ROBOT TRÁNH VẬT CẢN TỰ ĐỘNG

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................. 7
1.1. Lý do chọn đề tài................................................................................. 7
1.2. Mục đích chọn đề tài .......................................................................... 8
1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu.......................................................................... 8
1.4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ................................. 8
1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................... 8
CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ROBOT VÀ ROBOT TRÁNH VẬT CẢN TỰ
ĐỘNG ............................................................................................................. 10
1.1. Tổng quan về robot tự động tránh vật cản....................................... 10
1.1.1. Giới thiệu chung về robot và robot tự động tránh vật cản ....... 10
1.1.2. Các thế hệ robot. ........................................................................... 12
1.1.3. Robot tránh vật cản tự động và phân loại. ................................. 12
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ROBOT TỰ ĐỘNG TRÁNH
VẬT CẢN ....................................................................................................... 14
2.1. Thông số của Arduino UNO R3 ..................................................... 14
2.2. Vi điều khiển ..................................................................................... 15
a. Các chân năng lượng ............................................................................ 18
b. Một vài chú ý khi sử dụng kit Arduino .................................................. 18
c. Bộ nhớ ................................................................................................... 19
e. Lập trình cho Arduino ........................................................................... 21
2.3. Module điều khiển động cơ 298 ....................................................... 22
a. Chức năng của các chân modunle điều khiển động cơ L298 ............... 22
b. Hình ảnh về sơ đồ khối và sơ đồ các chân IC L298 ............................. 23

1


2.4. Cảm biến siêu âm ............................................................................. 24
a. Siêu âm .................................................................................................. 24
b. Khái niệm cảm biến siêu âm ................................................................. 24

c. Nguyên lý cấu tạo cảm biến siêu âm ..................................................... 25
d. Cách tính khoảng cách trong nguyên lý cảm biến siêu âm .................. 25
e. Cấu tạo đầu cảm biến siêu âm .............................................................. 27
f. Ứng dụng cảm biến siêu âm .................................................................. 28
g. Phân loại các loại cảm biến ................................................................. 28
2.5. Cảm biến siêu âm SRF 05 ............................................................... 28
2.6. Động cơ giảm tốc .............................................................................. 31
a. Cấu tạo của động cơ điện ..................................................................... 31
b. Nguyên lý hoạt động động cơ điện ....................................................... 31
2.7. Động cơ servo ................................................................................... 32
a. Cấu tạo .................................................................................................. 35
b. Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 37
c. Servo và điều biến độ rộng xung ...................................................... 37
d. Phân loại động cơ servo ................................................................... 38
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ ROBOT TỰ ĐỘNG TRÁNH VẬT CẢN SỬ
DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM...................................................................... 39
3.1. Ý tƣởng thiết kế ................................................................................... 39
3.2. Sơ đồ khối ............................................................................................ 40
3.3. Phân tích chức năng và lựa chọn từng khối ..................................... 40
3.3.1. Khối nguồn .................................................................................... 40
a.Yêu cầu ................................................................................................... 40

2


b. Thông số linh kiện sử dụng ................................................................... 42
3.3.2. Khối cảm biến................................................................................ 43
a. Yêu cầu .................................................................................................. 43
b. Các phương án thiết kế ......................................................................... 43
c. Thông số linh kiện sử dụng ................................................................... 44

3.3.3. Module điều khiển động cơ .......................................................... 46
a. Yêu cầu .................................................................................................. 46
b. Các phương án thiết kế ......................................................................... 46
c. Thông số linh kiện sử dụng ................................................................... 47
Thông số kĩ thuật: ..................................................................................... 47
d. Sơ đồ thiết kế ......................................................................................... 47
3.3.4. Vi điều khiển.................................................................................. 48
a. Yêu cầu .................................................................................................. 48
b. Các phương án thiết kế ......................................................................... 48
c. Thông số linh kiện sử dụng ................................................................... 48
3.3.5. Động cơ .......................................................................................... 48
a. Yêu cầu .................................................................................................. 48
b. Các phương án thiết kế ......................................................................... 49
c . Thông số linh kiện sử dụng ................................................................. 49
3.3.5. Sơ đồ thiết kế của robot tránh vật cản tự động ....................... 50
3.3.6. Sơ đồ nguyên lý của robot tự động tránh vật cản ................... 50
a. Nguyên lý hoạt động ............................................................................. 51
b. Lưu đồ thuật toán .................................................................................. 51
c. Thiết kế .................................................................................................. 53

3


3.3.7. Chế tạo, kiểm nghiệm và đánh giá sản phẩm .......................... 64
a. Đánh giá sai số trong qui trình gia công cơ khí ................................... 64
b. Đánh giá độ chính xác và tin cậy của Robot khi thực hiện nhiệm vụ .. 65
CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................... 66
4.1. Kết luận ................................................................................................ 66
4.2. Hƣớng phát triển ................................................................................. 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 67

4


PHỤ LỤC
Danh mục hình ảnh sử dụng trong bài báo cáo
Hình 2. 1. Vi điều khiển ATmega328p trên kit Arduino UNO R3................. 15
Hình 2. 2. Sơ đồ chân Atemega 328p ............................................................. 16
Hình 2. 3. Atmega328p ................................................................................... 17
Hình 2. 4. Kit Arduino UNO R3 ..................................................................... 20
Hình 2. 5. Phần mềm lập trình kit arduino UNO R3 ...................................... 22
Hình 2. 6. Sơ đồ chân IC L298 ....................................................................... 23
Hình 2. 7. Dải tần ............................................................................................ 24
Hình 2. 8. Một loại cảm biến đo khoảng cách ................................................ 25
Hình 2. 9. Thời gian thu phát cửa cảm biến siêu âm ...................................... 26
Hình 2. 10. Công thức tính khoảng cách của cảm biến siêu âm ..................... 27
Hình 2. 11. Sơ đồ phát xung của cảm biến siêu âm SRF 05 ........................... 30
Hình 2. 12. Động cơ giảm tốc = động cơ điện + hộp giảm tốc....................... 31
Hình 2. 13. Động cơ servo .............................................................................. 35
Hình 2. 14. Cấu tạo động cơ servo .................................................................. 36
Hình 2. 15. Góc quay và động rộng xung ....................................................... 38

Hình 3. 1. Sơ đồ khối ...................................................................................... 40
Hình 3. 2. Pin cell ............................................................................................ 43
Hình 3. 3. Cảm biến siêu âm SRF05 ............................................................... 45
Hình 3. 4. Động cơ servo sử dụng................................................................... 45
Hình 3. 5. Sơ đồ thiết kế cảm biến siêu âm SRF05 và Servo ......................... 46
Hình 3. 6. Sơ đồ thiết kế Modunle điều khiển động cơ và động cơ giảm tốc 47
Hình 3. 7. Sơ đồ thiết kế robot tránh vật cản tự động ..................................... 50
Hình 3. 8. Sơ đồ nguyên lý robot tránh vật cản tự động ................................. 50

Hình 3. 9. Lưu đồ thuật toán ........................................................................... 52
Hình 3. 10. Robot tránh vật cản tự động ......................................................... 63

5


Hình 3. 11. robot tránh vật cản tự động .......................................................... 64

6


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học đời sống, cuộc sống của
con người đã thay đổi ngày một tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại
phục vụ trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Đặc biệt góp phần
không nhỏ đó là ngành kĩ thuật điện – điện tử trong sự nghiệp xây dựng đất
nước. Những thiết bị điện, điện tử được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong
đời sống hằng ngày. Từ những thời gian đầu phát triển vi xử lý đã cho thấy sự
ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được khẳng định
thêm. Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng
như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất
và tinh thần cho con người.
Do đó mong muốn áp dụng kiến thức của mình đã được học trong hơn
ba năm ở đại học, em đã quyết định nghiên cứu và chế tạo ra một sản phẩm
mang tính ứng dụng vào trong đời sống thực tiễn của chúng ta. Sản phẩm đó
chính là robot tránh vật cản. Robot tránh vật cản được thiết kế có thể tránh
được vật cản phía trước mặt robot. Sản phẩm này có nhiều cách để tránh vật
cản như khi gập vật cản thì nó dừng lại hoặc rẽ trái rẽ phải, lùi, .... nhưng do
thời gian, kiến thức và kinh nghiệm của em còn có hạn nên sẽ không tránh
khỏi những sai sót. Em rất mong được sự giúp đỡ và tham khảo ý kiến của

thầy cô nhằm đóng góp phát triển thêm đề tài này.
1.1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, robotic đã đạt được những thành tựu to lớn trong sản xuất
công nghiệp cũng như trong đời sống. Sản xuất robot là nghành công nghiệp
trị giá lớn và ngày càng phát triển mạnh, trong các họ robot chúng ta không
thể không nhắc tới mobile robot với những đặc thù riêng mà các loại robot
khác không có.
Mobile robot có thể di chuyển một cách rất linh hoạt, do đó tạo nên
không gian hoạt động lớn và cho đến nay nó đã dần khẳng định vai trò quan

7


trọng không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, thu hút được rất nhiều sự đầu tư
và nghiên cứu. Mobile robot cũng được chia ra làm nhiều loại: robot học
đường đi, robot dò line, robot tránh vật cản, robot tìm đường trong mê
cung,…trong số đó robot tránh vật cản dễ dàng ứng dụng nhiều trong cuộc
sống. Việc phát triển loại robot này sẽ phục vụ rất đắc lực cho con người.
1.2. Mục đích chọn đề tài
Robot tránh vật cản vừa có nhiều ứng dụng trong thực tế vừa dễ dàng
để sinh viên chúng em vận dụng những kiến thức tiếp thu được trên giảng
đường vào nó. Với những cơ cấu cơ khí đơn giản nhưng lại có thể kết hợp
nhiều thành phần điện tử (arduino, sensor đo khoảng cách, module điều khiển
động cơ, động cơ,....) nên những robot này rất phù hợp để sinh viên chúng em
họp tâp và nghiên cứu thêm.
1.3. Nhiệm vụ nghiên cứu
 Nghiên cứu cơ sở lí thuyết về moudule điều khiển động cơ
 Nghiên cứu cơ sở lí thuyết về cảm biến siêu âm
 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về servo, động cơ giảm tốc
 Nghiên cứu về kĩ thuật vi điều khiển

1.4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
1.4.1. Đối tƣợng nghiên cứu
 Cảm biến siêu âm


Động cơ giảm tốc, servo



Moudule điều khiển động cơ



Kit Arduino UNO R3

1.4.2. Phạm vi nghiên cứu


Cảm biến siêu âm SRF 05



Động cơ giảm tốc, servo



Modunle điều khiển động cơ L298

8



Kit Arduino UNO R3

1.5. Phƣơng pháp nghiên cứu


Phương pháp nghiên cứu thực tiễn: Nghiên cứu thực tiễn để đưa ra kết
quả sản phẩm cũng như định hướng phát triển cho đề tài.



Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết: Nhằm xây dựng cơ sở lý thuyết
cho đề tài, thông qua việc phân tích, tổng hợp các nguồn dữ liệu, những
số liệu thực tiễn.



Phương pháp chuyên gia: Tham khảo ý kiến của giáo viên hướng dẫn,
thầy cô, những người có kinh nghiệm chuyên môn trong lĩnh vực về tính
khả thi của sản phẩm, cách thực hiện, đánh giá…



Phương pháp chế tạo, kiểm nghiệm và đánh giá: Tiến hành chế tạo sản
phẩm, kiểm nghiệm, thống kê số liệu và đánh giá hiệu quả, tính ổn định
cũng như tính chính xác của sản phẩm.

1.6. Cấu trúc đồ án

Đồ án được chia ra làm 4 chương:


Chương 1: Giới thiệu robot và robot tránh vật cản tự động



Chương 2: Cơ sở lý thuyết của robot tự động tránh vật cản



Chương 3: Thiết kế robot tự động tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu
âm kiểm nghiệm và đánh giá sản phẩm



Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

9


CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU ROBOT VÀ ROBOT TRÁNH VẬT
CẢN TỰ ĐỘNG
1.1. Tổng quan về robot tự động tránh vật cản
1.1.1. Giới thiệu chung về robot và robot tự động tránh vật cản
Thuật ngữ robot lần đầu tiên xuất hiện năm 1921 ở Tiệp Khắc trong tác
phẩm R.U.R(Rossum’s Universal Robot) của nhà soạn kịch Karel Capek. Kể
từ đó thuật ngữ này được sử dụng rộng rãi.
Khái niệm máy tự động xuất hiện từ lâu với những viễn tưởng về người
máy trong cuộc sống. Ngay sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, nhiều công

trình được bắt đầu tại các phòng thí nghiệm để phát triển các máy cơ khí được
điều khiển từ xa nhằm phục vụ trong các phòng thí nghiệm về vật liệu phóng
xạ.
Trong hơn nửa thế kỷ qua thì robot có nhưng tiến bộ đáng kể như trong
những năm 1960 thì robot đã thay thế con người làm các công việc nặng
nhọc, nguy hiểm trong các môi trường nguy hiểm, độc hại. Tiếp đó là sự ra
đời và phát triển của bàn tay cơ khí được điều khiển bằng máy tính sử dụng
các sensor xúc giác. Đây là sự xuất hiện đầu tiên về robot có khả năng thích
ứng môi trường.Trong suốt những năm 1970, một số lượng lớn các công trình
nghiên cứu đã tập trung vào việc sử dụng các sensor ngoại để tang sự tiện lợi
và linh hoạt cho robot.
Trong những thập kỷ 80-90 do sự phát triển mạnh mẽ cửa khoa học kỹ
thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật vi xử lý và công nghệ thông tin, số
lượng robot đã gia tang, giá thành giảm đi rõ rệt và có thể đạt nhiều tính năng,
ứng dụng trong đời sống và sản xuất.
Trong những ngày qua thì khái niệm “ Cách mạng công nghiệp 4.0” đã
được nhắc đến nhiều trên truyền thông và mạng xã hội. Cùng với đó là ngành
khoa học công nghệ mới đã tạo ra nhiều sản phẩm robotics. Trong robotstic

10


có hầu hết vấn đề của “ cơ điện tử”, nó là sự kết hợp giữa cơ học máy và điều
khiển điện tử.
Một trong những tiêu chí đặc trưng cho robot là khả năng lập trình
được, muốn có khả năng này thì robot phải dùng đến máy tính hoặc các thiết
bị khác co chức năng tương tự. Trong đó máy tính đóng vai trò như bộ não
của robot.
Ngày nay với sự phát triển của các bộ vi điều khiển và cải thiện tốc độ
máy tính đã tạo ra những bước phát triển đáng kể cho robot.Robot ngày càng

đóng vai trò quan trọng trong côn nghiệp và cuộc sống hàng ngày.Chúng sẽ
thực hiện những công việc rất nhàm chán hoặc nguy hiểm, những công việc
mà đòi hỏi tốc độ và độ chính xác vượt quá khả năng con người.
Robot là tổng hợp của cả khoa học và công nghệ. Để thiết kế và chế tạo
được robot thì ta cần các tri thức của toán học, cơ học, vật lý, điện tử, lý
thuyết điều khiển, khoa học tính toán và nhiều tri thức khác.
Do nhu cầu sử dụng của con người trong đời sống sản xuất nên càng
ngày robot àng được cải tiến như robot chăm sóc sức khỏe trong ý tế, robot
thay thế con người trong các nhà máy xí nghiệp, robot xây dung trong quân
sự, ….. . Trong đời sống thì có một số loại robot được quan tâm nhiều như là:
tay máy robot, robot di động, robot phỏng sinh học và robot các nhân. Tay
máy robot bao gồm các loại robot như robot công nghiệp, robot y tế và robot
trợ giúp người tàn tật. Còn trong robot di động được thì con người nghiên cứu
nhiều về robot tự hành như robot tự tránh vật cản, robot dò đường, ….
Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm là robot có thể tự động
di chuyển mà không cần người điều khiển – nó có thể tự động tránh các vật
cản. Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm bao gồm: vi điều khiển,
moudule điều khiển động cơ và cảm biến. Robot tự động tránh vật cản có
nhiệm vụ tránh vật cản phía trước một cách nhanh chóng và chính xác

11


1.1.2. Các thế hệ robot.
Kể từ khi khái niện robot ra đời thì việc thiết kế và chế tạo robot đã trải
qua nhiều giai đoạn với nhiều thế hệ khác nhau. Theo thông kế thì có 5 thế hệ
robot ra đời kẻ từ năm 1960.
Thế hệ thứ nhất: bao gồm các loại robot hoạt động lặp lại theo một chu
trình không đổi. Các robot thế hệ này sử dụng cơ cấu điều khiển servo vòng
hở.

Thế hệ thứ hai: robot được trang bị các sensor cho phép robot giao tiếp
với môi trường bên ngoài. Nhờ các sensor này mà robot có thể chọn c ác
phương án khác nhau một cách linh hoạt nhằm thích nghi với môi trường bên
ngoài. Dạng robot với trình độ điều khiển này còn được gọi là robot điều
khiển thích nghi cấp thấp.
Thế hệ thứ ba: các bộ điều khiển logic khả trình PLC được sử dung
trong robot với nhiều chức năng chuyên biệt.
Thế hệ thứ tư: Thế hệ robot này không bị giới hạn trong chương trình
của chúng, robot thế hệ này sử dụng các máy tính được trang bị các ngôn ngữ
lập trình đặc biệt như là C, C++,… để tạo ra nhiều ứng dụng hoặc chương
trình không trực tuyến.
Thế hệ thứ năm: Các bộ điều khiển của robot sử dụng trí tuệ nhân tạo.
Robot được trang bị cá kỹ thuật như nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, xác định
khoảng cách, cảm nhận đối tượng tiếp xúc để xử lý, đưa ra các quyết định hợp
lý. Ngoài ra robot được trang bị mạng neuron giúp nó có khẳ năng tự học, xây
dựng kiến thức.
1.1.3. Robot tránh vật cản tự động và phân loại.
Robot tránh vật cản là loại robot sử các sensor đo khoảng cách để tránh
khỏi bị đâm vào vật cản.

12


Phân loại robot tránh vật cản dựa theo nguyên lý làm việc của đầu cảm
biến có:


Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến siêu âm: robot tránh vật cản làm
việc dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến siêu âm. Hệ thống này chủ
yếu phát hiện ra vật cản nhờ 13ang siêu âm.



Robot tránh vật cản sử dụng cảm biến laser: robot tránh vật cản làm việc
dựa vào nguyên lí làm việc của cảm biến laser. Hệ thống này chủ yếu
phát hiện ra vật cản nhờ laser.
Robot tránh vật cản sử dụng nhiều loại cảm biến: là hệ thống làm việc

dựa trên nguyên lí của nhiều loại cảm biến như: cảm biến hồng ngoại và cảm
biến siêu âm, cảm biến siêu âm và cảm biến laser. Hệ thống này chủ yếu phát
hiện ra vật cản trong những môi trường khác nhau.
Phân robot tránh vật cản theo bộ phận thực hiện chuyển động ta có
thể chia robot tự hành thành 2 lớp: chuyển động bằng chân hoặc bằng bánh


Robot chuyển động bằng chân là robot di chuyển mô phỏng theo di
chuyển của con người. Tuy nhiên nó rất phức tạp và chỉ có thể di chuyển
ở một số địa hình nhất định.



Robot chuyển động bằng bánh làm việc tốt trong hầu hết các địa hình do
con người tạo ra. Điều khiển di chuyển bằng bánh cũng đơn giản hơn
nhiều, gần như luôn đảm bảo tính ổn định. Lớp chuyển động bằng bánh
có thể chia ra làm 3 loại:loại chuyển động bằng bánh xe, loại chuyển
động bằng vòng xích và loại hỗn hợp bánh xe vòng xích. Tiềm năng ứng
dụng của xe tự hành là lớn, có thể kể đến robot vận hành vật liệu, hàng
hóa trong các tòa nhà, nhà máy, cửa hàng, sân bay hay thư viện… robot
xe lăn phục vụ người khuyết tật,…

13


CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ROBOT TỰ ĐỘNG
TRÁNH VẬT CẢN
2.1. Thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển

ATmega328 họ 8bit

Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

khoảng 30mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog

6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM

32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
2 KB (ATmega328)
1 KB (ATmega328)

14


2.2. Vi điều khiển

Hình 2. 1. Vi điều khiển ATmega328p trên kit Arduino UNO R3
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là
ATmega8, ATmega168, ATmega328. Các vi điều khiển này có thể xử lí
những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho
xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn
hình LCD,….
Atmega328 là một chíp vi điều khiển thuộc họ MegaAVR có sức
mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên
kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng
nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử
lý 8 bít (2KB SRAM). Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc
ra, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội và ngoại
(2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI,
I2C. Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bít (ADC/DAC) mở
rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer (Watchdog timer
là bộ đếm thời gian hoạt động liên tục nhằm tự động thực hiện một nhiệm vụ
nào đó. Sau một khoảng thời gian được định trước nếu bộ đếm không được
dừng hoặc refresh nó sẽ kích hoạt tác vụ đã được định sẵn ví dụ như reset

15


thiết bị, tắt màn hình, phát tín hiệu cảnh báo, ... ,) hoạt động với 5 chế độ
nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (PWM), hỗ trợ
bootloader.

Hình 2. 2. Sơ đồ chân Atemega 328p

16

Atemega328 có khả năng hoạt động trong một dải điện áp rộng (1.8V –
5.5V), tốc độ thực thi (thông lượng) 1MIPS trên 1MHz

Hình 2. 3. Atmega328p
Thông số chính Atmega328P-PU:
 Kiến trúc: AVR 8bit
 Xung nhịp lớn nhất: 20Mhz
 Bộ nhớ chương trình (FLASH): 32KB
 Bộ nhớ EEPROM: 1KB
 Bộ nhớ RAM: 2KB
 Điện áp hoạt động rộng: 1.8V – 5.5V
 Số timer: 3 timer gồm 2 timer 8-bit và 1 timer 16-bit
 Số kênh xung PWM: 6 kênh (1timer 2 kênh)

17


a. Các chân năng lượng


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 luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không
được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không
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.

b. Một vài chú ý khi sử dụng kit Arduino
Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó phải hết
sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho
Arduino UNO. Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó
thành một miếng nhựa chặn giấy ,nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể.
Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra
cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn
sai vị trí có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến

khích.
Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp
dưới 6V có thể làm hỏng board.

18


Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi
điều khiển ATmega328.
Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của
Arduino UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino
UNO sẽ làm hỏng vi điều khiển.
Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của
Arduino UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không
dùng để truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.
c. Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:


32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ
nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số
này sẽ được dùng cho bootloader.



2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến khai
báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Tuy nhiên khi mất điện, dữ liệu trên
SRAM sẽ bị mất.



1KB

cho

EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi ta có thể đọc và ghi dữ liệu
của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ
liệu trên SRAM

19


d. Các cổng vào/ra

Hình 2. 4. Kit Arduino UNO R3
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu.
Chúng chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân
là 40mA. Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong
vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).
Chức năng của 1 số chân như sau:


Chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với
thiết bị khác thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói
nôm na chính là kết nối Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp
Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết



Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM
với độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 2 8-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng

20


hàm analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được
điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V
và 5V như những chân khác.


Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài
các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu
bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.



LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối
với chân số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân tín hiệu tương tự (A0 → A5) cung cấp độ

phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V →
5V. Với chân AREF trên board, có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử
dụng các chân analog. Tức là nếu cấp điện áp 2.5V vào chân này thì có thể
dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân
giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao

tiếp I2C/TWI với các thiết bị khác.
e. Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng.
Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ C/C++. Để lập trình cũng như gửi lệnh và
nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến
cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE
(Intergrated Development Environment)

21


Hình 2. 5. Phần mềm lập trình kit arduino UNO R3
2.3. Module điều khiển động cơ 298
Module L298 có thể điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước, có
4 lỗ nằm ở 4 góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí của module. Có
gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dòng đỉnh đạt
2A( tối đa là 2.7A).
IC L298N được gắn với các đi ốt trên board giúp bảo vệ vi xử lý chống
lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động/ tắt động cơ.
a. Chức năng của các chân modunle điều khiển động cơ L298


4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7,
10, 12 của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.



4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân
INPUT) được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298. Các chân này sẽ
được nối với động cơ.

22




Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu
ở mức logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động,
nếu ở mức logic “0” thì mạch cầu H không hoạt động



Với bài toán của mình ở trên, các bạn chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển
chiều quay với L298:



Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào.



Khi ENA = 1:



INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận.



INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch.



INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì.



Với ENB cũng tương tự với INT3, INT4.

b. Hình ảnh về sơ đồ khối và sơ đồ các chân IC L298

Hình 2. 6. Sơ đồ chân IC L298

23


2.4. Cảm biến siêu âm
a. Siêu âm
Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe
thấy được. Tần số tối đa này tùy vào từng người nhưng thông thường nó
khoảng 20 kHz.

Hình 2. 7. Dải tần
Sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như:
không khí, chất lỏng, chất rắn bằng với vận tốc của âm thanh. Do cùng vận
tốc nhưng tần số cao hơn nên sóng siêu âm có bước sóng ngắn hơn bước sóng
âm thanh. Nhờ có khả năng không bị nhận biết bởi con người nên sóng siêu
âm được dùng để đo đạc khoảng cách hay vận tốc.
b. Khái niệm cảm biến siêu âm
Là loại cảm biến dùng để đo khoảng cách, là sản phẩm dùng để đo vật

thể rắn lỏng thông qua tín hiệu sóng siêu âm truyền đi, là thiết bị đo lường
được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy khu vực chứa chất lỏng, chất rắn.

24


Hình 2. 8. Một loại cảm biến đo khoảng cách
c. Nguyên lý cấu tạo cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng âm ra ngoài;
khi sóng âm tiếp cận tới các vật thể( chất lỏng như nước, nước thải, chất lỏng
dạng kết dính…, chất rắn như hạt nhựa, cát, đá, xi măng, bột, cám gạo…); sẽ
phát tín hiệu xung đưa về cảm biến; sau đó cảm biến sẽ chuyển đổi tín hiệu
đưa về thành tín hiệu dòng 4-20ma tiếp tục truyền đi tới các thiết bị kết nối để
phát tín hiệu kết quả đo được
Cảm biến siêu âm hoạt động theo nguyên lý hoạt động của loài dơi vào
ban đêm. Loài dời vào ban đêm tuy không nhìn thấy gì nhưng nó vẫn bay với
tốc độ cao mà không bị va vào vật cản. Lý do đó chính là hoạt động phát ra
sóng siêu âm, khi sóng siêu âm tiếp cận vật thể thì sóng phản xạ lại báo cho
dơi biết nơi đó có vật cản giúp nó tránh được.
d. Cách tính khoảng cách trong nguyên lý cảm biến siêu âm
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng
343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ
đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về thì máy tính

25