn_right(); /* CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON */ // Động cơ trái chạy thuận void motor_left_forward() { DIR_LEFT=1; // chiều thuận EN_LEFT=1; // cho phép chạy } // Động cơ trái chạy ngược void motor_left_reverse() { DIR_LEFT=0; // chiều ngược EN_LEFT=1; // cho phép chạy } // Động cơ trái dừng void motor_left_stop() { EN_LEFT=0; // không cho phép chạy } // Động cơ phải chạy thuận void motor_right_forward() { DIR_RIGHT=1;// chiều thuận EN_RIGHT=1; // cho phép chạy } // Động cơ phải chạy ngược void motor_right_reverse() { DIR_RIGHT=0;// chiều ngược EN_RIGHT=1; // cho phép chạy } // Động cơ phải dừng void motor_right_stop() { EN_RIGHT=0; // không cho phép chạy } // Chạy thẳng void forward() Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 7/14 { motor_left_forward(); motor_right_forward(); } // Chạy lùi void reverse() { motor_left_reverse(); motor_right_reverse(); } // Dừng void stop() { motor_left_stop(); motor_right_stop(); } // Quay trái void turn_left() { motor_left_forward(); motor_right_reverse(); // hoặc motor_right_stop(); } // Quay phải void turn_right() { motor_left_reverse(); // hoặc motor_left_stop(); motor_right_forward(); } /* CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH */ void main () { TRISC=0x00; // PORTC là ngõ ra ( động cơ) TRISD=0x00; // PORTD là ngõ vào (cảm biến quang) PORTC=0x00; // Khởi tạo giá trị ban đầu 0x00 cho PORTC while(1) { switch (SENSOR) { case 0b00011000: forward(); break; case 0b00001100: turn_left(); break; case 0b00000110: turn_left(); break; case 0b00000011: turn_left(); break; case 0b00000001: turn_left(); break; case 0b00110000: turn_right(); break; case 0b01100000: turn_right(); break; case 0b11000000: turn_right(); break; case 0b10000000: turn_right(); break; } } } Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 8/14 3 CẢI TIẾN CHƯƠNG TRÌNH DÒ ĐƯỜNG 3.1 Điều khiển tốc độ động cơ với các trạng thái lệch khỏi vạch trắng 3.1.1 Nguyên lý Đối với chương trình dò đường đơn giản, khi robot lệch trái hoặc lệch phải, robot sẽ quay phải hoặc quay trái để điều chỉnh cho dù lệch ít hay lệch nhiều. Như vậy, trong quá trình di chuyển, robot sẽ lắc liên tục vì phải quay trái, quay phải liên tục. Do đó, với các mức độ lệch ra khỏi vạch trắng khác nhau, ta điều chỉnh tốc độ 2 bánh trái, phải cho phù hợp để quá trình di chuyển theo vạch của robot được “nhuyễn” và “mượt” hơn. Bảng giá trị tham khảo tốc độ động cơ trái và động cơ phải tương ứng với các trạng thái lệch khỏi vạch trẳng của robot (xem lại hình 7): Trạng thái Tốc độ động cơ trái Tốc độ động cơ phải Giữa vạch 100% 100% Lệch trái mức 1 90% 80% Lệch trái mức 2 80% 70% Lệch trái mức 3 70% 60% Lệch trái mức 4 60% 50% Lệch phải mức 1 80% 90% Lệch phải mức 2 70% 80% Lệch phải mức 3 60% 70% Lệch phải mức 4 50% 60% 3.1.2 Điều khiển tốc độ động cơ DC bằng phương pháp PWM Đối với điều khiển tốc độ động cơ DC trong robot, phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là điều biến độ rộng xung (Pulse Width Modulation) hay được gọi tắt là điều xung, băm xung hoặc PWM. Nguyên lý của phương pháp này là bật tắt nhanh nguồn điện cấp vào động cơ tạo ra một tín hiệu xung. Khi việc bật tắt ở tần số đủ lớn (thường sử dụng từ 1kHz đến 20kHz), động cơ sẽ chạy với 1 tốc độ ổn định nhờ moment quay. Thời gian cấp nguồn cho động cơ là T-on, thời gian tắt nguồn động cơ là T-off. Việc thay đổi thời gian T-on và T-off làm thay đổi điện áp hiệu dụng cấp cho động cơ. Đối với động cơ DC, tốc độ động cơ tương đối tỉ lệ thuận với điện áp cấp cho động cơ. Vì vậy, bằng cách thay đổi độ rộng của xung, ta đã thay đổi được tốc độ của động cơ DC. Đại lượng biểu diễn mối quan hệ giữa T-off và T-off được gọi là duty cycle offon on TT T cycleduty  _ Ví dụ: Ta cấp nguồn động cơ trong 0.8ms, sau đó tắt 0.2ms. Như vậy: T-on = 0.8ms; T-off = 1ms. Tần số PWM là kHz msmsmsTT f offon 1 1 1 2.08.0 11      Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 9/14 %808.0 2.08.0 8.0 _      offon on TT T cycleduty Vì tốc độ động cơ DC tỉ lệ với duty cycle nên tốc độ động cơ đạt tương đương 80% tốc độ tối đa. Hình 8: Tính toán duty cycle để điều khiển tốc độ động cơ DC 3.1.3 Điều xung PWM dùng vi điều khiển  Điều xung PWM bằng phần mềm: Điều xung PWM một cách đơn giản là đưa 1 chân nào đó của vi điều khiển lên mức 1, sau đó đưa xuống mức 0. Công việc này được lặp đi lặp lại liên tục sẽ tạo ra xung, và tốc độ của động cơ sẽ tương ứng với duty cycle. Ví dụ: Điều xung trên chân A0 : Code RA0=1; Delay_ms(Ton); RA0=0; Delay_ms(Toff); Tuy nhiên, nếu thực hiện bằng cách này thì vi điều khiển sẽ luôn dành thời gian cho việc điều xung PWM. Do đó, các công việc khác như nhận tín hiệu từ cảm biến, điều khiển các cơ cấu sẽ bị ảnh hưởng.  Điều xung PWM bằng phần cứng Để giải quyết vấn đề việc điều xung PWM bằng phần mềm chiếm phần lớn thời gian hoạt động của vi điều khiển, PIC16F877A có hỗ trợ 2 kênh điều xung bằng phần cứng ở 2 chân C1 (CCP2) và C2(CCP1) sử dụng TIMER2. Nghĩa là, khi ta khai báo điều xung PWM ở một tần số và duty cycle nào đó thì vi điều khiển sẽ thực hiện công việc xuất xung một cách liên tục và tự động cho đến khi ta thay đổi các giá trị đã khai báo. Khi đó, ta có thể làm các công việc khác một cách dễ dàng mà không phải mất thời gian cho việc duy trì xung PWM. Các hàm hỗ trợ việc điều xung bằng phần cứng của CCS: Ghi chú: Chỉ đề cập đến các đối số của các hàm được phục vụ cho việc điều xung PWM. o setup_timer_2 (mode, period, postscale)  mode: T2_DIV_BY_1, T2_DIV_BY_4, T2_DIV_BY_16 period: 0-255 postscale: 1 Lập trình Robot tự động đơn giản với PIC16F877A Biên soạn: EM-BOT Robot Team © http://em-bot.tk (Feb 2010) DEMO VERSION Trang 10/14  Tần số điều xung PWM: 1)odmode.(peri.4   osc f f o setup_ccp1(mode) và setup_ccp2(mode)  mode: CCP_PWM: chọn chế độ PWM. CCP_OFF: tắt chế độ PWM. o set_pwm1_duty(value) và set_pwm2_duty(value)  Nếu value là giá trị kiểu int 8bit: 1 _   period value cycleduty  Nếu value là giá trị long int 16bit: )1(*4 1023& _   period value cycleduty  Nếu không cần điều xung quá “mịn” thì nên điều xung ở giá trị value 8bit cho đơn giản. Ví dụ: Ta muốn điều xung PWM với tần số 10kHz với tần số thạch anh (f osc ) sử dụng là 20MHz (value 8bit). 500)1dmode(perio 1)odmode.(peri.4 20000000 10000 1)odmode.(peri.4      osc f f Với mode = [1,4,16] và period = 0-255 ta có thể chọn o mode = 4; period = 124 o mode = 16; period = 32 Để cho việc điều xung được “mịn” (chọn được nhiều giá trị duty cycle) ta chọn mode = 4 và period = 124. Như vậy, để duty_cycle từ 0% đến 100% ta cho value từ 0 đến 125. o value = 30  %3232.0 1124 30 _   cycleduty o value = 63  %4,50504.0 1124 63 _   cycleduty o value = 113  %4,90904.0 1124 113 _   cycleduty Code: setup_timer_2(T2_DIV_BY_4,124,1); setup_ccp1(CCP_PWM); set_pwm1_duty(30); Sử dụng CCP1 và CCP2 cho động cơ trái và động cơ phải, ta có thể điều khiển được tốc độ của 2 động cơ phù hợp trạng thái lệch khỏi vạch trắng của robot.  Các chương trình con tham khảo: Để việc lập trình được dễ dàng, ta nên tạo các chương trình con xử lý tốc độ. Sau đây là chương trình tham khảo của hàm speed. o Speed (tốc độ động cơ trái, tốc độ động cơ phải)  Tốc độ: -100 đến 100 (chạy ngược 100% đến chạy thuận 100%)  Ví dụ: speed(80,60)  động cơ trái chạy 80%, phải 60% . motor_right_stop(); void forward(); void reverse(); void stop(); void turn_left(); void turn_right(); /* CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON */ // Động cơ trái chạy thuận void motor_left_forward(). TRÌNH CON */ void motor_left_forward(); void motor_left_reverse(); void motor_left_stop(); void motor_right_forward(); void motor_right_reverse(); void motor_right_stop();