Đồ án thiết kế hệ thống nhúng, học viện công nghệ bưu chính viễn thông (3)

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quảcủa những ứng dụng trong thực tế của môn vi xử lý, sau một thời gian học tập đượccác thầy cô trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, đồng thời

Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Ngọc Minh

Sinh viên thực hiện : Hoàng Đức Mạnh(NT) – B17DCDT121

Triệu Quang Hào – B17DCDT065

Cù Minh Vương – B17DCDT217

Điểm: (Bằng chữ:……… )

Hà Nội, Ngày… Tháng… Năm 2021 CÁN BỘ - GIẢNG VIÊN

(Ký, họ tên)

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đời sống, cuộc sống của con người

đã thay đổi ngày một tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ trong côngcuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa Đặc biệt góp phần không nhỏ đó là ngành kĩthuật điện – điện tử trong sự nghiệp xây dựng đất nước Những thiết bị điện, điện tửđược phát triển và ứng dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày Từ những thời gianđầu phát triển vi xử lý đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưuviệt đó ngày càng được khẳng định thêm Những thành tựu của nó đã có thể biếnđược những cái tưởng chừng như không thể thành những cái có thể, góp phần nângcao đời sống vật chất và tinh thần cho con người Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quảcủa những ứng dụng trong thực tế của môn vi xử lý, sau một thời gian học tập đượccác thầy cô trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyên ngành, đồng thời được

sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa Điện-Điện tử, cùng với sự nỗ lựccủa cả nhóm, nhóm em đã “ Thiết kế robot dò line điều khiển qua điện thoại”nhưng do thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của chúng em còn có hạn nên sẽkhông thể tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong được sự giúp đỡ và thamkhảo ý kiến của thầy cô và các bạn nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Ngọc Minh đã giúp em rấtnhiều trong quá trình thực hiện đồ án này Trong quá trình thực hiện đồ án, được sựgiúp đỡ tận tình của thầy Nguyễn Ngọc Minh em đã thu được nhiều kiến thức quýbáu giúp em rất nhiều trong quá trình học và làm việc trong tương lai: được tiếpxúc với Arduino, Module Bluetooth, Module L298 và thi công mạch in,

Trong quá trình thực hiện đồ án do em chưa có nhiều kinh nghiệm nên không tránh khỏi sai sót Mong nhận được sự góp ý của các thầy để hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các quý thầy trong quá trình thực hiện đồ án để em hoàn thành đồ án này

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

LỜI CẢM ƠN 4

MỤC LỤC 5

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 7

1.1 Giới thiệu đề tài 7

1.2 Mục đích đề tài 7

1.3 Sơ lược các bước thực hiện 7

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆUARDUINO VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠCH 7

2.1 Giới thiệu về ARDUINO 7

2.1.1 Sơ Lược về ARDUINO NANO 8

2.1.2 Một vài thông số của Arduino Nano 9

2.1.3 Cổng kết nối với Arduino Nano 9

2.1.4 Lập trình cho Arduino Nano 10

2.2: GIỚI THIỆU LINH KIỆN 10

2.2.1 MODULE L298 mini 2.5A 10

2.2.2 Cảm biến dò line 8 kênh ( QTR8A ) 12

2.2.3 Module Bluetooth 14

2.2.4 Giao tiếp với Module Bluetooth HC05 15

2.2.6 Motor 17

2.2.7 Bánh xe động cơ (34 mn) 18

2.2.8 Pin sạc 3.7V và đế lắp pin 19

2.2.9 Bánh xe đa hướng mắt trâu 20

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ, Ý TƯỞNG, LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 20

3.1 Sơ đồ mạch 20

3.2 Sơ đồ PCB 22

3.3 Các ý tưởng trong quá trình thực hiện 23

3.4 Thuật toán PID 25

3.4.1 Sơ cấu trúc điều khiển 25

3.4.2 Thực hiện thuật toán điều khiển trên Arduino 26

3.5 Sản phẩm thực tế 31

3.6 Chương trình điều khiển 31

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

4.1 Kết quả của dự án 43

4.2 Hướng phát triển của dự án 43

4.3 Tài Liệu Tham Khảo 44

4.4 Phân Chia Công Việc 44

4.5 Demo sản phẩm 44

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài

Ngày nay, robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất công nghiệpcũng như trong đời sống Sản xuất robot là nghành công nghiệp trị giá hang tỉ USD

và ngày càng phát triển mạnh, trong các họ robot chúng ta không thể không nhắctới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot khác không có Mobilerobot có thể di chuyển một cách rất linh hoạt, do đó tạo nên không gian hoạt độnglớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan trọng không thể thiếu trongnhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư và nghiên cứu Mobile robot cũngđược chia ra làm nhiều loại: robot học đường đi, robot dò đường line, robot tránhvật cản, robot tìm đường cho mê cung,…trong số đó robot dò đường line, tránh vậtcản dễ dàng ứng dụng nhiều trong cuộc sống Việc phát triển loại robot này sẽ phục

vụ rất đắc lực cho con người

1.2 Mục đích đề tài

Robot dò line vừa có nhiều ứng dụng trong thực tế vừa dễ dàng để sinh viên vậndụng những kiến thức tiếp thu được trên giảng đường vào nó Với những kết cấu cơkhí đơn giản nhưng lại có thể kết hợp được với khá nhiều thành phần điện tử(encoder, sensor xác định đường line, sensor đo khoảng cách…) nên những Robotnày rất phù hợp để sinh viên học tập và nghiên cứu thêm về ngành Điện tử mộtcách cụ thể

1.3 Sơ lược các bước thực hiện

- Trước tiên ta phải chế tạo được khung xe của robot Khung xe phải đảm

bảo bền chắc và đạt độ chính xác nhất định về việc bố trí các bánh xe và động cơthông qua việc vẽ trên phần mềm và cắt CNC hoặc bằng tay

-Và cuối cùng là công đoạn lập trình dựa trên những kiến thức đã học được

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ARDUINO VÀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA MẠCH

2.1 Giới thiệu về ARDUINO

2.1.1 Sơ Lược về ARDUINO NANO

Khi tiếp xúc với Arduino Nano đó là sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trìnhtrực tiếp bằng máy tính (như Arduino Uno R3) và đặc biệt hơn cả đó là kích thướccủa nó Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ chỉ tương đương đồng 2 nghìngấp lại 2 lần thôi (1.85cm x 4.3cm), rất thích hợp cho các bạn bắt đầu học vì giá rẻhơn Arduino Uno nhưng dùng được tất cả các thư viện của mạch này Bài nàynhằm mục đích giới thiệu về mạch Arduino Nano và các thông số kĩ thuật, cùng với

đó là những gợi ý ứng dụng khi bắt đầu với mạch này

phổ biến, khi mới bắt đầu làm quen, lập trình với Arduino thì mạch Arduinothường nói tới chính là dòng Arduino UNO.

2.1.2 Một vài thông số của Arduino Nano

Bảng 2.1 Thông số Arduino Nano

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA

Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi

2.1.3 Cổng kết nối với Arduino Nano

Khác với Arduino UNO sử dụng cổng USB Type B, Nano lại sử dụng mộtcổng nhỏ hơn có tên là mini USB

Vì sử dụng cổng này nên kích thước board (về chiều cao) cũng giảm đi khá nhiều,ngoài ra bạn có thể lập trình thẳng trực tiếp cho Nano từ máy

2.1.4 Lập trình cho Arduino Nano

- Cũng tương tự như bên Arduino Uno R3, Arduino Nano sử dụng chương trìnhArduino IDE để lập trình, và ngôn ngữ lập trình cho Arduino cũng tên là Arduino(được xây dựng trên ngôn ngữ C)

- Sau đây là từng bước để có thể lập trình cho Arduino Nano.Đầu tiên, bạn cần cài Driver của Arduino Nano và tải về bản Arduino IDE mới nhấtcho máy tính

- Sau khi cài đặt, bạn sẽ thấy một thông báo dạng "Cổng COMx đã được cài đặtthành công" Mạch Arduino Nano là dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầulàm quen, lập trình với Arduino thì mạch Arduino thường nói tới chính là dòngArduino Nano Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 và với những ứngdụng cơ bản thì mạch Arduino Nano là lựa chọn phù hợp nhất

2.2: GIỚI THIỆU LINH KIỆN

2.2.1 MODULE L298 mini 2.5A

Thông số kỹ thuật Module Điều Khiển Động Cơ L298 mini 2.5A

-Mạch điều khiển động cơ cầu H có thể điều khiển hai động cơ DC hoặc mộtđộng cơ bước, tăng giảm tốc độ và đảo chiều dựa vào PWM

-Khi lỗi đầu vào : động cơ sẽ dừng hoạt động

-Tích hợp bảo vệ quá nhiệt

-Kích thước sản phẩm: 31 * 32 * 5mm (chiều dài, chiều rộng và chiều cao), kíchthước nhỏ, thích hợp cho lắp ráp và xe;

-Điện áp cung cấp : 2-10VDC

-Điện áp đầu vào tín hiệu là 1.8-7V

-Mỗi kênh có dòng chịu tải tối đa 2.5A

-Đường kính lỗ: 2 mm

-Trọng lượng: tiêu chuẩn 5g, cao với 11g

* Lưu ý:

1 Ngược cực sẽ gây hư hỏng mạch, cần lưu ý

2 Mạch quá điện áp 10V hoặc quá tải (hơn 2.5A mỗi kênh) sẽ bị hỏng

Tín hiệu điều khiển:

2.2.2 Cảm biến dò line 8 kênh ( QTR8A )

Tổng quát

- Cảm biến này có 8 cặp LED hồng ngoại / quang bán dẫn được gắn trên caokhoảng 1cm, làm cho nó có khả năng dò đường một cách chính xác Các cặp đènLED được sắp xếp nối tiếp để giảm một nửa mức tiêu thụ dòng điện và MOSFET

cho phép các đèn LED được bật tắt để có thêm tùy chọn cảm biến hoặc tiết kiệmđiện Mỗi cảm biến cung cấp một đầu ra điện áp tương tự riêng biệt

Mô tả chức năng

- Cảm biến QTR-8A được thiết kế như một cảm biến dòng, nhưng nó có thể được

sử dụng như một cảm biến tiệm cận hoặc cảm biến phản xạ có mục đích chung.Mô-đun là một sóng mang thuận tiện cho tám cặp bộ phát và bộ thu IR(phototransistor) cách đều nhau trong khoảng 0,375 "(9,525 mm) Mỗiphototransistor được kết nối với một điện trở kéo lên để tạo thành một bộ chia điện

áp tạo ra đầu ra điện áp tương tự giữa 0 V và VIN (thường là 5 V) là một hàm của

IR phản xạ Điện áp đầu ra thấp hơn là một dấu hiệu của phản xạ lớn hơn

- Tất cả các đầu ra đều độc lập, nhưng các đèn LED được sắp xếp theo cặp để giảmmột nửa mức tiêu thụ hiện tại Các đèn LED được điều khiển bởi MOSFET vớicổng thường được kéo lên cao, cho phép tắt đèn LED bằng cách đặt cổng MOSFET

ở điện áp thấp Tắt đèn LED có thể có lợi cho việc hạn chế tiêu thụ điện năng khicảm biến không được sử dụng hoặc để thay đổi độ sáng hiệu quả của đèn LEDthông qua điều khiển PWM

- Có thư viện hỗ trợ, Có code mẫu test thử sản phẩm

- Dò line cực nhanh và chuẩn xác Tín hiệu đầu ra dạng analog giúp tự cân chỉnhvới mọi đường line và nhiễu sáng

Sơ đồ module:

• Khoảng cách phát hiện tối ưu: 3 mm

• Khoảng cách phát hiện tối đa được khuyến nghị cho QTR-8A: 6 mm

• Trọng lượng khi chưa có chân cắm : 0,11 oz (3,1 g)

2.2.3 Module Bluetooth

Sơ đồ chân:

Hình 2.12 Module Bluetooth

- Điện áp hoạt động: 3.3V

- Module có 2 chế độ làm việc (có thể lựa chọn chế độ làm việc bằng cáchthay đổi trạng thái chân 34 KEY):

- Đáp ứng theo lệnh: khi làm việc ở chế độ này, các bạn có thể gửi cáclệnh AT để giao tiếp với module

Module HC05 có thể nhận 1 trong 3 chức năng: Master, Slave,

Loopback (có thể lựa chọn các chức năng bằng lệnh AT)

- Giao tiếp với module bằng giao tiếp nối tiếp không đồng bộ qua 2

đường RX và TX, vì vậy các bạn có thể sử dụng PC với chuẩn RS232 hoặc cácdòng vi điều khiển để giao tiếp

- Bằng cách thay đổi trạng thái chân 34 (KEY), bạn có thể cấu hình chế độ

hoạt động cho module:

- Để module làm việc ở chế độ kết nối tự động: KEY phải ở trạng

thái Floating (trạng thái không kết nối)

- Để module làm việc ở chế độ đáp ứng theo lệnh: KEY = “0‟ (kết nối

xuống đất) Cấp nguồn cho module chuyển KEY = “1‟ (kết nối lên

VCC) lúc này có thể sử dụng các lệnh AT để giao tiếp

2.2.4 Giao tiếp với Module Bluetooth HC05

Giao tiếp với HC05 bằng các lệnh AT sử dụng phần mềm Hercules Setup

Untility trên PC

Cài đặt phần mềm Hercules Setup Untility, sau đó mở ứng dụng,

chọn Serial, giao diện giao tiếp với cổng nối tiếp sẽ hiện ra:

 Tích hợp RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU

 Tích hợp bộ xử lý RISC, trên chip bộ nhớ và giao diện bộ nhớ bên ngoài

 Tích hợp bộ vi xử lý MAC / baseband

 Chất lượng quản lý dịch vụ

 Giao diện I2S cho độ trung thực cao ứng dụng âm thanh

Cần cấu hình cổng vào, chế độ, khung dữ liệu, tốc độ Baud cho cổng nối tiếp

- Thiết lập module HC05 hoạt động ở chế độ đáp ứng theo lệnh Ở chế độ này,các bạn có thể cấu hình và kiểm soát module của mình

- Các bạn kết nối module Bluetooth với PC bằng USB TO COM PL2303 nhưsau: RX (màu trắng) là TX của module HC05

+ TX (màu xanh lá cây) là RX của module HC05

+ VCC là 5.0v và GND là GND

- Sử dụng các lệnh AT để giao tiếp với module thông qua hercules setup.

- Module bluetooth HC05 master / slave dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2thiết bị bằng sóng bluetooth Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 làmodule có thể hoạt động được ở 2 chế độ: MASTER hoặc SLAVE Trong khi

đó, Bluetooth module HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ SLAVE

+ Ở chế độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb

bluetooth để dò tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234 Sau khi pair thànhcông, bạn đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600

+ Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1

module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop ) và tiến hành tự động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone

2.2.5 Module bluetooth HC05

Module bluetooth HC05 được điều khiển bằng tập lệnh AT để thực hiện cáctác vụ mong muốn Để bluetooth module chuyển từ chế độ thông thường quađiều khiển bằng AT, ta có 2 cách như sau:

+ Cấp nguồn cho module bluetooth (Vcc và Gnd) đồng thời cấp mức điện ápcao (=Vcc) cho chân KEY của module bluetooth Khi đó giao tiếp bằng tập lệnh

AT với module bằng cổng Serial (Tx và Rx) với baud rate là 38400 (khuyên

dùng)

+ Cấp nguồn cho module bluetooth trước, sau đó cấp mức điện áp cao chochân KEY của module bluetooth Lúc này bạn có thể giao tiếp với module bằngtập lệnh AT với baud rate là 9600

- Sau khi kết nối thành công với thiết bị bluetooth khác, đèn trênmodule bluetooth HC05 sẽ nhấp nháy chậm cho thấy kết nối Serial đã được thiếtlập

- Nguồn cung cấp cho module bluetooth là nguồn từ 3.6V đến 6V Quá áp sẽgây cháy module Ngoài ra module tương thích với các vi điều khiển 5V màkhông cần chuyển đổi mức giao tiếp 5V về 3.3V như nhiều loại modulebluetooth khác

2.2.6 Motor

Động cơ DC giảm tốc GA12-N20 DC Geared Motor có thiết kế nhỏ gọn với hộp

số bằng kim loại cho độ bền và độ ổn định cao, thích hợp cho các ứng dụng chếtạo Robot Mini, xe, thuyền,

- Điện áp sử dụng: 3~12VDC

- Kích thước: 28 x 12mmĐiện áp sử dụng: 3~12VDC

- Kích thước: 28 x 12mm

Bảng thông số kỹ thuật của ba loại động cơ tỉ số truyền 1:30 / 1:50 / 1:100, tốc độ

có tải gần với tốc độ động cơ khi gắn bánh xe được test thực tế

2.2.7 Bánh xe động cơ (34 mn)

Mô tả:

- Đường kính 34mm được sử dụng với động cơ dc giảm tốc GA12-N20 trongcác ứng dụng chế tạo Robot Mini, bánh có chất lượng tốt với lốp được làm bằngcao su giúp tăng độ ma sát

Thông số kỹ thuật:

- Tương thích động cơ GA12-N20

- Dung lượng danh định: 5000mAh

- Dùng cho: đèn pin và các thiết bị có điện áp 3.7V

- Kích thước: 65mm x 18mm

- Pin cho phép sạc lại đến 1000 lần mà không làm giảm chất lượng pin.

Đế pin

2.2.9 Bánh xe đa hướng mắt trâu

Mô tả:

- Bánh đa hướng mắt trâu kim loại lớn có kích thước nhỏ gọn thường được sử

dụng như bánh cân bằng của Robot, bánh có chất lượng tốt, chuyển hướngnhanh và rất êm, phù hợp cho nhiều loại thiết kế robot khác nhau

CHƯƠNG 3: SƠ ĐỒ, Ý TƯỞNG, LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

3.1 Sơ đồ nguyên lý

- Khi điều khiển 2 Động cơ của robot, cần chú ý bài đấu nối Cực dương, âmcủa động cơ tương ứng với chân dương, âm của OUTPUT X.

- Cấp nguồn cho Module L298 mini cần chú ý chọn Jump cho đúng

- Nếu dùng 5V và động cơ dưới 1A thì có thể dùng chân 5V của Arduino, cònnếu không thì phải dùng nguồn riêng để không làm hỏng Arduino

- Các chân số D6, D10, D5 và D11 của Arduino sẽ nối tương ứng với ( IN1,IN2), ( IN3 và IN4 ) của L298 mini

- Chiều quay của động cơ được điều khiển bằng cách xuất các đầu ra HIGHhoặc LOW tại các chân INx

- Ví dụ với Động Cơ A: Logic HIGH ở IN1 và IN2 Logic LOW sẽ làm động

cơ quay 1 hướng nếu đặt Logic ngược lại sẽ làm động cơ quay theo hướngkhác, đây là làm động cơ chỉ quay hết công suất Nếu muốn thay đổi tốc độcủa nó, thì cần phải băm xung bằng các chân có hỗ trợ PWM trên Arduinonano (những chân có dấu ~)

o Nếu chân IN1 là chân OutA.1, chân IN2 là chân OutA.2

o Khi cấp cực dương vào IN1, cực âm vào IN2 => motor quay một chiều(chiều 1)

o Khi cấp cực âm vào IN1, cực dương vào IN2 => motor quay chiều còn lại(chiều 2)!