Đồ án Thiết kế Robot tham gia Robocon 2010 của đội TĐH-K4

x25(mm) được bố trí song song cùng chiều với tay đẩy cấu kiện. Khi thực hiện việc đẩy khối quà vàng chúng em sử dụng vòng bi để dẫn hướng cho tay đẩy. Các vòng bi được bố trí ở hai phía của thanh dẫn hướng, vị trí của chúng tạo cho thanh đẩy quà một góc so với thanh dẫn hướng. Hình 2.55: Kết cấu của tay đẩy quà vàng. Để đẩy khối quà vàng chúng em sử dụng động cơ kéo kết hợp với ròng rọc.Vị trí của ròng rọc được bố trí tại thanh ốp đầu của thanh dẫn hướng. Tác dụng của tấm ốp đầu của thanh dẫn hướng là nơi đặt ròng rọc, ngoài ra nó còn có tác dụng đỡ thanh đẩy quà khi nó thực hiện đẩy quà vàng. Hình 2.56: Tấm ốp đầu của thanh dẫn hướng. hình 2.57: Vị trí bắt tấm ốp đầu trên thanh dẫn hướng. 2.3.7. Kết cấu hoàn thiện của robot tự động mang khối cấu kiện chóp. Hình 2.58: Kết cấu tổng thể của robot mang khối cấu kiện chop. PHẦN 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN Mạch điều khiển robot tự động gồm nhiều modul được gép kết nối với vi điều khiển: Hình 3.1: sơ đồ khối mạch điều khiển. Mỗi khối có một chức năng khác nhau và được liên kết với nhau thành một mạch hoàn thiện, sau đây ta đi nghiên cứu từng modul trong mạch: 3.1: KHỐI ĐỘNG LỰC. 3.1.1.Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot. 3.1.1.1.Lý thuyết về động cơ. Động cơ điện đóng vai trò rất quan trọng nó giống như cơ bắp của con người vậy, là nguồn gốc của mọi chuyển động trên robot. Động cơ sử dụng trong robot thường là động cơ DC làm việc ở điện áp 12VDC hoặc 24VDC. Cấu tạo của động cơ gồm có 2 phần: stato đứng yên và rôto quay so với stato. Phần cảm (phần kích từ-thường đặt trên stato) tạo ra từ trường đi trong mạch từ, xuyên qua các vòng dây quấn của phần ứng (thường đặt trên rôto). Khi có dòng điện chạy trong mạch phần ứng, các thanh dẫn phần ứng sẽ chịu tác động bởi các lực điện từ theo phương tiếp tuyến với mặt trụ rôto, làm cho rôto quay. Chính xác hơn, lực điện từ trên một đơn vị chiều dài thanh dẫn là tích có hướng của vectơ mật độ từ thông B và vectơ cường độ dòng điện I. Dòng điện phần ứng được đưa vào rôto thông qua hệ thống chổi than và cổ góp. Cổ góp sẽ giúp cho dòng điện trong mỗi thanh dẫn phần ứng được đổi chiều khi thanh dẫn đi đến một cực từ khác tên với cực từ mà nó vừa đi qua (điều này làm cho lực điện từ được sinh ra luôn luôn tạo ra mômen theo một chiều nhất định). Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, 1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện (như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng. Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau: I = (VNguon − VPhanDienDong) / RPhanUng Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng: P = I * (VPhanDienDong) Nguyên tắc hoạt độngcủa động cơ điện một chiều: Hình 3.2:Nguyên tắc hoạt động của động cơ một chiều. Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor. Pha 2: Rotor tiếp tục quay. Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1. Dưới đây là một số động cơ đã được dùng trong robot thi đấu. Hình 3.3: Một só động cơ được dùng trong Robot. 3.1.1.2.Kinh nghiệm chọn động cơ. Việc lựa chọn động cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng động cơ được chọn trong cuộc thi robot thường có yêu cầu chung sau: Tốc độ lớn. Khả năng chịu tải cao. Khả năng hãm tốt, thường sử dụng loại động cơ có hộp giảm tốc. Dòng ,áp. Đối với động cơ dùng cho cơ cấu chuyển động (phần đế của robot) yêu cầu đặt ra là phải có tốc độ nhanh ,và có độ hãm tốt .Động cơ thường được sử dụng ở phần này là loại động cơ pitman. Ngoài động cơ pitman, có thể sử dụng các loại động cơ khác, miễn là đạt được các tiêu chí nêu trên. Có thể sử dụng động cơ vuông tháo bánh răng. 3.1.2.Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ). Thông thường điều khiển chiều quay của động cơ dùng mạch cầu H. 3.1.2.1.Dùng van bán dẫn. Để điều khiển hướng quay của động cơ 1 chiều, chúng ta cần thay đổi chiều của điện áp đặt vào động cơ. Có 1 mạch phổ biến dùng để điều khiển động cơ gọi là cầu H. Nó được gọi như vậy bởi vì mạch này trông giống hình chữ ‘H’. Ưu điểm của mạch này là nó cho phép điều khiển động cơ tiến lên hoặc lùi lại ở bất kỳ tốc độ nào, ngoài ra nó còn có thể dùng 1 nguồn điện độc lập với nguồn điều khiển. Sơ đồ nguyên lý: Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H Giả sử khi đầu vào ‘Direction’ ở trạng thái cao thì động cơ sẽ quay theo chiều thuận thì khi đầu vào ‘Direction’ ở trạng thái thấp động cơ sẽ quay theo chiều ngược lại. 3.1.2.2. Mạch điện dùng L293B (L298). Chúng ta có thể dùng các van bán dẫn công suất khác nhau để thiết kế mạch cầu “H” nhưng cũng có thể sử dụng các loại IC đã tích hợp sẵn mạch cầu H. Có rất nhiều loại IC như vậy nhưng loại phổ thông dùng cho động cơ dòng thấp là L293B (dòng làm việc bình thường là 1A, có thể lên tới 2A nếu nối song song hai cổng) và động cơ dòng cao là L298 (tối đa là 2A/1cổng và 4A nếu nối song song hai cổng). Dưới đây là hình dạng và các thông số kĩ thuật của L298 và L293B. Hình 3.5: Hình dạng và sơ đồ chân L293. 3.1.2.3.Sử dụng Rơle để đảo chiều động cơ. Ưu điểm: Đơn giản, giá thành rẻ, Rơle có thể làm việc với điện áp cao, dòng điện lớn. Nhược điểm: Không thể đóng ngắt nhanh, rất dễ gây nhiễu cho mạch vi xử lý nếu không sử dụng tụ điện để triệt tia hồ quang do tiếp điểm gây nên. 3.1.3.Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. Có rất nhiều phương pháp thay đổi tốc độ động cơ điện 1 chiều như: thay đổi điện trở phần ứng, thay đổi từ thông, thay đổi điện áp phần ứng…Nhưng phương pháp hay được dùng nhiều nhất trong robot đó là thay đổi điện áp phần ứng sử dụng PWM. Phương pháp PWM_điều chế độ rộng xung là phương pháp hay được sử dụng nhất đặc biệt là trong tự động hóa, robot... bởi nó đơn giản, dễ thực hiện và đảm bảo thay đổi trơn tốc độ động cơ. Chúng ta sẽ chỉ đi nghiên cứu phương pháp này: Điều khiển độ rộng của xung được làm bằng cách tắt bật nhanh nguồn điện đặt lên động cơ. Nguồn áp 1 chiều DC sẽ chuyển thành tín hiệu xung vuông, thay đổi từ 12V(24V) xuống 0V, bản chất của phương pháp này là thay đổi điện áp trung bình đặt vào động cơ. Bằng cách thay đổi chu kỳ hoạt động của tín hiệu (thay đổi độ rộng xung – PWM), tức là khoảng thời gian “Bật” ton, điện áp trung bình đặt lên hình 3.6: biểu đồ xung động cơ sẽ thay đổi và dẫn đến thay đổi tốc độ. Với phương pháp này chúng ta có thể có hai cách để thực hiện đó là dùng “phần cứng” hoặc “phần mềm” để tiến hành điều chế xung. Kết luận: Như đã phân tích ở trên và với yêu cầu của thi năm nay chúng em đã thiết kế mạch động lực gồm có một rơle và 1 FET để điều khiển động cơ. Rơle được dùng để đảo chiều động cơ, còn FET được dùng để điều khiển đổi tốc độ của động cơ. 3.1.4.Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của khối động lực. 3.14.1.Sơ đồ nguyên lý. Hình 3.7:Sơ đồ nguyên lý khối động lực. Hình 3.8:Sơ đồ nguyên lý khối đảo chiều và thay đổi tốc độ động cơ. Hình 3.9:Nguyên lý kết nối mạch động lực và mạch điều khiển. 3.1.4.2.Nguyên lý hoạt động. Trên sơ đồ nguyên lý thấy mỗi một động cơ sẽ được điều khiển bởi hai cổng của VĐK, được cách ly qua hai bộ cách ly quang. Một chân của VĐK sẽ điều khiển đóng cắt Rơle để tiến hành đảo hay không đảo chiều của động cơ, chân còn lại sẽ có tác dụng tiến hành điều xung để thay đổi tốc độ động cơ. Khi có tín hiệu đầu ra từ chân 14 của UNL2803 (ton) ở mức cao(12v) thì Transistor ngược T1 được phân cực thuận, Transistor thuận T2 khóa, cực điều khiển của IRF được đặp điện áp 12VDC. IRF dẫn, cấp điện mass cho động cơ. Khi tín hiệu đầu ra từ chân 14 của UNL2803 (ton) ở mức thấp (0v) Transistor thuận T1 khi này khóa, Transistor ngược T2 dẫn, làm cho điện áp đặt vào cực điều khiển của IRF lúc này bằng 0, IRF khóa, ngắt mass của động cơ. Quá trình này được lặp lại sau mỗi chu kì của xung, trong một chu kì xung sẽ có khoảng thời gian động cơ được cấp xung (ton) và khoảng thời gian mà động cơ không được cấp xung (toff). Việc thay đổi khoảng thời gian ton trong toàn bộ chu kì sẽ thay đổi giá trị điện áp trung bình đặt lên động cơ dẫn đến làm thay đổi tốc độ của động cơ. Để đảo chiều động cơ ta dùng 1 Rơle, bình thường thì cuộn hút của rơle không được cấp điện do đầu ra của UNL2803AN ở mức cao, động cơ quay theo chiều thuận. Khi cuộn hút của rơle có điện, hai cực của động cơ được đảo do tiếp điểm của rơle bị đảo và động cơ quay theo chiều ngược lại. Như vậy thay vì phải dùng mạch cầu H ta chỉ cần dùng 1 van bán dẫn và 1 rơle để có thể thực hiện việc thay đổi tốc độ và đảo chiều động cơ. Điều kiện để động cơ quay là phải có xung điều khiển (giá trị xung khác 0) cho van bán dẫn. Điều kiện để động cơ có thể đảo chiều là có xung điều khiển cho van và cuộn hút Rơle có điện (Rơle tác động). Cách ly giữa mạch điều khiển và mạch động lực là PC817 (cách ly quang). PC817 có tầm quan trong rất lớn vừa ngăn chặn những xung đột bên mạch động lực vừa có thể nâng mức tín hiệu của đầu ra mạch điều khiển. Cực điều khiển của IRF 540N được cấp bởi bộ lọc RC. Nhờ có bộ lọc này mà giảm được các nhiều và điện áp phân cực cho cực là là xung vuông chuẩn. 3.1.5.Lựa chọn van và tính toán công suất cho mạch động lực. 3.1.5.1.Động cơ sử dụng trong robot. Tổng số động cơ được sử dụng là 4 động cơ có công suất tối đa là 24W, điện áp làm việc tối đa 24V, dòng điện làm việc định mức lớn nhất là 1A. Ta sẽ tiến hành chọn van bán dẫn cho động cơ: +Dòng làm việc của động cơ Ilv = 1A. +Dòng điện lúc khởi động Ikđ = 2Ilv = 2.1 = 2A. +Chọn hệ số an toàn cho mạch là k = 1,5. +Do đó dòng điện làm việc mà van phải chịu là Ilv Van = k.Ikđ = 1,5.2 = 3A. +Ta sẽ chọn van có dòng làm việc đỉnh Ilvđ Van ≥ 5.Ilv Van = 5.3 = 15A. Do trong cuộc thi chỉ giới hạn nguồn cung cấp tối đa là 24V, do đó để đảm bảo cung cấp đầy đủ công suất cho 4 động cơ trong suốt cuộc thi, thì chúng em đã chọn phương án thiết kế riêng nguồn 24V để cung cấp cho các động cơ. 3.1.5.2.Van bán dẫn IRF 540N. IRF540N là một loại MOSFET công suất. Các thông số cơ bản của IRF540N: + Dòng điện làm việc lớn nhất: Ở 250C: 33A Ở 1000C: 23A + Điện áp làm việc lên tới 100V. + Công suất tối đa: 120W ở 25oC. + Công suất sẽ giảm 0,8W/oC tính từ nhiệt độ 25oC. + Dải nhiệt độ làm việc từ -55 đến 175oC. + Tần số đóng cắt lên tới 1MHz. Trong mạch IRF540N phải được cung cấp điện áp 12V. Hình 3.10: Hình dạng, sơ đồ chân, kí hiệu trên mạch điện của IRF540N 3.1. 5.3.Transistor NPN D468 và PNP B562. Transistor ngược D468 và Transistor thuận B562 kết hợp với nhau tạo thành một khóa đóng cắt để điều khiển IRF540N có tác dụng điều xung cho động cơ. Thông số của Transistor ngược D468 như sau: +Điện áp cực đại đặt trên collector và base: VCBO = 25V. +Điện áp cực đại đặt trên collector và emitter: VCEO = 20V. +Điện áp cực đại đặt trên emitter to base: VEBO = 5V. +Dòng điện cực đại đặt trên collector :I= 1.5A. +Công suất tiêu thụ cực đại: 0.9W. Trong mạch D468 được cung cấp điện áp 12V, dòng tiêu thụ lúc này là I= 1mA. Vậy công suất tiêu thụ của D468 trong mạch là: P = U.I = 12.(1mA) = 12( mW). Thông số của Transistor ngược B562 như sau: +Điện áp cực đại đặt trên collector và base: VCBO = -25V. +Điện áp cực đại đặt trên collector và emitter: VCEO = -20V. +Điện áp cực đại đặt trên emitter to base: VEBO = -5V. +Dòng điện cực đại đặt trên collector là: I= -1.5A. +Công suất tiêu thụ cực đại: 0.9W. Trong mạch B562 được cung cấp với điện áp ngược -12V, dòng tiêu thụ lúc này là I= -1mA. Vậy công suất tiêu thụ của B562 trong mạch là: P = U.I = -12.(-1mA) = 12( mW). 3.1.5.4.Opto PC817. Opto PC817 giúp cách ly quang giữa mạch công suất với mạch điều khiển. Vì đôi khi động cơ chạy quá dòng thì dòng trả về lớn chết một số linh kiện trong mạch công suất, nếu không có cách ly thì dòng lớn sẽ theo đường mạch làm vi điều khiển và toàn bộ những linh kiện khác trong mạch bị ảnh hưởng. Trong mạch PC817 được cung cấp với điện áp 12V, dòng tiêu thụ là I= 5mA. Vậy công suất tiêu thụ của PC817 trong mạch là: P = U.I = 12.(5mA) = 60( mW). Như vậy: với những tính toán về công suất như trên thì để đảm bảo cho việc cung cấp đủ công suất hoạt động cho khối: cách ly quang, đảo chiều và thay đổi tốc động cơ, thì chúng em đã thiết kế riêng nguồn 12V để cung cấp cho các khối này. 3.2: KHỐI CẢM BIẾN TRONG ROBOT. 3.2.1.Cảm biến dò đường. 3.2.1.1.Mạch cảm biến dùng quang trở. a.Cấu trúc bề ngoài và hình dạng của quang trở. Hình 3.11: Cấu trúc và hình dạng quang trở. Đặc trưng của các quang trở là sự phụ thuộc của giá trị điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ của bức xạ đó. Điện trở quang là một trong những cảm biến có độ nhạy cao. Cơ sở vật lý của điện trở quang là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội: hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu. Hình 3.12: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng. b.Nguyên tắc hoạt động. Khi quang trở không nhận được ánh sáng của led phát thì điện trở của quang trở cao, dòng qua quang trở rất nhỏ, điện áp rơi trên quang trở lớn. Khi quang trở nhận được ánh sáng do led phát ra thì điện trở của quang trở giảm, dòng qua quang trở lớn điện áp rơi trên đó rất nhỏ. c.Mạch cảm biến dùng quang trở điển hình. Hình 3.13: Mạch quang trở điển hình. Nguyên tắc hoạt động của mạch. Trước hết ta điều chỉnh biến trở VR để tạo điện áp chuẩn so sánh. Khi quang trở không nhận được ánh sáng (hay nhận dược rất ít ánh sáng) do Led phát phát ra, tức là không gặp vạch trắng thì điện trở của quang trở lớn nên dòng điện qua quang trở là nhỏ do đó điện áp tại chân 2 là lớn U2 > U3 nên đầu ra của LM324 là mức “0” Ura = 0V, đồng thời đầu ra của LM324 được đưa vào VĐK do đo đầu vào của VĐK lúc này là 0V. Khi quang trở nhận được ánh sáng do Led phát phát ra thì điện trở của quang trở giảm do đó dòng điện qua quang trở lớn nên điện áp đặt vào chân 2 nhỏ U2 < U3 nên đầu ra của LM324 là “1” khi đó đầu vào VĐK là 5V. Mạch sử dụng quang trở đơn giản, dễ điều chỉnh, giá thành thấp nhưng cũng có nhược điểm đó là quang trở rất nhạy và phụ thuộc vào ánh sáng môi trường do đó sử dụng quang trở cần phải che chắn tốt, mặt khác đặc tính của quang trở không phải phụ thuộc tuyến tính vào cường độ sáng mà là một đường phi tuyến nên có những điểm làm việc ta rất khó có thể chỉnh được độ nhạy của quang trở để phân biệt được các màu. 3.2.1.2.Mạch cảm biến dùng Led thu phát hồng ngoại. Hình 3.14: Hình dáng, cấu tạo LED Thu, Phát. a.Mạch cảm biến hồng ngoại phát thẳng. Trong cặp thu phát hồng ngoại (IR) này: một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter (IRE)) và một linh kiện nhận (IR receiver (IRS)) tạo thành 1 cặp cảm biến sensor. Led thu là loại phản quang, nghĩa là chỉ nhận được ánh sáng hồng ngoại của Led phát khi ánh sáng đó được phản xạ bởi một vật chắn sáng. Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ truyền tới linh kiện nhận. Hình 3.15: Nguyên lý thu phát của thu phát hồng ngoại. Dòng điện đi qua linh kiện thu sẽ tỉ lệ với cường độ năng lượng của tia hồng ngoại mà nó nhận được. Hình 3.16: Sự phụ thuộc của dòng điện vào cường độ tia hồng ngoại. Trong mạch thu phát thì led phát và led nhận được nối mạch theo sơ đồ hình dưới đây, trong đó: Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lý của cặp thu phát hồng ngoại. Chân TX là chân cấp mass, nếu cấp thẳng mass vào chân này thì ta sẽ có mạch thu phát hồng ngoại phát thẳng, còn nếu chân TX được cấp bởi bộ dao động với tần số thì ta có mạch phát hồng ngoại điều biến. Điểm IRSO là điểm phân áp của R9, VR1 và led nhận hồng ngoại (IRS1), dòng sẽ đi qua linh kiện phát và nó sẽ phát ra tia hồng ngoại. Nếu có 1 vật phản xạ mầu trắng thì năng lượng hồng ngoại sẽ phản hồi lại, IRS1 nhận được ánh sáng hồng ngoại do Led phát phát ra, khi đó điện trở của Led thu sẽ giảm và tạo một dòng cao hơn đi qua IRS1, do đó điện áp trên IRS0 sẽ hạ xuống. Nếu vật phản xạ có mầu đen, hoặc mầu sẫm hơn thì ngược lại, do đó điện áp trên IRS0 sẽ nâng lên. IRSO là điểm phân áp để kích mở Transistor. b.IR Sensor phát xung. Mức điện áp trên đầu ra của sensor IR không chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng phản xạ mà còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng môi trường. Trên sân thi đấu có rất nhiều loại đèn với nhiều màu sắc khác nhau do vậy nếu che chắn không cẩn thận thì led thu sẽ nhận được rất nhiều ánh sáng bên ngoài, với những nhiễu của. môi trường như vậy thì cảm biến sẽ làm việc không chính xác, điều đó sẽ dẫn đến robot hoạt động không như ý muốn. Để hạn chế sự ảnh hưởng của ánh sáng môi trường, thì bên phát hồng ngoại chỉ cho phát ra 1 tần số nhất định (bước sóng hồng ngoại cố định), rồi điều chỉnh bên thu, chỉ thu được tần số đó (bước sóng đó). Trong hệ thống sensor IR phát xung thì bên phát được tạo tần số phát bằng NE555 và được đưa vào chân TX. Như vậy, với những phân tích như ở trên và yêu cầu của cuộc thi năm nay chúng em đã quyết định sử dụng Led thu phát hồng ngoại để thiết kế mạch cảm biến dò đường. 3.2.2.Bố trí cảm biến dò đường. Trên robot, về nguyên tắc bố trí càng nhiều cảm biến dò đường thì khả năng bám đường càng tốt. Tuy nhiên, trên thực tế ta thường sử dụng 6, hoặc 8 cảm biến, tùy vào đề tài, chất lượng động cơ mà ta bố trí cảm biến. Thường có hai phương pháp bố trí cảm biến. 3.2.2.1.Sử dụng 6 cảm biến xếp thành hàng ngang. Cách này thích hợp với loại động cơ có khả năng hãm tốt (loại động cơ có hộp giảm tốc), khi quay thường sử dụng quay bằng 1 bánh (1 bánh dừng còn 1 bánh tiến). Hình 3.18: Bố trí 6 cảm biến theo hàng ngang. 3.2.2.2.Sử dụng 8 cảm biến. Hình 3.19: Bố trí 8 cảm biến 6 trước 2 sau. Hoặc theo một đường thẳng như hình vẽ. Hình 3.20: Bố trí 8 cảm biến theo 1 hàng ngang. Cách này thích hợp với những loại động cơ có khả năng hãm kém, khi quay thì cho bánh tiến bánh lùi. 3.2.3.Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến. Để robot có thể dò đường theo các vạch trắng trên sân thì cần phải có cảm biến để xác định các vạch trên sân, ta sử dụng một dàn gồm 8 cặp thu phát hồng ngoại có sử dụng điều xung để xác định vạch trắng trên sân. Như đã phân tích ở trên để giảm tối đa những ảnh hưởng, nhiễu do môi trường đem lại thì các tín hiệu cảm biến phải được điều chế. Cách điều chế ở đây là tạo ra một tần số để phần phát với tần số đó và ở bên thu muốn thu được tín hiệu thì phải có tần số thu thích hợp với bên phát. Do ta tiến hành điều chế xung phát ra từ phần phát nên trong phần thu ta cũng phải tiến hành lọc và xử lý tín hiệu này. Phần tử phát (Led phát) trong cặp thu phát hồng ngoại được điều xung để phát ra ánh sáng hồng ngoại với một tần số nhất định. Tần số này được tạo ra từ bộ dao động đa hài dùng NE555 và có thể thay đổi được bằng cách thay đổi giá trị điện trở. của biến trở mắc giữa chân 6 và chân 7 của NE555 tín hiệu ra ở chân 3 của NE555 được đưa vào đầu vào của IC ULN2003AN, IC ULN 2003AN có tác dụng nâng biên độ của tín hiệu ra, để đảm bảo tín hiệu ra không bị đảo ta lấy phản hồi từ đầu ra của ULN2003 đưa ngược lại vào đầu vào khác. Ở đây tín hiệu đưa ra từ chân số 3 của NE555 (có dạng xung clock) có mức điện áp là 5V còn tín hiệu ra từ chân số 15 của ULN2003AN là 12V. Ta có sơ đồ nguyên lý của mạch tạo xung Clock cho phần phát của cảm biến như sau: Hình 3.21: Nguyên lý mạch tạo xung. Tín hiệu ra khi này (CLK) có dạng xung clock sẽ được đem đi để điều khiển phần phát của cặp thu phát hồng ngoại dò đường. Hình 3.22: Bộ lọc cảm biến. Phần thu chính là một photo Diode. Khi gặp vạch trắng cường độ ánh sáng hồng ngoại phản hồi tới photo Diode lớn, photo Diode dẫn mạnh, tín hiệu thu được khi này sẽ có mức thấp (do phần thu nối với Mass). Tín hiệu thu được ở phần thu được đưa vào một bộ lọc. Nhìn trên mạch ta thấy chỉ những tín hiệu có tần số bằng với tần số của bộ lọc thì mới có thể đi qua. Tần số đó được tính bằng: f = 1/R.C. Nguyên lý làm việc của bộ lọc trong mạch như sau: Khi mà tần số phát và tần số thu không bằng nhau, tín hiệu từ bộ thu không đi được qua tụ lọc vì thế điện áp đầu ra CB1 lúc này đúng bằng với điện áp UCE của T1 (khoảng 0,5V). Hình 3.23: Nguyên lý mạch so sánh. Khi tần số tín hiệu phát trùng với bên thu tín hiệu từ bộ thu đi qua được tụ lọc làm cho T1 dẫn, tín hiệu ra CB1 lúc này được san phẳng nhờ tụ 10uF. Và tùy thuộc vào vị trí cảm biến so với vạch trắng trên sân mà giá trị của CB1 thay đổi từ 0.9V – 1,8V. Sau khi được lọc tín hiệu cảm biến sẽ được đưa vào so sánh trước khi được đưa vào chân của vi điều khiển. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của cặp thu, phát. Hình 3.24: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của 1 bộ thu phát. 3.2.4. Tính toán công suất cho khối cảm biến. 3.2.4.1. IC tạo xung NE555. NE555 do hãng CMOS sản xuất, đây là một loại linh kiện khá là phổ biến bây giờ với việc dễ dàng tạo được xung vuông và có thể thay đổi tần số tùy thích, với sơ đồ mạch đơn giản, điều chế được độ rộng xung. Nó được ứng dụng hầu hết vào các mạch tạo xung đóng cắt hay là những mạch dao động khác. Thông số của NE555 như sau: + Điện áp đầu vào : 2V - 18V ( Tùy từng loại của 555 : LM555, NE555, NE7555..). + Dòng điện cung cấp : 6mA - 15mA. + Điện áp logic ở mức cao : 0.5V - 15V. + Điện áp logic ở mức thấp : 0.03V - 0.06V. + Công suất lớn nhất là : 600mW. Trong mạch NE555 được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 6mA. Vậy công suất tiêu thụ của NE555 trong mạch là: P = U.I = 5.6 = 30( mW). 3.2.4.2.IC LM324. LM324 là loại IC khuếch đại thuật toán dùng để so sánh tín hiệu của cảm biến đưa về đặt ở chân âm với một điện áp chuẩn đặt ở chân dương. Tín hiệu đầu ra được đưa về chân của vi điều khiển. Thông số của LM324 như sau: +Điện áp làm việc nhỏ nhất: 3V. +Điện áp đầu vào cực đại: 32V. +Dòng điện đầu vào (làm việc) cực đại: 100nA. +Công suất tiêu thụ của IC này ở 25°C là 1310 mW. Trong mạch LM324 được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 50nA Vậy công suất tiêu thụ của LM324 trong mạch là: P = U.I = 5.50 = 250( nW). 3.2.4.3. IC ULN2003AN. ULN 2003AN là IC đệm dòng có tác dụng nâng biên độ của tín hiệu ra, để đảm bảo tín hiệu ra không bị đảo, ta lấy phản hồi từ đầu ra của ULN2003 đưa ngược lại vào đầu vào khác. Lúc này tín hiệu ra từ chân số 15 của ULN2003AN là 12V. Thông số của ULN2003Annhuw sau: +Điện áp làm việc: 5V. +Điện áp ra cực đại: 50V. +Điện áp đầu vào cực đại: 30V. +Dòng điện đầu vào cực đại: 25mA. +Dòng điện đầu ra cực đại: 500mA. +Công suất tiêu thụ cực đại: 1W. Trong mạch ULN2003 được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 25mA. Vậy công suất tiêu thụ của ULN2003 trong mạch là: P = U.I = 5.25 = 125( mW). 3.2.4.4. Led thu phát hồng ngoại. Trong cặp thu phát hồng ngoại (IR): một linh kiện phát hồng ngoại (IR emitter (IRE)) và một linh kiện nhận (IR receiver (IRS)) tạo thành 1 cặp cảm biến sensor. Led thu là loại phản quang, nghĩa là chỉ nhận được ánh sáng hồng ngoại của Led phát khi ánh sáng đó được phản xạ bởi một vật chắn sáng. Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ truyền tới linh kiện nhận. Thông số của Led thu phát như sau: +Điện áp làm việc: 5V. +Dòng điện đầu vào: 25mA. Trong mạch Led thu pháp hồng ngoại được cung cấp điện áp 5V, dòng cung cấp lúc này là 25mA. Vậy công suất tiêu thụ của 8 cặp Led thu phát trong mạch là: P = 2.8U.I = 2.8.5.25 = 2000( mW)=2W. Như vậy, để đảm bảo việc cung cấp đủ công suất cho khối cảm biến chúng em đã sử dụng 2 nguồn riêng biệt: Một nguồn 12V cung cấp cho cảm biến dò đường Led thu phát hồng ngoại, và một nguồn 5V cung cấp cho các khối sử lý tín hiệu khác. 3.2.5.Công tắc hành trình. Công tắc hành trình được sử dụng rộng rãi trong robot và trong tự động hóa. Công tắc hành trình được sử dụng để phát hiện các giới hạn chuyển động của các cơ cấu trong robot như giới hạn lên, xuống,… Công tắc hành trình thường có cấu tạo gồm 3 cực tạo thành hai cặp tiếp điểm 1 thường đóng và 1 thường mở. Công tắc hành trình rất đa dạng và phong phú về cấu tạo và chủng loại. Dưới đây là một số công tắc hành trình phổ biến và hay được sử dụng. Hình 2.35: Một số loại công tắc hành trình thông dụng. Để robot làm việc chính xác và linh hoạt thì cảm biến hành trình rất quan trọng nó giúp cho các hoạt động của robot được đúng quỹ đạo đã được lập trình trước. Nguyên lý của mạch cảm biến hành trình rất đơn giản dễ thực hiện: Tất cả các cảm biến khi tác động