Thiết kế, thi công và điều khiển máy dệt kẽm tự đông docx

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG
@&?
KHOA : CƠ KHÍ BỘ MÔN : CƠ ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN CƠ ĐIỆN TỬ
THIẾT KẾ , THI CÔNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY
DỆT KẼM TỰ ĐỘNG
GVHD : Nguyễn Ngọc Thông
SVTH :Trần Quang Thái
Trần Quốc Tuấn
Nguyễn Anh Trường
TP.HỒ CHÍ MINH , tháng 12 năm 2010
LỜI NÓI ĐẦU
&
 ườếớệệạấướấềể
ọỹậấốầớệủựơ điệửơ khí….

ớướảốểứườốấộ ỏả
ềế!ịề"#ềự ộấứế ứườ$%&
ệệạầềơ sơ vậấểụụ'ảấệ
ệạư "#ềảấựộỗựụụườ$%ể(
ầọệ)ếạềạ!"ướ#!ả
ếộạ!*!"+,ộơ điềể,!ư dụng cảm biến
tránh vật cản.
ờ-ạ(*.)ốắếứưng thiế
ểỏậ/'/ầ!ộểệơ%
&+ớự(ởủầ0ễ0ọ)ốấ(ỡ(*ấề
ệứế1!%2#ảơn sự(ỡủầ
#ảơn sựủộ(ỡệ3ủớ&4&456


0ựệ
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………
Giáo viên hướng dẫn
Phần I : Giới thiệu
Tóm tắt đề tài
Đề tài “ Thiết kế , thi công lập trình và điều khiển ROBOTINO dùng cảm biến
tránh vật cản “.Robo sẽ tự vận hành theo lộ trình đã được quy định và khi gặp vật
cản robo sẽ tự mình né tránh để đến được đích.
Phần cơ khí sẽ được thiết kế lại nhằm mục đích thay những cơ cấu cũ thành
những cơ cấu mới với kích thước đế được năng lên.

Bộ điều khiển trung tâm sử dụng 2 VĐK Pic 16F877A giao tiếp với nhau bằng
chuẩn giao tiếp spi để đảm bảo tốc độ xử lý cho vi điều khiển
Nhóm sinh viên thực hiện
YÊU CẦU THỰC HIỆN ĐỂ TÀI
Để hoàn thành tốt yêu cầu của đề tài các thành viên trong nhóm phải hoàn thành các yêu cầu
sau:
1.Thiết kế cơ khí chính xác tính toán để xác định vị trí của ba động cơ và các trục đỡ
2.tìm hiểu về chuẩn giao tiếp SPI, ADC,Encoder,Pic 16F877A
3.TÌm hiểu, thiết kế và thi công mạch càm biến và mạch công suất
4.Tìm hiểu về bánh omni
Nhóm sinh viên thực hiện
SƠ LƯỢC MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ ROBOTINO
Với cấu tạo đơn giản gồm 3 động cơ được gắn với 3 bánh omni tuy nhiên nó lại dễ dàng dịch
chuyển theo mọi hướng trên địa hình bằng phằng
Một số loại robotino khác
Với việc sử dụng các loại bánh omni khác nhau và hình dạng khác nhau các robo náy có kiêu di
chuyen rất riêng biệt.
PHẦN II: NỘI DUNG BÁO CÁO
CHƯƠNG I
CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
I. PHÂN TÍCH YÊU CẦU ĐỀ TÀI
Đề tài: thiết kế mô hình mobile robot 3 bánh 3 motor
Phân tích yêu cầu đề tài:
- Tìm 3 motor cùng công suất và cùng thông số.
- Tìm thông số của 3 motor để cho motor đi thẳng, rẽ
trái, rẽ phải.
- Thiết kế sao cho 3 bánh nằm ở 3 đỉnh tam giác đều,
đường kính bánh xe vuông góc với trục của motor hướng
vào tâm.
- Thiết kế mô hình phù hợp.

II. CÁC PHƯƠNG ÁN ĐỀ RA
1. Phương án 1
Lắp trực tiếp 3 bánh xe lên 3 trục của motor. Trục 3 motor
song song và trục motor dẫn đường vuông góc với đường
thẳng nối từ bánh xe vào tâm. Đường kính bánh xe trùng với
trục hướng vào tâm. Như hình vẽ:
Ưu điểm:
- Tiết kiệm chi phí khi mua bánh xe và có thể dành chi
phí đó cho làm mạch điện tốt hơn.
- Thiết kế đơn giản
Nhược điểm:
- không đúng theo yêu cầu.
- khó đáp ứng khi rẽ vì rất dễ gãy trục nối giữa bánh xe
và motor, có thể hỏng motor.
2. Phương án 2
Lắp bánh xe và trục như hình vẽ:
Bánh xe lắp trực tiếp lên trục của motor.
Ưu điểm:
- Đúng theo yêu cầu của đề tài.
- Lực phân bố đều trên 3 trục khi rẽ, quay.
Nhược điểm:
- Các bánh xe đa hướng hơi khó tìm.
- Vấn đề đặt trục và giải đồ cho di chuyển rất mới, trong
nhóm chưa ai gặp.
III. PHƯƠNG ÁN CHỌN LỰA:
Để phù hợp với yêu cầu đề tài, nhóm đã thảo luận và đi tới
quyết định chọn phương án 2.
ChươngII: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CƠ KHÍ
A .Bánh OMNI
Loại bánh này có tất cả 6 múi được chia làm 2 lớp mỗi lớp có 3 múi được đặt cách điều nhau và

vuôn góc với trục của bánh xe vì thế bánh omni có thể dễ dàng dịch chuyển theo mọi hướng
Một số loại bánh omni khác
B.CƠ KHÍ.
Do đây là mô hình mobile robot không chịu tải trọng nặng
nên hầu hết các vật liệu và kết cấu cơ khí đều mang tính gọn
nhẹ, dễ gia công và nhóm quyết định chọn nhôm làm vật liệu
chính.
Một tấm nhôm mỏng bề dày 2mm, kích thước 350*350mm
2
,
gia công thành hình đĩa tròn, bán kính 150mm làm đế mô hình
và cũng là phần gắn động cơ trực tiếp.
Nhôm ống hình vuông, cắt kích thước 20mm làm trụ cho
robot.
3 cặp bánh đa hướng lắp trực tiếp trên trục của motor.
Nhôm tấm co be dày 1 mm duoc cắt thành những thnah dài
làm phần chi tiết bao quanh đế robot hình trụ tròn
Gia công khoan, bắt trực tiếp motor lên mặt đế của robot
kích thước và vị trí theo đúng yêu cầu đề tài.
Nhôm thanh chữ V gia công cắt kích thước 15mm, 14mm
làm đế giữ bình acqui.
Các chi tiết cơ khí đều được gia công định vị chặt bằng đinh
IV.

C: ĐỘNG CƠ DC SERVO :
DC SERVO :
Động cơ servo là thiết bị được điều
khiển bằng chu trình kín. Từ tín hiệu hồi tiếp
vận tốc/vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều
khiển họat động của một động cơ servo. Với lý

do nêu trên nên sensor đo vị trí hoặc tốc độ là
các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho một
động cơ servo.
Đặc tính vận hành của một động cơ
servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và
phương pháp điều khiển động cơ servo. Có 3
loại động cơ servo được sử dụng hiện nay đó
là động cơ servo AC dựa trên nền tảng động
cơ AC lồng sóoc; Động cơ servo DC dựa trên
nền tảng động cơ DC; và động cơ servo AC
không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ.
Để điều khiển số vòng quay hay vận tốc động cơ thì chúng ta nhất thiết phải
đọc được góc quay của motor. Một số phương pháp có thể được dùng để xác định
góc quay của motor bao gồm tachometer (thật ra tachometer đo vận tốc quay), dùng
biến trở xoay, hoặc dung encoder .
Ứng dụng của DC servo rất đa dạng :
 Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong
nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các
mô hình máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là
trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay
và xe hơi.
 Tuy nhiên các ứng dụng chủ yếu của động cơ servo là điều khiển
chuyển động.Những ứng dụng khác bao gồm máy đóng gói bao bì, máy
công cụ và thiết bị CNC,dây chuyền lắp ráp và thiết bị vận chuyển vật
tư. Những ứng dụng khác chiếm tỷ lệ rất nhỏ,đó là lắp ráp ô tô, thiết bị
in, xử lí bột giấy, giấy, băng giấy,và các hệ thống tự động lắp trên xe.
Encoder :
Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể
là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của

encoder :
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là
một đĩa tròn xoay, quay quanh trục.
Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta
dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa.
Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh),
đèn led không chiếu xuyên qua được,
chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên
qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa,
người ta đặt một con mắt thu. Với các
tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có
chiếu qua hay không .
Khi trục quay , giả sử trên đĩa chỉ có 1 lỗ duy nhất , cứ mỗi lần con mắt thu
nhận được tín hiệu đèn led thì có nghĩa là đĩa đã qua được 1 vòng .
Q 3
D 4 6 8
R 4
1 0 0
Q 2
I R F 1 5 0 _ 3
2 4 V
P W M
Q 7
B 5 6 4
R 5
1 0 K
R 1 0
3 K 3
D 9
F R 2 0 1

2 4 V
R 1
4 K 7
M A S S
L S 1
R E L A Y D P D T
2
4
3
7
5
6
1
8
5 V
I S O 5
P C 8 1 7
2 1
3 4
M A S S
D 5
L E D
D I R
R 2
4 K 7
C 1
1 0 4
D 2
L E D
I S O 6

P C 8 1 7
2 1
3 4
R 7
1 0 0 R - 3 W 3
J 1
H E A D E R 2
1
2
J 2
H E A D E R 3
1
2
3
R 6
1 K 5
D I R
D 3
L E D
P W M
D 1 5
F R 2 0 1
2 4 V 2 4 V
D 1 0
F R 2 0 1
5 V
R 1 1
1 0 0
D 1
L E D

Q 4
D 4 6 8
M A S S
2 4 V
D C 1
12
5 V
R 9
1 0 K
D 1 3
1 2 V
Chương III : Thiết Kế Thi Công Các Mạch Điện
A . Mạch Công Suất
Chương IV : Tìm hiểu vi điều khiển PIC 16F877A ,Chuẩn giao
tiếp SPI và ADC
I )Vi điều khiển PIC 16F877A :
1)GIỚI THIỆU :
PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ
nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường) Độ dài lệnh 16bit .
Hình :Sơ đồ chân của PIC 16F877A
2) Cấu trúc tổng quát PIC 16F877A :
- 8 K Flash ROM.
- 368 Bytes RAM.
- 256 Bytes EEPROM.
- 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín
hiệu điều khiển độc lập.
- 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và
Timer 2).
- Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có
thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm

năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn
xung Clock ngoài.
- 2 bô CCP( Capture / Compare/
PWM).
- 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào.
- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor).
- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer).
- Một cổng song song 8 bits với các tín hiệu điều khiển.
- Một cổng nối tiếp.
- 15 nguồn ngắt.
- Có chế độ tiết kiệm năng lượng.
- Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming)
- Được chế tạo bằng công nghệ CMOS
- 35 tập lệnh có độ dài 14 bits.
- Tần số hoạt động tối đa 20MHz.
Sơ đồ khối vi điều khiển PIC16F877A

II)Chuẩn Giao Tiếp SPI
SPI : Serial Perippheral Interface- Giao tiếp ngoại vi nối tiếp
Giao thức SPI do hãng Motorola phát minh và còn được biết đến với tên gọi khác là Microwire
(hãng National Semiconductor phát triển). Cả SPI và Microwire đều có chung nguyên tắc hoạt
động. Hiện nay giao thức SPI đã có các phiên bản cải tiến như QSPI (Queue SPI) và
Microwire Plus.
Giao thức SPI cung cấp một giao thức nối tiếp đơn giản giữa MCU và thiết bị ngoại vi. Giống
với các Bus nối tiếp khác như I2C, CAN hoặc USB , chuẩn giao tiếp SPI ngày càng được sử
dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử, đặc biệt là trong giao tiếp trao đổi dữ liệu với các ngoại
vi.
Giao thức SPI được tích hợp trong một số loại thiết bị như:
+ Các bộ chuyển đổi (ADC và DAC)
+ Các loại bộ nhớ (EEPROM và FLASH)

+ Các loại IC thời gian thực
+ Các loại cảm biến (nhiệt độ, áp suất…)
+ và một số loại khác như: bộ trộn tín hiệu, LCD, Graphic LCD…
I.2.1 BUS SPI
Giao tiếp SPI được thực hiện thông qua BUS 4 dây MISO, MOSI, SCK, SS nên đôi khi SPI còn
được gọi là giao thức giao tiếp 4 dây.
a. MISO: Master Input Slave Output
Trong VĐK PIC, chân MISO được kí hiệu là SDO
Chân MISO dùng để truyền dữ liệu ra khỏi Modun SPI khi đặt cấu hình là Slave và nhận dữ
liệu khi đặt cấu hình là Master.
b. MOSI: Master Output Slave Input.
Trong VĐK PIC, chân MOSI được kí hiệu là SDI
Chân MOSI dùng để truyền dữ liệu ra khỏi Mođun SPI khi đặt cấu hình là Master và nhận dữ
liệu khi đặt cấu hình là Slave.
c. SCK : Serial Clock
Chân SCK cấp xung đồng bộ để truyền nhận dữ liệu với một Slave nà
o đó được chọn
d. SS : Slave Select
Chân SS cấp tín hiệu chọn chip ở ngõ ra của Mođun SPI đến một ngoại vi khác nếu đặt cấu
hình là Master và chân SS sẽ là ngõ vào nhận tín hiệu chọn chip nếu được cấu hình là Slave
I.2.2 SPI là giao thức đồng bộ
Modun SPI cho phép giao tiếp nối tiếp đồng bộ kép giữa MCU hoặc MPU với thiết bị ngoại vi
- Tín hiệu SCK được cung cấp bởi Master nhằm tạo xung đồng bộ cho phép dữ liệu được
truyền đi hoặc khi đọc dữ liệu nhận được
- Khi tín hiệu SCK được phát ra thì tín hiệu này có thể thay đổi nhưng không làm hỏng dữ
liệu. Lí do là trong giao thức SPI, tốc độ của dữ liệu truyền đi sẽ thay đổi theo sự thay đổi của
SCK. Điều này rất có lợi nếu như MCU hoặc MPU bị cấp xung đồng hồ không chính xác (VD:
bộ dao động RC)
I.2.3 SPI là giao thức chủ-tớ
Giao diện cơ bản của giao tiếp SPI

Thiết bị tên ‘Processor’ đóng vai trò Master, thiết bị ‘Peripheral’ là Slave.
Cả Master và Slave đều có thanh ghi dịch nối tiếp ở bên trong. Thiết bị Master bắt đầu việc
trao đổi dữ liệu bằng cách truyền đi một Byte vào thanh ghi dịch của nó, sau đó Byte dữ liệu
sẽ được đưa sang Slave theo đường tín hiệu MOSI (SDI), Slave sẽ truyền dữ liệu nằm trong
thanh ghi dịch của chính nó ngược trở về Master thông qua đường tín hiệu MISO (SDO). Bằng
cách này, dữ liệu của hai thanh ghi sẽ được trao đổi với nhau. Việc đọc và ghi dữ liệu vào
Slave diễn ra cùng một lúc nên tốc độ trao đổi dữ liệu diễn ra rất nhanh. Do đó, giao thức SPI
là một giao thức rất có hiệu quả.
Trong giao thức chủ-tớ, chỉ có thiết bị Master mới có thể điều khiển (phát ra) xung SCK. Dữ
liệu sẽ không được truyền đi nếu như Master không cung cấp xung SCK và tất cả các thiết bị
Slave đều được điều khiển bởi xung nhịp phát ra từ Master trong khi đó, Slave lại không có
khả năng phát xung.
Có 2 cách kết nối Master-Slave:
a. Master và các Slave độc lập


Trong cách kết nối này, tín hiệu SCK và SDO từ Master được cung cấp đến từng Slave. Đường
tín hiệu SDO của các Slave nối chung lại với nhau và truyền về Master. Lúc này, Master sẽ lựa
chọn Chip Slave nào để trao đổi dữ liệu thông qua các chân SS riêng lẻ.
b. Cách nối Daisy-Chained
Hình dưới đây mô tả cách kết nối Daisy-Chained giữa Master và Slave


Ví dụ ta thực hiện giao tiếp SPI giữa Master và 3 thiết bị Slave. Cách nối dây như hình vẽ,
khác với cách kết nối cơ bản, ở phương pháp này ta chỉ sử dụng duy nhất 1 chân SS (Chip
Select). Giả sử Master truyền đi 3 Bytes dữ liệu lên Bus SPI. Byte đầu tiên được dịch vào

Slave A. khi byte thứ hai truyền đến A, byte đầu tiên sẽ bị đẩy ra khỏi A và truyền đến B.
Tương tự, khi byte thứ ba truyền vào A, byte thứ hai sẽ bị dịch sang B và Byte đầu tiên sẽ bị
dịch sang C. Nếu Master muốn đọc lại dữ liệu trong Slave A, nó phải truyền lại chuỗi 3 Bytes
dữ liệu (giả) lần nữa. Khi đó dữ liệu trong A sẽ chuyển sang B rồi chuyển sang C, sau đó về
Master. Suốt quá trình sử lý, Master luôn nhận được Byte dữ liệu từ Slave B và C.
Tuy nhiên, cách nối SPI Daisy-Chained không phải lúc nào cũng áp dụng được cho tất cả các
thiết bị Slave. Do đó, ta cần phải tham khảo datasheet trước khi tiến hành kết nối.
I.2.4 SPI là giao thức trao đổi dữ liệu
Dữ liệu lúc nào cũng được truyền qua lại giữa các thiết bị SPI. Thật ra, không có khái niệm
thiết bị phát hay thiết bị nhận trong giao thức SPI mà mỗi thiết bị có 2 đường dữ liệu, một
đường dữ liệu vào và một đường dữ liệu ra.
Dữ liệu truyền đi được điều khiển bởi xung SCK từ Master.
Khi được truyền đi, dữ liệu vào cần phải được đọc ngay, nếu không sẽ bị mất đi và khi đó,
giao thức SPI có thể sẽ ngưng hoạt động. Để tránh tình trạng này, lúc nào ta cũng phải đọc
dữ liệu về ngay sau khi truyền đi cho dù dữ liệu đõ không thực sự cần thiết.
Thường thì 1 tín hiệu chọn Slave sẽ tác động mức thấp để chỉ ra Slave nào được truy cập. Tín
hiệu này phải được sử dụng khi có nhiều hơn 1 Slave trong cùng hệ thống và thường không
sử dụng đến khi trong mạch chỉ có 1 Slave. Tuy nhiên, theo nguyên tắc thì ta nên sử dụng tín
hiệu này trong cả hai trường hợp trên.
Tín hiệu SS sẽ chỉ ra Slave nào mà Master muốn bắt đầu một quá trình trao đổi dữ liệu bằng
giao thức SPI giữa thiết bị Slave đó và chính nó. Nếu tín hiệu trên đường SS là 0 thì chứng tỏ
giao thức SPI đang hoạt động. Ngược lại, nếu tín hiệu là mức 1 thì giao thức SPI không hoạt
động.
Một đặc điểm khác khá quan trọng của tín hiệu SS là nó vó tác dụng làm tăng cường khả
năng miễn nhiễm cho hệ thống. Lí do là SS sẽ Reset Slave để nó có thể nhận Byte dữ liệu tiếp
theo.
SPI có 4 mode hoạt động, phụ thuộc vào cực tính và pha của xung đồng hồ. Trong trường
hợp cực âm của xung đồng hồ, tín hiệu SCK sẽ ở mức thấp trong quá trình nghỉ và chuyển
sang mức cao trong quá trình truyền dữ liệu. Ngược lại, đối với trường hợp cực dương của
xung đồng hồ, tín hiệu SCK ở mức cao trong quá trình nghỉ và chuyển sang mức thấp khi

truyền dữ liệu.
+ SPI Mode 0:
Mô tả : Xung dương, dữ liệu được chốt trước khi dịch
Giản đồ thời gian:


+ SPI Mode 1:
Mô tả : Xung dương, dữ liệu được dịch đi trước khi chốt
Giản đồ thời gian

+ SPI Mode 2:
Mô tả : Xung âm, dữ liệu được chốt lại trước khi dịch
Giản đồ thời gian:

+ SPI Mode 3:

Mô tả : Xung âm, dữ liệu bị dịch đi trước khi chốt lại
Giản đồ thời gian:


II – SPI TRONG VĐK PIC :
SPI Mode trong PIC cho phép 8 bit dữ liệu được truyền nhận đồng bộ 1 cách simultaneously.
Hỗ trợ hoạt động ở cả 4 Mode. Để tiến hành hoạt động giao tiếp, về cơ bản, 3 chân sau đây
được sử dụng:
+ Serial Data Out – RC5/SDO
+ Serial Data In – RC4/SDI/SDA
+ Serial Clock – RC3/SCK/SCL
Ngoài ra, nếu trong hệ thống có nhiều hơn 1 Slave thì chân Chip Select sẽ được dùng:
+ Slave Select – RA5/AN4/SS/HLVDIN
Sơ đồ nguyên lý của khối SPI tích hợp trong Vi Điều Khiển PIC