«Програмно-апаратні засоби керування моделлю автомобіля»

МІНІСТЕРСТОВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет кібербезпеки, комп‘ютерної та програмної інженерії
Кафедра комп’ютерних інформаційних технологій
ДОПУСТИТИ ДО ЗАХИСТУ
Завідувач випускової кафедри
____________ А.С. Савченко
«____» __________ 20___ р
ДИПЛОМНИЙ ПРОЕКТ
(ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА)
ВИПУСКНИКА ОСВІТНЬОГО СПУПЕНЯ «БАКАЛАВР»
Тема: «Програмно-апаратні засоби керування моделлю автомобіля»
Виконавець: студент УС-412 П'ятківський Владислав Юрійович
(студент, група, призвіще, ім'я, по батькові)
Керівник: к. т. н., доцент Климова Асія Сабирівна
(науковій ступень, вчене звання, призвіще, ім'я, по батькові)
Нормоконтролер: ст. викл. Шевченко О.П.
(П.І.Б.)
(підпис)
КИЇВ 2021

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Факультет кібербезпеки, комп‘ютерної та програмної інженерії
Кафедра комп’ютерних інформаційних технологій
Освітній ступінь: Бакалавр
Галузь знань, спеціальність, спеціалізація: 12 “Інформаційні технології”, 122 “Комп’ютерні науки”, “Інформаційні управляючі системи та технології ”
ЗАТВЕРДЖУЮ
Завідувач кафедри
А.С. Савченко
“_____”_______ 2021 р.
ЗАВДАННЯ
на виконання дипломного проекту студента
П'ятківського Владислава Юрійовича
(прізвище, ім’я, по батькові)
1.Тема проекту: «Програмно-апаратні засоби керування моделлю автомобіля» затверджена наказом ректора № 636/ст. від 22.04.2021р.
2. Термін виконання роботи: з 10.05.2021 по 14.06.2021р.
3. Вихідні дані до роботи: Програмні та апаратні засоби керування моделлю автомобіля з документацією.
4. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, що підлягають розробці): вступ, огляд технологій та методів реалізації системи, огляд компонентів системи, реалізація системи керування моделлю автомобіля.
5. Перелік обов’язкового графічного матеріалу: схематичне зображення апаратної частини системи, вигляд графічного інтерфейсу управління.

КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН
Етапи виконання дипломної роботи
Термін виконання етапів
Примітка
1
Аналіз літератури та джерел за темою дипломного проекту.
11.05.2020р. –
12.05.2020р.
2
Розробка та затвердження плану дипломного проекту.
13.05.2020р.
3
Проведення консультації з науковим керівником щодо створення першого розділ.
14.05.2020р.
4
Аналітичний огляд і постановка задачі. 15.05.2020р. –
18.05.2020р.
5
Огляд технологій та методів реалізації системи.
19.05.2020р. –
22.05.2020р.
6
Огляд компонентів системи.
23.06.2020р. –
27.05.2020р.
7
Розробка компонентів системи.
28.05.2020р. –
04.06.2020р.
8
Висновки та оформлення пояснювальної записки дипломного проекту.
05.06.2020р. –
08.06.2020р.
9
Підписання необхідних документів у встановленому порядку.
09.06.2020р. –
10.06.2020р.
10
Підготовка до захисту та попередній захист дипломного проекту на випусковій кафедрі дипломного проекту
11.06.2020р. –
14.06.2020р.
Cтyдeнт
( П'ятківський В.Ю.)
Кepiвник дипломної роботи
( Климова А.С. )

РЕФЕРАТ
Пояснювальна записка до дипломного проекту “Програмно-апаратні засоби керування моделлю автомобіля” містить 54 сторінки, 16 рисунків, 22 літературних джерела.
Об'єкт дослідження: програмно-апаратний засіб керування моделлю автомобіля.
Предмет дослідження: технології створення та управління роботизованими платформами.
Мета роботи: створення програмно-апаратного засобу керування моделлю автомобіля.
Методи дослідження, технічні та програмні засоби: дослідження методів та технологій розробки системи, її компонентів, створення графічного інтерфейсу для керування моделі за допомогою MIT App Inventor, створення керуючої програми для мікроконтролера Arduino UNO, тестування системи на працездатність.
Отримані результати та їх новизна: створено прототип програмно-апаратного засобу керування моделлю автомобіля з графічним інтерфейсом для керування.
Матеріали дипломного проекту можуть бути використані при створенні подібних роботизованих платформ на основі мікроконтролера, оскільки кількість подібних систем постійно зростає .
ІНТЕРФЕЙС, МІКРОКОНТРОЛЕР, ДИСТАНЦІЙНЕ КЕРУВАННЯ.

5
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ ................................................. 7
ВСТУП .................................................................................................................................. 9
РОЗДІЛ 1. АНАЛІЗ МЕТОДІВ ТА ТЕХНОЛОГІЙ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОГРАМНО-
АПАРАТНИХ ЗАСОБІВ КЕРУВАННЯ МОДЕЛЛЮ АВТОМОБІЛЯ. ...................... 11 1.1. Що таке мікроконтролер? .................................................................................... 11 1.2. Різниця між мікроконтролером і мікропроцесором. ......................................... 13 1.3. Різновиди мікроконтролерів. ............................................................................... 15 1.4. Програмування мікроконтролерів ...................................................................... 17 1.5. Огляд технології дистанційного керування та пультів дистанційного керування. ....................................................................................................................... 18 1.5.1. Використання пультів дистанційного керування. ...................................... 19 1.5.2. Види пультів дистанційного керування. ...................................................... 20 1.6. Висновки до розділу 1 .......................................................................................... 22
РОЗДІЛ 2. АНАЛІЗ ПРОГРАМНО-АПАРАТНИХ КОМПОНЕНТІВ РЕАЛІЗАЦІЇ
КЕРУВАННЯ МОДЕЛЛЮ АВТОМОБІЛЯ. .................................................................. 23 2.1. Огляд Arduino UNO .............................................................................................. 23 2.1.1. Живлення ......................................................................................................... 24 2.1.2. Пам'ять ............................................................................................................. 25 2.1.3. Порти ............................................................................................................... 26 2.1.4. Зв'язок .............................................................................................................. 27 2.1.5. Програмування плати Arduino. ..................................................................... 27 2.2. Bluetooth технологія ............................................................................................. 29

6 2.3. Огляд окремих компонентів апаратної частини платформи ............................ 33 2.3.1. Bluetooth модуль для Arduino HC-05 ............................................................ 33 2.3.2. Драйвер мотора ............................................................................................... 35 2.3.3. Сервопривід..................................................................................................... 36 2.4. MIT App Inventor 2 ................................................................................................ 37 2.5. Висновки до розділу 2 .......................................................................................... 39
РОЗДІЛ 3. РОЗРОБКА ПРОГРАМНО-АПАРАТНИХ ЗАСОБІВ КЕРУВАННЯ
МОДЕЛЛЮ АВТОМОБІЛЯ ............................................................................................ 40 3.1. Розробка апаратних засобів ................................................................................. 40 3.2. Розробка програмних засобів .............................................................................. 43 3.3. Тестування засобів керування моделлю автомобіля. ........................................ 46
Висновки до розділу 3 ................................................................................................... 47
ВИСНОВКИ ....................................................................................................................... 48
СПИСОК БІБЛІОГРАФІЧНИХ ПОСИЛАНЬ ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ............. 50
ДОДАТКИ .......................................................................................................................... 52

7
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ
Android
- операційна система і платформа для мобільних телефонів та планшетних комп'ютерів, створена компанією Google на базі ядра Linux.
IOS
- операційна система для iPhone, iPad та інших мобільних пристроїв Apple. Заснована на Mac OS, операційній системі, що працює на лінійці настільних та портативних комп’ютерів Mac від Apple, Apple iOS розроблена для простого та безшовного зв’язку між продуктами Apple.
UI
- принципи та відповідний процес розробки інтерфейсу користувача для машин та програмного забезпечення при якому досягають максимально зручний спосіб їх використання користувачами.
HIGH
- константа, рівнозначна 1, для Мікроконтролерів розпізнається як максимальна напруга, з якою вони можуть працювати.
LOW
- константа, рівнозначна 0, для Мікроконтролерів розпізнається як мінімальна напруга, з якою вони можуть працювати.
GND
- вузол ланцюга, потенціал якого умовно приймається за нуль, і всі напруги в системі відраховуються від потенціалу цього вузла.
VCC
- плюс живлення щодо GND.
RXD
- порт послідовного інтерфейсу, який використовується для отримання даних з послідовного інтерфейсу.

8
TXD
- порт послідовного інтерфейсу, який використовується для надсилання даних з послідовного інтерфейсу.
Bluetooth
- технологія бездротового зв'язку короткого радіусу дії, яка дозволяє таким пристроям, як мобільні телефони, комп’ютери та периферія, передавати дані на невеликій відстані.
AREF
- значення опорної напруги плати.
Bootloader
- програма, що записує скетч в пам'ять мікроконтролера.
C++
- мова програмування високого рівня з підтримкою кількох парадигм програмування: об'єктно-орієнтованої, узагальненої та процедурної.
PWM
- це спосіб кодування аналогового сигналу шляхом зміни ширини (тривалості) прямокутних імпульсів несучої частоти.
USB
-
(Universal Serial Bus) універсальна послідовна шина, призначена для з'єднання комп'ютерів і периферійних пристроїв.
ЕОМ
-
(електронно-обчислювальна машина) програмно- керований пристрій для обробки інформації.
ПЗП
-
(пусково зарядний пристрій) електронний пристрій для заряду електричних акумуляторів та акумуляторних батарей енергією зовнішнього джерела.
ІЧ
-
(інфрачервоне) частина спектру випромінювання Сонця, яка безпосередньо примикає до червоної частини видимої області спектра і володіє здатністю нагрівати більшість предметів.

9
ВСТУП
Технології не стоять на місці і постійно розвиваються. Від створення примітивних інструментів до розробки штучного інтелекту, все було винайдено для полегшення і покращення життя.
Однією з технології, яка уже закріпилась в нашому повсякденному житті є електронно-обчислювальні машини. Вони вже використовуються, практично у всіх сферах людською діяльності, значно полегшуючи і зменшуючи ціну на всі операції.
Наряду з електронно-обчислювальними машинами стоїть така сфера, як інформаційні технології, які в тому чи іншому вигляді присутні в різних аспектах повсякденного життя людини. І ми настільки звикли до зручності цих технологій, що навіть не можемо уявити наше життя без них.
В теперішній час за допомогою такої ЕОМ пристрою як смартфон, та
інформаційної технології Інтернет можна в кілька кліків можна отримати доступ практично до всієї оцифрованої бази знань людства. Та що говорити про смарфони, якщо багато інших пристроїв, таких як годинники, пилососи, холодильники тощо, отримують можливість збору та обробки інформації і мають канали для взаємодії з глобальною мережею.
Ці електронні пристрої можуть взаємодіяти між собою, створюючи канали зв'язку через мережу і обмінюючись інформацією, якою вони оперують. Відбувається збільшення рівня автоматизації середовища.
Одним з різновидів автоматизації є створення роботизованих платформ дистанційного управління. В основному, мета таких платформ є автоматизація діяльності людини, пов'язаної з ризиком для здоров'я, або навіть життя. Така система дозволить виконати важку або незручну роботу без затрат людських ресурсів.
Керування відбувається за допомогою завантаженої завчасно програми, яку виконує робот, або ж за допомогою пристроїв дистанційного керування, що дозволить людині

10 керувати процесом виконання роботи, приймаючі задовільні рішення на кожному кроці.
Об'єктом дослідження є програмно-апаратний засіб керування моделлю автомобіля.
Предмет дослідження – технології створення та управління роботизованими платформами.
Метою даної роботи є створення програмно-апаратного засобу керування моделлю автомобіля.
Для досягнення поставленої мети потрібно:
− ознайомитись з принципами роботи дистанційного управління;
− дослідити мікроконтролер, як основний засіб реалізації моделі автомобіля;
− дослідити засоби програмування мікроконтролера;
− дослідити компоненти програмно-апаратної моделі автомобіля на дистанційному управлінні;
− реалізувати прототип платформи на дистанційному управлінні;
− побудувати графічний інтерфейс для управління моделлю автомобіля.
Практичне значення дипломного проекту полягає у наданні користувачу можливості дистанційного управління моделі автомобіля. За допомогою такої платформи також можна буде здійснювати доставку невеликих вантажів. А також це дуже непоганий варіант для дитячих розваг.

Виконав
Аркуш
Аркушів
Літера
Керівник
Консульт.
Н-котрол.
Зав. каф.
П'ятківський В.Ю.
Климова А.С.
Шевченко О.П.
Савченко А.С.
Кафедра КІТ (47)
НАУ 21 38 75 000 ПЗ
412 122
Аналіз методів та технологій реалізації
програмно-апаратних засобів керування
моделлю автомобіля
11
12
РОЗДІЛ 1
АНАЛІЗ МЕТОДІВ ТА ТЕХНОЛОГІЙ РЕАЛІЗАЦІЇ ПРОГРАМНО-
АПАРАТНИХ ЗАСОБІВ КЕРУВАННЯ МОДЕЛЛЮ АВТОМОБІЛЯ.
1.1. Що таке мікроконтролер?
Мікроконтролер - це спеціальна мікросхема, призначена для управління різноманітними електричними пристроями.
Розробники мікроконтролерів придумали розумну ідею - поєднати процесор, пам’ять, ПЗП та периферію всередині одного корпусу, який виглядає як звичайна мікросхема. Відтоді виробництво мікроконтролерів у рази перевищує виробництво процесорів щороку, і попит на них не зменшується.
Мікроконтролери випускаються десятками компаній, причому випускаються не тільки сучасні 32-розрядні мікроконтролери, але і 16, і навіть 8-розрядні. У кожній родині часто можна знайти майже однакові моделі, що відрізняються швидкістю процесора та обсягом пам'яті.
Справа в тому, що мікроконтролери використовуються переважно у вбудованих системах, у іграшках, у верстатах, транспортних засобах, роботах, офісних машинах, медичних пристроях, мобільних радіоприймачах, торгових автоматах та у домашній автоматизації - там, де не потрібна потужність процесора, а баланс між ціною та достатнім функціоналом. Вони є по суті простими мініатюрними персональними комп’ютерами, призначеними для управління малими функціями більшого компонента, без складної операційної системи.

12
Ось чому найстаріші типи мікроконтролерів все ще використовуються - вони можуть зробити багато: від автоматичного відкривання дверей і включення поливу газону до інтеграції в систему розумного будинку. У той же час існують більш потужні мікроконтролери, здатні виконувати сотні мільйонів операцій в секунду і можуть бути пов’язані з безліччю периферійних пристроїв. Вони мають відповідні завдання. Таким чином, розробник спочатку оцінює завдання, а вже потім підбирає для нього відповідне обладнання.
На сьогоднішній день існує понад 200 модифікацій мікроконтролерів, сумісних з i8051, що випускаються двома десятками компаній, і велика кількість інших типів мікроконтролерів. Популярними серед розробників є 8-розрядні мікроконтролери PIC від Microchip Technology та AVR від Atmel (рис. 1.1), 16-розрядні MSP430 від TI, а також 32-розрядні мікроконтролери, архітектура ARM, яка розробляється ARM
Limited та продає ліцензії іншим компаніям на їх виробництво .
Мікроконтролер характеризуються великим числом параметрів, так як він є складним пристроєм з програмним управлінням і електронним пристроєм
(мікросхемою). Префікс "мікро" у назві мікроконтролера означає, що він виконується з використанням мікроелектронної технології.
Рис.1.1. Мікроконтролер Atmel AVR ATmega8.
Під час роботи мікроконтролер зчитує команди з пам'яті або вхідного порту і виконує їх. Що означає кожна команда, визначається набором команд

13 мікроконтролера. Система інструкцій вбудована в архітектуру мікроконтролера, а виконання командного коду виражається у здійсненні певних мікрооперацій внутрішніми елементами мікросхеми.
Мікроконтролери дозволяють гнучко керувати різними електронними та електричними пристроями. Деякі моделі мікроконтролерів настільки потужні, що можуть безпосередньо перемикати реле (наприклад, на гірляндах ялинки).
Зазвичай пам’ять у мікроконтролерах коливається від 2 до 128 КБ. Перш ніж нарешті програмувати мікроконтролер, він тестується в емуляторах - програмному чи апаратному.
1.2. Різниця між мікроконтролером і мікропроцесором.
Тут може виникнути запитання: чи є мікропроцесор та мікроконтролер просто різними назвами одного і того ж пристрою, чи це все одно різні речі?
Мікропроцесор - це центральний пристрій будь-якого комп’ютера, виготовлений за інтегральною технологією. Сама назва говорить про те, що саме в ній відбуваються обчислювальні процеси. Щоб зробити з нього комп’ютер, навіть не дуже сучасний і потужний, його потрібно доповнити зовнішніми пристроями. Перш за все, це оперативна пам’ять та порти для введення / виведення інформації.
Мікроконтролер має в собі процесор, оперативну пам’ять, програмну пам’ять і, крім того, цілий набір периферійних пристроїв, які перетворюють процесор на повністю функціональний комп’ютер. За старою термінологією радянських часів такі пристрої називали одночиповими мікро ЕОМ. Але, як відомо, радянські комп’ютерні технології зайшли в глухий кут, а разом з ним і ОМЕОМ.
Іноземні комп’ютерні технології не стояли на місці, тому ОМЕОМ стали називати контролерами (від англійського Control - керувати, контролювати). Дійсно, контролери виявилися цілком придатними для управління різним обладнанням, навіть не дуже складним.

14
Центральний процесор у кожному комп’ютері - це головний комп’ютер. Хоча комп’ютер не призначений виключно для обчислювальної роботи, в основі його лежить процесор. Але це не просто комп’ютер, який має процесор.
Якщо задуматися і придивитися, то можна виявити, що процесори використовуються в більшості побутових приладів. Тільки там використовуються не такі процесори, як у комп'ютері, а мікропроцесори і навіть мікроконтролери.
Отже, що таке мікроконтролер і чим він відрізняється від самого мікропроцесора, чи це абсолютно різні електронні компоненти?
Великі інтегральні схеми або високоінтегровані мікросхеми є процесорами.
Мікропроцесори - це, по суті, ті самі процесори, але через префікс "мікро" визначається їх суть, що вони менші за своїх "великих" аналогів. За свого історичного часу процесор із своїми розмірами міг займати більше однієї кімнати.
Зменшений розмір і зібраний процесор займає менше місця, і його можна помістити в більш компактний виріб, це мікропроцесор. Але сам процесор не здатний робити багато іншого, крім передачі даних між регістрами та виконання деяких арифметичних та логічних операцій над ними.
Для того, щоб мікропроцесор передавав дані в пам'ять, саме ця пам'ять повинна бути присутнім або на самому кристалі, на якому розташований сам процесорний елемент, або бути підключеною до зовнішньої оперативної пам'яті, виконаної у вигляді окремого кристала або модуля.
Крім пам'яті, процесор повинен взаємодіяти із зовнішніми пристроями - периферійними пристроями. В іншому випадку, чого хорошого можна очікувати від процесора, перемішування та переміщення даних вперед-назад. Сенс виникає, коли процесор взаємодіє з пристроями вводу-виводу. У комп’ютері це клавіатура, маніпулятор миші та пристрої відображення як дисплей, за бажанням принтер і, наприклад, сканер, знову для введення інформації.
Для управління пристроями вводу-виводу необхідні відповідні буферні схеми та елементи. На їх основі реалізовано так зване апаратне забезпечення інтерфейсу.
Методи взаємодії з елементами інтерфейсу передбачають наявність схем портів

15 вводу-виводу, декодерів адрес та драйверів шини з буферними схемами для збільшення навантажувальної здатності мікропроцесора.
Інтеграція процесора з усіма необхідними додатковими елементами для того, щоб цей продукт був залитий в якусь цілісну конструкцію і призводить до утворення мікроконтролера. Мікросхема або мікроконтролерний чіп реалізує процесор та
інтерфейсні схеми на одній матриці.
Самодостатній чіп, який містить майже все, що достатньо для побудови готового виробу, і є прикладом типового мікроконтролера. Наприклад, електронні наручні годинники або будильник мають всередині мікроконтролер, який реалізує всі функції такого пристрою. Окремі периферійні пристрої підключені безпосередньо до ніжок мікросхеми мікроконтролера, або разом використовуються додаткові елементи або мікросхеми малого або середнього ступеня інтеграції.
Мікроконтролери широко використовуються у виробах, що містять цілу систему виключно в одній мініатюрній мікросхемі, яку часто називають мікрозбіркою. Наприклад, кредитна картка "чіп" містить мікроконтролер всередині пластикової основи. Планшет домофона також містить мікроконтролер всередині. А приклади використання та застосування мікроконтролерів настільки великі в сучасному світі, що легко виявити наявність контролера в будь-якому більш-менш
інтелектуальному пристрої - від дитячої іграшки до бездротової гарнітури для стільникового телефону.