Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mô hình xe Robot dò tìm kim loại điều khiển bằng điện thoại

TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

----o0o----

Tp. HCM, ngày 3 tháng 7 năm 2019

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Nguyễn Hữu Phước

MSSV: 15141254

Võ Thanh Phong

MSSV: 15141242

Chuyên ngành:

Kỹ thuật Điện - Điện tử

Mã ngành:

141

Hệ đào tạo:

Đại học chính quy

Mã hệ:

1

Khóa:

2015

Lớp:

1514DT2C

Họ tên sinh viên:

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 mạch dò kim loại.

 Tìm hiểu chuẩn truyền thông UART.
 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:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Thầy Hà A Thồi

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
----o0o---Tp. HCM, ngày 5 tháng 3 năm 2019

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Nguyễn Hữu Phước
Lớp: 1514DT2C

MSSV: 15141254

Họ tên sinh viên 2: Võ Thanh Phong
Lớp: 1514DT2C

MSSV: 15141242

Tên đề tài: Thiết kế và thi công mô hình xe Robot dò tìm kim loại điều khiển bằng
điện thoại.
Tuần/ngày

Tuần 1
(25/2 –3/3)
Tuần 2
(4/3 – 10/3)

Tuần 3
(11/3 – 17/3)

Tuần 4
(18/3 – 24/3)

Nội dung
- Gặp GVHD để nghe phổ biến yêu cầu làm đồ án, tiến
hành chọn đồ án.
- GVHD tiến hành xét duyệt đề tài.
- Viết đề cương
- Viết lịch trình làm đề tài
-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...
-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...
- Tìm hiểu về giao tiếp giữa các module và thiết bị.

Tuần 5
(25/3 – 31/3)

- Tiến hành thiết kế sơ đồ khối, giải thích chức năng
các khối.
- Tính toán thiết kế khối nguồn

Xác nhận
GVHD


Tuần 6
(1/4 – 7/4)

-Kết nối tất cả các khối lại và thiết kế sơ đồ toàn mạch,
giải thích nguyên lý hoạt động của mạch.
- Vẽ PCB

Tuần 7
(8/4 – 14/4)
Tuần 8
(15/4 – 21/4)
Tuần 8
(15/4 – 21/4)
Tuần 9
(22/4 –28/4)
Tuần 10
(29/4 – 5/5)
Tuần 11
(6/5 – 12/6)

- Lập trình cho vi điều khiển và tiến hành thi công
mạch
- Lập trình cho vi điều khiển và tiến hành thi công
mạch
- Lập trình cho vi điều khiển và tiến hành thi công
mạch
- Lập trình cho vi điều khiển và tiến hành thi công
mạch
- Kiểm tra mạch thi công.
- Viết báo cáo những nội dung đã làm.
- Hoàn thiện báo cáo và gởi cho GVHD để xem xét
góp ý lần cuối trước khi in và báo cáo.
- Nộp quyển báo cáo.

Tuần 12

- Làm slide báo cáo và báo cáo đề tài.

(13/6 – 19/6)

GV HƯỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)


LỜI CAM ĐOAN
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


LỜI CẢM ƠN
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


MỤC LỤC
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
2.3.4. Ưu và nhược điềm ............................................................................................ 18


2.4. CHUẨN GIAO TIẾP WI-FI ................................................................................... 18
2.4.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 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. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC .......................................................................................... 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


DANH MỤC HÌNH ẢNH
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 2.29. Động cơ giảm tốc DC. ...................................................................................... 41


Hình 2.30. Các dạng hình dáng chân của IC 555 trong thực tế.......................................... 42
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 4.9. Bố trí các bộ phận trên khung xe. ....................................................................... 75


Hình 4.10. Khung xe robot bán trên thị trường. ................................................................. 76
Hình 4.11. Mô hình hoàn chỉnh chụp ngang. ..................................................................... 76
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 5.5. Dữ liệu nhận được khi điện thoại gửi tới ESP8266.......................................... 102
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


DANH MỤC BẢNG
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

TÓM TẮT
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.
 Sử dụng module L298N điều khiển động cơ.

TỔNG QUAN

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
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 1


TỔNG QUAN
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:
Chương 1: Tổng Quan
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 2


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


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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
tốt hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 4


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 5


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 6


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
 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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 7

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 8


CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 9


CƠ SỞ LÝ THUYẾT
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

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

Trang 10