THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG BLUETOOTH VÀ TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA:KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ CHUYÊN ĐỀ XỬ LÍ TÍN HIỆU TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG BLUETOOTH VÀ TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN TÊN THÀNH VIÊN: ĐỖ HOÀNG CÔNG VŨ ĐỨC ANH NGUYỄN SỸ HÙNG LÊ VĂN AN LỚP : D11XLTH NHÓM : 10 HÀ NỘI, 2014 MỤC LỤC 2 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AC : Alternating current : Dòng xoay chiều AMA : Active member address ACL : Asynchronous connectionless : Phi kết nối không đồng bộ ARM : Advanced RISC machine : Cấu trúc ARM CPU : Central processing unit : Bộ xử lý trung tâm CSR : Cambridge silicon radio : Tên công ty công nghệ của Anh CES : Consumer electronics show : Nơi triển lãm các sản phẩm điện tử tiêu dùng CRC : Cyclic redundancy check : Tên một loại hàm băm DC : Dòng một chiều : Direct Current DMA : Direct memory access : Truy cập bộ nhớ trực tiếp ERD : Enhanced data rate : Cải thiện kết nối truyền tải FEC : Forward error correction : Sửa lỗi ở phía trước ISM : Industrial, scientific, medical : Băng tần ISM IEEE : Institute of electrical and electronics engineers : Viện kỹ nghệ Điện và Điển tử IrDA : Infrared data association : Hiệp hội dữ liệu hồng ngoại ISR : Chương trình phục vụ ngắt : Interrupt service routine JTAG : Joint test action group : Công nghệ kiểm tra PCB kết hợp công nghệ Boundary scan MAC : Media access control : Là một định danh duy nhất được gán cho thiết bị mạng 3 LMP : Link management protocol : Giao thức quản lý tuyến PC : Máy tính cá nhân : Personal computer PMA : Packed member address : Là số 8 bit để phân biệt các Packed slave với nhau UART : Universal asynchronous receiver/ Transmitter : Bộ truyền / nhận dữ liệu không đồng bộ USART : Universal synchronous & asynchronous receiver/ Transmitter : Bộ truyền / Nhận dữ liệu đồng bộ và không đồng bộ STM : Stmicroelectronics : Tên hãng, viết tắt là STM SIG : Special interest group : Nhóm quan tâm đặc biệt SCO : Synchronous connection – oriented : Các dịch vụ truyền thông có liên kết SWD : Serial wire debug : Tên một chuẩn TS : Time slots : Khe thời gian WPAN : Wireless personal area network : Các mạng cá nhân không dây 4 DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH 5 LỜI MỞ ĐẨU Theo dự đoán trong tương lai, robot sẽ là tâm điểm của một cuộc cách mạng lớn sau Internet Con người sẽ có nhu cầu sở hữu một robot cá nhân như nhu cầu một máy tính PC bây giờ Với xu hướng này, cùng các ứng dụng truyền thống khác của robot trong công nghiệp, y tế, giáo dục đào tạo, giải trí và đặc biệt là trong an ninh quốc phòng thì thị trường robot sẽ vô cùng to lớn Trong công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa của đất nước ta hiện nay, ngành kỹ thuật điện tử là một trong những ngành mũi nhọn giúp cho Việt Nam có nhiều cơ hội hòa nhập với nền công nghệ trên toàn thế giới Những công trình nghiên cứu khoa học hàng năm của các sinh viên, các thạc sỹ, tiến sỹ, giáo sư cũng từng bước đóng góp nên bức tranh toàn cảnh về sự phát triển của khoa học nước nhà Hiện nay, dòng chip xử lý lõi ARM (Acorn RISC Machine) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống nhúng mà đơn cử là các thiết bị di động do ưu thế tuyệt vời về tiết kiệm năng lượng, tốc độ xử lý cao và luôn sẵn có các công cụ hỗ trợ phần cứng, phần mềm Sự kết hợp chip ARM vào điều khiển Robot ở Việt Nam còn khá mới mẻ, do đó việc tìm hiểu và nghiên cứu lĩnh vực này là một việc cần thiết Vì vậy, chúng em quyết định chọn đề tài của mình là: “THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN BẰNG BLUETOOTH VÀ TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN” Đồ án tập trung vào việc thiết kế mô hình điều khiển với hai chức năng đó là: - Điều khiển từ xa bằng Bluetooth thông qua PC Chức năng tự chạy tránh vật cản bằng sòng siêu âm Tuy đã có nhiều cố gắng, nhưng do vốn kiến thức và thời gian còn hạn chế nên không tránh khỏi được những sai sót và khuyết điểm, chúng em rất mong nhận được những nhận xét, góp ý của cô để đề tài được hoàn thiện 6 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích chọn đề tài Sau quãng thời gian học tập, tích lũy kiến thức ở giảng đường đại học,chúng em muốn vận dụng những kiến thức được học để xây dựng một hệ thống hoàn chỉnh, vì vậy chúng em đã chọn đề tài “Thiết kế mô hình xe điều khiển bằng bluetooth” với nhiệm vụ xây dựng mô hình xe điều khiển có khả năng điều khiển bằng Bluetooth thông qua PC, ngoài ra xe có thể tự chạy tránh vật cản bằng sóng siêu âm, sản phẩm có thể sử dụng để phục vụ con người thực hiện một số công việc đơn giản như mang café, hút bụi, hoặc có thể dùng trong công nghiệp như: thám hiểm, đến do thám được những nơi độc hại mà con người không thể tự đặt chân đến… 1.2 Ý tưởng thiết kế 1.2.1 Thiết bị điều khiển - - Để thực hiện chức năng điều khiển bằng Bluetooth, hệ thống được xây dựng với bộ công cụ điều khiển trên máy tính bao gồm những phím: Tiến, Lùi, Trái, Phải, Dừng lại, Connect, Disconnect Bộ công cụ này có tác dụng điều khiển thiết bị ngoại vi thông qua sóng Bluetooth trên PC Để thực hiện chức năng tự chạy tránh vật cản bằng sóng siêu âm, hệ thống được thiết kế với một công tắc đặt trên thân xe 1.2.2 Thiết bị ngoại vi - - Hệ thống sử dụng một module Bluetooth để truyền nhận dữ liệu với PC và được điều khiển bởi một vi điều khiển Vi điều khiển có nhiệm vụ chính là xử lý tín hiệu nhận được từ module Bluetooth và điều khiển hai động cơ DC của xe Hệ thống sử dụng ba cảm biến siêu âm, lắp ở ba vị trí: trái, phải, trước của thân xe Các cảm biến này có nhiệm vu đo khoảng cách đến vật cản và truyền dữ liệu về vi điều khiển Để đơn giản trong việc lập trình, em chọn dùng vi điều khiển STM32, đây là dòng vi điều khiển quen thuộc, đáp ứng được các yêu cầu của đề tài 7 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Công nghệ Bluetooth 2.1.1 Giới thiệu công nghệ bluetooth Tên gọi Bluetooth (có nghĩa là "răng xanh") là tên của nhà vua Đan Mạch – Harald I Bluetooth (Danish Harald Blaatand người đã thống nhất Thụy Điển và Nauy), người Viking nổi tiếng về khả năng giúp mọi người có thể giao tiếp, thương lượng với nhau Thời điểm ban đầu của kỉ nguyên công nghệ không dây Bluetooth, Bluetooth có ý nghĩa là thống nhất công nghiệp máy tính và viễn thông Có lẽ những nhà nghiên cứu đã dùng tên này để nhấn mạnh việc các thiết bị có thể trao đổi, kết nối với nhau mà không phụ thuộc vào loại máy hay nhà sản xuất Hình 2.1 Logo Bluetooth Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM (Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40 – 2.48 GHz Và có khả năng truyền tải giọng nói và dữ liệu Phạm vi hoạt động của thiết bị Bluetooth là khoảng 10m Bluetooth truyền dữ liệu với tốc độ 1 Mbps, nhanh gấp 3 và 8 lần tốc độ trung bình của cổng song song và cổng serial tương ứng Đây là dãy băng tần không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau một cách thuận lợi với giá thành rẻ Khi được kích hoạt Bluetooth có thể tự động định vị những thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng 2.1.2 Phương thức hoạt động của Bluetooth 8 2.1.2.1 - - - Cơ chế truyền và sửa lỗi Kỹ thuật Bluetooth rất phức tạp Nó dùng kỹ thuật nhảy tần số trong các timeslot (TS), được thiết kế để làm việc trong môi trường nhiễu tần số radio, Bluetooth dùng chiến lược nhảy tần để tạo nên sức mạnh liên kết truyền thông và truyền thông thông minh Cứ mỗi lần gửi hay nhận một packet xong, Bluetooth lại nhảy sang một tần số mới, như thế sẽ tránh được nhiễu từ các tín hiệu khác So sánh với các hệ thống khác làm việc trong cùng băng tần, sóng radio của Bluetooth nhảy tần nhanh và dùng packet ngắn hơn Vì nhảy nhanh và packet ngắn sẽ làm giảm va chạm với sóng từ lò vi sóng và các phương tiện gây nhiễu khác trong khí quyển Có 3 phương pháp được sử dụng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền đi là: + Forwad Error Corrrection + Automatic Repeat Request + Cyclic Redundancy Check - - - Bluetooth dùng kỹ thuật sửa lỗi tiến FEC (Forward Error Correction) để sửa sai do nhiễu tự nhiên khi truyền khoảng cách xa FEC cho phép phát hiện lỗi, biết sửa sai và truyền đi tiếp (khác với kỹ thuật BEC-Backward Error Control chỉ phát hiện, không biết sửa, yêu cầu truyền lại) Giao thức băng tần cơ sở (Baseband) của Bluetooth là sự kết hợp giữa chuyển mạch và chuyển đổi packet Các khe thời gian có thể được dành riêng cho các packet phục vụ đồng bộ Thực hiện bước nhảy tần cho mỗi packet được truyền đi Một packet trên danh nghĩa sẽ chiếm 1 timeslot, nhưng nó có thể mở rộng chiếm đến 3 hay 5 timeslot Bluetooth hỗ trợ 1 kênh dữ liệu bất đồng bộ, hay 3 kênh tín hiệu thoại đồng bộ nhau cùng một lúc, hay 1 kênh hỗ trợ cùng lúc dữ liệu bất đồng bộ và tín hiệu đồng bộ 2.1.2.2 Ưu nhược điểm của công nghệ Bluetooth - Ưu điểm + Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị, bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động + Giá thành ngày một hạ + Khoảng cách giao tiếp cho phép giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời và 5m trong toà nhà + Bluetooth sử dụng băng tần 2,4GHz trên dãy băng tần ISM Tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau (light-of-sight requirements) 9 + Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có thể độc lập về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng + An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hoá + Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần mềm hỗ trợ - NHƯỢC ĐIỂM: + Sử dụng mô hình adhoc nên không thể thiếp lập các ứng dụng thời gian thực + Khoảng cách kết nối còn ngắn so với các công nghệ mạng không dây khác + Số thiết bị Active, pack trong cùng một piconet còn hạn chế + Tốc độ truyền không cao 2.2 Cảm biến siêu âm 2.2.1 Đặc điểm và nguyên lý của cảm biến siêu âm 2.2.1.1 Khái niệm cơ bản Cảm biến siêu âm được phát triển từ việc sử dụng các đặc điểm cảm biến siêu âm Là tần số trên 20kHz sóng cơ học siêu âm từ các kích thích bộ chuyển đổi điện áp wafer rung động xảy ra, và nó có tần số cao, chiều dài sóng, sự nhiễu xạ nhỏ, đặc biệt là định hướng tốt, để được hướng dẫn, phổ biến tia tính năng Siêu âm cho chất lỏng, khả năng thâm nhập các chất rắn cao, đặc biệt là trong ánh nắng mặt trời đục vững chắc, trong đó thâm nhập vào sâu hàng chục mét Tạp chất cuộc gặp gỡ siêu âm hoặc phụ giao diện sẽ tạo ra phản xạ phản xạ quan trọng hình thành nên tiếng vang, đánh đối tượng chuyển động có thể tạo ra hiệu ứng Doppler Vì vậy, kiểm tra siêu âm được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, quốc phòng, y sinh học và các khía cạnh khác Đầu dò siêu âm bao gồm chủ yếu là các wafer áp điện, cả sóng siêu âm, và có thể nhận được siêu âm Đầu dò siêu âm công suất thấp để phát hiện nhiều vai trò Nó có nhiều cấu trúc khác nhau, được chia thành thăm dò thẳng (sóng dọc), góc đầu dò (sóng), làn sóng thăm dò bề mặt (sóng), Chiên thăm dò (Chiên), đầu dò kép (một thăm dò phản ánh, một thăm dò nhận) Đầu dò siêu âm là cốt lõi của áo khoác hoặc áo nhựa của nó trong một áp lực kim loại cảm biến siêu âm Chip điện Vật liệu cấu thành wafer có thể có nhiều Kích thước chip, chẳng hạn như đường kính và độ dày khác nhau, vì vậy hiệu suất của từng thăm dò là khác nhau, chúng ta phải biết trước trước khi sử dụng hiệu quả của nó 2.2.1.2 - Đặc điểm của cảm biến siêu âm Tần số hoạt động: Tần số hoạt động là tần số cộng hưởng của wafer áp điện Khi điện áp AC áp dụng cho tần số của nó trên wafer bằng với tần số cộng hưởng, sản lượng năng lượng tối đa, độ nhạy cao nhất 10 Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 là module có thể hoạt động được ở 2 chế độ: MASTER hoặc SLAVE Trong khi đó, bluetooth module HC-06 chỉ hoạt động ở chế độ SLAVE + Ở chê độ SLAVE: ta cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dò tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234 Sau khi pair thành công, ta đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600 + Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1 module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop ) và tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone Module bluetooth HC05 có nhiều chức năng Module bluetooth HC05 được điều khiển bằng tập lệnh AT để thực hiện các tác vụ mong muốn Để module bluetooth chuyển từ chế độ thông thường qua điều khiển bằng AT, ta có 2 cách như sau: + Cấp nguồn cho module bluetooth (Vcc và Gnd) đồng thời cấp mức điện áp cao (=Vcc) cho chân KEY của module bluetooth Khi đó giao tiếp bằng tập lệnh AT với module bằng cổng Serial (Tx và Rx) với baud rate là 38400 (khuyên dùng) + Cấp nguồn cho module bluetooth trước, sau đó cấp mức điện áp cao cho chân KEY của module bluetooth Lúc này bạn có thể giao tiếp với module bằng tập lệnh AT với baud rate là 9600 Sau khi pair thành công với thiết bị bluetooth khác, đèn trên module bluetooth HC05 sẽ nhấp nháy chậm cho thấy kết nối Serial đã được thiết lập Nguồn cung cấp cho module bluetooth là nguồn từ 3.6V đến 6V Quá áp sẽ gây cháy module Ngoài ra module tương thích với các vi điều khiển 5V mà không cần chuyển đổi mức giao tiếp 5V về 3.3V như nhiều loại module bluetooth khác Hình 3 4 Module Bluetooth HC-05 3.2.2.2 Tập lệnh AT cho module bluetooth HC-05 21 - Ta sẽ test giao tiếp với HC05 bằng các lệnh AT sử dụng phần mềm “Hercules Setup Untility” trên PC Trong phần mềm “Hercules Setup Untility”, chọn “Serial”, giao diện giao tiếp với cổng nối tiếp sẽ hiện ra: Hình 3 5 Phần mềm “Hercules Setup Untility” - Ta sẽ cấu hình cổng vào, chế độ, khung dữ liệu, tốc độ Baud cho cổng nối tiếp Thiết lập module HC05 hoạt động ở chế độ đáp ứng theo lệnh Ở chế độ này, ta có thể cấu hình và kiểm soát module của mình Kết nối module Bluetooth với PC bằng USB TO COM PL2303 như sau: + RX  TX của module HC05 + TX  RX của module HC05 + VCC  5.0 + GND  GND - Các câu lệnh: + AT$0D$0A // Test module + AT+NAME?$0D$0A // Kiểm tra tên của module + AT+VERSION?$0D$0A // Kiểm tra phiên bản của module + AT+ADDR?$0D$0A // Lấy địa chỉ của module + AT+ROLE?$0D$0A // Kiểm tra chế độ hoạt động của module + AT+PSWD?$0D$0A // Kiểm tra mật khẩu của module + AT+PSWD=””$0D$0A // Đặt mật khẩu cho module 22 + AT+RESET$0D$0A 3.2.2.3 // Reset module Thuật toán Khi cho chân PA1 của vi điều khiển ở mức thấp (GND) xe sẽ ở chế độ điều khiển từ xa: Khi gửi chữ ‘t’, module HC05 nhận được chữ “t” gửi trả về cho vi điều khiển thông qua giao tiếp USART Vi điều khiển sẽ xuất dữ liệu ra các PIN tương ứng được kết nối với module L298 (gồm các PIN: PB10,PB11,PB12,PB13,PB14,PB15 nối tương ứng với INA, INB, INC, IND, ENB, ENA của L298) để điểu khiển 2 động cơ cùng quay tiến về phía trước, xe sẽ đi tiến Tương tự khi gửi chữ ‘l’ 2 động cơ sẽ quay ngược lại để xe lùi Khi gửi chữ ‘p’ thì động cơ bên phải sẽ dừng lại, động cơ bên trái sẽ quay, xe sẽ rẽ phải Khi gửi chữ ‘r’ thì động cơ bên trái sẽ dừng lại, động cơ bên phải xẽ quay, xe sẽ rẽ trái 3.2.3 Cảm biến siêu âm SRF04 3.2.3.1 Thông số kỹ thuật HC-SR04 là module cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách bằng sóng siêu âm Sóng siêu âm là sóng âm thanh thuộc nhóm sóng cơ học với tốc độ lan truyền trong không khí không cao, lợi dụng điều này mà người ta có thể đo đạt khoảng cách dựa trên sóng này Nguyên lý như sau, đầu tiên máy sẽ phát đi một chùm sóng siêu âm, khi lan truyền nếu gặp được vật cản sóng sẽ dội về máy thu, từ thời gian phát đi và nhận về của chùm sóng này người ta sẽ tính được khoảng cách của vật cản Hình 3 6 Sóng siêu âm Thông số kỹ thuật: 23 Hình 3 7 Cảm biến siêu âm SRF04 + Nguồn cung cấp: 5V DC + Dòng: 30mA (Max 50mA) + Tần số hoạt động: 40 KHz + Khoảng cách lớn nhất đo được: 3 m + Khoảng cách nhỏ nhất đo được: 3 cm + Góc quét 45 ° 3.2.3.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động của module SRF04 dựa vào giản đồ thời gian bên dưới: Hình 3 8 Giản đổ thời gian module SRF04 24 Chân VCC cấp nguồn +5V Chân Trig sẽ là chân phát xung cho cảm biến Chân Echo là chân nhận tín hiệu phản hồi về Chân GND nối nguồn 0V Khi chân Trig phát 1 xung có thời gian ít nhất là 10us, nếu cảm biến phát hiện có vật cản sẽ phản hồi về làm chân Echo lên mức 1 Nếu sau khoảng thời gian 36ms mà không phát hiện có vật cản thì chân Echo sẽ tự động lên mức 1 Độ rộng xung chân Echo sẽ kéo dài từ 100us đến 18ms 3.2.3.3 Thuật toán đọc giá trị cảm biến - Cho chân Trig lên mức 1 Sau khoảng thời gian t=10us thì cho chân Trig xuống mức 0 Khi chân Trig xuống mức 0 thì bắt đầu đếm thời gian (Time Start) Kiểm tra chân Echo lên mức 1 chưa? Nếu chân Echo lên mức 1 rồi thì cho ngừng đếm thời gian (Time Stop) Tính toán khoảng cách (quãng đường) bằng cách: Quãng đường = (Time Start – Time Stop) * vận tốc âm thanh (34400cm/s) Quãng đường cần tính: quãng đường / 2 - Vì quãng đường đi và quãng đường tín hiệu phản hồi về nên cần chia cho 2 để tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cần đo Khi cho chân PA1 của vi điều khiển ở mức cao (mức 1) và cấp nguồn thì xe ở chế độ tự chạy Ta gọi khoảng cách siêu âm đo được ở cảm biến đặt trước, trái, phải thân xe lần lượt là: kh_cach_trc, kh_cach_trai, kh_cach_phai if((0.3