3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Từ yêu cầu của đề tài nhóm sinh viên tiến hành thiết kế sơ đồ khối hoàn chỉnh cho hệ thống, sơ đồ được trình bày như hình 3.1:
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.
Chức năng các khối:
Khối nguồn: cung cấp nguồn ổn định cho toàn mạch hoạt động
Khối cảm biến phát hiện kim loại: có nhiệm vụ phát hiện kim loại sau đó phản hồi cho khối điều khiển trung tâm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 48
Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối cảm biến phát hiện kim loại và khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối công suất động cơ. Khối thu phát wifi: Để giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và điện thoại, là
cầu nối trung gian để nhận dữ liệu từ điện thoại sau đó gửi tới khối trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển và nhận dữ liệu ngược lại từ khối trung tâm để hiện thị lên trên điện thoại.
Khối công suất điều khiển động cơ: nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm để điều khiển động cơ.
Khối báo động: có chức năng phát ra âm thanh khi xe robot phát hiện thấy có kim loại.
Điện thoại Android: truyền, nhận dữ liệu qua lại với khối thu phát wifi.
3.2.2. Tính toán và thiết kế a.Khối điều khiển trung tâm a.Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối cảm biến phát hiện kim loại và khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối công suất động cơ.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều dòng vi điều khiển khác nhau như PIC, AVR, 8051, Raspberry, Arduino... Tất cả đều có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra nhưng nhóm chọn Arduino vì nó có những ưu điểm sau:
Giá thành rẻ, dễ sử dụng, là module hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển AVR. Kích thước nhỏ gọn.
Là dòng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều thư viện hổ trợ cho các module chức năng khác nhau, trình biên dịch đơn giản, dễ sử dụng.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 49
Hình 3.2. Module Arduino UNO R3.
Trong mô hình xe thì Arduino sử dụng 15 chân I/O để kết nối với thiết bị ngoại vi và giao tiếp với module khác, dòng tiêu thụ của Arduino được tính như sau:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng điện tiêu thụ trên mỗi chân I/O: 20mA Dòng điện tiêu thụ cho 15 chân I/O là:
ITổng = 15 x 20mA = 300 mA. (3.1)
b. Khối thu phát Wifi
Chức năng của khối thu phát Wifi trong mô hình này là để giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và điện thoại, là cầu nối trung gian để nhận dữ liệu từ điện thoại sau đó gửi tới khối trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển và nhận dữ liệu ngược lại từ khối trung tâm để hiện thị lên trên điện thoại.
Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module Wifi hỗ trợ vi điều khiểu giao tiếp với thiết bị khác thông qua kết nối Wifi, một số module Wifi thường được sử dụng trong thực tế là: ESP8266-12E, module WiFi MT7687F IoT, ESP8266 NodeMCU,…
Tuy nhiên, dựa theo yêu cầu của đề tài thì module Wifi dùng để tạo điểm truy cập wifi (Wifi Access Point) cho phép các thiết bị khác kết nối, giao tiếp và điều khiển khiển
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 50
nên nhóm thực hiện quyết định chọn module ESP8266 NodeMCU vì các lý do như: giá thành rẻ, tốc độ truyền phù hợp, dễ dàng tìm mua, sử dụng các mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phù hợp với khả năng của sinh viên.
Module ESP8266 NodeMCU giao tiếp với kit Arduino UNO R3 thông qua chuẩn giao tiếp UART.
Bảng 3.1. Kết nối Arduino UNO R3 với module ESP8266 NodeMCU.
Arduino UNO R3 ESP8266 NodeMCU
+5V Vin
GND GND
TX RX
RX TX
Điện áp hoạt động của ESP8266 NodeMCU là 5V và dòng hoạt động là 300mA. Ta có chân 5V của Arduino UNO R3 có điện áp là 5V và dòng ra tối đa là 500mA, thay vì phải làm mạch nguồn 5V cấp cho module ESP8266 nhóm sẽ sử dụng chân 5V của Arduino làm nguồn điện cung cấp cho module ESP8266 NodeMCU.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 51
Hình 3.3. Kết nối Arduino UNO R3 với module ESP8266 NodeMCU.
c.Khối công suất điều khiển động cơ
Động cơ được chọn trong mô hình là động cơ giảm tốc DC để điều khiển xe chạy tiến, lùi, xoay trái, xoay phải, điều chỉnh tốc độ nhanh chậm theo ý muốn. Động cơ giảm tốc DC với tốc độ hoạt động tối đa 44 mét/phút ở điện áp 6V đến 8V.
Hình 3.4. Động cơ giảm tốc DC.
Thông số kỹ thuật
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 52
Moment xoắn cực đại: 800gf cm min 1:48 (3V).
Tốc độ không tải: 125 vòng/ 1 phút (3V) (Với bánh xe 66mm: 26m/1p), 208 vòng/ 1 phút (5V) (Với bánh xe 66mm: 44m/1p).
Dòng không tải: 70mA (tối đa 250mA).
Ở mô hình này nhóm sử dụng 4 động cơ DC giảm tốc để điều khiển xe. Dòng họat động tối đa của một động cơ là 250mA. Từ đó ta tính được dòng hoạt động tối đa của 4 động cơ là:
I4 động cơ = 4 x 250mA = 1A. ( 3.2)
Dòng ra ở chân I/O của Arduino là 20mA vì thế không thể điều khiển trực tiếp các động cơ DC. Arduino chỉ gửi tín hiệu để điều khiển động cơ còn động cơ sẽ được kết nối với một module công suất. Vì vậy ta phải chọn một module có điện áp điều khiển tải từ 3- 9V, dòng ngõ ra tối đa lớn hơn bằng 1A, có thể điều khiển động cơ chạy thuận, nghịch, thay đổi tốc độ.
Ở đây nhóm chọn module L298N để điều khiển động cơ do module đáp ứng đủ những điều kiện trên, giá thành của module là 29.000 VNĐ phù hợp cho sinh viên sử dụng trong mô hình. Một số thông số cơ bản của module L298N:
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H. Điện áp điều khiển: 5 - 12 V.
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A. Điện áp của tín hiệu điều khiển: 5 – 7V. Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA.
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃).
Bảng 3.2. Kết nối Arduino UNO R3 với module L298N.
Arduino UNO R3 Module L298N (1)
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 53 6 ENB 2 IN1 3 IN2 4 IN3 7 IN4
Arduino UNO R3 Module L298N (2)
10 ENA 11 ENB 8 IN1 9 IN2 12 IN3 13 IN4
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 54
Hình 3.5. Sơ đồ kết nối giữa Arduino và module L298N.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 55
Hình 3.6. Kết nối giữa động cơ DC và module L298.
d. Khối cảm biến phát hiện kim loại
Khối cảm biến phát hiện kim loại có nhiệm vụ phát hiện kim loại sau đó phản hồi cho khối điều khiển trung tâm xử lý và khối thu phát Wifi gửi thông tin để hiển thị lên ứng dụng trên điện thoại Adroid.
Do thời gian làm đề tài có hạn nên phương pháp dò kim loại cho khối cảm biến phát hiện kim loại nhóm sẽ sử dụng BFO, đây được cho là phương pháp cơ bản nhất để phát hiện kim loại.
Phương pháp BFO sử dụng 2 bộ dao động, trong đó bộ dao động đầu tiên có cuộn dây làm đầu dò được đặt trong đầu tìm kiếm. Bộ dao động thứ hai làm bộ dao động chuẩn. Và đặc biệt phải đặt tần số của 2 bộ dao động bằng nhau. Thay vì sử dụng một bộ dao động làm bộ dao động chuẩn để so sánh tần số với bộ dao động còn lại thì nhóm sẽ sử dụng một vi điều để đo chính tần số của bộ dao động nối với cuộn dò trong đầu tìm kiếm, loại bỏ không sử dụng bộ dao động chuẩn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 56
Vi điều khiển sẽ đo tần số của mạch dao động, nhận biết sự sai khác của tần số đó khi không có có kim loại và khi có kim loại. Từ đó xuất tín hiệu mức logic 0 hoặc 1 qua chân I/O để cấp cho khối vi điều khiển trung tâm và khối thu phát Wifi xử lý.
Ưu điểm của việc sử dụng vi điều khiển so với tạo một mạch dao động chuẩn để so sánh tần số. Tạo một mạch dao động chuẩn có tần số bằng với tần số của mạch dao động kia khi chưa có kim loại là rất khó khăn, hơn nữa phải làm mạch trộn tần số, mạch lọc, mạch khuếch đại. Nhưng xử lý đo tần số bằng vi điều khiển lại dễ dàng hơn nên nhóm quyết định sử dụng phương pháp này.
Từ đó nhóm tiến hành thiết kế sơ đồ khối cho khối cảm biến phát hiện kim loại, sơ đồ khối được trình bày như hình 3.7:
Hình 3.7. Sơ đồ khối mạch cảm biến phát hiện kim loại.
Chức năng các khối
Khối mạch dao động: có chức năng tạo dao động, tần số của mạch dao động phụ thuộc vào cuộn dò.
Khối vi điều khiển PIC 16F690: sử dụng ngắt ngoài và timer1 để đo tần số của khối tạo dao động, nhận biết sự thay đổi tần số của khối tạo dao động để xử lý gửi tín hiệu cho khối điều khiển trung tâm và khối thu phát Wifi. Khối nguồn: cung cấp nguồn nuôi cho khối tạo dao động và vi điều khiển
16F690.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 57
Khối mạch dao động
Đặc tính của cuộn cảm: khi bất kỳ một vật kim loại nào đến gần cuộn dây thì cuộn dây sẽ thay đổi độ tự cảm của nó. Sự thay đổi độ tự cảm này phụ thuộc vào loại kim loại. Độ tự cảm của cuộn dây sẽ giảm đối với kim loại không từ tính và tăng đối với vật liệu có từ tính như sắt. Tùy thuộc vào lõi của cuộn dây, giá trị điện cảm của cuộn dây sẽ thay đổi khác nhau.
Dựa vào đặc tính đó của cuộn dây nhóm xây dựng được mạch nguyên lý dựa vào mạch tạo dao động bằng IC 555 cho khối dao động của mạch dò kim loại.
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch dao động.
Nguyên lý hoạt động: để giải thích nguyên lý hoạt động thì ta phải dùng sơ đồ cấu trúc bên trong IC 555 như hình bên 3.13:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 58
Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc mạch mạch dao động.
Với op-amp so sánh 1 thì điện áp các ngõ vào là:
𝑉−𝑠𝑠1 = 2
3 Vcc và 𝑉+𝑠𝑠1 = VC1 (điện áp trên tụ C1). Với op-amp so sánh 2 thì điện áp các ngõ vào là:
𝑉+𝑠𝑠2 = 2
3 VCC và 𝑉−𝑠𝑠2 = VC1 (điện áp trên tụ C1).
Khi mới cấp điện thì điện áp trên tụ VC1 = 0V, mạch so sánh 2 có 𝑉−𝑠𝑠2 = VC1 <
𝑉+𝑠𝑠2 nên vào S = 1 (ngõ vào S của flip-flop RS), mạch so sánh 1 có 𝑉+𝑠𝑠1 = VC1
< 𝑉−𝑠𝑠1 nên ngõ vào R = 0 (ngõ vào R của flip-flop RS). Lúc này flip-flop có ngõ ra 𝑄̅ = 0 sẽ làm transistor tắt, ngõ ra Q = 1 và ngõ ra Out bằng điện áp VCC. Sau đó tụ điện C1 sẽ được nạp với dòng chạy từ VCC qua R1, qua R2, và từ ngõ
ra Out qua cuộn dây dò (coil1), qua tụ C3. Dòng nạp cho tụ C1 từ VCC qua R1, qua R2 luôn không đổi theo thời gian do giá trị R1, R2 không đổi. Dòng nạp qua cuộn dây dò (coil1), qua tụ C3 thì thay đổi phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn dò. Điện áp trên tụ C1 tăng dần theo thời gian cho đến khi VC1 > 2
3 VCC thì mạch so sánh 2 có 𝑉−𝑠𝑠2 = VC1 > 𝑉+𝑠𝑠2 nên vào S = 0, mạch so sánh 1 có 𝑉+𝑠𝑠1 = VC1 >
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 59
𝑉−𝑠𝑠1 nên ngõ vào R = 1 (ngõ vào R của flip-flop RS). Lúc này flip-flop có ngõ ra Q = 1, ngõ ra Out bằng 0V, ngõ ra 𝑄̅ = 0 sẽ làm transistor dẫn bão hòa.
Tụ C1 sẽ xả điện với dòng chạy qua điện trở R2, qua transistor về GND. Điện áp trên tụ sẽ giảm dần theo thời gian cho đến khi VC1 < 1
3 VCC. Mạch so sánh 2 có 𝑉−𝑠𝑠2 = VC1 < 𝑉+𝑠𝑠2 nên vào S = 1, mạch so sánh 1 có 𝑉+𝑠𝑠1 = VC1 < 𝑉−𝑠𝑠1
nên ngõ vào R = 0 (ngõ vào R của flip-flop RS). Lúc này flip-flop có ngõ ra 𝑄̅ = 0 sẽ làm transistor tắt, ngõ ra Q = 1 và ngõ ra Out bằng VCC.
Tụ C bắt đầu nạp trở lại và một chu kì mới lại bắt đầu.
Bên trên là hoạt động tạo dao động của mạch, bình thường khi chưa có sự ảnh hưởng của kim loại vào cuộn dò, giá trị tự cảm của nó ổn định ở một giá trị xác định. Nhưng nếu cuộn dây dò đi qua một vật thể kim loại, độ tự cảm của cuộn dây sẽ giảm đi đối với kim loại không từ tính và tăng lên đối với vật liệu có từ tính.
Như đã nói ở trên phần nguyên lý, dòng nạp cho tụ C1 từ VCC qua R1, qua R2 luôn không đổi theo thời gian do giá trị R1, R2 không đổi. Còn dòng nạp cho tụ C1 từ ngõ ra Out qua đoạn mạch LC (gồm tụ C3 và cuộn dò) thì thay đổi. Nó có sự thay đổi như vậy do trở kháng của mạch LC phụ thuộc vào giá trị độ tự cảm của cuộn dây (trở kháng của mạch LC tăng lên khi L tăng, giảm đi khi L giảm), dòng qua đây sẽ giảm khi trở kháng tăng, ngược lại tăng khi trở kháng giảm. Dòng nạp cho tụ C1 thay đổi như vậy sẽ làm tần số ngõ ra Out của mạch thay đổi.
Khối vi điều khiển PIC 16F690
Sau khi thiết kế xong khối tạo dao động, ta lấy ngõ ra mạch tạo dao động kết nối với vi điều khiển PIC 16F690 để đo tần số rồi xử lý sai lệch tần số. Mạch điện được trình bày như hình 3.14:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 60
Hình 3.10. Sơ đồ mạch khối vi điều khiên PIC16F690.
Vi điều khiển sẽ đo tần số của mạch dao động, nhận biết sự sai khác của tần số đó khi không có có kim loại và khi có kim loại. Từ đó xuất tín hiệu mức logic 0 hoặc 1 qua chân I/O để cấp cho module ESP8266 và Arduino.
Khối nguồn cho mạch cảm biến dò kim loại
Khối nguồn có chức năng tạo dòng và áp ổn định cung cấp cho mạch.
Bảng 3.3. Dòng điện và điện áp làm việc của các linh kiện.
Tên linh kiện Điện áp làm việc (V) Dòng điện làm việc (mA)
IC 555 2 - 18 6 - 15
PIC 16F690 2 - 5.5 300
Dựa vào thông số điện áp và dòng điện hoạt động của các linh kiện được dùng trong mạch được trình bày như bảng 3.3. Chọn điện áp cung cấp cho toàn mạch là 5V. Tổng dòng cung cấp cho mạch hoạt động tối đa khoảng 350mA.Căn cứ vào các số liệu ở trên ta có thể chọn các giá trị linh kiện như sau:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 61
Tụ lọc nguồn 220uF 16V, 100pF.
IC ổn áp 7805 có Vout = +5V và Iout = 1A.
Từ các linh kiện đã chọn ở trên ta có sơ đồ mạch nguồn như hình bên dưới.
Hình 3.11. Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho khối cảm biến phát hiện kim loại.
Sơ đồ toàn bộ mạch nguyên lý khối cảm biến phát hiện kim loại
Sau khi thiết kế xong các khối, ta có mạch nguyên lý hoàn chỉnh cho khối cảm biến phát hiện kim loại.
Hình 3.12. Mạch nguyên lý khối cảm biến phát hiện kim loại.
e.Khối báo động
Khối báo động sử dụng một buzzer để phát ra âm thanh cho người điều khiển biết khi mô hình xe phát hiện có kim loại.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 62
Buzzer là một loại thiết bị phát âm có thể chuyển đổi tín hiệu âm thanh thành tín hiệu âm thanh. Nó được sử dụng rộng rãi trong đồ chơi điện tử và bảng điều khiển trò chơi trong đồ chơi âm thanh, quà tặng âm thanh, đồ gia dụng, báo thức cá nhân, hệ thống báo