Các cổng nối tiếp trong máy tính được đánh số là COM1, COM2, COM3, COM4 với các địa chỉ như bảng 2.3.
Bảng 2.3: Các cổng nối tiếp trong máy tính
Tên Địa chỉ Ngắt Vị trí chứa địa chỉ
COM1 3F8h 4 0000h:0400h
COM2 2F8h 3 0000h:0402h
COM3 3E8h 4 0000h:0404h
COM4 2E8h 3 0000h:0406h
Giao tiếp nối tiếp trong máy tính sử dụng vi mạch UART với các thanh ghi. (Xem Phụ lục 2)
Các thanh ghi này có thể truy xuất trực tiếp kết hợp với địa chỉ cổng (ví dụ như thanh ghi cho phép ngắt của COM1 có địa chỉ là BACOM1 + 1 = 3F9h.
IIR (Interrupt Identification Register)
IIR xác định mức ưu tiên và nguồn gốc của yêu cầu ngắt mà UART đang
chờ phục vụ. Khi cần xử lý ngắt, CPU thực hiện đọc các bit tương ứng để xác định nguồn gốc của ngắt. Định dạng của IIR như bảng 2.4:
Bảng 2.4 Interrupt Identification Register
(mức 1 ưu tiên cao nhất)
IER (Interrupt Enable Register): cho phép hay cấm các nguyên nhân ngắt
Hình 2.13: Interrupt Identification
MCR (Modem Control Register)
Hình 2.14: Modem Control Register
MSR (Modem Status Register)
Hình 2.15: Modem Status Register
LSR (Line Status Register)
Hình 2.16: Line Status Register
FIE: FIFO Error - sai trong FIFO
TSRE: Transmitter Shift Register Empty - thanh ghi dịch rỗng (=1 khi đã phát 1 ký tự và bị xoá khi có 1 ký tự chuyển đến từ THR.
THRE: Transmitter Holding Register Empty (=1 khi có 1 ký tự đã chuyển
từ THR TSR và bị xoá khi CPU đưa ký tự tới THR).
BI: Break Interrupt (=1 khicó sự gián đoạn khi truyền, nghĩa là tồn tại
xoá khi CPU đọc LSR)
FE: Frame Error (=1 khi có lỗi khung truyền và bị xoá khi CPU đọc LSR)
PE: Parity Error (=1 khi có lỗi parity và bị xoá khi CPU đọc LSR)
OE: Overrun Error (=1 khi có lỗi thu đè, nghĩa là CPU không đọc kịp dữ
liệu làm cho quá trình ghi chồng lên RBR xảy ra và bị xoá khi CPU đọc LSR) RxDR: Receiver Data Ready (=1 khi đã nhận 1 ký tự và đưa vào RBR và
bị xoá khi CPU đọc RBR).
LCR (Line Control Register)
Hình 2.16: Line Control Register
DLAB (Divisor Latch Access Bit) = 0: truy xuất RBR, THR, IER, = 1 cho phép đặt bộ chia tần trong UART để cho phép đạt tốc độ truyền mong muốn.
UART dùng dao động thạch anh với tần số 1.8432 MHz đưa qua bộ chia 16
thành tần số 115,200 Hz. Khi đó, tuỳ theo giá trị trong BRDL và BRDH, ta sẽ có
tốc độ mong muốn. Ví dụ như đường truyền có tốc độ truyền 2,400 bps có giá trị
chia 115,200 / 2,400 = 48d = 0030h BRDL = 30h, BRDH = 00h.
SBCB (Set Break Control Bit) =1: cho phép truyền tín hiệu Break (=0) trong khoảng thời gian lớn hơn một khung
PS (Parity Select):
Bảng 2.5: Parity Select
STB (Stop Bit) = 0: 1 bit stop, =1: 1.5 bit stop (khi dùng 5 bit dữ liệu) hay
2 bit stop (khi dùng 6, 7, 8 bit dữ liệu).
PS2 PS1 PS0 Mô tả X X 0 Không kiểm tra 0 0 1 Kiểm tra lẻ 0 1 1 Kiểm tra chẵn 1 0 1 Parity là mark 1 1 1 Parity là space
Bảng 2.6: WLS (Word Length Select): WLS1 WLS0 Độ dài dữ liệu 0 0 5 bit 0 1 6 bit 1 0 7 bit 1 1 8 bit
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG
A- PHẦN CƠ KHÍ
I. Lý thuyết thiết kế
1. Ý tưởng cho mô hình thiết kế
Từ thế kỷ 20 nhân loại đã chứng kiến cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật
phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Đặt trưng của cuộc cách mạng này là kỹ
thuật máy tính, công nghệ thông tin và tự động hóa. Trong đó công nghệ tự động hóa đóng một vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực ứng dụng và phát triển. Việc ứng dụng công nghệ tự động hóa mang lại những lợi ích to lớn về nhiều mặt như:
cải thiện sức lao động của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm, tiết kiệm
nguyên vật liệu, nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất, đóng vai trò tích cực
trong việc gìn giữ và bảo vệ môi trường.
Một trong những ứng dụng tự động hóa là công nghệ chế tạo robot. Robot
phát triển mạnh vào những thập niên 80. với hàng loạt các loại robot được ra đời
với những tính năng đặc biệt. Ngày nay robot đóng 1 vai trò hết sức quan trọng
trong sản xuất thay thế cho sức lao động của con ngươi, thay thế con người làm những công việc có tính chất nguy hiểm như các robot thám hiểm vũ trụ,các hành tinh mới, những công việc trong hầm mỏ,và các môi trường độc hại…
ROBOT được nghiên cứu và sản xuất chế tạo theo từng ứng dụng khác
nhau mà hình dáng kích thước của robot vì thế mà khác nhau.
Thông thừơng Robot được chế tạo để thay thế sức lao động của con
người. Từ những công việc nhỏ như dọn dẹp nhà cửa trông coi nhà cho tới những
công việc nghiên cứu thám hiểm hầm mỏ, các môi trường độc hại và vũ trụ…vv Ở Việt Nam thuật ngữ Robot không còn xa lạ nhưng việc chế tạo và sử
dụng Robot chỉ mới giới hạn trong các cuộc thi MCR, Robot mìn hay Robocon,
chưa ứng dụng rộng rãi vào đời sống. Trước yêu cầu đó nhóm sinh viên thực hiện đề tài đã chọn đề tài “Nghiên cứu và thiết kế Robot thám hiểm”, với mô hình
được lấy từ ý tưởng các Robot di động và những chiếc xe tăng mạnh mẽ với cơ
cấu chuyển động bằng bánh xích có thể di chuyển động linh hoạt trong địa hình không bằng phẳng. Để việc quan sát thăm dò và điều khiển mang tính tự động và linh hoạt cao thì việc điều khiển Robot được thao tác trên máy vi tính nhờ
Camera quan sát đặt trên Robot hứa hẹn được phát triển và ứng dụng trong nhiều
lĩnh vực.
2. Hoạt động chung của mô hình
Robot hoạt động với sự điều khiển hoàn toàn bằng máy vi tính, giao tiếp
với máy vi tính bằng cổng COM qua chuẩn RS-232 bằng dây cáp điện 7 lõi, tính hiệu truyền từ Camera và vi điều khiển về máy vi tính thông qua dây cáp này.
Chương trình điều khiển Robot với giao diện điều khiển viết bằng C Sharp, hình
ảnh truyền từ Camera được hiển thị trên máy vi tính thông qua chương trình Ulead VideoStudio SE DVD. Vi điều khiển 18F4431nhận tính hiệu từ RC7/RXD để xử lí điều khiển Robot, 18F4331 được lập trình trước bằng ngôn ngữ C viết
trên phần mềm CCSC, khi nhận tính hiệu điều khiển từ máy tính thì vi điều khiển
sẽ xử lý điều khiển Robot tiến, lùi, xoay trái, xoay phải và dừng lại thông qua hệ
thống truyền động bởi hệ thống động cơ, bánh xích và dây xích. Đồng thời khi
Robot hoạt động ta còn có thể xoay Camera để quan sát. Bên trong Robot còn
được gắn hệ thống Encoder để đếm số vòng quay của bánh xe và thông qua việc
lập trình để tính toán quãng đường Robot đi được.
3. Sơ đồ khối hệ thống Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống VI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BÊN TRÁI RC SERVO CAMERA ĐỘNG CƠ BÊN PHẢI ENCODER COMPUTER
Như đã giới thiệu Robot thăm dò là thiết bị được con người điều khiển
trực tiếp và nhận tính hiệu truyền hình từ Camera về máy vi tính. Để thực hiện
những việc nêu trên thì Robot được cấu tạo từ những bộ phận nhỏ, mỗi bộ phận
có nhiệm vụ riêng và hỗ trợ lẫn nhau. Sơ đồ khối hệ thống được đưa ra nhằm giúp người đọc có cái nhìn tổng quát về hoạt động của Robot.
a. Khối mạch xử lý
Board mạch trung tâm MCU
Board mạch trung tâmđóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống để phân
tích và xử lý các tính hiệu đồng thời thực hiện việc điều khiển cho các thiết bị.
Nguồn cung cấp
Nguồn là khối rất quan trọng trong mạch điện tử đảm bảo duy trì hoạt động của mạch được liên tục. Trong phạm vi đề tài nguồn cung cấp cho mạch điều khiển, Encoder, Camera và các động cơ là nguồn Adaptor DC 24V-2A. Nguồn 24V được dùng dể kích IC L298 điều khiển 2 động cơ chính giúp Robot
chuyển động. Bên cạnh đó với sự phát triển của công nghệ vi mạch các nhà sản
xuất đã cho ra đời hàng loạt IC ổn áp chuyên dùng có độ ổn định cao, các IC này còn tích hợp cả mạch bảo vệ quá áp, quá dòng với nhiều chủng loại IC như: 78xx, 79xx… Do đó để tạo nguồn điện áp 12V cung cấp cho Camera và điện áp
5V cung cấp cho các khối mạch sử dụng điện áp 5V hoạt động người làm đã chọn IC LM7812 và LM7805.
Hình 3.2: 78xx
Mạch điều khiển
Đây là khối mạch quan trọng nhất quyết định sự thông minh và đóng vai
trình đươc lập trình sẵn. Vi điều khiển đảm nhận việc tính toán, xử lý và đưa ra các đáp ứng thích hợp cho hoạt động của Robot và giao tiếp với máy vi tính để
nhận dữ liệu điều khiển cũng như việc gửi dữ liệu về máy vi tính.
Khối này có một VĐK PIC 18F4431 điều hành mọi hoạt động của Robot
do phải thực hiện nhiều việc cùng lúc nên đòi hỏi việc xử lý phải nhanh, xuất các
tính hiệu điều khiển thích hợp đến IC điều khiển các motor, RC Servo… và nhận
tính hiệu từ cảm biến Encoder.
Hình 3.3: PIC 18F4431 Mạch tạo dao động
Khối tạo dao động có nhiệm vụ hết sức quan trọng giúp cho mạch hoạt động đồng bộ. Nó có thể được thiết kế từ mạch dùng IC 555, thạch anh… Do yêu cầu đề tài cần độ chính xác cao nên người thiết kế đã sử dung thạch anh có tần số
12MHz nhầm tạo xung clock có tần số ổn định để tạo sự đồng bộ cao giữa các
khối, hai tụ lọc được dùng trong mạch dao động có giá trị 33pF.
Thạch anh có đặc tính là khi chịu kích thích bởi một điện trường thì sẽ bị
biến dang sinh ra dao động cơ học cho nên tinh thể thạch anh là một mạch dao động cộng hưởng cơ bản có tần số dao động rất ổn định.
Hình 3.4: Mạch tạo dao động
Board mạch giao tiếp vi điều khiển với máy vi tính
Mạch điều khiển Robot dùng chuẩn RS232 giao tiếp VĐK với máy vi tính
bằng việc nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính đưa vào VĐK để xử lý điều khiển
Hình 3.5: Female COM
Board mạch điều khiển động cơ
Dùng IC L298 để điều khiển đảo chiều, điều khiển tốc độ động cơ, IC
L298 là mạch tích hợp 2 mạch cầu H đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân có
khả năng hoạt động ỏ điện áp đến 46V, dòng chịu đến 4A, bảo vệ quá nhiệt. Với
những tính năng tiện ít đó, IC L298 được dùng để điều khiển hai động cơ chính
dùng cho chuyển động của Robot.
Hình 3.6: L298
b. Thiết bị truyền hình ảnh từ Camera về máy vi tính
Sử dụng EasyCap USB TV Capture để kết nối Camera với máy vi tính
thông qua cổng USB 2.0.
Hình 3.7: EasyCap USB TV Capture
EasyCap USB TV Capture có khả năng ghi lại hình ảnh và âm thanh chất lượng cao trực tiếp từ cổng USB 2.0 mà không cần thông qua card âm thanh của
máy tính. Quá trình cài đặt thiết bị hết sức đơn giản. Thiết bị không cần sử dụng
nguồn bên ngoài mà sử dụng trực tiếp nguồn từ cổng USB.
c. Khối động cơ điều khiển Camera
Động cơ điều khiển Camera là động cơ RC Servo, vì RC Servo có thể xoay Camera đạt góc độ mong muốn một cách đơn giản mà không cần các công
tắc hành trình hay mạch điện phức tạp.
Hình 3.8: RC Servo
d. Động cơ chính
Phần động cơ dùng cho cơ cấu chuyển động của Robot là động cơ DC, có
giảm tốc, độ hãm tốt… vì động cơ DC có đăc tính ưu việt hơn so với các động cơ khác, đó là đặc tính điều chình tốc độ dễ dàng nhờ đó mà cấu trúc mạch điều
khiển động lực khá đơn giản. Từ nhũng đặc tính trên người làm đã chọn động cơ để điều khiển Robot là hai động cơ Hàn Quốc có giảm tốc model KM3448A sử
dụng nguồn 24V DC, tốc độ 50 vòng/phút được lắp so le trên đế Robot. Nguồn
cấp cho động cơ là nguồn Adaptor 24V DC.
e. Khối Camera
Camera sử dụng là Camera mini Vantech model VT-2100S với độ phân
giải 480 TV Line và hệ màu PAL : 510(H)x492(V). Nguồn nuôi cho Camera sử
dụng nguồn 12V được tạo từ IC LM7812.
Hình 3.10: Camera mini Vantech model VT-2100S
f. Khối cảm biến đường đi (Encoder)
Sử dụng Encoder hồng ngoại với 2 pha tính hiệu pha A và pha B lệch
nhau 30odùng để đếm xung và xác định chiều chuyển động của Robot.
Đĩa chia Encoder sử dung loại đĩa 100 lỗ được lấy từ động cơ Encoder.
Hình 3.11: Đĩa Encoder 100 xung
g. Khối hiển thị (Máy vi tính)
Hiển thị những yêu cầu của hệ thống khi đang hoạt động trên giao diện điều khiển, tính hiệu điều khiển được gửi về từ Camera cho phép người sử dung
có thể quan sát điều khiển Robot dễ dàng và sử lý sự cố kịp thời, giúp cho việc
kiểm soát Robot tốt hơn, với những hướng dẫn hiển thị trên máy vi tính sẽ làm Robot dễ điều khiển và gần gũi với người sử dụng.
Ngoài ra máy vi tính còn là thiết bị dùng để lập trình, chương trình điều
khiển được nạp xuống VĐK bằng cổng COM với chuẩn RS232.
4. Thiết kế và thi công a. Thiết kế
Sơ lược về đặc điểm của Robot
Mô hình thực tế:
Hình 3.13: Sơ đồ mô hình
Các bộ chi tiết của Robot được liên kết với nhau bởi khung xe bằng Inox.
Khung xe có dạng hộp hình thang với tám bánh xe được lắp song song đồng trục
từng cặp được nối với nhau bằng dây xích tạo thành cơ cấu truyền động xích với
hai bánh chủ động và sáu bánh bị động. Với kết cấu cơ khí này thì Robot có thể
chuyển động rất linh hoạt.
Các Thông số kỹ thuật của robot:
Kích thước của Robot: 230x300mm.
chiều cao sàn 70mm, chiều cao có Camera 130mm. Khoảng cách 2 trục bánh xe 80mm.
Đường kính bánh xe lớn 50mm và bánh nhỏ 30mm.
Thiết kế mạch in
Việc thiết kế mạch nguyên lý và mạch in được thực hiện với sự trợ giúp
của phần mềm Orcad Family Release 9.2 là phần mềm chuyên dụng cho việc
thiết kế mạch điện tử.
Để mạch chạy đúng và tốt thì sơ đồ nguyên lý của mạch phải đúng và đầy đủ. Khi vẽ mạch ta cần chú ý đến các đường tín hiệu, mạch điều khiển hoàn toàn
được vẽ bằng tay, không sử dụng chế độ vẽ tự động của máy tính. Mạch nguồn
12V
Dây xích
MCU
Mạch công suất Động cơ 2
Động cơ 1
RC Servo và Camera
Quy trình thiết kế Robot
Trong kết cấu cơ khí của mô hình Robot thì phần khung Robot đóng vai
trò cực kỳ quan trọng làm tăng khả năng hoạt động của Robot, yêu cầu cơ bản là khung Robot phải cứng vững và cần giữ bằng trên địa hình Robot di chuyển.
Vật liệu được dùng để thiết kế mô hình Robot là tấm Inox cỡ 50x60mm được gò thành khung xe và nắp xe dùng để chịu lực, sức nặng và chứa đựng các
mạch và hai động cơ chính.
Hình 3.14: Khung xe đã lắp hai động cơ chính và nắp xe
Động cơ sử dụng điều khiển hoạt động của Robot là động cơ Hàn Quốc KM3448A 24VDC được gắn cố định bên trong khung xe và đưa trục động cơ ra ngoài để gắn bánh xe. Hai động cơ được mắc so le nhau như hình 1 để giảm kích thước Robot, giúp Robot nhỏ gọn và thẩm mỹ hơn.
Bánh xe và dây xích dùng cho Robot đươc lấy từ bánh răng bơm nhớt và xích cam của xe máy tạo thành cơ cấu truyền động bánh xích dâyxích giúp tăng
momen quán tính tạo nên sự mạnh mẽ cho Robot, bánh xe lớn có đường kính
5,5cm và bánh xe nhỏ có đường kính 3cm. Vấn đề lắp ráp các bánh xe thì độ đồng phẳng cho các bộ bánh xính là quan trọng nhất, các bộ bánh xích bên phải
và bên trái phải được thiết kế song song nhằm giúp cho Robot hoạt động ổn định
Hình 3.15: Dây xích
Hình 3.16: Bánh răng lớn và nhỏ
Hình 3.17: Hình bên robot
Thiết kế Encoder:
Do yêu cầu của đề tài là khi chuyển động Robot phải báo quảng đường đi được về máy tính nên nhóm đã chọn phương pháp sử dụng bộ Encoder 100 xung