Hiện nay, robot hút bụi thông minh đang dần trở thành xu thế mới, thay thế các loại máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ con người trong việc dọn dẹp nhà cửa. Tại Việt Nam, dòng sản phẩm này chỉ vừa mới có mặt trên thị trường và hứa hẹn sẽ trở thành một sản phẩm hot trong thời gian tới. Robot hút bụi tự động được xem là “người” giúp việc vô cùng thông minh và hiệu quả cho các gia đình, đặc biệt đối với những người nữ nội trợ phải đi làm suốt cả ngày, không có thời gian chăm sóc nhà cửa. Robot thiết kế thông minh, có thể tự động thực hiện công việc hút bụi, lau dọn nhà mà không cần có sự hướng dẫn của con người. Kích thước của robot hút bụi tự động nhỏ gọn, có thể đi đến tất cả các ngóc ngách như: gầm bàn, gầm giường, ghế sofa,góc tường… để làm sạch toàn diện. Hơn nữa, robot thông minh cũng có thể sử dụng được trên nhiều loài sàn nhà như: gỗ, thảm, sàn gạch, gạch ceramic…
VIỆN CNTT ITPLUS -o0o ĐỒ ÁN KẾT THÚC HỌC KỲ/CUỐI KHÓA NGÀNH LẬP TRÌNH Thiết kế ROBOT hút bụi STM32 Học Viên GV Hướng dẫn Hà Nội, 10/2022 1.1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Giới thiệu chương Trong chương này, nhóm em giới thiệu sơ robot hút bụi thơng minh, nội dung trình bày bao gồm: mơ hình, sơ đồ khối nguyên lý hoạt động robot 1.2 Tổng quan Robot hút bụi Hiện nay, robot hút bụi thông minh dần trở thành xu mới, thay loại máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ người việc dọn dẹp nhà cửa Tại Việt Nam, dịng sản phẩm vừa có mặt thị trường hứa hẹn trở thành sản phẩm hot thời gian tới Robot hút bụi tự động xem “người” giúp việc vô thông minh hiệu cho gia đình, đặc biệt người nữ nội trợ phải làm suốt ngày, khơng có thời gian chăm sóc nhà cửa Robot thiết kế thơng minh, tự động thực công việc hút bụi, lau dọn nhà mà khơng cần có hướng dẫn người Kích thước robot hút bụi tự động nhỏ gọn, đến tất ngóc ngách như: gầm bàn, gầm giường, ghế sofa,góc tường… để làm tồn diện Hơn nữa, robot thơng minh sử dụng nhiều loài sàn nhà như: gỗ, thảm, sàn gạch, gạch ceramic… Trên thị trường có loại robot làm sàn nhà sản phẩm Robot lau nhà Robot hút bụi, với loại Robot lau nhà hay robot hút bụi có ưu điểm nhược điểm riêng để tăng hiệu làm cách tối đa nhà sản xuất kết hợp hai loại Robot lau nhà hút bụi lại thành loại Robot vừa có khả lau nhà vừa có khả hút bụi Tuy nhiên xét phổ biến thì robot hút bụi đươc sử dụng nhiều có giá thành hợp lý giữ nhiều ưu điểm lớn làm nhiều bề mặt sàn khác nhau, làm nhiều loại bụi bẩn Dưới Hình 1.1 sản phẩm Robot hút bụi Ilife V4s, sản phẩm có thiết kế dạng khối trụ trơng Hình 1-1: Robot hút bụi Ilife A4s Mặc dù Robot hút bụi có nhiều ưu điểm vượt trội sử dụng rộng rãi phủ nhận điểm tích cực Robot hút bụi chiếm lòng tin nhiều người dùng Mặc dù không hoạt động tốt nhiều mặt hiệu làm Robot hút bụi có phần vượt trội so với Robot hút bụi, Robot hút bụi làm vết bẩn ướt, dính với bề mặt sàn Bên cạnh Robot hút bụi hoạt động không gây nhiều tiếng ồn Robot hút bụi, gây ảnh hưởng đến người sử dụng vào buổi đêm Hình 1.2 Robot hút bụi Irobot Braava 380t, robot có dạng hình vng, cải thiện diện tích tiếp xúc rẻ lau gắn đáy robot với mặt sàn giúp tăng hiệu làm Hình 1-2: Robot hút bụi iRobot Braava 380t Ngoài hai loại Robot kể nhà sản xuất tích hợp hai loại Robot vào sản phẩm vừa có khả hút bụi, vừa có khả hút bụi nhiên giá thành chúng cao, rào cản lớn với người dùng muốn sở hữu chúng Trong học phần đồ án em thiết kế Robot hút bụi đơn giản với chi phí thấp Sản phẩm gồm tính tăng sau: Lau sàn nhà khô ướt Robot di chuyển tự động theo hình ziczac giúp tăng tối đa khả làm Có khả tránh vật cản trực diện 1.3 1.3.1 Yêu cầu hệ thống Yêu cầu chức Robot có khả tự động di chuyển theo đường ziczac Robot tránh vật cản diện di chuyển 1.3.2 Yêu cầu phi chức Robot hoạt động ổn định nhiều điều kiện khác Dễ dàng tháo lắp, thay miếng rẻ lau Dễ dàng thao lắp thay modul xảy vấn đề hỏng hóc 1.4 Mơ hình Robot hút bụi Bánh Xe Bánh Xe STM 32 Modul L298 (Mạch cầu H) hút bụi, chổi quét Cảm Biến Siêu Âm SRF 05 Hình 1-3: Mơ hình Robot hút bụi Trên Hình 1.3 mơ hình Robot hút bụi, Robot gồm thành phần VĐK stm32là não điều khiển hoạt động hệ thống, phát vật cản phía trước nhờ cảm biến siêu âm SRF05, VĐK stm32 đưa tín hiệu PWM phù hợp điều khiển động giúp Robot tránh vật cản modul L298 mạch cầu H nhận tín hiệu điều khiển từ VĐK stm32 điều khiển tốc độ hai bánh xe chính, việc điều khiển tốc độ hai bánh xe đồng thời điều khiển hướng di chuyển Robot Cảm biến siêu âm SRF05 đo khoảng cách từ Robot tới vật cản phía trước nhờ điều khiển thay đổi hướng di chuyển xe tránh vật cản Cuối chổi quét gắn phía khung xe 1.5 Sơ đồ khối tổng quan hệ thống PIN MODUL L298 (Mạch Cầu H) STM 32 Cảm biến Siêu Âm SR05 Hình 1-4: Sơ đồ tổng quan hệ thống Hệ thống chia làm bốn khối trình bày Hình 1.4 Pin nguồn cung cấp lượng cho hệ thống, điện từ pin qua modul L298, từ modul L298 nguồn chia tới thành phần hệ thống Nguồn DC-5V ổn định nuôi MCU (kit stm32 ) cảm biến siêu âm SRF05, nguồn 6-9V ni hai motor, dịng điện tối đa mà modul L298 cung cấp cho cho motor tối đa lên đến 2A Trên Hình 1.4 đường lượng thể mũi tên màu da cam MCU (kit stm32) đóng vai trị xử lý trung tâm, đọc tín hiệu từ cảm biến siêu âm SRF05 tính tốn khoảng cách với vật cản phía trước đưa tín hiệu PWM điều khiển tốc độ hướng di chuyển Robot thông qua mạch cầu H cách hợp lý Các đường tín hiệu hệ thống thể mũi tên màu xanh, Modul mạch cầu H L298 nhận tín hiệu từ MCU nên thể mũi tên chiều Khi muốn đo khoảng cách MCU phát tín hiệu đến cảm biến SRF05 đọc tín hiệu từ cảm biến gửi qua tính tốn khoảng cách đến vật cản mũi tên hai chiều sử dụng để thể đường tín hiệu từ MCU đến cảm biến SRF05 1.6 Kết luận chương Trong chương 1nhóm em giới thiệu số loại Robot lau nhà , hút bụi thị trường, ưu nhược điểm loại Robot Tiếp theo em trình bày tổng quan thiết kế Robot hút bụi em thực học phần đồ án này, nguyên lý hoạt động hệ thống, sơ đồ tổng quan hệ thống Trong chương em trình bày chi tiết thiết kế phần cứng hệ thống, modul nhóm em sử dụng cách ghép nối modul với CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 2.1 Kit Phát Triển STM32F103C8T6 BluePill Kit Phát Triển STM32F103C8T6 BluePill KIT STM32F103C8T6 Mini thuộc loại kit phát triển là Kit phát triển được thiết kế với đơn giản, kít đầy đủ chân vi điều khiển, có cổng giao tiếp USB cổng nạp SWD, sử dụng dịng vi điều khiển 32 Bit dịng ST Thích hợp với người tiếp cận dịng STM 32 Bit Thơng số kỹ thuật: Vi điều khiển: STM32F103C8T6 Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho ứng dụng RTC Ra chân đầy đủ tất GPIO giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,… Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset Kích thước: 53.34 x 15.24mm Sử dụng với các mạch nạp: o ST-Link Mini o J-link USB TO COM Kết nối chân khi nạp bằng ST-Link Mini o 10 Nạp theo chuẩn SWD o TCK — SWCLK o TMS — SWDIO o GND — GND 3.3V — 3.3V Lưu ý : khi sử mạch nạp ST Link dùng nguồn 3.3v o 11 2.2 Mạch Giảm Áp DC LM2596 3A Mạch giảm áp DC LM2596 3A nhỏ gọn có khả giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà đạt hiệu suất cao (92%) Thích hợp cho ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho thiết bị camera, motor, robot,… Thông số kỹ thuật Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V Điện áp đầu ra: Điều chỉnh khoảng 1.5V đến 30V Dòng đáp ứng tối đa là 3A Hiệu suất: 92% Cơng suất: 15W Kích thước: 45 (dài) * 20 (rộng) * 14 (cao) mm 12 2.3 Mạch cầu H Mạch cầu H là mạch thông dụng đơn giản dùng điều khiển động DC Xét cách tổng quát, mạch cầu H mạch gồm "công tắc" mắc theo hình chữ H Hình 2.3 Thành phần tạo nên mạch cầu H “khóa” L1, L2, R1 R2 (L: Left, R:Right) Ở điều kiện bình thường khóa “mở”, mạch cầu H không hoạt động Việc khảo sát hoạt động mạch cầu H minh họa Hình 2.4 Hình 2-3: Mạch cầu H Khi khóa L1 R2 “đóng lại” (L2 R1 mở), ta dễ dàng thấy dịng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A xuyên qua đối tượng đến đầu B trước qua khóa R2 GND (như Hình 2.4 bên trái) Ngược lại khóa R1 L2 đóng L1 R2 mở, dịng điện lại xuất lần chạy qua R1, qua 13 đối tượng theo chiều từ B đến A cuối xuống GND qua L2 (như Hình 2.4 bên phải) Vậy rõ, dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện qua “đối tượng” (hay cụ thể đảo chiều quay động cơ) Hình 2-4: Nguyễn lý hoạt động mạch cầu H Do thành phần mạch cầu H “khóa”, việc chọn linh kiện để làm khóa phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển, công suất tiêu thụ đối tượng Nhìn chung, khóa mạch cầu H thường chế tạo rờ le (relay), BJT(Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) 14 Để thay đổi tốc độ động ta cần cần thay đổi điện áp đặt vào cực điều khiển mạch cầu H Hiệu điện cực điều khiển lớn động chạy nhanh Động chạy theo chiều thuận điện áp A nhỏ B ngược lại Trong phạm đồ án em sử dụng mạch cầu H IC L298 L298 IC tích hợp hai mạch cầu H, điều khiển tốc độ lúc động chạy theo hướng độc lập 2.4 Modul L298 Modul L298 mọt mạch tích hợp sử dụng IC L298 IC L298 tích hợp sẵn hai mạch cầu H, ứng dụng việc điều khiển lúc động theo chiều quay bất kì, kết hợp với điều xung PWM điều chỉnh tốc độ xoay động 15 Hình 2-5: Modul L298 Các thơng số kỹ thuật mạch cầu H gồm: Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V Dòng tối đa cho cầu H là: 2A (=>2A cho motor) Điện áp tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V Dịng tín hiệu điều khiển: ~ 36mA Cơng suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃ ) Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃ Các chân kết nối modul L298: +12V Power: Đây chân cấp nguồn trược tiếp cho modul toàn động 16 o Nguồn cấp cho modul giao động từ 9-12V Power GND: Chân mát modul toàn hệ thống +5V Power: Chân cấp nguồn cho vi điều khiển cảm biến 5V Enable: Chân Enable nguồn 5V Nếu hai jum nối (như hình) có nguồn 5V chân +5V Power, ngược lại khơng A Enable: Chân enable cổng output A Nếu chân tích cực 5V (Nối với nguồn 5V Hình 2.5) cổng output A enable Nếu muốn điều khiển tốc độ động sử dụng xung PWM xung PWM cập vào chân A Enable để điều khiển tốc độ động A B Enable: Chân enable cổng output B Nếu chân tích cực 5V (Nối với nguồn 5V Hình 2.5) cổng output B enable Nếu muốn điều khiển tốc độ động sử dụng xung PWM xung PWM cập vào chân B Enable để điều khiển tốc độ động B Input: Nhóm gồm chân INA, INB, INC, IND Đây chân dùng để nhận tín hiệu điều khiển động từ vi điều khiển o INA = , INB = 0: Động A quay theo chiều thuận o INA = , INB = 1: Động A quay theo chiều nghịch o INA = , INB = 0: Dừng động A o INC = , IND = 0: Động B quay theo chiều thuận o INC = , IND = 1: Động B quay theo chiều nghịch o INC = , IND = 0: Dừng động B Nếu chân input thiết lập động quay với tốc độ tối đa Tương tự chân A Enable B Enable ta điều khiển tốc độ động cách cấp xung PWM vào chân này, giả sử ta cấp xung PWM có duty cycle = 50% vào chân INA giữ chân INB mức động A quay với tốc độ 50% Tương tự với chân lại 17 2.5 Cảm biến siêu âm SRF05 Như tên gọi cảm biến SRF05 sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách tới vật cản phía trước sử dụng sống siêu âm Sóng siêu âm loại sóng cao tầng mà người nghe thấy Tuy nhiên, ta sử dụng chúng để đo vật không gian (cũng cách thức phát mồi săn mồi cá heo mà người biết) Hình 2-6: Cảm biến siêu âm SRF05 Trên Hình 2.6 cảm biến siêu âm SRF05, cảm biến gồm phận phát sóng siêu âm (Trig) phía bên trái thu sóng phản xạ phía bên phải Cảm biến SRF05 cho khoảng cách đo tối đa lên tới 3-4m giao tiếp với vi điều khiển qua chân: Vcc: Ta cần cấp nguồn 5V vào chân để cảm biến hoạt động 18 Trig: Khi muốn cảm biến phát sóng siêu âm ta cấp tín hiệu vào chân Echo: Chân phát sóng phản xạ OUT: Khơng sử dụng GND: Nối mát Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm SRF05 Nguyên lý để đo khoảng cách đến vật dùng nguồn phát sóng siêu âm (TRIG) thu sóng siêu âm (ECHO), TRIG phát sóng đến nơi có vật cản đập vào vật tạo luồng sóng trở , ECHO nhận Sau dựa vào thời gian phát thu mà tính khoảng cách đến vật Vì cảm biến siêu âm SRF05 gồm nguồn phát (TRIG), thu (ECHO) chân tín hiệu để giao tiếp với vi điều khiển Khi muốn bắt đầu đo khoảng cách ta cấp xung dương có thời gian tối thiểu 10µs vào chân Trig Khi có xung 10µs chân Trig cảm biến bắt đầu phát xung sóng siêu âm qua phát Sau xung sóng siêu âm phát chân Echo tự động kéo lên mức cao, sóng siêu âm gặp vật cản phàn xạ trở lại, thu 19 cảm biến nhận sóng phản xạ kéo chân Echo xuống mức thấp Việc xác định khoảng khời gian chân Echo mức cao giúp vi điều khiển tính tốn khoảng cách đến vật cản Nếu khoảng thời gian chân Echo mức cao khoảng từ 100µs tới 20ms ta tính khoảng cách từ cảm biến tới vật cản dựa vào tốc độ truyền sóng siêu âm khơng khí nhiệt độ 21°C 343,2m/s Nếu khoảng thời gian chân Echo mức cao lớn 30ms tức khoảng cách 4m từ cảm biến khơng có vật cản 2.6 Động DC motor Do đặc điểm Robot hút bụi di chuyển với tốc độ chậm để tăng hiệu hút bụi nên đồ án em lựa chọn sử dụng động DC giảm tốc Động hoạt động với dải điện áp rộng từ 3-9V nhiên hoạt động ổn định với công suất tốt khoảng từ 6-9V Tốc độ tối đa điện áp 3V khơng có tải 125 vịng/phút Nếu sử dụng bánh đường kính 66mm động di chuyển quãng đường 26m/phút Hình 2-8: Động giản tốc 20