XE HAI BÁNH tự cân BẰNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................IX
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG.......................1
1.1

GIỚI THIỆU...........................................................................................................1

1.2

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI.................................................................................................2

1.3

HƯỚNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI..................................................................................3

1.4

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU.......................................................................................3

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH TỔNG QUÁT.....................................................4
2.1

SƠ ĐỒ KHỐI TỔNG QUÁT CỦA HỆ THỐNG.............................................................4

2.1.1

Chức năng của từng khối.............................................................................5

2.1.2

Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống.......................................................5

2.2
DRIVER

KẾT NỐI GIỮA NGUỒN (PIN) VỚI VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P VÀ MODULE
L298N VÀ ĐỘNG CƠ DC.........................................................................................6

2.2.1

Thông số kỹ thuật của Module driver L298N...............................................7

2.2.2

Sơ đồ chân của Module driver L298N.........................................................7

2.2.3

Thông số kỹ thuật của động cơ DC giảm tốc GA37.....................................8

2.2.4

Nguồn Pin.....................................................................................................8

2.3

KẾT NỐI GIỮA VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P VỚI MODULE CẢM BIẾN GIA TỐC

MPU6050.............................................................................................................................9
2.3.1

Giới thiệu về Module cảm biến gia tốc 6 bậc tự do MPU6050.................10

2.3.2

Thông số kỹ thuật Module cảm biến gia tốc MPU6050.............................11

2.3.3

Sơ đồ chân của Module cảm biến gia tốc MPU6050.................................11

2.4

KẾT NỐI GIỮA VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P VÀ MODULE CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG

TCRT5000..........................................................................................................................12
2.4.1

Giới thiệu về Module cảm biến dò đường TCRT5000...............................14

2.4.2

Thông số kỹ thuật của Module cảm biến dò đường TCRT5000.................15

2.4.3

Sơ đồ chân của Module cảm biến dò đường TCRT5000...........................15

2


2.5

KẾT NỐI GIỮA VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P VỚI MODULE BLUETOOTH HC-0616

2.5.1

Giới thiệu về Module Bluetooth HC-06.....................................................16

2.5.2

Thông số kỹ thuật Module Bluetooth HC-06..............................................17

2.5.3

Sơ đồ chân của Module Bluetooth HC-06.................................................18

2.6

NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH VÀ PHẦN MỀM HỖ TRỢ..................................................18

2.6.1

Giới thiệu về Arduino IDE.........................................................................18

2.6.2

Khởi tạo một chương trình.........................................................................20

2.6.3

Cấu trúc của một chương trình trong phần mềm Arduino IDE.................22

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THỰC THI...............................................................23
3.1

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P...........................23

3.1.1

Giới thiệu vi điều khiển ATmega328P........................................................24

3.1.2

Thông số kỹ thuật của ATmega328P..........................................................24

3.1.3

Ứng dụng của vi điều khiển ATmega328P.................................................25

3.1.4

Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P...............................................26

3.1.5

Giới thiệu về IC AMS1117 5.0....................................................................26

3.1.6

Thông số kỹ thuật IC AMS1117 5.0............................................................26

3.1.7

Sơ đồ chân IC AMS1117 5.0.......................................................................27

3.1.8

Thạch anh...................................................................................................27

3.1.9

Tụ điện........................................................................................................28

3.1.10

Điện trở......................................................................................................28

3.2

SƠ ĐỒ MẠCH IN CỦA VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P...........................................29

3.2.1

Top Layer....................................................................................................29

3.2.2

Bottom Layer..............................................................................................29

3.2.3

Kết quả mạch in thực tế..............................................................................30

3.3

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO XE...........................................................................31

3.4

LƯU ĐỒ MÔ TẢ THỰC THI CỦA HỆ THỐNG.........................................................35

3.5

MÔ HÌNH XE THỰC TẾ........................................................................................36

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN..........................................................................................37
4.1

KẾT QUẢ............................................................................................................37

4.2

ỨNG DỤNG.........................................................................................................37

4.3

HƯỚNG PHÁT TRIỂN...........................................................................................38

3


DANH MỤC CÁC HÌNH V

HÌNH 1-1: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG XE HAI BÁNH CÂN BẰNG [1]...........2
HÌNH 1-2: MÔ HÌNH XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG [1].....................................2
HÌNH 2-1: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG [2]........................................................4
HÌNH 2-2: KẾT NỐI GIỮA NGUỒN VỚI ATMEGA328P VÀ L298N [2]............6
HÌNH 2-3: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE DRIVER L298N [3]......................................7
HÌNH 2-4: HÌNH ẢNH ĐỘNG CƠ DC GIẢM TỐC GA37 [4]...............................8
HÌNH 2-5: PIN [1]...........................................................................................................9
HÌNH 2-6: KẾT NỐI GIỮA ATMEGA328P VÀ MPU6050 [2]................................9
HÌNH 2-7: MODULE CẢM BIẾN GIA TỐC MPU6050 [1]..................................10
HÌNH 2-8: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE MPU6050 [1]................................................11
HÌNH 2-9: KẾT NỐI GIỮA ATMEGA328P VÀ CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG [2]. .12
HÌNH 2-10: VÍ DỤ VỀ CÁCH DI CHUYỂN CỦA XE THEO ĐƯỜNG ĐI [5]. .13
HÌNH 2-11: HÌNH ẢNH THỰC TẾ CỦA TCRT5000 TRÊN XE [6]....................13
HÌNH 2-12: HÌNH ẢNH THỰC TẾ VỀ XE DÒ ĐƯỜNG [6]................................14
HÌNH 2-13: MODULE CẢM BIẾN DÒ ĐƯỜNG TCRT5000 [1].........................14
HÌNH 2-14: SƠ ĐỒ CHÂN CỦA MODULE CẢM BIẾN TCRT5000 [1]............15
HÌNH 2-15: KẾT NỐI GIỮA ATMEGA328P VỚI MODULE HC-06 [2]............16
HÌNH 2-16: HÌNH ẢNH MODULE BLUETOOTH HC-06 [1].............................17
HÌNH 2-17: SƠ ĐỒ CHÂN MODULE BLUETOOTH HC-06 [1]........................18

HÌNH 2-18: LOGO VÀ GIAO DIỆN CHÍNH CỦA ARDUINO IDE [7]..............19
HÌNH 2-19: CHỨC NĂNG CÁC MENU CHÍNH [7]..............................................20
HÌNH 2-20: MỞ CHƯƠNG TRÌNH MẪU TRONG ARDUINO [7].....................21

4


HÌNH 2-21: CẤU TRÚC MỘT CHƯƠNG TRÌNH TRONG ARDUINO IDE [7]22
HÌNH 3-1: SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA MẠCH ATMEGA328P [2]......................23
HÌNH 3-2: HÌNH ẢNH ATMEGA328P [8]...............................................................25
HÌNH 3-3: SƠ ĐỒ CHÂN VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA328P [9]...........................26
HÌNH 3-4: SƠ ĐỒ CHÂN IC AMS1117 5.0 [1].........................................................27
HÌNH 3-5: THẠCH ANH [1].......................................................................................27
HÌNH 3-6: MỘT SỐ LOẠI TỤ ĐIỆN [1]..................................................................28
HÌNH 3-7: ĐIỆN TRỞ DÁN TRONG THỰC TẾ [1]..............................................28
HÌNH 3-8: TOP LAYER [2].........................................................................................29
HÌNH 3-9: BOTTOM LAYER [2]...............................................................................29
HÌNH 3-10: SƠ ĐỒ MẠCH IN THỰC TẾ [2]..........................................................30
HÌNH 3-11: NGUYÊN LÝ GIỮ CÂN BẰNG CHO XE [1]....................................31
HÌNH 3-12: GÓC NGHIÊNG VÀ GIA TỐC RƠI CỦA XE [1].............................32
HÌNH 3-13: TÍN HIỆU TRƯỚC VÀ SAU KHI QUA BỘ LỌC KALMAN [1]...33
HÌNH 3-14: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT [2]....................................................................35
HÌNH 3-15: MÔ HÌNH XE THỰC TẾ [6].................................................................36

5


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AMS

Advanced Monolithic Systems

AT

Atmel

DC

Direct Current

GND

Ground

GPS

Global Positioning System

IC

Integrated Circuit

I2C

Inter-Integrated Circuit

IDE

Integrated Development Environment

LED

Light Emitting Diode

MCU

Micro Control Unit

MPU

Motion Processing Unit

PID

Propotional Integral Derivative

PWM

Pulse Width Modulation

TTL

Transistor-Transistor Logic

VCC

Voltage Common Collector

6

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/42

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG
1.1 Giới thiệu
Xe hai bánh tự cân bằng là một trong những dự án có rất nhiều ứng dụng trong
cuộc sống hiện nay, nó có nhiều ưu điểm và được sử dụng với nhiều mục đích khác
nhau như: phục vụ nhu cầu giải trí, tham gia các cuộc thi về xe tự hành và có thể
ứng dụng trong quân sự, mặt khác nó vẫn còn tồn tại một số khuyết điểm như: chi
phí cao, giới hạn về các địa hình di chuyển.
Xe hai bánh tự cân bằng là mô hình xe được thiết kế dựa trên sự hoạt động của
mô hình con lắc ngược, là một đối tượng phi tuyến với các tham số bất định. Đặc
điểm nổi bật nhất của xe hai bánh tự cân bằng là có thể tự cân bằng, giúp cho xe
luôn ở trạng thái cân bằng đứng yên dù xe chỉ có hai bánh và một trục chuyển động.
Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về các mô hình robot tự cân bằng
nói chung và mô hình xe hai bánh tự cân bằng nói riêng, có rất nhiều nghiên cứu về
giải thuật điều khiển xe hai bánh tự cân bằng như: Điều khiển xe hai bánh tự cân
bằng sử dụng giải thuật cuốn chiếu (backstepping control), sử dụng giải thuật điều
khiển trượt (sliding mode control), giải thuật điều khiển LQR, giải thuật điều khiển
thông minh fuzzy, noron, và giải điều khiển PID.
Trong số các giải thuật điều khiển trên thì giải thuật điều khiển bằng PID cho
thấy được sự đơn giản và dễ sử dụng nhất nên trong đề tài này tôi đã sử dụng giải
thuật điều khiển PID để điều khiển xe hai bánh tự cân bằng của mình, nghĩa là khi
xe bị ngã về phía trước thì cả hai động cơ sẽ cùng chạy tới để đỡ cho xe đứng lên,
khi độ nghiêng của xe càng lớn thì tốc độ của động cơ cũng sẽ càng tăng và ngược
lại khi xe bị ngã về phía sau thì cả hai động cơ sẽ lùi lại để đỡ cho xe đứng lên.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/42

Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động xe hai bánh cân bằng [1]

Hình 1-2: Mô hình xe hai bánh tự cân bằng [1]

1.2 Mục tiêu đề tài
Tự thiết kế được mô hình xe hai bánh tự cân bằng hoàn chỉnh, hiểu về các phần
mềm lập trình cho vi điều khiển và hiểu được các phương pháp lập trình cho vi điều
khiển, hiểu được nguyên lý hoạt động của Module cảm biến gia tốc 6 bậc tự do
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/42

MPU6050 và cách ứng dụng của cảm biến gia tốc vào trong đề tài và hiểu được
phương pháp điều khiển động cơ DC thông qua Module driver L298N để hoàn
thành yêu cầu đề tài đặt ra.
1.3 Hướng thực hiện đề tài
Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Module cảm biến gia tốc 6 bậc tự do
MPU6050 cùng với cấu tạo của cảm biến gia tốc 6 bậc tự do MPU6050, tìm hiểu
nguyên lý hoạt động của Module driver L298N để điều khiển động cơ, tìm hiểu về
vi điều khiển ATmega328P cũng như phần mềm viết chương trình cho vi điều
khiển, tìm hiểu về kết cấu phần cứng của xe và cách lắp ráp để được một mô hình
xe hoàn chỉnh.
1.4 Mục đích nghiên cứu
Mục đích của việc nghiên cứu về xe hai bánh tự cân bằng là nghiên cứu về các

ứng dụng của các Module cảm biến cùng với các linh kiện điện tử khác nhằm đáp
ứng nhu cầu cuộc sống của con người trong xã hội ngày càng phát triển mạnh về tự
động hóa. Qua việc nghiên cứu, sinh viên đã có điều kiện ôn lại các kiến thức đã
học được tại Trường Đại Học Tôn Đức Thắng, từ các kiến thức đã học được sinh
viên có thể áp dụng được trong thực tế cũng như nâng cao kiến thức về chuyên môn
cho mình.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/42

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MẠCH TỔNG QUÁT
2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

Khối Nguồn
(pin)

Khối Cảm
biến (cảm
biến gia tốc,
cảm biến dò
đường)

Khối Động
cơ (motor,
bánh xe)

Khối Điều Khiển

(ATmega328P,
Module driver
L298N)
Hình 2-1: Sơ đồ khối của hệ thống [2]

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/42

2.1.1 Chức năng của từng khối
Khối nguồn: Khối nguồn có chức năng cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống hoạt
động, ở đề tài này chúng ta sẽ sử dụng Pin để cấp nguồn cho hệ thống.
Khối cảm biến: Có chức năng thu thập dữ liệu, thu thập các thông số về góc
nghiêng của xe thông qua Module cảm biến gia tốc 6 bậc tự do MPU6050 sau đó
nó sẽ tự xử lý và tính toán rồi gửi dữ liệu về khối điều khiển, ngoài ra còn có các
Module cảm biến dò đường TCRT5000 cũng thu thập dữ liệu về đường đi của xe
để gửi về khối điều khiển.
Khối điều khiển: Chúng ta sẽ sử dụng vi điều khiển ATmega328P bởi vì nó
dễ lập trình, giá thành rẻ và thiết kế phần cứng cũng khá đơn giản. Đây là khối
trung tâm xử lý và điều khiển mọi hoạt động của xe, khối điều khiển có chức
năng nhận dữ liệu từ khối cảm biến, sau đó nó sẽ xử lý và xuất tín hiệu điều
khiển ra các Port để điều khiển động cơ thông qua Module driver L298N.
Khối động cơ: Khối động cơ sẽ nhận các tín hiệu điều khiển từ khối điều
khiển sau đó nó sẽ di chuyển theo yêu cầu của khối điều khiển để giữ cho xe
luôn ở trạng thái cân bằng và di chuyển theo đúng đường đi được đặt ra từ trước.
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống
Đầu tiên Module cảm biến gia tốc MPU6050 sẽ thu thập dữ liệu, các thông
số về góc nghiêng của xe và sau đó nó sẽ gửi dữ liệu và update dữ liệu liên tục

về trung tâm xử lý là vi điều khiển ATmega328P, từ đó vi điều khiển sẽ xử lý dữ
liệu và gửi tín hiệu điều khiển về khối động cơ thông qua Module driver L298N
để điều khiển động cơ di chuyển theo yêu cầu của trung tâm điều khiển sao cho
xe luôn giữ được trạng thái cân bằng.
Ngoài ra xe còn có thể di chuyển chạy tới, chạy lùi, rẽ trái, rẽ phải được điều
khiển bằng Bluetooth thông qua Smartphone và di chuyển theo đường đi được
đặt ra từ trước nhờ các module cảm biến dò đường TCRT5000.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/42

2.2 Kết nối giữa nguồn (Pin) với vi điều khiển ATmega328P và Module
driver L298N và động cơ DC

Hình 2-2: Kết nối giữa nguồn với ATmega328P và L298N [2]

Module driver L298N được dùng để điều khiển động cơ DC, trạng thái ở đầu
vào Input_1, Input_2, Enable_A sẽ điều khiển trạng thái ở đầu ra Output_1 và
Output_2 được kết nối với động cơ DC một, đồng thời trạng thái ở đầu ra Output_3,
Output_4 được kết nối với động cơ DC hai sẽ được điều khiển bởi trạng thái của
đầu vào Input_3, Input_4 và Enable_B, hai động cơ có chức năng điều khiển cho xe
chạy tiến, rẽ trái, rẽ phải hoặc chạy lùi, tất cả các trạng thái trên đều do sự điều
khiển của MCU, khi MCU gửi tín hiệu xuống Module driver L298N để kích trạng
thái các chân Input_1, Input_2, Input_3, Input_4, Enable_A và Enable_B thì trạng
thái các chân ngõ ra Output_1, Output_2, Output_3, Output_4 sẽ được kích tương
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/42

ứng, từ đó làm cho động cơ hoạt động nên xe sẽ di chuyển theo yêu cầu của trung
tâm điều khiển.
2.2.1 Thông số kỹ thuật của Module driver L298N
-

IC chính: L298N (2 mạch cầu H).
Điện áp ngõ vào: 5V đến 30V.
Công suất tối đa: 25W 1 mạch cầu H.
Dòng tối đa mỗi cầu H là: 3A.
Mức điện áp logic: Mức thấp 0.3V đến 1.5V và mức cao 2.3V đến VCC.
Chức năng: Dùng để đệm công suất cho động cơ.
2.2.2 Sơ đồ chân của Module driver L298N

Hình 2-3: Sơ đồ chân Module Driver L298N [3]

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/42

2.2.3 Thông số kỹ thuật của động cơ DC giảm tốc GA37
Động cơ DC giảm tốc là một bộ phận quan trọng trên mô hình xe, động cơ có
chức năng làm xe chuyển động, chạy tới, rẽ trái, rẽ phải, chạy lùi, hoặc theo một
phương hướng nào đó tùy theo yêu cầu của trung tâm điều khiển.
-

Điện áp hoạt động: 3V đến 12V.
Tốc độ không hộp số: 10000rpm.
Tỷ số truyền: 1:33.
Tốc độ qua hộp số: 303rpm.

Hình 2-4: Hình ảnh động cơ DC giảm tốc GA37 [4]

2.2.4 Nguồn Pin
Pin là một loại linh kiện không thể thiếu trong mô hình xe, vì pin là nguồn cung
cấp điện áp cho các linh kiện khác, với thành phần chính là chất điện phân đóng vai
trò tạo môi trường cho các ion Li+ di chuyển qua lại giữa hai bảng điện cực, khi Pin
cung cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động thì các ion Li+ sẽ dịch chuyển từ cực
dương sang cực âm để cung cấp điện cho thiết bị và ngược lại khi Pin được sạc thì
các ion Li+ sẽ dịch chuyển từ cực âm về cực dương, sau mỗi lần nạp xả như vậy thì
hoàn thành một chu kỳ.
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/42

Hình 2-5: Pin [1]

2.3 Kết nối giữa vi điều khiển ATmega328P với Module cảm biến gia tốc
MPU6050

Hình 2-6: Kết nối giữa ATmega328P và MPU6050 [2]

Cảm biến gia tốc 6 bậc tự do MPU6050 là phần quan trọng nhất của hệ thống,

bởi nó quyết định trạng thái cân bằng ổn định của xe, trong quá trình hoạt động của
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/42

xe thì cảm biến gia tốc này liên tục thu thập dữ liệu về góc nghiêng của xe và
update liên tục về MCU, trung tâm điều khiển sẽ xử lý dữ liệu và giữ cho xe luôn ở
trạng thái cân bằng.
2.3.1 Giới thiệu về Module cảm biến gia tốc 6 bậc tự do MPU6050
Cảm biến gia tốc 6 bậc tự do MPU6050 là loại cảm biến gia tốc phổ biến nhất
trên thị trường hiện nay, nó được dùng trong mạch với chức năng dùng để đo góc
nghiêng và gia tốc cho xe, để xe nhận biết được góc nghiêng và tự cân bằng, ưu
điểm của cảm biến này là quay với góc chính xác, ít phụ thuộc vào yếu tố bên
ngoài, giá thành rất thấp, chuẩn giao tiếp I2C nên lập trình cũng khá đơn giản, ngoài
ra thì nó cũng có nhược điểm là dễ bị trôi điểm gốc.

Hình 2-7: Module cảm biến gia tốc MPU6050 [1]

2.3.2 Thông số kỹ thuật Module cảm biến gia tốc MPU6050
-

Điện áp cung cấp: 3V đến 5V.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/42

-

3 góc con quay hồi chuyển với độ nhạy 131 LSBs/sps với các độ: ±250,

-

±500, ±1000 và ±2000 degree/sec.
3 góc gia tốc kế với độ nhạy trong khoảng: ±2g, ±4g, ±8g và ±16g.
MPU6050 có sẵn bộ đệm dữ liệu 1024 byte cho phép vi điều khiển phát
lệnh cho cảm biến, và nhận về dữ liệu sau khi cảm biến đã tính toán

-

xong.
Nhiệt độ hoạt động: -40 đến +85 độ C.
2.3.3 Sơ đồ chân của Module cảm biến gia tốc MPU6050

Hình 2-8: Sơ đồ chân Module MPU6050 [1]

-

VCC: Là chân nối nguồn từ 3V đến 5V.
GND: Là chân nối GND.
SCL: Là chân có chức năng tạo xung lock đồng bộ.
SDA: Là chân có chức năng truyền nhận dữ liệu.
XCL: Là chân xung clock khi có kết nối với cảm biến khác.
AD0: Bit 0 của địa chỉ I2C.
INT: Chân ngắt.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/42

2.4 Kết nối giữa vi điều khiển ATmega328P và Module cảm biến dò
đường TCRT5000

Hình 2-9: Kết nối giữa ATmega328P và cảm biến dò đường [2]

Ngoài các chức năng cơ bản như tự cân bằng, di chuyển tới, lùi, rẽ trái, rẽ phải
của xe thì trong đề tài này xe tự cân bằng còn có thêm chức năng nữa là vừa tự cân
bằng và vừa di chuyển theo một tuyến đường được định trước nhờ vào các Module
cảm biến dò đường TCRT5000 trên hệ thống của xe.
Khi xe bắt đầu hoạt động thì cảm biến dò đường sẽ thu thập dữ liệu liên tục và
gửi về MCU, lúc này trung tâm điều khiển sẽ xử lý và gửi tín hiệu xuống động cơ
thông qua Module driver L298N để điều khiển động cơ sao cho xe vừa tự cân bằng
và vừa bám theo đường đi. Nếu xe lệch bên trái thì ta sẽ băm xung cho động cơ bên
trái nhanh hơn để xe trở về vị trí giữa đường đi và bám theo đường đi và ngược lại
nếu xe lệch bên phải thì ta sẽ băm xung cho động cơ bên phải nhanh hơn, còn khi xe
đã nằm ở giữa đường đi thì ta sẽ cho xe đi thẳng và bám theo đường đi.
Ở đề tài này ta sẽ sử dụng 5 Module cảm biến dò đường TCRT5000 trên hệ
thống của xe để định vị đường đi cho xe và ta sẽ cho xe dò theo dải đường màu đen,
với dải đường màu đen thì Module cảm biến dò đường TCRT5000 sẽ trả về giá trị là
1 và ngược lại thì nó sẽ trả về giá trị là 0 khi gặp giải màu khác.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/42

Hình 2-10: Ví dụ về cách di chuyển của xe theo đường đi [5]

Hình 2-11: Hình ảnh thực tế của TCRT5000 trên xe [6]

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/42

Hình 2-12: Hình ảnh thực tế về xe dò đường [6]

2.4.1 Giới thiệu về Module cảm biến dò đường TCRT5000
Module cảm biến dò đường TCRT5000 làm việc dựa trên nguyên lý của cảm
biến hồng ngoại. Khi LED phát hồng ngoại phát ra ánh sáng hồng ngoại nếu có vật
cản thì ánh sáng hồng ngoại này sẽ được phản xạ vào LED thu hồng ngoại, lúc này
LED thu hồng ngoại sẽ hoạt động và Module cảm biến dò đường TCRT5000 sẽ trả
về giá trị là 0, ngược lại thì nó sẽ trả về giá trị là 1, ngoài ra chúng ta còn có thể điều
chỉnh độ nhạy của cảm biến qua biến trở được thiết kế sẵn trên Module, độ nhạy
của cảm biến nằm trong khoảng từ 5mm đến 40mm.

Hình 2-13: Module cảm biến dò đường TCRT5000 [1]

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 15/42

2.4.2 Thông số kỹ thuật của Module cảm biến dò đường TCRT5000
-

Nguồn điện cung cấp: 5V.
Module sử dụng IC LM393 để so sánh.
Module sử dụng cảm biến hồng ngoại TCRT5000.
Dòng điện tiêu thụ: 10mA.
Nhiệt độ hoạt động: 0 độ C đến 50 độ C.
Mức tín hiệu ngõ ra: TTL (xung vuông).
Độ nhạy cảm biến: Từ 5mm đến 40mm.
Kích thước Module: 3.2 x 1.4mm.
Số chân giao tiếp: Có 4 chân.
2.4.3 Sơ đồ chân của Module cảm biến dò đường TCRT5000

Hình 2-14: Sơ đồ chân của Module cảm biến TCRT5000 [1]

-

VCC: Là chân nối nguồn 5V.
GND: Là chân nối GND.
D0: Là chân xuất tín hiệu Digital.
A0: Là chân xuất tín hiệu Analog.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/42

2.5 Kết nối giữa vi điều khiển ATmega328P với Module bluetooth HC-06

Hình 2-15: Kết nối giữa ATmega328P với Module HC-06 [2]

Đầu tiên ta sẽ kết nối Module Bluetooth với trung tâm điều khiển như hình trên,
sau đó ta tiến hành kết nối Module Bluetooth với Smartphone và bắt đầu gửi lệnh từ
Smartphone xuống trung tâm điều khiển thông qua Module Bluetooth HC-06, khi
trung tâm điều khiển nhận được lệnh từ Smartphone thì nó sẽ xử lý và gửi tín hiệu
điều khiển xuống động cơ để điều khiển cho xe chạy tới, chạy lùi, rẽ trái hoặc rẽ
phải, với cách lập trình được thực hiện trong đề tài này thì khi trung tâm điều khiển
nhận được kí tự là “U” thì xe sẽ chạy tới, khi nhận được kí tự “D” thì xe sẽ lùi lại,
với kí tự “L” thì xe sẽ xoay trái, và ngược lại với kí tự “R” thì xe sẽ xoay phải.
2.5.1 Giới thiệu về Module Bluetooth HC-06
Module Bluetooth HC-06 là một loại Module được ứng dụng rất nhiều trong các
thí nghiệm cũng như thực tế về việc điều khiển bởi tính phổ biến và dễ sử dụng của
nó, Module Bluetooth HC-06 thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện
như đèn, quạt thông qua các thiết bị ngoại vi như Smartphone, laptop… Module
Bluetooth HC-06 được cài đặt mặc định là Slave không thể thay đổi được nên chỉ có
thể giao tiếp với các thiết bị Bluetooth khác ở dạng Master như Smartphone,
Module Bluetooth HC-05 Master.
XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/42

Hình 2-16: Hình ảnh Module Bluetooth HC-06 [1]

2.5.2 Thông số kỹ thuật Module Bluetooth HC-06

-

Điện áp cung cấp: 3.3V đến 5V.
Baudrate có thể chọn được: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400,

-

57600, 115200.
Baudrate mặc định: 9600.
Tần số hoạt động: 2.4GHz.
Sử dụng CSR mainstream Bluetooth chip, Bluetooth V2.0 protocol

-

standards.
Dòng điện khi hoạt động: khi kết nối là 30mA, sau khi kết nối là 8mA.
Pairing code: 1234.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/42

2.5.3 Sơ đồ chân của Module Bluetooth HC-06

Hình 2-17: Sơ đồ chân Module Bluetooth HC-06 [1]

-

VCC: Là chân nối nguồn 5V.
GND: Là chân nối GND.
TXD: Là chân truyền dữ liệu.
RXD: Là chân nhận dữ liệu.

2.6 Ngôn ngữ lập trình và phần mềm hỗ trợ
2.6.1 Giới thiệu về Arduino IDE
Arduino IDE là một trình biên dịch dành cho tất cả các board Arduino cũng như
các vi điều khiển ATmega328P, ATmega2560… và ngôn ngữ C là ngôn ngữ chính
được dùng trong trình biên dịch này, và trong đề tài này trình biên dịch Arduino
IDE sẽ được sử dụng để viết chương trình điều khiển cho xe.

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/42

Hình 2-18: Logo và giao diện chính của Arduino IDE [7]

XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG