Tài liệu Xe điều khiển bluetooth

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỂN THÔNG ---------- B Á Đề tài: Xe điều khiển O bluetooth Giảng viên hướng dẫn: Lớp: KSTN-ĐTVT-K61 Hà Nội, tháng 5 năm 2019 Mục lục Mục lục.......................................................................................................................... 2 Danh mục hình vẽ........................................................................................................... 4 Danh mục bảng biểu.......................................................................................................5 1 Chương 1. Đặt vấn đề.....................................................................................................6 1.1. Xác định đề tài và ứng dụng................................................................................6 1.2. Yêu cầu chức năng..............................................................................................6 1.3. Yêu cầu phi chức năng........................................................................................6 Chương 2. Phân công công việc.....................................................................................7 2.1. Bảng nhân lực......................................................................................................7 2.2. Bảng công việc....................................................................................................7 Chương 3. Thiết kế kiến trúc..........................................................................................8 3.1. Sơ đồ khối...........................................................................................................8 3.2. Khối nguồn..........................................................................................................8 3.2.1. Giới thiệu 7805.............................................................................................8 3.2.2. Nguyên lý hoạt động.....................................................................................9 3.3. Khối thu phát tín hiệu..........................................................................................9 3.4. Khối xử lý..........................................................................................................10 3.5. Khối điều khiển động cơ....................................................................................11 3.5.1. Cấu trúc......................................................................................................11 3.5.2. Nguyên lý hoạt động...................................................................................12 3.6. Sơ đồ đường tín hiệu của mạch..........................................................................13 3.7. Thiết kế App điều khiển xe................................................................................14 3.7.1. Thuật toán...................................................................................................14 3.7.2. Giao diện của app.......................................................................................14 Chương 4. Thử nghiệm & mô phỏng............................................................................15 4.1. Giao tiếp giữa Arduino và module Bluetooth HC06..........................................15 4.2. Giao tiếp giữa Arduino và IC L293D................................................................16 2 4.3. Giao tiếp giữa chip Atmega328p với Module HC06 và ICL293D.....................16 Chương 5. Lắp ráp và hoàn thiện sản phẩm..................................................................18 5.1. Layout và hoàn thiện mạch................................................................................18 5.2. Mạch thực tế và sản phẩm hoàn thiện................................................................19 Tài liệu tham khảo........................................................................................................20 3 Danh mục hình vẽ Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch......................................................................................8 Hình 3.2: Sơ đồ chân của 7805.......................................................................................8 Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn...........................................................................9 Hình 3.4: Sơ đồ chân của HC06.....................................................................................9 Hình 3.5: Sơ đồ chân của atmega328P.........................................................................10 Hình 3.6: Sơ đồ chân của L293D.................................................................................11 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của L293D.........................................................................12 Hình 3.8: Sơ đồ đường tín hiệu của mạch....................................................................13 Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán của app điều khiển xe......................................................14 Hình 3.10: Giao diện của app điều khiển xe.................................................................14 Hình 4.1. Giao tiếp Arduino UNO và module bluetooth HC06....................................15 Hình 4.2. Data gửi từ app và data nhận được trên adruino...........................................15 Hình 4.3. Sơ đồ giao tiếp giữa Arduino và IC L293D..................................................16 Hình 4.4. Lắp trên board trắng......................................................................................16 Hình 4.5. Sơ đồ đi dây..................................................................................................17 Hình 4.6. Sản phẩm lắp trên board trắng......................................................................17 Hình 5.1. Sơ đồ mạch hoàn chỉnh.................................................................................18 Hình 5.2. Mô hình layout 2D và 3D.............................................................................18 Hình 5.3. Mạch PCB....................................................................................................19 4 Danh mục bảng biểu Bảng 2.1: Bảng nhân lực................................................................................................7 Bảng 2.2: Bảng công việc...............................................................................................7 Bảng 3.1: Bảng chức năng của các chân trong atmega328...........................................11 Bảng 3.2: Bảng chức năng chân của L293D.................................................................12 Bảng 3.3: Nguyên lý doạt động của L293D.................................................................13 Bảng 3.4: Bảng đường tín hiệu của mạch.....................................................................13 5 Chương 1. Đặt vấn đề 1.1. Xác định đề tài và ứng dụng Để phục vụ cho môn học Kỹ thuật vi xử lý và thỏa mãn đam mê nhóm em xin tìm hiểu và nghiên cứu thiết kế xe điều khiển bằng bluetooth. 1.2. Yêu cầu chức năng Các chức năng cơ bản của mạch:  Xe di chuyển thông qua sự điều khiển tín hiệu bluetooth bằng app trên điện thoại.  Có 5 chế độ di chuyển: Tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng.  Có nút reset.  Sử dụng pin làm nguồn nuôi.  Nhỏ gọn tiện di chuyển, có thẩm mỹ. 1.3. Yêu cầu phi chức năng  Môi trường hoạt động:  Nhiệt độ lý tưởng: 0 – 50 độ C  Áp suất: 1atm. Độ ẩm: 30% - 60% RH  Khả năng hoạt động: Tốc độ xử lý: Ngay sau khi bấm điều khiển Cự li hoạt động: 10m so với điều khiển  Hình dạng kích thước: Thẩm mỹ, di chuyển linh hoạt.  Tuổi thọ: 1 năm  Giá thành: 250.000 VNĐ 6 Chương 1. Phân công công việc 1.1. Bảng nhân lực Bảng 2.1: Bảng nhân lực STT 1 2 HỌ VÀ TÊN Nguyễn Trọng Nhật Lê Phát VAI TRÒ Thành viên Chí Thành viên ĐIỂM MẠNH CÔNG CỤ HÕ TRỢ ĐIỂM YẾU ĐỘ SẴN SÀNG Có Laptop, bộ Nhiệt tình có ý Nhà xa, chưa linh kiện cơ bản Luôn thức trong công hiểu rõ về kiến luôn việc thức điện Có xe máy Nhiệt tình có ý thức trong công việc, có kiến thức về các vi xử lý thông dụng, ham học hỏi Có Laptop, bộ Luôn linh kiện cơ bản luôn Bảng 2.1 là bảng nhân lực của nhóm bao gồm tên các thành viên trong nhóm, vai trò của từng thành viên, điểm mạnh, điểm yếu của từng thành viên để có thể phân công công việc cho hợp lý. 1.2. Bảng công việc Bảng 2.2: Bảng công việc Tên công việc Mô tả công việc Thời gian Tìm hiểu sản phẩm,thị trường Lên ý tưởng, tìm hiểu từ nhu cầu thị trường 14 ngày Mô tả kỹ thuật Mô tả yêu cầu chức năng và phi chức năng 10 ngày Kế hoạch phát triển Xây dựng và phân công công việc 10 ngày Thiết kế tổng quan sơ đồ mạch Xây dựng sơ đồ mạch nguồn 18V 14 ngày Lựa chọn phương án tối ưu Chọn linh kiện tối ưu 10 ngày Thử nghiệm mô phỏng Chạy thử nghiệm trên phần mềm và bo mạch trắng 5 ngày Sản xuất mạch Tìm hiểu các cửa hàng có bán linh kiện cần mua 2 ngày Đưa sản phẩm ra thị trường Giới thiệu sản phẩm để xem phản hồi 2 ngày 7 Bảng 2.2 là bảng công việc cần thực hiện bao gồm tên công việc, mô tả và thời gian Chương 2. Thiết kế kiến trúc 2.1. Sơ đồ khối Hình 3.1: Sơ đồ khối của mạch Hình 3.1 mô tả sơ đồ khối của mạch bao gồm 4 khối chính là khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn nuôi cho toàn mạch ứng với mỗi khối sẽ cần một điện áp nuôi khác nhau, khối xử lý đóng vai trò là bộ não của mạch, tiếp nhận và xử lý các tín hiệu thu được để đưa ra những chỉ thị phù hợp cho các khối khác, khối điều khiển động cơ sẽ nhận tín hiệu từ khối xử lý để điều khiển các động cơ cho xe hoạt động như ý muốn. 2.2. Khối nguồn 1.1.1. Giới thiệu 7805 Hình 3.2: Sơ đồ chân của 7805 8 Hình 3.2 mô tả sơ đồ chân của IC ổn áp LM7805 với hình bên trái là sơ đồ chân và hình dạng thực tế của LM7805 còn hình bên phải là ký hiệu của LM7805 trong mô phỏng và chức năng tương ứng của mỗi chân. Dựa vào hình có thể thấy chân 1 là chân nối với tín hiệu đầu vào là điện áp muốn hạ xuống và thường ít nhất phải lớn hơn 3V so với điện áp ra cần ổn định, chân 3 là đầu ra ứng với nguồn nuôi 5V cho mạch, chân là chân nối đất. 1.1.2. Nguyên lý hoạt động Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn Hình 3.3 là sơ đồ nguyên lý của khối nguồn để tạo ra nguồn nuôi cho mạch. Do mạch điện cần tới 3 giá trị điện áp khác nhau để nuôi 3 khối. Điện áp 9V sẽ được lấy trực tiếp từ pin 9V để nuôi khối điều khiển động cơ, điện áp 9V này sẽ qua 7805 để tạo ra điện áp 5V đi nuôi khối xử lý và nuôi khối thu phát tín hiệu. Như vậy, khối nguồn đã được hoàn thành đáp ứng theo yêu cầu đặt ra. 2.3. Khối thu phát tín hiệu Nhóm chọn HC 06 làm bộ thu phát tín hiệu bluetooth từ điện thoại bởi nó khá phổ biến, dễ sử dụng, tương thích tốt với các dòng vi xử lý hiện nay. 9 Hình 3.4: Sơ đồ chân của HC06 Hình 3.4 là hình ảnh của module bluetooth HC06. Dựa vào hình có thể thấy HC06 có 4 chân, cụ thể chức năng của từng chân như sau:  VCC: Chân cấp nguồn cho HC06 sử dụng nguồn nuôi là 3.6V-6V.  GND: Chân nối đất.  TXD: Chân phát dữ liệu, sử dụng mức level cao là 3.3V.  RXD: Chân nhận dữ liệu. 2.4. Khối xử lý Khối xử lý nhóm sử dụng IC atmega328P bởi một số tính năng nổi trội như tốc độ nhanh, dễ sử dụng, tương thích tốt với rất nhiều module khác, nó cũng chính là chip được sử dụng cho các dòng arduino hiện nay rất phổ biến nên cộng đồng người dùng lớn dễ dàng trong việc tìm lỗi nếu gặp khó khăn. 10 Hình 3.5: Sơ đồ chân của atmega328P Hình 3.5 mô tả sơ đồ chân của atmega328P và cũng chú thích luôn các chân tương ứng với chân nào trên arduino để người dùng dễ sử dụng. Có thể thấy atmega328P có 28 chân cụ thể như Bảng 3.1. Bảng 3.3: Bảng chức năng của các chân trong atmega328 ST Tên chân Chân số Chức năng T 1 2 3 4 5 6 7 PC6 PD0,PD1 1 2,3 Tín hiệu reset chip Dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive – RX) dữ liệu TTL Serial PD3,PD5- 5,11,12, Ngoài chức năng thông thường để đọc, xuất tín hiệu 6,PB1-3 15,16,17 thì các chân này còn cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() PD2,PD7, 4,13.14, Các chân đọc xuất dữ liệu có 2 mức là 0 và 5V tương PB0,PB4-5 18,19 ứng với 2 mức logic 0, 1 PB6,PB7 9,10 2 chân tạo dao động cho chip với tần số 16MHz PC0-5 23-28 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V AREF 21 Chân điện áp tham chiếu 11 8 9 VCC GND 7,20 8,22 Chân cấp nguồn 5V cho chip Chân nối đất 2.5. Khối điều khiển động cơ 1.1.3. Cấu trúc Dựa vào một số tiêu chí như giá thành, tiện lợi dễ sử dụng, điều khiển 2 động cơ độc lập nhóm đã tìm hiểu và sử dụng IC L293D cho khối điều khiển động cơ. Hình 3.6: Sơ đồ chân của L293D Hình 3.6 mô tả sơ đồ chân của IC L293D. L293D là một mạch tích hợp điều khiển động cơ được sử dụng để lái xe động cơ DC quay theo 2 hướng. Nó là một IC 16 chân mà có thể kiểm soát 2 động cơ DC cùng một lúc. L293D hoạt động dựa trên đặc trưng của mạch cầu H, một mạch cho phép điện áp cao chạy theo 2 chiều. Trong L293D có 2 mạch cầu H có thể xoay 2 động cơ DC độc lập. Cụ thể chức năng của từng chân được mô tả ở Bảng 3.2 dưới đây. Bảng 3.4: Bảng chức năng chân của L293D ST Tên chân Chân số Chức năng T 1 2 3 4 5 Enable1,2 Input1-2 Ouput1-2 Enable3,4 Input3-4 1 2,7 3,6 9 10,15 Cho phép cầu H thứ nhất hoạt động Đầu vào điều khiển cầu H thứ nhất Đầu ra điều khiển động cơ của cầu H thứ nhất Cho phép cầu H thứ hai hoạt động Đầu vào điều khiển cầu H thứ hai 12 6 7 8 Ouput3-4 VCC GND 11,14 8,16 4,5,12,1 3 Đầu ra điều khiển động cơ của cầu H thứ hai Chân cấp nguồn Chân nối đất 1.1.4. Nguyên lý hoạt động Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý của L293D Hình 3.7 là sơ đồ nguyên lý khi lắp IC với động cơ để điều khiển. Dựa vào nguyên lý của mạch cầu H ta có thể tóm gọn nguyên lý làm việc của mạch theo Bảng 2.3 Bảng 3.5: Nguyên lý doạt động của L293D Chân 2 (Input1) Chân 7 (Input2) Trạng thái động cơ 1 0 Quay theo chiều kim đồng hồ 0 1 Quay theo chiều ngược lại 0 0 Dừng 1 1 Dừng Bảng 3.3 là nguyên lý hoạt động của L293D, bảng mô tả nguyên lý của 1 cầu H trong IC, do IC có mạch cầu H độc lập nên nguyên lý sẽ hoàn toàn tương tự đối với các chân Input3,4. Nhóm sẽ điều khiển 4 động cơ nên sẽ sử dụng 2 IC293D. 2.6. Sơ đồ đường tín hiệu của mạch Sau khi tìm hiểu hết tất cả các khối và lựa chọn những linh kiện phù hợp nhóm vẽ được sơ đồ chi tiết hơn với các tín hiệu cụ thể so với sơ đồ khối ban đầu để từ đó đi đến mạch mô phỏng. 13 Hình 3.8: Sơ đồ đường tín hiệu của mạch Cụ thể chức năng của từng đường tín hiệu được nêu rõ trong Bảng 3.4 dưới đây. Bảng 3.6: Bảng đường tín hiệu của mạch Tên Số bit Chức năng Serial1 Byte Dữ liệu khối thu phát nhận được Serial2 Byte Dữ liệu khối xử lý phản hồi Reset 1 Tín hiệu reset chip Enable 4 Tín hiệu cho phép 4 cầu H hoạt động Input 8 Tín hiệu vào khối điều khiển động cơ Ouput 8 Tín hiệu ra điều khiển động cơ 1.3. Thiết kế App điều khiển xe 1.3.1. Thuật toán Hình 3.9: Lưu đồ thuật toán của app điều khiển xe Hình 3.9 là lưu đồ thuật toán của app điều khiển xe. Cụ thể hơn thì những tín hiệu được gửi đi là 1, 2, 3, 4, 6 tương ứng với những tác vụ yêu cầu xe đi tiến, lùi, sang phải, sang trái. Như vậy nếu nhấn phím tiến xuống và giữ như vậy thì app sẽ gửi tín hiệu 1 yêu 14 cầu xe chạy liên tục cho đến khi nhả phìm tiến ra thì sẽ gửi tín hiệu 6 yêu cầu xe dừng lại. Tương tự với 3 phím còn lại. 1.3.2. Giao diện của app Hình 3.10: Giao diện của app điều khiển xe Giao diện app điều khiển xe như Hình 3.10, với các phím điều khiển xe và phím kết nối với Module bluetooth HC06 15 Chương 3. Thử nghiệm & mô phỏng 3.1. Giao tiếp giữa Arduino và module Bluetooth HC06 Module HC06 gồm 4 chân GND, VCC, TX, RX Khi kết nối bạn chỉ cần nối chân TX với chân 0 và chân RX nối với chân 1 trên Arduino sau đó bạn có thể lập trình gửi và nhận dữ liệu như 1 cổng Serial thông thường. Module này sử dụng loại Slave, khi kết nối với điện thoại bạn điền mật khẩu mặc định là: 1234. Hình 4.11. Giao tiếp Arduino UNO và module bluetooth HC06 Hình 4.1 mô tả kết nối của module bluetooth với các chân trên arduino. Cùng với đó sử dụng ứng dụng S2 Terminal for bluetooth để thực hiện việc gửi data từ điện thoại tới module. Hình 4.12. Data gửi từ app và data nhận được trên adruino Sau khi nạp code cho Arduino, rồi gửi data từ ứng dụng điện thoại. Hình 4.2 thể hiện data gửi từ điện thoại qua ứng dụng với data nhận được trên arduino là hoàn toàn trùng khớp, như vậy thử nghiệm giao tiếp giữa Module HC06 với Arduino đã thành công. 16 3.2. Giao tiếp giữa Arduino và IC L293D Mỗi IC L293D sử dụng 4 chân tín hiện giao tiếp với Arduino, 4 chân này được kết nối với những chân Digital D2-D13 (D0 và D1 dùng để giao tiếp với module Bluetooth). Mỗi IC gồm 2 cặp chân tín hiệu ra, mỗi cặp được nối với 1 motor. Ngoài ra, để IC hoạt động, cần kết nối các chân GND và VCC của IC với Arduino cũng như các chân Enable để ở mức cao (nối trực tiếp với VCC). Hình 4.13. Sơ đồ giao tiếp giữa Arduino và IC L293D Hình 4.3 thể hiện sơ đồ nối chân từ một IC L293D với Arduino và với 2 motor. Thực hiện trên board mạch trắng thực tế như Hình 4.4. Hình 4.14. Lắp trên board trắng Hình 4.4 thể hiện test thử nghiệm giao tiếp giữa adruino và IC L293D. Sau khi nạp code, Motor đã chạy đúng như theo code đã lập trình. Như vậy, việc thử nghiệm L293D và Arduino đã thành công. 3.3. Giao tiếp giữa chip Atmega328p với Module HC06 và ICL293D Sau khi thử nghiệm riêng từng giao tiếp thành công, nhóm tiếp tục thử nghiệm lắp chung Module HC06 và IC L292D với Chip Atmega328p tách từ board Arduino. 17 Hình 4.15. Sơ đồ đi dây Hình 4.5 thể hiện sơ đồ đi dây kết nối từ chip Atmega328p với IC L293D và HC06. Đường dây màu đỏ thể hiện nối với dương nguồn (Test nguồn 5V cho Adruino và L293D). Dây đen là các đường nối đất, dây vàng là đường tín hiệu vào IC L293D, dây xanh lá là đường tín hiệu ra từ IC tới motor, dây xanh dương thể hiện cho giao tiếp giữa chip Atmega328 với HC06. Hình 4.16. Sản phẩm lắp trên board trắng Hình 4.6 là chiếc xe khi lắp ráp theo sơ đồ đi dây như Hình 4.5, sau khi chip được nạp code từ board Arduino, sản phẩm đã chạy như mong muốn. Như vậy thử nghiệm giao tiếp giữa chip Atmega328 với Module HC06 và IC L293D đã thành công. 18 Chương 4. Lắp ráp và hoàn thiện sản phẩm 4.1. Layout và hoàn thiện mạch Như theo sơ đồ đi dây thử nghiệm ở mục trước, nhóm tiến hành layout sản phẩm, trong bản layout có thêm 1 số chi tiết như: IC ổn áp để ổn định nguồn cho Atmega328 và HC06, cũng như thêm 1 nút bấm để reset trạng thái của chip Atmega328. Hình 5.17. Sơ đồ mạch hoàn chỉnh Hình 5.1 là sơ đồ mạch hoàn chỉnh, bao gồm các khối nguồn, khối xử lý, khối thu phát tín hiệu và khối điều khiển động cơ. Hình 5.18. Mô hình layout 2D và 3D Hình 5.1 là bản layout trên Altium. Để tránh bị trùng dây và không đi dây giữa 2 chân IC, nhóm đã thực hiện đi dây 2 lớp. Trên mô hình 2D, đường màu đỏ là dây đi ở lớp trên (cùng lớp với linh kiện), còn đường màu xanh là dây đi ở lớp dưới. 19 4.2. Mạch thực tế và sản phẩm hoàn thiện Sau khi layout, nhóm đã đi đặt mạch PCB và mua linh kiện để hàn hoàn thiện sản phẩm Hình 5.19. Mạch PCB Hình 5.3. cho thấy mạch PCB giống như bản layout trên altium với đường đi dây trên cả 2 lớp, hình bên phải là hình sau khi thực hiện hàn linh kiện và cắm IC lên DIPS. 20