Tổng quan khối chức năng robot dò đường

Với những chỉ tiêu về công nghệ và thống nhất các chức năng chính của robot ta tiến hành thiết kế và đưa ra sơ đồ khối chức năng và cấu tạo, hoạt động chi tiết của từng khối như mô tả dưới đây:

Sơ đồ khối chức năng của hệ thống robot dò đường tự động

Khối nguồn:

     - Có nhiệm vụ cấp nguồn cho động cơ và toàn bộ mạch điện trên xe

     - Do đó tiêu chí của khối nguồn là phải tạo được công suất đủ lớn và có độ ổn định cao.

     - Nguồn được lấy từ ắc quy 12V hoặc 5V sau đó đưa qua IC ổn áp 7805 để lấy nguồn nuôi cấp cho vi điều khiển. Trong giới hạn của đề tài, động cơ có công suất nhỏ do đó ta lựa chọn nguồn 9V cấp cho động cơ, sử dụng nguồn 5V nuôi mạch.Cụ thể ở đây ta sử dụng loại PIN 9V. 

Sơ đồ mô tả chi tiết khối nguồn

     Trong sơ đồ mạch nguồn này ta dùng nguồn đất chung cho toàn bộ hệ thống , sử dụng IC ổn áp LM7805, một số tụ lọc để giảm độ gợn của điện áp. Trên mạch nguồn ta cũng lắp đặt thêm diot led ở đầu ra và đầu vào đề báo hiệu khi có nguồn cấp.

Khối điều khiển:

          Khối điều khiển trung tâm có nhiệm vụ lấy dữ liệu từ khối sensor để có được trạng thái hiện tại của hệ thống và xử lý dữ liệu thu được từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển cho khối động cơ, đồng thời đưa tín hiệu thông báo ra khối hiển thị cho người quan sát thấy trạng thái đang hoạt động của hệ thống. Việc hệ thống hoạt động có nhịp nhàng hay không, tốt hay không phụ thuộc rất nhiều vào khối điều khiển này. Việc xây dựng khối điều khiển cho hệ thống, ta đưa ra là lựa chọn vi điều khiển .

Có rất nhiều phương án lựa chọn vi điều khiển cho bài toán. Đối với họ vi điều khiển 8051 về cơ bản là dễ tiếp cận và thao tác dễ dàng hơn. Tuy nhiên khi sử dụng vi điều khiển để điểu khiển động cơ chúng ta cần đến tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM để thay đổi tốc độ động cơ. Về mặt này, nếu ta sử dụng vi điều khiển họ 8051, do không hỗ trợ bộ phận phát tín hiệu PWM nên ta phải thiết kế mạch điêu chế độ rộng xung bên ngoài. Phần này làm tăng độ phức tạp của mạch cũng như kém sự nhỏ gọn. Ngoài ra khó đảm bảo độ chính xác.

          Do yêu cầu bài toán đặt ra là càng nhỏ gọn càng tốt, ta đã quyết định lựa chọn họ vi điều khiển AVR. Với AVR mặc dù khó tiếp cận hơn, tuy nhiên đây cũng là cơ hội để các thành viên tiếp cận và tìm hiểu kĩ hơn về AVR, do ứng dụng của AVR tương đối lớn và có tốc độ xử lý cáo hơn. AVR có nhiều loại như ATmega8, 8L, 16, 16L, 32, 128…Tùy vào từng yêu cầu của bài toán đặt ra mà ta cần sử dụng loại nào sao cho phù hợp. Đối với đề tài này, do yêu cầu về bộ nhớ và số chân, số kênh PWM là không cao. Do đó ta đã sử dụng ATmega8 vừa đảm bảo tiết kiệm chi phí mà vẫn đáp ứng các yêu cầu bài toán đặt ra.

            Vi điều khiển này sẽ giao tiếp với các khối khác thông qua các cổng vào ra cơ bản. Do khối vi điều khiển trung tâm phải trao đổi dữ liệu với nhiều khối khác nhau, trong khi các cổng xuất dữ liệu của nó là hạn chế, chính vì vậy mà ta đã chọn phương án là chỉ dùng một port0 làm cổng xuất nhập dữ liệu từ các khối khác nhau thông qua khối giao tiếp vào ra, khối giao tiếp vào ra bao gồm nhiều IC chốt dữ liệu hoạt động ở các chế độ khác nhau phù hợp với chế độ vào hay chế độ ra.

          Vi điều khiển ATMEGA8 là loại vi điều khiển có 28 pin (cho đầu vào và đầu ra), 8-Kbyte self- Chương trình lập trình bộ nhớ Flash, 1-Kbyte SRAM, 512-Byte EEPROM, 6 hoặc 8 kênh 10 bits chuyển đổi A/D-Conveter. Có hai loại điện thể được hoạt động đối với ATMEGA8 đó là :

          - 2.7V-5.5V đối với ATmega8L

          - 4.5V-5.5V đối với ATmega8

Đặc điểm của ATmega8 :

                  

512 byte EEPROM 1kbyte SRAM, 23 chân vào ra, 3 kênh PWM, 2 bộ timer/counter, 32 thanh ghi, …và nhiều chức năng khác.

Dưới đây là sơ đồ chân của ATmega8 :

                                      

Sơ đồ chân của ATmega8 và lắp đặt trong mạch

          Trong sơ đồ trên khối vi điều khiển ATmega 8 được nối với hệ thống Led báo hiệu thông qua các chân PD0 – PD3.

          Các chân từ PD4 – PD7 được nối với các đầu ra của IC so sánh LM393.

          Các chân từ PC0 – PC3 được nối với các Led phát để điều khiển các Led phát tại mỗi thời điểm.

          Các chân PB0, PB3, PB4, PB5 được nối vào các chân đầu vào của IC điểu khiển động cơ L293d.

          Riêng đối với chân PB1, PB2 là hai chân OC1A và OC1B dùng để phát ra tín hiệu điều chế độ rộng xung  PWM. Tín hiệu này sẽ được tạo ra trong quá trình lập trình bằng việc thiết lập các thông số cho con ATmega 8.

Khối sensor:

     - Để giải quyết bài toán có nhiều phương pháp dò đường nhưng tôi lựa chọn sử dụng các cặp Led thu phát hồng ngoại.

Led thu phát hồng ngoại

Chúng ta sẽ sử dụng một cặp Led thu phát, trong đó gồm một Led phát và một Led thu, lượng tìn hiệu thu được phụ thuộc rất nhiều vào độ bóng, màu sắc của bề mặt phản xạ. Độ bóng càng lớn, màu càng sang thì độ phản xạ càng nhiều, tín hiệu thu được càng lớn và ngược lại. Tín hiệu thu được ở đầu ra cảm biến thu được chỉ là tín hiệu tương tự, để VDK có thể xử lý được tín hiệu này, thì tín hiệu thu được cần qua một mạch so sánh mức. Ở đây ta đã sử dụng một mạch khuyếch đại thuật toán, được tích hợp trong IC LM393, với điện áp cung cấp là 5V, khi đó đầu ra của mạch khuyếch đại thuật toán sẽ là mức 0V hoặc 5V tương thích với tín hiệu đầu vào. Để thay đổi mức điện áp so sánh ta di chuyển con chạy trên biến trở phân áp.

Dưới đây là sơ đồ chân của IC so sánh LM393 và các mắc mạch với Led thu phát.

                    Sơ đồ nguyên lý IC LM393

PIN 1 : Chân ra so sánh 1 PIN 2 : Đầu vào đảo 1 PIN 3 : Đầu vào không đảo 1 PIN 5 : Đầu vào không đảo 2

PIN 6 : Đầu vào đảo 2 PIN 7 : Chân ra so sánh 2 PIN 8 : VCC

          Dưới đây là sơ đồ ghép nối cặp Led thu phát với IC so sánh LM393

                        Sơ đồ nối Sensor và LM393

Vấn đề đặt ra là quét các Led. Có hai phương pháp chính là quét song song và quét tuần tự :

-               Quét song song : Quét đồng thời tất cả các Led và so sánh mức tín hiệu thu được. Phương pháp này có ưu điểm là tốc độ nhanh tuy nhiên do quét các Led đồng thời nên khả năng xuất hiện nhiễu cao dẫn đến xe chạy không chính xác

-               Quét tuần tự : Quét lần lượt từng Led. Quét tuần tự tuy tốc độ chậm nhưng đảm bảo được nhiễu ít

Do yêu cấu trúc động cơ không đòi hỏi tốc độ không quá cao đồng thời yêu cầu hệ thống là sự chính xác nên ta đã chọn phương pháp quét tuần tự. Nguyên lý quét sẽ trình bày phần sau.

Khối điều khiển động cơ:

          Khối điều khiển động cơ là một IC L293d. IC này có khả năng điều khiển, thay đổi tốc độ cũng như chiều quay của động cơ. Tuy nhiên để cho động cơ có thể hoạt động theo ý muốn thì vẫn cần phải có sự điều khiển của khối điều khiển chính từ ATmega 8. Về nguyên lý điều khiển của IC L293d là sử dụng mạch cầu H. Mạch này đã được tích hợp sẵn trong IC L293d.

Mạch cầu H

Sơ đồ chân L293D:

Sơ đồ chân L293d

Chúng ta cần điều chỉnh tốc độ hai bánh xe để cho xe di chuyển một cách linh hoạt, vì vậy chúng ta sử dụng công nghệ điều chỉnh tốc độ motor theo tín  hiệu điều chế độ rộng xung PWM. Tín hiệu điều chế PWM được đưa vào hai đầu EN của IC L293d, cụ thể là chân số 1 và 9.

Các tín hiệu điều khiển: EN, 1A, 2A ta có bảng điều khiển động cơ như sau :

EN	1A	2A	Chức năng
H	L	H	Quay phải
H	H	L	Quay trái
H	L	L	Dừng
H	H	H	Dừng
L	X	X	Dừng

 Trạng thái của động cơ

H: Mức cao

L: Mức thấp                    

X: Tùy ý

Mắc động cơ

Sơ đồ nối ghép động cơ DC với L293d

Khối hiển thị:      

Khối hiển thị có chức năng thông báo cho người quan sát từ mọi hướng có thể biết được trạng thái của hệ thống hiện thời. Nguyên lý hoạt động của khối như sau: Các Led đươc nối trực tiếp vào VDK. Mỗi khi hệ thống nhận được tín hiệu từ IC so sánh LM393 nó sẽ biết được xe đang đi thẳng hay rẽ, từ đó VDK sẽ xuất ra chân tương ứng một bit để điều khiển Led sáng

Khối bao gồm 4 led được nối thẳng hàng. Vị trí các led phát sáng cho ta biết được trạng thái của xe như sau:

-               2 Led chính giữa sáng: xe đi thẳng

-               1 Led phải sáng: xe rẽ phải cấp 1

-               2 Led phải sáng: xe rẽ phải cấp 2

-               1 Led trái sáng: xe rẽ trái cấp 1

-               2 Led trái sáng: xe rẽ trái cấp 2