Đề tài 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! 2 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. 3 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 4 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 5 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 6 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: Thuật toán điều khiển .................................................................................... 69 Hình 3. 2: Sơ đồ sắp xếp vị trí 3 cảm biến CTRT5000 ............................................... 71 Hình 3. 3: Sơ đồ khối chức năng của mạch................................................................... 72 Hình 3. 4: Sơ đồ khối hoạt động của mạch ................................................................... 74 Hình 3. 5: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch........................................................................... 76 Hình 3. 6: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ....................................................................... 76 7 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 ảnh sản phẩm thiết kế........................................................................... 83 Hình 4. 2: Điều khiển xe rà phá bom mìn từ xa (ảnh minh họa) ................................ 85 Hình 4. 3: Xe dò đường có gắn camera (ảnh minh họa).............................................. 85 Hình 4. 4: Xe cần cẩu đòi hỏi tính chính xác cao (ảnh minh họa) ............................. 86 Hình 4. 5: Xe có gắn camera điều khiển qua wifi (ảnh minh họa)............................. 86 8 Danh sách bảng biểu Bảng 1. 1: Các phiên bản Bluetooth............................................................................... 24 Bảng 2. 1: Thông số kỹ thuật ATEMEGA328 ............................................................. 41 Bảng 2. 2: Thông số kỹ thuật SRF05 ............................................................................. 45 Bảng 2. 3: Bảng mã các nút nhấn Remote tương ứng với các chức năng ................. 47 Bảng 2. 4: Thông số kỹ thuật HC-05 ............................................................................. 52 Bảng 2. 5: Dữ liệu gửi từ android tới HC05.................................................................. 53 Bảng 2. 6: 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 9 Danh mục từ viết tắt Từ viết tắt Từ đầy đủ Ý nghĩa IR 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 Packed Member Address Con số 8 bit để nhận biêt các packed Salve với nhau ACL Asynchronous connectionless Phi kết nối bất đồng bộ dành cho truyền dữ liệu SCO Synchronous connection- oriented Kết nối đồng bộ có định hướng CRC Cyclic Redundancy Check Gói kiểm soát lỗi theo chu kỳ FHSS Frequency Hopping Spectrum Trải phổ nhảy tần số GFSK Gaussian frequency-shift keying Kiểu điều chế tần số dựa trên sự thay đổi tần số rời rạc của sóng mang DSSS Direct Sequence Spead Spectrum Là kỹ thuật điều chế trải phổ ISM Industrial Scientific Medical Dãy băng tần không cần đăng ký: 2.4- 2.48GHz FEC Forward Error Correction Kỹ thuật sửa lỗi tiến BEC Backward Error Control Kỹ thuật sửa lỗi ngược Baseband Dải băng tần cơ sở LMP Link Manament Protocol Giao thức quản lý kết nối SDK Software Developement Kit Bộ công cụ phát triển phần mềm 10 GSM/EDG E Global System for Mobile Communications/ Enhanced Data Rates for GSM Evolution Hệ thống thông tin di động toàn cầu IDEN Integrated Digital Enhanced Network Công nghệ viễn thông di động phát triền mới Motorola. CDMA Code Division Multiple