cho robot:
• I/O Port : 22 chân.
• PWM.
• UART.
• Timer0.
• ADC.
Mô tả chức năng các chân vào ra được sử dụng
Tên chân Chân #
Kiểu
I/O/P Mô tả
OSC1 13 I Lối vào tự bộ dao động thạch anh 4MHz
OSC2 14 O Lối ra từ bộ dao động thạch anh 4MHz
/Vpp 1
I Chân Reset của PIC. Chân này hoạt động ở mức thấp
Vpp P Chân lối vào điện áp lập trình PORTA
Key/RA0 2 I Kênh 0 của bộ A/D để cảm nhận phím bấm
Sen22/RA1 3 I
Kênh 1 của bộ A/D để cảm nhận nguồn đang sử dụng là pin hay adaptor
CDS/RA2 4 I Kênh 2 của bộ A/D để cảm nhận mức độ sáng tối của môi trường V1sen/RA3 5 I
Kênh 3 của bộ A/D để theo dõi mức điện áp trên pin trong quá trình Cleaner hay Charger
PORTB
SW/RB0 33 I Cảm nhận vật cản Foto_Dio/RB1 34 I Cảm nhận độ cao PGM/Mo_sing/RB3 36
PGM P Lập trình ICSP ở mức thế thấp Mo_Sing O Điều khiển motor quét
Speak/RB4 37 O Tín hiệu điều khiển loa PGC 39 P Chân Clock của ICSP PGD 40 P Chân Data của ICSP
PORTC
PWM/RC2 17 O Điều khiển dòng nạp pin TX/RC6 25 O Truyền dữ liệu tới PC
RX/IR/RC7 26 I Nhận dữ liệu ra từ bộ thu IR PORTD Inx/RDx 19, 20, 21, 22
O Các tín hiệu điều khiển chuyển động bánh xe A, B, C, D/RDx 27, 28, 29, 30
O Dữ liệu về số được hiển thị PORTE
T1/RE0 8 O Điều khiển bật/tắt led 7 đoạn 1 T2/RE1 9 O Điều khiển bật/tắt led 7 đoạn 2 T3/RE2 10 O Điều khiển bật/tắt các led đơn
VDD 11,
32 P Nguồn 5V
GND 12,
31 P Chân đất
I = Input O = Output P = Power Bảng 9: Mô tả các tài nguyên được sử dụng
4.3 Khối quản lý nguồn :
4.3.1 Khối chuyển đổi nguồn nuôi:
Nguồn cung cấp lối vào cho CleanMate có thể lấy từ pin hoặc adaptor tùy thuộc vào chế độ hoạt động của robot là Cleaner hay Charger, do vậy cần có hệ thống rơle để chuyển đổi giữa hai loại nguồn này
• Hình A: điện áp được lấy trực tiếp từ pin hoặc adaptor qua các diode bảo vệ đưa vào mạch rơle ở hình B.
• Hình B:
o Khi ON (bật công tắc nguồn) thì Vcc lấy từ pin NiCd, robot hoạt động ở chế độ Cleaner.
o Khi OFF (tắt công tắc nguồn) thì Vcc lấy từ adaptor (nguồn 22V), robot hoạt động ở chế độ Charger.
o Việc sử dụng rơle sẽ tránh được sự ngắn mạch giữa pin và adaptor.
Hình 18: Sơ đồ hệ rơle chọn nguồn
4.3.2 Khối ổn áp:Tạo điện áp 5 V : Tạo điện áp 5 V :
o sử dụng IC7805
o Điện áp 5V được sử dụng để nuôi vi điều khiển, IC giải mã 74LS47, khối logic của L298, các khối cảm biến, loa và các led hiện thị.
Hình 19: sơ đồ ổn áp.
Tạo nguồn cho các motor:
o Để đảm bảo cho robot di chuyển một cách đồng đều khi có sự thăng giáng của điện áp trên nguồn hoặc khi sử dụng một nguồn điện khác, ta sử dụng thêm một mạch ổn áp để cung cấp nguồn cho các motor .
o Các yêu cầu cho bộ nguồn motor:
Điện áp ra trên 10V và có thể điều chỉnh được
Dòng cung cấp có thể đạt tới 3A
o Đáp ứng các tiêu chí trên và một vài yếu tố khác, ở đây ta sử dụng mạch ổn áp theo kiểu Switching Step-Down dùng IC LM2576.
o Lựa chọn nguồn Switching thay cho nguồn kiểu tuyến tính (linear) sẽ thu được nhiều ưu điểm quan trọng sau:
Hiệu suất làm việc cao (có thể tới 88%)
Có thể cung cấp dòng ra lớn (điều mà hiếm IC linear nào có thể đạt được hoặc sẽ phải dùng tản nhiệt lớn, chằng hạn như LM138 - 5A, LM150 – 3A, LM317 – 1.5A)
Công suất tiêu tán nhiệt ít
Đây là kết luận thu được sau một quá trình sử dụng LM317. Lúc đầu hệ thống dự định sẽ sử dụng LM138 hoặc LM150, tuy nhiên hai loại IC này không có bán trên thị trường, do vậy đã chuyển sang dùng 2 IC LM317 mắc song song để tạo ra dòng lớn hơn (mới chỉ cung cấp cho 2 động cơ bánh xe mà không có động cơ chổi quét). Điều đó cũng đồng nghĩa với việc phải sử dụng tản nhiệt có kích thước lớn. Nhưng với LM2576 thì hoàn toàn không cần đến tản nhiệt (nếu cũng cung cấp cho 2 động cơ bánh xe) hoặc dùng tản nhiệt nhỏ (nếu cung cấp cho cả 3 motor).
Thực tế ta cũng có thể sử dụng LM317 để tạo nguồn ổn áp theo kiểu Switching nhưng sẽ yêu cầu nhiều thành phần bên ngoài hơn là sử dụng LM2576.
Tham khảo mạch của CleanMate 356 ta cũng thấy có một IC Switching KA34063A, IC này có thể hoạt động theo 3 chế độ Buck, Boost, Inverter với dòng tối đa là 1.5A
Mô tả về LM2576
Các đặc tính:
- Điện áp ra điều chỉnh được từ 1.23V tới 37V
- Dòng ra đạt tới 3A
- Chỉ yêu cầu 4 thành phần ngoài
- Bộ dao động bên trong với tần số không đổi 52kHz - Hiệu suất cao
- Bảo vệ quá dòng, quá nhiệt
Hình 21: Sơ đồ mạch nguồn cho motor Công thức tính điện áp ra:
+ + = 25 1 24 1 R P R V Vmotor REF Trong đó: VREF = 1.23V, R24 = 100, R25 = 1k
Như vậy điện áp ổn định lối ra được quyết định thông qua điện áp phản hồi về chân 4 (FB- Feed Back). Điện áp này sau đó được so sánh với một điện áp tham chiếu chuẩn (VREF) để điều khiển độ dẫn của một transistor trong LM2576 sao cho điện áp ra luôn luôn gần với điện áp mong muốn.
Lựa chọn các linh kiện:
Diode Schottky D16: FR306 (3A)
Cuộn cảm L1: dùng dây đồng cuốn đầy trên lõi ferit hình xuyến (hình bên)
Biến trở R43 10k được xoay chỉnh sao cho điện áp trên hai cực của motor là 9V. Khi đó Vmotor = 10.25V. Theo công thức trên ta tính được P1 = 7.23k.
4.3.3 Khối nạp Pin:
Khối nạp Pin sử dụng thêm 1 bộ chuyển đổI AD/DC, đầu vào 220V – 50hz đầu ra là 22VDC- 1A.
Hình 22: Sơ đồ khối nạp Pin
IC LM317 luôn duy trì một điện áp 1.25V giữa chân OUT và chân ADJ,với điện trở công suất R12=1 ohm sẽ tạo ra nguồn dòng 1.25 A. Khi chân PWM ở mức cao thì transistor C1815 sẽ mở, điện áp trên chân ADJ là 0.2V, quá trình nạp bị ngắt. Khi chân PWM ở mức thấp C1815 đóng, điện áp ra khoảng 21.5V quá trình nạp được thực hiện.
Điện áp trên Pin được khối điều khiển nhận biết bằng việc đo điện áp ở chân V1sen:
Vpin = V1sen / R23 x (R22 + R23)
4.4 Hệ thống cảm nhận vật cản:
Khối này sử dụng hai cách ly quang (Opto) H92B4 để có thể cảm nhận va chạm từ bên trái, bên phải hoặc ở giữa. Khi robot chạm vào vật cản thì hệ thống cơ khí sẽ ngăn ánh sáng truyền từ led phát sang cực B transistor
Tín hiệu ra trên các cực C của các Opto được tổng hợp và chuyển đổi sang mức logic nhở transistor C1815. Như vậy, lối ra sẽ là logic 0 nếu chạm vào vật cản và logic 1 nếu không chạm vật cản.
Các điện trở R17, R18, R19 được chọn sao cho chỉ cần ít nhất một opto bị ngăn ánh sáng là lối ra SW Out sẽ quyết định ở mức 0. Như vậy, hai opto có chức năng hoàn toàn giống nhau và robot chỉ cần cảm nhận có va chạm hay không chứ không phân biệt va chạm trái hay va chạm phải.
Bên cạnh việc sử dụng cách ly quang, ta cũng có thể sử dụng các công tắc chạm thông thường, khi đó mạch sẽ đơn giản hơn. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của robot, do số lần va chạm là rất lớn nên công tắc chạm cũng dễ bị hỏng hóc hơn.
Hình 24: sơ đồ bộ phận cảm nhận vật cản
4.5 Hệ thống sensor gầm cảm nhận độ cao:
Khi robot làm việc ở những vùng có bậc thang, để không bị rơi, robot phải có hệ thống sensor cảm nhận được độ cao.
Nguyên lý cảm nhận: Sử dụng ba cặp diode thu phát hồng ngoại được lắp đặt tại 3 góc ở phía trước của robot. Bình thưởng, tín hiệu phát từ sensor phát sẽ phản xạ từ mặt sàn lên sensor thu, nhưng nếu gặp phải độ cao (tức là khoảng cách giữa sensor và mặt sàn lớn hơn một ngưỡng nào đó) thì tín hiệu phản xạ sẽ rất yếu hoặc không có. Tín hiệu thu được trên sensor thu sẽ qua bộ lọc, khuếch đại rồi so sánh để chuyển thành tín hiệu dạng số.
Do phải làm việc với nhiều loại mặt sàn, chịu ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu, chủ yếu là nhiễu ở tần số thấp, vì vậy ta phải điều chế tín hiệu phát lên tần số cao, trong đề tài này là 1KHz. Tần số này được tạo ra bởi mạch sử dụng LM124
Hình 25: Sơ đồ điều chế tín hiệu phát
4.6 Cảm nhận sáng tối:
Mạch này sử dụng một quang trở (photoresistor) được mắc như hình vẽ. Tùy vào điều kiện môi trường sáng hay tối mà điện trở của nó sẽ có giá trị trong khoảng từ 200Ω – 6kΩ.
Lối ra từ dòng chuyển thành thế qua một điện trở rồi đưa vào khối ADC 10-bit của vi điều khiển.Vi điều khiển sẽ so sánh giá trị ADC thu được với giá trị trước đó để kết luận robot đang di chuyển về vùng sáng hơn hay tối hơn.
Điện trở R ở đây cũng có tác dụng hạn dòng khi điện trở của quang trở có giá trị nhỏ quá.
Hình 26: sơ đồ ghép nối quang trở
Khối này có chức năng hoàn toàn giống như một bộ điều khiển từ xa trong bán kính 10m.Tín hiệu điều khiển được truyền từ bộ phát (hay bộ điều khiển từ xa) đến bộ thu trong môi trường không khí. Để bộ thu có thể phân biệt được giữa tín hiệu IR của bộ điều khiển với với các nguồn phát IR khác, tín hiệu của bộ phát được điều chế trên sóng mang có tần số từ 32.5kHz - 56kHz. Trong ứng dụng này, tần số 40kHz được sử dụng.
Hai thành phần chính là bộ phát và bộ thu. 4.7.1 Nguyên lý hoạt động:
Mỗi tín hiệu IR được phát ra từ bộ điều khiển từ xa từ bộ điều khiển từ xa có rất nhiều đặc trưng khác nhau. Những đặc trung này phụ thuộc vào nhà sản xuất. Nhìn chung đều có những đặc trung sau :
• Bước sóng của tín hiệu IR.
• Tần số sóng mang.
• Phương thức mã hoá.
• Nội dung của mã.
• ThờI gian của xung.
Chuẩn RC5 là 1 trong những chuẩn giao tiếp IR tiêu biểu. Đây là chuẩn được hãng Philips phát triển. Trong chuẩn này khi mỗI phím bấm trên điều khiển từ xa được ấn nó sẽ phát ra một khung dữ liệu gồm 14 bit, mỗi bit có độ dài 1.728ms. Toàn bộ chuỗi bit được phát lại sau mỗi 130ms nếu phím được giữ. Các bit được được mã hoá theo kiểu manchester, tức là mỗi bit bao gồm 2 nửa: nửa trái và nửa phải, 2 nửa này có mức logic ngược nhau.
Hình 27: Dạng Xung mã hoá Manchester. Cấu trúc 1 khung dữ liệu khi nhận như sau:
Hình 28: Khung dữ liệu RC5 khi nhận.
4.7.2 Bộ Phát :
Hình 29: Cấu trúc 1 bộ phát hồng ngoại
Trong sơ đồ trên, các khối Bộ tạo dữ liệu, bộ phát tín hiệu, bộ tạo sóng mang thường nằm trong một IC Encoder như M145027 (SGS-THOMSON), PT2262, TRC1300 (Texas Instruments)…
• Hoạt động và chức năng của mỗi khối:
Led IR phát Bàn phím Bộ phát tín hiệu Sóng mang A Dữ liệu
o Bàn phím: thể hiện các phím chức năng. Khi một phím được ấn sẽ làm Wake-Up IC Encoder (thoát khỏi chế độ Power-Down) để thực hiện nhiệm vụ.
o Mỗi phím được ấn tương ứng với một dữ liệu được truyền đi. Trước khi dữ liệu được truyền, chúng được thêm các bit đầu, cuối, kiểm lỗi, hoặc các bit bảo mật…Dữ liệu mới tạo ra được truyền từng bit đồng thời chúng được điều chế trên sóng mang có tần số đặc trưng cho bộ phát.
Hình 30: Sơ đồ bộ phát
Tuy nhiên xây dựng một mạch phát riêng là không cần thiết, ta có thể sử dụng 1 chiếc điều khiển từ xa của TV có sẵn.
4.7.3 Phần thu:
Phần thu sử dụng cảm biến GP1U52X. Đây là cảm biến có sẵn bộ lọc thông dải, bộ giải điều chế, bộ khuếch đại cho lối ra là dạng số.
Hình 31: Sơ đồ cấu tạo bên trong của GP1U52X Đặc tính kỹ thuật:
• Điện áp hoạt động 5V
• Dòng tiêu thụ 5mA
• Tần số trung tâm của bộ lọc 40kHz
• Độ rộng dải thông 4kHz
Hình 32: Hình ảnh cảm biến GP1U52X
Khung dữ liệu nhận được từ cảm biến có sự tương đồng với khung dữ liệu chuẩn RS232. Vì vậy ta sử dụng khốI UART của vi điều khiển để đọc dữ liệu từ cảm biến. Tốc độ UART phải được đặt đúng bằng tốc độ truyền của remote control. Sau khi tham khảo nhiều loại remote control cũng như thử nghiệm. Tốc độ UART được đặt là 300Kbps.
Ngoài việc điều khiển từ xa, robot còn bố trí 3 phím bấm:
• Start/Stop (khởi động hoặc ngừng hoạt động robot)
• Timer (đặt thời gian chạy)
• Mode (đặt chế độ chạy).
Để tiết kiệm các công vào ra ( I/O port ) của vi điều khiển, ta dùng phương pháp đọc phím bấm bằng ADC.
Hình 33: Sơ đồ ghép nối phím bấm với Vi điều khiến
Ở đây ta sử dụng mạng điện trở hợp thành một dãy các bộ chia thế. Các bộ chia thế này tao ra các mức điện áp khác nhau cho mỗi phím được nhấn. Lối ra được đưa vào ADC 10-bit của vi điều khiển để đo các mức điện áp này và quyết định xem phím nào được nhấn.
Bảng 10: Giá trị ADC khi đọc phím bấm
Trên thực tế, trong phần mềm xử lí, để quyết định xem phím nào được ấn, không phải ta so sánh giá trị ADC với một số nào đó mà xem giá trị ADC này có nằm trong dải nào đó không. Chằng hạn, nếu phím Mode được ấn thì giá trị ADC phải nằm trong dải từ 502 tới 522 (tức là lân cận của 512, với mức sai số là 10).
Phương pháp đọc phím bấm này có ưu điểm tiết kiệm tài nguyên của Vi điều khiển, tuy nhiên nhược điểm của phương pháp này là không chính xác, do xung nhiếu sinh ra khi ấn phím.
4.9 Hiển thị LED 7 đoạn và Loa:
4.9.1 Hiển thị LED 7 đoạn :
LED 7 đoạn sẽ hiển thị thời gian đặt cho robot hoạt động, chế độ hoạt động.
Khối này sử dụng 4 chân của vi điều khiển qua bộ giải mã BCD-TO-SEVEN- SEGMENT 74LS47 để điều khiển 2 led 7 đoạn và các led đơn. Các thông tin về thời gian, chế độ chạy, trạng thái của pin sẽ được thể hiện trên các led này.
Mỗi led 7 đoạn và nhóm led đơn được refresh với chu kì 5ms bởi phần mềm qua các tín hiệu điều khiển T1, T2, T3 để hiện thị các giá trị khác nhau trên các led.
Phím Điện áp ra (V) Giá trị ADC Start/Stop 1.56 320 Timer 2 410 Mode 2.5 512
Hình 34: Sơ đồ hiển thị LED 7 đoạn
4.9.2 Loa :
Loa báo hiệu khi phím được ấn, báo lỗi, báo hết pin. Loa phát âm La tần số 440Hz, tín hiệu điều khiển loađược cung cấp từ vi điều khiến
Hình 35: Sơ đồ ghép nối loa
4.10 Mạch điều khiển động cơ :
4.10.1 Giới thiệu về mạch cầu H:
Robot sử dụng 2 động cơ DC chổi than, vì vậy ta sử dụng mạch cầu H để điều khiển motor
Hình 36: Sơ đồ nguyên lý và nguyên tắc hoạt động của mạch cầu H. Ta thấy mạch cầu H điều khiển động cơ bằng 4 khoá S1 S2 S3 S4. Khi S1 và S4 đóng, S2 S3 mở động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, còn khi S2 và S3, còn khi Khi S2 và S3 đóng, S1 S3 mở động cơ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.S1 và S3 đóng, S2 và S4 mở hoặc S1 và S3 mở, S2 và S4 đóng Motor ở trạng