Biên soạn các bài học cho môn thực tập lập trình điều khiển ô tô đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TÓM TẮT Đồ án “Biên soạn học cho mơn thực tập lập trình đồ án” thực với mong muốn cung cấp kiến thức cách hoạt động hệ thống xử lý, cảm biến, thiết bị ô tô giúp cho bạn có khả lập trình mơ hệ thống đơn giản Ngoài hệ thống học, đồ án thực nghiên cứu, phát triển thêm thư viện, chương trình, mơ hình để hỗ trợ cho trình giảng dạy, học tập, tạo cảm hứng cho người học, giúp cho trình truyền tải kiến thức dễ dàng Bên cạnh đó, chương trình mẫu, mơ hình nhóm xây dựng hướng tới việc dễ dàng tái sử dụng phát triển cho dự án khác Sau trình thực hiện, kết đạt đồ án bao gồm: • Hệ thống học cho mơn Thực tập lập trình điều khiển tơ • Tạo sẵn thư viện, chương trình mẫu hỗ trợ học tập • Hai mơ hình Web Server để hỗ trợ hiển thị liệu phục vụ trình dạy học, thực hành sử dụng mơ hình bao gồm: o Mơ hình Web Socket sử dụng mạng cục internet o Mơ hình Web Server chạy mạch NodeMCU (ESP8266) iii MỤC LỤC Lời cảm ơn i Tóm tắt iii Mục lục iv Danh mục chữ viết tắt ký hiệu vi Danh mục hình viii Danh mục bảng .xii Chương TỔNG QUAN Đặt vấn đề Lý chọn đề tài Mục tiêu đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực Giới hạn đề tài Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT Giới thiệu vi điều khiển ATmega328 Bộ nhớ AVR Bộ nhớ chương trình Bộ nhớ liệu .8 Ngắt / ngắt Ngắt .9 Ngắt 10 Cổng vào/ra (I/O-Ports) 17 Giới thiệu .17 Cấu hình chân 18 Bộ định thời ATmega328P 20 Timer/Counter0 (T/C) - 8bit 20 Timer/Counter1 (T/C1) - 16 bit 21 Timer/Counter2 (T/C2): bit 23 Bộ biến đổi ADC (Analog to Digital Converter) 25 Chương BIÊN SOẠN BÀI HỌC VÀ CÁC THƯ VIỆN HỖ TRỢ 26 Tổng quan nội dung học 26 Lựa chọn môi trường, thiết bị học tập 27 iv Lựa chọn phần cứng 29 Lựa chọn phần mềm – Arduino IDE 32 Biên soạn học 35 Bài bắt đầu 35 Digital Output 36 Digital Input 39 Analog to Digital Converter (ADC) 42 Pulse Width Modulation (PWM) 44 Xung Input 45 Serial chuẩn giao tiếp .46 Encoder – Đọc tốc độ động GA25-370 47 PID – Điều khiển tốc độ, vị trí động GA25-370 52 Các file tài liệu hỗ trợ học tập: 53 Chương THIẾT KẾ WEBSERVER HIỂN THỊ DỮ LIỆU 54 Tổng quan web server lựa chọn phần cứng 54 Giới thiệu web server 55 Lựa chọn phần cứng 55 Mơ hình kết nối websocket 60 Socket server xây dựng giao diện web 61 Socket client - ESP8266 70 Chương trình mẫu Arduino 74 WebServer NodeMCU 74 Mơ hình kết nối 75 Web server – Nạp chương trình cho NodeMCU 75 Các giao diện web 77 Chương trình mẫu Arduino 80 Chương KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC SAU KHI THỰC HIỆN ĐỒ ÁN 81 Các kết sản phẩm thu sau thực đồ án 81 Đánh giá kết sản phẩm thu 81 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 83 Kết luận 83 Đề nghị 83 Danh mục tài liệu tham khảo 84 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ VKĐ Vi điều khiển Input (I) Đầu vào Output (O) Đầu Digital Tín hiệu số, tín hiệu rời rạc Analog Tín hiệu tương tự, tín hiệu liên tục ISR Interrupt Service Routine UART SPI Serial Peripheral Interface I2C Inter-Integrated Circuit 10 CAN Controller Area network 11 PWM Pulse Width Modulation 12 PPM Pulse Position Modulation 13 PID Proportional Integral Derivative 14 ADC Analog to Digital Converter 15 T/C Timer/Counter 16 VS Visual Studio 17 IDE Integrated Development Environment 18 RISC Reduced Instruction Set Computer 19 EEAR The EEPROM Address Register 20 EEDR The EEPROM Data Register 21 EECR The EEPROM Control Register 22 MCUCR MCU Control Register 23 EICRA External Interrupt Control Register A 24 EIMSK External Interrupt Mask Register 25 EIFR External Interrupt Flag Register 26 PCICR Pin Change Interrupt Control Register 27 PCIFR Pin Change Interrupt Flag Register STT Universal Asynchronous Receiver / Transmitter vi 28 PCMSK2 Pin Change Mask Register 29 PCMSK1 Pin Change Mask Register 30 PCMSK0 Pin Change Mask Register 31 DDRx The Port x Data Direction Register 32 PORTx The Port x Data Register 33 PINx The Port x Input Pins Address 34 TCNT0 Timer/Counter Register 35 TCCR0B Timer/Counter Control Register B 36 TIMSK0 Timer/Counter Interrupt Mask Register 37 TCNT1 Timer/Counter1 Register 38 TCCR1B Timer/Counter1 Control Register B 39 TIMSK1 Timer/Counter1 Interrupt Mask Register 40 T/C2 Timer/Counter2 41 T/C1 Timer/Counter1 42 T/C0 Timer/Counter0 43 TCNT2 Timer/Counter Register 44 TCCR2A Timer/Counter Control Register A 45 TCCR2B Timer/Counter Control Register B 46 TIMSK2 Timer/Counter2 Interrupt Mask Register 47 OCR2A Output Compare Register channel A 48 OCR2B Output Compare Register channel B 49 IOT Internet Of Things 50 LIN Local Interconnect Network vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Cấu trúc vi điều khiển AVR Hình 2.2 Sơ đồ chân ATmega328 (TQFP Top View and 32 MLF Top View) .6 Hình 2.3 Bộ nhớ chương trình ATmega328P Hình 2.4 Bản đồ nhớ liệu .8 Hình 2.5 Minh họa cách tổ chức ngắt thơng thường chip AVR Hình 2.6 Thời gian ngắt thay đổi mức logic 11 Hình 2.7 Thanh ghi EICRA (External Interrupt Control Register A) 11 Hình 2.8 Thanh ghi EIMSK (External Interrupt Mask Register) 12 Hình 2.9 Thanh ghi EIFR (External Interrupt Flag Register) 13 Hình 2.10 Thanh ghi PCICR (Pin Change Interrupt Control Register) .14 Hình 2.11 Thanh ghi PCIFR (Pin Change Interrupt Flag Register) 14 Hình 2.12 Thanh ghi PCMSK2 (Pin Change Mask Register 2) 15 Hình 2.13 Thanh ghi PCMSK1 (Pin Change Mask Register 1) 15 Hình 2.14 Thanh ghi PCMSK0 (Pin Change Mask Register 0) 17 Hình 2.15 Thanh ghi MCUCR (MCU Control Register) 18 Hình 2.16 Thanh ghi DDRx (The Port x Data Direction Register) .18 Hình 2.17 Thanh ghi PORTx (The Port x Data Register) .19 Hình 2.18 Thanh ghi PINx (The Port x Input Pins Address) 19 Hình 2.19 Thanh ghi TCNT0 (Timer/Counter Register) .20 Hình 2.20 Thanh ghi TCCR0B (Timer/Counter Control Register B) 20 Hình 2.21 Thanh ghi TIMSK0 (Timer/Counter Interrupt Mask Register) 21 Hình 2.22 Thanh ghi TCCR1B (T/C1 Control Register B) 21 Hình 2.23 Mô tả Clock Select Bit ghi TCCR1B 22 Hình 2.24 Thanh ghi TIMSK1 (Timer/Counter1 Interrupt Mask Register) 22 Hình 2.25 Thanh ghi TCCR2A TCCR2B 23 Hình 2.26 Thanh ghi TIMSK2 (Timer/Counter2 Interrupt Mask Register) 24 Hình 2.27 Thanh ghi OCR2A (Output Compare Register channel A) 24 Hình 2.28 Thanh ghi OCR2B (Output Compare Register channel B) 24 Hình 3.1 Arduino nano 30 Hình 3.2 Mạch Arduino nano tích hợp thiết bị 31 viii Hình 3.3 Visual Studio với Visual Micro 32 Hình 3.4 Arduino IDE 33 Hình 3.5 Serial Monitor 34 Hình 3.6 Serial Plotter 34 Hình 3.7 Tín hiệu digital 36 Hình 3.8 Thiết bị digital 36 Hình 3.9 Sơ đồ kết nối led .37 Hình 3.10 Led đoạn 37 Hình 3.11 Sơ đồ kết nối led đoạn (LED1) 38 Hình 3.12 Nút nhấn 39 Hình 3.13 Pullup Pulldown .40 Hình 3.14 Rung dội nút nhấn 40 Hình 3.15 Debounce tụ điện 41 Hình 3.16 Tín hiệu digital 41 Hình 3.17 Tín hiệu analog .42 Hình 3.18 Sơ đồ mơ tín hiệu analog input (0~5V) .43 Hình 3.19 Tín hiệu analog không ổn định 43 Hình 3.20 Cruise control main switch 44 Hình 3.21 Kỹ thuật PWM 44 Hình 3.22 Kết nối ngắt INT0 (Chân số 45 Hình 3.23 Mơ hình kết nối chuẩn giao tiếp SPI 46 Hình 3.24 Mơ hình kết nối nhiều slave giao tiếp SPI 46 Hình 3.25 Mơ hình chuẩn giao tiếp I2C 46 Hình 3.26 Mạng CAN 47 Hình 3.27 Encoder động có encoder 47 Hình 3.28 Encoder tuyệt đối tương đối 48 Hình 3.29 Thiết bị encoder 48 Hình 3.30 Công tắc xoay encoder 48 Hình 3.31 Động giảm tốc GA25-370 130RPM 49 Hình 3.32 Mạch L298N 49 Hình 3.33 Mạch Arduino nano tích hợp thiết bị 49 ix Hình 3.34 Sơ đồ kết nối Arduino nano, L298n, GA25-370 50 Hình 3.35 Đĩa xung khuyết 51 Hình 3.36 Sơ đồ khối điều khiển PID 52 Hình 3.37 Sơ đồ kết nối Arduino nano, L298n, GA25-370 53 Hình 4.1 Mạch WeMos D1 Arduino Ethernet Shield W5100 56 Hình 4.2 Mạch NodeMCU NodeMCU D1 Mini 56 Hình 4.3 Cài đặt Arduino IDE lập trình với esp8266 58 Hình 4.4 Cài đặt Arduino IDE lập trình với esp8266 58 Hình 4.5 Cài đặt thơng số board mạch để nạp chương trình 59 Hình 4.6 Mơ hình web socket 60 Hình 4.7 Kiểm tra phiên kết cài đặt nodeJS npm 61 Hình 4.8 Thư mục “01 socket_server_nodejs” .62 Hình 4.9 Cửa sổ lệnh Windows PowerShell để khởi chạy server 62 Hình 4.10 Khởi chạy server 63 Hình 4.11 http://localhost:3000/ 63 Hình 4.12 Xác định địa IP máy tính chạy server .64 Hình 4.13 Thay đổi địa IP 65 Hình 4.14 Hiển thị tín hiệu digital (WEB) 65 Hình 4.15 Biểu đồ cột đường (WEB) 66 Hình 4.16 Bảng liệu (WEB) .66 Hình 4.17 Giao diện web máy tính 67 Hình 4.18 Giao diện web điện thoại 67 Hình 4.19 Biểu đồ radar Biểu đồ Doughnut-Pie .68 Hình 4.20 Một số loại biểu đồ khác .69 Hình 4.21 Cổng kết nối HC05 .70 Hình 4.22 Kết nối UART .70 Hình 4.23 Kết nối NodeMCU D1 mini Arduino nano .71 Hình 4.24 Cài đặt chương trình socket client esp8266 72 Hình 4.25 Kiểm thử chương trình socket client NodeMCU D1 mini 73 Hình 4.26 Mơ hình web server sử dụng esp8266 75 Hình 4.27 Thư mục “01 Firmware_ NodeMCU” 76 x Hình 4.28 tab Config (NodeMCU flasher) 76 Hình 4.29 tab Advanced (NodeMCU flasher) .76 Hình 4.30 tab Operation (NodeMCU flasher) .77 Hình 4.31 Kiểm thử web Serial .78 Hình 4.32 Giao diện web data điện thoại máy tính 79 Hình 4.33 Kết chương trình mẫu Arduino (webserver NodeMCU) .80 xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các vector ngắt Reset ATmega328P 10 Bảng 2.2 Interrupt Sense Control .12 Bảng 2.3 Interrupt Sense Control .12 Bảng 2.4 Waveform Generation Mode Bit (Timer/Counter1) 22 Bảng 2.5 Mô tả Clock Select Bit ghi TCCR2B 23 Bảng 3.1 So sánh dòng vi điều khiển 28 Bảng 3.2 Bảng thông số Arduino nano 29 Bảng 3.3 Bảng kết nối Arduino, L298N GA25-370 50 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật NodeMCU D1 Mini 57 Bảng 4.2 Bảng đối chiếu chân NodeMCU ESP8266 57 xii hàm biến theo thời gian Như vậy, xe từ A tiến gần O, đạo hàm sai số e tăng giá trị ngược chiều lực F (vì e giảm nhanh dần) Nếu sử dụng đạo hàm làm thành phần “thắng” giảm overshot xe Thành phần “thắng” thành phần D (Derivative) điều khiển PID mà khảo sát Thêm thành phần D vào điều khiển P tại, thu điều khiển PD sau: 𝐹 = 𝐾𝑝 𝑒(𝑡 ) + 𝐾𝑑 Trong 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 vận tốc sai số e Kd số không âm gọi hệ số D (Derivative gain) Sự diện thành phần D làm giảm overshot xe, xe tiến gần O, lực F gồm thành phần Kp*e > =0 (P) Kd*(de/dt) 0 Đúng Sai Đúng count++; count Cài đặt ĐC quay ngược chiều kim đồng hồ Tính vị trí trục: pos = 360*count/495; Sai is_changed true? (Có ngắt tràn?) Sai Đúng is_changed = false; In giá trị: set_pos pos (vị trí trục) output Cài đặt ĐC quay chiều kim đồng hồ OUT Xuất xung PWM điều khiển với độ rộng xung |output| Is_changed = true; OUT Hình 8.14 Lưu đồ PID điều khiển vị trí động 86 87 Kết chương trình: Hình 8.15 Kết PID điều khiển vị trí động Đường màu xanh đồ thị giá trị set_pos (vị trí trục động mong muốn)(độ), giá trị đường màu đỏ pos (độ) (vị trí thực tế trục động cơ) Trục tung có đơn vị độ, trục hồnh trục thời gian chia làm 500 điểm, thời gian hai điểm liên tiếp 1ms Khi cài đặt vị trí trục mong muốn biến trở VR1, giải thuật PID tính tốn độ rộng xung PWM chiều để điều khiển động đưa trục tới vị trí đặt Có thể lựa chọn giá trị thơng số theo cách sau: • Chọn Kp trước: điều chỉnh Kp cho thời gian đáp ứng đủ nhanh, chấp nhận overshot nhỏ • Thêm thành phần D để loại overshot, tăng Kd từ từ, thử nghiệm chọn giá trị thích hợp Sai số tĩnh xuất hiện, vị trí trục ổn định bị lệch • Thêm thành phần I để giảm sai số tĩnh Nên tăng Ki từ bé đến lớn đồng thời không overshot xuất trở lại 88 ... kiến thức cách hoạt động hệ thống ô tô, hỗ trợ cho việc giảng dạy học tập môn thực tập lập trình điều khiển tơ, nhóm chúng em lựa chọn đề tài ? ?Biên soạn học cho môn Thực tập lập trình điều khiển. .. tài biên soạn hệ thống học phục vụ cho q trình giảng dạy, học tập thực hành mơn Thực tập lập trình điều khiển tơ, học cung cấp kiến thức cách hoạt động hệ thống xử lý, cảm biến, thiết bị ô tô giúp... Yêu cầu đặt trường, sở đào tạo ngành công nghệ kỹ thuật ô tô trang bị cho người học kiến thức cần thiết ô tô kịp thời cập nhật nội dung kiến thức hướng phát triển ô tô tương lai Từ vấn đề nêu với