36
3.5. Giới thiệu phần cứng
3.5.1. Module Wifi ESP8266 NodeMCU
Hình 3.11 Hình ảnh module wifi ESP8266 nodeMCU ngồi thực tế
ESP8266 NodeMCU là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát triển bởi Espressif Systems. Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện vơ số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT…
Các modem Wi-Fi hiện tại đều hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11n và hoạt động ở tần số 2.4GHz. ESP8226 nodeMCU là một trong những mô đun hỗ trợ chuẩn Wi-Fi này. Được phát triển trên chip Wi-Fi ESP8266, nodeMCU được dùng cho các ứng dụng kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển thơng qua sóng Wi-Fi. NodeMCU có kích thước nhỏ gọn, hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, hỗ trợ kết nối Wi-Fi với nhiều giao thức mạng.
Hơn nữa bản thân NodeMCU là một phiên bản đặc biệt của dịng vi điều khiển Arduino nên nó có thể sử dụng trực tiếp trình biên dịch của Arduino để lập trình và nạp mã. Sử dụng các mã nguồn mở thuận tiện cho việc lập trình và phù hợp với khả năng của sinh viên.
37
❖ Thông số kỹ thuật của module wifi ESP8266:
Chip ESP8266EX.
Điện áp cung cấp DC 5 ~ 9V.
WiFi 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
Hỗ trợ bảo mật WEP/ WPA-PSK/WPA2-PSK.
Bộ nhớ Flash 32MB.
Cổng kết nối hỗ trợ USB-TTL với cổng Micro-USB.
Nhiệt độ hoạt động : -40 °C đến +125 °C
Giao thức truyền thông: UART, SPI, I2C…
Khối lượng sản phẩm 0,0190 kg.
Giao tiếp Cable Micro USB
Bộ nhớ Flash 4MB
Số chân Analog 1 (điện áp vào tối đa là 3.3V)
Kích thước sản phẩm (dài x rộng x cao) 4,80 x 2,60 x 0,10 cm
Lập trình trên các ngơn ngữ C/C++, Micropython, NodeMCU Lua
Tương thích với Arduino IDE
Led báo trạng thái GPIO16, nút Reset.
Hình 3. 12 Thơng số kỹ thuật ESP8266
38
3.5.2. Mạch cầu H - BTS7960
BTS7960 là một mô-đun cầu H dịng cao được tích hợp đầy đủ cho các ứng dụng truyền động động cơ. Giao diện với một bộ vi điều khiển được thực hiện dễ dàng nhờ vi mạch điều khiển tích hợp có tính năng đầu vào mức logic, chẩn đoán với cảm giác hiện tại, điều chỉnh tốc độ hàng loạt, tạo thời gian chết và bảo vệ chống lại nhiệt độ quá cao, quá áp, quá dòng và ngắn mạch. BTS7960 cung cấp giải pháp tối ưu hóa chi phí cho các ổ đĩa động cơ PWM dịng cao được bảo vệ với mức tiêu thụ không gian bo mạch rất thấp.
❖ Thông số kỹ thuật của mạch cầu H BTS7960:
Điện áp đầu vào 6~27V
Dịng điện tải mạch 43A
Tín hiệu logic điều khiển 3.3 ~ 5V
Tần số điều khiển tối đa 25KHz
Tự động shutdown khi điện áp thấp off < 5.5V, on > 5.5V
Kích thước 46mm x 46mm x 38mm
Trọng lượng: ~ 66g 66g
Hình 3. 14 Thơng số kỹ thuật BTS 7960
❖ Sơ đồ chân module BTS7960: • VCC: Nguồn tạo mức logic điều khiển (5V –
3V3)
39
Với ứng dụng bình thường RPWM, LPWM nối với GPIO (VD: chân digital 2,3) để điều khiển chiều quay của động cơ.
Chân R_EN, L_EN nối chung lại rồi nối với PWM (VD chân digital 5) để điều khiển tốc độ động cơ
Xe lăn điện sử dụng 2 động cơ DC với điện áp định mức là 24VDC, dịng điện định mức là 15.8A, cơng suất 250W và chạy với tốc độ 83 vịng/phút.
Nhóm em sử dụng mạch cầu H-BTS7960 để điều khiển động cơ 24VDC, mạch có dịng điện tải lên đến 43A, đồng thời sử dụng 2 module esp8266 nodeMCU và VR3 lập trình điều khiển truyền tín hiệu tới cầu H để điều khiển 2 động cơ DC chạy tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng và điều chỉnh tốc độ theo ý muốn.
3.5.3. Động cơ DC giảm tốc
Cấu tạo của một động cơ DC giảm tốc bao gồm: động cơ và hộp giảm tốc.
Hình 3.16 Cấu tạo của một động cơ giảm tốc
3.5.3.1. Tổng quan về động cơ DC
Động cơ điện một chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM
Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều
40
được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng.
Ưu, nhược điểm của động cơ DC
Do tính ưu việt của hệ thống điện xoay chiều: để sản xuất, để truyền tải..., cả máy phát và động cơ điện xoay chiều đều có cấu tạo đơn giản và công suất lớn, dễ vận hành... động cơ điện xoay chiều ngày càng được sử dụng rộng rãi và phổ biến. Tuy nhiên động cơ điện một chiều vẫn giữ một vị trí nhất định trong cơng nghiệp giao thơng vận tải, và nói chung ở các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi rộng (như trong máy cán thép, máy công cụ lớn, đầu máy điện...). Mặc dù so với động cơ không đồng bộ để chế tạo động cơ điện một chiều cùng cỡ thì giá thành đắt hơn do sử dụng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp hơn. Nhưng do những ưu điểm của nó mà máy điện một chiều vẫn khơng thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại.
❖ Ưu điểm
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điều kiện làm việc khác nhau. Song ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ và khả năng quá tải.
❖Nhược điểm
Nhược điểm chủ yếu của động cơ điện một chiều là có hệ thống cổ góp - chổi than nên vận hành kém tin cậy và khơng an tồn trong các môi trường rung chấn, dễ cháy nổ.
3.5.3.2 Hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc là một thiết bị dùng để giảm tốc độ các vòng quay. Đây là thiết bị trung gian giữa động cơ và các bộ phận khác của máy trong dây chuyền sản xuất với chức năng điều chỉnh tốc độ của động cơ điện cho phù hợp với yêu cầu.
41
Hình 3.17 Cấu tạo hộp giảm tốc
Bên trong hộp giảm tốc có cấu tạo khá đơn giản, chúng gồm các bánh răng thẳng và nghiêng ăn khớp với nhau theo một tỷ số truyền nhất định. Thiết bị này có thể tạo nên số vịng quay phù hợp với yêu cầu người sử dụng. Tùy vào điều kiện làm việc và tính tốn thì người ta sẽ thiết kế một hộp giảm tốc phù hợp với cơng việc.
❖ Tác dụng: hộp giảm tốc có 2 tác dụng chính:
Giảm tốc: vì động cơ thường có tốc độ rất cao, trong khi nhu cầu sử dụng thực tế (tốc độ đầu ra) lại thấp, cho nên sẽ cần đến hộp giảm tốc để điều chỉnh vòng quay được tốc độ như ý.
Tăng tải: lắp hộp giảm tốc vào động cơ làm tăng moment xoắn, từ đó làm tăng tải trọng và độ khỏe của trục ra hộp giảm tốc.
❖ Vai trò
Hộp giảm tốc được ứng dụng ở nhiều nghành nghề sản xuất khác nhau. Thường thấy nhiều ở trong máy móc của các nhà máy. Gần gũi và ứng dụng mà bạn dễ thấy nhất và nhiều nhất của hộp giảm tốc chính là trong động cơ, đồng hồ, xe máy…
Việc chế tạo động cơ có cơng suất nhỏ (để thoản mãn yêu cầu sử dụng) cần chi phí rất cao trong khi động cơ có cơng suất lớn thường nhỏ gọn, thiết kế đơn giản, với chi phí thấp hơn rất nhiều. Chính vì thế để phù hợp với các tiêu chí về chi phí cấu tạo nhỏ gọn, đơn giản, dễ sử dụng và bảo dưởng thì sử dụng hộp giảm tốc vẫn là phương án khả thi và tối ưu nhất.
42
3.5.3.3 Động cơ giảm tốc DC được dùng thực tế
Động cơ giảm tốc DC được sử dụng nhiều để thiết kế các loại robot mơ hình. Với giá thành rẻ, dễ sử dụng và mang tính chất ưu việt nên được ứng dụng rất nhiều.
Chọn động cơ giảm tốc DC để điều khiển xe chạy tới, lui, xoay trái, xoay phải. Điều khiển tốc độ bằng điều chế độ rộng xung thông qua chân I/O trên module. Với thiết kế đơn giản, nhỏ gọn nên nhóm đã chọn động cơ trên để thiết kế cho phần di chuyển của xe.
Hình 3.18 Động cơ DC thực tế được sử dụng trên xe lăn
❖ Thông số kỹ thuật
Điện áp hoạt động DC24V
Công suất định mức 250W
Tốc độ chạy: 83 vòng/ phút
Dòng định mức 15.8A
43
3.5.4. Mạch hạ áp LM2596
Trong những dự án Arduino, để dự án được nhỏ gọn và tiết kiệm, ta có thể sử dụng board Arduino Pro Mini vì nó khá nhỏ gọn và giá thành thì rẻ. Nhưng Pro mini lại khơng có tích hợp mạch nguồn 3.3V và 5V, nên khó có thể cấp nguồn chuẩn 5V hay 3.3V cho các module hay cảm biến.
Mạch hạ áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh được dịng ra đến 3A. LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong. Tức là khi cấp nguồn 24V vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấp được nguồn 3A < 9V... như 5V hay 3.3V.
❖ Thông số kỹ thuật
Nguồn đầu vào từ 4V - 35V
Nguồn đầu ra: 1V - 30V
Dịng ra Max: 3A
Kích thước mạch : 53mm x 26mm
Đầu vào: INPUT +, INPUT-
Đầu ra: OUTPUT+, OUTPUT-
Hình 3. 20 Thơng số kỹ thuật mạch hạ áp LM2596
Hình 3.21 Module giảm áp LM2596
44
Khá đơn giản, ta chỉ cần cấp nguồn thô vào chân INPUT+, INPUT- rồi nhận nguồn ra từ chân OUTPUT+, OUTPUT-
Hình 3.22 Sơ đồ chân mạch hạ áp LM2596
Ta chỉnh điện áp đầu ra bằng cách vặn biến trở trên module... rồi lấy đồng hồ đo điện áp đầu ra, hiệu chỉnh sao cho phù hợp.
3.5.5. Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3
Mạch nhận dạng giọng nói Voice Recognition V3 được sử dụng trong các ứng dụng nhận dạng, điều khiển bằng giọng nói, với khả năng ghi âm để nhận dạng lên đến 70 câu lệnh khác nhau, khả năng nhận dạng để thực thi 7 câu lênh cùng lúc, bất kỳ âm thanh nào cũng có thể được ghi âm để chuyển thành câu lệnh điều khiển, mạch có 2 ngõ ra xuất tín hiệu là các chân GPIO hoặc giao tiếp Serial UART rất dễ sử dụng, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển, nhận dạng giọng nói chuyên nghiệp.
3.5.5.1 Module nhận dạng giọng nói
45
❖ Thơng số kĩ thuật
Điện áp sử dụng 4.5~5.5VDC
Dòng điện tiêu thụ <40mA
Giao tiếp: 5V TTL level for UART hoặc GPIOs.
Ngõ vào âm thanh Analog: Jack cắm 3,5mm
Độ chính xác 99%
Kích thước: 31 x 50mm.
Hỗ trợ thư viện Arduino
Tối đa 7 câu lệnh được thực hiện tại 1 thời điểm.
Hỗ trợ 70 câu lệnh khác nhau, độ dài 1500ms (nói 1 hoặc 2 từ).
Hình 3. 24 Thông số kỹ thuật module VR3
3.5.5.2 Cách thức nhận diện giọng nói
Hệ thống nhận dạng giọng nói cơ bản:
Hình 3.25 Sơ đồ khối của hệ thống nhận dạng giọng nói
Một hệ thống nhận dạng thường bao gồm hai phần chính là huấn luyện (training) và nhận dạng (recognition) được thể hiện như trong hình. Trong đó “Rút trích đặc trưng” là q trình đưa ra được những đặc trưng sau khi nhận được những thông tin từ tiền xử lí. “Huấn luyện” là q trình để hệ thống có thể “học” và “lưu trữ” những mẫu giọng được cung cấp, từ đó hình thành bộ từ vựng của hệ thống. Và quá trình “nhận dạng” là xem xét mẫu nào có trong bộ từ vựng đã được huấn luyện.
Huấn luyện (training) và nhận dạng (recognition)
46
❖ Huấn luyện:
Hình 3.26 Sơ đồ của q trình huấn luyện
Tiếng nói của người cần nhận diện được thu thập và sử dụng để huấn luyện mơ hình. Tập các mơ hình của nhiều người nói cịn được gọi là cơ sở dữ liệu người nói.
❖ Nhận diện:
Hình 3.27 Sơ đồ của q trình nhận dạng
Dữ liệu tiếng nói của một người dùng khơng rõ định danh được đưa vào hệ thống và so sánh có khớp hay khơng với cơ sở dữ liệu người nói
47
Cả hai pha đều có chung hai bước đầu. Bước đầu tiên là thu thập tiếng nói. Tiếng nói có thể được thu thập thơng qua micro và chuyển thành tín hiệu rời rạc – tín hiệu số (digital). Tuy nhiên dữ liệu này thơng thường sẽ bị nhiễu, do đó cần phải được tiền xử lý trước khi đưa vào pha bước thứ hai.
Ở bước thứ hai của khâu huấn luyện, thơng tin người nói sau khi đã được rút trích đặc trưng được mơ hình hóa (modeling) và lưu vào cơ sở dữ liệu.
Ở bước thứ ba của khâu nhận dạng, dữ liệu rút trích được so khớp với các dữ liệu trong cơ sở dữ liệu và đưa ra quyết định xem người đó là ai. Có thể thấy hai pha được thực hiện tách biệt nhau nhưng có liên quan rất gần với nhau, trong đó hai pha khó thực hiện nhất đó là rút trích đặc trưng và mơ hình hóa, so khớp dữ liệu.
Hình 3.28 Mơ phỏng cách thức biến giọng nói thành tín hiệu
3.5.6. Nguồn pin
Pin là một nguồn năng lượng điện được tạo ra bằng cách biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện. Từ khi được sáng chế lần đầu năm 1800 bởi Alessandro Volta, pin đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều đồ vật trong gia đình cũng như cho các ứng dụng cơng nghiệp. Có hai loại pin thường dùng:
• Pin sơ cấp (cịn gọi là pin khơ hay pin khơng sạc): pin dùng 1 lần, được thiết kế để sử dụng 1 lần sau đó vứt đi.
• Pin thứ cấp (cịn gọi là pin sạc): được thiết kế để nạp được nhiều lần.
Pin có 3 thành phần cơ bản: hai phần ở đầu và cuối được làm bằng các chất hoá học khác nhau (thường là kim loại), hay được gọi là cực dương và cực âm và chất điện phân tách hai thành phần này. Chất điện phân là một dung mơi hố học, cho
48
phép dòng điện chảy giữa cực dương và cực âm. Khi một thiết bị được kết nối với pin, một bóng đèn hoặc một mạch điện các phản ứng hoá học sẽ xảy ra trên các cực điện và tạo ra dòng chảy năng lượng điện đến thiết bị.
Hình 3.29 Nguồn tự tế dùng trên xe
❖ Các thông số:
Loại Pin Lithium-ion
Điện áp tiêu chuẩn 24V
Dung lượng pin 20Ah
Dòng xả tối đa liên tục 10A
Điện áp sạc 42V
Trọng lượng Pin 3.5kg
Tiêu chuẩn CE,RoHS, Msds chứng nhận
49
Chương 4
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Sơ đồ khối
4.1.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 4. 1 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng các khối
- Khối nguồn: cung cấp nguồn ổn định cho toàn mạch hoạt động.
- Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối nhận dạng giọng nói và khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối cơng suất động cơ.
- Khối thu phát wifi: là cầu nối trung gian để nhận, gửi dữ liệu từ điện thoại và khối trung tâm để xử lí các hoạt đơng điều khiển
- Khối công suất điều khiển động cơ: nhận tín hiệu từ khối điều khiển trung tâm để điều khiển động cơ.
- Điện thoại Android: truyền, nhận dữ liệu qua lại với khối thu phát wifi.
- Khối nhận dạng giọng nói: Truyền dữ liệu đến khối điều khiển trung tâm để
50
4.1.2 Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm: thu thập các tín hiệu từ khối thu phát Wifi sau đó xử lí điều khiển khối cơng suất động cơ.
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều dịng vi điều khiển khác nhau như PIC, AVR,