Tải bản đầy đủ

Thiết kế robot dò đường theo vạch

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
Thiết Kế Robot Dò Đường Theo Vạch

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
Mục Lục

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Lời Nói Đầu

Ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể thiếu được
của con người. dưới sự xuất hiện của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể trong
đời sống hằng ngày, có thể nói điều khiển tự động đang chi phối dần cuộc sống của
chúng ta. Con người đang cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc
thay cho con người. Chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền
công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình. Để tìm ra các ý
tưởng sáng tạo hay hàng năm đề diễn ra cuộc thi robocon châu á thái bình dương
đó là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp dụng vào thực tế.
Cũng chính vì mục đích đó mà chúng em thực hiện đồ án điều khiển robot
dò đường. nó lại là bước khởi đầu trong lập trình robot để robot có thể thực hiện
các công việc tiếp theo. Đây chỉ là một công việc nhỏ của lập trình điều khiển
robot nhưng qua quá trình thiết kế và thi công đề tài chúng em đã rút ra được rất
nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu. Mục đích của đề tài hướng đến là tạo ra bước
đầu cho sinh viên thử nghiệm những ứng dụng của vdk trong thực tiễn để rồi từ đó
tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác trong đời sống hằng ngày cần đến.
Mặc dù đã cố gắng hết sức mình để hoàn thành xong đồ án môn học bằng
các kiến thức đã học, một số sách tham khảo và một số nguồn tài liệu khác nhưng
cũng không tránh khỏi những thiếu sót. Do vậy, chúng em rất mong được sự góp ý
quý báu của thầy cô và các bạn để đề tài có thể hoàn thiện ở mức cao nhất.
Em xin thay mặt nhóm gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn Nguyễn
Ngọc Minh và các bạn lớp D09DTMT đã giúp đỡ nhiệt tình để chúng em hoàn
thành đồ án này!

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Phần Một: Mục đích thiết kế đề tài
1.1

Công cụ mô tả phần cứng VHDL

VHDL là một ngôn ngữ mô tả phần cứng (hardware description language),
mô tả hành vi của mạch điện hoặc hệ thống, từ đó mạch điện vật lý hoặc hệ thống
có thể được thực thi.
VHDL là viết tắt của VHSIC Hardware Description Language. Bản thân
VHSIC là viết tắt của Very High Speed Integrated Circuits (mạch tích hợp tốc độ


cao), lần đầu tiên được sáng lập bởi United State Department of Defense trong
những năm 80, sau đó tạo ra VHDL. Phiên bản đầu tiên là VHDL 87, lần nâng cấp
sau đó có tên là HDL 93. VHDL là ngôn ngữ mô tả phần cứng nguyên gốc đầu tiên
được chuẩn hóa bởi Institue of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), tới
chuẩn IEEE 1076. Trong IEEE 1164, có một chuẩn được thêm vào là giới thiệu hệ
thống logic đa giá trị (multi-valued logic system).
Động cơ thúc đẩy cơ bản khi dùng VHDL (hay dùng Verilog) là VHDL là
một ngôn ngữ độc lập chuẩn của các nhà công nghệ, các nhà phân phối do đó
chúng có khả năng portable và kế thừa cao (reusable). Hai ứng dụng trực tiếp
chính của VHDL là trong mảng các thiết bị logic lập trình được (Programmable
Logic Devices) (bao gồm CPLDs – Complex Programmable Logic Devices và
FPGAs – Field Programmable Gate Arrays). Mỗi khi mã nguồn VHDL được viết,
chúng có thể được dùng để thực thi mạch điện trong các thiết bị lập trình được (từ
Altera, Xilinx, Almel,...) hoặc có thể gửi đến các xưởng chế tạo các chíp ASIC.
Hiện này, rất nhiều các chip thương mại phức tạp (ví dụ như các microcontrollers )
được thiết kế dựa trên cách tiếp cận này.
Một điều chú ý về VHDL là trái ngược với các chương trình máy tính thông
thường được thực hiện tuần tự thì các câu lệnh được thực hiện song
song (concurrent). Vì lí do đó, nên VHDL thường được coi là một mã nguồn hơn là
một chương trình. Trong VHDL chỉ có các câu lệnh đặt trong PROCESS,
FUNCTION, hay PROCEDURE được thực thi tuần tự.
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
Một trong những tiện ích lớn của VHDL là cho phép tổng hợp mạch điện
hoặc hệ thống trong thiết bị khả lập trình (programmable devide) (PLD hoặc
FPGA) hoặc trong một hệ ASIC.
1.2

Công cụ và ngôn ngữ lập trính FPGA

PLD là viết tắt của từ tiếng anh Programmable Logic Device. Nó
trước hết là các ICs (Integrated Circuits) chứa trong nó các đơn vị logic số
và các liên kết khả trình để hình thành nên một mạch điện tử số.
Về cơ bản, nó cho phép các nhà thiết kế "cấu hình" các đơn vị logic số
cũng như các liên kết giữa các đơn vị này để hình thành một mạch điện tử số
nội bên trong một IC đơn. Trong IC này, tài nguyên phần cứng được cấu
hình để thực hiện một chức năng yêu cầu nào đó. Bằng cách thay đổi cấu
hình cứng, các PLD có thể thực hiện những chức năng khác nhau. PLD có
ba loại chính: Simple PLD (PLA, PAL, GAL), Complex PLD và FPGA. Các
nhà sản xuất PLD lớn:
- Achronix Semiconductor Corporation
- Actel Corporation
- Altera Corporation
- Atmel Corporation
- Cypress Semiconductor
- Lattice Semiconductor Corporation
- Quicklogic Corporation
- Xilinx
Các phương pháp và công cụ thiết kế mạch logic khả trình:
Về cơ bản, mỗi nhà sản xuất đều có một công cụ hỗ trợ thiết kế miễn
phí đối với các PLD của chính hãng. Tất nhiên các công cụ miễn phí này đều
có những giới hạn nhất định trong thiết kế tuỳ từng hãng. Dưới đây là tóm
tắt các công cụ của từng hãng:
- Actel Corporation: Libero IDE
- Altera Corporation: Quartus II
- Altium: Altium Designer
- Atmel Corporation: Integrated Development System (IDS)
- Cypress Semiconductor: Warp
- Lattice Semiconductor Corporation: ispLEVER
- Mentor Graphics: FPGA Advantage
- Quicklogic Corporation: QuickWorks
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
- Synplicity: Synplify Pro
- Xilinx: ISE
Tuy mỗi công cụ của các hãng có giao diện tương tác với người sử
dụng khác nhau tuy nhiên tất cả đều có điểm chung là cung cấp những chức
năng cơ bản để tạo và thực hiện một thiết kế trên các PLD của hãng. Đây là
sơ đồ khối của một quá trình thiết kế với PLD.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

- Design entry: Đưa thiết kế vào trong công cụ phần mềm của hãng bằng
cách kết hợp sơ đồ mạch (schematic capture), thiết kế HDL (Hardware
Description Language) và đồ hình trạng thái (State Machine flow diagram)
- Design simulation: Khi thiết kế đã được đưa vào trong công cụ, vấn đề tiếp
theo là mô phỏng để kiểm tra xem thiết kế có lỗi kô so với yêu cầu đặt ra của
bài toán.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
- HDL code synthesis: thường là ở mức RTL, thiết kế HDL được "tổng hợp"
dưới dạng mạch logic số theo (in terms of) các cổng logic và liên kết giữa
các cổng logic này (netlist).
- Fit or Place and Route: Một cách đại khái, đây là quá trình mapping thiết
kế với tài nguyên phần cứng trên PLD, nghĩa là xác định phần nào của PLD
thực hiện chức năng gì trong thiết kế và các khối chức năng đó liên kết với
nhau như thế nào.
- Configuration file generation: Tạo tệp cấu hình cho PLD.
1.3

Robot dò đường theo vạch

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 trìnhlại được) dưới sự điền khiển tự động để thực
hiện thành công công việc được giao.
Là một dạng robot tự hành, robot dò đường theo vạch hoạt động theo
nguyên tắc bám theo đường vạch (đen) mong muốn để tới đích và sẽ tự quay
đầu trở lại điểm xuất phát khi hết vạch. Tuy nhỏ nhưng robot dò đường theo
vạch là khởi đầu cho những robot tiên tiến sau này. Không thể không kể tới
những ứng dụng mà robot dò đường được tích hợp như: nghiên cứu, tìm
đường, vận chuyển…

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Phần Hai: Thiết Kế Phần Cứng
2.1 Hệ thống cảm biến
2.1.1 Định nghĩa
- Trong một con robot cơ bản. Một trong những phần quan trọng nhất trong robot
chính là hệ thống cảm biến. Vậy cảm biến là gì?
+ Cảm biến được định nghĩa là các giác quan của robot.Robot cần xác định trạng
thái của môi trường bên ngoài( như là các vạch trắng, màu sắc của các chướng ngại
vật….) để gửi trạng thái môi trường đến bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều
khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài ấy.
2.1.2 Các loại cảm biến.
-Trong kỹ thuật robot người ta sử dụng nhiều loại cảm biến như là:
+ Led hồng ngoại (Bộ phát thu hồng ngoại)
+ Quang điện trở (PHOTORESISTANCE) : cds hoặc cdse
+ Tế bào quang điện
+ Cảm biến công nghiệp
+ Camera số trong công nghệ xử lý ảnh
Trong đề tài này chúng tôi xin được giới thiệu một số thiết bị cảm biến thông dụng.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 9


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
2.1.3 Led hồng ngoại (Light Emiting Diode )

Hình 2.1 Ảnh của một bộ thu phát hồng ngoại
Led hồng ngoại là một loại cảm biến được sử dụng rất nhiều và giá thành rẻ.

1.Cơ chế hoạt động.
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Như trên chúng ta thấy hình bên trái : Light Source là một bộ phát hồng ngoại hoặc
là một nguồn sang nào đó có tia hồng ngoại.Khi chiếu xuống 1 bề mặt màu đen
hoặc bề mặt có màu sẫm, tối thì các ánh sáng sẽ được bề mặt hấp thụ & lượng ánh
sáng bị bức xạ trở lại rất ít, nên bộ thu nhận được ánh sáng phản hồi ít.
Ta xét hình bên trái : Khi bề mặt màu trắng hoặc màu sáng thì ánh sáng được phát
bởi bộ phát hồng ngoại thì sẽ không bị hấp thụ bởi bề mặt mà bị hất dội ngược lại
và khi đó đầu thu sẽ thu một lượng tia hồng ngoại lớn.
=> Do đó Led hồng ngoại có thể phân biệt được bộ cảm biến đang chiếu vào một
vật màu sáng hay màu tối để truyền tới bộ xử lý.
2.Cấu tạo bộ phát hồng ngoại :

Cấu tạo bộ phát hồng ngoại

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
Hình trên là cấu tạo của đèn led phát hồng ngoại.Chân anode được nối với cực
dương của nguồn điện.Chân cathode được nối đất(cực âm) Thông thường thì chân
anode dài hơn chân cathode.
3. Cấu tạo bộ thu hồng ngoại :

Cấu tạo bộ thu hồng ngoại
Cấu tạo Quang trở gồm một lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng
hạn) phủ trên một tấm nhựa cách điện . Có hai điện cực và gắn vào lớp chất bán
dẫn đó.
Nối một nguồn khoảng vài vôn với quang trở thông qua một miliampe kế. Ta
thấy khi quang trở được đặt trong tối thì trong mạch không có dòng điện. Khi chiếu
quang trở bằng ánh sáng có bước sóng ngắn(ánh sáng hồng ngoại…)hơn giới hạn
quang dẫn của quang trở thì sẽ xuất hiện dòng điện trong mạch.
Điện trở của quang trở giảm đi rất mạnh khi bị chiếu sáng bởi ánh sáng nói
trên. Đo điện trở của quang trở CdS, người ta thấy: khi không bị chiếu sáng, điện
trường của nó vào khoảng 3.10 6 om; khi bị chiếu sáng, điện trở của nó chỉ còn
khoảng 20 om .

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
2.1.4 Sơ đồ nguyên lý của bộ cảm biến :

Sơ đồ nguyên lí của bộ cảm biến
+ Led ở đây là bộ phát hồng ngoại còn quang trở là bộ thu.
Nguyên lí hoạt động:
Trong sơ đồ nguyên lý trên ,cặp led thu phát được đặt sát nhau ,một chân của
quang trở được đưa và LM324 .LM324 là IC khuếch đại so sánh ,mục đích
khuyếch đại tín hiệu từ sensor. Khi hoạt động ,led phát chiếu tia hồng ngoại xuống
sân thi đấu ,khi chùm tia hồng ngoại chiếu xuống nền đen , quang trở không nhận
được chùm phản xạ nên không dẫn ,điện trở bằng vô cùng ,tín hiệu ra LM324 là
mức 1 được đưa vào FPGA.Tương tự ,khi robot gặp nền trắng quang trở nhận
được chùm phản xạ,điện trở giảm nên dẫn,tín hiệu ra LM323 là mức 0 được đưa
vào FPGA.

2.2. Mạch công suất điều khiển động cơ.
Động cơ một chiều có cấu tạo từ hai bộ phận : Bộ phận đứng yên có cấu tạo
từ nam châm vĩnh cửu được gọi là Stato và một bộ phận quay được cấu tạo từ một
nam châm nhân tạo có cấu tạo từ một cuộn dây đồng có lõi là một thanh kim loại
được gọi là Rotor.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
2.2.1. Hoạt động của DC motor

Khi cho dòng điện một chiều đi qua motor sẽ khiến motor quay theo chiều.

Khi ta đảo 2 cực của dòng điện động cơ đảo chiều
Động cơ DC cho dòng điện một chiều chạy qua và làm quay Roto dẫn đến
motor quay, nếu ta đổi chiều dòng điện thì motor sẽ quay theo chiều ngược lại.Do
đó có thể điều chỉnh được hướng quay của motor.Đặc tính kỹ thuật của hầu hết
động cơ motor là tốc độ quay (Vòng/phút) cao và moment ngẫu lực thấp. Nhưng
mà hầu hết Robot cần tốc độ quay chậm và moment ngẫu lực cao. Do đó một hộp
số có thể được lắp vào DC motor nhằm giảm tốc độ quay và làm tăng moment
ngẫu lực.Trên hộp số thường ghi rõ chỉ số truyền động chỉ trước và sau hộp số.
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
Ví Dụ: Tốc độ quay của một DC motor là 1000 Vòng/ Phút được gắn vào
một hộp số 1000/ 1. Có nghĩa là tốc độ quay của đầu ra hộp số được 1/1000 của tốc
độ DC motor khi chưa gắn hộp số -> Vận tốc hộp số bằng vận tốc DC motor chia
cho 1000.
2.2.2 Mạch cầu H điều khiển động cơ
Giả sử bạn có một động cơ DC có 2 đầu A và B, nối 2 đầu dây này với một
nguồn điện DC (ắc qui điện – battery). Ai cũng biết rằng nếu nối A với cực (+), B
với cực (-) mà động cơ chạy theo chiều thuận (kim đồng hồ) thì khi đảo cực đấu
dây (A với (-), B với (+)) thì động cơ sẽ đảo chiều quay. Tất nhiên khi bạn là một
“control guy” thì bạn không hề muốn làm công việc “động tay động chân” này
(đảo chiều đấu dây), bạn ắt sẽ nghĩ đến một mạch điện có khả năng tự động thực
hiện việc đảo chiều này, mạch cầu H (H-Bridge Circuit) sẽ giúp bạn. Như thế,
mạch cầu H chỉ là một mạch điện giúp đảo chiều dòng điện qua một đối tượng.
Tuy nhiên, rồi bạn sẽ thấy, mạch cầu H không chỉ có một tác dụng “tầm thường”
như thế. Nhưng tại sao lại gọi là mạch cầu H, đơn giản là vì mạch này có hình chữ
cái H.

Mạch cầu H.
Trong hình, xem 2 đầu V và GND là 2 đầu (+) và (-) của ắc qui, “đối tượng”
là động cơ DC mà chúng ta cần điều khiển, “đối tượng” này có 2 đầu A và B, mục
đích điều khiển là cho phép dòng điện qua “đối tượng” theo chiều A đến B hoặc B
đến A. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của chúng ta chính là 4 “khóa” L1,
L2, R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch
cầu H không hoạt động. Tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát hoạt động của mạch cầu H
thông qua các hình minh họa:
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Nguyên lý hoạt động mạch cầu H.
Giả sử bằng cách nào đó (cái cách nào đó chính là nhiệm vụ của người thiết
kế mạch) mà 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), bạn dễ dàng
hình dung có một dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối
tượng đến đầu B của nó trước khi qua khóa R2 và về GND (như hình 2a). Như
thế, với giả sử này sẽ có dòng điện chạy qua đối tượng theo chiều từ A đến B. Bây
giờ hãy giả sử khác đi rằng R1 và L2 đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại
xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua đối tượng theo chiều từ B đến A như trong
hình 2b (V->R1->B->A->L2->GND). Vậy là đã rõ, chúng ta có thể dùng mạch cầu
H để đảo chiều dòng điện qua một “đối tượng” (hay cụ thể, đảo chiều quay động
cơ) bằng “một cách nào đó”.
Chuyện gì sẽ xảy ra nếu ai đó đóng đồng thời 2 khóa ở cùng một bên (L1 và
L2 hoặc R1 và R2) hoặc thậm chí đóng cả 4 khóa? Rất dễ tìm câu trả lời, đó là hiện
tượng “ngắn mạch” (short circuit), V và GND gần như nối trực tiếp với nhau và
hiển nhiên ắc qui sẽ bị hỏng hoặc nguy hiểm hơn là cháy nổ mạch xảy ra. Cách
đóng các khóa như thế này là điều “đại kị” đối với mạch cầu H. Để tránh việc này
xảy ra, người ta thường dùng thêm các mạch logic để kích cầu H, chúng ta sẽ biết
rõ hơn về mạch logic này trong các phần sau.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 16


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
Giả thuyết cuối cùng là 2 trường hợp các khóa ở phần dưới hoặc phần trên
cùng đóng (ví dụ L1 và R1 cùng đóng, L2 và R2 cùng mở). Với trường hợp này, cả
2 đầu A, B của “đối tượng” cùng nối với một mức điện áp và sẽ không có dòng
điện nào chạy qua, mạch cầu H không hoạt động. Đây có thể coi là một cách
“thắng” động cơ (nhưng không phải lúc nào cũng có tác dụng). Nói chung, chúng
ta nên tránh trường hợp này xảy ra, nếu muốn mạch cầu không hoạt động thì nên
mở tất cả các khóa thay vì dùng trường hợp này.
Sau khi đã cơ bản nắm được nguyên lý hoạt động của mạch cầu H, phần tiếp
theo chúng ta sẽ khảo sát cách thiết kế mạch này bằng các loại linh kiện cụ thể.
Như tôi đã trình bày trong phần trước, thành phần chính của mạch cầu H chính là
các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử
dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ của đối tượng và
cả hiểu biết, điều kiện của người thiết kế. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H
thường được chế tạo bằng rờ le (relay), BJT (Bipolar Junction Transistor) hay
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor). Phần thiết kế
mạch cầu H vì vậy sẽ tập trung vào 3 loại linh kiện này. Trong mỗi cách thiết kế,
tôi sẽ giải thích ngắn gọn nguyên lý cấu tạo và hoạt động của từng loại linh kiện để
bạn đọc dễ nắm bắt hơn.
Mạch cầu H dùng MOSFET.
MOSFET là viết tắt của cụm Meta Oxide Semiconductor Field-Effect
Transistor tức Transisor hiệu ứng trường có dùng kim loại và oxit bán dẫn. Hình 11
mô tả cấu tạo của MOSFET kênh n và ký hiệu của 2 loại MOSFET kênh n và kênh
p.
MOSFET có 3 chân gọi là Gate (G), Drain (D) và Source (S) tương ứng với
B, E và C của BJT. Bạn có thể nguyên lý hoạt động của MOSFET ở các tài liệu về
điện tử, ở đây chỉ mô tả các kích hoạt MOSFET. Cơ bản, đối với MOSFET kênh
N, nếu điện áp chân G lớn hơn chân S khoảng từ 3V thì MOSFET bão hòa hay
dẫn. Khi đó điện trở giữa 2 chân D và S rất nhỏ (gọi là điện trở dẫn DS), MOSFET
tương đương với một khóa đóng. Ngược lại, với MOSFET kênh P, khi điện áp chân
G nhỏ hơn điện áp chân S khoảng 3V thì MOSFET dẫn, điện trở dẫn cũng rất nhỏ.
Vì tính dẫn của MOSFET phụ thuộc vào điện áp chân G (khác với BJT, tính dẫn
phụ thuộc vào dòng IB), MOSFET được gọi là linh kiện điều khiển bằng điện áp,
rất lý tưởng cho các mạch số nơi mà điện áp được dùng làm mức logic (ví dụ 0V là
mức 0, 5V là mức 1).
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
MOSFET thường được dùng thay các BJT trong các mạch cầu H vì dòng mà
linh kiện bán dẫn này có thể dẫn rất cao, thích hợp cho các mạch công suất lớn. Do
cách thức hoạt động, có thể hình dung MOSFET kênh N tương đương một BJT
loại npn và MOSFET kênh P tương đương BJT loại pnp. Thông thường các nhà
sản xuất MOSFET thường tạo ra 1 cặp MOSFET gồm 1 linh kiện kênh N và 1 linh
kiện kênh P, 2 MOSFET này có thông số tương đồng nhau và thường được dùng
cùng nhau. Một ví dụ dùng 2 MOSFET tương đồng là các mạch số CMOS
(Complemetary MOS). Cũng giống như BJT, khi dùng MOSFET cho mạch cầu H,
mỗi loại MOSFET chỉ thích hợp với 1 vị trí nhất định, MOSFET kênh N được
dùng cho các khóa phía dưới và MOSFET kênh P dùng cho các khóa phía trên. Để
giải thích, hãy ví dụ một MOSFET kênh N được dùng điều khiển motor DC như
trong hình 12.

Dùng MOSFET kênh N điều khiển motor DC.
Ban đầu MOSFET ko được kích, ko có dòng điện trong mạch, điện áp chân
S bằng 0. Khi MOSFET được kích và dẫn, điện trở dẫn DS rất nhỏ so với trở
kháng của motor nên điện áp chân S gần bằng điện áp nguồn là 12V. Do yêu cầu
của MOSFET, để kích dẫn MOSFET thì điện áp kích chân G phải lớn hơn chân S ít
nhất 3V, nghĩa là ít nhất 15V trong khi chúng ta dùng vi điều khiển để kích
MOSFET, rất khó tạo ra điện áp 15V. Như thế MOSFET kênh N không phù hợp để
làm các khóa phía trên trong mạch cầu H (ít nhất là theo cách giải thích trên).
MOSFET loại P thường được dùng trong trường hợp này. Tuy nhiên, một nhược
điểm của MOSFET kênh P là điện trở dẫn DS của nó lớn hơn MOSFET loại N. Vì
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
thế, dù được thiết kế tốt, MOSFET kênh P trong các mạch cầu H dùng 2 loại
MOSFET thường bị nóng và dễ hỏng hơn MOSFET loại N, công suất mạch cũng
bị giảm phần nào. Hình 13 thể hiện một mạch cầu H dùng 2 loại MOSFET tương
đồng.

Mạch cầu H dùng MOSFET.
Ở đây sử dụng 2 MOSFET kênh N IRF540 và 2 kênh P IRF9540 của hãng
International Rectifier làm các khóa cho mạch cầu H. Các MOSFET loại này chịu
dòng khá cao (có thể đến 30A, danh nghĩa) và điện áp cao nhưng có nhược điểm là
điện trở dẫn tương đối lớn (bạn tìm đọc datasheet của chúng để biết thêm). Phần
kích cho các MOSFET kênh N bên dưới thì không quá khó, chỉ cần dùng vi điều
khiển kích trực tiếp vào các đường L2 hay R2. Riêng các khóa trên (IRF9540, kênh
P) tôi phải dùng thêm BJT 2N3904 để làm mạch kích. Khi chưa kích BJT 2N3904,
chân G của MOSFET được nối lên VS bằng điện trở 1K, điện áp chân G vì thế gần
bằng VS cũng là điện áp chân S của IRF9540 nên MOSFET này không dẫn. Khi
kích các line L1 hoặc R1, các BJT 2N3904 dẫn làm điện áp chân G của IRF9540
sụt xuống gần bằng 0V (vì khóa 2N3904 đóng mạch). Khi đó, điện áp chân G nhỏ
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 19


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
hơn nhiều so với điện áp chân S, MOSFET dẫn. Vi điều khiển có thể được dùng để
kích các đường L1, L2, R1 và R2.
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.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

Sơ đồ khối của IC L298

Mạch bảo vệ động cơ:

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

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

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 22


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ

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.

2.2.3 Khối nguồn điều khiển
Cấp nguồn cho khối đèn – quang trở, khối opamp so sánh, khối phân áp.

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 23


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
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.
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
ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 24


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ LOGIC SỐ
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.

2.3 Điều xung PWM, điều chỉnh vận tốc cho động cơ.
Điều xung PWM( Pulse With Moduratinon) là một khâu quan trọng trong
thiết kế robot. Qua đó bạn có thể điều khiển tốc độ linh hoạt cho DC motor từ đó
có thể dùng các hàm vận tốc để cho robot có thể bám theo vạch.
Điều xung nói chung là cách bật tắt nguồn điện của motor liên tục là motor
lúc nhận được điện lúc mất điện.Khi tần số đủ cao motor sẽ quay ổn định ở một tốc
độ nhờ moment quay của bánh xe.
Xung vuông là đồ thị biểu hiện trạng thái của nguồn điện. Nguồn được mở
thì motor hoạt động lúc này xung vuông đang ở trạng thái cao, nguồn tắt thì motor
dừng lại lúc này motor đang ở trạng thái thấp. Tốc độ motor tỉ lệ trung bình với độ
dài của xung vuông.Sau đây là 1 số trạng thái hoạt động:

ROBOT Dò Đường Theo Vạch

Page 25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×