Tiểu Luận xe tránh vật cản

tiểu luận vi xử lý đo lường điều khiển tự động sử dụng xe tránh vật cản arduino đầy đủ chi tiết từ az cho các bạn sinh viên đang học môn vi xử lý đo lường điều khiển tự động có code vs mô phỏng đầy đủ cho các bạn cần.

LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn đến giảng viên Nguyễn Đức Nhật Quang trình học tập hỗ trợ giảng dạy cho hiểu biết cách hoạt động nguyên lý chip vi xử lý, vi điều khiển nhiều loại cách hoạt động chip Trong q trình học 30 tiết tơi hiểu nguyên lý hoạt động giao tiếp uart, giao tiếp ngoại vi mà lâu chưa đề cập đến Rất chân thành cảm ơn giảng viên Nguyễn Đức Nhật Quang hỗ trợ giảng dạy online cho MỤC LỤC Trang TÀI LIỆU THAM KHẢO 22 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Trang DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang LỜI MỞ ĐẦU Trong q trình học tập tìm hiểu mơn học vi xử lý vi điều khiển đo lường tự động tơi hiểu vi xử lý vi điều khiển cách hoạt động chip Nhưng sau học xong hoàn thành khóa học tơi có ý tưởng viết xe tránh vật cản sử dụng vi điều khiển để giao tiếp cảm biến để điều khiển đo lường Trong q trình học lý thuyết lẫn mơ tơi tự thiết kế xe tránh vật cản suy nghĩ ý muốn hoạt động ổn định Mặc dù dành thời gian thích đáng khơng tránh khỏi số lỗi vấn đề cịn sót lại tiểu luận Rất mong giám thị chấm hướng dẫn lỗi sai góp ý mail 19T1051027@husc.edu.vn để khắc phục sửa lỗi sau CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG MƠ HÌNH TRÁNH VẬT CẢN GIỚI THIỆU Ý TƯỞNG MƠ HÌNH - Mơ hình xe tránh vật cản sản phẩm mang nhu cầu người sử dụng để giải trí - sau học, làm việc để giảm stress Mơ hình cải tiến nhiều trở thành thiết bị hút bụi để ứng dụng cho người - dùng Mơ hình ghép nối giao tiếp với cảm biến siêu âm HC – SR04 để nhận dạng vật thể khoảng cách giao tiếp với động DC để di chuyển theo hướng thông qua mạch điều khiển LM298N, để điều hướng theo xe di chuyển - cịn phụ thuộc vào lập trình viết code để nạp cho vi điều khiển Khi xe hướng tới gặp vật cản khoảng cách lập trình nhận biết 30cm xe dừng lại động servo quay với góc 180 để nhận diện xem xung quanh 180 độ có bị vật cản khơng bên trái phía trước vật cản cảm biến siêu âm phát tín hiệu vi điều khiển vi điều khiển truyền tín hiệu 0101 cho LM298N để điều hướng bên phải thoát khỏi vật cản, tương tự góc bên - hoạt động Trong tương lai cải tiến thêm cảm biến hồng ngoại để dò line lắp đặt nhiều cảm biến làm cho xe hoạt động với tỉ lệ xác lên đến khoảng - 99% Xe tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm việc tiếp nhận tín hiệu khoảng với mức ngưỡng trung bình xác tầm 84%, phụ thuộc nhiều yếu tố khác bên ngồi Hình 1: Minh Họa Hình Hài Chiếc Xe Tránh Vật Cản CHƯƠNG II: NHỮNG LINH KIỆN CẦN THIẾT & PHÂN TÍCH LINH KIỆN VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO NANO 328P Hình 2: Mơ Hình Ngồi Của Arduino Nano - Arduino Nano bảng vi điều khiển thân thiện, nhỏ gọn, đầy đủ Arduino - Nano nặng khoảng 7g với kích thước từ 1,8cm - 4,5cm Nano tích hợp vi điều khiển ATmega328P, giống Arduino UNO Sự khác biệt chúng bảng UNO có dạng PDIP (Plastic Dual-In-line Package) với 30 chân cịn Nano có sẵn PQFP (plastic quad flat pack) với 32 - chân Ngoài chức đầu vào đầu số, chân có số chức bổ sung [1] o Chân 1, 2: Chân nối tiếp  Hai chân nhận RX truyền TX sử dụng để truyền liệu nối tiếp TTL Các chân RX TX kết nối với chân tương ứng chip nối tiếp USB tới TTL o Chân 6, 8, 9, 12, 13 14: Chân PWM  Mỗi chân số cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung bit Tín hiệu PWM tạo cách sử dụng hàm analogWrite () o Chân 5, 6: Ngắt  Khi cần cung cấp ngắt cho xử lý điều khiển khác, sử dụng chân Các chân sử dụng phép ngắt INT0 INT1 tương ứng cách sử dụng hàm attachInterrupt () o Chân 13, 14, 15 16: Giao tiếp SPI  Khi bạn không muốn liệu truyền khơng đồng bộ, bạn sử dụng chân ngoại vi nối tiếp Các chân hỗ trợ giao tiếp đồng với SCK o Chân 16: Led  Khi sử dụng chân 16, đèn led bo mạch sáng o Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 26 : Ngõ vào/ra tương tự  Như đề cập trước UNO có chân đầu vào tương tự Arduino Nano có đầu vào tương tự (19 đến 26), đánh dấu A0 đến A7 Điều có nghĩa bạn kết nối kênh đầu vào tương tự để xử lý Mỗi chân tương tự có ADC có độ phân giải 1024 bit (do cho giá trị 1024) o Chân 23, 24 A4 A5: chuẩn giao tiếp I2C  Khi giao tiếp SPI có nhược điểm cần chân giới hạn thiết bị Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C I2C hỗ trợ với hai dây Một cho xung (SCL) cho liệu (SDA) o Chân 18: AREF  Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC o Chân 28 : RESET  Đây chân reset mạch nhấn nút bo Thường sử dụng để kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset - ICSP viết tắt In Circuit Serial Programming , đại diện cho phương pháp có sẵn để lập trình bảng Arduino Thơng thường, chương trình nạp khởi động Arduino sử dụng để lập trình bảng Arduino, nạp khởi động bị thiếu bị hỏng, ICSP sử dụng thay ICSP sử dụng để khôi phục nạp khởi động bị thiếu bị hỏng - Mỗi chân ICSP thường kết nối với chân Arduino khác có tên chức Ví dụ: MISO Nano nối với MISO / D12 (Pin 15) - Lưu ý chân MISO, MOSI SCK ghép lại với tạo nên giao diện ISP Bảng 1: Arduino Nạp Bằng Mạch Nạp ICSP Thay Thế Chip CH340 Arduino ISP ATMega328p nano VCC/5V VCC GND GND MOSI/ D11 D11 MISO/ D12 D12 SCK/ D13 D13 D10 RESET CẢM BIẾN SIÊU ÂM SR – 04 Hình 3: Sensor HC-SR04 - Điện áp hoạt động 5V dòng tối đa 15mA, tần số hoạt động 40kHZ, khoảng cách đo tầm 4m phạm vi tối thiểu 2cm, độ xác lên đến 3mm, đo với góc độ 15° tín hiệu đầu vào để kích hoạt 10 µ S xung TTL, có kích thước nhỏ gọn 45 x 20 x 15mm [2] - Chân VCC (chân số 1) nơi nguồn cung cấp cho cảm biến siêu khoảng cách siêu âm HC-SR04 mà kết nối chân 5V Arduino - Chân Trig (chân số 2) chân sử dụng để kích hoạt xung âm siêu âm - Chân Echo (chân số 3) chân tạo xung nhận tín hiệu phản xạ, độ dài xung tỉ lệ với thời gian tín hiệu truyền phát - Chân GND (chân số 4) chân kết nối với GND Arduino Hình 4: Mơ Phỏng Hoạt Động Của Cảm Biến - Tất bắt đầu, xung có thời lượng 10 µS (10 micro giây) áp - dụng cho chân kích hoạt Để đáp ứng điều đó, cảm biến truyền loạt âm gồm tám xung 40 KHz 10 - Tám xung siêu âm di chuyển khơng khí khỏi máy phát Trong chân Echo cao để bắt đầu hình thành điểm bắt đầu tín hiệu dội ngược trở - lại Nếu xung khơng phản xạ trở lại tín hiệu Echo hết thời gian - chờ sau 38 ms (38 mili giây) trở lại mức thấp Do đó, xung 38 ms cho thấy khơng có vật cản phạm vi cảm biến Nếu xung bị phản xạ trở lại, chân Echo xuống thấp nhận tín hiệu Điều tạo xung có độ rộng thay đổi từ 150 µS đến 25 ms, tùy thuộc vào thời gian nhận tín hiệu Cơng thức tính sau : Khoảng Cách = Tốc Độ * Thời Gian ĐỘNG CƠ SERVO Hình 5: Động Cơ Servo - Chân GND (chân số dây nâu) chân nối đất cho động Arduino Chân 5V (chân số dây đỏ) điện áp dương cấp nguồn cho Servo Chân Control (chân số dây cam) nơi cấp xung vào cho hệ thống điều khiển Servo thuật ngữ chung cho hệ thống điều khiển vịng kín Động servo RC hoạt động nguyên tắc Nó chứa động DC nhỏ kết nối với trục đầu thông qua bánh 11 - Có thể điều khiển động servo cách gửi loạt xung tới đường tín hiệu Một động servo tương tự thông thường dự kiến nhận xung khoảng 20 mili giây lần (tức tín hiệu phải 50Hz) Hình 6: Chương trình xung hoạt động servo - - Độ dài xung xác định vị trí động servo sau: o Nếu xung cao 1ms, góc servo vị trí độ o Nếu xung cao 1,5ms, servo vị trí trung tâm o Nếu xung cao 2ms, servo 180 độ Nếu xung dao động từ 1ms đến 2ms di chuyển trục servo qua toàn hành trình 180 độ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298N 12 Hình 7: Module điều khiển L298N - Chân VCC (chân số 1) chân cấp nguồn cho động cơ, hoạt động điện áp - khoảng từ 5V đến 35V Chân GND (chân số 2) chân nối đất chung với Arduino Chân 5V (chân số 3) chân đóng vai trị đầu sử dụng - để cấp nguồn cho Arduino Chân ENA (chân số 4) chân sử dụng để điều khiển tốc độ động A, - chân mức Cao động A quay cịn mức Thấp động dừng lại Chân IN1 & IN2 (chân số 5) chân sử dụng để điều khiển hướng quay động A, chân có mức Cao Thấp khác động - Quay cịn đầu vào mà Cao Thấp động dừng Chân IN3 & IN4 (chân số 6) chân để điều khiển động B, tương - tự chân số Chân ENB (chân số 7) chân sử dụng điều khiển tốc độ động B, hoạt - động tương tự chân ENA Chân OUT1 & OUT2 (chân số 8) chân đầu điều khiển động A Chân OUT3 & OUT4 (chân số 9) chân đầu điều khiển động B Các chiều quay động điều khiển cách áp dụng mức Logic Cao (5V) Thấp (0V) cho đầu vào, bảng trạng thái có sau: [3] 13 Bảng 2: Bảng trạng thái hoạt động Động Cơ A 1 Động Cơ B 0 1 Hướng Quay Tắt Phía Trước Phía Sau Tắt NGUỒN PIN 18650 CUNG CẤP CHO XE HOẠT ĐỘNG - Dung lượng loại pin dao động từ 1800 – 3500mAh, công suất 3.7volt Pin sử dụng dòng mạnh phù hợp cấp nguồn cho xe Khi pin hết sạc lại sử dụng lại, giúp phần bảo vệ mơi trường Hình 8: Pin 18650 hãng Samsung CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG VÀ MÃ CHƯƠNG TRÌNH MƠ PHỎNG NHỮNG LINH KIỆN NỐI LẠI VỚI NHAU 14 Hình 9: Mơ Phỏng Trên Phần Mềm Proteus - Những linh kiện mô phần mềm proteus, phần mềm - thông dụng dành cho bạn sinh viên sử dụng Những linh kiện cần phải tải thư viện Google, khơng có sẵn - phần mềm Cấu tạo xe gồm thành phần nêu trên: o Mạch Arduino Nano o Module L298N o Motor DC o Cảm biến HC-SR04 o Động Servo o Nguồn pin 18650, viên MÃ CHƯƠNG TRÌNH CỦA THIẾT BỊ #include #include // DC trái #define ENA A5 #define IN1 A4 #define IN2 A3 // DC phải #define IN3 A2 #define IN4 A1 #define ENB A0 //HC-SR04 #define trig #define echo 15 #define max_khoang_cach 300 // servo Servo myServo; boolean di_thang = false; int khoang_cach = 300; NewPing sonar(trig, echo, max_khoang_cach); boolean startA = false; int batdau; int disangphai; int disangtrai; int quayphai(){ myServo.write(20);delay(500); int khoang_cach = readPing(); delay(100); myServo.write(100); return khoang_cach; } int quaytrai(){ myServo.write(180);delay(500); int khoang_cach = readPing(); delay(100); myServo.write(100); return khoang_cach; delay(100); } int readPing(){ delay(70); int cm = sonar.ping_cm(); if (cm==0){ cm=300; } return cm; } void setup() { myServo.attach(9); myServo.write(100);delay(500); khoang_cach = readPing();delay(100); khoang_cach = readPing();delay(100); khoang_cach = readPing();delay(100); khoang_cach = readPing();delay(100); pinMode(ENA, OUTPUT);pinMode(ENB, OUTPUT); pinMode(IN1, OUTPUT);pinMode(IN2, OUTPUT); pinMode(IN3, OUTPUT);pinMode(IN4, OUTPUT); delay(10); } void tien(){// di thẳng if(!di_thang){ di_thang = true; analogWrite(IN1, 128);analogWrite(IN2, 0); analogWrite(IN3, 128);analogWrite(IN4, 0); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); } } 16 void lui(){// lùi lại di_thang = false; analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); } void sangphai(){ // sang phải analogWrite(IN1, 128);analogWrite(IN2, 0); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); } void sangtrai(){// sang trái analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 128);analogWrite(IN4, 0); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); } void luiphai(){ // lùi phải analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); } void luitrai(){ // lùi trái analogWrite(IN1, 0);analogWrite(IN2, 128); analogWrite(IN3, 0);analogWrite(IN4, 128); analogWrite(ENA, 128);analogWrite(ENB, 128); } void dunglai(){ // dừng lại digitalWrite(IN1, LOW);digitalWrite(IN2, LOW); digitalWrite(IN3, LOW);digitalWrite(IN4, LOW); analogWrite(ENA, 0);analogWrite(ENB, 0); } void loop() { if (!startA){ startA = true; batdau = random(1,2); goirandombatdau(batdau);delay(50); } int khoangcachphai = 0; int khoangcachtrai = 0; delay(50); if (khoang_cach = khoangcachtrai){ disangphai = random(1,2); goirandomphai(disangphai); dunglai(); }else{ disangtrai = random(1,2); goirandomtrai(disangtrai); 17 dunglai(); } }else{ tien(); } khoang_cach = readPing(); } void goirandomtrai(int disangtrai){ if (disangtrai == 1){ luitrai();delay(random(300,600)); sangtrai();delay(random(300,600)); } if (disangtrai == 2){ sangtrai();delay(random(300,600)); luitrai();delay(random(300,600)); } } void goirandomphai(int disangphai){ if (disangphai == 1){ luiphai();delay(random(300,600)); sangphai();delay(random(300,600)); } if (disangtrai == 2){ sangphai();delay(random(300,600)); luiphai();delay(random(300,600)); } } void goirandombatdau(int batdau){ if (batdau == 1){ sangphai();delay(500); sangtrai();delay(500); tien(); } if (batdau == 2){ luitrai();delay(500); luiphai();delay(500); tien(); } } 18 Hình 10: Địa file HEX để mô phần mềm - Đầu tiên khai báo thư viện Servo thư viện NewPing, động servo hoạt động với tần số xung ổn định thư viện NewPing dành cho cảm biến siêu - âm Khai báo chân linh kiện cần nối với vi điều khiển lệnh #define Khai báo hàm cần thiết, biến Boolean, int để gán tên giá trị cần sử - dụng Khai báo hàm int quaytrai quayphai cho động servo quay để tìm khoảng - cách vật cản Hàm SETUP dùng để khai báo chân INPUT OUTPUT linh kiện hoạt - động Hàm chương trình Tiến, Lùi, Sang Phải, Sang Trái, Lùi Trái, Lùi Phải, Dừng, có nghĩa hàm cài đặt sẵn để đưa vào chương trình để khai - báo theo hướng Hàm LOOP chương trình để điều khiển, có hàm if else tốn tử - tính tốn điều hướng cho xử lý Nguyên tắc hoạt động xe gặp vật cản vị trí xe cách vật cản mà 30cm động servo quay trái phải để tìm hướng tốt để tìm đường mà không bị cản thay nâng cấp lên làm robot lau nhà tự động gắn thêm nhiều cảm biến cảm biến hồng ngoại, cịn xử lý tốt 19 sử dụng camera để tránh vật cản, muốn điều chỉnh vật cản khoảng cách - sửa lại chương trình code Do thời gian có hạn ngắn với tình hình dịch bệnh nên chưa nâng cấp xe lên nhiều cảm biến hơn, có thời gian em làm xe nhiều cảm biến hồng ngoại để có độ xác tuyệt đối CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG VÀ KẾT LUẬN ỨNG DỤNG VỀ THIẾT BỊ XE TRÁNH VẬT CẢN - Khi thiết bị nâng cấp lên có nhiều tính điều khiển - sóng WIFI sóng RF Hiện thiết bị hoạt động theo chương trình viết nạp để vi xử lý - hoạt động Với thiết bị tên đề tài xe hoạt động chi tiện lợi hoạt động chi nhiều lĩnh vực ứng dụng đời sống làm robot lau nhà tự động, làm xe giải trí sau buổi làm việc căng thẳng đặc biệt thời gian dịch bệnh vừa qua nhà nhiều dẫn đến chán nản sau buổi học online, cần có xe nhìn hoạt động giải trí hiệu thích thú 20 Hình 11: Xe Hồn Thành Và Ứng Dụng Có Hiệu Nghiệm KẾT LUẬN BÀI LÀM VỀ XE TRÁNH VẬT CẢN - Lên ý tưởng làm tìm hiểu hoạt động linh kiện cần thiết đưa vào - hoạt động Đọc tài liệu tham khảo để hiểu biết datasheet linh kiện Viết chương trình phần mềm Arduino Ứng dụng thử nghiệm hoạt động ổn định ý tưởng suy nghĩ Link đường dẫn video: TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Arduino, Cộng đồng mạng Arduino Việt Nam, http://arduino.vn/bai-viet/42-arduinouno-r3-la-gi: Điện Tử, 2014 [2] Lidinco, Danh sách cảm biến cần dùng, Hà Nội: Điện Tử, 2009 [3] Components, L298N Motor Driver Module, 21 https://components101.com/modules/l293n-motor-driver-module, 2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC KHOA ĐIỆN, ĐIỆN TỬ VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU ĐÁNH GIÁ TIỂU LUẬN HỌC KỲ: I NĂM HỌC: 2021 - 2022 Cán chấm thi Cán chấm thi 22 Nhận xét: Nhận xét: Điểm đánh giá CBChT1: Điểm đánh giá CBChT2: Bằng số: Bằng số: Bằng chữ: Bằng chữ: Điểm kết luận: Bằng số .Bằng chữ: CBChT1 Thừa Thiên Huế, ngày …… tháng …… năm 2022 CBChT2 (Ký ghi rõ họ tên) (Ký ghi rõ họ tên) 23 ... khiển Khi xe hướng tới gặp vật cản khoảng cách lập trình nhận biết 30cm xe dừng lại động servo quay với góc 180 để nhận diện xem xung quanh 180 độ có bị vật cản khơng bên trái phía trước vật cản cảm... học tơi có ý tưởng viết xe tránh vật cản sử dụng vi điều khiển để giao tiếp cảm biến để điều khiển đo lường Trong trình học lý thuyết lẫn mơ tơi tự thiết kế xe tránh vật cản suy nghĩ ý muốn hoạt... điều hướng cho xử lý Nguyên tắc hoạt động xe gặp vật cản vị trí xe cách vật cản mà 30cm động servo quay trái phải để tìm hướng tốt để tìm đường mà khơng bị cản thay nâng cấp lên làm robot lau nhà