THIẾT kế và CHẾ tạo ROBOT dò ĐƯỜNGTỰ ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ ĐIỆN

= = = = = = = =

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƯỜNG
TỰ ĐỘNG

0


Hà Nội - 2013

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ ĐIỆN

= = = = = = = =

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT DÒ ĐƯỜNG
TỰ ĐỘNG

Người thực hiện

: Nguyễn Tiến Trường

Khóa

: K54

Khoa

: Cơ Điện

Chuyên ngành

: Tự động hóa

Người hướng dẫn

: TS. Nguyễn Thị Hiên

Hà Nội - 2013


LỜI CẢM ƠN
Để có được thành công của đề tài như ngày hôm nay,trước hết em xin
gửi lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Hiên và thầy Nguyễn Văn Đạt,
hai thầy cô đã định hướng và hỗ trợ về phương tiện, thiết bị cũng như động
viên khích lệ tinh thần làm việc của em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo

trong Bộ môn Tự động hóa nói riêng và các thầy cô giáo trong Khoa Cơ Điện
nói chung đã nhiệt tình giúp đỡ em về các kiến thức liên quan tới lĩnh vực
nghiên cứu của đề tài trong suốt thời gian thực hiện đề tài, cũng như các kiến
thức mà các thầy cô đã truyền đạt cho em trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các bạn lớp TĐH-K54 và
CLB Robocon đã giúp em khá nhiều trong việc thi công và hoàn chỉnh mô
hình này.
Sinh viên thực hiện đề tài

Nguyễn Tiến Trường

MỤC LỤC
i


LỜI CẢM ƠN....................................................................................................i
MỤC LỤC.........................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG........................................................................................iv
DANH MỤC HÌNH..........................................................................................v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.................................................................vii
MỞ ĐẦU..........................................................................................................1
1.1

Đặt vấn đề ..............................................................................................1

1.2

Mục tiêu của đề tài .................................................................................4

1.3

Ý nghĩa của đề tài ...................................................................................4

1.4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................4

1.5

Phương pháp nghiên cứu ........................................................................4

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN..........................................................................5
2.1 Vài nét về robot dò đường:..........................................................................5
2.2 Các yêu cầu về công nghệ:..........................................................................6
2.2.1 Yêu cầu về chức năng:.............................................................................6
2.2.2 Yêu cầu về mặt kĩ thuật:...........................................................................7
2.3 Khối chức năng của robot dò đường:..........................................................7
2.3.1 Khối điều khiển:.......................................................................................8
2.3.2 Khối cảm biến..........................................................................................8
2.3.2.1 Cảm biến tiếp xúc :................................................................................9
2.3.2.2 Cảm biến không tiếp xúc :...................................................................14
2.3.2.3 Hình dáng và kích thước:....................................................................15
2.3.2.4 Chức năng các chân:............................................................................16
2.3.2.5 Sơ đồ khối của HD44780:...................................................................17
2.3.2.6 Tập lệnh của LCD :.............................................................................22
2.3.3 Khối nguồn.............................................................................................26
2.3.4 Khối điều khiển động cơ........................................................................27
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO ROBOT..................................29
3.1 Phần cơ khí:...............................................................................................29

3.1.1 Đế:..........................................................................................................29
ii


3.1.2 Bánh xe...................................................................................................31
3.1.2.1 Bánh trước...........................................................................................31
3.1.2.2 Bánh sau..............................................................................................32
3.1.3. Chọn động cơ và lắp ráp bánh:..............................................................33
3.2. Phần mạch điện:.......................................................................................34
3.2.1 Khối cảm biến:........................................................................................34
3.2.1.1 Tính toán công suất cho khối cảm biến:..............................................35
3.2.1.2 Sơ đồ nguyên lý cảm biến dò đường:..................................................39
3.2.1.3 Cảm biến quang...................................................................................45
3.2.3 Khối điều khiển......................................................................................49
3.2.4 Khối điều khiển động cơ:.......................................................................56
CHƯƠNG IV: KHẢO NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ...........................................66
CHƯƠNG V: NHIỄU VÀ BIỆN PHÁP CHỐNG NHIỄU........................68
5.1 Các nguyên nhân gây nhiễu:.....................................................................68
5.1.1 Nguyên nhân cơ khí..............................................................................68
5.1.2 Nguyên nhân do điện.............................................................................68
5.2 Các phương án xử lý nhiễu.......................................................................70
5.2.1 Xử lý cơ khí............................................................................................70
5.2.2 Xử lý về điện.........................................................................................70
5.2.3 Xử lý do môi trường..............................................................................71
5.2.4 Xử lý lập trình.......................................................................................71
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ..................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................74
PHỤ LỤC.......................................................................................................75

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Chỉ số IP của công tắc hành trình.......................................................12
Bảng 2.2 Chức năng các chân của LCD..........................................................14
Bảng 2.3: Chức năng chân RS và R/W theo mục đích sử dụng......................17
iii


Bảng 2.5: Tập lệnh của LCD...........................................................................20
Bảng 3.1 Bảng thông số của 7805...................................................................44

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1.Một số hình ảnh về robot dò đường trên thế giới...............................2
Hình 2.1 Robot dò đường trên thế giới............................................................5
Hình 2.2 Các khối chức năng............................................................................7
Hình 2.3 Công tắc hành trình............................................................................9
Hinh 2.4 Cấu tạo của công tắc hành trình loại ép..............................................9
Hình 2.5 Cấu tạo của công tắc hành trình kiểu đòn bẩy..................................10
Hình 2.6 Ký hiệu của các kiểu tiếp điểm của công tắc hành trình..................11
Hình 2.7 Các tiếp điểm của công tắc hành trình có đèn báo trạng thai...........11
Hình 2.8 Hình dáng của một LCD thông dụng...............................................14
Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD........................................................................14
Hình 2.10 Sơ đồ khối của HD44780...............................................................16
Hình 2.11 Giản đồ xung cập nhật AC..............................................................18
Hình 2.12 Mối liên hệ giữa địa chỉ của DDRAM và vị trí hiển thị của LCD. 19
Hình 2.13 Mối liên hệ giữa địa chỉ của CGRAM, dữ liệu của CGRAM, và mã
kí tự..................................................................................................................20
Hình 3.1 Hình dạng nhôm...............................................................................26
Hình 3.2 Kích thước của nhôm được sử dụng làm đế.....................................27

Hình 3.3 Bánh đa hướng.................................................................................28
Hình 3.4 Bánh xe sau của robot......................................................................29
Hình 3.5 Động cơ DC......................................................................................30
Hình 3.6 Nguyên lý khối cảm biến.................................................................31
Hình 3.7 Mạch tạo dao động tần số cao cho Led phát....................................32
Hình 3.8 Sơ đồ LM324....................................................................................34
Hình 3.9 Cách bố trí led thu phát hồng ngoại.................................................35
Hình 3.10 Sơ đồ mạch in hoạt động của bộ thu phát......................................36
Hình 3.11 Khối so sánh...................................................................................37
Hình 3.12 Sơ đồ board khối cảm biến.............................................................38
Hình 3.13 Cách bố trí led-dò đường................................................................39
Hình 3.14 Giải thuật dò đường........................................................................41
v


Hình 3.15 Cấu tạo khối nguồn........................................................................43
Hình 3.16 Cấu tạo của IC 7805.......................................................................43
Hình 3.17 Sơ đồ chân 7805.............................................................................44
Hình 3.18 Sơ đồ mạch in khối nguồn..............................................................45
Hình 3.19 Chíp Atmega16...............................................................................48
Hình 3.20 Các chân của Atmega16.................................................................48
Hình 3.21 Mạch RESET..................................................................................50
Hình 3.22 Mạch dao động...............................................................................50
Hình 3.23 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển....................................................51
Hình 3.24 Sơ đồ mạch in khối điều khiển.......................................................52
Hình 3.26 Nguyên lý động cơ quay thuận.......................................................53
Hình 3.27 Khi đảo chiều 2 cực thì động cơ quay nghịch................................54
Hình 3.28 Hình dạng, sơ đồ chân, kí hiệu trên mạch điện của IRF540N.......55
Hình 3.29 Sơ đồ nguyên lý của role................................................................57
Hình 3.30 Role trạng thái đầu.........................................................................58

Hình 3.31 Role trạng thái sau..........................................................................59
Hình 3.32 Biểu diễn điện áp đặt vào động cơ với các khoảng thời gian on/off
khác nhau của bộ PWM..................................................................................61
Hình 3.33 Mạch công suất...............................................................................62
Hình 3.34 Cảm biến hồng ngoại......................................................................63
Hình 3.35 Mạch robot hoàn chỉnh...................................................................63
Hình 3.36 Robot dò đường..............................................................................64
Hình 4.1 Chu trình hoạt động của robot dò đường..........................................66
Hình 4.2 Robot dò đường theo vạch line trắng trên nền đá hoa.....................66

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
LCD (Liquid Crystal Display)
Cờ báo bận BF (Busy Flag)
vi


Bộ đếm địa chỉ AC (Address Counter)
DDRAM (Display Data RAM)
CGROM (Character Generator ROM)
CGRAM (Character Generator RAM)
Transistor (T)
Mạch reset (RST)

vii


CHƯƠNG I
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề :
Robot dò đường (Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng

trong ngành Robot học, một ngành không thể thiếu trong lĩnh vực tự động
hóa. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot dò
đường ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công
nghiệp và sinh hoạt. Thiết kế robot tự động dò đường theo một đường đi đã
định sẵn là một bài toán cơ bản trong thiết kế robot di động. Điều khiển robot
dò đường đòi hỏi kiến thức tổng hợp của vi điều khiển, kỹ năng lập trình, điều
khiển truyền động điện, cũng như sử dụng các cảm biến trong việc thu thập
dữ liệu. Đây là bước tiếp cận ban đầu với robot, với các ứng dụng thực tế của
ngành tự động hóa.
Có thể nói, ngày nay điều khiển tự động đã trở thành một nhu cầu không thể
thiếu được của con người và ngày càng làm cho cuộc sống con người tiện nghi
hơn.Con người cố gắng sáng tạo ra các con robot có khả năng làm việc thay con
người.Chúng ta thường bắt gặp các con robot trong các dây chuyền công nghiệp
sản xuất tự động hay robot giúp việc trong gia đình. Cuộc thi Robocon Châu Á
Thái Bình Dương hàng năm là một sân chơi giành cho sinh viên, nhằm kích thích
các ý tưởng sáng tạo ttrong việc thiết kế các robot tự động, đồng thời cuộc thi
cũng là tiền đề để tạo ra những con robot có khả năng áp dụng vào thực tế.
Trên thế giới, robot được ứng dụng vào những công việc có tính chất
lặp đi lặp lại nhiều lần. Cụ thể với công nghiệp nó đã được dùng để hàn, tán
đinh rivê, sơn, mài, đánh bóng, vận chuyển trong những nhà máy sản xuất.
Robot được sử dụng nhiều nhất trong các ngành chế tạo ôtô, công nghiệp điện
và điện tử, chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Các công việc
thường sử dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi trong
các dây chuyền tự động. Đặc biệt ngành công nghiệp chế tạo ôtô của Châu
Âu, nó được ứng dụng làm những cánh tay máy của dây chuyền sản xuất.Về
nông nghiệp, robot được tạo ra để tối giản hóa sức lao động của con người , tự
1


động đi lại chăm sóc cây và thu hoạch như ở thung lũng Salinas, “cái nôi

trồng rau xanh của Hoa Kỳ”, robot thu hoạch đã được triển khai trên đồng
ruộng theo ước tinh mỗi robot bằng 20 lao động. Ở California các kỹ sư thuộc
doanh nghiệp Agrobot của Tây Ban Nha đã chế tạo máy thu hoạch dâu tây…
Về du lịch, robot đôi lúc là những hướng dẫn viên rất thu hút khách du lịch
trong và ngoài nước như các kỳ Seagame…

a)

b)

c)

d
)

Hình 1.1.Một số hình ảnh về robot dò đường trên thế giới
a) Robot SRR và FIDO của NASA b) Robot tự hành bằng chân
Spiderbot di chuyển trên sao Hỏa. c)Robot sáu chân Genghis, d) Robot Meet
Timbot dùng test các phần mềm hệ thống nhúng trong phòng thí nghiệm.
Tại Việt Nam, những năm qua, robot đã được sử dụng trong các ngành
sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim, chế tạo cơ khí, công nghiệp đóng tàu,
an ninh quốc phòng và một vài lĩnh vực khác như thăm dò khai thác biển.
Trong khai thác mỏ, robot được sử dụng cho dây chuyền nghiền than, tại các
lò luyện cốc, công đoạn cấp than là một điển hình về môi trường độc hại,
khói bụi và nhiệt độ cao, ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Robot bốc
xếp thay thế công nhân ở công đoạn lấy và sắp xếp sản phẩm trong dây
chuyền sản xuất kính cũng là một nhu cầu lớn. Trong công đoạn đúc kim loại
2

ở các nhà máy cơ khí và luyện kim, có thể sử dụng robot ở các khâu rót kim
loại và tháo dỡ khuôn – những khâu nặng nhọc, dễ gây tai nạn. Hàn và cắt
kim loại là công nghệ chiếm tỷ trọng lớn trong ngành công nghiệp đóng tàu,
có ý nghĩa quyết định đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Nhu cầu sử
dụng robot hàn, cắt là rất đáng kể. Robot được sử dụng trong một số công
đoạn hàn vỏ tàu ở phần đuôi, các robot tự hành có khả năng nhận dạng vết
hàn phục vụ cho việc tự động hóa một số công đoạn hàn trên boong và bên
trong thân tàu thủy. Trong công đoạn sản xuất nhựa nói chung và sản xuất
phôi cho chai nhựa nói riêng, các tay máy được sử dụng để lấy sản phẩm
đang ở nhiệt độ cao từ trong khuôn ra ngoài, rút ngắn chu kỳ ép của máy ép
nhựa. Do hiệu quả mang lại khá cao, các nhà sản xuất nhựa đã nhập một
lượng lớn tay máy từ Canada, Nhật, Đài Loan với giá khá cao.
Từ mong muốn tránh con người phải đi lại ở những nơi nguy hiểm như
hầm mỏ, núi đá …cũng như tự động hóa trong lĩnh vực nông nghiệp để gia
tăng năng suất lao động, tự động hóa trong lĩnh vực công nghiệp để gia tăng
độ chính xác của gia công, giảm giá thành sản phẩm để ưu việt cạnh tranh
trên thị trường. Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội là một trường đại học
rộng nhất khu vực phía Bắc, rộng thứ 2 cả nước với tài nguyên thiên nhiên
khá phong phú, em rất mong muốn góp một phần sức của mình để tạo ra
những con robot có khả năng ứng dụng trong nông nghiệp như robot tự chăm
sóc và thu hoạch rau, hoa quả như cà chua, ngô, đỗ, đặc biệt là các loại nấm
và hoa lan mà trường ta đang ngày một phát triển. Với khu vực, có thể coi
trường ta là một bầu khí quyển trong lành khá lớn, vì vậy lượng lá rơi hàng
ngày là một con số không nhỏ, robot dò đường có thể được phát triển để ứng
dụng để quét và thu gom rác, giúp trường ta ngày một xanh, sạch, đẹp.
Xuất phát ý nghĩa và mong muốn đó dưới sự hướng dẫn của cô Nguyễn
Thị Hiên ,em đã thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo Robot dò đường tự
động”. Nội dung của đề tài là thiết kế robot dò đường theo một đường màu
trắng trên nền khác màu bất kỳ( nền đá hoa), sử dụng cảm biến thu phát hồng
ngoại và vi điều khiển Atmega16. Đây chỉ là một công việc nhỏ của lập trình

3


điều khiển robot nhưng qua quá trình thiết kế và thi công đề tài, em đã rút ra
được rất nhiều kinh nghiệm thực tiễn quý báu.
1.2 Mục tiêu của đề tài :
Sử dụng các kiến thức đã được học để thiết kế, chế tạo Robot dò đường
tự động theo một đường đi đã định sẵn. Robot hoạt động ổn định có khả năng
tự tìm đường và di chuyển trên quỹ đạo đã định sẵn, sử dụng chương trình điều
khiển theo chiều sâu trong trí tuệ nhân tạo (trí tuệ từ vi điều khiển).
1.3 Ý nghĩa của đề tài :
Bước đầu ứng dụng vi điều khiển trong các bài toán lập trình cho Robot
tự động dò đường, từ đó khai thác, phát triển vi điều khiển cũng như robot
trong các ứng dụng thực tiễn khác, phục vụ đời sống con người.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :
Robot có khả năng tìm được đường đi dựa trên các vạch trắng đã định
sẵn sử dụng thuật toán tìm kiếm theo chiều sâu trong trí tuệ nhân tạo. Robot
có giao diện thân thiện với con người, dễ dàng thay đổi chương trình, và có
thể mở rộng khả năng ứng dụng.
1.5 Phương pháp nghiên cứu :
 Nghiên cứu tổng quan về robot dò đường tự động, kế thừa và phát huy
các ứng dụng về robot dò đường.
 Nghiên cứu tổng hợp kiến thức về vi điều khiển Atmega 16, các mạch cảm biến
 Nghiên cứu các phần mềm phục vụ cho công tác thiết kế, VD: Phần mềm
Proteus 7 Professional để mô phỏng mạch, phần mềm Altium để vẽ mạch .
 Chế tạo mô hình, chạy thử, hiệu chỉnh và rút ra kết luận.
CHƯƠNG II
TỔNG QUAN
2.1

Vài nét về robot dò đường:
Trên thế giới robot dò đường được chế tạo phục vụ mọi mặt trong đời

sống của con người, giúp con người cải thiện đáng kể sức lao động và an toàn
lao động. Sức lao động như việc robot tự hành Nomadic XR4000 và cánh tay

4


robot PUMA đi lại giúp nhặt vật, có thể ứng dụng sâu vào các ngành cơ khí
chế tạo máy để tạo ra các thiết bị hoàn chỉnh, chính xác hơn.

a)

b)

d)

c)

e)

Hình 2.1 Robot dò đường trên thế giới
a)

Robot Nomad 150. b) Sự kết hợp giữa robot tự hành Nomadic

XR4000 và cánh tay robot PUMA 560. c) Robot “con rùa”, d) Robot Houdini
di chuyển bằng bánh xích, e) Robot bán tự động nghiên cứu ở vùng cực bắc.

Với mong muốn tạo ra các con robot có khả năng ứng dụng trong thực tế
trong tương lai, đồ án của em nghiên cứu, thiết kế một robot dò đường, dựa
trên vạch line định sẵn với cấu trúc :
- Độ rộng đường line: 30 mm
- Màu line: trắng
- Nền: đá hoa
Robot dò đường có khả năng đi và định hướng tốc độ theo vạch line đã
định sẵn.
5


2.2 Các yêu cầu về công nghệ:
2.2.1 Yêu cầu về chức năng:
- Hệ thống điều khiển trước hết phải có khả năng giao tiếp với người sử
dụng tức là cho phép thay đổi về thiết lập hệ thống và hiển thị trạng thái của
hệ thống. Chức năng này phải được thiết kế để có khả năng thân thiện với
người sử dụng.
- Hệ thống phải có khối nguồn được cung cấp ổn định để có thể hoạt
động trong một khoảng thời gian cho phép tối đa là 2h đồng hồ. Khi phải thay
nguồn mới hoặc nạp năng lượng cho robot phải được thay thế nhanh chóng và
dễ dàng.
- Hệ thống có khả năng nhận được tín hiệu báo nhận đường đi.
- Hệ thống có khả năng điều khiển được tốc độ của bánh xe robot một
cách linh hoạt để từ đó có thể mở rộng thêm chức năng điều khiển tốc độ của
robot sau này.
- Hệ thống robot có khả năng lựa chọn nhiều chế độ hoạt động khác
nhau. Lựa chọn đường đi theo sự mong muốn của người sử dụng. Và phương
án tiếp cận kế tiếp là tự động lựa chọn đường đi tối ưu để tới đích. Và yêu cầu
quan trọng đối với hệ thống robot là có đơn vị xử lý trung tâm để có thề phối
hợp các hoạt động đồng thời và ổn định trong toàn bộ quá trình hoạt động.

- Đặc biệt là robot có khả năng phát triển mở, tức là có khả năng thêm
chức năng để trở thành một robot thông mình về sau.
2.2.2 Yêu cầu về mặt kĩ thuật:
Về mặt kĩ thuật cần phải đạt được một số các yêu cầu:
- Mềm dẻo trong việc thay đổi cấu trúc và tham số của hệ thống tự động.
- Độ chính
KHỐI
CẢM xác cao.
BIẾN

KHỐI ĐIỀU KHIỂN
ĐỘNG CƠ

- Có khả năng chống nhiễu tốt.
- Dễ dàng tự động hóa.

2.3

KHỐI
ĐIỀU
KHIỂN

Khối chức năng của robot dò đường:

KHỐI NGUỒN
KHỐI HIỂN THỊ

6

Hình 2.2 Các khối chức năng
2.3.1 Khối điều khiển:
Khối điều khiển là bộ lão của robot. Trên thực tế có rất nhiều thiết bị
điều khiển khác nhau, thông dụng nhất là vi điều khiển và PLC. PLC có giá
thành khá cao nên trong đề tài, em đã lựa chọn sử dụng vi điều khiển cho các
mục đích điều khiển của mình, cụ thể em chọn Atmega16 của họ ATMEL
trong số rất nhiều họ vi điều khiển như AT89Cxx, ATMEL, PIC,...
Atmega16 là dòng chip hỗ trợ nhiều tính năng ADC với các cổng mở rộng
phù hợp nhất cho các bài toán nâng cao trong lập trình. Đặc biệt để điều chỉnh
tốc độ động cơ chúng ta cần đến tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM để thay
đổi tốc độ động cơ, về mặt này nếu ta sử dụng vi điều khiển họ 8051, do
không hỗ trợ bộ phận phát tín hiệu PWM nên ta phải thiết kế mạch điều chế
xung bên ngoài phần này làm tăng sự phức tạp cho mạch cũng như kém sự
nhỏ gọn, ngoài ra khó đảm bảo độ chính xác. Mà yêu cầu bài toán đặt ra càng
nhỏ gọn càng tốt, cùng với nó có riêng một phần mềm tạo ra để lập trình cho

7


nó với các hỗ trợ một cách khá tối ưu , giá cả được coi là khá hợp lý nên em
đã chọn nó thay vì chọn các dòng chip AT89Cxx hay các dòng PIC…
Đây cũng là cơ hội để em tìm hiểu kỹ hơn về AVR, với khả năng ứng
dụng tương đối lớn và có tốc độ xử lý cao hơn. AVR cũng có nhiều loại như
Atmega8, Atmega16A, Atmega16L, Atmega32, Atmega128… tùy vào từng
yêu cầu của bài toán đặt ra mà ta cần sử dụng loại nào sao cho phù hợp. Đối
với đề tài này do yêu cầu về bộ nhớ, và số chân, số kênh nên em đã chọn
Atmega16 để đảm bảo chi phí và đáp ứng yêu cầu bài toán đặt ra.
2.3.2 Khối cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để nhận biết các biến đổi của các đại lượng vật lý.
Các đại lượng cần đo m thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp

suất ...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng s mang tính chất điện (như
điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác
định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng s là hàm của đại lượng cần đo m:
s = f(m)
Người ta gọi s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, m là
đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông
quađođạc s cho phép nhận biết giá trị của m.
Nếu chia cảm biến theo sự tiếp xúc với vật thể thì cảm biến gồm hai loại:
Cảm biến tiếp xúc và cảm biến không tiếp xúc. Cảm biến tiếp xúc là cảm biến
nhận biết tín hiệu bằng sự tác động cơ khí giữa các tiếp điểm. Cảm biến
không tiếp xúc là cảm biến nhận tín hiệu bằng sự tác động của các nhân tố
khác như nhiệt độ, ánh sáng, các tia hồng ngoại…
2.3.2.1 Cảm biến tiếp xúc :
a) Công tắc hành trình (công tắc giới hạn - Limit Switch) thuộc
dạng các công tắc, là thiết bị dùng để nhận biết vị trí.

8


Hình 2.3 Công tắc hành trình
Cấu tạo: Bên dưới là cấu tạo đơn giản của hai loại công tắc hành trình
cơ bản là công tắc hành trình kiểu ép và công tắc hành trình kiểu đòn bẩy.

Hinh 2.4 Cấu tạo của công tắc hành trình loại ép
Ở trạng thái ban đầu khi con lăn chưa được tác động, tiếp điểm di động
do có lò xo phản kháng nên tiếp xúc với tiếp điểm cố định trên của công tắc
hành trình. Khi có lực tác động theo hướng vuông góc vào con lăn dẫn đến
tiếp điểm di động không tiếp xúc với tiếp điểm cố định trên mà tiếp xúc với
tiếp điểm cố định dưới. Khi lắp vào cơ cấu chúng ta có thể bắt vít vào bốn lỗ
bắt vít. Tùy theo nhu cầu của người sử dụng mà nối dây vào tiếp điểm di động

với tiếp điểm cố định trên hay dưới.

9


Hình 2.5 Cấu tạo của công tắc hành trình kiểu đòn bẩy
Ở trạng thái ban đầu khi con lăn chưa được tác động, tiếp điểm di động
do có lò xo phản kháng nên tiếp xúc với tiếp điểm cố định trên của công tắc
hành trình. Khi có lực tác động theo hướng từ trên xuống vào con lăn dẫn đến
tiếp điểm di động không tiếp xúc với tiếp điểm cố định trên mà tiếp xúc với
tiếp điểm cố định dưới. Khi nắp vào cơ cấu chúng ta có thể bắt vít vào hai lỗ
bắt vít. Tùy theo nhu cầu của người sử dụng mà nối dây vào tiếp điểm di
động(COM) với tiếp điểm cố định trên(NC) hay tiếp điểm cố định dưới(NO).
 Các loại tiếp điếm của công tắc hành trình.
Khi ký hiệu các thiết bị điện nói chung và công tắc hành trình nói
riêng, các nhà sản xuất luôn luôn ký hiệu ở trạng thái thiết bị không tác
động (không mang điện).
Trên thực tế công tắc hành trình thường có hai kiểu tiếp điểm cơ bản
như sau:

10


o Tiếp điếm thường.

Hình 2.6 Ký hiệu của các kiểu tiếp điểm của công tắc hành trình
Khi sử dụng ta nối chân COM với một đầu, chân còn lại ta nối vào NC
hay NO tùy nhu cầu của người điều khiển. Khi nối vào NC tức tín hiệu luôn
luôn được tác động đến khi công tác hành trình được tác động thì tín hiệu mới
được ngắt ra và ngược lại khi chúng ta nối vào tiếp điểm NO.

o Tiếp điểm có báo đèn.
Một số loại công tắc hành trình có cả đèn để báo trạng thái đóng hoặc
mở của chính nó.

Hình 2.7 Các tiếp điểm của công tắc hành trình có đèn báo trạng thai
Cũng giống như tiếp điểm thường, nhưng để chúng ta có thể quan sát trạng
thái đóng cắt của cơ cấu từ xa nên tiếp điểm báo đèn được đưa vào sử dụng. Nó sẽ
cho chúng ta thấy được các trạng thái đóng cắt của tiếp điểm qua đèn báo.
 Chỉ số IP - Index of Protection.
Chỉ số IP hay con được gọi là chỉ số bảo vệ đã được các hiệp hội tiêu
11


chuẩn quốc tế chấp nhận và lấy để làm tiêu chuẩn về việc chống lại sự xâm
nhập của vật thể và chống lại sự xâm nhập của chất lỏng vào các thiết bị điện
– điện tử. Cụ thể như sau:
Bảng 1 Chỉ số IP của công tắc hành trình

Chỉ sốIP - IP a b
a – Số thứ nhất

b – Số thứ hai

Chống lại sự xâm nhập của vật thể

Chống lại sự xâm nhập của chất lỏng

0

Không bảo vệ

0

Không bảo vệ

1

Vật thể lớn hơn 50mm

1

Nước rơi thẳng đứng

2

Vật thể lớn hơn 12mm

2

Nước rơi thẳng vả xiên < 15 đô

3

Vật thể lớn hơn 2.5mm

3

Nước rơi thẳng vả xiên < 60 đô

4

Vật thể lớn hơn 1mm

4

Nước phun nhẹ từ mọi hướng

5

Vật thể lớn hơn 1mm

5

Nước phun mảnh từ mọi hướng

6

Kín hoàn toàn

6

Nước phun rất mạnh từ mọi hướng

7

Ngâm hoàn toàn trong nước

8

Nhấn chìm hoàn toàn trong nước

Ví dụ: Trên một thiết bị có ghi IP 65, tức là thiết bị này kín hoàn toàn (chống sự
xâm nhập của gió), và có khả năng chống nước phun mạnh từ mọi hướng.
 Ưu, nhược điểm:
Ưu điểm: Đáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụng
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu và hoạt động đơn giản
(ON/OFF)
Nhược điểm: Tuổi thọ ngắn, bị hao mòn.
2.3.2.2 Cảm biến không tiếp xúc :
Cảm biến hồng ngoại, cảm biến quang điện, cảm biến điện từ, cảm biến
chuyển động, cảm biến ánh sáng, cảm biến thông lượng, nhiệt dung… nhưng
trong đồ án tốt nghiệp này em chỉ ứng dụng cảm biến ánh sáng và cảm biến
12


hồng ngoại bởi nó có cấu tạo đơn giản và dễ kiếm trên thị trường với giá
thành phù hợp với sinh viên.
a) Cảm biến hồng ngoại:
Cảm biến hồng ngoại gồm một cặp Led thu phát hồng ngoại gồm Led Blue
siêu sáng và led thu hồng ngoại. Dựa trên nguyên lý thu phát hồng ngoại, Led
Blue siêu sáng có thể phát ra ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng phát ra gặp bề
mặt màu sáng sẽ bị phản xạ trở lại, gặp bề mặt tối màu sẽ bị hấp thụ. Led thu
hồng ngoại nhận được ánh sáng hồng ngoại phản xạ đó và làm thay đổi giá trị
điện trở của nó.
Trong cặp thu phát hồng ngoại (IR): một linh kiện phát hồng ngoại (IR
emitter (IRE)) và một linh kiện nhận (IR receiver (IRR)) tạo thành 1 cặp cảm
biến(sensor). Led thu là loại phản quang, nghĩa là chỉ nhận được ánh sáng
hồng ngoại của Led phát khi ánh sáng đó được phản xạ bởi một vật chắn
sáng. Linh kiện phát sẽ tạo tia hồng ngoại và sau khi phản xạ sẽ truyền tới
linh kiện nhận.

b) Cảm biến quang
- Những nhược điểm khi sử dụng quang trở là:
+ Quá trình hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng .
+ Thời gian hồi đáp lớn.
+ Các đặc trưng không ổn định( già hóa).
+ Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ.
+ Một số loại đòi hỏi phải làm nguội.
Do đó người ta không dùng quang trở để xác định chính xác giá trị thông
lượng mà được sử dụng để phân biệt mức ánh sáng: trạng thái sáng - tối hoặc xung
ánh sáng.
Việc xác định giá trị điện trở của quang trở hoặc xác định sự thay đổi cần
phải có mạch đo phù hợp, nghĩa là phải được cấp dòng không đổi và ghép theo sơ
đồ đo điện thế hoặc sơ đồ cầu Wheatstone, mạch khuếch đại thuật toán. Trong thực
tế thường được ứng dụng 2 trường hợp là điều khiển relay và thu tín hiệu quang.
Khối hiển thị
13


Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng
trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so
với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan
(chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao
thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành thấp …
2.3.2.3 Hình dáng và kích thước:
Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau,
trên hình 2.8 là loại LCD thông dụng.

Hình 2.8 Hình dáng của một LCD thông dụng
Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780)
bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết. Các chân này được

đánh số thứ tự và đặt tên như hình 2.9:

Hình 2.9 Sơ đồ chân của LCD
2.3.2.4 Chức năng các chân:
Bảng 2.2 Chức năng các chân của LCD
Chân
1

Ký

Mô tả

hiệu
Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với
14


GND của mạch điều khiển
Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này

2

VDD

3

VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD.

với VCC=5V của mạch điều khiển
Chân chọn thanh ghi (Register select). Nối chân RS với logic

“0” (GND) hoặc logic “1” (VCC) để chọn thanh ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi lệnh IR của

4

RS

LCD (ở chế độ “ghi” - write) hoặc nối với bộ đếm địa chỉ của
LCD (ở chế độ “đọc” - read)
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR
bên trong LCD.
Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write). Nối chân R/W với

5

R/W logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic
“1” để LCD ở chế độ đọc.
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus
DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho
phép của chân E.
+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào (chấp

6

E

nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-tolow transition) của tín hiệu chân E.
+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi
phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được
LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp.

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với
MPU. Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:

7 - 14

DB0 - + Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit
DB7 MSB là bit DB7.
+ Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới
DB7, bit MSB là DB7

15

+

Nguồn dương cho đèn nền

16

-

GND cho đèn nền
15