BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34
Hình 3.17 Thép hộp
Thép hộp đen là loại thép hộp được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhẹ và sản xuất chế tạo các đồ dùng dân dụng. Có tiết diện hình hộp, hình vuông hoặc hình chữ nhật có tính chất bền chắc và chịu lực tốt, ít bị biến dạng hay cong vênh. Tiêu chuẩn mạc thép này có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và oxi hóa khá tốt. Vì thế nhóm đã chọn làm thành phần chính của khung máy, kích thước 30x30x1.5 mm.
Hình 3.18 Ống thép liền mạch
Thanh thép tròn liền mạch chất liệu 304, thép không gỉ màu bạc chống ăn mòn và chống oxy hóa tốt, nhiệt độ cao chịu mài mòn dùng làm thanh truyền lực cho cánh tay robot.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35
Hình 3.19 Vòng bi và gói đỡ
Vòng bi gối đỡ UCFC được chế tạo bằng hợp kim thép đặc biệt, vừa có tính dẻo, vừa chịu được sự mài mòn cao, giãn nở nhiệt tốt. Còn vòng bi (bạc đạn) đường kính ngoài 22mm, đường kính lỗ 8mm, chiều dày: 7mm làm bộ chuyền chuyển động. Chúng có tác dụng giúp cánh tay robot quay theo Momen lực.
Hình 3.20 Lò xo kéo
Lò xo kéo 100mm (1.2 * 12 * 100); Đường kính dây lò xo: 1.2mm; Đường kính lò xo: 12mm; Chiều dài phần xoắn: khoảng 77mm; tổng chiều dài: 100mm Trọng lượng: khoảng 21 gram. Được dùng để tạo lực đánh trống của cánh tay robot.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36
CHƯƠNG 4: THI CÔNG 4.1GIỚI THIỆU
Chương này trình bày quá trình thi công mạch PCB, lập trình hệ thống, lắp ráp phần cứng và kiểm tra mạch. Quá trình thực hiện gồm hình vẽ cũng như hình ảnh thực tế của mô hình, hình ảnh kết quả chạy mà hệ thống thực hiện được.
4.2 THI CÔNG BO MẠCH
- Mạch in được thiết kế trên phần mềm Alitum Designer 17. - Thực hiện in mạch và tiến hành thi công bo mạch.
- Sau khi thi công sẽ dùng đồng hồ VOM để kiểm tra ngõ vào, ngõ ra để xem có lỗi trong lúc thực hiện hay không.
4.2.1 Thi công bo mạch: 4.2.1.1 Mạch nguồn: 4.2.1.1 Mạch nguồn:
Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn:
Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn.
Sơ đồ bao gồm những linh kiện được sắp xếp như trên hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37
Hình 4.2 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch nguồn.
4.2.1.2. Mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị:
Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị:
Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị.
Sơ đồ bao gồm khối điều khiển trung tâm nằm ở bên trái là Board STM32F407VG. Ở trên bên phải chứa 2 hàng rào dùng để đặt khối giao tiếp Wifi là Module ESP8266, Phía dưới là thanh hàng rào đực để giao tiếp với khối hiển thị là màn hình cảm ứng RA8875.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38
Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị.
4.2.1.3. Thống kê linh kiện sử dụng trong hệ thống:
Bảng 4.1: Bảng thống kê số linh kiện sử dụng.
STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng Chú thích
1 STM32F407VG 5V 1
2 ESP8266 5V 1
3 Nguồn tổ ong 24V – 5A 1
4 Adapter 12V 2A 1
5 LM2576 5V 1
6 Động cơ 24V 1 Động cơ bước
7 Driver TB6600 24V 1 Driver điều khiển động cơ
8 Màn hình RA8875 3V 1 Màn hình cảm ứng
9 Jack DC 1
10 LED 5V 1 Led xanh dương
11 Điện trở 220Ω 1
11 Tụ điện 5V 100uF 1
12 Tụ điện 5v 1000uF 1
13 Cuộn cảm 100uH 1
14 USB 1 USB cái
15 Diode 2A 1
4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra:
- Sau khi đã hoàn thành việc vẽ mạch in, thực hiện lắp ráp linh kiện và hàn linh kiện lên board.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39
- Kiểm tra mạch xem board có bị đứt hay chập mạch không. Nếu có thì tiến hành xử lý.
4.2.2.1 Lắp ráp mạch nguồn:
Hình 4.5 Mặt trên của mạch nguồn.
Hình 4.5 trình bày lắp ráp hoàn thiện mặt trên của mạch nguồn. Gồm có Jack DC nhận nguồn 12V từ Adapter hạ áp thành 5V thông qua IC LM2576.
Hình 4.6 Mặt dưới của mạch nguồn.
Hình 4.6 trình bày kết quả thi công mặt dưới của mạch nguồn sau khi gắn các linh kiện và hàn các linh kiện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40
4.2.2.2. Lắp ráp mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị:
Hình 4.7 Mặt trên của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị.
Hình 4.7 trình bày lắp ráp hoàn thiện mặt trên của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. Gồm có khối xử lý trung tâm là board STM32F407VG, khối giao tiếp Wifi là Module ESP8266, và khối hiển thị là dây cáp kết nối với màn hình.
Hình 4.8 Mặt dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị.
Hình 4.8 trình bày mặt dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị sau khi gắn các linh kiện và hàn các linh kiện.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41
4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH:4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển: 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển:
Sau khi thi công thành công hết các mạch, nhóm tiến hành dóng gói bộ điều khiển. Bộ điều khiển được gắn lên trên một tấm Formex có chiều dài x, chiều rộng y.
Hình 4.9 Bộ điều khiển được gắn lên tấm Formex
Bộ điều khiển được đặt trên Formex sử dụng keo nến để cố định lại. Không chỉ cách điện mà còn có thể dễ tháo ra để sửa chửa, thay thế.
4.3.2 Thi công mô hình:
4.3.2.1 Thiết kế:
Khung robot được thiết kế bản vẽ bằng phần mềm Soliwork và được gia công bằng sắt vuông 30x30 mm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42
4.3.2.2 Gia công khung Robot:
Hình 4.11 Gia công khung robot
Khung Robot được làm bằng sắt vuông, dạng hình trụ, ở giữa dùng ổ bi và ống sắt tròn, lò xo dùng để tạo lực đánh trống.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43
Hình 4.12 Gia công đế gác trống.
Đế gác trống được làm bằng sắt ống và sắt vuông, ngoài ra có 4 bánh xe, có chức năng di chuyển hoặc là cố định đế gác trống tại một chỗ.
Hình 4.13 Khung Robot sau khi được gắn các thiết bị.
Robot sẽ được gắn những thiết bị lên như nguồn, mạch điều khiển, động cơ để hoạt động.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44
Hình 4.14 Khung Robot sau khi được gia công hoàn chỉnh.
Khung robot sau khi hoàn thành sẽ như hình 4.7, bên ngoài gồm màn hình, cánh tay được gắn ống cao su và phần bên trong gồm có các thiết bị dùng để điều khiển và hoạt động.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45
Hình 4.15 Hình thi công hoàn chỉnh.
Mô hình Robot đánh trống hoàn thiện sẽ bao gồm phần khung robot, đế gác trống và trống được sắp xếp như hình 4.15.
4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.4.1 Lưu đồ giải thuật 4.4.1 Lưu đồ giải thuật
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46
Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán chương trình.
Ban đầu khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình, sau đó sẽ hiển thị giao diện cũng như giá trị của dữ liệu. Tiếp theo khối xử lý trung tâm sẽ đọc giá trị thời gian thực từ bộ RTC. Kiểm tra nếu hệ thống đang điều khiển bằng màn hình cảm ứng thì sẽ thực thi chương trình điều khiển bằng màn hình, ngược lại thì thực thi chương trình điều khiển bằng App.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47
Hình 4.17 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng màn hình.
Để hoạt động trước tiên cần phải khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình. Tiếp theo sẽ so sánh nếu giá trị thời gian cài đặt bằng với giá trị thời gian thực đang chạy thì thực thi chương trình điều khiển động cơ, ngược lại thì sẽ điều chỉnh giá trị thời gian trên màn hình cảm ứng, hoàn thành một chu kỳ hoạt động. Sau đó tiếp tục quay lại thực hiện chu kỳ tiếp theo.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48
Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng điện thoại.
Để hoạt động trước tiên cần phải khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình. Sau đó kiểm tra kết nối Wifi, nếu không có kết nối thì quay lại thực hiện việc kiểm tra kết nối, ngược lại thì thực thi chương trình đọc dữ liệu từ Firebase, sau đó sẽ thực thi chương trình xử lý dữ liệu. Tiếp theo sẽ so sánh nếu giá trị thời gian cài đặt bằng với giá trị thời gian thực đang chạy thì thực thi chương trình điều khiển động cơ, ngược lại thì sẽ điều chỉnh giá trị thời gian trên App điện thoại, hoàn thành một chu kỳ hoạt động. Sau đó tiếp tục quay lại thực hiện chu kỳ tiếp theo.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49
Hình 4.19 Lưu đồ đọc dữ liệu từ Firebase.
Ban đầu khởi tạo các biến, sau đó kết nối đến Firebase. Khi điều chỉnh trên App điện thoại, dữ liệu sẽ được đưa lên và lưu trữ trên Firebase. ESP sẽ đọc dữ liệu từ Firebase sau đó truyền dữ liệu tới khối xử lý trung tâm bằng giao thức UART.
Hình 4.20 Lưu đồ xử lý dữ liệu.
Khối xử lý trung tâm sẽ nhận dữ liệu truyền UART từ ESP, sau đó sẽ xử lý bằng việc tách chuỗi dữ liệu.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50
Hình 4.21 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ.
Ban đầu khởi tạo các chân DIR, STEP, ENA ở mức thấp. Tiếp theo so sánh nếu giây của thời gian thực nhỏ hơn giây cài thì động cơ hoạt động, ngược lại thì dừng động cơ.
4.4.2 Phần mềm lập trình:
4.4.2.1 Phần mềm STM32CubeMX:
STM32CubeMX là một chương trình hoàn thiện giúp cho việc lập trình trên STM32 dễ dàng.
Giúp cấu hình ngoại vi dễ dàng: Chọn các pin trên chip và chọn các tính năng mong muốn gắn với nó. Cấu hình Middlewares (FATS, FREERTOS), các ngoại vi như CRC, IWDG, TIMERS…, cấu hình Clock và tính toán mức độ tiêu hao năng lượng.
STM32CubeMX tự động download các driver mới nhất của ST dành cho các dòng chip của mình. ST đã không còn phát triển Standard Peripheral Libraries nữa, thay vào đó họ phát triển cấu trúc firmware mới bao gồm lớp cách ly phần cứng (HAL) bao gồm các driver cho ngoại vi, lớp Middleware bao gồm hỗ trợ TCP/IP, USB, Graphics, FAT file system, Touch library, và hệ điều hành mã nguồn mở RTOS.
Tự động tạo Project dựa trên cấu hình ở trên. STM32CubeMX đầu tiên sẽ download driver của dòng chip cần cấu hình, sau đó tạo code và copy các driver cần thiết vào project, và tạo project trên các công cụ lập trình phổ biến như Keil hay IAR.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51
Hình 4.22 Phần mềm STM32CubeMX. *Cách tạo project:
Mở phần mềm STM32CubeMX lên, nhấn vào New Project để bắt đầu tạo project mới.
- Series: Chọn họ MCU bạn sử dụng. - Lines: Chọn dòng MCU bạn sử dụng.
- Package: Chọn kiểu đóng gói của MCU. Chọn loại MCU chính xác trong phần MCUs List. Nhấn OK.
Hình 4.23 Tạo Project.
Chọn ngoại vi cần dùng tại thẻ PinOut:
Trong danh sách Peripheral được liệt kê bên trái có cách ngoại vi mà MCU hỗ trợ, sử dụng ngoại vi nào thì Enable ngoại vi đó lên.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52
Tại hình MCU trong khung bên phải, cấu hình trực quan từng chân của MCU theo các tính năng GPIO mà MCU hỗ trợ bằng cách click vào chân MCU và chọn chức năng cần thiết.
Hình 4.24 Chọn ngoại vi.
Cấu hình xung đồng hồ cho ngoại vi tại thẻ Clock Configuration.
Hình 4.25 Điều chỉnh xung nhịp.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53
Hình 4.26 Cấu hình ngoại vi
Sau khi đã điều chỉnh, cấu hình những ngoại vi cần thiết, chúng ta tiến hành xuất mã nguồn để import vào các trình biên dịch như IAR, KeilC…
Hình 4.27 Xuất mã nguồn
4.4.2.2 Phần mềm Keil C:
Là phần mềm hỗ trợ người dùng trong việc lập trình vi điều khiển các dòng khác nhau (Atmel, AVR, …). Keil C giúp người dùng soạn thảo và biên dịch chương trình C hay cả ASM thành ngôn ngữ máy để nạp cho vi điều khiển giúp chúng ta tương tác giữa vi điều khiển với người lập trình.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54
Hình 4.28 Phần mềm Keil C Uvision 5 Tạo Project Keil C:
Mở Keil C lên Project -> new Uvision Project
Hình 4.29 Tạo Project Keil C
Sau đó đặt tên cho project, ví dụ: GPIOdemo và chọn thư mục lưu để project. Bạn nên đặt tên thư mục trùng tên project để dễ nhớ.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55
Hình 4.30 Đặt tên cho project.
Sau đó sẽ chọn chip chúng ta sử dụng:
Hình 4.31 Chọn chip
Tiếp theo, trong bảng Manage Run-Time Enviroment. Các bạn có thể tích để sử dụng CMSIS mới nhất của Keil C nó sẽ link với thư viện ổ C.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56
Hình 4.32 Chọn CMSIS.
Bây giờ bạn copy thư viện StdPeriph_Driver download ở post trước vào thư mục chứa project ‘GPIOdemo’.
Hình 4.33 Copy thư viện.
Tạo thêm folder User để cho file mình code vào đó. Thư mục project ‘GPIOdemo’ gồm các thư mục và file như dưới đây.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57
Hình 4.34 Tạo thêm Folder User
Bây giờ mở lại GPIOdemo project để cài đặt project. Cài đặt Create hex file tại tab Output.
Hình 4.35 Cài đặt project
Trong ô define điền: USE_STDPERIPH_DRIVER (Sử dụng thư viện peripheral của ST)
STM32F10X_MD: Sử dụng chip medium destiny (STM32F103C8T6 là chíp medium destiny)
Tích ô C99: Sử dụng chuẩn biên dịch C99. Nếu không tích sẽ gặp một số lỗi như biên dịch khi khai báo biến nằm thân chương trình.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58
Hình 4.36 Chuyển sang task C/C++
Vẫn trong tab C/C++ bạn cần trỏ tất cả đường dẫn tới folder chứa file và thư viện biên dịch như user, CMSIS, Startup, StdPeriph_Driver.
Hình 4.37 Trỏ tất cả đường dẫn tới folder chưa file
Cài đặt mạch nạp. Ở đây dùng STlink V2 để nạp code và debug. Nếu muốn kiếm tra xem mạch nạp và có hoạt động hay không chọn Setting.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59
Hình 4.38 Cài đặt mạch nạp.
Vậy là xong phần cài đặt Keil C. Bây giờ cần tạo file main.c bằng cách nhấn CTRL+N hoặc File->New.
Hình 4.39 Tạo file main.c
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60
Hình 4.40 Lưu file main.c
4.4.2.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Android studio:
Android Studio là một phầm mềm bao gồm các bộ công cụ khác nhau dùng để phát triển ứng dụng chạy trên thiết bị sử dụng hệ điều hành Android như các loại điện thoại smartphone, các tablet... Android Studio được đóng gói với một bộ code editor, debugger, các công cụ performance tool và một hệ thống build/deploy (trong đó có trình giả lập simulator để giả lập môi trường của thiết bị điện thoại hoặc tablet trên máy tính) cho phép các lập trình viên có thể nhanh chóng phát triển các ứng dụng từ đơn giản tới phức tạp.
Hình 4.41 Phần mềm Android studio
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61
Bước 1: Khởi động Android Studio -> File -> chọn New -> chọn New Project -> Nhập tên ứng dụng (Application name), chỉ định thư mục chứa source code (Project location) -> chọn Next.
Hình 4.42 Tạo Project Android Studio
Bước 2: Chọn Phone and Tablet -> chọn phiên bản tối thiểu SDK (tương ứng với phiên bản hệ điều hành Android) -> chọn Next
Hình 4.43 Chọn Phone and Tablet
Bước 3: Chọn Activity, trong hình nhóm chọn Empty Activity (Việc lựa chọn