Hệ thống giám sát năng lượng từ xa qua internet

LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Mỏ-Địa Chất nói chung, quý
thầy cô của ngành Điện-Điện Tử nói riêng đã tận tình dạy bảo, truyền đạt kiến thức cho
nhóm em trong suốt quá trình nghiên cứu!
Kính gửi đến thầy Nguyễn Trường Giang lời cảm ơn chân thành và sâu sắc, cảm ơn
thầy đã tận tình theo sát và chỉ dẫn cho nhóm em trong quá trình thực hiện đề tài này.

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan với Ban giám hiệu nhà trường đây là công trình nghiên cứu của
riêng nhóm, do nỗ lực học hỏi và cố gắng của bản thân mỗi thành viên để hoàn thành được
đề tài này. Các số liệu và kết quả trong đề tài là trung thực và không trùng lặp với bất kỳ
công trình nào khác đã được công bố.
Trong quá trình thực hiện đề tài sẽ không tránh khỏi những thiếu sót có thể xảy ra, vì
vậy kính mong nhận được ý kiến đóng góp của quí thầy cô để đề tài được hoàn thiện hơn,
và tạo lập cho nhóm có một cơ sở nhìn nhận về khả năng, kiến thức, từ đó có hướng phấn
đấu tốt hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

1


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG TỪ XA QUA
INTERNET
1.1. Lịch sử phát triển
1.2. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng
1.2.1. Đôi nét về lịch sử hình thành và phát triển của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
1.2.2. Phân loại
1.2.3. Ưu điểm cơ bản của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
1.2.4. Các ưu điểm khác

1.2.5. Nhược điểm
1.2.6. Khả năng hiện tại của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
1.2.7. Quy trình sản xuất
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1. Thiết kế phần cứng
2.1.1. Khối chấp hành
2.1.2. Khối điều khiển
2.1.3. Khối nguồn
2.2. Thiết kế phần mềm
CHƯƠNG III. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
KẾT LUẬN
TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU
2


Internet Of Things (IoT) – Internet kết nối mọi hệ thống dường như đang đứng
trước một bước ngoặt để đi đến giai đoạn tiếp theo cho một thế giới hiện đại, văn minh. Đó là
viễn cảnh mà mọi vật đều có thể kết nối với nhau thông qua Internet không dây. Các doanh
nghiệp đang có xu hướng ứng dụng sản phẩm công nghệ IoT vào sản xuất ngày càng nhiều bởi
thị trường sáng tạo tiềm năng và chi phí sản xuất ngày càng thấp.
Chứng kiến sự phát triển như vũ bão của các sản phẩm ứng dụng công nghệ IoT và thị
trường công nghệ Start up tiềm năng đang ngày càng sôi động hơn bao giờ hết. Và đó cũng là
lý do mà một ngôi nhà thông minh ra đời.
Với những ưu điểm như giá thành rẻ, mức độ phổ biến cao, rất tiện lợi cho người sử dụng
phù hợp với nhiều mục địch sử dụng. Hiểu được điều đó vì vậy đề tài “ Hệ thống giám sat
năng lượng từ xa qua internet” là rất thích hợp để đưa vào chương trình học tập nghiên cứu
ở các trường đại học, là thiết bị để những người đam mê điện tử và lập trình thỏa sức sáng
tạo.

• MỤC TIÊU ĐỂ TÀI

1. Nghiên cứu về vi điều khiển Pic16f
2. Tìm hiểu về module ESP8266
3. Tìm hiểu về
4. Xây dựng mô hình và viết chương trình điều khiển
• ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng
1.
2.
3.
4.
5.

Pic 16f877a, 16f883
Module wifi ESP8266
Module điều khiển động cơ L298N
Module Bluetooth HC06
Động cơ giảm tốc V1

b. Phạm vi nghiên cứu

1. Code chạy chương trình
2. Ứng dụng vào thực tiễn

3


CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG
1.1. Lịch sử phát triển

Theo ước tính chưa đầy đủ trong báo cáo World Robotics 2003 của tổ chức UNECE
thuộc Liên đoàn Robot quốc tế (IRF – International Robot Federation) thì hiện nay trên toàn
thế giới có khoảng 770.000 robot đang được sử dụng trong các lĩnh vực sản xuất công
nghiệp. Trong số đó, 350.000 (chiếm 45,5%) ở Nhật Bản, 233.000 (chiếm 30,3%) ở EU và
khoảng 104.000 (chiếm 13,5%) ở Bắc Mỹ. Ở Châu Âu, CHLB Đức dẫn đầu với 105.000
robot, tiếp theo là Italia với 47.000, Pháp 24.000, Tây Ban Nha 18.000 và Anh 14.000.
Trong khoảng thời gian suy thoái kinh tế gần đây nhất (từ năm 1997 đến năm 2002) thị
trường Robot giảm trung bình 12% – 16% /năm. Tuy nhiên nhìn chung mức độ suy giảm
trong đầu tư so với các sản phẩm công nghệ cao khác (như robot hay còn gọi là mô hình xe
hai bánh tự cân bằng) vẫn còn khả quan hơn đáng kể, vì đây là sản phẩm được thế giới mới
đưa vào chế tạo, phát triển khoảng hơn chục năm đổ lại đây và vẫn còn khá mới mẻ với
chúng ta. Theo điều tra hàng quý của UNECE/ IFR về doanh số đặt hàng robot công nghiệp
của hầu hết các hãng lớn nhất thế giới thì doanh số toàn cầu của năm 2003 tăng 26% so với
cùng kỳ năm 2002. Xu thế trong giai đoạn 2003 – 2006 mức tăng trưởng về doanh số trên
sản phẩm robot nói chung (trong đó robot công nghiệp chiếm hơn 65%) được dự báo như
sau: Bắc Mỹ tăng 35%, Châu Âu tăng 25%, Châu Á tăng 18%, các khu vực khác tăng 19%.
Những lĩnh vực công nghiệp sử dụng robot nhiều nhất là công nghiệp Ô tô, công nghiệp
Điện và Điện tử, công nghiệp Chế tạo máy và công nghiệp chế biến thực phẩm. Những
công việc thường được áp dụng robot là hàn, lắp ráp, vận chuyển sản phẩm và cấp phôi
trong các dây chuyền tự động. Tính linh hoạt trong vận hành khai thác, khả năng hoạt động
tinh vi, nhanh và chuẩn xác, khả năng thay thế con người trong môi trường làm việc độc hại
và không an toàn của robot công nghiệp là những yếu tố quyết định của việc áp dụng robot
trong các lĩnh vực công nghiệp nói trên.Với nhu cầu rất lớn trong các lĩnh vực áp dụng
chính như trên, sự cạnh tranh giữa các nhà sản xuất robot trên thế giới đã giúp cho sản phẩm
4

này ngày một hoàn thiện và giá thành ngày càng hạ hơn. Robot được coi như một sản phẩm
điển hình của Cơ điện tử, là kết quả tích hợp của các lĩnh vực kỹ thuật như Cơ học và Cơ
khí chính xác, Điện – Điện tử, Cảm biến, Điều khiển và Máy tính.

1.2. Mô hình xe hai bánh tự cân bằng
1.2.1. Đôi nét về lịch sử hình thành và phát triển của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
Xe hai bánh tự cân bằng đặt chân vào thị trường Việt Nam vào khoảng năm 2007 nhưng
có vẻ chỉ những năm gần đây thì nó mới thực sự trở nên phổ biến. Những thế hệ đầu tiên
của loại xe điện 2 bánh tự cân bằng này được sản xuất bởi công ty Segway Inc có trụ sở tại
Hoa Kỳ. Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhân Segway),
thường được gọi tắt là Segway là một phương tiện giao thông cá nhân có hai bánh, hoạt
động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát minh. Loại xe này được sản xuất bởi
công ty Segway Inc. ở bang New Hampshire, Hoa Kỳ. Từ "Segway" phát âm gần giống với
"segue" (một từ gốc tiếng Ý có nghĩa "di chuyển nhẹ nhàng").
Đặc điểm nổi bật của Segway là cơ chế tự cân bằng nhờ hệ thống máy tính, động cơ và
con quay hồi chuyển đặt bên trong xe, nó giúp cho xe dù chỉ có một trục chuyển động với
hai bánh nhưng luôn ở trạng thái cân bằng, người sử dụng chỉ việc ngả về đằng trước hoặc
đằng sau để điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi. Với các điều khiển sang phải hoặc sang trái,
Segway có một cần lái gọi là "Lean Steer" - muốn điều khiển sang phải hoặc sang trái chỉ
cần nghiêng cần lái về phía đó. Động cơ của Segway PT có thể đạt tốc độ 5,6 m/s (hay
20 km/h). Do có giá thành khá cao và mới chỉ thích hợp ở các địa điểm bằng phẳng nên
Segway PT hiện chủ yếu được sử dụng ở các sở cảnh sát, căn cứ quân sự, cơ sở sản xuất
hoặc khu công nghiệp.
Thông tin về một loại xe mang tính cách mạng trong giao thông cá nhân bắt đầu từ đầu
năm 2001, ban đầu loại xe này được gọi bằng cái tên Ginger hoặc IT và nó được phát triển
từ dự án xe lăn tự leo cầu thang iBOT của Dean Kamen. Bình luận về giá trị của dự án
này, Steve Jobs đã cho rằng nó "có ý nghĩa lớn như sự ra đời của PC" nhưng ông cũng chê
bai thiết kế của Ginger khi cho rằng chiếc xe trông không thanh lịch và không thân thiện với
người dùng. Công nghệ cân bằng cho hai bánh của Ginger được báo chí dự đoán là sẽ dựa
trên động cơ Stirling hoặc cơ chế Phản hấp dẫn.

Chiếc xe ra mắt lần đầu trước công chúng Mỹ vào ngày 3 tháng 12 năm 2001 trên
chương trình Good Morning America của đài ABC. Đến tháng 9 năm 2003 nó được đổi tên
thành Segway PT sau khi một phần mềm mới được sử dụng cho hệ thống máy tính của xe
để khắc phục lỗi thiếu cơ chế báo cạn năng lượng dễ gây nguy hiểm cho người dùng. Phần
mềm mới cho phép Segway tự động chạy chậm và dừng khi năng lượng của pin nhiên liệu
bắt đầu cạn.

5


Trong năm 2003 công ty Segway Inc. đã bán được 6.000 sản phẩm. Tính cho đến tháng
9 năm 2006 đã có khoảng 23.500 Segway được bán ra. Tháng 5 năm 2006 Segway Inc.
thông báo rằng chính quyền thành phố Chicago đã ký với họ một hợp đồng 20 năm có giá
trị 580.000 USD nhằm mua 30 Segway PT phục vụ cho các cơ sở công ích của thành phố
như cảnh sát, cứu hỏa, đây là hợp đồng lớn nhất mà Segway Inc. ký được với các chính
quyền thành phố.
Tháng 8 năm 2006, Segway cho ngừng sản xuất các mẫu cũ để cho ra đời Segway thế
hệ hai gồm 2 dòng sản phẩm i2 và x2, cho phép người dùng sử dụng một cần lái để điều
khiển sang phải hoặc sang trái bằng cách nghiêng cần lái về phía đó, tương tự với cách thức
điều khiển xe đi tiến hoặc đi lùi. Một tháng sau đó, khách hàng của toàn bộ 23.500 xe
Segway được hãng Segway Inc. đề nghị thu hồi để lắp thêm một phần mềm mới nhằm khắc
phục lỗi của hệ thống bánh xe có thể hất người dùng khỏi Segway khi sử dụng ở vận tốc tối
đa.
Các thế hệ Segway thứ nhất (ra đời năm 2003) bao gồm:
•

Segway HT i167 và Segway HT e167: Đây là hai dòng sản phẩm đầu tiên của
Segway. Khác biệt giữa hai dòng là e167 có khả năng tự cân bằng ngay cả khi không có
người lái nhờ áp dụng hệ thống Electronic Kickstand. HT là từ viết tắt của Human
Transporter.

•

Segway HT p13: Dòng sản phẩm có công nghệ tương tự dòng i và e nhưng nhỏ hơn
và có động cơ yếu hơn.

•

Segway XT: Tương tự các dòng trên nhưng được thiết kế chuyên cho mục đích giải
trí

Các thế hệ Segway thứ hai (ra đời năm 2006) bao gồm:
•
•

Segway PT i2: Lần đầu sử dụng các bánh lái LeanSteer và công nghệ InfoKey.
Segway PT x2: Chuyên dụng cho các mục đích giải trí như đánh golf (thay thế dòng
XT cũ).

Các dòng i2 và x2 có trọng lượng tương ứng là 48 và 54 kg.
Trong những năm gần đây xu hướng toàn cầu định hướng cho tương lai, kỉ nguyên của
IOT (vạn vật kết nối) đã thúc đẩy cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 như một tất yếu đòi hỏi
các nhà nghiên cứu, nhà sản xuất từng bước cải tiến, ngày càng một hiên đại hơn đáp ứng
xu thế kết nối mở, đa tầng. Đó chính là tình hình thế giới nói chung còn đối với Việt Nam
nói riêng cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 hay cách mạng công nghiệp lần thứ 4 như một
xu thế mà Việt Nam cần phải nắm bắt thời cơ cùng với thế giới.
Thực tế đã chứng minh rằng, sự tiến bộ trong máy tính, nguồn nhân lực đầy tiềm năng
và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc xe này ở hiện tại và tương lai sẽ ngày
càng một hiện đại, ngày càng đáp ứng được nhu cầu sử dụng của con người trong đời sống
6

và phục vụ trong công nghiệp sản xuất. Những chiếc xe hai bánh tự cân bằng này hứa hẹn
sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung.
1.2.2. Tại sao phải thiết kế xe hai bánh tự cân bằng
Với những robot di động, chúng thường được chế tạo với ba bánh: hai bánh lái được lắp
ráp đồng trục và một bánh đuôi nhỏ. Có nhiều loại khác nhau nhưng đây là kiểu thông dụng
nhất. Còn đối với các xe 4 bánh, thường một đầu xe có hai bánh truyền động và đầu xe còn
lại được gắn một hoặc hai bánh lái.
Việc thiết kế ba hay bốn bánh làm cho xe di động được thăng bằng ổn định nhờ trọng
lượng của nó được chia cho hai bánh lái chính và bánh đuôi, hay bất kì những cái gì khác để
đỡ trọng lượng của xe. Nếu trọng lượng được đặt nhiều vào bánh lái xe thì xe sẽ không ổn
định và dễ bị đổ, còm nếu đặt nhiều vào bánh đuôi thì hai bánh sẽ mất khả năng bám.
Mặt khác, mô hình xe hai bánh tự cân bằng rất linh động khi di chuyển trên địa hình
phức tạp mà bản thân nó là một hệ thống không ổn định. Khi xe leo dốc thì lập tức nó sẽ
nghiêng ra trước và giữ cho trọng lượng dồn về hai bánh lái chính. Khi xe xuống dốc thì lập
tức nó nghiêng ra sau và giữ trọng lượng tâm rơi vào các bánh lái. Vì vậy sẽ là rất khó để
nói rằng có hiện tượng trọng tâm của xe rơi ra ngoài vùng đỡ của các bánh xe để có thể gây
ra sự lật úp xe.
Đối với những địa hình lồi lõm và những ứng dụng thực tế, sự thăng bằng của xe hai
bánh có thể mang lại nhiều ý nghĩa thực tiễn trong giới hạn ổn định hơn là đối với xe ba,
bốn bánh truyền thống.
1.2.3. Ưu điểm của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, việc ứng dụng khoa học chế tạo
robot phục vụ nhu cầu sản xuất và nâng cao chất lượng cuộc sống con người đang là vấn đề
được các nhà nghiên cứu quan tâm và cải tiến.
Mô hình xe hai bánh tự cân bằng có những ưu điểm như sau:
- Nhỏ gọn, linh hoạt, thân thiện với môi trường.
- Không ô nhiễm, sử dụng bộ nguồn là Pin, có thể sạc điện.
- Sử dụng không gian hiệu quả, đa năng ( sử dụng ở mọi ngóc ngách).

- Dễ điều khiển, chiếm ít diện tích, hoàn thành có thể trở thành một phương tiện vận
chuyển và tham gia giao thông.
- Cuốn hút người vận hành cũng như mọi người xung quanh vì hình dáng kì lạ, bắt mắt
vì nó là hình ảnh không thường thấy về trước kia về các phương tiện ví dụ như : phương
tiện tham gia giao thông, vận chuyển hàng hóa….
Với khả năng tự cân bằng trên 2 bánh, loại robot này đang được cải tiến và chế tạo thành
phương tiện giao thông trong tương lai. Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình robot
tự cân bằng nhằm hướng tới phát triển các phương pháp điều khiển hiện đại để nâng cao
chất lượng điều khiển cho robot và ứng dụng robot vào sản xuất và đời sống là cần thiết và
có ý nghĩa thực tiễn.
7


1.2.4. Nhược điểm của mô hình xe hai bánh tự cân bằng
Bên cạnh những ưu điểm thì còn có những nhược điểm hạn chế của xe như sau:
- Hai động cơ motor còn yếu chưa thể vực được thân xe lên khi bị đổ.
- Xe hai bánh không đủ nhanh để di chuyển nhanh như xe thông thường khác.
- Thiết kế cơ khí còn nhiều điểm hạn chế.
- Không thể đi được trên những địa hình quá phức tạp.
1.2.5. Tính ứng dụng được trong thực tế
Xây dựng được một phương tiện vận chuyển mới trong khu vực chật hẹp có thể di
chuyển trong các chung cư, tòa nhà cao tầng, dùng để di chuyển về mặt con người và vận
chuyển hàng hóa.
Làm phương tiện vận chuyển hàng hóa đến những nơi đã được lập trình sẵn ở trong các
tòa nhà, phòng làm việc, những không gian chật hẹp…
Kết hợp thêm các robot camera, robot dò đường… thì tính ứng dụng vào thực tế được
đáp ứng cao theo nhu cầu công việc.
1.2.6. Khả năng hiên tại của mô hình xe hai bánh tự cần bằng
Nhìn chung mô hình hoạt động khá ổn định, di chuyển nhanh và có độ nhạy góc nghiêng
của xe so với mặt nền chạy là tương đối cao. Tùy theo độ nghiêng của mặt nền mà xe có thể

chạy theo hướng nghiêng đó. Khi có tác động từ bên ngoài vào thân xe để làm cho thân xe
mất độ ổn định thì xe nhanh chóng quay về trạng thái cân bằng để giữ cho thân xe ổn định
Robot hai bánh tự cân bằng là một trong những sản phẩm thực áp dụng nguyên lý mô
hình con lắc ngược. Việc nghiên cứu, phát triển robot hai bánh tự cân bằng có thể tạo tiền để
cho sự phát triển của robot trong tương lai, hướng đến mục tiêu xây dựng những robot có
hình dạng, cách thức di chuyển hay thậm chí là có suy nghĩ giống con người. Mục tiêu của
đề tài là xây dựng một robot có cấu trúc đơn giản phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy,
đưa ra một mô hình thực tế, đơn giản về việc xây dựng một hệ thống cơ điện tử.
Đề tài được thực hiện từ nghiên cứu mô hình con lắc ngược, mô hình đến việc thiết kê
mô hình robot, thực hiện nghiên cứu các hệ thống điều khiển, xây dựng robot hoàn chỉnh,
ráp nối các bộ phận trong cấu trúc mạch của xe , viết các chương trình điều khiển robot thực
hiện chức năng tự cân bằng trên mặt phẳng.
Đề tài sử dụng vi điều khiển Atmega32 đóng vai trò như “bộ não” của robot, điều
khiển hoạt động cân bằng. Khung robot được chế tạo từ giúp cho robot gọn, nhẹ, với hai
động cơ DC được đặt đồng trục, điều này khiến robot chỉ có thể di chuyển được theo hai
hướng (trước và sau). Động cơ DC được điểu khiển bởi hai IC cầu H là L298N. Cảm biến
góc gia tốc MPU6050 GY-521được dùng là đầu vào của hệ thống làm khung robot luôn
duy trì ở vị trí thẳng đứng. Cảm biến đo khoảng cách từ vị trí đặt tới mặt đất, từ đó tính
toán ra được góc nghiêng của trục robot. Hai cục pin lithium được mắc nối tiếp, dùng để
8


làm nguồn nuôi cho mạch điện tử và động cơ DC, được đặt lên phần trên của robot giúp
robot dễ điều chỉnh được trạng thái cân bằng (nguyên lý con lắc ngược). Ngoài ra đề tài
còn sử dụng một bộ thu phát tín hiệu Module bluetooth HC06 để điều khiển robot thực
hiện những di chuyển cơ bản.
1.2.7. Quy trình sản xuất
• Chuẩn bị vật liệu

Nhóm nghiên cứu sử dụng các bo mạch được sản xuất sẵn để đảm bảo sự hoạt động

ổn định và tính thẩm mỹ của sản phẩm.
Các linh kiện được sử dụng trong mô hình xe hai bánh tự cân bằng gồm có :
1 Kit Arduino UNO R3 ATMEGA 16U2
2 Module điều khiển động cơ L298
3 Cảm biến góc gia tốc MPU-6050 GY-521.
4 Module bluetooth HC06.
5 Pin cấp nguồn Ultrafire 4800mAH 3,7v
6 Động cơ giảm tốc V1
7 Bánh xe mô hình Robot V1.
8 Mica 3MM A5 trắng.
9 PCB 4x6 cm.
10 Hộp đế pin Ultrafire loại 2 cell.
11 Dây 40P 20cm Đ - Đ + Đ – C.
12 Cọc đồng M3 Đ – C + vít M3 – 6cm.
13 Một số phụ kiện và dụng cụ để thiết kế khác.
• Các bước thiết kế chi tiết

Bước 1: Thiết kế cơ khí khung xe
Phần thân xe gồm có 3 tầng, được cắt khổ 123x67 mm. Ba tầng của xe được nối với
nhau bằng cọc đồng M3 cao 30mm.
-

Tầng 1 được gắn 2 động cơ V1 phía chiều rộng của tấm Mica. Hộp đế pin cell và module
L298 được gắn về hai mặt của tấm Mica.
Tầng 2 gồm một PCB 4x6 chứa module cảm biến MPU6050 và module Bluetooth
HC-06.
Tầng 3 chứa Kit arduino UNO R3 và công tắc ON/OFF của xe.
- Tại mỗi tầng đều được khoan các lỗ vít để cố định các module và được xẻ rãnh để đi dây.
Bước 2: Đấu nối dây dẫn
Dây dẫn được đấu nối chi tiết theo sơ đồ nguyên lý sau :

- Đấu nối L298 điều khiển động cơ :
9


+ Động cơ V3 được nối với 4 cổng OUTA , OUTB , OUTC , OUTD của L298.
+ Các chân INA, INB, INC, IND, ENA, ENB của L298 lần lượt được nối với các chân
4, 8, 5, 7, 3, 6 của Kit arduino.
- Đấu nối MPU 6050:
+ Chân VCC nối chân 3,3v của Kit.
+ Chân GND nối GND của Kit.
+ Chân SCL, SDA, INT lần lượt nối với A5, A4, 2 của Kit arduino.
- Đấu nối module bluetooth HC-06 :
+ Chân 5V nối chân 5V của kit để cấp nguồn cho module.
+ Chân GND nối chân GND của kit để cấp mass cho module.
+ Chân TX nối với chân RX của Kit.
+ Chân RX nối với chân TX của Kit.

Sơ đồ nguyên lý
10


Bước 3
Nạp CODE điều khiển :
Phần chương trình được lập trình trên phần mềm Arduino 1.8.0.
Bước 4
- Sử dụng phần mềm điều khiển bằng điện thoại
-Ở đây chúng em sử dụng phần mềm BLUETOOTH SPP PRO có giao diện điều khiển như
sau :

11

12


Sản phẩm hoàn thiện

13


CHƯƠNG II THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1. Thiết kế phần cứng
• Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối nguồn: Sử dụng 2 cell pin Ultra Fire Lithium-Ion, mỗi cell pin có điện áp 3,7V
mắc nối tiếp thành bộ nguồn 7,4V cung cấp cho khối điều khiển, khối chấp hành.

14


Khối điều khiển: Xuất tín hiệu đến khối chấp hành theo chương trình đã được thiết lập
sẵn. Bao gồm: Kit Arduino UNO, Module L28N, Module MPU-6050 GY-521, Module
Bluetooth HC06.
Khối chấp hành: Nhận tín hiệu từ khối điều khiển, thực hiện các lệnh điều khiển do khối
điều khiển đưa ra tạo sự chuyển động của động cơ. Bao gồm: motor trái,phải.
2.1.1. Khối chấp hành
* Giới thiệu về động cơ giảm tốc
Hình ảnh thực:

Hình 2.1 Động cơ giảm tốc và bánh xe
Động cơ DC giảm tốc V1 là loại được lựa chọn và sử dụng nhiều nhất hiện nay cho các
thiết kế Robot đơn giản. Động cơ DC giảm tốc V1 có chất lượng và giá thành vừa phải cùng
với khả năng dễ lắp ráp của nó đem đến chi phí tiết kiệm và sự tiện dụng cho người sử
dụng.

* Thông số kỹ thuật:

15


- Điện áp hoạt động : 3-12VDC
- Dòng điện tiêu thụ: 110 mA – 200 mA
- Tỉ số truyền: 1:48
- 125 vòng/ 1 phút tại 3VDC
- 208 vòng/ 1 phút tại 5VDC
2.1.2. Khối điều khiển
2.1.2.1. Mạch điều khiển động cơ sử dụng modul L298N

* Giới thiệu về modul L298N
Hình ảnh thực:

16


Hình 2.2: Module điều khiển động cơ L298N

17

Hình 2.3: Module điều khiển động cơ L298N

* Thông số kĩ thuật
- 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
- Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
- Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chơi đến 40mA nên khỏe re nhé
các bạn)
- Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)
- Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃
*Cấu tạo
18


Các chân tín hiệu
1.DC motor 1 “+” hoặc stepper motor A+
2.DC motor 1 “-” hoặc stepper motor A3.12V jumper- tháo jumper ra nếu sử dụng nguồn trên 12V. Jumper này dùng để cấp nguồn
cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5V nếu nguồn trên 12V sẽ làm cháy IC nguồn.
4.Cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor từ 6V đến 35V
5.Cắm dây GND của nguồn
6.Ngõ ra nguồn 5V, nếu jumper đầu vào không rút ra.
7.Chân Enable của Motor 1, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor nếu dùng VĐK
thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào.Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước.
8.IN1
9.IN2
10.IN3
11.IN4
12.Chân Enable của Motor 2, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor nếu dùng VĐK
thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào.Giữ nguyên khi dùng với động cơ bước.

13.DC motor 2 “+” hoặc stepper motor B+
14. DC motor 2 “-” hoặc stepper motor B
Modul L298N là một modul điều khiên động cơ, động cơ ở đây là động cơ giảm tốc. Để
linh hoạt trong việc giữ ổn định cho xe được cân bằng thì động cơ phải đảo chiều quay liên
tục nhờ mạch cầu H được tích hợp trong modul điều khiển động cơ L298N

Mặt khác, để kiểm soát hướng quay, chúng ta chỉ cần đảo chiều hướng dòng điện một
chiều qua động cơ, và phương pháp phổ biến nhất là sử dụng một cầu H. Một mạch HBridge chứa bốn thành phần chuyển mạch, bóng bán dẫn hoặc MOSFET, với động cơ ở
trung tâm tạo thành một cấu hình giống H. Bằng cách kích hoạt hai thiết bị chuyển mạch cụ
thể cùng một lúc, chúng ta có thể thay đổi hướng dòng điện hiện tại, do đó thay đổi hướng
quay của động cơ.

19


Vì vậy, nếu chúng ta kết hợp hai phương pháp này, PWM và H-Bridge, chúng ta có thể có
một sự kiểm soát hoàn toàn trên động cơ DC. Có rất nhiều trình điều khiển động cơ DC có
các tính năng này và modul L298N là một trong số đó.
*Giới thiệu về mạch cầu H
Xét một cách tổng quát, mạch cầu H là một mạch gồm 4 "công tắc" được mắc theo hình
chữ H.

20


Hình 2.4: Mạch cầu H gồm 4 công tắc
Bằng cách điều khiển 4 "công tắc" này đóng mở, ta có thể điều khiển được dòng điện qua
động cơ cũng như các thiết bị điện tương tự.

Hình 2.5: Điều chỉnh dòng điện chạy trong mạch cầu H

4 "công tắc" này thường là Transistor BJT, MOSFET hay relay. Tùy vào yêu cầu điều khiển
khác nhau mà người ta lựa chọn các loại "công tắc" khác nhau.

21


•

Mạch cầu H dùng transistor BJT

Mạch cầu H dùng transistor BJT là loại mạch được sử dụng khá thông dụng cho việc
điều khiển các loại động cơ công suất thấp. Lí do đơn giản là vì transistor BJT thường có
công suất thấp hơn các loại MOSFET (relay thì không phải bàn rồi), đồng đời cũng rẻ và dễ
tìm mua, sử dụng đơn giản.
Đây là sơ đồ tổng quát của một mạch cầu H sử dụng transistor BJT.

Hình 2.6: Sơ đồ tổng quát mạch cầu H sử dụng BJT
Trong sơ đồ này, A và B là 2 cực điều khiển. 4 diode có nhiệm vụ triệt tiêu dòng điện
cảm ứng sinh ra trong quá trình động cơ làm việc. Nếu không có diode bảo vệ, dòng điện
cảm ứng trong mạch có thể làm hỏng các transistor.
Transistor BJT được sử dụng nên là loại có công suất lớn và hệ số khếch đại lớn.
•

Nguyên lí hoạt động của mạch cầu H.

Theo như sơ đồ trên, ta có A và B là 2 cực điều khiển được mắc nối tiếp với 2 điện trở
hạn dòng, Tùy vào loại transistor bạn đang dùng mà trị số điện trở này khác nhau. Phải đảm
bảo rằng dòng điện qua cực Base của các transistor không quá lớn để làm hỏng chúng.
Trung bình thì dùng điện trở 1k Ohm.
22

Ta điều khiển 2 cực này bằng các mức tín hiệu HIGH, LOW tương ứng là 12V và 0V.
Nhớ lại rằng:
•

Transistor BJT loại NPN mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng điện áp ở
cực Collector, trong mạch đang xét hiện tại là 12V.

•

Transistor BJT loại PNP mở hoàn toàn khi điện áp ở cực Base bằng 0V.

Với 2 cực điều khiển và 2 mức tín hiệu HIGH/LOW tương ứng 12V/0V cho mỗi cực, có
4 trường hợp xảy ra như sau:
• A ở mức LOW và B ở mức HIGH

Ở phía A, transistor Q1 mở, Q3 đóng. Ở phía B, transistor Q2 đóng, Q 4 mở. Dó đó, dòng
điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q1, qua động cơ đến Q4 để về GND. Lúc
này, động cơ quay theo chiều thuận.

Hình 2.7: Dòng điện chạy trọng mạch cầu khi A ở mức LOW và B ở mức HIGH
23


• A ở mức HIGH và B ở mức LOW

Ở phía A, transistor Q1 đóng, Q3 mở. Ở phía B, transistor Q2 mở, Q 4 đóng. Dó đó, dòng
điện trong mạch có thể chạy từ nguồn 12V đến Q2, qua động cơ đến Q3 để về GND. Lúc
này, động cơ quay theo chiều ngược.

Hình 2.8: Dòng điện chạy trọng mạch cầu khi B ở mức LOW và A ở mức HIGH
 A và B cùng ở mức LOW

Khi đó, transistor Q1 và Q2 mở nhưng Q3 và Q4 đóng. Dòng điện không có đường về được
GND do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.
 A và B cùng ở mức HIGH

24


Khi đó, transistor Q1 và Q2 đóng nhưng Q3 và Q4 mở. Dòng điện không thể chạy từ nguồn
12V ra do đó không có dòng điện qua động cơ - động cơ không hoạt động.
Như vậy, để dừng động cơ, điện áp ở 2 cực điều khiển phải bằng nhau.
*Cách sử dụng
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện áp làm
tăng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa…..
Tóm tắt chức năng các chân của 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.
- 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 đặt ra ở trên, ta 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.
Trong báo cáo này sử dụng module L298 V3 để điều khiển chiều quay của động cơ DC.
Sơ đồ nguyên lý:

25