Tiểu Luận xe tránh vật cản

tiểu luận vi xử lý đo lường điều khiển tự động sử dụng xe tránh vật cản arduino đầy đủ chi tiết từ az cho các bạn sinh viên đang học môn vi xử lý đo lường điều khiển tự động có code vs mô phỏng đầy đủ cho các bạn cần.

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đến giảng viên Nguyễn Đức Nhật Quang trong quá trình học tập đã hỗ trợgiảng dạy cho tôi hiểu biết cách hoạt động nguyên lý của từng chip vi xử lý, vi điềukhiển nhiều loại và cách hoạt động của từng mỗi chip

Trong quá trình học 30 tiết thì tôi đã hiểu hầu như các nguyên lý hoạt động của các giaotiếp uart, giao tiếp ngoại vi mà lâu nay tôi chưa được đề cập đến

Rất chân thành cảm ơn giảng viên Nguyễn Đức Nhật Quang đã hỗ trợ giảng dạy onlinecho tôi

MỤC LỤC

Trang

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG MÔ HÌNH TRÁNH VẬT CẢN 6

1 GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG MÔ HÌNH 6

CHƯƠNG II: NHỮNG LINH KIỆN CẦN THIẾT & PHÂN TÍCH LINH KIỆN 7

1 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO 328P 7

2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM SR – 04 10

3 ĐỘNG CƠ SERVO 12

4 MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298N 13

5 NGUỒN PIN 18650 CUNG CẤP CHO XE HOẠT ĐỘNG 14

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG VÀ MÃ CHƯƠNG TRÌNH 15

1 MÔ PHỎNG NHỮNG LINH KIỆN NỐI LẠI VỚI NHAU 15

2 MÃ CHƯƠNG TRÌNH CỦA THIẾT BỊ 16

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG VÀ KẾT LUẬN 20

1 ỨNG DỤNG VỀ THIẾT BỊ XE TRÁNH VẬT CẢN 20

2 KẾT LUẬN BÀI LÀM VỀ XE TRÁNH VẬT CẢN 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1: Minh Họa Hình Hài Chiếc Xe Tránh Vật Cản 7

Hình 2: Mô Hình Ngoài Của Arduino Nano 7

Hình 3: Sensor Hc-Sr04 10

Hình 4: Mô Phỏng Hoạt Động Của Cảm Biến 11

Hình 5: Động Cơ Servo 12

Hình 6: Chương Trình Xung Hoạt Động Của Servo 12

Hình 7: Module Điều Khiển L298n 13

Hình 8: Pin 18650 Hãng Samsung 15

Hình 9: Mô Phỏng Trên Phần Mềm Proteus 15

Hình 10: Địa Chỉ File Hex Để Mô Phỏng Trên Phần Mềm 19

Hình 11: Xe Hoàn Thành Và Ứng Dụng Có Hiệu Nghiệm 21

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tra Bảng 1: Arduino Nạp Bằng Mạch Nạp Icsp Thay Thế Chip Ch340 9 Bảng 2: Bảng Trạng Thái Hoạt Động 14

LỜI MỞ ĐẦU

Trong quá trình học tập tìm hiểu về môn học vi xử lý và vi điều khiển trong đo lường tựđộng thì tôi đã hiểu được về vi xử lý và vi điều khiển cách hoạt động của từng mỗi chip.Nhưng sau khi học xong hoàn thành khóa học thì tôi đã có ý tưởng viết về xe tránh vậtcản sử dụng vi điều khiển để giao tiếp các cảm biến để điều khiển đo lường

Trong quá trình học lý thuyết lẫn cả mô phỏng thì tôi đã tự thiết kế chiếc xe tránh vật cảnnhư suy nghĩ ý muốn và hoạt động rất ổn định

Mặc dù đã dành thời gian thích đáng nhưng không tránh khỏi một số lỗi vấn đề có thểcòn sót lại trong bài tiểu luận này Rất mong giám thị chấm bài hướng dẫn chỉ lỗi sai vàgóp ý về mail 19T1051027@husc.edu.vn để khắc phục sửa lỗi những bài sau

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG MÔ HÌNH TRÁNH VẬT CẢN

1 GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG MÔ HÌNH

- Mô hình xe tránh vật cản là một sản phẩm mang nhu cầu người sử dụng để giải trí

sau những giờ học, giờ làm việc để giảm stress

- Mô hình cải tiến nhiều hơn thì sẽ trở thành thiết bị hút bụi để ứng dụng cho người

dùng

- Mô hình này thì được ghép nối giao tiếp với cảm biến siêu âm HC – SR04 để

nhận dạng vật thể khoảng cách và giao tiếp với các động cơ DC để di chuyển theohướng và thông qua mạch điều khiển LM298N, để điều hướng theo xe di chuyểnthì còn phụ thuộc vào lập trình viết code để nạp cho vi điều khiển

- Khi xe đi hướng tới gặp vật cản khoảng cách lập trình nhận biết là 30cm thì xe sẽ

dừng lại và động cơ servo quay với góc 180 để nhận diện xem xung quanh 180 độ

có bị vật cản gì không nếu bên trái và phía trước vật cản thì cảm biến siêu âm sẽphát tín hiệu về vi điều khiển và khi đó vi điều khiển sẽ truyền tín hiệu 0101 choLM298N để điều hướng bên phải thoát khỏi vật cản, tương tự như vậy thì góc bênkia cũng hoạt động như vậy

- Trong tương lai sẽ cải tiến thêm cảm biến hồng ngoại để dò line và lắp đặt nhiều

cảm biến hơn nữa làm cho xe hoạt động với tỉ lệ chính xác nhất lên đến khoảng99%

- Xe tránh vật cản hiện tại chỉ sử dụng 1 cảm biến siêu âm cho nên việc tiếp nhận

tín hiệu chỉ khoảng với mức ngưỡng trung bình chính xác tầm 84%, do phụ thuộcnhiều yếu tố khác bên ngoài

Hình 1: Minh Họa Hình Hài Chiếc Xe Tránh Vật Cản

CHƯƠNG II: NHỮNG LINH KIỆN CẦN THIẾT & PHÂN TÍCH LINH KIỆN

1 VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO 328P.

Hình 2: Mô Hình Ngoài Của Arduino Nano

- Arduino Nano là một bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ Arduino

Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm

- Nano được tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giống như Arduino UNO Sự

khác biệt chính giữa chúng là bảng UNO có dạng PDIP (Plastic Dual-In-linePackage) với 30 chân còn Nano có sẵn trong PQFP (plastic quad flat pack) với 32chân

- Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức

năng bổ sung.[ CITATION Ard14 \l 1066 ]

o Chân 1, 2: Chân nối tiếp

 Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệunối tiếp TTL Các chân RX và TX được kết nối với các chân tươngứng của chip nối tiếp USB tới TTL

o Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM

 Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit Tínhiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite()

o Chân 5, 6: Ngắt

 Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộđiều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này Các chânnày có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứngbằng cách sử dụng hàm attachInterrupt ()

o Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI

 Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn cóthể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này Các chân này hỗ trợ giaotiếp đồng bộ với SCK

o Chân 16: Led

 Khi sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng

o Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự

 Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưngArduino Nano có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấuA0 đến A7 Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vàotương tự để xử lý Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phângiải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024).

o Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C

 Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân

và giới hạn trong một thiết bị Đối với truyền thông đường dài, cần

sử dụng giao thức I2C I2C hỗ trợ chỉ với hai dây Một cho xung(SCL) và một cho dữ liệu (SDA)

o Chân 18: AREF

 Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC

o Chân 28 : RESET

 Đây là chân reset mạch khi chúng ta nhấn nút trên bo Thường được

sử dụng để được kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làmnút reset

- ICSP là viết tắt của In Circuit Serial Programming , đại diện cho một trong những

phương pháp có sẵn để lập trình bảng Arduino Thông thường, một chương trình

bộ nạp khởi động Arduino được sử dụng để lập trình một bảng Arduino, nhưngnếu bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng, ICSP có thể được sử dụng thay thế.ICSP có thể được sử dụng để khôi phục bộ nạp khởi động bị thiếu hoặc bị hỏng

- Mỗi chân ICSP thường được kết nối với một chân Arduino khác có cùng tên hoặc

chức năng Ví dụ: MISO của Nano nối với MISO / D12 (Pin 15)

- Lưu ý khi các chân MISO, MOSI và SCK được ghép lại với nhau tạo nên giao

diện ISP

Bảng 1: Arduino Nạp Bằng Mạch Nạp ICSP Thay Thế Chip CH340

- Điện áp hoạt động là 5V và dòng tối đa 15mA, tần số hoạt động 40kHZ, khoảng

cách đo tầm 4m và phạm vi tối thiểu là 2cm, độ chính xác lên đến 3mm, đo vớigóc độ 15 và tín hiệu đầu vào để kích hoạt 10 S xung TTL, có kích thước nhỏgọn 45 x 20 x 15mm.[ CITATION Lid19 \l 1066 ]

- Chân VCC (chân số 1) là nơi nguồn cung cấp cho cảm biến siêu khoảng cách

siêu âm HC-SR04 mà chúng ta kết nối chân 5V trên Arduino

- Chân Trig (chân số 2) là chân được sử dụng để kích hoạt các xung âm thanh siêu

âm

- Chân Echo (chân số 3) là chân tạo ra một xung khi nhận được tín hiệu phản xạ,

độ dài của xung tỉ lệ với thời gian tín hiệu đã truyền được phát hiện

- Chân GND (chân số 4) là chân được kết nối với GND của Arduino.

Hình 4: Mô Phỏng Hoạt Động Của Cảm Biến

- Tất cả bắt đầu, khi một xung có thời lượng ít nhất 10 µS (10 micro giây) được áp

dụng cho chân kích hoạt

- Để đáp ứng điều đó, cảm biến truyền một loạt âm thanh gồm tám xung ở 40 KHz.

- Tám xung siêu âm di chuyển trong không khí ra khỏi máy phát Trong khi đó

chân Echo đi cao để bắt đầu hình thành điểm bắt đầu của tín hiệu dội ngược trởlại

- Nếu những xung đó không được phản xạ trở lại thì tín hiệu Echo sẽ hết thời gian

chờ sau 38 ms (38 mili giây) và trở lại mức thấp

- Do đó, xung 38 ms cho thấy không có vật cản nào trong phạm vi của cảm biến.

- Nếu những xung đó bị phản xạ trở lại, chân Echo sẽ xuống thấp ngay khi nhận

được tín hiệu Điều này tạo ra một xung có độ rộng thay đổi từ 150 µS đến 25 ms,tùy thuộc vào thời gian nhận tín hiệu

Công thức tính như sau : Khoảng Cách = Tốc Độ * Thời Gian

3 ĐỘNG CƠ SERVO.

Hình 5: Động Cơ Servo

- Chân GND (chân số 1 dây nâu) là chân nối đất cho cả động cơ và Arduino.

- Chân 5V (chân số 2 dây đỏ) là điện áp dương cấp nguồn cho Servo.

- Chân Control (chân số 3 dây cam) là nơi cấp xung vào cho hệ thống điều khiển.

- Servo là một thuật ngữ chung cho một hệ thống điều khiển vòng kín

- Động cơ servo RC hoạt động trên cùng một nguyên tắc Nó chứa một động cơ DC

nhỏ được kết nối với trục đầu ra thông qua các bánh răng

- Có thể điều khiển động cơ servo bằng cách gửi một loạt xung tới đường tín

hiệu Một động cơ servo tương tự thông thường dự kiến nhận được một xungkhoảng 20 mili giây một lần (tức là tín hiệu phải là 50Hz)

Hình 6: Chương trình xung hoạt động của servo

- Độ dài của xung xác định vị trí của động cơ servo như sau:

o Nếu xung cao trong 1ms, thì góc servo sẽ ở vị trí 0 độ.

o Nếu xung cao trong 1,5ms, thì servo sẽ ở vị trí trung tâm của nó.

o Nếu xung cao trong 2ms, thì servo sẽ ở 180 độ.

- Nếu các xung này dao động từ 1ms đến 2ms sẽ di chuyển trục servo qua toàn bộ

hành trình 180 độ của nó

4 MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298N.

Hình 7: Module điều khiển L298N

- Chân VCC (chân số 1) là chân cấp nguồn cho động cơ, hoạt động điện áp

khoảng từ 5V đến 35V

- Chân GND (chân số 2) là chân nối đất chung với Arduino.

- Chân 5V (chân số 3) là chân đóng vai trò như một đầu ra và có thể được sử dụng

để cấp nguồn cho Arduino

- Chân ENA (chân số 4) chân được sử dụng để điều khiển tốc độ của động cơ A,

chân đó mức Cao thì động cơ A quay còn mức Thấp thì động cơ dừng lại

- Chân IN1 & IN2 (chân số 5) là chân được sử dụng để điều khiển hướng quay

của động cơ A, nếu 1 trong 2 chân đó có mức Cao Thấp khác nhau thì động cơQuay còn nếu cả 2 đầu vào mà Cao hoặc Thấp thì động cơ sẽ dừng

- Chân IN3 & IN4 (chân số 6) chân này để điều khiển động cơ B, cũng như tương

tự như chân số 5

- Chân ENB (chân số 7) là chân được sử dụng điều khiển tốc độ động cơ B, hoạt

động tương tự như chân ENA

- Chân OUT1 & OUT2 (chân số 8) chân đầu ra điều khiển động cơ A.

- Chân OUT3 & OUT4 (chân số 9) chân đầu ra điều khiển động cơ B.

- Các chiều quay của động cơ được điều khiển bằng cách áp dụng các mức Logic

Cao (5V) hoặc Thấp (0V) cho các đầu vào, bảng trạng thái có như sau:[ CITATION Com21 \l 1066 ]

5 NGUỒN PIN 18650 CUNG CẤP CHO XE HOẠT ĐỘNG.

- Dung lượng của loại pin này dao động từ 1800 – 3500mAh, công suất 3.7volt.

- Pin này sử dụng dòng rất mạnh và phù hợp nhất cấp nguồn cho xe.

- Khi pin hết thì sẽ sạc lại và sử dụng lại, giúp phần bảo vệ môi trường.

Hình 8: Pin 18650 hãng Samsung

CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG VÀ MÃ CHƯƠNG TRÌNH

1 MÔ PHỎNG NHỮNG LINH KIỆN NỐI LẠI VỚI NHAU.

Hình 9: Mô Phỏng Trên Phần Mềm Proteus

- Những linh kiện trên được mô phỏng bằng phần mềm proteus, phần mềm rất

thông dụng dành cho các bạn sinh viên đều được sử dụng

- Những linh kiện trên cần phải tải thư viện trên Google, chứ không có sẵn trong

o Nguồn pin 18650, 2 viên.

2 MÃ CHƯƠNG TRÌNH CỦA THIẾT BỊ.

void lui(){// lùi lại

di_thang = false;

analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); }

void sangphai(){ // đi sang phải

analogWrite(IN1, 128);analogWrite(IN2, 0); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); }

void sangtrai(){// đi sang trái

analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 128);analogWrite(IN4, 0); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); }

void luiphai(){ // lùi phải

analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); }

void luitrai(){ // lùi trái

analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); }

void dunglai(){ // dừng lại

digitalWrite(IN1, LOW);digitalWrite(IN2, LOW); digitalWrite(IN3, LOW);digitalWrite(IN4, LOW); analogWrite(ENA, 0);analogWrite(ENB, 0); }

dunglai();delay(100);

lui();delay(random(200,500));

dunglai();delay(50);

khoangcachphai = quayphai();delay(300); khoangcachtrai = quaytrai();delay(300);

if (khoang_cach >= khoangcachtrai){ disangphai = random(1,2);

if (disangtrai == 2){

sangtrai();delay(random(300,600)); luitrai();delay(random(300,600)); }

if (disangtrai == 2){

sangphai();delay(random(300,600)); luiphai();delay(random(300,600)); }

Hình 10: Địa chỉ file HEX để mô phỏng trên phần mềm

- Đầu tiên là khai báo thư viện Servo và thư viện NewPing, để cho động cơ servo

hoạt động với tần số xung ổn định còn thư viện NewPing dành cho cảm biến siêuâm

- Khai báo các chân linh kiện cần nối với vi điều khiển bằng lệnh #define.

- Khai báo các hàm cần thiết, như là biến Boolean, int để gán các tên giá trị cần sử

- Hàm chương trình Tiến, Lùi, Sang Phải, Sang Trái, Lùi Trái, Lùi Phải, Dừng,

đó có nghĩa các hàm cài đặt sẵn để khi đưa vào các chương trình chính để khaibáo rằng đi theo hướng

- Hàm LOOP là chương trình chính để điều khiển, có các hàm if else các toán tử

tính toán điều hướng cho bộ xử lý

- Nguyên tắc hoạt động của chiếc xe rằng là khi gặp vật cản vị trí xe cách vật cản

đường mà không bị cản cũng như thay thế khi nâng cấp lên là làm robot lau nhà

tự động gắn thêm nhiều cảm biến như là cảm biến hồng ngoại, còn nếu xử lý tốthơn thì sử dụng camera để tránh vật cản, muốn điều chỉnh vật cản khoảng cách thìsửa lại ở trong chương trình code

- Do thời gian có hạn ngắn với tình hình dịch bệnh nên chưa nâng cấp xe lên nhiều

cảm biến hơn, nếu có thời gian thì em sẽ làm xe nhiều cảm biến hồng ngoại để có

độ chính xác tuyệt đối hơn

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG VÀ KẾT LUẬN

- Với thiết bị tên đề tài trên thì xe này hoạt động rất chi là tiện lợi và hoạt động rất

chi nhiều lĩnh vực ứng dụng trong đời sống như là làm robot lau nhà tự động,hoặc như làm chiếc xe giải trí sau những buổi làm việc căng thẳng và đặc biệt nhưtrong thời gian dịch bệnh vừa qua chúng ta ở nhà rất nhiều dẫn đến sự chán nảnsau những buổi học online, chỉ cần có chiếc xe này nhìn hoạt động giải trí rất hiệuquả thích thú

Hình 11: Xe Hoàn Thành Và Ứng Dụng Có Hiệu Nghiệm

6 KẾT LUẬN BÀI LÀM VỀ XE TRÁNH VẬT CẢN.

- Lên ý tưởng bài làm và tìm hiểu hoạt động và những linh kiện cần thiết đưa vào

hoạt động

- Đọc các tài liệu tham khảo để hiểu biết datasheet của các linh kiện.

- Viết chương trình bằng phần mềm Arduino.

- Ứng dụng thử nghiệm và hoạt động rất ổn định như ý tưởng suy nghĩ.

- Link đường dẫn video:

- TÀI LIỆU THAM KHẢO