TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
----- ✧ -----
BÁO CÁO
BÁO CÁO MƠN HỌC: THỰC TẬP NGÀNH NGHỀ
ĐỀ TÀI: MOBILE ROBOT
Giảng viên hướng dẫn:
Thầy Nguyễn Lê Thế Duy
Cô Nguyễn Thị Kiều Phượng
Mục Lục
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ROBOT DÒ ĐƯỜNG...............................................................
1.1Tổng quan về ứng dụng vi điều khiển .......................................
1.2Giới thiệu về robot dò đường .....................................................
1.2.1Giới thiệu ....................................
1.2.2Hoạt động ...................................
1.3Ứng dụng robot dò đường ..........................................................
CHƯƠNG II:THIẾT KẾ VÀ TÌM HIỂU LINH KIỆN CỦA HỆ Thống .................................
2.1Yêu cầu đề tài ............................................................................
2.2Giải pháp thiết kế .......................................................................
2.2.1Sơ đồ khối ...................................
2.2.2Phân tích chức năng các khối .....
2.2.3Nguyên lý hoạt động của hệ thốn
2.3Lựa chọn linh kiện ....................................................................
2.3.1Khối điều khiển ..........................
2.3.2Module điều khiển động cơ L298
2.3.3Module cảm biến hông ngoại ....
2.3.4Động cơ giảm tốc DC .................
2.3.5LED (Light Emitting Diode) .....
2.3.6Nguồn Adapter 12V2A ...............
2.3.7Cảm biến siêu âm HCSR05 ........
2.3.8Module Bluetooth HC06 ............
CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH THUẬT TỐN PID VÀ ỨNG DỤNG TRONG ROBOT DỊ
ĐƯỜNG...................................................................................................................................
3.1Giới thiệu ..................................................................................
3.2Định nghĩa thuật tốn PID ........................................................
3.3Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) ...........................
3.4Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) ...........................
3.5Ứng dụng giải thuật trên robot dị đường .................................
3.5.1Mơ hình PID áp dụng cho robot
3.5.2Giải thuật PID .............................
3.5.3 Hiệu chỉnh thuật toán PID......................................................................................30
3.6 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE............................................................................... 30
3.6.1 Giao diện.................................................................................................................30
CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƯỜNG......................................... 32
4.1 Thiết kế đường đi cho robot.......................................................................................... 32
4.2.2 Hệ thống đường line cho robot...............................................................................32
4.4 Kết quả thực nghiệm trên mơ hình robot.......................................................................33
PHẦN KẾT LUẬN..................................................................................................................36
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................................36
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................................38
PHỤ LỤC................................................................................................................................ 38
Danh Sách Hình
Hình 1.1 Sân chạy robot............................................................................................................2
Hình 1.2 Quang trở....................................................................................................................3
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của quang trở............................................................................3
Hình 1.4 Cách bố trí cảm biến...................................................................................................3
Hình 2.1 Sơ đồ khối robot dị đường.........................................................................................5
Hình 2.3 Mạch cảm biến LED quang trở................................................................................ 10
Hình 2.4 Mạch điều khiển motor sử dụng L298......................................................................11
Hình 2.5 Arduino UNO R3......................................................................................................13
Hình 2.6 Vi xử lý ATmega328.................................................................................................15
Hình 2.7 Sơ đồ chân ATmega328............................................................................................15
Hình 2.8 Module điều khiển động cơ L298.............................................................................16
Hình 2.9 module cảm biến hồng ngoại TCRT5000.................................................................17
Hình 2.10 Động cơ DC giảm tốc.............................................................................................18
Hình 2.11 LED.........................................................................................................................19
Hình 2.12 Nguồn adapter 12v2A Là nguồn chuyển đổi từ AC 220V sang 12V DC...............19
Hình 2.13 Cảm biến siêu âm HCSR05....................................................................................20
Hình 2.14 Module Bluetooth HC06........................................................................................ 21
Hình 2.15 Sơ đồ kích thước Module Bluetooth HC06............................................................22
Hình 2.16 Sơ đồ mạch Module Bluetooth HC06.................................................................... 24
Hình 2.17 Sơ đồ kết nối Module Bluetooth HC06 với Arduio................................................24
Hình 2.18 App kết nối Module Bluetooth HC06 với Arduio.................................................. 24
Hình 3.2 Sơ đồ khối giải thuật PID Phương trình PID tổng quát:...........................................27
Hình 3.3 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dị đường.........................................28
Hình 3.4 Giao diện phần mềm Arduino IDE...........................................................................30
Hình 3.5 Các nút lệnh trong Arduino IDE...............................................................................31
Hình 3.6 Vùng thơng báo trong Arduino IDE......................................................................... 31
Hình 3.7 Chọn cổng kết nối cho Arduino Uno R3.................................................................. 32
Hình 4.1 Mơ phỏng đường đi trên phần nềm Paint 3D........................................................... 32
Hình 4.2 Băng keo dùng làm đường line.................................................................................33
Hình 4.3 Sân đi sau khi chế tạo............................................................................................... 33
Hình 4.5 Hồn thiện robot dị đường.......................................................................................34
Hình 4.6 Cảm biến hồng ngoại................................................................................................35
PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay, với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới của chúng ta đã
và đang ngày một thay đổi, văn minh và hiện đại hơn. Sự phát triển của kỹ thuật điện tử đã
tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự chính xác cao, tốc độ nhanh,
gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết góp phần cho hoạt động của con người đạt hiệu quả cao.
Các bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển tuy đơn giản nhưng để vận hành và sử dụng được
lại là một điều rất phức tạp. Các bộ vi điều khiển theo thời gian cùng với sự phát triển của
công nghệ bán dẫn đã tiến triển rất nhanh, từ các bộ vi điều khiển 4 bit đơn giản đến các bộ
vi điều khiển 32 bit, rồi sau này là 64 bit. Điện tử đang trở thành một ngành khoa học đa
nhiệm vụ. Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công – nông
– lâm – ngư nghiệp cho đến các nhu cầu cần thiết trong hoạt động đời sống hằng ngày.
Robot có vai trò rất quan trọng trong đời sống hiện nay đặc biệt là những ứng dụng của nó
trong cơng nghiệp, sản xuất kinh tế, quốc phịng…. Vì vậy em chọn đề tài “ xe mơ hình dị line
và tránh vật cản kết hợp điều khiển bằng bluetooth áp dụng thuật toán PID”
Mặc dù đã rất cố gắng thiết kế và làm mạch nhưng do thời gian ngắn và năng lực còn hạn
chế nên mạch vẫn cịn những sai sót. Em mong thầy (cơ) giáo góp ý để em sớm hồn thành
đồ án này.
1. Mục tiêu nghiên cứu
- Thực hiện đề tài: “XE MƠ HÌNH DỊ LINE VÀ TRÁNH VẬT CẢN KẾT HỢP ĐIỀU KHIỂN
BẰNG BLUETOOTH” giúp người thực hiện nắm được lý thuyết về đo lường và điều khiển,
hiểu được nguyên lý điều khiển, các tập lệnh.
- Sản phẩm đề tài trước hết có thể để nghiền cứu, mở rộng ứng dụng trong thực tế sản xuất
công nghiệp.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Transistor điều khiển động cơ L298
Cảm biến dò line
Cảm biến tránh vật cản
Thiết bị và cảm biến điều khiển xe mơ hình bằng Bluetooth
- Board Arduino Uno: Nắm được cấu trúc phần cứng, lập trình phần mềm và ứng dụng vào
mơ hình thực tế.
-
Tìm hiểu về lý thuyết liên quan.
Viết và thực hiện các chương trình nhỏ.
Xây dựng thuật tốn điều khiển PID.
Viết chương trình thực hiện thuật tốn bằng Kit arduino.
Thi cơng mạch.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ROBOT DÒ ĐƯỜNG
1.1 Tổng quan về ứng dụng vi điều khiển
Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển trong
ngành điện tử đã đem đến rất nhiều ứng dụng trong cơng nghiệp và trong sinh hoạt gia đình.
-
Từ khi cơng nghệ chế tạp loại vi mạch lập trình phát triển đã đem đến những phương thức
kỹ thuật điều khiển hiện đại có nhiều ưu điểm hơn so với việc sử dụng các mạch điều khiển lắp
ráp bằng các linh kiện rời như kích thước nhỏ, giá thành r , độ làm việc tin cậy, công
suất tiêu thụ nhỏ.
-
Trong các ứng dụng dân dụng và công nghiệp, các bộ vi mạch vi điều khiển được sử
dụng rộng rãi và chúng đã phát huy được tính ưu việt của nó và ngày càng được sử dụng
rộng rãi hơn.
-
Việc sử dụng các bộ vi điều khiển để điều khiển các công việc mang tính lặp lại có chu kì
là cần thiết để thay thế sự giám sát của con người, giảm được số lượng nhân c ng trong các dây
chuyền sản xuất, thay con người thực hiện các công việc mang t nh nguy hiểm, độc hại,...
1.2 Giới thiệu về robot dò đường
1.2.1 Giới thiệu
Ngày nay, khoa học kĩ thuật càng ngày càng phát triển, không chỉ phát triển ở một nhóm
nước ở châu âu như trước đây mà lan rộng ra toàn cầu. Một trong những bước tiến của khoa
học đáng kể đến là sự xuất hiện và ra đời của robot những bộ máy thơng minh.
Robot thực ra đó là những máy móc được con người chế tạo từ nhiều vật liệu khác nhau,
nhưng chủ yếu là những vật liệu dẫn điện. Gọi là những máy móc thơng minh vì robot có thể
làm những cơng việc thay thế con người từ những công việc đơn giản nhất cho đến những
cơng việc phức tạp.
Có thể hiểu cấu trúc robot như sau:
Robot gồm có hai phần:
+
Phần cứng: là phần cấu tạo nên cấu trúc hoạt động của robot (có
thể xem là phần ta có thể thấy bằng mắt thường).
1
+ Phần mềm: là phần chương trình được lập trình viên viết và nạp vào robot nhằm điều
khiển robot hoạt động độc lập (có thể xem đây là phần khơng thể nhìn thấy bằng mắt
thường).
Nhận thức được tầm quan trọng của robot đối với đời sống ngày nay chúng em đã mạnh
dạn chế tạo robot dò đường một dạng của robot.
Robot dị đường là loại robot có cấu tạo như một loại xe có thể tự động nhận dạng và
chạy theo một đường đi có sẵn và tự t nh tốn đường đi để tới đ ch mà khơng cần người điều
khiển nhờ chương trình được nạp sẵn do người lập trình viết nên. Robot chúng em dị theo
những vạch đường và ở đây là vạch đen trên nền trắng.
Hình 1.1 Sân chạy robot
Trong đó, những đường thẳng đen là những vạch robot dò đường đi. Còn phần sân là
một màu trắng đối lập với vạch đen nhằm để robot khơng bị nhiễu khi dị đường. Sở dĩ như
vậy vì cảm biến trong robot nhận dạng và phát hiện vạch đen.
1.2.2 Hoạt động
Sản phẩm là một chiếc xe tự động có chức năng tự di chuyển đến điểm mong muốn trên
sân. Với các chế độ 1,2.. chiếc xe có thể thực hiện được đa dạng trong việc di chuyển và có
nhiều hướng phát triển thêm sau này.
2
Hình 1.2 Quang trở
Khi có ánh sáng thì điện trở của quang trở sẽ giảm và ngược lại, điện trở của nó thay đổi
cỡ từ 5k (khi có ánh sáng) đến 100k (khơng có ánh sáng), ta sử dụng 2 led phát làm nguồn sáng
cho nó. Khi gặp vạch trắng, ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở nó giảm xuống và
khi gặp nền đen thì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh sáng nên trở nó tăng.
Từ đó dựa vào 8 quang trở, robot có thể phân biệt được vạch trắng (dưới sự hỗ trợ của opamp
so sánh).
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của quang trở
Qua opam so sánh tín hiệu nhận được được gửi về mạch xử lý trung tâm, ở đây Arduino
Uno R3 xử lý tính hiệu và đưa ra các điều khiển tùy vào người lập trình.
1
2
3
4
5
6
7
8
Hình 1.4 Cách bố trí cảm biến
Dựa vào nững nhận biết vạch của cảm biến mà từ đó xe có thể rẽ trái, rẽ phải.
•
Để rẽ trái: cảm biến 5,6 có tính hiệu hoặc cảm biến 5,6,7 có tính hiệu.
Khi r trái động cơ trái chạy chậm lại động cơ phải chạy nhanh hơn. Khi r trái ở ngã tư
động cơ phải quay thuận,động cơ trái quay ngược.
•
Để rẽ phải: cảm biến 3,4 có tính hiệu hoặc cảm biến 2,3,4 có tính hiệu.
3
Khi r phải động cơ phải chạy chậm, động cơ trái chạy nhanh hơn. Khi r phải ở ngã tư
động cơ trái quay thuận, động cơ phải quay ngược.
•
Để chạy thẳng: hai cảm biến 4,5 có tính hiệu. Hai động cơ trái phải chạy cùng
tốc độ.
•
Nhận biết số ngã tư 1 hoặc 8 cảm biến đồng thời có tính hiệu.
1.3 Ứng dụng robot dò đường
Ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày: chúng ta có thể chế tạo máy hút bụi tự
động từ một robot mini gắn một máy hút bụi nhỏ ở trên, robot sẽ tự động di chuyển trong nhà
đồng thời máy hút bụi cũng hoạt động sẽ làm sạch bụi bẩn dưới mặt sàn nhà.
-
Ứng dụng trong công nghiệp: chế tạo một robot vận chuyển hàng hóa trên tuyến
đường cố định, dựa vào khả năng di chuyển theo vạch của robot ta vạch một đường đi từ
xưởng sản xuất A sang xưởng sản xuất B từ đó robot co thể chở hàng hóa đi theo đường đã
vật từ xưởng sản xuất A sang xưởng sản xuất
B và ngược lại.
Ứng dụng trong quân sự: chế tạo những robot dò mìn, hiện nay khoa học đã phát triển
hơn nhiều robot có khả năng di chuyển dựa vào việc xử lý ảnh do robot chụp lại, từ đó robot
có thể tìm được đường đi và phát hiện ra mìn,vật cần tìm…
4
CHƯƠNG II:THIẾT KẾ VÀ TÌM HIỂU LINH KIỆN CỦA HỆ Thống
2.1 Yêu cầu đề tài
Sử dụng thuật toán PID áp dụng vào khối điều khiển Arduino UNO R3 thông qua bộ cảm
biến dị đường để xuất tín hiệu cho Module L298 điều khiển 2 bánh xe đi đúng vạch.
2.2 Giải pháp thiết kế
2.2.1 Sơ đồ khối và lưu đồ giải thuật
Để thực hiện được thiết kế và chế tạo robot dị đường sử dụng thuật tốn PID em đưa
ra sơ đồ thiết kế như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ khối robot dò đường
5
Bắt Đầu
Mode 1
Dò Line, Tránh vật
cản
Mode 2
Bluetooth
6
Bắt Đầu
Đọc giá trị cảm biến dò line
A0=0,A1==0,A2==1,A3==1,A4==1
A0=0,A1==0,A2==0,A3==0,A4==1
Error=5
A0=0,A1==0,A2==0,A3==1,A4==1
Error=4
A0=0,A1==0,A2==0,A3==1,A4==0
Error=3
A0=0,A1==0,A2==1,A3==0,A4==0
A0=0,A1==1,A2==1,A3==0,A4==0
Error=2
Error=1
Error=0
7
A0=0,A1==1,A2==0,A3==0,A4==0
Error=-1
A0=0,A1==1,A2==0,A3==0,A4==0
Error=-2
A0=1,A1==1,A2==0,A3==0,A4==0
Error=-3
A0=1,A1==0,A2==0,A3==0,A4==0
Error=-4
A0=1,A1==1,A2==1,A3==0,A4==0
Error=-5
Kết Thúc
Hình 2.2 Lưu Đồ Giải Thuật
8
2.2.2 Phân tích chức năng các khối
-
Khối cấp nguồn: Khối cấp nguồn 5VDC có chức năng cấp nguồn 5V cho
các khối có thể hoạt động được.
Khối cấp nguồn 12VDC có chức năng cấp nguồn 12V cho khối điều khiển động cơ có thể
hoạt động được.
-
Khối cảm biến: Sử dụng module cảm biến dị đường để nhận tín hiệu từ bên
ngồi xong chuyển tín hiệu sang khối so sánh.
-
Khối so sánh: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến, so sánh và khếch đại tín hiệu để
đưa ra mức logic 0 tương ứng với trạng thái có vạch và mức logic 1 tương ứng với
trạng thái khơng vạch rồi chuyển tín hiệu cho khối điều khiển trung tâm xử lý.
-
Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng Arduino Uno R3, nhận tín hiệu từ khối so
sánh rồi t nh toán để xác định trạng thái robot đang di chuyển và xuất ra tín hiệu xung
chuyển qua khối điều khiển động cơ.
-
Khối điều khiển động cơ: Sử dụng module L298 để nhận tín hiệu từ khối điều
khiển trung tâm rồi xử lý tín hiệu để điều hướng xe di chuyển đúng.
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Tín hiệu từ cảm biến được đưa qua mạch so sánh và khếch đại tín hiệu để đưa ra mức
logic “0” ứng với trạng thái có vạch và mức logic “1” ứng với trạng thái khơng có vạch. Dựa
vào tín hiệu từ khối cảm biến, khối điều khiển trung tâm sẽ t nh toán để xác định trạng thái
robot đang di chuyển và xuất ra tín hiệu xung PWM để điều khiển các động cơ th ng qua mạch
điều khiển động cơ sử dụng IC L298. Việc đó sẽ giúp robot tự di chuyển theo quỹ đạo xác
định trước.
Điều này giúp cho robot có khả năng dị đường một cách chính xác và hiệu quả.
Hiện nay, thị trường có rất nhiều loại cảm biến khác nhau. Chúng giúp cho robot có khả
năng dị đường một cách chính xác và hiệu quả như, cảm biến la bàn điện từ, cảm biến tiếp
xúc, cảm biến quang, bộ giải mã encoder, hệ thống định vị toàn cầu GPS, camera quan sát
kết hợp công nghệ xử lý ảnh… Trong phạm vi bài báo này, tác giả sử dụng các cặp cảm biến
quang được đặt cạnh nhau theo hàng ngang dưới thân của robot, vì robot thực nghiệm di
chuyển theo vạch k màu đen trên nền màu trắng.
9
Nguyên lý hoạt động của mạch cảm biến thu phát quang dựa trên sự hấp thụ và phản xạ ánh
sáng của các màu sắc khác nhau của nền và đường đi. Vạch màu trắng có khả năng phản xạ
ánh sáng tốt hơn vạch màu đen. Khi đó, quang trở sẽ nhận được các tia sáng phản xạ có
cường độ lớn làm cho giá trị điện trở giảm khá nhiều, dẫn đến điện áp trên quang trở là V min
sẽ thấp. Ngược lại, vạch màu đen có khả năng phản xạ ánh sáng kém hơn vạch màu trắng.
Khi đó, quang trở nhận được các tia sáng phản xạ có cường độ thấp làm cho giá trị điện trở
của quang trở giảm kh ng đáng kể, dẫn đến điện áp trên quang trở lúc này là Vmax sẽ cao.
Hình 3.b thể hiện sơ đồ mạch nguyên lý của cảm biến. Điện áp trên biến trở V ref, được tính
theo cơng thức (1), dùng để so sánh với điện áp từ quang trở để chuyển đổi thành các mức
logic 0 tương ứng với 0Vdc hoặc mức logic 1 tương ứng với 5V dc mà vi điều khiển có thể
hiểu được.
a) Nguyên lý hoạt động
(b)Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 2.3 Mạch cảm biến LED quang trở
Khối điều khiển động cơ có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển
trung tâm thành tín hiệu điện áp để thay đổi tốc độ và chiều quay của động cơ. Trên thực tế,
rất nhiều mạch điều khiển động cơ có thể đảm nhận cả hai nhiệm vụ này như: mạch cầu H
dùng BJT hoặc FET, mạch 1 FET + 1 relay, IC 298, IC TD18200… Tùy vào ứng dụng cụ
thể, với các giá trị dòng áp theo yêu cầu mà lựa chọn mạch điều khiển động cơ cho phù hợp.
Trong bài báo này, tác giả sử dụng IC L298 để thiết kế và chế tạo cho mạch điều khiển động
cơ. IC này được tích hợp 2 mạch cầu H, có thể hoạt động ở điện áp tối đa 46Vdc và dòng
điện định mức tổng cộng là 5A. Hơn nữa, L298 có khả năng đảo chiều quay và thay đổi tốc
độ quay của động cơ một cách dễ dàng bằng cách sử dụng phương pháp PWM. Sơ đồ mạch
nguyên lý của khối điều khiển động cơ được thiết kế như hình 2.3.
10
Hình 2.4 Mạch điều khiển motor sử dụng
L298 2.3 Lựa chọn linh kiện
2.3.1 Khối điều khiển
2.3.1.1 Giới thiệu chung Arduino
Arduino đã và đang được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới, và ngày càng chứng tỏ
được sức mạnh của chúng thông qua vô số ứng dụng độc đáo của người dùng trong cộng
đồng nguồn mở (open source). Tuy nhiên tại Việt Nam Arduino vẫn còn chưa được biết đến
nhiều.
Arduino cơ bản là một nền tảng mẫu mở về điện tử (opensource electronic
sprototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm. Về mặt kỹ thuật có thể
coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được. Đơn giản hơn, Arduino là một
thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biền và hành vi được lập trình
sẵn. Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ
hết. Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng
như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà
không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian. Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino
so với các nền tảng vi điều khiển khác:
-
Chạy trên đa nền tảng: Việc lập trình Arduino có thể thể thực hiện trên các hệ
điều hành khác nhau như Windows, Mac Os, Linux trên Desktop, Android trên di động.
11
-
Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu.
Nền tảng mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy
trên Arduino được chia s dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau.
-
Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên
việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn.
-
Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị.
Dễ dàng chia s : Mọi người dễ dàng chia s mã nguồn với nhau mà không lo lắng
về ngơn ngữ hay hệ điều hành mình đang sử dụng.
Arduino có rất nhiều module, mỗi module được phát triển cho một ứng dụng. Về mặt
chức năng, các bo mạch Arduino được chia thành hai loại, loại bo mạch chính có chip
Atmega và loại mở rộng thêm chức năng cho bo mạch chính. Các bo mạch chính về cơ bản
là giống nhau về chức năng, tuy nhiên về mặt cấu hình như số lượng I/O, dung lượng bộ
nhớ, hay k ch thước có sự khác nhau. Một số bo có trang bị thêm các t nh năng kết nối như
Ethernet và Bluetooth. Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm một số t nh năng cho bo
mạch chính. Ví dụ như t nh năng kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ.
2.3.1.2 Bo mạch Arduino Uno R3
Sử dụng chip AVR Atmega328 của Atmel. Mạch arduino được lắp ráp từ các linh kiện
dễ tìm và hướng đến đối tượng người dùng đa dạng.
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là Atmega8, Atmega168,
Atmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp
nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ, độ ẩm và hiển thị lên
màn hình LCD,… hay những ứng dụng khác.
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài
với điện áp khuyên dùng là 712V DC và giới hạn là 620V. Thường thì cấp nguồn bằng pin
vng 9V là hợp lí nhất nếu khơng có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá
ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO.
12
Bảng 2. 1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Tần số hoạt động
Dòng tiêu thụ
Điện áp vào khuyên dùng
Điện áp vào giới hạn
Số chân Digital I/O
Số chân Analog
Dòng tối đa trên mỗi chân
I/O
Dòng ra tối đa (5V)
Dòng ra tối đa (3.3V)
Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM
Chức năng từng chân:
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi
13
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với
nhau.
5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của
nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở
chân này. Và dĩ nhiên nó lu n là 5V. Mặc dù vậy kh ng được lấy nguồn 5V từ chân này để sử
dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương
đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Các cổng vào/ra: Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.
Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA. Ở
mỗi chân đều có các điện trở pullup từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển Atmega328
(mặc định thì các điện trở này kh ng được kết nối). Một số chân digital có các chức năng đặc
biệt như sau:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân
này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không
cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết
Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân
giải 8bit (giá trị từ 0 → 281 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite(). Nói một
cách đơn giản, có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ
cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngồi các chức
năng th ng thường, 4 chân này cịn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các
thiết bị khác.
14
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (k hiệu chữ L). Khi bấm nút Reset,
sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi chân này được người
dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 →
2101) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên board, có thể để
đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào
chân này thì có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ
phân giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với
các thiết bị khác.
Atmega328 là một ch p vi điều khiển được sản xuất bời hãng Atmel thuộc họ
MegaAVR có sức mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa
trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB
EEPROM, một bộ nhớ RAM vơ cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM)
Hình 2.6 Vi xử lý ATmega328
Hình 2.7 Sơ đồ chân ATmega328
Các thơng số chính của vi điều khiển Atmega328:
- Bộ vi xử lý.
- Giao diện SPI đồng bộ.
15
-
Kiến trúc: AVR 8bit.
Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz.
Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB. Bộ nhớ EEPROM: 1KB.
Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V.
Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8bit và 1 timer 16bit.
Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh.
2.3.2 Module điều khiển động cơ L298
Mạch điều khiển động cơ DC L298 có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòng tối đa 2A
mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn 5VDC cho
các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC).
Mạch điều khiển động cơ DC L298 dễ sử dụng, chi phí thấp, dễ lắp đặt, là sự lựa chọn tối
ưu trong tầm giá.
Thông số kỹ thuật:
IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver
Điện áp đầu vào: 5~30VDC
Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý cơng suất = dịng điện x điện áp nên áp cấp vào
càng cao, dòng càng nhỏ, cơng suất có định 25W).
Dịng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss
Kích thước: 43x43x27mm
Hình 2.8 Module điều khiển động cơ L298
16
2.3.3 Module cảm biến hơng ngoại
Hình 2.9 module cảm biến hồng ngoại
TCRT5000 2.3.3.1 Giới thiệu module cảm biến hồng ngoại TCRT5000
Cảm biến dị line có thể dùng để phát hiện line trắng và đen. Mạch sử dụng cảm biến
hồng ngoại TCRT5000 với khoảng cách phát hiện từ 1~25mm giúp dễ dàng trong q trình
cài đặt module lên thiết bị. Có thể dễ dàng điều chỉnh độ nhạy của cảm biến qua biến trở
được thiết kế sẵn trên board. Mạch thích hợp dùng cho các thiết bị cần di chuyển theo line,
thiết bị phát hiện màu trắng, đen.
2.3.3.2 Thông số kỹ thuật của module cảm biến hồng ngoại TCRT5000 Nguồn cung cấp:
5V.
Mạch sử dụng chip so sánh LM393.
Dòng điện tiêu thụ: <10mA.
Dải nhiệt độ hoạt động: 0oC ~ 50oC.
Ngõ ra giao tiếp: 4 dây (VCC, GND, DO, AO).
Mức tín hiệu ngõ ra: TTL.K ch thước: 3.2 x 1.4mm.
17
2.3.4 Động cơ giảm tốc DC
Hình 2.10 Động cơ DC giảm
tốc 2.3.4.1 Giới thiệu động cơ DC giảm tốc
Động cơ DC giảm tốc V1 là loại được lựa chọn và sử dụng nhiều nhất hiện nay cho
các thiết kế Robot đơn giản. Động cơ DC giảm tốc V1 có chất lượng và giá thành vừa phải
cùng với khả năng dễ lắp ráp của nó đem đến chi phí tiết kiệm và sự tiện dụng cho người sử
dụng, các bạn khi mua động cơ giàm tốc V1 có thể mua thêm gá bắt động cơ vào thân Robot
cũng như bánh xe tương thích.
2.3.4.2 Thơng số kỹ thuật của động cơ DC giảm tốc Điện áp
hoạt động: 3 – 9 VDC.
Dòng tiêu thụ: 110 – 140 mA.
Tốc độ khơng tải (vịng / Phút).
Tại 3VDC: 50 Vòng/Phút.
Tại 5VDC: 83 Vòng/Phút.
2.3.5 LED (Light Emitting Diode)
Là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống
như điốt, LED được cấu tạo từ một bán dẫn loại P ghép với một bán dẫn loại N. Tương tự
như bóng đèn tròn dùng sợi đốt nhưng kh ng phải chiếu sáng bằng sợi đốt, đèn LED được
coi là loại đèn tiết kiệm điện năng nhất, tạo ra hiệu suất ánh sáng tốt nhất, tỏa nhiệt t hơn.
18
Hình 2.11 LED
2.3.6 Nguồn Adapter 12V2A
Hình 2.12 Nguồn adapter 12v2A Là nguồn chuyển đổi từ AC 220V sang 12V
DC. Điện áp vào: AC100240V (5060HZ)
Điện áp ra: DC12V 2000mA Loại Jack cắm:
Loại trịn.
Có chức năng cung cấp nguồn cho tồn mạch hoạt động.
19
