Tải bản đầy đủ

HỆ THỐNG NHÚNG ROBOT dò ĐƯỜNG THEO VẠCH ĐEN và điều KHIỂN từ XA DÙNG SÓNG RF

BÁO CÁO MÔN HỌC: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng
Tên đề tài: Robot dò đường theo vạch đen và điều khiển từ xa bằng sóng RF

.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 1


Mục lục

CHƯƠNG I : LỜI DẪN
Sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày càng nhanh tạo ra nhiều sản phẩm phục
vụ cho nhu cầu cho con người trong mọi lĩnh vực của đời sống.Robot đã dần thay thế con
người từ công việc đơn giản đến những công việc đòi hỏi sự chính xác cao. Tầm quan
trong của robot với cuộc sống của loài người va khả năng chinh phục thiên nhiên đã dẫn
tới sự phát triển vượt bậc của nghành công nghệ này, đồng thời là tâm điểm chú ý của rất
nhiều người đam mê công nghệ.
Robot di động ( Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trong
nghành robot học. Cùng vớ sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot di

động ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh
hoạt. Một vấn đề về nghiên cứu rôt di động là làm thế nào để robot biết được vị trí nó
đang đứng và có thể di chuyển tới một vị trí xác định khác, đồng thời có thể tự động tránh
được các vật cản trên đường đi.
Với suy nghĩ là ứng dụng kiến thức đã học được ở trường và tìm hiểu thêm bên
ngoài, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài : “ Thiết kế robot dò đường kết hợp điều
khiển robot từ xa bằng sóng RF.”
Do điều kiện hạn chế và mặt thời gian cũng như còn ít kinh nghiệm nên oto vận
chưa thực sự vận hành được như ý muốn, vẫn còn sai sót trong khi di chuyển, nhóm rất
mong nhận được sự thông cảm và giúp đỡ của thầy cô và các bạn.
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn
Ngọc Minh đã tận tình giúp đỡ, định hướng đề tài , gửi lời cảm ơn tới các bạn trong và
ngoài lớp đã trao đổi, góp ý, giúp đỡ để nhóm hoàn thiện đồ án môn học này.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 2


CHƯƠNG II: Ý TƯỞNG, MỤC ĐÍCH THIẾT KẾ ĐỀ TÀI
2.1 Giới thiệu chung
Robot tự hành hay robot di động (mobile robots, thường được gọi tắt là mobots)
được định nghĩa là một loại xe robot có khả năng tự dịch chuyển, tự vận động (có thể lập
trình lại được) dưới sự điền khiển tự động để thực hiện thành công công việc được giao.
Theo lý thuyết, môi trường hoạt động của robot tự hành có thể là đất, nước, không khí,
không gian vũ trụ hay sự tổ hợp giữa chúng. Địa hình bề mặt mà robot di chuyển trên đó
có thể bằng phẳng hoặc thay đổi, lồi lõm.
Theo bộ phận thực hiện chuyển động, ta có thể chia robot tự hành làm 2 lớp:
chuyển động bằng chân (legged) và bằng bánh (wheeled). Trong lớp đầu tiên, chuyển
động có được nhờ các chân cơ khí bắt chước chuyển động của con người và động vật.
Robot loại này có thể di chuyển rất tốt trên các định hình lồi lõm, phức tạp. Tuy
nhiên,cách phối hợp các chân cũng như vấn đề giữ vững tư thế là công việc cực kỳ khó
khăn.
Lớp còn lại (di chuyển bằng bánh) tỏ ra thực tế hơn, chúng có thể làm việc tốt trên
hầu hết các địa hình do con người tạo ra. Điều khiển robot di chuyển bằng bánh cũng đơn
giản hơn nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định cho robot. Lớp này có thể chia làm 3
loại robot: Loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển động bằng vòng xích (khi cần mô
men phát động lớn hay khi cần di chuyển trên vùng đầm lầy, cát và băng tuyết, và loại
hỗn hợp bánh xe và xích (ít gặp).
Tiềm năng ứng dụng của robot tự hành hết sức rộng lớn. Có thể kể đến robot vận
chuyển vật liệu, hàng hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay và thư viện;
robot phục vụ quét dọn đường phố, khoang chân không; robot kiểm tra trong môi trường
nguy hiểm; robot canh gác, do thám; robot khám phá không gian, di chuyển trên hành
tinh; robot hàn, sơn trong nhà máy; robot xe lăn phục vụ người khuyết tật; robot phục vụ
sinh hoạt gia đình v.v...

Hình
2.1 Robot rexecty

Hình 2.2 : Robot thăm dò Spirit

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 3


Hình 2.3: Asterisk

Hình 2.4: Robot tự hành làm vệ sinh đáy bể bơi

Hình 2.5: Robot phục vụ bàn tại cửa hàng bánh mì ( Thành phố Cáp Nhĩ Tân- Trung
Quốc).
Mặc dù nhu cầu ứng dụng cao, nhưng những hạn chế chưa giải quyết được của
robot tự hành, như chi phí chế tạo cao, đã không cho phép chúng được sử dụng rộng rãi.
Một nhược điểm khác của robot tự hành phải kể đến là còn thiếu tính linh hoạt và thích
ứng khi làm việc ở những vị trí khác nhau. Bài toán tìm đường (navigation problem) của
robot tự hành cũng không phải là loại bài toán đơn giản như nhiều người nghĩ lúc ban
đầu.
Trong đề tài này, bài toán tìm đường cũng như mô hình robot sẽ được giải quyết ở
mức độ không quá phức tạp bằng thuật toán sử dụng ngôn ngữ lập trình C thông thường
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 4


trên kit phát triển OPENCMX-STM3210D, phát hiện vạch đen bằng cách sử dụng cảm
biến ánh sáng ( quang trở).
2.2 Sơ đồ khối hệ thống.

Khối cảm biến

Động cơ
1

Mạch
đ/k
động cơ

Khối xử lý và điều khiển

Mạch
đ/k
động cơ

Động cơ
2

Module thu sóng RF

Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau:
Khối cảm biến gửi 4 tín hiệu cảm nhận đường của 4 cảm biến lên khối “ Khối xử
lý và điều khiển” . Tại đây trạng thái đó được phân loại, xử lý để chọn thuật toán điều
khiển động cơ phù hợp với trường hợp đó để gửi tín hiệu điều khiển ra mạch điều khiển
động cơ, điều khiển động cơ 1 và động cơ 2 quay tiến – lùi để robot đi đúng vạch đen.
Ngoài ra ở chế độ điều khiển bằng sóng RF thì module thu gắn trên xe thu tín hiệu
từ bộ phát RF gồm 4 trạng thái chính tương ứng với 4 nút trên module được truyền vào “
Khối xử lý và điều khiẻn” . Tại đây các trạng thái đó cũng được phân loại, căn cứ vào tín
hiệu mã hóa gắn trên kít để chọn đoạn chương trình phù hợp để gửi tín hiệu điều khiển ra
mạch động cơ, điều khiển động cơ 1 và 2 quay tiến – lùi để robot có thể : đi thẳng, đi lùi,
quay trái, quay phải như ý đồ của người lập trình.
Trên bộ phát sóng RF có 4 phím A, B, C D được mã hóa trạng thái của oto như
sau:
Phím A: robot đi tiến
Phím B: robot đi lùi
Phím C: robot rẽ trái
Phím D: robot rẽ phải
Ấn đồng thời : phím A+ phím D => robot chuyển sang chế độ điều khiển bằng sóng RF
Ấn đồng thời : phím B+ phím C => robot chuyển sang chế độ tự động dò đường theo
vạch đen.
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 5


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
3.1 Khối xử lý và điều khiển
3.1.1 . Cortex là gì?
Trong vài năm trở lại đây, một trong những xu hướng chủ yếu trong các thiết kế với
vi điều khiển là sử dụng các chíp ARM7 và ARM9 như một vi điều khiển đa dụng. Ngày
nay các nhà sản xuất IC đã đưa ra thị trường hơn 240 dòng vi điều khiển sử dụng lõi
ARM. Dòng ARM mới nhất mà tập đoàn ST Microelectronic vừa cho ra mắt dòng
STM32, vi điều khiển đầu tiên dự trên nền lõi ARM Cortex – M3 thế hệ mới do hãng
ARM thiết kế, nó là sự cải tiến của lõi ARM7 truyền thống từng mang lại thành công
vang dội cho công ti ARM. Dòng STM32 thiết lập các tiêu chuẩn mới về hiệu suất, chi
phí, cũng như khả năng đáp ứng các ứng dụng tiêu thụ năng lượng thấp và tính điều khiển
thời gian thực khắt khe.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 6


Dòng ARM Cortex là một bộ xử lý thế hệ mới đưa ra một kiến trúc cho nhu cầu đa
dạng về công nghệ, không giống các chip ARM khác, dòng Cortex là một lỗi xử lý hoàn
thiện, đưa ra một chuẩn CPU và kiến trúc hệ thống.Dòng Cortẽ gồm có 3 phân nhánh
chính: Dòng A dành cho các ứng dụng cao cấp, dòng R dành cho các ứng dụng thời gian
thực như các đầu đọc và cuối cùng là dòng M dành cho các ứng dụng vi điều khiển và chi
phí thấp.STM 32 được thiết kế dựa trên dòng Cortex – M3, dòng này được thiết kế đặc
biệt để nâng cao hiệu suất hệ thống, kết hợp với tiêu thụ năng lượng thấp. Cortex – M3
đưa ra một lõi vi điều khiển chuẩn nhằm cung cấp phần tổng quát, quan trọng nhất của
một vi điều khiển, bao gồm hệ thống ngắt ( interrupt system), SysTick timer ( được thiết
kế cho hệ điều hành thời gian thực), hệ thống kiểm lỗi ( debug system) và các memory
map.
Không gian địa chỉ 4 Gbyte của Cortex –M3 được chi thành các vùng cho mã
chương trình, SRRAM, ngoại vi và ngoại vi hệ thống. Cortex –M3 được thiết kế theo kiến
trúc Harvard ( bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu tách biệt nhau), và có nhiều bus cho
phép thực hiện các thao tác song song với nhau, do đó làm tăng hiệu suất của chíp.Dòng
Cortex cho phép truy cập dữ liệu không xếp hàng, đặc điểm này cho phép sử dụng hiệu
quả SRAM nội. Dòng Cortex còn hỗ trợ việc đặt và xóa các bít bên trong 2 vùng 1 Mbyte
của bộ nhớ bằng phương pháp gọi là bít banding. Đặc điểm nà cho phép truy cập hiệu quả
tới các thanh ghi ngoại vi và các cờ được dùng trên bộ nhớ SRAM mà khong cần một bộ
xử lý luận lý.
Khối trung tâm của STM32 là bộ xử lý Cortex-M3. Bộ xử lý Cortex-M3 là một vi
điều khiển được tiêu chuẩn hóa gồm một CPU 32bit, cấu trúc bus ( bus structure), đơn vị
xử lý ngắt có hỗ trợ tính năng lồng ngắt vào nhau.
3.1.2

Một vài đặc điểm nối bật của STM32

STM32 là dòng vi điều khiển tiến tới mục tiêu giảm chi phí và nâng hiệu suất hoạt
động. STM32 đầu tiên gồm 14 biến thể khác nhau, được phân thành 2 nhóm: dòng
Performance có tần số hoạt ođọng của CPU lên tới 72Mhz và dòng Access có tần số hoạt
động lên tới 36Mhz. Các biến thể STM32 trong hai này tương thích hoàn toàn về cách bố
trí chân và phần mềm, đồng thời kích thước bộ nhớ FLASH ROM có thể lên tới 128K và
20K SRAM.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 7


Hình 3.1.2.1 : Kiến trúc của STM32 nhánh Performance và Access
3.1.3 Sự tinh vi

STM32 cũng giống như những vi điều khiển khác : có 2 bộ chuyền đối ADC, timer,
I2C, SPI, CAN, USB và RTC. Tuy nhiên mỗi ngoại vi đều có rất nhiều đặc điểm thú vị.
Mỗi bộ timer có 4 khối capture compare, mỗi khối timer có thể liên kết với các khối timer
khác để tạo ra một mảng các timer tinh vi. Một timer cao cấp chuyên hỗ trợ điều khiển
đồng cơ, với 6 đầu ra PWM với dead lập trình được và một đường break input sẽ buộc tín
hiệu PWM sang một trạng thái an toàn đã được cài đặt sẵn.
STM32 có hỗ trợ thêm 7 kênh DMA ( Direct Memory Access). Mỗi kênh có thể được
dùng để truyền dữ liệu đến các thanh ghi ngoại vi hoặc từ các thanh ghi ngoại vi đi với
kích thước từ dữ liệu truyền đi có thể là 8/16 hoặc 32 bít.
STM32 là một vi điều khiển tiêu thụ năng lượng thấp và đạt hiệu suất cao. Nó có thể hoạt
động ở điện áp 2V, chạy ở tần số 72Mhz và dòng tiêu thụ chỉ có 36 mA với tất cả các khối
bên trong vi điều khiển điều được hoạt động. Kết hợp với các chế độ tiết kiệm năng lượng
của Cortex, STM32 chỉ tiêu thụ 2 µA khi ở chế độ standby. Một bộ dao động nội RC
8MHz cho phép chíp nhanh chóng thoát khỏi chế độ tiết kiệm năng lượng trong khi bộ
dao động ngoài đang khởi động. Khả năng nhanh đi vào và thoát khỏi các chế độ tiết kiệm
năng lượng làm giảm nhiều sự tiêu thụ năng lượng tổng thể.
3.1.4 Sự an toàn
Với sự phát triển của kĩ thuật đòi hỏi các hệ vi xử lý phải hoạt động trong môi
trường khắt khe, đòi hỏi tính an toàn cao, cũng như đòi hỏi sức mạnh xử lý và càng nhiều
thiết bị ngoại vi tinh vi. Để đáp ứng yêu cầu khắc khe đó, STM32 cung câp một số tính
năng phần cứng hỗ trợ các ứng dụng một cách tốt nhất. Chúng bao gồm một bộ phát hiện
điện áp thấp, một hệ thống bảo vệ xung clock và hai bộ watchdogs. Bộ đầu tiên là một
watchdog cửa sổ. Watchdog này phải được làm tươi theo định kì . Nếu nhấn nó quá sớm,
hoặc quá muộn, thì watchdog sẽ kích hoạt. Bộ thứ hai là một watchdog độc lập, có bộ dao
đông bên ngoài tách biệt với xung nhịp hệ thống chính. Hệ thống bảo vệ xung nhịp có thể
phát hiện lỗ của bộ dao động chính bên ngoài và tự động chuyển sang dùng bộ dao động
nội RC 8MHz.
3.1.5 Tính bảo mật
Một trong những yêu cầu khắc khe khác của thiết kế hiện đại là nhu cầu bảo mật
mã chương tình để ngăn chặn sao chép trái phép phần mềm. Bộ nhớ flash của STM32 có
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 8


thể được khóa để chống truy cập đọc flash thông qua cổng debug. Khi tính năng bảo vệ
đọc được kích hoạt, bộ nhớ Flash cũng được bảo vệ chống ghi để ngăn chạn mã không tin
cậy được chèn vào bảng vector ngắt. Hơn nữa bảo vệ ghi có thể được cho phép trong
phần còn lại của bộ nhớ flash. STM32 cũng có một đồng hồ thời gian thực và một khu
vực nhỏ dữ liệu trên SRAM được nuôi nhờ nguồn pin. Khu vực này có một đầu vào
chống giả mạo, có thể kích hoạt một sự kiện ngắt khi có sự thay đổi trạng thái ở đầu vào
này. Ngoài ra một sự kiện chống giả mạo sẽ tự động xóa dữ liệu được lưu trữ trên SRAM
được nuôi bằng nguồn pin.
3.1.6 Giới thiệu về phần GPIO trên kít arm cortex.

Kít STM32 -103RC có 3 cổng I/O đa dụng với 48 chân điều khiển. Các cổng I/O
được đánh số từ A=>C và mức áp tiêu thụ là 5v. Nhiều chân ngoại có thể được cấu hình
như là Input/\Output tương tác với các thiết bị ngoại vi riêng của người dùng như USART
hay I2C. Thêm nữa có thể cấu hình các chân này như là nguồn ngắt ngoại kết hợp với
cổng GPIO khác. Mỗi cổng GPIO đều có 2 thanh ghi 32-bit điều khiển. Như vậy ta có 64bit để cấu hình 16 chân của một cổng GPIO. Như vậy mỗi chân của cổng GPIO sẽ có 4
bít để điều khiển : 2 bit sẽ quy định hướng ra vào dữ liệu: Input hay output, 2 bít còn lại
sẽ quy định đặc tính dữ liệu.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 9


Sau khi cổng được cấu hình, ta có thể bảo vệ các thông số cấu hình bằng cách kích
hoạt thanh ghi bảo vệ. Trong thanh ghi này, mỗi chân trong cổng đều có 1 bít bảo vệ
tương ứng để tránh các thay đổi vô ý ở các 4 bít cấu hình. Để dễ dàng đọc và ghi dữ liệu
trên cổng GPIO, STM32 cung cấp 2 thanh ghi Input và Output data. Kĩ thuật bit banding
được hỗ trợ nhằm thực hiện các thao tác bít trên thanh ghi dữ liệu. Thanh ghi 32-bit
Set/Reset, với 16 bít cao ánh xạ tới mỗi chân của cổng điều khiển reset khi được thiết lập
giá trị 1. Tương tự vậy 16 bít thấp điều khiển Set khi được gán giá trị 1.
Các hàm GPIO thông dụng thường được sử dụng:
Tên hàm
GPIO_DelInit

Mô tả hàm
Thiết lập lại giá trị của các thiết bị ngoại vi GPIOx đã được

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 10


GPIO_AFIODelInit
GPIO_Init
GPIO_StructInit
GPIO_ReadInputDataBit
GPIO_ReadInputData
GPIO_ReadOuputDataBi
t
GPIO_ReadOutputData
GPIO_SetBits
GPIO_ResetBits
GPIO_WriteBit
GPIO_Write

cài đặt mặc định từ trước
Thiết lập lại chức năng thay thế của các thiêt bị ngoại vi đã
được mặc định từ trước.
Khởi tạo các thiết bị ngoại vi GPIOx theo các thông số quy
định trong hàm GPIO_InitStruct.
Khởi tạo mỗi tham số trong GPIO_InitStruct với các giá trị
mặc định từ trước.
Đọc giá trị vào mỗi Pin của Port được chỉ định
Đọc dữ liệu vào của cả Port được chỉ định
Đọc dữ liệu ra mỗi pin của Port được chỉ định trong hàm
Đọc dữ liệu ra của cả Port được chỉ định trong hàm
Đưa Pin trên Port được chọn lên 1
Xóa Pin trên Port được chọn về 0
Đặt hoặc xóa dữ liệu của Pin trên Port được chọn
Ghi dữ liệu theo cả cổng vào các GPIO được chọn

3.2 Hệ thống cảm biến
3.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống như sau:

Đ

Đ

Đ

Đ

C
B

C

C

C

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Opamp

Khối
Nguồn

Trang 11


Trong đó: - Hình tròn màu vàng tượng trưng cho đèn led
Hình tròn màu đỏ tượng trưng cho cảm biến
Hình chữ nhật màu đen-trắng tượng trưng cho điôt để phân áp
Opamp sử dụng trong mạch là LM324
Mũi tên đen biểu thị cho tín hiệu vào khối
-

3.2.2 Các linh kiện cấu thành mạch
3.2.2.1 Led
Led trắng, xanh lam, vàng cho cường độ ánh sáng mạnh nhất dễ tác động lên cảm
biến, nhưng trong quá trình làm thực tế thì nhóm chọn led vàng vì nó làm cho cảm biến
nhạy nhất với vạch đen và vạch trắng.

3.2.2.2. Quang trở
Khi không được chiếu sáng điện trở của quang trở khoảng 180 000 ohms. Khi
được chiếu sáng , điện trở này xuống rất thấp.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 12


Quang trở trong mạch được lắp theo sơ đồ như hình bên dưới để nhận biết vạch:

Hoạt động của quang trở trong mạch như sau:
Mắc các linh kiện như sơ đồ hình vẽ thì Up=12
U N = 12
Ta quy ước trên sơ đồ nguyên lý khi có đèn chiếu vào quang trở tương đương với khi
cảm biến ở ngoài vạch trắng ở mạch thật và khi không có đèn chiếu sáng ở sơ đồ nguyên
lý tương đương với khi cảm biến ở trong vạch đen ở mạch thật.
+ Khi không có ánh sáng chiếu vào quang trở thì điện trở của quang trở vô cùng lớn,
max có thể đạt 180 kΩ, làm cho UP mức logic 0).
+ Khi có ánh sáng chiếu vào quang trở thì điện trở của quang trở giảm xuống rất nhỏ, có
thể xấp xỉ 0 Ω, làm cho UP >UN, làm điện áp đầu ra bằng
+Ura max = ~ 80%
*UV =0.8*5V= ~ 4V ( ứng với mức logic 1) .

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 13


=> Hiểu một cách đơn giản thì khi có ánh sáng chiếu vào quang trở thì đầu ra của opamp
mang mức logic 1, còn khi không có ánh sáng chiếu vào quang trở thì đầu ra của opamp
mang mức logic 0.
3.2.2.3. Điện trở
Điện trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dòng điện của
Điện trỏ . Điện trở kháng được định nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa hai đầu vật thể
đó với cường độ dòng điện đi qua nó:

trong đó:
U: là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đo bằng vôn (V).
I: là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đo bằng ampe (A).
R: là điện trở của vật dẫn điện, đo bằng Ohm (Ω).
Trong mạch cảm biến này thì điện trở làm 2 nhiệm vụ hạn dòng và phân áp:
+ Điện trở hạn dòng cho Led và quang trở sử dụng trở 100 ohm.

+ Điện trở để phân áp dùng điện trở 510 ohm.

3.2.2.4. Opamp
Opamp , như tên gọi của nó, ban đầu được chế tạo ra để sử dụng cho các thao tác
tính toán analog. Người ta gọi nó là mạch khuếch đại thuật toán, và với kết cấu của nó,
chỉ bằng sự thay đổi các linh kiện bên ngoài, người ta có thể là được rất nhiều bài toán
khác nhau: cộng, trừ, nhân, chia, vi phân, tích phân, …
Những opamp đầu tiên được chế tạo bằng linh kiện rời, thành những khối độc lập,
với nguyên lý khác hẳn bây giờ, dùng mạch băm để biến đổi một chiều thành xoay chiều,
khuếch đại điện áp sau khi băm và cuối cùng đầu ra là mạch tách sóng nhạy pha. Sau này
khi kĩ thuật vi mạch hoàn thiện, người ta có được sự đồng nhất tương đối giữa các phần tử
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 14


trên chíp, người ta không phải lo nghĩ nhiều về việc trôi điện áp, nên không cần thiết đến
kĩ thuật băm điện áp nữa.
Từ việc dùng cho mạch tính toán trong các máy tính tương tự ngày xưa, người ta
phát hiện ra nó còn có thể ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nữa: Khuếch đại, so
sánh, chuyển đổi tín hiệu, ….
LM324 là bộ gồm 4 mạch khuếch đại thuật toán (operational amplifier, op amp,
opamp) độc lập giống hệt nhau được đặt trong cùng một vỏ bọc.

Thông thường một bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) thì cần phải có nguồn đôi.
Tức là phải có nguồn dương và nguồn âm. Chẳng hạn như Opamp 741.
Tuy nhiên các Opamp trong LM324 được thiết kế đặc biệt để sử dụng với nguồn
đơn. Tức là bạn chỉ cần Vcc và GND là đủ.
Một điều đặc biệt nữa là nguồn cung cấp của LM324 có thể hoạt động độc lập với
nguồn tín hiệu. Ví dụ nguồn cung cấp của LM324 là 5V nhưng nó có thể làm việc bình
thường với nguồn tín hiệu ở ngõ vào V+ và V- là 15V.
 Vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạch với IC LM324:
- Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm từ 5V~32V.
- Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng trừ 15V đối với nguồn đôi.
- Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 15


- Điện áp ngõ ra: từ 0 ~ (Vcc - 1,5V).
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink): dòng đẩy tối đa đạt
được 20mA.
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce): dòng hút tối đa có thể lên
đến 40mA.
- Tần số hoạt động của LM324: 1MHz
- Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100 dB.


3.2.2.5. Khối phân áp:
Điốt Zener, còn gọi là "điốt đánh thủng" hay "điốt ổn áp" là loại điốt được chế tạo tối
ưu để hoạt động tốt trong miền đánh thủng. Khi sử dụng điốt này mắc ngược chiều lại,
nếu điện áp tại mạch lớn hơn điện áp định mức của điốt thì điốt sẽ cho dòng điện đi qua
(và ngắn mạch xuống đất bảo vệ mạch điện cần ổn áp) và đến khi điện áp mạch mắc bằng
điện áp định mức của điốt - Đây là cốt lõi của mạch ổn áp.
Ta có kít arm cortex hiểu mức logic 0 ( 0v -0.8v), mức logic 1 (0.8v-3v). Như trên đã
phân tích thì đầu ra mức cao của opamp so sánh là 4v, với mức điện áp này thì không thể
giao tiếp được với kít ( hay nói cách khác là không tương thích TTL) do đó ta phải sử
dụng diode zener 3,3v để phân áp lấy điện áp từ điện áp đầu ra của opamp so sánh để tạo
mức điện áp phù hợp giao tiếp với kít.

3.2.2.6 Jump

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 16


3.2.2.7 . Tụ lọc nguồn
Tụ điện được sử dụng rất nhiều trong kỹ thuật điện và điện tử, trong các thiết bị
điện tử, tụ điện là một linh kiện không thể thiếu đươc, mỗi mạch điện tụ đều có một công
dụng nhất định như truyền dẫn tín hiệu , lọc nhiễu, lọc điện nguồn, tạo dao động ..vv... Và
trong mạch này tụ được sử dụng chủ yếu với chức năng lọc nguồn để tạo điện áp một
chiều phẳng cung cấp cho tải tiêu thụ, tụ điện có điện dung càng lớn thì điện áp DC càng
phẳng.

Hình 3.1 Điện áp đầu ra không được lọc nguồn bằng tụ

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 17


Hình 3.2 Điện áp đầu ra được lọc nguồn bằng tụ 1000 micro

Hình 3.3 Điện áp đầu ra được lọc nguồn bằng tụ 2200 micro
3.3 Khối điều khiển động cơ

Out1

Out2

Đ

Đ
L298

In1

In2
Nguồn cung cấp

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 18


Trong đó: Hinh chữ nhật màu xanh lam tượng trưng cho điện trở hạn dòng
Hình chữ nhật màu đen-trắng tượng trưng cho diode bảo vệ L298
Mũi tên màu đỏ tượng trưng cho tín hiệu ra từ mạch điều khiển động cơ
Mũi tên màu vàng tượng trưng cho tín hiệu vào mạch điều khiển động cơ
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau
Tín hiệu điều khiển động cơ từ khối “ xử lý và điều khiển” được gửi xuống 4 chân
tín hiệu vào thuộc In1, In2. Tùy thuộc vào trạng thái lệnh được gửi xuống từ vi xử lý nó
mà cầu H sẽ đóng -mở các transistor hợp lý xuất tín hiệu ra 2 đầu OUT1,OUT2 để điều
khiển động cơ quay tiến hay quay lùi.
3.3.1

IC L298

IC L298 là mạch tích hợp đơn chíp có kiểu vỏ công suất 15 chân. Là IC cầu đôi có
khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao. Nó được thiết kế để tương thích chuẩn TTL
và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước. Nó có 2
chân enable ( cho phép) hoặc không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu
vào. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi mạch cầu được nối với nhau và nối ra
chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cản. Nó có thêm 1 chân cấp nguồn giúp
mạch logic có thể hoạt động ở điện thế thấp hơn BLOCK DIAGRAM.

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 19


Hình 3.4 Sơ đồ khối của IC L298

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 20


3.3.2

Mạch bảo vệ động cơ

Theo sơ đồ nguyên lý của L298 ta thấy, ví dụ khi mắc động cơ ở 2 đầu ra out1 và
out2 . Dưới tác dụng điều khiển của dòng điện, động cơ quay, theo nguyên lý cảm ứng
điện từ ta có khi cuộn dây quay trong từ trường của nam châm thì rất dễ gây ra dòng điện
cảm ứng cản trở lại nguyên nhân sinh ra nó, tức là cản trở lại dòng điện gây quay động cơ.
Dòng điện ngược này sẽ tác động liên tục giữa 2 cực E và B của transistor phía trên bên
trái, đó là tác động ngược lại với tiếp giáp P-N do đó sẽ rất dễ làm hỏng con transistor này
=> dễ làm hỏng cầu H. Do đó trong quá trình thực hiện làm mạch thực tế thì nhóm đã
sửdụng thêm diode 1N4007 để bảo vệ động cơ khỏi tác động tiêu cực đó của dòng điện
ngược sinh ra khi động cơ quay theo sơ đồ như hình vẽ bên dưới

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 21


Việc mắc diode kiểu này còn làm hạn chế tác động tiêu cực tới IC L298 khi tất cả
các đầu vào input ở mức cao - mức khiến các diode đều thông => gây ra hiện tượng ngắn
mạch cực kì nguy hiểm trong mạch điện => rất dễ làm cháy cầu H và làm hỏng động cơ.
3.3.3 Khối nguồn
Cấp nguồn cho khối đèn – quang trở, khối opamp so sánh, khối phân áp.

Khối nguồn sử dụng 2 IC là : 7805 tạo điện áp chuẩn cung cấp cho IC L298, kít
Arm Cortexhoạt động, IC 7809 để tạo điện áp đầu ra 9v cho động cơ hoạt động. Trên khối
nguồn có J1 gồm 3 chân được nối như hình vẽ để chuyển chế độ hoạt động cho mạch
nguồn thông qua cầu nối nối giữa chân 1-2 hoặc 2-3.
A, 7805 và 7809

Cả 7805 và 7809 đều thuộc loại để ổn định điện áp dương đầu ra với điều kiện đầu
vào luôn lớn hơn đầu ra 3v. Chúng có 3 chân:
1: Vin – Chân nguồn đầu vào
2: GND – Chân nối đất chung
3: Vout – Chân nối nguồn đầu ra.
Dòng cực đại của nó có thể duy trì ở 1A, dòng đỉnh là 2.2A.
Công suất tiêu tán trên ổn áp nối tiếp được tính theo công thức sau:
Ptiêu tán = ( Uin - U out) *I
Trong đó:
Uin - áp lối vào
Uout – áp lối ra
I – là dòng sử dụng.
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 22


Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt là 2W,công suất tiêu tán nếu
dùng tản nhiệt đủ lớn là 15W nếu vượt quá ngưỡng này thì 78xx sẽ bị cháy, nên trong
thực tế ta chỉ nên dùng công suất tiêu tán =1/2 giá trị trên. Các giá trị khác cũng không
nên dùng gần giá trị max với thông số trên, tốt nhất là nên dùng <= 2/3 max. Hơn nữa các
thông số trên áp dụng cho điều kiện chuẩn nhiệt độ là 25 dộ C.
Thực tế lối ra của 7805 có thể đạt giá trị nào đó trong khoảng 4.8V-5.2V, lối ra của
7809 có thể đạt giá trị trong khoảng 8.7V-9.1V . Nên nếu điện áp ra không chuẩn 5v hoặc
9v thì không nên vội kết luận là hỏng IC rồi thay. Một điều quan tâm nữa là trong dòng IC
78xx có bảo vệ chập tải, nên nếu ta lỡ làm chập thì chưa hẳn 78xx đã hỏng đâu. Nên để
một lúc rồi lấy đồng hồ kiểm tra lại cho chắc.
3.4 Module thu – phát sóng RF

Hình 3.4.1 Module phát
Hình 3.4.2 Module thu
Giới thiệu: PT2262 và PT2272 là sản phẩm của Princeton Technology được phát
triển và ra đời sau dòng mã hóa 12E/D của hãng Holtek PT2262 có 2 loại chính : loại có 8
địa chỉ mã hóa , 4 địa chỉ dữ liệu và loại có 6 địa chỉ mã hóa và 6 địa chỉ dữ liệu. Mã hóa
12 bit 1khung A0
-->A7,D0-->D3 ( * các linh kiện PT2262 đưa vào việt Nam chỉ có
loại PT2262 với 8 địa chỉ mã hóa và 4 địa chỉ dữ liệu. -- Tương tự với PT2262 có 2 kiểu
thì PT2272 cũng có 2 kiểu : PT2272 có 8 địa chỉ giải mã và 4 dữ liệu đầu ra Thường được
kí hiệu : PT2272 - L4 + một loại nữa là PT2272 có 6 địa chỉ giải mã và 6 giữ liệu ra : kí
hiệu PT2272 - L6 . ( loại L4 là thông dụng ở việt nam và ít có loại L6 ). PT2262 có " 3
mũ 12 " mã hóa tức là có thể mã hóa 531441 mã mới có thể trùng lặp lại. So với thằng
anh HT12E ra đời trước nó thì nó trội hơn hẳn về cái khoản mật mã này. ( HT12E chỉ có 2
mũ 12 mã hóa ) cách mã hóa PT2262 có thể làm được bằng cách nối ngắn mạch các chân
" mã hóa địa chỉ " lên dương nguồn ( mã hóa + ) và xuống âm nguồn ( mã hóa - ) hoặc có
thể bỏ trống ( mã hóa 0 ). + Dữ liệu + mã hóa được truyền trên một khung 12 bit gồm 8
bit đầu là mã hóa (A0-->A7 ) và 4 dữ liệu . Bởi vậy bạn có thể truyền được song song 4
bit dữ liệu 0 hoặc 1. nếu để truyền dữ liệu thì nên để mặc định cho 4 chân dữ liệu này là 0
hoặc là 1 bằng cách nối thêm điện trở " kéo lên " hoặc " đưa xuống GND) để tránh nhiễu.
PT2262 dùng dao động ngoài : đơn giản là chỉ cần lắp thêm 1 điện trở dao động vào chân
15 và chân 16 của PT2262. + Tín hiệu encoder được đưa ra ở chân 17 của PT2262, chân
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 23


này thường ở mức 1 khi tín hiệu nghỉ và mức 0 khi tín hiệu hoạt động. Tín hiệu đưa ra
gồm : sóng mang dao động < 700KHz + địa chỉ mã hóa + dữ liệu. + Tần số Sóng mang
dao động được quyết định bởi R chân 15 và 16 và được tính bằng : f = R/12 . Ví dụ : mắc
điện trở 470k vào chân 15 và 16 đầu ra chân 17 sẽ có 470/12 = khoảng 39Khz ( cái này có
thể làm điều khiển hoặc truyền dữ liệu bằng hồng ngoại với con PT2262 đấy nhé. )
( PT2262 có điện áp rộng : Có thể làm việc được từ 2,5V đến 15 V . PT2272 là con giải
mã của PT2262 nó cũng có 8 địa chỉ giải mã tương ứng + 4 dữ liệu ra + 1 chân báo hiệu
mã đúng VT ( chân 17 ).Cách giải mã như sau : Chân 15 và 16 cũng cần một điện trở để
làm dao động giải mã . Trong dải hồng ngoại hoặc dưới 100KHz có thể dùng R rất lớn
hoặc không cần. Nhưng từ khoảng 100KHz dao động trở lên --- thì bắt buộc phải dùng R
để tạo dao động cho PT2272. Giá trị R của PT2272 sẽ bằng khoảng : ( Giá trị R của
PT2262) chia cho 10 ---> ví dụ : PT2262 mắc điện trở 4,7 megaom thì PT2272 sẽ mắc
470k giải mã : các chân mã hóa của PT2262 ( chân 1 đến chân 8 ),nối thế nào thì các chân
giải mã của PT2272 cũng phải nối tương tự như vậy. Chân nào nối dương, chân nào nối
âm, chân nào bỏ trống ...v.v thì chân ( 1 đến 8 )của PT2272 hãy làm như thế . Khi truyền
một mã đúng và giải mã đúng thì chân 17 của PT2272 sẽ có điện áp cao đưa ra , báo hiệu
là đã đúng mã hóa. 4 chân dữ liệu có thể truyền song song, nối tiếp rất độc lập.
3.4.1 Sơ đồ mạch phát dung IC PT2262

Hình 3.4.1.1: Sơ đồ mạch phát dùng IC PT2262
Các chân A0 đến A7 là các chân mã hóa. Nếu các chân này ở mạch PT2262 được dung
như thế nào thì PT2272 cũng được dung như vậy. Khi đó thì các mạch phát và mạch thu
sẽ hiểu nhau, còn mấy mạch phát khác sẽ không nhận ra.
Các chân 10 đến 13 là các chân data khi truyền. Như vậy IC này có thể truyền song song
4 bit. Chân 15 và 16 dùng để gắn điện trở tạo thành tần số truyền như mong muốn.Giá trị
điện trở ở chân 15 và 16 ở IC PT 2272 nhỏ hơn 10 lần so với PT2262. Chân 17 dùng để
truyền dữ liệu và khi truyền sẽ ở mức 0v.
3.4.2 Sơ đồ mạch thu dùng IC PT2272
Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 24


Hình 4.2.3 Sơ
đồ mạch thu dùng
IC PT2272
Chân 17 PT
2272 sẽ lên mức 1
khi nhận được dữ
liệu đúng. Các
chân 10 đến 13 sẽ nhận data và thể hiện mức logic tương ứng khi nhận.
3.5 Bộ giảm tốc

-

Điện áp hoạt động : 3V – 9V DC ( Hoạt động tốt nhất từ 6V -8V).
Mômen xoắc cực đại : 800gf cm min 1:48 ( 3v)
Tốc độ không tải : 125 vòng / 1 phút (3V), 208 vòng / 1 phút ( 5v).
Dòng không tải là : 70 mA, dòng max cực đại là 250 Ma
Một số thông số lắp ghép cấu thành khác:

Đồ án thiết kế hệ thống Nhúng

Trang 25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×