2.5.1 Thiết kế mạch xử lý trung tâm
Trên cơ sở sơ đồ hệ thống đã thiết kế, tiến hành tổng hợp sơ đồ thiết kế khối xử lý trung tâm. Sơ đồ mạch nguyên lý thể hiện trên Hình 2.20. Mạch xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển PIC16 kết hợp các mạch giao tiếp để thu nhận tín hiệu từ các module cảm biến đo độ nghiêng, cảm biến la bàn số, máy thu GPS, tín hiệu thu được từ vệ tinh và các encoder. Ngoài ra còn các mạch giao tiếp với máy tính và mạch điều khiển động cơ.
Hình 2.21 Sơ đồ mạch điều khiển và hiển thị trạng thái
2.5.2 Các module cảm biến và Khối định vị GPS
1. Khối định vị GPS
Trong hệ thống điều khiển sử dụng Module sẵn có là NEO-6M, đây là khối thu định vị toàn cầu sử dụng hệ thống vệ tinh GPS của Mỹ. Khối định vị GPS sử dụng mạch điều khiển kết nối của hãng U-BLOX đến từ Thụy Sĩ có rất nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất module định vị toàn cầu. Khối định vị GPS NEO-6M cho tốc độ xác định vị trí nhanh và chính xác, có nhiều mức năng lượng hoạt động, phù hợp với các ứng dụng chạy pin. Module NEO 6M sử dụng anten bên ngoài, thực hiện giao tiếp với vi xử lý theo chuẩn nối tiếp tại chân Tx và Rx. Vcc và GND là hai chân cấp nguồn 5V.
Hình 2.23 Module GPS NEO 6M
Dữ liệu được đọc từ GPS dạng giao thức NMEA viết tắt của từ: The National Marine Electronics Association, dòng dữ liệu GPS được bắt đầu với dấu $, các số liệu được cách nhau bằng dấu (,) sau dấu (,) có ký tự khoảng trắng.
Có nhiều bản tin chuẩn theo giao thức NMEA, tuy nhiên để có thể lấy tọa độ và thời gian thì không nhất thiết phải đọc tất cả các bản tin. Để đơn giản nhất ta chỉ cần đọc bản tin RMC là đã đủ lượng thông tin cần lấy.
2. Cảm biến đo độ nghiêng
Hệ thống sử dụng cảm biến MPU-6050, đây là cảm biến của hãng Inven Sense tích hợp cảm biến gia tốc kế 3 trục – accelerometer và cảm biến con quay hồi chuyển 3 trục - gyroscope. MPU-6050 sử dụng công nghệ độc quyền Motion
Fusion của Inven Sense có thể chạy trên các thiết bị di động, tay điều khiển. Cảm biến hỗ trợ giao tiếp thông qua I2C với tốc độ tối đa 400kHz và hoạt động ở mức điện áp là 3,3V. Chip này cũng có sẵn trong một gói SPI được gọi là MPU-6000 cho tốc độ giao tiếp lên tới 10Mbs.
Hình 2.24 Module Cảm biến MPU-6050
MPU-6050 có 1 đơn vị tăng tốc phần cứng chuyên xử lý tín hiệu (Digital Motion Processor - DSP) do cảm biến thu thập và thực hiện các tính toán cần thiết. Điều này giúp giảm bớt đáng kể phần xử lý tính toán của vi điều khiển, cải thiện tốc độ xử lý và cho ra phản hồi nhanh hơn. MPU-6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi MPU-6050 tính toán xong.
- MPU-6050 có thể kết hợp với cảm biến từ trường (bên ngoài) để tạo thành bộ cảm biến 9 góc đầy đủ thông qua giao tiếp I2C.
3. Cảm biến từ trường
Hệ thống sử dụng cảm biến từ trường HMC5883L sử dụng công nghệ ASIC do hãng Honeywell sản xuất. Đây là cảm biến từ trường 3 trục sử dụng bộ chuyển đổi ADC 12 bit, nguồn cung cấp từ 2,16 to 3,6 V với dòng 100A.
- GND và VCC là 2 chân nguồn của cảm biến nối với điện áp cấp là 5V. - SDA và SCL kết nối theo chuẩn I2C với vi xử lý.
Dữ liệu đọc ra từ HMC5883L sẽ được chuyển đổi thành góc của la bàn.
2.5.3 Thiết kế hệ thống truyền động
Hệ thống truyền động bao gồm cơ cấu bánh răng, động cơ DC, cơ cấu encoder được bố trí để điều khiển anten theo 2 hướng. Hệ thống truyền động thực hiện điều khiển anten quay góc 3600 theo góc phương vị và 900 theo góc ngẩng.
Hệ thống anten thu được gắn trên một bệ đỡ. Trên bệ đỡ có gắn hệ cơ khí truyền động thực hiện quay anten theo góc ngẩng, đảm bảo anten có thể dịch chuyển lên, xuống để bám theo góc ngẩng của trạm thu. Toàn bộ bệ đỡ được gắn trên hệ cơ khí truyền động để quay theo góc phương vị, lúc này hệ thống bệ đỡ sẽ được điều khiển quay vòng tròn. Ngoài ra trên trục quay của góc ngẩng và góc phương vị còn bố trí cơ cấu để đặt cảm biến từ trường và cảm biến góc nghiêng. Sơ đồ bố trí hệ thống truyền động thể hiện trên Hình 2.26.
Hình 2.27 Mạch điều khiển và hệ thống cơ khí