CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
5.1. Thiết kế hệ thống điện
5.1.3. Lựa chọn linh kiện
a. Pin:
Pin Có vai trò cung cấp nguồn nuôi cho vi điều khiển và module công suất, lựa chọn pin có thông số như sau:
43
Hình 5.1: Pin EVE/LISHEN-2000MAH-10C Bảng 5.2: Đặc tín và thông số Pin
Đặc tính Thông số
Thương hiệu EVE/LISHEN-2000MAH-10C
Điện áp 12V
Cấu trúc 3 cell nối tiếp (3S), và 2 bộ cell nối song song (2P)
Dung lượng Dung lượng: 5Ah
Dòng xả tối đa 40A
Tuổi thọ 1000 lần sạc
b. Mạch hạ áp
Mạch hạ áp có vai trò cung cấp nguồn cho vi điều khiển và module mạch công suất, sử dụng mạch hạ áp LM25986S với thông số kĩ thuật sau:
Bảng 5.3: Thông số kĩ thuật mạch hạ áp
Đặc tính Thông số
Điện áp làm việc 9V – 36V
Điện áp đầu ra 5,2V
Dòng 5A
Hiệu suất 96%
44
Hình 5.2: Mạch hạ áp LM25986S
c. Vi điều khiển
Sử dụng board blue pill có tính hợp điều khiển stm32f103c8t6 thuộc dòng Arm Contex- M3, Board có mạch hạ áp 5V xuống 3,3V DC. Với nhiệm thực hiện chức năng đọc tín hiệu cảm biến thông qua các chân I/O và tín hiệu điều khiển từ máy tính qua kết nối truyền thông UART và vận hành các cơ cấu chấp hành để điều khiển robot:
Bảng 5.4: Thông số vi điều khiển STM32F103C8t6
Đặc tính Thông số
Tần số hoạt động tối đa 72 MHz
Bộ nhớ flash 64 hoặc 128 kbyte
Nguồn cung cấp 3,3 V
Giao thức truyền thông CAN, I2C, SPI, UART, USB
Kích thước 5,3 cm x 2,2 cm
Thạch anh ngoại 8 MHz
Hình 5.3: Board blue pill STM32F103C8T6
45 d. Máy tính
Phương án ban đầu của nhóm là sử dụng máy tính nhúng để làm tác vụ xử lí ảnh và làm Server điều khiển cho toàn bộ hệ thống nhưng do chi phí còn hạn hẹp nhóm chuyển sang sử dụng máy tính laptop cá nhân để vận hành hệ thống. robot sử dụng máy tính laptop đề vận hành xử lí camera làm Server điều khiển cho toàn bộ hệ thống hoạt động. Máy tính sử dụng là máy tính ASUSFX506
Bảng 5.5: Bảng thông số máy tính ASUSFX506
Đặc tính Thông số
Bộ xử lí Core i5-11400H
Bộ nhớ 512 GB
Ram 8 GB
Khối lượng 2,3 Kg
Đồ họa tích hợp GeForce RTX 2050
e. Cảm biến từ
Sử dụng 3 cảm biến từ AUTONICS PSN17-8DN 12-24VDC, NPN-NO, 8mm thực hiện chức năng dò line sắt có chiều rộng khoảng 25 mm với thông số:
Bảng 5.6: Thông số cảm biến PSN17-8DN
Đặc tính Thông số
Hình dạng Hình chữ nhật
Nguồn cấp 12V - 24V
Loại chống nhiêu Non-Shield
Ngõ ra NPN
Tần số đáp ứng 200 Hz
Khoảng cách 8mm
46
Hình 5.4: Cảm biến PSN17-8DN
Sử dụng 1 cảm biến từ NJK-5002C Cảm Biến Từ Trường Hall NPN-NO 10mm, dùng để định tâm cho cơ cấu đánh lái của robot.
Bảng 5.7: Thông số cảm biến NJK-5002C
Đặc tính Thông số
Hình dạng Trụ tròn
Nguồn cấp 6V - 36V
Loại chống nhiêu Non-Shield
Ngõ ra NPN
Tần số đáp ứng 150 Hz
Khoảng cách 10mm
Hình 5.5: Cảm biến NJK-5002C
47 f. Mạch công suất
BTS7960 là module điều khiển động cơ DC, với thiết kế cầu H chịu đường dòng cao lên đến 45A, module có vai trò điều khiển hướng và tốc độ động cơ vừa là mạch cách ly giữa vi điều khiển và động cơ
Bảng 5.8: Thông số module BTS7960
Đặc tính Thông số
Điện áp cung cấp 6V – 27V
Dòng tải tốt đa 45A
Mạch tự ngắt Dưới 5,5V
Kích thước 50x50 cm
Tần số đáp ứng 150 Hz
Khoảng cách 10mm
Hình 5.6: Module BTS7960 Chân điều khiển tín hiệu cho module hoạt động
48
Bảng 5.9: Chân điều khiển tín hiệu
Pin No Mô tả
1 Chân R_PWM chân đảo chiều hoặc cấp PWM nửa cầu phải, Mức tích cực cao
2
Chân L_PWM: chân đảo chiều hoặc cấp PWM nửa cầu trái, Mức tích cực cao.
3 Chân R_EN: 0 Disable nửa cầu phải, 1 Enable nửa cầu phải.
4 Chân L_EN: 0 Disable nửa cầu trái, 1 Enable nửa cầu trái.
5 R_IS
6 L_IS
7 VCC 5V DC
8 GND
g. Mạch chuyển đổi USB- UART
CP2102 Mạch Chuyển Đổi USB To TTL UART có chức năng chuyển đổi tín hiệu từ cổng USB của máy tính sang tín hiệu UART gửi xuống vi điều khiển.
Bảng 5.10: Thông số mạch CP2102
Đặc tính Thông số
Điện áp cung cấp 3,3V – 5V
Cầu chì Tự phục hồi
Dòng 100mA
Kích thước 26,5x15,6 mm
49
Hình 5.7: Mạch CP2102 h. Cầu chì
Tính toán chọn cầu chì phù hợp để đảm bảo toàn bộ hệ thống điện được an toàn khi xảy ra sự cố.
Toàn hệ thống ở tầng High và Low level trường hợp chở tải tối đa 60 Kg, bỏ qua mạch công suất vì không đáng kể.
Bảng 5.11: Dòng điện tiêu thụ của hệ thống ở tầng High và Low level
Thiết bị linh kiện Dòng
tiêu thụ
Số lượng
Tổng dòng tiêu thụ
Điện áp tiêu thụ High
level
Vi điều khiển STM32 0,036 1 0,036 3,3 V
Cảm biến từ 0,02 4 0,08 12 V
Relay 0,2 4 0,8 12 V
Low level
Motor lái 1,2 1 1,2 12 V
Motor di chuyển 1,02 4 4,08 12 V
∑ 𝐼 = 0,036 + 0,08 + 0,8 + 1,2 + 4,08 = 5,396(𝐴) 𝐼𝑐𝑐 = 𝐼 ∗ 1,4 = 8.6744(𝐴)
Trong đó:
I : là dòng điệu tiêu thụ
50 𝐼𝑐𝑐 : là dòng điện cầu chì sau khi để dư 40%
Kết luận chọn cầu chì theo thị trường cầu chì ống thủy tinh 10A 6x30mm
Hình 5.8: Ống thủy tinh 10A 6x30mm i. Opto
Sử dụng relay để làm mạch chuyển đổi tín hiệu đọc từ cảm biến để vi điều khiển có thể đọc được. Điện áp ngõ ra của cảm biến là 12V thông qua relay để làm tính hiệu cho vi điều khiển có thể đọc được cảm biến.
Bảng 5.12: Thông số mạch Opto 4 kênh DC
Đặc tính Thông số
Điện áp đầu vào 3,6 – 24 V
Điện áp đầu ra 3,6 – 30 V
Dòng tiêu thụ 200mA
Kích thước 72x55x19 mm
Hình 5.9: Opto 4 kênh