Đồ án Thiết kế và thi công robot đánh trống trường học

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – 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 VIỆT NAM KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – 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. Xác nhận Tuần/ngày Nội dung GVHD Tuần 1 - Gặp GVHD nhận đề tài. Từ 18/2/2019 - Viết đề cương chi tiết. đến 24/2/2019 Tuần 2 -Tìm hiểu các đề tài đã nghiên cứu liên quan về Từ 25/2/2019 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 - Tìm hiểu về cơ cấu đánh trống và thiết kế Từ 11/3/2019 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 - Báo cáo tiến độ với GVHD. Từ 8/4/2019 - Tìm hiểu điều khiển màn hình bằng cảm ứng. đến 14/4/2019 -Giao tiếp Module ESP8266. Tuần 9 -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 - Báo cáo tiến độ với GVHD. Từ 6/5/2019 -Chỉnh sửa phần điều khiển cảm ứng và giao đến 12/5/2019 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 -Chạy thử nghiệm và khắc phục lỗi. Từ 20/5/2019 - Viết báo cáo. đến 26/5/2019 Tuần 15 -Báo cáo tiến độ với GVHD. Từ 27/5/2019 - Kiểm tra hoạt động của toàn hệ thống. đến 2/6/2019 Tuần 16 -Khắc phục lỗi hệ thống. Từ 3/6/2019 -Quay video clip hướng dẫn. đến 9/6/2019 Tuần 17 -Hoàn thiện báo cáo, chuẩn bị gặp GVPB và bảo Từ 10/6/2019 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 thống72 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 v...n board. Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lý vì thế bạn có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không cần thêm bất kì con vi xử lý nào nữa. o Các lệnh cấu hình hoạt động của chip: Cho phép các bạn có thể kiểm tra trạng thái hoạt động, thực hiện reset chip, đọc thông tin firmware version, hoặc cấu hình thông số UART, Sleep mode v.v. o Các lệnh xác lập thông tin mạng Wifi: Hỗ trợ các lệnh như chế độ hoạt động (Station, AP, AP+ station), đọc các danh sách các mạng Wifi xung quanh, cấu hình thông tin mạng Wifi sẽ kết nối, hoặc cấu hình DHCP, WPS, MDNS, smart config, Đa phần các cấu hình liên quan đến Wifi đều được hỗ trợ đầy đủ cho các nhu cầu sử dụng thông thường cho đến nâng cao. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 21 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ o Các tập lệnh cấu hình TCP/IP: cho phép cấu hình TCP, UDP, SSL, các lệnh Ping, cấu hình timeout cho truyền dữ liệu, DNS, Phần này hỗ trợ chủ yếu cho truyền nhận data. Hình 3.3 Module ESP8266 *Thông số kỹ thuật:  IC chính ESP8266 Wifi SoC  Chip nạp CP2102.  Nguồn cấp 5VDC.  GPIO giao tiếp mức logic 3.3V. Giao tiếp với ESP8266 qua chuẩn UART nên chỉ cần kết nối 2 tín hiệu TX/RX và 2 dây nguồn (VCC, GND). Hình 3.4 Giao tiếp ESP8266 với STM32F407VG  Hai chân 3.3V và GND để cấp nguồn cho ESP8266.  Hai chân TX, RX để truyền nhận dữ liệu giữa STM32F407VG với ESP8266. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 22 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.3.3 Khối công suất: Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Mỗi động cơ bước sẽ có một thống cứng quan trọng, do nhóm sử dụng động cơ có số step là 200, 4.2A nên điều khiển ổn định đã chọn module TB6600 để điều khiển. Khối này là mạch điều khiển động cơ bước, TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG, dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2 pha hoặc 4 dây có dòng tải là 4A/42VDC. Ứng dụng trong làm máy như CNC, Laser hay các máy tự động khác Hình 3.5 Module TB6600 *Thông số kỹ thuật:  Dòng vào: 0~5A.  Dòng ra: 0.5~4A.  Tín hiệu điều khiể: 3.3~24V.  Công suất max: 160W.  Micro Step: 1, 2/A, 2/B, 4, 8, 16, 32.  Khối lượng: 200g.  Kích thước: 96 * 71 * 37 mm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.6 Kết nối của module TB6600 với STM32F407VGT6 Giải thích sơ đồ:  GND, VCC: Dùng để cấp nguồn 24VDC.  퐴+, 퐴−, 퐵+, 퐵− : Kết nối 2 cặp cực của Module TB6600 với động cơ bước để điều khiển.  퐸푁퐴−, 퐷퐼푅−, 푃푈퐿− : Kết nối với GND.  퐸푁퐴+ ∶ Chân cho phép động cơ hoạt động. Kết nối với chân PE3 của STM32F407VG.  퐷퐼푅+ ∶ Chân cho phép động cơ quay thuận, ngịch. Kết nối với chân PE2 của STM32F407VG.  푃푈퐿+ ∶ Chân điều khiển cho động cơ hoạt động. Kết nối với chân PE4 của STM32F407VG. 3.3.4 Khối động cơ: Khối này nhận tín hiệu điều khiển từ bộ xử lý trung tâm thông qua module TB6600 để tạo momen lực làm chuyển động cánh tay robot. Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Và nhóm cần động cơ có momen lực 3N trở lên nên nhóm đã chọn SUMTOR 57HS11240A4D8. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.7 Động cơ bước 57HS11240A4D8 *Thông số kỹ thuật:  Dòng điện 4.2A  Kích thước: Động cơ Dài 112mm  Rộng 57mm  Đường kính trục 8mm để tạo momen quay Hình 3.8 Kết nối động cơ với Module TB6600  GND, VCC: Dùng để cấp nguồn 24VDC.  퐴+, 퐴−, 퐵+, 퐵− : Kết nối 2 cặp cực của Module TB6600 với động cơ bước để điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.3.5 Khối điều khiển và hiển thị: Khối này giúp hiển thị và người sử dụng có thể cài đặt thời gian sau đó gửi dữ liệu tới khối điều khiển trung tâm để điều khiển động cơ. Thường sử dụng hai loại màn hình cảm ứng điện dung và cảm ứng điện trở:  Cảm ứng điện trở là công nghệ cảm ứng dựa trên áp lực của tay, bút cảm ứng hay bất kì vật nhọn nào tác động lên màn hình. Cấu tạo của loại màn hình cảm ứng này gồm một tấm kính hoặc nhựa acrylic mỏng bao phủ hai lớp tương tác là lớp dẫn xuất điện và lớp cảm biến điện trở. Hai lớp này được phân tách bởi một lớp đệm gồm các điểm và khoảng trống mà mắt thường không thể nhìn thấy được. Trên bề mặt của mỗi lớp tương tác được phủ một hợp chất gọi là ITO (oxit thiếc và Indi), dòng điện với các mức điện thế khác nhau sẽ được truyền qua hai lớp này. Trong quá trình sử dụng, khi có sự tác động lên màn hình, hai lớp tương tác sẽ “chạm” nhau và mạch điện sẽ được kết nối đồng thời cường độ dòng điện chạy qua mỗi lớp cũng sẽ thay đổi. Lớp phía trên sẽ lấy điện thế từ lớp phía dưới và ngược lại lớp phía dưới sẽ lấy điện thế của lớp phía trên để từ đó bộ điều khiển xác định được tọa độ xy của điểm cảm ứng.  Màn hình cảm ứng điện dung chỉ sử dụng một lớp tương tác (lưới điện) được bao phủ bởi một lớp dẫn xuất điện làm từ hợp chất ITO (oxit thiếc và Indi) tạo nên một ma trận lưới các tụ điện bao phủ toàn bộ màn hình và không có lớp đệm. Với đặc điểm này màn hình cảm ứng điện dung sẽ cho ánh sáng đi qua nhiều hơn, lên đến 90%. Cách thức hoạt động của loại màn hình này dựa trên sự hút điện của bàn tay khi chúng ta chạm lên màn hình. Nó sẽ làm mất điện ở các tụ điện nơi tiếp xúc kéo theo sự thay đổi giá trị điện dung để từ đó thiết bị điều khiển có thể nhận dạng, xác định được toạ độ xy của điểm cảm ứng. Chính nhờ việc sử dụng thuộc tính điện năng trên cơ thể con người mà loại màn hình này có thể “hiểu” được những thao tác dù là rất nhẹ giúp việc cảm ứng trở nên nhẹ nhàng và dễ dàng hơn các loại màn hình khác. Với ưu điểm nhanh, nhạy và chính xác cao của màn hình cảm ứng điện dung, nhóm đã chọn WS-C LCD 7inch Cảm Ứng Điện Dung I2C. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.9 Màn hình cảm ứng *Thông số kỹ thuật:  Model: LCD 7 inch HDMI LCD cảm ứng điện dung Waveshare.  Điện áp sử dụng: 5VDC từ cổng Micro USB.  Ngõ vào: HDMI.  Hỗ trợ cảm ứng điện dung và cấp nguồn 5VDC qua cổng Micro USB.  Độ phân giải lên đến 800 x 480 Pixels. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.10 Giao tiếp màn hình cảm ứng với STM32F407VGT6 *Chú thích:  Dùng chuẩn FSMC để giao tiếp màn hình, chuẩn I2C để giao tiếp cảm ứng.  Bỏ chân RST, 3V3, NC, WAT, PS, INT, NC.  Màn hình được cấp nguồn 3.3V lấy từ ngõ ra của ESP8266. 3.3.6 Khối nguồn: Khối này dùng để cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động. Dùng để chỉnh lưu từ lưới điện xoay chiều thành điện 1 chiều cung cấp cho các thiết bị điện tử. Dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tranh trường hợp sụt áp, dòng ảnh hưởng tới mạch. Hiệu quả cao, giá thành thấp. Ngoài ra sử dụng nguồn 5V-2A để cấp cho các modue khác hoạt động. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.3.6.1 Nguồn 24V-5A: Do động cơ bước 3Nm SUMTOR 57HS11242A4: - Điện áp: 24V. - Dòng điện: 4.2A  Chọn nguồn cấp cho động cơ 24V, 5A. Hình 3.11 Nguồn tổ ông 24V-5A *Thông số kỹ thuật:  Điện Áp Đầu Vào: AC 220V (Chân L và N).  Điện Áp Đầu Ra: DC 24V 5A (Chân dương V+, Chân GND: V-).  Công Suất: 120W.  Điện áp ra điều chỉnh: +/-10% Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC.  Dòng vào: 2.6A / 115V 1.3A / 230V.  Rò rỉ: <1mA / 240VAC.  Bảo vệ quá tải Bảo vệ quá áp Bảo vệ nhiệt độ cao.  Khả năng chống sốc: 10 ~ 500Hz, 2G 10min. / 1 chu kỳ, thời kỳ cho 60 phút mỗi trục.  Nhiệt độ hoạt động và độ ẩm: -10 ℃ ~ + 60 ℃, 20% ~ 90% RH.  Nhiệt độ bảo quản, nhiệt độ: -20 ℃ ~ + 85 ℃, 10% ~ 95 RH.  Kích thước: 199 * 98 * 38 mm.  Trọng lượng: 0.52 Kgs. 3.3.6.2 Nguồn 12V-2A: Khối nguồn cấp cho khối điều khiển trung tâm, khối điều khiển và hiển thị, khối giao tiếp Wifi. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Bảng 3.1 Danh sách các thiết bị để thiết kế mạch nguồn. STT Tên thiết bị Số lượng Điện áp (V) Dòng điện (mA) 1 Board STM32F407 1 5.0 240 2 ESP8266 1 5.0 300 3 Màn hình RA8875 1 3.0 400 퐼푡ổ푛푔 = 퐼푆푇푀32퐹407 + 퐼퐸푆푃8266+퐼푅퐴8875 = 240 + 300 + 400 = 940 mA. =>퐼푛푔푢ồ푛 = 2퐴 =>푈푛푔푢ồ푛 = 12푉. Ngõ ra của Adapter 12VDC sẽ qua mạch giảm áp sử dụng IC LM2576, hạ áp từ 12VDC thành 5VDC sẽ cấp nguồn cho Board STM32F407VG và ESP8266 hoạt động. Trên mạch giảm áp sẽ có một Led sáng báo hiệu. Thông số kỹ thuật của IC LM2576:  Điện áp ngõ vào: 4.5V – 60V  Điện áp ngõ ra: 5.0V  Dòng điện ngõ ra: 0.2A – 3A  Nhiệt độ hoạt động: - 45℃ - 125℃ . Hình 3.12 Nguồn Adapter 12V-2A. *Thông số kỹ thuật:  Điện áp ngõ vào: 100V - 240V.  Output: DC 12V 2A / 1000mA.  Jack ngõ ra: 5.5mm x 2.1mm.  Kích thước: 7,6 x 7,5 x 2,6 cm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ  Chiều dài cáp: 100cm.  Adapter kết nối bên trong cực dương (+) bên ngoài âm (-). 3.3.7 Khối Firebase - app Android: Khối này giúp truyền nhận dữ liệu giữa điện thoại và bộ điều khiển trung tâm. Điện thoại sẽ gửi dữ liệu lên firebase, sau đó ESP sẽ gửi dữ liệu từ Firebase tới bộ điều khiển trung tâm bằng UART. Nhằm giúp người dùng có thể tương tác, cũng như quan sát được chế độ hoạt động của mô hình thì nhóm đã thiết kế một ứng trên thiết bị di động sử dụng Android Studio. Thông qua ứng dụng chúng ta có thể biết được các giá trị thời gian hiện tại và thời gian hẹn đồng thời có thể điều chỉnh thời gian hẹn. Hình 3.13 Giao tiếp với Firebase – App Android BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ TOÀN MẠCH: 3.4.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch: Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 3.4.2 Giải thích sơ đồ: - ESP8266 được cấp nguồn 5V, được vi điều khiển thực hiện điều khiển qua hai chân TX, RX. - Chân PA5, PA4, PA6 của vi điều khiển được kết nối với chân DIR+, ENA+, PUL của Module TB6600 để điều khiển động cơ thông qua ngõ ra chân A+, A-, B+, B- và Module TB6600 được cấp nguồn 24V. - Màn hình cảm ứng được cấp nguồn 3.3V lấy từ ngõ ra của ESP8266, được điều khiển bởi vi điều khiển thông qua chuẩn FSMC và chuẩn I2C. - Vi điều khiển được cấp nguồn 5V để hoạt động. 3.5 THIẾT KẾ KHUNG ROBOT: 3.5.1 Khung máy: Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại khung, giàn giáo chuyên dụng để làm mô hình với các chất liệu đa dạng từ nhựa, gỗ hay khung sắt Do nhu cầu sử dụng hệ thống khung linh hoạt, mô hình cũng cần độ cứng và độ bền cao cũng như phụ thuộc vào BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ giá cả thị trường thì nhóm đã sử dụng mô hình khung thép. Khung được làm từ thép hộp và các động cơ bước. Nhóm đã tự lên ý tưởng để vẽ và nhờ thợ cơ khí để gia công. Khung gồm một động cơ bước để tạo momen lực kéo giãn lò xo, lực kéo của lò xo giúp làm chuyển động thanh truyền ra cánh tay robot thông qua cơ chế đòn bẩy. Hình 3.15 Cơ chế đòn bẫy Động cơ quay sẽ tao ra momen lực M, lực F có hướng từ phải sang trái và lò xa giãn, khi động cơ tiếp tục quay sẽ tạo ra đòn bẫy lò xo có xu hướng co lại và lực F sẽ có hướng từ phải sang trái. Hình 3.16 Khung máy 3.5.2 Các vật liệu khác: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.17 Thép hộp Thép hộp đen là loại thép hộp được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhẹ và sản xuất chế tạo các đồ dùng dân dụng. Có tiết diện hình hộp, hình vuông hoặc hình chữ nhật có tính chất bền chắc và chịu lực tốt, ít bị biến dạng hay cong vênh. Tiêu chuẩn mạc thép này có độ bền cao, khả năng chống ăn mòn và oxi hóa khá tốt. Vì thế nhóm đã chọn làm thành phần chính của khung máy, kích thước 30x30x1.5 mm. Hình 3.18 Ống thép liền mạch Thanh thép tròn liền mạch chất liệu 304, thép không gỉ màu bạc chống ăn mòn và chống oxy hóa tốt, nhiệt độ cao chịu mài mòn dùng làm thanh truyền lực cho cánh tay robot. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 34 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.19 Vòng bi và gói đỡ Vòng bi gối đỡ UCFC được chế tạo bằng hợp kim thép đặc biệt, vừa có tính dẻo, vừa chịu được sự mài mòn cao, giãn nở nhiệt tốt. Còn vòng bi (bạc đạn) đường kính ngoài 22mm, đường kính lỗ 8mm, chiều dày: 7mm làm bộ chuyền chuyển động. Chúng có tác dụng giúp cánh tay robot quay theo Momen lực. Hình 3.20 Lò xo kéo Lò xo kéo 100mm (1.2 * 12 * 100); Đường kính dây lò xo: 1.2mm; Đường kính lò xo: 12mm; Chiều dài phần xoắn: khoảng 77mm; tổng chiều dài: 100mm Trọng lượng: khoảng 21 gram. Được dùng để tạo lực đánh trống của cánh tay robot. Hình 3.21 Giá đỡ cho động cơ bước để cố định động cơ với khung máy. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 35 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG CHƯƠNG 4: THI CÔNG 4.1 GIỚI THIỆU Chương này trình bày quá trình thi công mạch PCB, lập trình hệ thống, lắp ráp phần cứng và kiểm tra mạch. Quá trình thực hiện gồm hình vẽ cũng như hình ảnh thực tế của mô hình, hình ảnh kết quả chạy mà hệ thống thực hiện được. 4.2 THI CÔNG BO MẠCH - Mạch in được thiết kế trên phần mềm Alitum Designer 17. - Thực hiện in mạch và tiến hành thi công bo mạch. - Sau khi thi công sẽ dùng đồng hồ VOM để kiểm tra ngõ vào, ngõ ra để xem có lỗi trong lúc thực hiện hay không. 4.2.1 Thi công bo mạch: 4.2.1.1 Mạch nguồn: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn: Hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn. Sơ đồ bao gồm những linh kiện được sắp xếp như trên hình 4.1 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch nguồn. Sơ đồ thi công mạch in lớp dưới: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 36 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.2 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch nguồn. 4.2.1.2. Mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị: Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị: Hình 4.3 Sơ đồ bố trí linh kiện của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. Sơ đồ bao gồm khối điều khiển trung tâm nằm ở bên trái là Board STM32F407VG. Ở trên bên phải chứa 2 hàng rào dùng để đặt khối giao tiếp Wifi là Module ESP8266, Phía dưới là thanh hàng rào đực để giao tiếp với khối hiển thị là màn hình cảm ứng RA8875. Sơ đồ thi công mạch in lớp dưới: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 37 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.4 Sơ đồ mạch in lớp dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. 4.2.1.3. Thống kê linh kiện sử dụng trong hệ thống: Bảng 4.1: Bảng thống kê số linh kiện sử dụng. STT Tên linh kiện Giá trị Số lượng Chú thích 1 STM32F407VG 5V 1 2 ESP8266 5V 1 3 Nguồn tổ ong 24V – 5A 1 4 Adapter 12V 2A 1 5 LM2576 5V 1 6 Động cơ 24V 1 Động cơ bước 7 Driver TB6600 24V 1 Driver điều khiển động cơ 8 Màn hình RA8875 3V 1 Màn hình cảm ứng 9 Jack DC 1 10 LED 5V 1 Led xanh dương 11 Điện trở 220Ω 1 11 Tụ điện 5V 100uF 1 12 Tụ điện 5v 1000uF 1 13 Cuộn cảm 100uH 1 14 USB 1 USB cái 15 Diode 2A 1 4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra: - Sau khi đã hoàn thành việc vẽ mạch in, thực hiện lắp ráp linh kiện và hàn linh kiện lên board. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 38 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG - Kiểm tra mạch xem board có bị đứt hay chập mạch không. Nếu có thì tiến hành xử lý. 4.2.2.1 Lắp ráp mạch nguồn: Hình 4.5 Mặt trên của mạch nguồn. Hình 4.5 trình bày lắp ráp hoàn thiện mặt trên của mạch nguồn. Gồm có Jack DC nhận nguồn 12V từ Adapter hạ áp thành 5V thông qua IC LM2576. Hình 4.6 Mặt dưới của mạch nguồn. Hình 4.6 trình bày kết quả thi công mặt dưới của mạch nguồn sau khi gắn các linh kiện và hàn các linh kiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 39 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 4.2.2.2. Lắp ráp mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị: Hình 4.7 Mặt trên của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. Hình 4.7 trình bày lắp ráp hoàn thiện mặt trên của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. Gồm có khối xử lý trung tâm là board STM32F407VG, khối giao tiếp Wifi là Module ESP8266, và khối hiển thị là dây cáp kết nối với màn hình. Hình 4.8 Mặt dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị. Hình 4.8 trình bày mặt dưới của mạch điều khiển, giao tiếp và hiển thị sau khi gắn các linh kiện và hàn các linh kiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 40 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH: 4.3.1 Đóng gói bộ điều khiển: Sau khi thi công thành công hết các mạch, nhóm tiến hành dóng gói bộ điều khiển. Bộ điều khiển được gắn lên trên một tấm Formex có chiều dài x, chiều rộng y. Hình 4.9 Bộ điều khiển được gắn lên tấm Formex Bộ điều khiển được đặt trên Formex sử dụng keo nến để cố định lại. Không chỉ cách điện mà còn có thể dễ tháo ra để sửa chửa, thay thế. 4.3.2 Thi công mô hình: 4.3.2.1 Thiết kế: Khung robot được thiết kế bản vẽ bằng phần mềm Soliwork và được gia công bằng sắt vuông 30x30 mm. Hình 4.10 Mô hình khi vẽ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 41 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG 4.3.2.2 Gia công khung Robot: Hình 4.11 Gia công khung robot Khung Robot được làm bằng sắt vuông, dạng hình trụ, ở giữa dùng ổ bi và ống sắt tròn, lò xo dùng để tạo lực đánh trống. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 42 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.12 Gia công đế gác trống. Đế gác trống được làm bằng sắt ống và sắt vuông, ngoài ra có 4 bánh xe, có chức năng di chuyển hoặc là cố định đế gác trống tại một chỗ. Hình 4.13 Khung Robot sau khi được gắn các thiết bị. Robot sẽ được gắn những thiết bị lên như nguồn, mạch điều khiển, động cơ để hoạt động. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 43 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.14 Khung Robot sau khi được gia công hoàn chỉnh. Khung robot sau khi hoàn thành sẽ như hình 4.7, bên ngoài gồm màn hình, cánh tay được gắn ống cao su và phần bên trong gồm có các thiết bị dùng để điều khiển và hoạt động. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 44 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.15 Hình thi công hoàn chỉnh. Mô hình Robot đánh trống hoàn thiện sẽ bao gồm phần khung robot, đế gác trống và trống được sắp xếp như hình 4.15. 4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 4.4.1 Lưu đồ giải thuật Lưu đồ giải thuật: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 45 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.16 Lưu đồ thuật toán chương trình. Ban đầu khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình, sau đó sẽ hiển thị giao diện cũng như giá trị của dữ liệu. Tiếp theo khối xử lý trung tâm sẽ đọc giá trị thời gian thực từ bộ RTC. Kiểm tra nếu hệ thống đang điều khiển bằng màn hình cảm ứng thì sẽ thực thi chương trình điều khiển bằng màn hình, ngược lại thì thực thi chương trình điều khiển bằng App. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 46 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.17 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng màn hình. Để hoạt động trước tiên cần phải khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình. Tiếp theo sẽ so sánh nếu giá trị thời gian cài đặt bằng với giá trị thời gian thực đang chạy thì thực thi chương trình điều khiển động cơ, ngược lại thì sẽ điều chỉnh giá trị thời gian trên màn hình cảm ứng, hoàn thành một chu kỳ hoạt động. Sau đó tiếp tục quay lại thực hiện chu kỳ tiếp theo. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 47 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.18 Lưu đồ thuật toán điều khiển bằng điện thoại. Để hoạt động trước tiên cần phải khởi tạo các biến sử dụng trong chương trình. Sau đó kiểm tra kết nối Wifi, nếu không có kết nối thì quay lại thực hiện việc kiểm tra kết nối, ngược lại thì thực thi chương trình đọc dữ liệu từ Firebase, sau đó sẽ thực thi chương trình xử lý dữ liệu. Tiếp theo sẽ so sánh nếu giá trị thời gian cài đặt bằng với giá trị thời gian thực đang chạy thì thực thi chương trình điều khiển động cơ, ngược lại thì sẽ điều chỉnh giá trị thời gian trên App điện thoại, hoàn thành một chu kỳ hoạt động. Sau đó tiếp tục quay lại thực hiện chu kỳ tiếp theo. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 48 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.19 Lưu đồ đọc dữ liệu từ Firebase. Ban đầu khởi tạo các biến, sau đó kết nối đến Firebase. Khi điều chỉnh trên App điện thoại, dữ liệu sẽ được đưa lên và lưu trữ trên Firebase. ESP sẽ đọc dữ liệu từ Firebase sau đó truyền dữ liệu tới khối xử lý trung tâm bằng giao thức UART. Hình 4.20 Lưu đồ xử lý dữ liệu. Khối xử lý trung tâm sẽ nhận dữ liệu truyền UART từ ESP, sau đó sẽ xử lý bằng việc tách chuỗi dữ liệu. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 49 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.21 Lưu đồ thuật toán điều khiển động cơ. Ban đầu khởi tạo các chân DIR, STEP, ENA ở mức thấp. Tiếp theo so sánh nếu giây của thời gian thực nhỏ hơn giây cài thì động cơ hoạt động, ngược lại thì dừng động cơ. 4.4.2 Phần mềm lập trình: 4.4.2.1 Phần mềm STM32CubeMX: STM32CubeMX là một chương trình hoàn thiện giúp cho việc lập trình trên STM32 dễ dàng. Giúp cấu hình ngoại vi dễ dàng: Chọn các pin trên chip và chọn các tính năng mong muốn gắn với nó. Cấu hình Middlewares (FATS, FREERTOS), các ngoại vi như CRC, IWDG, TIMERS, cấu hình Clock và tính toán mức độ tiêu hao năng lượng. STM32CubeMX tự động download các driver mới nhất của ST dành cho các dòng chip của mình. ST đã không còn phát triển Standard Peripheral Libraries nữa, thay vào đó họ phát triển cấu trúc firmware mới bao gồm lớp cách ly phần cứng (HAL) bao gồm các driver cho ngoại vi, lớp Middleware bao gồm hỗ trợ TCP/IP, USB, Graphics, FAT file system, Touch library, và hệ điều hành mã nguồn mở RTOS. Tự động tạo Project dựa trên cấu hình ở trên. STM32CubeMX đầu tiên sẽ download driver của dòng chip cần cấu hình, sau đó tạo code và copy các driver cần thiết vào project, và tạo project trên các công cụ lập trình phổ biến như Keil hay IAR. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 50 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.22 Phần mềm STM32CubeMX. *Cách tạo project: Mở phần mềm STM32CubeMX lên, nhấn vào New Project để bắt đầu tạo project mới. - Series: Chọn họ MCU bạn sử dụng. - Lines: Chọn dòng MCU bạn sử dụng. - Package: Chọn kiểu đóng gói của MCU. Chọn loại MCU chính xác trong phần MCUs List. Nhấn OK. Hình 4.23 Tạo Project. Chọn ngoại vi cần dùng tại thẻ PinOut: Trong danh sách Peripheral được liệt kê bên trái có cách ngoại vi mà MCU hỗ trợ, sử dụng ngoại vi nào thì Enable ngoại vi đó lên. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 51 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Tại hình MCU trong khung bên phải, cấu hình trực quan từng chân của MCU theo các tính năng GPIO mà MCU hỗ trợ bằng cách click vào chân MCU và chọn chức năng cần thiết. Hình 4.24 Chọn ngoại vi. Cấu hình xung đồng hồ cho ngoại vi tại thẻ Clock Configuration. Hình 4.25 Điều chỉnh xung nhịp. Cấu hình đặc tính của ngoại vi đã chọn tại thẻ Configuration. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 52 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.26 Cấu hình ngoại vi Sau khi đã điều chỉnh, cấu hình những ngoại vi cần thiết, chúng ta tiến hành xuất mã nguồn để import vào các trình biên dịch như IAR, KeilC Hình 4.27 Xuất mã nguồn 4.4.2.2 Phần mềm Keil C: Là phần mềm hỗ trợ người dùng trong việc lập trình vi điều khiển các dòng khác nhau (Atmel, AVR, ). Keil C giúp người dùng soạn thảo và biên dịch chương trình C hay cả ASM thành ngôn ngữ máy để nạp cho vi điều khiển giúp chúng ta tương tác giữa vi điều khiển với người lập trình. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 53 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.28 Phần mềm Keil C Uvision 5 Tạo Project Keil C: Mở Keil C lên Project -> new Uvision Project Hình 4.29 Tạo Project Keil C Sau đó đặt tên cho project, ví dụ: GPIOdemo và chọn thư mục lưu để project. Bạn nên đặt tên thư mục trùng tên project để dễ nhớ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 54 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.30 Đặt tên cho project. Sau đó sẽ chọn chip chúng ta sử dụng: Hình 4.31 Chọn chip Tiếp theo, trong bảng Manage Run-Time Enviroment. Các bạn có thể tích để sử dụng CMSIS mới nhất của Keil C nó sẽ link với thư viện ổ C. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 55 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.32 Chọn CMSIS. Bây giờ bạn copy thư viện StdPeriph_Driver download ở post trước vào thư mục chứa project ‘GPIOdemo’. Hình 4.33 Copy thư viện. Tạo thêm folder User để cho file mình code vào đó. Thư mục project ‘GPIOdemo’ gồm các thư mục và file như dưới đây. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 56 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.34 Tạo thêm Folder User Bây giờ mở lại GPIOdemo project để cài đặt project. Cài đặt Create hex file tại tab Output. Hình 4.35 Cài đặt project  Trong ô define điền: USE_STDPERIPH_DRIVER (Sử dụng thư viện peripheral của ST)  STM32F10X_MD: Sử dụng chip medium destiny (STM32F103C8T6 là chíp medium destiny)  Tích ô C99: Sử dụng chuẩn biên dịch C99. Nếu không tích sẽ gặp một số lỗi như biên dịch khi khai báo biến nằm thân chương trình. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 57 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.36 Chuyển sang task C/C++ Vẫn trong tab C/C++ bạn cần trỏ tất cả đường dẫn tới folder chứa file và thư viện biên dịch như user, CMSIS, Startup, StdPeriph_Driver. Hình 4.37 Trỏ tất cả đường dẫn tới folder chưa file Cài đặt mạch nạp. Ở đây dùng STlink V2 để nạp code và debug. Nếu muốn kiếm tra xem mạch nạp và có hoạt động hay không chọn Setting. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 58 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.38 Cài đặt mạch nạp. Vậy là xong phần cài đặt Keil C. Bây giờ cần tạo file main.c bằng cách nhấn CTRL+N hoặc File->New. Hình 4.39 Tạo file main.c Sau đó nhấn CTRL+S để lưu file main.c BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 59 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.40 Lưu file main.c 4.4.2.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại Android studio: Android Studio là một phầm mềm bao gồm các bộ công cụ khác nhau dùng để phát triển ứng dụng chạy trên thiết bị sử dụng hệ điều hành Android như các loại điện thoại smartphone, các tablet... Android Studio được đóng gói với một bộ code editor, debugger, các công cụ performance tool và một hệ thống build/deploy (trong đó có trình giả lập simulator để giả lập môi trường của thiết bị điện thoại hoặc tablet trên máy tính) cho phép các lập trình viên có thể nhanh chóng phát triển các ứng dụng từ đơn giản tới phức tạp. Hình 4.41 Phần mềm Android studio Cách tạo Project: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 60 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Bước 1: Khởi động Android Studio -> File -> chọn New -> chọn New Project -> Nhập tên ứng dụng (Application name), chỉ định thư mục chứa source code (Project location) -> chọn Next. Hình 4.42 Tạo Project Android Studio Bước 2: Chọn Phone and Tablet -> chọn phiên bản tối thiểu SDK (tương ứng với phiên bản hệ điều hành Android) -> chọn Next Hình 4.43 Chọn Phone and Tablet Bước 3: Chọn Activity, trong hình nhóm chọn Empty Activity (Việc lựa chọn Activity nào còn tùy thuộc vào mục đích của người phát triển ứng dụng) -> Next BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 61 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.44 Chọn Activity Bước 4: Nhập tên cho Activity tại Activity Name -> Finish Hình 4.45 Nhập tên cho Activity Sau khi tạo thành công project: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 62 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.46 Tạo thành công project 4.4.2.4. Tạo Firebase: Bước 1: Vào đường dẫn https://firebase.google.com và click chọn “Đăng nhập” để đăng ký tài khoản. Hình 4.47 Đăng ký tài khoản Firebase Bước 2: Chọn Add project để tạo project. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 63 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.48 Tạo project trên Frebase Bước 3: Điền thông tin để tạo project Hình 4.49 Điền thông tin tạo project Bước 4: Giao diện sau khi tạo project Hình 4.50 Giao diện sau khi tạo project Bước 5: Tạo Database cho project BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 64 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.51 Tạo Database cho project Bước 6: Giao diện sau khi tạo firebase Hình 4.52 Giao diện sau khi tạo firebase 4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC: 4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn Bước 1: Cấp nguồn 5V cho ESP8266 và khối xử lý trung tâm bằng dây cáp USB chuẩn C đồng thời cấp nguồn 24V cho Driver điều khiển TB6600 cho toàn bộ hệ thống hoạt động. Bước 2: ESP sẽ kết nối với WIFI và Firebase sau đó đợi tín hiệu gửi về từ App điện thoại. Bước 3: Điều khiển bằng màn hình cảm ứng:  Ban đầu màn hình sẽ hiển thị giao diện trang chủ gồm những thông tin về tên đề tài, giáo viên hướng dẫn, sinh viên thực hiện. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 65 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Hình 4.53 Giao diện trang chủ  Khi nhấn mũi tên bên phải sẽ chuyển sang giao diện hiển thị các thông tin thời gian, nhấn mũi tên bên trái sẽ trở về giao diện trước đó. Hình 4.54 Giao diện hiển thị các thông tin thời gian  Tiếp tục nhấn mũi tên bên phải sẽ chuyển sang giao diện đăng nhập, khi trỏ vào ô “PASSWORD” thì sẽ xuất hiện bàn phím, nhập đúng password đề vào trang điều khiển. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 66 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ TH