THIẾT kế và THI CÔNG mô HÌNH XE ROBOT dò tìm KIM LOẠI điều KHIỂN BẰNG điện THOẠI

Sau khi đã hoàn thành đề tài, lời nói đầu tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý Thầy, Cô của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh chung và đặc biệt là các Thầy

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 141

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH XE ROBOT DÒ TÌM KIM

LOẠI ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN THOẠI

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

 Mô hình xe điều khiển từ xa bằng ứng dụng điện thoại Adroid

 Xe chạy tiến, chạy lùi, xoay trái, xoay phải, điều chỉnh thay đổi tốc độ di chuyển

 Xe dò tìm, phát hiện các vật kim loại, khi phát hiện kim loại thì phát ra âm thanh

cảnh báo

 Sử dụng các module có sẵn trên thị trường để phục vụ thi công đề tài

2 Nội dung thực hiện:

 Tìm hiểu cách thức hoạt động của các mô hình xe robot

 Tìm hiểu về cách điều chế độ rộng xung PWM

 Tìm hiểu về mạch công suất điều khiển động cơ DC

 Tìm hiểu về Arduino Uno R3, module wifi ESP8266

 Tìm hiểu về ứng dụng MIT App Inventor viết phần mềm Android

 Thiết kế và thi công mô hình xe

 Thiết kế giao diện để điều khiển: App android

 Viết chương trình điều khiển cho Arduino và ESP8266, nạp code và chạy thử nghiệm sản phẩm, chỉnh sửa và hoàn thiện hệ thống

 Thực hiện viết luận văn báo cáo

 Tiến hành báo cáo đề tài tốt nghiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/02/2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/07/2019

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Thầy Hà A Thồi

-Tìm hiểu cơ sở lý thuyết liên quan với đề tài: Arduino

Uno R3, ESP8266 NodeMCU, động cơ DC giảm tốc, mạch cầu H L298N, các chuẩn giao tiếp, mạch dò tìm

kim loại

Tuần 5

(25/3 – 31/3)

- Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị

- Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng các khối

- Kiểm tra mạch thi công

- Viết báo cáo những nội dung đã làm

Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trước đó và không sao chép

từ tài liệu hay công trình đã có trước đó

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Hữu Phước Võ Thanh Phong

Sau khi đã hoàn thành đề tài, lời nói đầu tiên nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các quý Thầy, Cô của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh chung và đặc biệt là các Thầy, Cô của Khoa Điện - Điện Tử nói riêng đã dành hết tâm huyết giảng dạy, truyền đạt những kinh nghiệm và những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt 4 năm học vừa qua, tạo tiền đề để thực hiện được đề tài này và tạo nền tảng cho tương lai sau này của chúng em

Nhóm em xin cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất tới Thầy Hà A Thồi đã trực tiếp hướng dẫn chúng em một cách tận tình nhất trong suốt quá trình làm đề tài, Thầy luôn tạo điều kiện và hỗ trợ chúng em hết sức mình, cung cấp các thiết bị và đưa ra hướng đi, cách giải quyết phù hợp nhất để chúng em vượt qua khó khăn Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn Thầy

Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã giúp

đỡ về vật chất lẫn tinh thần để nhóm em có thể hoàn thành đề tài này dễ dàng hơn Xin cảm

ơn mọi người

Trong quá trình tìm hiểu và thực hiện đề tài, vì thời gian và kiến thức của chúng em

có giới hạn nên không thể có những thiếu sót Vì vậy, nhóm chúng em mong rằng sẽ nhận những đóng góp quý báu của các Thầy, Cô để đề tài của chúng em được hoàn thiện hơn

Người thực hiện đề tài

Nguyễn Hữu Phước Võ Thanh Phong

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN vi

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG xiv

TÓM TẮT xv

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GIỚI HẠN 2

1.5 BỐ CỤC 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH DÒ KIM LOẠI 4

2.1.1 Lịch sử phát triển 4

2.1.2 Ứng dụng 5

2.1.3 Khoảng cách để nhận dạng được kim loại 6

2.1.4 Các phương pháp dò kim loại 7

2.1.5 Một số sản phẩm máy dò kim loại có trên thi trường hiện nay 11

2.2 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PWM 12

2.2.1 Giới thiệu 12

2.2.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM 12

2.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM 14

2.2.4 Ứng dụng của điều chế độ rộng xung PWM trong điều khiển 14

2.3 CHUẨN GIAO TIẾP UART 15

2.3.1 Khái niệm 15

2.3.2 Các đặc điểm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART 16

2.3.3 Ứng dụng 18

2.4.2 Nguyên tắc hoạt động 19

2.4.3 Một số chuẩn kết nối 19

2.5 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG 21

2.5.1 Arduino Uno R3 21

2.5.2 Module Wifi ESP8266 NodeMCU 28

2.5.3 Mạch cầu H L298N 32

2.5.4 Động cơ DC giảm tốc 35

2.5.5 Giới thiệu IC 555 và mạch tạo dao động bằng IC 555 41

2.5.6 Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F690 44

2.5.7 Nguồn pin 45

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 47

3.1 GIỚI THIỆU 47

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 47

3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 47

3.2.2 Tính toán và thiết kế 48

Chương 4 THI CÔNG HỆ THỐNG 67

4.1 GIỚI THIỆU 67

4.2 THI CÔNG HỆ THỐNG 67

4.2.1 Thi công board mạch 67

4.2.2 Lắp ráp và kiểm tra 71

4.3 ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 74

4.4 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG 78

4.4.1 Lưu đồ giải thuật 78

4.4.2 Giao diện điều khiển 87

4.4.3 Giới thiệu các phần lập trình vi điều khiển 90

4.4.4 Phần mềm lập trình cho điện thoại 92

4.5 VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC 95

4.5.1 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng 95

4.5.2 Quy trình thao tác 97

Chương 5 KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ 99

5.1.1 Tổng quát kết quả đạt được 99

5.1.2 Kết quả mạch dò kim loại 100

5.1.3 Kết quả mạch điều khiển trung tâm 102

5.1.4 Mô hình xe hoàn chỉnh 103

5.1.5 Kết quả ứng dụng điều khiển 104

5.2 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 106

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 108

6.1 KẾT LUẬN 108

6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 108

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

PHỤ LỤC 112

Hình 2.1 Máy dò kim loại 4

Hình 2.2 Các anh bộ đội đang rà phá bom mìn 5

Hình 2.3 Một số máy dò kim loại sử dụng trong ngành may măc 6

Hình 2.4 Phương pháp BFO 8

Hình 2.5 Phương pháp VLF 9

Hình 2.6 Máy dò kim loại Super Scanner Garrett-1165180 11

Hình 2.7 Máy Dò Kim Loại MD5008 12

Hình 2.8 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung 13

Hình 2.9 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung và điện áp trung bình tương ứng 14

Hình 2.10 Kết nối UART giữa hai vi điều khiển 16

Hình 2.11 Các thành phần của một khung dữ liệu 16

Hình 2.12 Kết nối Wifi giữa các thiết bị 19

Hình 2.13 Các chuẩn kết nối Wifi 20

Hình 2.14 Một số loại Arduino 22

Hình 2.15 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3 23

Hình 2.16 Robot 27

Hình 2.17 Drone 27

Hình 2.18 Máy in 3D 28

Hình 2.19 Sơ đồ chân chip ESP8266EX 29

Hình 2.20 Hình ảnh module wifi ESP8266 nodeMCU ngoài thực tế 31

Hình 2.21 Sơ đồ chân của ESP8266 32

Hình 2.22 Mạch cầu L298N 33

Hình 2.23 Mạch nguyên lý mạch cầu H L298N 34

Hình 2.24 Cấu tạo của một động cơ giảm tốc 35

Hình 2.25 Cấu tạo động cơ DC 36

Hình 2.26 Ảnh thực tế của stato 37

Hình 2.27 Ảnh thực tế của rôto 38

Hình 2.28 Cấu tạo hộp giảm tốc 40

Hình 2.31 Sơ đồ chân và sơ đồ khối IC 555 42

Hình 3.8 Mạch dao động sử dụng IC 555 44

Hình 2.32 Vi điều khiển PIC 16F690 45

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống 47

Hình 3.2 Module Arduino UNO R3 49

Hình 3.3 Kết nối Arduino UNO R3 với module ESP8266 NodeMCU 51

Hình 3.4 Động cơ giảm tốc DC 51

Hình 3.5 Sơ đồ kết nối giữa Arduino và module L298N 54

Hình 3.6 Kết nối giữa động cơ DC và module L298 55

Hình 3.7 Sơ đồ khối mạch cảm biến phát hiện kim loại 56

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch dao động 57

Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc mạch mạch dao động 58

Hình 3.11 Sơ đồ mạch khối vi điều khiên PIC16F690 60

Hình 3.12 Sơ đồ mạch nguồn cung cấp cho khối cảm biến phát hiện kim loại 61

Hình 3.13 Mạch nguyên lý khối cảm biến phát hiện kim loại 61

Hình 3.14 Buzzer 62

Hình 3.15 Transistor C1815 63

Hình 3.16 Mạch báo động phát hiện kim loại 63

Hình 3.17 Nguồn pin cung cấp cho mô hình 65

Hình 3.18 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh 66

Hình 4.1 Bố trí link kiện mạch điều khiển trung tâm 67

Hình 4.2 Mạch in mạch điều khiển trung tâm 68

Hình 4.3 Bố trí linh kiện mạch dò kim loại 69

Hình 4.4 Mạch in mạch dò kim loại 70

Hình 4.5 Mặt trước mạch điều khiển trung tâm 72

Hình 4.6 Mặt sau mạch điều khiển trung tâm 73

Hình 4.7 Mặt trước mạch dò kim loại 73

Hình 4.8 Mặt sau mạch dò kim loại 74

Hình 4.12 Bố trí các bộ phận của xe 77

Hình 4.13 Lưu đồ giải thuật của Arduino UNO R3 78

Hình 4.14 Bố trí vị trí các động cơ trên khung xe 79

Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật khi xe chạy thẳng 80

Hình 4.16 Lưu đồ giải thuật khi xe chạy lùi 80

Hình 4.17 Lưu đồ giải thuật khi xe rẽ trái 81

Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật khi xe rẽ phải 81

Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật khi xe dừng lại 82

Hình 4.20 Lưu đồ giải thuật của ESP8266 NodeMCU 83

Hình 4.21 Lưu đồ giải thuật chính của PIC 16F690 84

Hình 4.22 Lưu đồ giải thuật ngắt ngoài của PIC 16F690 85

Hình 4.23 Lưu đồ giải thuật ngắt Timer1 của PIC 16F690 86

Hình 4.24 Giao diện thiết kế giao diện ứng dụng 88

Hình 4.25 Giao diện lập trình cho giao diện ứng dụng 88

Hình 4.26 Biểu tượng ứng dụng và ứng dụng điều khiển mô hình 89

Hình 4.27 Các đối tượng có trong ứng dụng điều khiển 90

Hình 4.28 Giao diện phần mềm Arduino IDE 91

Hình 4.29 Giao diện phần mềm PIC C Compiler 92

Hình 4.30 Giao diện quản lý của project 93

Hình 4.31 Giao diện thiết kế 94

Hình 4.32 Giao diện lập trình 94

Hình 4.33 Vị trí công tắc nguồn và nút nhấn đặt lại tần số so sánh 95

Hình 4.34 Kết nối điện thoại với Wifi “WiFi_ESP8266_NODEMCU” 96

Hình 4.35 Icon ứng dụng điều khiển trên điện thoại 96

Hình 4.36 Giao diện ứng dụng điều khiển 97

Hình 4.37 Quy trình thao tác sử dụng 98

Hình 5.2 Cuộn dò mạch dò kim loại 100

Hình 5.3 Cuộn dò kim loại và vật thể kim loại 101

Hình 5.9 Ứng dụng khi không phát hiện thấy kim loại 105 Hình 5.10 Ứng dụng khi không phát hiện thấy kim loại 106

Bảng 2.1 So sánh thông số các chuẩn wifi 21

Bảng 3.1 Kết nối Arduino UNO R3 với module ESP8266 NodeMCU 50

Bảng 3.2 Kết nối Arduino UNO R3 với module L298N 52

Bảng 3.3 Dòng điện và điện áp làm việc của các linh kiện 60

Bảng 3.4 Danh sách giá trị dòng điện và điện áp của các linh kiện chính có trong mạch 64

Bảng 4.1 Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển trung tâm 68

Bảng 4.2 Danh sách linh kiện sử dụng trong mạch dò kim loại 70

Bảng 5.1 Kết quả thực nghiệm đo khoảng cách phát hiện của mạch dò 101

Bảng 5.2 Kết quả đạt được 103

Có thể thấy thế giới đang trong thời kì thay đổi ngày càng văn minh và hiện đại hơn một cách không ngừng Vì vậy, đời sống càng hiện đại càng không thể thiêú sự hiện diện của các thiết bị điện tử Các thiết bị này xuất hiện ở khắp mọi nơi phục vụ cho lợi ích của con người, từ sinh hoạt cho đến sản xuất Mọi thiết bị điện tử lúc bấy giờ tập trung vào sự chính xác, tốc độ nhanh là trong những thứ mà người tiêu dùng cần thiết khi sử dụng Và trong những số đó nền công nghệ đang được phát triển và ưa chuổng trong lúc bấy giở đó

là công nghệ điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị mà con người ta chỉ cần ngồi tại chỗ mà không cần phải đến trực tiếp thiết bị vận hành Hiện nay ứng dụng lớn nhất của ngành điện tử điều khiển từ xa này là thiết kế những ngôi nhà thông minh, ứng dụng này dường như ngày nay đã khá là phổ biến

Ngoài việc tạo ra các thiết bị sản phẩm để phục vụ cho cuộc sống sinh hoạt và sản xuất, mà hiện nay nhiều loại sản phẩm Robot thông minh đã được sáng lập ra rất nhiều và

đa dạng ở trên thế giới, và việc tạo ra những sản phẩm Robot này nhằm mục đính chính là nghiên cứu và làm thay con người những điều mà con người không thể làm được với tốc

độ làm việc nhanh với độ chính xác cao

Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu các ứng dụng xung quanh đời sống nhóm đã xem xét và thấy rằng những mạch dò kim loại thời nay thường được trực tiếp con người sử dụng, ở những nơi nguy hiểm hoặc những địa hình khó tiếp cận mà con người không thể

trực tiếp làm việc, vì vậy nhóm đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình

xe Robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại” để tạo tiền đề xa hơn trong việc

dò kim loại sau này trong tương lai

Nội dung chính trong đề tài:

 Thiết kế ra một mạch dò kim loại

 Sử dụng Arduino UNO R3, Module ESP8266 NodeMCU làm khối điều khiển trung tâm

 Thiết kế giao diện diện khiển trên điện thoại Android

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Robot hiện nay đã xuất hiện khắp mọi nơi và đã là nền công nghệ của thế giới với nhiều khả năng tích cực Các loại Robot tham gia vào quy trình sản xuất cũng như đời sống sinh hoạt của con người, nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh của sản phẩm tạo ra Robot có thể thay thế con người làm việc một cách ổn định bằng các thao tác đơn giản và hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của công nghệ Sự thay thế hợp lý của Robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm nhân công Tất nhiên nguồn năng lượng của Robot là rất lớn chính vì vậy nếu có nhu cầu tăng suất thì phải cần có sự hổ trợ của chúng mới thay thế được sức lao động của con người

Chúng có thể thay con người làm việc ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bậm hay nguy hiểm, ở những nhà máy hóa chất, các nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dương, hay các hành tinh khác… Nhìn vào thực tế hiện nay thì các máy dò kim loại phần lớn là do người dùng cầm nắm trực tiếp trên tay để sử dụng, đối với những nơi kiểm tra an ninh hay những nhà máy thì có thể áp dụng được một cách dễ dàng, nhưng đối với những khu vực nguy hiểm như có chứa boom, mìn, các kim loại nhiễm khuẩn, chất phóng xạ, chất độc hại… Nếu con người trực tiếp tham gia vào việc dò tìm kim loại thì sẽ rất nguy hiểm Vì

những lí do trên mà nhóm đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế và thi công mô hình xe Robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại” với mục đích là làm ra một mô hình

xe có thể điều khiển từ xa để dò tìm kim loại, từ đó có thể ứng dụng, phát triển phục vụ cho con người

1.2 MỤC TIÊU

Thiết kế và thi công mô hình xe Robot dò kim loại điều khiển từ xa dựa trên ứng dụng điện thoại Android thông qua mạng wifi Robot sẽ được người dùng điều khiển tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, tăng giảm tốc độ theo nhu cầu Khi phát hiện kim loại thì trên điện thoại

sẽ phát ra âm thanh và hiện thị dòng chữ phát hiện kim loại lên trên màn hình Đồng thời ở

mô hình xe cũng sẽ báo động bằng buzzer và dừng trong một khoảng thời gian rồi sau đó mới có thể tiếp tục điều khiển

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của nhóm được chia ra các nội dung chính sau:

 NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về mạch dò kim loại: lịch sử phát triển, ứng dụng, các phương pháp dò tìm, từ đó ứng dụng thực hiện cho đề tài

 NỘI DUNG 2: Nghiên cứu về các lý thuyết và cách sử dụng các loại vi điều khiển và các mudule cần thiết trong mô hình

 NỘI DUNG 3: Đề ra các giải pháp thiết kê mô hình, lựa chọn các thiết bị linh kiện trong việc thiết kế mô hình

 NỘI DUNG 4: Tìm hiểu, sử dụng và cài đặt các phần mềm lập trình cho vi điều khiển cũng như phần mềm dùng để thiết kế giao diện điều khiển

 NỘI DUNG 5: Viết chương trình điều khiển, thi công hệ thống và kiểm tra kết quả

1.4 GIỚI HẠN

 Mô hình xe chỉ chạy trên địa hình bằng phẳng dễ chạy

 Điều khiển thông qua mạng mạng wifi nên chỉ có thể điều khiển ở một phạm vi nhất định nếu vượt quá thì sẽ không hoạt động được

 Nguồn hoạt động chính của mạch là pin nên do đó có hạn chế về thời gian sử dụng

 Mạch dò kim loại phát hiện vật kim loại ở một khoảng cách nhất định và còn phụ thuộc về vật liệu tìm kiếm

 Mô hình thi công có kích thước khoảng 35cm x 15cm

 Tính bảo mật của ứng dụng điều khiển không cao

1.5 BỐ CỤC

Nội dụng đề tài phần bố các chương sau:

Trong chương này trình bày về những vấn đề tổng quan của ngành điện tử hiện nay, một số ứng dụng của robot trong đời sống Từ đó, lý luận dẫn đến việc làm rõ ràng mục tiêu lựa chọn, nội dung nghiên cứu, giới hạn đề tài và bộ cục của đề tài

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

Chương này trình bày về cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm cơ sở lý thuyết

về mạch dò kim loại, các chuẩn giao tiếp

Trình bày cơ sở lý thuyết về các thiết bị sử dụng trong mô hình như: Vi điểu khiển các module, thiết bị và phần mềm thiết kế giao diện

Chương 3: Tính Toán Và Thiết Kế

Trong chương này trình bày về thiết kế, tính toán những phần như: thiết kế sơ đồ khối hệ thống, sơ đồ nguyên lí từng khối, sơ đồ nguyên lí toàn mạch, tính toán thiết kế mạch

Chương 4: Thi Công Hệ Thống

Trong chương này trình bày về vẽ mạch in, hàn gắn linh kiện lên board mạch, đo đạt kiểm tra, lắp ráp mô hình Thiết kế giao diện điều khiển Vẽ lưu đồ giải thuật, viết chương trình cho hệ thống Hướng dẫn quy trình sử dụng cho hệ thống

Chương 5: Kết Quả Nhận Xét Đánh Giá

Chương này trình bày về các kết quả đạt được, những hạn chế, từ những kết quả đó đưa ra đánh giá về mô hình và đánh giá quá trình thực hiện

Chương 6: Kết Luận Và Hướng Phát Triển

Chương này trình bày về những thảnh quả đạt được trong suốt thời gian thực hiện, rút ra kết luận và hướng phát triển trong tương lai để đề tài hoàn thiện hơn

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH DÒ KIM LOẠI

2.1.1 Lịch sử phát triển

Cuối thế kỷ 19, nhiều nhà khoa học và kỹ sư cố gắng, nỗ lực để tạo ra một cỗ máy xác định chính xác kim loại Việc sử dụng một thiết bị như vậy để tìm đá chứa quặng sẽ mang lại lợi thế rất lớn cho bất kỳ người khai thác nào sử dụng nó Thiết bị dò ban đầu rất thô sơ, sử dụng nhiều năng lượng pin và chỉ hoạt động ở mức độ rất hạn chế

Hình 2.1 Máy dò kim loại

Năm 1874, nhà phát minh người Đức Gustave Trouvé đã phát triển một thiết bị cầm tay để định vị các vật kim loại như đạn từ người bệnh nhân Lấy cảm hứng từ Trouvé, Alexander Graham Bell cũng đã phát triển một thiết bị tương tự để cố gắng xác định vị trí viên đạn găm vào ngực của Tổng thống Mỹ James Garfield năm 1881 Máy dò kim loại hoạt động chính xác nhưng nỗ lực xác định vị trí viên đạn đã không thành công vì giường tổng thống James Garfield đang nằm có lò xo kim loại làm máy dò nhầm lẫn, khi

đó mọi người đã không phát hiện ra điều này

Trong những năm 1950 và 1960, với sự phát minh và phát triển của bóng bán dẫn, các nhà sản xuất và thiết kế máy dò kim loại đã tạo ra những chiếc máy dò nhẹ hơn với mạch điện cải tiến, chạy bằng những viên pin nhỏ hơn So với một thập kỷ trước, các máy

dò nhẹ hơn, tìm kiếm sâu hơn, sử dụng ít năng lượng pin hơn và phân loại các loại kim loại

2.1.2 Ứng dụng

Ngày nay, máy dò kim loại được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực khác nhau:

an ninh, khai thác khoáng sản, khảo cổ, thực phẩm…

 Ứng dụng của máy dò kim loại trong ngành an ninh:

 Để tránh mọi sự xâm nhập bất hợp pháp hoặc trái phép của các vật kim loại, bom, dao, súng trong túi hành lý của người mang chúng ở những nơi công cộng như nhà hát, trung tâm mua sắm, công viên, sân bay, khách sạn, nhà ga

 Dò tìm bom mìn còn sót lại sau các cuộc chiến tranh

Hình 2.2 Các anh bộ đội đang rà phá bom mìn

 Ngăn chặn các hành vi phạm tội, đảm bảo an toàn cho người dân

 Ứng dụng trong ngành khảo cổ học

 Nghiên cứu, phát hiện những di tích hàng ngàn năm lịch sử

 Phát hiện, tìm kiếm các mỏ kim loại, vàng, bạc…

 Ứng dụng trong ngành xây dựng

 Xác định các thanh gia cố trong các công trình

 Xác đinh vị trí của các vật kim loại dưới mặt đất

 Kiểm tra cốt thép trong bê tông được chôn trong các bức tường nhà

 Ứng dụng trong ngành may mặc

 Sử dụng sau khi hoàn tất các công đoạn hoặc trước khi đóng gói sản phẩm

 Kiểm tra các dị vật kim loại trong sản phẩm may mặc

Hình 2.3 Một số máy dò kim loại sử dụng trong ngành may măc

 Ứng dụng trong ngành chế biến thực phẩm

 Kiểm tra, phát hiện những vật thể kim loại trộn lẫn trong thực phẩm

 Máy dò kim loại cho phép rà soát mà không tiếp xúc và không phá hỏng thực phẩm

 Trong công nghiệp thực phẩm, sản xuất thuốc, hóa chất, dệt may, y tế, tái chế phế liệu, xử lý rác, nghành chế biến gỗ,… và đóng gói sản phẩm không kim loại, thì việc để lọt mảnh vụn kim loại vào sản phẩm là điều rắc rối Vì thế máy dò kim loại thường đặt ở dây chuyền trước khi đóng gói các sản phẩm

để kiểm tra Các sản phẩm đóng gói với bao bì không có kim loại thì có thể kiểm tra ở thành phẩm

2.1.3 Khoảng cách để nhận dạng được kim loại

Khoảng cách này rất khó để xác định được bởi vì nó phụ thuộc vào các yếu tố sau:

 Công nghệ, phương pháp được sử dụng để phát hiện kim loại trong các máy dò

 Kích thước, hình dạng vật thể kim loại bị chôn vùi: những vật có hình dạng, kích thước lớn dễ dàng phát hiện hơn so với những vật có hình dạng, kích thước nhỏ

 Chất liệu của vật thể kim loại: những vật thể có từ trường mạnh thì dễ phát hiện hơn những vật thể có từ trường yếu Ví dụ như sắt là vật liệu có từ tính rất mạnh

 Tuổi thọ của vật thể: những thứ đã bị chôn vùi trong một thời gian dài có nhiều khả năng bị oxy hóa hoặc bị ăn mòn, khiến chúng khó tìm thấy hơn

 Tính chất của đất hoặc cát xung quanh chúng ta đang tìm kiếm

 Ảnh hưởng của các vật thể khác không mong muốn như: đường ống ngầm, dây cáp ngầm

 Nói chung, máy dò kim loại hoạt động ở độ sâu tối đa khoảng 20 đến 50cm

2.1.4 Các phương pháp dò kim loại

a Phương pháp BFO (Beat-frequency oscillator)

Cách cơ bản nhất để phát hiện kim loại là sử dụng phương pháp BFO Phương pháp BFO sử dụng 2 bộ dao động, trong đó bộ dao động đầu tiên có cuộn dây làm đầu dò được đặt trong đầu tìm kiếm Bộ dao động thứ hai làm bộ dao động chuẩn Hai bộ dao động này được đặt cách xa nhau để tránh ảnh hưởng lẫn nhau Và đặc biệt phải đặt tần số của 2 bộ dao động bằng nhau Đầu ra 2 bộ dao động được đưa tới một bộ trộn, sau đó qua bộ lọc và được khuếch đại lên đưa ra loa Khi không có kim loại thì tín hiệu qua bộ trộn sẽ bằng 0 nên loa không kêu

Nếu cuộn dây đặt trong đầu tìm kiếm (search head) đi qua một vật kim loại thì vật kim loại đó sẽ ảnh hưởng đến tần số dao động của bộ dao động chứa cuộn dây dò này Sự thay đổi tần số này được so sánh với tần số chuẩn ở bộ dao động chuẩn đặt trong hộp điều khiển Sự sai khác tần số ở đầu ra hai bộ dao động đi bộ trộn sẽ được khuếch đại để báo có

kim loại

Hình 2.4 Phương pháp BFO

b Phương pháp VLF (Very Low Frequency)

Very low frequency (VLF) là công nghệ máy dò khá phổ biến được dùng ngày nay Trong máy dò VLF, có 2 cuộn dây riêng biệt:

Cuộn phát: đây là cuộn dây vòng ngoài Nó đơn giản chỉ là 1 cuộn dây dẫn Dòng điện được đưa dọc theo sợ dây, ban đầu theo 1 hướng và sau đó theo hướng ngược lại, lặp

đi lặp lại hàng ngàn lần mỗi giây Số lần mà dòng điện đổi chiều mỗi giây tạo nên tần số của thiết bị

Cuộn thu: là cuộn dây vòng trong Cuộn dây này đóng vai trò như một ăng-ten để thu nhận và khuếch đại các tần số nhận được đến từ kim loại trong lòng đất

Vật kim loại: đóng vai trò phát tín hiệu cho cuộn thu

Hình 2.5 Phương pháp VLF

Dòng điện di chuyển dọc theo cuộn phát tạo ra một trường điện từ, điều này giống như trong một motor Cực tính của từ trường trực giao với vòng dây Mỗi lần dòng điện đổi chiều, cực tính của từ trường thay đổi Điều này có nghĩa là nếu cuộn dây (hay mặt phẳng chứa vòng dây) song song với mặt đất, từ trường được đẩy ổn định xuống lòng đất và sau

đó phản xạ trở lại (bị đẩy ngược lên)

Vì từ trường di chuyển lên và xuống lòng đất, nó tương tác với các vật thể dẫn điện bắt gặp được, làm cho chúng sinh ra một trường cảm ứng yếu Cực tính của trường cảm ứng của đối tượng ngược với từ trường của cuộn phát Nếu từ trường của cuộn phát được đẩy xuống thì từ trường của đối tượng lại đẩy lên

Cuộn thu hoàn toàn được ngăn cách với từ trường tạo bởi cuộn phát Tuy nhiên, nó không ngăn cách với từ trường đến từ vật thể trong lòng đất Vì vậy, khi cuộn thu đưa qua vật thể tạo ra từ trường, một dòng điện nhỏ chạy trong cuộn dây (cuộn thu) Dòng điện này dao động với cùng tần số như của từ trường tạo bởi vật thể Cuộn dây khuếch đại tín hiệu này và gửi nó đến hộp điều khiển của máy dò, nơi các cảm biến sẽ phân tích tín hiệu

Máy dò kim loại có thể xác định xấp xỉ độ sâu của vật thể dưới lòng đất dựa trên cường độ của từ trường được tạo ra Vật thể càng gần mặt đất thì từ trường nhận được càng mạnh, và dòng điện sinh ra càng lớn Ngược lại, vật thể càng xa mặt đất thì từ trường càng yếu Dưới một độ sâu nhất định nào đó, trường của vật thể quá yếu thì thiết bị sẽ không thể nhận biết được

c Phương pháp PI (Pulse Induction)

Một dạng máy dò ít phổ biến hơn dựa trên cảm ứng xung (pulse induction – PI) Không giống như VLF, hệ thống PI có thể sử dụng cùng 1 cuộn dây cho chức năng bộ phát

và bộ thu, hoặc người ta có thể sử dụng 2 hay thậm chi 3 cuộn dây đồng thời Kĩ thuật này tạo ra một xung điện mạnh, ngắn của dòng điện qua cuộn dây Mỗi xung tạo ra một từ trường ngắn Khi xung kết thúc, từ trường đảo cực tính và suy giảm tức thì, kết quả là tạo một xung điện nhọn Xung nhọn này tồn tại trong vài micro giây và tạo nên một dòng điện khác chạy trong cuộn dây Dòng này được gọi là “xung phản xạ” (reflect pulse) và nó vô cùng ngắn, chỉ tồn tài khoảng 30 micro giây Một xung khác sau đó sẽ tiếp tục được tạo ra bởi máy dò và quá trình lặp lại

Một máy dò PI thông dụng tạo ra khoảng 100 xung trong 1 giây, nhưng số lượng này khác nhau rất nhiều tùy vào nhà sản xuất và mẫu thiết bị, trong khoảng từ 25 tới hàng ngàn xung/giây

Nếu máy dò được để trên một vật kim loại, xung điện tạo ra 1 từ trường đối ngược trong vật thể Khi từ trường của xung suy giảm, tạo ra xung phản xạ, từ trường của vật thể kim loại làm cho xung phản xạ tồn tại lâu hơn Quá trình này diễn ra giống như khái niệm

“tiếng vang” Nếu chúng ta hét lớn trong một căn phòng chỉ có vài bề mặt cứng, hầu như chúng ta chỉ nghe được tiếng vang rất ngắn, hoặc không nghe thấy, nhưng nếu trong một căn phòng với nhiều bề mặt cứng, tiếng vang lâu hơn Trong một máy dò PI, từ trường từ vật thể kim loại thêm “tiếng vang” vào xung phản xạ, làm cho xung này tồn tại lâu hơn trường hợp không có “tiếng vang”

Một mạch lấy mẫu trong máy dò được sử dụng để giám sát độ dài của xung phản xạ Bằng cách so sánh nó với độ dài mong muốn, mạch này có thể xác định có phải một từ trường khác đã làm cho xung phản xạ suy giảm lâu hơn không Nếu sự suy giảm của xung phản xạ lâu hơn vài micro giây so với thông thường, gần như chắc chắc là có đối tượng kim loại nào đó đã tác động lên chúng

Một mạch lấy mẫu gửi các tín hiệu nhỏ, yếu mà nó bắt được đến 1 thiết bị gọi là bộ tích phân Bộ tích phân đọc tính hiệu từ mạch lấy mẫu, khuếch đại và chuyển đổi chúng

thành dòng điện 1 chiều Điện áp của dòng điện một chiều này được kết nối vào mạch âm thanh, nơi phát ra âm điệu khi may dò nhận biết được sự tồn tại của kim loại

Kỹ thuật PI không tốt trên phương diện phân biệt đối tượng bởi vì sự khác nhau về

độ dài xung phản xạ giữa các kim loại khó tách bạch Tuy nhiên, nó lại rất hữu ích trong nhiều trường hợp mà kĩ thuật VLF gặp khó khăn, chẳng hạn chẳng hạn như ở các khu vực

có tính dẫn điện cao, ví dụ như trường hợp thăm dò trong môi trường nước muối Thêm vào đó, kỹ thuật PI còn có khả năng phát hiện kim loại ở khoảng cách sâu hơn nhiều so với các kĩ thuật khác

2.1.5 Một số sản phẩm máy dò kim loại có trên thi trường hiện nay

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều sản phẩm máy dò kim loại khác nhau, kích thước, hình dáng, giá cả đa dạng Sau đây là một số sản phẩm máy dò kim loại bán trên thị trường:

a Máy dò kim loại cầm tay Garrett 1165180

Máy dò kim loại Super Scanner Garrett-1165180 là thiết bị phát hiện kim loại được

sử dụng rất phổ biến trên thế giới Tay dò kim loại được sử dụng cho các lực lượng an ninh

để kiểm tra người trước khi vào sân bay, nhà giam, khu trung tâm thể thao giải trí, văn hóa để ngăn chặn việc mang vũ khí kim loại hoặc các vật dụng nguy hiểm khác bằng kim loại

Một số cơ quan dùng để kiểm tra chống trộm cắp tài sản khi ra khỏi cơ quan Được thiết kế gọn nhẹ, dễ sử dụng và có độ nhạy rất cao, tính cơ động cao phù hợp với hầu hết các ứng dụng thực tế.

Hình 2.6 Máy dò kim loại Super Scanner Garrett-1165180

b Máy Dò Kim Loại MD5008

Máy dò kim loại MD-5008 là máy phát hiện kim loại dưới lòng đất có độ sâu phát hiện từ 3 đến 5 mét Máy có thể phát hiện tất cả các kim loại như vàng, bạc, đồng, sắt và thiếc và phân biệt chính xác giữa kim loại màu và kim loại đen

Hình 2.7 Máy Dò Kim Loại MD5008

2.2 ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PWM

2.2.1 Giới thiệu

Pulse Width Modulation (PWM) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải hay nói cách khác là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông dẫn đến thay đổi điện áp trung bình hoặc dòng trung bình Các PWM khi biến đổi có cùng tần

số và khác nhau về hệ số công tác – duty cycle

2.2.2 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM

Nguyên lý điều chế độ rộng xung là mạch tạo ra xung vuông có chu kỳ là hằng số nhưng hệ số công tác (còn gọi là hệ số chu kỳ - duty cycle) có thể thay đổi được Sự thay đổi hệ số chu kỳ làm thay đổi điện áp trung bình hoặc dòng điện trung bình

Sự thay đổi điện áp và dòng điện trung bình dùng để điều khiển các tải như: động

cơ DC thì làm thay đổi tốc độ động cơ, điều khiển bóng đèn thì làm thay đổi cường độ sáng của bóng đèn

Hình 2.8 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung

Hệ số chu kỳ được tính theo công thức:

Hệ số chu kỳ = ((Độ rộng xung)/(Chu kỳ xung))*100 ( 2.1) Với chu kỳ không thay đổi, muốn thay đổi thời gian xung mức 1 thì ta thay đổi hệ

số chu kỳ Khi hệ số chu kỳ thay đổi thì điện áp trung bình hay dòng trung bình thay đổi

Hệ số chu kỳ càng lớn thì điện áp trung bình hay dòng trung bình càng lớn, nếu điều khiển động cơ sẽ làm thay đổi tốc độ động cơ

Hình 2.9 Một số dạng sóng điều chế độ rộng xung và điện áp trung bình tương ứng

Điện áp trung bình được tính theo công thức:

Utb = ((Độ rộng xung)/(Chu kỳ xung))*Umax ( 2.2)

Ví dụ với hình 2.2 ta tính được điện áp trung bình trong ba trường hợp có hệ số công tác là 10%, 50%, 80% và Umax = 24V lần lượt là 2.4V, 12V, 19.2V

2.2.3 Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM

Để tạo ra xung PWM thì hiện nay có hai cách thông dụng:

 Tạo trực tiếp từ các IC dao động như: NE555, LM556

 Sử dụng phần mềm để lập trình tạo xung PWM trên các vi điều khiển Tạo xung PWM bằng phương pháp này cho độ chính xác rất cao

Tùy thuộc vào từng yêu cầu thực tế mà ta có thể chọn phương pháp tạo xung PWM sao cho phù hợp với yêu cầu đó

2.2.4 Ứng dụng của điều chế độ rộng xung PWM trong điều khiển

PWM được ứng dụng nhiều trong điều khiển Điển hình nhất mà chúng ta thường hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp… Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ, hay cao hơn nữa nó còn được dùng để điều khiển sự ổn định tốc

Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì PWM còn tham gia và điều chế các mạch nguồn như : boot, buck, nghịch lưu 1 pha và 3 pha…

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển Điều đặc biệt là PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đường đặc tính là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định Như vậy PWM được ứng dụng rất nhiều trong các thiết

đi Một chiều khác, UART chuyển đổi dữ liệu nhận được dạng dữ liệu nối tiếp thành dạng

dữ liệu song song cho CPU có thể đọc vào bus hệ thống Để truyền được dữ liệu thì cả bên phát và bên nhận phải tự tạo xung clock có cùng tần số và thường được gọi là tốc độ baud,

ví dụ như 2400 baud, 4800 baud, 9600 baud

UART của máy tính hỗ trợ cả hai kiểu giao tiếp là giao tiếp đồng thời và không giao tiếp đồng thời Giao tiếp đồng thời tức là UART có thể gửi và nhận dữ liệu vào cùng một thời điểm Còn giao tiếp không đồng thời là chỉ có một thiết bị có thể chuyển dữ liệu vào một thời điểm, với tín hiệu điều khiển hoặc mã sẽ quyết định bên nào có thể truyền dữ liệu Giao tiếp không đồng thời được thực hiện khi mà cả 2 chiều chia sẻ một đường dẫn hoặc nếu có 2 đường nhưng cả 2 thiết bị chỉ giao tiếp qua một đường ở cùng một thời điểm

Thêm vào đường dữ liệu, UART hỗ trợ bắt tay chuẩn RS232 và tín hiêu điều khiển như RTS, CTS, DTR, DCR, RT và CD

Hình 2.10 Kết nối UART giữa hai vi điều khiển

Để giao tiếp giữa 2 thiết bị thông qua chuẩn giao tiếp UART, ta tiền hành nối dây

Tx (chân gửi tín hiệu) của bên phát với chân Rx (chân nhận tín hiệu) của bên thu và ngược lại nối chân Rx (chân nhận tín hiệu) của bên phát với chân Tx (chân gửi tín hiệu) của bên thu Cách nối dây này được gọi là nối chéo dây Bên cạnh đó, cần phải nối chung GND cho

cả 2 bên nhận và phát với nhau và muốn truyền nhận được, 2 bên phải có cùng tốc độ baud

2.3.2 Các đặc điểm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART

Dưới đây là khung truyền dữ liệu:

Hình 2.11 Các thành phần của một khung dữ liệu

Baudrate: Số bit truyền được trong 1s, ở truyền nhận không đồng bộ thì ở các bên

truyền và nhận phải thống nhất Baudrate Các thông số tốc độ Baudrate thường hay sử dụng

để giao tiếp với máy tính là 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 14400, 19200, 38400, 56000,

57600, 115200

Frame: Ngoài việc giống nhau của tốc độ baud 2 thiết bị truyền nhận thì khung

truyền của bên cũng được cấu hình giống nhau Khung truyền quy định số bit trong mỗi lần truyền, bit bắt đầu (Start bit), các bit kết thúc (Stop bit), bit kiểm tra tính chẵn lẻ (Parity), ngoài ra số bit quy định trong một gói dữ liệu cũng được quy định bởi khung truyền Có thể thấy, khung truyền đóng một vai trò rất quan trọng trong việc truyền thành công dữ liệu…

Idle frame: Đường truyền UART ở mức “1”, để xác nhận hiện tại đường truyền dữ

liệu trống, không có frame nào đang được truyền đi

Break frame: Đường truyền UART ở mức “0”, để xác nhận hiện tại trên đường

truyền đang truyền dữ liệu, có frame đang được truyền đi

Start bit: Bit đầu tiên được truyền trong một frame, bit này có chức năng báo cho

bên nhận rằng sắp có một gói dữ liệu truyền đến Đường truyền UART luôn ở trạng thái cao mức “1” cho đến khi chip muốn truyền dữ liệu đi thì nó gởi bit start bằng cách kéo xuống mức “0” Như vậy bit start có giá trị điện áp 0V và phải bắt buộc có bit start trong khung truyền

Data: Data hay dữ liệu là thông tin mà chúng ta nhận được trong quá trình truyền

và nhận Trong quá trình truyền UART, bit có trọng số thấp nhất (LSB – least significant bit – bên phải) sẽ được truyền trước và cuối cùng là bit có ảnh hưởng cao nhất (MSB – most significant bit – bên trái)

Parity bit: Parity bit dùng để kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay không Có 2 loại

Parity đó là Parity chẵn (even parity) và parity lẽ (odd parity) Parity chẵn nghĩa là số bit 1 trong trong dữ liệu truyền cùng với bit Parity luôn là số chẵn, ngược lại nếu Parity lẻ nghĩa

là số bit 1 trong data truyền cùng với bit Parity luôn là số lẻ Bit Parity không phải là bit bắt buộc và vì thế chúng ta có thể loại bỏ bit này ra khỏi khung truyền

Stop bits: Stop bits là một bit báo cáo để cho bộ truyền/nhận biết được gói dữ liệu

đã được gởi xong Stop bits là bit bắt buộc phải có trong khung truyền Stop bits có thể là 0.5bit, 1bit, 1.5bit, 2bit tùy thuộc vào ứng dụng UART của người sử dụng

2.3.3 Ứng dụng

UART thường được dùng trong máy tính công nghiệp, truyền thông, vi điều khiển, hay một số các thiết bị truyền tin khác Mục đích của UART là để truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau (ví dụ truyền tín hiệu từ Laptop vào Modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điều khiển, từ laptop tới vi điều khiển

UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển cho các yêu cầu chính xác

và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, module Bluetooth và nhiều ứng dụng khác Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422

& TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232

2.3.4 Ưu và nhược điềm

a Ưu điểm

 Đơn giản hiệu quả tương đối cao

 Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu

 Tín hiệu đồng bộ là không cần thiết

 Có thể kiểm tra dữ liệu ở bên nhận được có bị lỗi hay không

b Nhược điểm

 Do tồn tại các bit start, bit stop, và khoảng trống dẫn đến thời gian truyền nhận chậm

 Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit

2.4 CHUẨN GIAO TIẾP WI-FI

2.4.1 Giới thiệu

Wifi là viết tắt của Wireless Fidelity, được gọi chung là mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến, loại sóng vô tuyến này tương tự như sóng truyền hình, điện thoại và radio Wifi phát sóng trong phạm vi nhất định, các thiết bị điện tử tiêu dùng ngày nay như laptop,

2.4.2 Nguyên tắc hoạt động

Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet

Hình 2.12 Kết nối Wifi giữa các thiết bị

2.4.3 Một số chuẩn kết nối

Tuy nói wifi tương tự như sóng vô tuyến truyền hình, radio hay điện thoại nhưng nó vẫn khác các loại sóng kia ở mức độ tần số hoạt động

Sóng wifi truyền nhận dữ liệu ở tần số 2,5Ghz đến 5Ghz Tần số cao này cho phép

nó mang nhiều dữ liệu hơn nhưng phạm vi truyền của nó bị giới hạn, còn các loại sóng khác, tuy tần số thấp nhưng có thể truyền đi được rất xa

Kết nối wifi sử dụng chuẩn kết nối 802.11 trong thư viện IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), chuẩn này bao gồm 4 chuẩn nhỏ a/b/g/n:

Hình 2.13 Các chuẩn kết nối Wifi

 Chuẩn wifi đầu tiên 802.11: năm 1997, IEEE đã giới thiệu chuẩn đầu tiên này cho WLAN Tuy nhiên, 802.11 chỉ hỗ trợ cho băng tần mạng cực đại lên đến 2Mbps – quá chậm đối với hầu hết mọi ứng dụng Và với lý do đó, các sản phẩm không dây thiết kế theo chuẩn 802.11 ban đầu không được sản xuất nữa

 Chuẩn wifi 802.11b: IEEE đã mở rộng trên chuẩn gốc 802.11 để tạo ra chuẩn 802.11b vào tháng 7/1999 Chuẩn này hỗ trợ băng thông lên đến 11Mbps, tương ứng với Ethernet truyền thông

 Chuẩn wifi 802.11a: trong khi 802.11b vẫn đang được phát triển, IEEE đã tạo

ra một mở rộng thứ 2 có tên gọi là 802.11a Do giá thành cao hơn nên 802.11a thường được sử dụng cho các mạng doanh nghiệp, còn 802.11b thích hợp hơn cho các hộ gia đình

 Chuẩn wifi 802.11g: vào năm 2002 và 2003, các sản phẩm WLAN hỗ trợ một chuẩn mới hơn đó là 802.11g, được đánh giá rất cao trên thị trường Đây là một nỗ lực kết hợp ưu điểm của cả 802.11a và 802.11b, hỗ trợ băng thông lên đến 54Mbps và sử dụng tần số 2.4Ghz để có phạm vi rộng

 Chuẩn wifi 802.11n: 802.11n đôi khi được gọi tắt là wireless, được thiết kế

để cải thiện cho 802.11g trong tổng số băng thông được hỗ trợ bằng cách tận dụng nhiều tín hiệu không dây và anten Được phê chuẩn vào năm 2009, với băng thông tối đa lên đến 600Mbps, 802.11n cũng cung cấp phạm vi tốt hơn những chuẩn wifi trước đó, do cường độ tín hiệu của nó đã tăng lên

 Chuẩn wifi 802.11ac: đây là chuẩn wifi lớn nhất, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay 802.11ac sử dụng công nghệ không dây băng tần kép, hỗ trợ các kết nối đồng thời trên cả băng tần 2.4Ghz và 5Ghz 802.11ac có băng thông đạt tới 1.300Mbps trên băng tần 5Ghz và 450Mbps trên 2.4Ghz

Bảng 2.1 So sánh thông số các chuẩn wifi

CÁC CHUẨN WIFI 802.11 Chuẩn IEEE 802.11a 802.11b 802.11g 802.11n 802.11ac

khác nhau như ARM, PIC, STM32 gần đây nhất là ESP8266, ESP32 và RISCV với năng lực

phần cứng và phần mềm đi kèm mạnh mẽ hơn nhiều

Được giới thiệu vào năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới

bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C/C++

Hình 2.14 Một số loại Arduino

Một mạch Arduino thường bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác Một khía cạnh quan trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối CPU của board

với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là shield Vài shield truyền

thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C, nhiều shield có thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song Arduino chính thức thường sử dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328, ATmega1280 và ATmega2560

Hình 2.15 Hình ảnh thực tế Arduino Uno R3

 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3

 Vi xử lý: Atmega328

 Điện áp hoạt động: 5V

 Điện áp đầu vào: 7-12V

 Điện áp đầu vào (giới hạn): 6-20V

 Chân vào/ra (I/O) số: 14 chân (6 chân có thể cho đầu ra PWM)

 Chân vào tương tự: 6 chân (độ phân giải 10 bit)

 Chân PWM: 6 chân

 Dòng điện trong mỗi chân I/O: 20mA

 Dòng điện chân nguồn 3.3V: 50mA

 Bộ nhớ Flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5 KB sử dụng cho trình nạp khởi động

 SRAM: 2 KB (ATmega328)

 EEPROM: 1 KB (ATmega328)

 Xung nhịp: 16MHz

 Các thành phần chức năng chính của Arduino Uno R3

 Vi điều khiển: Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển 8 bit họ AVR là

ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,…

 Nguồn cấp: Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc

cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn

từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng board

Arduino UNO

 Các chân nguồn:

 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi chúng

ta dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này

phải được nối với nhau

 5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, chúng ta nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được

đo ở chân này Điện áp trên chân này là 5V Chúng ta không được lấy nguồn

5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

 Bộ nhớ: Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh chúng ta lập trình sẽ được lưu trữ trong

bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này

sẽ được dùng cho bootloader

 2 KB SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến chúng ta khai

báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

 1KB EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory):

đây giống như một chiếc ổ cứng mini, nơi chúng ta có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất đi khi mất điện giống như dữ liệu

trên SRAM

 Các chân vào ra (I/O):

 2 chân Serial: 0 (Rx) và 1 (Tx): dùng để gửi (transmit - Tx) và nhận (receive

- Rx) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này nếu không cần giao tiếp Serial, chúng ta không nên sử dụng

2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép chúng ta xuất ra xung PWM với

độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, chúng ta có thể điều chỉnh được điện

áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như

những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): Ngoài các

chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng

giao thức SPI với các thiết bị khác

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led nó được nối với chân số 13 Chúng

ta có thể lập trình điều khiển cho led này bình thường