Hệ thống robot giáo dục stem

Nội dung text: Hệ thống robot giáo dục stem

1. HỆ THỐNG ROBOT GI O DỤC STEM Nguyễn Hậu Phương Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: TS. Nguyễn Trọng Hải TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thiết kế và chế tạo Robot nhỏ có thể dùng để giải trí và học tập nghiên cứu Robot sử dụng được nhiều nơi như lớp học, nhà riêng, khu vui chơi vì kích thước nhỏ gọn lưu động. Robot giúp chúng ta cải thiện sự quan sát tập trung và kiên nhẫn qua các bài học lắp ráp mô h nh. Tăng cường khả năng tư duy logic với những mô h nh có thể chuyển động được. Giúp các em có thể sớm bộc lộ được đam mê của m nh trong thế giới công nghệ số đang bùng nổ như hiện nay. Chúng ta có thể lồng ghép những mô h nh này vào những môn học hiện tại, để giúp các em có thể phát huy tư duy, sáng tạo. Robot này gồm mạch điều khiển trung tâm, các module kết nối với điện thoại thông minh qua kết nối Bluetooth. Từ khóa: Robot, hệ thống robot, robot giáo dục, hệ thống robot giáo dục STEM. 1 GIỚI THIỆU Giáo dục STEM còn chú trọng trang bị cho học sinh những kỹ năng mềm cần thiết cho sự thành công trong công việc sau này như kỹ năng cộng tác, làm việc nhóm, giải quyết vấn đề, tư duy sáng tạo, tư duy phản biện. Như vậy giáo dục STEM nói đến một cách tiếp cận liên ngành, liên môn, học trong chương tr nh đào tạo: khoa học, công nghệ, kỹ thuật, toán học. Giúp tre biết cách áp dụng kiến thức vào thực tế cuộc sống. Giáo dục STEM giúp trẻ tư duy, giải quyết vấn đề dựa trên cơ sở khoa học chặt chẽ và có tính ứng dụng thực tế cao. Chính v lý dó đó mà nhóm em thiết kế một mô h nh Robot giáo dục STEM dạy các em nhỏ để các em có thể sớm tiếp cậnà khoa học công nghệ còn là thứ mới lạ với các em nhỏ ở những vùng quê nghèo này, giúp các em có thể tiếp cận đến với công nghệ hiện nay. Xây dựng và h nh thành các kỹ năng mềm: tư duy chiến lược, giải quyết vấn đề, làm việc theo nhóm. Tạo cợ hội giao lưu cho các em học sinh với các bạn bè trong và ngoài nước trong cộng đồng học STEM nói chung. Xây dựng một môi trường học tập tích cực, thân thiện tư duy sáng tạo, năng động và trách nhiệm. Phát triển kỹ năng khoa học và kỹ thuật bao gồm: đặt câu hỏi và giải quyết vấn đề, t m hiểu, phân tích và giải quyết dữ liệu, lập luận dựa trên các thông tin đã biết, thu thập, đánh giá và trao đổi thông tin. ới nền tảng và thông qua sự thiết kế, sáng tạo và lắp ráp các mẫu robot. Thúc đẩy các em khám phá và t m hiểu khoa học kỹ năng sử dụng máy tính, lập tr nh thông qua phần mềm lập tr nh đơn giản và trực quan. à đặc biệt là kỹ năng sử dụng các công cụ kỹ thuật thông qua phần mềm kỹ thuật đi kèm. Lập tr nh Robot: Robot là một chiếc xe điện tự lái hoàn chỉnh, học sinh có thể lập tr nh các bài toán kinh điển trong lĩnh vực robot như: tránh vật cản, đi theo vạch, robot tự hành, điều 240
2. khiển qua điện thoại. Nhận biết linh kiện điện tử cơ bản: Robot được trang bị sẵn các linh kiện điện tử cơ bản (điện trở, còi, led, cảm biến ) giúp học sinh nhận biết được các linh kiện cơ bản. 2 THIẾT KẾ GIÁO TRÌNH HỆ THỐNG 2.1 Bài hướng dẫn 1: Đ n L D ới Arduino Hình 1. Sơ đồ lắp đặt đèn LED với Arduino 2.2 Bài hướng dẫn : Sử dụng n t nhấn ới Arduino Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ t m hiểu cách sử dụng công tắc nút nhấn cùng với Arduino, để bật và tắt đèn LED sử dụng Little Bird Uno R3. Hình 2. Sơ đồ lắp sử dụng nút nhấn với Arduino 241
3. . Bài hướng dẫn 3: Sử dụng c i ới Arduino. Trong hướng dẫn này chúng ta sẽ t m hiểu làm thế nào để tạo ra tiếng bíp và âm thanh cơ bản với bộ rung Piezo và Arduino. Hình 3. Sơ đồ lắp sử dụng còi với Arduino . Bài hướng dẫn 4: Cảm iến siêu m ới Arduino Trong hướng dẫn này bạn sẽ học cách sử dụng cảm biến khoảng cách siêu âm với bảng tương thích với Arduino. Hình 4. Sơ đồ lắp cảm biến siêu âm với Arduino 242
4. . Bài hướng dẫn 5: Động cơ motor DC ới Arduino Trong hướng dẫn này bạn sẽ học cách điều khiển động cơ motor DC với Arduino trên mô h nh robot. Hình 5. Sơ đồ lắp động cơ motor DC với Arduino Arduino Uno R3 - Là Arduino thế hệ thứ 3 dòng Arduino cơ bản, linh hoạt, thường được sử dụng cho những dự án đơn giản, mức độ vừa phải, đặc biêt thường sử dụng cho người mới bắt đầu tiếp xúc và làm quen với Arduino. - Vi điều khiển trung tâm - Arduino Uno sử dụng ATMEGA328P làm vi điều khiển trung tâm. Đây là dòng vi - Bộ nhớ Flash 32KB - Bộ nhớ SRAM 2KB - Bộ nhớ EEPROM 1KB - Tần số hoạt động tối đa lên tới 20MHz và có thể thực hiện 20 triệu lệnh/s (ở tần số 20MHz). - Khả năng ghi/xóa 10.000 lần của Flash và 100.000 lần của EEPROM - 2 timer 8 bit và 1 timer 16 bit - 6 ngõ ra PWM - 6 kênh ADC 10-bit - Hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART, SPI, I2C - Điện áp hoạt động 1.8V-5.5V 243
5. Như vậy, nhìn sơ qua thông số của nó ta thấy nó tương đối mạnh so với cái dòng vi điều khiển 8 bit khác (so với 8051, PIC, STM8) chỉ có 20 chân nhưng bộ nhớ Flash lên đến 32KB (trong khi 89S52 chỉ 8KB) và bộ nhớ Ram lên đến 2 KB (trong khi 89S52 là 256B), không những vậy còn kèm thêm rất nhiều chức năng như PWM, ADC, các chuẩn giao tiếp thông dụng nữa Hình 6. Arduino UNO R3 Module điều khiển motor L298N - Module điều khiển motor L298N loại 1 có sẵn ốc gắn sử dụng IC điều khiển L298N có thể điều khiển 2 động cơ một chiều hoặc 1 động cơ bước 4 pha. - Các chân tín hiệu: 1. DC motor 1 “+” hoặc stepper motor A+ 2. DC motor 1 “-” hoặc stepper motor A- 3. 12V jumper – tháo jumper ra nếu sử dụng nguồn trên 12V. Jumper này dùng để cấp nguồn cho IC ổn áp tạo ra nguồn 5V nếu nguồn trên 12V sẽ làm cháy IC Nguồn 4. Cắm dây nguồn cung cấp điện áp cho motor vào đây từ 6V đến 35V. 5. Cắm chân GND của nguồn vào đây 6. Ngõ ra nguồn 5v, nếu jumper đầu vào không rút ra 244
6. 7. Chân Enable của Motor 1, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor nếu dùng VDK thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào đây giữ nguyên khi dùng với động cơ bước. 8. IN1 9. IN2 10. IN3 11. IN4 12. Chân Enable của Motor 2, chân này dùng để cấp xung PWM cho motor nếu dùng VDK thì rút jumper ra và cắm chân PWM vào đây giữ nguyên khi dùng với động cơ bước 13. DC motor 2 “+” hoặc stepper motor B+ 14. DC motor 2 “-” hoặc stepper motor B- Thông số kỹ thuật: - Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H. - Điện áp điều khiển: +5V ~ +12 V. - Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A. - Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V. - Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36Ma. - Công suất hao phí: 20 W (khi nhiệt độ T = 75 °C). - Nhiệt độ bảo quản: -25°C ~ +130. Hình 7. Module điều khiển motor L298N 245
7. Mạch thu phát Bluetooth 4.0 ( HC-05) HC-05 dựa trên tiêu chuẩn giao tiếp Bluetooth 4.0, tần số làm việc 2.4GHZ, chế độ điều chế là GFSK, công suất truyền tối đa là 4db, khoảng cách truyền tối đa là 60 mét, sử dụng thiết kế chip gốc nhập khẩu, hỗ trợ người dùng sửa đổi thiết bị thông qua lệnh AT rất thuận tiện và nhanh chóng để sử dụng. Mô-đun Bluetooth này có thể nhận và truyền dữ liệu điện thoại di động. Theo mặc định, BLE Bluetooth có thể được sử dụng cho ứng dụng sản phẩm mà không cần cấu hình. Thông số kỹ thuật: - Tần số làm việc: 2.4 Ghz. - Công suất phát max: 4db. - Giao tiếp: UART. - Điện áp hoạt động: 1.8 - 3.6V. - Nhiệt độ hoạt động: - 40 oC ~ 80 oC. - Ăng-ten: Ăng-ten PCB tích hợp. - Kích thước mô-đun: 19.6 × 14.94 × 1.8 mm. - Phiên bản Bluetooth: BLE 5.0 Tương thích với BLE4.0, BLE4.2. Hình 8. Mạch thu phát Bluetooth 4.0 ( HC - 05) 246
8. 3 KẾT QUẢ THI CÔNG SẢN PHẨM Hình 9. Hình ảnh thực tế của xe robot 4 KẾT LUẬN ới sự phát triển của khoa học kỹ thuật công nghệ th nhu cầu làm việc liên quan đến STEM ngày càng lớn đòi hỏi ngành giáo dục cũng phải có những sự thay đổi để đáp ứng nhu cầu xã hội. Giáo dục STEM có thể tạo ra những con người có thể đáp ứng được nhu cầu công việc của thế kỷ mới có tác động lớn đến sự thay đổi của nền kinh tế mới. Robot giáo dục STEM của chúng em là mô h nh có những bài giảng về robot có thể giúp các em sớm được kết nối với khoa học công nghệ. Giúp các em có thể sớm bộc lộ được đam mê của m nh trong thế giới công nghệ số đang bùng nổ như hiện nay. Chúng ta có thể lồng ghép những mô h nh này vào những môn học hiện tại, để giúp các em có thể phát huy tư duy, sáng tạo. Nó hỗ trợ các em trong quá tr nh học tập, giúp các em cải thiện sự quan sát tập trung và kiên nhẫn thông qua mô h nh của nhóm. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] qua-smartphone [5] 247