Thiết kế mạch analog

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh tạo ra nhiểu sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người trong mọi lĩnh vực. Các công nghệ mới luôn thu hút được sự quan tâm, chú ý của nhiều người.Đặc biệt là công nghệ chế tạo robot. Robot di động(Mobile Robot) là một thành phần có vai trò quan trọng trọng ngành robot học. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống tự động hóa, robot di động ngày một được hoàn thiện và càng cho thấy lợi ích của nó trong công nghiệp và sinh hoạt. Một vấn đề rất được quan tâm khi nghiên cứu về robot di động là làm thế nào để robot biết được vị trí nó đang đứng và có thể di chuyển tới một vị trí xác định, đồng thời có thể tự động tránh được các chướng ngại vật trên đường đi. Với suy nghĩ là ứng dụng các kiến thức đã học ở trường và tìm hiểu thêm ở bên ngoài, chúng em đã quyết định chọn đề tài :”THIẾT KẾ ROBOT DÒ ĐƯỜNG” Do điều kiện hạn chế về mặt thời gian như kinh nghiệm còn ít nên chương trình còn có nhiều sai sót,rất mong dược sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn Trong quá trình thực hiện đồ án, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN VĂN HÀO giáo viên hướng dẫn, các thầy cô trong Khoa Kỹ Thuật và Công Nghệ, các bạn trong và ngoài lớp đã trao đổi, góp ý, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học này. Chúng em xin chân thành cảm ơn. CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Thật ra, robot dò đường là 1 biến thể đặc biệt của robot hướng sáng. Sở dĩ nói như vậy là do chúng có cùng nguyên tắc hoạt động là sử dụng cảm biến quang điện ( quang trở hoặc diode hồng ngoại) để so sánh cường độ sáng từ đó điều chỉnh hướng đi thích hợp.  Tuy nhiên, ở robot dò đường, cảm biến được bố trí gần mặt đường và nguồn sáng để so sánh lúc này do chính robot tạo ra. Nhưng do đâu lại có sự sai lệch về cường độ sáng. Câu trả lời nằm ở đường vẽ, đường vẽ này có tính chất khác với xung quanh, thường thì nó có màu đen để hấp thụ ánh sáng. Khi robot đi lệch vào vùng có vạch vẽ, ánh sáng phát ra từ robot không phản xạ lại như bình thường mà bị đường kẻ hấp thụ 1 phần làm sai lệch độ sáng giữa 2 cảm biến. Việc còn lại là thiết kế sao cho robot có hành vi khắc phục sự sai lệch đó và ta có được loại robot đi theo đường vẽ. CHƯƠNG II GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT CÁC LINH KIỆN TRONG MẠCH 2.1Các linh kiện sử dụng trong mạch 2 con khuếch đại thuật toán LM741.  2 con BJT loại NPN C1815  2 quang trở. 2 led siêu sáng (trắng,đỏ).  6 điện trở 10k. 2 Mô tơ, loại cỡ 5V Nguồn sử dụng 9V hoặc 4.5V (ở đây dùng nguồn 9V). 4 điện trở hạn dòng cho led phát 1k 2.2-Nguyên lý hoạt động của từng loại linh kiện 2.2.1Vi mạch khuyêch đại thuật toán LM741: Vi mạch khuyếch đại thuật toán 741 có hai đầu vào inverting (Đảo), non- inverting (thuận) và đầu ra ở chân 6. Khuyếch đại đảo: Chân 2 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra đảo Khuyếch đại không đảo: Chân 3 nối với tín hiệu vào và tín hiệu ra không đảo  Để 741 hoạt động được, cần phải lắp thêm 2 điện trở R1, R2 vào mạch như sơ đồ ở hình dưới Tính hệ số khuyếch đại của mạch dùng vi mạch 741 Khuyếch đại đảo: Hệ số khuyếch đại (AV) = -R2 / R1 Ví dụ: Nếu R2 = 100 Kohm, R1 = 10 kohm, hệ số khuyếch đại của mạch: -100 / 10 = -10 (AV) Nếu điện áp đầu vào là 0.5v thì điện áp đầu ra 0.5v X -10 = -5v Khuyếch đại không đảo : Hệ số khuyếch đại(AV) = 1+(R2 / R1) Ví dụ: Nếu R2 = 1000 kohm, R1 = 100 kohm, hệ số khuyếch đại của mạch: 1+ (1000/100) = 1 + 10 Hệ số khuyếch đại (AV) = 11 Nếu tín hiệu đầu vào là 0.5V thì tín hiệu đầu ra 0.5 X 11 = 5.5v 2.3 – NPN C1815: 2.3.1Cấu tạo của Transistor. ( Bóng bán dẫn ): Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với nhau hình thành hai mối tiếp giáp P-N , nếu ghép theo thứ tự PNP ta được Transistor thuận , nếu ghép theo thứ tự NPN ta được Transistor ngược. về phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều nhau . Cấu tạo Transistor Ba lớp bán dẫn được nối ra thành ba cực , lớp giữa gọi là cực gốc ký hiệu là B ( Base ), lớp bán dẫn B rất mỏng và có nồng độ tạp chất thấp. Hai lớp bán dẫn bên ngoài được nối ra thành cực phát ( Emitter )viết tắt là E,  và cực thu hay cực góp ( Collector ) viết tắt là C, vùng bán dẫn E và C có cùng loại bán dẫn (loại N hay P ) nhưng có kích thước và nồng độ tạp chất khác nhau nên không hoán vị chonhau được. 2.3.2-  Nguyên tắc hoạt động của Transistor. Xét hoạt động của Transistor NPN : Mạch khảo sát về nguyên tắc hoạtđộng của transistor NPN Ta cấp một nguồn một chiều UCE vào hai cực C và E trong đó (+) nguồn vào cực C và (-) nguồn vào cực E. Cấp nguồn một chiều UBE đi qua công tắc và trở hạn dòng vào hai cực B và E , trong đó cực (+) vào chân B, cực (-) vào chân E. Khi công tắc mở , ta thấy rằng, mặc dù hai cực C và E đã được cấp điện nhưng vẫn không có dòng điện chạy qua mối C E ( lúc này dòng  IC = 0 ) Khi công tắc đóng, mối P-N được phân cực thuận do đó có một dòng điện chạy từ (+) nguồn UBE qua công tắc => qua R hạn dòng => qua mối BE về cực (-) tạo thành dòng IB Ngay khi dòng IB xuất hiện => lập tức cũng có dòng IC chạy qua mối CE làm bóng đèn phát sáng, và dòng IC mạnh gấp nhiều lần dòng IB Như vậy rõ ràng dòng IC hoàn toàn phụ thuộc vào dòng IB và phụ thuộc theo một công thức . IC = β.IB - Trong đó IC là dòng chạy qua mối CE - IB là dòng chạy qua mối BE - β là hệ số khuyếch đại của Transistor Giải thích : Khi có điện áp UCE nhưng các điện tử và lỗ trống không thể vượt qua mối tiếp giáp P-N để tạo thành dòng điện, khi xuất hiện dòng IBEdo lớp bán dẫn P tại cực B rất mỏng và nồng độ pha tạp thấp, vì vậy số điện tử tự do từ lớp bán dẫn N ( cực E ) vượt qua tiếp giáp sang lớp bán dẫn P( cực B ) lớn hơn số lượng lỗ trống rất nhiều, một phần nhỏ trong số các điện tử đó thế vào lỗ trống tạo thành dòng IB còn phần lớn số điện tử bị hút về phía cực C dưới tác dụng của điện áp UCE => tạo thành dòng ICEchạy qua Transistor. Xét hoạt động của Transistor PNP : Sự hoạt động của Transistor PNP hoàn toàn tương tự Transistor NPN nhưng cực tính của các nguồn điện UCE và UBE ngược lại . Dòng IC đi từ E sang C còn dòng IB đi từ E sang B. 2.3.3 – Ký hiệu và hình dạng của Transistor Ký hiệu của Transistor Transistor công xuất nhỏ           Transistor công xuất lớn Ký  hiệu ( trên thân Transistor ):Hiện nay trên thị trường có nhiều loại Transistor của nhiều nước sảnxuất nhưng thông dụng nhất là các transistor của Nhật bản, Mỹ và Trung quốc. Transistor Nhật bản : thường ký hiệu là A…, B…, C…, D…   Ví dụ A564, B733, C828, D1555 trong đó các Transistor ký hiệu là A và B là Transistor thuận PNP còn ký hiệu là C và D là Transistor ngược NPN.   Các Transistor  A và C thường có công xuất nhỏ và tần số làm việc cao các Transistor B và D thường có công xuất lớn và tần số làm việc thấp hơn. Transistor do Mỹ sản xuất. thường ký hiệu là 2N…   ví dụ 2N3055, 2N4073 vv… Transistor do Trung quốc sản xuất :Bắt đầu bằng số 3, tiếp theo là hai chũ cái. Chữ cái thức nhất cho biết loại bóng : Chữ A và B là bóng thuận , chữ C và D là bòng ngược, chữ thứ hai cho biết đặc điểm : X và P là bòng âm tần, A và G là bóng cao tần. Các chữ số ở sau chỉ thứ tự sản phẩm.   Thí dụ : 3CP25 , 3AP20 vv.. 2.3.4-  Cách xác định chân E, B, C của Transistor: Với các loại Transistor công xuất nhỏ thì thứ tự chân C và B tuỳ theo bóng của nước nào sản xuất , nhựng chân E luôn ở bên trái nếu ta để Transistor như hình dưới Nếu là Transistor do Nhật sản xuất : thí dụ Transistor  C828,  A564 thì  chân C ở giữa , chân B ở bên phải. Nếu là Transistor Trung quốc sản xuất thì chân B ở giữa , chân C ở bên phải. Tuy nhiên một số Transistor được sản xuất nhái thì không theo thứ tự này => để biết chính xác ta dùng phương pháp đo bằng đồng hồ vạn năng. C1815 là transistor ,nó có 3 cực .Đây là sơ đồ chân của nó.Đầu tiên là chân E,chân 2 là chân C,chân 3 là chân B 2.4 Quang trở: Thông thường, điện trở của quang trở khoảng 1000 000 ohms. Khi chiếu ánh sáng vào, điện trở này giảm xuống rất thấp. Người ta ứng dụng đặc tính này của quang trở để làm ra các mạch phát hiện sáng/tối. Hình ảnh bên dưới mô phỏng quá trình cho dòng điện đi qua của quang trở Mạch phát hiện sáng tối dùng quang trở Khi ánh sáng yếu, trở kháng của quang trở cao. Dòng ở cực B của transistor bé, đèn tắt. Tuy nhiên, khi ánh sáng mạnh, dòng chạy qua quang trở đến cực B của transistor thứ nhất cũng như transistor thứ 2 làm đèn sáng. Biến trở bên dưới tạo thành cầu chia áp để chỉnh độ nhạy của quang trở 2.5-Điện trở : Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng cản trở cả dòng và áp.Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử. Điện trở của dây dẫn có trị số điện trở lớn hay nhỏ tùy thuộc vào vật liệu làm dây, tỉ lệ thuận với chiều dài và tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn. Công thức tính: R =rℓ/S hoặc R=U/I Trong đó : r: là điện trở suất của vật liệu, Wm hay Wmm2/m S: là tiết diện của dây, m2 hay mm2 ℓ : là chiều dài của dây (m). R : điện trở, Ohm (W). Điện trở có đơn vị tính là Ohm, viết tắt là W. 2.6- Led  đơn : Led đơn là một dạng của Diode. Thông thường dòng điện đi qua vật dẫn điện sẽ sinh ra năng lượng dưới dạng nhiệt. Ở một số chất bán dẫn đặc biệt như (GaAs) khi có dòng điện đi qua thì có hiện tượng bức xạ quang (phát ra ánh sáng). Tùy theo chất bán dẫn mà ánh sáng phát ra có màu khác nhau. Led có điện áp phân cực thuận cao hơn diode nắn điện nhưng điện áp phân cực ngược cực đại thường không cao. Hình vẽ cho thấy Led được cấu tạo từ một mối nối bán dẫn PN, khi chất bán dẫn Silicon cho pha Indium (có 3 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ có một nối thiếu điện tử và cho ra 1 lỗ trống) chúng ta sẽ có chân bán dẫn loại P và khi cho pha với Phosphor (có 5 nối hóa trị, khi gắn nó vào mạng Silicon cần 4 nối, sẽ dư ra 1 hạt điện tử), chúng ta có chân bán dẫn loại N. Chất bản dẫn loại P tạo điều kiện dẫn điện bằng các lỗ trống (Hole), đó chính là các nối hóa trị thiếu điện tử. Còn chất bán dẫn loại N có điểu kiện dẫn điện là do các điện tử tự do (điện tử dư ra do phosphor có 5 điện tử hóa trị mà trong kết nối tinh thể chỉ cần có 4 ). Khi mối nối PN được cho phân cực thuận với nguồn pin ngoài, một dòng điện kích thích khi chảy qua mối nối bán dẫn PN sẽ tạo các dao động của các điện tử (Bạn xem hình) và các dao động này sẽ phát ra  sóng điện từ trường đó chính là các tia sáng. Tóm lại Led có 2 chân, gọi là chân âm cực hay Cathode ( do chân  này cho nối vào cực âm của pin)  và chân dương cực  hay Anode (do chân này cho nối vào cực dương của pin), khi chúng ta cho dòng điện chảy qua một Led nó sẽ phát ra chùm tia sáng, và để có điềm sáng đủ mạch, chúng ta dùng vật liệu nhựa trong suốt làm kính hội tụ (Bạn xem hình cấu tạo của Led). Phân cực thuận : VD = 1,4V – 1,8 V(led đỏ). VD = 2V – 2,5V (led vàng). VD= 2V – 2,8 V(led xanh lá). ID= 5mA – 20mA (thường chọn 10mA). Led thường được dùng trong các mạch trạng thái báo hiệu, chỉ thị trạng thái của mạch như báo nguồn, trạng thái thuận hay ngược… CHƯƠNG III THI CÔNG MẠCH + Phần mach :ta tách riêng thành 2 phần:phần cảm biến và phần mạch chính 3.1.Bộ phận cảm biến: Sử dụng 2 quang trở,2 led phát,2 trở hạn dòng cho led phát.Mắc theo sơ đồ sau: -Ảnh thực tế Đặt 2 quang trở cách nhau khoảng 3.5cm-4cm,dùng băng keo đen quấn quanh quang trở để chống nhiễu -Nguyên lý hoạt động: Khi có ánh sáng thì điện trở của quang trở sẽ giảm và ngược lại, điện trở của nó thay đổi cỡ từ 5k (khi có ánh sáng) đến 100k (không có ánh sáng), ta sử dụng 2 led phát làm nguồn sáng cho nó.=>khi gặp nền trắng, Ánh sáng sẽ phản xạ lên quang trở làm điện trở nó giảm xuống và khi gặp vạch đen (băng keo đen) thì ánh sáng sẽ khó phản xạ nên quang trở nhận ít ánh sáng =>trở nó tăng. Từ đó dựa vào 2 quang trở, robot có thể phân biệt được vạch đen trên nền trắng (dưới sự hỗ trợ của opamp so sánh). 3.2.Bộ phận điều khiển moto Sử dụng 6 con trở 10k, Opamp, nguồn 9V, 2 con BJT.Mắc như hình vẽ: DTVT_K31 ĐH QUY NHƠN Ảnh thực tế Và đây là mạch hoàn chỉnh  DTVT_K31 ĐH QUY NHƠN + Phần cơ : Chuẩn bị 2 moto và thêm 2 bộ phận giảm tốc,bộ phận này giúp robot dễ cày hơn nhưng chạy chậm hơn.chạy chậm hơn.Chạy chậm giúp robot dễ nhận vạch hơn vì mấy cảm biến này thay đổi hơi chậm.Hai motơ sẽ gắn với hai bánh sau,phía trước gắn hai bánh xe có thể thay đổi hướng + Phần đường đi Dùng 1 tờ giấy roki ,lấy keo đen dán lên tạo thành vạch để robot dò đường theo ý của người làm 3.3.Nguyên lý hoạt động của toàn mạch:- Khi 2 cảm biến đều nhận nền trắng:Điện trở của 2 quang trở đều giảm xuống chừng 5k => cổng 3 của Opamp sẽ có áp cao hơn cổng 2 => Cổng ra 6 sẽ ở mức dương => kích BJT dẫn => cả 2 moto đều quay>Cả 2 moto đều quay, robot chạy thẳng. - Khi cảm biến bên trái nhận vạch đen (robot đang lệch phải).Điện trở của quang trở 1 sẽ tăng lên cỡ 50-80k => áp trên cổng 3 sẽ bé hơn 4.5V (áp trên cổng 2) => cổng ra 6 sẽ là 0V => BJT 1 sẽ ngưng dẫn => mô tơ 1 (bên trái) ngừng quay. Trong khi đó moto bên phải vẫn quay vì cảm biến phải nhận nền trắng.>Moto trái ngừng, moto phải vẫn quay => robot sẽ rẽ sang trái.- Tương tự khi cảm biến phải nhận vạch đen (robot đang lệnh trái).>Moto phải ngừng, moto trái vẫn quay => robot sẽ rẽ phải.Như vậy, robot của chúng ta sẽ bám (lần, mò...) được vạch đen trên nền trắng. CHƯƠNG IV TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật mạch điện tử - Phạm Minh Hà www.alldatasheet.com  3.3.Nguyên lý hoạt động của toàn mạch 20