Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy lau nhà tự động

Phần cứng của máy lau nhà là tính toán, thiết kế phần vỏ bên ngoài, phần gá các bộ phận điện điện tử, các cảm biến.. Việc điều khiển máy lau nhà thông qua smartphone hoặc máy tính tạo nê

BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH

-

CÔNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA

LẦN THỨ XX NĂM 2018

TÊN CÔNG TRÌNH: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy lau nhà

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ

CHUYÊN NGÀNH: Cơ khí-Tự động hoá

Mã số công trình: ………

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH iii

TÓM TẮT 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 2

1 Lý do chọn đề tài 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng 3

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY LAU NHÀ TỰ ĐỘNG 4

1.2 GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG 6

1.2.1 Đặt vấn đề 6

1.2.2 Bài toán tìm đường cục bộ 7

1.3 KHỐI PHẦN CỨNG TRONG ĐỀ TÀI 7

1.3.1 ARDUINO 7

1.3.2 Giới thiệu về arduino 8

1.3.3 Lịch sử ra đời 8

1.3.4 Một số loại arduino trên thị trường 9

1.3.5 Một vài ứng dụng của arduino 13

1.4 HỆ THỐNG CẢM BIẾN 13

1.5 ĐỘNG CƠ DC 16

1.5.1 Khái niệm động cơ DC, điều khiển động cơ L298 16

1.5.2 Nguyên lý hoạt động 17

1.5.3 Mạch điều khiển động cơ DC 18

1.5 MÀN HÌNH LCD 20

1.5.1 Hình dáng và cấu tạo 20

1.5.2 Chức năng các chân của LCD 21

1.5.3 Sơ đồ nối LCD và MCU 23

1.6 GIAO TIẾP I2C 23

1.6.1 Đă ̣c điểm của giao tiếp I2C 23

1.6.2 Truyền nhâ ̣n dữ liê ̣u Master – Slave 24

1.7 GIAO TIẾP SPI 24

PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP 26

2.1 Mục tiêu 26

2.2 Phương pháp 26

PHẦN 3: KẾT QUẢ - THẢO LUẬN 27

3.1 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MÁY LAU NHÀ TỰ ĐỘNG.27 3.1.1 Phương pháp 1 : Sử dụng IC số 27

3.1.2 Phương pháp 2 : Sử dụng vi điều khiển hoặc PLC 27

3.1.3 Phương án thiết kế chính 28

3.2 THIẾT KẾ PHẦN CƠ MÁY LAU NHÀ TỰ ĐỘNG 28

3.3 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN PHẦN ĐIỆN 30

3.3.1 Sơ đồ khối của máy lau nhà: 30

3.3.2 Thiết kế từng khối cụ thể 31

3.4 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 35

3.4.1 Khối xử lý 35

3.4.2 Khối vận hành 36

3.5 THIẾT KẾ HOÀN CHỈNH 39

3.6 THI CÔNG, PHÂN BỐ THIẾT BỊ, LẮP RÁP MÁY LAU NHÀ 41

3.7 MÔ HÌNH SAU KHI HOÀN THIỆN 44

3.8 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM 44

PHẦN 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 47

4.1 KẾT LUẬN 47

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47

PHỤ LỤC 49

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1- Medion MD 18501 4

Hình 1.2 - Robot Ilife 750x 5

Hình 1.3- Drone( sử dụng làm điều khiển thiết bị bay) 13

Hình 1.4- Cánh tay robot có sử dụng arduino 13

Hình 1.5- Hình ảnh của bộ thu phát hồng ngoại 14

Hình 1.6- Kí hiệu bộ led phát, thu 15

Hình 1.7- Led hông ngoại 15

Hình 1.9- Cơ chế hoạt động của cảm biến hồng ngoại 16

Hình 1.10- Động Cơ DC 17

Hình 1.11 – Mạch điện hoạt động của DC motor 18

Hình 1.12- Sơ đồ hoạt động của động cơ DC theo chiều thuận 19

Hình 1.13- Sơ đồ nguyên ly động cơ DC quay theo chiều nghịch 20

Hình 1.14- Hình dáng các loại LCD thông dụng 21

Hình 1.15- Sơ đồ chân của LCD 21

Hình 1.16 - Sơ đồ kết nối chân LCD và MCU 23

Hình 1.17- Sơ đồ giao tiếp I2C 23

Hình 3.1- Sơ đồ thiết kế máy lau nhà 29

Hình 3.2- Sơ đồ tính toán góc di chuyển của máy lau nhà 29

Hình 3.3 -Thiết kế vỏ ngoài của máy lau nhà 30

Hình 3.54 Sơ đồ khối hệ thống 31

Hình 3.5 - Khối phím nhấn 31

Hình 3.6 -Sơ đồ nguồn bộ phận xử lý 32

Hình 3.7- Atmega328 có nghiệm vụ cung cấp thông tin lên màn hình LCD 32

Hình 3.8- Sơ đồ LCD 16x02 để hiển thi ̣ các thông tin và các nút nhấn 33

Hình 3.9 -Sơ đồ nguồn sử dụng nguồn 12V 34

Hình 3.10- Khối truyền dữ liệu để vận hành 34

Hình 3.11 -Sơ đồ mạch động cơ máy lau nhà 35

Hình 3.12- Sơ đồ mạch cảm biến hồng ngoại 35

Hình 3.13 -Sơ đồ nguyên lý khối xử lý máy lau nhà 39

Hình 3.14 -Sơ đồ mạch in khối xử lý máy lau nhà 39

Hình 3.15 -Sơ đồ nguyên lý khối vân hành máy lau nhà 40

Hình 3.16 -Sơ đồ mạch in khối vận hành máy lau nhà 40

Hình 3.17 -Kiểu dáng bên ngoài máy lau nhà 41

Hình 3.18 -Bố trí thiết bị bên trong máy lau nhà 41

Hình 3.19 -Bố trí thiết bị bên dưới máy lau nhà 42

Hình 3.20 -Hiển thị pin LCD 42

Hình 3.21 -Bố trí lắp đặt bên trong máy lau nhà 43

Hình 3.22 -Bố trí lắp ráp bên dưới máy lau nhà 43

Hình 3.23- Máy lau nhà hoàn thiện 44

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu và chế tạo máy đa năng mini truyền động bằng điện ứng dụng trong dân dụng Máy thay thế cho con người trong một số thao tác, giúp nâng cao độ tin cậy, năng suất và tiết kiệm thời gian củ người dân Máy sau khi được tính toán, thiết kế, chế tạo đã được lắp ráp và có thể hoạt động tốt trong hộ gia đình

Khi cuộc sống con người được nâng cao, những nhu cầu cuộc sống hằng ngày càng cao đòi hỏi phải được hỗ trợ tốt hơn Và từ những nhu cầu thực tế đó ý tưởng về mô hình máy lau nhà tự động Thiết bị này giúp giải phóng sức lao động dành cho việc dọn dẹp, vệ sinh nhà

Đề tài này được nghiên cứu về phần cứng và phần mềm của máy Phần cứng của máy lau nhà là tính toán, thiết kế phần vỏ bên ngoài, phần gá các bộ phận điện điện tử, các cảm biến Phần mềm là viết code lập trình điều khiển, tiếp nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến, bộ xử lý trung tâm tính toán rồi đưa ra tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành Sau đó, tiến hành lắp ráp máy, thực nghiệm và hiệu chỉnh

để máy hoạt động được ổn định hơn, đúng như mục tiêu ban đầu đặt ra

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Lý do chọn đề tài

Công nghiệp hoá và hiện đại hoá giúp cho nền công nghiệp tăng năng suất từ đó giúp một đất nước phát triển Trong một đất nước phát triển, con người thường phải làm việc nhiều hơn, thời gian ở công ty, xí nghiệp nhiều hơn ở nhà và dẫn đến một thực tế là con người không có thời gian làm việc nhà Một trong những giải pháp cho vấn đề này là tự động hoá dân dụng, ứng dụng IoT vào cuộc sống

Khi cuộc sống con người được nâng cao, những nhu cầu cuộc sống hằng ngày càng cao đòi hỏi phải được hỗ trợ tốt hơn Và từ những nhu cầu thực tế đó ý tưởng

về mô hình máy lau nhà tự động

Ngày nay, với sự phát triển một cách nhanh chóng của ngành điện tử cũng như nhiều ngành khác thì ý tưởng về máy lau nhà tự động không còn vướng bởi rào cản công nghệ Việc điều khiển máy lau nhà thông qua smartphone hoặc máy tính tạo nên bước ngoặc lớn trong việc điều khiển tự động, không dây một cách linh hoạt, có thể nói sự phát triển không ngừng đã làm cho công nghệ có thêm bước tiến, việc điều khiển dễ dàng hơn

Từ ý tưởng đó, nhu cầu về cuộc sống tốt hơn nên việc xây dựng “MÁY LAU NHÀ TỰ ĐỘNG” để đáp ứng phần nào trong cuộc sống của mọi người trong cuộc sống bận rộn ngày nay

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tính toán, thiết kế, chế tạo máy lau nhà tự động ứng dụng trong đời sống dân dụng tại Việt Nam

3 Đối tượng nghiên cứu

Máy lau nhà tự động ứng dụng trong các hộ gia đình Phần cứng của máy là vỏ máy, các đồ gá các linh kiện, cảm biến Phần mềm của máy là lập trình điều khiển

4 Phạm vi nghiên cứu

Máy lau nhà hoạt động tự động, vừa hút bụi vừa lau nhà Chưa có cơ chế tự xạc năng lượng

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn, quy mô và phạm vi áp dụng

Ý nghĩa khoa học: thiết kế, chế tạo được máy lau nhà ứng dụng trong dân dụng sẽ giải quyết được bài toán nguồn lao động trong việc nhà

Ý nghĩa thực tiễn: giải quyết được vấn đề thiếu nguồn nhân lực phục vụ trong công việc nhà, giúp con người có thời gian nghỉ ngơi để tái sức sản xuất lao động

PHẦN 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY LAU NHÀ TỰ ĐỘNG

 Nghiên cứu tổng quan:

Hiện trạng về việc sản xuất thiết bị trong nước: Hiện nay tại Việt Nam do điều kiện về kinh tế cũng như kỹ thuật vẫn chưa chế tạo, sản xuất và thương mại hoá các thiết bị thông minh như máy lau nhà thông minh

Hiện trạng về việc sản xuất thiết bị ngoài nước: Hiện tại ở các nước phát triển

về kĩ thuật và kinh tế như Đức, Mỹ, Nhật, Trung Quốc đã có những bước tiến quan trọng trong việc sản xuất cũng như thương mại hoá các thiết bị thông minh và máy lau nhà thông minh cũng không phải là ngoại lệ đã áp dụng thực tế vào cuộc sống hiện nay và thương mại hoá trên toàn thế giới

Sau đây là một loại máy lau nhà thông minh đã được sản xuất trên thế giới:

 Điện sạc 220V, pin điều khiển 1.5V

 Bình chứa bụi 0,3l dễ tháo dỡ và rửa sạch, không cần thay mới

 Hai bàn chải hông quét bụi vào ống hút dưới thân máy



Hình 1.2 - Robot Ilife 750x

Sản phẩm của thị trường Mỹ, Made in USA:

 Trang bị màn hình LED hiển thị giờ, chế độ chạy, báo pin, báo lỗi

 Công suất 1800 Pa

 Giảm tiếng ồn tốt nhất trong các dòng Robot: <68dB

 Hoạt động với 5 chế độ

 Diện tích hoạt động: 150- 250 ㎡ thời gian 90- 150 phút

 Di chuyển hoạt động trên mọi bề mặt sàn nhà: Gỗ, Gạch & Thảm

 Trang bị cảm biến chống rơi cầu thang, chống va chạm

 Thiết kế nhỏ gọn, mỏng dẹp dễ dàng di chuyển, làm việc dưới gầm ghế, gầm giường, kệ tủ

 Viên Pin như cũ 2600mAh, nhưng chế độ tiết kiệm pin rất tốt

 Khả năng làm việc lâu hơn bình thường 2-3giờ cho một lần hoạt động liên tục

 Thời gian nạp Pin trong 2 giờ

 Khả năng nhận diện vị trí, khu vực, diện tích đã được làm sạch

 Dung tích chứa bụi 0,6l

Kết luận: Hàng chính hãng của các nước Châu Âu nổi bật về thiết kế, cấu tạo cũng như chức năng tiên tiến,độ bền cao,tuy nhiên giá thành còn cao so với thu nhập trung bình của người dân VIỆT NAM Kèm theo đó thì các máy do thị trường Trung Quốc sản xuất luôn có những thiết kế coppy về chức năng, mẫu mã cũng giống như các loại máy hiện hành trên thế giới , giá thành rẻ hơn , nhưng vẫn không đảm bảo về măt chất lượng, hiệu quả và an toàn cho người sử dụng nên việc bắt tay vào nghiên cứu và phát triển sản phẩm máy lau nhà tự động là việc mà nhóm chúng

em đã cùng thầy hướng dẫn đã đặt ra để phần nào góp sức vào phát triển việc nghiên cứu sản phẩm cũng như mong rằng đến thời gian nào đó sản phẩm của chúng em xẽ hoàn thiện tốt nhất và được sản xuất và thương mại hoá sản phẩm đến tay người tiêu dùng Việt nam và xa hơn xẽ đưa sản phẩm mang made Việt nam vương ra thị trường thế giới

1.2 GIẢI BÀI TOÁN TÌM ĐƯỜNG

1.2.1 Đặt vấn đề

Dò đường (navigation) là một khoa học dẫn hướng robot tự hành di chuyển trong không gian làm việc của nó (đất, nước, không khí ) Trong vấn đề dò đường, bài toán được quan tâm nhiều nhất có lẽ là tìm đường về đích mà không chạm vật cản trên đường đi Có hai loại bài toán tìm đường cho robot: bài toán cục bộ (local)

và bài toán toàn cục (global)

Trong bài toán toàn cục, bản đồ môi trường làm việc của robot hoàn toàn được biết trước, vấn đề chính phải giải quyết là tìm được đường đi cho robot trước khi nó xuất phát Ở bài toán cục bộ, môi trường làm việc của robot hoàn toàn không được biết trước hoặc chỉ biết được một phần, robot hoàn toàn phải nhờ vào sự cảm nhận môi trường thông qua cảm biến gắn trên nó để dò đường

Bài toán toàn cục tỏ rõ lợi thế là ta đã biết trước có đường đi (tối ưu) tới đích hay không trước khi cho robot khởi hành Tuy vậy nó có hạn chế là đòi hỏi nhiều tính toán và bộ nhớ, và đặc biệt tình huống xấu có thể xảy ra nếu bản đồ môi trường làm việc không được khai báo chính xác, yêu cầu biết trước hoàn toàn môi trường hoạt động cũng là một nhược điểm của nó Trong khi đó, robot tìm đường cục bộ chỉ biết được thông tin xung quanh qua sensor cảm nhận môi trường gắn cùng

Vì thế, robot tìm đường cục bộ có thể không hoàn thành việc tới đích (mặc dù thực tế có đường đi tới đích), khái niệm tối ưu không có ý nghĩa trong bài toán này Tuy nhiên, yêu cầu tính toán, dung lượng nhớ thấp cùng tính linh hoạt cao (như tránh được vật cản ngay cả khi vật đó di động) khiến tìm đường cục bộ trở thành một công cụ mạnh của robot tự hành Hiện nay, cách tiếp cận kết hợp giữa cục bộ

và toàn cục đang ngày càng phổ biến, giúp robot tự hành tăng tính linh hoạt và hiệu quả

Trong đây chỉ tập trung vào giải quyết cả hai bài toán nhưng ở mức độ đơn giản Môi trường hoạt động của robot là một mặt phẳng, được giới hạn bởi các bức tường Các vật cản được xem là vật cản hai chiều, tĩnh hoàn toàn Trong bài toán cục bộ, robot được trang bị 3 cảm biến hồng ngoại xác định khoảng cách vật cản Trong bài toán toàn cục, từ đầu vào là vị trí xuất phát, vị trí đích, kích thước robot, bản đồ hoạt động, ta tìm ra đường đi để robot tự hành.Mục đích cuối cùng là robot tự tới đích không chạm vật cản mà không cần bất cứ sự trợ giúp nào từ bên ngoài

1.2.2 Bài toán tìm đường cục bộ

Giải quyết hoàn toàn bài toán này khó khăn hơn nhiều so với giải quyết bài

toàn toàn cục Một cách tìm đường cục bộ khá hoàn hảo là phương pháp bản đồ nơron cực (PolarNeurol Map) của Michail G Lagoudakis (1998) dùng cảm biến gắn trên con robot tạo trường cảm biến bao phủ vùng xung quanh robot, thuật toán

sử dụng là thuật toán ánh xạ nơron tương đối phức tạp

Do giới hạn của bài luận, phương pháp này không được đề cập đến, phương pháp được đề cập đến ở đây sử dụng 3 cảm biến dò đường xác định khoảng cách từ đầu xe tới vật cản Tùy vào khoảng cách tới vật cản ứng với từng cảm biến, ta xác định được phương hướng di chuyển robot phù hợp Ý tưởng của phương pháp xuất phát từ một bài báo Cơ điện tử

1.3 KHỐI PHẦN CỨNG TRONG ĐỀ TÀI

1.3.1 ARDUINO

Với đề tài này chúng ta sẽ sử du ̣ng vi điều khiển Arduino để xử lý và điều khiển

hê ̣ thống Ngoài ra, các phương án khác như sử du ̣ng IC số sẽ được trình bày và phân tích rõ hơn ở phần sau

1.3.2 Giới thiệu về arduino

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield

Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng platform (nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụng cho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và project Wiring Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm Một chương trình hoặc code viết cho Arduino được gọi là một Sketch

cross-Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++ Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn

1.3.3 Lịch sử ra đời

Mới đầu Arduino được tạo ra để giải quyết bài toán: Làm thế nào để sinh viên

có thể tạo ra được một thiết bị điện tử một cách nhanh chóng

Vào năm 2002, Banzi, một giáo sư phần mềm đã được đưa về IDII (Viện Thiết

Kế Vật Lý Ivrea, Italia) để thúc đẩy một lĩnh vực còn non trẻ gọi là “máy tính vật lý” với một ngân sách hạn hẹp, thời gian hạn chế và các công cụ rất ít

Giống như nhiều đồng nghiệp của mình, Banzi dựa vào Stamp BASIC, một vi điều khiển được tạo ra bởi công ty California Parallax mà các kỹ sư đã sử dụng trong khoảng một thập kỷ Nhưng với Stamp BASIC có hai vấn đề mà Banzi phát hiện ra: nó không có đủ khả năng xử lý cho một số dự án của sinh viên, và nó có giá khoảng 100 USD khá cao so với sinh viên Ông cũng cần một cái gì đó mà có thể chạy trên các máy tính Macintosh, thứ phổ biến với các sinh viên IDII

Mẫu thử nghiệm ban đầu, được thực hiện vào năm 2005, là một thiết kế đơn giản, và chưa được gọi là Arduino Massimo Banzi sử dụng cái tên Arduino vào một năm sau đó

Để làm bo Arduino, nhóm đã đặt ra một giá cụ thể để Arduino trở nên “thân thiện” với sinh viên và mục tiêu của họ là 30$ “Nó phải tương đương với một bữa

ăn Pizza ở ngoài” Banzi nói

Với mức giá 30$ cho một bo Arduino có khoàng 20 ngõ I/O có thể tương tác

và điều khiển chừng ấy thiết bị, tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm, giao diện lập trình cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình Arduino đã thực sự gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (Do It Yourself) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây

Về cái tên Arduino, đây là tên được đặt theo tên của quán rượu Bar di Re Arduino, nơi mà Bazi và các cộng sự thường lui tới trong quá trình làm nên bo mạch này Đây là một điều thật sự thú vị và bất ngờ

1.3.4 Một số loại arduino trên thị trường

Bảng 1.1 Mô ̣t số loại Arduino trên thị trường

Số chân Digital: 54 (15 chân PWM)

Số chân Analog: 16

Bộ nhớ Flash: 256 KB, 8KB

sử dụng cho Bootloader SRAM: 8 KB

EEPROM: 4 KB Xung clock: 16 MHz

Vi điều khiển:

AT91SAM3X8E Điện áp hoạt động: 3.3V Điện áp cung cấp: 7-12V

Số chân Digital: 54

Số chân ngõ vào Analog: 12

Số chân ngõ ra Analog: 2 (DAC)

Tổng dòng ngõ ra trên các chân I/O: 130mA

Bộ nhớ Flash: 512KB SRAM: 96KB

Xung clock: 84MHz Kích thước: 101.5 x 53.5 mm Khối lượng: 36g

3 Uno R3

Chip sử dụng: ATmega328 Điện áp hoạt động: 5V Điện áp cung cấp: 7-12V Điện áp vào: 6-20V Digital I/O Pins

14 (of which 6 provide PWM output)

Analog Input Pins: 6

DC Current per I/O Pin: 40 mA

DC Current for 3.3V Pin

50 mA Flash Memory

32 KB (ATmega328) of which 0.5 KB used by bootloader SRAM

2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Clock Speed: 16 MHz

Vi điều khiển: ATmega32u4 Điện áp hoạt động: 5V Điện thế ngõ vào DC: 7-12V

Số chân Digital: 20

Số kênh PWM: 7

Số kênh vào Analog: 12

Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega32u4), 4KB sử dụng cho Bootloader

SRAM: 2.5 KB (ATmega32u4) EEPROM: 1 KB (ATmega32u4) Xung lock: 16 MHz

5 Pro Micro

Sử dụng chip Atmega32U4 Điện áp cung cấp: 6V ~ 12V

DC (chân Raw) Điện áp hoạt động: 5V

Hỗ trợ từ Arduino IDE V1.0.1 trở lên

Tích hợp cổng USB Micro trên board

Tần số hoạt động: 16MHz Chống cấp ngược điện áp

Có Led hiện thị nguồn và báo tình trạng

Số chân Digital: 14 (hỗ trợ 6 chân PWM)

Số chân Analog: 6 Dòng ra trên chân digital: tối

đa 40 mA Dòng ra trên chân 5V: 500

mA Dòng ra trên chân 3.3V: 50

mA Dung lượng bộ nhớ Flash: 32

KB (ATmega328) SRAM: 2 KB (ATmega328) EEPROM: 1 KB

(ATmega328) Tốc độ: 16 MHz

1.3.5 Một vài ứng dụng của arduino

Hình 1.3- Drone( sử dụng làm điều khiển thiết bị bay)

Hình 1.4- Cánh tay robot có sử dụng arduino

1.4 HỆ THỐNG CẢM BIẾN

Trong một con robot cơ bản Một trong những phần quan trọng nhất trong robot chính là hệ thống cảm biến Vậy hệ thống cảm biến là gì ?

Cảm biến được định nghĩa nôm na là hệ thống các giác quan của robot, đúng vậy Robot cần xác định trạng thái môi trường bên ngoài (như là các vật cản, màu sắc của các vật , ) để gửi trạng thái môi trường đến bộ xử lý rồi đưa ra các phản ứng điều khiển robot để đối phó với các sự kiện bên ngoài ấy Để các bạn hiểu rõ hơn về cách làm việc của các bộ cảm biến , xin đưa ra một số ví dụ :

Ví dụ đơn giản nhất chính là con người của chúng ta Ta ví con mắt như là một

bộ cảm biến Khi chúng ta đang đi sắp đụng vào vách tường thì con mắt sẽ như những cảm biến truyền dữ liệu về cho bộ não Tương tự như vậy, các cảm biến sẽ chuyền dữ liệu về cho bộ vi xử lí Sau đó bộ não sẽ gửi trả thông tin phản ứng như

là đi hướng khác để tránh va đụng vào vách tường Vi xử lí của robot cũng thế, nó

sẽ gửi thông tin dể cho robot đi đúng đường

Các loại cảm biến :

Trong kĩ thuật robot thường sử dụng các loại cảm biến như:

(1) Led hồng ngoại ( bộ thu phát hồng ngoại )

(2) Quang điện trở (PHOTORESISTANCE): cds hoặc cdse

(3) Tế bào quang điện

(4) Camera số trong công nghệ sử lí ảnh

(5) Cảm biến siêu âm

Ở đây do đề tài sử dụng về cảm biến hồng ngoại, đó là led hồng ngoại:

Phần này sẽ giới thiệu về mạch cảm biến hồng ngoại trong robot.Mạch cảm biến đóng vai trò như “mắt “ của robot giúp cho robot có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh (vạch trắng ,chướng ngại vật ) để từ đó có biện pháp xử lý

Trong mạch cảm biến, các bạn có thể sử dụng các loại led thu phát hồng ngoại hoặc quang trở Led thu phát hồng ngoại có giá thành rẻ (2500 /cặp)

Hình 1.5- Hình ảnh của bộ thu phát hồng ngoại

Hình 1.6- Kí hiệu bộ led phát, thu

Hình 1.7- Led hông ngoại

Hình 1.8- Led thu hồng ngoại

 Phát hồng ngoại:

Cần chú ý đến 2 chân nối với mạch điện của led.Chân anode (a – nốt) nối với cực dương của nguồn điện, chân Cathode ( ca – thốt) được nối với cực âm của

nguồn điện ,qua hình 2.10 có thể thấy chân dài hơn là chân anode, còn chân ngắn hơn là chân cathode Lưu ý dòng qua led là từ 5mA=>20mA, khi tính toán thường chọn I-led = 10 mA, và điện áp rơi vào khoảng 1,7V đến 2.4 V, khi tinh toán chọn V-led = 2 V

 Cấu tạo:

Photodiode (hình 1.8) là một loại bán dẫn đơn giản nhưng vỏ có gắn thấu kính

để dẫn tia sáng chiếu đúng vào mặt tiếp giáp

* Đặc điểm:

Photodiode là loại diode làm việc theo chế độ phân cực nghịch, dòng nghịch qua diode được điều khiển bởi cường độ ánh sáng chiếu vào.khi ánh sáng chiếu qua diode tăng thì dòng nghịch qua nó cũng tăng theo

Hình 1.9- Cơ chế hoạt động của cảm biến hồng ngoại

Từ hình 1.9 có thể thấy khi led hồng ngoại chiếu ánh sáng hồng ngoại tới gặp vật cản thì các tia hồng ngoại sẽ bị dội ngược trở lại, và khi đó đầu thu detector sẽ nhận được một lượng ánh sáng hồng ngoại bị hắt ngược trở về, và truyền tín hiệu về mạch xử lí, thông qua bộ khếch đại so sánh

Chú ý: Đầu thu phát hồng ngoại cần được che chắn tốt để tránh bị nhiễu ánh sáng bên ngoài (ánh sáng tự nhiên, ánh sáng của các loại đèn cao áp) và nên đặt hai đầu thu phát cạnh nhau (cách nhau khoảng từ 2mm đến 5mm)

1.5 ĐỘNG CƠ DC

1.5.1 Khái niệm động cơ DC, điều khiển động cơ L298

 Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều

 Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A

(=>2A cho mỗi motor)

 Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

(Arduino có thể sử dụng đến 40mA)

 Công suất hao phí: 20W

 Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

Hình 1.10- Động Cơ DC

1.5.2 Nguyên lý hoạt động

Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp năm châm vĩnh cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều, một phần quan trọng khác động cơ một chiều là bộ cỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyện động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp với một bộ chổi than tiếp xúc với

cổ góp

Pha 3: bộ phận chỉnh điện sẽ đối cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1 nếu trực của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ điện sẽ hoạt động như máy phát điện một chiều, và tạo ra sức điện động cảm ứng electromotive force ( EMF)

Khi Động cơ vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra điện áp gọi là sức phản điện động counter – EMF (CEMF) hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ điện, Sức điện động này tương tự sức điện động phát ra khi động cơ sử dụng máy phát điện

Như vậy, điện áp đặt trên động cơ điện bao gồm hai phần: sức phản điện động, và điện áp kháng tạp ra do điện trở nội của cuộn dây cảm ứng Dòng điện chạy qua động cơ điện được tính theo biểu thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

Việc lựa chọn động cơ căn cứ vào các tiêu chí sau:

Hình 1.11 – Mạch điện hoạt động của DC motor

Động cơ DC motor có thể điều chỉnh được chiều quay của động cơ.Đặc tính kĩ thuật của động cơ DC là tốc độ quay cao, và momen ngẫu lực thấp.Nhưng trong robot không cần tốc độ cao nhưng momen ngẫu lực phải cao, do đó có thể mắc một hộp số vào động cơ DC nhằm giảm tốc độ của động cơ và tăng momen ngẫu lực

Để đảo chiều quay của động cơ DC chỉ cần đảo chiều cực tính của nguồn điện.Sử dụng cầu H

1.5.3 Mạch điều khiển động cơ DC

Mạch được gọi là cầu H là vì mạch có 4 transitor mắc theo sơ đồ giống hình chữ

H, để điều khiển chiều quay của động cơ.Ngoài còn kết hợp với thành phần bên ngoài để điều khiển tốc độ (phương pháp điều xung)

Hình 1.12- Sơ đồ hoạt động của động cơ DC theo chiều thuận

*Nguyên lý hoạt động: khi A ở mức cao B ở mức thấp, Transitor Q2 và Q4 dẫn

bão hòa Q1 và Q3 không dẫn Động cơ quay theo chiều thuận Chiều của mũi tên trên hình chỉ chiều của dòng điện Dòng điện đi từ nguồn

Vcc => Q2 => Motor DC => Q4 => Mass

Hình 1.13- Sơ đồ nguyên ly động cơ DC quay theo chiều nghịch

*Nguyên lý hoạt động: khi B ở mức cao A ở mức thấp, Transitor Q1 và Q3 dẫn Q2

và Q4 không dẫn Động cơ quay theo chiều nghịch.Chiều của mũi tên trên hình chỉ chiều của dòng điện.Dòng điện đi từ nguồn

 Có rất nhiều loại LCD với nhiều hình dáng và kích thước khác nhau

Hình 1.14- Hình dáng các loại LCD thông dụng

Khi sản xuất LCD, nhà sản xuất đã tích hợp chíp điều khiển (HD44780) bên trong lớp vỏ và chỉ đưa các chân giao tiếp cần thiết Các chân này được đánh số thứ

tự và đặt tên như hình sau:

Hình 1.15- Sơ đồ chân của LCD

1.5.2 Chức năng các chân của LCD

Bảng 1.2 – Chức năng chân của LCD

hiệu

Mô tả

1 Vss Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

GND của mạch điều khiển

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với

VCC=5V của mạch điều khiển

3 VEE Điều chỉnh độ tương phản của LCD

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu DR bên trong LCD

Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với logic

“0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với logic “1” để LCD ở chế độ đọc

Chân cho phép (Enable) Sau khi các tín hiệu được đặt lên bus DB0-DB7, các lệnh chỉ được chấp nhận khi có 1 xung cho phép của chân E

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (low-to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mức thấp

7 - 14

DB0

-

DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU

Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB

1.5.3 Sơ đồ nối LCD và MCU

Hình 1.16 - Sơ đồ kết nối chân LCD và MCU

1.6 GIAO TIẾP I2C

I2C là viết tắt của từ tiếng Anh “Inter-Integrated Circuit”, là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips

Ban đầu, loại bus này chỉ được dùng trong các linh kiện điện tử của Philips Sau

đó, do tính ưu việt và đơn giản của nó, I2C đã được chuẩn hóa và được dùng rộng rãi trong các mô đun truyền thông nối tiếp của vi mạch tích hợp ngày nay

1.6.1 Đă ̣c điểm của giao tiếp I2C

Mô ̣t giao tiếp I2C gồm có 2 dây: Serial Data (SDA) và Serial Clock (SCL) SDA là đường truyền dữ liê ̣u 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ và chỉ theo mô ̣t hướng

Hình 1.17- Sơ đồ giao tiếp I2C

Mỗi dây SDA hay SCL đều được nối với điê ̣n áp dương của nguồn cấp thông qua mô ̣t điê ̣n trở kéo lên Sự cần thiết của các điê ̣n trở kéo này là vì chân giao tiếp I2C của các thiết bi ̣ ngoa ̣i vi thường là da ̣ng cực máng để hở Giá tri ̣ của các điê ̣n trở này khác nhau tùy vào từng thiết bi ̣ và chuẩn giao tiếp, thường dao đô ̣ng trong khoảng 1k đến 4.7 k

1.6.2 Truyền nhâ ̣n dữ liê ̣u Master – Slave

Mô ̣t bus I2C có thể hoa ̣t đô ̣ng ở nhiều chế đô ̣ khác nhau:

 Mô ̣t chủ mô ̣t tớ

 Mô ̣t chủ nhiều tớ

 Nhiều chủ nhiều tớ

1.7 GIAO TIẾP SPI

SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất Đây là kiểu truyền thông Master-Slave, trong đó có một chip Master điều phối quá trình tuyền thông và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thông chỉ xảy ra giữa Master và Slave SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời SPI đôi khi được gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đường giao tiếp trong chuẩn này đó là SCK (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select)

SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên cần

một đường giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi Đây là điểm khác biệt với truyền thông không đồng bộ mà chúng ta đã biết trong chuẩn UART Sự tồn tại của chân SCK giúp quá trình tuyền ít bị lỗi và vì thế tốc độ truyền của SPI có thể đạt rất cao Xung nhịp chỉ được tạo ra bởi chip Master

MISO– Master Input/Slave Output: nếu là chip Master thì đây là đường Input

còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output MISO của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

MOSI – Master Output/Slave Input: nếu là chip Master thì đây là đường

Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input MOSI của Master và các Slaves được nối trực tiếp với nhau

SS – Slave Select: SS là đường chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave

đường SS sẽ ở mức cao khi không làm việc Nếu chip Master kéo đường SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master và Slave

đó Chỉ có một đường SS trên mỗi Slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển

SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng

PHẦN 2: MỤC TIÊU - PHƯƠNG PHÁP 2.1 Mục tiêu

- Thiết kế kết cấu cơ khí vỏ máy lau nhà, đồ gá các linh kiện điện điện tử, motor đáp ứng được yêu cầu cơ khí và thẩm mỹ Từ đây xây dựng được bản

vẽ thiết kế vỏ máy

- Chế tạo kết cấu cơ khí vỏ máy trên bản vẽ thiết kế

- Thiết kế và thi công bộ điều khiển hoạt động của máy Lắp ráp và hoàn thiện máy

- Chạy thử và kiểm tra sự chính xác, hiệu quả, độ an toàn của máy đối với con người và thiết bị xung quanh trong môi trường sống

2.2 Phương pháp

- Phương pháp tính toán lý thuyết áp dụng trong việc tính kết cấu máy

- Phương pháp thiết kế cơ khí sử dụng phần mềm Autocad

- Phương pháp chế tạo chi tiết máy và lắp ráp máy

- Nghiên cứu lập trình hệ thống điện điều khiển máy chuyển động

- Phương pháp kiểm tra và đánh giá độ tin cậy của máy