ĐỀ tài ỨNG DỤNG VI điều KHIỂN THIẾT kế mô HÌNH XE điều KHIỂN từ XA QUA BLUETOOTH

Nội dung chính của hệ thống là thiết kế mô hình xe điều khiển không dây qua bluetooth sử dụng mô-đun thu phát bluetooth HC-05 và vi điều khiển STM32F407VET6.. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO



ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN THIẾT KẾ MÔ HÌNH

XE ĐIỀU KHIỂN TỪ XA QUA BLUETOOTH

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Phan Thanh Sinh viên th ực hiện MSSV

Tr ần Lưu Phúc Hòa 16151027 Nguy ễn Hải Phong 16151061

Tp H ồ Chí Minh, tháng 5 năm 2019

ĐIỂM SỐ

ĐIỂM

NH ẬN XÉT

Ký tên

TS Nguy ễn Phan Thanh

M ục lục

Chương 1: Tổng Quan Đề Tài Nghiên Cứu 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Nội dung nghiên cứu 1

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2

2.1 Tìm hiểu về chuẩn kết nối Bluetooth 2

2.1.1 Giới thiệu 2

2.1.2 Đặc điểm của công nghệ Bluetooth 2

2.2 Phương pháp điều khiển động cơ sử dụng ic cầu H L293D 3

2.2.1 Cầu H 3

2.2.3 Vi điều khiển 4

Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng, Lựa Chọn Linh Kiện 5

3.1 Yêu cầu thiết kế 5

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống 5

3.3 Lựa chọn linh kiện 5

3.3.1 Động cơ 5

3.3.2 Mạch cầu H điều khiển động cơ L293D 6

3.3.3 Kit STM32F407VET6 Arm Cortex-M4 6

3.3.4 Module Bluetooth HC-05 7

Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm, Thuật Toán Điều Khiển 8

4.1 Lưu đồ điều khiển của hệ thống 8

4.2 Tìm hiểu ic L293D và phương pháp điều khiển động cơ qua mạch cầu H L293D 9

4.2.1.Sơ đồ chân IC L293D 9

4.2.2.Cách sử dụng ic L293D 10

4.3 Ngôn ngữ lập trình 11

4.4 Giao diện điều khiển 12

Chương 5: Thi Công Và Lắp Đặt 13

5.1.Mô hình xe điều khiển 13

5.2 Thiết kế giao diện điều khiển thông qua AppInventor 13

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển 14

6.1 Kết quả đạt được 14

6.2 Hướng phát triển 14

Chương 7: Lời Cám Ơn 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

Chương 1: Tổng Quan Đề Tài Nghiên Cứu 1.1 Gi ới thiệu đề tài

Trong những năm qua, khoa học máy tính và xử lý thông tin có những bước tiến vượt bậc và ngày càng có những đóng góp to lớn vào cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện đại Đặc biệt sự ra đời và phát triển nhanh chóng của kỹ thuật số làm cho ngành điện tử trở nên phong phú và đa dạng hơn Nó góp phần rất lớn trong việc đưa kỹ thuật hiện đại thâm nhập rộng rãi vào mọi lĩnh vực của hoạt động sản xuất, kinh tế và đời sống xã hội Từ những hệ thống máy tính lớn đến những hệ thống máy tính cá nhân, từ những việc điều khiển các máy công nghiệp đến các thiết bị phục vụ đời sống hằng ngày của con người Trong các hệ thống đó, việc trao đổi thông tin là vô cùng quan trọng Công nghệ truyền tin không dây ngày càng phát triển, đặc biệt công nghệ Bluetooth đã phổ biến hầu hết các thiết bị điện tử di động Nhằm ứng dụng các kiến thức trong môn học Vi xử lý vào thực tế, nhóm lựa chọn đề tài “Ứng dụng vi điều khiển thiết kế mô hình xe điều khiển từ xa qua bluetooth” Nội dung chính của hệ thống là thiết kế mô hình xe điều khiển không dây qua bluetooth sử dụng mô-đun thu phát bluetooth HC-05 và vi điều khiển STM32F407VET6

1.2 M ục tiêu nghiên cứu

Thiết kế và chế tạo được mô hình xe điều khiển từ xa qua bluetooth

1.3 Nội dung nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thiết kế phần cứng, lựa chọn linh kiện

Chương 4: Thiết kế phần mềm, thuật toán điều khiển

Chương 5: Thi công và lắp đặt

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết 2.1 Tìm hi ểu về chuẩn kết nối Bluetooth

2.1.1 Gi ới thiệu

Bluetooth là một công nghệ cho phép truyền thông giữa các thiết bị với nhau

mà không cần dây dẫn Nó là một chuẩn điện tử, điều đó có nghĩa là các hãng sản xuất muốn có đặc tính này trong sản phẩm thì họ phải tuân theo các yêu cầu của chuẩn này cho sản phẩm của mình Những tiêu chuẩn kỹ thuật này đảm bảo cho các thiết bị có thể nhận ra và tương tác với nhau khi sử dụng công nghệ Bluetooth Ngày nay phần lớn các nhà máy đều sản xuất các thiết bị có sử dụng công nghệ Bluetooth Các thiết bị này gồm có điện thoại di động, máy tính và thiết bị hỗ trợ cá nhân PDA (Prosonal Digital Assistant)

Công nghệ Bluetooth là một công nghệ dựa trên tần số vô tuyến và bất cứ một thiết bị nào có tích hợp bên trong công nghệ này đều có thể truyền thông với các thiết bị khác với một khoảng cách nhất định về cự ly để đảm bảo công suất cho việc phát và nhận sóng Công nghệ này thường được sử dụng để truyền thông giữa hai loại thiết bị khác nhau Ví dụ: Bạn có thể hoạt động trên máy tính với một bàn phím không dây, sử dụng bộ tai nghe không dây để nói chuyện trên điện thoại di động của bạn hoặc bổ sung thêm một cuộc hẹn vào lịch biểu PDA của một người bạn từ PDA của bạn

2.1.2 Đặc điểm của công nghệ Bluetooth

2.1.2.1 Ưu điểm

Tiêu thụ năng lượng thấp

Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị bao gồm các thiết bị cầm tay và điện thoại di động

Giá thành ngày một giảm

Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến 100m Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tới đa 1Mbps mà các thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau

Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này với một ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng

Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm

hỗ trợ

2.1.2.2 Nhược điểm

Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác

Chỉ kết nối được hai thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng

2.1.2.3 Ho ạt động

Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối thiết bị

cá nhân hay mạng cục bộ nhỏ trong phạm vi băng tần từ 2.4GHz đến 2.485GHz Bluetooth được thiết kế hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ Khi kết nối, nó sẽ tự động tìm ra tần số tương thích để di chuyển đến thiết bị cần kết nối trong khu vực nhằm đảm bảo sự liên tục

2.2 Phương pháp điều khiển động cơ sử dụng ic cầu H L293D

2.2.1 C ầu H

Mạch cầu H được cấu tạo bởi 4 transitor hay là Fet Đôi khi mạch cầu H cũng được cấu tạo bởi 2 transitor hay Fet Tác dụng của transitor và Fet là các van đóng mở dẫn dòng điện từ nguồn xuống tải với công suất lớn Tìn hiệu điều khiển các van là tín hiệu nhỏ (điện áp hay dòng điện) và cho dẫn dòng và điện áp lớn để cung cấp cho tải

Tín hiệu điều khiển thường là tín hiệu đầu ra của vi điều khiển nhỏ (do các điều chế PWM) mà điều khiển động cơ cần dòng điện và điện áp lớn Các van điều khiển hay các chân điều khiển chỉ cần tín hiệu nhỏ (Điện áp hay dòng điện) là mở khóa (Transitor) dẫn dòng cho tải

Mạch cầu H có thể đảo chiều dòng điện qua tải vì thế nó hay được dùng trong các mạch điều khiển động cơ DC và các mạch băm áp Đối với mạch điều khiển động

cơ thì mạch cầu H có thể đảo chiều động cơ quá là đơn giản Chỉ cần mở khóa các van đúng chiều mà mình muốn

2.2.3 Vi điều khiển

Vi điều khiển là một hệ thống nhúng khép kín với các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý

và bộ nhớ Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến

đổi số sang tương tự và tương tự sang số

Có rất nhiều loại vi điều khiển được lập trình khác nhau, chủ yếu chúng được phân loại và lập trình chuyên sâu theo một số thông số cơ bản, bao gồm Bits, kích thước Flash, kích thước bộ nhớ RAM, số lượng các dòng đầu vào / đầu ra, loại bao

bì, cung cấp điện áp và tốc độ Các họ vi điều khiển như: họ vi điều khiển AMCC;

họ vi điều khiển Atmel, họ vi điều khiển Microchip; họ vi điều khiển Intel ……

Đặc tính nổi bậc của bộ vi xử lý:

- Sử dụng công nghệ tích hợp cao RICSC CPU

- Người sử dụng có thể lập trình với các câu lệnh đơn giản

- Tất cả các câu lệnh thực hiện trong 1 chu kì ngoại trừ một số lệnh rẽ nhánh thực hiện trong 2 chu kì

- Tốc độ hoạt động cao

Chương 3: Thiết Kế Phần Cứng, Lựa Chọn Linh Kiện

3.1 Yêu c ầu thiết kế

Xe nhận tín hiệu gửi từ điện thoại và có thể di chuyển theo yêu cầu điều khiển

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống

3.3 Lựa chọn linh kiện

3.3.1 Động cơ

-Điện áp hoạt động: 3-6VDC -Dòng điện tiêu thụ: 110-200mA -Tỉ số truyền: 1:48

-6V ≤200mA 200 ± 10% vòng / phút -3V ≤150mA 90 ± 10% vòng / phút

Vi điều khiển Mạch điều khiển Động cơ Module

HC-05

Hình 3.3.1 Động cơ

3.3.2 M ạch cầu H điều khiển động cơ L293D

- 2 ic cầu h l293d hoàn chỉnh với các chế độ bảo

vệ và 1 ic logic 74hc595 để điều khiển các động

cơ

- Module L293D có thể điều khiển nhiều loại motor khác nhau như step motor, servo motor, motor dc, với mức áp lên đến 36v, dòng tối đa 600ma cho mỗi kênh điều khiển

3.3.3 Kit STM32F407VET6 Arm Cortex-M4

- Vi điều khiển: STM32F407VET6 (32 bit)

- Điện áp hoạt động: 1.8-3.3VDC

- Tần số hoạt động: 168MHz

- Điện áp vào khuyên dùng: 3.3-5 VDC

- Số chân I/O: 82

- Số kênh Analog: 16

- Bộ nhớ FLASH: 512KB

- SRAM: 192+4KB

Hình 3.3.2 Mạch cầu H

L293D

Hình 3.3.3 Kit STM32F407VET6

3.3.4 Module Bluetooth HC-05

- Điện áp hoạt động: 3.3 - 5V

- Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau

khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8

mA

- Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400,

4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200

Hình 3.3.4 Module HC-05

Chương 4: Thiết Kế Phần Mềm, Thuật Toán Điều Khiển

4.1 Lưu đồ điều khiển của hệ thống

Start

Khởi tạo

Đợi nhận tín hiệu từ module Bluetooth

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán

S

Đ

Mạch điều khiển động

cơ

4.2 Tìm hi ểu ic L293D và phương pháp điều khiển động cơ qua mạch cầu H

L293D

Hình 4.2.1 L293D

4.2.1 Sơ đồ chân IC L293D

4,5 Ground Chân nối đất

8 Vcc2(Vs) Cung cấp điện áp yêu cầu của thiết bị ngoại vi

4.2.2 Cách s ử dụng ic L293D

Sử dụng IC điều khiển động cơ L293D này rất đơn giản IC hoạt động theo nguyên tắc mạch cầu H Mạch dưới đây sẽ cho thấy hoạt động của IC này

Tất cả các chân Ground (GND) phải được nối đất IC này có 2 chân nguồn, một là Vss (Vcc1) cung cấp điện áp cho IC hoạt động, chân này phải được kết nối với + 5V Chân còn lại là Vs (Vcc2) cung cấp điện áp cho động cơ chạy, dựa trên thông số kỹ thuật của động cơ có thể kết nối chân này với điện áp trong khoảng từ 4,5V đến 36V, ở đây tôi đã kết nối với + 12V

Các chân Enable (Enable 1,2 và Enable 3,4) được sử dụng để cho phép (Enable) các chân ngõ vào cho động cơ 1 và động cơ 2 tương ứng Vì trong hầu hết các trường hợp, ta sẽ sử dụng cả hai động cơ, cả hai chân được giữ ở mức cao theo mặc định bằng cách kết nối với nguồn + 5V Các chân ngõ vào Input 1,2 được sử dụng để điều khiển động cơ 1 và Input 3,4 được sử dụng để điều khiển động cơ 2 Các chân đầu vào được kết nối với bất kỳ mạch Kỹ thuật số hoặc vi điều khiển nào

để điều khiển tốc độ và hướng của động cơ

Hình 4.2.2 phương pháp điều khiển động cơ

bằng ic L293D

Input 1 = HIGH(5v) Output 1 = HIGH Động cơ 1 quay cùng

chiều kim đồng hồ

chiều kim đồng hồ

chiều kim đồng hồ

chiều kim đồng hồ

4.3 Ngôn ng ữ lập trình

Chương trình giao tiếp với STM32F407VET6 được viết trên ngôn ngữ lập trình

Hình 4.2.3 Sơ đồ nối dây động cơ

4.4 Giao di ện điều khiển

Để điều khiển một mô hình từ xa thông qua Bluetooth, chúng ta phải có một ứng dụng đi động và nhóm đã chọn thiết kế giao diện điều khiển bằng chương trình AppInventor

Dựa trên ý tưởng “Những gì bạn thấy là những gì bạn có” (WYSIWYG - What you see is what you get), App Inventor giúp dễ dàng tiếp cận và xây dựng ứng dụng Android Với giao diện trực quan, dễ hiểu, cho phép truy cập đến các chức năng của điện thoại kể cả GPS, đây là công cụ giúp cho bộ sưu tập ứng dụng của Android ngày càng dồi dào và phong phú

Chương 5: Thi Công Và Lắp Đặt 5.1.Mô hình xe điều khiển

5.2 Thi ết kế giao diện điều khiển thông qua AppInventor

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển 6.1 K ết quả đạt được

Qua nhiều tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Phan Thanh, nhóm đã hoàn thiện được đồ án “Ứng dụng vi điều khiển thi ết kế mô hình xe điều khiển từ xa qua bluetooth”

Qua đồ án này, nhóm đã nắm được những vấn đề sau:

- Phương pháp điều khiển động cơ sử dụng IC cầu H L293D

- Cách sử dụng Module HC-05

- Nắm rõ được giao tiếp Bluetooth

- Thực hiện viết ứng dụng trên Android

- Thực hiện kết nối và trao đổi dữ liệu giữa điện thoại và STM32F407VET6 qua module Bluetooth

- Tìm hiều bo mạch STM32F407VET6

- Thiết kế các mạch điện cho xe

Nhưng vẫn còn những mặt hạn chế như sau:

- Mô hình cồng kềnh và chưa tốt về mặt thẩm mĩ

6 2 Hướng phát triển

- Ứng dụng mô hình vào thực tế trong công nghiệp, xây dựng và dân dụng, dùng làm các loại xe thăm dò

- Tích hợp thêm nhiều chức năng cho xe như: truyền hình ảnh, đo nhiệt độ, độ

ẩm, khoảng cách vật cản, đo độ nghiêng

- Phản hồi được các sự cố về thiết bị cầm tay

- Ứng dụng công nghệ Bluetooth vào các hệ thống khác

Chương 7: Lời Cám Ơn

Nhóm em xin chân thành cám ơn thầy Nguyễn Phan Thanh đã tạo điều kiện tốt nhất để đề tài được hoàn thành

Do hạn chế về hiểu biết và thời gian nên đồ án còn khá nhiều thiếu sót, rất mong

có thể nhận được những phản hồi cũng như những hướng dẫn của thầy và các bạn

để nhóm có thể tiếp tục học hỏi và phát triển đồ án

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

- Github.com

- Datasheet STM32f407VET6:

https://www.st.com/resource/en/datasheet/dm00037051.pdf

- Reference Manual:

https://www.st.com/resource/en/reference_manual/dm00031020.pdf

- Datasheet L293D: www.ti.com/lit/gpn/l293

- Datasheet 74HC595: www.ti.com/lit/gpn/SN74HC595

- http://arduino.vn/bai-viet/639-du-xe-dieu-khien-tu-xa-qua-bluetooth

- AppInventor http://ai2.appinventor.mit.edu/