ĐỒ án kĩ THUẬT MẠCH điện tử

- Robot sử dụng pin, bo mạch điều khiển Arduino; hệ thống các cảm biến siêu âmhướng di chuyển; cảm biến hồng ngoại sàn nhà và phát hiện cầu thang; Hệ điềukhiển bánh xe di chuyển; chổi la

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC

NGÀNH: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG TRONG NHÀ

Người hướng dẫn : Th.S Phạm Văn Phát

Sinh viên thực hiện: Đỗ Phạm Thanh

Phạm Đức Trí

Mã sinh viên : 1711505210124

1711505210140

TÓM TẮT

Tên đề tài: nghiên cứu thiết kế chế tạo robot hút bụi tự động trong nhà

Sinh viên thực hiện: Đỗ Phạm Thanh

Các hộ gia đình hiện đại đang trở nên tự động hóa hơn, do đó mang lại sự tiện lợi

và giảm thời gian dành cho việc nhà Mặc dù máy hút bụi đã giúp việc dọn dẹp nhàcửa trở nên dễ dàng hơn, nhưng chúng phần lớn gây ồn ào và cồng kềnh để sử dụnghàng ngày Ở đây, chúng tôi báo cáo sự phát triển của một robot hút bụi nhỏ gọn vàhiệu quả để sử dụng trong văn phòng và gia đình Robot được phát triển có dạng đĩa,được trang bị công nghệ hút bụi và làm sạch và được điều khiển bởi Arduino unor3 Nó hút bụi bẩn thông qua một thùng rác có thể thu vào, trên đó có gắn một quạtlàm mát và hai thanh quét mỗi cái được điều khiển bởi một động cơ DC 3V Robotđiều hướng thông qua hai bánh xe phía sau được điều khiển bằng lá chắn động cơ vàmột bánh xe phía trước cũng điều chỉnh chuyển động của nó Ba cảm biến siêu âmđược đặt cách nhau 135°, phát hiện chướng ngại vật và sau đó giúp robot điềuhướng Robot được cung cấp năng lượng bởi 2 pin (12V DC)

Quy trình hoạt động của một robot hút bụi: Sau khi được khởi động, Robot sẽ định

vị và tự động tạo ra cho mình phương án quét dọn, di chuyển tối ưu nhất Sau đó là đitheo bản đồ, tùy chỉnh lực hút bụi và hút bụi thật sạch Khi hoạt động, hệ thống chổiquét hai bên sườn của robot sẽ có nhiệm vụ quét các bụi bẩn tới gần vị trí cửa hút giócủa máy Đến đây bụi sẽ được hút vào khoang chứa và giữ lại ở trong đó Quá trìnhnày diễn ra liên tục trong quá trình robot hoạt động và nhờ đó giúp làm sạch căn nhàcủa bạn Khi gặp chướng ngại vật, vật cản hay cầu thang Robot sẽ tự động dừng lại tìmhướng đi khác

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Nghiên cứu, thiết kế Robot hút bụi sử dụng trong gia đình

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Thiết kế robot hút bụi có các tính năng hút bụi, lau sản nhà, phát hiện và tránh vật

cản, phát hiện và tránh cầu thang được sử dụng trong hộ gia định

- Robot sử dụng pin, bo mạch điều khiển Arduino; hệ thống các cảm biến siêu âmhướng di chuyển; cảm biến hồng ngoại sàn nhà và phát hiện cầu thang; Hệ điềukhiển bánh xe di chuyển; chổi lau sàn và hút bụi

- Tài liệu về robot hút bụi trên các trang mạng

o Development of a vacuum cleaner robot:

https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S1110016818300899?

token=64093B3F83E562470699F49E3EA03C549B1B3BC934C1AF694FB0579F710238C3BA06828151024B22046AB5E4589C5180&originRegion=

us-east-1&originCreation=20210522043526

o Robot Vacuum Cleaners:

https://www.st.com/en/applications/home-and-professional-appliances/

robot-vacuum-cleaners.html#overview

3 Nội dung chính của đồ án:

 Chương 1: Tổng quan về Robot lau sàn tự động:

- Các khái niệm về robot, robot lau sàn nhà; các tính năng chính của robot lau

sàn, hút bụi

- Các thông tin liên quan về các loại robot lau sàn; chức năng, tích hợp công

nghệ; hệ điều khiển chuyển động; cảm biến; định vị; lập bản đồ không gian…;

ưu nhược điểm chính

 Chương 2: Kết cấu phần cứng của robot lau sàn- hút bụi

- Tổng quan chức năng, yêu cầu kỹ thuật của robot lau sàn, hút bụi.

- Kết cấu phần cứng:

o Hệ chuyển động, hệ điều khiển.

o Hệ cảm biến, các tính năng tiên tiến thông minh.

- Bo mạch điều khiển Arduino; cảm biến siêu âm; cảm biến hồng ngoại; động cơ

DC, Servo…

 Chương 3: Thiết kế mô hình và lập trình điều khiển

- Sơ đồ khối robot lau sàn từ động hộ gia đình.

- Mô tả tính năng chung robot; chức năng và hoạt động của từng khối và hoạt

động robot

- Thiết kế phần cứng: Sơ đồ nguyên lý và hoạt động của từng mô hình.

- Thiết kế phần mềm: Lựa chọn phần mềm, thuật toán chính và các thuật toán

con; chương trình điều khiển

 Chương 4: Quá trình thực hiện và kết quả

- Mô tả các quá trình thực hiện, xây dựng mô hình robot, thực thi, thử nghiệm mô

hình (có hình ảnh minh họa)

- Kết quả vận hành robot, phân tích ưu nhược điểm và các hạn chế tồn tài

- Hướng cải tiến, phát triển.

- Kết luận (mức độ đạt/ chưa đạt được theo yêu cầu /nhiệm vụ ĐATN).

4 Các sản phẩm dự kiến

- Báo cáo tổng kết đồ án tốt nghiệp

- Sản phẩm là robot có chức năng lau sàn, hút bụi, phát hiện và tránh được vật cản,cầu thang

- Chương trình điều khiển

LỜI MỞ ĐẦU

Điện tử là một trong những ngành quan trọng góp phần vào sự phát triển của đấtnước Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ làm cho ngành điện tử ngàycàng đạt được nhiều thành tựu mới Nhu cầu của con người ngày càng cao, đòi hỏingành điện tử phải không ngừng phát minh ra các sản phẩm mới có tính ứng dụng cao,

có tính năng mới với độ bền cũng như độ ổn định cao Một điều cơ bản là các sảnphẩm đó đều bắt nguồn từ những linh kiện điện tử tương tự như điện trở, tụ điện, cuộncảm, diode, transistor…

Có thể nói, cùng với sự phát triển của thời kì công nghiệp hoá hiện đại đất nước làcuộc sống của mỗi người dân cũng được nâng cao Các máy móc sẽ ra đời và thay thếdần con người trong các hoạt động từ khó đến dễ, từ đơn giản đến phức tạp các máymóc đó được gọi là robot Chúng ở ngay bên cạnh chúng ta giúp chúng ta giải quyết 1phầm công việc của con người giúp con người có nhiều thời gian hơn trong công việcquan trọng khác, hay thay vao đó là nghỉ ngơi, thư giãn

Vì vậy, trước các như cầu cần một thiết bị, máy móc giúp chúng ta có thể làm giúpbớt một phần công việc nhóm chúng em xin được giới thiệu một robot rất thân thiệnvới đời sống của mỗi gia đình Đó là robot hút bụi tự động, nó là một thiết bị nhỏ gọn,

an toàn và đảm bảo hiệu năng

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện – Điện tử, trườngĐại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, cũng như

đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn, thầy ThS Phạm Văn Phát đã tậntình giúp đỡ em trong quá trình chọn đề tài và thực hiện đề tài Với thời gian thực hiện

đề tài ngắn, kiến thức còn hạn hẹp, dù chúng em đã cố gắng nhưng vẫn không tránhkhỏi những sai sót, chúng em rất mong nhận được sự chỉ dẫn thêm của quý thầy cô

Sinh viên thực hiện

CAM ĐOAN

Em xin cam đoan về đồ án thực hiện lần này, trực tiếp tự thay tham gia các việctìm hiểu thiết và hoàn thành sản phẩm Không copy, không mua hoặc nhờ người kháclàm hộ nếu có gì trái với cam đoan em xin chịu mọi trách nhiệm

Sinh viên thực hiện

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT v

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

LỜI MỞ ĐẦU IV CAM ĐOAN V MỤC LỤC VI DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ X

MỞ ĐẦU 1

1 Mục đích thực hiện đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG 3

1.1 Khái niệm 3

1.1.1 Robot là gì? 3

1.1.2 Robot hút bụi tự động dùng trong nhà là gì? 3

1.2 Giới thiệu các sản phẩm trên thị trường 4

1.2.1 Robot Romba: 4

1.2.2 Robot LG Hombot 5

1.3 Các tính năng chính của robot hút bụi sử dụng trong nhà 5

1.3.1 Tích hợp công nghệ 5

1.3.2 Hệ điều khiển chuyển động 5

1.3.3 Các cảm biến 6

1.3.3.1 Cảm biến siêu âm HR-S04 6

1.3.3.2 Cảm biến hồng ngoại 6

1.3.4 Ưu điểm 6

1.3.5 Nhược điểm 6

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU PHẦN CỨNG CỦA ROBOT HÚT BỤI 7

2.1 Tổng quan 7

2.1.1 Quy trình thực hiện 7

2.1.2 Yêu cầu kĩ thuật 7

2.1.3 Phương án thiết kế 7

2.1.4 Chế tạo thân robot 8

2.1.5 Bánh xe phía trước tự điều hướng 8

2.1.6 Hệ thống làm sạch 8

2.1.7 Chế tạo hệ thống hút bụi 8

2.1.8 Chế tạo hộp đựng bụi, rác 9

2.2 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A 9

2.2.1 Tổng quan Mạch giảm áp DC LM2596 3A 9

2.2.2 Hướng dẫn sử dụng 10

2.3 Mạch Điều Khiển Động Cơ DC L298N 10

2.4 Bo điều khiển ARDUINO 13

2.4.1 Giới thiệu Arduino UNO R3 DIP 13

2.4.1.1 Tại sao lại chọn Arduino UNO R3 DIP? 13

2.4.1.2 Tác dụng các chân trên ARDUINO UNO R3 DIP: 15

2.4.2 Thiết kế nguồn 19

2.4.3 Thiết kế mạch dao động 20

2.4.4 Thiết kế mạch reset 20

2.4.5 Thiết kế mạch nạp và giao tiếp máy tính 20

2.5 Cảm biến siêu âm 21

2.5.1 Khái niệm 21

2.5.2 Cảm biến siêu âm (HC-SRF04) là gì? 21

2.5.3 Nguyên lí hoạt động 22

2.5.4 Các chân chức năng của cảm biến siêu âm 23

2.5.5 Ưu điểm của cảm biến siêu âm 24

2.5.6 Nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm: 24

2.6 Cảm biến hồng ngoại 24

2.6.1 Khái niệm 24

2.6.2 Nguyên lí hoạt động của cảm biến hồng ngoại 26

2.6.3 Tại sao sử dụng cảm biến hồng ngoại cho robot hút bụi trong nhà 27

2.6.4 Robot hút bụi có tự tránh cầu thang hay không và giải pháp an toàn đi kèm 28

2.7 Động cơ BLDC 29

2.7.1 Khái niệm Động cơ DC không chổi than 29

2.7.2 Cấu tạo của động cơ DC không chổi than 29

2.7.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC không chổi than 31

2.7.4 Điều khiển tốc độ động cơ BLDC 31

2.7.5 Đặc tính cơ và đặc tính làm việc 32

2.7.5.1 Đặc tính cơ của BLDC 33

2.7.5.2 Đặc tính làm việc của BLDC 33

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT vii

2.7.6 So sánh động cơ không chổi than và có chổi than 33

2.8 Mạch test động cơ RC Servo 35

2.8.1 Chức năng 35

2.8.2 Hướng dẫn sử dụng 35

2.9 Nguồn hoạt động 36

2.9.1 Pin Li-Po 36

2.9.2 Ưu điểm của pin LiPo 36

2.9.3 Nhược điểm của pin LiPo 36

2.9.4 Lí do chọn pin Li-Po 36

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 38

3.1 Sơ đồ khối robot hút bụi hộ gia đình 38

3.2 Nguyên lý hoạt động của robot hút bụi sử dụng trong nhà 38

3.3 Thiết kế phần cứng 39

3.3.1 Sơ đồ cơ học 39

3.3.2 Sơ đồ nối dây của robot 40

3.3.3 Hệ thống điều khiển : cảm biến và vi điều khiển 40

3.4 Thiết kết phần mềm 43

3.4.1 Lựa chọn phần mềm 43

3.4.1.1 Arduino IDE 43

3.4.1.2 Giới thiệu về Proteus 45

3.4.1.3 Tính năng của proteus 45

3.4.2 Sơ đồ thuật toán 46

3.4.2.1 Thuật toán chính 46

3.4.2.2 Thuật toán con 48

3.4.3 Chương trình điều khiển 49

3.4.3.1 Chương trình điều khiển cho cảm biến siêu âm 49

3.4.3.2 Chương trình chính điều khiển cho adruino 51

CHƯƠNG 4: QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ 55

4.1.Quá trình thực hiện 55

4.1.1 Tham khảo sản phẩm robot hút bụi có trên thị trường 55

4.1.2 Xây dựng các phương án thiết kế 55

4.1.3 Phân tích và chọn phương án thiết kế 55

4.1.4 Lựa chọ phương án 57

4.1.5 Chuẩn bị linh kiện 57

4.1.6 Thi công phương án lựa chọn 58

4.1.7 Hình ảnh sinh viên khi thực hiện 59

4.1.8 Thử nghiệm sản phẩm 59

4.1.9 Hướng phát triển và cải tạo 59

4.2 Kết quả vận hành 60

4.2.1 Kết quả 60

4.2.2 Tổng quan 60

4.2.3 Đánh giá hiệu suất 61

4.2.4 Ưu điểm 61

4.2.5 Nhược điểm 62

4.3 Kết luận 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 1 1 Kết cấu của robot Rombo 4

HÌNH 1 2 Kết cấu robot LG Hombot 5

Y HÌNH 2 1 Hộp đựng bụi 9

HÌNH 2 2 Hướng dẫn sư dụng mạch giảm áp DC LM2596 3A 10

HÌNH 2 3 Mạch giảm áp DC LM2596 3A 10

HÌNH 2 4 Sơ đồ nối dây test mạch điều khiển động cơ DC L298 11

HÌNH 2 5 Động cơ giảm tốc DC L298N 12

HÌNH 2 6 Sơ đồ chân IC ATmega 328P 17

HÌNH 2 7 Arduino Uno R3 DIP 18

HÌNH 2 8 Cảm biến siêu âm HC - SR04 21

HÌNH 2 9 Biểu đồ thời gian của SRF05 22

HÌNH 2 10 Sơ đồ nối dây test mạch cảm biến siêu âm HC - SR04 23

HÌNH 2 11 Cảm biến hồng ngoại 25

HÌNH 2 12 Cảm biến hồng ngoạu khi không có vật cản 25

HÌNH 2 13 Cảm biến hồng ngoại khi có vật cản 26

HÌNH 2 14 Sơ đồ nguyên lý 26

HÌNH 2 15 Stator động cơ BLDC 29

HÌNH 2 16 Rotor động cơ BLDC 29

HÌNH 2 17 Hall sensor gắn trên stator 30

HÌNH 2 18 Hoạt động của động cơ BLDC 30

HÌNH 2 19 Sơ đồ điều khiển tốc độ BLDC motor 31

HÌNH 2 20 Nguyên tắc điều khiển truyền thống động cơ BLDC 31

HÌNH 2 21 Motor Nidec hút bụi BLDC 34

HÌNH 2 22 Mạch test động cơ RC SERVO 35

HÌNH 2 23 Pin lion 12V 3

HÌNH 3 1 Sơ đồ khối của robot 34

HÌNH 3 2 Sơ Đồ Cơ Học 35

HÌNH 3 3 Sơ đồ nối dây các linh kiện 36

HÌNH 3 4 Cách hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04 38

HÌNH 3 5 Giao diện chương trình điều khiển 40

HÌNH 3 6 Giao Diện Vùng Lệnh 40

HÌNH 3 7 Giao diện vùng thông báo 41

HÌNH 3 8 Lưu đồ thuật toán di chuyển chính của robot 43

HÌNH 3 9 Mô tả thuật toán 43

HÌNH 3 10 Lưu đồ thuật toán của cảm biến tránh vật cản 44

HÌNH 3 11 Lưu đồ thuật toán của cảm biến tránh rơi cầu thang 45

Y HÌNH 4 1 Các robot trên thị trường 53

HÌNH 4 2 Đặt mua linh kiện 55

HÌNH 4 3 Nguyên liệu làm khung sản phẩm 56

HÌNH 4 4 Lắp ráp các linh kiện 57

HÌNH 4 5 Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện 57

HÌNH 4 6 Sản phẩm hoàn thiện 58

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xi

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang bùng nổ mạnh mẽ thì việc ứngdụng khoa học công nghệ vào những lĩnh vực trong cuộc sống là điều rất phổ biến vàcần thiết, đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu về Robot Robot đang đóng vai trò quantrọng trong việc giải quyết các vấn đề trong công việc cũng như trong đời sống sinhhoạt nhằm tối ưu hóa thời gian làm việc cho con người và tăng hiệu quả năng suất làmviệc Nhóm nghiên cứu thực hiện thiết kế và chế tạo Robot hút bụi tự động điều khiểnqua điện thoại thông minh được sử dụng nhiều module và cảm biến khác nhau Robot

có thể dọn dẹp mà không cần đến con người, tạo cho con người có được một môitrường sống tốt hơn, có giá trị rẻ hơn so với robot ngoài thị trường

1 Mục đích thực hiện đề tài.

Cùng với sự phát triển của công nghệ và máy móc hiện đại, các robot đang đượcứng dụng rộng rãi trong các sản phẩm gia dụng Trong đó, robot hút bụi là sản phẩmkết hợp hệ thống hút bụi và lập trình di chuyển để tiến hành hút bụi được sử dụng ngàycàng nhiều trong dân dụng Nắm bắt được những nhu cầu trên, robot hút bụi đã đượcnghiên cứu, phát triển trên thế giới từ những năm 1995 Đến nay, robot hút bụi đãđược sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu của con người với các hãng sản xuất như:Samsung, LG, Sanyo… Với mục tiêu hoạt động trong nhà, robot hút bụi được thiết kếnhỏ gọn để hoạt động được ở những nơi con người ít khi tiếp xúc lau dọn như: gầmgiường, ghế, sofa, bàn nhỏ… Đồng thời, robot hút bụi cũng có khả năng phát hiện vàtránh vật cản, chống rơi, để thích hợp hoạt động trong nhà Tuy nhiên, phải dichuyển khi hoạt động nên nguồn nuôi của robot là pin hoặc acquy nên thời gian hoạtđộng và công suất hút bụi của robot bị bạn chế Để khắc phục bất tiện do nguồn nuôi

và tăng khả năng tương tác với người dùng, hiện nay các sản phẩm robot hút bụi đượcnghiên cứu, chế tạo theo hướng thông minh như: tự động sạc nguồn điện khi yếunguồn, chức năng hẹn giờ, lưu bản đồ đường đi Hiện nay, robot hút bụi đã đượcnhập khẩu và sử dụng ở Việt Nam Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu trong nước nàothực hiện về đề tài này Vì vậy, nghiên cứu về robot hút bụi là cần thiết tạo tiền đề chếtạo ra sản phẩm phù hợp phục vụ nhu cầu trong nước

2 Mục tiêu đề tài.

Thiết kế và điều khiển robot hút bụi với các yêu cầu:

 Phần cơ khí: Robot hút sạch bụi, gọn, cơ động Phần thân của robot hút bụi thiết

kế mang được nguồn, mạch điều khiển, cảm biến

 Giải thuật điều khiển cho robot: Có khả năng tự hành: tự dò đường, phát hiện vàtránh chướng ngại vật, chống rơi, di chuyển hút bụi.

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu.

Theo yêu cầu của quyết định thực hiện đề tài chỉ dừng lại công việc thiết kếvà chếtạo robot hút bụi tự động Bao gồm hai phần chính là cơ khí và điều khiển, trong đóphần thiết kế cơ khí nhằm mục đích đưa ra các phương án cơ khí, lựa chọn phương ántiến hành chế tạo sản phẩm thực tế Phần điều khiển có phần thiết kế các bo mạch điềukhiển và thiết kế giải thuật, chương trình điều khiển

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xiii

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT HÚT BỤI TỰ ĐỘNG

1.1.2 Robot hút bụi tự động dùng trong nhà là gì?

Robot hút bụi tự động (tiếng Anh: robotic vacuum cleaner) là một robot hút bụivới lập trình thông minh giúp tự động hóa việc hút bụi Robot hút bụi có một số tínhnăng: tự động làm việc tự động lập bản đồ căn phòng lên phương án làm việc tối ưu,trang bị cảm biến bụi bẩn điều khiển lực hút, linh hoạt thay đổi theo chất liệu sàn khácnhau; màng lọc giúp lọc sạch ion siêu nhỏ và loại bỏ các chất gây kích ứng da; tia tửngoại UV diệt khuẩn giúp robot hút bụi hiệu quả với cả rác bẩn vật lý và hóa học

Một công việc gia đình rất đáng chú ý là lau sàn thường được coi là khó chịu, khókhăn, vụng về và nhàm chán Trong hầu hết các trường hợp, người dọn dẹp được thuê

để làm nhiệm vụ này thay vì người dân trong hộ gia đình làm việc đó Sự khó chịu docông việc vặt lặp đi lặp lại này đòi hỏi phải phát triển một máy hút bụi có thể hỗ trợcon người thực hiện công việc như vậy Máy hút bụi là một thiết bị cơ điện thườngđược sử dụng để làm sạch sàn nhà, đồ đạc, thảm và thảm bằng cách hút Một động cơđiện bên trong thiết bị làm quay quạt tạo ra một phần chân không và làm cho khôngkhí bên ngoài tràn vào không gian được sơ tán Điều này buộc mọi bụi bẩn gần vòiphun vào túi bên trong máy hoặc dính vào bên ngoài

Các máy hút bụi hiện nay, mặc dù hiệu quả, nhưng khá cồng kềnh và do đó cầnnhân lực lớn để hoạt động tốt Những chất tẩy rửa được biết đến trước đó là của DanielHess ở Iowa (năm 1860) và Ives W McGaffey ở Chicago (năm 1868) Trong khi loạitrước đây sử dụng ống thổi để tạo ra lực hút và gom bụi bằng chổi quay, loại sau hoạtđộng với dây curoa được điều khiển bằng quạt quay tay khiến nó hoạt động khó khăn

Vào cuối những năm 1990 và đầu những năm 2000, các loại xe quét hiệu quả hơnđược trang bị lực hút hạn chế đã được phát triển Một số thương hiệu nổi bật làiRoomba, Neato và bObsweep Tùy thuộc vào mục tiêu thiết kế, robot hút bụi thíchhợp cho văn phòng, khách sạn, bệnh viện và gia đình Tuy nhiên, hầu hết các chất tẩyrửa giá rẻ cần một thuật toán mô hình làm sạch tốt hơn để hoạt động hiệu quả trong khicác máy thông minh khá tốn kém và do đó vượt quá tầm với của hầu hết các ngôi nhà.Những thách thức này đã được cân nhắc kỹ lưỡng trong khi thiết kế robot hút bụi được

mô tả trong bài báo này

Robot hút bụi hiện tại được chế tạo từ phế liệu máy tính, cảm biến siêu âm và viđiều khiển Arduino UNO R3 khiến nó tương đối rẻ Nó điều hướng các phòng bằngcách sử dụng một thuật toán theo khuôn mẫu và cơ chế làm sạch của nó được tăngcường nhờ hai máy quét xoay đặt cạnh nhau Hình dạng đĩa của nó đã được xem xétcẩn thận trong thiết kế của các bộ quét trong khi hiệu quả của nó đã được đánh giá

1.2 Giới thiệu các sản phẩm trên thị trường

1.2.1 Robot Romba:

Robot Roomba của hãng iRobot là một robot hút bụi thông minh Không giốngnhư các loại máy hút bụi thông thường Roombathực hiện công việc hút bụi một cáchhoàn toàn tự động theo chương trình đã được lập sẵn Roomba thích hợp cho các giađình và văn phòng có nền gỗ, thảm, đá hoa

Với kích thước nhỏ gọn robot có thể di chuyển hết các phòng, những nơi mà máyhút bụi thông thường khó vào được như gầm bàn, giường, sofa, …

Các chức năng nổi bật của Roomba là điều khiển từ xa bằng remote control tự cảmnhận tránh vật cản, tự động sạc khi hết nguồn pin Roomba có khả năng di chuyển linhhoạt như di chuyển hình xoắn ốc, zigzag, …

HÌNH 1 1 Kết cấu của robot Rombo

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xv

1.2.2 Robot LG Hombot

Hombot là một robot hút bụi thông minh thế hệ mớido hãng LG nghiên cứu chế tạo

HÌNH 1 2 Kết cấu robot LG Hombot

Hệ thống cảm nhận vật cản của robot sử dụng cảm biến siêu âm, cảm này giúp chorobot phát hiện vật cản hiệu quả, đo khoảng cách chuẩn xác Robot tiếp xúc với vậtcản từ khoảng cách rất nhỏ với chỉ 5 mm

Không giống như các robot hút bụi khác, Hombot hoạtđộng hiệu quả nhờ các chế

độ di chuyển hợp lý, như hình xoáy ốc, zigzag, phân ngăn, phân ô Trang bị cameranhận biết không gian, từ đó đưa ra lịnh trình làm việc hiệu quả cao Ví dụ như: nhữngnơi mà robot đã đi qua sẽ không lập lại, ưu tiên làm sạch ở những nơi bẩn hơn

1.3 Các tính năng chính của robot hút bụi sử dụng trong nhà

1.3.1 Tích hợp công nghệ

Máy hút bụi có bánh xe, hệ thống làm sạch, điện và điều khiển, các cảm biếnchống rơi cầu thang và cảm biến tránh vật cản, tất cả đều hoạt động hài hòa để đạtđược hiệu quả làm sạch Trong khi thiết kế các hệ thống này; triển vọng thẩm mỹ,trọng lượng tổng thể và kết nối điện đã được chú ý thích hợp Bố cục chung cho thấy

vị trí của động cơ quét rác, bánh xe trục và động cơ điều khiển servo trong số nhữngthứ khác

1.3.2 Hệ điều khiển chuyển động

Chúng tôi đã xem xét trọng lượng gần đúng của robot để phân phối tải trọng lên hệthống bánh xe một cách chính xác Trong thực tế, một thiết kế tốt sẽ tập trung tải nhiềuhơn vào bánh trục và ít vào bánh trước vì bánh sau được thiết kế để chuyển động lực

di chuyển và bánh trước có tác dụng tự chuyển hướng đi của robot Thiết kế ý tưởngcủa robot sao cho hệ thống bánh xe của nó đối xứng và chia đều trọng lượng của mộtrobot để nó có thể chịu lực tốt nhất Có nghĩa là các bánh xe được phân bổ đều trên

cấu trúc Hai bánh xe trục, được dẫn động bằng động cơ DC được điều khiển bằngservo, điều khiển robot bằng cách chuyển hướng bánh xe một cách chủ động và nhanhchóng, chỉ cho phép chuyển động theo các hướng song song và tạo ra mô-men xoắncần thiết để di chuyển robot Bánh trước sử dụng loại tự điều hướng Nó được thiết kế

để tạo điều kiện thuận lợi cho chuyển động ngược và xuôi của robot

1.3.3 Các cảm biến

1.3.3.1 Cảm biến siêu âm HR-S04

Vì đặc thù robot hút bụi sử dụng trong gia đình nên trong nhà sẽ có các vật dụnglàm vật cản ảnh hưởng đến hoạt động của robot, cũng như sẽ gây hư hại khi va chạmvới các vật dụng trong nhà như hư hỏng thiết bị…

Do đó, từ nhu cầu thiết yếu mà chúng tôi thiết kế lắp đặt các cảm biến để theo dõicũng như giúp robot vận hành trong nhà một cách suôn sẻ và tránh được các vật cảnmột cách tốt nhất để giảm thiểu tối đa các hư hại có thể xảy ra khi robot hoạt động

1.3.3.2 Cảm biến hồng ngoại

Cũng như cảm biến siêu âm đẻ tránh các vật cản, thì còn một lí do nữa, là tronggia đình thường có các cầu thang, vì lẽ đó ta phải thiết kế lắp đặt các cảm biến hồngngoại để theo dõi và tranh được các trường hợp robot đang hoạt động vô tình chạy tớikhu vực có cầu thang và rơi xuống gây hư hại nặng nề cho robot

1.3.4 Ưu điểm

 Robot có kích thước nhỏ gọn giúp di chuyển linh hoạt

 Bo lớn các góc nâng cao hiệu quả làm việc

 Diện tích không gian bên trong robot khá rộng

 Kiểu dáng và màu sắc đẹp

 Các phần cấu thành nên robot được bố trí hợp lý

1.3.5 Nhược điểm

 Robot hạn chế hoạt động những địa hình nhấp nhô

 Dung lượng pin hơi khiêm tốn khiến cho robot không thể vận hành quá lâu

 Lặp lại những diện tích đã làm việc

 Robot chưa thể tự xạc nguồn

 Giải thuật robot chưa đa dạng, chỉ có thể di chuyển trên mặt sàn phẳng, vật cảnsát tường

 Chưa có kết quả thực nghiệm

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xvii

CHƯƠNG 2: KẾT CẤU PHẦN CỨNG CỦA ROBOT HÚT BỤI

2.1 Tổng quan

2.1.1 Quy trình thực hiện

 Tham khảo sản phẩm robot hút bụi có trên thị trường

 Xây dựng các phương án thiết kế

 Phân tích và chọn phương án thiết kế

 Thi công phương án lựa chọn

 Thử nghiệm sản phẩm

 Kết luận và hướng phát triển

2.1.2 Yêu cầu kĩ thuật

Robot hút bụi chỉ có nhiệm vụ di chuyển hút bụi và tránh vật cản phía trước Phần

cơ khí của robot hút bụi cứng vững để mang được pin, mạch điều khiển, cảm biến…Tốc độ di chuyển không quá nhỏ cũng không lớn quá, không gây khó khăn cho việcđiều khiển Cơ cấu cơ khí nhỏ gọn, giúp cho robot di chuyển linh hoạt Kiểu dáng,màu sắc đẹp

Thiết kế phương án cơ khí của Robot hút bụi Công việc thiết kế cơ khí của robothút bụi bao gồm 2 phần như sau: • Xây dựng bản vẽ, công việc này được thực hiệntrên phần mềm vẽ đồ họa SolidWork 2005 • Sau khi có được bản vẽ thiết kế 3D củarobot bụi, tiến hành phân tích lựa chọn phương án thiết kế Tiếp theo, thi công phương

án được chọn

2.1.3 Phương án thiết kế

Phương án thiết kế dựa trên hình có 8 cạnh được bo tròn bốn góc Robot có 2 bánhchủ động và 1 bánh dẫn hướng được đặt phía trước Ở phương án này có bố trí hệthống gồm 3 chổi quét, trong đó 2 chổi nhỏ đặt hai bên góc trước của robot giúp quétbụi ở góc tường nên tăng diện tích làm việc của robot Bên cạnh đó, chổi lớn đượcthiết kế đặt trung tâm chếch về phía trước có chức năng khuấy bụi và quét các mảnhvụn có kích thước nhỏ Hộp bụi được thiết kế bố trí hợp lý Ở phương án này dùng cáccông tắc hành trình đặt phía trước để giúp robot cảm nhận 18 vật cản Các công tắchành trình được bảo vệ bởi 2 vành ngoài được thiết kế dựa theo hình dạng của thânrobot Ưu điểm:

 Robot có kích thước nhỏ gọn giúp di chuyển linh hoạt

 Bo lớn các góc nâng cao hiệu quả làm việc

 Diện tích không gian bên trong robot khá rộng

 Kiểu dáng và màu sắc đẹp

 Các phần cấu thành nên robot được bố trí hợp lý

Tuy vậy, tồn tại một số nhược điểm như dung tích hộp bụi còn nhỏ Sử dụng công tắchành trình chưa được hay lắm

2.1.4 Chế tạo thân robot

Thiết kế phần thân được tiến hành trên phần mềm vẽ 3D corel draw x7 Ta cóhình dạng tổng thể của phần khung cũng như kích thước tổng quát của khung robot.Khung robot có yêu cầu về tính thẩm mĩ vì là hình dạng bên ngoài của robot Vì vậy

mà trong quá trình thi công phần khung phải đảm bảo đúng như thiết kế đề ra về kíchthước, kiểu dáng Tránh những lỗi trên là thi công phương án sẽ thành công Sau khi

đã hoàn chỉnh bản vẽ 3D ta tiến hành chuyển bản vẽ sang 2D bằng các phần mềm nhưCad, Solid, … Ở đây chọn phần mềm Corel Draw để vẽ 2D phần khung, được giacông trên máy cắt CNC

2.1.5 Bánh xe phía trước tự điều hướng

Bánh tự lựa là loại bánh bị động, được phát động bởi hai bánh chủ động Bánh này

có chứ năng dẫn hướng cho robot Hiện nay có rất nhiều bánh tự lựa trên thị trườngvới nhiều kích thước, kiểu dáng, mẫu mã khác nhau như: omi, mắt trâu, … Chế tạobánh tự lựa phải đúng yêu cầu kỹ thuật như:

 Đảm bảo độ cứng vững

 Bánh xe di chuyển linh hoạt

 Tránh hiện tượng bánh xe bị kẹt cứng

 Tránh hiện tượng rung lắc của bánh xe khi di chuyển

 Bánh tự lựa đảm bảo 2 bậc tự do là: xoay theo trục z và x

2.1.6 Hệ thống làm sạch

Robot được trang bị hai động cơ quét quay, mỗi động cơ được trang bị hai chổiquay bụi bẩn trong bán kính chân không Một trong những thách thức của thiết kế hìnhđĩa là các bàn chải có xu hướng chồng lên nhau và cuối cùng bị rối Tuy nhiên, trongthiết kế hiện tại, động cơ quét rác được đặt ở giữa các bánh xe, do đó ngăn các chổiquét chồng lên nhau Xem xét cẩn thận cách bố trí hệ thống quét rác cho thấy rằngrobot thực sự quét một khu vực lớn hơn chính nó như được chỉ ra bởi khu vực làmsạch hiệu quả

2.1.7 Chế tạo hệ thống hút bụi

Mỗi robot hút bụi trên thị trường đều được trang bị hệ thống hút bụi riêng Một hệthống hút bụi điển hình bao gồm phần hút, phần lọc Trang bị động cơ và cánh quạt tạolực hút cho hệ thống Lực hút mạnh hay yếu tùy thuộc vào công suất của động cơ

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xix

Nguyên lý hút bụi rất đơn giản, bên trong có một động cơ điện có tốc độ vòng quay rấtcao, trên trục chuyển động của động cơ điện có lắp cánh quạt gió, khi động cơ điệnhoạt động với tốc độ cao, cánh quạt gió sẽ quạt cùng với trục chuyển động với tốc độcao, như vậy không khí bên trong sẽ nhanh chóng thổi ra như một chiếc hộp rỗng Để

bù lại phần không khí đã mất sẽ có một luồng không khí nhanh chóng đi vào theo sựchênh lệch về áp suất Phần lọc có chức năng lọc sạch không khí đưa vào, giữ lại bụibẩn cũng như các thành phần không tốt cho sức khỏe của con người có trong khôngkhí như vi khuẩn chẳng hạn Tùy thuộc vào như cầu lọc mà sử dụng nhiều vật liệu lọckhác nhau như giấy lọc, lưới lọc, vải lọc, …

2.1.8 Chế tạo hộp đựng bụi, rác

Hộp đựng bụi có chức năng đựng bụi và lọc sạch không khí Vì vậy, hộp bụi đượcthiết kế có phần đảm nhiệm lọc bụi Hệ thống hút bụi có màng lọc giúp lọc sạch ionsiêu nhỏ và loại bỏ các chất gây kích ứng da Nó được thiết kế lắp đặt ở phần thân saucủa robot Nếu phía trước robot được lắp đặt các cảm biến để robot dễ dàng tránh đượccác vật can thì đặt hộp đựng bụi phía sau sẽ có các tác dụng:

 Thứ nhất, nó sẽ cân bằng trọng lượng của robot, khiến cho các bánh xe sẽ gánhchịu một lực tương đối bằng nhau và không có hiện hượng gập ghềnh hay đổ vềmột hướng cũng như làm chậm tốc độ của động cơ

 Thứ hai, đặt nó phía sau vì ở phía các chổi quét để lùa rác, bụi vào một nơiđược đặt gần đó, sẽ thuận tiện cho các động cơ hút làm việc hút rác hay bụi bẩnmột cách tốt nhất

HÌNH 2 1 Hộp đựng bụi

2.2 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A

2.2.1 Tổng quan Mạch giảm áp DC LM2596 3A

Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V

mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%) Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấpcho các thiết bị như camera, motor, robot,…

2.2.2 Hướng dẫn sử dụng

Module có 2 đầu vào IN, OUT, 1 biến trở để chỉnh áp đầu ra Khi cấp điện cho đầuvào (IN) thì người dùng vặn biến trở và dùng VOM để đo mức áp ở đầu ra (OUT) đểđạt mức điện áp mà mình mong muốn Điện áp đầu vào từ 4-35V, điện áp ra từ 1,25-30V, dòng Max 3A, có thể cấp nguồn sử dụng tốt cho raspberry và module sim…

HÌNH 2 2Hướng dẫn sư dụng mạch giảm áp DC LM2596 3A

HÌNH 2 3Mạch giảm áp DC LM2596 3A

Mạch điều khiển động cơ DC L298N có khả năng điều khiển 2 động cơ DC, dòngtối đa 2A mỗi động cơ, mạch tích hợp diod bảo vệ và IC nguồn 7805 giúp cấp nguồn5VDC cho các module khác (chỉ sử dụng 5V này nếu nguồn cấp <12VDC)

Bảng 1 Thông số kỹ thuật của động cơ DC L298N

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxi

IC chính L298 – Dual Full Bridge Driver

Dòng tối đa cho mỗi cầu H 2A

Mức điện áp logic Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss

Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho Động cơ, nối với GND củaArduino

Gồm có 4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4 Giải thích chức năng các chân :

 Output A: nối với động cơ A bạn chú ý chân +, - Nếu bạn nối ngược thì động

cơ sẽ chạy ngược Và chú ý nếu nối động cơ bước, phải đấu nối các pha chophù hợp

 Board này gồm 2 phần điều khiển động cơ Và có thể điều khiển cho 1 động cơbước 6 dây hoặc 4 dây

 Nếu bạn điều khiển 2 Động cơ của robot, bạn cần chú ý bài đấu nối Cực +, của động cơ tương ứng với chân +, - của OUTPUT X.

- Tiếp cấp nguồn cho Module L298 như phần giải thích ở trên

 Nếu bạn dùng 5V và động cơ dưới 1A bạn có thể dùng chân 5V của Arduino,nếu không nguồn cấp cho động cơ ở L298 phải là nguồn riêng để không làmhỏng Arduino của bạn

 Các chân số D7, D6, D5 và D4 của Arduino sẽ nối tương ứng với IN1, IN2, IN3

Nếu muốn thay đổi tốc độ của nó, bạn cần phải băm xung PWM bằng các chân có

hỗ trợ PWM trên Arduino (những chân có dấu ~)

Để hiêu rõ Giả sử, chân IN1 là chân OutA.1, chân IN2 là chân OutA.2

 Cấp cực dương vào IN1, cực âm vào IN2 => motor quay một chiều (chiều 1)

 Cấp cực âm vào IN1, cực dương vào IN2 => motor quay chiều còn lại (chiều2)!

 Cực dương ở đây là điện thế 5V, cực âm ở đây là điện thế 0V Hiện điện thếđược tính là điện thế ở IN1 trừ hiệu điện thế IN2

Giả sử, hiệu điện thế 5V sẽ là mạnh nhất trong việc điều khiển động cơ Như vậy,chỉ cần hạ hiệu điện thế xuống là động cơ sẽ bị yếu đi Và nếu hiệu điện thế < 0 =>động cơ sẽ đảo chiều!

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxiii

HÌNH 2 5 Động cơ giảm tốc DC L298N

Mạch có thể điều khiển chiều và tốc độ hai động cơ độc lập Điện áp cấp tối đa là 35v

và dòng điện không quá 2a cho mỗi động cơ

 ưu điểm: điều khiển độc lập 2 động cơ một chiều hoặc một động cơ bước Giáthành rẻ và mạch nhỏ gọn, đơn giản đấu nối

 nhược điểm: để điều khiển được hai động cơ độc lập thì thông thường cần sửdụng thêm vi điều khiển Công suất của mạch nhỏ, chỉ áp dụng cho động cơcông suất nhỏ, điện áp thấp

2.4 Bo điều khiển ARDUINO

2.4.1 Giới thiệu Arduino UNO R3 DIP

2.4.1.1 Tại sao lại chọn Arduino UNO R3 DIP?

Hiện tại ở Việt Nam và trên thế giới cũng có nhiều bo mạch vi điều khiển khácnhau Tuy nhiên Arduino có một số ưu điểm mà khiến nó trở nên nổi tiếng và hiệnđang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Những ưu điểm đó là: rẻ, tương thích đượcvới nhiều hệ điều hành, chương trình lập trình đơn giản, rõ ràng, dễ sử dụng, sử dụng

mã nguồn mở và có thể kết hợp với nhiều module khác nhau

Arduino Uno R3 DIP bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạchcảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,… hoặc cao hơn nữa bạn cóthể làm những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không ngườilái, và các ứng dụng lớn khác

Thông số kỹ thuật Ảduino UNO R3 DIP

Vi điều khiển ATmega328P

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V

Digital I/O pin 14 (trong đó 6 pin có khả năng băm

xung)

Cường độ dòng điện trên mỗi I/O

Cường độ dòng điện trên mỗi 3.3V

0.5 KB được sử dụng bởi bootloader

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxv

 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thôngqua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nốiSerial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độphân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ởchân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như nhữngchân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài cácchức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giaothức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nútReset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13.Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

 Arduino Uno R3 có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Vớichân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụngcác chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thểdùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phângiải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗtrợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

2.4.1.2 Tác dụng các chân trên ARDUINO UNO R3 DIP:

 Cáp USB

Đây là dây cáp thường được bán kèm theo bo, dây cáp dùng để cắm vào máy tính

để nạp chương trình cho bo và dây đồng thời cũng lấy nguồn từ nguồn usb của máytính để cho bo hoạt động Ngoài ra cáp USB còn được dùng để truyền dữ liệu từ boArduino lên máy tính Dây cáp có 2 đầu, đầu 1a được dùng để cắm vào cổng USB trên

bo Arduino, đầu 1b dùng để cắm vào cổng USB trên máy tính

o GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạndùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chânnày phải được nối với nhau

o 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

o 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là50mA.

o Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cựcdương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

o IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thểđược đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn khôngđược lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khôngphải là cấp nguồn

o RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tươngđương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

 Cổng nguồn ngoài

Cổng nguồn ngoài nhằm sử dụng nguồn điện bên ngoài như pin, bình acquy haycác adapter cho bo Arduino hoạt động Nguồn điện cấp vào cổng này là nguồn DC cóhiệu điện thế từ 6V đến 20V, tuy nhiên hiệu điện thế tốt nhất mà nhà sản xuất khuyêndùng là từ 7 đến 12V

 ICSP của ATmega 16U2

ICSP là chữ viết tắt của In-Circuit Serial Programming Đây là các chân giao tiếpSPI của chip Atmega 16U2 Các chân này thường ít được sử trong các dự án vềArduino

 Chân xuất tín hiệu ra

Có tất cả 14 chân xuất tín hiệu ra trong Arduino Uno, những chân có dấu ~ lànhững chân có thể băm xung (PWM), tức có thể điều khiển tốc độ động cơ hoặc độsáng của đèn Hình 2 thể hiện rất rõ những chân để băm xung này

2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây.Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiếtChân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phângiải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxvii

một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.

Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chứcnăng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI vớicác thiết bị khác

LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nútReset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khichân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báokhi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớRAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạnphải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đâygiống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây

mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

HÌNH 2 6 Sơ đồ chân IC ATmega 328P

 Chân ICSP của ATmega 328

Các chân ICSP của ATmega 328 được sử dụng cho các giao tiếp SPI (SerialPeripheral Interface), một số ứng dụng của Arduino có sử dụng chân này, ví dụ như sửdụng module RFID RC522 với Arduino hay Ethernet Shield với Arduino.

 Chân lấy tín hiệu Analog

Các chân này lấy tín hiệu Analog (tín hiệu tương tự) từ cảm biến để IC Atmega 328

xử lý Có tất cả 6 chân lấy tín hiệu Analog, từ A0 đến A5 cung cấp độ phân giải tínhiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREFtrên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức

là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đođiện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, ArduinoUNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bịkhác

 Chân cấp nguồn cho cảm biến

Các chân này dùng để cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài như role, cảm biến, RCservo… trên khu vực này có sẵn các chân GND (chân nối đất, chân âm), chân 5V,chân 3.3V Nhờ những chân này mà người sử dụng không cần thiết bị biến đổi điệnkhi cấp nguồn cho cảm biến, role, rc servo… Ngoài ra trên khu vực này còn có chânVin và chân reset, chân IOREF Tuy nhiên các chân này thường ít được sử dụng nêntrong tài liệu này xin không đi sâu về nó

 Các linh kiện khác trên board Arduino Uno R3

Ngoài các linh kiện đã liệt kê bên trên, Arduino Uno còn 1 số linh kiện đáng chú ýkhác Trên bo có tất cả 4 đèn led, bao gồm 1 led nguồn (led ON nhằm cho biết boa đãđược cấp nguồn), 2 led Tx và Rx, 1 led L Các led Tx và Rx sẽ nhấp nháy khi có dữliệu truyền từ board lên máy tính hoặc ngược lại thông qua cổng USB Led L đượcđược kết nối với chân số 13 Led này được gọi là led on board (tức led trên bo), lednày giúp người dùng có thể thực hành các bài đơn giản mà không cần dùng thêm ledngoài

Trong 14 chân ra của bo còn có 2 chân 0 và 1 có thể truyền nhận dữ liệu nối tiếpTTL Có một số ứng dụng cần dùng đến tính năng này, ví dụ như ứng dụng điều khiểnmạch Arduino Uno qua điện thoại sử dụng bluetooth HC05 Thêm vào đó, chân 2 vàchân 3 cũng được sử dụng cho lập trình ngắt (interrupt), đồng thời còn 1 vài chân khác

có thể được sử dụng cho các chức năng khác, Bảng 1 thể hiện thêm các thông số cho

bo Arduino Uno R3

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxix

HÌNH 2 7 Arduino Uno R3 DIP

2.4.2 Thiết kế nguồn

Phần nguồn của Board mạch Arduino được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ sau:

Lựa chọn nguồn cung cấp cho board mạch (khối màu cam trong hình dưới) Boardmạch Arduino có thể được cung cấp nguồn bởi Adapter thông qua Jack DC hoặc từcổng USB (2 mũi tên màu đỏ) Trong trường hợp chỉ có 1 trong 2 nguồn cung cấp thìBoard Arduino sẽ sử dụng nguồn cung cấp đó Trong trường hợp có cả 2 nguồn cungcấp thì Arduino sẽ ưu tiên lựa chọn nguồn cung cấp từ Jack DC thay vì từ cổng USB.Việc ưu tiên này được thực hiện bởi OpAmp trong IC LMV358 và MOSFETFDN340P Điện áp từ Jack DC sau khi qua Diode bảo vệ D1 thì được gọi là điện ápVIN Điện áp VIN qua cầu phân áp để tạo thành VIN/2 để so sánh với điện áp 3.3V

Vì VIN/2 >3.3V nên điện áp đầu ra của OpAmp là 5V, điều này làm cho MOSFETkhông được kích, nguồn cung cấp cho Board Arduino là từ Jack DC sau khi qua ổn áp.Tạo ra các điện áp 5v và 3.3v (2 khối màu xanh) để cung cấp cho vi điều khiển vàcũng là điểm cấp nguồn cho các thiết bị bên ngoài sử dụng Mạch Arduino sử dụng IC

ổn áp NCP1117 để tạo điện áp 5V từ nguồn cung cấp lớn và IC ổn áp LP2985 để tạođiện áp 3.3V Đây đều là những IC ổn áp tuyến tính, tuy hiệu suất không cao nhưng ítgợn nhiễu và mạch đơn giản

Bảo vệ ngược nguồn, quá tải (vòng tròn màu đỏ) F1 là một cầu chì tự phục hồi,trong trường hợp bạn chỉ sử dụng dây cáp USB để cấp nguồn thì tổng dòng tiêu thụkhông được quá 500mA Nếu không cầu chì sẽ ngăn không cho dòng điện chạy qua.D1 là một Diode, chỉ cho dòng điện 1 chiều chạy qua (từ Jack DC vào mạch), trongtrường hợp mạch Arduino của bạn có mắc với các thiết bị khác và có nguồn cung cấplớn hơn nguồn vào Jack DC, nếu có sai sót chập mạch vv thì sẽ không có trườnghợp nguồn các thiết bị bên ngoài chạy ngược vào Adapter

Báo nguồn Đèn nguồn ON sáng lên báo thiết bị đã được cấp nguồn Nếu các bạn

đã cắm nguồn mà đèn nguồn không sáng thì có thể nguồn cung cấp của bạn đã bị hỏnghoặc jack kết nối lỏng, hoặc mạch Arduino kết nối với các linh kiện bên ngoài bị ngắnmạch

Reset bằng tay: Khi nhấn nút, chân RESET nối với GND, làm cho MCU RESET.Khi không nhấn nút chân Reset được kéo 5V

Reset tự động: Reset tự động được thực hiện ngay khi cấp nguồn cho vi điều khiểnnhờ sự phối hợp giữa điện trở nối lên nguồn và tụ điện nối đất Thời gian tụ điện nạpgiúp cho chân RESET ở mức LOW trong 1 khoản thời gian đủ để vi điều khiển thựchiện reset

Khởi động vi điều khiển trước khi nạp chương trình mới

2.4.5 Thiết kế mạch nạp và giao tiếp máy tính

Vi điều khiển Atmega328P trên Board Arduino UnoR3 đã được nạp sẵn 1bootloader, cho phép nhận chương trình mới thông qua chuẩn giao tiếp UART (chân 0

và 1) ở những giây đầu sau khi vi điều khiển Reset

Máy tính giao tiếp với Board mạch Arduino qua chuẩn giao tiếp USB (D+/D-),thông qua một vi điều khiển trung gian là ATMEGA16U2 hoặc một IC trung gian làCH340 (thường thấy trong các mạch sử dụng chip dán) Vi điều khiển hoặc IC này cónhiệm vụ chuyển đổi chuẩn giao tiếp USB thành chuẩn giao tiếp UART để nạpchương trình hoặc giao tiếp truyền nhận dữ liệu với máy tính (Serial)

Phần thiết kế mạch nạp có tích hợp thêm 02 đèn LED, nên khi nạp chương trìnhcác bạn sẽ thấy 2LED này nhấp nháy Còn khi giao tiếp, nếu có dữ liệu từ máy tính gửixuống vi điều khiển thì đèn LED Rx sẽ nháy Còn nếu có dữ liệu từ vi điều khiển gửilên máy tính thì đèn Tx sẽ nháy

 Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần lưu ý:

Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện

Về vai trò, có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board.Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxxi

dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB flash memory Loại

bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10.000 lần ghi / xoá

RAM: tương tự như RAM của máy tính, mất dữ liệu khi ngắt điện, bù lại tốc độđọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần

EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoácao hơn - khoảng 100.000 lần và có kích thước rất nhỏ Để đọc / ghi dữ liệu có thểdùng thư viện EEPROM của Arduino

Ngoài ra, Arduino board còn cung cấp cho các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V,pin cấp nguồn 5V, pin GND,

Mặc dù Arduino có cầu chì tự phục hồi (resettable fuse) bảo vệ mạch khi xảy raquá tải, tuy nhiên cầu chì này chỉ được mắc cho cổng USB nhằm tự động ngắt điện khinguồn vào USB lớn hơn 5V Do đó khi thao tác với Arduino, cần tính toán cẩn thận đểtránh gây hư tổn đến board Các thao tác sau đây có thể gây hỏng một phần hoặc toàn

bộ board Arduino

Khi nối trực tiếp dòng 5V vào GND mà không qua bất kỳ một điện trở kháng nào

sẽ gây ra hiện tượng đoản mạch và phá hỏng Arduino, các trường hợp phổ biến có thểmắc phải Thay đổi các kết nối trong lúc đang vận hành

Khi Arduino đang vận hành, thay đổi các kết nối có thể gây ra sự không ổn địnhcủa điện áp dẫn đến hư hỏng Arduino Trong thực tế nên ngắt nguồn Arduino trướckhi thực hiện bất kỳ các thay đổi nào

2.5 Cảm biến siêu âm

2.5.1 Khái niệm

Cảm biến siêu âm (khoảng cách) là gì? Là một sóng siêu âm (Sonar) có sóng cao

tầng mà con người không thể nghe thấy được Tuy nhiên, ta có thể thấy được sự hiệndiện của sóng siêu âm ở khắp mọi nơi trong tự nhiên Ở các loài động vật như dơi, cáheo … dùng sóng siêu âm để liên lạc với nhau, để săn mồi hay định vị trong khônggian

2.5.2 Cảm biến siêu âm (HC-SRF04) là gì?

Cảm biến siêu âm HC-SR04 (Ultrasonic Sensor) được sử dụng rất phổ biến để xácđịnh khoảng cách vì giá thành rẻ và khá chính xác Cảm biến siêu âm HC-SR04 sửdụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300cm

HÌNH 2 8 Cảm biến siêu âm HC - SR042.5.3 Nguyên lí hoạt động

Cảm biến siêu âm SR04 sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm Cảm biến gồm

2 module.1 module phát ra sóng siêu âm và 1 module thu sóng siêu âm phản xạ

về Đầu tiên cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm với tần số 40khz Nếu có chướng ngạivật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng Bằngcách đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảmbiến đến chướng ngại vật

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig Sau

đó, cảm biến siêu âm sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận lại đượcsóng phản xạ ở pin này Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm đượcphát từ cảm biển và quay trở lại

Tốc độ của âm thanh trong không khí là 340 m/s (hằng số vật lý), tương đương với29,412 microSeconds/cm (106 / (340*100)) Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho29,412 để nhận được khoảng cách

Khoảng cách = (thời gian * vận tốc âm thanh (340 m/s) / 2

SVTH: ĐỖ PHẠM THANH - PHẠM ĐỨC TRÍ GVHD: Th.S PHẠM VĂN PHÁT xxxiii

HÌNH 2 9 Biểu đồ thời gian của SRF05

Lưu ý: Cảm biến siêu âm càng xa thì càng bắt không chính xác, vì góc quét củacảm biến sẽ mở rộng dần theo hình nón, ngoài ra bề mặt xiên hay xù xì cũng làm giảm

độ chính xác của cảm biến, thông số kỹ thuật ghi ở dưới đây là của nhà sản xuất testtrong điều khiện lý tưởng, còn thực tế thì tùy theo môi trường làm việc của cảm biến.2.5.4 Các chân chức năng của cảm biến siêu âm

VCC Cấp nguồn cho cảm biến (5V) hoặc 3.3V ở cảm biến 3V3

TRIGGER Chân phát sóng âm Là chu kỳ của của điện cao /thấp diễn ra

ECHO Trạng thái ban dầu là 0V, khi có tín hiệu trả về sẽ là 5V và sau đó

trở về 0V