Thiết kế mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thiết kế mạch điều khiển từ xa và
giao tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm

HÀ NỘI
Tháng 07 năm 2016


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

NHẬN XÉT ĐỒ ÁN
1. Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

2. Nhận xét của giáo viên đọc duyệt
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

....................................................................................................................................
....................................................................................................................................

Giáo viên hướng dẫn

Giáo viên đọc duyệt

(Kí tên)

(Kí tên)

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

1


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

MỤC LỤC
NHẬN XÉT ĐỒ ÁN .................................................................................................0
MỤC LỤC ..................................................................................................................2
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.....................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ ....................................................................5
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................7
LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................10
CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT BÀI TOÁN VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH NĂNG
...................................................................................................................................11
1.1. KHẢO SÁT ROBOT SCANNER ..........................................................................11

1.1.1. Giới thiệu về robot scanner siêu âm .....................................................11
1.1.2. Sơ đồ tính năng của robot scanner siêu âm .........................................15
1.1.3. Phân chia bài toán ..................................................................................16
1.1.4. Sơ đồ tính năng của bài toán 1 và bài toán 2 .......................................17
1.1.5. Mục tiêu của đề tài .................................................................................18
1.2. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH NĂNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỪ XA VÀ GIAO TIẾP
NGƯỜI SỬ DỤNG .....................................................................................................19
1.2.1. Sơ đồ tính năng .......................................................................................19
1.2.2. Phân tích sơ đồ tính năng ......................................................................20
1.3. MỐI LIÊN HỆ GIỮA CÁC BÀI TOÁN .................................................................23
1.4. PHÂN CHIA PHẦN CỨNG, PHẦN MỀM .............................................................24
1.4.1. Phần cứng ................................................................................................24
1.4.2. Phần mềm ................................................................................................24
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN CỨNG.......................................26
2.1. SƠ ĐỒ CẤU TRÚC ............................................................................................26
2.2. THIẾT KẾ CHI TIẾT PHẦN CỨNG ....................................................................27
2.2.1. Khối hiển thị............................................................................................27
2.2.1.1. Lựa chọn hiển thị .............................................................................27
2.2.1.2. Lựa chọn IC đệm .............................................................................34
2.2.2. Khối phím bấm .......................................................................................37
2.2.2.1. Phím bấm ..........................................................................................37
2.2.2.2. Cần joystick ......................................................................................41
2.2.3. Khối CPU ................................................................................................42
2.2.3.1. Khảo sát tính năng của vi xử lí .......................................................42
2.2.3.2. Lựa chọn CPU và thiết kế mạch hỗ trợ CPU ................................44
SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

2

Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

2.2.4. Khối truyền thông ..................................................................................49
2.2.5. Khối dự trữ tính năng ............................................................................51
2.2.5.1. Dự trữ vào .........................................................................................52
2.2.5.2. Dự trữ ra ...........................................................................................54
2.2.5.3. Truyền thông dự trữ ........................................................................55
2.2.5.4. Đèn báo..............................................................................................56
2.2.5.6. Còi báo ..............................................................................................57
2.2.7. Khối nguồn ..............................................................................................61
2.2.7.1. Tính toán công suất nguồn ..............................................................61
a. Tính toán công suất nguồn 5V ..............................................................61
b. Tính toán công suất nguồn 24V ...........................................................63
2.2.7.2. Lựa chọn linh kiện ...........................................................................63
a. Nguồn 5V ................................................................................................63
b. Nguồn 24V ..............................................................................................67
2.3. TỔNG HỢP THIẾT KẾ ......................................................................................68
2.4. THIẾT KẾ MẠCH IN .........................................................................................69
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ PHẦN MỀM ........................................70
3.1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN .....................................................................................70
3.1.1. Lưu đồ thuật toán điều khiển ................................................................71
3.1.2. Lưu đồ thuật toán điều khiển từ xa ......................................................73
3.1.2.1. Sơ đồ cây người sử dụng..................................................................73
3.1.2.2. Lưu đồ thuật toán ............................................................................75
3.1.3. Lưu đồ thuật toán truyền thông ............................................................77
3.1.4. Lưu đồ thuật toán hiển thị .....................................................................79
3.2. CẤU HÌNH CHO CHIP ......................................................................................80
3.2.1. Cấu hình bộ Timer .................................................................................80

3.2.2. Cấu hình UART ......................................................................................81
3.2.3. Cấu hình LCD .........................................................................................83
3.2.4. Cấu hình chân .........................................................................................83
KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỒ ÁN...................84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................85
PHỤ LỤC .................................................................................................................86

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

3


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Nghĩa đầy đủ

Từ viết tắt
NSD

Người sử dụng

K

KΩ (Ki lô ôm)

VXL

Vi xử lý

LCD

Liquid Crystal Display (Màn hình tinh thể lỏng)

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

CPU

Central Processing Unit

Psoc

Programmable System on Chip

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

4


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

DANH MỤC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Bộ scanner mini .......................................................................................11
Hình 1. 2: Bộ scanner thuê công HST-X04 ..............................................................12

Hình 1. 3: Bộ HST-Lite Scanner ...............................................................................12
Hình 1. 4: Kiểm tra đường ống 1500 bằng scanner siêu âm ..................................13
Hình 1.5: Scanner WeldROVER của hãng OLIMPUS.............................................13
Hình 1. 6: Sơ đồ tính năng của robot scanner siêu âm ..............................................15
Hình 1. 7: Phân chia bài toán của robot scanner siêu âm..........................................16
Hình 1. 8: Sơ đồ tính năng bài toán 1 và bài toán 2 ..................................................17
Hình 1. 9: Sơ đồ tính năng của mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD ................19

Hình 2. 1: Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD .........................26
Hình 2. 2: Kích thước của LCD 240x128 .................................................................28
Hình 2. 3: Hình ảnh thực tế LCD 240x128 ...............................................................29
Hình 2. 4: Sơ đồ điều khiển Backlight ......................................................................32
Hình 2. 5: Sơ đồ điều chỉnh độ tương phản ..............................................................33
Hình 2. 6: Sơ đồ kết nối và phụ trợ LCD ..................................................................33
Hình 2. 7: Hình ảnh chân 74HC573 ..........................................................................35
Hình 2. 8: Hình ảnh IC 74HC573D ..........................................................................35
Hình 2. 9: Mạch kết nối IC đệm................................................................................36
Hình 2. 10: Sơ đồ khối phím bấm .............................................................................37
Hình 2. 11: Hình ảnh nút bấm 2 chân .......................................................................37
Hình 2. 12: Sơ đồ nguyên lý phím bấm ....................................................................40
Hình 2. 13: Hình ảnh cần Joystick ............................................................................41
Hình 2. 14: Sơ đồ khối chức năng VXL PSoC của Cypress Micro System .............43
Hình 2. 15: Chip CY8C4245 .....................................................................................45
Hình 2. 16: Sơ đồ tính năng CY8C4245AXI-483QFP .............................................47
Hình 2. 17: Hình ảnh bên trong chip Psoc CY8C4245AXI-483QFP .......................48
Hình 2. 18: Sơ đồ chip CY8C4245 ...........................................................................49
Hình 2. 19: Sơ đồ khối dự trữ tính năng ...................................................................51
Hình 2. 20: Cấu tạo của TLP521-2 ...........................................................................52
Hình 2. 21: Sơ đồ nguyên lý mạch dự trữ vào ..........................................................53
Hình 2. 22: Sơ đồ nguyên lý mạch dự trữ ra .............................................................54

Hình 2. 23: Sơ đồ bên trong của IC MCP2551 .........................................................56
Hình 2. 24: Sơ đồ nguyên lí modul truyền thông dự trữ ...........................................56
Hình 2. 25: Sơ đồ nguyên lí đèn báo test CPU .........................................................57
Hình 2. 26: Hình ảnh còi báo TMB – 12A05............................................................58
SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

5


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

Hình 2. 27: Hình ảnh transistor C1815 loại chân dán ...............................................59
Hình 2. 28: Sơ đồ nguyên lí khối còi báo .................................................................60
Hình 2. 29: Sơ đồ cung cấp nguồn ............................................................................61
Hình 2. 30: Hình ảnh LM2576 5V ............................................................................63
Hình 2. 31: Một số hình ảnh linh kiện thực tế sử dụng trong khối nguồn ................65
Hình 2. 32: Mạch nguyên lý nguồn 5V .....................................................................66
Hình 2. 33: Nguồn 24V 3A .......................................................................................67
Hình 2. 34: Mạch nguyên lí lọc nguồn 24V ..............................................................68
Hình 2. 35: Sơ đồ mạch nguyên lý khối điều khiển từ xa và giao tiếp NSD ............68

Hình 3. 1: Lưu đồ thuật toán điều khiển ...................................................................71
Hình 3. 2: Sơ đồ cây điều khiển ................................................................................73
Hình 3. 3: Lưu đồ thuật toán khối phím bấm ............................................................75
Hình 3. 4: Lưu đồ thuật toán khối truyền thông........................................................77
Hình 3. 5: Lưu đồ thuật toán hiển thị LCD ...............................................................79
Hình 3. 6: Hình ảnh khi khởi động Psoc Creator 3.1 ................................................80
Hình 3. 7: Cấu hình bộ Timer ...................................................................................81

Hình 3. 8: Cấu hình bộ UART ..................................................................................82
Hình 3. 9: Cấu hình LCD ..........................................................................................83
Hình 3. 10: Cấu hình chân trong Psoc4 ....................................................................83

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

6


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

MỞ ĐẦU
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, đất nước trong thời kỳ công nghiệp hóa –
hiện đại hóa, điện từ đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống và sản xuất của
con người. Nhiều máy móc đã dần thay thế được sức lao động của con người, giúp
nâng cao năng suất, hiệu quả công việc. Đặc biệt khi mà các ngành công nghiệp
phát triển các đường ống dẫn được xây dựng ở khắp mọi nơi vì vậy việc kiểm tra
các mối hàn của đường ống là một nhiệm vụ đòi hỏi sự chính xác rất cao khó có thể
sử dụng sức lao động của con người.
Trên thế giới việc sử dụng siêu âm truyền thống để kiểm tra chất lượng mối hàn
trong công nghiệp (hàng không vũ trụ, khai thác dầu khí, nhà máy điện, điện hạt
nhân,…) đã có từ rất lâu và phổ biến.
Robot scanner siêu âm là một thiết bị máy móc có thể di chuyển được gắn trên
mình những cảm biến siêu âm để dò ra những khuyết tật (rạn, nứt, vỡ,…) của
đường ống một cách chính xác, robot có thể tự làm việc độc lập với người vận hành
bằng việc được lập trình sẵn (thường gọi là robot tự hành). Ngoài ra robot có thể
tinh chỉnh trong quá trình hoạt động thông qua người vận hành bằng các hệ thống
điều khiển từ xa.

Để robot scanner siêu âm có thể hoạt động được thì chúng cần những mạch điều
khiển. Những mạch này có chức năng điều khiển các hoạt động của robot scanner
siêu âm để robot có thể làm việc hiệu quả nhất.
Robot scanner được chế tạo để có thể làm việc tại những nơi mà con người
không thể trực tiếp làm việc. Vì vậy để điều khiển robot phải cần những bộ điều
khiển từ xa để con người có thể ngồi tại một vị trí cố định mà cũng có thể điều
khiển hoạt động của chúng.
Từ yêu cầu của thực tiễn cũng như môn học kĩ thuật vi xử lí, chúng em chọn đề
tài cho đồ án tốt nghiệp là: “Thiết kế mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử
dụng cho scanner siêu âm” được thực hiện bởi sinh viên: Nguyễn Văn Hữu do

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

7


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

thầy giáo: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa là giảng viên bộ môn Kỹ Thuật Điện Trường Đại
Học Giao Thông Vận Tải hướng dẫn.
Mục đích đề tài
- Khảo sát được các thông số của Robot scanner để thiết kế
- Xây dựng được sơ đồ tính năng của mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD
- Thiết kế được phần cứng mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD
- Xây dựng được lưu đồ thuật toán mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD
- Viết được chương trình điều khiển cho mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD
- Chế tạo được mô hình mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD cho robot Scanner
theo mẫu

- Ghép nối được với mạch điều khiển khác của Robot Scanner và với mô hình, đồng
thời cho chạy thử nghiệm
Đối tượng nghiên cứu
- Nghiên cứu, chế tạo mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD, mô hình thử nghiệm
cho robot scanner siêu âm
Phạm vi nghiên cứu
- Vi điều khiển chip Psoc
- Truyền thông có dây
- Màn hình hiển thị LCD
Cơ sở khoa học
- Lý thuyết vi xử lí

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

8


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

Thực tiễn của đề tài
- Mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng được ứng dụng rất nhiều trong
thực tiễn như: Các bộ điều khiển của máy móc làm việc ở môi trường nguy hiểm,
trên cao,…các vị trí mà con người không thể tới nơi trực tiếp điều khiển được.
- Giúp cho con người có thể đứng tại 1 vị trí mà vẫn có thể điều khiển được các máy
móc làm việc ở những vị trí khác nhau.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

9


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô thuộc bộ môn Kỹ Thuật Điện đã giảng
dạy, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong thời gian học tập tại trường Đại học Giao
Thông Vận Tải cũng như trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt em
xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa – người đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này.
Mặc dù đã có cố gắng xong thời gian làm đồ án có hạn và kiến thức chuyên
môn còn nhiều hạn chế, kiến thức thực tế chưa nhiều nên đồ án không tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, nhận xét, đánh
giá, góp ý từ thầy cô.

Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Hữu

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

10


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT BÀI TOÁN VÀ XÂY DỰNG SƠ ĐỒ TÍNH NĂNG
1.1. Khảo sát robot scanner
1.1.1. Giới thiệu về robot scanner siêu âm
Để tạo thuận lợi, tăng độ chính xác và tốc độ khi kiểm tra bằng đầu dò siêu âm
phải có các bộ scanner tương thích với các đối tượng khác nhau. Vì vậy trên thế
giới đã có nhiều hãng đã thiết kế, chế tạo bộ scanner từ dạng thủ công, bán thủ
công, đến tự động gần như hoàn toàn phù hợp với từng loại đối tượng kiểm tra.
Dưới đây khảo sát một số bộ scanner sử dụng để kiểm tra mối hàn trên bề mặt
phẳng hoặc đường ống đã được nước ngoài thương mại hóa:

Hình 1. 1: Bộ scanner mini
Trong hình 1.1 thể hiện bộ scanner mini gồm một bộ mã hóa xung quãng đường
(ECD) gắn với gắn với đầu đo siêu âm. ECD sử dụng loại có độ phân giải tới 12
bước/mm cho phép đồng bộ vị trí siêu âm và xác định chính xác vị trí khuyết tật.
ECD, phân biệt được chiều chuyển động nên có thể dịch chuyển scanner theo 2
chiều tiến hoặc lùi mà không làm sai lệch kết quả đo.
Do scanner chỉ có 1 bánh xe nên đường quét dễ bị nghiêng vẹo theo tay người
vận hành, có thể không đồng nhất, không thẳng, dẫn đến kết quả sai khác. Do kết
cấu nhỏ, chỉ có thể lắp 1 đầu đo nên chỉ sử dụng được phương pháp đo xung phản
xạ, hạn chế phạm vi sử dụng của thiết bị.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

11


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

Hình 1. 2: Bộ scanner thủ công HST-X04
Để khắc phục nhược điểm của scanner mini, người ta đã chế tạo loại scanner thủ
công HST-X04 như trong hình 1.2. Độ ổn định quỹ đạo tốt hơn so với loại trên do
có 2 bánh đối xứng. Loại này cho phép lắp 2 đầu đo đối xứng. Vì vậy, có thể sử
dụng phương pháp đo TOPD và các phương pháp siêu âm bóng.
Bộ scanner HST-X04 không có khả năng bám dính vào mặt ống. Rất khó khăn
khi thao tác trên đường ống lớn do phải quét một lần toàn bộ chu vi ống mà không
được nhấc tay khỏi scanner.

Hình 1. 3: Bộ HST-Lite Scanner
Bộ HST-Lite Scanner (Hình 1.3) có 4 bánh xe bằng nam châm vĩnh cửu đã khắc
phục được khó khăn trên. Mặt khác, do kết cấu có 4 bánh xe thẳng nên quỹ đạo

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

12


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

chuyển động của scanner rất ổn định, đường quét thẳng đáp ứng tốt cho phép quét
vết hàn theo quỹ đạo dọc ống hoặc vuông góc với ống.
Khi quét các ống đường kính lớn như trong hình 1.4, thì scanner HST-X04 rất
khó thao tác và mất an toàn cho kỹ thuật viên.

Hình 1. 4: Kiểm tra đường ống 1500 bằng scanner siêu âm

Hình 1.5: Scanner WeldROVER của hãng OLIMPUS
Loại scanner mới nhất hiện của hãng OLIMPUS Weld-ROVER (Hình 1.5) đã
cho phép quét tự động hoàn toàn với kiểm tra đường hàn ngang ống. Scanner sử
dụng 4 bánh xe từ bám chặt vào bề mặt ống, chạy đồng tốc bằng một động cơ duy
nhất, cho phép scanner dịch chuyển theo một đường thẳng do người vận hành hiệu
chỉnh trước.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

13


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

Nhược điểm của loại scanner này là chỉ quét được theo đường hàn vuông góc
với đường tâm của ống. Scanner không quét được theo đường sinh (dọc ống) hay
chạy không đúng đường hàn gây khó khăn cho người vận hành. Nguyên nhân là do
4 bánh xe scanner hoàn toàn đồng tốc, không có khả năng lái, nên khi gặp chướng
ngại vật hoặc bề mặt không đồng đều, scanner sẽ dần dần lệch hướng và trượt khỏi
quỹ đạo mong muốn. Khi đó, kỹ thuật viên sẽ phải đặt lại scanner về vị trí mong
muốn.
Như vậy, hoàn toàn chưa có thiết bị nào có khả năng quét được đường ống theo
quỹ đạo định trước và có khả năng điều chỉnh về đúng quỹ đạo, đặc biệt có ý nghĩa
với đường ống kích thước lớn hoặc mặt phẳng.
Nhược điểm cơ bản của các các thiết bị trên là:
- Đối với các bộ scanner bán thủ công: Việc điều chỉnh quỹ đạo scan hoàn toàn do
người vận hành thực hiện.

-

Đối với scanner tự động: Quỹ đạo của scanner hoàn toàn là đường thẳng xác

định bởi thao tác đặt scanner của người vận hành. Chưa cho phép điều chỉnh và
chuyển động theo đúng quỹ đạo một cách tự động. Đặc biệt khi thao tác trên đường
hàn thẳng, dọc trục ống đường kính lớn và rất lớn, thì dễ gặp phải sai số do scanner
dịch chuyển lệch khỏi đường hàn.
-

Người vận hành bắt buộc phải theo dõi trực tiếp độ lệch khi dịch chuyển của

scanner. Rất khó khăn khi thực hiện đo kiểm trên các đường ống lớn ngoài hiện
trường.
Khảo sát sơ đồ tính năng của scanner siêu âm ở mục 1.1.2 dưới đây.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

14


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.1.2. Sơ đồ tính năng của robot scanner siêu âm
Driver
công suất

Động cơ

Hộp giảm
tốc

Bánh xe
bám

Điều khiển
động cơ

Ổn định
tốc độ
động cơ

Encoder
của scanner
đo vị
trí/vận tốc

Tính
toán/điều
chỉnh tốc
độ các
động cơ

Tính toán
dịch
chuyển dọc

Tính toán

dịch
chuyển góc

Định vị
và điều
khiển
vị trí
scanner

Robot
dịch
chuyển
trên

Cảm biến
kiểm soát
dịch
chuyển
ngang

bề mặt
sản phẩm

Đầu đo

Nhận tốc độ
dịch chuyển

TOPD/PAUT

Truyền thông

OMI
Scanner

Tiếp dịch
siêu âm

Kết quả đo

Hiển thị Trạng
thái

Truyền thông

Điều khiển từ xa
Tự động/bán tự
động/bằng tay

Nguồn

24VDC

Hình 1. 6: Sơ đồ tính năng của robot scanner siêu âm
SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

15


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.1.3. Phân chia bài toán
Từ sơ đồ tính năng robot scanner siêu âm (Hình 1.6) có thể thấy rằng robot
scanner siêu âm được hình thành dựa trên 3 bài toán chính: Bài toán điều khiển

Bài toán 3

Giao tiếp người sử dụng

Điều khiển từ xa

Bài toán 2

Bài toán 1

động cơ, bài toán điều khiển trung tâm, bài toán điều khiển từ xa và giao tiếp NSD

Điều khiển
trung tâm

Động cơ trái

Động cơ phải

Hình 1. 7: Phân chia bài toán của robot scanner siêu âm
Từ sơ đồ trên chúng ta có thể thấy được bài toán điều khiển từ xa và giao tiếp NSD
nằm trong khối mạch điều khiển có mối liên hệ trực tiếp đến bài toán điều khiển
trung tâm. Để có thể thấy rõ được chức năng của bài toán này cũng như mối quan

hệ giữa bài toán này với bài toán điều khiển trung tâm em tiến hành tách nhỏ sơ đồ
tính năng cuả bài toán 1 và bài toán 2

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

16


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.1.4. Sơ đồ tính năng của bài toán 1 và bài toán 2

Định vị
và điều
khiển vị
trí
scanner

Tính
toán dịch
chuyển
góc

Cảm
biến
kiểm
soát dịch
chuyển

ngang

Robot
dịch
chuyển
trên

Bài toán điều khiển độngc ơ

Tính
toán dịch
chuyển
dọc

bề mặt
sản phẩm

Nhận tốc độ đặt, tốc đô
di chuyển

Truyền thông

Truyền thông

Nguồn
Điều khiển từ xa
Tự động hoặc bằng
tay

Hiển thị các

thông số, trạng
thái hoạt động
của scanner

24VDC

Hình 1. 8: Sơ đồ tính năng bài toán 1 và bài toán 2
- Từ sơ đồ trên ta nhận thấy rằng bài toán điều khiển từ xa và giao tiếp NSD có mối
quan hệ chặt chẽ với bài toán điều khiển trung tâm. Nếu không có bài toán 2 thì bài
toán 1 cũng sẽ không thực hiện được nhiệm vụ.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

17


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.1.5. Mục tiêu của đề tài
Như vậy đề tài là một trong ba phần trong sơ đồ tính năng của robot scanner siêu
âm
Mục tiêu của đề tài là:
Hiểu rõ các yêu cầu kĩ thuật, phương pháp thiết kế mạch điều khiển từ xa và giao
tiếp người sử dụng cho scanner siêu âm.
Hoàn thiện thiết kế, chế tạo mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng cho
scanner với các thông số kĩ thuật sau:
- Hiển thị được các thông số hoạt động của scanner: Tốc độ đặt, tốc độ di chuyển,
lệch trái, lệch phải, dòng điện, điện áp.

- Hiển thị các thông số lên màn hình điều khiển.
- Điều khiển từ xa với khoảng cách dự tính lớn nhất: 5 mét
- Sử dụng truyền thông có dây.
- Điều khiển từ xa bằng phím nhấn.
- Nguồn cung cấp: 24VDC

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

18


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.2. Xây dựng sơ đồ tính năng mạch điều khiển từ xa và giao tiếp người sử
dụng
1.2.1. Sơ đồ tính năng

Điều
khiển
bằng
tay

Cài đặt tốc độ

Cài đặt hướng

Ghi
thông

tin
vào
địa
chỉ
thanh
ghi

Lọc
nhiễu

Điều khiển tốc độ

Khối điều khiển từ xa

Phím
nhấn
điều
khiển

Cây
tính
năng
người
sử
dụng

Điều
khiển
tự
động

Điều khiển hướng

Khối điều
khiển trung
tâm

Truyền
thông

Xây dựng frame truyền

Mã
hóa
thông
tin

Kiểm soát lỗi

Lọc
nhiễu

Giải
mã
thông
tin

Đệm
tín
hiệu

Hiển thị
thông
số hoạt
động
của
scanner

Khối giao tiếp NSD

Kiểm tra
và loại
bỏ thông
tin sai

Lấy
thông
tin từ
thanh
ghi

Khối truyền thông

Phương thức truyền

Hình 1. 9: Sơ đồ tính năng của mạch điều khiển từ xa và giao tiếp NSD
SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

19

Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.2.2. Phân tích sơ đồ tính năng
Bài toán này có các khối chính như: Khối điều khiển từ xa, Khối truyền thông,
Khối giao tiếp NSD
- Khối điều khiển từ xa có nhiệm vụ nhận lệnh điều khiển từ người vận hành và
chuyển đổi các lệnh đó thành các tín hiệu điều khiển đưa về CPU xử lí sau đó
truyền tín hiệu đã qua xử lí về mạch điều khiển trung tâm thông qua cáp truyền
thông.
Khối này thực hiện 2 chức năng đó là: điều khiển tự động hoặc điều khiển bằng
tay:
 Chức năng điều khiển tự động thì người vận hành chỉ cần cài đặt thông số
như: Tốc độ, hướng dịch chuyển và yêu cầu robot di chuyển theo chương
trình đã được cài đặt sẵn.
 Chức năng điều khiển bằng tay thì người vận hành phải thao tác điều khiển
trực tiếp trên bảng điều khiển để điều khiển tốc độ và hướng dịch chuyển của
robot.
Yêu cầu đối với khối điều khiển từ xa là có thiết kế đẹp mắt, nhỏ gọn, thuận tiện
cho người vận hành, hoạt động ổn định không bị nhiễu. Dự kiến thiết kế gồm: 2 cần
joystick điều khiển tiến lùi cho 2 động cơ, 2 nút (+) tăng tốc, 2 nút (-) giảm tốc, 1
nút cài đặt (Menu), 1 nút Start/Stop.
=> Như vậy người vận hành có thể chọn 1 trong 2 chức năng tự động hoặc bằng tay
để điều khiển robot. Điều khiển tự động sẽ giúp cho người vận hành nhàn hơn trong
quá trình điều khiển tuy nhiên robot sẽ bị sai số về độ lệch và tích hợp nhiều sai số
đó dẫn đến robot sẽ không đi đúng quỹ đạo sau 1 khoảng thời gian. Ngược lại, điều
khiển bằng tay thì sẽ khắc phục được điều này tuy nhiên người vận hành sẽ phải
điều khiển trực tiếp.

Các trường hợp xảy ra khi truyền tín hiệu từ bảng điều khiển:

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

20


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

 Truyền đúng (tín hiệu tốt, chân thực) thì tín hiệu điều khiển sẽ được đưa về
CPU để xử lí và tiếp tục các nhiệm vụ khác
 Truyền sai do tín hiệu bị mất trên đường truyền hoặc quá nhiều lệnh được
thực hiện cùng lúc thì CPU sẽ không nhận được tín hiệu để xử lí. Lúc này
cần phải kiểm tra đường truyền và reset lại mạch
- Khối giao tiếp NSD có nhiệm vụ hiển thị các thông số làm việc của robot scanner
trong quá trình robot làm việc. Khối hiển thị sẽ phân tích dữ liệu nhận được từ mạch
điều khiển trung tâm qua cáp truyền sau đó mã hóa tín hiệu để hiển thị lên LCD.
Khối hiển thị có chức năng hiển thị các thông số: Tốc độ đặt, Tốc độ di chuyển
của robot, độ lệch, dòng điện, điện áp
Để hiển thị được các thông số này lên LCD thì trước khi hiển tín hiệu được đi
qua khâu trung gian đó là Driver. Khâu này làm nhiệm vụ mã hóa tín hiệu và tương
thích tín hiệu nhận được với khả năng hiển thị của LCD để từ đó có thể nhận được
đầy đủ các thông tin mà mạch điều khiển yêu cầu hiển thị
Có 2 trường hợp xảy ra trong quá trình nhận thông tin và hiển thị:
 Tín hiệu LCD nhận được tốt không bị nhiễu, quá trình làm việc diễn ra bình
thường. Lúc này LCD sẽ hiển thị được hết các thông tin mà mạch điều khiển
yêu cầu
 Tín hiệu không truyền được đến LCD hoặc tín hiệu bị nhiễu khi đó LCD sẽ

hiển thị sai hoặc không đầy đủ thông tin dẫn đến chất lượng hiển thị không
cao
Yêu cầu đối với khối hiển thị là hiển thị đầy đủ thông tin, dễ nhìn, hiển thị thông tin
tức thời, xử lí thông tin hiển thị chính xác và nhanh.
Trong hai khối điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng có khâu xử lí tín hiệu có
nhiệm vụ phân tích xử lí tín hiệu nhận được và tiếp tục truyền tín hiệu đó đi nếu tín
hiệu đó được coi là đúng và ngược lại nếu sai thì sẽ loại bỏ.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

21


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

Chức năng xử lí tín hiệu cho:
 Khối điều khiển từ xa: Thu nhận tín hiệu của mạch từ xa do người vận hành
thao tác bằng phím nhấn sau đó xử lí theo sơ đồ cây tính năng người sử dụng
đã được lập trình sẵn và đưa tín hiệu này đồng thời lên LCD và tới khối
truyền thông.
 Khối hiển thị: Thu nhận tín hiệu nhận được từ khối truyền thông để xử lí
bằng việc dùng IC đệm để đệm tín hiệu hiển thị LCD.
- Khối truyền thông là khối trung gian để liên kết các khối thành một hệ thống hoàn
chỉnh. Khối truyền thông có chức năng nhận thông tin từ bảng điều khiển từ xa
truyền về mạch điều khiển trung tâm và ngược lại nhận tín hiệu từ mạch điều khiển
trung tâm để truyền cho khối hiển thị.
Để có thể truyền thông được tín hiệu với các khối khác cũng như các mạch khác
trong một hệ thống thì cần phải thống nhất một cách thức truyền thông. Cần phải

thực hiện mã hóa, lọc tín hiệu trước khi truyền. Chọn phương thức truyền và kiểm
soát lỗi trong quá trình truyền. Đánh giá, chọn lọc tín hiệu khi quá trình truyền hoàn
tất.
Trong quá trình truyền thông sẽ xảy ra các trường hợp:
 Quá trình truyền không gặp lỗi: Các tín hiệu truyền đi và nhận về đều không
gặp lỗi, truyền thông hoàn thành chức năng. Các khối sẽ truyền và nhận được
thông tin đúng yêu cầu và mục đich
 Quá trình truyền gặp lỗi bởi nguyên nhân như lỗi đường truyền. Như vậy
trong trường hợp này tín hiệu sẽ không tới được đích và truyền thông không
thành công
 Quá trình truyền bị sai thông tin: Trong quá trình truyền sẽ bị các yếu tố gây
nhiễu tác động dẫn đến thông tin khi truyền bị sai hoặc thiếu chính xác. Vì
vậy cần phải có quá trình kiểm tra lỗi sau khi truyền.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

22


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

Yêu cầu đối với khối này là truyền thông tin chân thực, chính xác, nhanh chóng.
Truyền thông có dây, khoảng cách lớn nhất 5 mét. Khung truyền và phương thức
truyền phải nhất quán với khối truyền thông ở bài toán điều khiển và ổn định vị trí.
1.3. Mối liên hệ giữa các bài toán
Điều khiển từ xa: Có mối quan hệ với khối hiển thị, khối truyền thông và khối
xử lí tín hiệu. Tín hiệu từ khối điều khiển từ xa sẽ được hiển thị trực tiếp lên màn
hình hiển thị để thuận lợi cho việc điều khiển của người vận hành đồng thời tín hiệu

này được đến khối truyền thông để truyền tín hiệu tới mạch điều khiển trung tâm.
Khối xử lí tín hiệu là khối trung tâm, tín hiệu từ khối điều khiển từ xa trước khi đến
với khối truyền thông và khối hiển thị đều phải qua khối xử lí. Tương tự trước khi
tín hiệu được hiển thị lên LCD cũng phải qua khối xử lí
Giao tiếp người sử dụng: Có mối quan hệ với khối điều khiển từ xa, khối xử lí
và khối truyền thông. Khối điều khiển từ xa xuất tín hiệu qua xử lí và khối hiển thị
sẽ nhận tín hiệu này để hiển thị lên LCD. Ngoài ra khối hiển thị còn nhận tín hiệu từ
khối truyền thông nhận được từ mạch điều khiển trung tâm.
=> Mỗi khâu có 1 chức năng nhiệm vụ riêng nhưng các khâu trên phải gắn kết
với nhau trong quá trình hoạt động thì hệ thống mới chạy được. Yêu cầu đặt ra là
các khâu phải gắn kết chặt chẽ với nhau để hệ thống có thể làm việc ổn định. Khối
truyền thông giữ vai trò chủ đạo để liên kết các khối với nhau trong quá trình làm
việc. Một hệ thống được đánh giá tốt khi làm việc ổn định và hiệu quả.

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

23


Đồ án tốt nghiệp vi xử lí

GVHD: Ts. Nguyễn Văn Nghĩa

1.4. Phân chia phần cứng, phần mềm
Việc phân chia phần cứng, phần mềm được thực hiện trên nguyên tắc mềm hóa
tối đa.
So sánh giữa phần cứng và phần mềm:
Phần cứng
Ưu điểm

Phần mềm

- Tốc độ cao (thời gian - Khả năng điều khiển
thực)

mềm dẻo

- Công suất lớn, tín hiệu - Sử dụng ít linh kiện
có biên độ cao
Nhược điểm

- Nhiều linh kiện

- Tốc độ đáp ứng phụ

- Mạch phức tạp

thuộc vào CPU

- Khó test

- Công suất nhỏ, tín hiệu

- Dễ cháy nổ linh kiện

có biên độ nhỏ

=> Như vậy việc thiết kế một mạch điều khiển càng mềm hóa càng tốt, giúp cho
việc thiết kế cũng như điều khiển trở nên đơn giản hơn, mạch điều khiển có tính
mềm dẻo, dễ dàng thay đổi tính năng, thuận lợi trong quá trình sử dụng.

1.4.1. Phần cứng
- Phím nhấn để điều khiển từ xa
- Màn hình LCD
- Còi báo
1.4.2. Phần mềm
- Điều khiển chế độ điều khiển tự động của người vận hành
- Điều khiển các thông số hiển thị lên LCD

SVTH: Nguyễn Văn Hữu – Lớp: Trang Bị Điện – Điện Tử Trong CN & GTVT K52

24