CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 4/45



Hình 2-1: Sơ đồ khối của hệ thống



Sơ đồ khối của đề tài thể hiện mối liên hệ giữa các khối với nhau được thể hiện

một cách đầy đủ ở hình 2-1.

Nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống: Các Module cảm biến sẽ thu thập dữ liệu,

các thơng số về khoảng cách, tín hiệu tại giao lộ khi có line, các thơng số đó sẽ

được gửi và update liên tục về khối trung tâm xử lý là vi điều khiển Atmega328PAU. Từ đó vi điều khiển sẽ gửi tín hiệu điều khiển về cho khối động cơ điều khiển

thông qua Module drive L298N để điều khiển động cơ giảm tốc đi theo mục đích

của yêu cầu sao cho xe di chuyển trơn tru và đúng với luật giao thông.

1.2 Luật giao thông

Đề tài thiết kế các xe chạy theo luật giao thơng có các luật giao thông mà xe sẽ

thực hiện theo khi đã được lập trình như:

Khi tới giao lộ, mỗi xe tự chọn đi thẳng hoặc rẽ một cách ngẫu nhiên.

Nếu 2 xe đến giao lộ theo hướng vng góc: khi tới giao lộ, mỗi xe đều phải dừng.

Sau đó, xe nào tới trước được đi trước, xe nào tới sau sẽ được lập trình để đi sau.

Các xe chạy theo thứ tự và không va chạm vào nhau.

Nếu 2 xe chạy cùng chiều: nếu xe sau đến quá gần xe phía trước thì xe phía sau sẽ

tự tự động giảm tốc độ hoặc dừng. 2 xe luôn giữ một khoảng cách an tồn để tránh

trường hợp va chạm vào đi xe trước.

Nếu 2 xe chạy ngược chiều: mỗi xe chạy trên lane riêng, nếu đến giao lộ cũng phải

theo luật tương tự như luật 2.

2.1 Khối nguồn (Pin Cell)

Khi nói tới khối nguồn thì ta có thể hiểu rằng nó có vai trò cực kì quan trọng.

Với chức năng chính là cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, đề tài sử dụng các viên pin

cell để cấp nguồn cho các khối khác hoạt động.



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 5/45



Hình 2-2 thể hiện sơ đồ kết nối giữa nguồn với các khối khác, các linh kiện của

các khối sẽ được cấp nguồn trực tiếp từ nguồn pin cell tới các cực âm (-) và dương

(+). Nguồn được cấp được đo và luôn phù hợp với mức điện áp hoạt động trong

mức cho phép của các linh kiện.



Hình 2-2: Kết nối giữa nguồn pin với Atmega328P-AU và L298N



Nguyên lý hoạt động của khối nguồn được mô tả như sau:

Nguồn pin cell sẽ cung cấp nguồn cho Module driver L298N, các cảm biến và

mạch có Atmega328P-AU hoạt động ổn định. Pin có mức điện áp 3.7V, mỗi xe cần

hai viên pin để đủ nguồn hoạt động.



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 6/45



Hình 2-3: Pin Cell



Hình 2-3 cho chúng ta thấy được hình dáng thực của một viên pin, phía ngồi

của mỗi viên pin được bọc bằng nhựa và ghi đầy đủ các thông số kĩ thuật để cho

người sử dụng có thể đọc và sử dụng đúng mục đích.

Pin với thành phần chính là chất điện phân đóng vai trò tạo mơi trường cho các

ion Li+ di chuyển qua lại giữa hai bảng điện cực, khi Pin thực hiện cung cấp nguồn

điện cho các thiết bị khác hoạt động thì các ion Li+ sẽ dịch chuyển theo chiều từ

cực dương sang cực âm để cung cấp điện cho thiết bị, ngược lại khi Pin được sạc thì

các ion Li+ sẽ dịch chuyển từ cực âm về cực dương, một chu kì sẽ kết thúc khi hồn

thành quá trình nạp xả. Ta phải xác định đúng đầu dương và đầu âm của viên pin để

cắm vào khay đựng pin cho đúng vị trí, tránh trường hợp mắc ngược gây ra hư hỏng

các linh kiện khác.

2.2 Khối trung tâm điều khiển



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 7/45



Hình 2-4: Sơ đồ nguyên lý của Atmega328P-AU



Hình 2-4 thể hiện nguyên lý, chức năng cụ thể của của các chân mà chíp điều

khiển Atmega328P-AU được thiết kế theo thiết kế của nhà sản xuất cung cấp.

Khối trung tâm điều khiển mà đại diện là mạch tích hợp Atmegap328P-AU có

chức năng điều khiển mọi hoạt động của xe. Mạch sẽ điều khiển khối động cơ và

khối cảm biến hoạt động theo đúng yêu cầu mà người lập trình mong muốn.

Đề tài này sử dụng vi điều khiển là Atmega328P-AU bởi vì nó có giá thành rẽ,

phù hợp cho sinh viên với mục đích nghiên cứu và dễ dàng lập trình, ngồi ra vi

điều khiển có thiết kế phần cứng cũng khá đơn giản. Đây là khối đóng vai trò quan

trọng nhất, là trung tâm xử lý và thực thi mọi hoạt động mà người lập trình mong

muốn. Việc nhận tín hiệu trả về từ khối cảm biến và xuất ra các port để điều khiển

động cơ thông qua Module drive L298N.



Thiết Kế Mô Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 8/45



Mạch có tích hợp Atnega328P-AU được thiết kế nhỏ gọn, tối đa nhiều chức

năng trên chỉ một board, nó có ngun lý hoạt động của nó chình là nguyên lý hoạt

động của chíp Atmega328P-AU:

Atmega328P-AU loại chíp dán với 32 chân, trong đồ án kết nối các linh kiện

khác với chíp bằng các chân Analog hay Digital qua đó phục vụ chức năng của việc

lập trình đúng với mục đích điều khiển.

Cụ thể việc kết nối như sau:

Các chân trên Module drive L298N là IN1, IN2, IN3, IN4, ENA và ENB sẽ lần

lượt được nối đến các chân Digital của chíp là chân số 8, 10, 13, 12, 9 và chân số

11.

Chân tín hiệu trên cảm biến dò đường TCRT5000 sẽ nối tới chân số 4 của chíp,

việc kết nối này sẽ giúp tín hiệu trả về ở mức 1 hoặc mức 0. Khi tín hiệu ở mức 1

đồng nghĩa là đã phát hiện line, chíp sẽ điều khiển Module L298N dừng 2 động cơ

và xe sẽ dừng lại. Ngược lại, khi tín hiệu ở mức 0 đồng nghĩa là không gặp line và

xe sẽ tiếp tục di chuyển.

Chân tín hiệu của cảm biến hồng ngoại sẽ nối tới chân A2 (chân Analog) của

chíp, việc kết nối này sẽ trả về giá trị khoảng cách mà cảm biến đo về một cách liên

tục, khi giá trị nhỏ hơn 650 thì xe sẽ dừng lại, phục vụ chức năng cuae xe là giữ

khoảng cách an toàn với xe khác hay khi xe chạy mà gặp phải vật cản phía trước.

Chân tín hiệu của 3 cảm biến tiệm cận E18-D50NK gắn trên xe sẽ được nối lần

lượt tới các chân số 2, 5 và 3 của chíp. Tín hiệu trả về sẽ là giá trị ở mức 1 hoặc 0,

khi ở mức 1 thì các cảm biến chưa thấy xe khác, khi ở mức 0 đồng nghĩa là xe đã

thấy xe khác ở các vị trí nào đó dựa theo ví trí đặt cảm biến. Qua đó giúp xe xác

định có xe khác hay không và xe nào tới trước, xe nào tới sau.

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều chíp điều khiển được thiết kế để cho người

dùng có thể lập trình, nạp đi nạp lại nhiều lần. Atmega328P-AU cũng là một trong

những chíp điều khiển như vậy, nhưng nó cũng có những tính năng riêng biệt ngồi

những điểm giống như những chíp khác.



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thông



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 9/45



Atmega328P-AU là một trong những vi điều khiển hiện nay đang rất phổ do

hãng Atmel chế tạo ra, Atmega328P-AU hiện nay phổ biến với 2 loại đó là: chân

dán với 32 chân (Atmega328P-AU) và chân cắm với 28 chân (Atmega328P-PU),

loại chip dán (Atmega328P-AU) được sử dụng cho đề tài này. Tiếp sau sẽ là một số

thông số kĩ thuật và từng ứng dụng cụ thể của vi điều khiển Atmega328P-AU. Hình

2-5 là sơ đồ chân cụ thể của Atmega328P-AU, trên mỗi chân có ghi chức năng cụ

thể của từng chân đó, qua đó giúp lập trình dễ dàng hơn.



Hình 2-5: Sơ đồ chân vi điều khiển Atmega328P-AU



IC được tích hợp của mạch

IC dùng cho nạp



ATmega328P-AU.

CH340



Chuẩn giao tiếp



UART

5VDC (dùng USB)



Điện áp cấp



Mức điện áp giao tiếp GPIO

Dòng GPIO



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thông



6-9VDC (khi dùng chân Raw).

TTL 5VDC



40mA



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 10/45



Tổng số các chân Digital

Tổng số các chân Analog



gồm 14 chân, với 6 chân PWM

gồm 8 chân

(với 6 chân có thể sử dụng như

Digital)

32KB

(với 2KB cho Bootloader)

2KB



Bộ nhớ Flash

SRAM

EEPROM

Tốc độ xung Clock

Dung IC chuyển điện áp 5V sang



1KB

16Mhz

LM1117



3.3V



18.542 x 43.18mm.

Có tích hợp Led báo nguồn

AVR 8 bit

1.8V đến 5.5V



Kích thước thực tế

Họ vi điều khiển

Điện áp đưa vào

Tần số hoạt động tối đa của vi điều



20 MHz



khiển

Số lượng các kênh PWM

Tổng số lượng timer



6 kênh

(mỗi timer có 2 kênh)

3 timer

(1 timer 8 bit và 2 timer 16 bit)



Bảng 2-1: Thông số kĩ thuật của Atmega328P-AU



Bảng 2-1 mô tả đầy đủ các thông số kĩ thuật của Atmega328P-AU, qua đó cho

ta dễ dàng lập trình theo yêu cầu, sử dụng đúng chức năng mà mỗi chân quy định và

số lượng các ngoại vi có thể kết nối tới mạch.

2.3 Khối cảm biến

Khối cảm biến là một trong những khối quan trọng trong đề tài này, nguyên lý

hoạt động của khối dựa trên nguyên lý hoạt động của các cảm biến được sử dụng

cho xe. Cảm biến sẽ xử lý và đọc tín hiệu trả về giá trị 0 và 1 thông qua chân OUT,

khi gặp line thì giá trị trả về là 1, khi khơng có line thì giá trị trả về là 0. Cảm biến

hồng ngoại đọc giá trị trả Analog thay đổi liên tục, ta sẽ lập trình theo giá trị hợp lý

giúp xe giữ được khoảng cách an toàn với xe trước.

Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 11/45



Cảm biến tiệm cận E18-D50NK đọc và trả về giá trị 1 hoặc 0, ta nối chân tín

hiệu với chân Digital của Atmega328P, khi có xe trong giới hạn khoảng cách mà

cảm biến xác nhận được thì giá trị trả về là 0, còn khi khơng có xe trong giới hạn

khoảng cách thì giá trị trả về là 1. Góc mà cảm biến đọc và xác định có xe là

khoảng 15o. Phía sau của cảm biến có một nút vặn để điều chỉnh tăng khoảng cách

mà cảm biến đọc thấy vật cản.

Từ những nguyên lý của từng cảm biến được nêu ra ở trên ta phần nào nhận thấy

được chức năng chính của khối cảm biến là thu thập dữ liệu, thu thập các thông số

về khoảng cách, giá trị tín hiệu số trả về từ cảm biến, rồi sau đó nó sẽ tự động xử lý

và tính tốn rồi gửi dữ liệu đó về khối điều khiển, điều khiển xe chạy đúng theo các

luật đã quy định. Ngồi ra còn có các Module cảm biến dò đường TCRT5000 có

chức năng là đọc các giá trị về đường đi của xe khi tới giao lộ rồi gửi về khối điều

khiển, nó quy định xe sẽ dừng lại ngay tại giao lộ và tiếp tục thực hiện các chức

năng khác.

2.3.1 Cảm biến tiệm cận E18-D50NK

Hình 2-6 là sơ đồ ngun lý và hình dạng cấu tạo bên ngồi của cảm biến tiệm

cận E18-D50NK.



Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý cảm biến tiệm cận E18-D50NK

Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 12/45



Hình 2-7: Hình ảnh cảm biến tiệm cận E18-D50NK



Hình 2-7 ở trên là hình ảnh thực tế được chụp của cảm biến tiệm cận E18D50NK. Được thiết kế khá nhỏ gọn và bắt mắt, 3 sợi dậy trong đó có 2 dây nguồn

và 1 dây tín hiệu được bọc nhựa và phía ngồi được bảo vệ bằng một lớp nhựa dẻo

cách điện màu đen.

Cảm biến tiệm cận E18-D50NK hoạt động theo cơ chế thu phát hồng ngoại, nó

có một mắt thu và một mắt phát. Khi mắt phát đụng vật cản thì tín hiệu trả về cho

mắt thu và tín hiệu sẽ được cảm biến tự xử lý. Khi thấy có xe khác thì giá trị 0 sẽ

được trả về, ngược lại khi không thấy xe trong giới hạn khoảng cách mong muốn thì

giá trị 1 sẽ được trả về. Giá trị trả về sẽ được đưa tới khối trung tâm để xử lý.

Cảm biến có tốc độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do mắt thu và mắt phát tia

hồng ngoại với tấn số riêng biệt. Phía sau cảm biến có thêm một led báo hiệu.

Ngồi chức năng tìm vật cản cảm biến tiện cận còn có chức năng đếm sản

phẩm, các chức năng ra vào, chống trộm, hệ thống tự động trong nhà bếp... Cảm

biến có thể điều chỉnh khoảng cách mong muốn của từng yêu cầu khác nhau thơng

qua biến trở vặn đặt ở phía sau. Ngõ ra của cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần có

thêm một điện trở kéo lên nguồn ở chân tín hiệu. Bảng 2-2 liệt kê đầy đủ thơng số

kĩ thuật của cảm biến tiệm cận E18-D50NK.

Khoảng điến áp hoạt động của cảm

biến



6 - 30VDC



Nguồn cung cấp



5VDC



Dòng kích của ngỏ ra



300mA



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thông



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 13/45



Khoảng ổn định phát hiện vật cản



3 - 50cm

<150



Độ rộng góc qét của cảm biến

Kích thước



1,8cm (D); 7,0cm (L).



Điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở tinh chỉnh

Bảng 2-2: Thông số kĩ thuật của cảm biến tiệm cận E18-D50NK



Hình 2-8 cho ta thấy được rằng cảm biến tiệm cận E18-D50NK có hai loại, dựa

theo màu của 3 dây ta xác định được các dây nào là dây nguồn, dây nào là dây tín

hiệu. Qua đó giúp việc kết nối phần cứng trở nên chính xác hơn, giúp cảm biến hoạt

động đúng.



Hình 2-8: Các loại cảm biến tiệm cận



Màu



Loại 1



Màu



Loại 2



Đỏ



+5V VCC



Xanh



+5V VCC



Đen



GND



Nâu



GND



Vàng



OUT



Đen



OUT



Bảng 2-3: Phân loại cảm biến tiệm cận theo màu



2.3.2 Cảm biến hồng ngoại



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thơng



ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trang 14/45



Hình 2-9: Sơ đồ nguyên lý cảm biến hồng ngoại



Hình 2-9 là sơ đồ nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại, chức năng

chính là so sánh các mức điện áp thông qua LM358N để xuất ra các mức tín hiệu 0

hoặc 1 tùy theo quá trình hoạt động của xe.

Cảm biến vật cản hồng ngoại là cảm biến đo khoảng cách và giá trị số được trả

về trên chân OUT. Mạch tích hợp có Atmega328P-AU sẽ điều khiển thơng qua tín

hiệu trả về ở chân OUT, nếu có vật cản thì sẽ đọc giá trị ở mức 1, và ngược lại sẽ là

mức 0. Chân OUT được nối vào chân Digital là chân D4, D5 hay D6..vv Hình 2-10

là hình ảnh thực tế của cảm biến hồng ngoại đã được mô ta một cách đầy đủ ở trên.



Hình 2-10: Cảm biến hồng ngoại



Cảm biến có 1 LED thu và 1 LED phát tia hồng ngoại, tia hồng ngoại sẽ phát ra ở

một tần số nhất định, khi phát hiện vật cản tại hướng truyền thì sẽ xuất hiện tín hiệu



Thiết Kế Mơ Hình Các Xe Tự Động

Chạy Theo Luật Giao Thông