Đồ Án Thiết kế, chế tạo Robot tự động tham gia Robocon 2012

MỤC LỤC



PHẦN 1: MỞ ĐẦU . 1

1. Tên đề tài 1

2. Lý do chọn đề tài 1

3. Đối tượng nghiên cứu . 2

4. Phương pháp nghiên cứu 2

5. Ý nghĩa của đề tài . 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG 3

1.1. Vi điều khiển PIC 3

1.1.1. Những Đặc điểm của PIC18F4431 4

1.1.2. Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431 . 7

1.1.3. Bộ định thời trong PIC . 9

1.2.4. Các modul cơ bản của PIC18F4431 13

1.2. Cảm biến trong robot 15

1.2.1. Cảm biến dò đường 15

1.2.2. Công tắc hành trình 20

1.2.3. Cảm biến quang . 21

1.3. Mạch công suất điều khiển động cơ 22

1.3.1. Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot 22

1.3.2. Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ) 23

1.3.3. Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. . 25

1.4.Van và hệ thống khí nén 28

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 30

2.1. Nhiệm vụ của robot tự động . 30

2.2. Phương án thiết kế 30


2.2.1. Đế robot 30

2.2.2. Tấm máng đỡ chở robot thu thập . 31

2.2.3. Tay gắp giỏ . 32

2.2.4. Các loại bánh omni 32

2.2.5. Bánh xe chủ động . 34

2.3. Tính chọn động cơ 35

2.4. Hình vẽ dạng 3D . 38

2.5. Hình dạng thực tế 40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH 41

3.1.Yêu cầu chung của mạch . 41

3.2.Thiết kế mạch tổng quát điều khiển robot tự động 41

3.2.1. Khối nguồn . 42

3.2.2. Khối vi xử lý trung tâm: . 47

3.2.3. Khối cảm biến 48

3.2.4. Khối cách ly quang và khuyếch đại tín hiệu 53

3.2.5. Khối động lực . 58

3.2.6. Khối phản hồi . 60

3.2.7. Sản phẩm mạch hoàn thiện 62

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 67

4.1. Phần mềm CCS C 67

4.1.1. Giới thiệu phần mềm CCS C . 67

4.1.2. Các hàm cơ bản trong CCS C 68

4.2. Thuật toán điều khiển robot tự động . 73

4.2.1. Lưu đồ chương trình chính 73

4.2.2. Lưu đồ chương trình con 74

4.3. Chương trình điều khiển . 81

CHƯƠNG 5: KIỂM TRA, CHẠY THỬ, HIỆU CHỈNH . 82

5.1. Trình tự kiểm tra mạch 82

5.1.1. Kiểm tra Rơle: 82

5.1.2. Kiểm tra PC817 : 82


5.1.3. Kiểm tra các linh kiện khác: 82

5.1.4. Kiểm tra mạch 82

5.2. Các lỗi sự cố hay xảy ra trong quá trình kiểm tra, chạy thử phương án khắc phục. . 83

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 84

1. Kết luận 84

1.1. Thuận lợi và khó khăn . 84

1.2. Kết quả 84

2. Hướng phát triển đề tài và kiến nghị 85

2.1. Hướng phát triển đề tài . 85

2.2. Kiến nghị . 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 86

PHỤ LỤC 87



DANH MỤC HÌNH VẼ



Hình 1.1: Vi điều khiển PIC 18F4431 .3

Hình 1.2: Sơ đồ khối của PIC18F4431 6

Hình 1.3: Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431 .7

Hình 1.4: Mạch dao động .8

Hình 1.5: Sơ đồ khối của modul PWM .14

Hình 1.6: Cấu trúc và hình dạng quang trở .15

Hình 1.7: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 15

Hình 1.8: Mạch quang trở điển hình .16

Hình 1.9: Hình dáng cấu tạo LED Thu Phát .17

Hình 1.10: Nguyên lý thu phát của thu phát hồng ngoại .17

Hình 1.11: Sự phụ thuộc của dòng điện vào cường độ tia hồng ngoại 18

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của cặp thu phát hồng ngoại .18

Hình 1.13: Bố trí 6 cảm biến theo hàng ngang 19

Hình 1.14: Bố trí 8 cảm biến 6 trước 2 sau 19

Hình 1.15: Bố trí 8 cảm biến theo 1 hàng ngang 20

Hình 1.16: Một số loại công tắc hành trình thông dụng 21

Hình 1.17: Một số loại cảm biến quang thông dụng .22

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H .24

Hình 1.19: Hình dạng và sơ đồ chân L293B 25

Hình 1.20: Mạch điều xung PWM dùng IC NE555 27

Hình 1.21: Xy lanh và van khí nén 28

Hình 2.1: Đế robot tự động .31

Hình 2.2: Máng đở chở robot thu thập 31


Hình 2.3: Tay lấy giỏ của robot tự động .32

Hình 2.4: Bánh omni dùng trong robot .33

Hình 2.5: Bánh xe nhôm có rãnh đai .34

Hình 2.6: Kích thước bánh nhôm 34

Hình 2.7: Phân tích lực lên bánh xe 35

Hình 2.8: Động cơ servo 60w 37

Hình 2.9: Khung robot nhìn từ phía trên của robot .38

Hình 2.10: Khung robot nhìn từ phía sau của robot 38

Hình 2.11: Mô hình robot tự động 39

Hình 2.12: Sản phẩm thực tế .40

Hình 3.1: Mô hình robot tự động 41

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý nguồn điều khiển 42

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý nguồn động lực .43

Hình 3.4: Hình dạng và sơ đồ chân IC 7805 .43

Hình 3.5: Hình dạng và sơ đồ chân IC 7812 .44

Hình 3.6: Cấu tạo của IC LM 2576 .45

Hình 3.7: Sơ đồ chân của B688 .45

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý các khối dao động, nạp các tín hiệu đầu vào .47

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch 8 cặp thu phát .48

Hình 3.10: Sơ đồ board mạch cảm biến 8 .49

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch ADC xử lý tín hiệu cảm biến .49

Hình 3.12: Bộ nút ấn lựa chọn chương trình .50

Hình 3.13: Phần hiển thị tín hiệu cảm biến .50

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị bằng LCD 50

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến tiệm cận .52


Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối cách ly quang và khuếch đại tín hiệu .53

Hình 3.17: Sơ đồ cấu tạo và hình dáng thực tế của PC 817 54

Hình 3.18: a: hình dạng b:cấu trúc. c sơ đồ kết nôi của ULN29803A .55

Hình 3.19: Hình dàng và ký hiệu D468 .55

Hình 3.20: Hình dạng và ký hiệu B562 .56

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển và động lực 58

Hình 3.22: Hình dạng của IRFz44 .59

Hình 3.23: Cấu tạo encoder 60

Hình 3.24: Sơ đồ mạch phản hồi encoder .61

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch robot tự động 62

Hình 3.26: Sơ đồ bố trí linh kiện trong mạch robot tự động .63

Hình 3.27: Sơ đồ board mạch robot tự động .64

Hình 3.28: Sơ đồ mạch điều khiển robot tự động vùng 2 thực tế .65

Hình 3.29: Sơ đồ mạch 8 cảm biến .65

Hình 3.30: Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu cảm biến ADC .66

Hình 4.1: Giao diện phần mềm CCS .68

Hình 4.2: Lưu đồ chương trình chính điều khiển robot tự động .73

Hình 4.3: Lưu đồ chương trình lấy giỏ 1 sân xanh .75

Hình 4.4: Lưu đồ chương trình đếm vạch ngang 76

Hình 4.5: Lưu đồ chương trình dò đường bằng cảm biến .76

Hình 4.6: Lưu đồ chương trình lấy giỏ 2 sân xanh .78

Hình 4.8: Lưu đồ chương trình trở ở chân dốc 80

Hình 4.9: Lưu đồ chương trình cảm biến ADC .81MỤC LỤC


PHẦN 1: MỞ ĐẦU . 1

1. Tên đề tài 1

2. Lý do chọn đề tài 1

3. Đối tượng nghiên cứu . 2

4. Phương pháp nghiên cứu 2

5. Ý nghĩa của đề tài . 2

PHẦN 2: NỘI DUNG 3

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT CHUNG 3

1.1. Vi điều khiển PIC 3

1.1.1. Những Đặc điểm của PIC18F4431 4

1.1.2. Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431 . 7

1.1.3. Bộ định thời trong PIC . 9

1.2.4. Các modul cơ bản của PIC18F4431 13

1.2. Cảm biến trong robot 15

1.2.1. Cảm biến dò đường 15

1.2.2. Công tắc hành trình 20

1.2.3. Cảm biến quang . 21

1.3. Mạch công suất điều khiển động cơ 22

1.3.1. Động cơ điện 1 chiều sử dụng trong robot 22

1.3.2. Điều khiển chiều quay động cơ (đảo chiều động cơ) 23

1.3.3. Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều. . 25

1.4.Van và hệ thống khí nén 28

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 30

2.1. Nhiệm vụ của robot tự động . 30

2.2. Phương án thiết kế 30


2.2.1. Đế robot 30

2.2.2. Tấm máng đỡ chở robot thu thập . 31

2.2.3. Tay gắp giỏ . 32

2.2.4. Các loại bánh omni 32

2.2.5. Bánh xe chủ động . 34

2.3. Tính chọn động cơ 35

2.4. Hình vẽ dạng 3D . 38

2.5. Hình dạng thực tế 40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH 41

3.1.Yêu cầu chung của mạch . 41

3.2.Thiết kế mạch tổng quát điều khiển robot tự động 41

3.2.1. Khối nguồn . 42

3.2.2. Khối vi xử lý trung tâm: . 47

3.2.3. Khối cảm biến 48

3.2.4. Khối cách ly quang và khuyếch đại tín hiệu 53

3.2.5. Khối động lực . 58

3.2.6. Khối phản hồi . 60

3.2.7. Sản phẩm mạch hoàn thiện 62

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 67

4.1. Phần mềm CCS C 67

4.1.1. Giới thiệu phần mềm CCS C . 67

4.1.2. Các hàm cơ bản trong CCS C 68

4.2. Thuật toán điều khiển robot tự động . 73

4.2.1. Lưu đồ chương trình chính 73

4.2.2. Lưu đồ chương trình con 74

4.3. Chương trình điều khiển . 81

CHƯƠNG 5: KIỂM TRA, CHẠY THỬ, HIỆU CHỈNH . 82

5.1. Trình tự kiểm tra mạch 82

5.1.1. Kiểm tra Rơle: 82

5.1.2. Kiểm tra PC817 : 82


5.1.3. Kiểm tra các linh kiện khác: 82

5.1.4. Kiểm tra mạch 82

5.2. Các lỗi sự cố hay xảy ra trong quá trình kiểm tra, chạy thử phương án khắc phục. . 83

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ . 84

1. Kết luận 84

1.1. Thuận lợi và khó khăn . 84

1.2. Kết quả 84

2. Hướng phát triển đề tài và kiến nghị 85

2.1. Hướng phát triển đề tài . 85

2.2. Kiến nghị . 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO . 86

PHỤ LỤC 87



DANH MỤC HÌNH VẼ



Hình 1.1: Vi điều khiển PIC 18F4431 .3

Hình 1.2: Sơ đồ khối của PIC18F4431 6

Hình 1.3: Sơ đồ chức năng chân của PIC 18F4431 .7

Hình 1.4: Mạch dao động .8

Hình 1.5: Sơ đồ khối của modul PWM .14

Hình 1.6: Cấu trúc và hình dạng quang trở .15

Hình 1.7: Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng 15

Hình 1.8: Mạch quang trở điển hình .16

Hình 1.9: Hình dáng cấu tạo LED Thu Phát .17

Hình 1.10: Nguyên lý thu phát của thu phát hồng ngoại .17

Hình 1.11: Sự phụ thuộc của dòng điện vào cường độ tia hồng ngoại 18

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của cặp thu phát hồng ngoại .18

Hình 1.13: Bố trí 6 cảm biến theo hàng ngang 19

Hình 1.14: Bố trí 8 cảm biến 6 trước 2 sau 19

Hình 1.15: Bố trí 8 cảm biến theo 1 hàng ngang 20

Hình 1.16: Một số loại công tắc hành trình thông dụng 21

Hình 1.17: Một số loại cảm biến quang thông dụng .22

Hình 1.18: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H .24

Hình 1.19: Hình dạng và sơ đồ chân L293B 25

Hình 1.20: Mạch điều xung PWM dùng IC NE555 27

Hình 1.21: Xy lanh và van khí nén 28

Hình 2.1: Đế robot tự động .31

Hình 2.2: Máng đở chở robot thu thập 31


Hình 2.3: Tay lấy giỏ của robot tự động .32

Hình 2.4: Bánh omni dùng trong robot .33

Hình 2.5: Bánh xe nhôm có rãnh đai .34

Hình 2.6: Kích thước bánh nhôm 34

Hình 2.7: Phân tích lực lên bánh xe 35

Hình 2.8: Động cơ servo 60w 37

Hình 2.9: Khung robot nhìn từ phía trên của robot .38

Hình 2.10: Khung robot nhìn từ phía sau của robot 38

Hình 2.11: Mô hình robot tự động 39

Hình 2.12: Sản phẩm thực tế .40

Hình 3.1: Mô hình robot tự động 41

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý nguồn điều khiển 42

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý nguồn động lực .43

Hình 3.4: Hình dạng và sơ đồ chân IC 7805 .43

Hình 3.5: Hình dạng và sơ đồ chân IC 7812 .44

Hình 3.6: Cấu tạo của IC LM 2576 .45

Hình 3.7: Sơ đồ chân của B688 .45

Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý các khối dao động, nạp các tín hiệu đầu vào .47

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch 8 cặp thu phát .48

Hình 3.10: Sơ đồ board mạch cảm biến 8 .49

Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý mạch ADC xử lý tín hiệu cảm biến .49

Hình 3.12: Bộ nút ấn lựa chọn chương trình .50

Hình 3.13: Phần hiển thị tín hiệu cảm biến .50

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị bằng LCD 50

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến tiệm cận .52


Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối cách ly quang và khuếch đại tín hiệu .53

Hình 3.17: Sơ đồ cấu tạo và hình dáng thực tế của PC 817 54

Hình 3.18: a: hình dạng b:cấu trúc. c sơ đồ kết nôi của ULN29803A .55

Hình 3.19: Hình dàng và ký hiệu D468 .55

Hình 3.20: Hình dạng và ký hiệu B562 .56

Hình 3.21: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển và động lực 58

Hình 3.22: Hình dạng của IRFz44 .59

Hình 3.23: Cấu tạo encoder 60

Hình 3.24: Sơ đồ mạch phản hồi encoder .61

Hình 3.25: Sơ đồ nguyên lý mạch robot tự động 62

Hình 3.26: Sơ đồ bố trí linh kiện trong mạch robot tự động .63

Hình 3.27: Sơ đồ board mạch robot tự động .64

Hình 3.28: Sơ đồ mạch điều khiển robot tự động vùng 2 thực tế .65

Hình 3.29: Sơ đồ mạch 8 cảm biến .65

Hình 3.30: Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu cảm biến ADC .66

Hình 4.1: Giao diện phần mềm CCS .68

Hình 4.2: Lưu đồ chương trình chính điều khiển robot tự động .73

Hình 4.3: Lưu đồ chương trình lấy giỏ 1 sân xanh .75

Hình 4.4: Lưu đồ chương trình đếm vạch ngang 76

Hình 4.5: Lưu đồ chương trình dò đường bằng cảm biến .76

Hình 4.6: Lưu đồ chương trình lấy giỏ 2 sân xanh .78

Hình 4.8: Lưu đồ chương trình trở ở chân dốc 80

Hình 4.9: Lưu đồ chương trình cảm biến ADC .81