thesis report

i

/

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ --------------o0o--------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẮN BANH TENNIS

GVHD : TS. Từ Diệp Công Thành SVTH : Nguyễn Tấn Lộc MSSV : 20301558 SVTH : Tôn Gia Phú MSSV : 20302073

Tp.HCM, tháng 1/2008

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, chúng em xin cảm ơn tất cả quý Thầy/Cô trong Khoa Cơ Khí cũng như

quý Thầy/Cô ở Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã trang bị những kiến thức quý báu

cũng như đã giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường.

Chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy Từ Diệp Công Thành, người đã

tận tình chỉ dạy cho chúng em phương pháp nghiên cứu khoa học, thầy cũng đã cung cấp cho

chúng em rất nhiều kiến thức chuyên sâu để thực hiện đề tài.

Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến qúy Thầy/Cô đã dành thời gian quý báu

để nhận xét và chấm Luận văn tốt nghiệp. Đây sẽ là nhưng đóng góp rất quý giá cho chúng

em trên để hoàn thiện sản phẩm ngày một tốt hơn, một sản phẩm mang thương hiệu Viêt.

Bên cạnh đó, sự hợp tác và giúp đỡ của bạn bè và các thế hệ đàn anh cũng giúp chúng

tôi rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này. Xin được cảm ơn anh Ngô Minh An, Khoa Điện

– Điện Tử, người đã giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong giai đoạn đầu thiết kế, bạn Chu Ngọc

Hân, bạn Nguyễn Thu Trang, bạn Lê Hoàng Nga, những ý kiến đóng góp của các bạn đã giúp

ích rất nhiều cho chúng tôi hoàn thiện đề tài. Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn

cùng học lớp Cơ Điện Tử – Khóa 2003, đặc biệt là bạn Trịnh Quốc Tuấn, những kiến thức

vững chắc về cơ khí của bạn đã giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài!

Sau cùng, nhưng không thể thiếu được, là sự hỗ trợ của gia đình, chúng con xin bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc tới Ba Mẹ, những người đã luôn luôn động viên, ở bên chúng con trong

trong những lúc khó khăn nhất.

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài này tập trung nghiên cứu vấn đề thiết kế, chế tạo máy tập đánh banh tennis đa năng,

đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người mới tập chơi lẫn các vận động viên chuyên nghiệp

trình độ cao mang thương hiệu Việt. Với yêu cầu đó các vấn đề sau đây được triển khai

nghiên cứu, khảo sát thực tế: các phương pháp bắn banh tennis, cơ cấu thay đổi hướng bắn

(thay đổi điểm rơi của banh), cơ cấu cấp banh cho cơ cấu bắn, các loại cảm biến và hệ thống

điều khiển cho máy.

Những vấn đề nghiên cứu trên được hiện thực hóa bằng mô hình máy bắn banh tennis

Favi sử dụng hai bánh đai bắn banh có khả năng tạo được các cú giao bóng với độ xoáy khác

nhau, nòng bắn có 3 bậc tự do có thể chuyển động linh hoạt trong không gian có khả năng tạo

được các cú giao bóng đa dạng có trong thực tế, bảng điều khiển với màn hình LCD cung cấp

một giao diện thân thiện dễ sử dụng đảm bảo các yêu cầu thẩm mỹ. Mạch điều khiển từ xa

bằng sóng vô tuyến cũng được cung cấp để tạo thêm sự tiện lợi cho người sử dụng. Ngoài ra,

Favi còn có khả năng giao tiếp với máy tính thông qua chương trình Favi Main, cung cấp các

khả năng cân chỉnh, cấu hình lại chế độ hoạt động, giúp cho việc bảo trì, sửa chữa khi có sự

cố cũng như tinh chỉnh trước khi đến với người sử dụng được dễ dàng và nhanh chóng.

Sau khi chế tạo xong mô hình, máy bắn banh tennis có thể bắn banh qua sân đối phương

theo những điểm rơi xác định trong giới hạn chính xác cho phép với những đường banh thấp,

bổng, xoáy tạo tính ngẫu nhiên cho người chơi.

iv

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... ii TÓM TẮT LUẬN VĂN ..................................................................................................... iii MỤC LỤC.......................................................................................................................... iv DANH SÁCH HÌNH VẼ.................................................................................................... vi DANH SÁCH BẢNG BIỂU............................................................................................... ix Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................................... 1

1.1 Giới thiệu chung........................................................................................................... 1 1.2 Lịch sử phát triển của bộ môn Tennis ........................................................................... 1 1.3 Nhiệm vụ của máy bắn banh Tennis ............................................................................. 8

Chương 2. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ............................................. 10 2.1 Mục đích và yêu cầu................................................................................................... 10

2.1.1 Mục đích ............................................................................................................. 10 2.1.2 Yêu cầu ............................................................................................................... 10

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận đề tài ......................................................... 10 Chương 3. THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY BẮN BANH TENNIS......................................... 12

3.1 Lựa chọn phương pháp bắn banh................................................................................ 12 3.2 Chọn cơ cấu thay đổi hướng bắn ................................................................................ 14

3.2.1 Dùng cơ cấu lắc................................................................................................... 14 3.2.2 Dùng dạng ống lồng ............................................................................................ 15 3.2.3 Dùng ống lệch ..................................................................................................... 16

3.3 Thiết kế hệ thống cơ ................................................................................................... 17 3.3.1 Bộ phận bắn banh ................................................................................................ 18

3.3.1.1 Điều kiện để banh có thể bị ép và bắn qua hai bánh đai................................. 18 3.3.1.2 Tốc độ bắn.................................................................................................... 20 3.3.1.3 Chế tạo bánh đai ........................................................................................... 20

3.3.2 Cơ cấu quay quanh trục x .................................................................................... 25 3.3.3 Cơ cấu quay quanh trục z..................................................................................... 27 3.3.4 Cơ cấu nâng hạ theo phương z ............................................................................. 27 3.3.5 Cơ cấu cấp banh .................................................................................................. 28 3.3.6 Thiết kế thân máy ................................................................................................ 28

3.4 Lựa chọn động cơ điện ............................................................................................... 29 Chương 4. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................. 33

4.1 Yêu cầu của hệ thống điều khiển ................................................................................ 33 4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển .................................................................................. 33 4.3 Module Master ........................................................................................................... 35 4.4 Module Slave ............................................................................................................. 37 4.5 Module điều khiển từ xa ............................................................................................. 40 4.6 Module hiển thị LCD và giao tiếp với người sử dụng ................................................. 40 4.7 Khối nguồn ................................................................................................................ 42 4.8 Khối giao tiếp với máy tính ........................................................................................ 42 4.9 Cảm biến ví trí ........................................................................................................... 43 4.10 Một số vi mạch được sử dụng trong luận văn............................................................ 43

4.10.1 Vi điều khiển PIC 18F4550 và 18F4431 ............................................................ 43 4.10.2 IC cầu H LMD18200 ......................................................................................... 44 4.10.3 EEPROM AT24C64 .......................................................................................... 44

v

Chương 5. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ........................................................................... 46 5.1 Giải thuật điều khiển chung cho module Master ......................................................... 46 5.2 Giải thuật điều khiển PID cho các module Slave......................................................... 48

5.2.1 Sơ lược về lý thuyết PID cho hệ thống rời rạc...................................................... 48 5.2.2 Rời rạc hóa PID................................................................................................... 49 5.2.3 Áp dụng giải thuật PID vào điều khiển vận tốc và vị trí động cơ .......................... 50

5.2.3.1 Lưu đồ giải thuật PID trong các module Slave .............................................. 50 5.2.3.2 Tìm các giá trị PID thích hợp điều khiển vận tốc........................................... 53

5.3 Cấu trúc dữ liệu lưu trữ trên EEPROM....................................................................... 53 5.4 Giải thuật đọc keypad................................................................................................. 55 5.5 Giải thuật hiển thị Menu trên LCD ............................................................................. 56

Chương 6. CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ FAVI MAIN TRÊN MÁY TÍNH ................... 59 6.1 Giới thiệu ................................................................................................................... 59 6.2 Các chức năng chính hỗ trợ máy tập FAVI ................................................................. 60

6.2.1 Công cụ tìm bộ số PID......................................................................................... 60 6.2.2 Các chức năng khác............................................................................................. 60

6.3 Các tiện ích phụ kèm theo .......................................................................................... 60 6.3.1 Thay đổi giao diện người sử dụng........................................................................ 60

Chương 7. KẾT LUẬN ..................................................................................................... 63 7.1 Đánh giá về mô hình cơ khí........................................................................................ 63 7.2 Đánh giá về mạch điện và lập trình............................................................................. 68 7.3 Hướng phát triển ........................................................................................................ 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 71 PHỤ LỤC A -- BẢN VẼ CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ PHỤ LỤC B – MODULE MOTION FEEDBACK TRONG PIC18F4431 PHỤ LỤC C -- SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN GIAO TIẾP I2C

vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Một súng bắn banh Tennis đơn giản nhất

Hình 1.2: Hai máy bắn banh Tennis thuộc loại đơn giản sử dụng lực ma sát để bắn banh

Hình 1.3: Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 1

Hình 1.4: Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 2

Hình 1.5: Một máy bắn banh Tennis đơn giản sử dụng nguyên lý giống như ná thun

Hình 1.6: Dụng cụ để chứa banh và nhặt banh

Hình 1.7: Máy nhặt banh Tennis

Hình 1.8: Máy tập đánh banh Tennis dạng dùng bánh đai bắn, có thể xoay nòng

Hình 1.9: Máy tập đánh banh Tennis có thể thay đổi hướng theo 3 bậc tự do

Hình 1.10: Rô-Bốt đáng banh Tennis có hình dạng giống như người

Hình 1.11: Máy bắn banh dùng lực ép

Hình 1.12: Máy bắn banh SILENT PARTNER

Hình 1.13: Máy bắn banh PLAYMATE

Hình 3.1: Banh Tennis

Hình 3.2: Máy bắn banh sử dụng cơ cấu lắc

Hình 3.3: Máy bắn banh sử dụng ống lồng

Hình 3.4: Máy bắn banh sử dụng ống lệch

Hình 3.5: Mô hình máy bắn banh Tennis

Hình 3.6: Phân tích lực tác dụng lên banh

Hình 3.7: Kích thước bánh đai

Hình 3.8: Bánh đai

Hình 3.9: Góc ăn banh

Hình 3.10: Khoảng ép banh

Hình 3.11: Hộp bắn banh

vii

Hình 3.12: Ống quay trục x

Hình 3.13: Cơ cấu quay quanh trục x

Hình 3.14: Cơ cấu quay quanh trục z

Hình 3.15: Cơ cấu nâng hạ theo phương z

Hình 3.16: Cơ cấu cấp banh

Hình 3.17: Thân máy

Hình 3.18: Động cơ DC Servo 110W

Hình 3.19:Động cơ DC

Hình 3.20: Động cơ DC Servo 60W

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện MASTER

Hình 4.3 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện MASTER

Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện MASTER

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất động cơ cấp banh

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện SLAVE

Hình 4.7 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện SLAVE

Hình 4.8 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện SLAVE

Hình 4.9 Module REMOTE

Hình 4.10 Bảng điều khiển

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch Control Panel

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên mạch giao tiếp máy tính

Hình 4.14 Sơ đồ khối LMD18200

Hình 4.15 Sơ đồ chân LMD18200

Hình 4.16 Sơ đồ chân EEPROM AT24C64

Hình 4.17 Sơ đồ khối EEPROM AT24C64

viii

Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật chính module Master

Hình 5.2 Lưu đồ giải thuật 2 chế độ hoạt động của Master

Hình 5.3 Lưu đồ giải thuật xử lý lệnh nhận được từ PC

Hình 5.4 Sơ đồ khối giải thuật PID

Hình 5.5 Rời rạc hóa PID

Hình 5.6 Lưu đồ giải thuật chính module Slave

Hình 5.7 Lưu đồ giải thuật hàm phục vụ ngắt SSP

Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật hàm ProcessComand

Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật PID dùng trong module Slave

Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý mạch Keypad

Hình 5.11 Giải thuật đọc Keypad

Hình 5.12 Lưu đồ giải thuật hiện thị menu trên LCD

Hình 5.13 Lưu đồ giải thuật xử lý phím nhấn

Hình 6.1 Giao diện chương trình Favi Main

Hình 6.2 Các chức năng chính trong Favi Main

Hình 6.3 Thay đổi giao diện Favi Main - Bước 1


Hình 6.5 Giao diện khác của Favi Main

Hình 7.1 Hình nhìn tổng thể từ phía trước

Hình 7.2 Hình nhìn tổng thể từ một bên

Hình 7.3 Hình nhìn tổng thể từ phía sau

Hình 7.4 Hình nhìn tổng thể từ một phía

Hình 7.5 Bộ phận bắn banh nhìn một bên

Hình 7.6 Hộp điện điều khiển

Hình 7.7 Mạch điện Slave

Hình 7.8 Mạch điện Master

ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc

Bảng 5.1: Tổng hợp ảnh hưởng 3 hệ số lên đáp ứng hệ thống sử dụng giải thuật PID

Thiết kế và chế tạo máy bắn banh Tennis

Trang 1

Chương 1. TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Ngày nay, với sự phát triển cao của xã hội theo xu thế toàn cầu hoá, các sản phẩm làm ra

phải thể hiện tính cạnh tranh về độ an toàn, sự tiện dụng, độ tin cậy cao và quan trọng là giá

thành hạ … Cơ điện tử chính là hướng giải quyết tối ưu để tạo ra các sản phẩm đáp ứng được

các yêu cầu trên.

Nghiên cứu, chế tạo máy phục vụ nhu cầu con người luôn là hướng đi đầu trong Cơ điện

tử. Ở hướng đi này, hiện tại trên thế giới đã có những bước tiến vượt bậc và có tiềm năng phát

triển vô cùng to lớn. Trong đó, việc tạo ra những máy phục vụ luyện tập, giải trí thể thao luôn

là một trong những lĩnh vực thu hút đầu tư nghiên cứu bởi tiềm năng cũng như lợi ích to lớn

mà nó đem lại. Máy bắn banh Tennis cũng là một trong những sản phẩm đáp ứng được nhu

cầu, thị hiếu của người chơi thể thao.

1.2 Lịch sử phát triển của bộ môn Tennis

Môn thể thao Quần Vợt có từ khi nào? Trong một viện bảo tàng của Hy Lạp có một bức

tranh treo từơng đã cho thấy rằng là có một môn chơi hao hao giống Tennis đã tồn tại 500

năm trước công nguyên. Và tới thế kỷ XV ở nước Pháp từ cái gọi là : “môn chơi bóng bằng

lòng bàn tay” đã xuất hiện môn quần vợt hoàng gia và nó được người ta chơi trên các hành

lang của tu viện. Phải tới những năm cầm quyền của nhà vua Victoria thì môn quần vợt hay là

môn Tennis đương thời mới xuất hiện. Vào năm 1870 lần đầu tiên luật chơi của môn Tennis

được ra đời và với vài sự thay đổi nhỏ thì luật này vẫn còn có hiệu lực cho tới ngày nay.

Hiện nay, trên thế giới, Nhật Bản là nước chế tạo và sử dụng robot công nghiệp hàng đầu

trên thế giới. Nhưng trong lĩnh vực chế tạo máy phục vụ người chơi thể thao thì Mỹ đã đi

trước Nhật trong việc tiếp cận nhu cầu, thị hiếu khách hàng cũng như trình độ thiết kế chế tạo

máy. Với môn Tennis, người ta đã cho ra đời nhiều loại máy để phục vụ cho nhu cầu luyện

tập và thi đấu, từ những chiếc máy dùng cho công việc đan lưới Tennis cho tới các máy nhặt

banh, và các máy bắn banh Tennis từ đơn giản cho tới phức tạp.


Trang 2

Sau đây là một số máy tập điển hình:

Hình 1.1 Một súng bắn banh Tennis đơn giản nhất

Hình 1.2 Hai máy bắn banh Tennis thuộc loại đơn giản sử dụng lực ma sát để bắn

banh


Trang 3

Hình 1.3 Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 1

Hình 1.4 Máy bắn banh Lobster sử dụng lò xo nén loại 2


Trang 4

Hình 1.5 Một máy bắn banh Tennis đơn giản sự dụng quyên lý giống như ná thun

Hình 1.6 Dụng cụ để chứa banh và nhặt banh


Trang 5

Hình1.7 Máy nhặt banh tennis

Hình 1.8 Máy tập đánh banh tennis dạng dùng bánh đai bắn, có thể xoay nòng.


Trang 6

Hình 1.9 Máy tập đánh banh tennis có thể thay đổi hướng theo 3 bậc tự do.

Hình1.10 Robot đánh banh tennis có hình dáng giống con người.


Trang 7

Hình 1.11 Máy bắn banh dùng lực ép

Hình 1.12 Máy bắn banh SILENT PARTNER


Trang 8

Hình 1.13 Máy bắng banh PLAYMATE

Ở Việt Nam hiện nay, mức sống của người dân ta càng ngày càng được cải thiện. Kèm

theo đó, nhu cầu thể dục thể thao cũng phát triển theo, ngày càng đa dạng. Việc đáp ứng nhu

cầu đó là quan trọng, cấp thiết. Tennis là một môn thể thao được đông đảo quần chúng yêu

thích nhưng do việc tập luyện, thi đấu môn thể thao này đòi hỏi sân bãi, dụng cụ thể thao

chuyên dùng, đội ngũ trọng tài, quan sát, phục vụ… rất tốn kém nên chỉ có một số ít người

chơi môn này( vận động viên chuyên nghiệp, giới công chức, người có điều kiện vật chất…).

Để phổ biến, phát triển môn thể thao này, yêu cầu phải hạ mức giá xuống phù hợp với thu

nhập của người dân. Việc nghiên cứu - chế tạo máy tập - đánh banh tennis là một trong những

hướng đi đưa môn thể thao quí tộc này đến với đông đảo quần chúng bởi những ưu điểm sau:

không cần đội ngũ trọng tài - phục vụ đông đảo, nhiều người có thể tập - chơi mọi lúc mọi

nơi, chơi theo trình độ của người chơi… Vì thế nó có thể được sử dụng trong gia đình, trường

học, câu lạc bộ thể thao, công ty… Đây cũng là những yêu cầu cần phải được đáp ứng trong

chế tạo.

1.3 Nhiệm vụ của máy bắn banh Tennis

Máy bắn banh tennis là một dụng cụ trợ giúp cho các vận động viên trong những buổi tập

đơn. Nhiệm vụ chính của máy là phát bóng ra cho vận động viên tập. Hoạt động của nó dựa


Trang 9

trên nguyên tắc động lực, thuỷ lực hoặc khí nén kết hợp với điều khiển.

Loại máy này rất tiện ích cho bạn khi bạn tập một mình. Máy có thể giúp bạn tập với tốc

độ nhanh hoặc không thích thì bạn tập chậm lại theo chế độ bạn cài đặt cho máy, với loại máy

hiện đại, bạn chỉ cần nhấn vài nút trên dụng cụ điều khiển từ xa là nó làm theo ý bạn.

Thực ra loại máy này đã được các nước Âu, Mỹ phát minh ra từ những năm 40. Ban đầu

họ cũng chế tạo nó với nhiệm vụ chính là phát banh, nó được đặt cố định trong suốt thời gian

hoạt động. Nhưng do nhu cầu ngày càng cao, sau này người ta chế tạo nó giống như một anh

chàng robot thực thụ, nó có thể đi quanh sân để giúp bạn thu hồi bóng và dĩ nhiên khi đó nó

không đồng thời phát bóng ra cho bạn được nhưng nó được coi là một phát minh mới.

Khi môn tennis trở nên phổ biến hơn thì không chỉ những người thích thể thao mà cả

những người đã gia nhập thể thao đang cố gắng cải tiến chất lượng trò chơi của họ. Với loại

máy như thế, vận động viên có thể thực hành những cú đánh riêng biệt đến khi anh ta có thể

thực hiện chúng một cách thuần thục và sau đó tiến hành những cú đánh khác.

Tóm lại máy bắn banh Tennis là một dụng cụ giúp đỡ cho mọi người luyện tập. Nhiệm vụ

của máy là bắn ra các quả banh Tennis ở các góc độ và mạnh, nhẹ khác nhau. Với máy này,

người huấn luyện viên có thể dễ dàng phát hiện ra những chỗ sai của người tập. Ngoài ra, đối

với các loại máy hiện đại còn có thể tạo ra các đường banh khó giúp cho trình độ của người

tập càng được nâng cao hơn. Hiện nay, trên thế giới đã có rất nhiều loại máy bắn banh tennis

được quảng cáo trên mạng với các giá khá cao. Tuy nhiên hiện nay ở Việt Nam vẫn chưa có

sản xuất những loại máy này.

Trong những năm gần đây, những sự cải tiến và phát minh mới đã làm cho máy phát banh

tennis này ngày càng trở nên đa dạng và phong phú hơn.


Trang 10

Chương 2. NHIỆM VỤ CỦA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2.1 Mục đích và yêu cầu

2.1.1 Mục đích

Khảo sát thực tế trong giai đoạn quá trình tập chơi để tìm ra những thông số liên quan đến

việc tập bộ môn Tennis như: tốc độ, độ khó, độ xoáy của bóng, thời gian giữa hai lần đánh

bóng khoảng di chuyển của ngươì chơi… để từ đó ta có thể thiết kế máy bắn banh Tennis cho

phù hợp với người chơi.

Mục đích của luận văn là tạo ra được máy tập hoàn chỉnh mang thương hiệu Việt có thể

đáp ứng mọi nhu cầu của người chơi từ nghiệp dư cho đến chuyên nghiệp, hỗ trợ các giáo

viên dạy tennis, các vận động viên đỉnh cao tập luyện nâng cao trình độ.

2.1.2 Yêu cầu

Máy tập phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau:

• Cơ cấu bắn banh ổn định, giảm rung và tiếng ồn trong lúc vận hành.

• Nòng bắn banh phải linh hoạt, có thể tạo được mọi cú giao bóng từ mọi vị trí với vận

tốc và độ xoáy cũng như góc xoáy khác nhau.

• Cơ cấu cấp banh đơn giản, gọn nhẹ, tránh kẹt banh. Tốc độ cấp banh đa dạng tùy thuộc

vào trình độ người chơi.

• Lựa chọn động cơ điện cho phù hợp, đảm bảo các tiêu chí kỹ thuật và an toàn

• Bộ điều khiển linh hoạt, có khả năng mở rộng, đáp ứng nhanh.

• Cách sử dụng đơn giản.

2.2 Phương pháp nghiên cứu và cách tiếp cận đề tài

• Khảo sát thực tế, tìm hiểu các kỹ thuật khó trong luyện tập Tennis.

• Nghiên cứu lý thuyết, lựa chọn phương án bắn banh, tạo được độ khó cơ bản và nâng

cao.


Trang 11

• Thiết kế, gia công các cơ cấu cơ khí sao cho đảm bảo banh được bắn theo các hướng với

vận tốc khác nhau.

• Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển dùng vi xử lý

• Thiết kế, chế tạo vỏ máy, đảm bảo tính an toàn trong sử dụng.

• Lắp ráp hoàn chỉnh và kiểm tra, đánh giá.

• Viết chương trình điều khiển vi xử lý.

• Thử nghiệm, kiểm tra mức độ an toàn và hiệu quả sử dụng.


Trang 12

Chương 3. THIẾT KẾ CƠ KHÍ MÁY BẮN BANH TENNIS

3.1 Lựa chọn phương pháp bắn banh

Khi thiết kế cơ cho máy, điều quan trọng đầu tiên là đưa ra một phương pháp bắn banh

hiệu quả – hợp lí, còn việc thay đổi điểm rơi – hướng banh – độ xoáy phụ thuộc vào phương

pháp bắn banh mà ta đưa ra kết cấu phù hợp.

Banh Tennis có dạng cầu, đường kính ngoài 67 mm bề mặt có lông tăng ma sát trọng

lượng 50 gam, tính đàn hồi cao, có thể chịu lực nén, lực va đập lớn.

Xuất phát từ đặc điểm trên của banh ta đưa ra một số phương pháp bắn banh như sau:

Hình 3.1 Banh Tennis

• Dùng lò xo đẩy banh

* Ưu điểm:

- Chế tạo đơn giản, rẻ tiền

- Tầm bắn rộng

* Nhược điểm:

- Hiệu suất bắn thấp do phải tốn thời gian nén lò xo

- Banh bắn ra không có lực (giống như ném), việc tạo ra những đường banh xoáy

khó khăn (phải thông qua một cơ cấu khác)

- Khi hoạt động gây ra tiếng ồn của lò xo, độ ma sát cao, kết cấu nén – nhả lò xo

phức tạp.


Trang 13

� Dùng khí nén

* Ưu điểm:

- Lực bắn lớn tạo ra tầm bắn rộng, banh có lực.

- Tính chính xác cao do chống chế được lưu lượng, áp suất dòng khí

- Năng suất cao do sử dụng nguồn không khí xung quanh một cách liên tục

* Nhược điểm:

- Phải sử dụng máy nén – lọc không khí nên kết cấu kồng kềnh, phức tạp, giá đắt.

- Khi sử dụng gây tiếng ồn

- Việc sử dụng vận hành phải hiểu biết về khí nén , tính an toàn không cao

� Dùng lực li tâm

* Ưu điểm:

- Năng suất cao, dễ chế tạo

* Nhược điểm

- Do đặc điểm của kết cấu quay li tâm nên máy to kồng kềnh.

- Tầm bắn hạn chế

- Có thể tạo ra lực bắn lớn cần phải có tốc độ quay lớn gây va đập mạnh.

� Dùng phương pháp cán ép banh

* Ưu điểm:

-Năng suất cao có thể bắn banh liên tục với lực bắn mạnh theo nhiều tầm

-Dễ chế tạo, đơn giản

-Có thể tạo ra đường banh xoáy bằng cách cho hai động cơ quay khác tốc độ

-Tận dụng được tính đàn hồi cao của banh.

* Nhược điểm

-Động cơ quay với tốc độ cao để bắn xa nên việc điều chỉnh tốc độ quay gặp nhiều

khó khăn


Trang 14

-Yêu cầu chế tạo hai bánh đai chính xác, nhẹ (giảm lực ly tâm) làm giá thành chế

tạo cao.

Kết luận

Từ sự phân tích ưu – nhược điểm của các phương pháp bắn banh trên ta nhận thấy

phương pháp ép banh là phù hợp nhất, nó đáp ứng được những yêu cầu nêu ở trên.

3.2 Chọn cơ cấu thay đổi hướng bắn

3.2.1 Dùng cơ cấu lắc

Hình 3.2 Máy bắn banh sử dụng cơ cấu lắc.

* Ưu điểm:

- Độ cứng vững cao.

- Các bậc được bố trí hoạt động độc lập nhau nên việc thay đổi hướng bắn dễ dàng, tầm

thay đổi lớn.

* Nhược điểm:


Trang 15

- Do phải bố trí các mâm lắc nên kết cấu lớn, nặng.

3.2.2 Dùng dạng ống lồng

Hình 3.3 Máy bắn banh sử dụng ống lồng.

* Ưu điểm:

- Thiết kế này tận dụng ống dẫn banh làm các khớp nối xoay cũng như làm giá đỡ nên

kết cấu gọn nhẹ .

- Có thể bố trí ba bậc tự do hoạt động độc lập mà vẫn đảm bảo độ cứng vững cần thiết.

* Nhược điểm:

- Việc gia công chế tạo ống (tạo co, tạo khớp nối) yêu cầu độ chính xác hình học cao

đồng thời đảm bảo được độ cứng vững của các khớp xoay.

- Việc thiết kệ- bố trí, tính toán hệ truyền động cho 3 bậc tự do gặp nhiều khó khăn để

đáp ứng các yêu cầu về tải , momen lực, không bị vướng, gọn nhẹ.


Trang 16

3.2.3 Dùng ống lệch

Hình 3.4 Máy bắn banh sử dụng ống lệch.

* Ưu điểm:

- Kết cấu đơn giản (chỉ cần 2 bậc tự do), dễ chế tạo.

- Gọn nhẹ nhưng vẫn đảm bảo chức năng thay đổi hướng banh trong môn tennis.

* Nhược điểm:

- Để xác định hướng bắn cần phối hợp cả hai bậc tự do nên có phần hạn chế, gây khó

khăn trong việc điều khiển.

- Cần lưu ý trong việc tính toán góc lệch, góc ngang ở hai bậc bởi nó quyết định đến tầm

bắn, kích thước máy, điều khiển.

Kết luận:

Từ sự phân tích ưu – nhược điểm của các kết cấu trên ta nhận thấy kết cấu dạng ống

lồng 3 bậc tự do là phù hợp nhất, nó đáp ứng được những yêu cầu được nêu ở trên.


Trang 17

3.3 Thiết kế hệ thống cơ

Hình 3.5 Mô hình máy bắn banh Tennis


Trang 18

3.3.1 Bộ phận bắn banh

3.3.1.1 Điều kiện để banh có thể bị ép và bắn qua hai bánh đai

Hình 3.6 Phân tích lực tác dụng lên banh.

Khi banh tiếp xúc với hai bánh đai tại hai điểm A và A’, mỗi phía của bánh đai tác dụng

lên banh hai lực : phản lực N và lực ma sát T. Nếu hệ số ma sát giữa bề mặt bánh đai và banh

là f thì :

T=N.f (3.1)

Vì βtgf = ( β là góc ma sát ), nên:

ftgN

T== β (3.2)

Chia lực T và N thành hai thanh phần thẳng đứng và nằm ngang:

Thành phần nằm ngang:


Trang 19

αα

α

coscos

sin

NfTT

NN

x

x

==

= (3.3)

Thành phần thẳng đứng:

αα

α

sinsin

cos

NfTT

NN

y

y

==

= (3.4)

Thành phần lực thẳng đứng có tác dụng làm biến dạng banh (ép banh từ dạng hình cầu

thành dạng hình bầu dục). Còn thành phần nằm ngang có tác dụng kéo banh vào hoặc đẩy ra.

Để có thể ép được, thành phần lực nằm ngang phải thoả mãn điều kiện:

αβ

αβ

α

αα

>⇒

>⇔

>⇔

>⇔

>

tgtg

tgf

NNf

NT xx

sincos

(3.5)

Vậy hệ số ma sát f phải lớn hơn tang của góc ăn α hoặc góc ma sát β phải lớn hơn góc

ăn α .

Khi banh đã vào giữa bánh đai thì góc ăn α sẽ nhỏ dần cho đến khi banh đã hoàn toàn

vào trong hai bánh đai thì góc ăn chỉ còn bằng2

α. Chứng tỏ khi đã ép thành thì góc ma sát β

chỉ cần lớn hơn2

α, tức là chỉ cần lớn hơn một nửa trị số ban đầu ép vào, cũng đủ để qúa trình

ép tiến hành. Hiện tượng này gọi là ma sát thừa. Khi vừa qua vị trí giữa, góc α tăng đột ngột,

điều kiện ép vào mất tác dụng, dưới tác dụng của phản lực, banh được bắn ra xa.

Ngoài ra banh muốn ăn vào phải theo điều kiện sau:

2. fRhDh bdaibanh ≤−=∆ (3.6)

Để đảm bảo điều kiện ép vào đồng thời sử dụng ma sát thừa khi ép thành ta sử dụng biện

pháp sau: tăng hệ số ma sát bằng cách dán một lớp cao su lên trên bề mặt bánh đai.

Từ công thức quan hệ:

)cos1( α−=−=∆ DhDh banh (3.7)


Trang 20

Trong đó: Dbanh= 67mm; D: đường kính bánh đai xem như không đổi.

Để nhanh chóng tạo điều kiện ép thành ta sử dụng các biện pháp sau: tăng độ hở h giữa

hai bánh đai làm góc α giảm (h < 67mm) , tăng tốc độ ban đầu của banh bằng cách tăng

chiều dài và đường kính của ống dẫn (nhằm tạo thế năng ban đầu cho banh và giảm ma sát

dọc đường đi).

Như vậy, bằng cách tăng độ ma sát và chọn h thích hợp, ta thoả điều kiện (3.5) và (3.6).

Tuy nhiên việc chọn h còn phụ thuộc vào mức độ biến dạng của banh, nó ảnh hưởng đến tầm

bắn của banh.

3.3.1.2 Tốc độ bắn

Xuất phát từ thực tế trong môn Tennis, tốc độ banh tối đa cần đạt được là100 Km/h

(1667m/p). Để đạt được tốc độ này ta phải xác định đường kính bánh đai bdD ,tốc độ dcv ,

công suất động cơ dcW thích hợp.

Từ công thức liên hệ vận tốc:

bddcb Dvv π.= (3.8)

Trong đó:

bdD bị giới hạn theo kích thước của máy lấy nhỏ hơn 200mm.

dcv , dcW cũng liên hệ với trọng lượng cũng như kích thước động cơ. Đây cũng là hai

yếu tố cần giới hạn.Chọn động cơ có tốc độ khoảng 3000 v/p là phù hợp.

mmD

D

bd

bd

177

.14,3.30001667

=⇒

=

Do banh bị ép trước khi bắn ra nên tốc độ, lực banh tăng lên đáng kể. Yếu tố này phụ

thuộc vào khoảng cách giữa hai bánh đai và công suất động cơ, vì thế khi mà chọn hai thông

số trên phù hợp thì ta có thể giảm đường kính bánh đai và tốc độ động cơ.

3.3.1.3 Chế tạo bánh đai

Kết cấu bánh đai:


Trang 21

Hình 3.7 Kích thước bánh đai

Hình 3.8 Bánh đai

Bánh đai có đặc điểm:

- Bánh đà được làm bằng nhôm có đường kính ngoài là 130


Trang 22

- Ở phía ngoài được bọc một lớp cao su dày 15mm

- Đường kính ngoài 160

- Bề rộng 50

- Bán kính mặt lỗm 50

- Khối lượng 0.5Kg

Khoảng cách trục giửa hai bánh đai lấy bằng 220, từ đó góc ăn 014=α và

760 =∆⇒= hh

Hình 3.9 Góc ăn banh.

Hai bánh đai tạo ra lỗ hình bầu dục. Lỗ hình này vừa tạo điều kiện thuận lợi ăn banh

tốt, lực ép đều mà lại đảm bảo banh không bị biến dạng tập trung, gây hư banh.


Trang 23

Hình 3.10 Khoảng ép banh.

LUẬT QUẦN VỢT (TỔNG CỤC THỂ DỤC THỂ THAO) quy định: “Bóng có sự

biến dạng về phía trước lớn hơn 5.6mm và nhỏ hơn 7.4mm và biến dạng về phía sau nhiều

hơn 8mm và nhỏ hơn 10.8mm, khi có lực tác động 8.165 N vào bóng”. (Tài liệu [3])

Từ đặc điểm của banh như trên [Tỷ lệ: (biến dạng về phía sau) / (biến dạng về phía

trước) =1.45], ta xác định được áp lực N tác động vào banh làm cho banh bật ra:

Từ tỷ lệ trên, xem banh cũng bị biến dạng theo tỷ lệ như thế khi bị ép vào giữa hai bánh

đai. Ta xác định được:

(biến dạng về phía trên) / (biến dạng về phía dưới) = 4,14 /2,86

NN 6,3)

2

8,10814,4

2

4,76,586,2

.(165,8.2

1=

++

+=

Theo định luật CULONG về ma sát trượt khô thì: lực ma sát fNTms = có chiều chống

lại chuyển động tương đối .Trong đó f là hệ số ma sát (hằng số) có đặc điểm:

- Phụ thuộc vào vật liệu bề mặt tiép xúc, trạng thái bề mặt tiếp xúc (trơn hay nhám)

và thời gian tiếp xúc.

- Không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc, áp suất trên bề mặt tiếp xúc và vận tốc

tương đối giữa hai bề mặt tiếp xúc.

- Trong đa số trường hợp, hệ số ma sát tĩnh lớn hơn hệ số ma sát động, riêng đối với


Trang 24

cao su thì ngược lại.(Tài liệu [5])

Như vậy, khi ta phủ một lớp cao su lên trên bề mặt bánh đai thì hệ số ma sát có đặc

điểm:

- Khi banh vừa tiếp xúc với bánh đai thì đó là ma sát động, khi đã bị ép vào thì đó

là ma sát tĩnh. Do đó hệ số ma sát động lớn hơn hệ số ma sát tĩnh làm tăng khả năng banh

được ép và bắn tại thời điểm ban đầu.

- Dù vận tốc quay của hai bánh đai là rất lớn nhưng hệ số vẫn không đổi đảm bảo

banh không bị trượt làm lệch hướng bắn.

Hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc khác nhau được cho trong bảng 3.1:

Mặt tiếp xúc Ma sát khô Ma sát ướt

Cao su – Kim loại 0.36 0.12

Vải – Kim loại _ 0.16

Bảng 3.1 Hệ số ma sát giữa hai mặt tiếp xúc

Trong trường hợp này, hai mặt tiếp xúc là Cao su và Vải ở dạng ma sát khô. Vì thế

36.0>f . Lấy f = 0,6.Do banh bị ép từ hai phía nên áp lực tác động lên mỗi bánh đai là N.

Công suất P trên trục công tác động cơ:

W

nD

fNTn

P

bd

5210.55,9

2850.2

160.6,0.6,3

10.55,9

.2

..

10.55,9 666==== (3.9)

Từ những tính toán trên, hộp bắn banh được thiết kế như trong hình 3.10:


Trang 25

Hình 3.11 Hộp bắn banh

Hộp bắn banh có tác dụng bắn banh ra nhờ vào hai động cơ quay ngược chiều nhau.

Tốc độ của hai động cơ được điểu khiển, nếu có sự khác nhau về tốc độ sẽ tạo ra độ xoáy cho

banh.

3.3.2 Cơ cấu quay quanh trục x

Cơ cấu này có tác dụng làm thay đổi trục xoáy của banh.

Ống quay trục x được làm bằng nhôm, quay tròn trên ổ quay trục x nhờ bạc đạn.


Trang 26

Hình 3.12 ống quay trục x

Hộp bắn banh và ống quay này được truyền động quay bằng động cơ qua dây đai như

hình dưới:

Hình 3.13 Cơ cấu quay quanh trục x


Trang 27

3.3.3 Cơ cấu quay quanh trục z

Hình 3.14 Cơ cấu quay quanh trục z

Cơ cấu này có tác dụng làm thay đổi hướng bắn banh. Chi tiết được làm bằng nhôm,

đỡ trên 2 bạc đạn côn, có thể quay qua quay lại quanh trục z nhờ vào động cơ gắn trực tiếp ở

phía dưới.

3.3.4 Cơ cấu nâng hạ theo phương z


Trang 28

Hình 3.15 Cơ cấu nâng hạ theo phương z

Bao gồm 2 khớp trượt để bộ phận bắn và trượt trên 2 cây thép( Ti-ben) có Φ 16, một

cây thép( Ti-ben) có Φ 12, cơ cấu Rohlix. Khớp trượt được làm bằng nhôm.

Nhiệm vụ của cơ cấu này là nâng bộ phận bắn đi lên, xuống theo trục z bằng cách:

động cơ truyền chuyển động quay qua đai làm cho cây Thép Φ 12 quay tròn, cơ cấu Rohlix sẽ

biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến.

3.3.5 Cơ cấu cấp banh

Cơ cấu này có tác dụng cấp banh cho bộ phận bắn. Khi động cơ quay, banh ở ống

chưa banh được cấp đến hộp bắn banh, tùy theo thời gian delay cho động cơ này mà banh

được cấp theo như mong muốn.

Ống dẫn banh được làm bằng vật liệu nhựa PVC có 75Φ . Tấm cố định ống dẫn banh

được làm bằng vật liệu thép C45.

Hình 3.16 Cơ cấu cấp banh

3.3.6 Thiết kế thân máy

Thân máy được làm bằng thép C45, các chi tiết thép ống, thép tấm được gắn kết với

nhau bằng phương pháp hàn.


Trang 29

Ở phía sau thân được gắn 2 bánh xe định hướng( tự chọn), phía trước gắn 2 bánh xe có

bánh đúc bằng nhôm và bọc vỏ cao su ở ngoài.

Hai bên hông gắn 2 đế chống, có tác dụng giữ cho máy cân bằng ổn định, chống rung

khi máy hoạt động.

Hình 3.17 Thân máy

Các kích thước bản vẽ chi tiết được trình bày ở phụ lục A.

3.4 Lựa chọn động cơ điện

Động cơ điện ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc, độ tin cậy, tính an toàn. Chọn


Trang 30

động cơ điện tối ưu để cho hệ thống hoạt động đạt công suất yêu cầu, tiết kiệm điện năng

cũng như tăng tuổi thọ cho toàn hệ thống

• Chọn động cơ bắn banh: từ (3.9), ta chọn 2 động cơ để quay trực tiếp 2 bánh đai có các

thông số kỹ thuật như sau:

Động cơ DC Servo

Điện áp : 48V

Công suất : 110W

Số vòng quay : 3 500 v/p

Đường kính trục ra : 7Φ mm

Hình 3.18 Động cơ DC Servo 110W

•

• Chọn động cơ thay đổi hướng bắn banh:


Trang 31

Kích thước sân Tennis có dạng hình chữ nhật 23,77 x 8,23 m nên góc quay của cơ cấu

sẽ là 0192/23,8

2/77,23== arctgα . Do động cơ này được gắn trực tiếp nên cần có hộp số để

giảm tốc độ, ta chọn động cơ có thông số kỹ thuật như sau:

Động cơ DC

Điệp áp : 24V

Công suất: 21W

Số vòng quay 20v/ph

Đường kính trục ra 6Φ mm

Hình 3.19 Động cơ DC

• Chọn động cơ thau đổi trục xoáy của banh:

Cơ cấu này yêu cầu tốc độ quay chậm và được đỡ trên bạc đạn nên chịu tải trọng nhỏ, vì

vậy ta chọn động cơ sau:

Động cơ DC

Điệp áp : 24V

Công suất: 21W

Số vòng quay 20v/ph

Đường kính trục ra 6Φ mm


Trang 32

• Chọn động cơ nâng hạ hộp bắn banh:

Do khối lượng bộ phận bắn banh khá lớn nên cần chọn động cơ có công suất lớn,

moment tải lớn, nên ta chọn động cơ sau:

Động cơ DC Servo

Điện áp : 24 V

Công suất : 60W

Số vòng quay 3 000 v/ph

Hình 3.20 Động cơ DC Servo 60W

• Chọn động cơ cấp banh:

Xuất phát từ yêu cầu cấp banh cấp banh khoảng 3-5s một trái, đồng thời đảm bảo tính

thẩm mỹ nên ta có thể chọn động cơ có kích thước nhỏ, công suất nhỏ, số vòng quay nhỏ

nên ta chọn động cơ sau:

Động cơ DC

Điện áp : 24 V

Công suất : 10W

Số vòng quay 20 v/ph


Trang 33

Chương 4. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG ĐIỀU

KHIỂN

4.1 Yêu cầu của hệ thống điều khiển

Máy tập phải đáp ứng cho nhiều người chơi trình độ khác nhau từ cơ bản đến nâng cao

đồng thời phải xây dựng được nhiều bài tập để tránh sự nhàm chán. Do đó ta phải chọn một

phương pháp điều khiển linh hoạt, phong phú và đa dạng đường banh, tạo được tính bất ngờ

đồng thời thể hiện được chiến thuật – vị trí banh mong muốn. Như vậy bộ điều khiển tối thiều

phải đáp ứng được các yêu cầu sau:

- Tốc độ điều khiển nhanh, đáp ứng tức thời các mệnh lệnh từ người sử dụng

- Tiết kiệm năng lượng, có thể hoạt động với thời gian lâu.

- Tốc độ bắn thay đổi phù hợp với người chơi, tối thiểu khoảng 2s/một trái.

- Tạo được các cú phát bóng từ mọi vị trí, với vận tốc, độ xoáy cũng như các góc xoáy

khác nhau.

- Khả năng mở rộng phát triển thêm sau này.

Với các yêu cầu trên chúng em quyết định sự dụng một hệ thống gồm các vi điều khiển

PIC giao tiếp với nhau qua giao thức I2C. Nguồn điện sử dụng cho máy là nguồn điện accquy

nhằm mang lại sự tiện dụng cho người sử dụng.

4.2 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hệ thống được thiết kế theo mô hình phân lớp bao gồm:

- Lớp dưới là các bộ điều khiển động cơ

- Lớp trên là bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển này không can thiệp vào hoạt động

của lớp dưới.

Sơ đồ khối điều khiển được thể hiện trên hình 4.1, gồm một khối xử lý chính (master

module) và các khối xử lý phụ (Slave module).


Trang 34

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Master module là bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống, có các chức năng:

- Giao tiếp với người sử dụng qua module CONTROL PANEL bằng cáp song song và

module REMOTE bằng song vô tuyến.

- Giao tiếp với máy tính ở chế độ test-run thông qua giao thức RS232

- Gửi các mệnh lệnh điều khiển cho Slave module.

- Điều khiển motor 6 để thay đổi tốc độ phát banh

Slave module có các chức năng:

- Nhận lệnh từ master module.

- Đọc giá trị các encoder theo chu kỳ, tính toán vận tốc nếu cần.


Trang 35

- Dùng giải thuật PID để tính các giá trị PWM, điều khiển các động cơ đúng với vị trí

hoặc vận tốc được ra lệnh.

Giao tiếp giữa master module và Slave module thực hiện dựa trên giao thức I2C.

4.3 Module Master

Module MASTER là trung tâm của máy, đảm nhận việc giao tiếp với người sử dụng và

đưa ra các tín hiệu điều khiển đến các module khác qua bus I2C. Trong trường hợp này vi

điều khiển 18F4550 được lựa chọn sử dụng bởi những tính năng ưu việt của nó.

Sơ lược tính năng nổi bật của PIC18F4550:

- Nguồn dao động nội đến 8MHz, dao động thạch anh ngoài lên tới 40MHz, đảm bảo

yêu cầu về tốc độ cho phép hệ thống đáp ứng tức thời với lệnh điều khiển của người sử

dụng.

- Tiêu thụ nguồn thấp (nanoWatt), có các chế độ stand-by tiết kiệm năng lượng, thích

hợp cho các thiết bị, máy tập di động.

- Có nhiều I/O (Port A, B, C, D, E) tăng khả năng kết nối với nhiều module khác nhau.

- 2 kênh điều xung CCP

- 3 chân ngắt ngoài

- Hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp phổ biến hiện nay như RS232, I2C, SPI…

- Có chức năng ICSP, giúp cho việc lập trình, debug dễ dàng hơn khi không cần tháo

chip ra khỏi mạch ứng dụng.

Sơ đồ mạch MASTER được thể hiện như trên hình 4.2 :


Trang 36

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện MASTER

Hình 4.3 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện MASTER


Trang 37

Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện MASTER

Theo yêu cầu thiết kế, máy tập cung cấp cho người sử dụng một thư viện các cú giao bóng

cũng như thư viện các bài tập cơ bản để chọn lựa do đó cần có ROM ngoài để lưu trữ các giá

trị cần thiết. EEPROM được sử dụng trong luận văn là IC AT24C64 có khả năng lưu trữ 8192

byte. EEPROM này cũng sử dụng giao tiếp I2C để đọc và ghi dữ liệu.

Motor điều khiển cấp banh là loại nhỏ, công suất nhỏ và không cần đảo chiều quay nên

mạch công suất được thiết kế đơn giản như sau. Mạch sử dụng MOSFET IRF540 phổ biến

trên thị trường.

Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất động cơ cấp banh

Trên mạch MASTER còn có dip switch để cấu hình các chế độ hoạt động. Ngoài ra còn có

1 led 3 màu để làm tín hiệu sẵn sàng.

4.4 Module Slave

Các module SLAVE đóng vai trò như một driver động cơ, vi điều khiển sẽ đọc giá trị của

encoder và tiến hành xuất xung PWM điều khiển động cơ theo vị trí mong muốn. Lý thuyết

điều rộng xung có thể tìm thấy dễ dàng nên báo cáo không đi sâu. Giải thuật được sử dụng ở


Trang 38

đây là PID do tính đơn giản, dễ áp dụng và sự ổn định của nó. Giải thuật điều khiển này sẽ

được đề cập cụ thể hơn ở chương sau.

Xuất phát từ yêu cầu của bộ điều khiển, chúng ta sẽ chọn PIC 18F4431 làm bộ điều khiển

cho mạch SLAVE. Đây là dòng sản phẩm được dành riêng cho việc điều khiển động cơ với

nhiều tính năng mạnh mẽ. Trong đó nổi bật nhất là module Power Control PWM và Motion

Feedback được thiết kế để hỗ trợ tối đa các ứng dụng Motor Control. Chi tiết về module

Motion Feedback của PIC 18F4431 có thể tìm thấy ở phần sau.

• Sơ lược tính năng nổi bật khác của dòng PIC18F4431

o Nguồn dao động nội đến 8MHz, dao động thach anh lên tới 40MHz, đáp ứng được

yêu cầu của bộ điều khiển PID

o Tiêu thụ nguồn thấp (nanoWatt), có các chế độ stand-by tiết kiệm năng lượng, thích

hợp cho các thiết bị, máy tập di động

o Hỗ trợ giao tiếp nối tiếp RS232, RS485, I2C, SPI

o ICSP và ICD

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch điện SLAVE


Trang 39

Hình 4.7 Sơ đồ mạch in lớp top mạch điện SLAVE

Hình 4.8 Sơ đồ mạch in lớp bottom mạch điện SLAVE

Do các động cơ được sử dụng trong máy tập cỡ nhỏ công suất cao nhất 110W, điện áp

hoạt động 48V, dòng định mức nhỏ 2,1A nên IC cầu H tích hợp LMD18200 của hãng

National được chọn lựa sử dụng nhằm đơn giản hóa và thu gọn kích thước mạch điều khiển.

Đây là IC cầu H được thiết kế và tối ưu hóa dành riêng cho việc điều khiển các động cơ có

công suất nhỏ.

Một số điểm đáng chú ý ở IC LMD18200 như sau:

- Dòng hoạt động lên đến 3A, dòng đỉnh 6A

- Nguồn motor có thể đến 55V

- Ngõ vào logic tương thích với chuẩn TTL và CMOS

- Có cờ báo quá nhiệt ở 145oC


Trang 40

- Chế độ bảo vệ, tự động shutdown ( ngõ ra bị ngắt) ở 170oC

- Có chức năng hồi tiếp dòng

Để bảo vệ cho LMD18200 không bị hỏng khi các cơ cấu tác động bị kẹt, 1 mạch so sánh

áp dùng opamp được sử dụng. Tín hiệu hồi tiếp dòng được biến đổi thành áp và so sánh với 1

mức áp chuẩn được điều chỉnh bằng biến trở. Khi áp hồi tiếp vượt quá giới hạn sẽ phát sinh 1

ngắt trên chân của PIC, khi đó chương trình sẽ khóa tín hiệu input vào LMD để bảo vệ IC.

Trong mạch này, ta cũng sử dụng 1led 3 màu để làm tín hiệu sẵn sàng.

4.5 Module điều khiển từ xa

Do thời gian có hạn nên luận văn không tập trung nghiên cứu kỹ giao tiếp bằng sóng vô

tuyến. Chúng tôi đã quyết định sử dụng 1 module rời có sẵn có thể dễ dàng tìm thấy ngoài thị

trường với giá chấp nhận được. Nếu có thời gian đầu tư thêm, chúng tôi sẽ phát triển 1

module dành riêng cho dòng sản phẩm này.

Module RF này sử dụng cặp PT2262/PT2272 để giải mã tín hiệu. Khoảng cách tối đa

khoảng 50m, rất thích hợp cho máy tập. Module phát với thiết gọn nhẹ, có độ thẫm mỹ cao sẽ

mang đến cho người sử dụng sự tiện lợi.

Hình 4.9 Module REMOTE

4.6 Module hiển thị LCD và giao tiếp với người sử dụng

Module CONTROL PANEL được thiết kế để với mong muốn tạo ra 1 giao diện thân thiện

dễ sử dụng cho người tập. Bề mặt bảng điều khiển được thiết kế bắt mắt, các nút nhấn được

bố trí chìm.


Trang 41

Hình 4.10 Bảng điều khiển

Trên bảng điều khiển gồm có màn hình LCD 4 hàng 20 kí tự, đủ thể hiện các thông báo

cần thiết. LCD được sử dụng trong máy tập có model LMB204B của hang TOPWAY.

Các phím nhấn được bố trí theo cụm chức năng, hài hòa trong tổng thế. Trong mạch sử

dụng 2 con chọn kênh 74151 để đọc phím nhấn, giải thuật đọc phím nhấn sẽ được bàn kỹ hơn

trong chương 5.

Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch Control Panel


Trang 42

4.7 Khối nguồn

Đây là một thành phần không thể thiếu trong hệ thống. Một bộ nguồn ổn định sẽ giúp máy

tập hoạt động ổn định. Do yêu cầu hệ thống phải sử dụng 3 nguồn DC là 5V, 24V, 36V nên

giải pháp được chọn là dùng 1 bộ 3 acquy 12V.5Ah ghép nối tiếp. Nguồn 5V được tạo ra từ

nguồn 12V qua IC 7805, các nguồn khác được đưa trực tiếp từ acquy vào. Nguồn điện từ

acquy khá phẳng nên đủ đáp ứng yêu cầu của máy tập.

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn

4.8 Khối giao tiếp với máy tính

Ngoài chế độ hoạt động độc lập thông thường, chúng tôi còn cung cấp thêm 1 chương

trình điều khiển trên máy tính. Chương trình này sẽ giúp cho các kỹ sư bảo hành được thuận

tiện trong việc xác lập các giá trị cấu hình ban đầu trước khi xuất xưởng, chẩn đoán các lỗi

hỏng hóc ( nếu có ) trong quá trình sử dụng.

Phương án kết nối với máy tính qua cổng COM được chọn lựa. Trong hệ thống, mạch

chuyển mức sử dụng IC MAX232 được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu TTL của VDK thành

chuẩn RS232.


Trang 43

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên mạch giao tiếp máy tính

4.9 Cảm biến ví trí

Để giúp các module Slave điều khiển chính xác vị trí của các cơ cấu, các cảm biến vị trí

được bố trí. Cảm biến vị trí được sử dụng trong đề tài là các công tắc hành trình hoạt động

dựa trên nguyên tắc cơ. Các cảm biến này sẽ giúp các module Slave xác định được vị trí của

các cơ cấu khi mới khởi động máy tập.

4.10 Một số vi mạch được sử dụng trong luận văn

4.10.1 Vi điều khiển PIC 18F4550 và 18F4431

Vi điều khiển ngày càng được sử dụng rộng rãi trong những ứng dụng vừa và nhỏ bởi

nhiều ưu điểm của nó. Với việc tích hợp bên trong các RAM, ROM, mạch giao tiếp nối tiếp,

mạch giao tiếp song song, các bộ định thời và các mạch điều khiển ngắt…, một vi điều khiển

được xem như một hệ máy tính đầy đủ. Trong khi các bộ vi xử lý thích hợp với các ứng dụng

xử lý thông tin trong các hệ máy tính, thì các bộ vi điều khiển thích hợp với các ứng dụng điều

khiển thiết bị xuất nhập trong các thiết kế yêu cầu số thành phần tối thiểu.

Hiện nay, các họ vi điều khiển trên thị trường khá đa dạng. Tại thị trường Việt Nam, các

họ vi điều khiển phổ biến là họ 8051, PIC và AVR… Trong đó, vi điều khiển PIC của hãng

Microchip ngày càng được sử dụng rộng rãi bởi sự vượt trội về tính năng của nó. Dòng PIC

18F4431 và 18F4550 là 2 dòng được xem là mạnh nhất trong họ Mid-range. Chi tiết về cấu

trúc các chức năng cũng như cách sử dụng có thể dễ dàng tìm thấy trên các forum trên mạng

Internet, trong khuổn khổ đề tài này sẽ không tập trung đi sâu vào các chức năng của nó.


Trang 44

4.10.2 IC cầu H LMD18200

LMD18200 là ic cầu H chuyên dụng của hãng National www.national.com được thiết kế

dành riêng cho việc điều khiển các động cơ có công suất nhỏ. Cách sử dụng rất đơn giản có

thể tham khảo trong Datasheet và các App Note kèm theo trên trang chủ.

Hình 4.14 Sơ đồ khối LMD18200

Hình 4.15 Sơ đồ chân LMD18200

4.10.3 EEPROM AT24C64

AT23C64 của hãng Atmel www.atmel.com được thiết kế dùng trong các ứng dụng công

nghiệp và thương mại nơi mà các tiêu chuẩn khắt khe về năng lượng tiêu thụ và điện thế hoạt

động thấp được đặt lên hàng đầu. IC này sử dụng chuẩn I2C để đọc và ghi dữ liệu

Một số tính năng nổi bật

- Hỗ trợ 2 chế độ điện áp hoạt động: low-voltage(Vcc=1,8V đến 5,5V) và standard-


Trang 45

voltage ( Vcc=2,7V đến 5,5V).

- Tiêu thụ năng lượng thấp 2uA ở điện áp 5,5V

- Bộ nhớ được thiết kế thành 8192 vùng, mỗi vùng 1 byte

- Hỗ trợ giao tiếp I2C

- Chế độ chống ghi bằng phần cứng

- Thời gian lưu trữ 100 năm, cho phép đến 1 triệu lần ghi

Hình 4.16 Sơ đồ chân EEPROM AT24C64

Hình 4.17 Sơ đồ khối EEPROM AT24C64


Trang 46

Chương 5. LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

5.1 Giải thuật điều khiển chung cho module Master

Module MASTER là thành phần quan trọng nhất giữ vai trò điều phối các hoạt động trong

hệ thống. Các giải thuật được trình bày dạng tống quát để người đọc có thể dễ hinh dung. Một

số giải thuật phụ đơn giản sẽ không được bàn kỹ trong chương này.

Sau khi khởi động, MASTER sẽ lần lượt kiểm tra các module có trong hệ thống bằng hàm

con InitSystem. Hàm InitSystem sẽ tiến hành khởi động các chức năng của máy tập, reset các

module Slave.

Chương trình được chia thành 2 chế độ

- ConnectPC: chế độ kết nối với máy tính

- NotConnectPC : chế độ hoặt động bình thường

Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật chính module Master

Ở chế độ NotConnectPC, một cây menu sẽ được hiển thị trên màn hình LCD giúp người

tập dễ dàng trong việc sử dụng. Giải thuật hiện thị menu để giao tiếp với người sử dụng sẽ

được trình bày hơn ở phần sau.


Trang 47

Ở chế độ ConnectPC, Master sẽ luôn lắng nghe ở cổng COM chờ đợi tín hiệu lệnh từ máy

tính, mỗi khi máy tính cần cập nhập thông tin gì, nó sẽ ra lệnh cho Master.

Hình 5.2 Lưu đồ giải thuật 2 chế độ hoạt động của Master

Hình 5.3 Lưu đồ giải thuật xử lý lệnh nhận được từ PC


Trang 48

5.2 Giải thuật điều khiển PID cho các module Slave

5.2.1 Sơ lược về lý thuyết PID cho hệ thống rời rạc

Hình 5.4 Sơ đồ khối giải thuật PID

Bộ điều khiển PID bao gồm 3 khâu hiệu chỉnh:

- Khâu hiệu chỉnh tỉ lệ (Proportional): KP

- Khâu hiệu chỉnh tích phân (Integral): Ki

- Khâu hiệu chỉnh vi phân (Derivative): Kd

Hệ số tỷ lệ Kp làm tăng tốc độ đáp ứng, làm cho thời gian xác lập nhỏ hơn (tức là làm cho

hệ thống nhanh chóng đạt giá trị bền vững yêu cầu). Hệ số tỷ lệ lớn sẽ làm giảm giá trị sai

lệch ở trạng thái bền vững (steady state error). Nếu hệ số tỉ lệ Kp quá lớn sẽ có thể dẫn đến sự

mất ổn định, tức là làm cho đáp ứng ngõ ra của hệ thống tăng lên vô tận hay tạo ra sự dao

động liên tục. Khâu hiệu chỉnh tỉ lệ (P) bản thân nó không thể làm triệt tiêu giá trị sai lệch ở

trạng thái bền vững. Do đó ta phải sử dụng khâu hiệu chỉnh tích phân (I) thêm vào để làm triệt

tiêu giá trị sai lệch ở trạng thái bền vững, bằng cách chọn hệ số thích hợp. Quá trình này được

thực hiện bằng cách tích lũy những sai lệch trong suốt thời gian hiệu chỉnh, vì vậy làm tăng

tác động hiệu chỉnh theo chiều hướng làm giảm sai lệch. Quá trình này có thể làm hệ thống

mất ổn định bởi vì nó cần thời gian để tích lũy những sai lệch dẫn đến sai lệch thời gian và

làm cho hệ thống dao động. Khâu vi phân Kd xem như là phần giảm chấn thêm vào hệ thống,

nó làm giảm độ vọt lố (overshoot) và làm chậm đáp ứng ban đầu của hệ thống. Quá trình vi

phân làm giảm ảnh hưởng của quá trình tích phân lên độ vọt lố và dao động. Vì vậy nó được


Trang 49

xem như là quá trình làm ổn định hệ thống. Tuy nhiên nó không làm thay đổi sai lệch ở trạng

thái bền vững.

Đáp ứng của

hệ thống

Thời gian tăng Độ vọt lố Thời gian ổn

định

Sai lệch so với

trạng thái bền

Kp Giảm Tăng Ít thay đổi Giảm

Ki Giảm Tăng Tăng Triệt tiêu

Kd Ít thay đổi Tăng Tăng Ít thay đổi

Bảng 5.1: Tổng hợp ảnh hưởng 3 hệ số lên đáp ứng hệ thống sử dụng giải thuật PID

5.2.2 Rời rạc hóa PID

Hàm truyền của bộ điều khiển PID được miêu tả như sau:

∫++=t

odtteiK

dt

tded

KtepKtU )()(

)()(

e(t) là tín hiệu ngõ vào

U(t) là tín hiệu ngõ ra của bộ điều khiển.

Để áp dụng việc tính toán cho vi điều khiển, ta tiến hành rời rạc hóa công thức trên.

Hình 5.5 Rời rạc hóa PID

Chú thích: - Đường chấm gạch biễu diễn ngõ ra mong muốn.


Trang 50

- Đường đậm biễu diễn ngõ ra thực tế của mô hình.

- t là thời gian lấy mẫu.

Thành phần tích phân:

))((0lim)( ∑ ∆→∆

=∫ ttet

t

odtte

Khi đó lấy gần đúng = > 0, ta có:

∑ ∆≅∫ ti

et

odtte )(

i=0,1,2…

Thành phần vi phân:

{ }ttetet

dttde ∆−→∆

= )]1()2([0lim)(

Khi đó lấy gần đúng = > 0, ta có:

tieiedttde ∆−+= )]()1([)( i=0,1,2…

Vậy ta có

∑ ∆+∆−++= tieiKtieied

KtepKtU )()]()1([)()(

Đặt:

tieieidote ∆−+=+ )]()1([)1(_

tieisumetieisume ∆+=∆=+ ∑ )()(_)()1(_

Để đơn giản cho việc tính toán của vi điều khiển, khi thực nghiệm tìm các hệ số PID thì

các hệ số đã có thời gian trong đó, vì vậy ta có thể sử dụng công thức sau để tính toán

trong vi điều khiển:

sumei

Kdoted

KtepKtU __)()( ++=

5.2.3 Áp dụng giải thuật PID vào điều khiển vận tốc và vị trí động cơ

5.2.3.1 Lưu đồ giải thuật PID trong các module Slave

Ngay khi khởi động, Slave sẽ tiến hành khởi động các chức năng bằng hàm InitSystem.


Trang 51

Trong hàm InitSystem có hàm ReturrnHome giúp các cơ cấu trở về vị trí định trước được xác

định bởi các cảm biến đặt trên cơ cấu, giá trị của encoder sẽ được reset về giá trị định trước.

Tùy vào module mà giải thuật PID sẽ được áp dụng để điều khiển vị trí hoặc vận tốc. Ngoài ra

trong hàm InitSystem cũng khởi động module I2c và chờ lặp cho đến khi nhận được xác nhận

sẵn sàng từ module Master.

Hình 5.6 Lưu đồ giải thuật chính module Slave

Ngắt SSP xảy ra khi có dữ liệu được gửi lên bus I2c.

Hình 5.7 Lưu đồ giải thuật hàm phục vụ ngắt SSP


Trang 52

Hình 5.8 Lưu đồ giải thuật hàm ProcessComand

Hàm PIDControl có InitPID dùng để khởi động ngắt timer, khỏi động module QEI, khởi động module CCP.. Slave sẽ áp dụng giải thuật PID để điều khiển cơ cấu như mong muốn.

Hình 5.9 Lưu đồ giải thuật PID dùng trong module Slave


Trang 53

5.2.3.2 Tìm các giá trị PID thích hợp điều khiển vận tốc

Các hệ số PID được tìm theo phương pháp Ziegler and Nichols.

Chương trình Favi Main trên máy tính có cung cấp 1 công cụ giúp tìm các hệ số PID một

cách nhanh chóng. Chi tiết về chương trình Favi Main sẽ được nói kỹ hơn ở chương 6.

Mô tả công cụ:

- Chương trình giao tiếp với mạch MASTER qua cổng giao tiếp RS232.

- Các hệ số PID có thể chỉnh trực tiếp từ máy tính. Dữ liệu sẽ được truyền xuống

MASTER qua cổng COM, sau đó sẽ được gửi sang SLAVE qua bus I2C.

- Vị trí và tốc độ động cơ mong muốn tương tự cũng được nhập từ chương trình.

- Chương trình có chức năng vẽ lại đồ thị mô tả đáp ứng của động cơ, từ đó cho người

sử dụng cái nhìn trực quan về đáp ứng của hệ thống. Từ đồ thị đó, ta có thể tìm được

bộ số PID theo phương pháp Ziegler và Nichols.

Tuy nhiên với các bộ số PID nhất định thì hệ thống chỉ đáp ứng tốt trong một khoảng giới

hạn nào đó. Vì vậy khi tải hệ thống thay đổi, hoặc có sự tác động của môi trường thì đáp ứng

của hệ thống không còn tốt như ta mong muốn.

5.3 Cấu trúc dữ liệu lưu trữ trên EEPROM

Hệ thống được trang bị EEPROM để lưu trữ các giá trị sau đây:

• Trong hệ thống điều khiển, vị trí của 3 bậc tự do được thể hiện bằng giá trị encoder

của động cơ trong cơ cấu đó. Tuy nhiên đây là 1 số nguyên 16bit nên để giảm bớt sự

phức tạp cho người sử dụng, chúng tôi “scale down” xuống thành 1 số nguyên 8bit.

Người tập chỉ quan tâm đến thông số này. Tùy vào cơ cấu mà độ dài của đoạn hành

trình sẽ khác nhau, giá trị max của vị trí tương ứng cũng sẽ khác nhau và giá trị scale

down cũng khác nhau. Do đó các giá trị này sẽ được lưu trữ trong eeprom và có thể

được truy xuất trực tiếp từ chương trình hỗ trợ Favi Main ( sẽ được nói rõ ở chương

6). Như vậy chúng ta có thể cân chỉnh các module Slave mà không cần phải lập trình

lại, chỉ cần qua giao diện trên máy tính. Tương tự với 2 động cơ bắn banh cũng có 2

giá trị cần lưu trữ: vận tốc max và hệ số scale down.


Trang 54

• Các giá trị của bộ số PID

• Theo thiết kế, chúng tôi xây dựng cho người sử dụng 2 thư viện:

- Thư viện các cú giao bóng, mỗi cú giao bóng được lưu trữ bởi 5 byte tương ứng

với giá trị của 5 cơ cấu

- Thư viện các bài tập, mỗi 1 bài tập là 1 tập hợp 5 cú giao bóng khác nhau

Các giá trị này cũng cần được lưu trữ.

• Ngoài ra, để giúp quá trình bảo trì máy được thuận lợi, các lỗi phát sinh trong quá

trình hoạt động cũng được lưu lại.

Tóm lại, cấu trúc dữ liệu trên EEPROM được sắp xếp như sau

• Vùng 1 ( 51 byte đầu 0 - 50): lưu trữ các giá trị của từng module Slave

- Byte 0 : <unused>

- Byte 01 - 10: các giá trị của module Slave 1 lần lượt là : bộ số PID 3byte, độ dài

hành trình 2byte, hệ số scale down 1byte, giá trị level 1byte. Các byte còn lại dự

phòng



phòng



phòng



phòng



phòng

• Vùng 2 ( 49 byte tiếp theo 51 – 100 ): lưu trữ các giá trị cấu hình của Master


Trang 55

- Byte 51: số lần lỗi I2C xuất hiện

- Byte 61 – 65 : 5 bài tập mẫu

• Vùng 3 (900 byte tiếp theo 101 – 1000): lưu trữ thư viện các bài tập. Chúng ta giành ra

10byte để lữu trữ 1 bài tập bao gồm: 5 cú giao bóng cần 5 byte lưu trữ 5 giá trị ID của

nó, 1 byte thời gian giữa các cú giao bóng.

- Byte 101 – 110, bài tập ID = 1

- Byte 111 – 120, bài tập ID = 2

- …

• Vùng 4 ( 7000 byte tiếp theo), mỗi cú giao bóng cần 5 byte để lưu trữ

- Byte 1001 - 1010: cú giao bóng ID=1

- Byte 1011 - 1020: cú giao bóng ID=2

5.4 Giải thuật đọc keypad

Các phím nhấn (16 phím) được nối vào 16 đường input của 2 con ic chọn kênh 74151. Để

xác định được phím nào được nhấn ta lần lượt dùng 3 chân chọn kênh để lần lượt đọc các

trạng thái của nút nhấn.

Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý mạch Keypad


Trang 56

Thanh ghi trang thái phím nhấn 16bit KEYPAD_STATUS. Mỗi một phím nhấn trên bảng

điều khiển có 1 bit tương ứng trong thanh ghi KEYPAD_STATUS, khi phím được nhấn thì

bit tương ứng sẽ được set lên 1 và ngược lại.

Giải thuật đọc phím:

Hình 5.11 Giải thuật đọc Keypad

5.5 Giải thuật hiển thị Menu trên LCD

Để giúp người sử dụng cảm thấy thoái mái, chung tôi cung cấp 1 giao diện menu cuốn trên

LCD nhằm tạo ra một giao diện thân thiện và dễ sử dụng.

Lưu đồ giải thuật được trình bày một cách tổng quát để dễ hình dung. Chương trình sử dụng

cấu trúc TypeMenu để lưu trữ các menu con. Một menu sẽ có các thuộc tính :

- SubMenu: menu cha của menu hiện tại

- MenuNam: tên menu


Trang 57

- Note: câu hướng dẫn giúp người sử dụng hiểu sơ lược tính năng của menu

- Writed: biến Boolean 1- có thể ghi; 0 – Không thể ghi

- Data: dữ liệu đi kèm với menu tương ứng

Hệ thống menu được dùng trong máy tập

struct TypeMenu MenuOfFAVI[ALL_MENU]

={{ROOT, "" ,"" ,0,0},

{ROOT, "Play now" ,"Phay now" ,0,0},

{ROOT, "Shot Lib" ,"Shot Library" ,0,0},

{ROOT, "Ex. Lib" ,"Exercise Library" ,0,0},

{ROOT, "Option" ,"Configure your setting" ,0,0},

{ROOT, "About" ,"About FAVI and Author" ,0,0},

{ROOT, "Help me!" ,"Help" ,0,0},

{SHOTLIB, "Del Shot" ,"Delete your shot in Library" ,0,0},

{SHOTLIB, "EditShot" ,"Edit your shot in Library " ,0,0},

{EXLIB, "Add Ex." ,"Add Your Excercise",0,0},

{EXLIB, "Del Ex." ,"Delete Your Excercise ",0,0},

{EXLIB, "Edit Ex." ,"Edit Your Excercise ",0,0},

{PLAYNOW, "Ex1: " ,"Exercise 1",1,1},

{PLAYNOW, "Ex2: " ," Exercise 1",1,2},




{PLAYNOW, "Manual" ,"Manual",0,0},

{SHOTLIB_EDIT,"ShotNO:" ,"ID of Shot",1,6},

{SHOTLIB_EDIT,"Height=" ,"Heigh",1,7},

{SHOTLIB_EDIT,"Wide =" ,"Wide",1,8},

{SHOTLIB_EDIT,"Angle=" ,"Angle",1,9},

{SHOTLIB_EDIT,"Spin =" ,"Spin",1,10},

{SHOTLIB_EDIT, "Save" ,"Save your Setting",0,0},

{SHOTLIB_REMOVE,"Shot NO:" ,"ID of Shot",1,11},

{SHOTLIB_REMOVE,"Delete" ,"Delete your in Library",0,0},

{EXLIB_ADD, "Ex NO" ,"ID of Excercise",1,12},

{EXLIB_ADD, "Shot1:" ,"Shot 1",1,13},

{EXLIB_ADD, "Shot2:" ," Shot 2",1,14},



{EXLIB_ADD, "Save" ," Save Setting",1,17}};

{int8 SubMenu;

char MenuName[16];

char Note[20];

int1 writed;

unsigned int8 data;};


Trang 58

Giải thuật chính hiển thị menu được thể hiện như trên hình 5.12. Sau khi khỏi động menu

bằng hàm con InitMenu, chương trình sẽ chờ nhận dữ liệu phím nhấn từ người dùng. Hàm con

delay được thêm vào để tránh hiện tuợng rung nút. Sau khi nhận được lệnh từ người dùng,

chương trình sẽ tiến hành các lệnh tuơng ứng.

Hình 5.12 Lưu đồ giải thuật hiện thị menu trên LCD

Sau khi nhận được phím nhấn từ keypad hoặc remote, chương trình sẽ tiến hành xử lý lệnh điều khiển, cập nhập lại trạng thái cây menu.

Hình 5.13 Lưu đồ giải thuật xử lý phím nhấn


Trang 59

Chương 6. CHƯƠNG TRÌNH HỖ TRỢ FAVI MAIN TRÊN

MÁY TÍNH

6.1 Giới thiệu

Để hỗ trợ thêm cho máy tập FAVI được vận hành ổn định trơn tru, chúng tôi còn cung cấp

thêm chương trình Favi Main trên máy tính. Chương trình này không cung cấp cho người sử

dụng mà chỉ được dùng trong quá trình cẩn chỉnh máy trước khi xuất xưởng, các lần kiểm tra

định kì, hoặc những lúc có trục trặc xảy ra trong quá trình hoạt động của máy. Các thông số

cấu hình của máy, các lỗi xảy ra trong quá trình hoạt động của máy đều được lưu trữ trên

EEPROM sẽ được hiện thị trong chương trình. Chương trình còn cung cấp một công cụ để tìm

bộ số PID phù hợp cho các cơ cấu tác động, công cụ này đã được trình bày trong chương 5.

Những tiện ích mà chương trình này mang lại sẽ giúp quá trình cân chỉnh, vận hành và kiểm

tra lỗi máy tập FAVI được thuận lợi hơn.

Chương trình được viết trên nền Visual Basic 6.0. Để giao tiếp với cổng COM, chương

trình có sử dụng ActiveX MsComm.

Hình 6.1 Giao diện chương trình Favi Main


Trang 60

6.2 Các chức năng chính hỗ trợ máy tập FAVI

6.2.1 Công cụ tìm bộ số PID

Công cụ này đã được trình bày trong chương 5. Đây là công cụ bổ sung giúp ta có thể tìm

được các bộ số PID được nhanh chóng mà dễ dàng hơn.

6.2.2 Các chức năng khác

Hình 6.2 Các chức năng chính trong Favi Main

Trên giao diện chính có cung cấp thông tin về vị trí các cơ cấu trong máy tập, người dùng

có thể điều khiển trực tiếp trên máy tính. Khi nhận lệnh từ người dùng, Favi Main sẽ gửi lệnh

xuống Master qua cổng COM, sau khi nhận được lệnh Master sẽ ra lệnh các Slave tương ứng.

Chương trình còn cung cấp một giao diện đơn giản đề người dùng có thể đọc và thay đổi

các giá trị lưu trữ trong vùng nhớ của EEPROM. Chi tiết về cấu trúc dữ liệu được lưu trữ trên

EEPROM đã được trình bày ở chương trước.

6.3 Các tiện ích phụ kèm theo

6.3.1 Thay đổi giao diện người sử dụng

Chương trình cung cấp khả năng thay đổi giao diện giúp cho người sử dụng cảm thấy dễ

chịu hơn. Thư viện các skin kèm theo đa dạng, phong phú, có đủ các màu sắc có độ thẫm mỹ

cao đáp ứng được nhưng yêu cầu khắc khe nhất của người khó tính nhất.

Các bước để thay đổi giao diện:

Bước 1: vào menu Skin chọn Open


Trang 61


Bước 2: Chọn skin muốn thay đổi, sau đó click open



Trang 62

Chương trình sẽ tự động cập nhập lại giao diện.

Hình 6.5 Giao diện khác của Favi Main


Trang 63

Chương 7. KẾT LUẬN

7.1 Đánh giá về mô hình cơ khí

• Ưu điểm:

- Mô hình cơ khí tương đối tốt, đúng như thiết kế đặt ra

- Tính thẩm mỹ của mô hình khá cao

- Nòng bắn banh di chuyển linh hoạt, có thể tạo ra được những cú giao bóng như thực

tế.

- Tốc độ bắn banh đạt yêu cầu, đảm bảo như yêu cầu thiết kế

• Nhược điểm:

- Do thời gian có hạn, kinh nghiệm thiết kế chưa nhiều nên mô hình hoạt động chưa

thật sự ổn định.

- Cơ cấu bắn banh còn cồng kềnh, khối lượng lớn. Vật liệu làm cơ cấu bắn còn nặng.

- Do các động cơ được sử dụng trong đề tài được tận dụng lại, nên đáp ứng cơ không

còn được tốt, dẫn đến các cơ cấu hoạt động chưa tốt. Do động cơ cho cơ cấu nâng hạ

không tìm được như thiết kế nên cơ cấu nâng hạ hoạt động không đúng yêu cầu.

Một số hình ảnh về mô hình cơ khí


Trang 64

Hình 7.1 Hình nhìn tổng thể từ phía trước


Trang 65

Hình 7.2 Hình nhìn tổng thể từ một bên


Trang 66

Hình 7.3 Hình nhìn tổng thể từ phía sau


Trang 67


Trang 68

Hình 7.4 Hình nhìn tổng thể từ một phía

Hình 7.5 Bộ phận bắn banh nhìn một bên

7.2 Đánh giá về mạch điện và lập trình

• Ưu điểm

- Mạch thiết kế cho máy tập bao gồm: 1 mạch Master, 5 mạch Slave, 1 mạch Control

Panel. Nhìn chung các mạch hoạt động tốt, đúng như thiết kế , đáp ứng đầy đủ các

yêu cầu kỹ thuật đặt ra.

- Giao diện sử dụng thân thiện, dễ sử dụng, tạo sự thoái mái cho người sử dụng. Bộ

điều khiển từ xa tạo thuận lợi cho người sử dụng.

- Phương pháp điều khiển thích hợp đáp ứng nhu cầu người chơi từ cơ bản đến nâng

cao.


Trang 69

• Nhược điểm

- Tuy nhiên mạch còn chưa được nhỏ gọn. Do thời gian có hạn nên số lượng bài tập

cũng như các cú giao bóng mẫu trong thư viện chưa được xây dựng đầy đủ.

- Chưa kiểm soát được tốc độ banh ra khỏi nòng.

Hình 7.6 Hộp điện điều khiển

Hình 7.7 Mạch điện Slave


Trang 70

Hình 7.8 Mạch điện Master

7.3 Hướng phát triển

- Do đây chỉ mới là phiên bản đầu tiên nên mô hình còn nhiều hạn chế, cần thêm thời

gian hoàn thiện trước khi đưa ra thị trường.

- Cải tiến phần cơ khí để giảm sai số chế tạo, thay các động cơ cũ hiện dùng bằng các

động cơ mới có đáp ứng cơ tốt, kích thước gọn nhẹ.

- Cơ cấu bắn cần được thay thế bằng loại vật liệu nhẹ, bền nhưng vẫn đảm bảo các yêu

cầu kỹ thuật cũng như độ thẩm mỹ.

- Phát triển thêm bậc tự do cho nòng bắng giúp nó có thể chuyển động linh hoạt hơn.

- Phát triển thêm các module mở rộng để tăng thêm tính năng cho máy tập như:

module kiểm soát tốc độ banh khi ra khỏi nòng bắn…

- Phát triển thêm khả năng giao tiếp với máy tính bằng cổng USB

- Mạch điện sử dụng linh kiện dán để giảm kích thước tối đa.


Trang 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Hữu Lộc và những người khác, Cơ sở thiết kế máy, Trường Đại học Bách

khoa TP.HCM, 2001.

[2] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển, Tính toán thiết ké hệ dẫn động cơ khí, NXB Giáo dục,

2001.

[3] Tổng cục thể dục thể thao, Luật quần vợt, NXB Thể dục thể thao, 1997.

[4] Trần Hữu Quế – Nguyễn Văn Tuấn, Vẽ kỹ thuật cơ khí, NXB Giáo dục, 1999.

[5] Lại Khắc Liễm, Cơ học máy, Trường Đại học Bách khoa TP.HCM,1998.

[6] www.tennismachine.com

[7] www.picvietnam.com

[8] www.dientuvietnam.net

[9] www.samtennis.com


PHỤ LỤC A -- BẢN VẼ CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ


PHỤ LỤC B – MODULE MOTION FEEDBACK TRONG PIC18F4431

Motion Feedback Module (MFM): Tính năng Quadrature Encoder Interface (QEI) và

Input Capture (IC). QEI chấp nhận hai pha inputs (QEA, QEB) và một chỉ số input (INDX) từ

một incremental encoder. QEI trợ giúp xác định vị trí bằng cách lấy giá trị của byte thấp và

byte cao trong thanh ghi vị trí tương ứng, từ đó đưa ra trạng thái, thay đổi hướng và đo tốc độ

của động cơ. Tính năng IC sử dụng 3 kênh độc lập với Timer5 là bộ định thời nền, có khả

năng kích hoạt nhanh khác hẳn những module khác, bộ lọc nhiễu trên mỗi IC input.

Quadrature encoders Interface

Được sử dụng để xác định vị trí và tốc độ của hệ thống chuyển động quay. Quadrature

encoders Interface cho phép điều khiển vòng lặp đóng trong nhiều ứng dụng điều khiển động

cơ. QEI module cung cấp một giao diện đơn giản cho incremental optical encoders, cho phép

đạt được tốc độ đã định sẵn, mối tương quan vị trí của rotor từ thông tin nhận được từ motor

hoặc hệ thống cơ khí. QEI module chấp nhận pha A, pha B và index từ encoder, QEI module

tích lũy xung vào thanh ghi 16 bit từ đó đưa ra thông tin về tốc độ và vị trí được đo với độ

phân giải X2 hoặc X4.

Hai kênh, pha A (QEA) và pha B (QEB) có mối liên hệ với nhau. Nếu pha A dẫn đầu pha

B thì hướng của motor là positive hoặc foward. Nếu pha A chậm hơn pha B thì hướng của

motor negative hoặc reverse. Kênh index xảy ra sau mỗi vòng là chỉ số tham chiếu để thiết lập

vị trí chính xác. Chỉ số tín hiệu index có thể không có trên một vài encoder và không cần thiết

cho hoạt động của QEI.

Hình B.1 : Tín hiệu encoder vào


QEI bao gồm quadrature decoder logic để phiên dịch pha A, pha B, chỉ số index đế tính

toán, tính lũy chỉ số tăng hoặc giảm của giá trị encoder đọc về. Bộ lọc tín hiệu số chuẩn hóa

tín hiệu đầu vào.

Hình B.2 : Sơ đồ đơn giản của QEI Module.

QEI module bao gồm:

Ba input pins cho hai tín hiệu pha (phase signals) chỉ số xung.

Bộ lọc nhiễu kỹ thuật số tín hiệu đầu vào có thể lập trình được .

Quadrature decoder (bộ đếm xung và hướng).

Bộ đếm vị trí tăng/giảm16-bit.

Xác định hướng.

Bộ đếm với độ phân giải X2 và X4.

Hai kiểu reset bộ đếm vị trí.

Tự tạo timer 16bit cho bộ đếm.

Kích hoạt ngắt bởi QEI hoặc sự kiện đếm.

Tính toán vị trí góc với QEI

Để có được biến cho phép tính của giải thuật điều khiển, cần chuyển đổi kết quả của bộ

đếm vị trí sang một con số xác định (a signed fractional number).


Phương trình dưới biểu diễn cách tính giá trị đếm lớn nhất bởi sự biến đổi, dựa trên tín

hiệu của encoder và cấu hình (configuration) của QEI module.

MAX_COUNT_PR= PULSES_PER_REV×COUNT_INC_REV- 1=500×4-1=1999

Ví dụ :

Độ phân giải = 360°/2000=0.18°

Với độ phân giải này, biến số biểu diễn vị trí thay đổi từ 0 đến 1999 cần được chuyển đổi

thành giá trị từ 0 đến 32767 theo giá trị 16-bit.

Công thức sau biểu diễn thừa số tỷ lệ:

Tính vận tốc góc với QEI

Tính toán vận tốc góc được thực hiện theo chu kỳ ngắt, vận tốc góc tăng (thay đổi) theo

thời gian. Khoảng biến thiên ngắt phải nhỏ hơn thời gian nhỏ nhất cần cho ½ vòng ở tốc độ tối

đa. Vận tốc tỷ lệ của motor là 3450 RPM, vì vậy 4000 RPM được sử dụng trong ví dụ này để

tránh tràn. Công thức sau được sử dụng để tính toán khoảng thời gian lấy mẫu.


PHỤ LỤC C -- SƠ LƯỢC VỀ CHUẨN GIAO TIẾP I2C

I2C là chuẩn giao tiếp ban đầu được hãng Philips phát triển để phục vụ cho các giao tiếp

với Tivi, sau đó, do những lợi thế của chuẩn giao tiếp này nên nó đã trở nên rất phổ biến trong

công nghiệp. Các tài liệu về chuẩn I2C được cung cấp rất đầy đủ và chi tiết tại trang web của

hãng Philips.

Microchip đã tích hợp chuẩn giao tiếp này vào phần cứng cho một số vi điều khiển, và dĩ

nhiên cả trong dòng PIC18F4431 và PIC18F4431 được sử dụng trong đề tài. Chuẩn này được

biết dưới dạng chuẩn giao tiếp đồng bộ SSP. Trong chuẩn giao tiếp SSP có hai chuẩn con là

chuẩn SPI và I2C. SPI là chuẩn giao tiếp nối tiếp dùng 1 dây nối, và I2C là chuẩn giao tiếp nối

tiếp 2 dây. Dây SDA là dây để truyền dữ liệu và dây SCL là dây để giữ nhịp cho dữ liệu

truyền.

Chuẩn I2C là chuẩn giao tiếp trong đó dùng một thiết bị làm Master, và các thiết bị khác

trong mạng là Slave trong một thời điểm nhất định. Tại một thời điểm, Master có quyền đọc

và xuất dữ liệu qua tất cả các Slave thông qua địa chỉ cua Slave đó.

Master bắt đầu quá trình đọc hoặc ghi dữ liệu vào một Slave bằng cách đặt tín hiệu Start

(S) vào đường truyền (hình A.1 và A.2). Byte tiếp theo được gửi đi là byte địa chỉ của

Slave cần giao tiếp. Quá trình truyền nhận được kết thúc bằng bit Stop (P).

Sau đây là biểu đồ thời gian truyền và nhận trong chuẩn giao tiếp I2C

Hình C.1: Biểu đồ nhận dữ liệu, địa chỉ 7 bit


Hình C.2: Biểu đồ truyền dữ liệu, địa chỉ 7 bit

I2C phần cứng của PIC hỗ trợ hai chế độ định địa chỉ 10 bit và 7 bit. Tuy nhiên, chúng ta

vẫn chỉ thường sử dụng địa chỉ 7 bit, hỗ trợ giao tiếp 128 thiết bị. Tuy vậy, chuẩn I2C cũng

giống như chuẩn RS232, khi thao tác với các vi điều khiển, có thể được thiết lập bằng phần

mềm.

Một lần truyền địa chỉ, sẽ có 8 bit, bit thấp nhất là bit xác định chế độ đọc hoặc ghi (R/W)

(hình A.2).

Chuẩn I2C rất dễ sử dụng, có các tốc độ truyền nhận là 100Kbps,

400Kbps và 1Mbps, vi điều khiển PIC 16F877 hỗ trợ tốc độ 100Kbps và

400Kbps, nhanh hơn nhiều lần so với chuẩn RS232. Ngoài ra, không cần dùng bất

kỳ thiết bị chuyển đổi nào để chuyển đổi điện áp tín hiệu, do vậy, chuẩn I2C thích hợp nhất

cho các giao tiếp trong phạm vi ngắn (dưới 1m) giữa các vi điều khiển.

thesis report

Documents