đồ án tốt nghiệp - thiết kế bộ điều khiển trượt cho tay máy robot 2 bậc tự do và mô phỏng trên matlab – simulink

THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Sự phát triển của
khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh tạo ra nhiểu sản phẩm phục vụ nhu cầu của
con người trong mọi lĩnh vực. Các công nghệ mới luôn thu hút được sự quan
tâm, chú ý của nhiều người.Đặc biệt là công nghệ chế tạo robot.
Robot di động(Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng
trọng ngành robot học. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động
hóa, robot di động ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó
trong công nghiệp và sinh hoạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về
robot di động là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể di
chuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng
ngại vật trên đường đi.
Với suy nghĩ là ứng dụng các kiến thức đã học ở trường và tìm hiểu thêm
ở bên ngoài, chúng em đã quyết định chọn đề tài :”THIẾT KẾ ROBOT DÒ
ĐƯỜNG”
Do điều kiện hạn chế về mặt thời gian như kinh nghiệm còn ít nên chương
trình còn có nhiều sai sót,rất mong dược sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các
bạn
Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy
NGUYỄN VĂN HÀO giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật và
Công Nghệ, các bạn trong và ngoài lớp đã trao đổi, góp ý, giúp đỡ chúng em
hoàn thành đồ án môn học này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn.

LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 1
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
Thật ra, robot dò đường là 1 biến thể đặc biệt của robot hướng sáng. Sở dĩ
nói như vậy là do chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến

quang điện ( quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ đó
điều chỉnh hướng đi thích hợp.
Tuy nhiên, ở robot dò đường, cảm biến được bố trí gần mặt đường và
nguồn sáng để so sánh lúc này do chính robot tạo ra. Nhưng do đâu lại có sự sai
lệch về cường độ sáng. Câu trả lời nằm ở đường vẽ, đường vẽ này có tính chất
khác với xung quanh, thường thì nó có màu đen để hấp thụ ánh sáng. Khi robot
đi lệch vào vùng có vạch vẽ, ánh sáng phát ra từ robot không phản xạ lại như
bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ 1 phần làm sai lệch độ sáng giữa 2 cảm
biến. Việc còn lại là thiết kế sao cho robot có hành vi khắc phục sự sai lệch đó và
ta có được loại robot đi theo đường vẽ.

LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 2
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
CHƯƠNG II
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH
2.1Các linh kiện sử dụng trong mạch
 2 con khuếch đại thuật toán LM741.
 2 con BJT loại NPN C1815
 2 quang trở.
 2 led siêu sáng (trắng,đỏ).
 6 điện trở 10k.
 2 Mô tơ, loại cỡ 5V
 Nguồn sử dụng 9V hoặc 4.5V (ở đây dùng nguồn 9V).
 4 điện trở hạn dòng cho led phát 1k
2.2-Nguyên lý hoạt động của từng loại linh kiện
2.2.1Vi mạch khuyêch đại thuật toán LM741:
Vi mạch khuyếch đại thuật toán 741 có hai đầu vào inverting (Đảo), non-
inverting (thuận) và đầu ra ở chân 6.
Khuyếch đại đảo: Chân 2 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra đảo
Khuyếch đại không đảo: Chân 3 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra không đảo

LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 3
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Để 741 hoạt động được, cần phải lắp thêm 2 điện trở R1, R2 vào mạch như sơ đồ
ở hình dưới
Tính hệ số khuyếch đại của mạch dùng vi mạch 741
Khuyếch đại đảo: Hệ số khuyếch đại (AV) = -R2 / R1
Ví dụ: Nếu R2 = 100 Kohm, R1 = 10 kohm,
hệ số khuyếch đại của mạch:
-100 / 10 = -10 (AV)
Nếu điện áp đầu vào là 0.5v thì điện áp đầu ra
0.5v X -10 = -5v
Khuyếch đại không đảo : Hệ số khuyếch đại(AV) = 1+(R2 / R1)
Ví dụ: Nếu R2 = 1000 kohm, R1 = 100 kohm,
hệ số khuyếch đại của mạch:
1+ (1000/100) = 1 + 10
Hệ số khuyếch đại (AV) = 11
Nếu tín hiệu đầu vào là 0.5V thì tín hiệu đầu ra
0.5 X 11 = 5.5v
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 4
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
2.3 – NPN C1815:
2.3.1Cấu tạo của Transistor. ( Bóng bán dẫn ):
Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp
giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo
thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor
tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau .
Cấu tạo Transistor
• Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký
hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp.
• Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter )viết tắt là

E, và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C
có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp
chất khác nhau nên không hoán vị chonhau được.
2.3.2- Nguyên tắc hoạt động của Transistor.
Xét hoạt động của Transistor NPN :
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 5
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạt
động của transistor NPN
• Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+)
nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E.
• Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B
và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E.
• Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện
nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng IC = 0 )
• Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện
chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE
về cực (-) tạo thành dòng IB
• Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE
làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB
• Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc
theo một công thức .
IC = β.IB
- Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE
- IB là dòng chạy qua mối BE
- β là hệ số khuyếch đại của Transistor
Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt
qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBEdo lớp bán
dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 6

THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số
lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống
tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của
điện áp UCE => tạo thành dòng ICEchạy qua Transistor.
Xét hoạt động của Transistor PNP :
Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng
cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng IC đi từ E sang C
còn dòng IB đi từ E sang B.
2.3.3 – Ký hiệu và hình dạng của Transistor
Ký hiệu của Transistor
Transistor công xuất nhỏ Transistor công xuất lớn
Ký hiệu ( trên thân Transistor ):
Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sản
xuất nhưng thông dụng nhất là các transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung quốc.
• Transistor Nhật bản : thường ký hiệu là A…, B…, C…, D… Ví
dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là
Transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là Transistor ngược NPN. Các
Transistor A và C thường có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao các
Transistor B và D thường có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn.
• Transistor do Mỹ sản xuất. thường ký hiệu là 2N… ví dụ 2N3055,
2N4073 vv…
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 7
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
• Transistor do Trung quốc sản xuất :
Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái. Chữ cái thức nhất cho biết loại
bóng : Chữ A và B là bóng thuận , chữ C và D là bòng ngược, chữ thứ hai cho
biết đặc điểm : X và P là bòng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở
sau chỉ thứ tự sản phẩm. Thí dụ : 3CP25 , 3AP20 vv
2.3.4- Cách xác định chân E, B, C của Transistor:

• Với các loại Transistor công xuất nhỏ thì thứ tự chân C và B tuỳ theo
bóng của nước nào sản xuất , nhựng chân E luôn ở bên trái nếu ta để
Transistor như hình dưới
• Nếu là Transistor do Nhật sản xuất : thí dụ Transistor C828, A564 thì
chân C ở giữa , chân B ở bên phải.
• Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa , chân C ở bên phải.
• Tuy nhiên một số Transistor được sản xuất nhái thì không theo thứ tự này
=> để biết chính xác ta dùng phương pháp đo bằng đồng hồ vạn năng.
C1815 là transistor ,nó có 3 cực .Đây là sơ đồ chân của nó.Đầu tiên là chân
E,chân 2 là chân C,chân 3 là chân B
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 8
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
2.4 Quang trở:
Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms. Khi chiếu ánh
sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp. Người ta ứng dụng đặc tính này của
quang trở để làm ra các mạch phát hiện sáng/tối.
Hình ảnh bên dưới mô phỏng quá trình cho dòng điện đi qua của quang trở
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 9
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Mạch phát hiện sáng tối dùng quang trở
Khi ánh sáng yếu, trở kháng của quang trở cao. Dòng ở cực B của
transistor bé, đèn tắt. Tuy nhiên, khi ánh sáng mạnh, dòng chạy qua quang trở
đến cực B của transistor thứ nhất cũng như transistor thứ 2 làm đèn sáng. Biến
trở bên dưới tạo thành cầu chia áp để chỉnh độ nhạy của quang trở
2.5-Điện trở :
Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng
và áp.Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch
điện tử.
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 10
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO

Điện trở của dây dẫn có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu
làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn. Công
thức tính:
R =ρℓ/S hoặc R=U/I
Trong đó :
ρ: là điện trở suất của vật liệu, Ωm hay Ωmm
2
/m
S: là tiết diện của dây, m
2
hay mm
2
ℓ : là chiều dài của dây (m).
R : điện trở, Ohm (Ω).
Điện trở có đơn vị tính là Ohm, viết tắt là Ω.
2.6- Led đơn :
Led đơn là một dạng của Diode. Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện
sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Ở một số chất bán dẫn đặc biệt
như (GaAs) khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh
sáng). Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có màu khác nhau.
Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diode nắn điện nhưng điện áp phân cực
ngược cực đại thường không cao.
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 11
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Hình vẽ cho thấy Led được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn PN, khi chất
bán dẫn Silicon cho pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon
cần 4 nối, sẽ có một nối thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân
bán dẫn loại P và khi cho pha với Phosphor (có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào
mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chân bán dẫn loại N.

Chất bản dẫn loại P tạo điều kiện dẫn điện bằng các lỗ trống (Hole), đó
chính là các nối hóa trị thiếu điện tử. Còn chất bán dẫn loại N có điểu kiện dẫn
điện là do các điện tử tự do (điện tử dư ra do phosphor có 5 điện tử hóa trị mà
trong kết nối tinh thể chỉ cần có 4 ).

Khi mối nối PN được cho phân cực thuận với nguồn pin ngoài, một dòng
điện kích thích khi chảy qua mối nối bán dẫn PN sẽ tạo các dao động của các
điện tử (Bạn xem hình) và các dao động này sẽ phát ra sóng điện từ trường đó
chính là các tia sáng. Tóm lại Led có 2 chân, gọi là chân âm cực hay Cathode
( do chân này cho nối vào cực âm của pin) và chân dương cực hay Anode (do
chân này cho nối vào cực dương của pin), khi chúng ta cho dòng điện chảy qua
một Led nó sẽ phát ra chùm tia sáng, và để có điềm sáng đủ mạch, chúng ta dùng
vật liệu nhựa trong suốt làm kính hội tụ (Bạn xem hình cấu tạo của Led).
Phân cực thuận :
V
D
= 1,4V – 1,8 V(led đỏ).
VD = 2V – 2,5V (led vàng).
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 12
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
V
D
= 2V – 2,8 V(led xanh lá).
I
D
= 5mA – 20mA (thường chọn 10mA).
Led thường được dùng trong các mạch trạng thái báo hiệu, chỉ thị trạng thái của
mạch như báo nguồn, trạng thái thuận hay ngược…
CHƯƠNG III
THI CÔNG MẠCH

LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 13
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
+ Phần mach :ta tách riêng thành 2 phần:phần cảm biến và phần mạch chính
3.1.Bộ phận cảm biến:
Sử dụng 2 quang trở,2 led phát,2 trở hạn dòng cho led phát.Mắc theo sơ đồ sau:
-Ảnh thực tế
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 14
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Đặt 2 quang trở cách nhau khoảng 3.5cm-4cm,dùng băng keo đen quấn quanh
quang trở để chống nhiễu
-Nguyên lý hoạt động:
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 nền trắng,
Ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở nó giảm xuống và khi gặp
vạch đen (băng keo đen) thì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh
sáng =>trở nó tăng. Từ đó dựa vào 2 quang trở, robot có thể phân biệt được vạch
đen trên nền trắng (dưới sự hỗ trợ của opamp so sánh).
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 15
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
3.2.Bộ phận điều khiển moto
Sử dụng 6 con trở 10k, Opamp, nguồn 9V, 2 con BJT.Mắc như hình vẽ:
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 16
DTVT_K31 ĐH QUY NHƠN
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
Ảnh thực tế
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 17
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO

Và đây là mạch hoàn chỉnh
+ Phần cơ :
Chuẩn bị 2 moto và thêm 2 bộ phận giảm tốc,bộ phận này giúp robot dễ cày
hơn nhưng chạy chậm hơn.chạy chậm hơn.Chạy chậm giúp robot dễ nhận vạch
hơn vì mấy cảm biến này thay đổi hơi chậm.Hai motơ sẽ gắn với hai bánh
sau,phía trước gắn hai bánh xe có thể thay đổi hướng
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 18
DTVT_K31 ĐH QUY NHƠN
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
+ Phần đường đi
Dùng 1 tờ giấy roki ,lấy keo đen dán lên tạo thành vạch để robot dò đường
theo ý của người làm
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 19
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
3.3.Nguyên lý hoạt động của toàn mạch:
- Khi 2 cảm biến đều nhận nền trắng:
Điện trở của 2 quang trở đều giảm xuống chừng 5k => cổng 3 của Opamp sẽ có
áp cao hơn cổng 2
=> Cổng ra 6 sẽ ở mức dương => kích BJT dẫn
=> cả 2 moto đều quay
>Cả 2 moto đều quay, robot chạy thẳng.
- Khi cảm biến bên trái nhận vạch đen (robot đang lệch phải).
Điện trở của quang trở 1 sẽ tăng lên cỡ 50-80k => áp trên cổng 3 sẽ bé hơn 4.5V
(áp trên cổng 2) => cổng ra 6 sẽ là 0V => BJT 1 sẽ ngưng dẫn => mô tơ 1 (bên
trái) ngừng quay. Trong khi đó moto bên phải vẫn quay vì cảm biến phải nhận
nền trắng.
>Moto trái ngừng, moto phải vẫn quay => robot sẽ rẽ sang trái.
- Tương tự khi cảm biến phải nhận vạch đen (robot đang lệnh trái).
>Moto phải ngừng, moto trái vẫn quay => robot sẽ rẽ phải.
Như vậy, robot của chúng ta sẽ bám (lần, mò ) được vạch đen trên nền trắng.

CHƯƠNG IV
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà
www.alldatasheet.com
/>
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 20
THIẾT KẾ MẠCH ANALOG GVHD: THS.NGUYỄN VĂN HÀO
CHƯƠNG 1 2
GIỚI THIỆU 2
CHƯƠNG II 3
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 3
2.1Các linh kiện sử dụng trong mạch 3
2.2-Nguyên lý hoạt động của từng loại linh kiện 3
CHƯƠNG III 13
THI CÔNG MẠCH 13
3.2.Bộ phận điều khiển moto 16
3. 3.Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 20
LỚP ĐTVT-K31 NHÓM 5 Page 21