Đồ Án HCMUTE: Thiết Kế và Thi Công Mô Hình Xe Robot Dò Kim Loại Điều Khiển Bằng Điện Thoại

Khám phá đồ án HCMUTE thiết kế và thi công mô hình xe robot dò tìm kim loại điều khiển qua điện thoại, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Võ Thanh Phong
• Người hướng dẫn: Thầy Hà A Thồi
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Mô Hình Xe Robot Dò Tìm Kim Loại Điều Khiển Bằng Điện Thoại
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. TỔNG QUAN VỀ MẠCH DÒ KIM LOẠI
• 1.1.1. Lịch sử phát triển
• 1.1.2. Khoảng cách để nhận dạng được kim loại
• 1.1.3. Các phương pháp dò kim loại
• 1.1.4. Một số sản phẩm máy dò kim loại có trên thị trường hiện nay
• 1.2. ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ SỬ DỤNG PWM
• 1.2.1. Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM
• 1.2.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
• 1.2.3. Ứng dụng của điều chế độ rộng xung PWM trong điều khiển
• 1.3. CHUẨN GIAO TIẾP UART
• 1.3.1. Các đặc điểm quan trọng trong chuẩn truyền thông UART
• 1.3.2. Ưu và nhược điểm
• 1.4. CHUẨN GIAO TIẾP WI-FI
• 1.4.1. Nguyên tắc hoạt động
• 1.4.2. Một số chuẩn kết nối
• 1.5. GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG
• 1.5.1. Module Wifi ESP8266 NodeMCU
• 1.5.2. Động cơ DC giảm tốc
• 1.5.3. Giới thiệu IC 555 và mạch tạo dao động bằng IC 555
• 1.5.4. Giới thiệu vi điều khiển PIC 16F690
• 2. CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
• 2.1. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 2.1.1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
• 2.1.2. Tính toán và thiết kế
• 3. CHƯƠNG 3: THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1.1. Thi công board mạch
• 3.1.2. Lắp ráp và kiểm tra
• 3.2. ĐÓNG GÓI VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
• 3.3. LẬP TRÌNH HỆ THỐNG
• 3.3.1. Giao diện điều khiển
• 3.3.2. Giới thiệu các phần lập trình vi điều khiển
• 3.3.3. Phần mềm lập trình cho điện thoại
• 3.4. VIẾT TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC
• 3.4.1. Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng
• 3.4.2. Quy trình thao tác
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ
• 4.1. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• 4.1.1. Tổng quát kết quả đạt được
• 4.1.2. Kết quả mạch dò kim loại
• 4.1.3. Kết quả mạch điều khiển trung tâm
• 4.1.4. Mô hình xe hoàn chỉnh
• 4.1.5. Kết quả ứng dụng điều khiển
• 4.2. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Mô Hình Xe Robot Dò Kim Loại Tổng Quan Hệ Thống

Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình xe robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại" tập trung vào việc xây dựng một hệ thống robot di động, có khả năng dò tìm kim loại và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng điện thoại. Hệ thống bao gồm ba thành phần chính: mô hình xe robot dò kim loại, ứng dụng điều khiển trên điện thoại, và phần cứng điều khiển trung tâm. Xe robot được thiết kế để di chuyển trên địa hình bằng phẳng. Ứng dụng di động cho phép người dùng điều khiển xe tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải và điều chỉnh tốc độ. Phần cứng điều khiển trung tâm, kết hợp Arduino Uno R3 và module ESP8266, xử lý tín hiệu từ cảm biến kim loại và nhận lệnh điều khiển từ ứng dụng.

1.1. Thiết Kế Cơ Khí và Điện Tử

Thiết kế robot dò kim loại ưu tiên tính đơn giản và khả năng vận hành ổn định. Khung xe sử dụng vật liệu nhẹ, bền. Hệ thống truyền động sử dụng động cơ DC và module điều khiển L298N. Mạch điện tử được thiết kế gọn gàng, dễ bảo trì. Việc lựa chọn các module có sẵn trên thị trường (như Arduino Uno R3, ESP8266) giúp giảm thiểu thời gian phát triển và chi phí. Mạch dò kim loại sử dụng cảm biến phù hợp để phát hiện kim loại. Mạch điều khiển trung tâm tích hợp Arduino, ESP8266, và các mạch điều khiển động cơ. Cảm biến kim loại cho robot được chọn dựa trên độ nhạy và độ tin cậy. Sơ đồ mạch được thiết kế cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống. Thiết kế robot dò kim loại cần cân nhắc đến khả năng di chuyển, độ bền, và khả năng dò tìm kim loại.

1.2. Phần Mềm Điều Khiển và Giao Tiếp

Phần mềm điều khiển robot được viết cho cả Arduino và ESP8266. Arduino xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ. ESP8266 đảm nhiệm việc giao tiếp không dây với điện thoại thông qua chuẩn giao tiếp Wi-Fi. Ứng dụng điều khiển robot trên điện thoại Android được xây dựng bằng MIT App Inventor, cung cấp giao diện thân thiện và dễ sử dụng. Giao diện điều khiển robot cho phép người dùng điều khiển các chức năng chính: tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, điều chỉnh tốc độ. Khi phát hiện kim loại, ứng dụng hiển thị thông báo và phát âm thanh. Lập trình robot dò kim loại đòi hỏi sự chính xác cao, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả của hệ thống. Việc thiết kế và lập trình ứng dụng điều khiển robot cần tối ưu hóa hiệu suất và tính dễ sử dụng. Phần mềm điều khiển robot cần có khả năng xử lý dữ liệu từ cảm biến một cách chính xác và hiệu quả.

II. Phân Tích và Đánh Giá Mô Hình

Mô hình xe robot dò kim loại điều khiển từ xa này thể hiện sự tích hợp hiệu quả giữa cơ khí, điện tử, và phần mềm. Ưu điểm chính là khả năng điều khiển từ xa, giúp người dùng tránh được những môi trường nguy hiểm. Tuy nhiên, mô hình hiện tại còn có những hạn chế như chỉ hoạt động trên địa hình bằng phẳng và phạm vi hoạt động bị giới hạn bởi tín hiệu Wi-Fi. Nguyên lý hoạt động của máy dò kim loại cần được nghiên cứu kỹ để tối ưu hóa độ nhạy và phạm vi hoạt động.

2.1. Ưu Điểm và Hạn Chế

Robot dò kim loại điều khiển từ xa mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc dò tìm kim loại ở những khu vực nguy hiểm. Ưu điểm chính là tính an toàn cho người sử dụng. Hạn chế nằm ở phạm vi hoạt động bị giới hạn bởi tín hiệu Wi-Fi và khả năng hoạt động trên địa hình phức tạp. Robot dò kim loại mini hoặc các robot dò kim loại chuyên nghiệp có thể khắc phục được những nhược điểm này. So sánh các loại robot dò kim loại cho thấy sự đa dạng trong thiết kế và ứng dụng. An toàn khi sử dụng máy dò kim loại cần được chú trọng, đặc biệt trong các môi trường nguy hiểm. Ứng dụng dò kim loại trong thực tế rất đa dạng, từ an ninh đến khảo cổ.

2.2. Ứng Dụng Thực Tiễn và Phát Triển Tương Lai

Mô hình này có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm khảo sát địa chất, tìm kiếm cứu nạn, và an ninh. Ứng dụng dò kim loại trong thực tế khá rộng rãi. Việc phát triển thêm các tính năng như định vị chính xác vị trí kim loại, khả năng hoạt động trên địa hình phức tạp, và tích hợp hệ thống điều khiển thông minh sẽ nâng cao hiệu quả của hệ thống. Tương lai của công nghệ dò kim loại sẽ tập trung vào việc tăng độ chính xác, phạm vi hoạt động, và khả năng phân tích dữ liệu. Robot dò kim loại giá rẻ cũng là một hướng phát triển đáng chú ý. Học làm robot và hướng dẫn làm robot dò kim loại sẽ giúp phổ biến công nghệ này rộng rãi hơn.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học kỹ thuật phát triển, các thiết bị điện tử và hệ thống tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống sinh hoạt cũng như sản xuất công nghiệp. Những hệ thống này đòi hỏi tính chính xác cao, thời gian đáp ứng nhanh và khả năng vận hành linh hoạt. Đặc biệt, công nghệ điều khiển từ xa và robot thông minh đã mở ra giải pháp thay thế con người thực hiện các công việc phức tạp trong môi trường làm việc khắc nghiệt hoặc độc hại.

Thực tế cho thấy, phần lớn các thiết bị dò tìm kim loại hiện nay là dạng cầm tay và đòi hỏi người vận hành phải trực tiếp mang vác tại hiện trường. Phương thức này đáp ứng tốt các yêu cầu kiểm tra an ninh thông thường tại sân bay, tòa nhà hoặc nhà máy. Tuy nhiên, tại các khu vực nguy hiểm như bãi bom mìn còn sót lại sau chiến tranh, vùng đất nhiễm phóng xạ, chất độc hóa học hoặc địa hình hiểm trở, việc con người trực tiếp rà soát tiềm ẩn rủi ro rất lớn đối với tính mạng và sức khỏe. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế và thi công mô hình xe Robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại" được thực hiện nhằm xây dựng một phương tiện không người lái cỡ nhỏ, có khả năng điều khiển từ xa qua mạng không dây để phát hiện kim loại và truyền cảnh báo về cho người điều khiển.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:

1. Tìm hiểu lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động và các phương pháp dò tìm kim loại (phương pháp BFO, VLF, PI) để lựa chọn giải pháp phù hợp.
2. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động và phương thức lập trình cho các vi điều khiển và module phần cứng: Arduino Uno R3, ESP8266 NodeMCU, vi điều khiển PIC 16F690, IC tạo dao động 555, IC công suất cầu H L298N và động cơ DC giảm tốc.
3. Tìm hiểu chuẩn giao tiếp truyền thông nối tiếp bất đồng bộ UART và nguyên lý điều chế độ rộng xung (PWM) ứng dụng trong điều khiển vận tốc động cơ.
4. Nghiên cứu công nghệ kết nối mạng không dây Wi-Fi theo chuẩn IEEE 802.11 và công cụ lập trình ứng dụng Android (MIT App Inventor).
5. Tính toán, thiết kế sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý toàn mạch và thiết kế mạch in (PCB) cho khối điều khiển trung tâm và khối cảm biến dò kim loại.
6. Thi công lắp ráp phần cứng, xây dựng giải thuật điều khiển, lập trình nhúng, thiết kế giao diện ứng dụng trên điện thoại thông minh, thử nghiệm và đánh giá hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình xe robot 4 bánh gắn cảm biến dò kim loại, hệ thống điều khiển nhúng đa vi điều khiển và ứng dụng điều khiển di động trên nền tảng Android.
• Phạm vi không gian và địa hình: Mô hình xe thử nghiệm hoạt động trên địa hình bằng phẳng; phạm vi điều khiển giới hạn trong tầm phủ sóng của mạng Wi-Fi cục bộ do module ESP8266 phát ra; kích thước khung xe thực tế khoảng 35 cm x 15 cm.
• Phạm vi phát hiện: Khả năng dò tìm phụ thuộc vào kích thước, bản chất vật liệu kim loại và khoảng cách giữa cuộn dò với vật thể.
• Nguồn năng lượng: Toàn bộ hệ thống vận hành bằng nguồn pin sạc gắn trực tiếp trên khung xe.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên các nền tảng kỹ thuật điện tử, vi xử lý và truyền thông không dây:

• Nguyên lý dò kim loại: Đề tài phân tích ba phương pháp chính gồm dao động phách (Beat-Frequency Oscillator - BFO), tần số rất thấp (Very Low Frequency - VLF) và cảm ứng xung (Pulse Induction - PI). Trong đó, nguyên lý thay đổi điện cảm của cuộn dây khi có vật thể kim loại đi vào từ trường được ứng dụng để làm thay đổi tần số của mạch dao động LC/IC 555, từ đó vi điều khiển đo đạc và xác định sự xuất hiện của kim loại.
• Phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM): Sử dụng để điều chỉnh điện áp trung bình đặt lên động cơ một chiều (DC), điều khiển tốc độ xe theo công thức:

$$\text{Hệ số chu kỳ (Duty Cycle)} = \left(\frac{\text{Độ rộng xung}}{\text{Chu kỳ xung}}\right) \times 100%$$

$$U_{\text{tb}} = \left(\frac{\text{Độ rộng xung}}{\text{Chu kỳ xung}}\right) \times U_{\max}$$

• Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART: Truyền dữ liệu bất đồng bộ giữa module truyền thông ESP8266 NodeMCU và board điều khiển Arduino Uno R3 thông qua 2 đường tín hiệu Tx và Rx (nối chéo) cùng mức điện thế tham chiếu đất (GND), tốc độ baud đồng bộ. Cấu trúc khung truyền gồm Start bit (mức 0), Data bits (5 đến 9 bits), Parity bit (chẵn/lẻ) và Stop bit (mức 1).
• Chuẩn mạng không dây Wi-Fi: Dựa trên bộ tiêu chuẩn IEEE 802.11 hoạt động ở băng tần 2.4 GHz.

Chuẩn Wi-Fi	Năm phát hành	Tần số	Tốc độ tối đa	Phạm vi trong nhà	Phạm vi ngoài trời
802.11	1997	2.4 GHz	2 Mbps	-	-
802.11b	1999	2.4 GHz	11 Mbps	100 ft	450 ft
802.11a	1999	5 GHz	54 Mbps	100 ft	400 ft
802.11g	2003	2.4 GHz	54 Mbps	125 ft	450 ft
802.11n	2009	2.4 / 5 GHz	600 Mbps	225 ft	825 ft
802.11ac	2013	5 GHz	1.3 Gbps	90 ft	1000 ft

Phương pháp nghiên cứu và thiết kế thực tế bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp: Thu thập, tổng hợp các tài liệu kỹ thuật về kiến trúc phần cứng vi điều khiển ATmega328 (Arduino Uno R3), vi xử lý 32-bit Tensilica Xtensa LX106 (ESP8266EX), vi điều khiển PIC 16F690, IC định thời NE555 và IC cầu H L298N.
• Phương pháp thiết kế hệ thống theo module: Phân chia hệ thống thành các khối chức năng độc lập (khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, khối cảm biến dò tìm, khối truyền thông không dây, khối công suất và chấp hành).
• Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Thi công board mạch in (PCB), hàn lắp linh kiện cơ - điện tử, lập trình nhúng bằng ngôn ngữ C/C++ trên Arduino IDE và PIC C Compiler, lập trình khối kéo - thả trên MIT App Inventor 2, tiến hành đo kiểm thông số điện áp, xung tín hiệu và khoảng cách nhận diện kim loại.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phần cứng phân tán kết hợp truyền thông không dây giữa thiết bị di động và robot di động.

Kiến trúc phần cứng của hệ thống bao gồm 5 khối chức năng:

• Khối nguồn: Sử dụng nguồn pin cung cấp năng lượng cho toàn hệ thống, kết hợp các mạch ổn áp hạ áp cấp nguồn 5V và 3.3V cho vi điều khiển, module ESP8266 và khối cảm biến; nguồn trực tiếp cung cấp cho IC công suất L298N để kéo động cơ.
• Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng board Arduino Uno R3 đóng vai trò xử lý trung tâm. Arduino tiếp nhận các chuỗi ký tự điều khiển từ ESP8266 qua cổng UART, giải mã tín hiệu để xuất các xung PWM và tín hiệu logic điều khiển chiều quay đến mạch cầu H L298N; đồng thời tiếp nhận tín hiệu báo động mức logic từ khối dò kim loại để kích hoạt còi buzzer trên xe và truyền cờ trạng thái ngược về ESP8266.
• Khối truyền thông Wi-Fi: Module ESP8266 NodeMCU được cấu hình hoạt động như một điểm truy cập Wi-Fi (Access Point) phát mạng có tên "WiFi_ESP8266_NODEMCU". ESP8266 thiết lập kết nối TCP/IP để nhận dữ liệu điều khiển từ ứng dụng Android và truyền tiếp sang Arduino Uno R3.
• Khối cảm biến dò kim loại: Bao gồm cuộn dây cảm ứng kết hợp mạch dao động sử dụng IC 555 và vi điều khiển PIC 16F690. Mạch tạo ra tần số dao động phụ thuộc vào từ trường cuộn dây. PIC 16F690 sử dụng bộ ngắt ngoài (External Interrupt) và bộ định thời Timer1 để đo tần số dao động. Khi nhấn nút đặt lại tần số so sánh, PIC 16F690 lưu giá trị tần số chuẩn của môi trường. Khi cuộn dây quét qua kim loại, độ tự cảm thay đổi làm lệch tần số so với giá trị chuẩn; PIC 16F690 phát hiện sai lệch và xuất tín hiệu cảnh báo ra loa buzzer và gửi tín hiệu về Arduino.
• Khối công suất và chuyển động: Mạch cầu H L298N nhận tín hiệu điều khiển từ các chân digital và PWM của Arduino để cấp dòng điện đảo chiều cho 4 động cơ DC giảm tốc, cho phép xe thực hiện các thao tác chạy tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải và dừng lại.

Khối chức năng	Phần cứng / Công nghệ chính	Thông số kỹ thuật / Chức năng
Xử lý trung tâm	Arduino Uno R3 (ATmega328P)	16 MHz, 14 I/O số (6 PWM), 6 ngõ Analog, Flash 32KB
Truyền thông không dây	ESP8266 NodeMCU (ESP8266EX)	Wi-Fi 2.4 GHz 802.11 b/g/n, giao tiếp UART, điện áp 3.3V/5V
Cảm biến dò kim loại	PIC 16F690 + IC 555 + Cuộn dây	Đo tần số bằng Timer1/Ngắt ngoài, nút bấm reset tần số mẫu
Công suất động cơ	Module cầu H L298N	Dòng đỉnh 2A/kênh, điều khiển 2 cụm động cơ DC qua PWM
Giao diện điều khiển	Ứng dụng Android (MIT App Inventor)	Nút bấm điều hướng, thanh trượt tốc độ, hiển thị cảnh báo chữ và âm thanh

Quy trình vận hành phần mềm và giải thuật:

• Giải thuật tại Arduino: Khởi tạo các chân I/O và cổng nối tiếp UART (Serial). Đọc liên tục dữ liệu từ ESP8266; nếu nhận ký tự điều khiển di chuyển ('F', 'B', 'L', 'R', 'S'), hệ thống xuất tín hiệu tương ứng ra IN1, IN2, IN3, IN4 và chân ENA, ENB của L298N. Nếu đọc thấy tín hiệu mức tích cực từ mạch dò kim loại, Arduino dừng động cơ, bật còi buzzer trên xe và gửi ký tự cảnh báo về ESP8266.
• Giải thuật tại PIC 16F690: Đọc xung từ IC 555 qua chân ngắt ngoài để đếm số xung trong khoảng thời gian định thời của Timer1. So sánh tần số hiện tại với tần số chuẩn ban đầu; nếu chênh lệch vượt ngưỡng cho phép, xuất mức logic báo phát hiện kim loại.
• Ứng dụng điều khiển Android: Cung cấp giao diện trực quan kết nối với địa chỉ IP của ESP8266, truyền các ký tự điều khiển tương ứng khi người dùng thao tác trên màn hình cảm ứng, đồng thời lắng nghe chuỗi phản hồi để kích hoạt âm báo và hiển thị thông báo "phát hiện kim loại" lên màn hình điện thoại.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài trong xu thế tự động hóa và ứng dụng robot thay thế con người ở các môi trường độc hại, nguy hiểm như bãi bom mìn hoặc nơi nhiễm xạ. Tác giả xác định rõ mục tiêu thiết kế và thi công mô hình xe robot điều khiển qua mạng Wi-Fi bằng ứng dụng Android, tích hợp module dò kim loại tự động phát tín hiệu cảnh báo trên cả xe và điện thoại. Chương này cũng phân chia 5 nội dung nghiên cứu chính, chỉ rõ các giới hạn về kích thước mô hình (35cm x 15cm), địa hình hoạt động bằng phẳng, nguồn pin giới hạn và tính bảo mật chưa cao, đồng thời tóm tắt bố cục 6 chương của toàn văn báo cáo.

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ việc thiết kế hệ thống. Tác giả trình bày lịch sử phát triển của máy dò kim loại từ cuối thế kỷ 19 (Gustave Trouvé, Alexander Graham Bell) đến sự phát triển của công nghệ bán dẫn; phân tích chi tiết các lĩnh vực ứng dụng (an ninh, khảo cổ, may mặc, chế biến thực phẩm) và các yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách nhận dạng kim loại (kích thước, độ sâu 20-50cm, vật liệu, môi trường đất). Tác giả so sánh nguyên lý ba phương pháp dò: BFO, VLF và PI; khảo sát các sản phẩm thương mại như Garrett Super Scanner 1165180 và MD-5008. Tiếp đó, chương phân tích sâu nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ DC bằng PWM, công thức tính duty cycle và điện áp trung bình; cấu trúc khung truyền và nguyên tắc nối dây chuẩn UART; nguyên lý mạng Wi-Fi và bảng so sánh các chuẩn IEEE 802.11a/b/g/n/ac. Cuối chương giới thiệu chi tiết cấu trúc phần cứng, sơ đồ chân và thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3, module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU, IC cầu H L298N, động cơ DC giảm tốc, IC 555 và vi điều khiển PIC 16F690.

Chương 3. Tính toán và thiết kế

Chương 3 tập trung vào việc hiện thực hóa mô hình từ mặt lý thuyết sang sơ đồ kỹ thuật. Tác giả xây dựng sơ đồ khối tổng thể của hệ thống và giải thích chức năng từng khối; tính toán nhu cầu dòng điện và điện áp làm việc cho các linh kiện trong mạch điều khiển trung tâm và khối cảm biến để thiết kế khối nguồn phù hợp. Tác giả lập các bảng danh mục linh kiện chi tiết, thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch dao động dò kim loại sử dụng IC 555, mạch vi điều khiển PIC 16F690, mạch ghép nối giữa Arduino Uno R3 với ESP8266 NodeMCU và mạch cầu H L298N, từ đó tổng hợp thành sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh.

Chương 4. Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế của đồ án. Tác giả trình bày các bước vẽ mạch in (PCB), sơ đồ bố trí linh kiện và hình ảnh thực tế sau khi hàn gắn cho board điều khiển trung tâm và board mạch dò kim loại. Quá trình lắp ráp cơ khí các bộ phận (khung xe robot 4 bánh, động cơ DC, bánh xe, cuộn dây dò, pin nguồn, mạch điện tử) lên khung xe kích thước 35cm x 15cm được thể hiện chi tiết. Về phần mềm, chương trình bày đầy đủ các lưu đồ giải thuật cho Arduino Uno R3 (giải thuật chính, giải thuật chạy tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng), lưu đồ giải thuật ESP8266 NodeMCU và các lưu đồ ngắt của PIC 16F690 (ngắt ngoài và ngắt Timer1). Bên cạnh đó, tác giả trình bày giao diện thiết kế và giao diện khối lệnh lập trình của ứng dụng Android trên MIT App Inventor, hướng dẫn sử dụng môi trường Arduino IDE, PIC C Compiler và thiết lập quy trình thao tác vận hành hoàn chỉnh cho người dùng.

Chương 5. Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm đạt được sau quá trình thi công và thử nghiệm. Tác giả trình bày hình ảnh mô hình xe robot hoàn chỉnh, kết quả hoạt động của mạch dò kim loại, mạch điều khiển trung tâm và giao diện ứng dụng điều khiển trên điện thoại Android khi kết nối với trạm Wi-Fi "WiFi_ESP8266_NODEMCU". Dữ liệu nhận dạng chuỗi truyền thông giữa điện thoại và ESP8266 được ghi nhận qua Serial Monitor. Đồng thời, chương cung cấp bảng số liệu đo đạc thực nghiệm khoảng cách phát hiện vật thể kim loại của cuộn dò, đưa ra các nhận xét khách quan về độ ổn định của hệ thống truyền nhận và khả năng cảnh báo khi xe tiếp cận kim loại.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu của đồ án tốt nghiệp, khẳng định mô hình xe đã hoàn thành đầy đủ các tính năng điều khiển chuyển động và dò tìm kim loại từ xa. Tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đồ án bao gồm:

• Thi công hoàn chỉnh phần cứng mô hình xe robot 4 bánh (kích thước 35cm x 15cm) tích hợp board điều khiển trung tâm (Arduino Uno R3 + ESP8266 NodeMCU) và board cảm biến dò kim loại (PIC 16F690 + IC 555 + cuộn dây).
• Thiết kế và xuất bản thành công ứng dụng điều khiển Android thông qua MIT App Inventor 2, kết nối ổn định với Access Point Wi-Fi do ESP8266 phát ra.
• Xe phản hồi chính xác các lệnh điều hướng: chạy tiến, chạy lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng lại và thay đổi vận tốc di chuyển thông qua tín hiệu PWM cấp cho mạch cầu H L298N.
• Khối dò tìm kim loại hoạt động ổn định: Khi cuộn dò tiếp cận vật thể kim loại, hệ thống tự động phát còi buzzer cảnh báo tại chỗ, dừng xe tạm thời, đồng thời gửi tín hiệu không dây lên điện thoại để hiển thị dòng chữ cảnh báo và phát âm thanh chuông báo trên ứng dụng di động.

Đóng góp thực tiễn của đồ án:

• Hiện thực hóa thành công giải pháp kết hợp đa vi điều khiển (Arduino, ESP8266, PIC) để phân chia tác vụ xử lý chuyên biệt giữa giao tiếp mạng không dây, điều khiển động lực và xử lý tín hiệu cảm biến tần số cao.
• Cung cấp một mô hình thực nghiệm chi tiết về giải pháp dò kim loại điều khiển từ xa giá thành hợp lý, tận dụng các module có sẵn trên thị trường kết hợp mạch tự thiết kế, tạo tiền đề ứng dụng cho các mô hình tự hành rà soát an ninh hoặc khu vực nguy hiểm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập:

• Địa hình di chuyển: Xe robot sử dụng khung gầm bánh cao su tiêu chuẩn nên chỉ vận hành ổn định trên bề mặt phẳng, chưa thể vượt chướng ngại vật hoặc địa hình gồ ghề.
• Phạm vi điều khiển: Kết nối Wi-Fi phát trực tiếp từ ESP8266 bị giới hạn cự ly phát sóng trong phạm vi mạng cục bộ nhất định.
• Nguồn năng lượng: Hoạt động dựa trên nguồn pin có dung lượng giới hạn, ảnh hưởng đến thời gian vận hành liên tục của hệ thống.
• Độ nhạy cảm biến: Khoảng cách nhận diện kim loại của cuộn dò còn hạn chế và phụ thuộc nhiều vào hình dạng, kích thước cũng như vật liệu của kim loại.
• Tính an toàn phần mềm: Tính bảo mật của mạng Wi-Fi nội bộ và ứng dụng điều khiển chưa cao.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Nâng cấp khung gầm cơ khí sang hệ thống bánh xích hoặc hệ thống treo giảm xóc để robot có thể di chuyển trên nhiều dạng địa hình phức tạp, gồ ghề ngoài thực địa.
• Cải tiến thiết kế cuộn dây dò và tối ưu mạch đo tần số nhằm tăng độ nhạy, mở rộng khoảng cách và độ sâu phát hiện kim loại.
• Tích hợp thêm module camera truyền hình ảnh trực tiếp thời gian thực về màn hình điện thoại hoặc máy tính để người điều khiển dễ dàng quan sát hiện trường từ xa.
• Trang bị pin dung lượng cao hơn, kết hợp hệ thống pin năng lượng mặt trời hoặc cơ chế cảnh báo điện áp pin yếu; nâng cấp giao thức bảo mật đường truyền không dây.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với sinh viên, học viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Công nghệ Kỹ thuật Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot:

• Tham khảo về thiết kế mạch nhúng: Phương pháp kết nối và đồng bộ truyền thông giữa vi điều khiển ATmega328 (Arduino), chip Wi-Fi SoC ESP8266 qua chuẩn UART và vi điều khiển PIC 16F690.
• Tham khảo về kỹ thuật đo lường cảm biến: Phương pháp thiết kế mạch tạo dao động bằng IC 555 kết hợp cuộn cảm dò kim loại và giải thuật đo tần số bằng bộ định thời Timer1/ngắt ngoài trên PIC.
• Tham khảo về điều khiển công suất và lập trình ứng dụng di động: Kỹ thuật băm xung PWM điều khiển cầu H L298N và quy trình xây dựng ứng dụng điều khiển IoT/Robot qua giao thức TCP/IP bằng công cụ MIT App Inventor.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối xử lý trung tâm và truyền thông không dây trên mô hình xe robot sử dụng những phần cứng nào?
Khối điều khiển trung tâm sử dụng board mạch Arduino Uno R3 (trang bị vi điều khiển ATmega328P hoạt động ở xung nhịp 16 MHz) kết hợp với module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU (chứa chip 32-bit ESP8266EX). Hai module này trao đổi dữ liệu với nhau qua giao tiếp nối tiếp UART.

2. Điện thoại Android kết nối và gửi lệnh điều khiển đến xe robot bằng phương thức nào?
Module ESP8266 NodeMCU được cấu hình làm Access Point phát mạng Wi-Fi có tên "WiFi_ESP8266_NODEMCU". Điện thoại kết nối vào mạng này, sau đó ứng dụng viết bằng MIT App Inventor sẽ gửi các gói tin điều khiển qua giao thức TCP/IP đến ESP8266, ESP8266 chuyển tiếp qua UART sang Arduino để điều khiển động cơ.

3. Mạch cảm biến dò tìm kim loại trên xe hoạt động theo nguyên tắc nào và do linh kiện nào xử lý?
Mạch sử dụng một cuộn dây cảm ứng ghép với mạch dao động IC 555. Khi cuộn dây quét qua vật thể kim loại, từ trường biến thiên làm thay đổi tần số dao động. Vi điều khiển PIC 16F690 sử dụng ngắt ngoài và bộ định thời Timer1 để đo tần số này, so sánh với tần số chuẩn được thiết lập ban đầu qua nút nhấn để nhận diện sự có mặt của kim loại.

4. Hệ thống phát tín hiệu cảnh báo như thế nào khi phát hiện thấy kim loại?
Khi phát hiện kim loại, hệ thống cảnh báo đồng thời ở hai nơi: trên xe robot, còi buzzer phát âm thanh và xe tạm dừng lại trong một khoảng thời gian; trên điện thoại, ứng dụng Android phát âm thanh chuông báo và hiển thị trực tiếp dòng chữ cảnh báo phát hiện kim loại trên màn hình giao diện.

5. Vận tốc và hướng di chuyển của xe robot được điều khiển bằng phương pháp nào?
Hướng di chuyển (tiến, lùi, rẽ trái, rẽ phải, dừng) được điều khiển thông qua trạng thái logic của các chân IN1, IN2, IN3, IN4 trên module cầu H L298N. Tốc độ di chuyển của 4 động cơ DC giảm tốc được điều chỉnh bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) thông qua các chân kích hoạt ENA, ENB của module L298N do Arduino xuất ra theo giá trị duty cycle tương ứng.

Kết luận

Đề tài "Thiết kế và thi công mô hình xe Robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại" đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu lý thuyết, tính toán thiết kế phần cứng và lập trình điều khiển cho một hệ thống robot không người lái cỡ nhỏ. Sản phẩm thực nghiệm kết hợp hiệu quả giữa vi điều khiển Arduino Uno R3, module Wi-Fi ESP8266 NodeMCU, vi điều khiển PIC 16F690 và ứng dụng Android, đáp ứng chính xác các yêu cầu di chuyển linh hoạt và cảnh báo tức thời khi phát hiện vật thể kim loại. Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích, đóng vai trò nền tảng cho việc phát triển các phương tiện tự hành chuyên dụng phục vụ an ninh và thăm dò môi trường nguy hiểm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng Quan BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 2 do an TỔNG QUAN 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 3 do an CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.

TỔNG QUAN VỀ MẠCH DÒ KIM LOẠI 2. 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.

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 tốt hơn. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH Trang 4 do an CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.