đồ án môn học thiết kế hệ thống nhúng đề tài mô hình xe hút bụi điều khiển hồng ngoại

ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH XE HÚT BỤI ĐIỀU KHIỂN HỒNG NGOẠI

Giảng viên hướng dẫn: ThS Triệu Việt Quân Sinh viên thực hiện: TRẦN BẢO NINH- CT0503s

NGUYỄN THỊ NHUNG-CT050336 NGUYỄN HUYỀN NGỌC-CT050138 NGUYỄN SỸ HIẾU-CT05

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, hệ thống điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong việc phát trienrvà sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ, văn minh hiện đại.Thực tế mỗi khíacạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thốn điều khiển Dễdàng tìm thấy hệ thống điều khiển công cụ, kỹ thuật, không gian và hệ thống vũ trụ,điều khiển myas itnhs các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot,…

Trong sinh hoạt hằng ngày của con người như những trò chơi giải trí cho đếnnhững ứng dụng gần gũi với còn người cũng được cải tiến phù hợp cho việc sử dụngvà đạt mức tiện lợi nhất Việc điều khiển từ xa đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vựccủa cuộc sống Chính vì thế chúng em đã mạnh dạn lựa chọn đề tài “ Mô hình xe hútbụi điều khiển từ xa bằng hồng ngoại và điện thoại android”. Đề tài ứng dụngcông nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so vớicác sản phẩm hiện có là điều khiển thông qua hệ điều hành Android giúp tận dụngnhững thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúp giảm giáthành sản phẩm, ngoài ra với màn hình hiển thị lớn của điện thoại cho phép hiển thịnhiều thông tin hơn Mục tiêu của nhóm là xây dựng một mô hình thử nghiệm có khảnăng di chuyển linh hoạt và tránh được các chướng ngại vật một cách tự động.

Báo cáo này sẽ giới thiệu chi tiết về cấu trúc và thiết kế cảu mô hình, quá trình lậptrình và tích hợp các thành phần, cũng như các thử nghiệm và kết quả đạt được Nhómsẽ nêu rõ các thách thức mà nhóm đã gặp phải và cách thức nhóm đã vượt qua chúng.

Hy vọng rằng thông qua báo cáo này, thầy sẽ có cái nhìn sâu rộng hơn về quy trìnhphát triển và ứng dụng của trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực xe điều khiển tự động Nhómhy vọng rằng mô hình này sẽ cung cấp kiến thức cơ bản và khuyến nghị cho nhữngngười quan tâm và muốn khám phá thêm về lĩnh vực này.

Nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới Th.S Lê Đức Thuận – giảng viên trựctiếp hướng dẫn và chỉ dạy nhóm em hoàn thành bản báo cáo đề tài này Thầy đã dànhnhiều thời gian của mình hướng dẫn đề tài, tận tình tư vấn, sửa những lỗi nhỏ, tạo điềukiện để nhóm có thể hoàn thiện một cách tốt nhất.

LỜI NÓI ĐẦU 2

DANH MỤC HÌNH VẼ ii

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

CHƯƠNG 1 KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa 1

1.2 Phương pháo mã hóa trong điều khiển từ xa 2

1.2.1 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại 2

1.2.2 Điều khiển từ xa bằng Bluetooth 6

2.2.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04 18

2.2.5 Module thu phát Bluetooth HC-05 20

2.2.6 Bộ điều khiển hồng ngoại 24

Thông số module thu hồng ngoại + Remote IR1838 24

2.2.7 Một số linh kiện khác 26

2.3 Phân tích và xác định yêu cầu 27

2.3.1 Mục đích của đề tài 27

2.3.2 Xây dựng biểu đồ use case tổng quát 28

2.3.3 Đặc tả ca sử dụng điều khiển bàng hồng ngoại 28

2.3.4 Đặc tả ca sử dụng điều khiển bằng Bluetooth 31

Bảng 2.8 Bảng mô tả ca sử dụng Xoay sang trái 32

2.3.5 Ca sử dụng tự hành tránh vật cản 33

2.3.6 Ca sử dụng tự hành tránh vật cản 34

2.3.7 Biểu đồ tuần tự 35

2.3.7.1 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng tiến lên 35

2.3.7.2 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng lùi lại 35

2.3.7.3 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng xoay sang trái 36

2.4 Thiết kế hệ thống 38

2.4.1 Sơ đồ khối 38

2.4.2 Sơ đồ thuật toán 39

2.5 Thiết kế hệ thống 42

2.5.1 Sơ đồ kết nói động cơ với shield L293D 42

2.5.2 Sơ đồ kết nối mạch với cảm biến siêu âm 43

2.5.3 Sơ đồ mạch với modul hồng ngoại 43

2.5.4 Sơ đồ mạch với cảm biến modul bluetooth 43

2.5.5 Sơ đồ mạch tổng quát của hệ thống 43

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công nghệ không dây Bluetooth 4.0 2

Hình 2.1 Kiến trúc của hệ thống mô hình xe điều khiển 6

Hình 2.2 Arduino UNO R3 7

Hình 2.3 Vi điều khiển ATmega328 8

Hình 2.4 Các cổng vào/ra trên Arduino UNO R3 10

Hình 2.5 Mạch điều khiển động cơ DC L298N cầu H 11

Hình 2.6 Các chân tín hiệu của module L298N 12

Hình 2.7 Động cơ Servo Tower Pro 9g 13

Hình 2.8 Kích thước bánh răng kim loại của Servo MG90S 14

Hình 2.9 Cảm biến siêu âm UltraSonic HY-SRF05 15

Hình 2.10 Biểu đồ thời gian của HY-SRF05 ở chế độ 1 16

Hình 2.11 Biểu đồ thời gian của HY-SRF05 ở chế độ 2 17

Hình 2.12 Module thu phát Bluetooth HC-05 17

Hình 2.13 Chi tiết module thu phát Bluetooth HC-05 18

Hình 2.14 Động cơ Motor DC 20

Hình 2.15 Pin 21

Hình 2.16 Dây dẫn đực, cái 21

Hình 2.17 Biểu đồ ca sử dụng của hệ thống 22

Hình 2.18 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng tiến lên 28

Hình 2.19 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng lùi lại 28

Hình 2.20 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng xoay sang trái 29

Hình 2.21 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng xoay sang phải 29

Hình 2.22 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng dừng lại 30

Hình 2.23 Biểu đồ tuần tự ca sử dụng tự hành tránh vật cản 30

Hình 2.24 Lưu đồ giải thuật chính trên Arduino 31

Hình 2.25 Lưu đồ giải thuật tự hành tránh vật cản 32

Hình 2.26 Lưu đồ giải thuật xử lý lệnh di chuyển 33

Hình 2.27 Sơ đồ mạch điều khiển xe 34

Hình 2.28 Sơ đồ mạch điều khiển xe mô phỏng trên Proteus 34

Hình 2.29 Giao diện ứng dụng Bluetooth RC Controller xin quyền 35

Hình 2.30 Giao diện ứng dụng Bluetooth RC Controller 35

Hình 2.31 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 36

Hình 2.32 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 37

Hình 2.33 Hình ảnh sản phẩm hoàn thiện 37

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng mô tả ca sử dụng Tiến lên 22

Bảng 2.2 Bảng mô tả ca sử dụng Lùi lại 23

Bảng 2.3 Bảng mô tả ca sử dụng Xoay sang trái 24

Bảng 2.4 Bảng mô tả ca sử dụng Xoay sang phải 24

Bảng 2.5 Bảng mô tả ca sử dụng Dừng lại 25

Bảng 2.6 Bảng mô tả ca sử dụng Tự hành tránh vật cản 26

CHƯƠNG 1 KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa

Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từmột khoảng cách xa Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiểnbằng tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng Bluetooth, hệ thống điều khiển từxa bằng cáp quang, dây dẫn.

Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm:

 Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức và phát đi, ở trongthiết kếnày nhóm em sử dụng thiết bị phát là Remote hồng ngoại đối với phương phápđiều khiển qua sóng hồng ngoại và thiết bị phát là điện thoại Android vớiphương pháp điều khiển qua sóng bluetooth.

 Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu.Trongthiết kế nhóm em sử dụng 2 đường truyền là sóng hồng ngoại và sóngbluetooth.

 Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biếnđồi,biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành.Trongthiết kế của nhóm em thì thiết bị thu là mắt thu hồng ngoại 1838 vàmodule Bluetooth HC05.

Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa

1.2 Phương pháo mã hóa trong điều khiển từ xa

Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng đã đượcrời rạc hóa tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành

số(thường là nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ thiết bị phát Ở thiết bị thu,các tínhiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi trê: giải mã, liêntục hóa,

1.2.1 Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại1.2.1.1 Khái niệm

Ánh sáng hồng ngại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mứtthường có bước sóng khoảng 0.8 m đến 0.9 m, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằngm đến 0.9m, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng m đến 0.9m, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằngvận tốc ánh sáng.

Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu Nó ứng dụng rộngrãi trongcông nghiệp Lượng thông tin có thể đạt được tới 3Mbit/s … Trong kỹthuật truyền tinbằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng,người ta có thể truyềnmột lúc 15000 điện thoại hay 15 kênh truyền hình qua mộtsợi tơ quang với đường kính0.13mm với khoảng cách 10Km đến 20Km Lượngthông tin được truyền đi với ánhsáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần.

Tia hồng ngoại dễ hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém Trong điều khiển từxa, tia hồngngoại phát đi hẹp, có hướng do đó phải thu đúng hướng.

1.2.1.2 Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó

Các nguồn sóng nhân tạo thường có nhiều sóng hồng ngoại Hình dưới cho taquangphổ của các nguồn phát sáng này.

Hình 1.1: Quang phổ của các nguồn sóng hồng ngoại

Trong đó: IRED: Diode hồng ngoạiLA: laser bán dẫn

LR: đèn huỳnh quangQ: bóng đèn thủy tinh

W: bóng đèn ddienj với dây tiêm volframPT: phototransitor

1.2.1.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại

a Ưu điểm

 Không dây dẫn

 Led phát và thu nhỏ, gọn dễ thiết kế lắp đặt và có độ tin cậy cao. Áp cung cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ

 Điều khiển được nhiều thiết bị.

 Tính khả thi cao, linh kiện dễ tìm thấy và dễ thi công

b Nhược điểm

 Tầm xa bị hạn chế Dòng điện cao tức thời

 Nhiều hồng ngoại do các nguồn nhiệt xung quanh ta ohats ra, nên nó ảnh hưởngvà hạn chế tầm phát Do đó chỉ dùng trong phòng , kho va fnowis ít bị ảnhhưởng của nhiệt độ môi trường

 Hạn chế khi bị vật cản nên không thể truyền được xa.

1.2.1.4.Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại nói chung

a,Máy phát

Hình 1.2: Sơ đồ máy phát

Giải thích sơ đồ máy phát:

Máy phát có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiển, mã hóa và phát tín hiệu đếnmáy thulệnh truyền đi đã được điều chế.

Khối phát lệnh điều khiển: khối này có nhiệm vụ tạo ra lệnh điều khiểntừ nút nhấn(phím điều khiển) Một khi phím nhấn được ấn tức là một lệnh đã đượcphát ra Các nútnhấn có thể là một nút, hay ma trận nút Ma trận phím được bố trítheo cột và hàng.Lệnh điều khiển được đưa đến bộ mã hóa dưới dạng các bit nhịphân tương ứng vớitừng phím điều khiển.

Khối mã hóa: để truyền các tín hiệu khác nhau đến máy thu mà chúngkhông lẫn lộnnhau, ta phải tiến hành mã hóa các tín hiệu (lệnh điều khiển) Khốimã hóa này cónhiệm vụ biến đổi các lệnh điều khiển thành các bit nhị phân, hiệntượng biến đổi nàygọi là mã hóa Có nhiều phương pháp mã hóa khác nhau:

 Điều chế biên độ xung Điều chế vị trí xung Điều chế độ rộng xung Điều chế mã xung

Trong kỹ thuật điều khiển từ xa dùng tia hồng ngoại, phương pháp điều chế mã xungthường được sử ụng nhiều hơn cả, vì phương pháp này tương đối đơn giản, dễ thựchiện.

 Khối dao động tạo sóng mang: khối này có nhiệm vụ tao ra sóng mangcó tần sốổn định, sóng mang này sẽ mang tín hiệu điều khiển khi truyền ra môitrường.

 Khối điều chế: khối này có nhiệm vụ kết hợp với tín hiệu điều khiển đãmã hóasóng mang để đưa đến khối khuếch đại.

 Khối khuếch đại: khuếch đại tín hiệu đủ lớn để led phát hồng ngoại phátra môitrường.

 Led phát: biến đổi tín hiệu điện thành tín hiệu hồng ngoại phát ra ngoài môitrường.

Led thu: thu tns hiệu hồng ngoại do máy phát truyền tới và biến đổi thành tín hiệu điềukhiển

Khối khuếch đại L có nhiệm vụ khuếch địa tín hiệu điều khiển lớn lên từ Led thu hồngngoại để quá trình xử lý tín hiệu được dễ dàng

Khối tách sóng mang: khối này có chức năng triệt tiêu sóng mang, chỉ giữ lại tín hiệuđiều khiển như tín hiệu gửi đi từ máy phát.

Khối giải mã : giải mã tín hiệu điều khiển thành các lệnh điều khiển dưới dạng các bitnhị phân hay các dạng khác để đưa đến khối chấp hàng cụ thể Do đó nhiệm vụ củakhối này là rất quan trọng

Khối chốt: có nhiệm vụ giữ nguyên trạng thái tác động khi tín hiệu điều khiển khôngcòn, điều này có nghĩa là khi phát lệnh điều khiển ta chỉ tác động vào phím ấn 1 lần,trạng thía chỉ thay đổi khi ta ác động vào nút khác thực hiện lệnh điều khiển khácKhối khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu điều khiển đủ lớn để tác động vào mạch chấphành

Khối chấp hành: có thể là role một linh kiện điều khiển nào đó, đây là khâu cuối cùngtác động trực tiếp vào thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển mong muốn

1.2.2 Điều khiển từ xa bằng Bluetooth1.2.2.1.Lịch sử phát triển của Bluetooth

Bluetooth đã được phát triển bởi công ty di động Thụy Điển Ericsson vào nhữngnăm 1990 Tên Bluetooth xuất phát từ cái tên của vị viking huyền thoại người ThụyĐiển, Harald “Bluetooth” Gormsson, người đã thống nhất các vương quốcScandinavia Bletooth cũng được thiết kế để thống nhất việc kết nối các thiết bị khôngdây.

 Blutooth 1.0 (7/1999): phiên bản đầu tiên được đưa ra thị trường với tốc độ kếtnối ban đầu là 1Mbps Tuy nhiên, trên thực tế tốc độ kết nối của thế hệ nàychưa bao giờ đạt quá mức 700Kbps.

 Bluetooth 1.1 (2001): Đánh dấu bước phát triển mới của công nghệ Bluetoothtrên nhiều lĩnh vực khác nhau với sự quan tâm của nhiều nhà sản xuất mới. Bluetooth 1.2 (11/2003): Bắt đầu có nhiều tiến bộ đáng kể Chuẩn này hoạt

động dựa trên băng tần 2.4GHz và tăng cường kết nối thoại.

 Bluetooth 2.0+ERD (2004): Bắt đầu nâng cao tốc độ và giảm thiểu một nửanăng lượng tiêu thụ so với trước đây Tốc độ của chuẩn Bluetooth lên đến2.1Mbps với chế độ cải thiện kết nối truyền tải–ERD (Enhanced data rate). Bluetooth 2.1+ERD (2004): đây chính là thế hệ nâng cấp củaBluetooth 2.0 có

hiệu năng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

 Bluetooth 3.0+HS (2008): có tốc độ truyền dữ liệu đạt mức 24Mbps – bằngsóng Blutooth – High Speed, tương đương chuẩn Wifi thế hệ đầu tiên, phạm vihiệu quả nhất chỉ trong vòng 10m.

 Bluetooth 4.0 (30/06/2010): chuẩn Bluetooth mới nhất hiện nay Bluetooth 4.0là sự kết hợp của “classic Bluetooth” (Bluetooth 2.1 và 3.0), “Bluetooth highspeed” ( Bluetooth 3.0 + HS) và “ Bluetooth low energy –Bluetooth năng lượng

thấp (Bluetooth Smart Ready/ Bluetooth Smart) “Bluetooth low enegry” là mộtphần của Bluetooth 4.0 với một giao thức tiêu chuẩn của Bluetooth 1.0 vào 4.0nhằm phục vụ cho những ứng dụng năng lượng cực thấp.

1.2.2.2 Ưu và nhược điểm của điều khiển từ xa qua Bluetooth

a Ưu điểm

 Tiêu thụ năng lượng thấp: Bluetooth đã phát triển phiên bản Bluetooth LowEnergy (BLE) để hỗ trợ cá ứng dugnj yêu cầu tiết kiện năng lươnhj như cacsthiết bị loT BLE cho phép cá thiết bị hoạt động trong thười gian dài với pin cótuổi thọ cao.

 Tiện lợi và đơn giản: Bluetooth tạo ra kết nối không dây giữa các thiết bị mộtcách dễ dàng và nhanh chóng Không cần dây cap hoặc kết nối phức tạp, ngườidùng có thể kết nối các thiết bị Bluetooth chỉ trong vài bước đơn giản.

 Cho phép ứng dụng được nhiều loại thiết bị bao gồm các thiết bị cầm tay vàđiện thoại di động: Công nghệ Bluetooth được tích hợp vào rất nhiều loại thiếtbị, từ điệnt hoại di động và máy tính đến loa, tai nghe, bàn phím, chuột, đồnghộ thông minh, và nhiều thiết bị khác Điều này tạo ra sự tương thích rộng rãigiữa các sản phẩm và thương hiệu khác nhau.

 Giá thành ngày một giảm.

 Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị kết nối có thể lên đến 100m. Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tới

đa 1Mbps mà các thiết bị không cần phải trực tiếp thấy nhau.

 Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng nàyvới một ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, do đó có thể độc lập vềphần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.

 Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềmhỗ trợ.

 Bảo mật: Bluetooth đã cải tiến tính bảo mật qua các phiên bản, bao gồm mã hóadữ liệu và cơ chế xác thực để ngăn chặn các cuộc tấn công.

b, Nhược điểm

 Khoảng cách kết nối còn ngắn so với công nghệ mạng không dây khác.

 Chỉ kết nối được hai thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng Hoạt độngBluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho các kết nối thiết bịcá nhân hay mạng cục bộ nhỏ trong phạm vi băng tần từ 2.4GHz đến

2.485GHz Bluetooth được thiết kế hoạt động trên 79 tần số đơn lẻ Khi kết nối,nó sẽ tự động tìm ra tần số tương thích để di chuyển đến thiết bị cần kết nốitrong khu vực nhằm đảm bảo sự liên tục.

 Tốc độ truyền dữ liệu thấp: Mặc dù các phiên bản Bluetooth mới có tốc độtruyền dữ liệu nhanh hơn, nhưng so với một số công nghệ truyền tải dữ liệukhông dây khác như Wifi, tốc độ truyền dữ liều của Bluetooth vẫn thấp.

 Trong trường hợp kết nối nhiều thiết bị: Khi có nhiều thiết bị kết nối đồng thờivới cùng một thiết bị Bluetooth (ví dụ như loa Bluetooth), khả năng xung độthoặc gây rối có thể xảy ra, dẫn đến sự giảm chất lượng kết nối hoặc âm thanh. Tiêu thụ năng lượng: Mặc dù Bluetooth Low Energy (BLE) đã được phát triển

để tiết kiệm năng lượng, nhưng các ứng dụng sử dụng Bluetooth vẫn có thể tiêuthụ nhiều năng lượng, đặc biệt là khi truyền dữ liệu lớn hoặc khi sử dụng kếtnối liên tục.

1.2.2.3.Các ứng dụng nổi bật

Các ứng dụng nổi bật của Bluetooth gồm:

 Điều khiển và giao tiếp không dây giữa một điện thoại di động và tai nghekhông dây.

 Mạng không dây giữa các máy tính cá nhân trong một không gian hẹp đòi hỏi ítbăng thông.

 Giao tiếp không dây với các thiết bị vào ra của máy tính, chẳng hạn như chuột,bàn phím và máy in.

 Truyền dữ liệu giữa các thiết bị dùng giao thức OBEX.

 Thay thế các giao tiếp nối tiếp dùng dây truyền thống giữa các thiết bị đo, thiếtbị định vị dùng GPS, thiết bị y tế, máy quét mã vạch, và các thiết bị điều khiểngiao thông.

 Thay thế các điều khiển dùng tia hồng ngoại.

 Điều khiển từ xa cho các thiết bị trò chơi điện tử như Wii - Máy chơi trò chơiđiện tử thế hệ 7 của Nintendo[5] và PlayStation 3 của Sony.

 Kết nối Internet cho PC hoặc PDA bằng cách dùng điện thoại di động thaymodem.

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

 Mô hình xe hút bụi tự vận hành tránh vật cản: mô hình xe điều khiển sẽ đượcchia nhỏ thành 3 phần bao gồm khối nhận lệnh, khối điều khiển và khối thựcthi.

Hình 2.1 Kiến trúc của hệ thống mô hình xe điều khiển

o Khối nhận lệnh: sẽ sử dụng module thu phát IR và Bluetooth để nhận tínhiệu điều khiển và giao tiếp với khối điều khiển.

o Khối điều khiển: sử dụng để xử lý lệnh nhận được từ khối nhận lệnh, quađó điều khiển các module khác theo yêu cầu.

o Khối vận hành: khối này sẽ bao gồm module điều khiển, các motor giúpxe có thể chuyển động.

2.2 Linh kiện phần cứng

2.2.1 Arduino UNO R3

Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nóitới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3(R3) Đây là một board điều khiển nhỏ gọn, được thiết kế để giúp người dùng thực thicác dự án điện tử và lập trình nhúng một cách dễ dàng.

Hình 2.2 Arduino UNO R3

2.2.1.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3

 Vi điều khiển: ATmega328 họ 8bit.

 Điện áp hoạt động: 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB). Tần số hoạt động: 16 MHz.

 Dòng tiêu thụ khoảng: 30mA.

 Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V DC. Điện áp vào giới hạn: 6-20V DC.

 Số chân Digital I/O: 14 (6 chân hardware PWM). Số chân Analog: 6 (độ phân giải 10bit).

 Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 30 mA. Dòng ra tối đa (5V): 500 mA.

 Dòng ra tối đa (3.3V): 50 mA.

 Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi bootloader. SRAM: 2 KB (ATmega328).

 EEPROM: 1 KB (ATmega328).

2.2.1.2 Vi điều khiển

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điềukhiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đonhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

Hình 2.3 Vi điều khiển ATmega328

Thiết kế tiêu chuẩn của Arduino UNO sử dụng vi điều khiển ATmega328 Tuynhiên nếu yêu cầu phần cứng của bạn không cao hoặc túi tiền không cho phép, bạn cóthể sử dụng các loại vi điều khiển khác có chức năng tương đương nhưng rẻ hơn nhưATmega8 (bộ nhớ flash 8KB) hoặc ATmega168 (bộ nhớ flash 16KB).

Ngoài việc dùng cho board Arduino UNO, bạn có thể sử dụng những IC điều khiểnnày cho các mạch tự chế Vì sao ? Vì bạn chỉ cần board Arduino UNO để lập trình chovi điều khiển Trên thực tế, bạn không cần phải dụng Arduino UNO trên các sản phẩmcủa mình, thay vào đó là các mạch tự chế để giảm chi phí.

2.2.1.3 Năng lượng

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

Các chân năng lượng:

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng

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

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương

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

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo

ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn. RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với

việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.Lưu ý:

 Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó phải hết sức cẩnthận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO.Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một miếngnhựa chặn giấy

 Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho cácthiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trícó thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích.

 Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6Vcó thể làm hỏng board.

 Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điềukhiển ATmega328.

 Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của ArduinoUNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.

 Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽlàm hỏng vi điều khiển.

 Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của ArduinoUNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng đểtruyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.

2.2.1.4 Bộ nhớ

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

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớFlash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ đượcdùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớnày đâu.

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báokhi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộnhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thànhthứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.

 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu củamình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trênSRAM.

2.2.1.5 Các cổng vào/ra

Arduino UNO 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 mỗi chânđều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặcđịnh thì các điện trở này không được kết nối).

Hình 2.4 Các cổng vào/ra trên Arduino UNO R3

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

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive– RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông

qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nốiSerial không dây.

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép xuất ra xung PWM với độ phân

giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàmanalogWrite() 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 nhữngchân khác.

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các

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

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm

nút Reset 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 UNO 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 trên board,bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạncấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trongkhoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có 2

chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.

2.2.2 Module điều khiển động cơ Shield L293D

Motor Driver Shield L293Dtương thích tốt với board Arduino Uno R3, ArduinoLeonado, Arduino Mega 2560.

Motor Driver Shield L293D sử dụng 2 IC cầu H L293D và 1 IC logic 74HC595 điềukhiển Do đó, shield này có thể điều khiển nhiều loại motor khác nhau với mức áp lênđến 36V, dòng tối đa 600mA mỗi kênh điều khiển.

L293D là một IC cầu H tương tự như IC SN754410 Motor Driver Shield L293D tích

hợp sẵn 2 IC L293D giúp bạn có thể dễ dàng thao tác với IC hơn

Hình 2.5 Module điều khiển động cơ Shield L293D

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp đầu vào: 4.5V đến 36V.

- Tương thích với các board Arduino Uno R3, Arduino Leonardo R3 và ArduinoMega 2560.

- Có thể điều khiển động cơ DC (4 động cơ), động cơ servo (2 động cơ) và động cơ bước (2 động cơ) 2 cổng điều khiển servo motor được đánh dấu: Servo_1 và Servo_2 trên linh kiện Các cổng điều khiển động cơ DC được đánh dấu lần lượtlà M1, M2, M, M4, chân giữa là chân GND.

- 2 cổng điều khiển động cơ servo có điện áp vào 5V với timer có độ phân giải cao, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển bằng Arduino có độ chính xác cao Đặc biệt không có jitter.

- Có 2 IC Driver L293D, do đó sẽ có 4 cầu H để điều khiển được 4 động cơ DC Mỗi cầu H có dòng ra tối đa 0.6A (dòng chịu đựng cực đại là 1.2A) ở mỗi kênh điều khiển.

- Các cổng M dùng điều khiển động cơ DC được điều khiển bằng tín hiệu PWM.- Driver còn hỗ trợ điều khiển 2 động cơ bước, với 2 cổng dùng cho 2 động cơ servo có thể được dùng cho động cơ bước Với Shield L293D, động cơ bước có thể vận hành ở tất cả các chế độ: full step, half step và micro-step Động cơ bướcdùng cho driver có thể là loại đơn cực (unipolar) hoặc lưỡng cực (bipolar).

- Có sẵn nút RESET để khởi động lại board Arduino.

- Điều khiển được số lượng motor như sau:+ 2 jack cắm điều khiển 2 động cơ RC servo.+ 4 ngõ ra điều khiển đến 4 động cơ DC độc lập.

+ 2 động cơ step motor loại đơn cực (unipolar) hoặc lưỡng cực (bipolar)

+ Mạch tích hợp điện trở nối GND giúp cho không tự chạy khi khởi động board.- Các chân mà Arduino Motor Shield sử dụng là:

+ Chân điều khiển 2 RC servo được kết nối với chân số 9 và 10 Nguồn cung cấp được lấy trực tiếp từ board Arduino.

+ Motor 1 nối với chân 11+ Motor 2 nối với chân 3+ Motor 3 nối với chân 5+ Motor 4 nối với chân 6

+ Chân 4, 7, 8, 12 dùng điều khiển motor thông qua IC 74HC595.

- Ngoài ra để tiện cho việc sử dụng nguồn cắm ngoài, trên Arduino Motor Shieldsử dụng 1 jumper PWR mục đích để lấy nguồn ngoài thông qua jack DC của board arduino để cung cấp nguồn cho motor hoạt động Nếu trong trường hợp chúng ta không sử dụng jumper này thỉ phải cấp 1 nguồn riêng vào chân EXT_PWR để cấp nguồn cho motor hoạt động.

2.2.3.Động cơ Servo MG90S

Động cơ Servo MG90S bánh răng kim loại là phiên bản nâng cấp của động cơ RCServo 9G với các bánh răng được làm bằng kim loại cho lực khéo khỏe và độ bền cao,động cơ có kích thước nhỏ gọn, cách điều khiển giống như các động cơ RC Servo phổ

biến trên thị trường hiện nay: MG996, MG995, 9G,….

Hình 2.6 Động cơ Servo Tower Pro 9g

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra củađộng cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽđược hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển độngquay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mongmuốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC(radio-controlled) Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiểnbằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động cơservo nhận tín hiệu từ máy thu này.

 Tần số 50Hz, chu kỳ 20ms.

Kích thước Servo MG90S (Bánh răng kim loại):

Hình 2.7 Kích thước bánh răng kim loại của Servo MG90S

2.2.4 Cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 được sử dụng để nhận biết khoảng cách từ vật thể đến cảm biến nhờ sóng siêu âm, cảm biến có thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng phát hiện vật cản, đo khoảng cách bằng sóng siêu âm.

Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 sử dụng cặp chân Echo / Trigger để phát và nhận tín hiệu, cảm biến được sử dụng phổ biến với vô số bộ thư viện và Code mẫu với Arduino.