Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật và tự động hóa phát triển, các thiết bị cơ điện tử và robot ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhằm thay thế sức lao động thủ công của con người trong nhiều lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt. Tại môi trường học đường, các trang thiết bị kỹ thuật như máy chiếu, truyền hình, hệ thống chấm thi trắc nghiệm hay máy quét vân tay điểm danh đã dần được đưa vào vận hành nhằm nâng cao hiệu quả quản trị và giảng dạy. Tuy nhiên, hoạt động báo giờ học tập tại phần lớn các cơ sở giáo dục hiện nay—đặc biệt là khối trường tiểu học và trung học—vẫn duy trì việc đánh trống thủ công theo hiệu lệnh thời gian cố định. Phương thức này phụ thuộc hoàn toàn vào nhân lực trực tiếp, dễ xảy ra sai lệch về thời gian và nhịp trống.
Mô hình robot đánh trống tự động đã xuất hiện ở một số nơi nhưng chưa được triển khai phổ biến và cấu trúc vận hành vẫn còn nhiều điểm cần cải tiến. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và thi công robot đánh trống trong trường học" được nhóm tác giả Trần Trung Nam và Nguyễn Gia Hậu thực hiện 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 TP. Hồ Chí Minh.
Mục tiêu nghiên cứu của đồ án bao gồm 6 nội dung:
- Xây dựng mô hình Robot đánh trống hoàn chỉnh về cơ khí và điều khiển.
- Khảo sát và ứng dụng hoạt động của các vi điều khiển và màn hình cảm ứng.
- Nghiên cứu phương thức thiết kế ứng dụng di động vận hành trên nền tảng Android.
- Tìm hiểu và ứng dụng việc đồng bộ hóa dữ liệu theo thời gian thực (Realtime).
- Làm chủ các ngôn ngữ lập trình nhúng, thiết kế ứng dụng và thiết kế giao diện đồ họa.
- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của động cơ bước và tính toán gia công vật liệu cơ khí.
Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: vi điều khiển ARM STM32F407VG, module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU, màn hình cảm ứng điện dung Waveshare LCD 7 inch giao tiếp FSMC và I2C, driver công suất TB6600, động cơ bước SUMTOR moment xoắn lớn hơn 3 Nm, môi trường lập trình Android Studio, cơ sở dữ liệu đám mây Google Firebase và chuẩn truyền thông nối tiếp UART.
Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo mô hình robot đánh trống cơ cấu đòn bẩy kết hợp lò xo đàn hồi dùng trong trường tiểu học và trung học; giới hạn moment kéo của động cơ dưới 3 Nm; xây dựng phần mềm đặt lịch chi tiết (giờ, phút, ngày, tháng, năm), cho phép đổi chế độ báo giờ theo buổi học thông qua màn hình cảm ứng tại chỗ hoặc qua ứng dụng Android kết nối Wi-Fi.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết về điều khiển nhúng, kỹ thuật truyền thông không dây, công nghệ cơ sở dữ liệu thời gian thực và kỹ thuật cơ điện tử. Khung lý thuyết và công nghệ chính được tác giả sử dụng gồm có:
- Kiến trúc vi điều khiển ARM Cortex-M4 (STM32F407VG): Dòng vi điều khiển 32-bit có tốc độ xử lý xung nhịp lên tới 168 MHz, bộ nhớ Flash 1 MB, SRAM 196 KB (tích hợp 64 KB CCM), tích hợp bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt (FSMC), khối đồng hồ thời gian thực (RTC) và hỗ trợ đa kênh DMA 16 luồng.
- Truyền thông không dây qua SoC ESP8266 (NodeMCU v1.0): Vi xử lý tích hợp ngăn xếp giao thức TCP/IP, hoạt động ở dải tần 2.4 GHz theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 b/g/n, hỗ trợ các chế độ Client, Access Point (AP) và Station + AP, giao tiếp với vi điều khiển qua cổng nối tiếp UART.
- Hệ thống điều khiển động cơ bước 2 pha: Sử dụng IC điều khiển chuyên dụng TB6600HQ/HG hỗ trợ cấp dòng đỉnh tới 4.5A, điện áp vận hành 9V–42V DC, tích hợp cách ly quang tốc độ cao và chế độ vi bước (Microstepping) từ bước đủ (Full step) đến 1/16 bước (tương đương 200 đến 3200 xung/vòng) giúp triệt tiêu rung giật và duy trì moment xoắn.
- Nền tảng Google Firebase: Khai thác dịch vụ Realtime Database hoạt động trên nền điện toán đám mây của Google, đồng bộ dữ liệu thời gian thực theo cấu trúc JSON thông qua giao thức bảo mật SSL, kết hợp hệ thống Firebase Authentication để xác thực định danh người dùng.
- Giao thức truyền thông UART: Chuẩn truyền dữ liệu nối tiếp không đồng bộ điểm - điểm, quy định cấu trúc khung truyền gồm Start bit, Data bit (5-9 bit), Parity bit kiểm tra chẵn lẻ và Stop bit, thiết lập ở tốc độ baud định chuẩn.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và tích hợp hệ thống kỹ thuật được áp dụng xuyên suốt đồ án, bao gồm:
- Phương pháp phân tích - tính toán cơ điện tử: Tính toán phân bổ công suất nguồn điện, xác định dòng tải và điện áp định mức cho toàn bộ hệ thống; thiết kế cơ cấu đòn bẩy chuyển đổi chuyển động quay của động cơ bước thành hành trình gõ của cánh tay robot.
- Phương pháp thiết kế mạch và gia công phần cứng: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, vẽ mạch in (PCB) hai lớp cho bo mạch nguồn và bo mạch điều khiển - giao tiếp - hiển thị; gia công cơ khí khung chịu lực bằng thép hộp.
- Phương pháp lập trình và nhúng hệ thống: Cấu hình ngoại vi STM32F407VG bằng công cụ STM32CubeMX, lập trình vi điều khiển bằng Keil C (Keil uVision 5); viết chương trình nạp cho ESP8266 qua Arduino IDE; phát triển phần mềm di động trên Android Studio.
- Phương pháp thử nghiệm thực địa: Vận hành trực tiếp mô hình với trống trường thực tế, ghi nhận độ trễ đồng bộ mạng và đánh giá lực gõ dùi trống theo các khung giờ đặt trước.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc khối phân tầng, bảo đảm tính độc lập giữa khối xử lý trung tâm, khối truyền thông dữ liệu, khối giao tiếp người - máy (HMI) và tầng chấp hành công suất.
| Khối chức năng |
Phần cứng / Linh kiện sử dụng |
Thông số kỹ thuật / Chuẩn giao tiếp |
Chức năng nhiệm vụ |
| Khối điều khiển trung tâm |
Kit vi điều khiển STM32F407VGT6 |
Lõi ARM Cortex-M4, Flash 1 MB, 168 MHz |
Nhận lệnh, xử lý thuật toán thời gian, điều khiển động cơ và gửi/nhận dữ liệu HMI |
| Khối truyền thông Wi-Fi |
Kit NodeMCU v1.0 (ESP8266 SoC) |
Wi-Fi 2.4 GHz, 802.11 b/g/n, giao tiếp UART |
Cầu nối trao đổi dữ liệu hai chiều giữa STM32 và Google Firebase |
| Khối điều khiển động cơ |
Driver công suất TB6600 (IC TB6600HQ) |
Điện áp vào 9–42V DC, dòng ra tối đa 4.0A |
Nhận xung điều khiển từ STM32, băm xung đệm dòng kéo cuộn dây động cơ |
| Khối cơ cấu chấp hành |
Động cơ bước SUMTOR 57HS11240A4D8 |
2 pha 4 dây, dòng định mức 4.2A, trục 8 mm |
Sinh moment xoắn (> 3 Nm) kéo giãn lò xo tạo chuyển động gõ đòn bẩy |
| Khối hiển thị & cài đặt |
Màn hình cảm ứng điện dung Waveshare |
Kích thước 7 inch, độ phân giải 800x480 pixels |
Giao tiếp FSMC (hiển thị) và I2C (cảm ứng), thiết lập lịch trình tại chỗ |
| Khối nguồn công suất |
Nguồn tổ ong xung chuyển mạch |
Điện áp ngõ vào 220V AC, ngõ ra 24V DC – 5A |
Cấp năng lượng tải dòng cao cho driver TB6600 và động cơ bước |
| Khối nguồn hạ áp |
Adapter 12V–2A kết hợp IC LM2576-5.0 |
Ngõ vào 12V DC, ngõ ra ổn áp 5.0V DC – 3A |
Cấp nguồn cho STM32F407, ESP8266 và màn hình cảm ứng |
Về mặt phối ghép mạch nguyên lý, vi điều khiển STM32F407VG giữ vai trò chủ đạo. Cổng truyền thông nối tiếp UART của STM32 kết nối trực tiếp với hai chân TX và RX của module ESP8266. Đường dữ liệu hiển thị hình ảnh của màn hình LCD 7 inch được ánh xạ vào bus vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp bộ nhớ ngoài FSMC (Flexible Static Memory Controller), trong khi tín hiệu tọa độ điểm chạm cảm ứng được quét qua bus I2C. Các chân điều khiển động cơ từ STM32 (PE2, PE3, PE4 hoặc ánh xạ qua PA4, PA5, PA6) cung cấp tín hiệu logic lần lượt cho các đầu vào DIR+ (chiều quay), ENA+ (cho phép hoạt động) và PUL+ (tín hiệu cấp xung bước) của driver TB6600; các chân cực âm DIR-, ENA-, PUL- được nối chung về mass (GND).
Cơ cấu cơ khí đánh trống ứng dụng nguyên lý đòn bẩy kết hợp tích năng bằng lò xo. Toàn bộ kết cấu được đỡ bằng khung thép hộp gia công cơ khí, sử dụng ống thép liền mạch cùng cụm vòng bi và gối đỡ để giảm thiểu ma sát trục xoay. Khi động cơ bước quay một góc xác định dưới tác động của chuỗi xung điều khiển, trục động cơ truyền lực kéo làm giãn lò xo đàn hồi sang hướng ngược lại. Khi đạt ngưỡng góc mở thiết lập, động cơ đổi chiều quay phối hợp cùng phản lực đàn hồi của lò xo giải phóng năng lượng qua cánh tay đòn bẩy, làm dùi trống gõ dứt khoát vào mặt trống và nảy về vị trí ban đầu theo đúng chu kỳ nhịp trống trường.
Về phần mềm, quy trình cấu hình hệ thống chia làm ba tầng:
- Tầng vi điều khiển: Khởi tạo ngoại vi bằng STM32CubeMX, thiết lập xung clock 168 MHz, cấu hình ngắt thời gian thực và quản lý xuất xung tần số cao trên Keil uVision 5.
- Tầng truyền thông đám mây: ESP8266 được nạp chương trình thiết lập kết nối Access Point cục bộ, gọi thư viện giao tiếp Firebase Realtime Database để đọc/ghi các giá trị đặt giờ.
- Tầng ứng dụng người dùng: Ứng dụng Android viết trên nền Android Studio bao gồm màn hình đăng nhập (Authentication), giao diện giám sát trạng thái thời gian thực và giao diện cài đặt lịch hẹn giờ (giờ, phút, ngày, chế độ buổi học sáng/chiều). Khi người dùng thay đổi mốc giờ trên ứng dụng, giá trị lập tức được đẩy lên Firebase, ESP8266 kéo dữ liệu mới về truyền qua UART cho STM32 cập nhật vào bảng thanh ghi so sánh thời gian thực.
Nội dung chính theo từng chương
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1 trình bày tổng quan về thực trạng ứng dụng khoa học kỹ thuật trong đời sống và trường học. Tác giả chỉ ra tính cấp thiết của việc tự động hóa công tác đánh trống trường nhằm giải phóng thời gian cho cán bộ quản lý và bảo đảm tính chuẩn xác của giờ báo tiết học. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu gồm 6 tiêu chí kỹ thuật, định hình đối tượng nghiên cứu là hệ thống nhúng lai ghép giữa STM32F407VG và ESP8266, đồng thời giới hạn phạm vi nghiên cứu trong khuôn khổ trường tiểu học và trung học với lực kéo động cơ dưới 3 Nm.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về các linh kiện, mô hình và công nghệ được ứng dụng trong đề tài:
- Trình bày thông số kỹ thuật chuyên sâu của vi điều khiển STM32F407VG ARM Cortex-M4 (Flash 1 MB, 140 I/O, FSMC, ADC 12-bit, RTC tích hợp).
- Khảo sát đặc tính kỹ thuật của module ESP8266 NodeMCU v1.0, các chế độ cấu hình khởi động (Boot mode: chế độ nạp UART, khởi động từ SPI Flash, SD-card) và tập lệnh AT.
- Phân tích nguyên lý hoạt động của driver TB6600, cấu hình dòng điện từ 0.5A đến 4.0A qua switch SW4-SW6 và cấu hình chia vi bước từ bước đủ (200 xung/vòng) đến 1/16 bước (3200 xung/vòng) qua switch SW1-SW3.
- Khảo sát các phân loại động cơ bước (đơn cực, lưỡng cực, 2 pha, 3 pha, 5 pha), so sánh phương pháp điều khiển cấp áp trực tiếp và phương pháp băm xung duy trì dòng định mức.
- Giới thiệu cấu tạo màn hình cảm ứng điện dung 7 inch Waveshare, nguyên lý hoạt động của chuẩn truyền thông nối tiếp UART và dịch vụ cơ sở dữ liệu Google Firebase Realtime Database.
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Chương 3 đi sâu vào thiết kế hệ thống và tính toán chọn lựa linh kiện:
- Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 7 khối chức năng: khối điều khiển trung tâm, khối giao tiếp Wi-Fi, khối công suất TB6600, khối động cơ bước, khối Firebase - App Android, khối màn hình cảm ứng HMI và khối cấp nguồn.
- Mô tả chi tiết lưu trình 5 bước phối hợp giữa các khối khi cấp nguồn hoạt động.
- Tính toán phụ tải điện áp và dòng tiêu thụ cho từng mạch: lựa chọn nguồn tổ ong 24V–5A cho động cơ bước SUMTOR 57HS11240A4D8 (dòng 4.2A) và thiết kế mạch giảm áp dùng IC LM2576 (ngõ vào 12V, ngõ ra 5V–3A) cấp cho bo vi điều khiển (300 mA), ESP8266 và màn hình.
- Thiết lập sơ đồ nguyên lý liên kết giữa STM32F407VG, driver TB6600, ESP8266 và màn hình cảm ứng.
- Thiết kế kết cấu cơ khí khung máy bằng thép hộp, cơ cấu cánh tay robot truyền động đòn bẩy kết hợp lò xo đàn hồi.
CHƯƠNG 4: THI CÔNG
Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình chế tạo phần cứng, đóng gói và lập trình hệ thống:
- Quy trình gia công bo mạch in (PCB) mạch nguồn và mạch điều khiển - hiển thị, bố trí linh kiện thực tế và gắn kết toàn bộ bo mạch lên tấm Formex cách điện.
- Gia công cơ khí khung robot, đế gác trống trường học bằng thép hộp và lắp ráp cơ cấu đòn bẩy truyền lực.
- Trình bày hệ thống các lưu đồ thuật toán điều khiển: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ điều khiển qua màn hình cảm ứng, lưu đồ điều khiển qua ứng dụng Android, lưu đồ đọc dữ liệu Firebase và lưu đồ phát xung điều khiển động cơ bước.
- Hướng dẫn thiết lập môi trường lập trình trên phần mềm STM32CubeMX, Keil C uVision 5, cài đặt nạp code qua ST-Link, và xây dựng giao diện ứng dụng trên Android Studio.
- Thiết lập bảng tài liệu hướng dẫn vận hành và các quy tắc thao tác bảo đảm an toàn cho hệ thống.
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm sau quá trình chế tạo và tích hợp hoàn chỉnh:
- Trình bày hình ảnh sản phẩm thực tế của mô hình robot đánh trống, bố trí lắp đặt cơ cấu gõ cạnh trống trường học.
- Ghi nhận trạng thái khởi động của toàn hệ thống khi cấp nguồn điện.
- Kiểm tra chức năng hiển thị và thay đổi thông số trên giao diện màn hình cảm ứng và ứng dụng Android.
- Thu thập số liệu giám sát thực tế về tính năng hẹn giờ đánh trống theo các khung giờ học, kiểm chứng chuyển động của cánh tay gõ khi đến đúng thời gian cài đặt.
- Phân tích nhận xét, đánh giá độ chính xác về thời gian và độ tin cậy của lực gõ dùi trống.
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chương 6 đúc kết lại các mục tiêu đã hoàn thành của đồ án bao gồm việc chế tạo thành công phần cứng cơ khí, hoàn thiện mạch điện tử điều khiển và xây dựng ứng dụng di động kết nối cơ sở dữ liệu thời gian thực. Đồng thời, chương này chỉ ra các hướng mở rộng để phát triển hệ thống trong tương lai.
Kết quả và đóng góp
Đồ án đã chế tạo thành công một mô hình hoàn chỉnh của hệ thống robot đánh trống trường học với các kết quả cụ thể:
- Chế tạo hoàn chỉnh khung máy cơ khí bằng vật liệu thép hộp chắc chắn, đế gác trống chịu lực và cơ cấu truyền động đòn bẩy liên kết lò xo kéo, cho phép cánh tay robot thực hiện các nhịp gõ trống dứt khoát với lực moment kéo động cơ bước đạt định mức trên 3 Nm.
- Chế tạo và lắp ráp thành công hai bo mạch phần cứng: mạch giảm áp ổn định công suất sử dụng IC LM2576 (ngõ ra 5V) và bo mạch tích hợp vi điều khiển STM32F407VG kết nối driver TB6600, module ESP8266.
- Tích hợp thành công giao tiếp màn hình cảm ứng điện dung 7 inch độ phân giải 800x480 pixels qua bus FSMC và I2C, hỗ trợ người dùng theo dõi giờ thực và cấu hình lịch đánh trống tại chỗ.
- Xây dựng hoàn chỉnh ứng dụng di động trên hệ điều hành Android kết nối đồng bộ hai chiều với cơ sở dữ liệu đám mây Google Firebase Realtime qua Wi-Fi 2.4 GHz, cho phép giám sát từ xa và cài đặt linh hoạt thời gian gõ (giờ, phút, ngày) cùng chế độ nhịp trống theo buổi học.
So với các giải pháp chuông điện tử thông thường hoặc các mô hình đánh trống tự động dạng cơ đơn giản trước đây, đồ án đóng góp một giải pháp tích hợp IoT hoàn chỉnh: vừa giữ được âm thanh truyền thống của tiếng trống trường học thực tế, vừa tự động hóa hoàn toàn lịch trình báo tiết với tính năng điều khiển kép (trực tiếp tại màn hình cảm ứng cục bộ hoặc điều khiển không dây từ xa qua ứng dụng di động có xác thực người dùng).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Căn cứ vào nội dung và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày, hệ thống còn một số điểm hạn chế:
- Cơ cấu cơ khí gõ dùi trống phụ thuộc vào lực đàn hồi của lò xo cơ học, sau thời gian dài vận hành có thể xảy ra hiện tượng mỏi lò xo làm suy giảm lực gõ.
- Moment lực kéo giới hạn dưới 3 Nm nên biên độ và lực đánh chỉ phù hợp với các loại trống trường kích thước vừa và nhỏ tại các trường tiểu học hoặc trung học.
- Hệ thống điều khiển qua ứng dụng di động đòi hỏi phải có mạng Wi-Fi kết nối Internet liên tục để đồng bộ cơ sở dữ liệu với Google Firebase; trường hợp mất tín hiệu mạng, việc cài đặt lịch trình chỉ có thể thực hiện trực tiếp trên màn hình cảm ứng.
Các hướng phát triển tiếp theo được đề xuất bao gồm:
- Nâng cấp và tối ưu hóa kết cấu cơ khí, nghiên cứu bổ sung cơ cấu điều chỉnh góc nâng và lực gõ linh hoạt cho nhiều kích cỡ trống trường khác nhau.
- Tích hợp thêm cảm biến phản hồi lực hoặc cảm biến âm thanh để tự động giám sát, hiệu chỉnh cường độ tiếng trống phát ra theo không gian sân trường.
- Tối ưu thuật toán đồng bộ thời gian ngoại tuyến (Offline RTC) giúp hệ thống tự duy trì lịch trình đã lưu ngay cả khi mất kết nối mạng Internet kéo dài.
Giá trị tham khảo
Đồ án là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên và học viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa và Hệ thống Nhúng:
- Tham khảo thiết kế mạch nhúng công suất: Cung cấp phương pháp chi tiết về cách phối ghép giữa dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 (STM32F407) với driver công suất cao TB6600 để điều khiển động cơ bước tải nặng.
- Tham khảo giao tiếp hiển thị đồ họa cao cấp: Tài liệu trình bày rõ cách thức điều khiển màn hình LCD màu cảm ứng điện dung thông qua bus FSMC và chuẩn I2C từ STM32, giúp giảm tải xử lý đồ họa cho CPU.
- Tham khảo mô hình IoT kết hợp ứng dụng di động: Cung cấp quy trình tích hợp toàn diện từ thiết kế giao diện Android Studio, cấu hình cơ sở dữ liệu Google Firebase Realtime Database đến lập trình giao tiếp dữ liệu qua UART bằng chip ESP8266.
Câu hỏi thường gặp
1. Vi điều khiển trung tâm và module truyền thông mạng trong đồ án sử dụng loại nào?
Hệ thống sử dụng kit vi điều khiển STM32F407VGT6 kiến trúc ARM Cortex-M4 (xung nhịp 168 MHz, bộ nhớ Flash 1 MB) làm bộ xử lý trung tâm và kit NodeMCU v1.0 tích hợp chip SoC ESP8266 (kết nối Wi-Fi chuẩn 802.11 b/g/n băng tần 2.4 GHz) làm module truyền thông trung gian.
2. Động cơ bước và mạch driver công suất được lựa chọn có thông số kỹ thuật ra sao?
Đồ án sử dụng động cơ bước SUMTOR 57HS11240A4D8 loại 2 pha 4 dây, dòng điện định mức 4.2A, đường kính trục 8 mm, tạo moment xoắn kéo lớn hơn 3 Nm. Mạch điều khiển đi kèm là driver TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG, chịu điện áp 9V–42V DC, dòng cấp tối đa 4A (đỉnh 4.5A), có cách ly quang và hỗ trợ cài đặt vi bước từ 1 đến 1/16 bước.
3. Hệ thống nguồn điện được phân bổ và tính toán hạ áp như thế nào cho từng khối thiết bị?
Hệ thống sử dụng hai nguồn độc lập: một bộ nguồn tổ ong 24V–5A chuyển đổi từ 220V AC để cấp trực tiếp cho động cơ bước và driver TB6600; một adapter 12V–2A kết hợp mạch giảm áp xung dùng IC LM2576-5.0 hạ xuống mức 5V DC (dòng tải tối đa 3A) để cấp nguồn cho bo mạch STM32F407VG, module ESP8266 và màn hình cảm ứng LCD 7 inch.
4. Dữ liệu cài đặt lịch đánh trống từ ứng dụng di động truyền tới cánh tay robot theo chu trình nào?
Người dùng thiết lập mốc thời gian trên app Android; dữ liệu được gửi lên đám mây Google Firebase Realtime Database qua mạng Wi-Fi. Module ESP8266 đọc dữ liệu mới từ Firebase rồi truyền sang STM32F407VG qua giao tiếp nối tiếp UART. STM32 so khớp với bộ đếm thời gian thực và xuất chuỗi xung kích hoạt PUL, DIR, ENA tới driver TB6600 để điều khiển động cơ bước kéo đòn bẩy gõ dùi trống khi đến giờ hẹn.
5. Màn hình cảm ứng 7 inch giao tiếp với vi điều khiển STM32F407VG qua các chuẩn tín hiệu nào?
Màn hình LCD cảm ứng điện dung Waveshare 7 inch (độ phân giải 800x480 pixels) sử dụng chuẩn bộ nhớ ngoài FSMC để truyền nhận dữ liệu hiển thị hình ảnh tốc độ cao với vi điều khiển STM32F407VG, và sử dụng chuẩn giao tiếp I2C để đọc tọa độ thao tác cảm ứng của người dùng.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công robot đánh trống trong trường học" của sinh viên Trần Trung Nam và Nguyễn Gia Hậu đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa thao tác báo giờ học đường bằng việc kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí đòn bẩy và hệ thống nhúng điều khiển hiện đại. Hệ thống tích hợp đồng bộ vi điều khiển STM32F407VG, driver TB6600 điều khiển động cơ bước công suất cao, màn hình cảm ứng HMI 7 inch và truyền thông không dây ESP8266 kết nối Google Firebase. Kết quả nghiên cứu khẳng định khả năng vận hành ổn định, đặt lịch linh hoạt qua ứng dụng di động Android và mở ra tiềm năng ứng dụng thực tế trong công tác hiện đại hóa cơ sở vật chất giáo dục.
