Tài liệu Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote ir (infrared receiver) và điện thoại android

LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, hệ thống điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật công nghệ, văn minh hiện đại. Thực tế mỗi khía cạnh của hoạt động hằng ngày đều bị chi phối bởi một vài loại hệ thống điều khiển. Dễ dàng tìm thấy hệ thống điều khiển máy công cụ, kỹ thuật không gian và hệ thống vũ khí, điểu khiển máy tính, các hệ thống giao thông, hệ thống năng lượng, robot… Trong sinh hoạt hàng ngày của con người như những trò chơi giải trí (robot, xe điều khiển từ xa…) cho đến những ứng dụng gần gũi với con người cũng được cải tiến cho phù hợp với việc sử dụng và đạt mức tiện lợi nhất. Việc điều khiển từ xa đã thâm nhập vào tất cả các lĩnh vực của cuộc sống. Chính vì tầm quan trọng của lĩnh vực Đo Lường Và Điều Khiển Tự Động, nhóm em đã mạnh dạn lựa chọn đề tài “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và bằng điện thoại android”. Chúng em xin chân thành cảm ơn các tất cả các Thầy Cô Giáo trong nhà trường, nhất là các Thầy Cô Giáo trong viện Điện Tử Viễn Thông của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình dạy dỗ chúng em trong suốt thời gian qua. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS.NGUYỄN NGỌC VĂN. Người đã nhiệt tình hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành đồ án này. Xin cảm ơn tất cả các bạn bè đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ chúng tôi trong lúc thực hiện đồ án này. Xin chân thành cảm ơn! TÓM TẮT ĐỒ ÁN Với mục đích chính thực hiện tự động hóa đo lường và điều khiển chúng em đã quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng Remote IR (Infrared Receiver) và điện thoại android” Ngoài ra khi thực hiện đề tài này, không chỉ điều khiển xe mô hình từ xa, chúng em muốn sử dụng công nghệ, thiết bị phổ biến trong thế giới hiện đại ngày nay vào việc điều khiển, cụ thể là sử dụng các dòng Smartphone chạy trên hệ điều hành Android. Sau khi thực hiện đồ án em đã rút ra được những kết luận quan trọng:  Rút ra được những ưu và nhược điểm của mỗi phương pháp điều khiển từ xa.  So sánh được khả năng điều khiển từ xa của hai phương pháp điều khiển bằng sóng hồng ngoại (remote IR) và điều khiển bằng sóng Bluetooth qua điện thoại android.  Hệ điều hành android và phần mềm android được sử dụng trong mọi ứng dụng của đời sống, nhất là trong thời đại công nghệ phát triển. ABSTRACT With the main purpose of implementing automated measurement and control, we have decided to make the subject: designing remote-controlled models with remote IR and Android phones. Furthermore, when making this subject, not only do we control remote model cars but we also would like to use technology and popular devices in today’s modern world to control, specifically to use the Smartphone that runs on the Android operating system. Affter the implemntation of the project we have drawn important conclusions:  Compara the remote control capability of two mothods of control: with infrared (remote IR) and with Bluetooth wave through Android phones.  The Android OS and the Android software are in all applications of life, especially in this era of technological development. 2 Mục lục Danh sách hình vẽ ...............................................................................................................6 Danh sách bảng biểu ...........................................................................................................8 Danh mục từ viết tắt ............................................................................................................9 PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 12 i. Giới hạn đề tài............................................................................................................ 12 ii. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 13 iii. Quá trình thực hiện ................................................................................................. 13 iv. Chỉ tiêu kỹ thuật ...................................................................................................... 15 CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN .................................................................. 17 1.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa .................................................................. 17 1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa .............................. 18 1.1.2. Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa .............................................. 18 1.2. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại ................................................................. 19 1.2.1. Lý thuyết sóng hồng ngoại IR....................................................................... 19 1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại nói chung..... 20 1.3. Điều khiển từ xa bằng Bluetooth......................................................................... 23 1.3.1. Công nghệ truyền thông không dây Bluetooth ........................................... 23 1.3.2. Các vấn đề bảo mật trong công nghệ Bluetooth ......................................... 25 1.3.3. Các khái niệm trong công nghệ Bluetooth .................................................. 27 1.3.4. Định nghĩa các liên kết vật lý trong Bluetooth ........................................... 29 1.3.5. Trạng thái của thiết bị Bluetooth .................................................................. 30 1.3.6. Các chế độ kết nối .......................................................................................... 30 1.3.7. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số trong công nghệ Bluetooth ......................... 31 1.3.8. Cách thức hoạt động của Bluetooth ............................................................. 34 CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU HỆ ĐIỀU HÀNH VÀ GIAO TIẾP NGOẠI VI ............... 40 2.1. Khối xử lý trung tâm MCU ATMEGA328........................................................ 40 2.1.1. Giới thiệu MCU ATMEGA328 .................................................................... 40 2.1.2. Thông số kĩ thuật chính của ATMEGA328 ................................................ 40 2.2. Cảm biến sóng siêu âm đo và tính toán khoảng cách: SRF05......................... 41 2.2.1. Giới thiệu SRF05 ............................................................................................ 45 2.2.2. Thông số kỹ thuật: .......................................................................................... 45 2.2.3. Giản đồ xung hoạt động của SRF05: ........................................................... 46 3 2.3. Điều khiển từ xa bằng hồng ngoại ...................................................................... 47 2.3.1. Remote hồng ngoại......................................................................................... 47 2.3.2 Mắt thu hồng ngoại.......................................................................................... 48 2.3.3 Sơ đồ khối:........................................................................................................ 49 2.4. Module Bluetooth HC05 ...................................................................................... 51 2.4.1. Giới thiệu về Bluetooth HC05 ...................................................................... 51 2.4.2 Cơ chế hoạt động ............................................................................................. 52 2.4.3. Điều khiển Robot Car bằng điện thoại android bằng HC05 ..................... 53 2.5. Module dò đường .................................................................................................. 54 2.6. Hệ điều hành android ............................................................................................ 55 2.6.1. Giới thiệu về android ..................................................................................... 55 2.6.2. Lịch sử hình thành .......................................................................................... 56 2.6.3. Tính năng android........................................................................................... 58 2.6.4. Kiến trúc hệ điều hành android..................................................................... 59 2.6.5. Chu kỳ ứng dụng trên android ...................................................................... 62 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH XE ĐIỀU KHIỂN TỪ XA.............................. 68 3.1. Phân tích và xác định yêu cầu. ............................................................................ 68 3.1.1. Mục đích của đề tài: ....................................................................................... 68 3.1.2. Yêu cầu thiết kế .............................................................................................. 68 3.1.3. Yêu cầu kết quả .............................................................................................. 68 3.2. Xây dựng thuật toán .............................................................................................. 69 3.2.1. Thuật toán tổng thể......................................................................................... 69 3.2.2. Thuật toán điều khiển từng chức năng cụ thể ............................................. 70 3.2.3. Thuật toán tính khoảng cách ......................................................................... 70 3.2.4. Thuật toán dò đường ...................................................................................... 71 3.3. Thiết kế phần cứng ................................................................................................ 72 3.3.1. Sơ đồ khối chức năng..................................................................................... 72 3.3.2. Sơ đồ khối hoạt động: .................................................................................... 74 3.3.3. Sơ đồ nguyên lý của thiết kế và các module trong thiết kế....................... 76 3.3.4. Sơ đồ mạch in thiết kế.................................................................................... 78 3.4. Xây dựng phần mềm trên android....................................................................... 79 3.4.1. Lưu đồ thuật toán............................................................................................ 79 3.4.2. Giao diện ứng dụng .................................................................................... 79 4 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ ĐỊNH HƯỚNG ĐỀ TÀI ...................... 82 4.1. Các kết quả đạt được............................................................................................. 82 4.1.1. Kết quả ............................................................................................................. 82 4.1.2. Hình ảnh của sản phẩm .................................................................................. 83 4.1.3. Các kết luận rút ra được .................................................................................... 84 4.2. Đinh hướng đề tài:................................................................................................. 85 KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 88 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................ 89 5 Danh sách hình vẽ Hình 1.1: Quang phổ của các nguồn sóng hồng ngoại ................................................ 19 Hình 1.2: Sơ đồ máy phát ................................................................................................ 21 Hình 1.3: Sơ đồ khối máy thu ......................................................................................... 22 Hình 1.4: Kiến trúc Piconet trong Bluetooth ................................................................ 28 Hình 1.5: Một Scatternet gồm 2 Piconet ....................................................................... 29 Hình 1.6: Kỹ thuật trải phổ nhảy tần số ......................................................................... 32 Hình 1.7: Các packet truyền trên các tần số khác nhau ............................................... 32 Hình 1.8: Các packet truyền trên khe thời gian ............................................................ 33 Hình 1.9: Cấu trúc gói tin buletooth............................................................................... 33 Hình 1.10: Cấu tạo một packet ....................................................................................... 34 Hình 1.11: Mô hình piconet ............................................................................................ 36 Hình 1.12: Quá trình truy vấn tạo kết nối...................................................................... 37 Hình 1.13: Quá trình truy vấn tạo kết nối...................................................................... 37 Hình 1.14: Truy vấn tạo kết nối giữa các thiết bị trong thực tế .................................. 38 Hình 1.15: Ví dụ về mô hình satternet ........................................................................... 38 Hình 2. 1: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của ATEMEGA328 ................................ 40 Hình 2. 2: Hình ảnh thực tế của SRF05. ........................................................................ 46 Hình 2. 3: Giản đồ xung của SRF05 .............................................................................. 46 Hình 2. 4: Hình ảnh thực tế Remote hồng ngoại .......................................................... 47 Hình 2. 6: Sơ đồ chân mắt thu hồng ngoại .................................................................... 48 Hình 2. 7: Sơ đồ hoạt động khối phát hồng ngoại ........................................................ 49 Hình 2. 8: Sơ đồ hoạt động khối thu hồng ngoại .......................................................... 49 Hình 2. 9: Cấu trúc sóng mang hồng ngoại ................................................................... 50 Hình 2. 10: Truyền dữ liệu .............................................................................................. 50 Hình 2. 11: Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của HC-05 .............................................. 51 Hình 2. 12: Hình ảnh thực tế module dò đường ........................................................... 54 Hình 2. 13: Cảm biến hồng ngoại CTRT5000 .............................................................. 55 Hình 2. 14: Logo android ................................................................................................ 56 Hình 2. 15: Android timeline .......................................................................................... 56 Hình 2. 16: Mô hình kiến trúc nền tảng hệ điều hành Android .................................. 59 Hình 2. 17: Mô hình hợp tác giữa máy ảo Dalvik và Navite code ............................. 62 Hình 2. 18: Activity Stack ............................................................................................... 63 Hình 2. 19: Chu kỳ sống của Activity............................................................................ 64 Hình 3. 1: Hình 3. 2: Hình 3. 3: Hình 3. 4: Hình 3. 5: Hình 3. 6: Thuật toán điều khiển .................................................................................... 69 Sơ đồ sắp xếp vị trí 3 cảm biến CTRT5000 ............................................... 71 Sơ đồ khối chức năng của mạch................................................................... 72 Sơ đồ khối hoạt động của mạch ................................................................... 74 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch........................................................................... 76 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ....................................................................... 76 6 Hình 3. 7: Sơ đồ nguyên lý module điều khiển động cơ ............................................. 77 Hình 3. 8: Sơ đồ nguyên lý khối ATMEGA328........................................................... 77 Hình 3. 9: Sơ đồ nguyên lý module SRF05 .................................................................. 78 Hình 3. 10: Sơ đồ mạch in của thiết kế .......................................................................... 78 Hình 3. 11: Sơ đồ thuật toán trên android ..................................................................... 79 Hình 3. 12: Giao diện khởi động của ứng dụng............................................................ 79 Hình 3. 13: Giao diện lúc bật Bluetooth ........................................................................ 80 Hình 3. 14: Giao diện hiển thị danh sách thiết bị tìm được ........................................ 80 Hình 3. 15: Giao diện lúc kết nối và sau khi kết nối thành công................................ 81 Hình 4. 1: Hình 4. 2: Hình 4. 3: Hình 4. 4: Hình 4. 5: Hình ảnh sản phẩm thiết kế........................................................................... 83 Điều khiển xe rà phá bom mìn từ xa (ảnh minh họa) ................................ 85 Xe dò đường có gắn camera (ảnh minh họa).............................................. 85 Xe cần cẩu đòi hỏi tính chính xác cao (ảnh minh họa) ............................. 86 Xe có gắn camera điều khiển qua wifi (ảnh minh họa)............................. 86 7 Danh sách bảng biểu Bảng 1. 1: Các phiên bản Bluetooth............................................................................... 24 Bảng 2. 1: Bảng 2. 2: Bảng 2. 3: Bảng 2. 4: Bảng 2. 5: Bảng 2. 6: Thông số kỹ thuật ATEMEGA328 ............................................................. 41 Thông số kỹ thuật SRF05 ............................................................................. 45 Bảng mã các nút nhấn Remote tương ứng với các chức năng ................. 47 Thông số kỹ thuật HC-05 ............................................................................. 52 Dữ liệu gửi từ android tới HC05.................................................................. 53 Các phiên bản hệ điều hành android ........................................................... 57 Bảng 3. 1: Giá trị các motor tương ứng với các chức năng......................................... 70 Bảng 3. 2: Bảng giá trị đầu ra các cảm biến tương ứng với các trường hợp............. 72 8 Danh mục từ viết tắt Từ đầy đủ Từ viết tắt IR Ý nghĩa Infrared Hồng ngoại MCU Microcontroller Unit Vi điều khiển MAC Media Access Control Điều khiển truy cập truyền thông AMA Active Member Address Địa chỉ 3bit dành cho thiết bị đang hoạt động trong piconet PMA Con số 8 bit để nhận biêt các packed Packed Member Address Salve với nhau ACL Asynchronous connectionless Phi kết nối bất đồng bộ dành cho truyền dữ liệu SCO Kết nối đồng bộ có định hướng Synchronous connectionoriented CRC Cyclic Redundancy Check Gói kiểm soát lỗi theo chu kỳ FHSS Frequency Hopping Trải phổ nhảy tần số Spectrum GFSK DSSS Gaussian frequency-shift Kiểu điều chế tần số dựa trên sự thay keying đổi tần số rời rạc của sóng mang Direct Sequence Spead Là kỹ thuật điều chế trải phổ Spectrum ISM Industrial Scientific Medical Dãy băng tần không cần đăng ký: 2.42.48GHz FEC Forward Error Correction Kỹ thuật sửa lỗi tiến BEC Backward Error Control Kỹ thuật sửa lỗi ngược Dải băng tần cơ sở Baseband LMP Link Manament Protocol Giao thức quản lý kết nối SDK Software Developement Kit Bộ công cụ phát triển phần mềm 9 GSM/EDG Global System for Mobile E Communications/ Enhanced Hệ thống thông tin di động toàn cầu Data Rates for GSM Evolution IDEN CDMA Integrated Digital Enhanced Công nghệ viễn thông di động phát Network triền mới Motorola. Code Division Multiple Đa truy cập phân chia theo mã Access EV-DO EVolution-Data Optimized Tiêu chuẩn truyền băng thông rộng vô tuyyeens cho các thiết bị không dây UTMS Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Universal Mobile Telecommunications Systems A2DP Advanced Audio Distribution Là một trong những chế độ Bluetooth hỗ trợ ĐTDĐ khả năng Profile phát ra âm thanh chuẩn stereo. AVRCP HTML5 CSS3 Audio/Video Remote Control Cấu hình điều khiển từ xa âm Profile thanh/Video HyperText Markup Là một ngôn ngữ cấu trúc và trình bày Language 5 nội dung cho World Wide Web Cascading Style Sheets Là những file hỗ trỡ trình duyệt web trong việc hiển thị HTML HE-AAC High-Efficiency Advanced Mã hóa âm thanh tiên tiến Audio Coding JPEG Joint Photographic Experts Là một trong những phương pháp nén Group ảnh hiệu quả, có tỷ lệ nén ảnh tới vài chục lần. Tuy nhiên chất lượng ảnh bị suy giảm sau khi giải nén 10 PNG Portable Network Graphic Là một dạng hình ảnh sử dụng phương pháp nén dữ liệu mới - không làm mất đi dữ liệu gốc. GIF Graphics Interchange Format là một định dạng tập tin hình ảnh bitmap cho các hình ảnh dùng ít hơn 256 màu sắc khác nhau và các hoạt hình dùng ít hơn 256 màu cho mỗi khung hình MIDI Musical Instrument Digital Giao diện kỹ thuật số dành cho nhạc cụ Interface GPS Global Positioning System Hệ thống Định vị Toàn cầu API Application Programming Giao diện lập trình ứng dụng Interface JNI Java Native Interface Bộ framework cho phép mã lệnh viết bằng Java 11 PHẦN MỞ ĐẦU Điều khiển từ xa là việc điều khiển một mô hình ở một khoảng cách nào đó mà con người không nhất thiết trực tiếp đến nơi, trực tiếp điều khiển hệ thống. Khoảng cách đó tùy thuộc vào từng hệ thống có mức độ phức tạp, khác nhau, chẳng hạn như việc điều khiển từ xa một phi thuyền ta cần có hệ thống phát và thu mạnh, ngược lại để điều khiển một trò chơi điện tử từ xa ta chỉ cần một hệ thống phát và thu yếu hơn… Chính vì vậy với đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và bằng điện thoại android” chúng em muốn giải quyết các vấn đề sau:  Thực hiện đo lường khoảng cách giữa xe đến vật cản bằng sóng siêu âm.  Thiết kế khối điều khiển xe với các chức năng cơ bản: rẽ trái, rẽ phải, tiến, lùi, dừng lại.  Thực hiện tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước dựa trên khoảng cách đo được.  Thực hiện dò đường dựa vào tiêu chí màu sắc của đường đi, thông qua cảm biến hồng ngoại.  Thiết kế phần mềm android điều khiển chuyển động của xe. i. Giới hạn đề tài Lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động rất đa dạng về hướng nghiên cứu. Đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và điện thoại android” cũng có rất nhiều khía cạnh nghiên cứu thực hiện. Tuy nhiên trong điều kiện:  Thời gian thực hiện 15 tuần.  Kinh nghiệm thực tế còn chưa nhiều.  Tài liệu nghiên cứu chưa có nhiều tài liệu chuyên sâu. Vì vậy nhóm em thực hiện đề tài với những nội dung sau:  Lập trình bằng Kit Ardiuno trên vi điều khiển ATMEGA328.  Thiết kế mạch điều khiển xe mô hình bằng tia hồng ngoại qua Remote và bằng điện thoại android qua Sóng Bluetooth. 12  Xây dựng chương trình điều khiển trên điện thoại android.  Thực hiện các chức năng điều khiển cơ bản, tự động tránh vật cản, dò đường. ii. Mục đích nghiên cứu Thực hiện đề tài: “Thiết kế xe mô hình điều khiển từ xa bằng remote IR và bằng điện thoại android” giúp người thực hiện nắm được lý thuyết về đo lường và điều khiển, hiểu được nguyên lý điều khiển, tập lệnh vi điều khiển. Sản phẩm đề tài trước hết có thể để nghiên cứu, mở rộng ứng dụng trong thực tế sản xuất công nghiệp. iii. Quá trình thực hiện  Dàn ý nghiên cứu  Tia hồng ngoại và điều khiển thiết bị từ xa bằng tia hồng ngoại.  Công nghệ truyền thông không dây tầm gần Bluetooth.  Hệ điều hành android.  Cảm biến trong đo lường: cảm biến sóng siêu âm.  Vi điều khiển ATMEGA328 và các tập lệnh liên quan.  Phần mềm điều khiển chạy trên hệ điều hành android. Báo cáo thể hiện gồm các chương:  Chương mở đầu: Khái quát về nội dung, mục đích, giới hạn đề tài và các phương pháp thực hiện.  Chương 1: Kiến thức tổng quan.  Chương 2: Giới thiệu về hệ điều hành và các giao tiếp ngoại vi sử dụng trong thiết kế.  Chương 3: Thuật toán thực hiện, sơ đồ khối tổng quát và chi tiết, các bước và quá trình thực hiện.  Chương 4: Kết quả đạt được và các hướng phát triển.  Chương kết luận. 13  Đối tượng thực hiện  Khối xử lý tín hiệu và điều khiển: có nhiều phương pháp thực hiện như dùng IC cứng, dùng vi điều khiển,… Và trong thiết kế này nhóm em sử dụng vi điều khiển để xử lý tín hiệu và điều khiển toàn bộ hoạt động mạch. Vi điều khiển nhóm em sử dụng là ATMEGA328, vì dòng vi điều khiển này khá là phổ biến, dễ thực hiện, tốc độ xử lý nhanh.  Để thực hiện đo khoảng cách tới vật cản nhóm em sử dụng thiết bị cảm biến SRF05. Và sử dụng động cơ Servo hỗ trợ chỉnh hướng cho SRF05.  Thiết bị phát hồng ngoại: Remote hồng ngoại.  Thiết bị thu hồng ngoại: Mắt thu 1838T.  Thiết bị phát tín hiệu điều khiển qua sóng Bluetooth: Điện thoại android.  Thiết bị nhận tín hiệu của điện thoại là module Bluetooth HC05.  Thiết bị thu dữ liệu thực hiện chức năng dò đường là module hồng ngoại dò đường.  Khối chấp hành là module động cơ L298.  Phương pháp thực hiện  Tìm hiểu về lý thuyết liên quan.  Viết và thực hiện các chương trình nhỏ, các bài ví dụ trên vi điều khiển ATMEGA328 để làm quen với kiến trúc và tập lệnh của vi điều khiển.  Xây dựng thuật toán đo khoảng cách và điều khiển.  Viết chương trình thực hiện thuật toán bằng Kit arduino.  Viết ứng dụng chạy trên hệ điều hành android thực hiện điều khiển. Ứng dụng viết trên phần mềm eclipse SDK 4.4.2  Mô phỏng, thi công mạch.  Thời gian thực hiện  Tìm hiểu lý thuyết: 2 tuần.  Xây dựng thuật toán: 4 tuần.  Viết chương trình: 3 tuần.  Mô phỏng, sửa mã nguồn: 2 tuần.  Thi công mạch: 2 tuần. 14  Viết báo cáo: 2 tuần.  Phân công công việc: Bảng 1: Phân chia công việc Công việc Người thực hiện Thời gian hoàn thành Kết quả Tìm hiểu lý thuyết. Lê Văn Thành Trần Văn Thuấn Tuần 2-3 Hoàn thành Điều khiển bằng Remote qua sóng IR Trần Văn Thuấn Tuần 4-7 Hoàn thành Điều khiển bằng điện thoại android qua sóng Bluetooth Mã nguồn điều khiển bằng Remote qua sóng IR Mã nguồn điều khiển bằng điện thoại android qua sóng Bluetooth Xây dựng mã nguồn ứng dụng android Lê Văn Thành Tuần 4-7 Hoàn thành Trần Văn Thuấn Tuần 8-10 Hoàn thành Lê Văn Thành Tuần 8-10 Hoàn thành Lê Văn Thành Trần Văn Thuấn Tuần 10 Hoàn thành Lê Văn Thành Trần Văn Thuấn Trần Văn Thuấn Tuần 11-12 Lê Văn Thành Trần Văn Thuấn Tuần 13-15 Hoàn thành Hoàn thành Hoàn thành Xây dựng phương pháp thực hiện và thuật toán Viết mã nguồn Test bo cắm, sửa mã nguồn Thi công mạch Viết báo cáo Tuần 13-15 iv. Chỉ tiêu kỹ thuật a. Sản phẩm  Kích thước: cỡ dài.rộng.cao <= 25.15.10 (cm3).  Khung nhựa, sử dụng 3 bánh chuyển động.  Tốc độ: trung bình khoảng 30 cm/s.  Xây dựng được mạch điều khiển xe mô hình sử dụng chip ATMEGA328.  Xe mô hình điều khiển được bằng 2 phương pháp: 15  Điều khiển bằng Remote bằng sóng hồng ngoại (IR).  Điều khiển bằng điện thoại android qua sóng Bluetooth. b. Phần mềm android điều khiển  Giao diện thân thiện, dễ sử dụng.  Dung lượng cài đặt thấp, phù hợp với các phiên bản android hiện hành. c. Các chức năng điều khiển  Đo khoảng cách tới vật cản: khoảng cách lớn nhất đo được 3 mét.  Thực hiện các chức năng cơ bản: Stop, Tiến, Lùi, Trái, Phải.  Tự động tránh vật cản với khoảng cách cho trước: 13 cm.  Thực hiện chức năng dò đường (di chuyển theo tín hiệu phản hồi từ cảm biến). Trong đó yêu cầu từng chức năng như sau:  Điều khiển bằng Remote:  Khoảng cách điều khiển: 3m.  Các chức năng điều khiển: Trái, Phải, Stop, Tiến, Tự động tránh vật cản, Dò đường.  Tốc độ di chuyển: Do đề tài thực hiện với xe mô hình (khối lượng khá nhỏ có thể bỏ qua), nên tốc độ di chuyển xe không bị ảnh hưởng bởi gia tốc xe. Vận tốc trung bình là 30cm/s.  Độ trễ tín hiệu đạt được: 0.5s.  Điều khiển bằng Android qua sóng Bluetooth  Khoảng cách điều khiển: 8 mét.  Độ trễ đạt được: 0.5s.  Các chức năng điều khiển: từ điện thoại android, điều khiển bằng chạm tay hoặc gửi ký tự (go, stop, right, left, tránh vật cản, dò đường).  Trên phần mềm android có giao diện điều khiển đơn giản với các nút điều khiển ghi rõ trái, phải, tiến, lùi, stop, tránh vật cản. Các nút turn on, turn off để kết nối và ngắt kết nối Bluetooth. 16 CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu hệ thống điều khiển từ xa Hệ thống điều khiển từ xa là một hệ thống cho phép ta điều khiển các thiết bị từ một khoảng cách xa. Ví dụ hệ thống điều khiển bằng vô tuyến, hệ thống điều khiển bằng tia hồng ngoại, hệ thống điều khiển từ xa bằng Bluetooth, hệ thống điều khiển từ xa bằng cáp quang, dây dẫn. Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa nói chung bao gồm:  Thiết bị phát: biến đổi lệnh điều khiển thành tin tức và phát đi, ở trong thiết kế này nhóm em sử dụng thiết bị phát là Remote hồng ngoại đối với phương pháp điều khiển qua sóng hồng ngoại và thiết bị phát là điện thoại Android với phương pháp điều khiển qua sóng bluetooth.  Đường truyền: đưa tín hiệu điều khiển từ thiết bị phát đến thiết bị thu. Trong thiết kế nhóm em sử dụng 2 đường truyền là sóng hồng ngoại và sóng bluetooth.  Thiết bị thu: nhận tín hiệu điều khiển từ đường truyền, qua quá trình biến đồi, biến dịch để tái hiện lại lệnh điều khiển rồi đưa đến các thiết bị thi hành. Trong thiết kế của nhóm em thì thiết bị thu là mắt thu hồng ngoại 1838T và module Bluetooth HC05. Thiết bị phát Đường truyền Thiết bị thu Hình 1.1: Sơ đồ kết cấu hệ thống điều khiển từ xa Nhiệm vụ cơ bản của các hệ thống điều khiển từ xa:  Phát tín hiệu điều khiển.  Sản sinh ra xung hoặc hình thành các xung cần thiết.  Tổ hợp xung thành mã.  Phát tổ hợp mã tới điểm chấp hành. 17  Ở điểm chấp hành (thiết bị thu) sau khi nhận được mã phải biến đổi các mã nhận được thành các lệnh điều khiển và đưa đến các thiết bị đồng thời kiểm tra sự chính xác của mã mới nhận. 1.1.1. Một số vấn đề cơ bản trong hệ thống điều khiển từ xa Do hệ thống điều khiển từ xa có những đường truyền dẫn xa nên ta phải nghiên cứu về kết cấu hệ thống để đảm bảo tín hiệu được truyền đi chính xác và nhanh chóng theo những yêu cầu sau: 1.1.1.1. Kết cấu tin tức Trong hệ thống điều khiển từ xa đọ tin cậy truyền dẫn tin tức có quan hệ nhiều đến đến kết cấu tin tức. Nội dung về kết cấu tin tức có hai phần: về lượng và về chất. Về lượng là cách biến lượng điều khiển và lượng điều khiển thành loại xung gì cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp gì cho phù hợp, và những xung đó cần áp dụng những phương pháp nào để hợp thành tin tức, để có dung lượng lớn nhất và tốc độ truyền nhanh nhất. 1.1.1.2. Về kế cấu hệ thống Để đảm bảo các yêu cầu về kết cấu tin tức, hệ thống điều khiển từ xa có các yêu cầu sau:  Tốc độ làm việc nhanh.  Thiết bị phải an toàn, tin cậy.  Kết cấu phải đơn giản. Hệ thống điều khiển từ xa có hiệu quả cao là hệ thống đạt tốc độ điều khiển cực đại, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép. 1.1.2. Phương pháp mã hóa trong điều khiển từ xa Trong hệ thống truyền thông tin rời rạc hoặc truyền thông tin liên tục nhưng đã được rời rạc hóa tin tức thường phải được biến đổi thông qua một phép biến đổi thành số (thường là nhị phân) rồi mã hóa và được phát đi từ thiết bị phát.Ở thiết bị thu, các tín hiệu phải thông qua các phép biến đổi ngược lại với các phép biến đổi trên: giải mã, liên tục hóa,… 18 1.2. Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại 1.2.1. Lý thuyết sóng hồng ngoại IR 1.2.1.1. Khái niệm Ánh sáng hồng ngoại (tia hồng ngoại) là ánh sáng không thể nhìn thấy được bằng mắt thường, có bước sóng khoảng 0.8m đến 0.9m, tia hồng ngoại có vận tốc truyền bằng vận tốc ánh sáng. Tia hồng ngoại có thể truyền đi được nhiều kênh tín hiệu. Nó ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Lượng thông tin có thể đạt được tới 3Mbit/s … Trong kỹ thuật truyền tin bằng sợi quang dẫn không cần các trạm khuếch đại giữa chừng, người ta có thể truyền một lúc 15000 điện thoại hay 15 kênh truyền hình qua một sợi tơ quang với đường kính 0.13mm với khoảng cách 10Km đến 20Km. Lượng thông tin được truyền đi với ánh sáng hồng ngoại lớn gấp nhiều lần. Tia hồng ngoại dễ hấp thụ, khả năng xuyên thấu kém. Trong điều khiển từ xa, tia hồng ngoại phát đi hẹp, có hướng do đó phải thu đúng hướng. 1.2.1.2. Nguồn phát sáng hồng ngoại và phổ của nó Các nguồn sóng nhân tạo thường có nhiều sóng hồng ngoại. Hình dưới cho ta quang phổ của các nguồn phát sáng này. Hình 1.1: Quang phổ của các nguồn sóng hồng ngoại Trong đó: IRED: Diode hồng ngoại. LA: laser bán dẫn. 19 LR: đèn huỳnh quang. Q: bóng đèn thủy tinh. W: bóng đèn điện với dây tiêm volfram. PT: phototransistor. 1.2.1.3. Linh kiện thu sóng hồng ngoại Người ta dùng quang điện trở, phototransistor, photodiode để thu sóng hồng ngoại gần. Để thu sóng hồng ngoại trung bình và xa phát ra từ cơ thể người, vật nóng… Loại detector với vật liệu Lithiumtitanat hay tấm chất dẻo PolyvinyLidendifluorid (PVDF). Cơ thể người phát ra tia hồng ngoại với độ dài sóng từ 8ms đến 10ms. 1.2.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại a. Ưu điểm:  Không dây dẫn.  Led phát và thu nhỏ, gọn dễ thiết kế lắp đặt và có độ tin cậy cao.  Áp cung cấp thấp, công suất tiêu tán nhỏ.  Điều khiển được nhiều thiết bị.  Tính khả thi cao, linh kiện dễ tìm thấy và thi công dễ. b. Nhược điểm:  Tầm xa bị hạn chế.  Dòng điện cao tức thời.  Nhiều hồng ngoại do các nguồn nhiệt xung quanh ta phát ra, nên có ảnh hưởng và hạn chế tầm phát. Do đó chỉ dùng trong phòng, kho và nơi ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.  Hạn chế khi bị vật cản nên không thể truyền được xa. 1.2.2. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại nói chung 1.2.2.1. Máy phát 20