báo cáo,hướng dẫn làm xe dò line(dò đường)

LỜI NÓI ĐẦU
Lời đầu tiên, em xin cảm ơn thầy Trần Văn Hùng và anh (chị) khóa trên đã
giúp đỡ em trong việc thực hiện đồ án này !
Đồ án thiết kế mạch giao tiếp là đồ án đầu tiên em thực hiện ,cũng là nền tảng cho
em thực hiện các đồ án sau.Trong quá trình thực hiện, mặc dù lớp em chưa học
ORCAD nên việc vẽ mạch khá khó khăn, nhưng nhờ sự giúp đỡ tận tình của thầy
em cũng biết cơ bản về thiết kế mạch,và nhiều thứ khác...
Trong quá trình thực hiện Đồ án, do em chưa có kinh nghiệm nên còn gặp những
điều thiếu sót mong nhận sự góp ý của thầy để em hoàn thiện hơn. Một lần nữa
em xin trân thành cảm ơn thầy đã quan tâm ( lớp ) và em trong quá trình thực hiện
hoàn thiện đồ án, em xin trân thành cảm ơn.

SVTH

Nguyễn Hữu Tình

MỤC LỤC
Chương 1 :Tổng Quan ………………………………………………trang 6
Chương 2: Phương Pháp Và Nội Dung Nguyên Cứu…………………trang 10
2.1: Phương pháp nguyên cứu…………………………………………trang 10
2.2: Yêu cầu hệ thống……………………………………………….......trang 10
2.2.1: Yêu cầu phần cứng………………………………………………trang 10
2.2.2: Yêu cầu phần mềm………………………………………………trang 10
2.3: Phương án thiết kế………………………………………………trang 10
2.3.1: Phương án 1…........……………………………………………trang 10
1


2.3.2: Phương án 2…........……………………………………………trang 10
2.3.4: Kết luận…..................……………………………………………trang 11
2.4: Thiết kế, chế tạo phần cơ khí……………………………………trang 11

2.4.1: Cơ sở lý thuyết………………………………………………trang 11
2.4.2: Thiết kế……………………………………………............…trang 11
2.5: Thiết kế, chế tạo phần điều khiển…………………………….…trang 11
2.5.1: cơ sở lý thuyết………………………………..............................trang 11
2.5.1.1. AVR………………………………........................................trang 11
2.5.1.2. 7805……………………………….........................................trang 14
2.5.1.3. IRF540……………………………........................................trang 15
2.5.1.4. Thạch anh……………………………...............................…trang 15
2.5.1.5. Tụ gốm……………………………….....................................trang 16
2.5.1.6. Tụ hóa……………………………......................................…trang 16

2.5.1.7. Điện trở………………………………...................................trang 17
2.5.1.8. opto………………………………..........................................trang 17
2.5.1.9. Biến trở nhỏ…………………………............................……trang 18
2.5.1.10. Quang trở……………………………….............................trang 18
2.5.1.11. lm324………………………………...................................trang 19
2.5.1.12. Diode 1a……………………………….............................trang 20
2.5.2: Thiết kế……………………………....................................…trang 21
2.5.2.1: Mạch điều khiển………………………………...................trang 21
2.5.2.2. Chương trình điều khiển trên MCU………...……………trang 29
2


2.5.2.3a. Chương trình điều khiển trên PC( code robot dò đường) …trang 30

Chương 3:Thử Nghiệm Và Phân Tích Kết Qủa………………………trang 35
3.1. Chuẩn bị………………………………..............................................trang 35
3.2. Thi công và lắp ráp…………………………............................……trang 35
3.2.1. Vẽ mạch in………………………….................................……trang 35
3.2.2. In mạch lên mạch đồng………………………….............……trang 35

3.2.3. Hàn linh kiện và kiểm tra mạch………………………………trang 36
3.2.4. Lắp ráp mạch lên khung……………………………............…trang 36
3.3. Sản phẩm thực tế…………………………….................................…trang 36
3.3.1. Hình ảnh các mạch………………………………..................trang 36
3.3.2. Các chi tiết cơ khí………………………………...................trang 38
3.3.3. Hệ thống mô hình ( không có) ………………………………trang 39
3.4. Cho chạy thử và kiểm nghiệm độ ổn định…………………………trang 39
3.4.1. Kiểm tra trước khi đưa vào hoạt động…………………trang 39
3.4.1.1. Kiểm tra nguồn………………………………...............trang 39
3.4.1.2. kiểm tra mạch L298n………………………………trang 41
3.4.1.3. kiểm tra phần cơ khí. ……………………………......…trang 41
3.4.2. Cài đặt các thông số……………………………….................trang 41
3.4.3. Mô hình lúc hoạt động………………………………............trang 41
3.4.3.1. Tình huống 1…………………………….....................…trang 41
3.4.3.2. Tình huống 2……………………………......................…trang 41

Chương 4: Kết Luận và Đề Xuất.........………………………………trang 42
4.1. Kết luận……………………………...........................................…trang 42
3


4.1.1. Kết quả đạt được…………………………….....................…trang 42
4.1.2. Kết quả chưa đạt được………………………….............……trang 42
4.2. Đề xuất……………………………............................................…trang 42
4.2.1. Đề xuất phần cứng……………………………...................…trang 42
4.2.2. Đề xuất phần mềm……………………………...................…trang 42
4.2.3. Đề xuất cả hệ thống……………………………..................…trang 42
Tài liệu tham khảo …………………………………………………..trang 43

4

DANH MỤC CÁC BẢNG

5


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
•

Xe thám hiểm trên các tàu vũ trụ, xe dò mìn, robot hỗ trợ y tế, xe dò
đường…
 Xe dò mìn ( Uran-6 ) :

Uran-6 là một robot dò mìn do quốc phòng Nga sản xuất , có thể tiến hành loại
bỏ các chất nổ như mìn do đối phương triển khai hoặc sau chiến tranh để lại. Hiệu
quả gỡ mìn của Uran-6 rất cao , mỗi giờ có thể di chuyển khoảng cách 1.000m,
quét sạch bãi mìn rộng 2.000m2. Tương đương công suất làm việc của 20 lính công
binh. Nhân viên vận hành có thể đứng ở khoảng cách an toàn sử dụng thiết bị điều
khiển không dây từ xa để vận hành nó, cự ly điều khiển xa nhất đến 1km.Uran-6 có
thể chịu được sức phá hủy của khối thuốc nổ TNT nặng 60kg và đồng thời nó cũng
có khả năng tự kiểm tra loại vật thể để đưa ra những biện pháp xử lí hợp lí.Robot
này đã được Nga triển khai đến dò mìn ở Palmyra sau khi quân đội Syria giải
phóng được thành phố này vào cuối tháng 3. Nga cho biết, Uran-6 và các lính công
binh đã vô hiệu hóa được tổng cộng 3.000 vật liệu nổ tại đây.

6




Xe thám hiểm trên các tàu vũ trụ ( robot dò thám Criosity )

Khi robot này di chuyển tự do trên bề mặt sao Hỏa , chúng sẽ sử dụng năng lượng
laze đủ lớn để làm vỡ các khối đất đá thành từng mảnh nhỏ .Sau đó dựa vào khí ion
hóa sự hoạt động tách của laze. Chemcam xác định chính xác các thành phần hóa
học hiện hữu trên bề mặt sao hỏa thông qua kính quang phổ. Ứng dụng của con
robot này vô cùng có ý nghĩa to lớn trong việc chinh phục vũ trụ của NASA , bởi
chúng giúp các nhà khoa học khảo sát được bề mặt sao Hỏa và từ đó dễ khoanh
vùng yếu điểm để nguyên cứu.


Robot hỗ trợ y tế (Robot Robear )

7


Một trong những lĩnh vực mà Nhật Bản chú trọng đưa robot vào phục vụ nhất đó là
dịch vụ y tế. Các nhà khoa học không ngừng phát minh và ứng dụng các loại thiết
bị khác nhau để đơn giản hóa việc chăm sóc người ốm nặng và các trường hợp nằm
liệt giường, thậm chí cả những robot có khả năng thay thế người chăm bệnh nhân...
Ngày nay, các y tá và điều dưỡng có thể sử dụng sự trợ giúp của robot “Robear”
nhằm hỗ trợ bệnh nhân ngồi xuống và đứng lên, đồng thời có thể bế bệnh nhân di
chuyển qua những nơi có không gian hẹp dễ dàng. Hay như robot có tên “Hospi”
có khả năng di chuyển trong bệnh viện, thực hiện công việc lấy thuốc và mẫu xét
nghiệm thay cho các điều dưỡng viên. Với Hospi, các cô y tá không còn phải mất
thời gian chạy lên chạy xuống các tầng để lấy thuốc.
•
•

Ưu điểm: hoạt động ổn định, làm việc ở những môi trường khắc nghiệt và
làm việc chính xác, thiết kế mẫu mã đẹp…
Khuyết điểm: giá thành cao, còn chưa thịnh hành, chưa tiếp cận được người
dân…

8


•

Yêu cầu đề tài: thiết kế được mạch giao tiếp, sản phẩm là robot dò đường
chạy theo vạch trắng nền đen, hoạt động ổn định với tốc độ cao nhất có thể.
Hiểu được cơ chế hoạt động của xe dò đường đơn giản nhất.

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI
DUNG NGUYÊN CỨU
2.1: Phương pháp nguyên cứu
Thầy hướng dẫn, về nhà tự nguyên cứu, chủ yếu là tra mạng, những vấn đề
mạng internet không giải thích được thì hỏi những người đã hoàn thành xong
đề tài, hoặc hỏi những anh khóa trước.
2.2: Yêu cầu hệ thống
2.2.1: Yêu cầu phần cứng
Thiết kế được robot dò đường , mạch giao tiếp xe chạy được.
2.2.2: Yêu cầu phần mềm
Điều khiển được xe chạy đúng đường, chạy ổn định với tốc độ nhanh
nhất mà robot có thể đạt được.
2.3: Phương án thiết kế
2.3.1: Phương án 1
2.3.1.1: Nêu
Mạch giao tiếp đọc ADC.

2.3.1.2: Ưu
Tín hiệu trả về chip xử lý có độ chính xác cao.
2.3.1.3: Nhược
Khi khởi động phải lấy mẫu nên khởi động chậm.
2.3.2: Phương án 2
9


2.3.2.1: Nêu
Mạch giao tiếp so sánh.
2.3.2.1: Ưu
Khởi động nhanh.
2.3.2.3: Nhược
Phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: biến trở, mạch so sánh.
2.3.4: Kết luận
Em sử dụng phương pháp: mạch giao tiếp so sánh. Khởi động nhanh,
không phải mất thời gian khởi động nhiều.
2.4: Thiết kế, chế tạo phần cơ khí
2.4.1: Cơ sở lý thuyết
2.4.1.1: chủ yếu là tra mạng.
2.4.2: Thiết kế
Khung xe và 2 bánh sau mua ở tiệm linh kiện điện tử Lê
Nguyên. Vì là mua nên khung xe được gia công sẵn những lỗ
vừa với chi tiết đi kèm để lắp 2 bánh sau và bánh trước một
cách hợp lý nhất. Khi lắp xong bánh trước và 2 bánh sau phải
tạo thành tam giác cân, như vậy xe mới có thể hoạt động tốt và
đạt tốc độ nhanh nhất có thể. Quang trở được nối với khung xe
bằng một miếng meca nhỏ,6 con ốc ( 4 con ốc cố định ở phần
thân 2 con ốc còn lại cố định phần mạch mắt )
2.5: Thiết kế, chế tạo phần điều khiển

2.5.1: cơ sở lý thuyết
2.5.1.1. AVR. Em dùng chip atmega 16( theo sơ đồ mạch layout
của thầy ( Hùng)).
Atmega16 là vi điều khiển 8 bit dựa trên kiến trúc RISC. Với
khả năng thực hiện mỗi lệnh trong vòng một chu kỳ xung clock,
10


Atmega16 có thể đạt được tốc độ 1MIPS trên mỗi MHz ( 1 triệu
lệnh/s/MHz).
Dưới đây là sơ đồ khối của Atmega16

11


Hình 1: sơ đồ cấu trúc Atmega16

Atmega16 có những đặc điểm như sau: 16KB bộ nhớ Flash với
khả năng đọc trong khi ghi, 512 byte bộ nhơ ERPROM, 1K bộ
nhớ SRAM, 32 thanh ghi chưc năng chung, 32 đường vào ra
chung, 3 bộ định/bộ đếm, ngắt nguội và ngắt ngoại, USART,
giao tiếp nối tiếp 2 dây, 8 kênh ADC 10 bit,...
Atmega16 hỗ trợ đầy đủ các chương trình và công cụ phát triển
hệ thống như: trình dịch C, macro asemlers, chương trình mô
phỏng/ sửa lỗi...
Cấu trúc nhân AVR:
CPU của AVR có chức năng đảm bảo sự hoạt động chính xác
của chương trình. Do đó nó phải có khả năng truy cập bộ nhớ,
thực hiện các quá trình tính toán, điều khiển các thiết bị ngoại vi
và quản lý ngắt.

12


Hình 2: cấu trúc tổng quát AVR

13


Hình 3: hình ảnh và các chân của atmega16
AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus
cho chương trình và dữ liệu. Các lệnh chỉ trong một chu kỳ
xung clock. Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash.
2.5.1.2. 7805: 78xx là loại dòng IC dùng để ổn định điện áp
dương đầu ra, với điều kiện đầu vào luôn luôn > đầu ra.
Tùy loại IC 78xx mà nó ổn áp đầu ra là bao nhiêu.
Ví dụ: 7805,7812, 7086,...
Họ IC ổn áp gồm có 3 chân:
Chân 1(Vin): Chân nguồn đầu vào
Chân 2(GND): Chân nối đất
Chân 3(Vout): Chân nguồn đầu ra.

14


Hình 4: hình ảnh LM7805 và chân
2.5.1.3. IRF540: là transistor hiệu ứng trường, là một transistor
đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với transistor thông
thường mà ta biết, IRF có nguyên tắc hoạt động dựa trên nguyên
hiệu ứng từ trường tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng

đầu vào lớn thích hợp cho khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
IRF có 3 chân:
G: Gate gọi là cực cổng.
S: Source gọi là cực nguồn
D: Drain gọi là cực máng

Hình 5: hình ảnh IRF

15


2.5.1.4. Thạch anh: mảnh cắt tinh thể thạch anh được sử dụng
để tạo ra linh kiện cộng hưởng thạch anh hay X-tal, được đóng
gói kín, dùng cho ổn định tần số trong mạch dao động tinh thể.
X-tal có độ ổn định cỡ 10-6.

Hình 6: thạch anh
2.5.1.5. Tụ gốm: cấu tạo của tụ gồm 2 bản cực đặt song song, ở
giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta dùng gốm
làm chất điện môi nên được gọi là tụ gốm.

Hình 7: tụ gốm
2.5.1.6. Tụ hóa: cấu tạo của tụ gồm 2 bản cực đặt song song, ở
giữa có một lớp cách điện gọi là điện môi. Người ta dùng hóa
chất làm chất điện môi nên được gọi là tụ hóa.

16


Hình 8: tụ hóa

2.5.1.7. Điện trở: điện trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng
cho tính chất cản trở dòng điện của điện trở. Điện trở kháng
đươcj
định
nghĩa là tỉ số của hiệu điện thế giữa 2 đầu
vật thể đó với
cường độ dòng điện đi qua nó:

Hình 9: điện trở
2.5.1.8. opto: tác dụng là cách ly điều khiển giữa 2 tần mạch
điện với nhau. Khi cung cấp 5v vào chân số 1, LED phía trong
Opto nối giữa chân số 1 và 2 sáng, xảy ra hiệu ứng quan điện
dẫn đến 3-4 thông nhau, mức logic chuyển từ 1 sang 0 mà
không cần tác động trực tiếp từ IC.
Mục đích: nếu có sự cố từ tần ứng dụng như cháy , chập, tang
áp,… thì cũng không làm ảnh hưởng đến tần điều khiển.

17


Hình 10: Opto
2.5.1.9. Biến trở nhỏ: là các thiết bị có điện trở thuần có thể
biến đổi được theo ý muốn. Chúng có thể được sử dụng trong
các mạch điện để điều chỉnh hoạt động của mạch điện.
Điện trở của thiết bị có thể được thay đổi bằng cách thay đổi
chiều dài của dây dẫn điện trong thiết bị, hoặc bằng các tác
động khác như nhiệt độ thay đổi, ánh sáng hoặc bức xạ điện
từ,...

Hình 11: Biến trở
2.5.1.10. Quang
trở: là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi giảm theo ánh
sáng chiếu vào. Đó là điện trở phi tuyến, phi ohmic.
Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch
dò, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng
tối.
Nguyên lý hoạt động: Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở
kháng cao, và không có tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang trở
có điện trở đến vài MΩ. Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống
mức một vài trăm Ω.
Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong
khối vật chất. Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm
bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và
làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc
số photon được hấp thụ.
Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với
bước sóng photon khác nhau. Quang trở phản ứng trễ hơn điốt
18


quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn
sáng.
Vật liệu:
Sunfua cadmi (CdS) và selenua cadmi (CdSe), nhưng tại
châu Âu đang cấm dùng cadmi.
• Sunfua chì (PbS) và indi antimonit (InSb) được sử dụng
cho vùng phổ hồng ngoại.
• Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử
dụng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng

ngoại.
Ứng dụng: Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong
các mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng. Dàn nhạc có
guitar điện thì dùng quang trở để nhận biết độ sáng từ dàn đèn
màu nhạc để tạo hiệu ứng âm thanh. Trong thiên văn hồng
ngoại và quang phổ hồng ngoại, hợp chất Gecu được chế
thành bảng photocell làm cảm biến ảnh.
•

Hình 12: Quang trở
2.5.1.11. lm324: là 1 IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp,
bao gồm 4 bộ khuếch đại thuật toán (Op-amp) trong nó. LM324
được thiết kế đặc biệt để sử dụng nguồn đơn. Tức là chỉ cần Vcc
và GND là đủ. Nguồn cung cấp LM324 có thể hoạt động độc
lập với nguồn tín hiệu.
Vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mạch LM324:
-Điện áp cung cấp: Nguồn cung cấp cho LM324 tầm
từ 5V~32V.
-Áp tối đa ngõ vào: từ 0~32V đối với nguồn đơn và cộng
trừ 15V đối với nguồn đôi.
-Công suất của Lm324 loại chân cắm (Dip): khoảng 1W
-Điện áp ngõ ra: từ 0 ~ (Vcc - 1,5V).
19


+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng (dòng Sink):
dòng đẩy tối đa đạt được 20mA.
+Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu hút dòng (dòng Souce):
dòng hút tối đa có thể lên đến 40mA.
-Tần số hoạt động của LM324: 1MHz

-Độ lợi khuếch đại điện áp DC của LM324 tối đa khoảng 100
dB.

Hình 13: Sơ đồ chân LM324

Hình 14: LM324
2.5.1.12. Diode 1a: tiếp giáp P -N có đặc điểm : Tại bề mặt tiếp
xúc, các điện tử dư thừa trong bán dẫn N khuyếch tán sang vùng
bán dẫn P để lấp vào các lỗ trống => tạo thành một lớp Ion trung
hoà về điện => lớp Ion này tạo thành miền cách điện giữa hai
chất bán dẫn.

Hình 15: Diode 1a
2.5.2: Thiết kế
2.5.2.1: Mạch điều khiển
20


a. mạch 1
Sơ đồ nguyên lý ( Schematic)

Hình 18: sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển
Sơ đồ mạch in (layout)

21


Hình 19: sơ đồ layout mạch vi điều khiển
Linh kiện: 1 atmega16
2 tụ hóa 1000uF

1 lm7805
1 thạch anh 8MHz
2 tụ gốm 104
2 tụ gốm 18
9 led
9 điện trở 1k
1 điện trở 10k
1 tụ hóa 10uF
1 điot 1k
22


9 nút nhấn và các jack cắm
Chức năng: điều khiển tín hiệu vào ra.
Nguyên lý hoạt động: vi điều khiển atmega16 có 32 đường vào ra chia
làm 4 nhóm 8 bit một. Các dường vào ra này có rất nhiều tính năng và
và có thể lập trình được. Ở đây ta sẽ xét chúng là các cổng vào ra số.
Nếu xét trên phương diện này thì các cổng vào ra này là cổng vào ra
hai chiều có thể định hướng theo từng bit. Và chứa cả điện trơ pull-up.
Mặc dù mõi port có các đặc điểm riêng nhưng khi xét chúng là các
cổng vào ra số thì dường như điều khiển vào ra dữ liệu thì hoàn toàn là
như nhau. Chúng ta có thanh ghi là địa chỉ đối với mỗi cổng đó là :
thanh ghi dữ liệu cổng ( PORTA, PORTB, PORTC, PORTD), thanh
ghi dữ liệu điều khiển cổng ( DDRA, DDRB, DDRC, DDRD), và
cuối cùng là địa chỉ chân vào của cổng ( PINA, PINB, PINC, PIND).
b. Mạch 2
Sơ đồ nguyên lý ( Schematic)

23

Hình 20: sơ đồ nguyên lý mạch công suất L298N

Hình 21: Hình ảnh mạch L298N ( Mạch mua sẵn )
Chức năng: Kiểm soát điều khiển 2 động cơ bánh sau của xe.
Nguyên lý hoạt động: Khi cung cấp nguồn và xung,L298N sẽ kiểm
soát một hoặc hai động cơ DC là khá dễ dàng. Đầu kết nối mỗi động
cơ cho các kết nối A và B trên L298N mô-đun . Nếu bạn đang sử
dụng hai động cơ cho một robot (vv) đảm bảo rằng các cực của động
cơ là như nhau trên cả hai đầu vào.
c. Mạch 3
Sơ đồ nguyên lý ( Schematic)

24


Hình 22: sơ đồ nguyên lý mạch quang trở
Sơ đồ mạch in (layout)

25