THIẾT KẾ CHẾ TẠO robot lau nhà thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
----------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN I
Đề tài:

THIẾT KẾ ROBOT LAU NHÀ DÙNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Giảng viên hướng dẫn:

TS. Nguyễn Thu Nga

Nhóm sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Văn Duy
2. Nguyễn Hoàng Tiến Bách

MSSV: 20140736 - ĐTTT07 K59
MSSV: 20155108 - CN – ĐT 01 K60

Hà
nội,

Tháng 11 năm 2017

MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ẢNH..............................................................................................................................3
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................................................4
1


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI..................................................................................5

1.1.

Giới thiệu chương...........................................................................................................................5

1.2.

Tổng quan về Robot lau nhà.........................................................................................................5

1.3.

Yêu cầu hệ thống............................................................................................................................8

1.3.1.

Yêu cầu chức năng.................................................................................................................8

1.3.2.

Yêu cầu phi chức năng..........................................................................................................8

1.4.

Mô hình Robot lau nhà..................................................................................................................8

1.5.

Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống..............................................................................................9

1.6.

Kết luận chương..........................................................................................................................10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG HỆ THỐNG............................................................................11
2.1. Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua.............................................................................11
2.2. Vi điều khiển ATmega32L 8PU........................................................................................................13
2.3. Mạch cầu H........................................................................................................................................14
2.4. Modul L298........................................................................................................................................16
2.5. Cảm biến siêu âm SRF05.................................................................................................................19
2.6. Động cơ DC motor............................................................................................................................21
2.7. Ghép nối các Modul..........................................................................................................................22
2.7.1 Ghép nối L298 và Kit ATmega32L 8PU...................................................................................22
2.7.2. Ghép nối cảm biến siêu âm SRF05 và Kit ATmega32L 8PU................................................22
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG..............................................................................24
3.1. Thuật toán lập trình phần cứng......................................................................................................24
3.2 Thiết kế phần mềm.............................................................................................................................27
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.....................................................28
4.1 Kết quả đạt được................................................................................................................................28
4.2 Hướng phát triển................................................................................................................................29
PHỤ LỤC.....................................................................................................................................................29
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................................32

2


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1-1: Robot hút bụi Ilife A4s………………………………………………..6
Hình 1-2: Robot lau nhà iRobot Braava 380t……………………………….......7
Hình 1-3: Mô hình Robot lau nhà………………………………………………8
Hình 1-4: Sơ đồ tổng quan hệ thống……………………………………………9
Hình 2-1: Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua…………………….11

Hình 2-2: Vi điều khiển ATmega32L 8PU…………………………………….13
Hình 2-3: Mạch cầu H…………………………………………………………14
Hình 2-4: Nguyễn lý hoạt động của mạch cầu H…………………………......15
Hình 2-5: Modul L298…………………………………………………………17
Hình 2-6: Cảm biến siêu âm SRF05………………………………………......19
Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm SRF05………………20
Hình 2-8: Động cơ giản tốc…………………………………………………...21
Hình 3-1: Lưu đồ thuật toán tổng quan của hệ thống………………………25
Hình 3-2: Lưu đồ thuật toán quá trình đo khoảng cách………………….....26
Hình 4-1: Robot sau khi hoàn thiện…………………………………………28

3


LỜI NÓI ĐẦU
Trong xã hội hiện đại ngày nay, khoa học kỹ thuật đang phát triển rất mạnh mẻ và
đi cùng với đó là sự phát triển các sản phẩm ứng dụng của nó vào thực tế trong nhiều lĩnh
vực như: y tế, giáo dục, nông nghiệp, sản phẩm dân dụng… Do đó, với mong muốn áp
dụng kiến thức được học trên giảng đường vào thực tế, em đã quyết định làm một sản
phẩm đơn giản có thể ứng dụng vào đời sống thực tiễn của mỗi chúng ta. Sản phẩm đó là
một robot lau nhà thông minh. Trong cuộc sống hiện đại Robot lau nhà đang dần trở nên
thân quen hơn với mỗi gia đình, nó đem lại sự trợ giúp không hề nhỏ với người nội trợ
trong việc làm sạch nhà cửa giúp chúng ta có nhiều thời gian dành cho gia đình hơn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Cô - TS. Nguyễn Thu Nga đã tận tình chỉ bảo,
hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này.

Nhóm sinh viên thực hiện:
Nguyễn Văn Duy
Nguyễn Hoàng Tiến Bách

4


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.

Giới thiệu chương
Trong chương này, em giới thiệu sơ bộ về robot lau nhà thông minh, trong đó
nội dung chính trình bày bao gồm: mô hình, sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động
của robot.

1.2.

Tổng quan về Robot lau nhà
Hiện nay, robot lau nhà thông minh đang dần trở thành xu thế mới, thay thế
các loại máy hút bụi truyền thống để hỗ trợ con người trong việc dọn dẹp nhà cửa.
Tại Việt Nam, dòng sản phẩm này chỉ vừa mới có mặt trên thị trường và hứa hẹn
sẽ trở thành một sản phẩm hot trong thời gian tới. Robot lau nhà tự động được
xem là “người” giúp việc vô cùng thông minh và hiệu quả cho các gia đình, đặc
biệt đối với những người nữ nội trợ phải đi làm suốt cả ngày, không có thời gian
chăm sóc nhà cửa. Robot thiết kế thông minh, có thể tự động thực hiện công việc
hút bụi, lau dọn nhà mà không cần có sự hướng dẫn của con người. Kích thước
của robot hút bụi tự động nhỏ gọn, có thể đi đến tất cả các ngóc ngách như: gầm
bàn, gầm giường, ghế sofa,góc tường… để làm sạch toàn diện. Hơn nữa, robot
thông minh cũng có thể sử dụng được trên nhiều loài sàn nhà như: gỗ, thảm, sàn
gạch, gạch ceramic…
Trên thị trường hiện nay có 3 loại robot làm sạch sàn nhà đó là sản phẩm
Robot lau nhà và Robot hút bụi, với mỗi loại Robot lau nhà hay robot hút bui thì
đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng chính vì vậy để tăng hiệu quả làm
sạch một cách tối đa các nhà sản xuất đã kết hợp hai loại Robot lau nhà và hút bụi

lại thành loại Robot vừa có khả năng lau nhà vừa có khả năng hút bụi. Tuy nhiên
xét về sự phổ biến thì hiện nay thì robot hút bụi vẫn đươc sử dụng nhiều hơn vì có
giá thành hợp lý nhưng vẫn giữ được nhiều ưu điểm lớn là có thể làm sạch trên
nhiều bề mặt sàn khác nhau, có thể làm sạch nhiều loại bụi bẩn. Dưới Hình 1.1 là
sản phẩm Robot lau nhà Ilife V4s, sản phẩm có thiết kế dạng khối trụ trông khá
thanh thoát.
5


6


Hình 1-1: Robot hút bụi Ilife A4s
Mặc dù Robot hút bụi có nhiều ưu điểm vượt trội và được sử dụng rộng rãi
hơn nhưng cũng không thể phủ nhận những điểm tích cực của Robot lau nhà vẫn
chiếm được lòng tin của rất nhiều người dùng. Mặc dù không hoạt động tốt trên
nhiều về mặt nhưng hiệu quả làm sạch của Robot lau nhà có phần vượt trội so với
Robot hút bụi, Robot lau nhà có thể làm sạch được cả những vết bẩn ướt, dính với
bề mặt sàn. Bên cạnh đó Robot lau nhà hoạt động không gây nhiều tiếng ồn như
Robot hút bụi, ít gây ảnh hưởng đến người sử dụng vào buổi đêm. Hình 1.2 là
Robot lau nhà Irobot Braava 380t, robot có dạng hình vuông, cải thiện diện tích
tiếp xúc của tấm rẻ lau được gắn dưới đáy robot với mặt sàn giúp tăng hiệu quả
làm sạch.

7


Hình 1-2: Robot lau nhà iRobot Braava 380t
Ngoài hai loại Robot kể trên hiện nay các nhà sản xuất đã tích hợp hai loại Robot
trên vào cùng một sản phẩm vừa có khả năng lau nhà, vừa có khả năng hút bụi tuy nhiên

giá thành của chúng rất cao, đó là một rào cản lớn với người dùng nếu muốn sở hữu
chúng.
Trong học phần đồ án này em thiết kế Robot lau nhà đơn giản với chi phí thấp. Sản
phẩm gồm các tính tăng cơ bản sau:
 Lau sàn nhà khô và ướt.
 Robot di chuyển tự động theo hình ziczac giúp tăng tối đa khả năng làm
sạch.
 Có khả năng tránh vật cản trực diện.

8


1.3.
1.3.1.

1.3.2.

1.4.

Yêu cầu hệ thống
Yêu cầu chức năng
 Robot có khả năng tự động di chuyển theo đường ziczac.
 Robot có thể tránh vật cản chính diện trong khi di chuyển.
Yêu cầu phi chức năng
 Robot hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khác nhau.
 Dễ dàng tháo lắp, thay thế miếng rẻ lau.
 Dễ dàng thao lắp thay thế các modul khi xảy ra vấn đề hỏng hóc.

Mô hình Robot lau nhà

Bánh Xe

Bánh Xe
Vi Điều Khiển
ATmega 32

Modul L298
(Mạch cầu H)

Miếng lau sàn nhà

Cảm Biến Siêu Âm
SRF 05

Hình 1-3: Mô hình Robot lau nhà
Trên Hình 1.3 là mô hình của Robot lau nhà, Robot gồm 4 thành phần chính.
VĐK ATmega 32 là bộ não điều khiển mọi hoạt động của hệ thống, khi phát hiện
9


vật cản phía trước nhờ cảm biến siêu âm SRF05, VĐK ATmega 32 sẽ đưa ra tín
hiệu PWM phù hợp điều khiển động cơ giúp Robot tránh vật cản. modul L298 là
mạch cầu H như một nhận tín hiệu điều khiển từ VĐK ATmega 32 điều khiển tốc
độ của hai bánh xe chính, việc điều khiển tốc độ hai bánh xe cũng đồng thời là
điều khiển hướng di chuyển của Robot. Cảm biến siêu âm SRF05 đo khoảng cách
từ Robot tới vật cản phía trước nhờ đó có thể điều khiển thay đổi hướng di chuyển
của xe tránh vật cản. Cuối cùng là miếng lau sàn được gắn phía dưới của khung
xe.

1.5.

Sơ đồ khối tổng quan của hệ thống

PIN

MODUL L298

Vi Điều Khiển

(Mạch Cầu H)

ATmega 32

Cảm biến Siêu
Âm SR05

Hình 1-4: Sơ đồ tổng quan hệ thống
Hệ thống được chia ra làm bốn khối chính được trình bày trên Hình 1.4. Pin là
nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho hệ thống, điện từ pin qua modul L298, từ
modul L298 nguồn được chia tới các thành phần trong hệ thống. Nguồn DC-5V ổn định
nuôi MCU (kit AVR Atmega32) và cảm biến siêu âm SRF05, nguồn 6-9V nuôi hai motor,
dòng điện tối đa mà modul L298 có thể cung cấp cho cho mỗi motor tối đa lên đến 2A.
Trên Hình 1.4 các đường năng lượng này được thể hiện bằng mũi tên màu da cam. MCU
(kit AVR Atmega32) đóng vai trò là bộ xử lý trung tâm, đọc tín hiệu từ cảm biến siêu âm
SRF05 tính toán khoảng cách với vật cản phía trước và đưa ra tín hiệu PWM điều khiển
tốc độ và hướng di chuyển của Robot thông qua mạch cầu H một cách hợp lý. Các đường
tín hiệu trong hệ thống được thể hiện bằng mũi tên màu xanh, Modul mạch cầu H L298
chỉ nhận tín hiệu từ MCU nên được thể hiện bằng mũi tên một chiều. Khi muốn đo
khoảng cách MCU sẽ phát tín hiệu đến cảm biến SRF05 và đọc tín hiệu từ cảm biến gửi
10

về qua đó tính toán khoảng cách đến vật cản vì vậy mũi tên hai chiều được sử dụng để thể
hiện đường đi của tín hiệu từ MCU đến cảm biến SRF05.

1.6.

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

11


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

Hình 2-1: Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NoteMCU Lua
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là kit phát triển dựa trên nền chip
Wifi SoC ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình
biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình
các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản.
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua được dùng cho các ứng dụng cần kết nối,
thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến IoT.
Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua tại esshop.vn sử dụng chip nạp và
12

giao tiếp UART mới và ổn định nhất là CP2102 có khả năng tự nhận Driver trên tất cả
các hệ điều hành Window và Linux, đây là phiên bản cải tiến từ dòng sử dụng IC nạp và
giao tiếp UART giá rẻ kém ổn định CH340.
Thông số kỹ thuật:
 IC chính: ESP8266 Wifi SoC.
 Phiên bản firmware: NodeMCU Lua
 Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102.
 GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU.
 Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin.
 GIPO giao tiếp mức 3.3VDC
 Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

13


2.2. Vi điều khiển ATmega32L 8PU

Hình 2-2: Vi điều khiển ATmega32L 8PU
Vi điều khiển ATMEGA32. Atmega32 là vi điều khiển thuộc họ AVR của hãng Atmel,có
40 chân trong đó có 32 chân I/O,có 4 kênh điều xung PWM,sử dụng thạch anh ngoài
8MHz. Nhân AVR kết hợp tập lệnh đầy đủ với 32 thanh ghi đa năng. Tất cả các thanh ghi
liên kết trực tiếp với khối xử lý số học và logic (ALU) cho phép 2 thanh ghi độc lập được
truy cập trong một lệnh đơn trong 1 chu kỳ đồng hồ. Kết quả là tốc độ nhanh gấp 10 lần
các bộ vi điều khiển CISC thường.

14

2.3. Mạch cầu H
Mạch cầu H là là một mạch thông dụng và đơn giản dùng trong điều khiển động cơ
DC. Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc theo
hình chữ H như Hình 2.3. Thành phần chính tạo nên mạch cầu H của là 4 “khóa” L1, L2,
R1 và R2 (L: Left, R:Right). Ở điều kiện bình thường 4 khóa này “mở”, mạch cầu H
không hoạt động. Việc khảo sát hoạt động của mạch cầu H sẽ được minh họa trên Hình
2.4.

Hình 2-3: Mạch cầu H
Khi 2 khóa L1 và R2 được “đóng lại” (L2 và R1 vẫn mở), ta dễ dàng thấy được
dòng điện chạy từ V qua khóa L1 đến đầu A và xuyên qua đối tượng đến đầu B của nó
trước khi qua khóa R2 và về GND (như Hình 2.4 bên trái). Ngược lại khi khóa R1 và L2
đóng trong khi L1 và R2 mở, dòng điện lại xuất hiện và lần này nó sẽ chạy qua R1, qua
15


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

Hình 2-4: Nguyễn lý hoạt động của mạch cầu H
Do thành phần chính của mạch cầu H chính là các “khóa”, việc chọn linh kiện để làm
các khóa này phụ thuộc vào mục đích sử dụng mạch cầu, loại đối tượng cần điều khiển,
công suất tiêu thụ của đối tượng. Nhìn chung, các khóa của mạch cầu H thường được chế
tạo bằng rờ le (relay), BJT(Bipolar Junction Transistor) hay MOSFET(Metal Oxide
Semiconductor Field-Effect Transistor).

16

Để thay đổi tốc độ động cơ ta chỉ cần chỉ cần thay đổi điện áp đặt vào 2 cực điều
khiển của mạch cầu H. Hiệu điện thế giữa 2 cực điều khiển càng lớn thì động cơ chạy
càng nhanh. Động cơ chạy theo chiều thuận khi điện áp ở A nhỏ hơn B và ngược lại.
Trong phạm đồ án này em sử dụng mạch cầu H trong IC L298. L298 là IC tích hợp
hai mạch cầu H, có thể điều khiển tốc độ cùng lúc 2 động cơ chạy theo 2 hướng độc lập
nhau.

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

17


Hình 2-5: Modul L298
Các thông số kỹ thuật cơ bản của mạch cầu H gồm:








Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H.
Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃ )
Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

Các chân kết nối trên modul L298:
 +12V Power: Đây là chân cấp nguồn trược tiếp cho modul và toàn bộ động cơ.
o Nguồn cấp cho modul có thể giao động từ 9-12V.
 Power GND: Chân mát của modul và toàn bộ hệ thống.
 +5V Power: Chân cấp nguồn cho vi điều khiển và các cảm biến.
18


 5V Enable: Chân Enable nguồn 5V. Nếu hai jum này được nối (như hình) thì sẽ
có nguồn 5V tại chân +5V Power, ngược lại thì không.
 A Enable: Chân enable cổng output A. Nếu chân này được tích cực ở 5V (Nối
với nguồn 5V như Hình 2.5) cổng output A được enable. Nếu muốn điều khiển
tốc độ động cơ sử dụng xung PWM thì xung PWM sẽ được cập vào chân A
Enable này để điều khiển tốc độ động cơ A.
 B Enable: Chân enable cổng output B. Nếu chân này được tích cực ở 5V (Nối
với nguồn 5V như Hình 2.5) cổng output B được enable. Nếu muốn điều khiển
tốc độ động cơ sử dụng xung PWM thì xung PWM sẽ được cập vào chân B
Enable này để điều khiển tốc độ động cơ B.
 Input: Nhóm này gồm 4 chân INA, INB, INC, IND. Đây là 4 chân chính dùng
để nhận tín hiệu điều khiển động cơ từ vi điều khiển.
o INA = 1 , INB = 0: Động cơ A sẽ quay theo chiều thuận.
o INA = 0 , INB = 1: Động cơ sẽ A quay theo chiều nghịch.
o INA = 0 , INB = 0: Dừng động cơ A.
o INC = 1 , IND = 0: Động cơ B quay theo chiều thuận.
o INC = 0 , IND = 1: Động cơ B quay theo chiều nghịch.
o INC = 0 , IND = 0: Dừng động cơ B

Nếu 4 chân input được thiết lập như trên thì động cơ sẽ quay với tốc độ tối đa. Tương
tự như các chân A Enable và B Enable ta cũng có thể điều khiển tốc độ động cơ bằng
cách cấp xung PWM vào các chân này, giả sử ta cấp một xung PWM có duty cycle =
50% vào chân INA và giữ chân INB ở mức 0 thì động cơ A sẽ quay với tốc độ 50%.
Tương tự với các chân còn lại.

2.5. Cảm biến siêu âm SRF05
Như tên gọi cảm biến SRF05 sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách tới vật cản
phía trước sử dụng soáng siêu âm. Sóng siêu âm là một loại sóng cao tầng mà con người
không thể nghe thấy được. Tuy nhiên, ta có thể sử dụng chúng để đo các vật trong không
gian (cũng như cách thức phát hiện con mồi và đi săn mồi của cá heo mà mọi người đã
biết).
19


Hình 2-6: Cảm biến siêu âm SRF05
Trên Hình 2.6 là cảm biến siêu âm SRF05, cảm biến gồm bộ phận phát sóng siêu âm
(Trig) phía bên trái và bộ thu sóng phản xạ phía bên phải. Cảm biến SRF05 cho khoảng
cách đo tối đa lên tới 3-4m và giao tiếp với vi điều khiển qua 5 chân:






Vcc: Ta cần cấp nguồn 5V vào chân này để cảm biến hoạt động.
Trig: Khi muốn cảm biến phát sóng siêu âm thì ta cấp tín hiệu vào chân này.
Echo: Chân phát hiện sóng phản xạ.
OUT: Không sử dụng
GND: Nối mát.

20


Hình 2-7: Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm SRF05
Nguyên lý để đo khoảng cách đến một vật là dùng một nguồn phát sóng siêu âm
(TRIG) và một bộ thu sóng siêu âm (ECHO), khi TRIG phát sóng đi đến nơi có vật cản
nó sẽ đập vào vật đó và sẽ tạo ra 1 luồng sóng đi trở về , ngay lập tức ECHO sẽ nhận. Sau
đó dựa vào thời gian phát thu mà sẽ tính ra khoảng cách đến vật. Vì vậy cảm biến siêu âm
SRF05 sẽ gồm một nguồn phát (TRIG), một bộ thu (ECHO) và 5 chân tín hiệu để giao
tiếp với vi điều khiển.
Khi muốn bắt đầu đo khoảng cách ta cấp một xung dương có thời gian tối thiểu là
10µs vào chân Trig. Khi có xung trên 10µs ở chân Trig cảm biến sẽ bắt đầu phát 8 xung
sóng siêu âm qua bộ phát. Sau khi 8 xung sóng siêu âm được phát đi chân Echo sẽ tự
động được kéo lên mức cao, khi sóng siêu âm gặp vật cản và phàn xạ trở lại, bộ thu của
cảm biến nhận được sóng phản xạ sẽ kéo chân Echo xuống mức thấp. Việc xác định
khoảng khời gian chân Echo ở mức cao sẽ giúp vi điều khiển tính toán được khoảng cách
đến vật cản.

21


 Nếu khoảng thời gian chân Echo ở mức cao trong khoảng từ 100µs tới 20ms
ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến tới vật cản dựa vào tốc độ truyền
sóng siêu âm trong không khí ở nhiệt độ 21°C là 343,2m/s .
 Nếu khoảng thời gian chân Echo ở mức cao lớn hơn 30ms thì tức là trong
khoảng cách 4m từ cảm biến không có vật cản.

2.6. Động cơ DC motor
Do đặc điểm của Robot lau nhà là di chuyển với tốc độ chậm để tăng hiệu quả lau

nhà nên trong đồ án này em lựa chọn sử dụng động cơ DC giảm tốc.
Động cơ hoạt động với dải điện áp rộng từ 3-9V tuy nhiên hoạt động ổn định với
công suất tốt nhất trong khoảng từ 6-9V.
Tốc độ tối đa ở điện áp 3V khi không có tải là 125 vòng/phút. Nếu sử dụng bánh
đường kính 66mm động cơ sẽ di chuyển được quãng đường 26m/phút.

Hình 2-8: Động cơ giản tốc
Với điện áp 5V và không có tải động cơ có thể quay với tốc độ tối đa 208 vòng/phút.
Nếu sử dụng bánh đường kính 66mm động cơ có thể di chuyển được quãng đường
44m/phút.
22


2.7. Ghép nối các Modul
2.7.1 Ghép nối L298 và Kit ATmega32L 8PU
Modul L298 cung cấp nguồn DC 5V từ pin tới nuôi MCU, để điều khiển
tốc độ của động cơ quay thuận ta phải cấp tín hiệu xung PWM vào hai
chân
INA và INC đồng thời giữ hai chân INB và IND ở mức 0 bằng cách kết
nối với vi điều khiển như sau:

INA

–

PB0

INC

–

PB2

INB

–

PB1

IND

–

PB3

Việc chọn nối như vậy thì mức logic của INA và INC sẽ thay đổi để phù
hợp với từng kiểu đi của robot. Hai chân còn lại là INB và IND chỉ cần
giữ ở mức 0 vì vậy chỉ cần nối với hai chân có chức năng GPIO bình
thường của vi điều khiển, trong trường hợp này em sử dụng hai chân
PB0 và PB1.
2.7.2. Ghép nối cảm biến siêu âm SRF05 và Kit ATmega32L 8PU
Vcc – 5V
Echo – PA1
Trig – PA0

Out, GND – GND

Để vi điều khiển có thể giao tiếp với cảm biến siêu âm SRF05 và tính toán được
khoảng cách tới vật cản ta nối chân Trig của cảm biến với chân PA0 của vi điều khiển
được cấu hình chức năng GPIO mode output làm nhiệm vụ kích trân Trig lên mức 1 trong

tối thiểu 10µs. Tương tự chân Echo được nối với chân PA1 cũng được cấu hình chức
năng GPIO nhưng hoạt động với chức năng input nhằm đọc trạng thái chân Echo. Đồng
thời cấu hình bộ time 2 trong vi điều khiển để đo khoảng thời gian chân Echo ở mức 1.
Quá trình đo khoảng cách diễn ra như sau: Khi bắt đầu đo khoảng cách chân PA0 xuất tín
hiệu mức 1 trong khoảng thời gian 20µs sau đó chân vi điều khiển đọc tính hiệu ở chân
PA1 nối với chân Echo, nếu phát hiện tín hiệu lên mức 1 vi điều khiển sét bộ đến của
timer 2 về 0 và tiếp tục theo dõi trạng thái chân PA1 khi thấy trạng thái chuyển từ mức 1
23


về mức 0 thì đọc giá trị của bộ timer 2. Giá trịn bộ time 2 lúc này chính là khoảng thời
gian chân Echo ở mức 1 từ đó ta tính khoảng cách tới vật cản theo công thức:
D

= (m)

Trong đó:
 D: Khoảng cách đến vật cản (m)
 t: Thời gian chân Echo ở mức 1 (s)

24


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN MỀM HỆ THỐNG
3.1. Thuật toán lập trình phần cứng
Mạch phần cứng sử dụng ATmega32L 8PU để điều khiển các khối chức năng trong
mạch. Đây là một vi điều khiển giá thành rẻ, hiệu năng ổn định, phù hợp với các nghiên
cứu nhỏ và vừa. Công cụ được sử dụng để code và debug hệ thống ở đây là Atmel Studio
7.0, đây là công cụ đa năng giúp xây dựng và biên dịch chương trình cho dòng vi điều
khiển AVR phổ biến cũng như cho phép debug, kiểm soát chương trình và theo dõi dữ

liệu thực tế trong quá trình thực hiện code.
Chương trình điều khiển Robot được viết trên ngôn ngữ C truyền thống, các ngoại vi và
dữ liệu được thiết lập ở tầng thấp nhất trong quá trình code mà không thông qua bất kỳ
tầng framework nào nhằm đảm bảo khai thác hiệu quả nhất hiệu năng của vi điều khiển,
kiểm soát bộ nhớ và độ ổn định trong quá trình hoạt động.
Trên Hình 3.1 trình bày lưu đồ thuật toán tổng quan của hệ thống. Do quá trình điều
khiển hoạt động của Robot là một vòng lặp nhiều quá trình và bên trong mỗi quá trình
bao gồm nhiều hàm xử lý phức tạp nên thuật toán điều khiển được chia nhỏ thành nhiều
chức năng nhỏ nhằm đem đến một cái nhìn trực quan hơn về nguyên tắc điều khiển của
hệ thống.
Đầu tiên khi khởi động hệ thống vi điều khiển sẽ khởi tạo các biến toàn cục, khai báo các
hàm chức năng và thiết lập ngoại vi cho hệ thống. Sau đó nó thực hiện quá trình đọc dữ
liệu từ khối cảm biến, đi vào xử lý tính toán khoảng cách đến vật cản nếu có và điều
khiển từng động cơ với các trạng thái tương ứng.

25