Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp môn trang bị điện tử
đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Mục lục Trang Phần I: Đặt vấn đề C h ơng I : Mục tiêu của đề tài 3 Ch ơng II: Đối t ợng nghiên cứu . 4 Ch ơng III :H ớng giải quyết . 6 Phần II :Nội dung đề tài Ch ơngI : Thiết bị phần cứng 7 1 .1 Sensor cảm nhận quang 7 1.1.a: Lựa chọn thiết bị thu, phát quang 7 1.1.b: Lựa chọn dải sóng làm việc của bộ phát và bộ thu 7 1.1.c: Số l ợng và cách bố trí các sensor quang 8 1.1.d: Tính tần số quét của các sensor quang 8 1.2 Mạch phân tích thông tin 9 1.2.a: Sơ đồ mạch điện 9 1.2.b: Mạch biến đổi t ơng tự số( ADC) 10 1.2.b.1: Khâu chuyển đổi t ơng tự số 10 1.2.b.2: Giới thiệu chung về ADC0804 13 1.2.b.3:Hoạt động của ADC0804 17 1.2.c: Bộ phân kênh MC14051 . 8 1.2.c.1: Chức năng Hoạt Động 0 1.2.d: Bộ vi xử lý 89C51 18 1.2.d.1: Sơ đồ khối chức năng 19 Trang bị điện - điện tử 1 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: 1.3 Truyền thông Máy tính Vi xử lý 1.3.a: Các cơ sở của truyền thông nối tiếp. 1.3.b: Các chuẩn RS232 1.3.c: Các cổng COM của IBM PC và t ơng thích . 1.3.d: Nối ghép 8051 tới RS232. Ch ơng II: Phần Mềm II.1 Phân tích các thông tin trả về từ sensor quang 26 2.1.a: Một số phơng pháp có thể sử dụng 26 2.1.a.1:Ph ơng pháp phản hồi bằng cụm 4 sensorvà điều khiển bằng bộ biến trạng thái. 26 2.1.a.2:Ph ơng pháp điều khiển bằng mạng noron nhân tạo 27 2.1.a.2.1: Một số khái niệm cơ bản về mạng Noron 27 2.1.a.2.2: Đánh giá về mạng Noron 41 2.1.a.3: Ph ơng pháp tìm kiếm sensor trung tâm 41 2.1.b: Kết luận về ph ơng pháp sử dụng 42 2.2: Ph ơng pháp tìm sensor trung tâm 42 2.2.a: Nhận dạng đối t ợng 42 2.2.b: Thuật toán thực hiện 47 2.3: Các ch ơng trình : 49 2.3.a: Ch ơng trình mạch đầu vào sử dụng ADC 49 2.3.b: Ch ơng trình tìm sensortrung tâm và xác định vạch ngang 52 Phần III Kết Luận 74 Trang bị điện - điện tử 2 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Phần I: Đặt vấn đề Chơng I: Mục tiêu của đề tài : Trong đề tài này ta nghiên cứu phơng pháp định vị cho rôbốt tự hành trên lới toạ độ ô vuông để từ đó đa ra quyết định về hớng chuyển động tiếp theo của rôbôt trên lới tọa độ. để định vị cho rôbốt tự hành trên lới toạ độ thì ta có thể dùng 1 trong các cách sau: 1. Dùng encoder để xác định quãng đờng đi đợc của 2 bánh rồi từ đó xuy ra vị trí của xe trên lới toạ độ. 2. Dúng các phơng pháp cơ khí để xác định toạ độ của xe (ví dụ dùng dây quấn ). 3. Dúng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ, từ đó tính toán ra toạ độ chính xác của rôbôt. Ta thấy với phơng pháp xác định toạ độ bằng cơ khí thì ta chỉ xác định đợc 1 số ít các quỹ đạo cố định, và độ chính xác không cao do ma sát mặt sàn, độ trợt bánh xe. Với phơng pháp dùng encoder thì có độ linh hoạt cao hơn nhng cũng rất khó khăn trong việc thay đổi quỹ đạo và độ chính xác cũng không cao. Với phơng pháp dùng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ thì ta có thể tính toán chính xác toạ độ của robot trên lới toạ độ mà không chịu ảnh hởng của việc trợt bánh do ma sát. Trang bị điện - điện tử 3 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Từ phân tích trên ta thấy chỉ với phơng pháp dùng các bộ cảm nhận quang để nhận biết các vạch trắng ngang dọc của lới toạ độ là có thể đáp ứng mục đích xác định toạ độ chính xác của robot tự hành lới toạ độ . Trang bị điện - điện tử 4 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Chơng II : Đối tợng nghiên cứu: Đối tợng nghiên cứu của bài toán này là tọa độ của rôbôt tự hành trong quá trình chuyển động trên lới toạ độ ô vuông. Lới toạ độ là những đờng kẻ màu trắng rộng 30mm song song và cách nhau 500mm, đợc vẽ đan xen để tạo nên 1 mạng lới ô vuông trên nền màu xanh lá cây xẫm ,nh hình vẽ trên đây: Những vạch kẻ trắng đợc gián bằng giấy trắng bóng có thể phản quang. Khi robot di chuyển trên lới toạ độ thì nó phải tự phân tích đợc vạch dọc và vạch ngang để từ đó tính đợc toạ độ của robot xo với lới toạ độ. Vì robot di chuyển dựa chủ yếu vào việc phân tích lới toạ độ nên phải làm sao để không bị nhầm lẫn hay bỏ sót các vạch dọc và ngang nếu không robot sẽ không thể đi đợc tới vị trí mong muốn. Trang bị điện - điện tử 5 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Có thể nó việc phân tích đợc chính xác vạch dọc và ngang có ý nghĩa quyết định tới việc định vị rôbốt trên lới toạ độ. Chơng III: Hớng nghiên cứu Ta xử dụng hệ thống sensor cảm nhận quang để xác định các vạch trắng trên nền sân, ta phân biệt các vạch trắng dựa theo sự khác biệt vể mức độ phản xạ ánh sáng của vạch màu trắng và nền màu xanh. Ta phát ánh sáng xuống nền sân và dùng sensor quang để thu ánh sáng phản xạ về, từ cờng độ ánh sáng phản xạ về mà ta sẽ phân biệt đợc vạch trắng và nền xanh. Để so sánh, đánh giá chính xác cờng độ ánh sáng phản xạ về ta sử dụng bộ biến đổi ADC00804 để chuyển đổi điện áp trả về từ các sensor ra dạng số, sau đó xử dụng bộ vi xử lý 89C51 để xử lý các thông tin đa về. Trang bị điện - điện tử 6 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Do cờng độ sáng, phản xạ ở các mặt sân là khác nhau nên ta sẽ phải xử dụng chơng trình tự động bắt mức sáng của sân để lấy đó làm giá trị so sánh. Phần II : Thực hiện đề tài Chơng I : Thiết bị phần cứng I.1: Sensor cm nhn quang: I.1.a: Lựa chọn thiết bị quang Về sensor quang ta có 3 loại thông dụng có bán trên thị trờng là phôtôdiode, phôtôtransistor và quang trở. Với phôtôdiode hồng ngoại và phôtôtransistor hồng ngoại thì độ nhạy rất lớn nhng chỉ thu ánh sáng hồng ngoại nhng mặt sàn sân làm bằng những chất liệu phản xạ tốt ở dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc thế nên nếu dùng đèn phát và thu hồng ngoại thì cờng độ ánh sáng phản xạ về là không thể tốt bằng việc dùng cụm đèn phát và thu ở dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc. Vì vậy trong trờng hợp này ta chọn cụm led phát ánh sáng trắng và quang trở để thu ánh sáng phản xạ là hợp lý. Một vài nét về điện trở quang Điện trở quang là một linh kiện bán dẫn thụ động không có lớp chuyển tiếp pn. Vật liệu dùng để chế tạo điện trở quang là Cds (Cadmium Sulfid), CdSe (Cadmium Selenid), ZnS (Zinc Sulfid) hoặc các tinh thể hỗn hợp khác. Khi bị chiếu sáng, độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn gia tăng do các hạt mang điện tích sinh ra thêm. Độ dẫn điện của bán dẫn có thể đợc diễn tả bằng ph- ơng trình: )( pn pne àà += e: điện tích của electron= 1,602.10 -19 C n và p : mật độ electron và lỗ trống Trang bị điện - điện tử 7 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: n à và p à : độ linh động của electron và lỗ trống Trong cơ chế gia tăng các hạt mang điện tích do sự chiếu sáng, ta có chiều dài sóng giới hạn c . Các photon có độ dài sóng lớn hơn c không làm sản sinh ra thêm các hạt mang điện tích. )( 24,1. eVEE ch gg c == )( m c à :chiều dài sóng giới hạn tuỳ theo độ rộng vùng cấm E g c: vận tốc ánh sáng trong chân không h: hằng số Planck bán dẫn có thể hấp thụ bức xạ có độ dài sõng bé hơn c , khi đó một cặp electron- lỗ trống đợc sinh ra. Với phơng trình (10.1) độ dẫn điện có thể gia tăng nhờ 2 cách: 1.Ga tăng mật độ các hạt mang điện tích. 2.Gia tăng độ linh động hiệu dụng. Quang trở đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: - tắt mở đèn đờng - autofocus trong các máy chiếu phim slide - đo ánh sáng với các máy chụp hình bỏ túi (flash enable) - công tắc ánh sáng - điều chỉnh độ contrast của TV - điều chỉnh độ chiếu sáng cho các mặt hiện số LED và LCD - trò chơi điện tử - end stop trong các máy ghi âm - công tắc tự động bật sáng trong nhà - bật sáng tự động đèn bảo vệ hiên nhà - opto- coupler - detetor các ngọn lửa trong các lò Trang bị điện - điện tử 8 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: I.1.b: Dải sóng làm việc: Vì thiết bị thu của ta là quang trở nên ta chọn giải sóng làm việc là dải sóng ánh sáng nhìn thấy đợc từ 650nm(đỏ) tới 400 nm(tím). Để có dải sóng này ta dùng nguồn phát là đèn led rọi ánh sáng trắng. Với nguồn phát này ta có đợc dải sóng đều từ 650nm tới 400nm. Vì tính chất phản xạ và hấp thụ của mặt sân nên khi ở vùng màu xanh chỉ có ánh sáng màu xanh phản xạ lên nên cờng độ ánh sáng phản xạ chỉ bằng 1 phần 7 ánh sáng phát, còn khi ở dải trắng thì ánh sáng phản xạ gần nh hoàn toàn cờng độ ánh sáng phản xạ về sensorthu là rất lớn gần nh tơng đơng với cờng độ phát. Từ sự khác biệt này ta sử dụng ADC00804 để biến đổi điện áp thu đợc từ quang trở thành dạng số từ đó xử dụng chíp 89C51 để phân tích, so sánh ta sẽ xác định đợc vạch trắng và nền xanh. I.1.c : Số lợng và cách bố trí sensor Để thuận tiện nhất cho việc xác định vạch trắng trong lúc xe di chuyển cũng nh phân biệt vạch ngang và dọc trong lúc xe rôbôt di chuyển với tốc độ cao thì ta xử dụng mô hình dàn senser gồm 12 quang trở thu và 13 led phát theo hành ngang ở phía trên của robot. Mỗi quang trở cách nhau 25mm, xen giữa 2 quang trở là 1 led phát. Độ dài của cả dãy sensorlà 300mm. Với dãy sensorcó độ dài nh thế này thì khi di chuyển rôbôt đợc phép lệch tâm sang mỗi bên là 150mm, đây là khoảng cách khá an toàn cho rôbôt có thể bám vạch tốt khi đi tốc độ cao cũng nh khi bị va chạm với chớng ngại vật hay rôbôt khác. Việc bố trí dãy sensor nh thế này sẽ tạo thuận lợi rất nhiều cho việc lập trình quỹ đạo đi của robot. Trang bị điện - điện tử 9 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: I.1.d: Tần số quét của dãy sensor quang: Vì độ rộng của vạch ngang là 30mm thế nên ta phải tính toán sao cho rôbôt di chuyển không quá nhanh để đủ thời gian cho các sensor nhận biết đ- ợc vạch ngang. Tần số biến đổi của ADC00804 là 100 s nên để biến đổi xong tín hiệu từ 12 sensor ta cần ít nhất là 1200s rồi cộng thêm thời gian phân tích và tính toán thì vào khoảng 2000s. Vậy vận tốc tối đa của robot mà dãy sensor còn có thể đếm đợc đúng số vạch ngang là 15m/s. Tuy nhiên để robot đi ổn định thì ngoài chuyện bắt vạch còn phải tính đến quán tính của xe. Từ quá trình thử nghiệm ta chọn vận tốc cho robot di chuyển ổn định là 1,92m/s. Vận tốc này là khá nhanh khi so với tốc độ 1,2m/s là vận tốc nhanh nhất mà các rôbôt tự động trong cuộc thi rôbôcon 2005 có thể di chuyển. I.2 Mạch phân tích thông tin I.2.a: Sơ đồ mạch điện Do tín hiệu trả về từ các sensor ở dạng điện áp nên để nhận biết đợc sự khác nhau của điện áp trả về từ sensor ta phải có 1 khâu so sánh điện áp. Để thực hiện khâu so sánh điện áp ta có thể có hai cách: Thứ nhất là sử dụng IC so sánh HA17741, LF356, . Thứ hai sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp ra số sau đó so sánh bằng vi xử lý. Trang bị điện - điện tử 10 đhgtvt-k42 [...]... độ ánh sáng của sensor thu thì la phải ổn định cờng độ ánh sáng phát của các đèn LED , cũng chính là ổn định cờng độ dòng điện qua LED phát trong suốt quá trình robôt làm việc Để ổn định cờng độ dòng cấp cho các LED phát ta sử dụng mạch ổn định dòng dùng Transistor 468 Trang bị điện - điện tử 11 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh Sơ đồ. .. vi điều khiển tiến hành đọc , lu giữ Trang bị điện - điện tử 20 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh thông tin, xử lý thông tin, đo thời gian và tiến hành đóng mở một cơ cấu nào đó Trong các thiết bị điện và điện tử dân dụng, các bộ vi điều khiển , điều khiển hoạt động của ti vi, máy giặt, đầu đọc laser, điện thoại, lò viba trong hệ thống... xa nhau hàng trăm đến hàng triệu dặm Hình 5.1 là sơ đồ truyền nối tiếp so với sơ đồ truyền song song Serial Transfer Sender Trang bị điện - điện tử Parallen Transfer Receiver Sender D0 Receiver đhgtvt-k42 28 D7 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh Hình 1.3.a1 Sơ đồ truyền dữ liệu nối tiếp so với sơ đồ truyền song song Thực tế là trong truyền thông nối... hoá một tín hiệu tơng tự bất kỳ đợc biểu diễn bởi một số nguyên lần mức lợng tử, nghĩa là: Z Di = int X Ai X Ai X Ai = Q Q Q trong đó : XAi tín hiệu tơng tự ở thời điểm i; ZDi tín hiệu số ở thời điểm i; Q mức lợng tử; XAi số d trong phép chia lợng tử hoá; int(integer) phần nguyên Trang bị điện - điện tử 14 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh... - Biến đổi song song nối tiếp kết hợp: trong phơng pháp này, qua mỗi bớc so sánh có thể xác định đợc tối thiểu là 2 bit đồng thời Trang bị điện - điện tử 15 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh hiệu chung về chuyển đổi tín hiệu tơng tụ sang số I.2.b.2 Mô tả Sơ đồ chân của ADC0804 Chíp ADC 0804 là bộ chuyển đổi tơng tự số trong họ các loạt.. .đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh - Với cách thứ nhất thì gặp 1 trở ngại rất lớn là giá trị điện áp dùng để so sánh phải đặt cố định và việc tính toán mức điện áp này rất phức tạp Khi gặp môi trờng làm việc khác thì việc thay đổi mức so sánh là khó khăn và thiếu chính xác - Còn với cách thứ hai việc so sánh bằng phần mềm khiến cho bài toán so sánh... điện - điện tử 13 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh UA UM t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 Hình 2.5: Đồ thị điện áp vào và điện áp ra mạchlấy mẫu Tín hiệu ra mạch lấy mẫu đợc đa đến mạch lợng tử hoá để thực hiện làm tròn với độ chính xác Q/2 Mạch lợng tử hoá làm nhiệm vụ rời rạc hoá tín hiệu tơng tự về mặt biên độ Nh vậy nhờ quá trình lợng tử hoá... đợc thiết lập trớc họ lô-gíc TTL rất lâu do vậy Trang bị điện - điện tử 30 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh điện áp đầu vào và đầu ra của nó không tơng thích với mức TTL Trong RS232 thì mức 1 đợc biểu diển bởi - 3v đến - 25v trong khi đó mức 0 thì ứng với điện áp + 3v đến +25v làm cho điện áp - 3v đến + 3v là không xác định Vì lý do... port 2 sử dụng các điện trở kéo lên bên trong khi phát các bit 1 Trong thời gian truy xuất bộ nhớ dữ liệu ngoài sử dụng các bit địa chỉ 8 bit, port phát các nội dung của thanh ghi chức năng đặc biệt P2 Trang bị điện - điện tử 25 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh Port3 : - Port 3 là port xuất nhập 8 bit hai chiều có các điện trở kéo lên... Vi xử lý Trang bị điện - điện tử 27 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Lê anh linh Các máy tính truyền dữ liệu theo hai cách: Song song và nối tiếp Trong truyền dữ liệu song song thờng cần 8 hoặc nhiều đờng dây dẫn để truyền dữ liệu đến một thiết bị chỉ cách xa vài bớc Ví dụ của truyền dữ liệu song song là các máy in và các ổ cứng, mỗi thiết bị sử dụng . nhất là sử dụng IC so sánh HA17741, LF356, . Thứ hai sử dụng ADC để chuyển đổi điện áp ra số sau đó so sánh bằng vi xử lý. Trang bị điện - điện tử 10 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: . int(integer) phần nguyên Trang bị điện - điện tử 14 đhgtvt-k42 U M U A t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 t 6 t 7 Hình 2.5: Đồ thị điện áp vào và điện áp ra mạchlấy mẫu đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: trong. độ thì ta có thể tính toán chính xác toạ độ của robot trên lới toạ độ mà không chịu ảnh hởng của việc trợt bánh do ma sát. Trang bị điện - điện tử 3 đhgtvt-k42 đồ án tốt nghiệp Lê anh linh ::::::::::::::::::::::~~~~~~~~~~~~~~~::::::::::::::::::::: Từ