CHƯƠNG IV THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
4.2 Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển
4.2.1 Thiết kế hệ thống điều khiển
a) Yêu cầu thiết kế
Tay máy được thiết kế để phục vụ trong quá trình sản xuất và thi công thiết kế sản phẩm, thay thế sức lao động của con người. Trong một số trường hợp phải làm việc trong môi trường độc hại hoặc khắc nghiệt, robot có thể thay thế hoàn toàn con người. Để làm được điều đó, điều khiển tay máy phải đáp ứng được một số điều kiện nhất định như:
- Điều khiển chính xác. ở đây là điều khiển chính xác về vị trí,các góc của từng khâu, vị trí tác động của điếm làm việc cuối.
- Kết nối máy tính: tốc độ xử lý của các máy tính ngày nay càng ngày càng phát triển, vì vậy điều khiển trên máy tính giúp tăng tốc độ xử lý của Robot. Để điều khiển tay máy từ PC, chúng ta cần truyền và nhận dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển. Giao tiếp RS232 là phương thức giao tiếp khá dễ dàng và tin cậy cũng như khá phổ biến hiện nay.
- Hệ thống điều khiển phải đảm bảo tốc độ đáp ứng nhanh và ổn định, để làm được điều đó cần điều khiển được momen và tốc độ động cơ.
b) Thiết kế mạch điều khiển Chọn vi điều khiển:
- Sau thời gian nghiên cứu và tìm hiểu, nhóm đã quyết định chọn vi điều khiển để thực hiện điều khiển hoạt động của hệ thống và loại vi điều khiển được chọn ở đây là MCU của hãng atmel, Atmega16L.
Hình 4.14 Vi điều khiển atmega 16L
Atmega 16L là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến trúc.
RISC(Reduced Intruction Set Computer). Vào ra Analog – Digital và ngược lại.
Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lênh trên giây ở tần số 1 Mhz. Vi điều khiển này cho phép người thiết kế có thể tối ưu hóa chết độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí.
Khi sử dụng vi điều khiển Atmega16, có rất nhiều phần mềm được dùng để lập trình bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau đó là: Trình dịch Assembly như AVR studio của Atmel, Trình dịch C như win AVR, CodeVisionAVR C, ICCAVR. C - CMPPILER của GNU… Trình dịch C đã được nhiều người dụng và đánh giá tương đối mạnh, dễ tiếp cận đối với những người bắt đầu tìm hiểu AVR, đó là trình dịch CodeVisionAVR C. Phần mềm này hỗ trợ nhiều ứng dụng và có nhiều hàm có sẵn nên việc lập trình tốt hơn.
Đặc trưng của atmega 16:
- Được chế tạo theo kiến trúc RISC hiệu suất cao mà điện năng tiêu thụ thấp.
- Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp.
- Bộ nhân hai chu kì
- 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng.
- Hoạt động tĩnh.
- 16 MIPS với thông lượng 16MHz.
- 8KB Flash ROM lập trình được ngay trên hệ thống.
- Giao diện nối tiếp SPI có thể lập trình ngay trên hệ thống.
- Cho phép 1000 lần ghi/xóa.
- Bộ EEPROM 512 byte, cho phép 100.000 lần ghi/xóa.
- 16 Kbyte bộ nhớ chương trình in-System Self-programmable Flash.
- Chui kỳ ghi/ xóa (Write/Erase):10.000 Flash/100.000 EEPROM.
- Độ bền dữ liệu 20 năm ở 85°C và 100 năm ở 25°C.
- Bộ nhớ SRAM 512 byte.
- Bộ biến đổi ADC 10 kênh, 8 bit.
- 32 ngõ I/O lập trình được.
- Bộ truyền nối tiếp bất đồng vạn năng UART.
- Vcc=2.7V đến 5.5V.
- Tốc độ làm việc: 8 MHz đối với Atmega16L, tốc độ xử lí lệnh đến 8 MIPS ở 8 MHz nghĩa là 8 triệu lệnh trên giây.
- Bộ định thời gian thực (RTC) với bộ dao động và chế độ đếm tách biệt.
- 2 bộ timer 8 bit và 1 bộ timer 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt
- 4 kênh điều chế độ rộng xung PWM.
- Có đến 13 interrupt ngoài và trong.
- Bộ so sánh Analog.
- Bộ lập trình Watch dog timer
- 6 chế độ ngủ : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby và Extended Standby
- Giao tiếp nối tiếp Master/Slave SPI.
Cơ bản và ghép nối về chuẩn giao tiếp cổng Com RS232
Ngày nay các thiết bị đo lường, điều khiển ... đều phải giao tiếp với máy tính để quan sát thông số và chế độ hoạt động của thiết bị như thế nào? Chuẩn giao tiếp được coi là đơn giản và dễ dùng đó là cổng RS232. Hầu như các thiết bị đều được giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn này.
Hình 4.15 Giao tiếp RS232
Vấn đề giao tiếp giữa PC và vi điều khiển rất quan trọng trong các ứng dụng điều khiển, đo lường... Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính.Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng định dạng không đồng bộ, kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị, chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến 25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt. Ý nghĩa của chuẩn truyền thông nối tiếp nghĩa là trong một thời điểm chỉ có một bit được gửi đi dọc theo đường truyền.
Có hia phiên bản RS232 được lưu hành trong thời gian tương đối dài là RS232B và RS232C. Nhưng cho đến nay thì phiên bản RS232B cũ thì ít được dùng còn RS232C hiện vẫn được dùng và tồn tại thường được gọi là tên ngẵn gọn là chuẩn RS232 Các máy tính thường có 1 hoặc 2 cổng nối tiếp theo chuẩn RS232C được gọi là cổng
Com. Chúng được dùng ghép nối cho chuột, modem, thiết bị đo lường...Trên main máy tính có loại 9 chân hoặc lại 25 chân tùy vào đời máy và main của máy tính. Việc thiết kế giao tiếp với cổng RS232 cũng tương đối dễ dàng, đặc biệt khi chọn chế độ hoạt động là không đồng bộ và tốc độ truyền dữ liệu thấp.
Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232
-Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao
-Thiết bị ngoại vi có thể tháo lắp ngay cả khi máy tính đang được cấp điện
-Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp
Những đặc điểm cần lưu ý trong chuẩn RS232
- Trong chuẩn RS232 có mức giới hạn trên và dưới (logic 0 và 1) là +-12V. Hiện nay đang được cố định trở kháng tải trong phạm vi từ 3000 ôm - 7000 ôm.
- Mức logic 1 có điện áp nằm trong khoảng -3V đến -12V, mức logic 0 từ 3V đến 12V.
- Tốc độ truyền nhận dữ liệu cực đại là 100kbps ( ngày nay có thể lớn hơn)
- Các lối vào phải có điện dung nhỏ hơn 2500pF
- Trở kháng tải phải lớn hơn 3000 ôm nhưng phải nhỏ hơn 7000 ôm.
- Độ dài của cáp nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 không vượt qua 15m nếu chúng ta không sủ dung model
- Các giá trị tốc độ truyền dữ liệu chuẩn: 50, 75, 110, 300, 600, 1200,2400, 4800, 9600, 19200, 28800, 38400…56600, 115, 200 bps.
Cổng RS232 trên PC
Hầu hết các máy tính cá nhân hiện nay đều được trang bị ít nhất là 1 cổng Com hay cổng nối tiếp RS232. Số lượng cổng Com có thể lên tới 4 tùy từng loại main máy tính. Khi đó các cổng Com đó được đánh dấu là Com 1, Com 2, Com 3...Trên đó có 2 loại đầu nối được sử dụng cho cổng nối tiếp RS232 loại 9 chân (DB9) hoặc 25 chân (DB25). Tuy 2 loại đầu nối này có cùng song song nhưng hai loại đầu nối này được phân biệt bởi cổng đực (DB9) và cổng cái (DB25).
Hình 4.16 Cổng Com
Trên là các kí hiệu chân và hình dạng của cổng DB9 Chức năng của các chân như sau:
+ Chân 1 : Data Carrier Detect (DCD) : Phát tín hiệu mang dữ liệu.
+ Chân 2: Receive Data (RxD) : Nhận dữ liệu.
+ Chân 3 : Transmit Data (TxD) : Truyền dữ liệu.
+ Chân 4 : Data Termial Ready (DTR) : Đầu cuối dữ liệu sẵn sàng được kích hoạt bởi bộ phận khi muốn truyền dữ liệu.
+ Chân 5 : Singal Ground ( SG) : Mass của tín hiệu
+ Chân 6: Data Set Ready (DSR) : Dữ liệu sẵn sàng, được kích hoạt bởi bộ truyền khi nó sẵn sàng nhận dữ liệu.
+ Chân 7: Request to send( CTS): Xóa để gửi, bộ phận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu.
+ Chân 8: Clear To Send (CTS): Xóa để gửi ,bô nhận đặt đường này lên mức kích hoạt động để thông báo cho bộ truyền là nó sẵn sàng nhận tín hiệu.
+ Ring Indicate (RI): Báo chuông cho biết là bộ nhận đang nhận tín hiệu rung chuông.
Còn DB28 bây giờ hầu hết các main mới ra đều không có cổng này nữa.
Thiết kế mạch điều khiển
- Sơ đồ khối + Thiết kế vi điều khiển
Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển trung tâm Vi điều khiển
MCU điều khiển trung tâm, điều khiển toàn bộ hệ thống
Hình 4.18 Vi điều khiển Khối nguồn 5V
Sử dụng IC LM7805 tạo nguần 5V cho mạch điều khiển
Hình 4.19 Mạch nguyên lý khối nguồn Mạch nạp chíp
Hình 4.20 Mạch nạp chíp Mạch dao động thạch anh và reset
Hình 4.21 Mạch nguyên lý reset và dao động thạch anh
c) Thiết kế mạch giao tiếp
Sử dụng vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM là một vi mạch chuyên dùng trong giao diện giao tiếp máy tính. Chúng có nhiệm vụ chuyển đổi mức điện áp TTL ở lối vào thành mức +10 hoăc-10V ở phía truyền và các mức +3…+5v hoặc -3…-15V thành mức TTL ở phía nhận.
Vi mạch MAX 232 của hãng MAXIM là một mạch chuyên dùng trong giao tiếp với máy tính. Chúng có nhiệm vụ đổi mức TTL ở lối vào thành mức +10V hoặc -10V ở phía truyền các mức +3…+15 hoặc -3…-15 thành mức TTL ở phía nhận.
Vi mạch MAX 232 có 2 bộ đệm và 2 bộ phận. Đường dẫn điều khiển lối vào CTS, điều khiển việc xuất dữ liệu ở cổng nối tiếp khi cần thiết, được nối với 9 chân của vi mạch MAX 232. Còn chân RTS( chân 10 của vi mạch MAX) nối với đường dẫn bắt tay để điều khiển quá trình nhận. Thường thì các đường dẫn bắt tay được nối tiếp qua cầu này. Cách truyền dữ liệu đơn giản nhất chỉ là dùng 3 đường dẫn TxD, RxD và GND( mass).
Chọn modul RS 232 TTL
- Truyền nhận nối tiếp với máy tính.
- Hoạt động ổn định đơn giản nhỏ gọn.
- Dễ dàng thi công lắp đặt.
Hình 4.22 Module MAX 232 Driver điều khiển động cơ bước
Driver TB6560
Modul điều khiển động cơ bước TB6560 là module chuyên dụng để điều khiển các loại động cơ bước lưỡng cực.
Module có các chế độ điều khiển full bước, nửa bước và vi bước.
Phương pháp điều khiển đơn giản, cho phép tùy chọn dòng ra điều khiển động cơ từ 0.3A đến 3A.
Sơ đồ khối
Hình 4.23 Sơ đồ khối driver TB6560 Chức năng các khối
- Khối nguồn
Module TB6560 sử dụng nguồn cấp 12V-DC hoặc 24V- DC cấp cho động cơ bước hoạt động.
Tạo ra điện áp 5V-DC cấp cho các khối còn lại.
- Khối cách ly quang
Cách ly tín hiệu điều khiển với khối driver động cơ..
- Khối tín hiệu điều khiển
Gồm 6 chân: EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-, CLK+.
EN-, EN+: tín hiệu cho phép/ không cho phép modul hoạt động CW_, CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ.
CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ.
Với thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng như thế này, modul TB6560 cho phép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1.
Ví dụ: Khi nối các chân EN-, EN+, CLK+ lên +5V thì ta sẽ đưa tín hiệu điều khiển 0V vào các chân EN-, CW-, CLK-.
- Khối thiết lập chế độ xung
Gồm các switch cho phép người dùng thiết lập các chế độ tùy chọn như: Chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước.
- Khối driver động cơ
Sử dụng IC 6560 điều khiển hoạt động từ động cơ bước.
- Khối động cơ.
Gồm 4 chân: A+, A-, B+, B- cho phép kết nối 4 đầu dây của động cơ lưỡng cực.
Hình 4.24 Module TB6560 d) Thiết kế phần mềm điều khiển
Yêu cầu thiết kế dao diện điều khiển .
- Dao diện điều khiển là môi trường giao tiếp giữa người sử dụng và tay máy trên máy tính. Matlab là một công cụ mạnh mẽ trong tính toán và thiết kế giao diện điều khiển, vì vậy nhóm tiến hành thiết kế dao diện điều khiển trên matlab.
- Dao diện điều khiển phải đáp ứng được những yêu cầu đặt ra của tay máy Robot.
- Sử dụng và thiết đặt các thông số một cách dễ dàng.
- Đóng gói dao diện điều khiển.
Thiết kế dao diện.
+ mở phần mềm Matlab, gõ lệnh sau vào cửa sổ Command:
>>guide
Hình 4.25 Guide quick start
Trong cửa sổ GUIDE Quick Start có nhiều lựa chọn theo một trong các khuân mẫu sau:
- Create New GUI: Tạo một hộp thoại GUI mới theo một trong các loại sau : + Blank GUI (Default): Hộp thoại GUI trống không có một điều khiển uicontrol nào cả.
+ GUI with Uicontrols: Hộp thoại GUI với một vài uicontrol như button... Chương trình có thể chạy ngay.
+ GUI with Axes and Menu: Hộp thoại GUI với một uicontrol axes và button, các menu để hiển thị đồ thị.
+ Modal Question Dialog.
+ Hộp thoại đặt câu hỏi Yes, No.
Open Existing GUI: mở một project có sẵn.
Trong hướng dẫn này, các bạn tạo một project mới nên sẽ chọn Blank GUI
- Cửa sổ GUI hiện ra
Hình 4.26 Giao diện lập trình guide trên matlab
Giao diện rất giống với các chương trình lập trình giao diện như Visual Basic, Visual C++... chúng ta di chuột qua các biểu tượng ở bên trái sẽ thấy tên của các điều khiển. Một vài điều khiển hay dùng:
- Push Button: giống như nút Command Button trong VB. Là các nút bấm như nút OK, Cancel mà ta vẫn bấm.
- Slider : Thanh trượt có một con trượt chạy trên đó.
- Radio Button : Nút nhỏ hình tròn để chọn lựa.
- Check Box
- Edit Text
- Static Text
- Pop-up Menu
- List Box
- Axes
- Panel
4.2.1 Thi công hệ thống điều khiển
Hình 4.27 Sơ đồ khối thiết kế hệ thống điều khiển
a) Thi công mạch điều khiển
Hình 4.28 Sơ đồ mạch in mạch điều khiển
b) Thi công mạch giao tiếp
Do mạch giao tiếp đã có sẵn trên thị trường nên chúng em đã mua modul mạch giao tiếp để đảm bảo quá trình điều khiển không có sai sót.
http://banlinhkien.vn/goods-767-module-rs232-ttl.html#.VUXLAOhfze8
c) Kết nối hệ thống với phần mềm điều khiển
Hình 4.29 Giao diện điều khiển trên matlab Bảng điều khiển
Hình 4.30 Panel điều khiển Bảng chọn chế độ điều khiển
Hình 4.31 Bảng chọn chế độ điều khiển Gồm có
- Botton “connect” chọn kết nối cổng Com.
- Botton “Disconnect” ngắt kết nối cổng Com.
- Chọn chế độ điều khiển.
- Button “Run” để thực hiện chạy đến tọa độ và góc thực hiện.
Teaching Mode
Hình 4.32 Teaching mode Gồm có
Radio button “chon Truc”, chọn trục cần điều khiển tăng hoặc giảm góc . - Button “tang” và button “giam”, tăng góc và giảm của khâu cần điều khiển.
- Button “gap” và button “tha” thực hiện gắp hoặc thả tay kẹp.
- Button “Luu Vi Tri” và botton “Xoa Vi Tri”, lưu vị trí của tay máy để thực hiện tuần tự.
- Button “Thuc Hien”, thay may chạy tuần tự các vị trí đã được lưu.
Vị trí tay máy
- Hiển thị vị trí tay máy và góc hiện tại của tay máy và vị trí được lưu trong bảng Teaching Mode
Hình 4.33 Hiển thị vị trí tay máy Logo hình ảnh
Logo trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội và hình ảnh tay máy.
Hình 4.34 Logo giao diện điều khiển
CHƯƠNG V