Đồ án Điều khiển xe lăn điện bằng giọng nói hoặc smartphone

1 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2013 Lớp: 1 I. TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN BẰNG GIỌNG NÓI HOẶC SMARTPHONE II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: • Xe lăn điện. • Xe chạy tiến, chạy lùi, xoay trái, xoay phải, điều chỉnh thay đổi tốc độ di chuyển. • Sử dụng các module có sẵn trên thị trường để phục vụ thi công đề tài. 2. Nội dung thực hiện: • Tìm hiểu về xe lăn điện. • Tìm hiểu chuẩn truyền thông UART. • Tìm hiểu về cách điều chế độ rộng xung PWM. • Tìm hiểu về mạch công suất điều khiển động cơ DC. i • Tìm hiểu về module wifi ESP8266, mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3, mạch giảm áp DC LM2596, cầu H BTS7960. • Tìm hiểu về ứng dụng MIT App Inventor viết phần mềm Android. • Thiết kế giao diện để điều khiển: App android. • Viết chương trình điều khiển cho ESP8266, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống. • Thực hiện viết luận văn báo cáo. • Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 26/08/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 26/12/2019 V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TH. S NGUYỄN THANH NGHĨA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- Tp. HCM, ngày 20 tháng 12 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: Lê Văn Luận Lớp: 15141DT2A MSSV: 15141206 Họ tên sinh viên 2: Phạm Minh Kha Lớp: 13141DT1A MSSV: 13141132 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN XE LĂN ĐIỆN BẰNG GIỌNG NÓI HOẶC SMARTPHONE Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD - Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, Tuần 1 tiến hành chọn đồ án. (26/8 –1/9) - GVHD tiến hành xét duyệt đề tài. Tuần 2 - Viết đề cương (2/9 – 8/9) - Viết lịch trình làm đề tài -Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan với đề tài: xe Tuần 3 lăn điện, mạch nhận dạng giọng nói Voice (9/9 – 15/9) Recognition V3,mạch giảm áp DC LM2596 3A, ESP8266 NodeMCU, mạch cầu H BTS7960, các chuẩn giao tiếp,... -Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan với đề tài: xe Tuần 4 lăn điện, mạch nhận dạng giọng nói Voice (16/9 – 22/9) Recognition V3, ESP8266 NodeMCU, mạch giảm áp DC LM2596 3A, động cơ DC giảm tốc, mạch cầu H BST7960, các chuẩn giao tiếp,... - Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị. Tuần 5 - Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức (23/9– 29/9) năng các khối. iii - Tính toán thiết kế khối nguồn Tuần 6 - Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị. (30/9 – 6/10) - Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối. - Tính toán thiết kế khối nguồn động của mạch. Tuần 7 -Kết nối tất cả các khối lại và thiết kế sơ đồ toàn (7/10 – 13/10) mạch, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch. Tuần 8 -Kết nối tất cả các khối lại và thiết kế sơ đồ toàn (14/10 – 20/10) mạch, giải thích nguyên lý hoạt động của mạch. Tuần 8 - Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU. (21/10 – 27/10) Tuần 9 - Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU và tiến (28/10 –3/11) hành test xe. Tuần 10 - Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU và tiến (4/11 – 10/11) hành test xe. Tuần 11 - Lập trình module ESP8266 NodeMCU và tiến (11/11 – 17/11) hành test xe. Tuần 12 - Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU và tiến (18/11 – 24/11) hành test xe. - Viết báo cáo những nội dung đã làm. Tuần 13 - Lập trình cho module ESP8266 NodeMCU và tiến (25/11 – 1/12) hành test xe. -- Viết báo cáo những nội dung đã làm. Tuần 14 - Viết báo cáo những nội dung đã làm. (2/12 – 8/12) Tuần 15 - Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét (9/12 – 15/12) góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo. Tuần 16 - Nộp quyển báo cáo. (16/12 – 22/12) iv Tuần 17 - Làm slide báo cáo và báo cáo đề tài. (23/12 – 29/12) GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) v LỜI CAM ĐOAN Đề tài này là do chúng tôi 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 Lê Văn Luận Phạm Minh Kha vi LỜI CẢM ƠN Sau khi đã hoàn thành đề tài, lời nói đầu tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý Thầy, Cô của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh chung và đặc biệt là các Thầy, Cô của Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã dành hết tâm huyết giảng dạy, truyền đạt những kinh nghiệm và những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt 4 năm học vừa qua, tạo tiền đề để thực hiện được đề tài này và tạo nền tảng cho tương lai sau này của chúng em. Nhóm em xin cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới Thầy NGUYỄN THANH NGHĨA đã trực tiếp hướng dẫn chúng em một cách tận tình nhất trong suốt quá trình làm đề tài, Thầy luôn tạo điều kiện và hỗ trợ chúng em hết sức mình, cung cấp các thiết bị và đưa ra hướng đi, cách giải quyết phù hợp nhất để chúng em vượt qua khó khăn. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Thầy. Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ về vật chất lẫn tinh thần để nhóm em có thể hoàn thành đề tài này dễ dàng hơn. Xin cảm ơn mọi người. Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, vì thời gian và kiến thức của chúng em có giới hạn nên không thể có những thiếu sót. Vì vậy, nhóm chúng em mong rằng sẽ nhận những đóng góp quý báu của các Thầy, Cô để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn. Người thực hiện đề tài Lê Văn Luận Phạm Minh Kha vii MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................................................ i LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... vi LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ vii MỤC LỤC ................................................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................................. xi DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... xiv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xv TÓM TẮT ..................................................................................................................... xvi Chương 1. TỔNG QUAN................................................................................................ 1 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .......................................................................................................... 1 1.2. MỤC TIÊU ............................................................................................................... 2 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .................................................................................... 2 1.4. GIỚI HẠN ................................................................................................................ 3 1.5. BỐ CỤC ................................................................................................................... 3 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................................... 4 2.1. TỔNG QUAN VỀ XE LĂN ..................................................................................... 4 2.1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................... 4 2.1.2. Sự đa dạng của xe lăn ............................................................................................ 6 2.1.3. Ưu và nhược điểm ............................................................................................... 16 2.2. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PWM ......................................... 16 2.2.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 16 2.2.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM ............................................................. 16 2.2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM ........................................................ 18 2.2.4. Ứng dụng của điều chế độ rộng xung PWM trong điều khiển ............................ 18 2.3. CHUẨN GIAO TIẾP UART .................................................................................. 18 2.3.1. Khái niệm ............................................................................................................ 18 2.3.2. Các đặc điểm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART ................................ 20 2.3.3. Ứng dụng ............................................................................................................. 21 viii 2.3.4. Ưu và nhược điềm ............................................................................................... 21 2.4. CHUẨN GIAO TIẾP WI-FI .................................................................................. 22 2.4.1. Giới thiệu ............................................................................................................. 22 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động .......................................................................................... 22 2.4.3. Một số chuẩn kết nối ........................................................................................... 23 2.5. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG .................................................................................. 24 2.5.1. Module Wifi ESP8266 NodeMCU ...................................................................... 24 2.5.2. Mạch cầu H - BTS7960 ....................................................................................... 28 2.5.3. Động cơ DC giảm tốc .......................................................................................... 31 2.5.4. Mạch hạ áp LM2596 ........................................................................................... 37 2.5.5. Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3 ............................................. 38 2.5.6. Nguồn pin ............................................................................................................ 43 Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ...................................................................... 45 3.1. GIỚI THIỆU ........................................................................................................... 45 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ........................................................... 45 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống ............................................................................... 45 3.2.2. Tính toán và thiết kế ............................................................................................ 46 Chương 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ............................................................................. 51 4.1. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...................................................................................... 51 4.2. GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN .................................................................................... 54 4.3. GIỚI THIỆU PHẦN LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN ............................................ 57 4.4. HUẤN LUYỆN GIỌNG NÓI CHO MODULE VR3 ............................................ 58 4.5. PHẦN MỀM LẬP TRÌNH CHO ĐIỆN THOẠI ................................................... 62 4.6. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ................................... 64 4.6.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng .......................................................................... 64 4.6.2. Quy trình thao tác ................................................................................................ 67 Chương 5. KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ........................................................ 68 5.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ......................................................................................... 68 5.1.1. Tổng quát kết quả đạt được ................................................................................. 68 5.1.2. Kết quả mạch điều khiển trung tâm ..................................................................... 68 5.1.3. Kết quả thực nghiệm............................................................................................ 71 ix 5.1.4. Kết quả ứng dụng điều khiển ............................................................................... 71 5.2. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ ...................................................................................... 72 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................. 73 6.1. KẾT LUẬN ............................................................................................................ 73 6.2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ......................................................................................... 73 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 75 x DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Miêu tả chiếc xe lăn thời xưa ở Trung Quốc ................................................... 4 Hình 2.2. Stephan Farffler trên chiếc ghế tự hành đầu tiên trên thế giới ........................ 5 Hình 2.3. Ghế gấp và ghế cứng ....................................................................................... 6 Hình 2.4. Xe lăn hướng dẫn viên hiện nay ...................................................................... 9 Hình 2.5. Xe lăn hỗ trợ hiện nay ................................................................................... 10 Hình 2.6. Xe lăn nghiêng và ngả ................................................................................... 12 Hình 2.7. Xe lăn đứng ................................................................................................... 13 Hình 2.8. Xe lăn thể thao ............................................................................................... 14 Hình 2.9. Xe lăn thông minh ......................................................................................... 15 Hình 2.10. Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung .................................................... 17 Hình 2.11. Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung và điện áp trung bình tương ứng ....................................................................................................................................... 18 Hình 2.12. Kết nối UART giữa hai vi điều khiển ......................................................... 19 Hình 2.13. Các thành phần của một khung dữ liệu ....................................................... 20 Hình 2.14. Kết nối wifi giữa các thiết bị ....................................................................... 22 Hình 2.15. Các chuẩn kết nối Wifi ................................................................................ 23 Hình 2.16. Sơ đồ chân chip ESP8266EX ...................................................................... 25 Hình 2.17. Hình ảnh module wifi ESP8266 nodeMCU ngoài thực tế .......................... 26 Hình 2.18. Sơ đồ chân của ESP8266 ............................................................................. 28 Hình 2.19. Mạch cầu BTS7960 ..................................................................................... 29 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý ........................................................................................... 30 Hình 2.21. Cấu tạo của một động cơ giảm tốc .............................................................. 31 Hình 2.22. Cấu tạo động cơ DC .................................................................................... 32 Hình 2.23. Ảnh thực tế của stato ................................................................................... 33 Hình 2.24. Ảnh thực tế của roto .................................................................................... 34 Hình 2.25. Cấu tạo hộp giảm tốc ................................................................................... 35 Hình 2.26. Động cơ DC thực tế được sử dụng trên xe lăn ............................................ 37 Hình 2.27. Module giảm áp LM2596 ............................................................................ 38 Hình 2.28. Mạch hạ áp LM2596 ................................................................................... 38 xi Hình 2.29. Module nhận dạng giọng nói ....................................................................... 39 Hình 2.30. Các loại nhận diện người nói ....................................................................... 40 Hình 2.31. Sơ đồ khối của hệ thống nhận dạng giọng nói ............................................ 41 Hình 2.32. Sơ đồ của quá trình huấn luyện ................................................................... 41 Hình 2.33. Sơ đồ của quá trình nhận dạng .................................................................... 43 Hình 2.34. Nguồn thực tế dùng cho xe lăn điện ............................................................ 43 Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ....................................................................................... 45 Hình 3.2. Sơ đồ kết nối .................................................................................................. 48 Hình 3.3. Nguồn sử dụng trên xe lăn ............................................................................. 49 Hình 4.1. Lưu đồ giải thuật toàn hệ thống ..................................................................... 51 Hình 4.2. Lưu đồ giải thuật toàn điều khiển bằng app .................................................. 52 Hình 4.3. Lưu đồ giải thuật toàn điều khiển bằng giọng nói ......................................... 53 Hình 4.4. Giao diện thiết kế giao diện ứng dụng........................................................... 54 Hình 4.5. Giao diện lập trình cho giao diện ứng dụng .................................................. 55 Hình 4.6. Biểu tượng ứng dụng và ứng dụng điều khiển mô hình ................................ 55 Hình 4.7. Các đối tượng có trong ứng dụng điều khiển ................................................ 57 Hình 4.8. Code mẫu ....................................................................................................... 57 Hình 4.9. Số lệnh mà module có thể thực hiện ............................................................. 58 Hình 4.10. Cửa sổ khi nạp code huấn luyện .................................................................. 59 Hình 4.11. Cửa sổ khi nạp code huấn luyện .................................................................. 59 Hình 4.12. Cửa sổ khi nạp code huấn luyện xong ......................................................... 60 Hình 4.13. Cửa sổ khi nhập lệnh huấn luyện ................................................................ 60 Hình 4.14. Cửa sổ khi đã huấn luyện xong ................................................................... 61 Hình 4.15. Cửa số khi nhập lệnh load ........................................................................... 61 Hình 4.16. Cửa sổ khi load thành công ......................................................................... 62 Hình 4.17. Giao diện quản lý của project ...................................................................... 63 Hình 4.18. Giao diện thiết kế ......................................................................................... 63 Hình 4.19. Giao diện lập trình ....................................................................................... 64 Hình 4.20. Công tắc bật/tắt nguồn sử dụng cho xe lăn ................................................. 65 Hình 4.21. Điểm truy cập wifi ....................................................................................... 65 Hình 4.22. Biểu tượng của app điều khiển .................................................................... 65 xii Hình 4.23. Giao diện app điều khiển. ............................................................................ 67 Hình 4.24. Quy trình thao tác sử dụng. ......................................................................... 67 Hình 5.1 Cửa sổ Serial Monitor .................................................................................... 69 Hình 5.2 Kết nối các module thực tế ............................................................................. 70 Hình 5.3 Hộp điều khiển hoàn chỉnh ............................................................................. 70 Hình 5.4 Giao diện hoàn chỉnh ...................................................................................... 70 Hình 5.5 Xe lăn hoàn chỉnh ........................................................................................... 70 xiii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. So sánh thông số các chuẩn wifi. ....................................................................... 24 Bảng 3.2. Kết nối ESP8266 NodeMCU với module BTS7960. ........................................ 47 Bảng 3.2. Kết nối ESP8266 NodeMCU với module VR3. ................................................ 48 xiv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Từ đầy đủ 1 CPU Central Processing Unit 2 I/O Input/Output 3 IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers 4 PWM Pulse Width Modulation 5 Rx Receiver 6 Tx Transmitter 7 UART Universal Asynchronous Receiver – Transmitter 8 VR3 Voice Recognition V3 9 Wi-fi Wireless Fidelity 10 WLAN wireless local area network xv TÓM TẮT Có thể thấy thế giới đang trong thời kì thay đổi ngày càng văn minh và hiện đại hơn một cách không ngừng. Vì vậy, đời sống càng hiện đại càng không thể thiêú sự hiện diện của các thiết bị điện tử. Các thiết bị này xuất hiện ở khắp mọi nơi phục vụ cho lợi ích của con người, từ sinh hoạt cho đến sản xuất. Mọi thiết bị điện tử lúc bấy giờ tập trung vào sự chính xác, tốc độ nhanh là trong những thứ mà người tiêu dùng cần thiết khi sử dụng. Và trong những số đó nền công nghệ đang được phát triển và ưa chuổng trong lúc bấy giở đó là công nghệ điều khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị mà con người ta chỉ cần ngồi tại chỗ mà không cần phải đến trực tiếp thiết bị vận hành. Hiện nay ứng dụng lớn nhất của ngành điện tử điều khiển từ xa này là thiết kế những ngôi nhà thông minh, ứng dụng này dường như ngày nay đã khá là phổ biến. Và trong suốt hơn 4 năm học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, em đã được học rất nhiều kiến thức về điều khiển tự động, vi xử lý, lập trình C, em muốn ứng dụng những kiến thức này để thực hiện một đề tài có ý nghĩa. Vì vậy mà em đã quyết định chọn đề tài “Điều khiển xe lăn điện bằng giọng nói hoặc smartphone” là đề tài luận văn tốt nghiệp. Đây là một đề tài có ý nghĩa nhân văn sâu sắc, giúp ích cho những người tàn tật không có khả năng điều khiển xe lăn bằng tay hoặc chân. Xe lăn điều khiển thông minh là một phương tiện tuyệt vời dành cho những người già, người khuyết tật, đặc biệt với những người sức khỏe yếu, chỉ với những câu lệnh đơn giản là họ có thể yêu cầu xe di chuyển được mà không phải phụ thuộc quá nhiều vào người khác nữa. Nội dung chính trong đề tài: • Sử dụng Module nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3, cầu H- BTS7960, Module giảm áp DC LM2596 3A, Module ESP8266 NodeMCU làm khối điều khiển trung tâm. • Thiết kế giao diện diện khiển trên điện thoại Android. • Sử dụng module BTS7960 điều khiển động cơ. xvi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Thế giới đang trong làn sóng của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0. Công nghệ về điều khiển thông minh và điều khiển tự động cũng phát triển theo, chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong công nghiệp, đời sống và trong cả y học. Dạo gần đây khi mà nhu cầu sống con người đang càng ngày được cải thiện thì những công nghệ ấy càng được quan tâm. Nhận dạng tiếng nói là đề tài nhận được sự quan tâm, nghiên cứu của khá nhiều nhà khoa học trong suốt những thập niên vừa qua. Kết quả của những sự nghiên cứu này đã được ứng dụng vào các phần mềm nhận dạng tiếng anh và gần đây chúng ta đã có phần mềm nhận dạng tiếng việt. Tiếng nói cùng với chữ viết là hai thành phần cơ bản nhất của ngôn ngữ, tiếng nói hình thành trước chữ viết và phát triển trong suốt lịch sử phát triển của loài người. Tiếng nói đã, đang và sẽ luôn là phương tiện giao tiếp chủ yếu của con người bởi lẽ giao tiếp bằng tiếng nói là cách thức đơn giản, tự nhiên và đóng vai trò quan trọng trong đời sống con người. Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các nhà khoa học đã tạo ra các loại máy móc dần thay thế lao động chân tay, trí óc của con người nhưng việc giao tiếp giữa người với máy vẫn phổ biến là những thao tác phức tạp và cần được đào tạo. Chính vì lẽ đó mà việc nghiên cứu phát triển các loại thiết bị có khả năng giao tiếp với con người qua giọng nói đã và đang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới, cũng như người tiêu dùng tuy nhiên mức độ phổ biến vẫn còn rất hạn chế. Sinh trắc học – hay công nghệ sử dụng các đặc điểm sinh học của con người để nhận diện là một lĩnh vực rất đa dạng và có nhiều ứng dụng quan trọng trong thực tiễn. Trong các lĩnh vực của sinh trắc học, tiếng nói nhận được rất nhiều sự quan tâm do tính tự nhiên của giọng nói, sự dễ dàng trong thu thập và sử dụng giọng nói trong quá trình nhận diện người nói. Nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và đạt được những hiệu quả nhất định trong quá trình nhận diện người nói. Nhận dạng tiếng nói của con người đã và đang thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học khi mà công nghệ tự động hóa ngày càng có nhiều ứng dụng trong thực tiễn cuộc sống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Tác giả Hoàng Ngọc Giàu đã nghiên cứu đề tài: “Xe lăn điện điều khiển bằng tay kết hợp bằng giọng nói” từ năm 2012 dựa vào hai nguyên tắc điều khiển chính đó là điều khiển bằng tay qua Joystick và điều khiển bằng giọng nói qua hệ thống nhận dạng giọng nói. Sản phẩm được thiết kế và thi công nhằm giúp đỡ những người khuyết tật có được sự di chuyển thuận tiện và dễ dàng hơn. Một điều đáng nói nữa, thông qua App Android của Smartphone giờ đây ta có thể điều khiển xử lý và đưa tín hiệu đến vi điều khiển, điều khiển thiết bị như đề tài mà tác giả Trần Minh Luân – Lâm Thành Đạt nghiên cứu: “Thiết kế và thi công hệ thống thiết bị điều khiển nhà thông minh”. Và trong suốt hơn 4 năm học tại trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật, em đã được học rất nhiều kiến thức về điều khiển tự động, vi xử lý, lập trình C em muốn ứng dụng những kiến thức này để thực hiện một đề tài có ý nghĩa. Vì vậy mà em đã quyết định chọn đề tài “Điều khiển xe lăn điện bằng giọng nói hoặc smartphone” là đề tài luận văn tốt nghiệp. Đây là một đề tài có ý nghĩa nhân văn sâu sắc, giúp ích cho những người tàn tật không có khả năng điều khiển xe lăn bằng tay hoặc chân. Xe lăn điều khiển thông minh là một phương tiện tuyệt vời dành cho những người già, người khuyết tật, đặc biệt với những người sức khỏe yếu, chỉ với những câu lệnh đơn giản là họ có thể yêu cầu xe di chuyển được mà không phải phụ thuộc quá nhiều vào người khác nữa. 1.2. MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài này là sử dụng mạch nhận dạng giọng nói đồng thời kết hợp với việc điều khiển qua smartphone của chúng ta để để ứng dụng vào việc điều khiển xe lăn. Xe lăn sẽ được người dùng điều khiển tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải và tăng, giảm tốc độ theo nhu cầu. 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu của nhóm được chia ra các nội dung chính sau: • NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về xe lăn điện: lịch sử phát triển, ứng dụng. • NỘI DUNG 2: Nghiên cứu về lý thuyết và cách sử dụng các loại mudule cần thiết. • NỘI DUNG 3: Đề ra các giải pháp thiết kê mô hình, lựa chọn các thiết bị linh kiện trong việc thiết kế mô hình. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN • NỘI DUNG 4: Tìm hiểu, sử dụng và cài đặt các phần mềm lập trình cũng như phần mềm dùng để thiết kế giao diện điều khiển. • NỘI DUNG 5: Viết chương trình điều khiển và kiểm tra kết quả. 1.4. GIỚI HẠN • Xe lăn chạy trên địa hình bằng phẳng dễ chạy. • Điều khiển thông qua mạng mạng wifi nên chỉ có thể điều khiển ở một phạm vi nhất định nếu vượt quá thì sẽ không hoạt động được. • Nguồn hoạt động chính của mạch là pin nên do đó có hạn chế về thời gian sử dụng • Tính bảo mật của ứng dụng điều khiển không cao. 1.5. BỐ CỤC Nội dụng đề tài phần bố các chương sau: Chương 1: Tổng Quan Trong chương này trình bày về những tiện ích khi ứng dụng công nghệ vào thực tiễn cuộc sống, đặc biệt là trong lĩnh vực y học. Từ đó, lý luận dẫn đến việc làm rõ ràng mục tiêu lựa chọn, nội dung nghiên cứu, giới hạn đề tài và bộ cục của đề tài. Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chương này trình bày về cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm cơ sở lý thuyết về xe lăn điện, các chuẩn giao tiếp. Trình bày cơ sở lý thuyết về các thiết bị sử dụng trong mô hình như: Vi điểu khiển các module, thiết bị và phần mềm thiết kế giao diện. Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế Trong chương này trình bày về thiết kế, tính toán những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lí từng khối. Chương 4: Thi Công Hệ Thống Trong chương này thiết kế giao diện điều khiển. Vẽ lưu đồ giải thuật, viết chương trình cho hệ thống. Hướng dẫn quy trình sử dụng cho hệ thống. Chương 5: Kết Quả Nhận Xét Đánh Giá Chương này trình bày về các kết quả đạt được, những hạn chế, từ những kết q...từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết. 2.4.2. Nguyên tắc hoạt động Hình 2.14. Kết nối wifi giữa các thiết bị Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết. Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet. 2.4.3. Một số chuẩn kết nối Tuy nói wifi tương tự như sóng vô tuyến truyền hình, radio hay điện thoại nhưng nó vẫn khác các loại sóng kia ở mức độ tần số hoạt động. Sóng wifi truyền nhận dữ liệu ở tần số 2,5Ghz đến 5Ghz. Tần số cao này cho phép nó mang nhiều dữ liệu hơn nhưng phạm vi truyền của nó bị giới hạn, còn các loại sóng khác, tuy tần số thấp nhưng có thể truyền đi được rất xa. Kết nối wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ a/b/g/n: Hình 2.15. Các chuẩn kết nối Wifi • Chuẩn wifi đầu tiên 802.11: năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn đầu tiên này cho WLAN. Tuy nhiên, 802.11 chỉ hỗ trợ cho băng tần mạng cực đại lên đến 2Mbps – quá chậm đối với hầu hết mọi ứng dụng. Và với lý do đó, các sản phẩm không dây thiết kế theo chuẩn 802.11 ban đầu không được sản xuất nữa. • Chuẩn wifi 802.11b: IEEE đã mở rộng trên chuẩn gốc 802.11 để tạo ra chuẩn 802.11b vào tháng 7/1999. Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương ứng với Ethernet truyền thông. • Chuẩn wifi 802.11a: trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển, IEEE đã tạo ra một mở rộng thứ 2 có tên gọi là 802.11a. Do giá thành cao hơn nên 802.11a thường được sử dụng cho các mạng doanh nghiệp, còn 802.11b thích hợp hơn cho các hộ gia đình. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Chuẩn wifi 802.11g: vào năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một chuẩn mới hơn đó là 802.11g, được đánh giá rất cao trên thị trường. Đây là một nỗ lực kết hợp ưu điểm của cả 802.11a và 802.11b, hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử dụng tần số 2.4Ghz để có phạm vi rộng. • Chuẩn wifi 802.11n: 802.11n đôi khi được gọi tắt là wireless, được thiết kế để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten. Được phê chuẩn vào năm 2009, với băng thông tối đa lên đến 600Mbps, 802.11n cũng cung cấp phạm vi tốt hơn những chuẩn wifi trước đó, do cường độ tín hiệu của nó đã tăng lên. • Chuẩn wifi 802.11ac: đây là chuẩn wifi lớn nhất, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. 802.11ac sử dụng công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ các kết nối đồng thời trên cả băng tần 2.4Ghz và 5Ghz. 802.11ac có băng thông đạt tới 1.300Mbps trên băng tần 5Ghz và 450Mbps trên 2.4Ghz. Bảng 2.1. So sánh thông số các chuẩn wifi. CÁC CHUẨN WIFI 802.11 Chuẩn IEEE 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac Năm phát hành 1999 1999 2003 2009 2013 Tần số 5 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4/5 GHz 5 GHz Tốc độ tối đa 54 Mbps 11 Mbps 54 Mbps 600 Mbps 1 Gbps Phạm vi trong nhà 100 ft 100 ft 125 ft 225 ft 90 ft Phạm vi ngoài trời 400 ft 450 ft 450 ft 825 ft 1000 ft 2.5. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 2.5.1. Module Wifi ESP8266 NodeMCU a. Tổng quan ESP8266 là dòng chip tích hợp Wi-Fi 2.4Ghz có thể lập trình được, rẻ tiền được sản xuất bởi một công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems. Được phát hành đầu tiên vào tháng 8 năm 2014, đóng gói đưa ra thị trường dạng module ESP-01, được sản BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT xuất bởi bên thứ 3: AI-Thinker. Có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Với giá cả có thể nói là rất rẻ so với tính năng và khả năng ESP8266 có thể làm được. ESP8266 có một cộng đồng các nhà phát triển trên thế giới rất lớn, cung cấp nhiều module lập trình mã nguồn mở giúp nhiều người có thể tiếp cận và xây dựng ứng dụng rất nhanh. Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266. Hình 2.16. Sơ đồ chân chip ESP8266EX ❖ Thông số kỹ thuật của chip ESP8266EX: • 32-bit RISC CPU: Tensilica Xtensa LX106 chạy ở xung nhịp 80 MHz. • Hổ trợ Flash ngoài từ 512KiB đến 4MiB. • 64KBytes RAM thực thi lệnh. • 96KBytes RAM dữ liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • 64KBytes boot ROM. • Chuẩn wifi EEE 802.11 b/g/n, Wi-Fi 2.4 GHz. • Tích hợp TR switch, balun, LNA, khuếch đại công suất và matching network. • Hổ trợ WEP, WPA/WPA2, Open network. • Tích hợp giao thức TCP/IP. • Hổ trợ nhiều loại anten. • 16 chân GPIO. • Hỗ trợ SDIO 2.0, UART, SPI, I²C, PWM, I²S với DMA. • 1 ADC 10-bit. • Dải nhiệt độ hoạt động rộng: -40C ~ 125C. ❖ Lập trình ứng dụng với ESP8266 cho ta 2 lựa chọn: • Sử dụng firmware được cung cấp bởi Espressif và giao tiếp thông qua tập lệnh AT commands. • Lập trình firmware trực tiếp vào ESP8266 sử dụng bộ thư viện SDK cung cấp bởi Espressif. b. Module wifi ESP8266 nodeMCU Hình 2.17. Hình ảnh module wifi ESP8266 nodeMCU ngoài thực tế ESP8266 NodeMCU là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems. Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT trình viên có thể thực hiện vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT Các modem Wi-Fi hiện tại đều hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11n và hoạt động ở tần số 2.4GHz. ESP8226 nodeMCU là một trong những mô đun hỗ trợ chuẩn Wi-Fi này. Được phát triển trên chip Wi-Fi ESP8266, nodeMCU được dùng cho các ứng dụng kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thông qua sóng Wi-Fi. NodeMCU có kích thước nhỏ gọn, hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, hỗ trợ kết nối Wi-Fi với nhiều giao thức mạng. Hơn nữa bản thân NodeMCU là một phiên bản đặc biệt của dòng vi điều khiển Arduino nên nó có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp mã. Sử dụng các mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phù hợp với khả năng của sinh viên. ❖ Thông số kỹ thuật của module wifi ESP8266: • Chip: ESP8266EX. • Điện áp cung cấp: DC 5 ~ 9V. • WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n. • Hỗ trợ bảo mật: WEP/ WPA-PSK/WPA2-PSK. • Bộ nhớ Flash: 32MB. • Cổng kết nối: hỗ trợ USB-TTL CP2102 với cổng Micro-USB. • Nhiệt độ hoạt động: -40 °C đến +125 °C. • Giao thức truyền thông: UART, SPI, I2C • Led báo trạng thái GPIO16, nút Reset. • Tương thích với Arduino IDE. • Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, NodeMCU Lua. • Khối lượng sản phẩm: 0,0190 kg. • Kích thước sản phẩm (dài x rộng x cao): 4,80 x 2,60 x 0,10 cm / 1,89 x1,02 x 0,04 inch • Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) • Số chân Analog: 1 (điện áp vào tối đa là 3.3V) • Bộ nhớ Flash: 4MB BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Giao tiếp: Cable Micro USB Hình 2.18. Sơ đồ chân của ESP8266 2.5.2. Mạch cầu H - BTS7960 Cầu H là một mạch điện tử cho phép đặt một điện áp trên một tải theo bất kỳ hướng nào. Mạch cầu H thường được sử dụng trong chế tạo robot và nhiều ứng dụng khác để cho phép động cơ DC chạy tiến và lùi. Các mạch điều khiển động cơ này chủ yếu được sử dụng trong các bộ chuyển đổi khác nhau như bộ chuyển đổi DC-DC, DC- AC, AC-AC và nhiều loại bộ chuyển đổi điện tử công suất khác. Mạch cầu H - BTS7960 43A dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển với driver tích hợp sẵn trong IC với đầy đủ các tính năng current sense (kết hợp với điện trở đo dòng), tạo dead time, chống quá nhiệt, quá áp, quá dòng, sụt áp và ngắn mạch. ❖ Thông số kỹ thuật của mạch cầu H BTS7960: • Điện áp đầu vào: 6~27V • Dòng điện tải mạch: 43A BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Tín hiệu logic điều khiển: 3.3 ~ 5V. • Tần số điều khiển tối đa: 25KHz. • Tự động shutdown khi điện áp thấp: để tránh điều khiển động cơ ở mức điện áp thấp thiết bị sẽ tự shutdown. Nếu điện áp < 5.5V, mạch điều khiển động cơ DC BTS7960 sẽ tự ngắt điện và sẽ mở lại sau khi điện áp > 5.5V. • Bảo vệ quá nhiệt: BTS7960 bảo vệ chống quá nhiệt bằng cảm biến nhiệt tích hợp bên trong. Đầu ra sẽ bị ngắt khi có hiện tượng quá nhiệt. • Kích thước: 40 x 50 x12mm Hình 2.19. Mạch cầu BTS7960 ❖ Sơ đồ chân module BTS7960: • VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (5V – 3V3) • GND: Chân đất. • R_EN = 0 Disable nửa cầu H phải. R_EN = 1: Enable nửa cầu H phải. • L_EN = 0 Disable nửa cầu H trái. L_EN = 1: Enable nửa cầu H trái. • RPWM và LPWM: chân điều khiển đảo chiều và tốc độ động cơ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • RPWM = 1 và LPWM = 0: Mô tơ quay thuận. • RPWM = 0 và LPWM = 1: Mô tơ quay nghịch • RPWM = 1 và LPWM = 1 hoặc RPWM = 0 và LPWM = 0: Dừng. • R_IS và L_IS: kết hợp với điện trở để giới hạn dòng qua cầu H Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD: chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ. Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ. Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Xe lăn điện sử dụng 2 động cơ DC với điện áp định mức là 24VDC, dòng điện định mức là 15.8A, công suất 250W và chạy với tốc độ 83 vòng/phút. Nhóm em sử dụng mạch cầu H-BTS7960 để điều khiển động cơ 24VDC, mạch có dòng điện tải lên đến 43A, đồng thời sử dụng 2 module esp8266 nodeMCU và VR3 lập trình điều khiển truyền tín hiệu tới cầu H để điều khiển 2 động cơ DC chạy tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng và điều chỉnh tốc độ theo ý muốn. Nguồn acquy 24VDC cấp cho động cơ và mạch giảm áp để cấp cho cầu H- BTS7960, vi điều khiển và mạch nhận dạng giọng nói VR3. Hai chân L_EN và R_EN được kết nối chung để cho phép cầu H hoạt động và hai chân L_PWM, R_PWM dùng để điều khiển tốc độ động cơ. 2.5.3. Động cơ DC giảm tốc Cấu tạo của một động cơ DC giảm tốc bao gồm: động cơ và hộp giảm tốc. Hình 2.21. Cấu tạo của một động cơ giảm tốc a. Tổng quan về động cơ DC Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cấu tạo động cơ DC Động cơ điện một chiều có thể phân thành hai phần chính: Phần tĩnh (stato) và phần động (rôto). Hình 2.22. Cấu tạo động cơ DC ❖ Phần tĩnh (stato) Đây là phần đứng yên của máy. Phần tĩnh gồm có các bộ phận sau: Cực từ chính: là bộ phận sinh ra từ trường gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ lồng ngoài lõi sắt cực từ làm bằng những lá thép kỹ thuật điện hay thép cacbon dày 0.5 đến 1 mm ép lại và tán chặt. Trong máy điện nhỏ có thể dùng thép khối. Cực từ được gắn chặt vào vỏ máy nhờ các bulông. Dây quấn kích từ được quấn bằng dây đồng bọc cách điện và mỗi cuộn dây đều được bọc cách điện kỹ thành một khối và tẩm sơn cách điện trước khi đặt trên các cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực từ này và được nối nối tiếp với nhau. Cực từ phụ: được đặt giữa các cực từ chính và dùng để cải thiện đổi chiều. Lõi thép của cực từ phụ có đặt dây quấn mà cấu tạo giống như dây quấn cực từ chính. Cực từ phụ được gắn vào vỏ máy nhờ những bulông. Gông từ: dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ, đồng thời làm vỏ máy. Trong máy điện nhỏ và vừa thường dùng thép tấm dày uốn và hàn lại. Trong máy điện lớn thường dùng thép dúc. Có khi trong máy điện nhỏ dùng gang làm vỏ máy. Ngoài ra còn có các bộ phận khác như: Nắp máy để bảo vệ máy khỏi bị những vật ngoài rơi vào làm hư hỏng dây quấn hay an toàn cho người khỏi chạm vào điện. Cơ cấu chổi than để đưa dòng điện từ phần quay ra ngoài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.23. Ảnh thực tế của stato ❖ Phần động (rôto) Gồm có những bộ phận sau: Lõi sắt phần ứng: dùng để dẫn từ. Thường dùng những tấm thép kỹ thuật điện (thép hợp kim silic) dày 0.5 mm phủ cách điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm hao tổn do dòng điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì đặt dây quấn vào. Trong những máy cỡ trung trở lên, người ta còn dập những lỗ thông gió để khi ép lại thành lõi sắt có thể tạo được những lỗ thông gió dọc trục. Trong những máy điện lớn thì lõi sắt thường được chia làm từng đoạn nhỏ. Giữa các đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe thông gió ngang trục. Khi máy làm việc, gió thổi qua các khe làm nguội dây quấn và lõi sắt. Trong máy điện nhỏ lõi sắt phần ứng được ép trực tiếp vào trục. Trong máy điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lượng rôto. Dây quấn phần ứng: là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua. Dây quấn phần ứng thường làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy điện nhỏ (công suất dưới vài kilôoat) thường dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện vừa và lớn, thường dùng dây tiết diện hình chữ nhật. Dây quấn được cách điện cẩn thận với rãnh của lõi thép. Để tránh khi quay bị văng ra do lực ly tâm, ở miệng rãnh có dùng nêm để đè chặt hoặc phải đai chặt dây quấn. Nêm có thể làm bằng tre, gỗ hay bakilit. Cổ góp: dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều. Kết cấu của cổ góp gồm nhiều phiến đồng có duôi nhạn cách điện với nhau bằng lớp mica dày 0.4 đến 1.2 mm và hợp thành một hình trụ tròn. Hai đầu trụ tròn dùng hai vành ốp hình BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT chữ V ép chặt lại. Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao hơn một ít để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn vào các phiến góp dược dễ dàng. Các bộ phận khác như: Cánh quạt để quạt gió làm nguội máy. Trục máy để đặt lõi sắt phần ứng, cánh quạt và ổ bi. Hình 2.24. Ảnh thực tế của rôto Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều. Động cơ điện một chiều thực chất là máy điện đồng bộ trong đó suất điện động xoay chiều được chỉnh lưu thành suất điện động một chiều. Để chỉnh lưu suất điện động ta có hai đầu vòng dây được nối với hai phiến góp trên có hai chổi điện luôn tỳ sát vào chúng. Khi rôto quay, do chổi điện luôn tiếp xúc với phiến góp nối với thanh dẫn. Vì vậy suất điện động xoay chiều trong vòng dây đã được chỉnh lưu ở mạch ngoài thành suất điện động và dòng điện một chiều nhờ hệ thống vành góp và chổi điện. Để suất điện động một chiều giữa các chổi điện có trị số lớn và ít đập mạch, dây quấn rôto thường có nhiều vòng dây nối với nhiều phiến góp làm thành dây quấn phần ứng và có cổ góp điện (còn gọi là cổ góp hoặc vành đổi chiều). Ưu, nhược điểm của động cơ DC Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... động cơ điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong công nghiệp giao thông vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại. ❖ Ưu điểm Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải. ❖ Nhược điểm Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và không an toàn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ. b. Hộp giảm tốc Hộp giảm tốc là một thiết bị dùng để giảm tốc độ các vòng quay. Đây là thiết bị trung gian giữa động cơ và các bộ phận khác của máy trong dây chuyền sản xuất với chức năng điều chỉnh tốc độ của động cơ điện cho phù hợp với yêu cầu. ❖ Cấu tạo Hình 2.25. Cấu tạo hộp giảm tốc BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Bên trong hộp giảm tốc có cấu tạo khá đơn giản, chúng gồm các bánh răng thẳng và nghiêng ăn khớp với nhau theo một tỷ số truyền nhất định. Thiết bị này có thể tạo nên số vòng quay phù hợp với yêu cầu người sử dụng. Tùy vào điều kiện làm việc và tính toán thì người ta sẽ thiết kế một hộp giảm tốc phù hợp với công việc. ❖ Tác dụng: hộp giảm tốc có 2 tác dụng chính: Giảm tốc: vì động cơ thường có tốc độ rất cao, trong khi nhu cầu sử dụng thực tế (tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên sẽ cần đến hộp giảm tốc để điều chỉnh vòng quay được tốc độ như ý. Tăng tải: lắp hộp giảm tốc vào động cơ làm tăng moment xoắn, từ đó làm tăng tải trọng và độ khỏe của trục ra hộp giảm tốc. ❖ Vai trò Hộp giảm tốc được ứng dụng ở nhiều nghành nghề sản xuất khác nhau. Thường thấy nhiều ở trong máy móc của các nhà máy. Gần gũi và ứng dụng mà bạn dễ thấy nhất và nhiều nhất của hộp giảm tốc chính là trong động cơ, đồng hồ, xe máy Hộp giảm tốc không thể thiếu trong băng chuyền sản xuất thực phẩm, thức ăn gia súc, sản xuất bao bì, trong băng tải Đặc biệt trong các máy khuấy trộn, cán thép, xi mạ, trong các hệ thống cấp liệu lò hơi. Nhìn chung, đây là thiết bị được ứng dụng rất đa dạng và giữ vai trò hết sức quan trọng trong hoạt động sản xuất công nghiệp. Việc chế tạo động cơ có công suất nhỏ (để thoản mãn yêu cầu sử dụng) cần chi phí rất cao trong khi động cơ có công suất lớn thường nhỏ gọn, thiết kế đơn giản, với chi phí thấp hơn rất nhiều. Chính vì thế để phù hợp với các tiêu chí về chi phí cấu tạo nhỏ gọn, đơn giản, dễ sử dụng và bảo dưởng thì sử dụng hộp giảm tốc vẫn là phương án khả thi và tối ưu nhất. c. Động cơ giảm tốc DC Động cơ giảm tốc DC được sử dụng nhiều để thiết kế các loại robot mô hình. Với giá thành rẻ, dễ sử dụng và mang tính chất ưu việt nên được ứng dụng rất nhiều. Chọn động cơ giảm tốc DC để điều khiển xe chạy tới, lui, xoay trái, xoay phải. Điều khiển tốc độ bằng điều chế độ rộng xung thông qua chân I/O trên module. Với thiết kế đơn giản, nhỏ gọn nên nhóm đã chọn động cơ trên để thiết kế cho phần di chuyển của xe. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.26. Động cơ DC thực tế được sử dụng trên xe lăn ❖ Thông số kỹ thuật • Điện áp hoạt động: DC24V • Công suất định mức:250W • Tốc độ chạy: 83 vòng/ phút • Dòng định mức: 15.8A 2.5.4. Mạch hạ áp LM2596 Trong những dự án Arduino, để dự án được nhỏ gọn và tiết kiệm, có nhiều bạn thường xử dụng board Arduino Pro Mini vì nó khá nhỏ gọn và giá thành thì max rẻ. Nhưng Pro mini lại không có tích hợp mạch nguồn 3.3V và 5V, nên khó có thể cấp nguồn chuẩn 5V hay 3.3V cho các module hay cảm biến. Mạch hạ áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dòng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 24V vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9V... như 5V hay 3.3V. ❖ Thông số kỹ thuật • Module nguồn không sử dụng cách ly • Nguồn đầu vào từ 4V - 35V. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Nguồn đầu ra: 1V - 30V. • Dòng ra Max: 3A • Kích thước mạch: 53mm x 26mm • Đầu vào: INPUT +, INPUT- • Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT- Hình 2.27. Module giảm áp LM2596 ❖ Cách sử dụng LM2596 Khá đơn giản, ta chỉ cần cấp nguồn thô vào chân INPUT+, INPUT- rồi nhận nguồn ra từ chân OUTPUT+, OUTPUT- Hình 2.28. Mạch hạ áp LM2596 Ta chỉnh điện áp đầu ra bằng cách vặn biến trở trên module...rồi lấy đồng hồ đo điện áp đầu ra, hiệu chỉnh sao cho phù hợp. 2.5.5. Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3 Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3 được sử dụng trong các ứng dụng nhận dạng, điều khiển bằng giọng nói, với khả năng ghi âm để nhận dạng lên đến BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 70 câu lệnh khác nhau, khả năng nhận dạng để thực thi 7 câu lênh cùng lúc, bất kỳ âm thanh nào cũng có thể được ghi âm để chuyển thành câu lệnh điều khiển, mạch có 2 ngõ ra xuất tín hiệu là các chân GPIO hoặc giao tiếp Serial UART rất dễ sử dụng, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển, nhận dạng giọng nói chuyên nghiệp. a. Module nhận dạng giọng nói: Hình 2.29. Module nhận dạng giọng nói ❖ Thông số kĩ thuật • Điện áp sử dụng: 4.5~5.5VDC • Dòng điện tiêu thụ: <40mA • Giao tiếp: 5V TTL level for UART hoặc GPIOs. • Ngõ vào âm thanh Analog: 3.5mm mono-channel microphone connector + microphone pin interface. • Độ chính xác: 99% (trong điều kiện thực nghiệm lý tưởng của nhà Sản Xuất) • Hỗ trợ 70 câu lệnh khác nhau, độ dài 1500ms (nói 1 hoặc 2 từ). • Tối đa 7 câu lệnh được thực hiện tại 1 thời điểm. • Hỗ trợ thư viện Arduino. • Kích thước: 31 x 50mm. b. Các loại nhận diện người nói : Nhận diện người nói thường được chia làm hai nhánh khác nhau là xác nhận người nói (speaker verification) và định danh người nói (speaker identification). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.30. Các loại nhận diện người nói Xác nhận người nói là quá trình xác nhận người hiện tại có phải là người mong muốn dựa vào giọng nói. Quá trình này là quá trình xác định có hay không và không quan tâm cụ thể người nói là ai. Định danh người nói lại được chia làm hai nhánh nhỏ hơn, là định danh người nói trên tập mở và định danh người nói trên tập đóng. Định danh người nói trên tập mở cần phải xác định xem người nói là ai trong danh sách người nói đã biết, hoặc kết luận người này không thuộc danh sách người nói đã biết. Định danh người nói trên tập đóng chỉ xét dữ liệu chắc chắn là của một người trong danh sách những người đã biết. Việc xử lý thông tin chứa trong tín hiệu tín nói nhằm truyền, lưu trữ tín hiệu này hoặc tổng hợp, nhận dạng tiếng nói. Yêu cầu đặt ra về nhận diện giọng nói là phải mã hóa tiếng nói một cách hiệu quả để truyền và lưu trữ tiếng nói. Như vậy, tất cả các ứng dụng của tiếng nói đều phải dựa trên các kết quả phân tích tiếng nói. Thực tế cho thấy, các nghiên cứu được tiến hành để xử lý tiếng nói yêu cầu những hiểu biết trên nhiều lĩnh vực đa dạng: ngữ âm học, ngôn ngữ học, xử lý tín hiệu BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT c. Hệ thống nhận dạng giọng nói cơ bản: Hình 2.31. Sơ đồ khối của hệ thống nhận dạng giọng nói Một hệ thống nhận dạng thường bao gồm hai phần chính là huấn luyện (training) và nhận dạng (recognition) được thể hiện như trong hình. Trong đó “Rút trích đặc trưng” là quá trình đưa ra được những đặc trưng sau khi nhận được những thông tin từ tiền xử lí. “Huấn luyện” là quá trình để hệ thống có thể “học” và “lưu trữ” những mẫu giọng được cung cấp, từ đó hình thành bộ từ vựng của hệ thống. Và quá trình “nhận dạng” là xem xét mẫu nào có trong bộ từ vựng đã được huấn luyện. d. Huấn luyện (training) và nhận dạng (recognition) Quá trình nhận diện người nói được thực hiện qua hai khâu chính : ❖ Huấn luyện: Hình 2.32. Sơ đồ của quá trình huấn luyện BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tiếng nói của người cần nhận diện được thu thập và sử dụng để huấn luyện mô hình. Tập các mô hình của nhiều người nói còn được gọi là cơ sở dữ liệu người nói. ❖ Nhận diện: Hình 2.33. Sơ đồ của quá trình nhận dạng Dữ liệu tiếng nói của một người dùng không rõ định danh được đưa vào hệ thống và so sánh có khớp hay không với cơ sở dữ liệu người nói. e. Tóm tắt quá trình và so sánh 2 khâu: Cả hai pha đều có chung hai bước đầu. Bước đầu tiên là thu thập tiếng nói. Tiếng nói có thể được thu thập thông qua micro và chuyển thành tín hiệu rời rạc – tín hiệu số (digital). Tuy nhiên dữ liệu này thông thường sẽ bị nhiễu, do đó cần phải được tiền xử lý trước khi đưa vào pha bước thứ hai. Bước thứ hai đó là rút trích đặc trưng, nhằm mục đích giảm kích thước dữ liệu nhưng vẫn đảm bảo đủ thông tin để phân biệt người nói. (thường là theo đặc trưng MFCC). Ở bước thứ ba của khâu huấn luyện, thông tin người nói sau khi đã được rút trích đặc trưng được mô hình hóa (modeling) và lưu vào cơ sở dữ liệu. Ở bước thứ ba của khâu nhận dạng, dữ liệu rút trích được so khớp với các dữ liệu trong cơ sở dữ liệu và đưa ra quyết định xem người đó là ai. Có thể thấy hai pha BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT được thực hiện tách biệt nhau nhưng có liên quan rất gần với nhau, trong đó hai pha khó thực hiện nhất đó là rút trích đặc trưng và mô hình hóa, so khớp dữ liệu. 2.5.6. Nguồn pin Pin là một nguồn năng lượng điện được tạo ra bằng cách biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Từ khi được sáng chế lần đầu năm 1800 bởi Alessandro Volta, pin đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều đồ vật trong gia đình cũng như cho các ứng dụng công nghiệp. Có hai loại pin thường dùng: • Pin sơ cấp (còn gọi là pin khô hay pin không sạc): pin dùng 1 lần, được thiết kế để sử dụng 1 lần sau đó vứt đi. • Pin thứ cấp (còn gọi là pin sạc): được thiết kế để nạp được nhiều lần. Pin có 3 thành phần cơ bản: hai phần ở đầu và cuối được làm bằng các chất hoá học khác nhau (thường là kim loại), hay được gọi là cực dương và cực âm và chất điện phân tách hai thành phần này. Chất điện phân là một dung môi hoá học, cho phép dòng điện chảy giữa cực dương và cực âm. Khi một thiết bị được kết nối với pin, một bóng đèn hoặc một mạch điện các phản ứng hoá học sẽ xảy ra trên các cực điện và tạo ra dòng chảy năng lượng điện đến thiết bị. Hình 2.34. Nguồn thực tế dùng cho xe lăn điện BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ❖ Các thông số: • Dung lượng pin: 12AH • Điện áp tiêu chuẩn: 24V • Sạc điện áp: 24V • Tiêu chuẩn: GB/18278-2000 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Chương 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1. GIỚI THIỆU Trong đề tài này nhóm em dùng gồm1 module Wifi Esp8266 Nodemcu, 1 mạch giảm áp LM2596, 1 mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3 được điều khiển thông qua mạch hai cầu H-BTS7960. 3.2. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.2.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống Từ yêu cầu của đề tài nhóm sinh viên tiến hành thiết kế sơ đồ khối hoàn chỉnh cho hệ thống, sơ đồ được trình bày như hình 3.1: Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống ❖ Chức năng các khối: • Khối nguồn: cung cấp nguồn ổn định cho toàn mạch hoạt động. • Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối nhận dạng giọng nói và khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối công suất động cơ. • Khối thu phát wifi: Để giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và điện thoại, là cầu nối trung gian để nhận dữ liệu từ điện thoại sau đó gửi tới khối BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45 CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển và nhận dữ liệu ngược lại từ khối trung tâm để hiện thị lên trên điện thoại. • Khối công suất điều khiển động cơ: nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm để điều khiển động cơ. • Điện thoại Android: truyền, nhận dữ liệu qua lại với khối thu phát wifi. • Khối nhận dạng giọng nói: Truyền dữ liệu đến khối điều khiển trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển. 3.2.2. Tính toán và thiết kế a. Khối điều khiển trung tâm Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối công suất động cơ. Hiện nay trên thị trường có rất nhiều dòng vi điều khiển khác nhau như PIC, AVR, 8051, Raspberry, Arduino... Tất cả đều có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra nhưng nhóm chọn Arduino vì nó có những ưu điểm sau: • Giá thành rẻ, dễ sử dụng, là module hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển AVR. • Kích thước nhỏ gọn. • Là dòng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều thư viện hổ trợ cho các module chức năng khác nhau, trình biên dịch đơn giản, dễ sử dụng. b. Khối thu phát Wifi Chức năng của khối thu phát Wifi trong mô hình này là để giao tiếp giữa khối điều khiển trung tâm và điện thoại, là cầu nối trung gian để nhận dữ liệu từ điện thoại sau đó gửi tới khối trung tâm để xử lí các hoạt đông điều khiển và nhận dữ liệu ngược lại từ khối trung tâm để hiện thị lên trên điện thoại. Trên thị trường hiện nay có khá nhiều module Wifi hỗ trợ vi điều khiểu giao tiếp với thiết bị khác thông qua kết nối Wifi, một số module Wifi thường đượ