Xem mẫu
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
MỤC LỤC
MỤC LỤC ................................................................................................................. - 1 -
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ - 3 -
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ - 4 -
PHẦN MỞ ĐẦU ....................................................................................................... - 5 -
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ROBOT DÒ ĐƢỜNG ............................................ - 6 -
1.1 Tổng quan về ứng dụng vi điều khiển ............................................................... - 6 -
1.2 Giới thiệu về robot dò đường ............................................................................ - 6 -
1.2.1 Giới thiệu .................................................................................................... - 6 -
1.2.2 Hoạt động .................................................................................................... - 7 -
1.3 Ứng dụng robot dò đường ................................................................................. - 9 -
CHƢƠNG II: THIẾT KẾ VÀ TÌM HIỂU LINH KIỆN CỦA HỆ THỐNG ... - 10 -
2.1 Yêu cầu đề tài ................................................................................................ - 10 -
2.2 Giải pháp thiết kế .......................................................................................... - 10 -
2.2.1 Sơ đồ khối ................................................................................................. - 10 -
2.2.2 Phân tích chức năng các khối ................................................................... - 10 -
2.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống ........................................................... - 11 -
2.3 Lựa chọn linh kiện ........................................................................................ - 13 -
2.3.1 Khối điều khiển......................................................................................... - 13 -
2.3.2 Module điều khiển động cơ L293D .......................................................... - 18 -
2.3.3 Module cảm biến hông ngoại TCRT5000 ................................................ - 20 -
2.3.4 Động cơ giảm tốc DC ............................................................................... - 21 -
2.3.5 LED (Light Emitting Diode) .................................................................... - 21 -
2.3.6 Nguồn Adapter 12V2A ............................................................................. - 22 -
CHƢƠNG III: PHÂN TÍCH THUẬT TOÁN PID VÀ ỨNG DỤNG TRONG
ROBOT DÒ ĐƢỜNG............................................................................................. - 23 -
3.1 Giới thiệu....................................................................................................... - 23 -
3.2 Định nghĩa thuật toán PID .......................................................................... - 23 -
3.3 Phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM) ............................................. - 24 -
3.4 Giải thuật điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) ............................................. - 25 -
3.5 Ứng dụng giải thuật trên robot dò đƣờng .................................................. - 26 -
3.5.1 Mô hình PID áp dụng cho robot dò đường ............................................... - 26 -
3.5.2 Giải thuật PID ........................................................................................... - 27 -
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 1 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
3.5.3 Hiệu chỉnh thuật toán PID ........................................................................ - 28 -
3.6 Giới thiệu phần mềm Arduino IDE ............................................................. - 29 -
3.6.1 Giao diện ................................................................................................... - 29 -
3.6.2 Vùng lệnh .................................................................................................. - 29 -
3.6.3 Vùng thông báo (debug) ........................................................................... - 30 -
3.6.4 Một số lưu ý .............................................................................................. - 30 -
CHƢƠNG VI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƢỜNG .................... - 31 -
4.1 Thiết kế đƣờng đi cho robot ......................................................................... - 31 -
4.2 Chế tạo và hoàn thành sân đi cho robot...................................................... - 31 -
4.2.1 Tấm Formex .............................................................................................. - 31 -
4.2.2 Hệ thống đường line cho robot ................................................................. - 32 -
4.3 Hoàn thành Robot dò đƣờng ........................................................................ - 33 -
4.4 Kết quả thực nghiệm trên mô hình robot ................................................... - 33 -
PHẦN KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 2 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3 .............................................. - 15 -
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 3 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1 Sân chạy robot ................................................................................... - 7 -
Hình 1.2 Quang trở........................................................................................... - 8 -
Hình 1.3 Nguyên lý hoạt động của quang trở .................................................. - 8 -
Hình 1.4 Cách bố trí cảm biến ......................................................................... - 8 -
Hình 2.1 Sơ đồ khối robot dò đường.............................................................. - 10 -
Hình 2.2 Mạch cảm biến LED - quang trở..................................................... - 12 -
Hình 2.3 Mạch điều khiển motor sử dụng L298 ............................................ - 13 -
Hình 2.4 Arduino UNO R3 ............................................................................ - 15 -
Hình 2.5 Vi xử lý ATmega328 ...................................................................... - 17 -
Hình 2.6 Sơ đồ chân ATmega328 .................................................................. - 17 -
Hình 2.7 Module L293D ................................................................................ - 18 -
Hình 2.8 Chân kết nối RC522 ........................................................................ - 20 -
Hình 2.9 Động cơ DC giảm tốc...................................................................... - 21 -
Hình 2.10 LED ............................................................................................... - 22 -
Hình 2.11 Nguồn adapter 12v2A ................................................................... - 22 -
Hình 3.1 Giản đồ thời gian của xung PWM................................................... - 24 -
Hình 3.2 Sơ đồ khối giải thuật PID ................................................................ - 25 -
Hình 3.3 Sơ đồ khối ứng dụng giải thuật PID vào robot dò đường ............... - 27 -
Hình 3.4 Giao diện phần mềm Arduino IDE ................................................. - 29 -
Hình 3.5 Các nút lệnh trong Arduino IDE ..................................................... - 29 -
Hình 3.6 Vùng thông báo trong Arduino IDE ............................................... - 30 -
Hình 3.7 Chọn cổng kết nối cho Arduino Uno R3 ........................................ - 30 -
Hình 4.1 Mô phỏng đường đi trên phần nềm Paint 3D.................................. - 31 -
Hình 4.2 Tấm formex dùng làm tấm nền cho robot ....................................... - 32 -
Hình 4.3 Băng keo dùng làm đường line ....................................................... - 32 -
Hình 4.4 Sân đi sau khi chế tạo ...................................................................... - 33 -
Hình 4.5 Hoàn thiện robot dò đường ............................................................. - 33 -
Hình 4.6 Cảm biến hồng ngoại ...................................................................... - 34 -
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 4 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
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 công nghiệp, sản xuất kinh tế, quốc phòng…. Vì vậy em
chọn đề tài “Thiết kế và thi công robot dò đường áp dụng thuật toán PID” để
làm đồ án tốt nghiệp.
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 còn những sai sót. Em mong thầy (cô) giáo
góp ý để em sớm hoàn thành đồ án này.
Em xin chân thành cảm ơn!
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 5 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ROBOT DÒ ĐƢỜNG
1.1 Tổng quan về ứng dụng vi điều khiển
- Với sự phát triển kh ng ngừng của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát
triển trong ngành điện tử đã đem đến rất nhiều ứng dụng trong c ng nghiệp và
trong sinh hoạt gia đình.
- Từ khi c ng 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 k ch thước
nhỏ, giá thành r , độ làm việc tin cậy, c ng 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 t nh 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 đƣờng
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 thông 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
thông minh vì robot có thể làm những công việc thay thế con người từ những
công việc đơn giản nhất cho đến những công 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
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 6 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
xem là phần ta có thể thấy bằng mắt thường).
+ 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
không 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 dò 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 toán đường đi để tới đ ch mà
không cần người điều khiển nhờ chương trình được nạp sẵn do người lập trình
viết nên. Robot chúng em dò 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 không bị nhiễu
khi dò 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
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 7 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
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.
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 (không 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
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 8 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
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.
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 đƣờng
- 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…
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 9 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
CHƢƠNG 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 dò 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
Để thực hiện được thiết kế và chế tạo robot dò đường sử dụng thuật toán
PID em đưa ra sơ đồ thiết kế như sau:
Hình 2.1 Sơ đồ khối robot dò đường
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.
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 10 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
- Khối cảm biến: Sử dụng module cảm biến dò đường để nhận tín hiệu từ bên
ngoài 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 không 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 không 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 dò 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 dò 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.
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 Vmin sẽ thấp. Ngược lại, vạch màu
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 11 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
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 Vref,
được tính theo công 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 5Vdc mà vi điều khiển có thể hiểu được.
a) Nguyên lý hoạt động (b)Sơ đồ mạch nguyên lý
Hình 2.2 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.
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 12 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
Hình 2.3 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 (open-source
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,
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 13 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
Android trên di động.
- Ngôn 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 ngôn 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 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.
Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn
từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 14 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
Arduino UNO.
Hình 2.4 Arduino UNO R3
Bảng 2. 1 Đặc điểm kỹ thuật Arduino Uno R3
Vi điều khiển Atmega328 (họ 8bit)
Điện áp hoạt động 5V – DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân
30 mA
I/O
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
32 KB (Atmega328) với 0.5KB dùng bởi
Bộ nhớ flash
bootloader
SRAM 2 KB (Atmega328)
EEPROM 1 KB (Atmega328)
Chức năng từng chân:
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 15 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
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 pull-up 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 nôm 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 → 28-1 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). Ngoài
các chức năng th ng thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng
giao thức SPI với các thiết bị khác.
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 16 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
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 → 210-1) 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 vô cùng lớn trong thế
giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM)
Hình 2.5 Vi xử lý ATmega328
Hình 2.6 Sơ đồ chân ATmega328
Các thông số chính của vi điều khiển Atmega328:
- Bộ vi xử lý.
- Giao diện SPI đồng bộ.
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 17 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
- 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 8-bit và 1 timer 16-bit.
- Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh.
2.3.2 Module điều khiển động cơ L293D
IC L293D là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong.
Với điện áp làm tăng c ng suất đầu ra từ 5V – 47V , dòng lên đến 4A, L293 rất
thích hợp trong những ứng dụng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa .
2.3.2.1 Đặc điểm của module điều khiển động cơ L293D
Hình 2.7 Module L293D
Module điều khiển động cơ L293 là một shield mở rộng cho các board
arduino, dùng để điều khiển các loại động cơ DC, động cơ bước và động cơ
servo.
Module được thiết kế gọn gàng, đẹp mắt và tương th ch hoàn toàn với các
board Arduino: arduino uno r3, arduino leonardo, arduino mega2560, giúp bạn
có thể sử dụng và điều khiển một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Module điều khiển động cơ L293 sử dụng 2 IC cầu H L293D hoàn chỉnh
với các chế độ bảo vệ và 1 IC logic 74HC595 để điều khiển các động cơ.
Module có thể điều khiển nhiều loại motor khác nhau như step motor,
servo motor, motor DC, với mức áp lên đến 36V, dòng tối đa 600mA cho mỗi
kênh điều khiển.
lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ.
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 18 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
2.3.2.2 Thông số kỹ thuật của module điều khiển động cơ L293D
Điện áp làm việc : 9~24V ( nên dùng 12V cho ổn định)
Dòng kh ng tải: 10mA
2 jack cắm điều kiển 2 động cơ
4 ngõ ra điều kiển 4 động cơ độc lập
Mạch t ch hợp điện trở nối GND giúp cho mạch kh ng tự chạy khi nối
board
2.3.2.3 Chân kết nối của module điều khiển động cơ L293D
4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7,
10, 12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
2 jack cắm điều khiển 2 động cơ RC servo.
4 ngõ ra điều khiển đến 4 động cơ DC độc lập.
2 động cơ step motor loại đơn cực (unipolar) hoặc lưỡng cực (bipolar)
Mạch t ch hợp điện trở nối GND giúp cho kh ng tự chạy khi khởi động
board.
Các chân mà Module điều khiển động cơ L293 sử dụng là:
Chân điều khiển 2 RC servo được kết nối với chân số 9 và 10. Nguồn
cung cấp được lấy trực tiếp từ board Arduino
Motor 1 nối với chân 11
Motor 2 nối với chân 3
Motor 3 nối với chân 5
Motor 4 nối với chân 6
Chân 4, 7, 8, 12 dùng điều khiển motor th ng qua IC 74HC595
Cần lưu ý đến cách điều khiển chiều quay với L293D:
Khi ENA = 0: Động cơ kh ng quay với mọi đầu vào.
Khi ENA = 1:
INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận.
INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch.
INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì.
SVTH: Trần Tuấn Anh – CCVT15A002 Trang - 19 -
- Thiết kế và thi công robot dò đường sử dụng thuật toán PID
2.3.3 Module cảm biến hông ngoại TCRT5000
Hình 2.8 Chân kết nối RC522
2.3.3.1 Giới thiệu module cảm biến hồng ngoại TCRT5000
Cảm biến dò 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 quá 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:
nguon tai.lieu . vn
