Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công Robot đánh trống trong trường học

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT
ĐÁNH TRỐNG TRƯỜNG HỌC
GVHD:

ThS Phan Vân Hoàn

SVTH:

Trần Trung Nam
MSSV: 15141216
Nguyễn Gia Hậu
MSSV: 15141155

Tp. Hồ Chí Minh - 7/2019


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

VIỆT NAM

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 3 tháng 7 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:

Trần Trung Nam

MSSV: 15141216

Nguyễn Gia Hậu

MSSV: 15141155

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông Mã ngành:

52510302

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2015

Lớp:

15141DT1B

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT ĐÁNH TRỐNG TRONG
TRƯỜNG HỌC.
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
- Nguyễn Đình Phú, Giáo trình Thực Hành Vi Điều Khiển – ARM STM32, Trường Đại
học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh, 2014.
- Phan Vân Hoàn, Giáo trình Vi Điều Khiển Nâng Cao, Trường Đại học Sư Phạm Kỹ
Thuật TP. Hồ Chí Minh.
2. Nội dung thực hiện:
- Hoạt động của các vi điều khiển, màn hình cảm ứng.
- Cách thức tạo ra một ứng dụng di động chạy trên nền tảng hệ điều hành Android.
- Tìm hiểu về thời gian thực.
- Các ngôn ngữ lập trình, thiết kế.
- Tìm hiểu về hoạt động của động cơ cũng như các vật liệu về cơ khí.

ii


- Xây dựng mô hình Robot đánh trống.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/2/2019

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/6/2019
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Phan Vân Hoàn
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

VIỆT NAM

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP –

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 3 tháng 7 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Trần Trung Nam
Lớp: 15141DT1B

MSSV: 15141216

Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Gia Hậu
Lớp: 15141DT1B

MSSV: 15141155

Tên đề tài: ROBOT ĐÁNH TRỐNG TRONG TRƯỜNG HỌC.
Tuần/ngày
Tuần 1
Từ 18/2/2019

Nội dung

Xác nhận
GVHD

- Gặp GVHD nhận đề tài.
- Viết đề cương chi tiết.

đến 24/2/2019

Tuần 2
Từ 25/2/2019

-Tìm hiểu các đề tài đã nghiên cứu liên quan về
robot đánh trống trường học.

đến 3/3/2019
Tuần 3

-Gặp GVHD để báo cáo hướng thực hiện đề tài.

Từ 4/3/2019
đến 10/3/2019
Tuần 4
Từ 11/3/2019

- Tìm hiểu về cơ cấu đánh trống và thiết kế
khung Robot.

đến 17/3/2019

iv


Tuần 5

-Báo cáo tiến độ với GVHD.

Từ 18/3/2019

-Vẽ mô phỏng cơ cấu, mua thiết bị để gia công

đến 24/3/2019

cơ khí.
-Tìm hiểu giao tiếp giữa STM32F407 với màn
hình cảm ứng, ESP8266.

Tuần 6

-Báo cáo tiến độ với GVHD.

Từ 25/3/2019

-Lập trình giao tiếp giữa STM32F07 với động

đến 31/3/2019

cơ bước và màn hình cảm ứng.

Tuần 7

-Báo cáo tiến độ với GVHD.

Từ 1/4/2019

-Thiết kế giao diện cho màn hình cảm ứng và thi

đến 7/4/2019

công khung Robot.

Tuần 8
Từ 8/4/2019
đến 14/4/2019
Tuần 9

- Báo cáo tiến độ với GVHD.
- Tìm hiểu điều khiển màn hình bằng cảm ứng.
-Giao tiếp Module ESP8266.
-Tiếp tục điều khiển màn hình bằng cảm ứng.

Từ 15/4/2019

- Giao tiếp giữa ESP8266 với Firbase.trình giao

đến 21/4/2019

diện bán hàng hoàn chỉnh.

Tuần 10

- Viết App trên điện thoại.

Từ 22/4/2019

- Điều khiển động cơ đánh trống theo nhịp..

đến 28/4/2019
Tuần 11

-Giao tiếp giữa STM32F407 với ESP8266 và

Từ 29/4/2019

App trên điện thoại.

đến 5/5/2019

- Thi công đế gác trống.

Tuần 12
Từ 6/5/2019
đến 12/5/2019

- Báo cáo tiến độ với GVHD.
-Chỉnh sửa phần điều khiển cảm ứng và giao
diện điều khiển.
- Chỉnh sửa giao diện App.

Tuần 13

-Chỉnh sửa điều khiển đánh trống.

Từ 13/5/2019

-Viết báo cáo

đến 19/5/2019

- Hoàn thành khung robot và lắp ráp mô hình.
v


Tuần 14
Từ 20/5/2019

-Chạy thử nghiệm và khắc phục lỗi.
- Viết báo cáo.

đến 26/5/2019
Tuần 15
Từ 27/5/2019

-Báo cáo tiến độ với GVHD.
- Kiểm tra hoạt động của toàn hệ thống.

đến 2/6/2019
Tuần 16
Từ 3/6/2019

-Khắc phục lỗi hệ thống.
-Quay video clip hướng dẫn.

đến 9/6/2019
Tuần 17
Từ 10/6/2019

-Hoàn thiện báo cáo, chuẩn bị gặp GVPB và bảo
vệ.

đến 16/6/2019
GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

vi


LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do nhóm tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép
từ tài liệu hay công trình đã có trước đó.
Người thực hiện đề tài
Trần Trung Nam
Nguyễn Gia Hậu

vii


LỜI CẢM ƠN
Để có thể hoàn thành đề tài này, nhóm sinh viên thực hiện xin chân thành cảm ơn
quý thầy cô Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hướng dẫn, truyền đạt
kiến thức cho nhóm trong suốt quá trình học tập. Đặc biệt, nhóm xin chân thành cảm ơn
Thầy Phan Vân Hoàn đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm trong
suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp. Nhóm xin được phép gửi đến thầy lòng biết
ơn, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Bên cạnh đó, nhóm cũng xin cảm ơn các anh, chị khóa trước cũng như các bạn
sinh viên trong lớp 15141DT1B đã nhiệt tình đóng góp ý kiến và chia sẻ kinh nghiệm,
cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện, động viên, chia sẻ và tiếp thêm động lực để giúp nhóm
có thể hoàn thành đề tài này.
Cuối cùng, dù đã cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đề tài đặt ra đảm bảo thời hạn

nhưng do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi
những thiếu sót. Nhóm rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn
để đồ án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!

Người thực hiện đề tài
Trần Trung Nam
Nguyễn Gia Hậu

viii


MỤC LỤC
TRANG BÌA .....................................................................................................................i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................ii
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .....................................................iv
LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................vii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. viii
MỤC LỤC .......................................................................................................................ix
LIỆT KÊ HÌNH VẼ .......................................................................................................xii
LIỆT KÊ BẢNG ...........................................................................................................xvi
TÓM TẮT ................................................................................................................... xvii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN.......................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ: ......................................................................................................... 1
1.2. MỤC TIÊU................................................................................................................ 1
1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 1
1.4. GIỚI HẠN ................................................................................................................. 2
1.5. BỐ CỤC .................................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 3
2.1. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN STM32F4VG: ........................................................ 3

2.1.1. Giới thiệu: .............................................................................................................. 3
2.1.2. Thông số kỹ thuật: .................................................................................................. 3
2.2. ESP8266 VÀ MODULE NODEMCU v1.0 .............................................................. 4
2.2.1. Giới thiệu ESP8266 ................................................................................................ 4
2.2.2. Thông số kỹ thuật ................................................................................................... 5
2.2.3. Chức năng của module ESP8266 ........................................................................... 5
2.2.4. NodeMCU v1.0 ...................................................................................................... 6
2.3. MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TB6600 ........................................................ 7
2.3.1 Giới thiệu: ............................................................................................................... 7
2.3.2 Thông số kỹ thuật: ................................................................................................... 8
2.3.3 Cài đặt và ghép nối:................................................................................................. 8
ix


2.4. ĐỘNG CƠ BƯỚC .................................................................................................... 9
2.4.1 Giới thiệu................................................................................................................. 9
2.4.2. Các loại động cơ bước.......................................................................................... 10
2.4.3. Cách điều khiển động cơ bước ............................................................................. 12
2.5 MÀN HÌNH CẢM ỨNG ......................................................................................... 13
2.5.1. Giới thiệu.............................................................................................................. 13
2.5.2. Thông số kỹ thuật: ................................................................................................ 13
2.6. CHUẨN GIAO TIẾP UART .................................................................................. 13
2.6.1. Giới thiệu.............................................................................................................. 13
2.6.2. Các thông số cơ bản của chuẩn truyền ................................................................. 15
2.7. GOOGLE FIREBASE ............................................................................................ 15
2.7.1. Giới thiệu.............................................................................................................. 15
2.7.2. Các chức năng chính của Google Firebase .......................................................... 16
2.7.3. Những lợi ích từ Google ...................................................................................... 16
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ .............................................................. 18
3.1. GIỚI THIỆU: .......................................................................................................... 18

3.2. YÊU CẦU VÀ SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG: .......................................................... 18
3.2.1. Yêu cầu của hệ thống: .......................................................................................... 18
3.2.2. Sơ đồ khối và chức năng mỗi khối:...................................................................... 18
3.2.3. Hoạt động của hệ thống: ...................................................................................... 19
3.3. THIẾT KẾ: .............................................................................................................. 19
3.3.1. Khối điều khiển trung tâm chính: ........................................................................ 19
3.3.2. Khối giao tiếp WiFi:............................................................................................. 21
3.3.3. Khối công suất: .................................................................................................... 23
3.3.4. Khối động cơ: ....................................................................................................... 24
3.3.5. Khối điều khiển và hiển thị: ................................................................................. 26
3.3.6. Khối nguồn: .......................................................................................................... 28
3.3.7. Khối Firebase - app Android:............................................................................... 31
3.4. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH: .................................................................. 32
3.4.1. Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: ................................................................................. 32
3.4.2. Giải thích sơ đồ: ................................................................................................... 32
3.5. THIẾT KẾ KHUNG ROBOT: ................................................................................ 32
x


3.5.1. Khung máy: .......................................................................................................... 32
3.5.2. Các vật liệu khác: ................................................................................................. 33
CHƯƠNG 4: THI CÔNG ............................................................................................ 36
4.1. GIỚI THIỆU ............................................................................................................ 36
4.2. THI CÔNG BO MẠCH .......................................................................................... 36
4.2.1 Thi công bo mạch: ................................................................................................. 36
4.2.2. Lắp ráp và kiểm tra: ............................................................................................. 38
4.3. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH: ............................................................... 41
4.3.1. Đóng gói bộ điều khiển: ...................................................................................... 41
4.3.2. Thi công mô hình: ................................................................................................ 41
4.4. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ....................................................................................... 45

4.4.1. Lưu đồ giải thuật ................................................................................................. 45
4.4.2 Phần mềm lập trình: ............................................................................................ 50
4.5. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC: .................................. 65
4.5.1. Viết tài liệu hướng dẫn ......................................................................................... 65
4.5.2. Quy tắc thao tác ................................................................................................... 72
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ...................................................................... 73
5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: ........................................................................................ 73
5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM: .................................................................................. 73
5.2.1 Mô hình sản phẩm: ................................................................................................ 73
5.2.2 Khởi động hệ thống: .............................................................................................. 74
5.2.3 Quan sát thời gian: ................................................................................................ 74
5.2.4 Đánh trống:............................................................................................................ 75
5.3 NHẬN XÉT - ĐÁNH GIÁ: .................................................................................... 77
5.3.1 Nhận xét: ............................................................................................................... 77
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................... 80
6.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 80
6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN: ......................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... xviii

xi


LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1 Kit STM32F407VG .......................................................................................... 3
Hình 2.2 Module NodeMCU ESP8266 ............................................................................ 5
Hình 2.3 Sơ đồ chân board NodeMCU v1.0 .................................................................... 7

Hình 2.4 Module TB6600 ................................................................................................ 7
Hình 2.5 Động cơ bước đơn cực .................................................................................... 10
Hình 2.6 Động cơ bước lưỡng cực ................................................................................. 11
Hình 2.7 Hình dây động cơ ............................................................................................ 12
Hình 2.8 Truyền dữ liệu UART ..................................................................................... 14
Hình 2.9 Hệ thống CSDL Realtime của Firebase .......................................................... 15
Hình 2.10 Tạo Project mới trong Firebase .................................................................... 16
Hình 3.1 Sơ đồ khối ....................................................................................................... 18
Hình 3.2 Sơ đồ của STM32F407VG…………………………………………………. 20
Hình 3.3 Module ESP8266 ............................................................................................ 22
Hình 3.4 Giao tiếp ESP8266 với STM32F407VG......................................................... 22
Hình 3.5 Module TB6600 .............................................................................................. 23
Hình 3.6 Kết nối của module TB6600 với STM32F407VGT6 ..................................... 24
Hình 3.7 Động cơ bước 57HS11240A4D8 .................................................................... 25
Hình 3.8 Kết nối động cơ với Module TB6600 ............................................................. 25
Hình 3.9 Màn hình cảm ứng .......................................................................................... 27
Hình 3.10 Giao tiếp màn hình cảm ứng với STM32F407VGT6 ................................... 28
Hình 3.11 Nguồn tổ ông 24V-5A ................................................................................... 29
Hình 3.12 Nguồn Adapter 12V-2A. ............................................................................... 30
Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch ........................................................................... 32
Hình 3.15 Cơ chế đòn bẫy.............................................................................................. 33
Hình 3.16 Khung máy .................................................................................................... 33
Hình 3.17 Thép hộp........................................................................................................ 34
Hình 3.18 Ống thép liền mạch ....................................................................................... 34
Hình 3.19 Vòng bi và gói đỡ .......................................................................................... 35
Hình 3.20 Lò xo kéo....................................................................................................... 35
xii


Hình 3.21 Giá đỡ cho động cơ bước để cố định động cơ với khung máy. .................... 35

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn. .......................................................... 36
Hình 4.2 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch nguồn. ....................................................... 37
Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. .................. 37
Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. .............. 38
Hình 4.5 Mặt trên của mạch nguồn. ............................................................................... 39
Hình 4.6 Mặt dưới của mạch nguồn. .............................................................................. 39
Hình 4.7 Mặt trên của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. ...................................... 40
Hình 4.8 Mặt dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. ..................................... 40
Hình 4.9 Bộ điều khiển được gắn lên tấm Formex ........................................................ 41
Hình 4.10 Mô hình khi vẽ .............................................................................................. 41
Hình 4.11 Gia công khung robot .................................................................................... 42
Hình 4.12 Gia công đế gác trống. .................................................................................. 43
Hình 4.13 Khung Robot sau khi được gắn các thiết bị. ................................................. 43
Hình 4.14 Khung Robot sau khi được gia công hoàn chỉnh. ......................................... 44
Hình 4.15 Hình thi công hoàn chỉnh. ............................................................................. 45
Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán chương trình..................................................................... 46
Hình 4.17 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng màn hình................................................ 47
Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng điện thoại. .............................................. 48
Hình 4.19 Lưu đồ đọc dữ liệu từ Firebase. .................................................................... 49
Hình 4.20 Lưu đồ xử lý dữ liệu. ..................................................................................... 49
Hình 4.21 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ. ......................................................... 49
Hình 4.22 Phần mềm STM32CubeMX.......................................................................... 50
Hình 4.23 Tạo Project. ................................................................................................... 51
Hình 4.24 Chọn ngoại vi. ............................................................................................... 51
Hình 4.25 Điều chỉnh xung nhịp. ................................................................................... 52
Hình 4.26 Cấu hình ngoại vi .......................................................................................... 53
Hình 4.27 Xuất mã nguồn .............................................................................................. 53
Hình 4.28 Phần mềm Keil C Unision 5 ......................................................................... 54
Hình 4.29 Tạo Project Keil C ......................................................................................... 54
Hình 4.30 Đặt tên cho project. ....................................................................................... 55

Hình 4.31 Chọn chip ...................................................................................................... 55
xiii


Hình 4.32 Chọn CMSIS. ................................................................................................ 56
Hình 4.33 Copy thư viện. ............................................................................................... 56
Hình 4.34 Tạo thêm Folder User.................................................................................... 57
Hình 4.35 Cài đặt project ............................................................................................... 57
Hình 4.36 Chuyển sang task C/C++............................................................................... 58
Hình 4.37 Trỏ tất cả đường dẫn tới folder chưa file ...................................................... 58
Hình 4.38 Cài đặt mạch nạp. .......................................................................................... 59
Hình 4.39 Tạo file main.c .............................................................................................. 59
Hình 4.40 Lưu file main.c .............................................................................................. 60
Hình 4.41 Phần mềm Android studio............................................................................. 60
Hình 4.42 Tạo Project Android Studio .......................................................................... 61
Hình 4.43 Chọn Phone and Tablet ................................................................................. 61
Hình 4.44 Chọn Activity ................................................................................................ 62
Hình 4.45 Nhập tên cho Activity ................................................................................... 62
Hình 4.46 Tạo thành công project .................................................................................. 63
Hình 4.47 Đăng ký tài khoản Firebase ........................................................................... 63
Hình 4.48 Tạo project trên Frebase ................................................................................ 64
Hình 4.49 Điền thông tin tạo project.............................................................................. 64
Hình 4.50 Giao diện sau khi tạo project......................................................................... 64
Hình 4.51 Tạo Database cho project .............................................................................. 65
Hình 4.52 Giao diện sau khi tạo firebase ....................................................................... 65
Hình 4.53 Giao diện trang chủ ....................................................................................... 66
Hình 4.54 Giao diện hiển thị các thông tin thời gian ..................................................... 66
Hình 4.55 Giao diện đăng nhập...................................................................................... 67
Hình 4.56 Giao diện điều khiển ..................................................................................... 68
Hình 4.57 Giao diện đăng nhập...................................................................................... 68

Hình 4.58 Đăng ký tài khoản ......................................................................................... 69
Hình 4.59 Giao diện trang chủ của app .......................................................................... 69
Hình 4.60 Giao diện giới thiệu mô hình ........................................................................ 70
Hình 4.61 Giao diện cài đặt thời gian ............................................................................ 71
Hình 4.62 Cách gửi dữ liệu lên Firebase ........................................................................ 71
Hình 4.63 Giao diện thay đổi giá trị thời gian ............................................................... 72
xiv


Hình 4.64 Hình 4.63 Lưu đồ quy trình thao tác với hệ thống…………………………72
Hình 5.1 Mô hình Robot đánh trống trong trường học .................................................. 73
Hình 5. 2 Màn hình khi cấp nguồn. ................................................................................ 74
Hình 5.3 App Android khi mới mở lên. ......................................................................... 74
Hình 5.4 Giao diện chuyển sang quan sát thời gian. ...................................................... 75
Hình 5.5 Giao diện điện thoại hiển thị giờ chỉnh ........................................................... 75
Hình 5.6 Giao diện chuyển sang trang cài đặt thời gian ................................................ 76
Hình 5.7 Giao diện chỉnh và cài đặt thời gian trên App Android. ................................. 76
Hình 5.8 Robot đánh trống khi đúng thời gian .............................................................. 77

xv


LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1 Cách vào chế độ Boot của NodeMCU ................................................... 6
Bảng 2.2 Cài đặt cường độ dòng điện .................................................................... 8
Bảng 2.3 Cài đặt vi bước cho driver ...................................................................... 9

Bảng 3.1 Danh sách các thiết bị để thiết kế mạch nguồn. ................................... 31
Bảng 4.1: Bảng thống kê số linh kiện sử dụng. ................................................... 39
Bảng 5.1 Số liệu giám sát thực tế......................................................................... 79

xvi


TÓM TẮT
Cùng những tiêu chí phát triển của xã hội, chúng ta nhận thấy rằng việc áp dụng
rộng rãi các khoa học - kỹ thuật vào đời sống con người đem lại hiệu quả và lợi ích vô
cùng lớn về mặt thời gian, hiệu suất công việc. Trong nhà trường cũng thế, cần những
công cụ hỗ trợ để nâng cao hiệu quả giảng dạy.
Với tính cấp thiết và tầm quan trọng việc ứng dụng khoa học kỹ thuật và hiện đại
hóa trong môi trường học tập, Robot đánh trống tự động đã được một số nơi áp dụng vào
trường học. Bên cạnh đó mô hình này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi và vẫn có thể cải
tiến thêm và đây là lý do mà nhóm thực hiện lựa chọn đề tài này.
Nội dung chính của đề tài là thiết kế Robot đánh trống tự động, trong đó:
- Sử dụng board STM32F407VG làm vi điều khiển của khối điều khiển trung
tâm.
- Ứng dụng truyền nhận và giám sát dữ liệu trên Firebase, điều khiển thông qua
App điện thoại.
- Hiển thị và điều khiển trên màn hình cảm ứng.
- Điều chỉnh thời gian và nhịp điệu đánh trống thông qua phần mềm.

xvii


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ:
Xã hội con người ngày một phát triển, bên cạnh đó các ngành khoa học - kỹ thuật
cũng không ngừng đi đến những thành công mới. Nhiều công trình khoa học, những phát
minh của các nhà khoa học đã đi vào cuộc sống, phục vụ lợi ích của con người. Ngày
nay các công việc của con người dần được thay thế bằng máy móc tự động hóa, Robot
được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, những nơi có môi trường độc hại,
nguy hiểm và các công việc hằng ngày của con người.
Cùng những tiêu chí phát triển của xã hội chúng ta nhận thấy rằng cần áp dụng rộng
rãi hơn các khoa học - kỹ thuật vào đời sống con người. Trong nhà trường cũng thế,
ngoài việc giảng dạy được áp dụng những trang thiết bị tiên tiến như máy chiếu, tivi giúp
hỗ trợ tối đa cho công tác giảng dạy, trong thi cử thì có thể áp dụng trong việc ra đề thi,
chấm thi trắc nghiệm, điểm danh của giáo viên cũng như học sinh thông qua hệ thống
quét vân tay… Với tính cấp thiết và tầm quan trọng việc ứng dụng khoa học kỹ thuật,
nhóm chúng em quyết định ứng dụng tự động hóa vào trong môi trường giảng dạy, cụ
thể là tự động hóa việc đánh trống bằng một robot đánh trống.
Được sự quan tâm, tạo điều kiện của lãnh đạo nhà trường cùng với sự hướng dẫn
tận tình của giáo viên. Nhóm chúng em đã tìm hiểu, nghiên cứu và chế tạo thành công
“Robot đánh trống trong trường học” và được giao đề tài này làm đề tài tốt nghiệp.

1.2 MỤC TIÊU
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm các vấn đề sau:
 Xây dựng mô hình Robot đánh trống.
 Hoạt động của các vi điều khiển, màn hình cảm ứng.
 Cách thức tạo ra một ứng dụng di động chạy trên nền tảng hệ điều hành
Android.
 Tìm hiểu về thời gian thực.
 Các ngôn ngữ lập trình, thiết kế.
 Tìm hiểu về hoạt động của động cơ cũng như các vật liệu về cơ khí.

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:
 Vi điều khiển STM32_F407VG, ESP8266.
 Màn hình WS-C LCD cảm ứng điện dung I2C.
 Động cơ bước DC 3NM.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

1


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Cách thức hoạt động của công cụ thiết kế ứng dụng trên Android studio.
 Thiết kế giao diện và các ngôn ngữ hỗ trợ.
 Trao đổi dữ liệu giữa App, màn hình cảm ứng và phần cứng của mô hình.

1.4 GIỚI HẠN
Phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm có:
 Nghiên cứu và xây dựng mô hình Robot đánh trống (đa số ở các trưởng tiểu
học và trung học) với tính năng đặt lịch đánh trống (có thể đặt giờ, phút,
ngày tháng, năm) và thay đổi chế độ đánh trống theo buổi học.
 Điều khiển đánh trống dựa trên cơ chế đòn bẫy, momen lực động cơ kéo <
3NM.
 Xây dựng ứng dụng giám sát, điều khiển trên hệ điều hành Android và màn
hình cảm ứng.
 Trao đổi dữ liệu giữa CSDL và các thiết bị phần cứng thông qua module
WiFi ESP8266 Node MCU.

1.5 BỐ CỤC:
Bố cục của đồ án được trình bày thành 5 phần như sau:
Chương 1: Tổng quan: Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài trình bày tổng
quan về tình hình nghiên cứu, về mạng Wifi. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên

cứu của đề tài.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu về sơ lược về STM32, mạng Wifi, module
ESP8266 Node MCU, chuẩn giao tiếp UART, hệ quản trị CSDL, các ngôn ngữ để
thiết kế lập trình và thiết kế giao diện.
Chương 3: Thiết kế và thi công: Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài sẽ đưa
ra các yêu cầu khi thiết kế, các thiết kế về phần cứng và phần mềm.
Chương 4: Kết quả thi công: Đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh
hệ thống sau khi thi công.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của
đề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

2


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN STM32F4VG:
2.1.1 Giới thiệu:
Kit phát triển STM32F407VG ARM Cortex-M4 sử dụng Vi điều khiển
STM32F407 là loại được sử dụng ở rất nhiều trường đại học hiện nay trong giảng dạy vi
điều khiển ARM, kit có thiết kế ra chân đầy đủ với các ngoại vi cơ bản: USB, MicroSD,
Flash, Pin RTC...và cổng nạp chuẩn Jtag tích hợp, kit có giá thành phải chăng, là sự lựa
chọn hợp lý cho các bạn mới bắt đầu tìm hiểu về dòng STM32F4 đầy mạnh mẽ.

Hình 2.1 Kit STM32F407VG

2.1.2 Thông số kỹ thuật:

 Bộ nhớ Flash lên tới 1 Mbyte.
 192 + 4 Kbyte SRAM bao gồm RAM dữ liệu 64-Kbyte CCM (bộ nhớ kết
hợp lõi).
 Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt hỗ trợ các bộ nhớ Compact Flash,
SRAM, PSRAM, NOR và NAND.
 Giao diện song song LCD, chế độ 8080/6800.
 Cung cấp ứng dụng 1.8V đến 3.6V và I /O.
 POR, PDR, PVD và BOR.
 Bộ tạo dao động tinh thể 4 đến 26 MHz.
 RC cắt bên trong nhà máy 16 MHz (độ chính xác 1%).

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

3


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Dao động 32 kHz cho RTC với hiệu chuẩn RC 32 kHz bên trong có hiệu
chuẩn.
 Chế độ ngủ, dừng và chờ.
 𝑉𝐵𝐴𝑇 cung cấp cho RTC, các thanh ghi dự phòng 20 × 32 bit + SRAM
sao lưu 4 KB tùy chọn.
 Bộ chuyển đổi A/D 3 × 12 bit, 2.4 MSPS: tối đa 24 kênh và 7.2 MSPS ở
chế độ ba xen kẽ.
 Bộ chuyển đổi D/A 2 × 12 bit DMA đa năng: Bộ điều khiển.
 DMA 16 luồng với hỗ trợ FIFO và hỗ trợ cụm.
 Lên đến 17 bộ định thời: tối đa 12 bộ định thời 16 bit và 2 bộ định thời
32 bit lên đến 168 MHz, mỗi bộ có tối đa 4 IC / OC / PWM hoặc bộ đếm
xung.
 140 cổng I/O với khả năng ngắt.

 136 I/O nhanh lên đến 84 MHz.
 Giao diện lên tới 3 × I 2 C (SMBus / PMBus)
 4 USART / UART (10,5 Mbit / s, giao diện ISO 7816, LIN, IrDA, điều
khiển modem).
 3 SPI (42 Mbits/giây), 2 với I2S song công hoàn chỉnh để đạt được độ
chính xác của lớp âm thanh thông qua PLL âm thanh bên trong hoặc
đồng hồ bên ngoài.
 Giao diện 2 × CAN (Hoạt động 2.0B).
 Giao diện SDIO.
 Giao diện camera song song 8- đến 14 bit lên tới 54 Mbyte/s.
 Trình tạo số ngẫu nhiên thực.
 Đơn vị tính CRC ID duy nhất 96 bit.
 RTC: độ chính xác cao.

2.2 ESP8266 VÀ MODULE NODEMCU v1.0
2.2.1 Giới thiệu ESP8266
ESP là viết tắt của Electronic Stability Program nghĩa là hệ thống cân bằng điện
tử. Module ESP8266 là một module với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức TCP/IP, là
một chip tích hợp được thiết kế dùng cho chuẩn kết nối mới. Có thể lưu trữ ứng dụng
hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợp trên chip, có khả năng tạo kết nối giống
như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian và có thể download dữ liệu từ Internet.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

4


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2 Module NodeMCU ESP8266

Đây là module truyền nhận WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System
on Chip) của hãng Espressif. Module ESP8266 V1 thường được sử dụng cho các ứng
dụng IoT (Internet of Things). Module này đã được nạp sẵn firmware giúp người dùng
giao tiếp với wifi rất dễ dàng qua tập lệnh AT thông qua giao tiếp UART (baudrate mặc
định 9600) quen thuộc.

2.2.2 Thông số kỹ thuật






Module ESP8266 có các thông số kỹ thuật như sau:
Hỗ trợ chuẩn 802.11 n/g/n.
Điện áp hoạt động 3.3v.
Wifi 2.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2.
Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200 Có 3 chế
độ hoạt động: Client, Access Point, Both (Client and Access Point).
 Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK,
WPA WPA2_PSK. Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP
 Làm việc như 1 Access Point có thể kết nối với 5 Device. Công suất đầu
ra 19.5dBm ở chế độ 802.11b.
 Tích hợp giao thức TCP / IP stack.

2.2.3 Chức năng của module ESP8266







Module ESP8266 có các chức năng chính như sau:
Hỗ trợ chuẩn 802.11 n/g/n.
Điện áp hoạt động 3.3v.
Wifi 2.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2.
Chuẩn giao tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

5


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 Giao thức TCP, UDP.
 Có ba chế độ hoạt động: Client/Acesspoint, Both.
 Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK.
ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết
nối mới, thế giới Internet of thing (Iot). Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi
đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các
chức năng kết nối mạng Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng. Ngoài ra, ESP8266 khả năng
xử lý và lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển
và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs (General Purpose Input Output)
với một chi phí tối thiểu và một PCB (Printed Circuit Board) tối thiểu.

2.2.4 NodeMCU v1.0
NodeMCU Wifi v1.0 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.

*Thông số kỹ thuật:













9 chân GPIO.
1 chân ADC.
1 giao tiếp UART.
1 giao tiếp SPI và hỗ trợ PWM.
Tích hợp 2 nút nhấn.
IC CH340 chuyển đổi USB -UART.
IC chính: ESP8266 Wifi SoC.
Chip nạp và giao tiếp UART: CH340G.
Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc V-in.
GPIO giao tiếp mức 3.3VDC.
Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.
Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.
Bảng 2.1 Cách vào chế độ Boot của NodeMCU

MTDO

GPIO0

GPIO2

Mode

Mô tả

L

H

AURT

Download code qua UART

(GPIO15)
L

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

6


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
L

H

H

Flash

Boot from SPI Flash

H

x

x

SDIO

Boot from SD – card

Hình 2.3 Sơ đồ chân board NodeMCU v1.0

2.3 MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TB6600
2.3.1 Giới thiệu:

Hình 2.4 Module TB6600
Module sử dụng IC TB6600HQ/HG cho khả năng điều khiển động cơ bước 2 pha
với công suất tối đa lên 40V 4A. Driver có thiết kế vỏ hộp kim loai chắc chắn, chống
nhiễu cùng với tản nhiệt lớn cho hoạt động ổn định. Ứng dụng trong làm máy như CNC,
Laser hay các máy tự động khác.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.2 Thông số kỹ thuật:







Nguồn đầu vào là 9V - 42V.
Dòng cấp tối đa là 4A.
Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao.
Có tích hợp đo quá dòng quá áp.
Cân nặng: 200G.
Kích thước: 96 * 71 * 37mm.

2.3.3 Cài đặt và ghép nối:
 DC+: Nối với nguồn điện từ 9 - 40VDC.
 DC-: Điện áp (-) âm của nguồn.
 A+ và A -: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước.
 B+ và B-: Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ.
 PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) từ BOB cho M6600.
 PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600.
 DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ BOB cho M6600.
 DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600.
 ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực
momen giữ và quay nữa.
 Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung.
Bảng 2.2 Cài đặt cường độ dòng điện

I(A)

SW4

SW5

SW6

4.0

1

1

1

3.5

0

1

1

3.0

1

0

1

2.5

0

0

1

2.0

1

1

0

1.5

0

1

0

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

8