THIẾT kế mô HÌNH các XE tự ĐỘNG CHẠY THEO LUẬT GIAO THÔNG (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MÔ HÌNH CÁC XE TỰ ĐỘNG
CHẠY THEO LUẬT GIAO THÔNG


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AT

Atmel

DC

Direct Current

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

EU

European

GND

Ground

GPIO

General-Purpose Input/Output

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

SRAM

Static Random-Access Memory

TTL

Transistor-Transistor Logic

VCC

Voltage Common Collector

USP

Unique Selling Point


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/45

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
Mô hình xe chạy trong giao lộ là một trong những dự án được thực hiện nhiều
trong các cuộc thi tổ chức trong các trường đại học hiện nay, nó có nhiều ưu điểm
và được sử dụng vào các cuộc thi như: giải mã maze, mê cung với nhiều kích thước
khác nhau, xe đối kháng, xe dò line chạy theo yêu cầu. Những cuộc thi đó mang lại
cảm hứng sáng tạo cho sinh viên và nâng cao tính ứng dụng cho ngành học. Ngoài
ra mô hình xe cũng có thể ứng dụng trong quân sự, mặt khác nó vẫn còn tồn tại một
số khuyết điểm như: chi phí chưa được tối ưu gây khó khăn cho việc ứng dụng sản
xuất hàng loạt, giới hạn về các địa hình di chuyển.
Xe chạy trong giao lộ sẽ là một giải pháp cho việc tạo ra một xu hướng mới của
việc di chuyển trong giao thông. Trên giao lộ sẽ không còn có sự xuất hiện của tín
hiệu đèn giao thông, thay vào đó các xe chạy trên đường đều tự động thực hiện việc
tính toán khoảng cách an toàn cho phép, khi tới giao lộ xe tự động xem sét sẽ dừng
lại hay tiếp tục đi tiếp. Việc áp dụng mộ hình xe chạy trong giao lộ mà không cần
tới tín hiệu đèn giao thông sẽ tạo một bước đột phá trong ngành giao thông, góp
phần thúc đẩy ngành công nghiệp ô tô phát triển theo hướng tự động hóa. Bên cạnh
đó mô hình này sẽ giúp giảm chi phí cho việc đầu tư vào hệ thống đèn tín hiệu tại
các giao lộ vốn rất tốn kém cho ngân sách của các nước.
Hiện nay, ở Mỹ đã áp dụng luật cho xe chạy theo các luật đó. Một số luật giao
thông được áp dụng cho đề tài là:





Chạy giữ khoảng cách giữa xe phía trước và xe phía sau.
Xe chạy trên các lane khác nhau thì không lấn xang lane của xe khác.
Xe chạy tới giao lộ thì phải dừng lại.
Xe nào tới giao lộ trước thì dừng lại trược và cũng đồng thời sẽ được đi
trước.

Xe chạy trong giao lộ sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau giúp việc tính toán
khoảng cách, giữ khoảng cách an toàn phía trước và phía sau, xác định xe khác, tính
toán tốc độ phù hợp bằng cách áp dụng nhiều giải thuật, công thức phù hợp. Trong
Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/45

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. Giải thuật điều khiển PID để điều khiển xe chạy trong
giao lộ đúng với lane mà xe đang chạy, không lấn qua lane của xe khác.
Ngoài thiết kế xe, thiết kế mô hình giao lộ cũng rất quan trọng, mô hình giao lộ
giúp xe chạy đúng luật, giúp xe chạy mà không cần tới tín hiệu đèn giao thông.
Thết kế mô hình các xe chạy trong giao lộ hoàn chỉnh, hiểu về các phần mềm
lập trình cho vi điều khiển và nắm rõ các phương pháp lập trình cho vi điều khiển,
hiểu rõ nguyên lý hoạt động của các Module cảm biến khoảng cách, cảm biến dò
line. Kết nối và điều khiển động cơ DC thông qua Module driver L298N giúp cho
xe chạy theo đúng yêu cầu của đề tài.
1.2 Yêu cầu kĩ thuật
Đề tài này chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý hoạt động của Module cảm biến
khoảng cách, cảm biến siêu âm cảm biến dò line đơn được gắn lên xe. Bên cạnh đó
chúng ta cũng biết được nguyên lý hoạt động của Module driver L298N nhằm điều
khiển động cơ DC giảm tốc GA12-N20, tìm hiểu về vi điều khiển Atmega328P-AU
cũng như phần mềm hỗ trợ viết chương trình cho vi điều khiển, tìm hiểu kết cấu và
thiết kế phần cứng của xe và cách lắp ráp để tạo ra một mô hình xe hoàn chỉnh. Đề
tài sử dụng mô hình giao lộ bằng giấy foam dựa trên tính toán phù hợp kích thước
và yêu cầu di chuyển của xe.

Thiết kế hoàn chỉnh mô hình hai xe chạy trong giao lộ và mô hình giao lộ tương
ứng đúng với yêu cầu của đề tài.
1.3 Phương pháp thực hiện
Thiết kế được bộ khung của xe sao cho nhỏ gọn nhất, giúp xe di chuyển được
linh hoạt nhất trong giao lộ mà vẫn đáp ứng được mục tiêu đề ra. Lựa chọn mạch
tích hợp Atmega328P-AU với đầy đủ chức năng phục vụ cho việc lập trình trở nên
đơn giản hơn.
Bên cạnh đó cần phải lựa chọn đúng loại vi điều khiển phù hợp, giá thành rẻ mà
chất lượng và tốc độ trả về tín hiệu tốt nhất. Ngoài ra ta cần đặt vị trí của cảm biến
trên xe một cách tối ưu nhất, đảm bảo không bị chắn, không bị nhiễu, giá trị trả về
Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/45

ổn định và liên tục, đảm báo tính thẩm mĩ cho xe. Xe chạy đúng với nhiệm vụ mà
đề tại đặt ra với chi phí thấp, hiệu năng sử dụng, tính ứng dụng cao, bền bỉ.
Phương pháp thực hiện luôn cần phải đáp ứng được mục đích nghiên cứu đề tài
các xe chạy trong giao lộ là nghiên cứu các ứng dụng của các Module cảm biến kết
hợp với các linh kiện điện tử phổ biến. Đề tài phần nào đó đã góp một phần nhỏ vào
sự phát triển mạnh mẽ của ngành tự động hóa đến cuộc sống và các ngành công
nghiệp khác có liên quan khác. Từ việc nghiên cứu đề tài, sinh viên được tạo cơ hội
để tìm ra các xu hướng mới của thế giới, giúp nâng cao khả năng tự học hỏi, ôn lại
các kiến thức đã được học tại Trường Đại Học Tôn Đức Thắng. Từ những kiến thức
mới và kiến thức đã được học sẽ giúp cho sinh viên nâng cao chuyên môn, đáp ứng
cho công việc sau khi ra trường, thỏa mãn yêu cầu tuyển dụng của doanh nghiệp.

CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống

Khối Nguồn
(pin 18650)

Khối Cảm
biến
(E18-D50NK,
TCRT5000,
Hồng Ngoại)

Khối Trung Tâm
Điều Khiển
(Atmega328P)

Khối Điều Khiển Động Cơ
(Module driver L298N)

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông

Khối Động cơ
(gear motor,
bánh xe)


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4/45

Hình 2-1: Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối của đề tài thể hiện mối liên hệ giữa các khối với nhau được thể hiện
một cách đầy đủ ở hình 2-1.
Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống: Các Module cảm biến sẽ thu thập dữ liệu,
các thông số về khoảng cách, tín hiệu tại giao lộ khi có line, các thông số đó sẽ
được gửi và update liên tục về khối trung tâm xử lý là vi điều khiển Atmega328PAU. Từ đó vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển về cho khối động cơ điều khiển
thông qua Module drive L298N để điều khiển động cơ giảm tốc đi theo mục đích
của yêu cầu sao cho xe di chuyển trơn tru và đúng với luật giao thông.
1.2 Luật giao thông
Đề tài thiết kế các xe chạy theo luật giao thông có các luật giao thông mà xe sẽ
thực hiện theo khi đã được lập trình như:
Khi tới giao lộ, mỗi xe tự chọn đi thẳng hoặc rẽ một cách ngẫu nhiên.
Nếu 2 xe đến giao lộ theo hướng vuông góc: khi tới giao lộ, mỗi xe đều phải dừng.
Sau đó, xe nào tới trước được đi trước, xe nào tới sau sẽ được lập trình để đi sau.
Các xe chạy theo thứ tự và không va chạm vào nhau.
Nếu 2 xe chạy cùng chiều: nếu xe sau đến quá gần xe phía trước thì xe phía sau sẽ
tự tự động giảm tốc độ hoặc dừng. 2 xe luôn giữ một khoảng cách an toàn để tránh
trường hợp va chạm vào đuôi xe trước.
Nếu 2 xe chạy ngược chiều: mỗi xe chạy trên lane riêng, nếu đến giao lộ cũng phải
theo luật tương tự như luật 2.
2.1 Khối nguồn (Pin Cell)
Khi nói tới khối nguồn thì ta có thể hiểu rằng nó có vai trò cực kì quan trọng.
Với chức năng chính là cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, đề tài sử dụng các viên pin
cell để cấp nguồn cho các khối khác hoạt động.

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/45

Hình 2-2 thể hiện sơ đồ kết nối giữa nguồn với các khối khác, các linh kiện của
các khối sẽ được cấp nguồn trực tiếp từ nguồn pin cell tới các cực âm (-) và dương
(+). Nguồn được cấp được đo và luôn phù hợp với mức điện áp hoạt động trong
mức cho phép của các linh kiện.

Hình 2-2: Kết nối giữa nguồn pin với Atmega328P-AU và L298N

Nguyên lý hoạt động của khối nguồn được mô tả như sau:
Nguồn pin cell sẽ cung cấp nguồn cho Module driver L298N, các cảm biến và
mạch có Atmega328P-AU hoạt động ổn định. Pin có mức điện áp 3.7V, mỗi xe cần
hai viên pin để đủ nguồn hoạt động.

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/45

Hình 2-3: Pin Cell

Hình 2-3 cho chúng ta thấy được hình dáng thực của một viên pin, phía ngoài
của mỗi viên pin được bọc bằng nhựa và ghi đầy đủ các thông số kĩ thuật để cho
người sử dụng có thể đọc và sử dụng đúng mục đích.
Pin 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 thực hiện cung cấp nguồn
điện cho các thiết bị khác hoạt động thì các ion Li+ sẽ dịch chuyển theo chiều từ
cực dương sang cực âm để cung cấp điện cho thiết bị, ngược lại khi Pin được sạc thì
các ion Li+ sẽ dịch chuyển từ cực âm về cực dương, một chu kì sẽ kết thúc khi hoàn
thành quá trình nạp xả. Ta phải xác định đúng đầu dương và đầu âm của viên pin để
cắm vào khay đựng pin cho đúng vị trí, tránh trường hợp mắc ngược gây ra hư hỏng
các linh kiện khác.
2.2 Khối trung tâm điều khiển

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/45

Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý của Atmega328P-AU

Hình 2-4 thể hiện nguyên lý, chức năng cụ thể của của các chân mà chíp điều
khiển Atmega328P-AU được thiết kế theo thiết kế của nhà sản xuất cung cấp.
Khối trung tâm điều khiển mà đại diện là mạch tích hợp Atmegap328P-AU có
chức năng điều khiển mọi hoạt động của xe. Mạch sẽ điều khiển khối động cơ và
khối cảm biến hoạt động theo đúng yêu cầu mà người lập trình mong muốn.
Đề tài này sử dụng vi điều khiển là Atmega328P-AU bởi vì nó có giá thành rẽ,
phù hợp cho sinh viên với mục đích nghiên cứu và dễ dàng lập trình, ngoài ra vi
điều khiển có thiết kế phần cứng cũng khá đơn giản. Đây là khối đóng vai trò quan
trọng nhất, là trung tâm xử lý và thực thi mọi hoạt động mà người lập trình mong
muốn. Việc nhận tín hiệu trả về từ khối cảm biến và xuất ra các port để điều khiển
động cơ thông qua Module drive L298N.

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/45

Mạch có tích hợp Atnega328P-AU được thiết kế nhỏ gọn, tối đa nhiều chức
năng trên chỉ một board, nó có nguyên lý hoạt động của nó chình là nguyên lý hoạt
động của chíp Atmega328P-AU:
Atmega328P-AU loại chíp dán với 32 chân, trong đồ án kết nối các linh kiện
khác với chíp bằng các chân Analog hay Digital qua đó phục vụ chức năng của việc
lập trình đúng với mục đích điều khiển.
Cụ thể việc kết nối như sau:
Các chân trên Module drive L298N là IN1, IN2, IN3, IN4, ENA và ENB sẽ lần
lượt được nối đến các chân Digital của chíp là chân số 8, 10, 13, 12, 9 và chân số
11.
Chân tín hiệu trên cảm biến dò đường TCRT5000 sẽ nối tới chân số 4 của chíp,
việc kết nối này sẽ giúp tín hiệu trả về ở mức 1 hoặc mức 0. Khi tín hiệu ở mức 1
đồng nghĩa là đã phát hiện line, chíp sẽ điều khiển Module L298N dừng 2 động cơ
và xe sẽ dừng lại. Ngược lại, khi tín hiệu ở mức 0 đồng nghĩa là không gặp line và
xe sẽ tiếp tục di chuyển.
Chân tín hiệu của cảm biến hồng ngoại sẽ nối tới chân A2 (chân Analog) của
chíp, việc kết nối này sẽ trả về giá trị khoảng cách mà cảm biến đo về một cách liên
tục, khi giá trị nhỏ hơn 650 thì xe sẽ dừng lại, phục vụ chức năng cuae xe là giữ
khoảng cách an toàn với xe khác hay khi xe chạy mà gặp phải vật cản phía trước.
Chân tín hiệu của 3 cảm biến tiệm cận E18-D50NK gắn trên xe sẽ được nối lần
lượt tới các chân số 2, 5 và 3 của chíp. Tín hiệu trả về sẽ là giá trị ở mức 1 hoặc 0,
khi ở mức 1 thì các cảm biến chưa thấy xe khác, khi ở mức 0 đồng nghĩa là xe đã
thấy xe khác ở các vị trí nào đó dựa theo ví trí đặt cảm biến. Qua đó giúp xe xác

định có xe khác hay không và xe nào tới trước, xe nào tới sau.
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều chíp điều khiển được thiết kế để cho người
dùng có thể lập trình, nạp đi nạp lại nhiều lần. Atmega328P-AU cũng là một trong
những chíp điều khiển như vậy, nhưng nó cũng có những tính năng riêng biệt ngoài
những điểm giống như những chíp khác.

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/45

Atmega328P-AU là một trong những vi điều khiển hiện nay đang rất phổ do
hãng Atmel chế tạo ra, Atmega328P-AU hiện nay phổ biến với 2 loại đó là: chân
dán với 32 chân (Atmega328P-AU) và chân cắm với 28 chân (Atmega328P-PU),
loại chip dán (Atmega328P-AU) được sử dụng cho đề tài này. Tiếp sau sẽ là một số
thông số kĩ thuật và từng ứng dụng cụ thể của vi điều khiển Atmega328P-AU. Hình
2-5 là sơ đồ chân cụ thể của Atmega328P-AU, trên mỗi chân có ghi chức năng cụ
thể của từng chân đó, qua đó giúp lập trình dễ dàng hơn.

Hình 2-5: Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328P-AU

IC được tích hợp của mạch
IC dùng cho nạp

ATmega328P-AU.
CH340

Chuẩn giao tiếp

UART
5VDC (dùng USB)

Điện áp cấp

Mức điện áp giao tiếp GPIO
Dòng GPIO

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông

6-9VDC (khi dùng chân Raw).
TTL 5VDC

40mA


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/45

Tổng số các chân Digital
Tổng số các chân Analog

gồm 14 chân, với 6 chân PWM
gồm 8 chân
(với 6 chân có thể sử dụng như
Digital)
32KB
(với 2KB cho Bootloader)

2KB

Bộ nhớ Flash
SRAM
EEPROM
Tốc độ xung Clock
Dung IC chuyển điện áp 5V sang

1KB
16Mhz
LM1117

3.3V

18.542 x 43.18mm.
Có tích hợp Led báo nguồn
AVR 8 bit
1.8V đến 5.5V

Kích thước thực tế
Họ vi điều khiển
Điện áp đưa vào
Tần số hoạt động tối đa của vi điều

20 MHz

khiển
Số lượng các kênh PWM
Tổng số lượng timer

6 kênh
(mỗi timer có 2 kênh)
3 timer
(1 timer 8 bit và 2 timer 16 bit)

Bảng 2-1: Thông số kĩ thuật của Atmega328P-AU

Bảng 2-1 mô tả đầy đủ các thông số kĩ thuật của Atmega328P-AU, qua đó cho
ta dễ dàng lập trình theo yêu cầu, sử dụng đúng chức năng mà mỗi chân quy định và
số lượng các ngoại vi có thể kết nối tới mạch.
2.3 Khối cảm biến
Khối cảm biến là một trong những khối quan trọng trong đề tài này, nguyên lý
hoạt động của khối dựa trên nguyên lý hoạt động của các cảm biến được sử dụng
cho xe. Cảm biến sẽ xử lý và đọc tín hiệu trả về giá trị 0 và 1 thông qua chân OUT,
khi gặp line thì giá trị trả về là 1, khi không có line thì giá trị trả về là 0. Cảm biến
hồng ngoại đọc giá trị trả Analog thay đổi liên tục, ta sẽ lập trình theo giá trị hợp lý
giúp xe giữ được khoảng cách an toàn với xe trước.
Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/45

Cảm biến tiệm cận E18-D50NK đọc và trả về giá trị 1 hoặc 0, ta nối chân tín
hiệu với chân Digital của Atmega328P, khi có xe trong giới hạn khoảng cách mà
cảm biến xác nhận được thì giá trị trả về là 0, còn khi không có xe trong giới hạn
khoảng cách thì giá trị trả về là 1. Góc mà cảm biến đọc và xác định có xe là
khoảng 15o. Phía sau của cảm biến có một nút vặn để điều chỉnh tăng khoảng cách
mà cảm biến đọc thấy vật cản.

Từ những nguyên lý của từng cảm biến được nêu ra ở trên ta phần nào nhận thấy
được chức năng chính của khối cảm biến là thu thập dữ liệu, thu thập các thông số
về khoảng cách, giá trị tín hiệu số trả về từ cảm biến, rồi sau đó nó sẽ tự động xử lý
và tính toán rồi gửi dữ liệu đó về khối điều khiển, điều khiển xe chạy đúng theo các
luật đã quy định. Ngoài ra còn có các Module cảm biến dò đường TCRT5000 có
chức năng là đọc các giá trị về đường đi của xe khi tới giao lộ rồi gửi về khối điều
khiển, nó quy định xe sẽ dừng lại ngay tại giao lộ và tiếp tục thực hiện các chức
năng khác.
2.3.1 Cảm biến tiệm cận E18-D50NK
Hình 2-6 là sơ đồ nguyên lý và hình dạng cấu tạo bên ngoài của cảm biến tiệm
cận E18-D50NK.

Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý cảm biến tiệm cận E18-D50NK
Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/45

Hình 2-7: Hình ảnh cảm biến tiệm cận E18-D50NK

Hình 2-7 ở trên là hình ảnh thực tế được chụp của cảm biến tiệm cận E18D50NK. Được thiết kế khá nhỏ gọn và bắt mắt, 3 sợi dậy trong đó có 2 dây nguồn
và 1 dây tín hiệu được bọc nhựa và phía ngoài được bảo vệ bằng một lớp nhựa dẻo
cách điện màu đen.
Cảm biến tiệm cận E18-D50NK hoạt động theo cơ chế thu phát hồng ngoại, nó
có một mắt thu và một mắt phát. Khi mắt phát đụng vật cản thì tín hiệu trả về cho
mắt thu và tín hiệu sẽ được cảm biến tự xử lý. Khi thấy có xe khác thì giá trị 0 sẽ
được trả về, ngược lại khi không thấy xe trong giới hạn khoảng cách mong muốn thì
giá trị 1 sẽ được trả về. Giá trị trả về sẽ được đưa tới khối trung tâm để xử lý.

Cảm biến có tốc độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do mắt thu và mắt phát tia
hồng ngoại với tấn số riêng biệt. Phía sau cảm biến có thêm một led báo hiệu.
Ngoài chức năng tìm vật cản cảm biến tiện cận còn có chức năng đếm sản
phẩm, các chức năng ra vào, chống trộm, hệ thống tự động trong nhà bếp... Cảm
biến có thể điều chỉnh khoảng cách mong muốn của từng yêu cầu khác nhau thông
qua biến trở vặn đặt ở phía sau. Ngõ ra của cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần có
thêm một điện trở kéo lên nguồn ở chân tín hiệu. Bảng 2-2 liệt kê đầy đủ thông số
kĩ thuật của cảm biến tiệm cận E18-D50NK.
Khoảng điến áp hoạt động của cảm
biến

6 - 30VDC

Nguồn cung cấp

5VDC

Dòng kích của ngỏ ra

300mA

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/45

Khoảng ổn định phát hiện vật cản

3 - 50cm
<150

Độ rộng góc qét của cảm biến
Kích thước

1,8cm (D); 7,0cm (L).

Điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở tinh chỉnh
Bảng 2-2: Thông số kĩ thuật của cảm biến tiệm cận E18-D50NK

Hình 2-8 cho ta thấy được rằng cảm biến tiệm cận E18-D50NK có hai loại, dựa
theo màu của 3 dây ta xác định được các dây nào là dây nguồn, dây nào là dây tín
hiệu. Qua đó giúp việc kết nối phần cứng trở nên chính xác hơn, giúp cảm biến hoạt
động đúng.

Hình 2-8: Các loại cảm biến tiệm cận

Màu

Loại 1

Màu

Loại 2

Đỏ

+5V VCC

Xanh

+5V VCC

Đen

GND

Nâu

GND

Vàng

OUT

Đen

OUT

Bảng 2-3: Phân loại cảm biến tiệm cận theo màu

2.3.2 Cảm biến hồng ngoại

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/45

Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý cảm biến hồng ngoại

Hình 2-9 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại, chức năng
chính là so sánh các mức điện áp thông qua LM358N để xuất ra các mức tín hiệu 0
hoặc 1 tùy theo quá trình hoạt động của xe.
Cảm biến vật cản hồng ngoại là cảm biến đo khoảng cách và giá trị số được trả
về trên chân OUT. Mạch tích hợp có Atmega328P-AU sẽ điều khiển thông qua tín
hiệu trả về ở chân OUT, nếu có vật cản thì sẽ đọc giá trị ở mức 1, và ngược lại sẽ là
mức 0. Chân OUT được nối vào chân Digital là chân D4, D5 hay D6..vv Hình 2-10
là hình ảnh thực tế của cảm biến hồng ngoại đã được mô ta một cách đầy đủ ở trên.

Hình 2-10: Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến có 1 LED thu và 1 LED phát tia hồng ngoại, tia hồng ngoại sẽ phát ra ở
một tần số nhất định, khi phát hiện vật cản tại hướng truyền thì sẽ xuất hiện tín hiệu

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/45

phản xạ tại LED thu, sau khi tiến hành so sánh thông qua bộ so sánh thì LED thông
báo sáng và đồng thời xuất ra tín hiệu ở chân OUT.
Khả năng phát hiện vật cản trong khoảng 2-30cm, khoảng cách này có thể điều
khiển thông qua chiết áp trên cảm biến sao cho thích hợp nhằm tăng độ nhạy.
Bảng 2-4 cho ta thấy được thông số kĩ thuật của cảm biến hồng ngoại, từ đó giúp
cho việc lập trình và sử dụng cảm biến trở nên đơn giản hơn. Tối ưu hóa được chức

năng của cảm biến.
IC so sánh
Điện áp hoạt động

LM393
3.3 - 6VDC
Dòng tiêu thụ tương ứng

Vcc = 3.3V
23 mA
Vcc = 5.0V
43 mA
Góc hoạt động
35°
Khoảng cách phát hiện
2 - 30 cm
Có tích hợp LED báo nguồn và LED báo tín hiệu ngõ ra
Mức logic tại ngõ ra
Mức thấp 0 (0V)
khi gặp vật cản
Mức cao 1 (5V)
khi không gặp vật cản
Kích thước thực tế
3.2cm x 1.4cm
Bảng 2-4: Thông số kĩ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại

2.3.3

Cảm biến dò đường TCRT5000

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/45

Hình 2-11: Sơ đồ cảm biến dò đường TCRT5000

Hình 2-11 cho ta thấy một cách rõ nhất về sơ đồ chân và cấu tạo phía bên trong
của cảm biến dò đường TCRT5000. Điện trở 100 ohm được nối với diode sau đó đi
xuống đất, chân 5V được đi qua điện trở 5000 ohm sau đó đi thẳng tới transitor có
nhiệm vụ như một công tắc đóng mở.
Module cảm biến dò line TCRT5000 sẽ được cấp nguồn bằng mạch có tích hợp
Atmega328P-AU. Trên Module dò line đơn cho ta 2 sự lựa chọn sẽ sử dụng tín hiệu
xuất ra là Analog hay Digital. Trong đề tài sẽ chọn sử dụng chân D0. Chân D0 sẽ
được kết nối với chân Digital của mạch tích hợp Atmega328P-AU
Module cảm biến dò line TCRT5000 thiết kế dựa trên nguyên lý của một cảm
biến hồng ngoại với hai mắt thu và mắt phát làm bằng LED. Khi LED phát hồng
ngoại phát ra ánh sáng có bước sóng hồng ngoại, ngay lúc này LED thu của hồng
ngoại có nội trở rất lớn, khi tại LED thu nhận được ánh sáng hồng ngoại chiếu vào
thì nội trở sẽ lập tức giả xuống khoảng vài chục ohm.
Hình 2-12: Nguyên lý hoạt động cảm biến dò đường TCRT5000

Hình 2-12 mô tả cho ta thấy được nguyên lý hoạt động của cảm biến dò line. Hai
mắt thu và phát phát huy chức năng phát hiện line, từ đó đưa tín hiệu về cho IC

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/45

LM393 có chức năng so sánh hai giá trị điện áp của cầu chia trở và điện áp trên anot
của LED thu tín hiệu hồng ngoại. Nếu hồng ngoại được phản xạ và chiếu vào LED
thu thì nội trở LED thu sẽ tự động giảm suy ra điện áp trên cực anot của LED thu sẽ
tăng. Khi mà điện áp trên cực anot của LED thu cao hơn điện áp tại cầu phân áp
bằng điện trở thì mức tín hiệu ra là Vcc tương ứng mức 1, ngược lại sẽ ra mức 0.
Bảng 2-4 mô tả các chân của cảm biến, ở chân giá trị trả về ta có thể chọn là
Analog nếu nối dây tại chân A0 hoặc chọn là Digital nếu nối dây tại chân D0 của
cảm biến. Nó giúp cho ta có thể linh động trong việc chọn giá trị trả về tùy theo
mục đích hay tình trạng của cảm biến.
Chân GND
Chân VCC
Chân A0
Chân D0

nối đất
cấp nguồn cho cảm biến
tín hiệu trả về là Analog
tín hiệu trả về là Digital
Bảng 2-5: Sơ đồ chân cảm biến dò đường TCRT5000

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/45

Hình 2-13: Module cảm biến dò đường TCRT5000

Hình 2-13 cho ta thấy được một cách rõ ràng về hình ảnh thực tế của cảm biến
dò đường TCRT5000, số chân, vị trí của IC so sánh, nút tinh chỉnh độ nhạy cho cảm
biến. Và Bảng 2-5 trình bày các thông số kĩ thuật của cảm biến dò đường
TCRT5000, giúp cho việc sử dụng của người dùng trở nên chính xác và đơn giản
hơn.
Nguồn điện cung cấp
Module có chức năng so sánh
Module sử dụng cảm biến hồng ngoại
Dòng tiêu thụ cho phép
Nhiệt độ hoạt động
Mức tín hiệu ngõ ra
Độ nhạy của cảm biến
Kích thước Module
Số port giao tiếp

5V
IC LM393
TCRT5000
10mA
o
0 C đến 50oC
TTL (xung vuông)
5mm đến 40mm
3.2 x 1.4mm
Có 4 chân

Bảng 2-6: Thông số kĩ thuật cảm biến dò đường TCRT5000

2.4 Khối điều khiển động cơ
Hình 2-14: Sơ đồ nguyên lý mạch l298n

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/45

Khối này có chức năng chính là tiếp nhận tín hiệu xuất ra từ các port, sau đó tiến
hành điều khiển cho khối động cơ hoạt động thông qua băm xung và điều khiển tốc
độ. Qua đó giúp xe chạy đúng yêu cầu.
Hình 2-14 mô ta sơ đồ nguyên lý của mạch L298N, mạch điều khiển động cơ
với 12 chân. Gồm các chân cấp nguồn cho Module Drive L298N hoạt động là 5V
hoăc 12V, các chân OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 là các chân tín hiệu. ENA và ENB
với chức năng điều khiển 2 động cơ hoạt động.
Module drive L298N được dùng để điều khiển Động cơ DC giảm tốc GA12N20, trạng thái ở đầu vào Input1, Input2, EnableA sẽ trực tiếp điều khiển trạng thái
động cơ tại đầu ra Output1 và Output2 đã được kết nối tới động cơ DC một, bên
cạnh đó trạng thái ở đầu ra Output3, Output4 được kết nối trực tiếp với động cơ DC
hai sẽ được điều khiển bởi trạng thái tại đầu vào Input3, Input4 và EnableB. Hai
động cơ với chức năng chính điều khiển trạng thái xe chạy tiến, rẽ trái, rẽ phải hoặc
chạy lùi. Tất cả các trạng thái hoạt động ở trên đều chủ yếu do sự điều khiển trực
tiếp của MCU, khi MCU gửi tín hiệu xuống Module driver L298N để kích hoặc các
trạng thái từ chân Input1, Input2, Input3 và Input4 đồng thời là EnableA và EnableB
ngay lúc đó trạng thái của chân ngõ ra Module là Output1, Output2, Output3,
Output4 sẽ được kích tương ứng.
Hình 2-15 là hình ảnh của động cơ Driver L298N thực tế. Các chân của động cơ
gồm có chân Input, Output A, Output B, các chân cấp nguồn cho Driver +5V Power

và +12V Power cùng với chân GND, cuối cùng là các chân Enable.
Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/45

Hình 2-15: Sơ đồ chân Module Driver L298N

IC chính
Điện áp ngõ vào
Công suất tối đa
Dòng tối đa mỗi cầu H là
Mức thấp
Mức cao
Chức năng

L298N (2 mạch cầu H)
5V tới 30V
25W cho 1 mạch cầu H
3A
Mức điện áp logic
0.3V tới 1.5V
2.3V tới VCC
đệm công suất cho động cơ hoạt
động

Bảng 2-7: Thông số kĩ thuật Module Driver L298N

2.5 Khối động cơ

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/45

Hình 2-16: Sơ đồ chân Module Driver L298N

Hình 2-16 cho ta thấy được kích thước thực tế của động cơ DC giảm tốc thông
qua các mặt cắt khác nhau.
Động cơ DC giảm tốc GA12-N20 hoạt động nhờ vào Module Driver L298N
cấp xung làm quay các bánh răng bên trong động cơ, bánh răng quay dẫn đến bánh
xe cũng quay theo. Bánh xe bằng nhựa được sử dụng giúp xe di chuyển dễ dàng
trong gia lộ. Đông cơ giảm tốc có ưu điểm là momen lớn giúp xe có lực kéo lớn và
di chuyển ổn định.
Động cơ DC giảm tốc GA12-N20 được thiết kế nhỏ gọn với cơ cấu hộp số giảm
tốc kim loại giúp tăng lực kéo động cơ đầy mạnh mẽ, thích hợp cho các ứng dụng
chế tạo Robot nhỏ gọn hoặc các thiết kế cần động cơ giảm tốc với kích thước nhỏ.
Là bộ phận rất quan trọng được đưa vào cho xe chạy trong giao lộ được thiết kế cho
mô hình của 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.
Bảng 2-6 mô tả các thông số kĩ thuật của động cơ DC giảm tốc GA12-N20, đề
tài này ta sẽ sử dụng loại động cơ 3VDC - 75rpm. Tức là khi ta cấp 3VDC cho động
cơ thì số vòng quay của momen sẽ là 75 vòng/phút.

Hình 2-17: Hình ảnh động cơ DC giảm tốc GA12-N20

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/45

Hình 2-17 cho ta thấy kích thước và hình dạng thực tế của động cơ giảm tốc
GA12-N20. Bên ngoài của động cơ được boch bằng nhôm, có các bánh răng điều
khiển và trục quay chính. Bảng 2-6 trình bày các thông số kĩ thuật của giảm tốc
GA12-N20, giúp người dùng sử dụng đúng mới điện áp để có được tốc độ như ý
muốn.
1.5 - 12VDC
75rpm

Điện áp vào khi sử dụng
Tốc độ không hộp số
Tốc độ qua hộp số
3VDC
6VDC
12VDC

75rpm
150rpm
300rpm

Đường kính động cơ
Chiều dài động cơ

12mm

34mm
3mm

Đường kính trục

(trục dạng chữ D)
10mm

Chiều dài trục

Bảng 2-8: Thông số kĩ thuật động cơ giảm tốc GA12-N20

CHƯƠNG 3.

THIẾT KẾ PHẦN MỀM

3.1 Ngôn ngữ lập trình và phần mềm hỗ trợ IDE
3.1.1 Tổng quan về phần mềm Arduino IDE
Đây là một trình biên dịch trên nền của ngôn ngữ C, IDE được dùng để lập trình
cho các loại Board Arduino. Trong toàn bộ đồ án trình biên dịch này sẽ được sử
dụng để thực hiện giải thuật cho xe.

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/45

Hình 3-1: Logo và giao diện chính của Arduino IDE

3.1.2 Khởi tạo chương trình và giao diện phần mềm Arduino IDE
Để khởi tạo chương trình mới ta tiến hành tạo một file biên dịch mới để lưu,
bước tiếp theo ta chọn file  new trên thanh công cụ.

Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động
Chạy Theo Luật Giao Thông