CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH
3.3 Thiết kế mạch điều khiển
3.3.2 Sơ đồ mạch điều khiển Robot
3.3.2.1 Arduino UNO R3 (Master)
Trong đề tài, Arduino Uno được dùng làm trung tâm quản lí điều khiển (Master) nhận tín hiệu điều khiển từ Matlab thông qua giao tiếp cổng COM và gửi dữ liệu xuống cho các Slave điều khiển động cơ.
Thông số kỹ thuật:
- Chip: ATmega328P.
- Nguồn cấp: từ 7 đến 12 VDC. - Dòng max chân 5V: 500 mA. - Dòng max chân 3.3V: 50 mA. - Dòng max chân I/O: 30 mA.
- Số chân Digital: 14 chân (Bao 6 chân PWM). - Số chân Analog: 6 chân.
- Flash Memory: 32 kb.
- SRAM: 2 kb.
- EEPROM: 1 kb.
- Clock Speed: 16 Mhz. - Kích thước: 68.6 x 53.4mm. - Khối lượng: 25 gam.
Chức năng của các chân Arduino Uno
- Chân Vin: Đây là điện áp đầu vào được cung cấp cho board mạch Arduino
Uno. Khác với chân 5V được cung cấp qua cổng USB. Chân này được sử dụng để cung cấp điện áp tồn mạch thơng qua jack nguồn, thông thường khoảng từ 7 đến 12VDC.
- Chân 5V: Chân này được sử dụng để cung cấp điện áp đầu ra. Arduino Uno
được cấp nguồn bằng ba cách đó là USB, chân Vin của board mạch hoặc jack nguồn. - USB: Dùng để giao tiếp với máy tính thơng qua cáp USB chúng ta có thể nạp
chương trình cho Arduino hoạt động. Ngồi ra, USB cịn là nguồn cho Arduino nó hỗ trợ điện áp khoảng 5 VDC trong khi Vin và jack nguồn hỗ trợ điện áp trong khoảng từ 7V đến 20VDC.
- Chân GND: Chân mass chung cho toàn mạch Arduino.
- Chân Reset: Để thiết lập lại tồn bộ và đưa chương trình đang chạy trở về ban
đầu. Chân này rất hữu ích khi Arduino bị treo khi đang chạy chương trình.
- Các chân Digital: Có 14 chân Digital trên board mạch Arduino Uno được ký
hiệu từ 0 đến 13 với chức năng input và output sử dụng các hàm pinMode(), digitalWrite(), digitalRead() để điều khiển các chân này.
- Chân PWM: Được cung cấp bởi các chân 3,5,6,9,10,11. Các chân này được
cấu hình để cung cấp PWM đầu ra 8 bit.
- Các chân Analog: Có 6 chân Analog trên board mạch Arduino Uno được ký
hiệu từ A0 đến A5. Được sử dụng để đo điện áp tương tự trong khoảng từ 0 đến 5V. - Chân Rx, Tx: Dùng để thực hiện giao tiếp nối tiếp thông qua hai chân 0 (Rx)
và chân 1 (Tx).
- Chân LED: Arduino Uno tích hợp đèn LED kết nối với chân 13. Cung cấp
mức logic HIGH tương ứng ON và LOW tương ứng OFF.
- Chân AREF: Chân này được gọi là tham chiếu tương tự, được sử dụng để
cung cấp điện áp tham chiếu cho các đầu vào tương tự.
- Chân SPI: Được dùng để giao tiếp ngoại vi nối tiếp. Các chân 10 (SS), 11
(MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) cung cấp liên lạc SPI với sự trợ giúp của thư viện SPI. - Chân ngắt ngoài: Chân 2 và 3 được sử dụng để cung cấp các ngắt ngoài.
- Chân I2C: Dùng để giao tiếp I2C với các thiết bị. Chân A4 (SDA)và A5 (SCL) được sử dụng cho mục đích này.
3.3.2.2 Arduino Nano (Slave)
Trong đề tài, Arduino Nano được dùng làm các Slave để nhận tín hiệu điều khiển từ Master thông qua chuẩn giao tiếp I2C và điều khiển động cơ.
Thông số kỹ thuật của Arduini Nano:
- Chip: ATmega328P. - Điện áp logic: 5 VDC.
- Điện áp hoạt động: từ 7 đến 12 VDC.
- Số chân Digital: 14 chân (Bao gồm 6 chân PWM). - Số chân Analog: 8 chân.
- Dòng điện I/O: 40 mA.
- Flash Memory: 32 kb (2KB Bootloader).
- SRAM: 2kb.
- EEPROM: 1kb.
- Clock Speed: 16 Mhz.
- Kích thước: 18.542 x 43.18mm. - Khối lượng: 7 gam.
Chức năng các chân của Arduino Nano:
Mỗi chân trên mạch Arduino Nano có chức năng cụ thể trên các chân đó. Chẳng hạn như các chân Analog có thể sử dụng như một bộ chuyển đổi Analog sang Digital trong đó các chân A4 và A5 cũng có thể được sử dụng cho vấn đề giao tiếp I2C. Tương tự, có 14 chân Digital, trong đó có 6 chân được sử dụng để tạo ra xung PWM.
- Chân Vin: Đây là chân cung cấp điện áp đầu vào cho mạch Arduino Nano khi
sử dụng nguồn ngoài từ 7 đến 12 VDC.
- Chân 5V: Là mức điện áp cung cấp quy định của Arduino được sử dụng để
cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển và các bộ phận linh kiện khác trên board Arduino. - Chân 3,3V: Đây là một mức điện áp tối thiểu được tạo ra bởi bộ điều chỉnh
điện áp trên board (sử dụng Lm1117 - 3.3V).
- Chân GND: Chân mass cho Arduino, có nhiều chân GND trên board Arduino
cho mục đích dễ dàng kết nối với thiết bị ngoại vi sử dụng dây testboard.
- Chân Reset: Khi tác động nút nhấn reset, Arduino được trả về lại chương
trình ban đầu. Rất hữu ích khi chạy chương trình phức tạp và bị treo vi điều khiển ATmega. Mức tích cực LOW được thiết lập sẽ reset lại Arduino Nano.
- Các chân PWM: Bao gồm 6 chân là chân 3,5,6,9,10,11 được sử dụng để cung
cấp đầu ra 8-bit xung PWM.
- Các chân Analog: Có 8 chân Analog trên board mạch Arduino Nano được ký
hiệu từ A0 đến A7. Được sử dụng để đo điện áp tương tự trong khoảng từ 0 đến 5V. - Chân Rx, Tx: Được sử dụng cho giao tiếp nối tiếp trong đó chân 1 (Tx) là
chân truyền dữ liệu và chân 0 (Rx) là chân nhận dữ liệu.
- Chân LED: Chân 13 để thực hiện bật tắt LED trên board Arduino Nano, sử
dụng để quan sát, kiểm tra chương trình cần thiết.
- Chân AREF: Chân này được dùng lấy điện áp tham chiếu cho điện áp đầu vào.
- Chân SPI: Chân 10(SS), chân 11(MOSI), chân 12(MISO), chân 13(SCK) được
sử dụng cho SPI giao tiếp ngoại vi nối tiếp. SPI được sử dụng chủ yếu để truyền dữ
liệu giữa các bộ vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác như cảm biến, thanh ghi và thẻ nhớ SD.
- Chân ngắt ngoài: Chân 2 và 3 sử dụng làm ngắt ngoài được thiết lập trong trường hợp khẩn cấp khi chúng ta cần dừng chương trình chính và tác động các cảnh
báo hướng dẫn tại thời điểm đó. Chương trình chính sẽ tiếp tục lại sau khi lệnh ngắt được loại bỏ.
- Chân I2C: Giao tiếp I2C sử dụng các chân A4 (SDA) và chân A5 (SCL). 3.3.2.3 Module L298N
Trong đề tài, Module L298N được dùng để làm module điều khiển trung gian giữa Slave và động cơ DC vì Module L298N được tích hợp mạch cầu H bên trong nên có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng. Mỗi module có khả năng điều khiển được hai động cơ DC với dòng tối đa cho mỗi động cơ là 2A. Ngồi ra, Module L298N cịn tích hợp IC nguồn 78M05 để tạo ra nguồn 5 VDC để cấp cho các module khác.
Thông số kỹ thuật của Module L298N:
- Điện áp điều khiển: từ 5 đến 12 Volt. - Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A.
- Điện áp của tín hiệu điều khiển: từ 5 đến 7 Volt. - Dịng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA.
- Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 0C). - Nhiệt độ bảo quản: từ -25 đến 130 0
C. - Kích thước: 43x43x27mm.
Sơ đồ chân của Module L298N:
Hình 3.22: Sơ đồ chân của Module L298N
- Chân GND: Là chân GND của nguồn cấp cho động cơ.
- Chân ENA và chân ENB: Dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298.
- Các chân Input: Gồm chân IN1, IN2, IN3,IN4.
- Các chân Output: Output A nối với động cơ A, output B nối với động cơ B. 3.3.2.4 Nguồn tổ ong 12V-10A
Bộ nguồn tổ ong 12V-10A được cấu tạo để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 110/220 VAC thành nguồn một chiều 12 VDC để cấp điện cho các thiết bị điện hoạt động. Đây là bộ nguồn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp cũng như dân dụng có thể kể đến một số thiết bị như: động cơ DC, camera giám sát, máy tính, loa đài và các thiết bị sử dụng nguồn một chiều có thơng số tương ứng.
Trong đề tài, nguồn tổ ong 12V-10A được dùng để chuyển đổi điện áp từ 220 VAC sang 12 VDC để cấp nguồn cho Module L298N hoạt động.
Thông số kỹ thuật của nguồn tổ ong 12V-10A:
- Điện áp ngõ vào: 110/220 VAC. - Điện áp ngõ ra: 12 VDC.
- Dòng điện ngõ ra: 10A. - Sai số điện áp đầu ra: 1-3 %. - Công suất thực tế: 88 %. - Nhiệt độ làm việc: 0-70 0
C. - Kích thước: 159x98x42 mm. - Khối lượng: 480 gam.
- Cổng L và N (AC): Đầu vào điện AC.
- Cổng COM: Đầu ra điện DC âm.
- Cổng V+: Đầu ra điện DC dương.
- Cổng V/ADJ: Điều chỉnh điện áp đầu ra. 3.3.2.5 Động cơ Servo GM990
Động cơ Servo MG995 có mơ men xoắn lớn, chạy mượt mà phù hợp cho những mơ hình điều khiển có tải trọng lớn như cánh tay Robot, Robot nhện, Robot tự hành, ... Động cơ sử dụng chất liệu có độ bền cao, có bánh răng bằng đồng giúp cho động cơ đạt độ bền cao.
Trong đề tài, động cơ Servo MG995 được dùng để điều khiển cơ cấu tay gắp Robot.
Hình 3.24:Động cơ Servo MG995
Thông số kỹ thuật của động cơ Servo MG995:
- Kích thước: 40 x 19 x 43 mm. - Khối lượng: 48 gam.
- Điện áp làm việc: từ 3.5 đến 8.5 Volt. - Dòng điện cung cấp: Dưới 1000 mA.
- Xung yêu cầu: xung vuông điện áp đỉnh từ 3 đến 5 Volt. - Nhiệt độ hoạt động: từ 0 đến 60 0C.
- Góc quay: 1800.
- Sức kéo: 13kg/cm tại 4.8V và 15kg/cm tại 6V.