25
Hình 2. 8 Xe lăn trên thực tế
Khắc phục những nhược điểm so với xe lăn thị trường
- Chạy trên nhiều địa hình
- Sử dụng đơn giản
- Giá thành
- Gọn nhẹ, dễ sắp xếp
- Không tiêu hao sức lực, đồng thời khơng cần có người phía sau hỗ trợ nên
rất tiện dụng.
- Thích hợp với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau: người già, trẻ em, người khuyết tật, người rất cần hạn chế vận động, đặc biệt là trong thời gian dài. - Tạo tâm lý thoải mái, tự do nên hỗ trợ cuộc sống người dùng tốt hơn. - Thơng minh, tích hợp giọng nói và điều khiển bằng wifi
26
Chương 3
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
3.1 Phương pháp giải quyết
Giải pháp thực hiện phần cứng cơ khí:
- Khung xe thiết kế cơ khí gồm phần khung thân chính của xe và khung đế cho
xe điều khiển.
- Khung xe điều khiển làm bằng thép khơng rỉ cố định với phần thân chính.
- Được gia cố thêm phần khung để chịu 2 động cơ khi hoạt động
Giải pháp thực hiện phần điện tử:
- Phần lập trình đồ án trực tiếp bằng linh kiện Esp8266 kết nối giữa app Blynk và các phần khác cũng như để điều khiển hai động cơ
- Các linh kiện điện tử được kết nối với hai động để điều khiển và kích hoạt.
27
- Esp8266 cụ thể là kích bằng dịng thấp (0V) hoặc dịng cao (5V) vào bts7960
và mạch sẽ đóng mở các động cơ
- Giải pháp cơ khí: Thiết kế mơ hình vật lý mơ phỏng 3D hoặc 2D để thể hiện
phần khung, sườn xe lăn và đế đặt linh kiện và động cơ
- Giải pháp điện tử: sử dụng các module tích hợp có sẵn trên thị trường vì các yếu tố nhỏ gọn, tiện lợi, đơn giản, rẻ tiền nhưng không làm thay đổi các chức năng điều khiển
3.2 Điều khiển tốc độ động cơ bằng PWM 3.2.1. Giới thiệu 3.2.1. Giới thiệu
Pulse Width Modulation (PWM) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vng dẫn đến thay đổi điện áp trung bình hoặc dịng trung bình. Các PWM khi biến đổi có cùng tần số và khác nhau về hệ số công tác – duty cycle.
3.2.2. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM
Nguyên lý điều chế độ rộng xung là mạch tạo ra xung vng có chu kỳ là hằng số nhưng hệ số cơng tác (cịn gọi là hệ số chu kỳ - duty cycle) có thể thay đổi được. Sự thay đổi hệ số chu kỳ làm thay đổi điện áp trung bình hoặc dịng điện trung bình.
Sự thay đổi điện áp và dịng điện trung bình dùng để điều khiển các tải như: động cơ DC thì làm thay đổi tốc độ động cơ, điều khiển bóng đèn thì làm thay đổi cường độ sáng của bóng đèn.
28
Hình 3. 2 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung
Hệ số chu kỳ được tính theo cơng thức:
Hệ số chu kỳ = ((Độ rộng xung)/(Chu kỳ xung))*100 (2.1 )
Với chu kỳ không thay đổi, muốn thay đổi thời gian xung mức 1 thì ta thay đổi hệ số chu kỳ. Khi hệ số chu kỳ thay đổi thì điện áp trung bình hay dịng trung bình thay đổi. Hệ số chu kỳ càng lớn thì điện áp trung bình hay dịng trung bình càng lớn, nếu điều khiển động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ.
29
Điện áp trung bình được tính theo cơng thức:
Utb = ((Độ rộng xung) / (Chu kỳ xung)) * Umax
Ví dụ với hình 3.2 ta tính được điện áp trung bình trong bốn trường hợp có hệ số cơng tác là 25%, 50%, 75%,100% và Umax = 12V lần lượt là 3V, 6V, 8V,12V.
3.2.3. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Để tạo ra xung PWM thì hiện nay có hai cách thơng dụng:
- Tạo trực tiếp từ các IC dao động như: NE555, LM556...
- Sử dụng phần mềm để lập trình tạo xung PWM trên các vi điều khiển. Tạo
xung PWM bằng phương pháp này cho độ chính xác rất cao.
Tùy thuộc vào từng yêu cầu thực tế mà ta có thể chọn phương pháp tạo xung PWM sao cho phù hợp với yêu cầu đó.
3.2.4. Ứng dụng của điều chế độ rộng xung PWM trong điều khiển
PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp… Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ, hay cao hơn nữa nó cịn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.
Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM cịn tham gia và điều chế các mạch nguồn như: boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha…
PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử cơng suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định. Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị điện, điện tử.
30
3.3. Arduino Mega 2560
Hình 3.4 Arduino
❖ Thành phần Arduino Mega
Hình 3.5 Thành phần của Arduino Mega
Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560. Bao gồm:
- 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)
- 16 đầu vào analog,
- 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng),
31
- 1 cổng kết nối USB,
- 1 jack cắm điện,
- 1 đầu ICSP,
- 1 nút reset.
Nó chứa tất cả mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển.
Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì khơng sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3.
❖ Sơ đồ các linh kiện của Arduino Mega
32
Hình 3.7 Sơ đồ chân Arduino Mega 2650
- 5 Chân GND - 3 chân 5V - 1 chân 3.3v - 1 nút reset - 16 chân analog - 4 chân UART
- 54 Chân digital trong đó có 15 chân chúng ta có thể sử dụng như PWM
- 6 Chân lập trình ISP
33
3.4. Chuẩn giao tiếp Wifi 3.4.1. Giới thiệu 3.4.1. Giới thiệu
Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity, được gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vơ tuyến, loại sóng vơ tuyến này tương tự như sóng truyền hình, điện thoại và radio. Wifi phát sóng trong phạm vi nhất định, các thiết bị điện tử tiêu dùng ngày nay như laptop, smartphone hoặc máy tính bảng có thể kết nối và truy cập internet trong tầm phủ sóng.
3.4.2. Nguyên tắc hoạt động
Hình 3.8 Kết nối wifi giữa các thiết bị
Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy thơng tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vơ tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu khơng dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết. Q trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vơ tuyến từ adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet.
3.4.3. Một số chuẩn kết nối
Tuy nói wifi tương tự như sóng vơ tuyến truyền hình, radio hay điện thoại nhưng nó vẫn khác các loại sóng kia ở mức độ tần số hoạt động.
34
Sóng wifi truyền nhận dữ liệu ở tần số 2,5Ghz đến 5Ghz. Tần số cao này cho phép nó mang nhiều dữ liệu hơn nhưng phạm vi truyền của nó bị giới hạn, cịn các loại sóng khác, tuy tần số thấp nhưng có thể truyền đi được rất xa.
Kết nối wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ a/b/g/n:
Hình 3.9 Các chuẩn kết nối Wifi
- Chuẩn wifi đầu tiên 802.11: năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn đầu tiên này cho WLAN. Tuy nhiên, 802.11 chỉ hỗ trợ cho băng tần mạng cực đại lên đến 2Mbps – quá chậm đối với hầu hết mọi ứng dụng.
- Chuẩn wifi 802.11b: IEEE đã mở rộng trên chuẩn gốc 802.11 để tạo ra chuẩn
802.11b vào tháng 7/1999. Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương ứng với Ethernet truyền thông.
- Chuẩn wifi 802.11a: trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển, IEEE đã tạo ra một mở rộng thứ 2 có tên gọi là 802.11a. Do giá thành cao hơn nên 802.11a thường được sử dụng cho các mạng doanh nghiệp, cịn 802.11b thích hợp hơn cho các hộ gia đình.
- Chuẩn wifi 802.11g: vào năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một
35
một nỗ lực kết hợp ưu điểm của cả 802.11a và 802.11b, hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử dụng tần số 2.4Ghz để có phạm vi rộng.
- Chuẩn wifi 802.11n: 802.11n đôi khi được gọi tắt là wireless, được thiết kế để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu khơng dây và anten. Được phê chuẩn vào năm 2009, với băng thông tối đa lên đến 600Mbps, 802.11n cũng cung cấp phạm vi tốt hơn những chuẩn wifi trước đó, do cường độ tín hiệu của nó đã tăng lên.
- Chuẩn wifi 802.11ac: đây là chuẩn wifi lớn nhất, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. 802.11ac sử dụng công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ các kết nối đồng thời trên cả băng tần 2.4Ghz và 5Ghz. 802.11ac có băng thơng đạt tới 1.300Mbps trên băng tần 5Ghz và 450Mbps trên 2.4Ghz.
Bảng 3.1. So sánh thông số các chuẩn wifi.
36
3.5. Giới thiệu phần cứng
3.5.1. Module Wifi ESP8266 NodeMCU
Hình 3.11 Hình ảnh module wifi ESP8266 nodeMCU ngoài 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 dòng 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 mơ-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 đốn 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
Dòng 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, dòng điện định mức là 15.8A, công 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 cơng 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 không 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