Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công robot đánh trống tự động trong trường học

Khám phá quy trình thiết kế và thi công robot đánh trống tự động dành cho trường học, một đồ án tốt nghiệp sáng tạo và ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Trần Trung Nam
• Người hướng dẫn: ThS. Phan Vân Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông
• Đề tài: Thiết kế và thi công robot đánh trống tự động cho trường học
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. MỤC TIÊU
• 1.3. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.4. GIỚI HẠN
• 1.5. BỐ CỤC
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN STM32F4VG
• 2.1.1. Giới thiệu
• 2.1.2. Thông số kỹ thuật
• 2.2. ESP8266 VÀ MODULE NODEMCU v1.1
• 2.2.1. Giới thiệu ESP8266
• 2.2.2. Thông số kỹ thuật
• 2.2.3. Chức năng của module ESP8266

Tóm tắt

I. Tổng quan về đề tài

Đề tài Thiết kế và thi công robot đánh trống tự động cho trường học là một dự án tốt nghiệp thuộc ngành Kỹ thuật Điện tử - Truyền thông. Mục tiêu chính của đề tài là ứng dụng công nghệ robot và hệ thống tự động vào môi trường giáo dục, cụ thể là tự động hóa việc đánh trống trong trường học. Đề tài sử dụng vi điều khiển STM32F407VG, module ESP8266, và màn hình cảm ứng để xây dựng một robot đánh trống tự động có khả năng điều khiển từ xa thông qua ứng dụng Android.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài bao gồm việc xây dựng mô hình robot đánh trống, nghiên cứu hoạt động của vi điều khiển, màn hình cảm ứng, và cách tạo ứng dụng di động trên nền tảng Android. Đề tài cũng tập trung vào việc tìm hiểu về thời gian thực, các ngôn ngữ lập trình, và hoạt động của động cơ cùng các vật liệu cơ khí.

1.2. Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm việc xây dựng mô hình robot đánh trống cho các trường tiểu học và trung học. Robot có khả năng đặt lịch đánh trống, thay đổi chế độ theo buổi học, và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng Android và màn hình cảm ứng.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài, bao gồm giới thiệu về vi điều khiển STM32F407VG, module ESP8266, và các chuẩn giao tiếp như UART. Đây là nền tảng quan trọng để thiết kế và thi công robot đánh trống tự động.

2.1. Vi điều khiển STM32F407VG

Vi điều khiển STM32F407VG là một bộ xử lý mạnh mẽ với bộ nhớ Flash lên đến 1MB, 192KB SRAM, và hỗ trợ nhiều chuẩn giao tiếp như UART, SPI, I2C. Đây là thành phần chính trong khối điều khiển trung tâm của robot.

2.2. Module ESP8266

Module ESP8266 là một chip WiFi tích hợp, hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n, và có khả năng kết nối Internet. Module này được sử dụng để giao tiếp giữa robot và ứng dụng Android thông qua hệ thống tự động và Firebase.

III. Thiết kế và thi công

Chương này mô tả quá trình thiết kế và thi công robot đánh trống tự động, bao gồm việc thiết kế khung robot, lập trình vi điều khiển, và xây dựng ứng dụng Android. Đề tài sử dụng các công cụ như STM32CubeMX, Keil C, và Android Studio để phát triển hệ thống.

3.1. Thiết kế khung robot

Khung robot được thiết kế từ các vật liệu cơ khí như ống thép liền mạch và vòng bi. Động cơ bước được sử dụng để điều khiển cơ cấu đánh trống, với momen lực nhỏ hơn 3NM.

3.2. Lập trình vi điều khiển

Vi điều khiển STM32F407VG được lập trình để điều khiển động cơ bước, giao tiếp với màn hình cảm ứng, và kết nối với module ESP8266. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C và sử dụng thư viện HAL của STM32.

IV. Kết quả thực hiện

Kết quả của đề tài là một robot đánh trống tự động hoạt động ổn định, có khả năng điều khiển từ xa thông qua ứng dụng Android và màn hình cảm ứng. Robot đã được thử nghiệm thành công trong môi trường trường học, đáp ứng các yêu cầu về thời gian và nhịp điệu đánh trống.

4.1. Mô hình sản phẩm

Mô hình robot bao gồm khung cơ khí, động cơ bước, màn hình cảm ứng, và bộ điều khiển trung tâm. Robot có khả năng đánh trống theo lịch đặt trước và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng Android.

4.2. Đánh giá kết quả

Robot hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu về thời gian và nhịp điệu đánh trống. Ứng dụng Android và màn hình cảm ứng cung cấp giao diện thân thiện, dễ sử dụng cho người dùng.

V. Kết luận và hướng phát triển

Đề tài đã thành công trong việc thiết kế và thi công robot đánh trống tự động cho trường học. Robot có khả năng ứng dụng rộng rãi trong môi trường giáo dục, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý và giảng dạy. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải tiến thiết kế, tích hợp thêm tính năng, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

5.1. Kết luận

Đề tài đã đạt được mục tiêu đề ra, tạo ra một robot đánh trống tự động hoạt động hiệu quả và có tính ứng dụng cao trong môi trường giáo dục.

5.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển trong tương lai bao gồm cải tiến thiết kế để tăng độ bền và hiệu suất, tích hợp thêm các tính năng như nhận diện giọng nói, và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác như y tế và công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan: Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, về mạng Wifi. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Giới thiệu về sơ lược về STM32, mạng Wifi, module ESP8266 Node MCU, chuẩn giao tiếp UART, hệ quản trị CSDL, các ngôn ngữ để thiết kế lập trình và thiết kế giao diện. Chương 3: Thiết kế và thi công: Trong chương này, nhóm thực hiện đề tài sẽ đưa ra các yêu cầu khi thiết kế, các thiết kế về phần cứng và phần mềm.

Chương 4: Kết quả thi công: Đưa ra kết quả mà nhóm đạt được, số liệu, hình ảnh hệ thống sau khi thi công. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 GIỚI THIỆU VI ĐIỀU KHIỂN STM32F4VG: 2.1 Giới thiệu: Kit phát triển STM32F407VG ARM Cortex-M4 sử dụng Vi điều khiển STM32F407 là loại được sử dụng ở rất nhiều trường đại học hiện nay trong giảng dạy vi điều khiển ARM, kit có thiết kế ra chân đầy đủ với các ngoại vi cơ bản: USB, MicroSD, Flash, Pin RTC.và cổng nạp chuẩn Jtag tích hợp, kit có giá thành phải chăng, là sự lựa chọn hợp lý cho các bạn mới bắt đầu tìm hiểu về dòng STM32F4 đầy mạnh mẽ.1 Kit STM32F407VG 2.2 Thông số kỹ thuật:  Bộ nhớ Flash lên tới 1 Mbyte.  192 + 4 Kbyte SRAM bao gồm RAM dữ liệu 64-Kbyte CCM (bộ nhớ kết hợp lõi).

 Bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt hỗ trợ các bộ nhớ Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR và NAND.  Giao diện song song LCD, chế độ 8080/6800.  Cung cấp ứng dụng 1.  POR, PDR, PVD và BOR.

 Bộ tạo dao động tinh thể 4 đến 26 MHz.  RC cắt bên trong nhà máy 16 MHz (độ chính xác 1%). BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Dao động 32 kHz cho RTC với hiệu chuẩn RC 32 kHz bên trong có hiệu chuẩn.  Chế độ ngủ, dừng và chờ.

 𝑉𝐵𝐴𝑇 cung cấp cho RTC, các thanh ghi dự phòng 20 × 32 bit + SRAM sao lưu 4 KB tùy chọn.  Bộ chuyển đổi A/D 3 × 12 bit, 2.4 MSPS: tối đa 24 kênh và 7.2 MSPS ở chế độ ba xen kẽ.  Bộ chuyển đổi D/A 2 × 12 bit DMA đa năng: Bộ điều khiển.  DMA 16 luồng với hỗ trợ FIFO và hỗ trợ cụm.

 Lên đến 17 bộ định thời: tối đa 12 bộ định thời 16 bit và 2 bộ định thời 32 bit lên đến 168 MHz, mỗi bộ có tối đa 4 IC / OC / PWM hoặc bộ đếm xung.  140 cổng I/O với khả năng ngắt.  136 I/O nhanh lên đến 84 MHz.  Giao diện lên tới 3 × I 2 C (SMBus / PMBus)  4 USART / UART (10,5 Mbit / s, giao diện ISO 7816, LIN, IrDA, điều khiển modem).

 3 SPI (42 Mbits/giây), 2 với I2S song công hoàn chỉnh để đạt được độ chính xác của lớp âm thanh thông qua PLL âm thanh bên trong hoặc đồng hồ bên ngoài.  Giao diện 2 × CAN (Hoạt động 2.  Giao diện SDIO.  Giao diện camera song song 8- đến 14 bit lên tới 54 Mbyte/s.

 Trình tạo số ngẫu nhiên thực.  Đơn vị tính CRC ID duy nhất 96 bit.  RTC: độ chính xác cao.2 ESP8266 VÀ MODULE NODEMCU v1.1 Giới thiệu ESP8266 ESP là viết tắt của Electronic Stability Program nghĩa là hệ thống cân bằng điện tử. Module ESP8266 là một module với bộ xử lý 32 bit, dựa trên giao thức TCP/IP, là một chip tích hợp được thiết kế dùng cho chuẩn kết nối mới.

Có thể lưu trữ ứng dụng hoặc xử lý các kết nối WiFi từ bộ xử lý tích hợp trên chip, có khả năng tạo kết nối giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian và có thể download dữ liệu từ Internet. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2 Module NodeMCU ESP8266 Đây là module truyền nhận WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System on Chip) của hãng Espressif. Module ESP8266 V1 thường được sử dụng cho các ứng dụng IoT (Internet of Things). Module này đã được nạp sẵn firmware giúp người dùng giao tiếp với wifi rất dễ dàng qua tập lệnh AT thông qua giao tiếp UART (baudrate mặc định 9600) quen thuộc.2 Thông số kỹ thuật  Module ESP8266 có các thông số kỹ thuật như sau:  Hỗ trợ chuẩn 802.

 Điện áp hoạt động 3.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2.  Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200 Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both (Client and Access Point).  Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA WPA2_PSK. Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP  Làm việc như 1 Access Point có thể kết nối với 5 Device.

Công suất đầu ra 19.  Tích hợp giao thức TCP / IP stack.3 Chức năng của module ESP8266  Module ESP8266 có các chức năng chính như sau:  Hỗ trợ chuẩn 802.  Điện áp hoạt động 3.4 Ghz, hỗ trợ WPA/WPA2.  Chuẩn giao tiếp UART với tốc độ Baud lên đến 115200.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT  Giao thức TCP, UDP.  Có ba chế độ hoạt động: Client/Acesspoint, Both.  Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK. ESP8266 là một chip tích hợp cao, được thiết kế cho nhu cầu của một thế giới kết nối mới, thế giới Internet of thing (Iot).

Nó cung cấp một giải pháp kết nối mạng Wi-Fi đầy đủ và khép kín, cho phép nó có thể lưu trữ các ứng dụng hoặc để giảm tải tất cả các chức năng kết nối mạng Wi-Fi từ một bộ xử lý ứng dụng. Ngoài ra, ESP8266 khả năng xử lý và lưu trữ mạnh mẽ cho phép nó được tích hợp với các bộ cảm biến, vi điều khiển và các thiết bị ứng dụng cụ thể khác thông qua GPIOs (General Purpose Input Output) với một chi phí tối thiểu và một PCB (Printed Circuit Board) tối thiểu.0 là kit phát triển dựa trên nền chip Wifi SoC. ESP8266 với thiết kế dễ sử dụng và đặc biệt là có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp code, điều này khiến việc sử dụng và lập trình các ứng dụng trên ESP8266 trở nên rất đơn giản. *Thông số kỹ thuật:  9 chân GPIO.

 1 giao tiếp UART.  1 giao tiếp SPI và hỗ trợ PWM.  IC CH340 chuyển đổi USB -UART.  IC chính: ESP8266 Wifi SoC.

 Chip nạp và giao tiếp UART: CH340G.  Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc V-in.  GPIO giao tiếp mức 3.  Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash.

 Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino.1 Cách vào chế độ Boot của NodeMCU MTDO GPIO0 GPIO2 Mode Mô tả (GPIO15) L L H AURT Download code qua UART BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT L H H Flash Boot from SPI Flash H x x SDIO Boot from SD – card Hình 2.3 Sơ đồ chân board NodeMCU v1.3 MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TB6600 2.1 Giới thiệu: Hình 2.4 Module TB6600 Module sử dụng IC TB6600HQ/HG cho khả năng điều khiển động cơ bước 2 pha với công suất tối đa lên 40V 4A. Driver có thiết kế vỏ hộp kim loai chắc chắn, chống nhiễu cùng với tản nhiệt lớn cho hoạt động ổn định. Ứng dụng trong làm máy như CNC, Laser hay các máy tự động khác. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Thông số kỹ thuật:  Nguồn đầu vào là 9V - 42V.

 Dòng cấp tối đa là 4A.  Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao.  Có tích hợp đo quá dòng quá áp.  Kích thước: 96 * 71 * 37mm.3 Cài đặt và ghép nối:  DC+: Nối với nguồn điện từ 9 - 40VDC.

 DC-: Điện áp (-) âm của nguồn.  A+ và A -: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước.  B+ và B-: Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ.  PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) từ BOB cho M6600.

 PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600.  DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) từ BOB cho M6600.  DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600.  ENA+ và ENA -: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay nữa.

 Có thể đấu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung.2 Cài đặt cường độ dòng điện I(A) SW4 SW5 SW6 4.5 0 1 0 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.3 Cài đặt vi bước cho driver Micro Pulse/rev Sw1 Sw2 Sw3 OFF 0 0 0 0 1 200 0 0 1 1/2A 400 0 1 0 1/2B 400 0 1 1 1/4 800 1 0 0 1/8 1600 1 0 1 1/16 3200 1 1 0 OFF 0 1 1 1 2.1 Giới thiệu Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường. Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.

Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).2 Các loại động cơ bước Phân loại theo rotor của động cơ bước:  Động cơ bước có rotor được tác động bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cửu.