báo cáo đồ án 2 đề tài thiết kế thi công xe robot dò line

Chúng có khả năngminh họa công việc của con người, chính robot đã và đang làm nên một cuộc cáchmạng về lao động, khoa học và dạy phục vụ đặc lược cho các ngành khoa họcnhư: Khoa học quân

TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐIỆN TỬ - ĐIỆN LẠNH HÀ NỘI

(chữ hoa, 16pt, không đậm, căn giữa)

<TÊN ĐỀ TÀI ĐATN>

(chữ hoa, 18pt, đậm, căn giữa)

Họ và tên sinh viên/nhóm sinh viên:

Giảng viên hướng dẫn:

HÀ NỘI 20< hai số cuối của năm bảo vệ ĐATN>

(chữ hoa, 12pt, đậm, căn giữa)

TRƯỜNG CAO ĐẲNG ĐIỆN TỬ - ĐIỆN LẠNH HÀ NỘI

KHOA

(chữ hoa, 12pt, đậm, căn giữa)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH…

<TÊN ĐỀ TÀI ĐATN>

Họ và tên sinh viên/nhóm sinh viên:

Giảng viên hướng dẫn:

Thông qua GVHD

(Ký và ghi rõ họ tên)

HÀ NỘI 20…

MỤC LỤC

1 Giới thiệu các linh kiện điện tử sử dụng trong dự án 8

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động cảm biến hồng ngoại 13

LỜI NÓI ĐẦU

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy … đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện đồ án này! Đồ án tốt nghiệp là đồ án rất quan trọng, là nền tảng để em thực hiệnnhững dự án ngoài đời.

Trong quá trình thực hiện đồ án, được sự giúp đỡ tận tình của thầy …, em đã thu được nhiều kiến thức quý báu giúp em rất nhiều trong quá trình học và làm việc của em trong tương lai: được tiếp xúc với vi điều khiển họ AVR (Atmega8), biết cách thiết kế mạch điện, thi công mạch in, và nhiều kỹ năng khác

Trong quá trình thực hiện đồ án, do em chưa có kinh nghiệm, nên không tránh khỏi những sai sót Em mong nhận được phản hồi từ thầy để hoàn thiện hơn

Cảm ơn thầy … một lần nữa!

Chương 1: Giới thiệu chung

1 Mở đầu

1.1 Giới thiệu Robot

Robot đã xuất hiện và ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong cuộcsống hiện đại Chúng có khả năng thực hiện công việc của con người và đã tạo ramột cuộc cách mạng về lao động, khoa học và dịch vụ

Năm 1921, nhà soạn kịch Karel Capek người Tiệp Khắc đã giới thiệu thuật ngữ

“Robot” Thuật ngữ này xuất phát từ tiếng Czech và có nghĩa là “lao động bắtbuộc” Từ đó, robot đã tiến xa hơn và trở thành một phần quan trọng trong nhiềulĩnh vực, bao gồm khoa học quân sự, giáo dục và giải trí

Chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan trọng của robot trong cuộc sống hàngngày Chúng không chỉ là công cụ hỗ trợ, mà còn là người bạn đồng hành đáng tincậy trong hành trình khám phá và phát triển của con người

Robot đã và đang xuất hiện trong cuộc sống của chúng ta từ lâu và ngày càng trởthành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Chúng có khả năngminh họa công việc của con người, chính robot đã và đang làm nên một cuộc cáchmạng về lao động, khoa học và dạy phục vụ đặc lược cho các ngành khoa họcnhư: Khoa học quân sự, khoa học giáo dục, các ngành dịch vụ, giải trí…

Chúng ta không thể phủ nhận vai trò quan trọng của robot trong cuộc sống hàngngày Chúng không chỉ là công cụ hỗ trợ, mà còn là người bạn đồng hành đáng tincậy trong hành trình khám phá và phát triển của con người

Robot không chỉ xuất hiện trong ngành công nghiệp sản xuất, mà còn trong cáclĩnh vực như y tế, nông nghiệp, giao thông, và nhiều lĩnh vực khác Chúng có thểthực hiện các nhiệm vụ phức tạp mà con người không thể hoàn thành một cáchhiệu quả Ví dụ, robot phẫu thuật có thể thực hiện các ca phẫu thuật chính xác hơn

và ít xâm lấn hơn đối với bệnh nhân Trong lĩnh vực nông nghiệp, robot có thể tựđộng thu hoạch cây trồng, giúp tăng năng suất và giảm tác động đến môi trường

Ngoài ra, robot còn đóng vai trò quan trọng trong việc khám phá không gian vàdưới biển Chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ mà con người không thể tiếp cậnđược, như khám phá đáy đại dương hay tìm kiếm dấu vết của cuộc sống ngoàihành tinh

Tuy nhiên, việc phát triển robot cũng đặt ra nhiều thách thức Chúng cần được lậptrình một cách cẩn thận để đảm bảo an toàn và đạo đức Ngoài ra, việc thay thế laođộng của con người bằng robot cũng đặt ra câu hỏi về việc giữ lại công việc chocon người trong cuộc sống

Lịch sử phát triển của robot công nghiệp là một hành trình đầy thú vị Năm 1949,máy điều khiển tự động đã cách mạng hóa quy trình sản xuất tại Mỹ Đến năm

1960, George Devol giới thiệu mẫu robot công nghiệp đầu tiên Năm 1961 chứngkiến việc robot công nghiệp (IR: Industrial Robot) được triển khai rộng rãi trongthị trường Robot Unimate, ra đời vào năm 1990 bởi nhóm nghiên cứu tại MIT, đã

mở ra kỷ nguyên mới cho ngành công nghiệp sản xuất ô tô Báo cáo thống kê chothấy, vào cuối năm 1990 có khoảng 300.000 IR được sử dụng toàn cầu Sự pháttriển vượt bậc của kỹ thuật và công nghệ đã dẫn đến việc số lượng IR tăng lên mộtcách chóng mặt và hiệu suất lao động được cải thiện đáng kể, giảm chi phí sảnxuất

1.2 Giới thiệu robot bám đường

Loại robot bám đường là một thiết bị thú vị trong lĩnh vực robot học Đượcthiết kế để di chuyển theo một quỹ đạo cụ thể, robot bám đường có khả năng

tự định hướng và tuân theo đường dẫn đã được định sẵn Dù đó là một đườngmàu đen trên bề mặt trắng hoặc ngược lại, hoặc thậm chí là một đường khônghình như một từ từ, robot này vẫn có thể theo dõi và duy trì đúng quỹ đạo

Nguyên tắc hoạt động của robot bám đường dựa vào việc phân tích thông tin

từ các cảm biến, như máy quét laser hoặc camera, để xác định vị trí và hướng

di chuyển Robot sử dụng thuật toán điều khiển để điều chỉnh độ quay củabánh xe hoặc độ nghiêng của bánh răng để duy trì đúng quỹ đạo

Những ứng dụng của robot bám đường rất đa dạng Chúng có thể được sửdụng trong việc kiểm tra và duyệt đường, giao hàng tự động, theo dõi và kiểmtra hệ thống đường sắt, và nhiều ứng dụng khác Khả năng tự định hướng vàtuân theo đường dẫn của robot bám đường giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảmthiểu sai sót trong các tác vụ di chuyển

Tóm lại, robot bám đường là một ví dụ điển hình về sự kết hợp giữa công nghệ

và thiết kế thông minh, mang lại lợi ích lớn cho nhiều lĩnh vực khác nhau

2 Mục tiêu

Mục tiêu thiết kế robot dò đường là tạo ra một thiết bị có khả năng tự địnhhướng và di chuyển theo một quỹ đạo đã được định sẵn Dựa vào thông tin

từ các cảm biến, robot này sẽ tuân theo đường dẫn đã được định trước vàduy trì đúng quỹ đạo.

Cụ thể, mục tiêu thiết kế robot dò đường có thể bao gồm:

quét laser hoặc camera để phát hiện và theo dõi đường dẫn

của bánh xe hoặc độ nghiêng của bánh răng để duy trì đúng quỹ đạo

tin từ cảm biến và đưa ra quyết định di chuyển

xe, khung và các bộ phận khác

đảm bảo hoạt động ổn định và chính xác

Tóm lại, mục tiêu thiết kế robot dò đường là tạo ra một thiết bị thông minh

có khả năng tự định hướng và tuân theo đường dẫn đã được định sẵn

Chương 2: Phương pháp và quy trình phát triển

1 Giới thiệu các linh kiện điện tử sử dụng trong dự án

1.1 Arduino NANO và Vi điều khiển 8-bit AVR

Arduino NANO là một trong những bo mạch phổ biến nhất trong dòng sản phẩmArduino Với khả năng sử dụng các vi điều khiển họ 8-bit AVR như ATmega8,ATmega168 và ATmega328, Arduino NANO mang lại một loạt các ứng dụng đadạng và linh hoạt Bộ não của Arduino NANO có thể xử lý nhiều tác vụ đơn giảnnhư điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị kết quả lên màn hình LCD, cũng như nhiều ứng dụngkhác mà người dùng có thể tùy chỉnh theo nhu cầu cụ thể

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino NANO sử dụng vi điều khiển ATmega328, mộtlựa chọn phổ biến và mạnh mẽ Tuy nhiên, nếu yêu cầu về phần cứng không caohoặc ngân sách hạn chế, người dùng có thể lựa chọn các vi điều khiển khác nhưATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB) với giá cảphải chăng hơn Việc này giúp tối ưu hóa chi phí mà vẫn đảm bảo tính linh hoạt vàkhả năng tùy chỉnh của dự án

Bên cạnh việc sử dụng cho board Arduino NANO, các vi điều khiển này cũng cóthể được áp dụng trong các mạch tự chế khác Với việc chỉ cần sử dụng boardArduino NANO để lập trình, người dùng có thể tạo ra các sản phẩm tùy chỉnh vàgiảm thiểu chi phí bằng cách sử dụng các mạch tự chế Điều này mở ra nhiều cơhội cho việc phát triển các ứng dụng và dự án điện tử trong cộng đồngMaker.Servo SG90: Điều chỉnh hướng pin mặt trời

Năng lượng

Arduino NANO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồnngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp

nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB.Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, mình sẽ làm hỏng Arduino NANO.

Các chân năng lượng

các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy mình không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

khi lập trình sẽ lưu ở đây Ta khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều

bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà mình phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi

dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như

dữ liệu trên SRAM

Các cổng vào/ra

Arduino NANO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ có 2mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗichân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiểnATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Nano có thể giao tiếp với thiết

bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, ta có thể điều chỉnh được điện áp ra

ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

bấm nút Reset, ta sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

Arduino NANO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit(0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trênboard, ta có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức

là nếu ta cấp điện áp 2.5V vào chân này thì ta có thể dùng các chân analog để đođiện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino NANO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác

Lập trình cho Arduino

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữnày dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại

là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là

C hay C/C++ Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và đội ngũ phát triểnArduino cũng gọi như vậy Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiệnnay do đó rất dễ học, dễ hiểu

Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển

dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino đượcgọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment) như hình dưới đây

Nền tảng Arduino không chỉ là một công cụ hữu ích mà còn là một nguồn cảmhứng không ngừng đối với những người muốn khám phá thế giới của điện tử, lậptrình và điều khiển, đặc biệt là trong lĩnh vực phát triển robot Với tính linh hoạt

và đa dạng của các board Arduino cũng như cộng đồng người dùng sáng tạo và hỗtrợ, mọi người không chỉ có thể tiếp cận dễ dàng với các khái niệm cơ bản mà còn

có thể thực hiện những dự án phức tạp và đầy thách thức

Arduino không chỉ là một công cụ kỹ thuật, mà còn là một công cụ giáo dục mạnh

mẽ Việc sử dụng Arduino giúp mọi người hiểu rõ hơn về cách hoạt động của cácthành phần điện tử, từ cách đọc dữ liệu từ cảm biến đến cách điều khiển các thiết

bị Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập và nghiên cứu trong các lĩnhvực như khoa học máy tính, kỹ thuật điện tử và robot học

Bên cạnh đó, Arduino còn là một công cụ mạnh mẽ cho sự sáng tạo và đổi mới.Với các tính năng linh hoạt và khả năng mở rộng của nền tảng, mọi người có thểtạo ra những dự án độc đáo và thú vị từ các ý tưởng sáng tạo của mình Từ robot

tự lái đến hệ thống giám sát thông minh, Arduino là công cụ không thể thiếu chobất kỳ ai muốn thực hiện các dự án công nghệ cao và tiên tiến

Tóm lại, Arduino không chỉ là một công cụ kỹ thuật, mà còn là một cộng đồngsáng tạo và đổi mới Với sự hỗ trợ và cống hiến từ cộng đồng này, mọi người cóthể khám phá và thực hiện những ý tưởng mới mẻ và táo bạo trong lĩnh vực điện

tử và robot học

1.2 Cảm biến thu phát hồng ngoại

1.2.1 Cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại (Tiếng Anh: Infrared Sensor hoặc viết tắt IR Sensor) là một thiết

bị điện tử phát hoặc nhận bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh Khi vật thể

phát ra nhiệt độ trên 35 độ C thì sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại con người không thể nhìnthấy được

1.2.2 Phân loại cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại hiện nay gồm có 2 loại chính là:

 Cảm biến hồng ngoại chủ động: Khi vật thể đến gần, tia hồng ngoại phát ra từ

thiết bị sẽ sẽ đụng vào các vật thể và phản xạ lại, từ đó cảm biến nhận diện được vật thể

hiện và nhận tia hồng ngoại từ các vật thể khát

1.2.3 Nguyên tắc hoạt động cảm biến hồng ngoại

Nguyên tắc hoạt động của các loại cảm biến hồng ngoại là:

dụng một bóng đèn LED để phát ra tia sóng hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại Khi gặpvật thể, tia hồng ngoại bật ngược lại và đi vào cảm biến hồng ngoại

ngoại và thấu kính Fresnel để phát hiện ra tia hồng ngoại phát ra từ vật thể

4Cách thiết lập cảm biến hồng ngoại

1.2.4 Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong các thiết bị SmartHome để phát hiện chuyểnđộng của con người, từ đó tự động điều khiển các thiết bị hoạt động theo như lập trình.Các ứng dụng nổi bật của cảm biến hồng ngoại gồm có:

Bật tắt đèn tự động

Bằng việc phát hiện chuyển động hoặc tia sóng hồng ngoại phát ra từ con người, cảmbiến hồng ngoại sẽ kết nối với đèn để bật tắt tự động rất tiện lợi và tiết kiệm điện năng.Cảm biến hồng ngoại thường được đặt ở vị trí như hàng lang để chiếu sáng lối đi, cửa ravào hoặc nhà vệ sinh

Cảm biến hồng ngoại giúp chống trộm

Khi phát hiện ra vật thể lạ xâm nhập vào nhà như hàng rào, ban công, cảm biến hồngngoại nhận diện được sẽ kết nối với thiết bị âm thanh phát ra tiếng để báo động chủ nhà

để đề phòng và có biện pháp xử lý

Giúp mở cửa tự động

Cảm biến hồng ngoại được đặt ở phía trên sẽ phát hiện các chuyển động ra vào từ đó điềukhiển cửa đóng/mở cho phù hợp Bạn có thể thấy rõ nhất ứng dụng này ở các trung tâmthương mại hay văn phòng

Giúp truyền lệnh điều khiển

Tia hồng ngoại từ lâu đã được ứng dụng trong các remote tivi, máy lạnh để phát ra tínhiệu điều khiển từ xa Hiện nay với việc tích hợp cảm biến hồng ngoại trên các thiết bị vàđiện thoại thông minh có thể phát ra được tia hồng ngoại, bạn có thể sử dụng điện thoạithông minh để điều khiển các vật dụng

Cảm biến hồng ngoại giúp sáng tạo thiết bị nhìn đêm

Nhờ nguyên lý chuyển đổi photon ánh sáng xung quanh thành electron, sau đó khuếchđại bằng chất hóa học sẽ tạo nên thiết bị giúp chúng nhìn thấy trong môi trường không cóánh sáng khả kiến Thiết bị này được thường được sử dụng nhiều trong lực lượng quânđội, cảnh sát

Ứng dụng trong thiên văn

Cảm biến hồng ngoại cũng được ứng dụng trong việc chế tạo kính viễn vọng, hệ thốngcảm biến và máy dò trạng thái rắn Các vật thể phát xạ nhiệt hay hồng ngoại sẽ phát hiệnđược bằng kính, qua đó giúp nhà thiên văn học có thể quan sát các vật thể trong vũ trụ

Ứng dụng trong nghệ thuật chế tác và phục hồi tranh ảnh

Các nhà nghiên cứu ứng dụng phản xạ hồng ngoại để phân tích và nghiên cứu các lớp ẩntrong các bức tranh nghệ thuật Các đặc điểm của bức tranh như chất liệu, tuổi đời sẽđược phát hiện và từ đó được nhận định bức tranh là thật hay giả

1.2.5 Một số lưu ý khi lắp đặt và sử dụng cảm biến hồng ngoại

Để đảm bảo cảm biến hồng ngoại hoạt động đúng với ý đồ mong muốn, bạn hãy lưu ýmột số điều sau khi lắp đặt:

không thể phát hiện được mục tiêu

 Tránh lắp đặt gần các nguồn phát nhiệt, dễ gây ra báo động giả như điều hoà, lỗ thoát khí, bếp lửa và ánh sáng mặt trời vì đầu hồng ngoại rất nhạy cảm với năng lượng hồng ngoại.

thuật

1.3 Mạch cầu L298N

L298N là module điều khiển động cơ trong các xe DC và động cơ bước Module

có một IC điều khiển động cơ L298 và một bộ điều chỉnh điện áp 5V 78M05 Module L298N có thể điều khiển tối đa 4 động cơ DC hoặc 2 động cơ DC với khả năng điều khiển hướng và tốc độ

Cấu hình sơ đồ chân L298N

Tên chân Mô tả

OUT1 & OUT2 Chân đầu ra cho động cơ A

OUT3 & OUT4 Chân đầu ra cho Động cơ B

Đặc điểm và thông số kỹ thuật module L298

Module điều khiển thay thế: TMC2209, DRV8825, A4988, L9110S, DRV8711