Xe điều khiển bluetooth

Sơ đồ khối Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch Hình 3.1 mô tả sơ đồ khối của mạch bao gồm 4 khối chính là khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch ứng với mỗi khối sẽ cần một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn:

Lớp: KSTN-ĐTVT-K61

Hà Nội, tháng 5 năm 2019

Mục lục

Danh mục hình vẽ

Danh mục bảng biểu

Chương 1 Đặt vấn đề

1.1 Xác định đề tài và ứng dụng

Để phục vụ cho môn học Kỹ thuật vi xử lý và thỏa mãn đam mê nhóm em xin tìm hiểu và nghiên cứu thiết kế xe điều khiển bằng bluetooth

1.2 Yêu cầu chức năng

Các chức năng cơ bản của mạch:

• Xe di chuyển thông qua sự điều khiển tín hiệu bluetooth bằng app trên điện thoại

• Có 5 chế độ di chuyển: Tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng

• Có nút reset

• Sử dụng pin làm nguồn nuôi

• Nhỏ gọn tiện di chuyển, có thẩm mỹ

1.3 Yêu cầu phi chức năng

• Môi trường hoạt động:

• Nhiệt độ lý tưởng: 0 – 50 độ C

• Áp suất: 1atm Độ ẩm: 30% - 60% RH

• Khả năng hoạt động:

Tốc độ xử lý: Ngay sau khi bấm điều khiển

Cự li hoạt động: 10m so với điều khiển

• Hình dạng kích thước: Thẩm mỹ, di chuyển linh hoạt

• Tuổi thọ: 1 năm

• Giá thành: 250.000 VNĐ

Chương 1 Phân công công việc

1.1 Bảng nhân lực

Bảng 2.1: Bảng nhân lực

TÊN

VAI

CÔNG CỤ

HÕ TRỢ

ĐỘ SẴN SÀNG

1 NguyễnTrọng Nhật Thànhviên

Nhiệt tình có ý thức trong công việc

Nhà xa, chưa hiểu rõ về kiến thức điện

Có Laptop, bộ linh kiện cơ bản

Có xe máy

Luôn luôn

2 Lê ChíPhát Thànhviên

Nhiệt tình có ý thức trong công việc, có kiến thức

về các vi xử lý thông dụng, ham học hỏi

Có Laptop, bộ linh kiện cơ bản Luôn

luôn

Bảng 2.1 là bảng nhân lực của nhóm bao gồm tên các thành viên trong nhóm, vai trò của từng thành viên, điểm mạnh, điểm yếu của từng thành viên để có thể phân công công việc cho hợp lý

1.2 Bảng công việc

Bảng 2.2: Bảng công việc

gian

Tìm hiểu sản phẩm,thị trường Lên ý tưởng, tìm hiểu từ nhu cầu thị trường 14 ngày

Mô tả kỹ thuật Mô tả yêu cầu chức năng và phi chức năng 10 ngày

Kế hoạch phát triển Xây dựng và phân công công việc 10 ngày Thiết kế tổng quan sơ đồ mạch Xây dựng sơ đồ mạch nguồn 18V 14 ngày Lựa chọn phương án tối ưu Chọn linh kiện tối ưu 10 ngày Thử nghiệm mô phỏng Chạy thử nghiệm trên phần mềm và bo mạch trắng 5 ngày Sản xuất mạch Tìm hiểu các cửa hàng có bán linh kiện cần mua 2 ngày Đưa sản phẩm ra thị trường Giới thiệu sản phẩm để xem phản hồi 2 ngày

Bảng 2.2 là bảng công việc cần thực hiện bao gồm tên công việc, mô tả và thời gian

Chương 2 Thiết kế kiến trúc

2.1 Sơ đồ khối

Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch

Hình 3.1 mô tả sơ đồ khối của mạch bao gồm 4 khối chính là khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch ứng với mỗi khối sẽ cần một điện áp nuôi khác nhau, khối xử lý đóng vai trò là bộ não của mạch, tiếp nhận và xử lý các tín hiệu thu được để đưa ra những chỉ thị phù hợp cho các khối khác, khối điều khiển động

cơ sẽ nhận tín hiệu từ khối xử lý để điều khiển các động cơ cho xe hoạt động như ý muốn

2.2 Khối nguồn

1.1.1 Giới thiệu 7805

Hình 3.2: Sơ đồ chân của 7805

Hình 3.2 mô tả sơ đồ chân của IC ổn áp LM7805 với hình bên trái là sơ đồ chân

và hình dạng thực tế của LM7805 còn hình bên phải là ký hiệu của LM7805 trong mô phỏng và chức năng tương ứng của mỗi chân Dựa vào hình có thể thấy chân 1 là chân nối với tín hiệu đầu vào là điện áp muốn hạ xuống và thường ít nhất phải lớn hơn 3V

so với điện áp ra cần ổn định, chân 3 là đầu ra ứng với nguồn nuôi 5V cho mạch, chân

là chân nối đất

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

Hình 3.3 là sơ đồ nguyên lý của khối nguồn để tạo ra nguồn nuôi cho mạch Do mạch điện cần tới 3 giá trị điện áp khác nhau để nuôi 3 khối Điện áp 9V sẽ được lấy trực tiếp từ pin 9V để nuôi khối điều khiển động cơ, điện áp 9V này sẽ qua 7805 để tạo

ra điện áp 5V đi nuôi khối xử lý và nuôi khối thu phát tín hiệu Như vậy, khối nguồn

đã được hoàn thành đáp ứng theo yêu cầu đặt ra

2.3 Khối thu phát tín hiệu

Nhóm chọn HC 06 làm bộ thu phát tín hiệu bluetooth từ điện thoại bởi nó khá phổ biến, dễ sử dụng, tương thích tốt với các dòng vi xử lý hiện nay

Hình 3.4: Sơ đồ chân của HC06

Hình 3.4 là hình ảnh của module bluetooth HC06 Dựa vào hình có thể thấy HC06 có 4 chân, cụ thể chức năng của từng chân như sau:

• VCC: Chân cấp nguồn cho HC06 sử dụng nguồn nuôi là 3.6V-6V

• GND: Chân nối đất

• TXD: Chân phát dữ liệu, sử dụng mức level cao là 3.3V

• RXD: Chân nhận dữ liệu

2.4 Khối xử lý

Khối xử lý nhóm sử dụng IC atmega328P bởi một số tính năng nổi trội như tốc độ nhanh, dễ sử dụng, tương thích tốt với rất nhiều module khác, nó cũng chính là chip được sử dụng cho các dòng arduino hiện nay rất phổ biến nên cộng đồng người dùng lớn dễ dàng trong việc tìm lỗi nếu gặp khó khăn

Hình 3.5: Sơ đồ chân của atmega328P

Hình 3.5 mô tả sơ đồ chân của atmega328P và cũng chú thích luôn các chân tương ứng với chân nào trên arduino để người dùng dễ sử dụng Có thể thấy atmega328P có

28 chân cụ thể như Bảng 3.1

Bảng 3.3: Bảng chức năng của các chân trong atmega328 ST

2 PD0,PD1 2,3 Dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX)

dữ liệu TTL Serial

3

PD3,PD5-6,PB1-3

5,11,12, 15,16,17

Ngoài chức năng thông thường để đọc, xuất tín hiệu thì các chân này còn cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite()

4 PD2,PD7,

PB0,PB4-5 4,13.14,18,19 Các chân đọc xuất dữ liệu có 2 mức là 0 và 5V tươngứng với 2 mức logic 0, 1

5 PB6,PB7 9,10 2 chân tạo dao động cho chip với tần số 16MHz

6 PC0-5 23-28 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

8 VCC 7,20 Chân cấp nguồn 5V cho chip

2.5 Khối điều khiển động cơ

1.1.3 Cấu trúc

Dựa vào một số tiêu chí như giá thành, tiện lợi dễ sử dụng, điều khiển 2 động cơ độc lập nhóm đã tìm hiểu và sử dụng IC L293D cho khối điều khiển động cơ

Hình 3.6: Sơ đồ chân của L293D

Hình 3.6 mô tả sơ đồ chân của IC L293D L293D là một mạch tích hợp điều khiển động cơ được sử dụng để lái xe động cơ DC quay theo 2 hướng Nó là một IC 16 chân

mà có thể kiểm soát 2 động cơ DC cùng một lúc L293D hoạt động dựa trên đặc trưng của mạch cầu H, một mạch cho phép điện áp cao chạy theo 2 chiều Trong L293D có 2 mạch cầu H có thể xoay 2 động cơ DC độc lập Cụ thể chức năng của từng chân được

mô tả ở Bảng 3.2 dưới đây

Bảng 3.4: Bảng chức năng chân của L293D ST

1 Enable1,2 1 Cho phép cầu H thứ nhất hoạt động

2 Input1-2 2,7 Đầu vào điều khiển cầu H thứ nhất

3 Ouput1-2 3,6 Đầu ra điều khiển động cơ của cầu H thứ nhất

4 Enable3,4 9 Cho phép cầu H thứ hai hoạt động

5 Input3-4 10,15 Đầu vào điều khiển cầu H thứ hai

6 Ouput3-4 11,14 Đầu ra điều khiển động cơ của cầu H thứ hai

7 VCC 8,16 Chân cấp nguồn

1.1.4 Nguyên lý hoạt động

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của L293D

Hình 3.7 là sơ đồ nguyên lý khi lắp IC với động cơ để điều khiển Dựa vào nguyên lý của mạch cầu H ta có thể tóm gọn nguyên lý làm việc của mạch theo Bảng 2.3

Bảng 3.5: Nguyên lý doạt động của L293D Chân 2 (Input1) Chân 7 (Input2) Trạng thái động cơ

Bảng 3.3 là nguyên lý hoạt động của L293D, bảng mô tả nguyên lý của 1 cầu H trong IC, do IC có mạch cầu H độc lập nên nguyên lý sẽ hoàn toàn tương tự đối với các chân Input3,4 Nhóm sẽ điều khiển 4 động cơ nên sẽ sử dụng 2 IC293D

2.6 Sơ đồ đường tín hiệu của mạch

Sau khi tìm hiểu hết tất cả các khối và lựa chọn những linh kiện phù hợp nhóm

vẽ được sơ đồ chi tiết hơn với các tín hiệu cụ thể so với sơ đồ khối ban đầu để từ đó đi đến mạch mô phỏng

Hình 3.8: Sơ đồ đường tín hiệu của mạch

Cụ thể chức năng của từng đường tín hiệu được nêu rõ trong Bảng 3.4 dưới đây

Bảng 3.6: Bảng đường tín hiệu của mạch

Serial1 Byte Dữ liệu khối thu phát nhận được

Serial2 Byte Dữ liệu khối xử lý phản hồi

Reset 1 Tín hiệu reset chip

Enable 4 Tín hiệu cho phép 4 cầu H hoạt động

Input 8 Tín hiệu vào khối điều khiển động cơ

Ouput 8 Tín hiệu ra điều khiển động cơ

1.3 Thiết kế App điều khiển xe

1.3.1 Thuật toán

Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán của app điều khiển xe

Hình 3.9 là lưu đồ thuật toán của app điều khiển xe Cụ thể hơn thì những tín hiệu được gửi đi là 1, 2, 3, 4, 6 tương ứng với những tác vụ yêu cầu xe đi tiến, lùi, sang phải, sang trái Như vậy nếu nhấn phím tiến xuống và giữ như vậy thì app sẽ gửi tín hiệu 1 yêu

cầu xe chạy liên tục cho đến khi nhả phìm tiến ra thì sẽ gửi tín hiệu 6 yêu cầu xe dừng lại Tương tự với 3 phím còn lại

1.3.2 Giao diện của app

Hình 3.10: Giao diện của app điều khiển xe

Giao diện app điều khiển xe như Hình 3.10, với các phím điều khiển xe và phím kết nối với Module bluetooth HC06

Chương 3 Thử nghiệm & mô phỏng

3.1 Giao tiếp giữa Arduino và module Bluetooth HC06

Module HC06 gồm 4 chân GND, VCC, TX, RX Khi kết nối bạn chỉ cần nối chân TX với chân 0 và chân RX nối với chân 1 trên Arduino sau đó bạn có thể lập trình gửi và nhận dữ liệu như 1 cổng Serial thông thường Module này sử dụng loại Slave, khi kết nối với điện thoại bạn điền mật khẩu mặc định là: 1234

Hình 4.11 Giao tiếp Arduino UNO và module bluetooth HC06

Hình 4.1 mô tả kết nối của module bluetooth với các chân trên arduino Cùng với đó sử

dụng ứng dụng S2 Terminal for bluetooth để thực hiện việc gửi data từ điện thoại tới module

Hình 4.12 Data gửi từ app và data nhận được trên adruino

Sau khi nạp code cho Arduino, rồi gửi data từ ứng dụng điện thoại Hình 4.2 thể hiện data gửi từ điện thoại qua ứng dụng với data nhận được trên arduino là hoàn toàn trùng khớp, như vậy thử nghiệm giao tiếp giữa Module HC06 với Arduino đã thành công

3.2 Giao tiếp giữa Arduino và IC L293D

Mỗi IC L293D sử dụng 4 chân tín hiện giao tiếp với Arduino, 4 chân này được kết nối với những chân Digital D2-D13 (D0 và D1 dùng để giao tiếp với module Bluetooth) Mỗi IC gồm 2 cặp chân tín hiệu ra, mỗi cặp được nối với 1 motor Ngoài ra, để IC hoạt động, cần kết nối các chân GND và VCC của IC với Arduino cũng như các chân Enable để ở mức cao (nối trực tiếp với VCC)

Hình 4.13 Sơ đồ giao tiếp giữa Arduino và IC L293D

Hình 4.3 thể hiện sơ đồ nối chân từ một IC L293D với Arduino và với 2 motor Thực hiện trên board mạch trắng thực tế như Hình 4.4

Hình 4.14 Lắp trên board trắng

Hình 4.4 thể hiện test thử nghiệm giao tiếp giữa adruino và IC L293D Sau khi nạp code,

Motor đã chạy đúng như theo code đã lập trình Như vậy, việc thử nghiệm L293D và Arduino đã thành công

3.3 Giao tiếp giữa chip Atmega328p với Module HC06 và ICL293D

Sau khi thử nghiệm riêng từng giao tiếp thành công, nhóm tiếp tục thử nghiệm lắp chung Module HC06 và IC L292D với Chip Atmega328p tách từ board Arduino

Hình 4.15 Sơ đồ đi dây

Hình 4.5 thể hiện sơ đồ đi dây kết nối từ chip Atmega328p với IC L293D và HC06 Đường dây màu đỏ thể hiện nối với dương nguồn (Test nguồn 5V cho Adruino và

L293D) Dây đen là các đường nối đất, dây vàng là đường tín hiệu vào IC L293D, dây

giữa chip Atmega328 với HC06

Hình 4.16 Sản phẩm lắp trên board trắng

Hình 4.6 là chiếc xe khi lắp ráp theo sơ đồ đi dây như Hình 4.5, sau khi chip được nạp code từ board Arduino, sản phẩm đã chạy như mong muốn Như vậy thử nghiệm giao tiếp giữa chip Atmega328 với Module HC06 và IC L293D đã thành công

Chương 4 Lắp ráp và hoàn thiện sản phẩm

4.1 Layout và hoàn thiện mạch

Như theo sơ đồ đi dây thử nghiệm ở mục trước, nhóm tiến hành layout sản phẩm, trong bản layout có thêm 1 số chi tiết như: IC ổn áp để ổn định nguồn cho Atmega328 và HC06, cũng như thêm 1 nút bấm để reset trạng thái của chip Atmega328

Hình 5.17 Sơ đồ mạch hoàn chỉnh

Hình 5.1 là sơ đồ mạch hoàn chỉnh, bao gồm các khối nguồn, khối xử lý, khối thu phát tín hiệu và khối điều khiển động cơ

Hình 5.18 Mô hình layout 2D và 3D

Hình 5.1 là bản layout trên Altium Để tránh bị trùng dây và không đi dây giữa 2 chân

IC, nhóm đã thực hiện đi dây 2 lớp Trên mô hình 2D, đường màu đỏ là dây đi ở lớp trên (cùng lớp với linh kiện), còn đường màu xanh là dây đi ở lớp dưới

4.2 Mạch thực tế và sản phẩm hoàn thiện

Sau khi layout, nhóm đã đi đặt mạch PCB và mua linh kiện để hàn hoàn thiện sản phẩm

Hình 5.19 Mạch PCB

Hình 5.3 cho thấy mạch PCB giống như bản layout trên altium với đường đi dây trên

cả 2 lớp, hình bên phải là hình sau khi thực hiện hàn linh kiện và cắm IC lên DIPS

Tài liệu tham khảo

[1] datasheet atmega328

[2] datasheet L293D

[3] datasheet LM7805