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
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Những người khuyết tật là một trong những nhóm thiệt thòi nhất trong xã hội và là mục tiêu của chính sách xã hội Theo thống kê năm 2016-2017, trẻ khuyết tật từ 2-17 tuổi chiếm 2,79%, trong đó tỷ lệ khiếm khuyết về giọng nói là 0,62% tại Việt Nam Những người không nói được thường bị xa lánh vì khó khăn trong giao tiếp với người khác.
Nhu cầu kết nối các thiết bị để truyền và nhận dữ liệu ngày càng tăng, và việc sử dụng dây cáp trở nên bất tiện, đặc biệt khi các thiết bị cách xa nhau Công nghệ không dây, như Bluetooth, RF và Wifi, cung cấp giải pháp thuận tiện hơn cho việc kết nối Bluetooth, dựa trên tần số vô tuyến, cho phép giao tiếp giữa các thiết bị trong một khoảng cách nhất định Nhiều đề tài nghiên cứu đã ứng dụng module Bluetooth, chẳng hạn như đề tài của Đinh Quang Hiệp và Võ Tân Phước sử dụng vi điều khiển PIC18f4620 để điều khiển thiết bị điện qua điện thoại Android, và đề tài của Phạm Ngọc Tùng sử dụng Arduino Uno để điều khiển robot hút bụi qua Bluetooth.
Giao tiếp không dây qua Bluetooth thường sử dụng các module kết nối với vi điều khiển hoặc board điều khiển để tương tác với thiết bị hỗ trợ Bluetooth khác Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ, nhiều board mạch điều khiển đã ra đời, trong đó Arduino là lựa chọn phổ biến, đặc biệt đối với sinh viên Việc sử dụng board Arduino để thiết kế thiết bị hỗ trợ người khuyết tật ngày càng trở nên phổ biến, như sản phẩm "Găng tay thông minh dành cho người khiếm thị" của Lê Ngô Duy Phong, học sinh trường Trung Học Phổ Thông Phú Bài, tỉnh Thừa Thiên-Huế Sản phẩm này sử dụng bộ xử lý trung tâm Arduino để phát ra âm thanh và rung, giúp người khiếm thị nhận biết và xác định hướng đi, đảm bảo an toàn khi di chuyển.
Các đề tài này chứng minh tính hiệu quả và thực tiễn trong việc ứng dụng máy móc và công nghệ nhằm hỗ trợ người khuyết tật.
Nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài "Thiết kế và thi công găng tay hỗ trợ giao tiếp dành cho người câm" nhằm giúp những người câm giao tiếp dễ dàng và tự tin hơn Dựa trên các khảo sát và kiến thức đã được trang bị, mục tiêu của dự án là chuyển đổi các ngôn ngữ ký hiệu từ hai bàn tay thành giọng nói văn bản bằng tiếng Việt.
MỤC TIÊU VÀ GIỚI HẠN
Hệ thống găng tay hỗ trợ giao tiếp cho người câm được thiết kế để nhận diện cử chỉ ngôn ngữ ký hiệu thông qua cảm biến uốn cong và cảm biến gia tốc Găng tay này sử dụng board Arduino Nano để điều khiển module phát âm thanh, giúp chuyển đổi các cử chỉ từ hai bàn tay thành câu nói phù hợp.
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.
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.
BỐ CỤC
Chương này giới thiệu vấn đề nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời nêu rõ các giới hạn thông số và cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Chương này giới thiệu các lý thuyết liên quan đến thiết kế và thi công, bao gồm cấu tạo, chức năng và sơ đồ nguyên lý của các linh kiện được sử dụng trong đề tài.
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
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
NGÔN NGỮ KÍ HIỆU CỦA NGƯỜI CÂM
Ngôn ngữ ký hiệu tay là phương tiện giao tiếp chính của cộng đồng người câm, điếc, sử dụng cử chỉ, điệu bộ và nét mặt thay cho lời nói Việc học ngôn ngữ ký hiệu không dễ dàng; người học bắt đầu với bảng chữ cái và sau đó phát triển thành các câu giao tiếp thông qua video từ “Trung tâm Đào tạo Ngôn ngữ ký hiệu Hà Nội” và “từ điển ngôn ngữ ký hiệu” Mặc dù ngôn ngữ ký hiệu có thể khác nhau giữa các vùng miền Bắc, Trung, Nam, nhưng nhiều câu nói thông dụng vẫn tương tự nhau.
Hình 2 1 Bảng chữ cái ngôn ngữ ký hiệu.
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]
STT TÊN THÔNG SỐ GIÁ TRỊ ĐƠN VỊ
7 Chiều dài cảm biến 55.37 cm
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 cảm biến Flex gắn trên mỗi ngón tay để đo độ uốn cong, nhưng một số từ trong ngôn ngữ ký hiệu có độ uốn cong giống nhau Để phân biệt các cử chỉ này, nhóm đã tích hợp cảm biến gia tốc Adxl335, có chip đo gia tốc MEMS ba trục nhỏ ở trung tâm board mạch Chip này bao gồm cấu trúc gia công trên tấm silicon, được treo bằng lò xo polysilicon, cho phép lệch hướng khi gia tốc tác động, từ đó thay đổi điện dung giữa các tấm cố định và tấm gắn với cấu trúc treo Sự thay đổi điện dung này được chip đo gia tốc xử lý và chuyển đổi thành điện áp đầu ra tương tự.
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
2.2.3 ARDUINO NANO Để đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn cho mô hình đồng thời thỏa mãn được đầy đủ 8 chân analog để kết nối với các cảm biến, nhóm đã lựa chọn Arduino Nano làm 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
Vin Điện áp đầu vào cho Arduino nano khi sử dụng nguồn điện bên ngoài (6-12V)
Nguồn cấp để cấp nguồn cho vi điều khiển và các thành phần khác trên board
Nguồn cấp 3v3 được tạo ra bởi bộ điều chỉnh điện áp trên board
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
Có thể được sử dụng như chân đầu vào hoặc đầu ra 0V (thấp) và 5V (cao)
TTL(Time to live) Rx, Tx
Dùng để nhận và truyền dữ liệu nối tiếp
(Chân ngắt ngoài) D2, D3 Để kích hoạt ngắt ngoài
Cung cấp đầu ra PWM 8-bit
D10 (SS), D11 (MOSI), D12 (MISO), D13 (SCK) Được dùng cho giao tiếp SPI
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
Module DFPlayer mini chỉ hỗ trợ kết nối với loa có công suất nhỏ hơn 3W Do đó, nhóm đã chọn loa có công suất 1W và trở kháng 8Ω, như thể hiện trong hình 2.5.
Mạch phát âm thanh DFPlayer chỉ hỗ trợ thẻ nhớ tối đa 32GB, vì vậy nhóm đã quyết định sử dụng thẻ SD 4GB chuẩn micro SDHC (Secure Digital High Capacity) như hình 2.6.
Hình 2 7 Thẻ nhớ SD card 4GB
Trong các nghiên cứu [2] và [3], tác giả đã sử dụng module HC-05 để kết nối với vi điều khiển hoặc Arduino nhằm giao tiếp với điện thoại Ngoài khả năng kết nối với điện thoại, HC-05 còn có thể kết nối với một module HC-05 khác hoặc module HC-06 Nhóm nghiên cứu đã chọn module bluetooth HC-05 với thiết kế nhỏ gọn để truyền tín hiệu điều khiển từ Arduino Nano ở tay trái sang Arduino Nano ở tay phải, như được thể hiện trong hình 2.8 và thông số kỹ thuật trong 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
3 Dòng khi ghép nối 30 mA
5 Tốc độ truyền được hỗ trợ
Module bluetooth HC-05 có 2 chế độ hoạt động là command mode và data mode:
Trong chế độ data mode, module có thể hoạt động như một master (chính) hoặc slave (phụ) Khi ở chế độ master, module có khả năng tự động dò tìm và kết nối với các thiết bị khác, trong khi ở chế độ slave, module sẽ được kết nối bởi một thiết bị Bluetooth khác.
Trong chế độ command mode, giao tiếp với module Bluetooth HC-05 diễn ra qua cổng serial bằng lệnh AT Để nhận tín hiệu từ HC-05, nhóm đã chọn module HC-06 kết nối với board điều khiển trên bàn tay phải HC-06 hoạt động với điện áp từ 3.3-6.0V, chủ yếu ở mức 3.3V, dòng ghép nối là 30mA, và có phạm vi hoạt động dưới 10m Module này hỗ trợ nhiều tốc độ truyền khác nhau, bao gồm 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400, và 460800.
Module HC-06 có hai chế độ hoạt động: chế độ command và chế độ data Trong chế độ command, giao tiếp với module được thực hiện qua lệnh AT qua cổng serial Khác với HC-05, HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ slave trong chế độ data Với thiết kế nhỏ gọn kích thước 28mm x 15mm x 2.35mm, module HC-06 bao gồm 4 chân: RX, TX, GND và VCC, giúp việc kết nối trở nên dễ dàng hơn.
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
PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO IDE
Để lập trình và giao tiếp với mạch Arduino, người dùng cần sử dụng Arduino IDE (Môi trường Phát triển Tích hợp) Phần mềm này hỗ trợ nhiều hệ điều hành như Windows, Mac OS và 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 và Help, cùng với các biểu tượng ở phía dưới để truy cập 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 hiển thị trạng thái biên dịch, trong khi góc dưới cùng bên phải cho biết loại board Arduino và cổng COM đang được sử dụng.
Hình 2 11 Giao diện phần mềm Arduino IDE
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
GIỚI THIỆU
Nhóm sẽ phát triển găng tay giao tiếp hỗ trợ người câm bằng cách truyền dữ liệu qua Bluetooth và phát ra các câu nói thông dụng Quá trình này bao gồm hai giai đoạn: thiết kế sơ đồ khối và tính toán thiết kế mạch.
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 nguồn: Thực hiện chức năng cung cấp điện áp cho các linh kiện trong hệ thống
Khối điều khiển 1 nhận tín hiệu từ khối cảm biến 1 và khối giao tiếp 1, sau đó xử lý tín hiệu và gửi tín hiệu điều khiển đến khối phát âm thanh.
Khối điều khiển 2 nhận tín hiệu từ khối cảm biến 2, xử lý tín hiệu thu được và 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
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
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 trong bảng 3.1, cảm biến Flex Sensor điện trở carbon có kích thước phù hợp với ngón tay và độ nhạy cao Do đó, nhóm đã quyết định chọn cảm biến này cho hệ thống.
Bảng 3 1 Bảng so sánh lựa chọn cảm biến Flex
Flex sensor điện trở carbon Flex sensor điện dung
- Đo được độ uốn cong, nhỏ gọn
- Ứng dụng: cánh tay robot, điều khiển chuyển động, thiết bị tập thể dục, nhạc cụ
- Đo được độ uốn cong, dài
- Ứng dụng: đai thở thông minh, theo dõi giấc ngủ, kệ điện tử
Nhược điểm - Giá thành cao: 366.000đ - Giá thành rất cao: 580.000đ
- Dễ hỏng khi tác động mạnh
Cảm biến uốn cong Flex sensor có điện trở bình thường là 25KΩ và giá trị này sẽ thay đổi khi cảm biến bị uốn cong Khi góc uốn cong tăng, điện trở của cảm biến cũng tăng theo Để chuyển đổi thông số điện trở thành điện áp, nhóm đã sử dụng mạch chia áp như hình 3.2.
Hình 3 2 Mạch chia áp với cảm biến Flex
VCC là 5V được cấp bới Arduino Nano
Ta có công thức Vo = 𝑉𝐶𝐶( 𝑅2
Để đáp ứng đủ nguồn cho flex hoạt động từ 0V-5V thì nhóm chọn R1 có giá trị 10K và R2 là Rflex
Khi cảm biến bị uốn cong, giá trị Vo tại bộ chia điện áp sẽ tăng lên, cung cấp thông số voltage cho các chân cảm biến của Arduino, từ đó nhận được các giá trị kỹ thuật số để lập trình.
Bảng 3 2 Bảng kết nối cảm biến Flex với Arduino
Cảm biến Flex được kết nối với GND và chân A0 của Arduino Nano, với một điện trở 10K nối vào 5V Các cảm biến Flex khác chỉ cần thay đổi chân ADC nhưng vẫn giữ kết nối tương tự Sơ đồ kết nối được thể hiện trong hình 3.3.
Hình 3 3 Kết nối cảm biến Flex với Arduino Nano b Cảm biến Adxl335 với Arduino Nano
Cảm biến Adxl335 được chọn cho hệ thống do dễ sử dụng và khả năng kết nối nhận tín hiệu trực tiếp qua tín hiệu Analog Cảm biến này kết nối với Arduino Nano để đo hướng theo cả ba trục x, y, z.
Bảng 3 3 Bảng so sánh cảm biến gia tốc Adxl335 và Adxl345
Cảm biến Adxl335 Cảm biến Adxl345
- Đo được gia tốc 3 trục XYZ, nhỏ gọn
- Chuẩn giao tiếp Analog trực tiếp
- Phạm vi cố định dễ sử dụng
- Đo được gia tốc 3 trục XYZ, nhỏ gọn
Nhược điểm Giá thành cao: 61.000đ
- Phạm vi thấp hơn cho độ phân giải cao hơn cho các chuyển động chậm
Cảm biến ADXL335 được kết nối với khối xử lý để đo hướng của hai bàn tay, với cảm biến được đặt ở đầu ngón tay trỏ Cảm biến này được kết nối với Arduino Nano, trong đó các chân x, y, z của ADXL335 tương ứng với các chân A5, A6, A7 của Arduino Nano Hai chân VCC và GND của cảm biến được kết nối với 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 kết hợp với thẻ nhớ để lưu trữ các câu nói Khi nhận được tín hiệu từ vi điều khiển, khối này sẽ phát file mp3 tương ứng từ thẻ nhớ và xuất ra âm thanh qua loa, như được mô tả trong hình 3.5.
Chân VCC và GND của DFPlayer kết nối với chân 5V và GND của Arduino Nano, trong khi chân TX và RX của DFPlayer giao tiếp với chân D10 và D11 của Arduino Nano Hai chân SPK1 và SPK2 của DFPlayer được kết nối 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
- Có 11 chân tín hiệu số (Digital I/O), 8 chân tín hiệu tương tự (analog)
- Dễ dàng sử dụng và lập trình
- Đầy đủ các cổng kết nối
- Thích hợp để kết nối kết nối với
- Thông dụng trong nhiều ứng dụng thực tế
- Dễ dàng sử dụng và lập trình
- Nhiều chức năng có thể sử dụng cho nhiều dự án
- Không có jack cắm nguồn DC
Khối điều khiển, với giá thành 250.000đ, là bộ não của hệ thống, đảm nhận vai trò xử lý các tín hiệu, nhận và truyền thông tin.
Khối điều khiển 2 được kết nối với các cảm biến và thiết bị giao tiếp như sau: Chân A0 đến A4 kết nối với các cảm biến Flex 1 đến Flex 5, trong khi chân A5, A6, A7 kết nối với các chân ngõ ra x, y, z của cảm biến Adxl335 Ngoài ra, chân D3 và D4 được sử dụng để kết nối với chân TX và RX của module bluetooth HC-05.
Khối điều khiển 1 được kết nối với các cảm biến và thiết bị khác nhau như sau: Chân A0 đến A4 kết nối với cảm biến Flex 1 đến Flex 5, trong khi chân A5, A6, A7 kết nối với các chân ngõ ra x, y, z của cảm biến Adxl335 Đối với khối giao tiếp, chân D3 và D4 được kết nối với chân TX và RX của bluetooth HC-06 Cuối cùng, chân D11 và D10 kết nối với chân RX và TX của DFPlayer mini để phát âm thanh.
Hình 3 6 Kết nối khối điều khiển 2
3.3.4 KẾT NỐI KHỐI GIAO TIẾP 1 VỚI KHỐI ĐIỀU KHIỂN 1
Module Bluetooth HC-06 được thiết kế để giao tiếp dữ liệu không dây trong phạm vi ngắn giữa các bộ vi điều khiển hoặc hệ thống Nó có khả năng thu tín hiệu, và trong đề tài này, HC-06 được sử dụng để nhận tín hiệu từ module Bluetooth HC-05 để xử lý Sơ đồ kết nối giữa HC-06 và Arduino Nano được thể hiện trong 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
Để đáp ứng nguồn hoạt động của HC-06 là 3.3V nhóm sử dụng một mạch 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
Module Bluetooth HC-05 được thiết kế để tạo ra giao tiếp dữ liệu không dây ngắn giữa các bộ vi điều khiển hoặc hệ thống Nó có khả năng thu và phát tín hiệu, trong đó được sử dụng để truyền tín hiệu đến module Bluetooth HC-06 Sơ đồ kết nối mô tả cách kết nối HC-05 với Arduino Nano, trong đó chân VCC và GND của HC-05 kết nối với chân 5V và GND của Arduino Nano, còn chân RX và TX kết nối với chân D3 và D4 của Arduino Nano.
Hình 3 9 Sơ đồ kết nối bluetooth HC-05 với Arduino Nano
VCC là 5V được cấp bới Arduino
Để đảm bảo module bluetooth hoạt động bình thường với nguồn 3,3V, nhóm đã sử dụng một mạch chia áp Theo công thức (3.1), nhóm đã tính toán và lựa chọn điện trở R2 là 2.2K và R1 là 1K để đạt được điện áp đầu ra Vo là 3.3V.
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
PHÂN TÍCH CÁC CỬ CHỈ
Sau khi thực hiện các cử chỉ, nhóm chia các cử chỉ thành 3 nhóm sau:
- Nhóm 1 cử chỉ : gồm các cử chỉ “xin chào”, “bạn”, “tôi”, “tên”, “khỏe”,
- Nhóm 2 cử chỉ: gồm các cử chỉ “rất vui được gặp bạn”, “tuổi”
Nhóm 3 cử chỉ bao gồm cử chỉ “hẹn gặp lại” và phân loại các cử chỉ trong nhóm 1 dựa trên việc uốn cong của các cảm biến flex trên ngón tay, như được thể hiện trong bảng 3.9.
Bảng 3 9 Phân tích việc uốn cong các ngón tay
Cử chỉ Thực hiện cử chỉ Phân biệt
Uốn cong ngón cái, các ngón khác không uốn ADXL335 Bạn
Duỗi thẳng ngón trỏ, uốn cong các ngón còn lại ADXL335 Gặp
Tên Duỗi thẳng ngón trỏ và ngón giữa, uốn cong các ADXL335
Khỏe Duỗi thẳng ngón cái, uốn cong các ngón còn lại
Tuyệt vời Uốn cong cả bàn tay
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH 29
Mô hình hoạt động được mô tả trong Hình 3.15, trong đó hai module Bluetooth tự động kết nối khi được cấp nguồn Arduino Nano 1 nhận tín hiệu từ cảm biến khi thực hiện các cử chỉ, xử lý tín hiệu và gửi đến module Bluetooth HC-05 Module HC-05 tiếp tục truyền tín hiệu đến module HC-06, và HC-06 gửi tín hiệu đến Arduino Nano Arduino nhận tín hiệu từ HC-06 và cảm biến, xử lý tín hiệu và gọi file mp3 tương ứng từ mạch DFPlayer mini để phát âm thanh ra loa.
Hình 3 15 Sơ đồ nguyên lý hoạt động
3.5.2 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TAY BÊN PHẢI VÀ BÊN TRÁI Để thiết kế sơ đồ nguyên lý cho hai mạch trên hai bàn tay nhóm sử dụng phần mềm Easyade Sơ đồ nguyên lý tay bên phải và tay bên trái lần lượt như hình 3.15 và hình 3.16
Hình 3 16 Sơ đồ nguyên lý tay bên phải
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Chương này nhóm sẽ trình bày quá trình thi công lắp ráp, kiểm tra phần cứng, thiết kế các lưu đồ giải thuật và hoàn thiện đôi găng tay.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Nhóm sử dụng phương pháp may thủ công để cố định cảm biến Flex vào găng tay như hình 4.1
Hình 4 1 Găng tay có gắn cảm biến Flex
Dựa vào sơ đồ nguyên lý đã thiết kế, nhóm đã liệt kê những linh kiện sử dụng vào bảng 4.1
Bảng 4 1 Bảng linh kiện sử dụng
STT TÊN LINH KIÊN VÀ NGUYÊN LIỆU SL CHÚ THÍCH
1 Arduino nano 2 Linh kiện hàn
2 Dfplayer mini 1 Linh kiện hàn
6 Bluetooth HC_06 1 Linh kiện hàn
7 Bluetooth HC_05 1 Linh kiện hàn
Nhóm đã hoàn thành việc thi công hai board mạch điều khiển cho bàn tay trái và bàn tay phải Mạch in được thiết kế trên phần mềm Protues, với sơ đồ và bố trí linh kiện cho từng bàn tay được trình bày trong các hình 4.2, 4.3, 4.4 và 4.5.
Hình 4 2 Sơ đồ mạch in mạch tay trái
Hình 4 3 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch tay trái
Hình 4 5 Sơ đồ bố trí linh kiện mạch tay phải
Nhóm đã thiết kế một hộp pin chứa 2 viên pin cell 18650, kết nối trực tiếp với mạch hạ áp LM2596 Hộp pin được may với băng đeo, giúp người dùng dễ dàng đeo pin vào cánh tay, trong khi mạch LM2596 được tích hợp vào găng tay Hình 4.6 minh họa băng đeo pin.
4.2.4 LẮP ĐẶT a Lắp đặt linh kiện lên mạch tay phải
Bước 1: Hình 4.7 cho thấy mặt dưới của mạch in sau khi hàn các chân hàng rào và điện trở lên mạch
Hình 4 7 Hàn hàng rào và điện trở lên mạch mạch tay phải
Bước 2: Dùng đồng hồ kiểm tra thông mạch
Bước 3: Lắp Arduino Nano, DFPlayer, bluetooth HC-06 lên chân hàng rào như hình 4.8
Hình 4 8 Board điều khiển sau khi lắp các linh kiện b Lắp đặt linh kiện lên mạch tay trái
Bước 1: Hình 4.9 cho thấy mặt dưới của mạch in sau khi hàn các chân hàng rào và điện trở lên mạch
Hình 4 9 Hàn hàng rào và điện trở lên mạch mạch tay trái
Bước 2: Dùng đồng hồ kiểm tra thông mạch
Bước 3: Lắp Arduino Nano, bluetooth HC-05 lên chân hàng rào như hình 4.10
Hình 4 10 Board điều khiển sau khi lắp các linh kiện
Sau khi hoàn thiện 2 board mạch điều khiển ở bàn tay trái và bàn tay phải, nhóm đã tiến hành may thủ công board mạch lên 2 găng tay như hình 4.11
Hình 4 11 Bao tay với đầy đủ các linh kiện
4.2.5 MÔ HÌNH HOÀN CHỈNH 2 GĂNG TAY
Nhóm nhận thấy găng tay trong hình 4.11 chưa đạt yêu cầu thẩm mỹ, vì vậy đã quyết định phủ thêm một lớp găng tay Kết quả sau khi thiết kế và đeo lên tay được thể hiện trong hình 4.12 và 4.13, với hình a là mặt trước găng tay và hình b là mặt sau găng tay.
Hình 4 12 Găng tay hoàn chỉnh
Hình 4 13Găng tay khi đeo lên tay
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Nhóm sử dụng trang web lucidchart để vẽ lưu đồ giải thuật a Lưu đồ chương trình chính
Lưu đồ chương trình chính trên vi điều khiển 1 và vi điều khiển 2 lần lượt như hình 4.14a và hình 4.14b
Giải thích lưu đồ hình 4.14a:
Bước đầu tiên là gọi thư viện cần thiết và thiết lập các thành phần của mô hình bằng cách chỉ định chân, hằng và biến Tiếp theo, trong phần void setup, nhóm sẽ thiết lập tốc độ truyền cho HC-05 Trong phần void loop, hệ thống sẽ đọc các giá trị cảm biến, kiểm tra tính chính xác của chúng, và nếu đúng, sẽ gửi dữ liệu qua HC-05 đến HC-06; nếu sai, sẽ tiếp tục đọc lại giá trị cảm biến.
Giải thích lưu đồ hình 4.14b:
Bước đầu tiên là gọi thư viện cần thiết và thiết lập các thành phần của mô hình bằng cách chỉ định chân, hằng và biến Tiếp theo, trong phần void setup, nhóm sẽ thiết lập tốc độ truyền và mức volume cho loa Trong phần void loop, hệ thống sẽ đọc các ký tự từ HC-06 nhận được từ HC-05, kiểm tra dữ liệu từ HC-06, và nếu đúng, sẽ kiểm tra giá trị của cảm biến; nếu sai, sẽ đọc lại dữ liệu từ HC-06 Khi kiểm tra ký tự, nếu đúng, sẽ gọi file mp3 từ Dfplayer mini và phát âm thanh qua loa; nếu sai, sẽ đọc lại ký tự của HC-06.
Hình 4 14 Lưu đồ chương trình chính b Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến”
Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” trên vi điều khiển 1 được trình bày trong hình 4.15 và hình 4.16 Hình 4.17 mô tả lưu đồ tương tự trên vi điều khiển 2.
Hình 4 15 Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” vi điều
Hình 4 16 Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” vi điều khiển 1(2)
Giải thích lưu đồ hình 4.15 và 4.16:
Chương trình tiến hành kiểm tra các giá trị cảm biến và gửi đi các ký tự tương ứng
Hình 4 17 Lưu đồ chương trình con “Đọc và kiểm tra giá trị cảm biến” vi điều khiển 2
Giải thích lưu đồ hình 4.17:
Chương trình thực hiện việc kiểm tra các giá trị cảm biến và gán các biến với các giá trị tương ứng Lưu đồ của chương trình con “HC-06” có nhiệm vụ đọc và kiểm tra các ký tự nhận được từ “HC-05”.
Lưu đồ chương trình con “HC-06 đọc và kiểm tra kí tự nhận được từ HC-05” lần lượt như hình 4.18 và hình 4.19
Hình 4 18 Lưu đồ chương trình con “HC-06 đọc và kiểm tra kí tự nhận được từ HC-05”(1)
Hình 4 19 Lưu đồ chương trình con “HC-06 đọc và kiểm tra kí tự nhận được từ HC-05”(2)
Giải thích lưu đồ hình 4.18 và 4.19:
Chương trình kiểm tra các ký tự nhận được cùng với các biến a, b, c, ghep Nếu các điều kiện đúng, biến File number sẽ được gán với các giá trị tương ứng Dưới đây là lưu đồ cho chương trình con “DFPlayer mini đọc file mp3”.
Lưu đồ chương trình con “DFPlayer mini đọc file mp3” như hình 4.20
Hình 4 20 Lưu đồ chương trình con “DFPlayer mini đọc file mp3”
Giải thích lưu đồ hình 4.20:
Chương trình tiến hành kiểm tra biến File number, nếu đúng DFPlayer mini sẽ chơi file nhạc với các giá trị tương ứng.
KIỂM TRA MÔ HÌNH
Sau khi chạy thử vài lần nhóm đã phát hiện một số lỗi, các lỗi, nguyên nhân và cách khắc phục được mô tả trong bảng 4.2
Bảng 4 2 Bảng nguyên nhân và cách khắc phục lỗi
Lỗi Nguyên nhân Cách khắc phục
Tín hiệu truyền từ tay trái qua tay phải chậm
Do tốc độ truyền giữa 2 module bluetooth thấp
Tăng tốc độ truyền lên
9600 baud/s) Các từ bị lặp lại (vd: sau khi phát ra từ bạn sẽ bị lặp lại từ bạn 1 vài lần mặc dù đã chuyển qua cử chỉ khác)
Do thời gian delay sau khi đọc cảm biến
Giảm thời gian delay sau khi đọc cảm biến xún 100 ms (trước là
TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG VÀ THAO TÁC
Hướng dẫn sử dụng và thao tác
Bước 1: Đeo mô hình bao tay vào bàn tay, đeo nguồn vào cổ tay đảm bảo chắc chắn nhất
Bước 2: Kết nối nguồn vào mô hình bao tay, kiểm tra đèn nguồn có sáng không
Bước 3: Thực hiện các cử chỉ đã được lập trình sẵn theo ngôn ngữ kí hiệu của người câm
Bảng 4 3 Hình ảnh cử chỉ bàn tay thực thiện theo ngôn ngữ kí hiệu của người câm
HÌNH ẢNH CỬ CHỈ NGÔN NGỮ KÝ HIỆU
5 Rất vui được gặp bạn
Các câu nói được tạo ra từ tín hiệu của cảm biến flex trên 10 ngón tay của cả hai bàn tay, kết hợp với tín hiệu từ cảm biến gia tốc ở đầu ngón tay trỏ, nhằm xuất ra các câu nói thủ ngữ cho người câm.
Chú thích: Các hình ảnh trong bảng 4.3 được lấy từ kênh youtube “Trung tâm Đào tạo Ngôn ngữ ký hiệu Hà Nội
Bước 4: Khi không sử dụng đôi găng tay, chúng ta tắt nguồn và để găng tay ở nơi thô ráo, tránh ảnh hưởng đến cảm biến.
DỰ TOÁN HỆ THỐNG
Tổng chi phí thi công cho dự án này là 4.588.000đ, trong đó cảm biến Flex có giá thành tương đối cao Nhóm đã mua các linh kiện cần thiết được liệt kê trong bảng 4.4 để hoàn thành dự án.
Bảng 4 4Bảng dự toán linh kiện đôi găng tay
KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ
Sau khi thực hiện đề tài, nhóm đã hoàn thành mô hình với kết quả bao gồm phần cứng và các chức năng của hệ thống, được thể hiện trong bảng 5.1.
Bảng 5 1 Bảng kết quả đạt được
Câu giao tiếp đạt được
Hình ảnh cử chỉ giao tiêp
Rất vui được gặp bạn
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Sau quá trình vận hành hệ thống, nhóm đã đưa ra được bảng số liệu kết quả thực hiện như bảng 5.2
Bảng 5 2 Bảng số liệu kết quả thực hiện
STT Cử chỉ Số lần thực hiện
Phần trăm sai số thực hiện (%)
9 Rất vui được gặp bạn 10 4 150
Đối với các câu nói từ 3 cử chỉ trở lên, độ nhạy của găng tay giảm dần Hai cử chỉ "Tôi 22 tuổi" và "Bạn bao nhiêu tuổi" vẫn chưa thực hiện được, với số lần thành công rất ít Đôi khi, hai module Bluetooth sẽ bị mất kết nối, dẫn đến việc truyền dữ liệu không thực hiện được Trong trường hợp này, người dùng nên chờ một lúc để hai module tự động kết nối lại.
Mô hình găng tay phát câu nói liên tục khi nhận tín hiệu đúng, nhưng có nhược điểm là cảm biến flex có vòng đời uốn cong dưới 1 triệu lần, dẫn đến việc giá trị cảm biến sẽ thay đổi sau thời gian sử dụng Do đó, nếu găng tay không hoạt động, cần phải cập nhật lại giá trị của cảm biến flex Thêm vào đó, thiết kế găng tay khá dày có thể gây cảm giác hầm nóng cho người sử dụng trong thời tiết nóng.