THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài:
Thiết kế, chế tạo ROBOT tự động
(Tham gia cuộc thi sáng tạo ROBOT Việt Nam2005 do đài THVN tổ chức)
1
1

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
LỜI NÓI ĐẦU
Trong thời đại công nghiệp hoá , hiện đại hoá đất nước cùng với sự phát
triển vượt bậc về công nghệ , nghành điện tử đẫ và đang phát triển và được ứng
dụng rộng rãi mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế cũng như
trong đời sống xã hội , dặc biẹt là những ứng dụng của kỹ thuật vi điều khiển .
Kỹ thuật vi điều khiển với tốc độ phát triển nhanh chóng đã mang đến những thay
trong khoa học và công nghệ cũng như trong đời sống hàng ngày . Ngày nay các
thiết bị máy móc càng trở nên thông minh hơn , chính xác hơn , các công việc
được thực hiện với hiệu quả cao hơn cũng là nhờ một phần vi điều khiển .
Kỹ thuật vi điều khiển là kỹ thuật phát triển mạnh trong tương lai , là chìa khoá để
tiến tới công nghệ hiện đại . Đối với sinh viên chuyên nghành điện tử đây là một
lĩnh vực mới hứa hẹn mở ra nhiều triển vọng
Với ưu điểm hơn của vi điều khiển chúng em đã ứng dụng để thực hiện nhiệm

------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
---------------------------------------------------------------------------3
3

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------

1. Mạch điều khiển Robot 12
1.1 Sơ đồ khối của Robot 12
1.2 Nguồn cấp cho robot 12
1.3 Khối điều khiển . 12
1.4 Khối cảm biến . 18
1.5 Khối khuếch đại. 20
1.6 Khối chấp hành . 33
2. Chương trình điều khiển . 34
2.1 Đường đi của Robot MPAM1. 34
2.2- Lưu đồ giải thuật. 35
2.2.1 Lưu đồ giải thuật chương trình chính. 35
2.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình dò đường. 36
2.2.3 Lưu đồ giải thuật chương trình 1 . 37
2.2.4 Lưu đồ giải thuật chương trình 2. 38
2.3 Chương trình điều khiển. 39
PHẦN III. Kết luận và kiến nghị. 52
1. Kết luận
2. Kiến nghị.
PHẦN IV. Tài liệu tham khảo. 53
5
5

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
PHẦN I: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1-Mục tiêu:
Thiết kế ,chế tạo và lắp giáp mạch điều khiển robot tự động .
Viết chương trình điều khiển cho robot theo luật chơi của cuộc thi robocon 2005
do đài truyền hình Việt Nam tổ chức.

2000mm đối diện nhau có hai đường dốc tỷ lệ 1:5 nối phần khu vực sàn
cao hơn với phần sàn phía dưới.
f. Trong vùng tự động có đặt năm ngọn đuốc. Ngọn đuốc chính cao nhất có
độ cao là 1800mm được đặt tại trung tâm của “ Vùng tháp báo hiệu”.
Những ngọn đuốc còn lại có độ cao là 1500mm được bố trí xung quanh
ngọn đuốc chính.
g. Ngọn đuốc là một chiếc khay trong suốt, với phần miệng để trống, được
gắn trên đỉnh một chiếc cột đuốc. Ngọn đuốc chính được chia ra các
phần bằng nhau với màu đỏ, xanh lục và xanh lam và được gọi là khay
năng lượng đỏ, xanh lục, xanh lam tương ứng. Mỗi ngọn đuốc vòng
ngoài được chia ra thành hai phần bằng nhau có màu xanh và đỏ và cũng
được gọi là khay năng lượng xanh đỏ tương ứng. Riêng ngọn đuốc chính
có thể xoay quanh trục của nó trên cột nếu trong cuộc chơi có một lực
tác động vào. Các ngọn đuốc khác không xoay được.
h. Xem chi tiết cách bố trí tại vùng tự động trên bản vẽ
7
7

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
(6) “ Đài lửa ”
Bốn đài lửa có đường kính 1200mm được đặt ở bốn góc của vùng tựđộng. Đĩa nhiên
liệu có đường kính 600mm được đặt ở trung tâm của đàilửa. Đĩa nhiên liệu có độ
cao 100mm so với mặt sàn cùng với một đường bo viền rộng 50mm. Độ sâu của đĩa
là 30mm. Một đường dốc rộng 350mm cầu nối cho đĩa và mặt sàn. Xem chi tiết đĩa
nhiên liệu ở bản vẽ.
(7) Vùng Robot điều khiển bằng tay.
a. Vùng Robot điều khiển bằng tay bao quanh vùng Robot tự động và đài
lửa.

phải
có cơ chế như một máy tự động.
a. Trước khi trận đấu bắt đầu mỗi đội chỉ được chất tối đa là 16 quả bóng nhiên
liệu lên máy tự động.
b. Mỗi máy tự động sẽ chỉ được khởi động bằng một thao tác.
c. Máy tự động được phép di chuyển tới bất kỳ vùng nào trên sân, ngoại trừ
vùng “đài lửa” và khoảng không phía trên của vùng này.
d. Sau khi trận đấu được bắt đầu, tất cả các máy tự động có thể được khởi động
lần lượt nhưng các thao tác khởi động phải kết thúc trong vòng 20 giây, sau
đó các thành viên phụ trách việc khởi động máy phải rời sân thi đấu ngay và
đứng ngoài rào cản gỗ. Những máy tự động nào không hoàn thành việc khởi
động trong thời gian quy định phải để nguyên ở khu xuất phát.
e. Khi máy tự động đã xuất phát các thành viên đội tuyển không được phép
chạm vào máy đó .
f. Các Robot tự động của một đội không được phép liên lạc với nhau dưới mọi
hình thức.
(3) Phương pháp điều khiển.
 Chỉ một thành viên trong đội được điều khiển Robot bằng tay trong khuvực
sân chơi.
 Đối với các máy tự động mỗi trận đấu mỗi đội chỉ được khởi động lại một
lần, sau khi đội đó ra hiệu xin được khởi động lại và được sự chấp thuận của
trọng tài. Bất kỳ thành viên nào của đội tuyển cũng có thể được phép khởi
động lại bất kỳ máy tự động nào bắt đầu từ khu xuất phát. Tất cả các thao tác
khởi động lại cũng phải được hoàn tất trong vòng 20 giây. Sau đó những
thành viên phụ trách việc khởi động lại máy phải rời sân thi đấu ngay và đứng
ngoài rào cản gỗ. Người vận hành máy tự động chỉ được phép vào sân thi đấu
khi thực hiện thao tác khởi động máy, kể cả khi khởi động lại.
(4) Nguồn cấp năng lượng
a. Mỗi đội phải tự chuẩn bị nguồn cho tất cả các máy trong suốt trận đấu.
b. Điện áp của nguồn cấp phải dưới 24VDC.


3- Ý tưởng thiết kế
Khi đã nghiên cứu kỹ sân thi đấu và luật chơi cùng các thành viên trong nhóm
C2DM đã quyết định thiết kế chế tạo robot này cùng với 2 robot tự động khác và
một robot điều khiển bằng tay.
Robot này có kết cấu cơ khí bằng nhôm ,có một ngăn đựng 4 quả bóng bỏ bóng
vào ngọn đuốc phía phải điểm xuất phát .
Robot có hệ thống kéo bóng lên để bỏ bóng vào ngọn đuốc là động cơ và cơ cấu
dòng dọc.
4- Phương hướng giải quyết
10
10

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
Để robot có thể đi tới ngọn đuốc chúng em đã dựa vào vạch trắng trên sân.
Phát hiện vạch trắng nhóm đã sử dụng cảm biến khoảng cách của hãng
OMRON . Cảm biến này có ưu điểm không bị nhiễu bởi ánh sáng hồng ngoại,
dải điện áp sử dụng rộng (10-30v DC ), xung đầu ra ổn định hoặc 12v hoặc 0v.
Hai cảm biến được đặt cách nhau 3cm trên hai miếp của vạch trắng .Một cảm
biến khác dùng để đếm vạch nhằm cho robot dừng đúng vị trí bỏ bóng .
Để thực hiện việc bỏ bóng chúng em đã kết hợp cả cơ khí và điện . Cơ khí thì lợi
dụng lực kéo của động cơ để nhả thanh giữ bóng ,khi đến ngọn đuốc tiếp theo thì
dùng xung điện đốt dây giữ bóng.
Robot hoạt động được linh hoạt cần có mạch điều khiển động cơ . Ở đây chúng
em sử dụng trazitor để điều khiển cho động cơ lái và dùng role điều khiển động
cơ kéo bóng và cấp xung điện đốt dây.
Sử dụng chip AT89C51 để xử lý và cung cấp tín hiệu điều khiển cho các cơ cấu
của robot hoạt động ,như điều khiển mạch khuếch đại , kết hợp cùng cảm biến để

nguồn 24vDC 5Ah. .
1.3 -Khối điều khiển
Mạch điều khiển Robot có thể sử dụng nhiều phương pháp nhưng giải pháp vừa
đơn giản, thuận tiện, chính xác và phù hợp với điều kiện của sinh viên là dùng Vi
Điều Khiển, mà ở đây là sử dụng vi điều khiển họ 8051 ( AT89C51).
Không chỉ có giá thành thấp, phần cứng thiết kế đơn giản, AT89C51 còn có :
+ Khối xử lý CPU : để xử lý và thực thi chương trình.
+ Các bộ Timer có thể tạo ra thời gian chính xác.
+ Hệ thống ngắt ngoài có thể xử lý nhanh ở bất kỳ thời điểm nào.
+ 4 Kb ROM để lưu chương trình điều khiển.
+ 128 Byte RAM nội để lưu các tham số và dữ liệu.
+ Bốn cổng xuất nhập I/O 8 bit.
+ 210 vị trí nhớ có thể định địa chỉ bít.
+ Tốc độ xử lý tín hiệu nhanh, tin cậy, chính xác.
+ Dễ dàng thay đổi yêu cầu điều khiển Robot bằng cách thay đổi chương
trình soạn thảo mà không cần thay đổi mạch phần cứng.
12
12

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
Sau khi nghiên cứu và thống nhất nhóm đã quyết định đưa ra giải pháp thiết kế
mạch điều khiển robot như trong( hình 1).
Khi các tín hiệu từ cảm biến ,công tắc hành trình đưa về vi điều khiển để xử lý
hoặc các tín hiệu từ điều khiển ra điều khiển các môdul không đưa trực tiếp vào,ra vi
điều khiển mà cho qua con đệm 74LS245N ,hoặc 74HC245N.Đó chính là IC thu
phát hai chiều không đảo.IC này có khả năng:
+ Chống nhiễu, chống các xung ngược giúp vi điều khiển làm việc ổn định.
+ Khuếch đại tín hiệu điều khiển.


THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
Hình 3: Sơ đồ board
16
16

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================

HÌNH 4: SƠ ĐỒ CHÂN IC 74HC245N
* Một số chân cơ bản
- Chân 10 nối GND
- Chân 20 nối VCC
- Chân 1 cho phép truyền dữ liệu từ A sang B nếu nối với VCC hoặc ngược lại nối
GND
- Chân 19 nối GND thì cho phép truyền dữ liệu
1.4- Khối cảm biến.
17
17

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
Có rất nhiều cách khác nhau để định vị cho Robot như : lập trình theo thời gian,
định vị dùng Camera, hay dùng các công tắc hành trình…Nhưng dùng cảm biến vẫn
là thông dụng nhất, mà cụ thể ở đây là dùng các cảm biến quang để phát hiện các
vạch trắng trên sân. Đối với một Robot tự động thì việc dò đường đóng vai trò hết

19

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
- Để thực hiện việc dò đường và đếm vạch nhóm đã sử dụng các cảm biến
quang của hãng OMRON :
Tên Loại Điện áp đặt ( Vcc) Điện áp ra
E3S – DS30E4 NPN 10- 30VDC Vcc
Cảm biến được cấp điện áp nằm trong khoảng 10-30vDC và đầu ra cho
mức12V (khi không có vật phản xạ )hoặc 0V (khi có vật chắn phản xạ ánh sáng)để
chuyển đổi điện áp này thành điện áp 0V,5V giao tiếp được với mạch vi điều khiển
thì có rất nhiều giải pháp như dùng Transistor, dùng Optorcoupler PC817 … ở đây
nhóm đã sử dụng biện pháp là dùng Diode cách ly. Khi cảm biến ở nền sân màu
xanh thì đầu ra cảm biến có điện áp là Vcc, điện áp này được đưa vào katot của
diode.
Do anot của diode luôn được nối với 74HC245 nên luôn có nguồn ổn định là 5V do
dó lúc này diode bị phận cực ngược nên đầu vào chân VĐK luôn dữ là 5V. Trường
hợp cảm biến vào vạch trắng thì tín hiệu từ cảm biến ở mức thấp ( 0V) lúc này
diode phân cực thuận. Vì Cảm biến chúng em dùng loại NPN nên bên trong cảm
biến có một dòng điện hút làm cho diode phân cực thuận kéo điện áp 5V ở chân
VĐK xuống 0V(tức là vi điều khiển nhận được mức thấp 0V).
1.5- Khối khuếch đại
Để điều khiển việc cấp dòng và áp cho động cơ hoạt động bình thường thực
hiện được mục tiêu là tới đích nhanh, chính xác và đảm bảo độ linh hoạt của
20
20

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG


Rb
VVi
BE
−
Thường chọn Rc cỡ vài trăm ôm,áp dụng công thức Ic =
.
β
Ib để tìm ra điện trở
Rb.
21
21

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO ROBOT TỰ ĐỘNG

============================================================================
Hình 8:mạch phân cực cho tranzitor chế độ bão hoà
Ghép các tranzitor lại vơí nhau nhằm điều khiển động cơ được linh hoạt hơn
như chạy , dừng, đảo chiều các động cơ theo ý muốn thể hiện ở hình 10.
ở đây nhóm đã sử dụng ghép các tầng khuếch đại darlinhton với nhau để tạo
thành mạch đảo chiều động cơ .
Nguyên tắc đảo chiều động cơ là mạch điều khiển phải tạo thành cầu H như
trên (hình 9). ở đó dòng điện sẽ chạy qua động cơ theo như hình vẽ và theo sự
điều khiển của mạch vi điều khiển .
Trên hình 9 bốn tranzitor Q1-Q4 là bốn transitor công suất ,tuỳ từng loại động cơ
mà chọn loại tranzitor cho phù hợp, ở đây chúng em sử dụng loại C2335 . Và để
điều khiển các tranzitor C2383 này đóng mở thì có thể sử dụng nhiều cách khác
nhau ,cụ thể trên robot này sử dụng kiểu mắc darlinhton .Thông số của các loại
tranzitor này cho dưới bảng:
22
22