TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, sự xuất hiện ngày càng nhiều của các tòa nhà cao tầng đi kèm với những tấm kính lớn ở độ cao đáng kể đã dẫn đến sự ra đời của nghề công nhân lau kính, một công việc vô cùng nguy hiểm Để thực hiện công việc này, công nhân cần có sự tập trung cao độ và khả năng vượt qua nỗi sợ độ cao Tuy nhiên, chỉ cần một sơ suất nhỏ hay sự thay đổi thời tiết bất ngờ có thể dẫn đến những tai nạn nghiêm trọng Để giảm thiểu rủi ro và tối ưu hóa quy trình làm việc, con người đã bắt đầu phát triển robot Kết quả là, hàng loạt robot tự động ra đời, có khả năng di chuyển và lau chùi trên bề mặt kính lớn, mang lại giải pháp an toàn hơn cho công việc lau kính.
Robot lau kính tự động ngày càng phổ biến, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng, kể cả những người khó tính Với khả năng di chuyển tự động chỉ bằng một nút bấm và chế độ di chuyển thông minh, sản phẩm này giúp tiết kiệm thời gian, đặc biệt cho những ngôi nhà có tấm kính lớn Dự án của nhóm tập trung vào mô hình robot lau kính, sử dụng động cơ phản lực chính (ducted fan) để tạo lực hút nhờ chênh lệch áp suất, giúp robot bám chắc trên bề mặt thẳng đứng Ngoài ra, các động cơ nhỏ giữ cho bánh xe không bị lăn khi đứng yên, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Bo mạch chính điều khiển mô hình là Arduino Mega, với các động cơ nhỏ được điều khiển qua mạch cầu H L298N Động cơ chính (ducted fan) sử dụng mạch điều tốc ESC để điều khiển Mô hình được điều khiển bởi một mạch sử dụng Arduino Nano, kết nối qua giao tiếp Bluetooth Robot được điều khiển bằng module Joystick và nút nhấn trên hệ thống điều khiển.
MỤC TIÊU
Thiết kế hệ thống robot lau kính có thể hút và di chuyển trên bề mặt của kính dựng thẳng đứng
Hệ thống robot lau kính sẽ tự động ngừng di chuyển khi phát hiện gờ kính hoặc hố Thông tin về trạng thái bật/tắt của robot, thời gian hoạt động, khoảng cách với gờ kính và giá trị góc nghiêng của robot được hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu các sản phẩm thực tế và các đồ án, luận văn của những người đi trước có liên quan đến đề tài là một bước quan trọng trong quá trình phát triển kiến thức và hiểu biết sâu sắc về lĩnh vực nghiên cứu.
Ducted fan là loại quạt phản lực được sử dụng phổ biến trong các mô hình máy bay, giúp tăng cường hiệu suất bay Bộ điều khiển tốc độ ESC là thành phần quan trọng đi kèm với động cơ phản lực, cho phép điều chỉnh tốc độ quay của quạt một cách linh hoạt Việc hiểu rõ về ducted fan và ESC sẽ giúp người dùng tối ưu hóa hiệu suất và khả năng điều khiển của mô hình máy bay.
Nội dung 3: Tìm hiểu về mạch điều khiển, mạch cầu H, module Bluetooth, các module cảm biến: cảm biến khoảng cách, cảm biến gia tốc hướng
Nội dung 4: Thiết kế, thi công mô hình hệ thống
Nội dung 5: Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống
Nội dung 6: Viết báo cáo luận văn.
GIỚI HẠN
Đề tài này có một số giới hạn sau:
Mô hình hệ thống có kích thước vừa (25cm × 20cm × 15cm)
Sử dụng các cảm biến khoảng cách, cảm biến gia tốc hướng để phát hiện vật cản và hướng khi di chuyển
Hệ thống có thể hoạt động được trên mặt phẳng nghiêng 45 độ.
BỐ CỤC
Trình bày về vấn đề chung dẫn đến lý do chọn đề tài, đi kèm với nội dung nghiên cứu, mục tiêu cũng như giới hạn của đề tài
Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết
Khái quát về cơ sở lý thuyết về các linh kiện, chuẩn giao tiếp
Chương 3: Thiết kế và tính toán
Dựa trên các lý thuyết đã trình bày trong phần cơ sở lý thuyết, chúng tôi đề xuất phương án thiết kế và tiến hành tính toán các thông số cần thiết để đánh giá và lựa chọn linh kiện phù hợp với thiết kế.
Chương 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá
Chương này trình bày các kết quả thu được sau khi thi công Từ đó nhận xét, đánh giá lại sản phẩm giữa thực tế và lý thuyết
Chương 5: Kết Luận và Hướng Phát Triển
Tổng kết các ưu điểm và nhược điểm của đề tài, đưa ra hướng phát triển phù hợp cho thiết kế.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
2.1.1.1 Động cơ chổi than Động cơ chổi than là động cơ được cấu tạo bởi Trục roto, chổi than chì, nam châm, cuộn dây Động cơ này thường được sử dụng trong máy khoan tay cầm, đồ chơi, tay quay … Hiện nay động cơ này rất được phổ biến bởi mức giá rẻ và dễ sử dụng Động cơ hoạt động với nguyên lý phần chổi than trên động cơ được lò xo lá (cuộn) tiếp xúc liên tục trên bề mặt cổ góp hoặc vành trượt tiếp điện để cung cấp điện cho cuộn dây
2.1.1.2 Động cơ không chổi than Động cơ không chổi than là loại động cơ hoạt động dựa vào từ tường vĩnh cửu có cấu tạo gồm trục roto, nam châm vĩnh cửu, cuộn dây và bi bạc Ngoài ra, động cơ còn có cảm biến xác định vị trí, không sử dụng chổi than nên triệt tiêu được ma sát và giúp giảm được tiếng ồn, tiết kiệm năng lượng Nguyên lý hoạt động của động cơ này là dựa vào vị trí của động cơ nam châm vĩnh cửu để cấp dòng cho cuộn dây tương ứng
Nhóm đã chọn động cơ không chổi than làm động cơ chính để ép mô hình vào mặt phẳng đứng nhờ vào hiệu suất cao hơn 10%, vận hành nhẹ do giảm ma sát, và độ bền bỉ phù hợp với nhu cầu sử dụng liên tục.
Hiện nay, có nhiều loại động cơ không chổi than như Motor brushless XXD A2212, brushless Shinano và Motor brushless 1306 Đặc biệt, động cơ QX-MOTOR Ducted Fan 64mm với 12 cánh quạt được chọn lựa nhờ ưu điểm tích hợp sẵn quạt, giúp tạo lực hút hiệu quả.
Ducted fan bao gồm 1 động cơ không chổi than (Brushless DC) được gắn vào
Vỏ nhựa có hình dạng giống động cơ phản lực máy bay chứa động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không chổi than, yêu cầu dòng tiêu thụ lớn hơn 10A Ducted fan thường được sử dụng cho mô hình máy bay nhờ vào sức mạnh của động cơ và khả năng đẩy lượng lớn không khí với tốc độ cao.
- Quạt gió: 64mm 12 cánh quạt
- Điện áp đầu vào (giới hạn): 7,4 – 22,2 V
- Dòng liên tục tối đa/10 giây: 100A
Hình 2.1 Ducted fan và ký hiệu
Động cơ không chổi than yêu cầu một bộ điều tốc ESC để điều chỉnh dòng điện cung cấp và nhận tín hiệu điều khiển, cho phép thay đổi độ rộng xung PWM nhằm kiểm soát hiệu quả hoạt động của động cơ.
Các hãng ESC trên thị trường hiện nay: ESC XF-MODEL, Hobbywing Platinum, HTIRC Hornet,…
Nhóm đã lựa chọn ESC Hobbywing SkyWalker – 80A dựa trên thông số yêu cầu từ datasheet của động cơ ducted fan, vì nó có thông số phù hợp và dễ dàng lập trình cho các yêu cầu hoạt động của động cơ, bao gồm chế độ bảo vệ điện áp thấp, ngưỡng bảo vệ ngắt điện áp thấp và chế độ khởi động.
- Chu kỳ xung PWM: 16 – 25 ms
- Điện áp đầu vào (giới hạn) 7,4 – 22,2 V
- điều khiển động cơ có tốc độ tối đa: 210.000 vòng/phút
Hình 2.2 Mạch điểu tốc ESC và ký hiệu
2.1.2.1 Động cơ DC giảm tốc [3] Để robot có thể di mặt kính thẳng đứng đòi hỏi động cơ cho 2 bánh xe cần đạt yêu cầu chịu được tải trọng cao (>=1kg) và ngoài ra, động cơ còn đòi hỏi sự gọn nhẹ và có thể chịu được lực kéo của trọng lực khi robot di chuyển theo phương thẳng đứng
Hiện nay, động cơ được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với sự đa dạng về cấu tạo và nhà sản xuất Các loại động cơ phổ biến bao gồm động cơ bước như Nema, CNC3DS, 86HS78 và động cơ giảm tốc như N20 Micro, Wansin, Cyclo Khi lựa chọn động cơ, ưu tiên hàng đầu là chọn loại có đủ sức mạnh di chuyển nhưng vẫn đảm bảo giá cả hợp lý nhằm giảm thiểu chi phí thiết kế.
Động cơ DC giảm tốc là lựa chọn tối ưu cho các yêu cầu cần giảm tốc độ và tăng momen xoắn Nó bao gồm động cơ điện DC kết hợp với hộp số giảm tốc, trong đó hộp số sử dụng các bộ truyền động như bánh răng và trục vít để điều chỉnh tốc độ vòng quay Hệ thống này không chỉ giúp giảm tốc mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối động cơ với bộ phận làm việc của máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động hiệu quả Ngõ ra của động cơ được liên kết trực tiếp với tải.
- Nguồn dòng liên tục không tải: 150mA
- Tỉ số truyền 1:48 (499 vòng/ 1 phút tại 12V)
Mạch cầu H L298N được sử dụng để điều khiển hai động cơ DC giảm tốc V1, cho phép điều chỉnh chiều xoay của động cơ một cách linh hoạt.
Các module điều khiển động cơ phổ biến hiện nay bao gồm BTS7960 43A, TB6612FNG và Taidacent Tuy nhiên, tôi chọn L298N vì nó nhỏ gọn, giá thành rẻ và không yêu cầu dòng tiêu thụ quá cao.
IC mạch cầu đôi nên phù hợp để điều khiển hai động cơ di chuyển của hệ thống
- Công suất tối đa: 25W 1 cầu
- Dòng cho mỗi cầu là 2 A
Hình 2.4 Module L298N và ký hiệu
2.1.3 Động cơ bơm [5] Để có thể cấp ẩm cho tấm lau, tôi sử dụng một động cơ để truyền nước từ trong bình chứa vào tấm lau Với ngành công nghiệp sản xuất máy phát triển, thì động cơ máy bơm không hề xa lạ với thị trường Việt Nam cũng như quốc tế với các nhãn hàng nổi tiếng như: Sealand, Pentax, Ebara, Forat, Vertix, Ture, Six, Hanil, Panasinic, Wilo, Tohatsu, OBL…Nhóm sử dụng động cơ bơm mini của hãng Cytron Technologies dùng để cấp ẩm cho miếng lau kính Với kích thước nhỏ gọn, sử dụng nguồn DC 5V phù hợp với thiết kế và giúp giảm trọng lượng của robot
- Điện áp đầu vào: 3 – 5 VDC
Hình 2.5 Động cơ bơm chìm mini và ký hiệu
Relay là thiết bị điện giúp đóng ngắt tải, với đầu kích có trạng thái đóng mở ở mức cao Đầu ra của relay có thể được tùy chọn ở chế độ bình thường đóng hoặc bình thường mở Do tính phổ biến, cấu trúc của module relay từ các nhà sản xuất thường tương tự nhau Nhóm sử dụng module 1 kênh để điều khiển trạng thái đóng ngắt cho máy bơm.
Hình 2.6 Relay 5V và ký hiệu
2.1.5 Màn hình LCD [7] Để hiển thị dữ liệu từ hệ thống robot lên hệ thống điều khiển, nhóm sự dụng một màn hình LCD để thực hiện công việc này
CHUẨN GIAO TIẾP
I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp đồng bộ do Philips Semiconductors phát triển, cho phép giao tiếp với nhiều thiết bị cùng lúc Giao thức này rất hữu ích cho vi điều khiển khi thực hiện việc đọc/ghi dữ liệu từ các module cảm biến số hoặc xuất dữ liệu lên màn hình LCD.
I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các thiết bị
SDA là đường truyền cho vi điều khiển (master) và thiết bị (slave) để gửi và nhận dữ liệu, trong khi SCL tạo tín hiệu xung nhịp I2C là giao thức truyền thông nối tiếp, truyền dữ liệu từng bit qua một dây duy nhất (SDA) Chuẩn này hoạt động đồng bộ, với đầu ra của các bit phụ thuộc vào tín hiệu xung nhịp giữa master và slave để đồng bộ hóa việc lấy mẫu Vi điều khiển đóng vai trò điều khiển tín hiệu xung nhịp.
2.2.1.2 Cách hoạt động của chuẩn I2C
I2C truyền dữ liệu qua các thông điệp được cấu trúc thành khung dữ liệu Mỗi thông điệp bao gồm một khung địa chỉ nhị phân của thiết bị slave và các khung dữ liệu đang truyền Thông điệp còn có các bit chỉ thị bắt đầu hoặc dừng, bit đọc/ghi, cùng với bit ACK/NACK giữa các khung dữ liệu.
Hình 2.19 Khung dữ liệu được truyền trong I2C
Điều kiện ban đầu: SDA chuyển tín hiệu từ 1 xuống 0 sau khi SCL chuyển từ
Khung địa chỉ: Chứa một chuỗi 7 hoặc 10 bit được gửi từ master khi giao tiếp với các slave
Bit đọc/ghi: Master gửi tín hiệu 1 nếu nó muốn nhận dữ liệu từ slave, hoặc mức 0 nếu nó muốn ghi dữ liệu vào slave
Bit ACK/NACK là cơ chế xác nhận trong truyền dữ liệu, nơi sau mỗi byte dữ liệu, slave sẽ gửi cho master một bit xác nhận (ACK) nếu dữ liệu được nhận thành công Ngược lại, nếu dữ liệu chưa được nhận hoặc bị hỏng, slave sẽ truyền một bit không xác nhận (NACK) cho master.
2.2.1.3 Các bước truyền dữ liệu I2C
Master chuyển tín hiệu SDA từ 1 xuống 0 trước khi SCL chuyển từ 1 xuống
Hình 2.20 Master gửi điều kiện khởi động đến slave trong I2C
Master gửi địa chỉ 7 hoặc 10 bit của slave mà nó muốn giao tiếp, cùng với bit đọc/ghi
Trong giao tiếp I2C, master gửi địa chỉ đến slave để xác định gói dữ liệu Mỗi slave sẽ so sánh địa chỉ của mình với địa chỉ từ master Nếu địa chỉ trùng khớp, slave sẽ phản hồi bằng cách gửi bit ACK với mức 0 qua đường truyền tín hiệu SDA.
Master gửi hoặc nhận khung dữ liệu
Hình 2.22 Master gửi hoặc nhận khung dữ liệu trong I2C
Slave sẽ gửi một bit ACK cho master sau mỗi khung dữ liệu được chuyển để xác nhận đã nhận khung thành công
Hình 2.23 Slave gửi bit ACK cho master khi nhận khung thành công trong I2C
Quá trình truyền dữ liệu sẽ được dừng khi điều kiện được master gửi đến slave điều bằng cách chuyển SCL lên mức 1 trước khi chuyển SDA lên mức 1
Hình 2.24 Master gửi điều kiện dừng đến slave trong I2C
Chuẩn UART là một giao thức truyền dữ liệu nối tiếp, cho phép hai thiết bị giao tiếp thông qua hai phương thức: dữ liệu nối tiếp và dữ liệu song song Chuẩn này hoạt động dựa trên nguyên tắc truyền nhận giữa hai bộ phận, thường được gọi là master và slave.
Hình 2.25 Master gửi điều kiện dừng đến slave trong I2C
Cả hai thiết bị đều có cấu trúc tương tự, bao gồm ba thành phần chính: chân điều khiển logic, thanh ghi giữ truyền và thanh ghi dịch chuyển Trong quá trình truyền dữ liệu, chúng hoạt động với tốc độ baud giống nhau.
Chân điều khiển logic: Đọc/ghi
Thanh ghi giữ truyền: Giữ data ở master phát khi truyền
Thanh ghi dịch chuyển: Đảm nhiệm vai trò truyền data tới slave
Hình 2.26 Sơ đồ khối UART 2.2.2.2 Cách hoạt động
UART truyền dữ liệu thông qua bus dữ liệu dạng song, bao gồm các thành phần như bit bắt đầu, dữ liệu truyền, bit chẵn lẻ và bit dừng Dữ liệu được tổ hợp thành gói trước khi truyền, với ba bit bổ sung vào dữ liệu gốc Khi nhận gói dữ liệu, quá trình chuyển đổi diễn ra để loại bỏ ba bit đã thêm, nhằm đảm bảo nhận được dữ liệu truyền chính xác.
Bit bắt đầu (Start bit)
Bit đầu tiên trong gói dữ liệu đóng vai trò đồng hóa Kênh truyền bắt đầu với mức điện áp cao (mức 1) Để gói dữ liệu được truyền đi, tín hiệu từ start bit sẽ chuyển từ mức điện áp cao (mức 1) sang mức điện áp thấp (mức 0).
Ngược với bit bắt đầu, bit dừng được đặt ở cuối gói dữ liệu để báo hiệu rằng gói đã hoàn tất Bit dừng có thể chiếm từ 1 đến 2 bit tùy thuộc vào dạng mã hóa, với bit cuối cùng có mức điện áp cao (mức 1) để dừng kênh truyền.
Bit chẵn lẻ (Parity bits)
Bit chẵn lẻ đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá lại gói dữ liệu đã thu thập Đây là một phương pháp phát hiện lỗi đơn giản, với hai quy tắc chính: quy tắc số lẻ (odd parity bit) sẽ cho bit chẵn lẻ giá trị 1 khi tổng số bit 1 trong dữ liệu truyền là số lẻ, trong khi quy tắc số chẵn (even parity bit) sẽ cho bit chẵn lẻ giá trị 1 khi tổng số bit 1 là số chẵn.
OneWire, developed by Dallas Semiconductor Corp, is a bus system that connects devices, enabling low-speed data transmission, signaling, and power supply at a rate of 16.3 kbit/s over a single wire.
OneWire là giao thức lý tưởng cho việc kết nối các thiết bị nhỏ, không yêu cầu thời gian trễ, như cảm biến nhiệt độ, cảm biến điện áp pin và chip định vị.
Hình 2.28 Sơ đồ khối OneWire 2.2.3.2 Cách hoạt động
Bus OneWire chia thành các khe thời gian 60 µs để giao tiếp với vi điều khiển, với thời gian quy định khác nhau cho các thiết bị slave Chuẩn giao tiếp này ưu tiên độ chính xác về thời gian, vì vậy cần một bộ định thời để tối ưu đường truyền và đảm bảo độ trễ chính xác nhất.
Hình 2.29 Biểu đồ dạng sóng truyền theo thời gian trong OneWire
Quá trình hoạt động của OneWire bao gồm 4 bước như sau:
Trong quá trình truyền dữ liệu, Master bắt đầu bằng cách gửi tín hiệu ở mức cao Để gửi giá trị mức cao, Master sẽ giảm tín hiệu xuống mức thấp trong khoảng thời gian A (às) trước khi trở lại mức cao trong khoảng thời gian B (às).
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG
3.1.1 Yêu cầu của hệ thống
Hệ thống robot lau kính có thể hút và di chuyển trên bề mặt của kính dựng nghiêng 45 độ với một số chức năng như sau:
Hệ thống điều khiển đọc dữ liệu từ robot và dữ liệu đó thời gian sử dụng lên màn hình LCD
Hệ thống điều khiển bặt/tắt hoạt động của hệ thống của robot, hệ thống máy bơm cấp ẩm và điều hướng di chuyển của robot
Khi robot di chuyển gặp gờ kính, hố sẽ xuất hiện cảnh báo trên hệ thống điều khiển
3.1.2 Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối
Trong đề tài này, mô hình hệ thống được chia làm hai phần cứng tách biệt: mô hình điều khiển từ xa và mô hình robot lau kính
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống robot
3.1.2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển được thể hiện qua Hình 3.1 có các chức năng từng khối như sau:
Khối xử lý trung tâm 1 đảm nhận vai trò nhận dữ liệu điều khiển từ khối nút nhấn và Joystick, truyền tín hiệu điều khiển, và nhận dữ liệu từ robot thông qua giao tiếp Bluetooth Đồng thời, nó cũng hiển thị dữ liệu nhận được từ robot và thời gian hoạt động của robot.
- Khối nút nhấn: Truyền tín hiệu điều khiển bật/tắt, di chuyển của robot và bặt/tắt máy bơm
Khối hiển thị cung cấp thông tin hệ thống robot, bao gồm trạng thái bật/tắt của máy bơm, thời gian hoạt động của robot và dữ liệu góc nghiêng nhận từ robot qua giao tiếp Bluetooth.
- Khối giao tiếp Bluetooth: Đảm nhiệm vai trò truyền tín hiệu điều khiển tới robot và đồng thời nhận dữ liệu cảm biến từ robot
- Khối nguồn: Sử dụng nguồn 9V từ pin qua mạch hạ áp xuống 5V để cấp cho toàn bộ hệ thống điều khiển
3.1.2.2 Sơ đồ khối hệ thống robot lau kính
Sơ đồ khối hệ thống robot lau kính được thể hiện qua Hình 3.2 có các chức năng từng khối như sau:
Khối xử lý trung tâm 2 đảm nhận nhiệm vụ đọc và xử lý thông tin từ tín hiệu của các cảm biến, đồng thời điều khiển khối chấp hành Nó cũng thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu điều khiển từ khối giao tiếp Bluetooth, góp phần tối ưu hóa quá trình điều khiển và giám sát hệ thống.
- Cảm biến: cảm biến gia tốc trong trường, cảm biến khoảng cách, cảm biến siêu âm
- Khối chấp hành: module điều khiển quạt hút, module điều khiển động cơ, máy bơm nước
- Khối nguồn: Sử dụng nguồn adapter 12V cấp cho khối hiển thị và 5V cấp cho các khối còn lại.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHẦN CỨNG
Hình 3.3 Khối nút nhấn của điều khiển
- Nút nhấn B1: Kết nối vào chân D10 của Khối xử lý trung tâm 1
- Nút nhân B2: Kết nối vào chân D11 của khối xử lý trung tâm 1
- Chân VRX/VRY của J3 (module Joystick): Kết nối với chân A0/A1 của khối xử lý trung tâm 1
Khối nút nhấn là bộ phận quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu điều khiển cho các hoạt động của robot Tín hiệu này được gửi đến khối xử lý trung tâm 1 và được truyền qua giao thức UART của module Bluetooth để đến robot.
Hoạt động bật/tắt robot là tín hiệu điều khiển quan trọng nhất đối với robot Khi robot được cấp nguồn, trạng thái hệ thống mặc định là “OFF” Khi nút B1 được nhấn, trạng thái sẽ chuyển sang “ON” và sẽ giữ nguyên cho đến khi B1 được nhấn lại, lúc đó trạng thái sẽ trở về “OFF”.
Hoạt động bật và tắt máy bơm được điều khiển bằng tín hiệu tương tự như cách bật/tắt robot Nút nhấn B2 có vai trò quan trọng trong việc đảo trạng thái "ON/OFF" của máy bơm nước.
Hoạt động điều khiển động cơ di chuyển dựa vào tín hiệu từ chân VRX/VRY của module Joystick, nơi hai tín hiệu analog được trả về từ hai biến trở trong module.
Tín hiệu sẽ được chuẩn hóa thành dữ liệu đơn giản hơn với các giá trị -1, 0, 1 cho các tọa độ X và Y Các tín hiệu điều khiển tương ứng với giá trị chuẩn hóa bao gồm: không di chuyển (0,0), tiến lên (1,1), lùi (-1,-1), sang trái (-1,0) và sang phải (1,0).
Hình 3.4 Khối hiển thị của điều khiển
- Các chân tín hiệu của LCD được kết nối với các chân tương ứng của module I2C
- Chân SDA, SCL, L của J2 (module I2C) kết nối với chân tương ứng với chân A4, A5, D12 của khối xử lý trung tâm 1
Chân SDA và SCL của module I2C nhận dữ liệu từ khối xử lý trung tâm qua giao tiếp I2C Dữ liệu này được module I2C xử lý và chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển cho màn hình LCD.
- Chân L của module I2C dùng để điều khiển trạng thái bật tắt đèn nền của màn hình LCD
Hình 3.5 Khối giao tiếp Bluetooth của điều khiển
- 2 chân STATE, TXD, RXD, END của J4 (module Blutetooth) nối với 2 chân D6, D7, D8, D9 của khối xử lý trung tâm 1
Module Bluetooth giao tiếp với khối xử lý trung tâm thông qua chuẩn UART, với các chân kết nối đảm nhiệm các chức năng cụ thể Chân RXD/TXD là hai chân dùng để truyền và nhận dữ liệu giữa module Bluetooth và khối xử lý trung tâm Chân EN có nhiệm vụ lựa chọn chế độ hoạt động của module, trong khi chân STATE báo hiệu trạng thái kết nối của Bluetooth.
3.2.1.4 Khối xử lý trung tâm
Hình 3.6 Khối xử lý trung tâm của điều khiển
Sử dụng vi điều khiển Arduino Nano V3.0 ATMEGA328P làm trung tâm xử lý
Kết nối phần cứng và chức năng:
- Chân A0, A1: Nhận tính hiệu điều khiển từ Joystick
Chân D10 của Arduino Nano nhận tín hiệu từ nút nhấn mức thấp, cho phép bật hoặc tắt robot Nhờ vào điện trở nội kéo lên có sẵn, việc thiết kế điện trở cho nút nhấn là không cần thiết.
Chân D11 hoạt động giống như nút nhấn điều khiển bật/tắt robot, nhận tín hiệu mức thấp để kích hoạt hoặc tắt máy bơm nước.
- Các chân A4, A5: Kết nối với với 2 chân SDA và SCL của module I2C để xuất dữ liệu lên màn hình LCD
- Các chân D6, D7, D8, D9: Dùng để giao tiếp với module Bluetooth
Hình 3.7 Khối nguồn của điều khiển
Sử dụng nguồn 9V từ pin qua module hạ áp AMS1117 xuống 5V để cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống điều khiển từ xa
Công suất nguồn hạ áp: 5V * 1A = 5W
Bảng 3.1 Bảng tính công suất tiêu thụ của các module trong Hệ thống điều khiển từ xa Tên thiết bị
Dòng tiêu thụ (lớn nhất) (mA) Điện áp tiêu thụ (V)
Công suất tiêu thụ (mW)
3.2.2 Hệ thống robot lau kính
Hình 3.8 Khối cảm biến của Hệ thống robot
- Các chân X, Y, Z của J12 (Cảm biến gia tốc hướng ADXL335) kết nối với các chân A0, A1, A2 của khối xử lý trung tâm 2
- Chân UTS1 của U1 (Cảm biến khoảng cách SHARP GP2Y0A02YK0F) kết nối với chân A3 của khối xử ly trung tâm 2
- Các chân TRIG và ECHO của U2 (Cảm biến siêu âm HC-SR04) kết nối với các chân A4, A5 của khối xử ly trung tâm 2
Cảm biến gia tốc ADXL335 sử dụng các chân X, Y, Z để gửi tín hiệu analog tương ứng với ba trục của hệ tọa độ không gian Tín hiệu này được truyền đến khối xử lý trung tâm 2, giúp robot xác định hướng di chuyển của mình.
- Chân UTS của cảm biến khoảng cách SHARP GP2Y0A02YK0F gửi giá trị khoảng cách dưới dạng digital về khối xử lý trung tâm 2 để xác định gờ kính
Khi chân TRIG của cảm biến siêu âm nhận một xung cạnh lên, cảm biến sẽ phát ra sóng âm hướng tới vật cản và nhận lại sóng dội ngược Tín hiệu từ chân ECHO sẽ gửi một xung cạnh lên tới khối xử lý trung tâm Khoảng cách đo được được tính toán dựa trên thời gian truyền sóng âm và vận tốc âm thanh, theo công thức: s = v * t, trong đó s là khoảng cách, v là vận tốc âm thanh và t là thời gian từ khi nhận xung cạnh lên đến khi cảm biến gửi lại xung.
Hình 3.9 Khối chấp hành của Hệ thống robot
Các chân IN1, IN2, IN3, IN4 của module L298N (J6) được kết nối với các chân D18, D19, D29, D21 của khối xử lý trung tâm 2 Chân M1+ và M1- của J5 kết nối với hai đầu của động cơ giảm tốc bên trái, trong khi chân M2+ và M2- của J9 kết nối với hai đầu động cơ giảm tốc bên phải.
Chân RIN của module Relay J10 kết nối với chân D6 của khối xử lý trung tâm, trong khi chân COM 2 của module Relay J11 được nối với chân input của động cơ bơm mini Đồng thời, chân IN và chân H của Relay cũng được kết nối với nhau.
Chân EOUT của bộ điều tốc ESC J15 được kết nối với chân D7 của khối xử lý trung tâm, trong khi các chân A, B, C của J16 kết nối với ba chân tương ứng của ba pha động cơ quạt hút.
Các chân IN1, IN2, IN3, IN4 của module mạch cầu H nhận tín hiệu để điều khiển hai động cơ giảm tốc Cặp chân IN1, IN2 điều khiển động cơ bên trái, trong khi cặp IN3, IN4 điều khiển động cơ bên phải Khi có một tín hiệu mức cao và một tín hiệu mức thấp (ví dụ IN1=0, IN2=1), động cơ tương ứng sẽ quay tới Ngược lại, khi tín hiệu điện áp đảo (ví dụ IN1=1, IN2=0), động cơ sẽ quay lùi.
THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Sau khi thiết kế và lựa chọn linh kiện phù hợp, chương này sẽ trình bày quy trình thi công hệ thống, bao gồm hai phần chính: mô hình robot lau kính và mô hình điều khiển từ xa.
Robot lau kính: Thi công PCB có kích thước 12x11cm
Robot điều khiển từ xa: Thi công PCB có kích thước 7x5,5cm
Sau khi hoàn tất việc vẽ mạch, bước tiếp theo là sắp xếp linh kiện và đi dây một cách hợp lý Cuối cùng, tiến hành lắp ráp, hàn mạch và kiểm tra thông mạch cùng với hoạt động của từng linh kiện Khi tất cả đã hoàn thành, thực hiện thi công mô hình hệ thống.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Dưới đây là bảng liệt kê các linh kiện sử dụng
Bảng 4.1 Bảng danh sách các linh kiện
Số thứ tự Tên linh kiện Số lượng Hình ảnh
3 QX-Motor 64mm Ducted fan 12 Blades 1
5 Động cơ DC giảm tốc V1 2
10 module giảm áp buck DC-
Cảm biến khoảng cách hồng ngoại Analog SHARP GP2Y0A02YK0F
13 Cảm biến siêu âm HC-SR04 1
15 Cảm biến gia tốc hướng
19 Công tắc hành trình mini 2
Hình 4.1 Sơ đồ mạch in hệ thống điều khiển từ xa
Hình 4.2 Sơ đồ mạch in hệ thống robot lau kính 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra
Hình 4.3 Mạch thực tế sau khi thiết kế và thi công
Sau khi hoàn tất việc in mạch, tiến hành lắp ráp và hàn các linh kiện Kiểm tra mạch để phát hiện dây bị đứt và đo thông mạch bằng đồng hồ VOM Gán các bus của các module vào board mạch và cấp nguồn cho mạch Cuối cùng, kiểm tra điện áp đầu vào và đầu ra của các module.
ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
Hình 4.4 Mô hình hệ thống robot lau kính
Mô hình có kích thước 25x20x15cm Các module được lắp đặt như sau:
Hai động cơ được lắp hai bờn hụng và đặt ở vị trớ ẳ của robot
Phía mặt trên mô hình robot có lỗ tròn để thoát khí, tạo chênh lệch áp suất giữa trong hộp nhựa
Hai miếng lau kính đặt phía trước và sát với mặt đáy
Các cảm biến khoảng cách đặt phía mặt trước ở đầu xe và nằm giữa hai miếng lau
Cảm biến siêu âm được đặt ở phía mặt trước ở đầu xe và nằm phía trên 2 miếng lau
Bên trong mô hình robot, một hộp nhựa được thiết kế để tạo ra sự chênh lệch áp suất với mặt kính Điều này xảy ra khi quạt hút không khí bên trong và đẩy ra ngoài, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của robot.
Mạch in được đính ở phía cuối hộp
Các cảm biến, module điều khiển, module giao tiếp Bluetooth được đính phía trên mặt hộp
Nguồn được cấp ở phía mặt sau mô hình (ngay vị trị mạch in)
Dây nguồn có kết nối với bập bênh để đóng ngắt toàn mạch của mô hình robot
Hình 4.5 Mô hình hệ thống điều khiển từ xa
Mô hình có kích thước 13x10x7cm Các module được lắp đặt như sau:
Phía mặt trên mô điều khiển có màn hình LCD hiển thị dữ liệu
Joystick được cố định phía mặt trên và 2 nút nhấn B1, B2 được đính ở mặt trước của mô hình điều khiển
Nguồn cung cấp là pin 9V được cố định ở mặt sau
Hệ thống điều khiển có một nút nhấn bập bênh để đóng mở nguồn toàn hệ thống
LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
4.4.1.1 Lưu đồ giải thuật hệ thống điều khiển từ xa
Hình 4.6 Lưu đồ giải thuật hệ thống đóng/mở cửa Giải thích lưu đồ:
Khi khởi động hệ thống, chương trình thực hiện việc thiết lập các chân vào ra, khởi tạo giá trị ban đầu, và thiết lập kết nối UART để truyền và nhận dữ liệu giữa hai module Bluetooth Đồng thời, chương trình cũng khởi tạo thư viện LCD trước khi bắt đầu vòng lặp hoạt động.
Chương trình kiểm tra liên tục hai nút nhấn B1 và B2, với chức năng đảo trạng thái hoạt động của hệ thống và máy bơm Khi nhấn nút B1, trạng thái biến hoạt động sẽ được đảo từ false và bộ đếm thời gian sẽ được khởi tạo Nếu không nhấn B1, dữ liệu thời gian sẽ được cập nhật và hiển thị trên màn hình LCD Nhấn nút B2 sẽ đảo trạng thái hoạt động của máy bơm, đồng thời hiển thị thông tin trạng thái máy bơm trên màn hình LCD.
Khi trạng thái hoạt động của hệ thống là true, chương trình sẽ thực hiện các lệnh sau: dữ liệu từ Joystick được chuẩn hóa và gửi về khối xử lý trung tâm 1, từ đó biên dịch thành lệnh điều khiển hướng di chuyển của động cơ robot Đồng thời, dữ liệu cảm biến của robot cũng được gửi về khối xử lý trung tâm 1 qua module giao tiếp Bluetooth Bộ đếm thời gian sẽ được bật, và các giá trị cảm biến cùng thời gian sử dụng sẽ được cập nhật trên màn hình LCD.
Khối xử lý trung tâm 1 sẽ gửi tín hiệu điều khiển đến khối xử lý trung tâm 2 qua chuẩn truyền UART của module Bluetooth, sau đó chương trình sẽ trở lại bước kiểm tra hai nút nhấn B1 và B2, tạo thành một vòng lặp.
4.4.1.2 Lưu đồ giải thuật hệ thống robot
Hình 4.7 Lưu đồ giải thuật hệ thống robot
Khi hệ thống khởi động, chương trình sẽ thực hiện việc khởi tạo các cổng vào ra, thiết lập chuẩn giao tiếp UART cho module Bluetooth, khởi động các cảm biến và kích hoạt các khối chấp hành.
Sau khi khởi tạo, chương trình sẽ chạy trong một vòng lặp cho đến khi bộ xử lý trung tâm 2 nhận tín hiệu cho phép là true từ bộ xử lý trung tâm 1 qua module Bluetooth Khi tín hiệu này được xác nhận, module điều khiển quạt hút sẽ được kích hoạt, trạng thái hoạt động của robot sẽ chuyển từ false sang true, và chương trình sẽ thoát khỏi vòng lặp.
Chương trình sẽ tiếp tục chạy một vòng lặp để thực hiện các hoạt động chính, trong đó khối xử lý trung tâm 2 liên tục nhận tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm 1 qua module Bluetooth Ngay sau đó, bộ xử lý trung tâm 2 sẽ đọc dữ liệu từ cảm biến và truyền ngược lại cho khối xử lý trung tâm 1.
Chương trình sẽ kiểm tra tín hiệu cho phép từ khối xử lý trung tâm Nếu tín hiệu cho phép là false trong khi robot đang hoạt động, trạng thái hoạt động của robot sẽ được đặt là false, module điều khiển quạt và máy bơm sẽ tắt, và module điều khiển động cơ di chuyển cũng sẽ tắt Ngược lại, nếu tín hiệu cho phép là true, module điều khiển quạt hút sẽ bật và trạng thái hoạt động của robot sẽ được đặt thành true.
Chương trình quay về đầu vòng lặp chương trình chính để tiếp tục truyền/nhận và xử lý dữ liệu
Arduino là nền tảng điện tử mã nguồn mở, bao gồm phần cứng và phần mềm dễ sử dụng Board mạch Arduino có khả năng đọc tín hiệu vào ra, giao tiếp và điều khiển các module Nền tảng này sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino, được phát triển dựa trên C++, cùng với phần mềm Arduino IDE để lập trình.
Hình 4.8 Giao diện phần mềm Arduino IDE
Nhiều dòng vi điều khiển được sản xuất bởi các nhà sản xuất như Atmel, Espressif, STMicroelectronics, Microchip và NXP Semiconductors Arduino IDE tích hợp các thư viện lập trình cho từng loại vi điều khiển thành một chuẩn thư viện thống nhất và có tính kế thừa Arduino giúp đơn giản hóa quá trình làm việc với vi điều khiển, mang lại nhiều ưu điểm cho người dùng.
Đa nền tảng: Arduino IDE có thể sự dụng nhiều hệ điều hành như: Linux, Macintosh OSX và Windows
Arduino IDE là một môi trường lập trình tối ưu và dễ hiểu, lý tưởng cho những người mới bắt đầu Với tính linh hoạt cao, nó không chỉ hỗ trợ người mới mà còn giúp những lập trình viên có kinh nghiệm nâng cao kỹ năng và tận dụng tối đa các tính năng của nó.
Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở, cho phép người dùng truy cập và tùy chỉnh mã nguồn Nó đi kèm với nhiều thư viện được lập trình sẵn bởi các lập trình viên có kinh nghiệm, giúp người dùng dễ dàng phát triển các dự án điện tử.
Phần cứng nguồn mở có thể mở rộng cho phép các nhà thiết kế mạch có kinh nghiệm tạo ra phiên bản riêng của bảng vẽ bo mạch Arduino, nhờ vào việc các tài liệu được phát hành theo giấy phép Creative Commons Điều này không chỉ giúp mở rộng mà còn cải thiện thiết kế ban đầu.
4.4.3 Các thư viện sử dụng
4.4.3.1 Các thư viện sử dụng cho Arduino Nano
Thư viện LiquidCrystal_I2C hỗ trợ màn hình Led LCD I2C 16x2 và tương thích với các kiến trúc AVR như Arduino Micro, Arduino Leonardo, Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Uno và Arduino Yún.
Bảng 4.2 Bảng các hàm được sử dụng trong thư viện LiquidCrystal_I2C
Hàm lcd.init() được sử dụng để khởi tạo màn hình LCD, trong khi lcd.backlight() giúp bật đèn nền Để đặt con trỏ ở vị trí 0,0, ta sử dụng lcd.setCursor(0, 0) Cuối cùng, hàm lcd.print() cho phép xuất giá trị lên màn hình LCD.
Thư viện SoftwareSerial: Thư viện dùng để giao tiếp các chân digital trên board mạch arduino
Bảng 4.3 Bảng các hàm được sử dụng trong thư viện SoftwareSerial
Hàm được sử dụng Chức năng
Bluetooth(RX_PIN, TX_PIN)
DỰ TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH
Bảng 4.7 Bảng dự toán thiết kế mô hình STT Tên linh kiện Đơn giá Giá linh kiện
(VNĐ) Số lượng Tổng tiền
3 QX-Motor 64mm Ducted fan 12
5 Động cơ DC giảm tốc V1 28,000 2 56,000
10 module giảm áp buck DC-DC 135,000 1 135,000
12 Cảm biến khoảng cách hồng ngoại
13 Cảm biến siêu âm HC-SR04 58,000 1 58,000
15 Cảm biến gia tốc hướng GY-61 180,000 1 180,000
19 Công tắc hành trình mini 1,000 2 2,000
Dựa trên số liệu thu thập từ bảng dự toán, nhóm đã chi 2,758,000 VNĐ cho linh kiện thiết kế trong thời gian 4 tháng thi công Ngoài ra, nhóm cũng đã phải chi trả cho một số chi phí phát sinh trong quá trình xây dựng mô hình Để tiết kiệm chi phí, nhóm đã tận dụng linh kiện có sẵn từ các dự án trước Trong tương lai, nhóm sẽ lập kế hoạch tối ưu hóa việc lựa chọn linh kiện và phân bố thời gian làm việc để nâng cao hiệu suất.
KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
KẾT QUẢ THI CÔNG PHẦN CỨNG
Nhóm đã thiết kế và thi công một hệ thống gồm mô hình robot lau kính và hộp điều khiển từ xa, tạo ra sản phẩm thực tế ấn tượng.
Hình 5.1 Mô hình hệ thống
Màn hình LCD hiển thị thông tin trạng thái bật/tắt máy bơm, thời gian hoạt động, khoảng cách với gờ kính, giá trị cảm biến góc nghiêng
Hình 5.2 Màn hình LCD hiển thị
Mạch điện hệ thống bao gồm các kết nối giữa các module cảm biến và bảng mạch thông qua các dây bus Trên bảng mạch, tên từng phòng được ghi rõ ràng, giúp việc kết nối dây và sửa lỗi trở nên dễ dàng hơn.
Hình 5.3 Mạch điện hệ thống
KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG
Khi vừa cấp nguồn cho hai hệ thống:
Hệ thống robot được khởi động và chờ tín hiệu cho phép từ hệ thống điều khiển từ xa
Hệ thống điều khiển từ xa khi khởi động sẽ hiển thị thống số mặc định
Hình 5.4 Màn hình hệ thống điều khiển khi khởi động
Khi nhấn nút B1 từ hệ thống điều khiển:
Hệ thống điều khiển khởi động bộ đếm thời gian và hiển thị thông tin trên màn hình LCD, đồng thời gửi tín hiệu cho phép đến robot.
Hệ thống robot cần 7 giây để xử lý tín hiệu cho phép, từ đó nhận tín hiệu điều khiển khác và truyền nhận dữ liệu với hệ thống điều khiển.
Hình 5.5 Màn hình hệ thống điều khiển khi nhận dữ liệu
Sau 7 giây sau tín hiệu cho phép hoạt động đầu tiên được kích hoạt Dữ liệu cảm biến sẽ được hiển thị lên mà hình LCD của hệ thống điều khiển như Hình 5.5 Ngoài ra màn hình LCD còn hiển thị trạng thái hoạt động của máy bơm nước đang bật hay tắt (ban đầu máy bơm sẽ tắt)
Hình 5.6 Màn hình hệ thống điều khiển khi máy bơm bật
Khi nút nhấn B1 được bấm lại lần nữa:
Hệ thống robot sẽ ngừng hoạt động và hiển thị thông tin trên màn hình LCD Trong thời gian này, hệ thống điều khiển sẽ không nhận dữ liệu cảm biến từ robot, đồng thời phát ra tín hiệu cho phép là false.
Hệ thống robot sẽ ngừng toàn bộ hoạt động, bao gồm cả quạt hút, ngoại trừ việc nhận dữ liệu từ module Bluetooth để chờ tín hiệu khôi phục hoạt động.
Hình 5.7 Hệ thống cảnh báo khi gặp gờ kính
Khi robot gặp gờ kính:
Đối với hệ thống điều khiển: xuất tín hiệu cảnh báo lên màn hình LCD như Hình 5.7
Đối với hệ thống robot: obot không nhận tín hiệu tiến lên từ điều khiển
Hình 5.8 Hệ thống cảnh báo khi gặp hố
Đối với hệ thống điều khiển: xuất tín hiệu cảnh báo lên màn hình LCD như Hình 5.7
Đối với hệ thống robot: tương tự như gặp hố, robot không nhận tín hiệu tiến lên từ điều khiển.
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
Sau khi nghiên cứu và thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế hệ thống robot lau kính”, Nhóm có những nhận xét, đánh giá sau
Bảng 5.1 Số liệu thực nghiệm
STT Kết quả thực nghiệm Đánh giá
1 Hoạt động của các cảm biến Hoạt động ổn định
2 Hoạt động của quạt hút và động cơ Hoạt động tương đối ổn định, nhưng khá ồn
3 Hoạt động của máy bơm Hoạt động ổn định
4 Thời gian khởi động Hệ thống cần 7 giây để khởi động
5 Hoạt động của việc truyền/nhận dữ liệu Hoạt động ổn định, xử lý lệnh tương đối nhanh
6 Hoạt động của khối nguồn Cấp nguồn ổn định, hiệu quả
Mô hình hệ thống đảm bảo hoạt động đúng yêu cầu và tương đối ổn định, tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào khoảng cách tối đa của module giao tiếp Bluetooth Hệ thống đã khắc phục được vấn đề tốc độ truyền, nhận và xử lý dữ liệu giữa robot lau kính và hệ thống điều khiển từ xa.