ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ MỤC LỤC trang Lời nói đầu PHẦN 1: Ý tưởng, mục đích thiết kế mô hình Giới thiệu chung Mô hình thiết kế mô phỏng các thành phần của robot PHẦN : Tính toán hệ thống,thiết kế phần khí và mạch điều khiển Cơ khí Các modun của mạch điều khiển robot PHẦN 3: Cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các thành phần Cấu tạo,nguyên lý hoạt động của van khí 5/2 điện tư Cấu tạo,nguyên lý hoạt động của modun cảm biến Cấu tạo,nguyên lý hoạt động của modun điều khiển PHẦN 4: Chương trình lập trình Lưu đồ thuật toán Chương trình lập trình PHẦN Kết luận Ưu Nhươc điểm và Hướng phát triển Tài liệu tham khảo Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ LỜI NÓI ĐẦU Ngày điều khiển tự động trở thành nhu cầu không thể thiếu của người xuất của các học thuyết và các ứng dụng cụ thể đời sống ngày, có thể nói điều khiển tự động chi phối dần sống của người cố gắng sáng tạo các robot có khả làm việc thay cho người thường bắt gặp các robot các dây chuyền công nghiệp sản xuất tự động hay robot giúp việc gia đình Để tìm các ý tưởng sáng tạo hay hàng năm đều diễn thi robocon châu á thái bình dương là tiền đề để tạo robot có khả áp dụng vào thực tế Cũng vì mục đích mà chúng em thực đồ án “Hệ Thống Cơ Điện Tử’’ điều khiển robot dò đường lại là bước khởi đầu lập trình robot để robot có thể thực các công việc Đây là công việc nhỏ của lập trình điều khiển robot qua quá trình thiết kế và thi công đề tài chúng em rút nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu Mục đích của đề tài hướng đến là tạo bước đầu cho sinh viên thử nghiệm ứng dụng của VĐK thực tiễn để tư tìm tòi, phát triển nhiều ứng dụng khác đời sống ngày cần đến Do thời gian nghiên cứu và hoàn thành đồ án không nhiều,trình độ chuyên môn, tiếp thu các môn học hạn chế cố gắng mình để hoàn thành tốt đồ án môn học các kiến thức học, số sách tham khảo và số nguồn tài liệu khác không tránh khỏi thiếu sót Do vậy, chúng em mong nhận góp ý quý báu của thầy và các bạn để đồ án này có thể hoàn thiện mức tốt Bên cạnh hoàn thiện chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đoàn Lê Anh người hướng dẫn chúng em hoàn thành tốt đồ án này Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ PHẦN 1: Ý TƯỞNG,MỤC ĐÍCH THIẾT KẾ MÔ HÌNH I) GIỚI THIỆU CHUNG: 1)TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ: a) Cơ điện tử mở tư định nghĩa ban đầu của công ty Yasakawa Electric Thuật ngữ mechatronics tạo thành “mecha” mechanics và “tronics” electronics Nói cách khác, các công nghệ và sản phẩm phát triển ngày càng kết hợp chặt chẽ và hữu thành phần điện tử vào các cấu và khó có thể ranh giới chúng “Cơ điện tử là kết hợp chặt chẽ của kỹ thuật khí với điện tử và điều khiển máy tính thông minh thiết kế, chế tạo các sản phẩm và quy trình công nghiệp.” - Harashima, Tomizuko và Fukada đưa năm 1996 “Cơ điện tử là phương pháp luận dùng để thiết kế tối ưu các sản phẩm điện.” Năm 1997, Shetty và Kolk quan niệm Gần đây, Bolton đề xuất định nghĩa Một hệ điện tử không là kết hợp chặt chẽ các hệ khí, điện và không đơn là hệ điều khiển Nó là tích hợp đầy đủ các hệ trên.” b) Ứng dụng của điện tử với đời sống người: • Trong y học: thuộc nhóm này có các thiết bị cắt lớp,các thiết bị thí nghiệm về AND,nhân bản phôi và các loại máy chiếu các loại tia xa ̣;X,laszer,coban;các thiết bị mổ nội soi,… • Trong công nghiệp: có các loại máy công nghiệp tự động điều khiển theo chương trình,FMS (hệ thống công nghệ sản xuất linh hoạt),CADCAM,người máy,các hệ thống tự động,công cụ vận chuyển thông minh,… • Trong không gian vũ trụ: các hệ thống vận tải không gian và vũ trụ như:vệ tinh,tàu vũ trụ,máy bay,… • Trong sinh hoạt ngày: có các sản phẩm tiêu biểu máy giặt,hệ thống bảo vệ nhà cửa,ôtô,garage ôtô tự động,các loại robot phục vụ đời sống người (robot hút bụi,robot thông minh có thể làm nhiều công việc khác nhau…),… 2) GIỚI THIỆU VỀ ĐỒ ÁN: a) Giới thiệu về robot: Robot có thể định nghĩa sau: là máy tự động đa chức năng,có thể lập trình lại,được thiết kế để di chuyển vật thể, hàng hóa, phận,công cụ, hay các thiết bị đặc biệt thông qua chuyển động lập trình sẵn dành cho các công việc thực tế cụ thể nào Ý tưởng: Trong đời sống ngày nhiều công việc mà người phải thực ngày,đặc biệt đối với người nông dân thì công việc đồng áng chiếm chọn thời gian ngày của họ,để rút ngắn thời gian làm việc và tăng suất lao động đòi hỏi phải ứng dụng công nghệ,máy móc và các thiết bị hỗ trợ giúp tiết kiệm thời gian và công sức,sau quá trình học tập chúng em nhận thấy cần phải chế tạo thiết bị nào giúp người nông dân hoàn thành cách nhanh các công việc ngày và đồ án hệ thống điện tử của chúng em là robot tưới cây, robot có thể di chuyển vườn cách đa dạng và linh hoạt, tưới gặp b) Mô hình thiết kế: Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ II) GIỚI THIỆU SỐ LINH KIỆN TIÊU BIỂU CỦA ROBOT: 1) Chip điều khiển: Khái quát tính năng: Trước tiên, ta lướt qua các tính của P89V51RD2: +Khái quát: ϒ P89V51RD2 là vi điều khiển 80C51 có 64kB Flash và 1024bytes nhớ liệu RAM ϒ Tính đặc biệt của P89V61RD2 là chế độ hoạt động mode x2 Người thiết kế chọn chạy ứng dụng của mình chế độ này để nâng đôi tốc độ hoạt động tần số dao động ϒ Bộ nhớ chương trình Flash cho phép lập trình ISP hoặc/và song song Chế độ lập trình song song đưa để thích ứng với tốc độ cao, giảm thời gian và giá thành ϒ IAP/ISP +Các tính năng: ϒ CPU 80C51 ϒ Hoạt động 5VDC tầm tần số dao động đến 40MHz ϒ 64kB ISP ϒ SPI ϒ PCA với chức PWM/capture/compare 16bits ϒ cổng xuất nhập ϒ Timers/Couters 16bits ϒ Watchdog Timer có thể lập trình ϒ nguồn ngắt ϒ ghi DPTR Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ ϒ Tương thích mức logic TTL và CMOS ϒ Phát nguồn yếu ϒ Chế độ Low-power, Power down, Idle Sơ đồ khối của MCU P89V51RD2 Sơ đồ chân của dòng 89V51 Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Port 0, Port 1, Port 2, Port 3: Như cấu trúc 8051 kinh điển P1.0 - T2: Ngõ vào Counter cho Timer/Counter ngõ cho Counter/Timer P1.1 - T2EX: Điều khiển hướng và cạnh kích chức Capture cho timer/Counter P1.2 – ECI: Ngõ vào xung nhịp Tín hiệu này là nguồn xung nhịp ngoài cho chức PCA P1.3 –CEX0: ngõ vào xung nhịp cho chức Capture/Compare modul P1.4: o SS: Chọn cổng phụ vào cho SPI o CEX1: ngõ vào xung nhịp cho chức Capture/Compare modul P1.5: o MOSI: phục vụ SPI o CEX2: ngõ vào xung nhịp cho chức Capture/Compare modul P1.6: o MISO: phục vụ SPI o CEX3: ngõ vào xung nhịp cho chức Capture/Compare modul P1.7: o SCK: phục vụ SPI o CEX4: ngõ vào xung nhịp cho chức Capture/Compare modul PSEN: Cho phép dùng nhớ chương trình ngoài Khi MCU sử dụng nhớ chương trình chip, PSEN không tích cực Khi sử dụng nhớ chương trình ngoài, PSEN thường mức tích cực lần mỗi chu kì máy Sự chuyển mức cao sang thấp ↓PSEN cưỡng tư bên ngoài ngõ vào RST mức cao 10 chu kì máy đưa MCU vào chế độ lập trình host tư bên ngoài RST: Khi nguồn dao động hoạt động, mức cao chân RST chu kì máy Reset lại hệ thống Nếu chân PSEN chuyển mức RST mức cao, MCU vào chế độ lập trình host tư bên ngoài, không, hoạt động bình thường ↓ EA: Cho phép sử dụng nhớ chương trình ngoài o EA=’0 ’ ’Bộnhớ ngoài o EA=’1 ’ ’Bộ nhớ chip ALE/PROG: Cho phép khóa địa chỉ ngoài ra, chân này dùng để đưa vào chế độ lập trình FLASH Tổ chức nhớ: MCU P89V51RD2 có vùng không gian địa riêng biệt: vùng lưu trữ cho nhớ chương trình và địa cho nhớ liệu a Lựa chọn bank nhớ chương trình flash: Có vùng nhớ nội flash MCU, Block có 64kB và tổ chức thành 512 sector, mỗi sector chứa 128 Bytes Block chứa chương trình ISP/ICP và kích hoạt chọn kết hợp bit reset mềm (SWR) và bit chọn bank (BSEL) b Thực thi đoạn code Reset nguồn sau bật nguồn: Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Khi cấp điện vào MCU, tất cả các port đều trạng thái bất kì nào tới oscillator bắt đầu hoạt động và quá trình reset kéo tất cả các pin lên mức cao Quá trình bật nguồn mà không đôi với việc Reset MCU hợp lý dẫn tới tình trạng ta MCU thực thi lệnh vùng nhớ nào! Điều có thể dẫn đến mã lệnh flash bị thay đổi Reset hệ thống chương trình hoạt động ảnh hưởng tới RAM của MCU, nhiên, nội dung của vùng nhớ RAM chip quá trình bật nguồn là các giá trị ngẫu nhiên Khi bắt đầu mở nguồn, chân RST phải giữ mức cao khoảng thời gian đủ cho oscillator khởi động , thêm nữa, để quá trình reset là hợp lệ, cần giữ mức cao chu kì máy Các giá trị trở và tụ chọn hình Hình 3: Mạch MCU P89V51RD2 sử dụng ISP Nói cách dễ hiểu, để quá trình Reset là hợp lệ, ta nên mắc mạch RC hình Khi dùng chức ISP/ICP, cần thêm Push button kéo lên nguồn hình Quá trình Reset ngoài và POR là có tác dụng Chức PWM PCA: Hình 15: Chức PWM của PCA Ở chức này, giá trị ngõ CEX phụ thuộc vào giá trị của ghi: CCAPnL và CL, CL tăng lớn CCAPnL thì CEX chuyển sang mức 1, ngược lại, mức 0, mỗi lần tràn cờ, CCAPnL nạp lại giá trị tư CCAPnH, điều này cho phép ta cập nhật duty cycle mà không gây ảnh hưởng tới quá trình PWM Chức PWM này có độ phân giải bit, tức là ta 256 mức chia 2) Nguồn Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ thông số acquy: -kích thước(mm):L:97-W,43-H,52-TH:58 -công suất cung cấp1,.2Ah -điện áp:12V 3)Động Cơ -động có gắn cấu giảm tốc - Động này chuyên dùng cho cấu nâng, kẹp, trược có thể dùng để chạy cho robot tự động nào có tốc độ không cần cao - Nguồn 24VDC, tốc độ 70vòng/phút ,công suất 7w Momen xoắn cực đại 1.9N.m - Khối lượng 150g, đường kính trục 6mm - Hệ số giảm tốc là 60:1 Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Nguyên lý làm việc Khi cho điện áp chiều U vào hai chổi điện A và B (dương A và âm B), khung dây abcd có dòng điện Khung dây abcd có điện nằm tư trường chịu tác dụng của lực điện tư (xác định theo quy tắc bàn tay trái), sinh mômen làm quay khung dây Khi phần ứng quay nửa vòng, vị trí các dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau, có phiến góp đổi chiều dòng điện, nên chiều lực tác dụng không đổi, đảm bảo chiều quay của khung dây (tức rôto) không đổi Khi rôto quay, các dẫn rôto cắt tư trường cảm ứng sđđ Eư Chiều sđđ xác định theo quy tắc bàn tay phải động cơ, chiều sđđ Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư gọi là sức phản điện Phương trình cân điện áp của động điện chiều là: U = Eư + IưRư Tư phương trình cân điện áp mạch phần ứng của động ta rút ra: Eư=U-IưRư Thay trị số Eư = k.E.n.Φ = 0, ta có phương trình tốc độ: Nhìn vào phương trình trên, muốn điều chỉnh tốc độ n, ta có các phương pháp sau: Mắc điện trở điều chỉnh vào mạch phần ứng Khi thêm điện trở vào mạch phần ứng, tốc độ giảm Vì dòng điện phần ứng lớn nên tổn hao công suất điện trở điều chỉnh lớn Phương pháp này sử dụng động công suất bé Thay đổi điện áp U Dùng nguồn chiều điều chỉnh điện áp cung cấp điện cho động hình 3-18 Phương pháp này sử dụng nhiều Thay đổi tư thông Thay đổi tư thông cách thay đổi dòng kích tư Để thay đổi dòng kích tư, người ta mắc thêm Rđc vào mạch kích tư Khi điều chỉnh tốc độ, người ta kết hợp các phương pháp Ví dụ phương pháp thay đổi tư thông với phương pháp thay đổi điện áp thì phạm vi điều chỉnh Trang ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ rộng, là ưu điểm lớn của động điện chiều.Dưới đây, ta xét cụ thể các loại động điện chiều 4) IC ổn áp LM7805 hạ điện áp dải 12V xuống 5V opto PC 817 Sơ đồ ứng dụng: Tác dụng: Cách ly điều khiển hai tầng mạch điện khác Với sơ đồ ứng dụng trên.vơi OK1 cung cấp 5V vao chân số 1, LED phía Opto nối chân số và sáng, xảy hiệu ứng quang điện dẫn đến 3-4 thông,mức logic bị chuyển tư sang mà không cần tác động trực tiếp tư IC Mục đích: Nếu có cố tư tầng ứng dụng cháy, chập, tăng áp, thì không làm ảnh hưởng đến tầng điều khiển Trang 10 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Opto dùng để cách ly phần công suất với phần VDK,cấu tạo có 1led phát bên trái và phototransiter bên phải 6) LM324 Có opam dánh số tư đến hình, 7)RƠLE và FET Rơle đươc sử dụng là loại rơle chân,12V Trang 11 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ FET sử dụng là IRF 540 PHẦN : THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN I)Phần khí: Trang 12 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ • alu 30x35cm + sắt khoan lỗ làm khung mô hình • Động 24v DC • Van 5/2 điện tư • Piston xilanh khí tác dụng kép • Bánh nhôm cái đường kính 10cm,1 bánh trước 4cm II)Phần mạch điều khiển: • Mạch trung tâm: xử lý các tín hiệu tư các modun hệ thống mạch • Mạch cảm biến:gồm mạch dò đường và mạch khuếch đại tín hiệu • Mạch động PHẦN 3: CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG Mạch Nguyên lý: Trang 13 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Phân tích mạch Modul: • Modul tạo xung: AT89S52 có chia tần số bên chip, này cung cấp xung clock cho các khối chip tư nguồn dao động bên ngoài sử dụng mạch tạo dao động tư thạch anh qua chân là XTAL1 và XTAL2 Trong đồ án này mạch dao dộng thạnh anh tạo tần số12Mhz Mạch tạo xung • Modul Reset: Trang 14 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Sử dụng nút nhấn để reset cho chip thông qua chân RST là ngõ reset của chip Khi tín hiệu đưa lên mức cao chu kỳ máy thì các ghi vi điều khiển tải giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Sơ đồ nguyên lí mạch reset • Modul Cảm biến: mạch sử dụng cặp led thu phát Khi led phát bật gặp nền trắng phản quang lại led thu nhận (led thu là quang trở ) chiếu sáng làm quang trở thông tín hiệu đưa qua so sánh op amp (của LM324) ta tín hiệu đầu của so sánh Op Amp với mức logic=1 đưa về chân của vi điều khiển và ngược lại không gặp nền trắng quang trở không thông tín hiệu đưa qua so sánh op amp ta tín đầu của so sánh Op Amp với mức logic =0 tín hiệu trả về chân vi điều khiển Sơ đồ nguyên lí mạch cảm biến Trang 15 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ • Mạch công suất Khi vi điều khiển nhận tín hiệu của cảm biến cung cấp độ rộng xung thích hợp vào chân của rơle thông qua opto Khi tín hiệu vào rơle rơle cấp dòng thích hợp cho động làm động chuyển động với tốc độ mong muốn Sơ đồ nguyên lí mạch công suất • Nguyên lí hoạt động Nguyên tắc hoạt động của của robot là : cấp nguồn cho robot thi mạch tạo xung bắt đầu hoạt động, cảm biến bật Tín hiệu tư cảm biến truyền đến vi điều khiển Vi điều khiển xử lí tín hiệu và cung cấp độ rộng xung thích hợp cho động PHẦN 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Lưu đồ thuật toán Trang 16 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ Code cho Vi Điều Khiền: #include #include // dinh nghia cac chan dieu khien dong co sbit DC_R=P1^1; sbit DC_L=P1^0; // chan dk dong co phai // chan dk dong co trai // dinh nghia cac trang thai cua cam bien quang ung voi gia tri doc dc tu port * * * * * * * * #define N 0xC0 // 0x11 00 0000 lech han ngoai #define L5 0XE0 // 0x11 10 0000 lech trai cap #define L4 0xF0 // 0x11 11 0000 lech trai cap #define L3 0xD0 // 0x11 01 0000 lech trai cap #define L2 0xD8 // 0x11 01 1000 lech trai cap #define L1 0xC8 // 0x11 00 1000 lech trai cap #define T 0xCC // 0x11 00 1100 chay thang Trang 17 ĐỒ ÁN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ #define R1 0xC4 #define R2 0xC6 #define R3 0xC2 #define R4 0xC3 #define R5 0xC1 // 0x11 00 0100 // 0x11 00 0110 // 0x11 00 0010 // 0x11 00 0011 // 0x11 00 0001 lech phai cap lech phai cap lech phai cap lech phai cap lech phai cap unsigned char lech_trai,lech_phai; // bien nho trang thai lech cua robot unsigned char TRANGTHAI,dem=0; // tranthai va bien dem unsigned char PWML,PWMR; // bien bam xung void delay(unsigned int a) { unsigned int i; for(i=0;i dc fai case L2: { PWML=60;PWMR=40; lech_trai=1;lech_phai=0;break;} //che lech trai cap2, cap xung dc trai >> dc fai case L3: { PWML=65;PWMR=35; lech_trai=1;lech_phai=0;break;} // case L4: { PWML=70;PWMR=30; lech_trai=1;lech_phai=0;break;} case L5: { PWML=75;PWMR=25; lech_trai=1;lech_phai=0;break;} // case R1: { PWMR=45;PWML=55; lech_trai=0;lech_phai=1;break;} //che lech phai cap1, cap xung dc trai < dc fai case R2: { PWMR=40;PWML=60; lech_trai=0;lech_phai=1;break;} //che lech phai cap1, cap xung dc trai