34
4. 3. 1 Bản vẽ phần cứng
35
4. 3. 2 Bản vẽ 2D thiết kế mơ hình.
Hình 4.3: Bản vẽ 2D của mơ hình.
Tầng 1 của mơ hình
36
4. 1 Lưu đồ thuật toán và bản vẽ điện
4. 1. 1 Lưu đồ thuật toán
37
4. 1. 2 Bản vẽ điện của hệ thống xe tự hành.
Hình 4.4: Bản vẽ điện của mơ hình.
4. 2 Chia vùng chức năng Hình 4.5: Chia vùng chức năng Hình 4.5: Chia vùng chức năng VÙNG THU THẬP TÍN HIỆU VÙNG ĐIỀU KHIỂN VÀ VẬN HÀNH VÙNG XỬ LÝ THÔNG TIN VÙNG ĐÈN KHỬ TRÙNG TIA CỰC TÍM
38
STT Vùng chức năng Thiết bị
1 Thu thập tín hiệu Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 Động cơ RC Servo MG90S
2 Xử lý thông tin Mạch Arduino Uno R3 3 Điều khiển và vận
hành
Mạch cầu IC L298N
Cặp động cơ DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor 4 Khử trùng tia cực tím Relay Inverter Đèn khử trùng tia cực tím 5 Tín hiệu Đèn led Điện trở Bảng 4-2: Vùng chức năng và thiết bị.
4. 2. 1 Mô tả các vùng chức năng và nhiệm vụ.
Thu thập thông tin
1. Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04 quét vật cản xung quanh. Góc quét: <15 độ
Tần số phát sóng: 40Khz
Khoảng cách đo được: 2~450cm
2. Servo MG90S hỗ trợ giúp tăng vùng quét của cảm biến siêu âm. Góc quét lên đến 180 độ
3. Cảm biến thu nhận thông tin liên tục và gửi đến bộ xử lý trung tâm Arduino R3
Xử lý thông tin
1. Sau khi nhận được thông tin về vật cản từ cảm biến siêu âm thì mạch Arduino R3 sẽ xử lý và truyền lệnh điều khiển đến mạch IC L298N
39
1. Căn cứ vào kết quả đo đạt của cảm biến siêu âm và kết quả xử lý thơng tin của mạch Arduino R3 từ đó L298N điều khiển và vận hành động cơ 1 hoặc 2
Cơng suất tối đa 25W
Dịng tối đa cho mỗi cầu H là 2A 2. Có cách chế độ vận hành như sau:
-Chế độ tránh né vật cản: Chạy thẳng, chạy lùi, rẽ trái phải và theo các góc khơng có vật cản.
-Vận hành trong 10s và dừng 3p để đèn tia cực tím khử trùng bề mặt. -Tự động tắt trong khoảng thời gian đã được cài đặt trước.
Khử trùng tia cực tím
1. Đèn khử trùng khơng khí và bề mặt Cơng suất 4W
Bước sóng 270nm có thể gây đột biến và tiêu diệt vi khuẩn. 2. Hoạt động và tắt cùng với vùng vận hành
Tín hiệu
1. Đèn tín hiệu ON khi bật cơng tắc hoạt động robot
40
4. 3 Tính tốn và lựa chọn linh kiện.
4. 3. 1 Phần robot tự hành.
Sản phẩm của chúng em là xe tự hành sử dụng Arduino để lập trình và hoạt động nhờ 4 động cơ motor bánh xe được cấp nguồn từ pin, điều khiển tốc độ của động cơ qua mạch cầu L298N và quét phát hiện vật cản bằng cảm biến siêu âm và động cơ xoay servo.
Để có được mơ hình với các thơng số như bảng 3-1 phía trên thì nhóm em chọn các linh kiện sau:
Arduino Uno R3: Là “bộ não” chính của sản phẩm, nơi lập trình code để sản phẩm
hoạt động đúng mục đích.
Hình 4.6: Arduino Uno R3
Thông số kỹ thuật:
Chip điều khiển chính: ATmega328P
Chip nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2
Nguồn ni mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngồi cắm từ giắc tròn DC
Số chân Digital I/O: 14 (trong đó 6 chân có khả năng xuất xung PWM).
41
Số chân Analog Input: 6
Dòng điện DC Current trên mỗi chân I/O: 20 mA
Dòng điện DC Current chân 3.3V: 50 mA
Flash Memory: 32 KB (ATmega328P), 0.5 KB dùng cho bootloader.
SRAM: 2 KB (ATmega328P)
EEPROM: 1 KB (ATmega328P)
Clock Speed: 16 MHz
LED_BUILTIN: 13
Kích thước: 68. x 53.4 mm
Cấp nguồn: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, sẽ làm hỏng Arduino UNO.
Chân nguồn:
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 được nối 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 ln là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng 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
42
Mạch cầu IC L298: là mạch điều khiển tốc độ của motor bánh xe, giúp cho xe chạy
với tốc độ tùy theo nhu cầu của người sử dụng.
Thông số kỹ thuật:
IC chính: L298 - Dual Full Bridge Driver
Điện áp đầu vào: 5~30VDC
Công suất tối đa: 25W 1 cầu (lưu ý cơng suất = dịng điện x điện áp nên áp cấp vào càng cao, dịng càng nhỏ, cơng suất có định 25W).
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A
Mức điện áp logic: Low -0.3V~1.5V, High: 2.3V~Vss
Kích thước: 43x43x27mm
Cấp nguồn: Bộ nguồn 12V-GND-5V: Tùy thuộc loại động cơ mà ta chọn 12V hay
5V.
Chân nguồn:
Chân A Enable, B Enable là 2 chân điều khiển tốc độ 2 động cơ riêng biệt. Input: Là 4 chân điều khiển chiều quay của 2 động cơ.
Output A, Output B: Là 2 đầu ra kết nối với 2 động cơ
43
Cặp động cơ DC giảm tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor + Bánh Xe:
Là động cơ motor giúp cho xe chạy, sản phẩm sử dụng 4 cặp động cơ. Thông số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động : 3~9VDC
Dòng điện tiêu thụ: 110~140mA
Tỉ số truyền 1:48
125 vòng/ 1 phút tại 3VDC.
208 vòng/ 1 phút tại 5VDC.
Moment: 0.5KG.CM
Kèm bánh xe đường kính 65mm.
Cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04: Bộ phận quét và nhận biết vật cản trước
mặt để xe có thể tránh né. Thơng số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng tiêu thụ: 10~40mA
Tín hiệu giao tiếp: TTL
Chân tín hiệu: Echo, Trigger.
Góc qt: <15 độ
Tần số phát sóng: 40Khz
Khoảng cách đo được: 2~450cm
(khoảng cách xa nhất đạt được ở điều khiện lý tưởng với không gian trống và bề mặt vật thể bằng phẳng, trong điều kiện bình thường cảm biến cho kết quả chính xác nhất ở khoảng cách <100cm).
Sai số: 0.3cm (khoảng cách càng gần, bề mặt vật thể càng phẳng sai số càng nhỏ).
Kích thước: 43mm x 20mm x 17mm
Hình 4.8: Cặp động cơ DC giảm tốc + bánh xe
44
Cấp nguồn: Nguồn làm việc: 5V (một số mạch điện tử có thể cấp nguồn 3.3V vẫn
hoạt động bình thường nhưng cảm biến siêu âm cần hoạt động ở mức 5V).
Chân nguồn:
Vcc -> nguồn 5V
Trig -> nối vi điều khiển (ngõ phát) (pin 3 arduino) (có thể sử dụng mức áp 3.3V để kích cảm biến mà khơng ảnh hưởng đến kết quả)
Echo -> nối vi điều khiển (ngõ thu) (pin 2 arduino) Gnd -> nối âm
Động cơ RC Servo MG90S: Động cơ xoay chuyển hướng hỗ trợ cho cảm biến siêu
âm quét vật cản, có thể xoay với 1 góc rộng bao qt cho xe. Thơng số kỹ thuật: Model: MG90S servo Điện áp hoạt động: 4.8 ~ 6VDC Stall Torque: 1.8kg/cm(4.8V ),2.2kg/cm(6V) OperatingSpeed: 0.1sec/60degree(4.8v), 0.08sec/60degree(6v)
Bánh răng: Kim loại.
Độ dài dây nối: 175mm
Trọng lượng: 13.4g
Kích thước: 22.8 x 12.2 x 28.5mm
Cấp nguồn: Điện áp hoạt động trong ngưỡng : 4.8-5V Chân nguồn:
Dây đen: GNG Dây đỏ: VCC Dây cam: Input
45
Hộp Pin 2 Cỡ 18650 Có Cơng Tắc + 2 pin 18650: Nguồn điện cấp cho động cơ xe
và bộ mạch chính của xe
Thơng số kỹ thuật:
Kiểu pin: 18650.
Điện áp trung bình 3.7V, sạc đầy 4.2V.
Dung lượng: 2500mAh.
Dòng xả: 5A
Kích thước: 18x65mm và Trọng lượng: 46g.
4. 3. 2 Phần hệ thống đèn khử trùng.
Hệ thống đèn tia UV khử khuẩn sẽ sử dụng nguồn điện riêng biệt với xe vì để hạn chế rủi ro hư hỏng linh kiện điện tử trên xe robot vì nguồn điện lớn hơn (điện của hệ thống đèn là 220VAC, linh kiện điện tử của xe là 5VDC – 9VDC). Vậy nên chúng em sử dụng bình điện ắc quy để cấp điện cho hệ thống đèn khử khuẩn, tuy nhiên vì điện bình chỉ có 12VDC nên chúng em sẽ sử dụng thêm bộ chuyển đổi nguồn Inverter để chuyển dòng 12VDC thành 220VAC. Relay 12VDC hỗ trợ đóng ngắt nguồn điện theo quá trình vận hành của robot
46
Bóng đèn tia UV: là bộ phận chính của hệ thống đèn, dùng để khử khuẩn khơng khí
cho căn phịng.
Cơng suất đèn: 4W
Kích thước: 15cm
Nguồn điện: 220VAC
Xuất xứ: Trung Quốc
Bình điện ắc quy: Là nguồn điện cung cấp cho đèn để đèn hoạt động.
Thông số kỹ thuật:
Cung cấp nguồn cho các thiết bị động cơ DC cùng điện áp,
Phù hợp với các dự án mơ hình điều khiển nhỏ: xe robot, Robot địa hình…
Điện áp định mức: 12VDC
Công suất: 2.6AH
Trọng lượng: 750g.
Màu sắc: màu đen.
Kích thước: 7 x 4,7 x 10,5 (cm)
Hình 4.13: Bóng đèn tia UV.
47
Bộ chuyển đổi nguồn Inverter: dùng để chuyển đổi nguồn điện từ 12VDC thành
nguồn điện 220VAC, cấp điện cho bóng đèn. Thơng số kỹ thuật:
• Input: 12VDC • Output: 220VAC
• Cơng suất: 60W (sử dụng cho sạc điện thoại, đèn compac, đèn huỳnh quang ballats điện tử, router, modem, laptop,…)
Mạch 2 Relay Opto Chọn Mức Kích High/Low 12VDC: Mạch 2 Relay Opto
chọn mức kích High/Low 12VDC được sử dụng để bật, tắt thiết bị AC/DC qua Relay, mạch có thể tùy chọn kích bằng mức cao hoặc thấp (High/Low) qua Jumper
Thông số kỹ thuật sản phẩm:
Điện áp sử dụng: 12VDC
Dịng tiêu thụ: khoảng 200mA /1Relay
Tín hiệu kích: Tùy chọn mức cao High 12VDC theo loại Relay hoặc thấp Low (0VDC) qua Jumper.
Tiếp điểm đóng ngắt Relay trên mạch: Max 250VAC- 10A hoặc 30VDC-10A (Để an tồn nên dùng cho tải có cơng suất <100W).
Kích thước: 52 (L) * 41(W) * 19 (H) mm.
Hình 4.15: Bộ chuyển đổi Inverter.
48 4. 4 Bảng giá thành vật liệu. STT Vật liệu Chất liệu Số lượng
Đơn giá Thành tiền
1 Arduino Uno R3 kèm cáp 1 130.000 130.000
2 Mạch điều khiển động cơ DC L298N
1 35.000 35.000
3 Cảm biến siêu âm SRF04 1 64.000 64.000
4 Khung xe robot Mica 1 40.000 40.000
5 Động Cơ RC Servo MG90S 1 59.000 59.000
6 Động Cơ DC Giảm Tốc V1 Dual Shaft Plastic Geared TT Motor
2 15.000 30.000
7 Bánh Xe TT Motor Plastic Wheel 65mm
Nhựa 4 10.000 40.000
8 Vỏ nhựa Arduino Nhựa 1 15.000 15.000
9 Pin sạc 18650 3.7V 2500 mAh 5A
2 65.000 130.000
10 Hộp pin có cơng tắc Nhựa 1 16.000 16.000
11 Gá cảm biến siêu âm Mica 1 15.000 15.000
49
13 Mạch hiển thị dung lượng pin 1 25.000 25.000
14 Đèn khử trùng tia cực tím 2 150.000 300.000
15 Bình ắc quy 12VDC 1 216.000 216.000
16 Relay 12VDC 1 38.000 38.000
Tổng cộng 1.340.000
50
Chương 5: THI CƠNG THÍ NGHIỆM MƠ HÌNH
5. 1 Thi cơng lắp ráp cơ khí.
Chuẩn bị dụng cụ để làm khung của robot:
Hình 5.1: Dụng cụ làm khung robot
51
Hình 5.3: Cố định để khoang lỗ trụ chính xác.
52
Hình 5.5: Cố định gá đỡ, lắp ráp động cơ V1 và bánh xe đa hướng
53
5. 2 Thi công, lắp ráp phần điện, điện tử.
5. 2. 1 Lắp đặt vị trí linh kiện.
Tầng 1 của robot chứ các linh kiện như:
Ắc quy
Mạch IC L298N
Mạch Arduino UNO R3
RC Servo MG90S
Cảm biến siêu âm HC-SR04
Nút nhấn khởi động
2 Động cơ V1
54 Tầng 2 của robot gồm có: Bóng đèn tia cực tím Relay Mức Kích High/Low 12VDC Inverter Hình 5.8: Tầng 2 của robot
5. 2. 2 Danh sách nối dây các linh kiện
Module điều khiển động cơ L298N
In1 Pin 9 Arduino Uno R3
In2 Pin 8 Arduino Uno R3
In3 Pin 7 Arduino Uno R3
In4 Pin 6 Arduino Uno R3
enA Pin 3 Arduino Uno R3
enB Pin 5 Arduino Uno R3
+12V V in Arduino Uno R3
GND GND Arduino Uno R3
+5V Vcc Rc Servo
55 Out2
Out3 Motor phải
Out4
Ultrasonic Sensor (cảm biến siêu âm)
Vcc Pin +5V Arduino Uno R3
Trigger Pin A1 Arduino Uno R3
Echo Pin A0 Arduino Uno R3
GND GND Arduino Uno R3
RC Servo
Vcc (dây màu đỏ) +5V
GND (dây màu nâu) GND
Trig (dây màu cam) Pin A2 Arduino Uno R3
Nguồn (ắc quy 12V) Chân (+) Inverter (+) +12V Module L298N Chân (-) Inverter (-) GND Module L298N Relay 12V 2 kênh DC+ V in Arduino Uno R3 DC- GND Arduino Uno R3
In1 Pin 10 Arduino Uno R3
NO1 (+) đèn UV
COM (-) đèn UV
56
5. 3 Mô phỏng, chạy thử.
5. 3. 1 Mạch mơ phỏng.
Hình 5.10: Mạch mơ phỏng cuả mơ hình.
Trong mạch mơ phỏng có thêm các phần hỗ trợ sau:
57
Hình 5.11: Nút nhấn giả lập khoảng cách
Màn hình hiển thị kết quả Virtual Terminal.
58
5. 3. 2 Lập trình mơ phỏng Arduino Uno R3.
Trong phần lập trình có các chức năng gồm:
Hệ thống Servo và vùng giả lập khoảng cách bằng nút nhấn cho cảm biến siêu âm.
Tiến hành các action như chạy thẳng, lùi, rẽ trái phải.
Chạy 10 giây và dừng 30 giây (có thể tuỳ chỉnh tuỳ theo mục đích và nhu cầu sử dụng)
Robot dừng hoạt động sau 3 phút
Đèn led tín hiệu ON.
Đèn tia UV sẽ tắt sau khi robot dừng hoạt động sau 3 phút cùng với robot.
Màn hình hiển thị kết quả Virtual Terminal.
(Phần code lập trình được trình bày tại phần phụ lục)
5. 3. 3 Chuẩn bị phần mềm
Sau khi đã có file Proteus và code của Arduino ta tiến hành tại file hex để nạp vào Proteus.
Trong giao diện của phần mềm này bạn click chọn File >Preferences.
Khi hộp thoại Preferences xuất hiện, bạn hãy đánh dấu check vào ơ compilation và sau đó chọn OK.
59
Hình 5.13: Chuẩn bị để biên dịch chương trình.
Sau đó nhấn vào nút để biên dịch chương trình. Sau khi phần mềm biên dịch xong chúng ta được một file .hex được lưu ở đường dẫn như hình dưới:
Hình 5.14: File .hex đã được tạo.
Nạp file .hex và mô phỏng.
Sao chép file .hex ra một thư mục nào đó sau đó mở Proteus lên và double clickvào Aruino Uno. Hộp thoại Edit Component xuất hiện. Tại khung Program File tìm đến mục chứa file .hex lúc nãy bạn lưu ở trên chọn Open, sau đó ấn OK.
60
Hình 5.15: Nạp file .hex cho Arduino
Nạp file .hex cho cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04
Hình 5.16: Nạp file .hex cho cảm biến siêu âm.
5. 4 Bắt đầu mô phỏng, thử nghiệm.
Ta nhấn nút góc phía dưới bên trái phần mềm Proteus để tiến hành chạy chương