THIẾT KẾ CHẾ TẠO Robot Lau Nhà Thông Minh - 123doc

LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẻ và đi cùng với đó là sự phát triển các sản phẩm ứng dụng của nó vào thực tế trong nhiều lĩnh vực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

nội,

Tháng 11 năm 2017

MỤC LỤCDANH MỤC HÌNH ẢNH 3

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thu NgaNhóm sinh viên thực hiện:

1. Nguyễn Văn Duy

2. Nguyễn Hoàng Tiến Bách

MSSV: 20140736 - ĐTTT07 K59MSSV: 20155108 - CN – ĐT 01 K60

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 5

1.1 Giới thiệu chương 5

1.2 Tổng quan về Robot lau nhà 5

1.3 Yêu cầu hệ thống 8

1.3.1 Yêu cầu chức năng 8

1.3.2 Yêu cầu phi chức năng 8

1.4 Mô hình Robot lau nhà 8

1.5 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống 9

1.6 Kết luận chương 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 11

2.1 Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua 11

2.2 Vi điều khiển ATmega32L 8PU 13

2.3 Mạch cầu H 14

2.4 Modul L298 16

2.5 Cảm biến siêu âm SRF05 19

2.6 Động cơ DC motor 21

2.7 Ghép nối các Modul 22

2.7.1 Ghép nối L298 và Kit ATmega32L 8PU 22

2.7.2 Ghép nối cảm biến siêu âm SRF05 và Kit ATmega32L 8PU 22

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG 24

3.1 Thuật toán lập trình phần cứng 24

3.2 Thiết kế phần mềm 27

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 28

4.1 Kết quả đạt được 28

4.2 Hướng phát triển 29

PHỤ LỤC 29

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Robot hút bụi Ilife A4s……… 6

Hình 1-2: Robot lau nhà iRobot Braava 380t……… 7

Hình 1-3: Mô hình Robot lau nhà………8

Hình 1-4: Sơ đồ tổng quan hệ thống………9

Hình 2-1: Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua……….11

Hình 2-2: Vi điều khiển ATmega32L 8PU……….13

Hình 2-3: Mạch cầu H………14

Hình 2-4: Nguyễn lý hoạt động của mạch cầu H……… 15

Hình 2-5: Modul L298………17

Hình 2-6: Cảm biến siêu âm SRF05……… 19

Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm SRF05………20

Hình 2-8: Động cơ giản tốc……… 21

Hình 3-1: Lưu đồ thuật toán tổng quan của hệ thống………25

Hình 3-2: Lưu đồ thuật toán quá trình đo khoảng cách……… 26

Hình 4-1: Robot sau khi hoàn thiện………28

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẻ và

đi cùng với đó là sự phát triển các sản phẩm ứng dụng của nó vào thực tế trong nhiều lĩnh

vực như: y tế, giáo dục, nông nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với mong muốn áp

dụng kiến thức được học trên giảng đường vào thực tế, em đã quyết định làm một sản

phẩm đơn giản có thể ứng dụng vào đời sống thực tiễn của mỗi chúng ta Sản phẩm đó là

một robot lau nhà thông minh Trong cuộc sống hiện đại Robot lau nhà đang dần trở nên

thân quen hơn với mỗi gia đình, nó đem lại sự trợ giúp không hề nhỏ với người nội trợ

trong việc làm sạch nhà cửa giúp chúng ta có nhiều thời gian dành cho gia đình hơn

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Cô - TS Nguyễn Thu Nga đã tận tình chỉ bảo,

hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Nhóm sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Duy

Nguyễn Hoàng Tiến Bách

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, em giới thiệu sơ bộ về robot lau nhà thông minh, trong đó

nội dung chính trình bày bao gồm: mô hình, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt độngcủa robot

1.2 Tổng quan về Robot lau nhà

Hiện nay, robot lau nhà thông minh đang dần trở thành xu thế mới, thay thế

các loại máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ con người trong việc dọn dẹp nhà cửa.Tại Việt Nam, dòng sản phẩm này chỉ vừa mới có mặt trên thị trường và hứa hẹn

sẽ trở thành một sản phẩm hot trong thời gian tới Robot lau nhà tự động đượcxem là “người” giúp việc vô cùng thông minh và hiệu quả cho các gia đình, đặcbiệt đối với những người nữ nội trợ phải đi làm suốt cả ngày, không có thời gianchăm sóc nhà cửa Robot thiết kế thông minh, có thể tự động thực hiện công việchút bụi, lau dọn nhà mà không cần có sự hướng dẫn của con người Kích thướccủa robot hút bụi tự động nhỏ gọn, có thể đi đến tất cả các ngóc ngách như: gầmbàn, gầm giường, ghế sofa,góc tường… để làm sạch toàn diện Hơn nữa, robotthông minh cũng có thể sử dụng được trên nhiều loài sàn nhà như: gỗ, thảm, sàngạch, gạch ceramic…

Trên thị trường hiện nay có 3 loại robot làm sạch sàn nhà đó là sản phẩmRobot lau nhà và Robot hút bụi, với mỗi loại Robot lau nhà hay robot hút bui thìđều có những ưu điểm và nhược điểm riêng chính vì vậy để tăng hiệu quả làmsạch một cách tối đa các nhà sản xuất đã kết hợp hai loại Robot lau nhà và hút bụilại thành loại Robot vừa có khả năng lau nhà vừa có khả năng hút bụi Tuy nhiênxét về sự phổ biến thì hiện nay thì robot hút bụi vẫn đươc sử dụng nhiều hơn vì cógiá thành hợp lý nhưng vẫn giữ được nhiều ưu điểm lớn là có thể làm sạch trênnhiều bề mặt sàn khác nhau, có thể làm sạch nhiều loại bụi bẩn Dưới Hình 1.1 là

sản phẩm Robot lau nhà Ilife V4s, sản phẩm có thiết kế dạng khối trụ trông kháthanh thoát

Hình 1-1: Robot hút bụi Ilife A4s

Mặc dù Robot hút bụi có nhiều ưu điểm vượt trội và được sử dụng rộng rãihơn nhưng cũng không thể phủ nhận những điểm tích cực của Robot lau nhà vẫnchiếm được lòng tin của rất nhiều người dùng Mặc dù không hoạt động tốt trênnhiều về mặt nhưng hiệu quả làm sạch của Robot lau nhà có phần vượt trội so vớiRobot hút bụi, Robot lau nhà có thể làm sạch được cả những vết bẩn ướt, dính với

bề mặt sàn Bên cạnh đó Robot lau nhà hoạt động không gây nhiều tiếng ồn nhưRobot hút bụi, ít gây ảnh hưởng đến người sử dụng vào buổi đêm Hình 1.2 làRobot lau nhà Irobot Braava 380t, robot có dạng hình vuông, cải thiện diện tíchtiếp xúc của tấm rẻ lau được gắn dưới đáy robot với mặt sàn giúp tăng hiệu quảlàm sạch

Hình 1-2: Robot lau nhà iRobot Braava 380t

Ngoài hai loại Robot kể trên hiện nay các nhà sản xuất đã tích hợp hai loại Robottrên vào cùng một sản phẩm vừa có khả năng lau nhà, vừa có khả năng hút bụi tuy nhiêngiá thành của chúng rất cao, đó là một rào cản lớn với người dùng nếu muốn sở hữuchúng

Trong học phần đồ án này em thiết kế Robot lau nhà đơn giản với chi phí thấp Sảnphẩm gồm các tính tăng cơ bản sau:

 Lau sàn nhà khô và ướt

 Robot di chuyển tự động theo hình ziczac giúp tăng tối đa khả năng làmsạch

 Có khả năng tránh vật cản trực diện

1.3 Yêu cầu hệ thống

1.3.1 Yêu cầu chức năng

 Robot có khả năng tự động di chuyển theo đường ziczac

 Robot có thể tránh vật cản chính diện trong khi di chuyển

1.3.2 Yêu cầu phi chức năng

 Robot hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau

 Dễ dàng tháo lắp, thay thế miếng rẻ lau

 Dễ dàng thao lắp thay thế các modul khi xảy ra vấn đề hỏng hóc

1.4 Mô hình Robot lau nhà

Vi Điều Khiển ATmega 32

Miếng lau sàn nhà

Modul L298 (Mạch cầu H)

Cảm Biến Siêu Âm SRF 05

Hình 1-3: Mô hình Robot lau nhà

Trên Hình 1.3 là mô hình của Robot lau nhà, Robot gồm 4 thành phần chính.VĐK ATmega 32 là bộ não điều khiển mọi hoạt động của hệ thống, khi phát hiệnvật cản phía trước nhờ cảm biến siêu âm SRF05, VĐK ATmega 32 sẽ đưa ra tínhiệu PWM phù hợp điều khiển động cơ giúp Robot tránh vật cản modul L298 làmạch cầu H như một nhận tín hiệu điều khiển từ VĐK ATmega 32 điều khiển tốc

độ của hai bánh xe chính, việc điều khiển tốc độ hai bánh xe cũng đồng thời làđiều khiển hướng di chuyển của Robot Cảm biến siêu âm SRF05 đo khoảng cách

từ Robot tới vật cản phía trước nhờ đó có thể điều khiển thay đổi hướng di chuyểncủa xe tránh vật cản Cuối cùng là miếng lau sàn được gắn phía dưới của khungxe

1.5 Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

Hình 1-4: Sơ đồ tổng quan hệ thống

Hệ thống được chia ra làm bốn khối chính được trình bày trên Hình 1.4 Pin lànguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho hệ thống, điện từ pin qua modul L298, từmodul L298 nguồn được chia tới các thành phần trong hệ thống Nguồn DC-5V ổn địnhnuôi MCU (kit AVR Atmega32) và cảm biến siêu âm SRF05, nguồn 6-9V nuôi haimotor, dòng điện tối đa mà modul L298 có thể cung cấp cho cho mỗi motor tối đa lên đến2A Trên Hình 1.4 các đường năng lượng này được thể hiện bằng mũi tên màu da cam.MCU (kit AVR Atmega32) đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, đọc tín hiệu từ cảm biếnsiêu âm SRF05 tính toán khoảng cách với vật cản phía trước và đưa ra tín hiệu PWM

MODUL L298 (Mạch Cầu H)

ATmega 32

Cảm biến Siêu Âm SR05

điều khiển tốc độ và hướng di chuyển của Robot thông qua mạch cầu H một cách hợp lý.Các đường tín hiệu trong hệ thống được thể hiện bằng mũi tên màu xanh, Modul mạchcầu H L298 chỉ nhận tín hiệu từ MCU nên được thể hiện bằng mũi tên một chiều Khimuốn đo khoảng cách MCU sẽ phát tín hiệu đến cảm biến SRF05 và đọc tín hiệu từ cảmbiến gửi về qua đó tính toán khoảng cách đến vật cản vì vậy mũi tên hai chiều được sửdụng để thể hiện đường đi của tín hiệu từ MCU đến cảm biến SRF05.

1.6 Kết luận chương

Trong chương 1 em giới thiệu một số loại Robot lau nhà, hút bụi trên thịtrường, nhưng ưu nhược điểm của từng loại Robot Tiếp theo em cũng đã trình bàytổng quan về thiết kế Robot lau nhà em thực hiện trong học phần đồ án 1 này,nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống, sơ đồ tổng quan hệ thống Trongchương tiếp theo em sẽ trình bày chi tiết về thiết kế phần cứng của hệ thống, cácmodul em sử dụng và cách ghép nối các modul với nhau

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG 2.1 Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua

Hình 2-1: Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản

Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua được dùng cho các ứng dụng cần kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua tại esshop.vn sử dụng chip nạp và

giao tiếp UART mới và ổn định nhất là CP2102 có khả năng tự nhận Driver trên tất cả các hệ điều hành Window và Linux, đây là phiên bản cải tiến từ dòng sử dụng IC nạp và giao tiếp UART giá rẻ kém ổn định CH340.

Thông số kỹ thuật:

 IC chính: ESP8266 Wifi SoC

 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

 Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

2.2 Vi điều khiển ATmega32L 8PU

Hình 2-2: Vi điều khiển ATmega32L 8PU

Vi điều khiển ATMEGA32 Atmega32 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãngAtmel,có 40 chân trong đó có 32 chân I/O,có 4 kênh điều xung PWM,sử dụng thạch anhngoài 8MHz Nhân AVR kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng Tất cả cácthanh ghi liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh ghiđộc lập được truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ Kết quả là tốc độnhanh gấp 10 lần các bộ vi điều khiển CISC thường

2.3 Mạch cầu H

Mạch cầu H là là một mạch thông dụng và đơn giản dùng trong điều khiển động cơ

DC Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc theohình chữ H như Hình 2.3 Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của là 4 “khóa” L1, L2,R1 và R2 (L: Left, R:Right) Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu Hkhông hoạt động Việc khảo sát hoạt động của mạch cầu H sẽ được minh họa trên Hình2.4

Hình 2-3: Mạch cầu H

Khi 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), ta dễ dàng thấy được

dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nótrước khi qua khóa R2 và về GND (như Hình 2.4 bên trái) Ngược lại khi khóa R1 và L2đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua R1, qua

đối tượng theo chiều từ B đến A rồi cuối cùng xuống GND qua L2 (như trong Hình 2.4bên phải) Vậy là đã rõ, chúng ta có thể dùng mạch cầu H để đảo chiều dòng điện quamột “đối tượng” (hay cụ thể là đảo chiều quay động cơ).

Hình 2-4: Nguyễn lý hoạt động của mạch cầu H

Do thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làmcác khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển,công suất tiêu thụ của đối tượng Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chếtạo bằng rờ le (relay), BJT(Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field-Effect Transistor)

Để thay đổi tốc độ động cơ ta chỉ cần chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào 2 cực điềukhiển của mạch cầu H Hiệu điện thế giữa 2 cực điều khiển càng lớn thì động cơ chạycàng nhanh Động cơ chạy theo chiều thuận khi điện áp ở A nhỏ hơn B và ngược lại

Trong phạm đồ án này em sử dụng mạch cầu H trong IC L298 L298 là IC tích hợphai mạch cầu H, có thể điều khiển tốc độ cùng lúc 2 động cơ chạy theo 2 hướng độc lậpnhau

2.4 Modul L298

Modul L298 là mọt mạch tích hợp sử dụng IC L298 IC L298 đã tích hợp sẵn haimạch cầu H, ứng dụng trong việc điều khiển cùng lúc 2 động cơ theo chiều quay bất kì,kết hợp với điều xung PWM có thể điều chỉnh tốc độ xoay của động cơ

Hình 2-5: Modul L298

Các thông số kỹ thuật cơ bản của mạch cầu H gồm:

 Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)

 Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA

 Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 )℃ )

 Nhiệt độ bảo quản: -25 ~ +130 ℃ ) ℃ )

Các chân kết nối trên modul L298:

 +12V Power: Đây là chân cấp nguồn trược tiếp cho modul và toàn bộ động cơ

o Nguồn cấp cho modul có thể giao động từ 9-12V.

 Power GND: Chân mát của modul và toàn bộ hệ thống

 +5V Power: Chân cấp nguồn cho vi điều khiển và các cảm biến

 5V Enable: Chân Enable nguồn 5V Nếu hai jum này được nối (như hình) thì

sẽ có nguồn 5V tại chân +5V Power, ngược lại thì không

 A Enable: Chân enable cổng output A Nếu chân này được tích cực ở 5V (Nốivới nguồn 5V như Hình 2.5) cổng output A được enable Nếu muốn điều khiểntốc độ động cơ sử dụng xung PWM thì xung PWM sẽ được cập vào chân AEnable này để điều khiển tốc độ động cơ A

 B Enable: Chân enable cổng output B Nếu chân này được tích cực ở 5V (Nốivới nguồn 5V như Hình 2.5) cổng output B được enable Nếu muốn điều khiểntốc độ động cơ sử dụng xung PWM thì xung PWM sẽ được cập vào chân BEnable này để điều khiển tốc độ động cơ B

 Input: Nhóm này gồm 4 chân INA, INB, INC, IND Đây là 4 chân chính dùng

để nhận tín hiệu điều khiển động cơ từ vi điều khiển

o INA = 1 , INB = 0: Động cơ A sẽ quay theo chiều thuận

o INA = 0 , INB = 1: Động cơ sẽ A quay theo chiều nghịch

o INA = 0 , INB = 0: Dừng động cơ A

o INC = 1 , IND = 0: Động cơ B quay theo chiều thuận

o INC = 0 , IND = 1: Động cơ B quay theo chiều nghịch

o INC = 0 , IND = 0: Dừng động cơ B Nếu 4 chân input được thiết lập như trên thì động cơ sẽ quay với tốc độ tối đa Tương

tự như các chân A Enable và B Enable ta cũng có thể điều khiển tốc độ động cơ bằngcách cấp xung PWM vào các chân này, giả sử ta cấp một xung PWM có duty cycle =50% vào chân INA và giữ chân INB ở mức 0 thì động cơ A sẽ quay với tốc độ 50%.Tương tự với các chân còn lại