Thiết kế và chế tạo Robot tự xác định quỹ đạo

LỜI CẢM ƠN
Bằng lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận
tình, đầy trách nhiệm của Thạc sĩ Ngô Trọng Tuệ, khi tôi thực hiện đề tài
nghiên cứu khoa học của mình.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy giáo Trần Quang Huy cũng như các
bạn sinh viên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi và có những đóng góp quý báu để
tôi hoàn thành đề tài khoá luận tốt nghiệp này.

Hà Nội, ngày

tháng 05 năm 2010

Sinh viên
Dương Văn Thảo

1


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài khoa học này được thực hiện duới sự hướng dẫn của Thạc sĩ
Ngô Trọng Tuệ. Tôi xin cam đoan những kết quả nghiên cứu trong đề tài này
là do công sức của bản thân tôi, kết quả này không trùng với các kết quả của
bất kỳ tác giả nào đã được công bố.
Một số dẫn liệu trong đề tài tôi xin phép tác giả được trích dẫn để bổ
sung cho báo cáo của mình.
Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội , ngày tháng năm 2010
Sinh viên
Dương Văn Thảo

MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU
NỘI DUNG
Chương 1: VAI TRÒ CỦA TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG ĐỜI
SỐNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TIỄN
1.1. Vai trò của tự động hoá trong đời sống

6
6

1.2. Các rô bot hiện nay được sử dụng trong thực tế

11

Chương 2: CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN

15

2.1.Các mạch cảm biến thu phát ánh sáng

15

2.2.Vi điều khiển 89C51

20

2.3.Driver

26

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT TỰ XÁC ĐỊNH

31

QUỸ ĐẠO
3.1. Thiết kế cơ khí:

31

3.2. Thiết kế mạch điện tử:
3.3. Chương trình Assembly dẫn đường thẳng cho robot.

39

KẾT LUẬN

78

TÀI LIỆU THAM KHẢO


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Trong thời đại bùng nổ của khoa học kĩ thuật, việc ứng dụng tự động
hoá vào trong các lĩnh vực của đời sống không còn là việc xa lạ đối với mỗi
người dân nữa. Không thể phủ nhận máy móc ngày càng có vai trò quan trọng
đối với khắp các lĩnh vực của đời sống, máy móc đã thay thế con người ở
nhiều công việc, nhiều công đoạn trong dây chuyền sản xuất, góp phần nâng
cao rất nhiều năng xuất lao động. Xã hội không ngừng phát triển, kéo theo nó

là nhu cầu của con người cũng không ngừng tăng lên. Điều đó đặt ra những
yêu cầu và thách thức không nhỏ đối với tất cả các lĩnh vực và ngành nghề.
Trong đó, phải kể đến ngành công nghệ chế tạo, phải thiết kế và chế tạo ra
những cỗ máy tự hành có trí tuệ nhân tạo dưới sự lập trình của con người, làm
việc độc lập. Đó là những công việc của Robot.
Robot làm được tất cả các công việc, đặc biệt trong những môi trường
khắc nghiệt mà con người không thể thực hiện được. Đó là khám phá những
diễn biến trong lòng núi lửa đang hoạt động, những bí ẩn dưới đáy biển sâu
hay ngoài vũ trụ bao la… thì các Robot sẽ làm việc đó.
Robot là những người máy thông minh, việc chế tạo ra nó là mục đích
của không những nhà khoa học, các quốc gia trên thế giới quan tâm mà còn
của cả những bạn trẻ yêu thích khoa học và công nghệ mới say sưa tìm hiểu
và chế tạo.
Việc nghiên cứu và chế tạo Robot đối với sinh viên trường Sư phạm Hà
Nội 2 chỉ mới bắt đầu được hiện thực hoá trong vài năm trở lại đây. Tuy đã
đạt được những thành công bước đầu, song còn đó những băn khoăn, trăn trở


những dự định phía trước. Làm thế nào để thôi thúc các bạn trẻ những sinh
viên khoá mới của trường. Đặc biệt là sinh viên khoa Vật lý có niềm đam mê
nghiên cứu và chế tạo Robot. Làm thế nào để Robot trường Sư phạm Hà Nội
2 có thể sánh ngang với Robot của các trường có truyền thống trong nước,
tiến tới một mục tiêu xa hơn là tầm châu lục và thế giới. Quan trọng hơn là
việc ứng dụng Robot vào thực tiễn phục vụ cuộc sống.
Để thiết kế được một Robot thì ngoài cơ cấu cơ khí - bộ xương và hình
hài của Robot, các mạch điện tử đóng vai trò như dây thần kinh và mạch máu
cho robot, mắt của Robot chính là các cảm biến ánh sáng giúp robot có thể
giao tiếp với môi trường xung quanh, xác định vạch, tìm đường, tránh vật
cản…
Việc nghiên cứư và chế tạo Robot là một công việc hết sức mới mẻ và

phức tạp nhưng cũng đầy lí thú, qua đó nó có thể giúp chúng ta tăng cường
hiểu biết và chiếm lĩnh công nghệ mới ứng dụng vào chính thực tiễn cuộc
sống của chúng ta.
Với mục tiêu đó trên cơ sơ những thành tựu trong nghiên cứu và chế
tạo Robot đã đạt được của các anh chị K31 - SPKT. Vì vậy, tôi quyết định
chọn việc “Thiết kế và chế tạo Robot tự xác định quỹ đạo” làm đề tài nghiên
cứu khoá luận của mình.
2.Mục đích nghiên cứu
Thiết kế robot quỹ đạo phục vụ công tác giảng dạy và ứng dụng vào
một số công tác khác trong đời sống.
3.Nhiệm vụ nghiên cứu
Thiết kế và chế tạo cơ khí, xây dựng mạch điện và làm rõ cơ chế và
nguyên lí làm việc.
Chế tạo và lắp giáp thành công robot quỹ đạo.
4.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu


Nghiên cứu và chế tạo Robot quỹ đạo.
5.Phương pháp nghiên cứu.
Vận dụng lí thuyết và thực hành.
6. Đóng góp của đề tài
Đề tài mang lại cho các bạn sinh viên, học sinh tài liệu lí luận và thực
tiễn bước đầu về nghiên cứu và chế tạo Robot. Trên cơ sở đó, phát triển và
đưa Robot vào ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống.


NỘI DUNG
Chương 1. VAI TRÒ CỦA TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG ĐỜI SỐNG
1.1. Vai trò của tự động hoá trong đời sống
Lịch sử tự động hoá ra đời cách đây chưa lâu, nhưng vai trò to lớn của

nó thì ngày càng sâu rộng trong khắp các lĩnh vực của đời sống xã hội. Nhìn
vào thực tế để thấy rằng: mỗi tình huống trong sinh hoạt hằng ngày của chúng
ta, đều có liên quan đến một vài loại điều khiển tự động: máy nướng bánh,
máy giặt, hệ thống audio - video....Vậy vai trò cụ thể của tự động hoá như thế
nào đối với đời sống của chúng ta?
Sự ra đời của Động cơ đốt ngoài sau đó là Động cơ đốt trong đã đánh
dấu bước ngoặt quan trọng trong sản xuất, cơ khí hoá nền sản xuất kéo theo
nó là thành quả to lớn về năng xuất, chất lượng sự đa dạng mẫu mã mặt
hàng…Nhưng tất cả chưa là gì hết nếu đem so sánh với kết quả năng xuất đạt
được kể từ khi tự động hoá ra đời. Ưu điểm nổi trội của nó là năng xuất, chất
lượng, độ chính xác cao và giảm tiêu hao sức lao động, thậm trí các máy móc
đã thay thế con ngưòi làm việc trong những điều kiện khắc nhiệt nhất mà ở đó
con người không thể làm việc được. Chính vì vậy, ngày nay trong hầu hết các
ngành kinh tế, kỹ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng kỹ thuật
tự động hoá. Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo nhiều ngành
sản xuất, dịch vụ. Ở nhiều nước đã xuất hiện những nhà máy không có người,
văn phòng không có giấy... Khắp nơi đã bắt gặp những thuật ngữ như:
Thương mại điện tử, Chính phủ điện tử, Máy thông minh, Thiết bị thông
minh... Máy móc đã thay thế con người ở rất nhiều công việc, những công


đoạn. Từ khâu thiết kế đến khâu đóng gói sản phẩm trong một dây chuyền sản
xuất rồi kiểm soát công cụ … góp phần nâng cao năng xuất lao động.
Tự động thiết kế CAD không chỉ cần thiết kế sản phẩm, mà còn dùng
để mô phỏng, tính toán, phân tích, so sánh. Bộ chương trình máy tính EPC
(Engineering, Procurement, Construction - thiết kế kĩ thuật, mua sắm, xây
lắp), một công cụ đắc lực giúp việc trở thành “tổng thầu”, cũng là một loại
chương trình CAD. Ngày nay, người ta rất quan tâm đến một dạng phát triển
nữa của CAD. Đó là CAE (Computer Aide Engineering). CAE dùng để phân
tích kĩ thuật và tìm lời giải hợp lí nhất ngay trong giai đoạn thiết kế. Ví dụ:

khi thiết kế khuôn ép nhựa, bên cạnh việc sáng tạo dáng hình học chính xác
còn cần phải mô phỏng để phân tích quá trình sẽ xẩy ra trong khi phun ép
nhựa nóng. Từ đó, có thể chọn phương án liên quan đến đầu phun, đến độ co
ngót ... Để sản phẩm không bị biến dạng, cong vênh sau khi ép xong. Một
dạng phát triển nữa của CAD là công nghệ tạo mẫu nhanh RPT (Rapid
Prototyping Technology). Theo công nghệ này, các thông tin về sản phẩm
được thiết kế trên máy tính và sẽ chuyển trực tiếp sang thiết bị RPT để tạo
ngay ra mẫu vật 3 chiều. Vì thế, người ta còn gọi đây là máy in 3D (Three
DimetionPrinter).
Như vậy, chỉ riêng một vấn đề nhỏ của kỹ thuật tự động hoá, CAD đã
có thể làm thay đổi nhiều quá trình sản xuất. Khi mới ra đời, CAD đã được
một cơ quan khoa học của Mỹ đánh giá như một công nghệ mới “làm tăng
năng suất lên gấp bội, mà chưa công nghệ nào đạt tới”. Đồng thời, dẫn ra ví
dụ minh hoạ về việc rút ngắn thời gian thiết kế một chiếc máy bay từ 1,5 năm
với hơn 1 ngàn kĩ sư, xuống còn vài tuần với một nhóm nhỏ kỹ sư.
Một ứng dụng nữa của kĩ thuật tự động hoá là có thể dùng máy tính
trực tiếp điều khiển đến từng thiết bị, từng dây chuyền sản xuất cũng như toàn
bộ hệ thống sản xuất. Từ việc điều khiển số NC (Numerical Control), điều


khiển bằng máy tính CNC (Computer Numerical Control) cho đến việc ứng
dụng các “máy tính nhúng” trong các bộ điều khiển các thiết bị, là một bước
đường dài của sự phát triển làm tăng sự ổn định và hiệu quả sử dụng lên rõ
rệt.
Một trong những đặc trưng của trình độ tự động hoá hiện đại là mức độ
xử lí thông minh trong các tình huống xảy ra ở quá trình công nghệ. Vì vậy,
cần có những sensor tinh xảo để nhận biết về các tình huống đó. Ngày nay,
trên cơ sở những thành tựu của hệ thống tích hợp khoa học Micro và Nano
(Micro Nanoscience Integrated Systems) nhiều tổ hợp các sensors tạo ra các
cụm cảm biến đa năng, cho phép nhanh chóng nhận thức môi trường và tình

huống từ nhiều thông tin cùng một lúc.
Chưa hết, một sản phẩm điển hình được ứng dụng của tự động hoá đó
chính là Robot. Robot có thể làm được tất cả những công việc trong những
môi trường mà con người không thể thực hiện được. Đó là: khám phá những
diễn biến trong lòng núi lửa đang hoạt động, hay những bí ẩn dưới đáy biển
sâu. Xa hơn nữa là những Robot thám hiểm ngoài vũ trụ bao la nơi mà còn
nguời không thể đặt chân đến… thì Robot sẽ làm việc đó. Thậm trí, những
chú Robot thân thiện như nguời máy Asimô còn có thể nói chuyện giao tiếp
với con nguời.
Vài nét đặc trưng của ngành tự động hoá hiện đại vừa điểm qua càng tô
đậm vai trò chủ đạo của nó trong nền kinh tế kĩ thuật hiện đại.
Ngày nay, nhiều người đã thừa nhận rằng: nói đến công nghiệp hoá,
hiện đại hoá không thể không nói đến tự động hoá. Mà linh hoạt hoá là một
trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá hệ thống tổ chức sản xuất, đáp
ứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trên thị trường. Những bước đi từ số hoá đến
máy tính hoá hệ thống sản xuất, dịch vụ ngày càng thực hiện theo con đường
mềm hoá, linh hoạt hoá để thích nghi với thị trường biến động. Hệ thống sản


xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing Systems) trở thành biểu tượng
cho nền sản xuất hiện đại. Hệ thống sản xuất tự động này, cho phép đáp ứng
nhanh với yêu cầu thay đổi mẫu mã và đặc tính kĩ thuật của sản phẩm trong
thị trường cạnh tranh. Hệ thống FMS cũng rất thích hợp với quy mô sản xuất
vừa và nhỏ. Hệ thống sản xuất tích hợp với máy tính CIM (Computer
Integrated Manufacturing) trở thành cốt lõi cho hệ thống quản lý công nghệ
và kinh tế của các doanh nghiệp hiện đại. Như vậy, càng ngày tự động hoá
càng nổi lên với vai trò chủ đạo, dẫn dắt nhiều ngành kinh tế kĩ thuật phát
triển.
Bản thân tự động hoá là một liên ngành, nó không thuộc một ngành
kinh tế kĩ thuật riêng biệt nào. Nhưng lại có mặt ở hầu hết các ngành kinh tế

kỹ thuật. Nếu hình ảnh “máy tính nhúng” (embeded) trong từng thiết bị và
trong cả doanh nghiệp hiện đại là một hình ảnh đẹp đã phổ biến khắp nơi, thì
cũng có thể nói rằng: ngày nay tự động hoá đã “nhúng” trong hầu hết các
ngành kinh tế kĩ thuật.
Những khả năng kì diệu mà tự động hoá đem lại, cũng đòi hỏi khi đem
vào ứng dụng cho hệ thống thiết bị hay cho dây chuyền sản xuất nào đó.
Những kỹ thuật viên phải am hiểu quy trình công nghệ cụ thể, phải nhận biết
được các thông số của quá trình để đặt đúng chỗ, đúng lúc các loại sensors
hợp lý. Phải điều khiển được từng thiết bị và cả hệ thống, không những là hệ
thống quản lý công nghệ, mà cả hệ thống quản lý sản xuất.
Trong lĩnh vực đời sống sự ra đời của máy giặt đã nhẹ bớt gánh nặng
lao động, tiết kiệm thời gian, tiết kiệm chất tẩy rửa... Góp phần mang lại
những niềm vui, hạnh phúc cho con người.
Trong lĩnh vực ngân hàng, sự ra đời của máy rút tiền tự động hay máy
giao dịch tự động (còn được gọi là ATM, viết tắt của Automated Teller
Machine hoặc Automatic Teller Machine trong tiếng Anh) đã mang lại rất

10


nhiều tiện ích. Hãy tưởng tượng nếu bạn đi xa cần phải mua sắm nhiều thứ,
bạn phải chi một khoản tiền khá là lớn sẽ thật bất tiện khi cầm theo khoản tiền
đó. Với một thiết bị ngân hàng giao dịch tự động với khách hàng, thực hiện
việc nhận dạng khách hàng thông qua thẻ ATM (thẻ ghi nợ, thẻ tín dụng) hay
các thiết bị tương thích và giúp khách hàng kiểm tra tài khoản, rút tiền mặt
chuyển khoản, thanh toán tiền hàng hóa dịch vụ sẽ tiện lợi hơn nhiều.
Trong thám hiểm đại dương bao la và vũ trụ vô tận, Robot chính là giải
pháp và cách thức để con người có thể khám phá, tìm hiểu những nơi mà con
người không thể đặt chân tới. Qua đó, chúng ta có thể tìm ra câu trả lời cho
bài toán tự nhiên mà cùng với lịch sử loài người đang không ngừng tìm kiếm

nó.
Trên đây, chúng ta mới chỉ đề cập một vài những ứng dụng có tính thời
sự của tự động hóa trong đời sống và công nghiệp. Ngoài ra, chúng ta còn
phải kể tên tới vai trò của tự động hóa trong các lĩnh vực khác nữa như: y tế,
cứu hỏa, bảo trì, dân dụng…..
Tóm lại, tự động hoá có mặt ở hầu hết các ngành kinh tế kĩ thuật, có vị
trí chủ đạo trong sự phát triển của các ngành đó. Có thể nói một cách hình ảnh
là, tự động hoá đã “nhúng” phổ biến trong quản lý công nghệ, quản lý sản
xuất và quản lý hành chính. Tự động hoá là cầu nối để các thành tựu của công
nghệ thông tin biến thành hiện thực trong sản xuất và trong đời sống xã hội.
Tự động hoá phải am hiểu từng ngóc ngách, đến toàn thể quá trình công nghệ
tự động hoá phải tiếp cận từ hệ thống toàn cục, đến từng chi tiết cụ thể.
Vì những lí do nói trên, chúng ta càng thấy rõ vai trò chủ đạo trong việc
đào tạo của tự động hoá trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất
nước. Trong những năm gần đây, nước ta cũng đã đạt được nhiều thành tựu
bước đầu trong việc áp dụng tự động hoá trong công nghiệp và dịch vụ. Hy


vọng rằng: trong xu thế đổi mới và hội nhập, tự động hoá sẽ có nhiều bước
tiến mạnh mẽ hơn nữa.
1.2. Các Robot hiện nay được sử dụng trong thực tế
Có rất nhiều các Robot được sử dụng trong thực tế, sau đây chúng ta sẽ
kể ra một số loại Robot điển hình:
* Robot thám hiểm
Cơ quan NASA thường xuyên gửi các thiết bị thăm dò tự động để
nghiên cứu các hành tinh và hệ Mặt Trời. Các thiết bị này bay qua hệ Mặt
Trời truyền thông tin hình ảnh của các hành tinh và vệ tinh về Trái Đất. Tàu
thăm dò Vikinh được gửi lên sao Hỏa để tìm kiếm dấu hiệu của sự sống và
gửi hình ảnh về trái đất. Một trong những thành công gần đây của Robot thám
hiểm không gian là thiết bị Mars Pathfinder - thiết bị tìm đường.

Mars Pathfinder
Tàu Mars Pathfinder gồm thiết bị đổ bộ và xe tự hành, được giải phóng
từ Trái Đất tháng 12 năm 1996, đến sao Hỏa ngày 4/7/1997.
Tàu Mars Pathfinder không bay theo quỹ đạo quanh sao hỏa, trực tiếp
đi vào khí quyển sao hỏa với tốc độ 7.6 km/s, hạ cánh trên bề mặt sao Hỏa tại
khu vực Ares Vallis. Đây là, miệng núi lửa cổ, có thể có nhiều loại đá trong
tầm với của xe tự hành. Các loại đá tập trung ở đây, bị trôi xuống từ sườn núi,
từ thời kì sao Hỏa có nước. Tàu đổ bộ mở các cánh pin Mặt Trời xe tự hành
tách khỏi tàu. Xe tự hành này có tên là Sojourner. Đây là thế hệ thiết bị thăm
dò tự động mới có kích thước nhỏ gọn, tính tự đông cao, tiêu tốn rất ít năng
lượng.
Thiết bị đổ bộ và xe tự hành đều có hệ thống tạo hình ảnh Stereo. Xe tự
hành có phổ kế tia - X, Alpha proton, được dùng để xác định thành phần đá.
Thiết bị đổ bộ thực hiện các quan sát khí quyển và khí tượng, có trạm vô
tuyến để gửi thông tin về trái đất.


Xe tự hành Sojourner được điều khiển từ mặt đất. Do sự trễ thời gian
giữa các tác động điều khiển trên mặt đất và đáp ứng của xe khoảng 6 - 41
phút tùy theo vị trí tương đối của Trái Đất và sao Hỏa, trên xe có hệ thống
phần mềm được lập trình, cho phép điều khiển xe theo chế độ tự động.
* Robot công nghiệp
Robot là thành phần không thể thiếu trong các ngành công nghiệp chế
tạo. Ví dụ: các Robot hàn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ô tô.
Robot sơn chuyên dùng để sơn phun tự động nhiều loại chi tiết. Công nghệp
bán dẫn dùng các Robot để hàn các vi mạch, lắp các mạch tích hợp lên các
bản mạch in.
Các Robot này thực hiện các chuyển động chính xác và lặp lại liên tục.
Kiểu công việc này thường gây mệt mỏi và nhàm chán đối với công nhân, dẫn
đến các sai sót và giảm năng xuất lao động. Robot là lí tưởng cho các công

việc đó, chúng nhanh hơn chi phí thấp hơn, độ chính xác cao hơn, và không bị
mệt mỏi Do đó, đảm bảo chất lượng sản phẩm, năng xuất lao động và tăng
tính cạnh tranh.
* Robot bảo trì
Robot bảo trì được thiết kế đặc biệt để đi vào các đường ống, cống
nước thải ống điều hòa không khí và nhiều loại hệ thống khác. Với camera
Robot có thể truyền hình ảnh cho các bộ phận điều khiển và kiểm tra. Khi
phát hiện hư hỏng, người điều khiển có thể sử dụng Robot để thực hiện sửa
chữa nhỏ một cách nhanh chóng và hiệu quả.
* Robot cứu hỏa
Loại Robot này có hệ thống cảm biến nhanh chóng phát hiện khói hoặc
lửa, di chuyển đến nơi cháy và dập lửa. Robot cứu hỏa được trang bị trong các
nhà máy, các xưởng sản xuất các tòa nhà công cộng, các khu vực dễ cháy, các
nhà máy lọc dầu….


* Robot y khoa
Robot y khoa được chia thàn ba nhóm:
Thứ nhất: Các Robot xét nghiệm và chẩn đoán. Ví dụ, loại Robot có
tên Papnet,có thể phát hiện tế bào ung thư nhanh chóng và chính xác hơn hẳn
nhân viên phòng thí nghiệm.
Thứ hai: Các robot giải phẫu. Loại Robot này có các bộ phận cảm
biến lực hồi tiếp chuyển các động tác của bác sĩ ở xa thành các thao tấc giải
phẫu. Bác sĩ ở nơi này có thể tiến hành giải phẫu ở nơi khác cách xa hành
trăm cây số.
Thứ ba: Các Robot sử dụng cộng nghệ hiện thực ảo. Diễn dịch các
thao tác của bác sĩ thành các chuyển động chính xác của cánh tay Robot, cho
phép thực hiện các cuộc vi giải phẫu mà trước đây không thể thực hiện.
* Robot quốc phòng
Một trong các lĩnh vực ứng dụng Robot là quốc phòng. Nhiều loại máy

bay không người lái, nhiều loại thiết bị thăm dò dưới nước trên đất liền, có thể
hoạt đông với sự điều khiển từ xa hoặc lập trình sẵn chúng là những Robot
trong chiến tranh hiện đại.
* Robot dân dụng
Các nhà khoa học đã nghiên cứu và chế tạo nhiều loại: Robot dân
dụng, Robot dẫn đường cho người khiếm thị, Robot giúp việc nhà, phục vụ.
Ngoài ra, còn có loại Robot mô phỏng vật nuôi trong nhà như chó Robot.
Ngày nay, Robot được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực từ nghiên
cứu khoa học, sản xuất cho đến trong gia đình. Nghiên cứu và phát triển
Robot không chỉ là việc của các nhà khoa học mà còn là nơi chứng tỏ sự sáng
tạo và khéo tay của các bạn.


Chương 2. CÁC MẠCH ĐIỆN CƠ BẢN
2.1. Các mạch cảm biến thu phát ánh sáng
2.1.1. Mạch cảm biến thu phát ánh sáng thường
2.1.1.1 Sơ đồ nguyên lý

+5V

3
1

+
D7

D1

LED1

4

R1

2

IR LED

1

1

U3
3

2

-

LM324

1
1

NOR2

2

8
9

C
5
1

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí hoạt động sensor thu phát ánh sáng thường

Right

470

270

270

1

10K

1
D7

D1

D7

D1

D7

R1

2

LED
20K
2

2

LED1

5
1

D1

+
-

6
LM324

3

2

left

470

270

270

270

1

LED

D1

10K

1
D7

D1

D1
1

1
D7

D1

D7

R1

20K
2

IC 4001

D1

1

89c51

270

2

2

2

IC 4

5
+
-

3

6
LM324

001


Hình 2.2 Sơ đồ mạch điện sensor thu phát ánh sáng thường.
2.1.1.2. Nguyên lí làm việc
Trong sơ đồ nguyên lí trên thì cặp led phát và cds được đặt sát nhau. Một
chân của cds được đưa vào IC LM 324. LM324 là IC so sánh, mục đích là so
sánh tín hiệu từ sensor.
Tín hiệu ra từ IC LM 324 được đưa vào IC 4001 để đảo mức tín hiệu tín
hiệu ra được đưa vào chân vi điều khiển.
Biến trở 10k đóng vai trò tạo điện áp ngưỡng và tinh chỉnh độ nhạy của
sensor.
Đèn led 1 và led 2 có tác dụng báo hiệu khi sensor gặp vạch trắng
Khi hoạt động, led chiếu sáng xuống sân, chùm tia sáng chiếu xuống
nền sân tối màu có thể là mầu đen, xanh thẫm…Ánh sáng bị hấp thụ. Cds
không nhận được chùm tia phản xạ, điện trở bằng vô cùng, tín hiệu ra
LM 324 là mức 1, qua IC 4001 đảo về mức 0, led báo không sáng. Tín hiệu
vào vi điều khiển là mức 0.
Robot đi lệch hướng hay qua vạch trắng ( giả sử lệch phải: sensor been
phải lấn vào vạch trắng ) thì màu trắng của vạch phản xạ là ánh sáng phát ra
Cds nhận chùm tia phản xạ, điện trở bằng 0. Tín hiệu qua LM324 là mức 0
qua IC 4001 đảo thành mức 1. Led báo sáng tín hiệu vào vi điều khiển là mức
1.
Vi điều khiển xử lí tín hiệu điều khiển driver mô tơ bên phải dừng bên
trái vẫn quay, Robot sẽ đi sang phải, trở lại đúng quỹ đạo đường đi cũ.
Đây là phương án thiết kế được sử dụng trong đề tài này.
2.1.2. Mạch cảm biến thu phát hồng ngoại
2.1.2.1 Sơ đồ mạch điện
3Vdc

3
C

C2

A1012 5
R2

0

R3 10K

Te
XT
st
TX
ou
XT
t XTAL

Vs
s
Vc
c

455khz

0

C1

150p
0

LED

1

0

D4148

CO
DE

DIODE

K1

T3

T2

T1

K6

K2

K3

K4

K5

C2
150p
0

Hình 2.3 Mạch phát xung hồng ngoại


IC
LM7805
OUT
IN
C2

C1

GND

IC2Pins
1

LED1

R21K

LED 2

R3

B112V

33
R43K3
R110K
1

2

3

Q1
BC109C

2

1

IC3
IR1

IC24049

IC2Pins
5,7,8,9,11,14

Hình 2.4 Mạch thu hồng ngoại.

2.1.2.2. Nguyên lí làm việc:
Ta có thể sử dụng mạch phát xung hồng ngoại để làm ngồn phát ánh
sáng hồng ngoại và mạch thu hồng ngoại thông thường để thu hồng ngoại.
Nguyên lí làm việc, cách lắp đặt vị trí cà thuật toán dò đường hoàn toàn giống
với phương pháp thu phát ánh sáng thường.
Ưu điểm hơn so với việc phát ánh sáng thường là không hề bị nhiễu do
các nguồn sáng mạnh thông thường tác động. Nhưng vẫn có thể bị nhiễu nếu
như có nguồn phát hồng ngoại khác gần đó.
Phương pháp thu phát hồng ngoại giải quyết được hoàn toàn vấn đề đó.
2.3.1. Mạch cảm biến thu phát xung hồng ngoại:
2.3.1.1. Sơ đồ mạch điện.


D1

2

5V

D2

4

4

3
5
1

LED THU

7805

C1815

2

2

3

4 -

3

Q1

D16
AC 12V

Q2
1

1

Y

C21

1

1

+2

3

2
3

5
1

R3
12K

2

C4

3

R4C1

R2
C3 .1 2R
RIN
0K

1

R1
30
K

C2
102

1

C20 222
1

104
C19
GND
222
3
15
CSC CO
4
14 CODE2C1
13 CODE3C2
5
8
1 GND C5
12C9 C3 C4 C6 6
7
11C8 C7
9

10
Y

GND

D3
LED

D4
LED
U2

R5
330

2

C2
C2
D2
2
2

CN
CN
D1

CK1 R1 2
R2
CK2

4013

R6
330

2
2
2
2

C5

1
Y

GND

Y

GND

Hình 2.5 Mạch thu xung hồng ngoại
2.3.1.2. Nguyên lí làm việc:
Nguyên lí thu phát xung hồng ngoại sử dụng IC BL9148 và BL9149:
Sau khi IC phát BL9148 phát tín hiệu (2 chu kì)đi. Chân Rxin có nhiệm
vụ sẽ chỉnh lưu lại dạng sóng của tín hiệu cho chuẩn. Sau đó, tín hiệu được
đưa tới bộ lọc số. Bộ lọc số có nhiệm vụ lọc lấy các dư liệu rồi đưa đến thanh
ghi. Dữ liệu đầu tiên được lưu vào thanh ghi 12 bit. Tiếp đến, dữ liệu thứ 2 sẽ
được nạp vào thanh ghi. Dữ liệu đầu tiên sẽ được đưa qua bộ đệm ngõ ra nếu

mã của nó khớp với mã của phần phát. Trường hợp mã của tín hiệu không
khớp với mã của phần phát thì quá trình sẽ được lập lại. Khi các dữ liệu nhận
đựơc thông qua, ngõ ra sẽ chuyển từ mức thấp lên mức cao. Nhược điểm của
phương pháp này là mạch điện phức tạp, phức tạp cho cả khâu lập trình.
2.4.1. Mạch cảm biến quang nghe được với LM 741


PC1

R1
1K

+q
C1

3
4

C

R2
100 k

1

U4

5
+

741
2

1

-q

C2
47uF

R4
470

R3
50K

Y
1
Y

GND
PC2

U7
GND

Hình 2.6. Mạch cảm biến quang sử dụng LM741
Nguyên lí làm việc: Mạch này sử dụng nguồn đối xứng khoảng 9V.
Đây là mạch cảm biến bằng quang trở, khi ánh sáng chiều vào PC1 và PC2.
Làm cho điện trở của 2 con quang trở này bằng 0, dẫn dòng vào 3 và 2 của

LM 741 sẽ làm loa phát ra tiếng > Điều chỉnh bằng biến trở R3.
2.2. VI ĐIỀU KHIIỂN 89C51
Trên thị trường có nhiều họ chíp vi điều khiển với dung lượng khác
nhau. Để phù hợp với yêu cầu của đề tài và kinh tế chúng tôi đã chọn chip vi
điều khiển AT89C51 của hãng Atmel, đó là một hệ vi tính 8 bit đơn chip
CMOS, hiệu suất cao, công xuất nguồn tiêu thu thấp và có 4KBROM có thể
xoá và lập trình đựơc.
AT89C51 có đặc trưng chuẩn:4KB ROM, 128 B RAM. 32 đường xuất
nhập, 2 bộ định thời/đếm 16 bit, 1cấu trúc ngắt 2 mức ưu tiên và 5 nguyên
nhân ngắt, 1 port nối tiếp song song,mạch dao động và tạo xung clork trên
chip.
Sơ đồ chân IC 89C51


C5

C4

31
19
18

0
9
12
13
14
15
1
P1.0 P1.1

2
8051
3
4
5
6
7
8

U1
EA/VP
X1
X2

39
P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7
38
37
36
VC
35
C
34
33
32

40

RESET

21
P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5
22 P2.6 P2.7
23
INT0 INT1 T0 T1
24
25
26
27
28
P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
17
RD WR PSEN ALE/P TXD RXD
16
29
30
11
10

0

Hình 2.7 Sơ đồ chân vi điều khiền 89C51
2.2.1. Chức năng chi tiết:
Chân VCC:Dương nguồn
Chân GND:Nối mát.
Port 0:
Port 0: Là port xuất phát 8 bit hai chiều cưc D hở.Khi làm nhiệm vụ là
port xuất,môi chân của port có thể là dòng của 8 ngõ vào TTL.
Port 1:
Port 1:Là port xuất phát 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên trong.

Các bộ đệm xuất của port có thể hút và cấp dòng với 4 ngõ vào TTL.
Port 1 cũng nhận byte địa chỉ thấp trong thời gian lập trình FLASH.
Port 2:
Port 2:Là port xuất phát 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên bên
trong. Port 2 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển trong thời
gian lập trình cho FLASH và kiểm tra chương trình.
Port 3:
Port 3: Là port xuất nhập 8 bit 2 chiều có các điện trở kéo lên bên
trong. Port 3 còn được sử dụng làm các chức năng khác của AT 89C51.
Port 3 cũng nhận các bit địa chỉ cao và vài tín hiệu điều khiển, trong
thời gian lập trình cho FLASH và kiểm tra chương trình.
Mỗi chân lại có chức năng riêng.

20


Bit

Tên

P3.0

RxD

P3.1

TxD

P3.2

INT0

P3.3

INT1

Chức năng
Ngõ vào nhận dư liệu nối tiếp
Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp
Ngõ vào ngắt cứng thứ 0
Ngõ vào ngắt cứng thứ 1

T0
Ngõ vào của Timer/Counter thứ 0
Ngõ vào của Timer/Counter thứ 1

P3.4
P3.5
P3.6
P3.7

T1
WR
RD

Ngõ điều khiển ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài.
Ngõ điều khiển đọc dữ liệu từ bộ nhớ bên
ngoài.

T2

P1.0
P1.1

T2X

Ngõ vào của Timer/Counter thứ 2
Ngõ nạp lại /thu nhận của Timer/Counter thứ
2.

Bảng 1: Bảng chức năng chân IC 89C51
Chân RTS:
Ngõ vào reset mức cao trên chân này duy trì trong 2 chu kì máy trong
khi bộ dao động sẽ reset AT89C51.
Chân ALE/PROG
Xung của ngõ ra cho phép chốt địa chỉ ALE chó chốt byte thấp của địa
chỉ trong thời gian truy xuất bộ nhớ ngoài.
Chân này cũng dùng vào ngõ làm xung lập trình (PROG) trong thời
gian lập trình cho Flash.
Chân PSEN:
sChân cho phép bộ nhớ chương trình PSEN: điều khiển truy xuất bộ
nhớ chương trình ngoà. Khi AT89C51 đang thực thi chương trình trong bộ


nhớ chương trình ngoài, PSEN: tích cực 2 lần cho mỗi chu kì máy, ngoại trừ
trường hợp 2 tác động của PSEN bị loại bỏ qua mỗi lần truy xuất bộ nhớ dữ
liệu bên ngoài.
Chân EA/Vpp:
Chân cho phép truy xuất bộ nhớ ngoài EA phải được nối với GND để
cho phép chíp vi điều khiển tìm nạp lệnh từ các vị trí nhớ của bộ nhớ chương
trình ngoài, bắt đầu địa chỉ 0000H cho đến FFFFH

Chân EA/vpp còn nhận điện áp cho phép lập trình Vpp trong thời gian
chờ lập trình cho Flash.
Chân XTAL1 ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạch dao động
và ngõ đến mạch tạo xung của clock bên trong chip.
Chân XTAL2 là ngõ vào đến mạch khuyếch đại đảo của mạh dao động.
2.2.2. Cấu trúc của port xuất nhập
2.2.2.1. Sơ đồ port xuất nhập:
Ghi đến giá trị logic 1 chân của port sẽ nạp dữ liệu vào bộ chốt của port
ngõ ra Q của bộ chốt điều khiển một transistor trường và transistor này nối
với chân của port.
điện trở kéo lên (pull up) khôn có port 0. Cần có điện trở kéo lên bên ngoài
khi cần thiết.
Ngoài ra chức năng nhập xuất trong port còn có các chức năng riêng do
khuôn khổ của đề tài không được trình bày cụ thể tại đây.
2.2.2.2. Tổ chức bộ nhớ
Bộ nhớ chương trình và dữ liệu đặt trong chip bao gồm ROM và RAM
tuy nhiên có thể mở rộng bộ nhớ bàng cách sử dụng các chíp nhớ bên ngoài
dung lượng tối đa là 128 KB.
Không gian bộ nhớ nội chia thành: các dãy thanh ghi (00j đến 1FH)
vùng Ram địa chỉ bit (20H đến 2FH), vủng ran đa mục đích (30H đến FFH)
2.2.2.3.Bộ nhớ ngoài
Các chíp vi điều khiển có bộ nhớ hạn chế do vậy khi cần thực hiện
chương trình lớn phải mở rộng không gian bộ nhớ chương trình ngoài đến
64k không gian bộ nhớ dữ liệu ngoài 64K
2.2.2.4.Hoạt động RESET.
AT9C51 được reset bằng cách giữ chân RST ở múc cao tối thiểu 2 chu
kì máy sau đó chuyển về mức thấp. RST có thể được tác động bằng tay hoặc
tác động khi cấp nguồn bằng cách dùng một mạch RC.

5 V

SW 1
R 13

C 3
RST
R 14
0

Hình 2.8 Mạch reset

Hình 2.9: Mạch điện tử


Hình 2.10 Mạch vi điều khiển sử dụng họ 8051
* Các họ vi điều khiển thông dụng :8051, PIC, AVR
+ Họ vi điều khiển 8051

Hình 2.11 Vi điều khiển 8051
+ Họ vi điều khiển AVR


Hình 2.12 Vi điều khiển 8051

+ Họ vi điều khiển PIC:

Hình 2.13 Vi điều khiển 8051