Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong môi trường giáo dục, việc hiện đại hóa cơ sở vật chất và tự động hóa các hoạt động quản lý, vận hành trường học đang ngày càng được chú trọng. Bên cạnh các trang thiết bị phục vụ trực tiếp công tác giảng dạy như máy chiếu, tivi hay hệ thống chấm thi trắc nghiệm và điểm danh bằng vân tay, việc báo giờ học và chuyển tiết bằng tiếng trống truyền thống tại đa số các trường tiểu học và trung học cơ sở, trung học phổ thông vẫn còn phụ thuộc chủ yếu vào thao tác thủ công của nhân viên quản lý hoặc bảo vệ. Việc đánh trống thủ công dễ dẫn đến sai lệch thời gian, thiếu tính đồng bộ và gia tăng khối lượng công việc sự vụ hàng ngày. Mô hình robot đánh trống tự động đã bước đầu được thử nghiệm tại một số cơ sở nhưng chưa được áp dụng rộng rãi và còn nhiều điểm cần hoàn thiện về tính linh hoạt trong điều khiển, khả năng kết nối không dây và giao diện giám sát từ xa.

Nhóm tác giả Trần Trung Nam và Nguyễn Gia Hậu, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phan Vân Hoàn tại Bộ môn Điện tử Công nghiệp – Y sinh, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khóa 2015 – 2019), đã thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công Robot đánh trống trong trường học". Đề tài tập trung vào việc nghiên cứu, chế tạo một hệ thống tự động hoàn chỉnh kết hợp cơ khí, phần cứng điều khiển nhúng, công nghệ truyền thông không dây và ứng dụng di động.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể gồm 6 nhiệm vụ:

  1. Xây dựng mô hình cơ khí và khung đỡ Robot đánh trống.
  2. Khảo sát và ứng dụng hoạt động của các vi điều khiển cùng màn hình cảm ứng.
  3. Thiết kế và phát triển ứng dụng di động chạy trên nền tảng hệ điều hành Android.
  4. Nghiên cứu cơ chế đồng bộ và quản lý thời gian thực.
  5. Nghiên cứu, ứng dụng các ngôn ngữ lập trình nhúng và thiết kế giao diện điều khiển.
  6. Tính toán, khảo sát hoạt động của động cơ bước và lựa chọn vật liệu cơ khí gia công phù hợp.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  • Vi điều khiển trung tâm STM32F407VG và module truyền thông không dây ESP8266 NodeMCU.
  • Màn hình WS-C LCD 7 inch cảm ứng điện dung giao tiếp qua chuẩn I2C và FSMC.
  • Động cơ bước DC với momen xoắn 3 N.m kết hợp module điều khiển công suất TB6600.
  • Công cụ phát triển ứng dụng di động Android Studio và hệ thống cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase.
  • Cơ chế trao đổi dữ liệu hai chiều giữa ứng dụng di động, màn hình cảm ứng và mạch điều khiển phần cứng.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được giới hạn như sau:

  • Phạm vi không gian và đối tượng ứng dụng: Phục vụ mô hình đánh trống tại các trường tiểu học và trung học.
  • Phạm vi chức năng: Thiết lập lịch đánh trống tự động (giờ, phút, ngày, tháng, năm), hỗ trợ thay đổi linh hoạt chế độ đánh trống theo các buổi học trong tuần.
  • Giới hạn cơ khí - động lực học: Điều khiển cơ cấu đánh trống dựa trên nguyên lý đòn bẩy, momen lực kéo của động cơ bước đạt dưới 3 N.m.
  • Giới hạn truyền thông và giám sát: Xây dựng ứng dụng điều khiển, giám sát trên Android kết hợp thao tác tại chỗ qua màn hình cảm ứng HMI; đồng bộ dữ liệu trung gian qua module WiFi ESP8266 kết nối máy chủ đám mây Firebase.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nền tảng lý thuyết kỹ thuật điện tử, vi điều khiển kiến trúc ARM Cortex-M4, kỹ thuật điều khiển động cơ bước, truyền thông không dây và công nghệ phần mềm nhúng - IoT:

Hạng mục Nền tảng lý thuyết và công nghệ sử dụng Thông số và đặc tính kỹ thuật chính
Bộ xử lý trung tâm Vi điều khiển 32-bit STM32F407VG (lõi ARM Cortex-M4) Bộ nhớ Flash 1 MB, SRAM 192+4 KB (kèm 64 KB CCM), xung nhịp tối đa 168 MHz, hỗ trợ RTC độ chính xác cao, giao tiếp FSMC, I2C, USART/UART
Truyền thông không dây Module NodeMCU v1.0 (SoC ESP8266 Espressif) Vi xử lý 32-bit, chuẩn WiFi 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz (WPA/WPA2), giao tiếp nối tiếp UART tốc độ Baud lên tới 115200 bps, tích hợp TCP/IP stack
Mạch công suất động cơ Driver TB6600 (IC TB6600HQ/HG) Điện áp nguồn vào 9V – 42V DC, dòng cấp cực đại 4A (tùy chỉnh công tắc gạt), công suất tối đa 160W, tích hợp cách ly quang, bảo vệ quá dòng, quá áp
Cơ cấu chấp hành Động cơ bước 2 pha SUMTOR 57HS11240A4D8 Momen xoắn định mức 3 N.m, dòng điện danh định 4.2A, góc bước 1.8° (200 bước/vòng), chiều dài thân 112 mm, mặt bích 57 mm, trục 8 mm
Hiển thị và thao tác Màn hình HMI LCD 7 inch Waveshare Màn hình cảm ứng điện dung, độ phân giải 800 x 480 pixels, giao diện điều khiển qua chuẩn FSMC/UART và đọc cảm ứng I2C
Chuẩn truyền thông nối tiếp Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp UART không đồng bộ Tốc độ truyền định sẵn, cấu hình khung truyền gồm bit Start, Data bit, Parity bit và Stop bit để truyền nhận giữa STM32, ESP8266 và HMI
Cơ sở dữ liệu đám mây Nền tảng Google Firebase Dịch vụ Firebase Realtime Database (CSDL NoSQL dạng JSON phân cấp), cơ chế đồng bộ dữ liệu thời gian thực qua giao thức bảo mật SSL

Phương pháp nghiên cứu thực tế được thực hiện qua các bước:

  • Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu cấu trúc phần cứng vi điều khiển ARM STM32F4, cấu trúc thanh ghi ngoại vi, nguyên lý băm xung điều khiển dòng điện động cơ bước và cơ chế truyền nhận dữ liệu qua giao thức UART/WiFi.
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng mạch điện tử: Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) phân tách giữa khối điều khiển tín hiệu số và khối công suất, sử dụng linh kiện hạ áp LM2576 để đảm bảo độ ổn định nguồn.
  • Phương pháp thiết kế và gia công cơ khí: Tính toán cơ cấu đòn bẩy truyền lực từ trục động cơ bước sang dùi trống, gia công khung giá đỡ robot và bệ đỡ tang trống bằng thép và tấm Formex.
  • Phương pháp phát triển phần mềm và tích hợp hệ thống: Lập trình nhúng cho STM32 bằng ngôn ngữ C trên môi trường Keil C uVision 5 kết hợp cấu hình STM32CubeMX; lập trình vi điều khiển ESP8266 trên Arduino IDE; phát triển ứng dụng di động Android bằng Java trên Android Studio.
  • Phương pháp thực nghiệm và kiểm thử: Đo đạc thực tế thời gian đáp ứng, kiểm tra độ chính xác của nhịp gõ trống theo các kịch bản thời khóa biểu cài đặt trước, kiểm thử độ ổn định khi truyền nhận dữ liệu qua mạng WiFi.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống Robot đánh trống trường học được thiết kế thành một cấu trúc tích hợp gồm 6 khối chức năng chính liên kết chặt chẽ với nhau:

[Khối Firebase - App Android] <---> [Khối WiFi ESP8266]
                                          | (UART)
[Khối Màn hình cảm ứng HMI]  <---> [Khối điều khiển trung tâm STM32F407]
                                          | (Tín hiệu xung/hướng/enable)
[Khối Nguồn 24V-5A & 12V-2A] ---> [Khối Driver TB6600] ---> [Khối Động cơ bước 57HS11240A4D8]

Kiến trúc phần cứng và sơ đồ nguyên lý

Hệ thống phần cứng phân định rõ ràng giữa mạch điều khiển xử lý tín hiệu và mạch cấp nguồn công suất:

  • Khối điều khiển trung tâm (STM32F407VGT6): Đóng vai trò hạt nhân xử lý toàn bộ thuật toán thời gian thực, quét dữ liệu cảm ứng từ màn hình LCD 7 inch qua bus FSMC và I2C, nhận lệnh cấu hình từ ESP8266 qua cổng UART, từ đó tính toán phát xung điều khiển tới Driver TB6600.
  • Khối giao tiếp công suất và động cơ: Module TB6600 nhận các tín hiệu số từ chân GPIO của STM32F407 (chân ENA+ nối PE3/PA4, DIR+ nối PE2/PA5, PUL+ nối PE4/PA6; các chân ENA-, DIR-, PUL- nối mass chung). Driver thực hiện băm xung điều khiển các cuộn dây pha $A+, A-, B+, B-$ của động cơ bước SUMTOR 57HS11240A4D8 bằng nguồn 24V DC.
  • Khối nguồn cung cấp:
    • Nguồn tổ ong AC/DC 220V sang 24V - 5A: Cung cấp năng lượng trực tiếp cho Driver TB6600 và động cơ bước để đảm bảo lực kéo cơ học.
    • Adapter 12V - 2A kết hợp mạch hạ áp IC LM2576: Chuyển đổi điện áp 12V DC xuống 5V DC (dòng tải 0.2A – 3A) cấp nguồn cho kit STM32F407VG và module ESP8266 NodeMCU. Màn hình cảm ứng nhận mức nguồn 3.3V lấy từ ngõ ra của module ESP8266.

Thiết kế cơ khí và đóng gói mô hình

  • Khung robot: Được gia công từ vật liệu kim loại chắc chắn (ống thép liền mạch kết hợp vòng bi và gối đỡ trục) để chịu được lực phản hồi khi dùi tác động mạnh vào mặt trống.
  • Cơ cấu tay đòn: Sử dụng nguyên lý đòn bẩy liên kết trực tiếp với trục động cơ đường kính 8 mm qua khớp nối và giá đỡ chuyên dụng, đảm bảo biên độ vung dùi dứt khoát và momen xoắn kéo dưới 3 N.m.
  • Khung gá và vỏ hộp: Bộ điều khiển trung tâm và các bo mạch nguồn được bố trí gọn gàng trên tấm Formex cách điện, đặt trong khung bảo vệ; chân đế gác trống được thiết kế vững chắc, giữ tang trống cố định trong suốt quá trình đánh liên tục.

Kiến trúc phần mềm và luồng dữ liệu

  1. Cấu hình phần cứng nhúng: Khởi tạo xung nhịp hệ thống 168 MHz và cấu hình chân ngoại vi bằng STM32CubeMX; viết mã nguồn điều khiển thời gian thực và ngắt giao tiếp trên Keil C uVision 5.
  2. Xử lý truyền thông IoT: ESP8266 NodeMCU thiết lập kết nối mạng WiFi cục bộ, lắng nghe các thay đổi trên cây dữ liệu của Google Firebase Realtime Database. Khi có bản tin thay đổi giờ hẹn từ app di động, ESP8266 truyền chuỗi dữ liệu qua UART về vi điều khiển STM32F407.
  3. Ứng dụng di động Android: Được xây dựng trên Android Studio, tích hợp thư viện Firebase SDK và hệ thống xác thực người dùng (Firebase Authentication). Ứng dụng cung cấp các Activity: Đăng nhập/Đăng ký tài khoản, Trang chủ hiển thị trạng thái hệ thống, Trang quan sát thời gian thực và Trang cài đặt các mốc thời gian đánh trống tự động theo tiết học.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của việc áp dụng khoa học - kỹ thuật vào trường học nhằm thay thế thao tác đánh trống thủ công. Tác giả nêu rõ mục tiêu nghiên cứu là chế tạo thành công một robot đánh trống trường học hoàn chỉnh, xác định đối tượng nghiên cứu gồm vi điều khiển ARM STM32F407VG, module ESP8266, màn hình cảm ứng điện dung 7 inch, động cơ bước 3 N.m và môi trường lập trình Android Studio kết hợp Firebase. Phạm vi đề tài tập trung vào việc hẹn giờ chính xác, tự động hóa theo thời khóa biểu trường học, điều khiển lực gõ bằng cơ cấu đòn bẩy và giới hạn momen động cơ dưới 3 N.m.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết chi tiết về các linh kiện và công nghệ sử dụng trong đề tài:

  • Khảo sát vi điều khiển STM32F407VG (lõi Cortex-M4, bộ nhớ 1 MB Flash, 192 KB RAM, tích hợp RTC, khối DMA 16 luồng, hỗ trợ FSMC và nhiều chuẩn giao tiếp ngoại vi).
  • Khảo sát module WiFi NodeMCU ESP8266 v1.0 (sơ đồ chân, cấu hình chế độ khởi động Boot Flash/UART, tập lệnh AT và kết nối mạng 802.11 b/g/n).
  • Khảo sát Driver TB6600 (nguyên lý băm xung, bảo vệ quá dòng/áp, cấu hình công tắc gạt SW1–SW3 để cài đặt vi bước từ 1 đến 1/16 bước và SW4–SW6 để chỉnh dòng tải từ 0.5A đến 4.0A).
  • Khảo sát nguyên lý động cơ bước (đơn cực, lưỡng cực, số pha, góc bước $1.8^\circ$, đặc tuyến momen ở tốc độ thấp/cao và phương pháp băm xung duy trì dòng điện).
  • Phân tích màn hình cảm ứng điện dung Waveshare 7 inch (giao tiếp I2C/FSMC, ưu điểm truyền sáng 90%, thao tác mượt mà hơn cảm ứng điện trở).
  • Lý thuyết chuẩn truyền thông UART (tốc độ baud, bit start, data, parity, stop) và dịch vụ cơ sở dữ liệu thời gian thực Google Firebase (Realtime Database, Authentication, Hosting).

Chương 3: Tính toán và thiết kế

Nội dung chương 3 tập trung hiện thực hóa các yêu cầu kỹ thuật thành sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý chi tiết:

  • Thiết lập sơ đồ khối 6 thành phần: Khối điều khiển trung tâm, Khối giao tiếp WiFi, Khối công suất TB6600, Khối động cơ bước SUMTOR, Khối điều khiển và hiển thị HMI, Khối Firebase - App Android, và Khối nguồn.
  • Tính toán lựa chọn nguồn điện: Nguồn tổ ong 24V - 5A đáp ứng dòng 4.2A của động cơ bước 57HS11240A4D8; nguồn 12V - 2A qua IC giảm áp LM2576 (ngõ vào 4.5V–60V, ngõ ra 5V DC, dòng định mức 3A) cấp cho vi điều khiển STM32F4 và ESP8266.
  • Thiết kế kết nối nguyên lý toàn mạch: Nối chân điều khiển xung (PE4), chiều quay (PE2), cho phép (PE3) từ STM32F407VG sang TB6600; kết nối UART (TX/RX) giữa STM32F407VG và ESP8266; kết nối bus FSMC và I2C với màn hình cảm ứng; cấp nguồn 3.3V cho màn hình từ module ESP8266.
  • Thiết kế kết cấu cơ khí: Lựa chọn ống thép liền mạch, gối đỡ vòng bi và giá treo động cơ để chịu tải momen gõ trống lặp lại liên tục.

Chương 4: Thi công

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo thực tế phần cứng và lập trình hệ thống:

  • Thi công bo mạch in (PCB) lớp dưới và bố trí linh kiện cho mạch nguồn hạ áp LM2576 và mạch giao tiếp điều khiển trung tâm.
  • Lắp ráp bộ điều khiển lên tấm Formex cách điện, thi công khung robot, gia công đế gác tang trống và gắn hoàn thiện cánh tay gõ dùi trống.
  • Lập trình hệ thống: Sử dụng STM32CubeMX để phân bổ chân ngoại vi, xung nhịp và xuất mã nguồn khởi tạo; dùng Keil C uVision 5 để viết chương trình điều khiển trung tâm và thuật toán đếm thời gian; lập trình ESP8266 kết nối WiFi và lắng nghe Firebase.
  • Phát triển ứng dụng Android trên Android Studio: Thiết kế các Activity giao diện đăng nhập, đăng ký, trang chủ điều khiển, quan sát giờ hệ thống và giao diện thiết lập mốc thời gian hẹn giờ gửi lên Firebase.
  • Xây dựng tài liệu hướng dẫn sử dụng và lưu đồ quy trình vận hành hệ thống từng bước.

Chương 5: Kết quả thực hiện

Chương 5 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi tích hợp toàn bộ hệ thống:

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng Robot đánh trống trường học có khả năng vận hành thực tế.
  • Khởi động hệ thống ổn định: Màn hình cảm ứng tại chỗ và App Android đồng bộ hiển thị chính xác thời gian thực.
  • Thực nghiệm tính năng hẹn giờ: Khi thời gian thực trùng khớp với mốc cài đặt (qua App hoặc màn hình HMI), vi điều khiển kích hoạt Driver TB6600 điều khiển động cơ bước kéo cánh tay đòn gõ dùi vào mặt trống theo đúng nhịp điệu và số hồi quy định.
  • Đánh giá hoạt động: Hệ thống truyền nhận dữ liệu qua WiFi và Firebase ổn định, giao diện người dùng trực quan, cơ cấu cơ khí hoạt động dứt khoát.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài và đề xuất các định hướng nâng cấp tiếp theo nhằm hoàn thiện sản phẩm phục vụ môi trường giáo dục thực tế.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thiết kế ban đầu:

  • Chế tạo thành công khối cơ khí cánh tay gõ trống sử dụng động cơ bước SUMTOR 57HS11240A4D8 (momen 3 N.m, dòng tải 4.2A) kết hợp Driver TB6600, tạo ra lực gõ đều, chắc chắn và mô phỏng chính xác nhịp điệu trống trường học.
  • Mạch điều khiển trung tâm STM32F407VG vận hành ổn định ở xung nhịp cao, quản lý chính xác thời gian thực và điều khiển phát xung chính xác cho động cơ bước.
  • Màn hình cảm ứng điện dung 7 inch Waveshare hiển thị giao diện đồ họa trực quan, cho phép thao tác cài đặt thời gian trực tiếp tại chỗ thuận tiện.
  • Xây dựng thành công ứng dụng di động Android kết nối cơ sở dữ liệu đám mây Google Firebase Realtime Database qua module WiFi ESP8266, cho phép người dùng đăng nhập tài khoản, giám sát trạng thái và đặt lịch đánh trống từ xa qua mạng không dây.
  • Mạch nguồn hạ áp sử dụng IC LM2576 cung cấp dòng áp 5V ổn định từ nguồn 12V cho các khối điều khiển tín hiệu, kết hợp nguồn tổ ong 24V - 5A riêng biệt cho phần công suất, hạn chế tối đa hiện tượng sụt áp và nhiễu điện từ.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng giải pháp kiến trúc điều khiển phân tầng: Phân tách rõ ràng giữa tầng giao tiếp IoT/Cloud (ESP8266 + Firebase), tầng điều khiển thời gian thực (STM32F407VG) và tầng công suất chấp hành (TB6600 + Động cơ bước).
  • Đề xuất thay thế phương pháp đánh trống thủ công bằng hệ thống tự động hóa có thể lập lịch linh hoạt theo từng ngày trong tuần và từng buổi học, giảm thiểu sai sót giờ giấc trong nhà trường.

Đóng góp của đề tài

So với các mô hình chuông báo điện tử đơn thuần hoặc cơ cấu gõ trống cơ học thô sơ trước đó, đề tài mang lại những đóng góp cụ thể:

  • Giữ gìn nét văn hóa truyền thống của tiếng trống trường học nhưng được tự động hóa hoàn toàn bằng robot.
  • Tích hợp công nghệ IoT hiện đại, cho phép quản lý lịch biểu tập trung từ xa qua smartphone kết hợp giao diện màn hình cảm ứng tại chỗ.
  • Đưa ra tài liệu thiết kế chi tiết từ tính toán mạch điện tử, gia công cơ khí đến mã nguồn phần mềm nhúng và ứng dụng di động, có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu và nhận xét thực nghiệm):

  • Khả năng điều khiển từ xa của ứng dụng Android phụ thuộc hoàn toàn vào kết nối Internet và sự ổn định của mạng WiFi cục bộ tại module ESP8266.
  • Kết cấu cơ khí của khung robot và đế gác trống hiện tại còn có kích thước khá cồng kềnh, được thiết kế cố định cho một kích thước tang trống nhất định, chưa có cơ cấu tự động điều chỉnh linh hoạt theo nhiều kích cỡ trống trường khác nhau.
  • Hệ thống chưa tích hợp cảm biến phản hồi lực va chạm hoặc cảm biến âm thanh để tự động đo và điều chỉnh cường độ gõ dùi trống theo độ ồn môi trường.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Tối ưu hóa kích thước khung cơ khí, thiết kế dạng module lắp ghép gọn nhẹ, có thể tăng chỉnh kích thước phù hợp với đa dạng đường kính và chiều cao mặt trống.
  • Bổ sung cảm biến âm thanh và cảm biến lực để giám sát chất lượng âm lượng tiếng trống, cảnh báo khi mặt trống bị chùng hoặc rách.
  • Nâng cấp phần mềm hỗ trợ thêm nhiều kịch bản hồi trống phức tạp (trống chào cờ, trống tập trung, trống bế mạc) và đồng bộ trực tiếp với hệ thống thời khóa biểu số của nhà trường.
  • Tích hợp module lưu điện dự phòng (UPS/Pin) đảm bảo hệ thống vẫn lưu trữ và vận hành đúng giờ khi xảy ra sự cố mất điện lưới.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, và Kỹ thuật Máy tính đang thực hiện các đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp về hệ thống nhúng và IoT.
  • Các nhóm nghiên cứu và kỹ sư phát triển sản phẩm tự động hóa cơ điện tử ứng dụng vi điều khiển ARM Cortex-M (STM32F4), module truyền thông WiFi ESP8266, driver công suất TB6600 và động cơ bước.
  • Lập trình viên muốn tìm hiểu cách thức kết nối vi điều khiển nhúng với ứng dụng di động Android qua nền tảng đám mây Google Firebase Realtime Database.

Các nội dung có giá trị tham khảo sâu trong đồ án bao gồm:

  • Sơ đồ nguyên lý toàn mạch phân tách nguồn công suất (24V) và nguồn điều khiển (5V/3.3V qua IC LM2576).
  • Quy trình cài đặt cấu hình ngoại vi trên STM32CubeMX và viết mã nguồn trên Keil C uVision 5 kết hợp giao tiếp UART tốc độ cao.
  • Lưu đồ thuật toán và mã nguồn tích hợp ứng dụng Android Studio tương tác dữ liệu hai chiều với Google Firebase.

Câu hỏi thường gặp

Vi điều khiển trung tâm STM32F407VG giao tiếp với màn hình cảm ứng Waveshare và module ESP8266 qua những chuẩn truyền thông nào?

STM32F407VG sử dụng chuẩn giao tiếp FSMC (Flexible Static Memory Controller) để truyền dữ liệu hiển thị đồ họa lên màn hình LCD 7 inch và sử dụng chuẩn giao tiếp $I^2C$ để đọc tọa độ thao tác cảm ứng điện dung. Đối với module WiFi ESP8266 NodeMCU, STM32F407VG thực hiện truyền nhận dữ liệu nối tiếp không đồng bộ thông qua 2 đường tín hiệu TX và RX của chuẩn UART.

Nguồn cấp cho các khối trong hệ thống Robot đánh trống được thiết kế như thế nào?

Hệ thống sử dụng hai nguồn cấp riêng biệt để chống sụt áp và nhiễu:

  • Bộ nguồn tổ ong 24V - 5A (ngõ vào AC 220V) cung cấp dòng công suất trực tiếp cho Driver TB6600 và động cơ bước 57HS11240A4D8.
  • Nguồn Adapter 12V - 2A đi qua mạch giảm áp IC LM2576 để tạo ra nguồn 5V DC cấp cho board vi điều khiển STM32F407VG và module ESP8266 NodeMCU. Màn hình cảm ứng nhận nguồn 3.3V lấy từ ngõ ra của module ESP8266.

Động cơ bước SUMTOR 57HS11240A4D8 và Driver TB6600 được kết nối và điều khiển bằng những chân tín hiệu nào từ STM32F407VG?

Driver TB6600 nhận 3 tín hiệu điều khiển từ cổng vào/ra của STM32F407VG: chân cho phép hoạt động ENA+ kết nối với chân PE3 (hoặc PA4), chân đảo chiều quay DIR+ kết nối với PE2 (hoặc PA5), và chân cấp xung tốc độ PUL+ kết nối với PE4 (hoặc PA6); các chân ENA-, DIR-, PUL- được nối mass chung (GND). Ngõ ra công suất của TB6600 gồm 4 chân $A+, A-, B+, B-$ nối trực tiếp vào 2 cặp cuộn dây pha của động cơ bước.

Cơ sở dữ liệu Google Firebase đóng vai trò gì trong hoạt động của hệ thống?

Google Firebase cung cấp dịch vụ Realtime Database hoạt động trên nền tảng đám mây, đóng vai trò làm máy chủ trung gian lưu trữ dữ liệu thời gian thực và lịch hẹn đánh trống. Ứng dụng Android của người dùng gửi các mốc thời gian cài đặt lên Firebase; module ESP8266 liên tục kết nối Internet để đọc các giá trị thay đổi từ Firebase và chuyển tiếp qua UART về vi điều khiển STM32F407VG để thực thi lệnh gõ trống.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công Robot đánh trống trường học" của sinh viên Trần Trung Nam và Nguyễn Gia Hậu đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa tiếng trống trường học thông qua sự kết hợp giữa cơ cấu đòn bẩy cơ khí, vi điều khiển ARM STM32F407VG, động cơ bước công suất 3 N.m và công nghệ IoT. Hệ thống cho phép quản lý, giám sát và cài đặt lịch đánh trống linh hoạt cả tại chỗ qua màn hình cảm ứng điện dung 7 inch lẫn từ xa qua ứng dụng di động Android kết nối Google Firebase. Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm của đồ án cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết, có tính ứng dụng thực tiễn cao cho việc hiện đại hóa cơ sở vật chất trong các cơ sở giáo dục.