Đề tài Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển robot tự động

Đồ áN TốT NGHIệP Đề TàI: THIếT Kế, CHế TạO mạch điều khiển robot tự động (Tham gia cuộc thi sáng tạo robocon 2005) Đề TàI tốt nghiệp sinh viên thực hiện : Khoá học : 2000 - 2005 Ngành đào tạo : Cơ điện tử, kỹ thuật điện tử Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển ROBOT tự động (Tham gia cuộc thi sáng tạo ROBOCON 2005) I. Mục tiêu của đề tài: - Thiết kế và chế tạo rôbốt tự động cho cuộc thi sáng tạo robocon 2005 - Thiết kế và chế tạo mô hình rôbốt tự động dùng cho thử nhiệm. II. Số liệu cho trước: - Các thiết bị trong xưởng thực tập - Phần mềm lập trình nặp chương trình. - Luật chơi của cuộc thi sáng tạo ROBOCON 2005. - Các linh kiện và đồ dùng cần thiết. III. Nội dung cần hoàn thành 1. Trình bày mục tiêu chế tạo ROBOT, sân chơi, luật chơi, ý tưởng thực hiện 2. Thiết kế chế tạo ROBOT theo yêu cầu: + ROBOT hoạt động linh hoạt hiệu quả + Hình thức gọn nhẹ, có tính thẩm mỹ cao + Tham gia được cuộc thi sáng tạo ROBOTCON 2005 do đài THVN tổ chức. 3. Thiết kế chế tạo mô hình điều khiển ROBOT theo yêu cầu: + Mô phỏng được chức năng điều khiển dò đường, đếm vạch. + Mô phỏng được chức năng điều khiển các cơ cầu chấp hành (nâng và đổ bóng) + Dùng làm phương tiện giảng dạy môn điều khiển ROBOT. 4. Sản phẩm đề tài đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mỹ thuật. Quyển thuyết mình và các bản vẽ Ao , Folie mô tả đầy đủ, rõ ràng nội dung của đề tài. Giáo viên hướng dẫn: Ngày giao đề tài: Ngày hoàn thành: 1. Bạch Hưng Trường Ngày tháng năm 2005 2. Nguyễn Xuân Công CHủ TịCH HộI ĐồNG Lời mở đầu Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng về khoa học công nghệ, việc tìm hiểu và đón đầu công nghệ là hết sức cần thiết. Cuộc thi sáng tạo robot là một sân chơi do đài truyền hình Việt Nam (VTV) tổ chức hàng năm. Mà ở đây người tham dự có thể có nhũng ý tưởng độc đáo mang đến cuộc thi. Xuất phát từ lòng ham mê bộ môn ROBOT và tinh thần ham học hỏi chúng em đã đến tham dự với cuộc thi . Chủ đề và luật chơi năm 2005 như sau : Lửa thiêng rực sáng Trường Thành “ Trường thành là một trong những kiến trúc xây dựng hoành tráng nhất trên thế giới. Di tích cổ xưa này đã không chỉ là một di sản văn hoá nổi bật của Trung Quốc mà còn là nơi du lịch hấp dẫn nổi tiếng thế giới. Du khách nước ngoài tới Trung Quốc thường cho rằng chuyến du lịch sẽ chưa hoàn hảo nếu chưa tới Trường Thành, nơi đó chính là một biểu tượng của nền văn minh Trung Hoa cổ xưa và là một minh chứng cho sức mạnh của con người có thể tạo nên diện mạo của thế giới. ” Có một câu ngạn ngữ của Trung Quốc rằng: “Bất đáo Trường Thành phi hảo hán”, vậy thì chúng ta hãy cùng vượt lên tháp của Trường Thành và thắp sáng ngọn lửa thiêng. Robot tham dự cuộc thi phải lên Trường Thành và bỏ những quả bóng nhiên liệu vào năm ngọn đuốc và bốn đài lửa. Thời gian cho mỗi trận đấu là 3 phút. Được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các thầy cô giáo trong khoa, đặc biệt là sự chỉ bảo tận tình của thầy BạCH HƯNG TRƯờng và thầy NGUyễn XUÂN CÔNG với sự nỗ lực của cả nhóm chúng em đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ được giao là: Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển ROBOT tự động và làm mô hình ROBOT dùng cho trong giảng dạy bộ môn điều khiển ROBOT. Trong quá trình làm bọn em có nhiều cố gắng, song chắc sẽ còn rất nhiều thiếu sót, chúng em mong được sự góp ý của thầy cô giáo và các bạn. Chúng em xin chân thành cảm ơn ! Ngày... tháng 06 năm 2005 Sinh viên thực hiện: nHận XéT CủA GIáO VIÊN hướng dẫn 1 ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Hưng Yên. ngày .. tháng ..năm.. Giáo viên hướng dẫn 1 Bạch Hưng Trường nHận XéT CủA GIáO VIÊN hướng dẫn 2 ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... Hưng Yên. ngày .. tháng ..năm.. Giáo viên hướng dẫn 2 Nguyễn Xuân Công mục lục Phần I: Giới thiệu 7 1. Mục tiêu của đề tài. 7 2. Luật chơi và sân chơi. 7 3. ý tưởng và chiến thuật thi đấu . 10 3.1 Giải pháp cơ khí. 11 4. Một số quy ước và cách sử dụng 12 5. Phương hướng giải quyết. 13 5.1 Giải pháp phần cứng. 13 5.2 Giải pháp phần mềm. 13 Phần II: Nội dung. 15 1. Mạch điều khiển ROBOT tự động tham gia cuộc thi Robocon 2005 do đài THVN tổ chức 15 1.1 Khối cảm biến. 15 1.2 Khối xử lý 20 1.3 Khối khuyếch đại 25 1.3.1 Mạch Transistor điều khiển động cơ. 25 1.3.2 Mạch rơ le điều khiển động cơ. 29 1.4 Khối chấp hành. 35 2. Thiết kế, chế tạo mô hình ROBOT dùng trong thử nghiệm, giảng dạy bộ môn ROBOT. 36 2.1 Mô hình mô phỏng điều khiển ROBOT dùng trong thử nghiệm 36 2.2 Mạch đếm dùng IC số. 35 2.3 Mạch chỉnh lưu điện áp. 43 3. Chương trình: 46 3.1 Lưu đồ thuật toán chương trình dò đường. 46 3.2 Lưu đồ thuật toán chương trình ngắt ngoài 1 47 Phần III: Thi công. 57 1. Phương pháp làm mạch. 57 2. Gá cảm biến và kết nối mạch 57 Phần IV: Kết luật và kiến nghị 59 1. Kết luật và hứơng phát triển của đề tài. 59 2. Kiến nghị 59 Phần V: Tài liệu tham khảo. 60 phần I: giới thiệu. 1. Mục tiêu của đề tài: - Thiết kế chế tạo mạch điều khiển ROBOT tự động - Lắp đặt hệ thống cảm biến và hoàn chỉnh ROBOT - Chế tạo mô hình mô phỏng điều khiển hoạt động của ROBOT dùng cho thử nghiệm trong dạy học. 2. Sân chơi, luật chơi 2.1. Luật chơi. Các đội phải chế tạo các ROBOT tham gia thi đấu phù hợp với luật thi sau đây: Lửa thiêng rực sáng Trường Thành “ Trường thành là một trong những kiến trúc xây dựng hoành tráng nhất trên thế giới. Di tích cổ xưa này đã không chỉ là một di sản văn hoá nổi bật của Trung Quốc mà còn là nơi du lịch hấp dẫn nổi tiếng thế giới. Du khách nước ngoài tới Trung Quốc thường cho rằng chuyến du lịch sẽ chưa hoàn hảo nếu chưa tới Trường Thành, nơi đó chính là một biểu tượng của nền văn minh Trung Hoa cổ xưa và là một minh chứng cho sức mạnh của con người có thể tạo nên diện mạo của thế giới. ” Có một câu ngạn ngữ của Trung Quốc rằng: “Bất đáo Trường Thành phi hảo hán”, vậy thì chúng ta hãy cùng vượt lên tháp của Trường Thành và thắp sáng ngọn lửa thiêng. Robot tham dự cuộc thi phải lên Trường Thành và bỏ những quả bóng nhiên liệu vào năm ngọn đuốc và bốn đài lửa. Thời gian cho mỗi trận đấu là 3 phút. 2.2. Sân chơi (1) Sân thi đấu là một khu vực hình vuông có kích thước là 14.000mm X14000mm. (2) Mặt sàn sân thi đấu được làm bằng các tấm nhựa Vinyl có độ dày 2mm. Những phần nối trên bề mặt các tấm nhựa có thể được dán bằng băng dính không bóng ( Non-shiny vinyl tape) . (3) Sân thi đấu được bao quanh một rào cản gỗ cao 100mm và dày30mm. (4) Sân thi đấu bao gồm “ Vùng ROBOT bằng tay”; “Đài lửa” và “Vùng ROBOT tự động” và gồm cả “Vùng tháp báo hiệu”. Xem chi tiết bản vẽ sân thi đấu. (5) Vùng tự động a. Vùng tự động là một hình vuông có kích thước 9000mm X 9000mm. b. Vùng tự động được bao quanh bằng rào cản gỗ cao 100mm và dày 30mm. c. “ Khu xuất phát cho máy tự động ” có kích cỡ 1000mm X 1000mm được đặt ở vùng tự động và hai khu xuất phát này của hai đội đối diện nhau. (Xem hình vẽ) d. Chỉ có ROBOT tự động được hoạt động trong vùng tự động. Đường chỉ dẫn màu trắng rộng 30mm được vạch trên vùng tự động. e. Một khu vực hình bát giác trồi lên có độ cao 100mm nằm ở trung tâm vùng tự động được gọi là “Vùng tháp báo hiệu”. Khu vực này có bốn cạnh dài 2000mm và bốn cạnh kia dài 1414mm. dọc theo hai cạnh dài 2000mm đối diện nhau có hai đường dốc tỷ lệ 1:5 nối phần khu vực sàn cao hơn với phần sàn phía dưới. f. Trong vùng tự động có đặt năm ngọn đuốc. Ngọn đuốc chính cao nhất có độ cao là 1800mm được đặt tại trung tâm của “ Vùng tháp báo hiệu”. Những ngọn đuốc còn lại có độ cao là 1500mm được bố trí xung quanh ngọn đuốc chính. g. Ngọn đuốc là một chiếc khay trong suốt, với phần miệng để trống, được gắn trên đỉnh một chiếc cột đuốc. Ngọn đuốc chính được chia ra các phần bằng nhau với màu đỏ, xanh lục và xanh lam và được gọi là khay năng lượng đỏ, xanh lục, xanh lam tương ứng. Mỗi ngọn đuốc vòng ngoài được chia ra thành hai phần bằng nhau có màu xanh và đỏ và cũng được gọi là khay năng lượng xanh đỏ tương ứng. Riêng ngọn đuốc chính có thể xoay quanh trục của nó trên cột nếu trong cuộc chơi có một lực tác động vào. Các ngọn đuốc khác không xoay được. h. Xem chi tiết cách bố trí tại vùng tự động trên bản vẽ (6) “ Đài lửa ” Bốn đài lửa có đường kính 1200mm được đặt ở bốn góc của vùng tự động. Đĩa nhiên liệu có đường kính 600mm được đặt ở trung tâm của đài lửa. Đĩa nhiên liệu có độ cao 100mm so với mặt sàn cùng với một đường bo viền rộng 50mm. Độ sâu của đĩa là 30mm. Một đường dốc rộng 350mm cầu nối cho đĩa và mặt sàn. Xem chi tiết đĩa nhiên liệu ở bản vẽ. (7) Vùng ROBOT điều khiển bằng tay. a. Vùng ROBOT điều khiển bằng tay bao quanh vùng ROBOT tự động và đài lửa. b. Hai kho chứa nhiên liệu dành cho cả hai đội được đặt đối diện nhau tại vùng ROBOT điều khiển bằng tay, và mỗi kho chứa nhiên liệu này được xếp 16 quả bóng nhiên liệu. c. Khu xuất phát của ROBOT điều khiển bằng tay là một hình vuông có kích thước 1000mm X 1000mm, được đặt ở giữa cạnh của vùng ROBOT điều khiển bằng tay. Hai khu xuất phát của hai đội được đặt đối diện với nhau. d. Xem bản vẽ để biết thêm chi tiết về vùng dành cho ROBOT điều khiển bằng tay. * Các ROBOT. Mỗi đội tham dự phải chế tạo một hoặc cả hai loại máy điều khiển bằng tay và điều khiển tự động. Không giới hạn về số lượng máy tự động nhưng mỗi đội chỉ được phép chế tạo một ROBOT điều khiển bằng tay. * ROBOT điều khiển bằng tay Các máy điều khiển bằng tay phải được vận hành thông qua bộ điều khiển từ xa sử dụng dây cáp; hoặc điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại, tia nhìn thấy, sóng âm. Không được sử dụng sóng vô tuyến. Nguời điều khiển không được phép ngồi hoặc cưỡi lên máy điều khiển bằng tay. Trong trường hợp sử dụng dây cáp, điểm kết nối giữa máy điều khiển bằng tay và hộp điều khiển phải đặt cách mặt sàn ít nhất là 1000mm. Độ dài của cáp điều khiển tính từ máy cho đến hộp điều khiển không được vượt quá 3000mm. Sau khi trận đấu bắt đầu các thành viên đội tuyển không được phép chạm vào ROBOT điều khiển bằng tay. * Các ROBOT tự động Các máy tự động phải tự động hoàn toàn. Tất cả các phần tách ra từ máy tự động được coi là một máy tự động, nó cũng phải có cơ chế như một máy tự động. Trước khi trận đấu bắt đầu mỗi đội chỉ được chất tối đa là 16 quả bóng nhiên liệu lên máy tự động. Mỗi máy tự động sẽ chỉ được khởi động bằng một thao tác. Máy tự động được phép di chuyển tới bất kỳ vùng nào trên sân, ngoại trừ vùng “đài lửa” và khoảng không phía trên của vùng này. Sau khi trận đấu được bắt đầu, tất cả các máy tự động có thể được khởi động lần lượt nhưng các thao tác khởi động phải kết thúc trong vòng 20 giây, sau đó các thành viên phụ trách việc khởi động máy phải rời sân thi đấu ngay và đứng ngoài rào cản gỗ. Những máy tự động nào không hoàn thành việc khởi động trong thời gian quy định phải để nguyên ở khu xuất phát. Khi máy tự động đã xuất phát các thành viên đội tuyển không được phép chạm vào máy đó . Các ROBOT tự động của một đội không được phép liên lạc với nhau dưới mọi hình thức. (3) Phương pháp điều khiển. a. Chỉ một thành viên trong đội được điều khiển ROBOT bằng tay trong khu vực sân chơi . Đối với các máy tự động mỗi trận đấu mỗi đội chỉ được khởi động lại một lần, sau khi đội đó ra hiệu xin được khởi động lại và được sự chấp thuận của trọng tài. Bất kỳ thành viên nào của đội tuyển cũng có thể được phép khởi động lại bất kỳ máy tự động nào bắt đầu từ khu xuất phát. Tất cả các thao tác khởi động lại cũng phải được hoàn tất trong vòng 20 giây. Sau đó những thành viên phụ trách việc khởi động lại máy phải rời sân thi đấu ngay và đứng ngoài rào cản gỗ. Người vận hành máy tự động chỉ được phép vào sân thi đấu khi thực hiện thao tác khởi động máy, kể cả khi khởi động lại. (4) Nguồn cấp năng lượng a. Mỗi đội phải tự chuẩn bị nguồn cho tất cả các máy trong suốt trận đấu. b. Điện áp của nguồn cấp phải dưới 24VDC. c. Các nguồn cấp mà BTC cho là nguy hiểm hoặc không phù hợp sẽ không được phép sử dụng. (5) Khối lượng a. Tổng khối lượng các máy của mỗi đội không được vượt quá 50kg. b. Tổng khối lượng bao gồm khối lượng của nguồn cấp năng lượng, dây cáp bộ điều khiển và các thành phần khác của ROBOT . (6) Kích cỡ a. Máy tự động phải có kích cỡ sao cho đặt vừa trong khu xuất phát (1000mm X 1000mm X 1500mm). b. Sau khi trận đấu bắt đầu và các máy tự động rời khu xuất phát, chúng có thể tách ra và hình dáng có thể thay đổi tuỳ ý nhưng độ cao của mỗi máy sẽ không được vượt quá 2000mm. Máy điều khiển bằng tay phải đặt vừa trong khu xuất phát 1000mm X 1000mm X 1500mm. Sau khi trận đấu bắt đầu và máy điều khiển bằng tay rời khu xuất phát nó có thể thay đổi kích cỡ tùy ý nhưng độ cao không vượt quá 1500mm và không được tách rời. * Các bộ phận khác ( Quả bóng nhiên liệu) (1) Các quả bóng nhiên liệu là mô hình quả bóng rổ thu nhỏ có đường kính là150mm và cân nặng 150g (2) áp suất bên trong quả bóng được kiểm soát sao cho bóng ít đàn hồi nhất. Độ nảy của bóng khi thả từ độ cao 1m xuống mặt gỗ cứng không được vượt quá 150mm. (3) Hai đội thi đấu dùng bóng có màu đỏ và xanh đậm. 3. ý tưởng thực hiện : - Để chế tạo thành một con ROBOT trước tiên ta phải tìm hiểu được nhiệm vụ của nó và cách thức hoạt động của nó. =>Xuất phát từ yêu cầu của luật chơi với ROBOT vòng ngoài chúng em có ý tưởng về kết cấu và phương hướng về đường đi cho ROBOT vòng ngoài _COM2 như sau: ROBOT sẽ đi đến và đổ bóng vào đài gần nhất 5 sau đó tiếp tục đổ tiếp vào đài 2 một quả còn lại, nhằm mục đích có thể thắng tuyệt đối.(như hình vẽ). Hình 1.1 Đường đi của robot vòng ngoài.. xuất phát 5 bóng 1 bóng 3.1. Giải pháp cơ khí: Với khu vực đặt robot trên khu xuất phát cho phép và những tính năng hoạt động của robot kết hợp với luật chơi , chúng em các thành viên nhóm FSMT đưa ra ý tưởng về kết cấu ROBOT như sau : - ROBOT bao gồm các cơ cấu kéo bóng, nâng hạ bóng để và thực hiện yêu cầu này giải pháp là dùng các động cơ và các ròng rọc kéo các cơ cấu nâng hạ và kéo bóng. Hành trình và vị trí nâng hạ bóng được xác định bởi công tắc hành trình, tín hiệu từ công tắc hành trình đựơc đưa vào vi xử lý để cho động cơ dừng khi trạm công tắc hành trình. Robot có sử dụng 4 động cơ : - 2 đ/c dùng để di chuyển - 1 đ/c dùng để kéo cơ cấu đổ bóng. - 1 đ/c dùng để nâng đổ bóng. Hình 1.2 ROBOT tự động vòng ngoài_COM2. 4. Một số quy ước và cách sử dụng: * Một số quy ước : - Công tắc Start (S3): Công tắc gạt nhấn khởi động hệ thống cho ROBOT hoạt động - Nút Reset : Nút ấn Reset hệ thống cho ROBOT trở về trạng thái ban đầu. - Công tắc S1 (Bật/tắt) nguồn 12V cho phần mạch điều khiển. - Công tắc S2 (Bật/tắt) nguồn 24V cho phần mạch công suất. - Công tắc S4 : reset cho Led 7 thanh hiển thị đếm vạch. - Công tắc S5 (Bật/tắt) nguồn +12V dùng qua mạch chỉnh lưu hoặc nguồn ắc quy - Công tắc S6 (Bật/tắt) nguồn +24 dùng qua mạch chỉnh lưu hoặc nguồn ắc quy. * Cách sử dụng : - Khi khởi