Thiết kế và thi công găng tay hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm

Cảm biến uốn cong Flex sensor và cảm biến gia tốc Adxl335 để lấy tín hiệu từ cử chỉ tay, module DFPlayer mini để phát âm thanh giao tiếp và sử dụng module bluetooth HC-05 và HC-06 để tru

NGUYỄN THANH PHONG

S K L 0 0 8 9 0 1

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 6/2022

GVHD: Th.S NGUYỄN TRƯỜNG DUY SVTH: ĐỖ NHÂN TRỌNG TRÍ

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY HỖ TRỢ GIAO TIẾP

DÀNH CHO NGƯỜI CÂM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP Y SINH

-

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: ĐIỆN TỬ Y SINH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY

HỖ TRỢ GIAO TIẾP DÀNH CHO

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Đỗ Nhân Trọng Trí MSSV: 18129060

Nguyễn Thanh Phong MSSV: 18129044 Chuyên ngành: Kỹ thuật Y Sinh Mã ngành: 7520212D

Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1

Khóa: 2018 Lớp: 181290

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY HỖ TRỢ GIAO

TIẾP DÀNH CHO NGƯỜI CÂM

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

- Vienamplus, “Sáng tạo đôi găng tay thông minh dành cho người khiếm thị”, Thừa Thiên Huế, 2016

- Mana Lubbadeh, Aya Shashtari, “Smart Deaf-Mute Glove”, 2017

- ABDULLAH AL MAMUN, MD SARWAR JAHAN KHAN POLASH, FAKIR MASHUQUE ALAMGIR, “Flex Sensor Based Hand Glove for Deaf and Mute People”, 2017

2 Nội dung thực hiện:

- Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu đưa ra các hướng đề tài

- Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý

- Kết nối 2 module bluetooth HC-05 và HC-06

- Thiết kế, tính toán, kết nối board Arduino với cảm biến Flex, cảm biến Adxl335, module bluetooth HC-05, HC-06, module DFPlayer mini và loa

- Thiết kế, xây dựng phần cứng, thi công mạch điều khiển

- Viết chương trình điều khiển cho 2 board mạch điều khiển trên bàn tay trái và bàn tay phải

- Viết báo cáo thực hiện

- Bảo vệ luận văn

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 24/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 15/06/2022

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Nguyễn Trường Duy

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp.Thủ Đức,ngày 10 tháng 06 năm 2022

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1: Đỗ Nhân Trọng Trí

Lớp: MSSV:18129060

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Thanh Phong

Lớp: MSSV:18129044

Tên đề tài:THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG GĂNG TAY GIAO TIẾP DÀNH CHO NGƯỜI CÂM

GVHD

Tuần

(01/03-05/03/2022)

- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến hành chọn đồ án

- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài

Tuần

(06/03-11/03/2022) - Viết đề cương cho đề tài đã chọn

- Tìm hiểu các đề tài liên quan đã có

Tuần

(14/03-18/03/2022)

- Tìm hiểu vi điều khiển Arduino nano, module Bluetooth, module Dfplayer, cảm biến flex, cảm biến uốn cong

- Tìm hiểu thủ ngữ của người câm

Tuần - Báo cáo tiến độ cho GVHD

- Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Tuần

(28/03-01/04/2022)

- Kết nối hệ thống

- Mua linh kiện cho hệ thống

- Lập trình cho từng khối hoạt động

- Báo cáo tiến độ cho GVHD

- Kết hợp giao tiếp 2 găng tay thông

- Báo cáo tiến độ cho GVHD

- Chỉnh sửa hệ thống cho hoàn thiện

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan đề tài ‘Thiết kế và thi công găng tay hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm’ là một đề tài do nhóm chúng em tự nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của ThS Nguyễn Trường Duy Các tài liệu của đề tài là sự thu thập không sao chép từ các tài liệu khác Ngoài ra trong bài báo cáo còn sử dụng một số tài liệu tham khảo và được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng Chúng em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước thầy, bộ môn, khoa và nhà trường về sự cam đoan này

Người thực hiện đề tài

Đỗ Nhân Trọng Trí Nguyễn Thanh Phong

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, lời đầu tiên nhóm chúng em gửi lời cảm

ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử đã truyền đạt những kiến thức quý báu, những kinh nghiệm thực tiễn trong suốt quá trình học tập Đặc biệt nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Trường Duy - giảng viên bộ môn Điện Tử Công Nghiệp - Y Sinh người đã hướng dẫn, giúp đỡ cũng như đồng hành

để giúp nhóm chúng em hoàn thành tốt đề tài

Ngoài ra nhóm chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên và mở lối cho chúng em trong suốt quá trình học cho đến lúc khi làm khóa luận tốt nghiệp

Một lần nữa nhóm chúng em xin cảm ơn chần thành đến qúy thầy cô Bên cạnh đó, vì kiến thức bản thân và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên dù đã cố gắng thực hiện hết sức nhưng đề tài vẫn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy nhóm chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy, cô giáo

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆPError! Bookmark not defined LỜI CAM ĐOAN v

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xii

TÓM TẮT xiii

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN 2

1.2.1 MỤC TIÊU 2

1.2.2 GIỚI HẠN 2

1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN 2

1.4 BỐ CỤC 3

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 NGÔN NGỮ KÍ HIỆU CỦA NGƯỜI CÂM 4

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 4

2.2.1 CẢM BIẾN UỐN CONG FLEX 4

2.2.2 MODULE CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL335 5

2.2.3 ARDUINO NANO 6

2.2.4 MODULE PHÁT ÂM THANH DFPLAYER MINI 8

2.2.5 LOA 9

2.2.6 THẺ NHỚ SD CARD 10

2.2.7 MODULE BLUETOOTH 10

2.2.8 MẠCH HẠ ÁP 12

2.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE 13

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 14

3.1 GIỚI THIỆU 14

3.3 TÍNH TOÁN VÀ KẾT NỐI 15

3.3.1 KẾT NỐI KHỐI CẢM BIẾN VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 15

3.3.2 KẾT NỐI KHỐI PHÁT ÂM THANH VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 1 18

3.3.3 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP, KHỐI PHÁT ÂM THANH, KHỐI CẢM BIẾN VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 19

3.3.4 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP 1 VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 1 21

3.3.5 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP 2 VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 2 21

3.3.6 KẾT NỐI 2 KHỐI GIAO TIẾP 22

3.3.7 KHỐI NGUỒN 25

3.4 PHÂN TÍCH CÁC CỬ CHỈ 28

3.5 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 29 3.5.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 29

3.5.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TAY BÊN PHẢI VÀ BÊN TRÁI 29

CHƯƠNG 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 31

4.1 GIỚI THIỆU 31

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 31

4.2.1 GĂNG TAY 31

4.2.2 BOARD MẠCH ĐIỀU KHIỂN 31

4.2.3 NGUỒN 33

4.2.4 LẮP ĐẶT 34

4.2.5 MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH 2 GĂNG TAY 36

4.3 THIẾT KẾ PHẦN MỀM 37

4.4 KIỂM TRA MÔ HÌNH 46

4.5 TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC 46

4.6 DỰ TOÁN HỆ THỐNG 48

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 49

5.1 KẾT QUẢ 49

5.2 NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ 51

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

6.1 KẾT LUẬN 53

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 53

PHỤ LỤC 55

Phụ lục A: 55

Phụ lục B 55

Phụ lục C: 56

Phụ lục D: 63

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2 1 Bảng chữ cái ngôn ngữ ký hiệu 4

Hình 2 2 Sự thay đổi điện trở theo độ cong của cảm biến Flex 5

Hình 2 3Cảm biến Adxl335 6

Hình 2 4 Arduino Nano 7

Hình 2 5 Module phát âm thanh DFPlayer mini 9

Hình 2 6 Loa 8Ω 1W 10

Hình 2 7 Thẻ nhớ SD card 4GB 10

Hình 2 8 Module bluetooth HC-05 11

Hình 2 9 Module bluetooth HC-06 12

Hình 2 10 Mạch hạ áp LM2596 13

Hình 2 11 Giao diện phần mềm Arduino IDE 14

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống 15

Hình 3 2 Mạch chia áp với cảm biến Flex 16

Hình 3 3 Kết nối cảm biến Flex với Arduino Nano 17

Hình 3 4 Kết nối cảm biến gia tốc Adxl335 với Arduino Nano 18

Hình 3 5 Kết nối DFPlayer mini với loa và Arduino Nano 18

Hình 3 6 Kết nối khối điều khiển 2 20

Hình 3 7 Kết nối khối điều khiển 1 20

Hình 3 8 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-06 với Arduino Nano 21

Hình 3 9 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-05 với Arduino Nano 22

Hình 3 10 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-06 để vào chế độ AT 22

Hình 3 11 Hình chế độ kết nối AT của bluetooth HC-06 23

Hình 3 12 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-05 để vào chế độ AT 24

Hình 3.13 Chế độ kết nối AT của bluetooth HC-05 24

Hình 3 14 Sơ đồ kết khối nguồn 28

Hình 3 15 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 29

Hình 3 16 Sơ đồ nguyên lý tay bên phải 30

Hình 3 17 Sơ đồ nguyên lý tay bên trái 30

Hình 4 1 Găng tay có gắn cảm biến Flex 31

Hình 4 2 Sơ đồ mạch in mạch tay trái 32

Hình 4 3 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch tay trái 32

Hình 4 4 Sơ đồ mạch in mạch tay phải 32

Hình 4 5 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch tay phải 33

Hình 4 6Băng đeo pin 34

Hình 4 7 Hàn hàng rào và điện trở lên mạch mạch tay phải 34

Hình 4 8 Board điều khiển sau khi lắp các linh kiện 35

Hình 4 9 Hàn hàng rào và điện trở lên mạch mạch tay trái 35

Hình 4 10 Board điều khiển sau khi lắp các linh kiện 36

Hình 4 11 Bao tay với đầy đủ các linh kiện 36

Hình 4 13Găng tay khi đeo lên tay 37Hình 4 14 Lưu đồ chương trình chính 39Hình 4 15 Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” vi điều khiển 1(1) 40Hình 4 16 Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” vi điều khiển 1(2) 41Hình 4 17 Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” vi điều khiển 2 42Hình 4 18 Lưu đồ chương trình con “HC-06 đọc và kiểm tra kí tự nhận được từ HC-05”(1) 43Hình 4 19 Lưu đồ chương trình con “HC-06 đọc và kiểm tra kí tự nhận được từ HC-05”(2) 44Hình 4 20 Lưu đồ chương trình con “DFPlayer mini đọc file mp3” 45

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến Flex [7] 5

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật của Adxl335 [9] 6

Bảng 2 3 Chức năng của các chân trên Arduino Nano [11] 7

Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật của DFPlayer mini [13] 9

Bảng 2 5 Thông số kỹ thuật của module bluetooth HC-05 [14] 11

Bảng 3 1 Bảng so sánh lựa chọn cảm biến Flex 15

Bảng 3 2 Bảng kết nối cảm biến Flex với Arduino 16

Bảng 3 3 Bảng so sánh cảm biến gia tốc Adxl335 và Adxl345 17

Bảng 3 4 Bảng so sánh Arduino Nano và Arduino Uno 19

Bảng 3 5 Bảng các câu lệnh AT thiết lập cho HC-06 23

Bảng 3 6 Bảng các câu lệnh AT thiết lập cho HC-05 24

Bảng 3 7 Thông số dòng và điện áp board mạch tay phải 25

Bảng 3 8 Thông số dòng và điện áp board mạch tay trái 27

Bảng 3 9 Phân tích việc uốn cong các ngón tay 28

Bảng 4 1 Bảng linh kiện sử dụng 31

Bảng 4 2 Bảng nguyên nhân và cách khắc phục lỗi 46

Bảng 4 3 Hình ảnh cử chỉ bàn tay thực thiện theo ngôn ngữ kí hiệu của người câm 46

Bảng 4 4Bảng dự toán linh kiện đôi găng tay 49

Bảng 5 1 Bảng kết quả đạt được 49

Bảng 5 2 Bảng số liệu kết quả thực hiện 51

TÓM TẮT

Đối với những người bị câm họ rất mong muốn được nói chuyện, rất mong muốn được truyền đạt những suy nghĩ tâm tư của mình đến mọi người Chúng em

vô tình nhận thấy điều đó trong lúc xem tivi thì thấy có một người phụ đề qua các

cử chỉ dưới góc bên phải tivi, từ đó chúng em đã nghĩ đến việc tạo ra một chiếc găng tay có thể phát ra giọng nói ứng với các ngôn ngữ kí hiệu để giúp ít một phần nào đó cho họ Chúng em không thể dừng ở một chiếc găng tay mà chúng em đã tìm hiểu và vận dụng kiến thức đã có để hoàn thành đôi găng tay có thể dùng ngôn ngữ kí hiệu của người câm để xuất ra câu nói mà mình muốn diễn đạt

Đề tài sử dụng vi điều khiển trung tâm là Arduino Nano Cảm biến uốn cong Flex sensor và cảm biến gia tốc Adxl335 để lấy tín hiệu từ cử chỉ tay, module DFPlayer mini để phát âm thanh giao tiếp và sử dụng module bluetooth HC-05 và HC-06 để truyền và nhận dữ liệu không dây giữa 2 bàn tay Nhóm đã sử dụng nguồn pin dung lượng đủ để có thể sử dụng trong thời gian dài, với đôi bao tay dễ đeo, linh hoạt

Kết quả thực hiện nhóm đã nghiên cứu và thi công thành công đôi găng tay

hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm có thể giao tiếp được một số câu như là: “xin chào”, “tôi tên là”, “bạn tên gì”, “bạn khỏe không”, “tôi khỏe”, “bạn thật tuyệt vời”,

“rất vui được gặp bạn”, “hẹn gặp lại”.Tuy câu giao tiếp còn hạn chế nhưng nhóm đã

cố gắng tìm hiểu và thi công hoàn thành đôi bao găng tay

xã hội vì họ không thể giao tiếp với người khác một cách hiệu quả

Hiện nay nhu cầu kết nối các thiết bị với nhau để truyền và nhận dữ liệu ngày càng cao Việc sử dụng dây cáp để kết nối các thiết bị tương đối bất tiện đặc biệt với các thiết bị được đặt cách xa nhau Thay vào đó công nghệ không dây sẽ là một giải pháp thuận tiện hơn trong việc kết nối Có khá nhiều các công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây như RF, Wifi, Bluetooth và một vài công nghệ khác Trong

đó bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến để kết nối giao tiếp giữa hai loại thiết bị khác nhau trong một cự li nhất định Có rất nhiều đề tài sử dụng các module bluetooth để truyền và nhận dữ liệu chẳng hạn như đề tài [2] của bạn Đinh Quang Hiệp và Võ Tân Phước, sử dụng vi điều khiển PIC18f4620 giao tiếp không dây với ứng dụng trên điện thoại Android qua module bluetooth HC-05 để diều khiển các thiết bị điện Hay đề tài [3] của bạn Phạm Ngọc Tùng, sử dụng board điều khiển Arduino Uno giao tiếp với bluetooth điện thoại để điều khiển robot hút bụi

Việc giao tiếp không dây bằng bluetooth thường sử dụng các module bluetooth kết nối với các vi điều khiển hoặc board điều khiển để giao tiếp với một thiết bị khác cũng được hỗ trợ bluetooth Và ngày nay với sự phát triển của khoa học và công nghệ đã có rất nhiều các board mạch điều khiển ra đời Trong đó thông dụng và gần gũi nhất đối với các bạn trẻ đặc biệt là sinh viên phải kể đến các board Arduino Và việc sử dụng board Arduino để thiết kế và thi công các thiết bị hỗ trợ cho người khuyết tật cũng trở nên phổ biến hơn Như là sản phẩm "Găng tay thông minh dành cho người khiếm thị" của em Lê Ngô Duy Phong, trường Trung Học Phổ Thông Phú Bài, thị xã Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên-Huế [4] Đề tài sử dụng bộ xử

lý trung tâm Arduino, sẽ đưa ra báo động bằng còi và rung giúp người khiếm thị nhận biết và xác định hướng đi, đường đi, đảm bảo độ an toàn khi di chuyển

Những đề tài trên cho thấy độ hiệu quả và tính thực tế cao trong việc áp dụng máy móc và công nghệ để giúp đỡ cho những người khuyết tật

Từ những khảo sát trên cùng với kiến thức đã được trang bị từ trước Đồng thời cũng muốn hỗ trợ một phần để giúp những người câm giao tiếp với người khác

dễ dàng và tự tin hơn Vì vậy nhóm đã chọn đề tài ‘Thiết kế và thi công găng tay

hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm’ với mục tiêu chuyển các ngôn ngữ kí hiệu từ

hai bàn tay thành giọng nói văn bản (tiếng Việt)

1.2 MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN

1.2.1 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công hệ thống chiếc găng tay hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm giúp nhận diện cử chỉ theo ngôn ngữ kí hiệu người câm từ 2 bàn tay thông qua cảm biến uốn cong, cảm biến gia tốc và xuất ra câu nói phù hợp với các cử chỉ nhận được bằng module phát âm thanh được điều khiển bởi board Arduino Nano

1.2.2 GIỚI HẠN

Các thông số giới hạn của đề tài bao gồm:

- Sử dụng loa công suất tối đa dưới 3W

- Chỉ sử dụng được đối với người câm không điếc

- Chỉ chuyển tối đa được 10 cử chỉ tay thành giọng nói

- Chỉ phát ra giọng nói tiếng Việt

- Hai module bluetooth giao tiếp trong khoảng cách dưới 10m

1.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN

Đề tài được thực hiện gồm có những nội dung chính sau:

- Nội dung 1: Tham khảo tài liệu, đọc và tóm tắt tài liệu để đưa ra các hướng

đề tài

- Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý

- Nội dung 3: Kết nối 2 module bluetooth HC-05 và HC-06

- Nội dung 4: Thiết kế, tính toán, kết nối Arduino với cảm biến Flex, cảm

biến Adxl335, module bluetooth HC-05, HC-06, module DFPlayer mini và loa

- Nội dung 5: Thiết kế, xây dựng phần cứng, thi công mạch điều khiển

- Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho 2 board mạch điều khiển trên

bàn tay trái và bàn tay phải

- Nội dung 7: Chạy thử, kiểm tra, đánh giá và hiệu chỉnh

- Nội dung 8: Viết báo cáo thực hiện

- Nội dung 9: Bảo vệ luận văn

1.4 BỐ CỤC

 Chương 1: Tổng quan

Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án

 Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết có liên quan đến các vấn đề mà đề tài sẽ

sử dụng để thực hiện việc thiết kế, thi công như cấu tạo các linh kiện được sử dụng, chức năng và sơ đồ nguyên lý của các linh kiện đó

 Chương 3: Thiết Kế và Tính Toán

Chương này trình bày các cơ sở để chọn linh kiện, thiết kế sơ đồ khối và sơ

đồ kết nối và xử lý tín hiệu

 Chương 4: Thi Công Mô Hình

Chương này trình bày quá trình thiết kế phần cứng và thi công mạch

 Chương 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu, nhận xét, so sánh và đánh giá sản phẩm mô hình

 Chương 6: Kết Luận và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày kết quả cuối cùng của mô hình, ưu, nhược điểm và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 NGÔN NGỮ KÍ HIỆU CỦA NGƯỜI CÂM

Ngôn ngữ ký hiệu tay là ngôn ngữ chủ yếu được cộng đồng người câm, điếc

sử dụng nhằm truyền tải thông tin qua cử chỉ, điệu bộ của cơ thể và nét mặt thay cho lời nói

Để học các ngôn ngữ ký hiệu không hề đơn giản, ban đầu nhóm học bảng chữ cái được mô tả như hình 2.1, sau đó từ bảng chữ cái chúng ta phát triển thành các câu nói giao tiếp như được hướng đẫn từ video của “Trung tâm Đào tạo Ngôn ngữ ký hiệu Hà Nội”[5] và “từ điển ngôn ngữ ký hiệu”[6] Ngôn ngữ ký hiệu có thể khác nhau bởi một số câu nói ở từng vùng miền Bắc, Trung, Nam nhưng phần lớn

về các câu nói thông dụng thì tương tự nhau

Hình 2 1 Bảng chữ cái ngôn ngữ ký hiệu

2.2 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

2.2.1 CẢM BIẾN UỐN CONG FLEX

Để có thể thu được tín hiệu uốn cong từ các ngón tay nhóm đã lựa chọn cảm biến Flex sensor còn được gọi là cảm biến uốn cong (Bend sensor) Cảm biến có 2 loại thường được sử dụng là 2.2 inch và 4.5 inch chỉ khác nhau về chiều dài và có chức năng tương tự nhau, ở đây nhóm sử dụng cảm biến với chiều dài 2.2 inch

Thông số kỹ thuật của cảm biến Flex được thể hiện trong bảng 2.1

Bảng 2 1 Bảng thông số kỹ thuật của cảm biến Flex [7]

Nguyên lý hoạt động của cảm biến được thể hiện như trong hình 2.2 Giá trị điện trở của cảm biến sẽ tăng lên khi ta tăng góc uốn

Hình 2 2 Sự thay đổi điện trở theo độ cong của cảm biến Flex

2.2.2 MODULE CẢM BIẾN GIA TỐC ADXL335

Mô hình găng tay sử dụng các cảm biến Flex gắng trên mỗi ngón tay để đo

độ uốn cong của các ngón tay Tuy nhiên có một vài từ hay câu trong ngôn ngữ kí

hiệu có độ uốn cong ở mỗi ngón tay giống nhau, vì vậy nhóm đã sử dụng thêm cảm biến gia tốc Adxl335 để phân biệt giữa các cử chỉ đó Cảm biến Adxl335 hình 2.3

có một chip đo gia tốc MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ba trục nhỏ được đặt ở trung tâm của board mạch Chip đo gia tốc này bao gồm một cấu trúc được gia công trên đỉnh của một tấm silicon Cấu trúc này được treo bằng lò xo polysilicon Nó cho phép cấu trúc lệch hướng tại thời điểm gia tốc được áp dụng trên trục cụ thể làm thay đổi điện dung giữa các tấm cố định và các tấm gắn với kết cấu được treo Chip đo gia tốc sẽ xử lý sự thay đổi điện dung này và chuyển nó thành điện áp đầu ra tương tự [8]

Hình 2 3Cảm biến Adxl335

Những đặc trưng vê thông số kỹ thuật của module Adxl335 được thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2 2 Thông số kỹ thuật của Adxl335 [9]

STT TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ

board điều khiển trung tâm Arduino Nano hoạt động ở điện áp 5V và dòng ra tối đa

là 500mA, có thiết kế nhỏ gọn chỉ 1.8x4.5 cm, sử dụng vi điều khiển ATmega328P, gồm 8 chân analog và 12 chân digital [10] Hình 2.4 và bảng 2.3 lần lượt cho thấy hình ảnh thực tế của Arduino Nano và chức năng chi tiết của từng chân

Hình 2 4 Arduino Nano Bảng 2 3 Chức năng của các chân trên Arduino Nano [11]

TÊN CHÂN PIN CHỨC NĂNG

Power

Vin

Điện áp đầu vào cho Arduino nano khi sử dụng nguồn điện bên ngoài (6-12V)

5V

Nguồn cấp để cấp nguồn cho vi điều khiển và các thành phần khác trên board

3v3

Nguồn cấp 3v3 được tạo ra bởi

bộ điều chỉnh điện áp trên board

GND Chân nối đất

Reset Reset Chân đặt lại vi điều khiển

Analog pins (chân tín

hiệu tương tự) A0 – A7

Được sử dụng để đo điện áp tương tự trong phạm vi 0-5V

Cung cấp đầu ra PWM 8-bit

SPI (Serial

Peripheral Interface)

D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK)

Được dùng cho giao tiếp SPI

I2C (Inter-Integrated

Circuit)

A4 (SDA), A5 (SCL)

Được dùng cho giao tiếp I2C

Led 13 Để bật đèn led có sẵn

AREF AREF Điện áp tham chiếu

2.2.4 MODULE PHÁT ÂM THANH DFPLAYER MINI

Để phát ra các câu nói được thu sẵn nhóm lựa chọn mạch phát âm thanh mp3 tích hợp Amply DFPlayer mini có thiết kế nhỏ gọn được sử dụng để phát âm thanh mp3 qua thẻ nhớ MicroSD dung lượng tối đa 32G giao tiếp với vi điều khiển qua giao tiếp UART bằng 2 chân TX và RX Mạch được tích hợp Amply công suất nhỏ nên có thể kết nối trực tiếp với loa có công suất nhỏ hơn 3W qua 2 chân Speaker+

và Speaker-, có thể điều chỉnh âm lượng 30 mức, lưu trữ tối đa được 100 thư mục

và mỗi thư mục chứa tối đa 255 file định dạng mp3 [12]

Hình 2.5 mô tả sơ đồ chân của module DFPlayer mini và bảng bảng 2.4 thể hiện thông số kỹ thuật của module DFPlayer mini

Hình 2 5 Module phát âm thanh DFPlayer mini Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật của DFPlayer mini [13]

STT TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ

Hình 2 6 Loa 8Ω 1W

2.2.6 THẺ NHỚ SD CARD

Vì mạch phát âm thanh DFPlayer chỉ hỗ trợ đọc tối đa thẻ 32GB nên nhóm lựa chọn thẻ SD card 4GB chuẩn giao tiếp micro SDHC (Secure Digital High Capacity) như hình 2.6

Để truyền tín hiệu điều khiển từ Arduino Nano trên bàn tay trái sang Arduino Nano trên bàn tay phải nhóm đã lựa chọn module bluetooth HC-05 với thiết kế nhỏ gọn như hình 2.8 và thông số kỹ thuật được mô tả như bảng 2.5

Hình 2 8 Module bluetooth HC-05 Bảng 2 5 Thông số kỹ thuật của module bluetooth HC-05 [14]

STT TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ

 Ở chế độ command mode, việc giao tiếp với module bluetooth HC-05 sẽ thông qua cổng serial trên module bằng tập lệnh AT [15]

b HC-06

Để nhận tín hiệu từ HC-05 trên bàn tay trái, nhóm đã lựa chọn HC-06 để kết nối với board điều khiển trên bàn tay phải Tương tự như HC-05 thì HC-06 cũng nhận điện áp cung cấp từ 3.3-6.0V hoạt động ở mức điện áp 3.3V, dòng khi ghép nối là 30mA, hoạt động trong phạm vi dưới 10m và cũng được hỗ trợ các tốc độ truyền là: 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, 460800 [16] Module HC-

06 cũng có hai chế độ hoạt động là command mode và data mode Ở chế độ command mode việc giao tiếp với module sẽ được thực hiện bằng tập lệnh AT [17] qua cổng serial Tuy nhiên khác với HC-05, ở chế độ data mode HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ slave (phụ) Module HC-06 như hình 2.8 có thiết kế nhỏ gọn với kích thước 28mmx15mmx2.35mm gồm 4 chân là: RX, TX, GND và VCC giúp việc kết nối trở nên đơn giản hơn

Hình 2 9 Module bluetooth HC-06

2.2.8 MẠCH HẠ ÁP

Đa số các linh kiện trong mô hình đều hoạt động ở mức điện áp 5V Vì vậy nhóm sử dụng mạch hạ áp LM2596 để hạ áp về 5V nhằm duy trì mức điện áp ổn định để cung cấp cho mô hình Mạch LM2596 với các thông số: điện áp đầu vào lên

đến 40V, điện áp đầu ra có thể điều chỉnh từ 1.2V đến 37V và dòng tải đầu ra 3A [18] Hình 2.9 mô cả cách kết nối và sử dụng mạch hạ áp LM2596

Hình 2 10 Mạch hạ áp LM2596

2.3 PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, người dùng được cung cấp một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Integrated Development Enviroment) Phần mềm này có thể chạy trên nhiều nền tảng hệ điều hành khác nhau, điển hình như Windows, Mac OS, Linux

 Giao diện của Arduino có 3 vùng chính như hình 2.11:

 Thanh công cụ: Bao gồm các nút lệnh menu như File, Edit, Sketch, Tools, Help Phía dưới là các icon cho phép sử dụng nhanh các chức năng thường dùng của IDE

 Vùng viết chương trình: Nơi để soạn thảo các dòng code Tên chương trình hiển thị dưới các Icon

 Vùng thông báo: Thông báo trạng thái biên dịch được hiển thị tại đây Góc dưới cùng bên phải hiển thị loại board Arduino và cổng COM được

sử dụng

Hình 2 11 Giao diện phần mềm Arduino IDE

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ

3.1 GIỚI THIỆU

Trong đề tài này nhóm sẽ tính toán và thiết kế đôi găng tay giao tiếp có thể truyền dữ liệu qua bluetooth và xuất ra được một số câu nói thông dụng để hỗ trợ người câm Quá trình tính toán và thiết kế gồm 2 phần: thiết kế sơ đồ khối và tính toán thiết kế mạch

3.2 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG

Nhóm đã vẽ sơ đồ khối của hệ thống trên trang draw.io và các khối của hệ thống được mô tả dưới hình 3.1 bao gồm:

- Khối điều khiển 1 và 2: Gồm 1 Arduino Nano cho mỗi khối

- Khối cảm biến 1 và 2: Gồm 5 cảm biến Flex và 1 cảm biến Adxl335 cho mỗi khối

- Khối giao tiếp 1 và 2: Gồm module bluetooth HC-05 cho khối giao tiếp 1

và module bluetooth HC-06 cho khối giao tiếp 2

- Khối phát âm thanh: Gồm module DFPlayer mini và loa

- Khối nguồn: Gồm pin và mạch hạ áp

 Khối điều khiển 2: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến 2 và xử lý tín hiệu thu được sau đó gửi tín hiệu điều khiển đến khối giao tiếp 2 thông qua khối giao tiếp 1

 Khối phát âm thanh: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển 1 sau đó gọi file mp3 tương ứng trong thẻ Micro SD và phát ra loa

 Khối cảm biến 1,2: Gửi tín hiệu cảm biến từ cử chỉ và hướng bàn tay đến khối vi điều khiển 1 và 2

 Khối giao tiếp 1: Nhận tín hiệu từ khối giao tiếp 2, gửi tín hiệu vừa nhận được đến khối điều khiển 1 để xử lý

 Khối giao tiếp 2: Nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển 2 và truyền qua khối giao tiếp 1

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ thống

3.3 TÍNH TOÁN VÀ KẾT NỐI

3.3.1 KẾT NỐI KHỐI CẢM BIẾN VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN

a Cảm biến Flex với Arduino Nano

Dựa vào kết quả so sánh bảng 3.1 thì Flex Sensor điện trở carbon đáp ứng được kích thước vừa với kích cỡ của ngón tay cùng với độ nhạy cao nên vì thế nhóm chọn cảm biến Flex sensor điện trở carbon để làm cảm biến cho hệ thống này

Bảng 3 1 Bảng so sánh lựa chọn cảm biến Flex

Flex sensor điện trở carbon Flex sensor điện dung Hình ảnh

Ưu điểm

- Kích thước: 8cm x 0,6cm

- Đo được độ uốn cong, nhỏ gọn

- Độ nhạy cao

- Ứng dụng: cánh tay robot, điều

khiển chuyển động, thiết bị tập thể

Cảm biến uốn cong Flex sensor bị uốn cong sẽ làm giá trị điện trở thay đổi

Ở trạng thái bình thường điện trở của cảm biến là 25KΩ [5] và điện trở của cảm biến tăng khi góc uốn cong tăng Để thuận tiện, nhóm sử dụng một mạch chia áp như hình 3.2 để chuyển đổi thông số resistance thành thông số voltage

Hình 3 2 Mạch chia áp với cảm biến Flex

 VCC là 5V được cấp bới Arduino Nano

Bảng 3 2 Bảng kết nối cảm biến Flex với Arduino

Hình 3 3 Kết nối cảm biến Flex với Arduino Nano

b Cảm biến Adxl335 với Arduino Nano

Dựa vào kết quả so sánh bảng 3.3 có thể thấy cảm biến Adxl 335 dễ sử dụng, việc kết nối và nhận tín hiệu trực tiếp bằng tín hiệu Analog nên vì thế nhóm đã chọn cảm biến Adxl335 làm cảm biến cho hệ thống này Cảm biến gia tốc Adxl335 kết nối với Arduino Nano để đo hướng theo cả 3 trục x, y, z

Bảng 3 3 Bảng so sánh cảm biến gia tốc Adxl335 và Adxl345

Cảm biến Adxl335 Cảm biến Adxl345

điểm Giá thành cao: 61.000đ

- Phạm vi thấp hơn cho độ phân giải cao hơn cho các chuyển động chậm

Cảm biến Adxl335 khi được kết nối với khối xử lý nó sẽ đo được hướng ở 2 bàn tay và cảm biến cho dự án này được đặt ở đầu ngón tay trỏ Kết nối cảm biến Adxl335 với Arduino Nano như hình 3.4 Các chân x, y, z của cảm biến Adxl335 kết nối tương ứng với 3 chân A5, A6, A7 của Arduino Nano Hai chân VCC và GND của cảm biến Adxl335 kết nối tương ứng với 2 chân 5V và GND của Arduino Nano

Hình 3 4 Kết nối cảm biến gia tốc Adxl335 với Arduino Nano

3.3.2 KẾT NỐI KHỐI PHÁT ÂM THANH VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 1

Khối phát âm thanh sử dụng DFPlayer mini với sự tích hợp của thẻ nhớ lưu trữ các câu nói khi nhận được đúng tín hiệu từ vi điều khiển thì khối phát âm thanh này sẽ đọc file mp3 trong thẻ nhớ và xuất ra câu nói tương ứng thông qua kết nối loa được mô tả kết nối ở hình 3.5

Hình 3 5 Kết nối DFPlayer mini với loa và Arduino Nano

Chân VCC và GND của DFPlayer giao tiếp tương ứng với chân 5V và GND của Arduino Nano Chân TX, RX của DFPlayer giao tiếp với chân số D10, D11 của Arduino Nano Hai chân SPK1 và SPK2 của DFPlayer giao tiếp với loa

3.3.3 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP, KHỐI PHÁT ÂM THANH, KHỐI CẢM BIẾN VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN

Để lựa chọn vi điều khiển thực hiện chức năng làm khối điều khiển trung tâm cho thiết bị, nhóm đã tiến hành khảo sát một số vi điều khiển với nhau dựa trên tiêu chí chức năng, giá cả, số lượng chân, kích thước, tính thông dụng của vi điều khiển trong thực tiễn như trong bảng 3.4 Do đó nhóm đưa ra quyết định sử dụng Arduino Nano làm vi điều khiển chính của thiết bị

Bảng 3 4 Bảng so sánh Arduino Nano và Arduino Uno

Arduino Nano Arduino Uno

Hình ảnh

Ưu điểm

- Có 11 chân tín hiệu số (Digital I/O), 8 chân tín hiệu tương tự (analog)

Khối điều khiển 2 được kết nối như hình 3.6 Chân A0, A1, A2, A3, A4 kết nối với cảm biến Flex 1, Flex 2, Flex3, Flex4, Flex5 (khối cảm biến) Chân A5, A6, A7 kết nối với các chân ngõ ra x, y, z của cảm biến Adxl335 (khối cảm biến) Chân D3, D4 kết nối với chân TX, RX của bluetooth HC-05 (khối giao tiếp)

Khối điều khiển 1 được kết nối như hình 3.7 Chân A0, A1, A2, A3, A4 kết nối với cảm biến Flex 1, Flex 2, Flex3, Flex4, Flex5 (khối cảm biến) Chân A5, A6, A7 kết nối với các chân ngõ ra x, y, z của cảm biến Adxl335 (khối cảm biến) Chân D3, D4 kết nối với chân TX, RX của bluetooth HC-06 (khối giao tiếp) Chân D11, D10 kết nối với chân RX, TX của DFPlayer mini (khối phát âm thanh)

Hình 3 6 Kết nối khối điều khiển 2

Hình 3 7 Kết nối khối điều khiển 1

3.3.4 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP 1 VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 1

HC-06 là một module bluetooth được thiết kế để thiết lập giao tiếp dữ liệu không dây phạm vi ngắn giữa hai bộ vi điều khiển hoặc hệ thống Module bluetooth HC-06 có chức năng thu tín hiệu và trong đề tài này nó dùng để thu tín hiệu từ module bluetooth HC-05 và đưa vào xử lý, Sơ đồ kết nối HC-06 với Arduino Nano như hình 3.7

Hình 3 8 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-06 với Arduino Nano

Chân VCC và GND của Module bluetooth HC-06 giao tiếp với chân 5V và GND của Arduino Nano, chân RX, TX giao tiếp với chân D3, D4 Arduino Nano

 VCC là 5V được cấp bới Arduino

chia áp Từ công thức (3.1) nhóm chọn R2 = 2.2K và R1 = 1K sẽ nhận được

Vo là 3.4V (thỏa điều kiện)

3.3.5 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP 2 VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 2

HC-05 là một module bluetooth được thiết kế để thiết lập giao tiếp dữ liệu không dây phạm vi ngắn giữa hai bộ vi điều khiển hoặc hệ thống Module bluetooth HC-05 có chức năng thu, phát tín hiệu và trong đề tài này nó dùng để phát tín hiệu đến module bluetooth HC-06, sơ đồ kết nối hình 3.8 mô tả kết nối của HC-05 với Arduino Nano Chân VCC và GND của module bluetooth HC-05 giao tiếp với chân 5V và GND của Arduino Nano, chân RX, TX giao tiếp với chân D3, D4 Arduino Nano

Hình 3 9 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-05 với Arduino Nano

 VCC là 5V được cấp bới Arduino

 Vì module bluetooth cần nguồn 3,3V để đảm bảo hoạt động bình thường, Nên nhóm đã sử dụng một mạch chia áp Từ công thức (3.1) để có Vo = 3.3V nhóm đã tính toán và lựa chọn điện trở R2 là 2.2K và R1 là 1K

3.3.6 KẾT NỐI 2 KHỐI GIAO TIẾP

a Khối giao tiếp 1

 Vào chế độ AT của HC-06: Đầu tiên kết nối HC-06 với Arduino như hình 3.9:

 Kết nối chân VCC của HC-06 với chân 5v của arduino

 Kết nối chân GND của HC-06 với chân Gnd của arduino

 Kết nối chân RX của HC-06 với nối tiếp giữa điện trở 1k và 2.2k, chân còn lại của 2.2k nối vào GND, chân còn lại của 1k nối vào chân D4 của arduino

 Kết nối chân TX của HC-06 với chân D3 của arduino

Hình 3 10 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-06 để vào chế độ AT

Sau đó nạp đoạn code trong phụ lục A Chạy chương trình và mở Serial monitor chọn “No line ending” kiểm tra HC-06 vào chế độ AT chưa bằng cách gõ

lệnh AT nếu kết quả trả về OK như hình 3.10 là được: Sau đó ta tiến hành gõ các lệnh AT như bảng 3.5 để thiết lập cho HC-06

Bảng 3 5 Bảng các câu lệnh AT thiết lập cho HC-06

Câu lệnh Kết quả

AT OK AT+NAMEHC06 OKsetname AT=PSWD1234 OKsetPIN AT+BAUD6 OK38400

Hình 3 11 Hình chế độ kết nối AT của bluetooth HC-06

b Khối giao tiếp 2

 Vào chế độ AT của HC-05: Đầu tiên kết nối HC-05 với Arduino như hình 3.11:

 Kết nối chân VCC của HC-05 với chân 5V của Arduino

 Kết nối chân GND của HC-05 với chân GND của Arduino

 Kết nối chân RX của HC-05 với nối tiếp giữa điện trở 1k và 2.2k, chân còn lại của 2.2k nối vào GND, chân còn lại của 1k nối vào chân D4 của Arduino

 Kết nối chân TX của HC-05 với chân D3 của Arduino

 Trước khi cắm nguồn vào ta nhấn giữ nút trên chân EN trên HC-05 sau đó ghim nguồn vào và thả nút nhấn ra để đưa chân này lên mức cao để vào chế độ AT Khi đã vào chế độ AT HC-05 sẽ nhấp nháy chậm hơn khoảng 2s một lần

Tiến hành nạp code trong phụ lục B vào cho Arduino Chạy chương trình và