Chọn cơ cấu nâng hạ robot leo cầu thang

3.6.1- Chọn xy lanh nâng hạ robot

Với khối lượng robot tối đa khi cõng vật là 20 kg. Vì vậy cần 1 xy lanh vừa có hành trình 300mm để thỏa mãn điều kiện leo cầu thang vừa có tải trọng làm việc lớn hơn hoặc bằng 200 N.

Chọn xy lanh điện sau đây: - Điện áp hoạt động: 12V - Hành trình làm việc: 300 mm - Tải trọng 900N

- Công suất: 20W

- Tốc độ không tải: 10mm/s

Hình 3.7- Xy lanh điện hàng trình 300mm

3.6.2- Kiểm tra độ bền của xy lanh điện hành trình 300mm

Một số thông số cơ bản sau:

Mmax=20 kg

Vật liệu: Hợp kim nhôm Khối lượng riêng:

Ứngsuất: σb = 6 kg

2 =60 ×106 ( N /m2 )

Tiết diện mặt cắt ngang xy lanh: 18,4*18,4 (mm)

Ngoài chịu lực nén P cột còn chịu nén do trọng lượng bản thân robot. Lực nén lớn nhất của cơ cấu xuất hiện ớ mặt cắt đáy của đoạn.

N1=g . Mmax=10.20 = 200(N )

Ứng suất thực tế:

σ1= N 1

Vì vậy xy lanh thỏa mãn điều kiện bền của cơ cấu.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Trong quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, nhóm đồ án đã biết được ưu, nhược của nhiều loại thiết bị khác nhau từ đó đã đưa ra được sự lựa chọn các thiết bị phù hợp nhất cho đồ án này. Dưới đây là các thiết bị đó:

4.1- Vi điều khiển ATEMEGA328P (Kit Arduino Nano)

ATmega328P là một bộ vi điều khiển tiên tiến và nhiều tính năng. Nó là một trong những vi điều khiển nổi tiếng của Atmel vì nó được sử dụng trong bo mạch arduino UNO. Nó là một bộ vi điều khiển thuộc họ vi điều khiển megaMVR của Atmel (Cuối năm 2016, Atmel được Microchip Technology Inc mua lại). Các vi điều khiển được sản xuất trong họ megaMVR được thiết kế để xử lý các bộ nhớ chương trình lớn và mỗi vi điều khiển trong họ này chứa lượng ROM, RAM, các chân I / O và các tính năng khác nhau và được sản xuất với các chân đầu ra khác nhau, từ 8 chân đến hàng trăm chân.

Hình 4.1- Vi điều khiển Atemega328P

Mạch bên trong của ATmega328P được thiết kế với tính năng tiêu thụ dòng điện thấp. Con chip này chứa 32 kilobyte bộ nhớ flash trong, 1 kilobyte EEPROM và 2 kilobyte SRAM. EEPROM và bộ nhớ flash là bộ nhớ lưu thông tin và thông tin đó vẫn thoát ra mỗi khi nguồn điện bị ngắt nhưng SRAM là bộ nhớ chỉ lưu thông tin cho đến khi có điện và khi ngắt nguồn điện tất cả thông tin được lưu trong SRAM sẽ bị xóa.

Đặc tính / Thông số kỹ thuật của ATmega328P:

Thiết kế hiệu suất cao Tiêu thụ ít điện năng

Tổng số chân ngõ vào Analog là 6 Chứa 32 kilobyte bộ nhớ flash Chứa 2 kilobyte SRAM

Chứa 1 kilobyte EEPROM Tốc độ xung nhịp 16 megahertz

Nhiệt độ tối thiểu và tối đa -40 độ C đến 105 độ C. Tổng số chân I / O kỹ thuật số là 14 chân

RISC tiên tiến

Khóa chức năng chương trình để bảo mật mã lập trình Chứa tổng cộng ba bộ định thời, hai 8 bit và một 16 bit Tổng số chân I / O là 23 chân

Tổng số kênh PWM là 6

Điện áp hoạt động tối thiểu và tối đa từ 1.8V DC đến 5.5V DC

Số thứ tự chân Mô tả Chức năng Mô tả chức năng

1 PC6 Reset Khi chân reset

2 PD0 3 PD1 4 PD2 5 PD3 6 PD4 7 Vcc 8 GND download by : skknchat@gmail.com

14 PB0 Chân kỹ thuật số Nguồn đầu vào bộ đếm hoặc bộ hẹn giờ

15 PB1 Chân kỹ thuật số Bộ đếm hoặc bộ 49

16 PB2 17 18 PB4 19 PB5 20 21 AREF download by : skknchat@gmail.com

22 23 24 25 26 27 28 download by : skknchat@gmail.com

cũng được sử dụng như dòng xung nhịp giao diện nối tiếp.

Hình 4.2- Sơ đồ chân vi điều khiển ATEMEGA328P

Có hàng ngàn ứng dụng cho Atmega328P và sẽ có nhiều hơn nữa trong tương lai gần tùy thuộc vào cách người ta có thể suy nghĩ sáng tạo. Mỗi ngày, chúng ta đều thấy một ứng dụng mới được xây dựng bằng chip này. Một số ứng dụng cho chip này có thể liệt kê như:

Hệ thống điều khiển máy móc công nghiệp Máy móc và ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng dựa trên IOT

Các ứng dụng dựa trên nguồn điện và bộ sạc Hệ thống thời tiết

Ứng dụng giao tiếp không dây Các ứng dụng dựa trên bảo mật

Các dự án & hệ thống liên quan đến y tế và sức khỏe Các ứng dụng liên quan đến ô tô

Và nhiều ứng dụng khác…

Mạch Arduino Nano CH340 có kích thước nhỏ gọn, có thiết kế và chuẩn chân giao tiếp tương đương với Arduino Nano chính hãng, tuy nhiên mạch sử dụng chip nạp chương trình và giao tiếp UART CH340 giá rẻ để tiết kiệm chi phí.

Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU

ATmega328P-AU dán, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình chạy trên Arduino Uno đều có thể sử dụng trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano là vì sử dụng phiên bản IC dán nên sẽ có thêm 2 chân Analog A6, A7 so với Arduino Uno.

Hình 4.3- Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P

Thông số kỹ thuật:

IC chính: ATmega328P-AU.

IC nạp và giao tiếp UART: CH340.

Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw. Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.

Dòng GPIO: 40mA.

Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM. Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân). Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).

SRAM: 2KB EEPROM: 1KB Clock Speed: 16Mhz.

Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX. Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.

Kích thước: 18.542 x 43.18mm

Hình 4.4- Sơ đồ chân Arduino Nano

- Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16

Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngõ vào/ra digital. Các chân làm việc với điện áp tối đa là 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ. Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead ().

Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức năng bổ sung.

- Chân 1, 2: Chân nối tiếp

Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL. Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tới TTL.

- Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM

Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ().

- Chân 5, 6: Ngắt

Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này. Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt (). Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt.

- Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI

Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này. Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK. Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có. Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này.

- Chân 16: Led

Khi bạn sử dụng chân 16, đ«n led trên bo mạch sẽ sáng.

- Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự

Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7. Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý. Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024). Theo mặc định, các

chân được đo từ mặt đất đến 5V. Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference (). Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác.

- Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C

Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị. Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C. I2C hỗ trợ chỉ với hai dây. Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA). Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire.

- Chân 18: AREF

Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC. - Chân 28 : RESET

Đây là chân reset mạch khi chúng ta nhấn nút rên bo. Thường được sử dụng để được kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset.

4.2- Module điều khiển động cơ L298P

Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp < 12VDC).

Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sự lựa chọn tối ưu trong tầm giá. Là lựa chọn mà các sinh viên thường sử dụng trong các đồ án môn học và đồ án tốt nghiệp với các mô hình nhỏ gọn mà tính năng linh hoạt.

Hình 4.5- Mô đun điều khiển động cơ L298N

Nguyên lý hoạt động:

Driver: Mô đun điều khiển động cơ tích hợp 2 mạch cầu H.

Hình 4.6- Mô hình mạch cầu H

Một động cơ DC có thể quay thuận hoặc quay nghịch tùy thuộc vào cách bạn mắc cực âm và dương cho motor đó. Ví dụ, động cơ DC có hai đầu A và B. Nếu bạn nối A vào cực dương (+) và B vào cực âm (-) của nguồn thì động cơ quay theo chiều thuận (giả sử cùng chiều kim đồng hồ). Bây giờ bạn nối ngược lại, A vào (-) và B vào (+), động cơ sẽ quay nghịch ( giả sử ngược chiều kim đồng hồ).

Tương tự, khi ta đóng S1 và S4, ta đã cho A nối với cực dương (+) và B nối với cực âm (-) của nguồn, một dòng điện chạy từ nguồn qua S1 qua động cơ qua S4 về mass làm động cơ quay theo chiều thuận. (H4.6)

Hình 4.7- Động cơ quay thuận

Ngược lại, khi ta đóng S2 và S3, động cơ quay nghịch.

Hình 4.8- Động cơ quay nghịch Thông số kỹ thuật:

Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H. Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor) Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃) Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃.

Sơ đồ các chân: (H5.7)

12V power, 5V power. Đây là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ. Có thể cấp nguồn 9-12V ở 12V..

Hình 4.9- Sơ đồ chân kết nối

- Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho Động cơ: Nối với GND của

Arduino

- 2 Jump A enable và B enable.

- Có 4 chân Input. IN1, IN2, IN3, IN4.

- Output A: nối với động cơ A. bạn chú ý chân +, -. Nếu nối ngược thì động cơ

sẽ chạy ngược. Và chú ý nếu nối động cơ bước, phải đấu nối các pha cho phù hợp.

Hình 4.10- Sơ đồ mạch nguyên lí mô đun điều khiển động cơ L298N

4.3- Công tắc hành trình

Công tắc hành trình hay còn gọi là công tắc giới hạn hành trình. Là dạng công tắc để giới hạn hành trình của các bộ phần chuyển động. Nó có cấu tạo như công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Công tắc hành trình là loại không duy trì trạng thái, khi không còn tác động sẽ trở lại vị trí ban đầu. Công tắc hành trình thường được sử dụng để đóng cắt mạch ở ổ lưới điện hạ

áp. Nó có tác dụng như nút ấn động tác ấn bằng tay được thay thế bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí, làm quá trình chuyển động cơ khí chuyển thành tín hiệu điện.

Trong đồ án này, để giới hạn và xác định các hành trình của các trục Z, X của cơ cấu tay gắp. Được gá ngay trên hướng chuyển động của trục vít me và bộ con chạy Vslot.

Hình 4.11- Công tắc hành trình

4.4- Module hạ áp LM2596

Là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 9v vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9v...như 5V hay 3.3V

Thông số kỹ thuật:

Module nguồn không sử dụng cách ly

Nguồn đầu vào từ 4V - 35V. Nguồn đầu ra: 1V - 30V. Dòng ra Max: 3A

Kích thước mạch: 53mm x 26mm

Hình 4.12- Module LM2596

4.5- Cảm Biến Khoảng Cách NPN Thường Mở / Mức Thấp

Môi trường làm việc: Nhiệt độ -40 đến +70 độ C; Mức độ bảo vệ: IP61-IP67;

Thời gian đáp ứng: chức năng thời gian thiết lập lại sau 2.5ms ; Phát hiện của các đối tượng: trong suốt, mờ đục cơ thể;

Khoảng cách khác biệt: khoảng cách phát hiện ít hơn 20%.

Hình 4.13- Cảm Biến Khoảng Cách NPN E18-DNK30

Thông số kĩ thuật:

- U: 5VDC - I: 100mA - Sn: 3-30/50/80cm

- Chiều dài 65mm, đường kính 18mm chiều dài dây 1.2m - Loại cảm biến: Diffuse;

- Khoảng cách phát hiện: 0-50cm ; - Điện áp làm việc: 6-36V ;

- Môi trường làm việc: Nhiệt độ -40 đến +70 độ C; - Mức độ bảo vệ: IP61-IP67;

- Thời gian đáp ứng: chức năng thời gian thiết lập lại sau 2.5ms ; - Phát hiện của các đối tượng: trong suốt, mờ đục cơ thể;

- Khoảng cách khác biệt: khoảng cách phát hiện ít hơn 20%; - Điện trở cách điện: không ít hơn 20M ohms;

- Chất liệu: Nhựa

Hướng Dẫn Kết Nối cảm biến: + Dây Mầu Nâu: 5V DC.

+ Dây Mầu Xanh Dương : GND

+ Dây Mầu Đen: Tín hiệu NPN thường mở

Ứng dụng của Cảm Biến Khoảng Cách E18-DNK30/50/80: 1, Sử dụng trong dây chuyền sản xuất thiết bị đếm tự động 2, Làm robot mê cung

4, Hệ thống tự động hóa

5, Hệ thống an ninh chống trộm, vv....

4.6- Nguồn cấp cho robot leo cầu thang

Pin 18650 được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực thiết bị số như pin laptop, pin sạc dự phòng, pin máy khoan pin và trong các đồ án xe tự hành cơ vừa và nhỏ. Pin 18650 là cell pin Lithium-ion có thể sạc lại trong ngành công nghiệp pin, thường được sử dụng cho pin laptop hoặc sạc dự phòng. Là pin có thể sạc lại được và sử dụng công nghệ Lion (Lithium Ion). Pin 18650 có điện áp dao động quanh khoảng 3.7V – 4.2V.

Pin 18650 có đường kính 18mm và chiều dài khoảng 650mm, cái tên 18650 cũng bắt nguồn từ đây để phân biệt với các dòng pin khác. số 0 chính là để phân biệt đây là pin dạng hình trụ. Ngoài ra nó cũng có người anh em là pin 26650 với kích thước