Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC
- Mức điện áp chân giao tiếp: TTL tương thích 3.3VDC và 5 VDC.
- Dòng điện khi hoạt động: khi Pairing 30 mA, sau khi pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8 mA.
- Baudrate UART có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200
- Cấu hình hỗ trợ: Bluetooth serial port (master and slave) - Giao thức Bluetooth: Bluetooth specification V2.0 + EDR - Tần số: 2.4 GHz ISM band
- Transmit power: =4 dBm, class 2 - Tốc độ:
Bất đồng bộ: 2.1Mbps(Max)/160kbps Đồng bộ: 1Mbps/1Mbps
- Bảo mật: mã hóa và chứng thực
- Pairing code mặc định: 1234 hoặc 0000. - Kích thước: 15.2 x 35.7 x 5.6mm
c. Module BLUETOOTH HC-06
Mạch thu phát Bluetooth HC-06 đã ra chân giúp dễ dàng kết nối để thực hiện các thí nghiệm, module được thiết kế để cho thể hoạt động từ mức điện áp 3.3 ~ 5VDC. Khi kết nối với máy tính, HC-06 được sử dụng như 1 cổng COM ảo, việc
truyền nhận với COM ảo sẽ giống như truyền nhận dữ liệu trực tiếp với UART trên module.
Khi thay đổi tốc độ Baud cho COM ảo không làm thay đổi tốc độ baud của UART, tốc độ baud UART chỉ có thể thay đổi bằng AT command trên module. Điểm khác biệt so với HC05 đó là HC06 chỉ có thể chạy được 1 chế độ Slave (khác với HC05 có thể hoạt động với chế độ Mater hoặc Slave). Điều này có nghĩa là bạn khơng thể chủ động kết nối từ vi điều khiển đến các thiết bị ngoại vi. Mà cách kết nối là: bạn phải sử dụng thiết bị ngoại vi (điện thoại thơng minh, máy tính laptop) để dị tín hiệu kêt nối Buletooth mà HC06 phát ra. Sau khi pair thành cơng bạn có thể gửi tín hiệu từ vi điều khiển đến các thiết bị ngoại vi này, và ngược lại.
Hình 2. 5 Module Bluetooth HC – 06
Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 3V3-5V DC
- Dòng điện tiêu thụ: 20-30mA
- Nhiệt độ hoạt động: -20~75°C
- Sử dụng chip: CSR Bluetooth V2.0
- Cấu hình Slave mặc định, khơng thay đổi được.
- Hỗ trợ tốc độ baud: 200，2400，4800，9600, 19200，38400，57600，
115200
- Kích thước: 28x15x2,35mm
- Giao tiếp: UART (TX, RX)
Bất đồng bộ: 2.1Mbps(Max)/160kbps Đồng bộ: 1Mbps/1Mbps - Bảo mật: mã hóa và chứng thực - Cấu hình mặc định: Tốc độ baud 9600, N, 8, 1 Mật khẩu: 1234
2.3.4 Module điều khiển động cơ BTS7960
BTS7960 là module cầu H hiện tại được tích hợp đầy đủ các driver cho các động cơ. Việc kết nối với vi điều khiển được thực hiện dễ dàng bởi IC điều khiển tích hợp có các đầu vào mức logic, chẩn đốn với ý nghĩa hiện tại, điều chỉnh tốc độ xoay, tạo thời gian chết và bảo vệ chống quá nhiệt, quá áp, quá điện áp, quá dòng và ngắn mạch. BTS7960 cung cấp một giải pháp tối ưu hóa chi phí để điều khiển các động cơ PWM hiện tại được bảo vệ với mức tiêu thụ không gian rất thấp.
Hình 2. 6 Module cầu H BTS7960
Thơng số kỹ thuật:
- Nguồn: 6 ~ 27V.
- Dòng điện tải mach: 43A (Tải trở) hoặc 15A (Tải cảm).
- Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V.
- Tần số điều khiển tối đa: 25KHz.
- Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown. Nếu điện áp < 5.5V, driver sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5V.
- Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong. Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng q nhiệt.
- Kích thước: 40 x 50 x12mm.
Sơ đồ chân:
VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (5V - 3V3 ).
GND: Chân đất
R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải. R_EN = 1: Enable nửa cầu H phải.
L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái. L_EN = 1: Enable nửa cầu H trái.
RPWM và LPWM: chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ.
RPWM = 1 và LPWM = 0: Mô tơ quay thuận.
RPWM = 0 và LPWM = 1: Mô tơ quay nghịch
RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0: Dừng
R_IS và L_IS: kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H. [9]
2.3.5 Cảm biến khoảng cách VL53L0X
Trong các thiệt bị như xe tự hành, xe khơng người lái, … để đảm bảo an tồn cho xe tránh các va chạm thì cảm biến tránh vật cản (cảm biến khoảng cách) là rất cần thiết. Hiện nay có rất nhiều cảm biến khoảng cách như cảm biến siêu âm Ultrasonic HC-SR04, Ultrasonic US-015, HY-SRF05, cảm biến hồng ngoại, cảm biến radar RCWL0516, … chúng đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Vì xe lăn là phương tiện của các bệnh nhân khơng có khả năng đi lại và phản xạ của họ tương đối chậm, nên việc đảm bảo tính an tồn khi xảy ra sự cố như gặp vật cản phía trước xe có thể phản hồi nhanh để thực hiện dừng xe ngay lập tức, chúng tôi chọn cảm biến khoảng cách dùng laser VL53L0X được sản xuất bởi STMicroelectronics. Cảm biến có độ chính xác cao, ít bị nhiễu nhưng vẫn cịn hạn chế khi đo khoảng cách ở các điều kiện ánh sáng và màu sắc khác nhau.
VL53L0X là module laser Time-of-Flight (ToF) thế hệ mới với thiết kế có kích thước nhỏ nhất trên thị trường hiện nay, cung cấp phép đo khoảng cách chính xác cho dù phản xạ mục tiêu không giống như các công nghệ thơng thường. Nó có thể đo khoảng cách tuyệt đối lên tới 2m, thiết lập một chuẩn mực mới ở các mức hiệu suất khác nhau, mở ra cánh cửa cho các ứng dụng mới khác nhau. VL53L0X tích hợp một
mảng SPAD hàng đầu (Điốt đơn Photon) và nhúng công nghệ được cấp bằng sáng chế của chuyến bay STSense thế hệ thứ hai
Cảm biến khoảng cách VL53L0X Laser Distance ToF Sensor sử dụng tia Laser để đo khoảng cách đến vật thể với độ chính xác và độ ổn định cao, thích hợp cho các ứng dụng Robot tránh vật cản, đo khoảng cách, đặc biệt là các ứng dụng Radar bằng tia Laser (Lidar) trong các xe tự hành, Smart Car,...
Hình 2. 7 Cảm biến khoảng cách VL53L0X
Thông số kỹ thuật: [10]
Điện áp sử dụng: 2.8~5VDC
Dịng sử dụng trung bình: lúc hoạt động 20mA, lúc nghỉ 6𝜇A. Phương pháp đo khoảng cách: Tia Laser.
Khoảng cách đo trung bình: Tối thiểu: 2cm.
Trong nhà: Nền màu trắng: 200cm+, các màu khác: 80cm. Ngoài trời: Nền màu trắng: 80cm, các màu khác: 50cm. Dạng tín hiệu trả về: I2C mức TTL 3.3~5VDC.
Kích thước: 10.5 x 13.3 mm
Các đặc trưng
Mơ-đun nhỏ tích hợp đầy đủ: Laser VCSEL 940nm. Trình điều khiển VCSEL.
Kích thước cảm biến 4,4 x 2,4 x 1.0mm. Dễ dàng mở rộng
Thành phần phản xạ đơn. Khơng có quang học bổ sung. Nguồn đơn.
Giao diện I2C để điều khiển thiết bị và truyền dữ liệu. Xshutdown (Reset) và ngắt GPIO.
Bảo vệ mắt
Thiết bị laser phù hợp với tiêu chuẩn mới nhất IEC 60825-1: 2014 - phiên bản thứ 3.
Khoảng cách nhanh, chính xác Phạm vi đo tuyệt đối lên đến 2m.
Phạm vi đo không phụ thuộc vào hệ số phản xạ mục tiêu. Hoạt động ở mức ánh sáng hồng ngoại xung quanh cao.
Tăng phần bù quang học để đơn giản hóa khi có kính bao phủ
2.3.6 Servo SG90
Động cơ RC Servo SG90 có kích thước nhỏ, là loại được sử dụng nhiều nhất để làm các mơ hình nhỏ hoặc các cơ cấu kéo không cần đến lực nặng. Động cơ RC Servo SG90 có tốc độ phản ứng nhanh, các bánh răng được làm bằng nhựa nên cần lưu ý khi nâng tải nặng vì có thể làm hư bánh răng, động cơ RC Servo SG90 có tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ bên trong nên có thể dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Thông số kỹ thuật: Điện áp hoạt động: 4.8-5VDC Tốc độ: 0.12s / 60 độ (4.8VDC) Lực kéo: 1.6 KG.CM Kích thước: 21x12x22mm Trọng lượng: 9g. 2.3.7 Mạch giảm áp DC LM2596 3A
Trong những dự án Arduino, để dự án được nhỏ gọn và tiết kiệm thường xử dụng board Arduino Pro Mini vì nó khá nhỏ gọn và giá thành rẻ. Nhưng Pro mini lại khơng có tích hợp mạch nguồn 3.3V và 5, nên khó có thể cấp nguồn chuẩn 5V hay 3.3V cho các module hay cảm biến.
Mạch giảm áp DC LM2596 nhỏ gọn có khả năng giảm áp từ 30V xuống 1.5V mà vẫn đạt hiệu suất cao (92%). Thích hợp cho các ứng dụng chia nguồn, hạ áp, cấp cho các thiết bị như camera, motor, robot, ...
Hình 2. 9 Mạch giảm áp DC LM2596 3A
Thông số kỹ thuật:
Điện áp đầu vào: Từ 3V đến 30V.
Điện áp đầu ra: Điều chỉnh được trong khoảng 1.5V đến 30V.
Dòng đáp ứng tối đa là 3A.
Hiệu suất: 92%
Công suất: 15W
2.4 CÁC CHUẨN TRUYỀN DỮ LIỆU
2.4.1 Chuẩn truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART
UART – Universal asynchronous receiver transmitter là bộ truyền nhận nối tiếp bất đồng bộ.Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Hình 2. 10 Chuẩn truyền thơng UART
Trong giao tiếp này, có hai loại UART có sẵn là truyền UART và nhận UART và giao tiếp giữa hai loại này có thể được thực hiện trực tiếp với nhau. Đối với điều này, chỉ cần hai cáp để giao tiếp giữa hai UART. Luồng dữ liệu sẽ từ cả hai chân truyền (Tx) và nhận (Rx) của UARTs. Trong UART, việc truyền dữ liệu từ Tx UART sang Rx UART có thể được thực hiện không đồng bộ (khơng có tín hiệu CLK để đồng bộ hóa các bit o / p).
Việc truyền dữ liệu của UART có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bus dữ liệu ở dạng song song bởi các thiết bị khác như vi điều khiển, bộ nhớ, CPU, v.v. Sau khi nhận được dữ liệu song song từ bus, nó tạo thành gói dữ liệu bằng cách thêm ba bit như bắt đầu, dừng lại và trung bình. Nó đọc từng bit gói dữ liệu và chuyển đổi dữ liệu nhận được thành dạng song song để loại bỏ ba bit của gói dữ liệu. Tóm lại, gói dữ liệu nhận được bởi UART chuyển song song về phía bus dữ liệu ở đầu nhận.
UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển cho các u cầu chính xác và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, module Bluetooth và nhiều ứng dụng khác.
Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 & TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232. Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART.
2.4.2 Chuẩn truyền thông I²C
I²C (viết tắt của từ tiếng Anh "Inter-Integrated Circuit", phát âm tiếng Anh I-
two - C, hoặc cũng có thể viết là IIC) là một loại bus nối tiếp được phát triển bởi hãng sản xuất linh kiện điện tử Philips (nay là hãng NXP Semiconductors) vào năm 1982. I²C được sử dụng rộng rãi trong việc tích hợp các IC ngoại vi tốc độ thấp vào vi điều khiển và vi xử lí ở khoảng cách ngắn, hoặc để giao tiếp trực tiếp giữa các board mạch/vi điều khiển với nhau.
Kết nối giữa master (hoặc multimaster) với single slave (hoặc multi slave). Một trong những ưu điểm nổi bật của chuẩn giao tiếp I2C là nó chỉ duy nhất 2 dây SCL (serial clock) và SDA (serial data) để truyền nhận tín hiệu.
Hình 2. 11 Ví dụ chuẩn truyền thơng I²C
Nguyên lí truyền dữ liệu chuẩn I²C
Trình tự Master muốn truyền dữ liệu cho Slave:
Master là transmitter (IC gửi) sẽ truyền bit START và địa chỉ của Slave Master sẽ truyền dữ liệu cho slaver nhận (receiver)
Master sẽ truyền bit STOP để kết thúc quá trình gửi Trình tự Master muốn nhận (hoặc đọc) dữ liệu từ Slave:
Master là receiver (IC nhận) sẽ truyền bit START và địa chỉ của Slave (transmitter)
Master (receiver) gửi thanh ghi được yêu cầu để đọc từ Slave (transmitter) Master (receiver) sẽ nhận dữ liệu từ Slave truyền đến
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.1 GIỚI THIỆU 3.1 GIỚI THIỆU
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển xe lăn điện sử dụng cảm biến gia tốc” sử dụng cảm biến gia tốc MPU – 6050 để thu thập tín hiệu từ cử chỉ đầu người dùng. Yêu cầu thiết kế được một bộ xử lý tín hiệu điều khiển từ MPU – 6050 nhỏ, gọn, đẹp mắt, tiện sử dụng, tính tốn giá trị thu thập được từ tín hiệu cảm biến MPU – 6050 chính xác nhất. Đối với bộ điều khiển động cơ cần yêu cầu về thẩm mỹ đẹp, gọn, hoạt động ổn định, an toàn cho người sử dụng.
3.2 TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống mà chúng ta có thể xây dựng được sơ đồ khối tổng quan cho cả hệ thống
Hình 3. 1 Sơ đồ khối hệ thống
• Khối nguồn pin 5V: cấp nguồn cho bộ xử lý tín hiệu MPU – 6050.
• Khối MPU – 6050: Thu thập tín hiệu từ cử chỉ đầu người dùng.
• Khối Arduino Pro Mini: Xử lý tín hiệu từ MPU – 6050 và xuất tín hiệu.
• Khối Bluetooth HC – 05: Có chức năng gởi tín hiệu từ bộ khối Arduino Pro
Mini xuống bộ điều khiển động cơ.
• Khối Bluetooth HC -06: Có chức năng nhận tín hiệu từ HC – 05 và truyền
đến khối Arduino Nano 1.
• Khối Arduino Nano 1: Có chức năng nhận dữ liệu từ HC – 06 đồng thời từ
• Khối cầu H BTS7960: có chức năng điều khiển động cơ.
• Khối Arduino Nano 2: Có chức năng nhận dữ liệu từ khối Arduino Nano 1
và cảm biến Lazer VL53L0X để xử lý và xuất tín hiệu ngõ ra điều khiển các khối Servo
• Khối 2 lazer VL53L0X trước: Có chức năng truyền dữ liệu thu thập được
về khối Arduino Nano 1 tính tốn khoảng cách để phát hiện vật cản.
• Khối lazer VL53L0X sau: Có chức năng truyền dữ liệu thu thập được về
khối Arduino Nano 2 tính tốn khoảng cách để phát hiện vật cản.
• Khối 2 servo trước và servo sau: Có chức năng quay 1 góc để cảm biến
lazer quét góc phát hiện vật cản
• Khối nguồn acquy 24VDC: Cung cấp nguồn cho bộ điều khiển dộng cơ và
động cơ 24VDC
• Khối giảm áp LM2596 5V – 3A: Giảm điện áp từ 24VDC về 5V cấp nguồn
cho các khối bộ điều khiển động cơ
• Khối động cơ 24VDC: gồm 2 động cơ 24VDC - 15.8A - 250W
3.2.2 Tính tốn và thiết kế mạch
a. Thiết kế bộ xử lý tín hiệu điều khiển - khối cảm biến gia tốc MPU – 6050
Tính tốn các giá trị của cảm biến gia tốc MPU – 6050
Để nhận biết các chuyển động của đầu cho việc điều khiển xe, chúng tôi sử dụng cảm biến MPU-6050 và để nhận biết được khoảng cách của vật cản với xe, chúng tôi sử dụng cảm biến khoảng cách laser VL53L0X. Các cảm biến này có độ chính xác cao, hoạt động tương đối ổn định.
Cảm biến MPU-6050 tích hợp 3 trục của cảm biến gia tốc và 3 trục của con quay hồi chuyển. Cảm biến gia tốc đặc trưng cho đại lượng gia tốc trọng trường của vật thể. Dựa vào sự thay đổi của gia tốc khi vật thể chuyển động để tính được các góc quay của vật thể so với hệ trục của nó. Con quay hồi chuyển đặc trưng cho đại lượng tốc độ góc. Khi vật thể chuyển động sẽ có một tốc độ nhất định, các giá trị này được cập nhật trong khoảng thời gian thực.