Đồ án tốt nghiệp Robot giao thức ăn - SV Lê Minh Tâm - ĐH SPKT TPHCM

Tải full đồ án tốt nghiệp Robot giao thức ăn chi tiết. Báo cáo gồm sơ đồ, code tham khảo điều khiển tự động, qua Wifi bằng vi điều khiển STM32F4.

• Tác giả: Lê Minh Tâm
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Ngô Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông
• Đề tài: Robot Giao Thức Ăn (STM32F4)
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về Robot giao thức ăn STM32F4

Robot giao thức ăn là một giải pháp tự động hóa hiện đại được thiết kế nhằm giải quyết các thách thức trong ngành phục vụ, đặc biệt là trong bối cảnh dịch bệnh COVID-19. Dự án này được phát triển dựa trên nền tảng Kit STM32F4 Discovery, một vi điều khiển mạnh mẽ có khả năng xử lý các tác vụ phức tạp. Robot này có khả năng hoạt động tự động hoặc được điều khiển từ xa thông qua ứng dụng Blynk trên điện thoại thông minh. Sản phẩm kết hợp nhiều công nghệ hiện đại bao gồm cảm biến dò line, cảm biến vật cản, mô-đun WiFi ESP8266, và hệ thống âm thanh tích hợp. Mục tiêu của dự án là tạo ra một robot giao thức ăn thông minh, an toàn và dễ sử dụng, có thể được ứng dụng thực tế trong các nhà hàng, bệnh viện và các cơ sở dịch vụ khác.

1.1. Ý nghĩa và tính cần thiết của dự án

Sản phẩm Robot giao thức ăn STM32F4 giải quyết nhu cầu cấp thiết trong thực tế hiện nay. Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Trung Quốc và Hàn Quốc, robot phục vụ đã được áp dụng rộng rãi. Tuy nhiên, tại Việt Nam, sản phẩm này còn khá khan hiếm. Dự án này mang đến một giải pháp tiết kiệm chi phí, tăng hiệu suất phục vụ, và giảm nguy hiểm lây nhiễm bệnh trong thời kỳ dịch bệnh.

1.2. Các chức năng chính của robot

Robot được trang bị các chức năng hỗ trợ bao gồm: di chuyển tự động theo line, nhận biết chính xác điểm giao thức ăn, đợi xác nhận từ người dùng, điều khiển từ xa qua WiFi, phát âm thanh cảnh báo và hiển thị thông tin trên màn hình LCD 1602. Hệ thống này hoàn toàn tự chủ và có thể dễ dàng tích hợp vào môi trường thực tế.

II. Cấu trúc phần cứng và các linh kiện chính

Hệ thống Robot giao thức ăn được xây dựng trên một nền tảng phần cứng vô cùng vững chắc với sự kết hợp của nhiều linh kiện chất lượng cao. Bộ vi điều khiển STM32F4 Discovery là trái tim của hệ thống, điều khiển tất cả các hoạt động của robot. Các mô-đun cảm biến bao gồm cảm biến dò line TCRT5000 để điều khiển chuyển động, cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK để tránh va chạm, và cảm biến cảm ứng điện dung TTP223B cho các đầu vào. Hệ thống động lực được cung cấp bởi các động cơ giảm tốc DC JGA25-370 được điều khiển thông qua mô-đun L298N. Ngoài ra, robot tích hợp mô-đun WiFi ESP8266 NodeMCU để kết nối mạng, mô-đun âm thanh DFPlayer Mini và khuếch đại âm thanh PAM8403 cho hệ thống phát âm thanh, cùng với màn hình LCD 1602 giao tiếp I2C để hiển thị thông tin.

2.1. Vi điều khiển STM32F4 Discovery trái tim của hệ thống

STM32F4 Discovery là một vi điều khiển mạnh mẽ với bộ xử lý ARM Cortex-M4 tần số cao, cung cấp khả năng tính toán vượt trội. Kit này được trang bị các giao tiếp phong phú bao gồm UART, SPI, I2C, và GPIO đa dụng. Lợi thế nổi bật là giá thành rẻ nhưng hiệu năng cao, dễ lập trình và có cộng đồng hỗ trợ lớn.

2.2. Hệ thống cảm biến và điều khiển chuyển động

Hệ thống sử dụng cảm biến TCRT5000 để dò theo đường kẻ, cho phép robot di chuyển chính xác. Cảm biến E18-D80NK phát hiện chướng ngại vật trong phạm vi an toàn. Động cơ DC JGA25-370 với hộp giảm tốc cung cấp mô-men quay lớn, được điều khiển bởi mô-đun L298N cho phép điều khiển tốc độ và chiều quay linh hoạt.

III. Hệ thống giao tiếp và kết nối mạng không dây

Một trong những điểm nổi bật của Robot giao thức ăn STM32F4 là khả năng kết nối không dây thông qua mô-đun WiFi ESP8266 NodeMCU. Mô-đun này cho phép robot kết nối với mạng WiFi cục bộ, từ đó có thể nhận lệnh từ ứng dụng điều khiển Blynk trên điện thoại thông minh. Hệ thống giao tiếp I2C được sử dụng để kết nối màn hình LCD 1602, cho phép hiển thị thông tin trực quan. Giao thức hồng ngoại NEC được tích hợp thông qua mô-đun KY-005 (phát) và mô-đun KY-022 (thu), tạo khả năng điều khiển từ xa bằng remote. Các giao tiếp này được quản lý hiệu quả bởi STM32F4, đảm bảo truyền thông ổn định và đáng tin cậy. Nhờ vào những tính năng này, robot có thể được điều khiển linh hoạt từ nhiều thiết bị khác nhau, tùy theo nhu cầu sử dụng.

3.1. Mô đun WiFi ESP8266 và ứng dụng Blynk

ESP8266 NodeMCU là mô-đun WiFi mini nhưng vô cùng hiệu quả, hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n. Ứng dụng Blynk cung cấp giao diện người dùng trực quan, cho phép điều khiển robot từ xa qua smartphone. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống điều khiển linh hoạt, có thể monitoization hoạt động của robot thời gian thực.

3.2. Giao tiếp I2C và hiển thị thông tin

Giao tiếp I2C cho phép kết nối màn hình LCD 1602 với STM32F4 chỉ bằng 2 dây (SDA và SCL). Chuẩn này giúp giảm số chân GPIO cần sử dụng. Màn hình LCD 1602 hiển thị trạng thái robot, thông báo giao hàng, và các thông tin quan trọng khác, giúp người dùng theo dõi hoạt động dễ dàng hơn.

IV. Các chức năng ứng dụng và phương pháp triển khai

Robot giao thức ăn STM32F4 được thiết kế với các chức năng ứng dụng toàn diện, đáp ứng nhu cầu thực tế trong môi trường phục vụ. Robot có khả năng tự động di chuyển theo line được vẽ trên mặt đất, nhận biết chính xác điểm cần giao thức ăn, và chờ xác nhận từ khách hoặc nhân viên. Khi hoàn tất giao thức ăn, robot tự động tiếp tục tới bàn tiếp theo trong danh sách. Hệ thống phát âm thanh cảnh báo để thông báo sự có mặt của robot, giúp tăng sự chú ý. Ngoài chế độ tự động, robot còn có thể được điều khiển thủ công qua ứng dụng Blynk hoặc remote điều khiển. Dự án này hoàn toàn có thể ứng dụng thực tế trong nhà hàng, bệnh viện, khách sạn, và các cơ sở dịch vụ khác. Sự kết hợp giữa tính tự động hóa và tính linh hoạt của robot làm cho nó trở thành một giải pháp lý tưởng cho ngành phục vụ hiện đại.

4.1. Chế độ tự động và nhận biết vị trí giao thức ăn

Chế độ tự động cho phép robot di chuyển theo đường kẻ được xác định trước mà không cần can thiệp của con người. Cảm biến dò line TCRT5000 phát hiện và điều khiển hướng chuyển động. Khi tới điểm giao hàng, cảm biến hồng ngoại xác nhận vị trí, robot dừng lại và phát âm thanh thông báo. Chức năng này giúp tối ưu hóa hiệu suất phục vụ và giảm sai sót.

4.2. Điều khiển từ xa và tích hợp thực tế

Điều khiển từ xa qua Blynk cho phép người dùng điều phối robot từ bất kỳ nơi đâu có kết nối WiFi. Robot có thể được dừng, khởi động lại hoặc đổi hướng dễ dàng. Dự án này được thiết kế để tích hợp thực tế với các hệ thống hiện tại, chỉ cần thay đổi cấu hình đơn giản. Đây là một giải pháp khả thi cho các nhà hàng và bệnh viện muốn hiện đại hóa dịch vụ phục vụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu chung đề tài.  Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết.  Chương 3: Thiết kế và xây dựng hệ thống: Thiết kế, tính toán, đưa ra phương án và lựa chọn các thành phần.  Chương 4: Kết quả: Minh chứng kết quả thực hiện, mô hình thi công và giao diện ứng dụng điều khiển.

 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. 2 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương 2, em trình bày về tất cả cơ sở lý thuyết mà em sử dụng trong đề tài, cụ thể là thông tin về: - Kit STM32F4 Discovery - Nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B - Mô-đun điều khiển động cơ L298N - Động cơ giảm tốc DC JGA25-370 - Mô-đun cảm biến dò line đơn TCRT5000 - Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK - Arduino ATTiny85 Digispark USB - Arduino Uno R3 - Mô-đun phát hồng ngoại KY-005 và mô-đun thu hồng ngoại KY-022 - Mô-đun Wifi ESP8266 NodeMCU - Ứng dụng Blynk - Mô-đun LCD 1602 giao tiếp I2C - Chuẩn giao tiếp I2C - LED 5mm - Mạch phát âm thanh DFPlayer Mini - Mô-đun khuếch đại âm thanh PAM8403 - Mô-đun giảm áp DC XL4015 có chỉnh dòng 2.1 Kit STM32F4 Discovery Kit STM32F4 Discovery tận dụng các khả năng của bộ vi điều khiển hiệu suất cao STM32F407, để cho phép người dùng dễ dàng phát triển các ứng dụng có âm thanh. Nó bao gồm mọi thứ cần thiết cho người mới bắt đầu hoặc người dùng có kinh nghiệm để nhanh chóng bắt đầu. Nó bao gồm một công cụ gỡ lỗi nhúng ST-LINK, một gia tốc kế kỹ thuật số ST-MEMS, micrô kỹ thuật số, một âm thanh DAC với trình điều khiển loa lớp D tích hợp, đèn LED, nút nhấn và đầu nối micro-AB USB OTG.

Có thể mở rộng chức năng của Kit STM32F4 Discovery có kết nối ethernet, màn hình LCD và hơn thế nữa. Kit STM32F4 Discovery đi kèm với các thư viện phần mềm hoàn toàn miễn phí STM32 và các ví dụ có sẵn với gói STM32Cube.1 Kit STM32F4 Discovery.2 Sơ đồ khối phần cứng. 4  Thông số kỹ thuật chính  Bộ vi điều khiển STM32F407VGT6 có ARM Cortex -M4 32 bit với lõi FPU, bộ nhớ Flash 1 Mbyte, RAM 192 Kbyte trong gói LQFP100.  Tích hợp sẵn mạch nạp ST-LINK / V2-A trên bo mạch.

 USB ST-LINK với khả năng liệt kê lại và ba giao diện khác nhau: - Cổng Debug (Debug port) - Cổng Com ảo (Vitual Com port) - Dữ liệu chung (Mass storage)  Cấp nguồn cho bo mạch: thông qua bus USB hoặc từ điện áp nguồn 5V bên ngoài.  Cấp nguồn cho ứng dụng bên ngoài: 3V và 5V.  Cảm biến chuyển động và gia tốc 3 trục LIS302DL, ST MEMS.  Cảm biến âm thanh MP45DT02 ST-MEMS micro kỹ thuật số đa hướng.

 Bộ xử lý âm thanh CS43L22 với trình điều khiển loa lớp D tích hợp.  Tám đèn LED: - LD1 (đỏ / xanh) cho giao tiếp USB - LD2 (màu đỏ) bật nguồn 3,3 V - Bốn đèn LED người dùng có thể lập trình, LD3 (cam), LD4 (xanh lá cây), LD5 (đỏ) và LD6 (xanh dương) - Đèn LED USB OTG LD7 (màu xanh lá cây) VBUS và LD8 (màu đỏ) báo khi quá dòng  Hai nút nhấn (nút người dùng và nút reset).  USB OTG FS với đầu nối micro-AB.  Header mở rộng cho tất cả I /O LQFP100 để kết nối nhanh với bo mạch tạo mẫu và thăm dò dễ dàng.

 Phần mềm hoàn toàn miễn phí bao gồm nhiều ví dụ khác nhau, một phần của gói STM32CubeF4 hoặc STSW-STM32068 để sử dụng các thư viện tiêu chuẩn cũ.  Sơ đồ chân Kit STM32F4 Discovery bao gồm 100 chân và mỗi chân được tích hợp nhiều chức năng khác nhau. Sau đây em sẽ trình bày các chân được sử dụng trong đề tài và chức năng cụ thể của chúng trong đề tài này. Ngoài ra nếu muốn tham khảo thêm sơ đồ chân đầy đủ thì có thể truy cập vào Link được đặt trong phần tài liệu tham khảo.1 Sơ đồ chân của Kit STM32F4 Discovery.

Thứ tự chân Tên gọi Mô tả P1_11 PA1/ GPIO_Output Ngõ ra P1_14 PA2/ GPIO_Output Ngõ ra P1_13 PA3/ GPIO_Output Ngõ ra P1_16 PA4/ GPIO_Output Ngõ ra P1_15 PA5/ GPIO_Output Ngõ ra P1_18 PA6/ GPIO_Output Ngõ ra P1_17 PA7/ GPIO_Output Ngõ ra P2_42 PA13/ GPIO_Input Ngõ vào P2_39 PA14/ GPIO_Input Ngõ vào P2_40 PA15/ GPIO_Input Ngõ vào P2_28 PB3/ GPIO_Output Ngõ ra P2_25 PB4/ GPIO_Output Ngõ ra P2_26 PB5/ GPIO_Output Ngõ ra P2_23 PB6/SCL Tín hiệu Clock P2_24 PB7/SDA Tín hiệu Data P1_34 PB10/GPIO_Input Ngõ vào P1_35 PB11/GPIO_Input Ngõ vào P1_36 PB12/GPIO_Input Ngõ vào P1_37 PB13/GPIO_Input Ngõ vào P1_38 PB14/GPIO_Input Ngõ vào P1_39 PB15/GPIO_Input Ngõ vào P2_36 PD0/ GPIO_Input Ngõ vào P2_33 PD1/ GPIO_Input Ngõ vào P2_34 PD2/ GPIO_Input Ngõ vào P2_31 PD3/ GPIO_Input Ngõ vào P2_32 PD4/ GPIO_Input Ngõ vào P1_40 PD8/ GPIO_Input Ngõ vào P1_41 PD9/ GPIO_Input Ngõ vào P1_42 PD10/ GPIO_Input Ngõ vào P1_43 PD11/ GPIO_Input Ngõ vào P1_44 PD12/ GPIO_Input Ngõ vào P1_45 PD13/ GPIO_Input Ngõ vào P2_17 PE0/ GPIO_Output Ngõ ra 6 P2_15 PE2/ GPIO_Input Ngõ vào P2_16 PE3/ GPIO_Input Ngõ vào P2_13 PE4/ GPIO_Input Ngõ vào P2_14 PE5/ GPIO_Input Ngõ vào P1_27 PE9/TIM1_CH1 Timer 1 Channel 1 P1_29 PE11/TIM1_CH2 Timer 1 Channel 2 P1_30 PE12/GPIO_Output Ngõ ra P1_31 PE13/GPIO_Output Ngõ ra P1_32 PE14/GPIO_Output Ngõ ra P1_33 PE15/GPIO_Output Ngõ ra P2_3 5V Nguồn 5V P2_50 GND Nối đất  Nguồn điện và lựa chọn nguồn điện Nguồn điện được cung cấp bởi máy tính chủ thông qua cáp USB hoặc nguồn điện 5V bên ngoài. Đi-ốt D1 và D2 bảo vệ chân 5V và 3V khỏi nguồn điện bên ngoài:  5V và 3V có thể được sử dụng làm nguồn điện đầu ra khi một bảng ứng dụng khác được kết nối với các chân P1 và P2. Trong trường hợp này, chân 5V và 3V cung cấp nguồn điện 5V hoặc 3V và công suất tiêu thụ phải thấp hơn 100 mA.  5V cũng có thể được sử dụng làm nguồn điện đầu vào, ví dụ: khi đầu nối USB không được kết nối với máy tính.

Trong trường hợp này, bo mạch STM32F4 Discovery phải được cấp nguồn bởi bộ cấp nguồn hoặc thiết bị phụ trợ tuân theo tiêu chuẩn EN-60950-1: 2006 + A11 / 2009 và phải là Điện áp cực thấp An toàn (SELV) với khả năng cấp nguồn hạn chế.  Các LED  LD1 COM: Trạng thái mặc định của LD1 là màu đỏ. LD1 chuyển sang màu xanh lục để cho biết rằng liên lạc đang diễn ra giữa PC và ST-LINK / V2.  LD2 PWR: đèn LED màu đỏ cho biết bo mạch đã được cấp nguồn.

 User LD3: đèn LED màu cam là đèn LED người dùng được kết nối với I/O PD13 của STM32F407VGT6.  User LD4: đèn LED màu xanh lá cây là đèn LED người dùng được kết nối với I/O PD12 của STM32F407VGT6. 7  User LD5: LED đỏ là LED người dùng được kết nối với I/O PD14 của STM32F407VGT6.  User LD6: đèn LED màu xanh lam là đèn LED người dùng được kết nối với I/O PD15 của STM32F407VGT6.

 USB LD7: đèn LED màu xanh lá cây cho biết khi VBUS hiện diện trên CN5 và được kết nối với PA9 của STM32F407VGT6.  USB LD8: đèn LED màu đỏ cho biết quá dòng từ VBUS của CN5 và được kết nối với I/O PD5 của STM32F407VGT6.  Các nút nhấn  B1 USER: Các nút người dùng và đánh thức được kết nối với I/O PA0 của STM32F407VG.  B2 RESET: Nút nhấn được kết nối với NRST được sử dụng để RESET STM32F407VG.2 Nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B Mini Nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B Mini là nút nhấn cảm ứng điện dung một chạm có kích thước nhỏ gọn, thường được sử dụng trong các ứng dụng cảm ứng điện dung như bàn phím, nút nhấn, công tắc, báo động,… Sơ đồ mạch tham chiếu của nút nhấn cảm ứng TTP223B Mini được thể hiện trong hình 2.3 Nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B Mini.4 Sơ đồ mạch tham chiếu của nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B Mini.

 Thông số kỹ thuật  IC chính: TTP223B  Điện áp làm việc: 3,3V ~ 5,5V DC  Dòng điện tiêu thụ: 0.025mA  Kích thước mô-đun: 15mm x 11mm  Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng điện dung (0 ~ 50pF) bên ngoài  Cảm ứng xuyên qua các phi kim như kính, nhựa, acrylic,.  Phát hiện cảm ứng ổn định của cơ thể người để thay thế phím nhấn trực tiếp truyền thống  Tất cả các chế độ đầu ra có thể được chọn hoạt động ở mức cao hoặc hoạt động ở mức thấp theo tùy chọn pad (chân AHLB)  Sau khi bật nguồn có thời gian ổn định khoảng 0,5 giây, trong thời gian không chạm vào bàn phím và chức năng bị tắt  Sơ đồ chân Bảng 2.2 Sơ đồ chân của nút nhấn điện dung TTP223B. Thứ tự chân Tên gọi Mô tả 1 GND Nối đất 2 I/O Ngõ vào / Ngõ ra 3 VCC Nguồn 5V 9  Hoạt động  Cấp nguồn 3,3V ~ 5,5VDC vào chân VCC và GND.  Nếu có thao tác chạm cảm ứng chân OUT sẽ xuất tín hiệu và đèn LED sẽ sáng báo hiệu.

 Cấu hình cho nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B Có bốn cấu hình khác nhau cho nút nhấn cảm ứng điện dung này, được giải thích chi tiết bên dưới. Cấu hình 1  Để có được cấu hình, cả hai đầu A và B phải ở vị trí mở.  Trạng thái đầu ra mặc định sẽ ở mức THẤP  Thay đổi trạng thái (thành CAO) khi phát hiện chạm và sẽ trở về trạng thái mặc định khi chạm được thả ra Cấu hình 2  Để có được cấu hình, cả hai A phải được mở và B phải ở vị trí đóng.  Trạng thái đầu ra mặc định sẽ ở mức THẤP  Thay đổi trạng thái khi một chạm được phát hiện và vẫn ở trạng thái đó cho đến khi phát hiện một chạm khác.

Cấu hình 3  Để có được cấu hình, cả hai A phải được đóng và B phải ở vị trí mở.  Trạng thái đầu ra mặc định sẽ CAO  Thay đổi trạng thái (thành THẤP) khi phát hiện một chạm và sẽ trở về trạng thái mặc định khi chạm được thả ra Cầu hình 4  Để có được cấu hình, cả hai đầu A và B phải được đặt ở vị trí đóng.  Trạng thái đầu ra mặc định sẽ CAO  Thay đổi trạng thái khi một chạm được phát hiện và vẫn ở trạng thái đó cho đến khi phát hiện một chạm khác.5 Cấu hình cho nút nhấn cảm ứng điện dung TTP223B.  Điều chỉnh độ nhạy cảm ứng Độ nhạy có thể điều chỉnh bằng cách thêm một điện dung, giá trị của tụ điện dao động từ 0 đến 50 pf, trong đó 0pf cho độ nhạy đầy đủ và 50pf sẽ cho độ nhạy thấp nhất.