Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VẬT CẢN SỬ DỤNG
CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Ngành:

ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Chuyên ngành: ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn : LÊ TRƯỜNG GIANG
Sinh viên thực hiện

: BÙI QUỐC PHONG

MSSV

: 1311010160

Lớp

: 13DDT01

TP. Hồ Chí Minh


LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan: Những nội dung trong đồ án này là do em thực hiện dưới
sự hướng dẫn của thầy Lê Trường Giang và nghiên cứu trên internet, sách báo, các
tài liệu trong và ngồi nước có liên quan, không sao chép hay sử dụng bài làm của
bất kỳ ai khác. Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác
giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm cơng bố. Em xin chịu hồn tồn trách nhiệm
về lời cam đoan của mình trước các thầy cô và nhà trường.

Tp.HCM, Ngày Tháng Năm 2017
SINH VIÊN THỰC HIỆN
Bùi Quốc Phong


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cám ơn chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong
Trường Đại Học Công Nghệ TP.HCM và các thầy cô giáo trong Viện Kỹ Thuật
Hutech đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho em những kiến thức, kinh nghiệm quý
báu trong suốt thời gian qua. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Trường
Giang đã giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn em trong suốt quá trình làm báo cáo.
Trong thời gian làm việc với thầy, cô, em khơng ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến
thức bổ ích mà còn học tập được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học
nghiêm túc, hiệu quả, đây là những điều rất cần thiết cho em trong quá trình học và
công tác sau này. Sau cùng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đã
động viên, đóng góp ý kiến và giúp đỡ trong quá trình học tập, nghiên cứu và hồn
thành đồ án.

Tp.HCM, Ngày Tháng Năm 2017
SINH VIÊN THỰC HIỆN

Bùi Quốc Phong

LỜI MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triễn không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, các
ngành công nghiệp cũng phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng các máy móc hiện
đại vào sản xuất là một yêu cầu không thể thiếu trong các nhà máy nhằm tăng năng
suất, tăng chất lượng và giảm giá thành sản phẩm. Song song với sự phát triển đó,
cơng nghệ chế tạo Robot cũng phát triển nhanh chóng đặc biệt là ở các nước phát
triển nhằm đáp ứng các nhu cầu về sản xuất, sinh hoạt, quốc phịng… Robot có thể
thực hiện những cơng việc mà con người khó thực hiện và thậm chí khơng thực hiện
được như làm những cơng việc địi hỏi độ chính xác cao, làm việc trong mơi trường
nguy hiểm ( như lị phản ứng hạt nhân, dị phá mìn trong quân sự, phát hiện các vật
cản dưới ống cống ), thám hiểm khơng gian vũ trụ…
Để góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật, em đã chọn đề tài “thiết
kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm” điều khiển thông qua
Bluetooth và giao tiếp mơ phỏng trên máy tính. Từ những suy nghĩ đó em sử dụng
những kiến thức cịn hạn chế của mình để nghiên cứu chế tạo Robot trong phạm vi
đồ án tốt nghiệp với ước muốn đóng góp vào công nghệ chế tạo Robot của nước nhà
trong thời gian tới.


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

MỤC LỤC
CHƯƠNG1: TỔNG QUAN ............................................................................ 6
1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI .......................................................................... 6
1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI ............................................................................ 9
1.3 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ......................................................................... 9
1.4 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI ............................................................................ 9

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 10
CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU ............................................................................. 11
2.1 Mạch Arduino Mega2560 ................................................................... 11
2.1.1 Giới Thiệu Mạch Arduino Mega2560 ............................................. 11
2.2.2 Nguyên Lý Hoạt Động ..................................................................... 16
2.2 Cảm Biến Siêu Âm SRF05 ................................................................. 14
2.2.3 Hoạt Động Và Nhận Phản Hồi Sóng Cơ Bản Của SRF05 .............. 18
2.2.1 Giới Thiệu Cảm Biến Siêu Âm SRF05 ............................................ 14
2.2.2 Nguyên Lý Hoạt Động ..................................................................... 15
2.2.3 Hoạt Động Và Nhận Phản Hồi Sóng Cơ Bản Của SRF05 .............. 17
2.2.4 Một Số Đặc Điểm Khác Của Cảm Biến Siêu Âm ........................... 18
2.2.5 Thông Số Kỹ Thuật Và Sơ Đồ Chân ............................................... 19
2.2.6 Ứng Dụng Của Cảm Biến Siêu Âm SRF05 ..................................... 20
2.3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298N ......................................... 20
2.3.1 Giới Thiệu Mạch Điều Khiển Động Cơ L298N .............................. 20
2.3.2 Chức Năng Của Từng Chân Module L298N ................................... 21
2.3.3 Thông Số Kỹ Thuật .......................................................................... 21
2.4 ĐỘNG CƠ RC SERVO 9G ................................................................ 21
2.4.1 Giới Thiệu Động Cơ Servo 9g ......................................................... 21
2.4.2 Nguyên Lý Hoạt Động ..................................................................... 22
2.4.3 Thông Số Kỹ Thuật .......................................................................... 23
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG ........................................................ 24
3.1 SƠ ĐỒ KHỐI TOÀN MẠCH ............................................................. 24
3.2 CHỨC NĂNG CỦA TỪNG KHỐI .................................................... 24
3.3 TÍNH TỐN VÀ GIAO TIẾP GIỮA CÁC KHỐI VỚI ARDUINO ..
................................................................................................................... 24
3.3.1 Khối Cảm Biến Siêu Âm SRF05 ..................................................... 24
3.3.1.1 Xác Định Khoảng Cách ................................................................ 24

1

GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

3.3.1.2 Sai Số Lặp Của Cảm Biến............................................................. 26
3.3.1.3 Hiện Tượng Forecasting................................................................ 26
3.3.1.4 Hiện Tượng Đọc Chéo (Crosstalk) Của Cảm Biến....................... 27
3.3.1.5 Tính Tốn Thiết Kế Mạch Cảm Biến Siêu Âm Với Arduino ....... 29
3.3.2 KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ..................................................... 28
3.3.2.1 Động Cơ Servo .............................................................................. 28
3.3.2.1.1 Cấu Tạo ...................................................................................... 28
3.3.2.1.2 Servo Và Điều Biến Độ Rộng Xung .......................................... 29
3.3.2.1.3 Vai Trị Của Vơn Kế .................................................................. 30
3.3.2.1.4 Các Giới Hạn Quay .................................................................... 30
3.3.2.1.5 Tính Tốn Thiết Kế Động Cơ Servo Với Arduino .................... 31
3.3.2.2 Động Cơ DC.................................................................................. 32
3.3.2.2.1 Cấu Tạo ...................................................................................... 32
3.3.2.2.2 Hoạt Động Của Động Cơ DC .................................................... 32
3.3.2.3 Mạch Điều Khiển Động Cơ L298N .............................................. 33
3.3.2.3.1 Cấu Tạo ...................................................................................... 33
3.3.2.3.2 Nguyên Lý Hoạt Động ............................................................... 34
3.3.2.3.3 Mạch Điều Khiển IC L298N...................................................... 36
3.3.2.3.4 TínhTốnThiết Kế Điều Khiển Động Cơ L298N Với Arduino..
................................................................................................................... 39
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN MỀM .......................................................... 40
4.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ........................................... 40
4.1.1 Ngơn Ngữ Lập Trình Cho Arduino.................................................. 40
4.2 SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN HỆ THỐNG ................................................. 41

4.2.1 Lưu Đồ Giải Thuật ........................................................................... 41
4.3 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG................................................................... 42
4.3.1 Lập Trình Cảm Biến Siêu Âm SRF05 ............................................. 42
4.3.2 Lập Trình Động Cơ Servo................................................................ 42
4.3.3 Lập Trình Mạch Điều Khiển Động Cơ L298N ................................ 43
4.3.4 Mơ Phỏng Hệ Thống ........................................................................ 44
4.3.5 CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH CHO TỒN MẠCH ........................... 45
CHƯƠNG 5: THI CƠNG MẠCH .................................................................. 50
5.1 THI CƠNG THIẾT KẾ MƠ HÌNH .................................................... 50
5.2 THI CƠNG CẮM DÂY MƠ HÌNH ................................................... 51
5.3 MƠ HÌNH THỰC TẾ ......................................................................... 52

2


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

CHƯƠNG 6: NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................... 53
6.1 NHẬN XÉT ........................................................................................ 53
6.2 HẠN CHẾ ........................................................................................... 53
6.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................................ 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 55

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Những thành viên khởi xướng Arduino .......................................... 11
Hình 2.2: Board Arduino Mega2560 .............................................................. 12
Hình 2.3: Sơ đồ chân của Arduino Mega2560................................................ 14
Hình 2.4: Cảm biến siêu âm SRF05 ................................................................ 15

Hình 2.5: Cấu hình SRF05 mode 1 ................................................................. 16
Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động SRF05 ở mode 1 ........................................... 16
Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động SRF05 ở mode 2 ........................................... 17
Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của SRF05 .................................................... 18
Hình 2.9: Mức độ của sóng âm hồi tiếp .......................................................... 18
Hình 2.10: Vùng phát hiện của cảm biến ........................................................ 18
Hình 2.11: Hai cảm biến hoạt động ................................................................ 19
Hình 2.12: Mạch điều khiển động cơ L298N ................................................. 20
Hình 2.13: Động cơ servo ............................................................................... 22
Hình 2.14: Thời gian xung ở mức cao quy định góc quay của RC servo ....... 23
Hình 3.1: Sơ đồ khối ....................................................................................... 24
Hình 3.2: Nguyên lý (TOF) ............................................................................ 25
Hình 3.3: Hiện tượng forecasting .................................................................... 26
Hình 3.4: Hiện tượng crosstalk ....................................................................... 27
Hình 3.5: Sơ đồ kết nối cảm biết siêu âm SRF05 và Arduino Mega2560...... 28
Hình 3.6: Điều khiển động cơ bằng cách điều chế độ rộng xung ................... 29

3


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Hình 3.7: Sơ đồ kết nối động cơ Servo và Arduino Mega2560...................... 31
Hình 3.8: Khi có dịng điện một chiều qua động cơ quay .............................. 32
Hình 3.9: Khi đổi chiều dòng điện động cơ quay chiều ngược lại ................. 33
Hình 3.10: Sơ đồ nguyên lý động cơ quay theo chiều thuận .......................... 34
Hình 3.11: Sơ đồ nguyên lý động cơ quay theo chiều nghịch ........................ 35
Hình 3.12: Bảng trạng thái .............................................................................. 36

Hình 3.13: Sơ đồ chân và cấu tạo của IC L298N ........................................... 37
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý sử dụng IC L298N ............................................. 38
Hình 3.15: Sơ đồ kết nối mạch L298N và Arduino Mega2560 ...................... 39
Hình 4.1: Giao diện Arduino IDE ................................................................... 40
Hình 4.2: Sơ đồ thuật tốn .............................................................................. 41
Hình 4.3: Mơ phỏng góc quay của servo và khoảng cách của cảm biến ........ 44
Hình 5.1: Thi cơng thiết kế mơ hình ............................................................... 50
Hình 5.2: Cắm dây mơ hình ............................................................................ 51
Hình 5.3: Mơ hình thực tế ............................................................................... 52

4


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

MỤC LỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Thông số Arduino Mega2560 ............................................................ 13
Bảng 2: Thông số cảm biến siêu âm SRF05 ................................................... 19
Bảng 3: Thông số mạch điều khiển động cơ L298N ...................................... 21
Bảng 4: Thông số động cơ servo..................................................................... 23
Bảng 5: Sơ đồ kết nối chân cảm biến SRF05 và Arduino Mega2560 ............ 28
Bảng 6: Sơ đồ kết nối chân động cơ Servo và Arduino Mega2560................ 31
Bảng 7: Sơ đồ kết nối chân mạch L298N và Arduino Mega2560 .................. 39

5


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG

SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Thuật ngữ Robot xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1922 trong tác phẩm
“Rossum’s Universal Robot” của Karel Capek. Trong tác phẩm nhận vật
Rossum và con trai đã tạo ra chiếc máy giống con người để phục vụ cho con
người.
Hình dạng Robot xuất hiện đầu tiên ở Hoa Kỳ, là loại tay máy chép hình
dung trong phịng thí nghiệm vật liệu phóng xạ. Vào những năm 50 của thế kỷ
trước, bên cạnh các loại tay máy chép hình cơ khí, các loại tay chép hình thủy
lực điện tử đã xuất hiện. Tuy nhiên, các tay máy thương mại đều có chung
nhược điểm là thiếu sự di động, các tay máy này hoạt động hạn chế quanh vị
trí của nó.
Từ năm 1939 đến năm 1945: Trong cuộc chiến thế giới lần thứ II, những
con Robot di động đầu tiên xuất hiện. Nó là kết quả của những thành tựu cơng
nghệ trong lĩnh vực nghiên cứu mới có liên quan như khoa học máy tính và
điều khiển học, hầu hết chúng là những quả bom bay, ví dụ như những quả
bom chỉ nổ trong những dãy mục tiêu nhất định, sử dụng trong hệ thống
hướng dẫn vad rada điều khiển. Tên lửa V1 và V2 có “phi cơng tự động” và hệ
thống phát nổ, chúng là tiền thân của đầu đạn hạt nhân tự điều khiển hiện đại.
Từ năm 1948: W. Gray Walter tạo nên Elmer và Elsie, hai con Robot
trông giống con đồi mồi. Chúng được gọi là Machina Speculatrix bởi vì
những con Robot này hoạt động trong mơi trường như những chú chim đồi
mồi. Elmer và Elsie được trang bị một bộ cảm biến sáng. Nếu chúng nhận ra
một nguồn sáng, chúng sẽ di chuyển về phía nguồn sáng. Chúng có thể tránh
hoặc chuyển những chướng ngại trên đường di chuyển. Những con Robot này
chứng minh rằng những cử chỉ phức tạp có thể phát sinh từ một thiết kế đơn
giản. Elmer và Elsie chỉ được thiết kế tương đương hai tế bào thần kinh.

6


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Từ năm 1961 đến 1963: Trường đại học Johns Hopkins phát triển “Beast”.
Beast sử dụng hệ thống định vị di chuyển xung quanh. Khi pin yếu nó sẽ tự
tìm ổ cắm điện và cắm vào.
Năm 1969: Mowbot là con Robot đầu tiên cắt cả bãi cỏ một cách tự động.
The Stanford Cart Line Follower là một con Robot di động có thể di chuyển
thơng qua nhận dạng đường kẻ trắng, sử dụng một camera để nhìn. Nó bao
gồm một kên truyền thanh gắn với hệ thống máy tính lớn để tạo ra những tính
tốn.
Năm 1970: Cùng thời điểm 1969-1972, viện nghiên cứu Stanford đang
xây dựng và nghiên cứu ra Shakey. Shakey có một camera, một dãy kính
gắm, một bô cảm biến và một bộ truyền thanh. Shakey là con Robot đầu tiên
lý giải về những chuyển động của nó. Điều này có nghĩa là Shakey có thể đưa
nhiều mệnh lệnh chung và Robot này sẽ tính tốn những bước cần thiết để
hoàn thiện nhiệm vụ được giao.
Năm 1977: Bộ phim chiến tranh giữa các vì sao phần I, A New Hope mô
tả R2D2, một con Robot di dộng hoạt động độc lập C3P0, một con Robot
hình người. Họ khiến công chúng biết đến những con Robot.
Năm 1980: Thị hiếu của người tiêu dùng về Robot tăng, Robot được bày
bán và mua về để sử dụng trong nhà, ví dụ RB5X vẫn tồn tại tới ngày nay và
một loạt mẫu Robot Hero. Robot The Stanford Cart được phát triển mạnh, nó
đã có thể lái tàu biển vượt qua những trở ngại và tạo lên bản đồ những nơi nó
đi qua.

Năm 1993-1994: Dante-I và Dante-II được phát triển bởi trường đại học
Carnegie Mellon, cả hai con Robot dùng để thám hiểm núi lửa đang hoạt
động.
Năm 1995: Robot di động có thể lập trình Pioneer được bán sẵn ở một
mức giá chấp nhận được, điều đó dẫn tới sự gia tăng rộng rãi về nghiên cứu

7


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Robot và các trường đại học nghiên cứu về Robot. Robot di động trở thành
một phần không thể thiếu trong chương trình giảng dạy của các trường đại
học.
Năm 1996-1997: Nasa phóng con tàu Mars Pathfinder có hai Robot Rover
và Sojourner lên sao hỏa. The Rover thám hiểm bề mặt sao hỏa được điều
khiển từ mặt đất. Sojourner được trang bị với một hệ thống tránh rủi ro do
cao. Hệ thống này làm cho Sojouener có thể tìm thấy đường đi của nó một
cách độc lập trên địa hình của sao hỏa.
Năm 1999: Sony giới thiệu Aibo, một con Robot có khả năng đi lại, quan
sát và tác động qua lại tới môi trường. Robot điều khiển từ xa dùng cho quân
sự PackBot cũng được giới thiệu.
Năm 2001: Dự án Swaim-Bots, Swaim-Bots giống những bầy côn trùng
được khởi động. Chúng bao gồm một số lượng lớn các con Robot đơn lẻ, có
thể tác động lẫn nhau và cùng nhau thực hiện những nhiệm vụ phức tạp.
Năm 2002: Roomaba, một con Robot dùng trong gia đình thực hiện cơng
việc lau nhà. Tiếp tục phát triển hiện nay có rất nhiều loại Robot phục vụ cho
con người dần xuất hiện ngày càng thân thiện hơn.

Năm 2004: Robosapien một con Robot đồ chơi, thiết kế bởi Mark Tilden
được bán sẵn. Trong dự án The Centibots Project một trăm con Robot cùng
làm việc với nhau để tạo lên một bản đồ cho một vùng khơng gian xác định
và tìm những vật thể trong mơi trường đó, trong cuộc thi đầu tiên DARPA
Grand Challenge các con Robot tự động đã cùng nhau tranh tài cùng nhau
trên sa mạc.
Năm 2006: Sony dừng việc sản xuất Aibo và Helpmate. PatrolBot trở lên
phổ biến khi các Robot di động vẫn tiếp tục cạnh tranh nhau để trở thành mặt
hàng đọc quyền. Sở an ninh Mỹ đã bỏ dự án MDARS-I, nhưng lại gây quỹ
cho dự án MDARS-E một loại Robot an ninh tự động khác. TALON-Sword,

8


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

một loại Robot tự động dùng để bán sẵn với dàn phóng lựu đạn và những sự
lựa chọn về vũ khí hợp thành khác đã ra đời. Asimo của Honda biết cách chạy
và leo cầu thang chỉ với hai chân như con người.
Năm 2007: Hệ thống KiVa, Robot thơng minh tăng nhanh về số lượng
trong quy trình phân phối, những Robot thông minh này được phân loại theo
mức độ phổ biến những nội dung của chúng. Robot từng trở thành phương
tiện phổ biến trong các bệnh viện dùng để để vận chuyển đồ trong kho từ nơi
này sang nơi khác. ARCSinside Speci-Minder mang máu và các vật mẫu từ
trạm y tá tới phòng xét nghiệm. Seekur Robot dịch vụ dùng ngồi trời với
mục đích phi qn sự có thể kéo một xe qua một bãi đậu xe, lái một cách độc
lập tự động vào trong nhà và bắt đầu học cách lái ra ngồi. Trong khi đó,
PatrolBot học theo sau co người và nếu cửa mà mở thì đóng lại.

1.2 MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI
“Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm” có
nhiều ứng dụng thực tế vừa dễ dàng để sinh viên vận dụng những kiến thức
tiếp thu được trên giảng đường, áp dụng vào điện tử nên đã chế tạo một xe mơ
hình sử dụng cảm biến siêu âm để phát hiện các vật cản và chướng ngại vật.
1.3 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ
Tìm hiểu đề tài trên internet và nhờ sự hướng dẫn của thầy Lê Trường
Giang nên em đã thiết kế một xe mơ hình dùng cảm biến siêu âm phát hiện
vật cản thông qua giao tiếp và mô phỏng trên máy tính, do khả năng và thời
gian có hạn nên trong đề tài này chỉ thực hiện những thao tác đơn giản.
1.4 NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
Thiết kế một mơ hình xe có 3 bánh, khung xe phải đảm bảo bền chắc
đạt độ chính xác nhất định về việc bố trí các bánh xe và động cơ mơ tơ, đồng
thời kết hợp kỹ thuật xử lý mạch thu phát bluetooth HC05 thông qua giao tiếp

9


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

máy tính để khả năng định hướng của cảm biến siêu âm SRF05 phát hiện vật
cản mô phỏng trên máy tính chính xác hơn.
1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Dựa trên một số tài liệu và sự hướng dẫn của thầy Lê Trường Giang,
đồng thời nghiên cứu tìm hiểu các phần mềm lập trình như arduino, phần
mềm mơ phỏng processing trên máy tính, phần mềm thiết kế mạch fritzing
tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các linh kiện để đồ án được hoàn thành tốt
hơn.

10


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU
2.1 Mạch Arduino Mega2560
2.1.1 Giới Thiệu Mạch Arduino Mega2560
Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là
những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên tồn thế giới trong vài năm
gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiệt bị di
động, số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trả rộng từ bậc
phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người chế tạo ra chúng
phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến.

Hình 2.1: Những thành viên khởi xướng Arduino
Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên
cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Camegie Mellon
phải sử dụng, hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit
Arduino Mege ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với
cảm biến và các thiết bị khác.

11


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương
tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị
khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ
dễ sử dụng, với một ngơn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng
ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều làm nên hiện
tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng
tới phần mềm. Chỉ với khoảng $30, người dùng đã có thể sở hữu một board
Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị.
Arduino ra đời tại thị trấn Ivrea thuộc nước Ý và được đặt theo tên một
vị vua vào thế kỷ thứ 9 là King Arduin. Arduino chính thức được đưa ra giới
thiệu vào năm 2005 như là một công cụ khiêm tốn dành cho các sinh viên của
giáo sư Massimo Banzi, là một trong những người phát triễn Arduino, tại
trường Interaction Design Instistute Ivrea (IDII). Mặc dù hầu như khơng được
tiếp thị gì cả, tin tức về Arduino vẫn lan truyền với tốc độ chóng mặt nhờ
những lời truyền miệng tốt đẹp của những người dùng đầu tiên. Hiện nay
Arduino nổi tiếng tới nỗi có người tìm đến thị trấn Ivrea chỉ để tham gia nơi
đã sản sinh ra Arduino.

Hình 2.2: Board Arduino Mega2560

12


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Arduino Mega2560 là một bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi

điều khiển AVR Atmega2560. Cấu tạo chính của Arduino Mega2560 bao
gồm các phần sau:
- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi
điều khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều
khiển và máy tính.
- Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên,
nhưng khơng phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần
một nguồn từ 9V-12V.
- Có 54 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngồi ra có một chân
nối đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF).
- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của tồn bo mạch. Với
mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino
Mega2560 này thì sử dụng ATMega2560.
- Các thông số chi tiết của Arduino Mega2560:
Vi xử lý

5V

Điện áp hoạt động

7-12V

Điện áp đầu vào

6-20V

Chân vào/ra (I/O) số

54 (15 chân là đầu ra PWM)

Chân vào tương tự

16

Dòng điện trong mỗi chân I/O

40mA

Dòng điện chân nguồn 3.3V

50mA

Bộ nhớ trong

256KB

SRAM

8KB

EEPROM

4KB

Xung nhịp

16MHz

Bảng 1: Thông số Arduino Mega2560
13

GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Các Mega2560 có 16 chân vào tương tự, mỗi ngõ vào tương tự đều có
độ phân giải 10 bit (tức là 1024 giá trị khác nhau). Theo mặc định đo từ 0 đến
15V, mặc dù là nó có thể thay đổi phần trên của phạm vi bằng cách sử dụng
chân Aref và analogReference chức năng.
Các Atmega 2560 có 256KB bộ nhớ flash để lưu trữ mã (trong đó có
8KB SRAM và 4KB EEPROM).

Hình 2.3: Sơ đồ chân của Arduino Mega2560
2.2 CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05
2.2.1 Giới Thiệu Cảm Biến Siêu Âm SRF05
Sóng siêu âm được truyền đi trong khơng khí với vận tốc khoảng
343m/s, nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ
đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính
có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian.

14


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng hai lần khoảng cách từ cảm biến tới
chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.

Hình 2.4: Cảm biến siêu âm SRF05
2.2.2 Nguyên Lý Hoạt Động
SRF05 là bước phát triển từ SRF04, được thiết kế để làm tính năng
tăng ngoại vi, ngồi ra cịn giảm chi phí. SRF05 là hồn tồn tương thích với
SRF04, khoảng cách tăng từ 3m đến 4m. Một chế độ hoạt động mới SRF05
cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, do đó sẽ
tiết kiệm có giá trị trên chân điều khiển. Khi chân chế độ không kết nối,
SRF05 hoạt động riêng biệt chân kích hoạt và chân hồi tiếp. SRF05 bao gồm
một thời gian trễ trước khi xung phản hồi để mang lại điều khiển chậm hơn.
Cảm biến SRF05 thiết lập 2 mode hoạt động khác nhau thông qua các chân
điều khiển MODE. Nối hoặc không nối chân MODE xuống MASS cho phép
cảm biến thông qua giao tiếp dùng một chân hay hai chân I/O.
- Mode 1: tách chân trigger và echo dùng riêng:
Trong mode này SRF05 sử dụng cả hai chân trigger và echo cho việc
giao tiếp với CPU. Để sử dụng mode này ta chỉ cần để chống chân Mode của
module, điện trở bên trong module sẽ kéo chân pin lên mức 1

15


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Hình 2.5: Cấu hình SRF05 mode 1
Để điều khiển SRF05, ta chỉ cần cấp cho chân trigger một xung điều
khiển với độ rộng tối thiểu 10uS. Sau đó một khoảng thời gian, đầu phát sóng
siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm, vi xử lý tích hợp trên module sẽ xác định
thời điểm phát sóng siêu âm và thu sóng siêu âm. Vi xử lý tích hợp này sẽ đưa

kết quả thu được ra chân echo. Độ rộng xung vuông tại chân echo tỉ lệ với
khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.

Hình 2.6: Nguyên lý hoạt động SRF05 ở mode 1
-Mode 2: chân trigger và echo dùng chung:
Được thiết kế nhằm cho mục đích tiết kiệm chân pin cho MCU nên
trong mode này, SRF05 chỉ sử dụng chân pin cho hai chức năng trigger và

16


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

echo. Để sử dụng mode này, ta kết nối chân MODE xuống MASS. Đây cũng
chính là mode sẽ được sử dụng trong demo.
Điều khiển SRF05, đầu tiên xuất một xung với độ xung tối thiểu 10uS
vào chân trigger – echo (chân số 3) của cảm biến. Sau đó vi xử lý tích hợp
trên cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điều khiển phát siêu âm. Sau 700uS kể từ lúc
kết thúc tín hiệu điều khiển từ chân trigger – echo có thể đọc ra một xung mà
độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể.

Hình 2.7: Nguyên lý hoạt động SRF05 ở mode 2
2.2.3 Hoạt Động Và Nhận Phản Hồi Sóng Cơ Bản Của SRF05
Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu sóng âm, nghĩa là nó ở trên
phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số thấp hơn, có thể được sử
dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thì thực hiện tốt hơn cho phạm
vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.

17


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Hình 2.8: Nguyên lý hoạt động của SRF05
2.2.4 Một Số Đặc Điểm Khác Của Cảm Biến Siêu Âm
Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và
góc phản xạ của nó.

Hình 2.9: Mức độ của sóng âm hồi tiếp
Một số đối tượng mềm có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc khơng
có phản hồi, một số đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành
tín hiệu phản chiếu một chiều cho cảm biến.

Hình 2.10: Vùng phát hiện của cảm biến
Các vùng cảm biến của SRF05 nằm trong khoảng 1m chiều rộng từ bên
này sang bên kia và không quá 5m chiều dài.

18


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

Một số kỹ thuật để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều
rộng lớn hơn ở cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một cảm biến

bổ xung và gắn kết hai đơn vị hướng về phía trước, thiết lập như vậy thì có
một khu vực mà là hai khu vực chồng chéo lên nhau.

Hình 2.11: Hai cảm biến hoạt động
Các vùng hoạt động của hai cảm biến tạo góc chung 30 độ, vùng chung
thì được phân biệt bởi 2 phần tín hiệu trái phải và phần cản ở giữa.
2.2.5 Thơng Số Kỹ Thuật Và Sơ Đồ Chân
Thông số kỹ thuật:
Điện áp vào

5V

Dịng tiêu thụ

<2mA

Tín hiệu đầu ra

Xung HIGH (5V) và LOW (0V)

Khoảng cách đo

2cm – 450cm

Độ chính xác

0.5cm

Kích thước

20*45*15mm

Góc cảm biến

<15 độ

Bảng 2: Thông số cảm biến siêu âm SRF05
Sơ đồ chân: có 5 chân
-VCC: đây là chân cấp nguồn cho cảm biến 5V
-Trig: chân này là chân phát xung để kích hoạt cảm biến hoạt động

19


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

-Echo: chân này sẽ trả về tín hiệu xung khi sóng siêu âm phản xạ lại
-OUT: chân này sử dụng để lựa chôn mode hoạt động của cảm biến
-GND: chân này cấp GND cho cảm biến
2.2.6 Ứng Dụng Của Cảm Biến Siêu Âm SRF05
-Dùng đo khoảng cách
-Đo mực chất lỏng
-Robot dò đường phát hiện vật cản
-Phát hiện các vết đứt gãy trong dây cáp
2.3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ L298N
2.3.1 Giới Thiệu Mạch Điều Khiển Động Cơ L298N
Module L298N có thể điều khiển hai động cơ DC hoặc một đơng cơ
bước, có bốn lỗ nằm ở bốn góc thuận tiện cho người sử dụng cố định vị trí

của module.
Có gắn tản nhiệt chống nóng cho IC, giúp IC có thể điều khiển với dịng đỉnh
đạt 2A, IC L298N được gắn với các diode trên board giúp bảo vệ vi xử lý
chống lại các dòng điện cảm ứng từ việc khởi động và tắt động cơ.

Hình 2.12: Mạch điều khiển động cơ L298N
20


GVHD: LÊ TRƯỜNG GIANG
SVTH: BÙI QUỐC PHONG
Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống phát hiện vật cản sử dụng cảm biến siêu âm

2.3.2 Chức Năng Của Từng Chân Module L298N
Bốn 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.
Bốn chân OUTPUT: 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 L298N.
2.3.3 Thơng Số Kỹ Thuật
Điện áp điều khiển

+5V ~ +35V

Dịng tối đa cho mỗi cầu H

2A

Điện áp của tín hiệu điều khiển

+5V ~ +7V

Dịng của tín hiệu điều khiển

0 ~ 36mA

Cơng suất hao phí

20W (khi nhiệt độ T = 75 độ)

Nhiệt độ bảo quản

-25 độ C ~ + 130 độ C

Bảng 3: Thông số mạch điều khiển động cơ L298N
2.4 ĐỘNG CƠ RC SERVO 9G
2.4.1 Giới Thiệu Động Cơ Servo 9g
Servo là một động cơ điện đặc biệt, không giống như động cơ thông
thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển
bằng xung PWM với góc quay nằm trong khoảng bất kì từ 0 độ đến 180 độ.
Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau. Có loại thì chỉ
nặng 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mơ hình), có loại thì sở hữu một momen
lực vài chục Newton/m.
Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vịng kín, tín hệu
ra của động cơ được kết nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận
tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào

21