TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

----------

BÁO CÁO NHẬP MÔN KỸ THUẬT

ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
Đề tài: Xe hai bánh tự cân bằng

Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Phạm Ngọc Nam

Nhóm thực hiện: Nhóm 02
Nguyễn Thị Lan Anh 20160162 KSTN ĐTTT K61
Nguyễn Đặng Sơn Lam 20164839 KSTN ĐTTT K61
Lê Chí Phát 20163118 KSTN ĐTTT K61
Dương Thanh Sơn 20163500 KSTN ĐTTT K61
Nguyễn Thiên Việt 20164669 KSTN ĐTTT K61

HÀ NỘI, tháng 1/2018

 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
..................................................
Ngày ... tháng ... năm 2017
Giảng viên hướng dẫn
LỜI MỞ ĐẦU
Trong đời sống công nghệ đang phát triển mạnh mẽ hiện nay, ngành Điện tử và Viễn
thông là ngành kỹ thuật mũi nhọn hàng đầu, có vai trò rất quan trọng mọi lĩnh vực
của sản xuất và đời sống. Hơn nữa, có thể nói ngành Điện tử và Viễn thông chiếm vai
trò làm đòn bẩy thúc đẩy sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật khác. Trong
thời kỳ công nghệ đang phát triển mạnh mẽ hiện nay. Trong khi lĩnh vựa điện tử là
lĩnh vực nghiên cứu và chế tạo ra các vi mạch điện tử - "bộ não" điều khiển toàn bộ
hoạt động của các thiết bị thông minh thì lĩnh vực truyền thông là nghành nghiên cứu
và sử dụng các thiết bị viễn thông để tạo nên các mạng viễn thông.
Là sinh viên ngành Điện tử và Viễn thông, để nâng cao khả năng thực hành và tính
vận dụng lý thuyết vào thực tế, việc tìm hiểu cấu tạo chức năng các mạch điện tử là
tất yếu. Môn học Nhập môn Kỹ thuật Điện tử Viễn thông đã giúp chúng tôi làm quen
và tiếp cận dễ dàng hơn với lĩnh vực mới và tạo niềm hứng thú và hăng say tìm hiểu
đối với sinh viên.
Với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Phạm Ngọc Nam cùng những kiến thức thu
được từ môn Thực tập cơ bản và tự tìm hiểu qua sách báo trên mạng, chúng tôi đã đưa
ra đề tài: "XE HAI BÁNH TỰ CÂN BẰNG". Mục tiêu của đề tài là hoàn thành một
mô hình xe hai bánh có khả năng tự cân bằng theo phương thẳng đứng trên các bề mặt
khác nhau.
Trong qua trình thực hiện đề tài, chúng tôi đã cố gắng để hoàn thành một cách tốt
nhất. Nhưng có lẽ do vốn kiện thức còn chưa hoàn thiện nên trong quá trình hoàn
thành sẽ không tránh khỏi những sai sót . chúng tôi rất mong nhận được sự đóng góp
ý kiến của thầy để tiếp tục hoàn thiện sản phẩm.
Cuối cùng chúng tôi xin gửi làm cảm ơn chân thành nhất tới Ban lãnh đạo Viện,
các anh chị khóa trên và đặc biệt là thầy Phạm Ngọc Nam đã nhiệt tình giúp đỡ chúng
tôi trong quá trình hoàn thành đề tài.

2
Tóm tắt đề tài
Mục tiêu của đề tài là một thiết bị xe hai bánh có khả năng tự cân bằng sử dụng IC
ATMEGA 328P-PU và cảm biến góc nghiêng MPU6050. Trong báo cáo này, nhóm
tác giả trình bày quy trình từ hình thành ý tưởng, mô tả đến thiết kế và chế tạo Xe hai
bánh tự cân bằng theo quy trình thiết kế kỹ thuật.

3
Mục lục

LỜI MỞ ĐẦU 2

Tóm tắt đề tài 3

1 Xác định ý tưởng và ứng dụng sản phẩm 8

1.1 Xác định ý tưởng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2 Ứng dụng sản phẩm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2 Mô tả sản phẩm 10
2.1 Yêu cầu chức năng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Yêu cầu phi chức năng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 Kế hoạch thực hiện 13

4 Thiết kế sơ đồ khối 16

5 Thiết kế sơ đồ khối chi tiết và lựa chọn phương án tối ưu 18

5.1 Khối vi điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
5.2 Khối cảm biến góc nghiêng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.3 Khối điều khiển chuyển động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.4 Khối nguồn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

6 Chế tạo 27
6.1 Thiết kế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2 Hàn mạch và lắp ghép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.3 Kiểm tra và lắp đặt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.4 Nạp code cho mạch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7 Bảo dưỡng 34

4
KẾT LUẬN 35

Tài liệu tham khảo 36

5
Danh sách hình vẽ
1.1 Hoverboard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Cảnh sát Đức với xe Segway PT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.1 Sơ đồ khối của mạch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.1 Lựa chọn linh kiện vi điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.2 Lựa chọn linh kiện cảm biến góc nghiêng . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.3 Lựa chọn linh kiện mạch điều khiển chuyển động . . . . . . . . . . . 23
5.4 Pin Alkaline Energizer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5.5 Pin 3.7V Li-Po 18650 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6.1 Mô hình khung xe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.2 Thiết kế các tầng đỡ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.3 Thiết kế đế gắn động cơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
6.4 Sơ đồ đi dây . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6
Danh sách bảng
2.1 Yêu cầu phi chức năng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.1 Bảng kế hoạch chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.2 Bảng tự đánh giá nhân lực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3 Bảng phân công công việc chi tiết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

5.1 Bảng so sánh vi điều khiển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.2 Bảng so sánh cảm biến góc nghiêng . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.3 Bảng so sánh linh kiện mạch điều khiển chuyển động . . . . . . . . . 24
5.4 Bảng so sánh pin dùng cho khối nguồn . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

7
Chương 1

Xác định ý tưởng và ứng dụng

sản phẩm

1.1 Xác định ý tưởng

Trong cuộc sống hiện đại và năng động hiện nay, phương tiện di chuyển cá nhân đóng
vai trò quan trọng trong việc rút ngắn thời gian di chuyển một cách nhanh chóng và
hiệu quả. Tuy nhiên số lượng lớn các xe gắn máy, xe ô tô sử dụng động cơ hóa thạch
đã và đang góp phần gây ra ách tắc giao thông và ô nhiễm không khí. Hiện ở Hà Nội
đang có khoảng 2,5 triệu xe máy lưu thông; theo số liệu của Trạm đo lường chất lượng
không khí (AQIVN), trong năm 2016 có ít nhất 15 ngày mức độ ô nhiễm không khí
tại Hà Nội lên đến mức “vô cùng nguy hiểm” và ngày 5/10/2016 mức độ ô nhiễm
không khí tại Hà Nội cao nhất thế giới [1].
Một hướng đi mới rất có tiềm năng có khả năng giải quyết vấn đề trên cũng như
gia tăng đáng kể độ cơ động và chi phí sử dụng đó là xe điện cá nhân nhỏ gọn. Lấy
ý tưởng tử một chiếc xe điện cá nhân hai bánh tự cân bằng, nhóm tác giả đã đưa ra ý
tưởng là sử dụng chính kiến thức kỹ thuật mình đã được học để làm một mô hình tuy
đơn giản hơn rất nhiều so với thực tế nhưng mô phỏng được đầy đủ nguyên lý hoạt
động cũng như tiềm năng của xe hai bánh tự cân bằng.

1.2 Ứng dụng sản phẩm

Từ mô hình ý tưởng đơn giản như trên, có rất nhiều tiềm năng trong việc phát triển xe
điện hai bánh tự cân bằng phục vụ cho mục đích di chuyển cá nhân hoặc giải trí. Hiện
nay trên thế giới đã có rất nhiều loại xe hai bánh tự cân bằng, ví dụ như Hoverboard,

8
Segway PT...

Hình 1.1: Hoverboard

Hình 1.1 là một Hoverboard - loại phương tiện cá nhân tự cân bằng gồm hai bánh
xe được gắn động cơ kết nối với một cặp miếng đệm mà người lại đứng lên. Người lái
kiểm soát tốc độ bằng cách nghiêng người về phía trước hoặc phía sau, và hướng di
chuyển bằng cách nhấn vào miếng đệm [2].

Hình 1.2: Cảnh sát Đức với xe Segway PT

Hình 1.2 là xe Segway PT (viết tắt của Segway Personal Transporter - Xe cá nhân
Segway), thường được gọi tắt là Segway là một phương tiện giao thông cá nhân có
hai bánh, hoạt động trên cơ chế tự cân bằng do Dean Kamen phát minh. Loại xe này
được sản xuất bởi công ty Segway Inc. ở bang New Hampshire, Hoa Kỳ [3].

9
Chương 2

Mô tả sản phẩm
Mô hình xe hai bánh được nhóm tác giả đưa ra sẽ có khả năng tự cân bằng nhờ cảm
biến, mạch điều khiển và hai động cơ điện gắn vào hai bánh xe. Mạch điều khiển sẽ
nhận tín hiệu về độ nghiêng của thân xe so với phương thẳng đứng và nhờ đó quyết
định cung cấp điện áp cho động cơ hoạt động đưa xe hướng về vị trí cân bằng. Một
mô hình xe như thế sẽ phải đáp ứng những yêu cầu chức năng và phi chức năng như
sau:

2.1 Yêu cầu chức năng

Xe được thiết kế di chuyển cân bằng trên hai bánh xe đặt song song với nhau. Toàn bộ
các bộ phận (mạch điều khiển, pin, cảm biến. . . ) được đặt trên một khối thẳng đứng .
Địa hình làm việc là mặt phẳng hoặc có góc nghiêng dưới 10 độ.
Xe có khả năng tự cân bằng sau khi được cấp nguồn bởi công tắc đóng/mở và được
đặt với góc hợp với phương thẳng đứng một góc nhỏ. Sau đó, xe có thể tự cân bằng
với các tác động ngoại cảnh từ môi trường (gió, người đẩy,. . . ) hoặc rung lắc nhỏ nhờ
hệ điều khiển và động cơ được gắn với hai bánh xe.

2.2 Yêu cầu phi chức năng

10
 Bảng 2.1: Yêu cầu phi chức năng

MÔI TRƯỜNG
Địa hình Phẳng, góc nghiêng dưới 10◦
Nhiệt độ làm việc -5◦ C - 40◦ C
Nhiệt độ lưu trữ -15◦ C - 45◦ C
KHẢ NĂNG THỰC HIỆN
Tự thăng bằng
Lực đẩy tối đa <40N
NGUỒN TIÊU THỤ
Điện áp nguồn 9V
Thời gian hoạt động 60 phút
Thời gian sạc 180 phút
KÍCH THƯỚC VÀ CÂN NẶNG
Cao 400mm
Kích thước đơn vị Dài 200mm
Rộng 100mm
Cao 420mm
Kích thước đóng gói Dài 220mm
Rộng 120mm
Đường kính bánh xe 65mm
Chiều rộng bánh xe 27mm
Chiều dày lốp xe 6.5mm
Đường kính trục bánh xe 3.5mm
Khoảng cách từ mặt đáy tới địa hình 45mm
Cân nặng 1kg
ĐỘ CHÍNH XÁC
Tỉ lệ đứng thăng bằng (sau khi được đặt thẳng
98%
và cấp nguồn)
VẬT LIỆU
Khung xe Nhựa
Vành bánh xe Nhựa
Lốp bánh xe Cao su

11
 MẠCH PCB ĐIỀU KHIỂN
Điện áp vào 6V
Điện áp ra 3.3V
Dòng tiêu thụ 30mA
CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG
Điện áp 3 - 5V
Giao tiếp I2 C
MÔ TƠ
Điện áp 5V
Dòng không tải 70-100mA
Đường kính trục 3.5mm
BỘ PHẬN GIÁM TỐC
Tỉ số truyền 1:48
THƯƠNG MẠI
Time to market 3 tháng
Giá thành 900.000VNĐ

Bảng 2.1 trình bày chi tiết và các thông số yêu cầu phi chức năng mà sản phẩm cần
đạt được.

12
Chương 3

Kế hoạch thực hiện

Sau khi đã xác định được ý tưởng và bản mô tả sản phẩm, bước tiếp theo nhóm tác giả
xậy dụng một bản kế hoạch tổng quát toàn bộ các công việc cần hoàn thành. Kế hoạch
được xây dựng bao gồm danh sách công việc cần hoàn thành (Bảng 3.1), bản tự đánh
giá năng lực của các thành viên trong nhóm (Bảng 3.2) và từ đó đưa ra bảng phân
công công việc chi tiết trên MS Project (Bảng 3.3) theo khả năng và nguyện vọng của
các thành viên.

Bảng 3.1: Bảng kế hoạch chung

Thời gian
Công việc Mô tả chi tiết
công việc
Mô tả Lập bản yêu câu chức năng và
10/11 - 16/11
kỹ thuật yêu cầu phi chức năng
Lên danh sách công việc cần làm,
lập danh sách nhân lực
Kế hoạch 17/11 - 23/11
từ đó đưa ra
phân công công việc cụ thể
Thiết kế sơ đồ khối cho sản phẩm,
Sơ đồ khối 24/11 - 30/11
nguyên lý hoạt động giữa các khối
Lựa chọn phương án tối ưu
Phương án
cho từng khối theo 1/12 - 7/12
tối ưu
các tiêu chí đề ra
Thử nghiệm Mô phỏng sản phẩm và thử nghiệm 8/12 - 14/12
Xây dựng khung sản phẩm,
Xây dựng
lắp ghép và hàn sản phẩm 15/12 - 24/12
sản phẩm
sau đó tối ưu tham số điều khiển
Hoàn thiện Đánh giá sản phầm và hoàn thiện 25/12 - 26/12

13
 Bảng 3.2: Bảng tự đánh giá nhân lực

Thời gian
Họ và tên Điểm mạnh Điểm yếu
rảnh
Lựa chọn
Thiết kế sơ đồ khối
phương án tối ưu
Code cho IC
Nguyên lý điều khiển,
và tối ưu hóa thuật toán
hệ điều khiển
Nguyễn Đ. Sơn Lam Thiết kế mạch nguyên lý Ngoài giờ
Thiết kế mạch PCB
Mô phỏng trên
Thiết kế khung
breadbroad
sản phẩm
Làm và hàn mạch PCB
Lắp ráp sản phẩm
Code cho IC và
Tư duy,
tối ưu hóa thuật toán
suy nghĩ ý tưởng,
Thiết kế mạch
nhận xét hoàn thiện ý kiến
Lê Chí Phát nguyên lý Ngoài giờ
Làm và hàn mạch PCB
Thiết kế mạch PCB
Mô phỏng trên
Thiết kế khung
breadbroad
sản phẩm
Code và tối ưu
thuật toán
Dương Thanh Sơn Hàn mạch Ngoài giờ
Nguyên lý điều khiển
và tối ưu tham số
Tư duy ý tưởng,
Chưa có kinh nghiệm
kiên nhẫn
Nguyễn T. Lan Anh code và tối ưu thuật toán, Ngoài giờ
và tỉ mỉ trong quá trình
thiết kế mạch
hoàn thiện sản phẩm
Tư duy ý tưởng,
Điều chỉnh tham số
tỉ mỉ cần cù
điều khiểm
Nguyễn Thiên Việt Kỹ năng sử dụng Ngoài giờ
Mô phỏng
các phần mềm
mạch nguyên lý
Làm và hàn mạch

14
 Bảng 3.3: Bảng phân công công việc chi tiết

Dura-
ID Task Name Start Finish Resource Names
tion
1 Specification 7 days Fri 11/10/17 Thu 11/16/17 MS Word - All
MS Word -
1.1 Funtional 3 days Fri 11/10/17 Sun 11/12/17
Việt,Lan Anh
MS Word -
1.2 Nonfuntional 4 days Mon 11/13/17 Thu 11/16/17
Thanh Sơn,Lam,Phát
MS Excel,MS Project
2 Plan 7 days Fri 11/17/17 Thu 11/23/17
- All
MS Excel -
2.1 Tasktable 5 days Fri 11/17/17 Tue 11/21/17
Thanh Sơn,Việt
MS Excel -
2.2 Resoure task 3 days Sun 11/19/17 Tue 11/21/17
Lam,Lan Anh,Phát
2.3 Planning 2 days Wed 11/22/17 Thu 11/23/17 MS Project
3 Block design 2 days Fri 11/24/17 Sat 11/25/17 MS Visio - All
4 Design 5 days Sun 11/26/17 Thu 11/30/17 MS Visio - All
each block
MS Visio,MS Word
4.1 Block 1 5 days Sun 11/26/17 Thu 11/30/17
- Lam,Phát
MS Visio,MS Word -
4.2 Block 2 5 days Sun 11/26/17 Thu 11/30/17 Việt,Lan Anh
,Thanh Sơn
5 Alternatives 7 days Fri 12/01/17 Thu 12/07/17 MS Word - All
6 Test 7 days Fri 12/08/17 Thu 12/14/17 MS Word - All
6.1 Simulator 1 day Fri 12/08/17 Fri 12/08/17 All
Breadboard MS Word -
6.2 6 days Sat 12/09/17 Thu 12/14/17
test Lam,Phát,Thanh Sơn
6.2.1 Buy 1 day Sat 12/09/17 Sat 12/09/17 Tiền - All
Arduino IDE -
6.2.2 IC coding 2 days Sun 12/10/17 Mon 12/11/17
Lam,Thanh Sơn
MS Word -
6.2.3 Test 3 days Tue 12/12/17 Thu 12/14/17
Lam,Phát
7 Manufacture 10 days Fri 12/15/17 Sun 12/24/17 All
Altium,Orcad -
7.1 PCB design 3 days Fri 12/15/17 Sun 12/17/17
Thanh Sơn,Lan Anh
Phíp đồng,
7.2 Make PCB 2 days Mon 12/18/17 Tue 12/19/17 linh kiện, hàn
- Lam,Phát
Các bộ phận -
7.3 Build 3 days Wed 12/20/17 Fri 12/22/17
Lan Anh,Việt
Sản phẩm -
7.4 Optimize 2 days Sat 12/23/17 Sun 12/24/17
Thanh Sơn,Việt
8 Deliver 2 days Mon 12/25/17 Tue 12/26/17 All

15
Chương 4

Thiết kế sơ đồ khối
Sơ đồ khối trình bày toàn bộ sản phẩm gồm có bốn khối là khối cảm biến góc nghiêng,
khối vi điều khiển, khối chuyển động và khối nguồn.

Hình 4.1: Sơ đồ khối của mạch

Sơ đồ trên trình bày khái quát về sơ đồ tổng quan và nguyên lý hoạt động của mạch
sản phẩm do nhóm tác giả đưa ra:

• Khối nguồn cung cấp nguồn điện cho các khối còn lại của sản phẩm hoạt động.

• Khối cảm biến góc nghiêng sẽ xác định góc nghiêng của toàn bộ thân sản phẩm
so với phương thẳng đứng và truyền thông tin về cho khối vi điều khiển.

16
• khối vi điều khiển khi nhận được thông tin về góc nghiêng sẽ xử lý vừa xuất ra
tín hiện điều khiển cho khối chuyển động.

• Khối chuyển động có nhiệm vụ đưa sản phẩm cân bằng trở lại theo sự điều khiển
của khối vi điều khiển.

17
Chương 5

Thiết kế sơ đồ khối chi tiết và

lựa chọn phương án tối ưu
Trong phần 5, nhóm tác giả sẽ đi vào chi tiết các khối hoạt động đã được khái quát ở
phần trên cũng như đưa ra lựa chọn phương án tối ưu cho các khối bao gồm: khối vi
điều khiển, khối cảm biến góc nghiêng, khối chuyển động và khối nguồn. Trong từng
khối, nhóm tác giả sẽ đi từ các tiêu chi lựa chọn rồi từ đó đưa ra lựa chọn phương án
tối ưu.

5.1 Khối vi điều khiển

khối vi điều khiển chình là “bộ não” của sản phẩm, có nhiệm vụ thu nhận thông tin
từ cảm biến, xử lý số liệu và đưa ra quyết định điều khiển cho khối chuyển động một
cách hợp lý, quyết định tới khả năng cân bằng của sản phẩm. Có ba tiêu chí được đưa
ra để lựa chọn được một bộ vi điều khiển: giá cả và độ phổ biến, độ dễ sử dụng và sức
mạnh xử lý.
Dựa trên các tiêu chí trên, nhóm tác giả đã đưa ra được ba vi điều khiển để lựa chọn
bao gồm: Atmel ATMEGA328 (AVR), Microchip PIC 18f2550 và Intel P8051 (Hình
5.1).

18
 (a) Atmel ATMEGA328 (b) PIC 18f2550

(c) Intel P8501

Hình 5.1: Lựa chọn linh kiện vi điều khiển

Xét qua các vi điều khiển trên, nhóm tác giả thấy mức giá dao động trong mức dưới
110 000 VNĐ [4], vẫn nằm trong mức không quá cao so với sinh viên. Do đó, nhóm
tác giả quyết định đánh giá trọng số của giá cả là 0.2. Tiếp theo, nhóm tác giả đều là
sinh viên mới tiếp cận với điện tử nên độ dễ sử dụng rất quan trọng. Bên cạnh đó, sản
phẩm này hoạt động trên dữ liệu thời gian thực nên rất cần một yếu tố là độ trễ thấp
để có thể thực hiện được chức năng của mình. Do đó, nhóm tác giả quyết định trọng
số của độ dễ sử dụng và sức mạnh xử lý của vi điều khiển đều là 0.4.

19
 Bảng 5.1: Bảng so sánh vi điều khiển

Giá cả
Độ dễ sử dụng Sức mạnh
(VNĐ)
(0.4) (0.4)
(0.2)
Được hỗ trợ nhiều,
50000 – phần mềm lập trình Tốc độ nhanh,
ATMEGA328 dễ tìm mạnh mẽ, nhiều tính năng. 9
(9) nhiều tài liệu. (10)
(8)
Ít hỗ trợ, Tốc độ khá nhanh,
110000 –
phần mềm lập trình ít tính năng
PIC 18f2550 dễ tìm 5.2
không thân thiện. hơn ATMEGA328.
(4)
(4) (7)
Rất quen thuộc,
có rất nhiều Sức mạnh yếu nhất,
35000
Intel P8051 tài liệu hiện có và tính năng đơn giản. 7.2
(10)
cộng đồng người dùng. (3)
(10)

Tham khảo một cửa hàng linh kiện ở Hà Nội, nhóm tác giả thấy rằng về mặt mức
giá, 8051 có mức giá rẻ nhất 35 000 VNĐ, tiếp theo là ATMEGA328 với 50 000
VNĐ và cuối cùng là 18f2550 với mức giá 110 000 VNĐ [4]. Về độ dễ sử dụng,
ATMEGA328 có được hỗ trợ nhiều và có phần mềm lập trình mạnh mẽ, thân thiện:
AVRstudio đối với ASM , còn đối với C thì có CodeVisionAVR. PIC 18f2550 được ít
hỗ trợ hơn và có phần mềm nạp ít thân thiện hơn. Còn về Intel P8051 là một vi điều
khiển phổ biến và có rất nhiều người đã sử dụng, tài liệu học P8051 nhiều. Vì thế ở
tiêu chí này, nhóm tác giả quyết định mức điểm lần lượt là 8, 4 và 10. Cuối cùng, về
sức mạnh xử lý, ATMEGA328 được đánh giá cao nhất do có tốc độ xử lý nhanh, nhiều
tính năng; tiếp theo là PIC 18f2550 có sức mạnh khá cao nhưng ít tính năng hơn; Intel
P8051 do là vi điều khiển được ra đời sớm nên có sức mạnh yếu nhất, tính năng đơn
giản. Vì thế, nhóm tác giả đánh giá điểm ở tiêu chí này lần lượt là 10, 7 và 3.
Như vậy, tính tổng điểm như trên ta có ATMEGA328 với mức điểm trội nhất là
9.0. Do đó nhóm tác giả quyết định sử dụng vi điều khiển Atmel ATMEGA328 cho
sản phẩm của minh.

20
5.2 Khối cảm biến góc nghiêng
Cảm biến 6 trục gồm 3 trục của gia tốc kế (Accelerometer) và 3 trục con quay hồi
chuyển (Gyroscope). Sử dụng 3 trục 3 chiều của gia tốc kế ta dễ dàng đo được chuyển
động của vật thể trong không gian, trong khi đó con quay hồi chuyển có thể nhận biết
được hướng của thiết bị, hệ thống có thể ghi nhận được những chuyển động theo cả
phương ngang và phương thẳng đứng.
Cảm biến gia tốc góc và góc nghiêng hiện nay rất đa dạng, có rất nhiều sự lựa chọn
tốt cho sản phẩm của nhóm. Dựa theo những tiêu chí là: giá cả, mức độ phổ biến, khả
năng xử lý, nhóm tác giả đề xuất ra 3 cảm biến 6 trục là MPU6050, MPU9250 và
MMA8452 (Hình 5.2).

(a) GY-521 6DOF IMU MPU6050 (b) GY-9250 9DOF IMU MPU9250

(c) Accelerometer 3 trục MMA8452

Hình 5.2: Lựa chọn linh kiện cảm biến góc nghiêng

Tương tự như với khối vi điều khiển, xét trên các tiêu chí về giá cả, độ dễ sử dụng
và chất lượng hoạt động, nhóm tác giả đưa ra các trọng số đánh giá cho 3 tiêu chí trên
lần lượt là 0.3, 0.3 và 0.4.

21
 Bảng 5.2: Bảng so sánh cảm biến góc nghiêng

Giá cả
Độ dễ sử dụng Sức mạnh
(VNĐ)
(0.3) (0.4)
(0.3)
Sử dụng rộng rãi trên
GY-521 49000 –
mọi loại vi điều khiển Bình thường
6DOF IMU dễ tìm 8.9
và có nhiều code mẫu (8)
MPU6050 (10)
(9)
GY-9250 165000 – Code mẫu đầy đủ Độ chính xác cao,
9DOF IMU phổ biến và nhiều tài liệu cảm biến 16bit 8.2
MPU9250 (5) (9) (10)
Dễ sử dụng
Accelerometer Độ chính xác cao,
62000 với giao tiếp I2C và
3 trục cảm biến 14bit 8.7
(9) nhiều code mẫu hỗ trợ
MMA8452 (9)
(8)

Tham khảo mức giá [4], nhóm tác giả thấy rằng MPU6050 có mức giá rẻ nhất 49
000 VNĐ, cao nhất là MPU9250 với mức giá 165 000 VNĐ. Giá của MPU9250 cao
gấp nhiều lần 2 cảm biến còn lại nên trở thành nhược điểm lớn của cảm biến này. Về
khả năng sử dụng, MPU9250 và MPU6050 được hỗ trợ nhiều code mẫu và tài liệu
tham khảo, giúp ích rất nhiều cho các bạn sinh viên chưa quen với các công cụ và
phần mềm lập trình. Trong khi đó, MMA8452 có chút hạn chế hơn vì chỉ làm việc tốt
nhất với I2C. Dù vậy, về chất lượng làm việc, MMA8452 lại nổi bật hơn nhiều so với
MPU6050.
Từ bảng so sánh trên, nhóm tác giả quyết định sử dụng cảm biến GY-521 6DOF
IMU MPU6050 cho sản phẩm của nhóm.

5.3 Khối điều khiển chuyển động

Mạch điều khiển chuyển động có chức năng nhận tín hiệu từ mạch vi điều khiển và
dựa vào tín hiệu đó để cung cấp năng lượng cho động cơ hoạt động. Khi xem xét các
phương án cho mạch điều khiển chuyển động,có các yêu cầu bắt buộc sau:

• Động cơ hoạt động bằng hiệu điện thế một chiều và cung cấp cho động cơ hiệu
điện thế một chiều.

• Mạch có thể điều khiển tốc độ và chiều động cơ bằng xung PWM.

22
 • Hiệu điện thế tối đa mà mạch cung cấp cho động cơ là 9V.

Từ đó nhóm tác giả đưa ba mẫu mạch điều khiển động cơ là: Module L298, L9910 và
DRV8833 (Hình 5.3).

(a) L298 (b) L9910

(c) DRV8833

Hình 5.3: Lựa chọn linh kiện mạch điều khiển chuyển động

Đồng thời nhóm tác giả cũng đưa ra những tiêu chí dưới đây để lựa chọn phương
án tối ưu cho sản phẩm:

• Độ dễ sử dụng (hệ số 0.6): do tất cả các thành viên đều mới tiếp xúc với các
module điều khiển nên nhóm ưu tiên yếu tố này lên hàng đầu.

• Dòng điện xuất ra tối đa (hệ số 0.2): Dòng điện xuất ra tối đa càng lớn thì công
suất của mạch càng lớn, khả năng cân bằng khi chịu tác động lớn của xe sẽ tốt
hơn. Tuy nhiên, yếu tố này không quá quan trọng bởi khối lượng xe khá bé và
không yêu cầu công suất quá lớn.

• Giá thành (hệ số 0.2): giá thành của mạch càng rẻ càng tốt. Tuy nhiên, giá thành
của loại linh kiện này nói chung không quá cao.

23
 Bảng 5.3: Bảng so sánh linh kiện mạch điều khiển chuyển động

Giá cả (VNĐ)[4] Độ dễ sử dụng Dòng tối đa

(0.2) (0.6) (0.2)[5]
Dễ tìm tài liệu,
55000 video hướng dẫn, 2A
L298 9.8
(9) dễ tìm (10)
(10)
Ít tài liệu,
45000 800mA
L9910 video hướng dẫn, 3.6
(10) (2)
khó tìm (2)
Ít tài liệu,
65000 1.5A
RDV8833 video hướng dẫn 6.8
(8) (8)
(6)

Như vậy, qua bảng đánh giá trên, với tổng điểm cao nhất là 9.8, nhóm tác giả quyết
định lựa chọn Module L298 làm mạch điều khiển động cơ cho sản phẩm.

5.4 Khối nguồn

Khối nguồn chính là trái tim của sản phẩm, có vai trò cung cấp năng lượng cho toàn
bộ các khối khác hoạt động. Đặc biết đối với sản phẩm này, bộ nguồn cần được xem
xét một cách kỹ lưỡng và chi tiết hơn so với các khối khác, bởi vì sản phẩm có yêu
cầu công suất lớn và mức sụt áp của nguồn phải tương đối nhỏ.
Từ những yêu cầu trên, và qua những thử nghiệm ban đầu, nhóm tác giả không sử
dụng pin Zinc-Carbon, có giá thành rất thấp và phổ biến trên thị trường. Thay vào đó,
nhóm tác giả lựa chọn đánh giá 2 loại pin là Alkaline và Lithum-Polymer (Li-Po), vì
2 dòng pin này có dòng điện ra và mức sụt áp đáp ứng được yêu cầu của sản phẩm.
Qua khảo sát và thu thập, nhóm chọn ra được 3 phương án:

• Pin 9V Alkaline Energizer

• Pin 1,5V Alkaline AA Energizer * 5

• Pin 3,7V Li-Po 18650 2000mAh *2

• Pin 3,7V Li-Po 18650 1200mAh *2

Đối với pin Alkaline, nhóm quyết định sử dụng sản phẩm của hãng Energizer (Hình
5.4) bởi vì chất lượng tốt và giá thành tương đối thấp. Trong khi đó, pin Li-Po 18650

24
(Hình 5.5) tuy không rõ nguồn gốc nhưng có giá thành thấp và được bán rộng rãi ở
các cửa hàng điện tử

Hình 5.4: Pin Alkaline Energizer

Hình 5.5: Pin 3.7V Li-Po 18650

Dựa theo yêu cầu về pin đưa ra như trên, nhóm đưa ra các tiêu chí sau để lựa chọn:

• Dung lượng pin (0,2): Dung lượng càng lớn, tính theo mAh trong điều kiện dòng
ra là tối đa

• Dung lượng pin trên giá thành sản phẩm (0,4): Tính theo đơn vị (mAh/nghìn
đồng). Chỉ số này nhằm đánh giá hiệu quả chi phí cho bộ nguồn. Riêng đối với
pin sạc được, giá thành còn bao gồm cả bộ sạc. Ngoài ra, trong khi pin Alkaline
chỉ dùng 1 lần, thì pin Li-Po có thể sạc lại nhiều lần. Vì vậy, khi đánh giá pin
Li-Po nhóm sẽ ưu tiên nhân với hệ số 3 (3 là con số ước tính số lần sạc ít nhất).

• Mức độ an toàn (0,2): tính an toàn luôn là yếu tố cần được đánh giá. Do sản phẩm
của nhóm là sản phẩm mang tính trình diễn nên yếu tố này có hệ số ở mức trung
bình

25
 • Khối lượng pin (0,2): tổng khối lượng pin càng nhẹ thì xe sẽ dễ cân bằng hơn.
Tuy nhiên, do mặt bằng chung, khối lượng pin chỉ chiếm khoảng 10% - 20% nên
yêú tố này không quá quan trọng.

Bảng 5.4: Bảng so sánh pin dùng cho khối nguồn

9V Alkaline 5*1.5V Alkaline 2*3.7V Li-Po 2*3.7V Li-Po

Energier Energier 2000mAh 1200mAh
Dung lượng 400mAh 1500mAh 2000mAh 1200mAh
(0,2) (2) (8) (10) (6)
Dung lượng /
400/45=8,8 1500/60=25 2000/120*3=50 1200/80*3=45
giá thành [4]
(2) (5) (10) (9)
(0,4)
An toàn Cao Cao Trung bình Trung bình
(0,2) (10) (10) (5) (5)
Khối lượng 45g 115g 82g 76g
(0,2) (10) (4) (6) (7)
5,2 6 8 7

Trong từng phần, nhóm kết luận điểm theo những cách sau:

• Về dung lượng và dung lượng/giá thành: nhóm đánh giá dựa trên tỷ lệ thuận của
giá trị.

• Về khối lượng: dựa trên tỷ lệ nghịch của giá trị

• Vể an toàn: Các sản phẩm của Energier nổi tiếng toàn cầu về chất lượng và độ
tin cậy. Trong khi đó, pin Li-Po 18650 không có nguồn gốc rõ ràng, dù vậy sự
tin dùng của đa số các sinh viên trong ngành kỹ thuật nên có thể đánh giá độ an
toàn của dòng pin này là trung bình.

Từ bảng so sánh 5.4, nhóm quyết định dùng pin 3.7V Li-Po 18650 2000mAh cho sản
phẩm.

26
Chương 6

Chế tạo
Phần 6 sẽ trình bày quy trình các bước thiết kế khung xe, hàn mạch, lắp đặt và quy
trình kiểm tra sau đó.

6.1 Thiết kế
Sau khi lựa chọn phương án tối ưu cho từng khối, nhóm tác giả tiếp tục tiến hành thiết
kế cho khung xe:

Hình 6.1: Mô hình khung xe

Hình 6.1 trên là mô hình khung xe gồm cách khối được đặt theo 3 tầng và hai bánh
xe cùng động cơ ở dưới. Các tầng (Hình 6.2) và đế gắn động cơ (Hình 6.3) được thiết
kế bằng AutoCAD và chế tạo bằng tấm mica sử dụng laser để cắt.

27
 Hình 6.2: Thiết kế các tầng đỡ

Hình 6.3: Thiết kế đế gắn động cơ

6.2 Hàn mạch và lắp ghép

Sau khi đã có đầy đủ linh kiện các khối và khung xe, bánh xe, nhóm tiến hành hàn
mạch theo sơ đồ đi dây như sau:

28
 Hình 6.4: Sơ đồ đi dây

Một số nguyên tắc khi hàn mạch:

• Phải dùng nhựa thông trong quá trình hàn mạch.

• Không để thiếc hàn rơi trên mạch in, gây chập cháy mạch.

• Không để mỏ hàn quá lâu ở chân linh kiện, có thể làm hư hỏng linh kiện.

• Hạn chế tối đa hàn lại một mối hàn nhiều lần, có thể gây hư hỏng cho mạch.

6.3 Kiểm tra và lắp đặt

Sau khi hàn linh kiện, nhóm tiền hành kiểm tra nguội để tránh chập cháy khi cấp
nguồn. Kiểm tra mạch sau khi hàn gồm các tiêu chí:

• Quan sát bằng mắt thường xem có mối hàn nào chờm lên dây khác không.

• Dùng đồng hồ đo thông mạch, chấp mạch.

• Sửa tất cả các lỗi gặp phải.

Các bộ phận sau khi kiểm tra sẽ được lắp đặt cố định vào khung xe bằng keo nến
và các vít.

29
6.4 Nạp code cho mạch
Sản phẩm sau khi được hoàn thành lắp đặt sẽ được nạp code vào vi điều khiển thông
qua Adruino UNO sử dụng phần mềm Adruino IDE:
# include <PID_v1 . h>
# include < L M o t o r C o n t r o l l e r . h>
# include " I2Cdev . h "
# include " MPU6050_6Axis_MotionApps20 . h "

# i f I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
# i n c l u d e " Wire . h "
# endif

# d e f i n e MIN_ABS_SPEED 20

MPU6050 mpu ;

b o o l dmpReady = f a l s e ;
uint8_t mpuIntStatus ;
uint8_t devStatus ;
uint16_t packetSize ;
uint16_t fifoCount ;
uint8_t fifoBuffer [64];

Quaternion q ;
VectorFloat gravity ;
f l o a t ypr [ 3 ] ;
/ / PID
double o r i g i n a l S e t p o i n t = 178.4;
double s e t p o i n t = o r i g i n a l S e t p o i n t ;
double movingAngleOffset = 0 . 1 ;
double input , output ;

d o u b l e Kp = 1 3 5 ;
d o u b l e Kd = 4 ;
d o u b l e Ki = 4 0 0 ;

30
PID p i d (& i n p u t , &o u t p u t , &s e t p o i n t , Kp , Ki , Kd , DIRECT ) ;

double motorSpeedFactorLeft = 0 . 6 ;
double motorSpeedFactorRight = 0 . 5 ;
/ / MOTOR CONTROLLER
i n t ENA = 5 ;
i n t IN1 = 6 ;
i n t IN2 = 7 ;
i n t IN3 = 8 ;
i n t IN4 = 9 ;
i n t ENB = 1 0 ;
L M o t o r C o n t r o l l e r m o t o r C o n t r o l l e r (ENA, IN1 , IN2 , ENB,
IN3 , IN4 , m o t o r S p e e d F a c t o r L e f t , m o t o r S p e e d F a c t o r R i g h t ) ;

v o l a t i l e bool mpuInterrupt = f a l s e ;
v o i d dmpDataReady ( )
{
mpuInterrupt = true ;
}

void setup ( )
{
# i f I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE
Wire . b e g i n ( ) ;
TWBR = 2 4 ;
# e l i f I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE
Fastwire : : setup (400 , true ) ;
# endif

mpu . i n i t i a l i z e ( ) ;

d e v S t a t u s = mpu . d m p I n i t i a l i z e ( ) ;

mpu . s e t X G y r o O f f s e t ( 2 2 0 ) ;
mpu . s e t Y G y r o O f f s e t ( 7 6 ) ;

31
 mpu . s e t Z G y r o O f f s e t ( − 8 5 ) ;
mpu . s e t Z A c c e l O f f s e t ( 1 7 8 8 ) ;

i f ( d e v S t a t u s == 0 )
mpu . setDMPEnabled ( t r u e ) ;

a t t a c h I n t e r r u p t ( 0 , dmpDataReady , RISING ) ;
m p u I n t S t a t u s = mpu . g e t I n t S t a t u s ( ) ;

dmpReady = t r u e ;

p a c k e t S i z e = mpu . d m p G e t F I F O P a c k e t S i z e ( ) ;

/ / s e t u p PID
p i d . SetMode (AUTOMATIC ) ;
p i d . SetSampleTime ( 1 0 ) ;
p i d . S e t O u t p u t L i m i t s ( −255 , 2 5 5 ) ;
}
else
{
S e r i a l . p r i n t ( F ( "DMP I n i t i a l i z a t i o n f a i l e d ( code " ) ) ;
Serial . print ( devStatus ) ;
Serial . println (F ( " ) " ) ) ;
}
}

void loop ( )
{
i f ( ! dmpReady ) r e t u r n ;

w h i l e ( ! m p u I n t e r r u p t && f i f o C o u n t < p a c k e t S i z e )
{
p i d . Compute ( ) ;
m o t o r C o n t r o l l e r . move ( o u t p u t , MIN_ABS_SPEED ) ;

32
 }

mpuInterrupt = false ;
m p u I n t S t a t u s = mpu . g e t I n t S t a t u s ( ) ;

f i f o C o u n t = mpu . g e t F I F O C o u n t ( ) ;

i f ( ( m p u I n t S t a t u s & 0 x10 ) | | f i f o C o u n t == 1 0 2 4 )
{
mpu . r e s e t F I F O ( ) ;
S e r i a l . p r i n t l n ( F ( " FIFO o v e r f l o w ! " ) ) ;

}
e l s e i f ( m p u I n t S t a t u s & 0 x02 )
{
while ( fifoCount < packetSize ) fifoCount =
mpu . g e t F I F O C o u n t ( ) ;

mpu . g e t F I F O B y t e s ( f i f o B u f f e r , p a c k e t S i z e ) ;

f i f o C o u n t −= p a c k e t S i z e ;

mpu . d m p G e t Q u a t e r n i o n (&q , f i f o B u f f e r ) ;
mpu . d m p G e t G r a v i t y (& g r a v i t y , &q ) ;
mpu . d m p G e t Y a w P i t c h R o l l ( ypr , &q , &g r a v i t y ) ;
i n p u t = y p r [ 1 ] ∗ 1 8 0 / M_PI + 1 8 0 ;
}
}

33
Chương 7

Bảo dưỡng
Nhằm đảm bảo cho sản phẩm luôn hoạt động tốt và ổn định, nhóm tiến hành bảo
hành định kì theo tháng. Hàng tháng, nhóm tiến hành vệ sinh, kiểm tra hoạt động. Sản
phẩm được tháo pin khi không sử dụng một thời gian nhằm tránh hư hại không mong
muốn cho pin.

34
KẾT LUẬN
Trong đề tài này, chúng tôi đã hoàn thành thành công một sản phẩm xe hai bánh tự
cân bằng có ý nghĩa mô hình cao. Sản phẩm hoàn thiện có khả năng tự cân bằng đưới
điều kiện nhất định và đặc biệt có thể mang theo một số đồ vật như: bút, cốc, điện
thoại...
Trong tương lai, để tiếp tục phát triển hơn nữa đề tài này, nhóm chúng tôi đề xuất
ra các hướng phát triển đề tài:

• Tích hợp thêm cảm biến và tiếp tục lập trình để xe có khả năng không chỉ tự cân
bằng mà còn có thể tự hành. Mục tiêu sau khi nâng cấp, xe có thể tự hành bám
theo một đường vạch được kẻ trước.

• Tích hợp thêm bộ thu/phát sóng và tiếp tục lập trình để xe có khả năng điều khiển
từ xa thông qua một bộ điều khiển. Mục tiêu là xe có thể tự cân bằng và tiến, lùi,
rẽ trái phải theo điều khiển của người sử dụng.

Trong suốt thời gian tìm hiểu và hoàn thành đề tài này, nhóm chúng tôi đã nhận
được sự hướng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình, ân cần của thầy Phạm Ngọc Nam. Bên cạnh
đó, chúng tôi cũng gửi lời cảm ơn tới các anh chị khóa trên cũng như các bạn trong
lớp KSTN Điện tử truyền thông K61 đã giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài này.
Lời cuối cùng, một lần nữa chúng tôi xin gửi lời cảm ơn tới PGS. TS. Phạm Ngọc
Nam cũng như Ban lãnh đạo Viện đã giúp chúng tôi tiếp cận gần hơn tới điện tử và
ứng dụng của lĩnh vực này. Hơn hết, thầy đã giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về chuyên
ngành mà mình đang theo học cũng như trau dồi các kiến thức, kỹ năng cần thiết, tạo
tiền đề để chúng tôi có định hướng rõ ràng về công việc mà mình đang theo đuổi.

35
Tài liệu tham khảo
[1] Báo điện tử VnExpress. (2017). Ôtô, xe máy xả khói khiến môi trường hà nội
’báo động đỏ’, [Online]. Available: https://vnexpress.net/photo/
thoi-su/oto-xe-may-xa-khoi-khien-moi-truong-ha-noi-
bao-dong-do-3544808.html (visited on 12/21/2018).
[2] Wikipedia. (2018). Self-balancing scooter, [Online]. Available: https : / /
en.wikipedia.org/wiki/Self- balancing_scooter (visited on
12/21/2018).
[3] Segway Inc. (2018). Segway pt, [Online]. Available: http://www.segway.
com/products/professional (visited on 12/21/2018).
[4] Linh kiện Điện tử Minh Hà. (), [Online]. Available: http://banlinhkien.
vn/ (visited on 12/21/2018).
[5] Alldatasheet. (2018), [Online]. Available: http://www.alldatasheet.
com (visited on 12/21/2018).

36