đồ án 1. robot dò line

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1.

Đặt vấn đề:
Tự động hóa là tổng hợp của nhiều lĩnh vực như cơ khí, điều khiển, công
nghệ thông tin và cơ điện tử. Các lĩnh vực này kết hợp lại với nhau tạo thành các
hệ thống tự động hóa và cao hơn là tự động cả quá trình sản xuất. Ngành công
nghiệp tự động hóa ngày càng có vai trò quan trọng và hết sức cần thiết để đáp
ứng mục tiêu phát triển kinh tế, nhất là trong quá trình công nghiệp hóa-hiện đại
hóa như hiện nay. Nó đòi hỏi một nguồn nhân lực có trình độ cao để vận hành.
Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta và ngày càng
trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Chúng đã góp phần
của mình vào công cuộc lao động, chính Robot đã làm nên một cuộc cách mạng
khoa học, kỹ thuật và đang phục cụ đắc lực cho các ngành khoa học như: khoa
học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dich vụ, giải trí…
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều loại Robot quy mô lớn như: những
cánh tay máy trong các dây chuyền sản xuất, những hệ thống sản xuất tự động….
Nhỏ hơn là những Robot có khả năng di chuyển, làm những công việc nguy
hiểm thay thế con người, Robot giúp người già, người bán hành…
Trong đồ án lần này em thực hiện thiết kế Robot dò line (xe dò line), đối
với những Robot tiên tiến thì đây chỉ là một phần nhỏ phục vụ cho Robot trong
công tác dò tìm đường tự động, nhưng đồ án này sẽ tạo cho em nền tảng để làm
những cái lớn hơn, có ích hơn trong quá trình học tập và làm việc sau này.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC


2

2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
2.1 Đối tượng:
-Mô hình xe dò line
-Chạy mô hình ổn định quá trình cảm biến và điều khiển động cơ theo bản
đồ có line đơn giản.
2.2 Phạm vi nghiện cứu:
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của một số linh kiện: LM393, quang trở, led
siêu sáng và một số linh kiện khac phục vụ cho đề tài.
Thời gian và kiến thức có hạn, nên phạm vi đồ án chỉ tập trung vào nghiên
cứu và thiết kế xe đơn giản trên cơ sở hoạt động của bộ phận cảm biến và điều
chỉnh động cơ.

3.

Phương pháp nghiên cứu:
Đồ án làm rõ vấn đề bằng phương pháp nghiên cứu trên các phần mềm:
Protues, ráp mạch trên testboard , kinh nghiệm có sẳn và tìm kiếm một số tài liệu
có liên quan từ sách linh kiện điện tử, trên mạng về các mạch op-amp cùng với
sự đóng góp ý kiến từ giáo viên và các bạn…
4. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn của đề tài:
Đề tài “ Thiết kế mạch cảm biến dò line robot/ xe dò line” tuy chỉ ngừng
lại ở phạm vi nhỏ nhưng đề tài có ý nghĩa khá quan trọng trong công nghệ chế
tạo Robot hiện đại như hiện nay. Đóng vai trò là mắt của Robot, nhận biết đường
đi và điều chỉnh tốc độ động cơ.
Với thời kì hiện đại như hiện nay, đề tài có ứng dụng khá rộng rãi trong
công nghệ chế tạo Robot, đặc biệt là Robot dò đường xuất hiện hầu hết trong các
cuộc thi robocon, khơi nguồn sáng tạo vô tận của sinh viên để Robot chạy ổn
định.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


3

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.Giới thiệu mạch dò line:

Khối nguồn

Khối chấp hành

Khối cảm biến

Khối xử lý trung tâm

Hình 2.1.a Sơ đồ khối mạch cảm biến dò line
-

Khối nguồn: Sử dụng nguồn điện áp 9V DC một chiều .Để cấp nguồn cho
khối khuyếch đại hoạt động ta sử dụng IC ổn áp 7805 và 1 tụ để làm mạch

-

nguồn đơn giản cấp cho các khối khuyếch đại hoạt động.
o Điều khiển tắt mở nguồn.
o Chia nguồn thành nhiều mức nguồn khác nhau.
o Ổn định nguồn cung cấp cho các tải tiêu thụ
Khối cảm biến: sử dụng 4 quang trở nhận tín hiệu vạch dẫn đường và 4 led

-

siêu sáng hiển thị cho cảm biến dò đường.
Khối xử lý trung tâm: quan trọng nhất là LM393 so sánh điện áp từ cầu
chia điện thế , nhận tín hiệu từ khối cảm biến, xử lý, đưa mức điện áp cao
thấp ở chân 1 và 7 ra khối diều khiển tiếp theo

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


4
-

Khối điều khiển: nhận tín hiệu từ các ngõ ra của LM393(chân 1,7) IC
7408 tích hợp điều kiện và đưa ra mức 0 và 1 kích transistor điều khiển

-

khối chấp hành là động cơ.
Nguyên lý cơ bản hoạt động của xe dò line mô tả dưới hình 2.1.b

Hình 2.1.b nguyên lý hoạt động cơ bản
2.Cách bố trí cảm biến:

Hình 2.2 Cách bố trí cảm biến
Loại ánh sáng của led phát có ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng cảm
biến.Trong mạch do sử dụng quang trở nên màu sắc của led phát không quan
trọng vì nó chỉ phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, nếu sử dụng led
hồng ngoại thì sẽ phụ thuộc vào cường độ của hồng ngoại.
Điện áp đặt trên led siêu sáng trắng có điện áp khoảng 2V, dòng qua led

từ 10 đến 15mA, ta có thể chọn điện trở hạn dòng cho led siêu sáng:
Rled===200
Chọn Rled=220

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


5

Ở đây ta dùng led siêu sáng và quang trở để cảm biến dò đường, khi led
phát tín hiệu và có tín hiệu phản lại thì quang trở sẽ thay đổi điện trở, nó phát tín
hiệu đưa vào op-amp xử lý rồi đưa tín hiệu điều khiển động cơ.
3. Giới thiệu linh kiện:
3.1 Led siêu sáng:
Có cấu tạo tương tự như led đơn, nhưng ánh sáng mạnh hơn. LED( viết tắt của từ
Licht Emitting Diode), còn được gọi la diode phát quang, là các diode có khả
năng phat ra ánh sáng hồng ngoại, tử ngoại. Cũng như diode, led được cấu tạo từ
một bán dẫn loại P, ghép với một bán dẫn loại N.
Hình 2.3 Led siêu sáng

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


6

3.2 Quang trở(LDR):
LDR(Light dependent resistor) 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
dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn
chiếu bằng kích hoạt của sáng tối. Quang trở hoạt động dựa trên hiệu ứng quang

dẫn.

Hình 2.4 Quang trở
Nguyên lý làm việc: khi có ánh sáng chiếu vào, chất bán dẫn hấp thu năng
lượng làm phát sinh các điện tử tự do và lỗ trống, tức sự dẫn điện tăng lên và làm
giảm điện trở của chất bán dẫn. Các đặc tính điện và độ nhạy của quang trở phụ
thuộc vào vật liệu dùng trong chế tạo.
3.3 IC LM393:
LM393 là một IC khuếch đại thuật toán, công suất thấp bao gồm 2 bộ
khuếch đại thuật toán(Op-Amp) trong nó. Đặc biệt nguồn của LM393 có thể hoạt
động độc lập với nguồn tín hiệu, tức là chỉ cần Vcc và GDN là đủ.
-

Khi điện áp V+>V- thì ngõ ra của op-amp ở mức +Vcc
Khi điện áp V+Điện áp và dòng ngõ ra:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


7

+ Điện áp ngõ ra từ 0-Vcc-1,5V
+ Dòng ngõ ra khi mắc theo kiểu đẩy dòng( dòng sink) thì dòng
đẩy tối đa có thể lên đến 20mA, khi mắc theo kiểu hút dòng thì
-

-

dòng hút tối đa là lên đến 40mA.

Có công suất 1W
Tần số hoạt động là 1Mhz
Độ lợi khuếch đại điện áp DC tối đa khoảng 100 dB
Vùng điện áp nuôi rộng: với nguồn đơn thì từ 5V-30V, cới nguồn
đôi thì từ ±1,5V- ±16V
Vùng điện áp lối vào: từ -0,3V-+32V
Ứng dụng:
+ Mạch khuếch đại công suất
+ Mạch so sánh
+Mạch nháy theo nhạc
+Mạch sạc pin cho xe đạp điện
+Mạch cộng tín hiệu, trừ tín hiệu, mạch khuếch đại vi sai
+Điều khiển tự động hóa PID

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế LM393
Nguyên lý so sánh của mạch Opamp như sau: Nếu cho vào cổng (+) (cổng
3,5) một điện áp lớn hơn điện áp cổng (-) (cổng 2,6) thì ở cổng ra (cổng 1,7) sẽ
là mức dương 1. Nếu cho vào cổng (+) (cổng 3,5) một điện áp nhỏ hơn điện áp

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


8

cổng (-) (cổng 2,6) thì ở cổng ra (cổng 1,7) sẽ là mức âm 0. Cấp nguồn cho
Opamp ở cổng 8(+) và 4(-).

Hình 2.6 Sơ đồ chân LM393
-

Chân 1: ngõ ra(1)
Chân 2: lối vào đảo(1)
Chân 3: lối vào không đảo(1)
Chân 4: nguồn
Chân 5: lối vào không đảo(2)
Chân 6: lối vào đảo(2)
Chân 7: ngõ ra(2)
Chân 8: nối đất

3.4. Cổng logic AND-IC 7408

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


9

Hình 2.7 Hình ảnh thực tế IC 7408
Điện áp cung cấp: 4.75V ~ 5.25V
•

Dải nhiệt độ hoạt động: 0 ~ 70oC

•

Dòng điện ra mức cao: IOH = -0.4mA

•

Dòng điện ra mức thấp: IOL = 8mA

IC 74LS08 là IC thuộc họ TTL do hãng Fairchild sản xuất. Cấu tạo bên
trong IC 74LS08 có bốn cổng logic AND, mỗi cổng có 2 ngõ vào và 1 ngõ ra.
Điện áp đầu vào cung cấp cho IC 74LS08 thấp chỉ trong khoảng từ 4.75V
~ 5.25V, IC hoạt động tốt nhất ở điện áp 5V.

Hình 2.8 sơ đồ chân IC 7408

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


10

3.5. IC 7805
Điện áp đầu vào tối thiểu: 2V
•
•
•
•

Dòng cực đại có thể duy trì: 1A.
Dòng đỉnh: 2.2A.
Công suất tiêu tán cực đại nếu không dùng tản nhiệt: 2W
Công suất tiêu tán nếu dùng tản nhiệt đủ lớn: 15W

IC ổn áp 7805 là mạch tích hợp sẵn trong gói TO-220 với một điện áp đầu
ra cố định là 5V, yêu cầu điện áp đầu vào tối thiếu là 7V. IC 7805 có thế cung
cấp điện áp đầu ra với dòng điện lên đến 1A.
Đối với IC 7805 hiện nay đều có tích hợp bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ ngắn
mạch và giữ vùng hoạt động an toàn các Transistor công suất trong mạch, để bảo
vệ cho nó về cơ bản không thể phá hủy.

Hình 2.9: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân IC 7805

3.6. Một số linh kiện và thành phần khác :
- Điện trở
- Tụ điện
- Động cơ DC giảm tốc
ĐỒ ÁN MÔN HỌC


11
-

Transistor C1815
Biến trở 100k

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH

1. Sơ đồ nguyên lý:
1.1 Mạch nguồn:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


12

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn
Mạch nguồn dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một
chiều, cung cấp dòng điện 220V qua cầu chỉnh lưu và xử lý bằng IC 7812 đưa ra
nguồn 12v DC cho toàn mạch.

1.2 Mạch cảm biến và xử lý:

Hình 3.2 (a) Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến
Gồm 4 led sáng và 4 quang trở và hearder 6 chân ráp với mạch điều khiển
để truyền tính hiệu.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


13

Hình 3.2.(b)Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý
Gồm 2 IC LM 393 và 1 IC 7408 mỗi con LM393 nhận tính hiệu từ 2
quang trở đối xúng nhau qua tâm của mạch cảm biến.
 Nguyên lý hoạt động:
Chia bộ phận cảm biến như 4 mắt (1,2,3,4) tương ứng với thứ tự 4 biến trở
trên hình 3.2(b), giữa mạch cảm niến và mạch xử lý được nối với nhau bằng
header 6 chân. Quang trở và led siêu sáng đóng vai trò như mắt của Robot.
*Quẹo phải
Tức mắt 3 hoặc 4 đang nhận vạch đen, lúc này vạch đen sẽ hấp thụ ánh
sáng từ led siêu sáng nhiều, ánh sáng chiếu vào quang trở ít dẫn đến trở kháng
ĐỒ ÁN MÔN HỌC


14

của quang trở tăng lên. Điện áp từ quang trở truyền qua vào chân chân 5 của cả 2
op-amp, khi đó LM 393 so sánh điện áp giữa các cặp chân (5 với 6) nếu điện áp
chân V+ (chân 5) < chân V- (chân 6) thì ngõ ra chân 7 của op-amp cho ra mức
thấp, điện áp qua biến trở (dùng để điều chỉnh độ nhạy của quang trở) vào chân

số 6 của op-amp tùy thuộc vào môi trường sáng tối, mức điện áp trung bình từ 1
đến 3V. Khi đó chân 2 chân 7 của 2 op-amp 1 trong 2 chân cho ra mức thấp hoặc
cả 2 đều thấp thì không đủ điều kiện kích cho transistor ở chân 6 của 7408 làm
cho motor bên phải sẽ dừng khi ấy phía chân của mắt 1 và 2 nhận vạch trắng
motor trái vẫn quay và xe sẽ quẹo phải.
*Quẹo trái
Tức mắt 1 hoặc 2 đang nhận vạch đen, lúc này vạch đen cũng hấp thụ ánh
sáng và mức so sánh điện thế tương tự ở cách quẹo phải, lúc này so sánh điện áp
giữa các cặp chân (3 và 2) nếu điện áp chân V+ (chân 2) < chân V- (chân 3) thì
ngõ ra chân 1 của op-amp cho ra mức thấp điện áp qua biến trở (dùng để điều
chỉnh độ nhạy của quang trở) vào chân số 6 của op-amp tùy thuộc vào môi
trường sáng tối, mức điện áp trung bình từ 1 đến 3V. Khi đó 2 chân 1 của 2 opamp, 1 trong 2 chân cho ra mức thấp hoặc cả 2 đều thấp thì không đủ điều kiện
kích cho transistor ở chân 3 của 7408 làm cho motor bên trái sẽ dừng khi ấy phía
chân của mắt 3 và 4 nhận vạch trắng motor phải vẫn quay và xe sẽ quẹo trái.
*Chạy thẳng
Bình thường 4 mắt nhận vạch trắng xe chạy thẳng, lúc này do cả 2 motor
quay cùng 1 điện áp và tốc độ gần bằng nhau, xe chạy thẳng cho đến khi 1 trong
2 bên chạm vạch đen.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


15

4 mắt quang trở có tác dụng kéo dài mạch dò để tránh quáng tính của
motor làm xe chạy lệch với line. Mắt 2 và 3 thiết kế rộng hơn line nhỏ để dò line
nhuyễn hơn.
Đặc biệt mỗi op-apm nhận tín hiệu từ 2 quang trở đối xứng nhau qua tâm
của mạch cảm biến. nên việc dò line sẽ tốt cho xe, vẫn hoạt động được nếu mất 1
trong 2 op-amp.

2. Sơ đồ mạch in:
Hình 3.3 Sơ đồ mạch in mạch cảm biến

Hình 3.4 Sơ đồ mạch in mạch xử lý
3. Hình ảnh thực tế:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


16

Hình 3.5 (a) Hình ảnh thực tế mạch cảm biến
Khoảng cách giữa led và quang trở là 0.45 in
Khoảng cách giữa 2 led giữa là 1.1in

(b) Hình ảnh thực tế mạch xử lý

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


17

Hình 3.6 bản đồ dò line của robot
- Line là băng keo đen trên nền giấy cứng rộng 1 in

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


18

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
1 Kết quả đạt được:
- Thiết kế thành công mô hình xe dò line
- Mạch chạy ổn định, hoạt động đúng yêu cầu đặt ra.
- Hiểu được nguyên lý hoạt động của mạch cũn g như của các linh kiện và
nghiên cứu được cách sử dụng các phần mềm như protues…
- Thể hiện được khả năng hoàn toàn tự động của mạch.
- Học hỏi được nhiều điều từ bạn bè, từ đó rút ra kinh nghiệm cho bản thân.
2. Ưu khuyết điểm:
 Ưu điểm:
-

Đảm bảo về tính thẩm mĩ
Bộ phận cảm biến nhạy.
Mạch ổn định, không nhiễu.
Có tính công nghệ.
Mạch đơn giả, chi phí không cao.
Dễ thay thế đối với trường hợp hư hỏng. (các IC có đế).
1 trong 2 IC LM393 hư xe vẫn hoạt động bình thường nhưng độ

-

chính sác không cao.
Sữ dụng nguồn bin gọn và tiện lợi cho xe chạy thực tế không phải

-

mô phỏng.
Có biến trở điều chỉnh tránh bị nhiễu và trong điều kiện sáng tối
có thể điều chỉnh được.

 Khuyết điểm:
-

Kiến thức và kinh nghiệm còn ít nên vẫn còn nhiều khó khăn.
Nguồn bin còn yếu xe hoạt động không lâu.
Không điều khiển được tốc độ của động cơ (khắc phục thủ công
bằng cách quấn keo ở bánh để bám đường tốt).

ĐỒ ÁN MÔN HỌC


19
-

Xe không quẹo được các góc vuông và các góc nhỏ hơn 90o
Biến trở to xe cồng kềnh, bánh trước không phải bánh đa hướng

nên vẫn chưa hoàn toàn hoàn mỹ trên cơ sỡ lý thuyết.
3.Hướng phát triển của đề tài:
Tương lai gần robot sẽ tự tránh vật cản, vượt chứng ngại vật, dò được ở
cả 2 chế độ nền trắng line đen và nền đen line trắng.
Trong thực tế ta có thể nghiên cứu phát triển mạch lên để phục vụ cho
nhiều lĩnh vưc khác như: robot vệ sinh nhà, băng truyền không cần thiết kế cơ
khí cao, cao hơn nữa theo cơ chế dò đường hoặc định vị có thể phục vụ cho quân
sự, nghiên cứu…
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. />[2].

/>
dung-lm393-sieu-don-gian.html
[3] />
ĐỒ ÁN MÔN HỌC