Bài tập lớn môn thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối (2)

Thiết kế ngoại vi và kỹ thuật
ghép nối

Hệ Thống
Vườn Thông Minh

Sinh viên:

Vũ Đình Long – B18DCDT138
Nguyễn Đắc Hưng - B18DCDT102
Hầu Nhật Hoa - B18DCDT082
Đào Công Minh – B18DCDT149


1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2

THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3

ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Hệ Thống

Vườn Thông
Minh


1
CƠ SỞ LÝ
THUYẾT


1.1 Tổng quan về đề tài
Nền nông nghiệp của nước ta là nền nơng nghiệp vẫn cịn lạc hậu
cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng
vào thực tế. Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được
tiến hành một cách chủ quan và khơng đảm bảo được đúng u cầu.
Có thể nói trong nơng học ngồi những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc
thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt,
để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và
tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh sâu
bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất,
hiệu quả cao. Hơn thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự
động sẽ giúp cho con người không phải tưới cây, không phải tốn chi
phí th nhân cơng tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây.
Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ thời
tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp…Tất cả các điều kiện đó sẽ
được đưa vào hệ thống tính tốn và đưa ra thời gian chính xác để
bơm nước. Người lao động sẽ không cần phải quan tâm đến việc tưới


1.2 Mục tiêu

• Làm rõ được các chuẩn kết nối và cách truyền dữ liệu giữa các
thiết bị.
• Hệ thống cảm biến sẽ thu thập mọi thông tin về môi trường như
nhiệt độ, độ ẩm; độ ẩm đất từ đó có những điều chỉnh phù hợp với
điều kiện phát triển của cây.
• Nâng cao khả năng nghiên cứu và tự nghiên cứu của sinh viên.

1.3 Các công việc cần thực hiện

• Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu, giáo trình, nghiên cứu
• Tìm hiểu các linh kiện được sử dụng trong hệ thống: STM32F103C8T6;
các cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất; LCD; keypad…
• Tìm hiểu các giao thức kết nối: GPIO, I2C, chuẩn 1 wire…
• Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý hệ thống
• Thiết kế phần cứng.
• Viết chương trình đọc dữ liệu từ các cảm biến hiển thị lên LCD và điều
khiển các thiết bị.
• Chạy thử nghiệm và cân chỉnh hệ thống


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
a) Kit STM32F103C8T6 bluepill

KIT STM32F103C8T6 Mini
thuộc loại kit phát triển là
Kit phát triển được thiết kế
với đơn giản, kít ra đầy đủ
chân của vi điều khiển, có
cổng giao tiếp USB và cổng

nạp SWD, sử dụng dòng vi
điều khiển 32 Bit của dòng
ST. Thích hợp với những
người tiếp cận dịng STM 32
Bit.


• Vi điều khiển: STM32F103C8T6.
• Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB
sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC
nguồn và cấp cho Vi điều khiển chính.
• Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz.
• Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho các
ứng dụng RTC.
• Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao
tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,…
• Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led
PC13, Nút Reset.
• Kích thước: 53.34 x 15.24mm
• Sử dụng với các mạch nạp:
o
ST-Link Mini
o
J-link
o
USB TO COM
• Kết nối chân khi nạp bằng ST-Link Mini
• Nạp theo chuẩn SWD
o
TCK — SWCLK

o
TMS — SWDIO
o
GND — GND
o
3.3V — 3.3V


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
b) Cảm biến DHT11

Cảm
biến3 độ
và nhiệt
•Nguồn:
-> 5ẩm
VDC.
độ
DHT11
Temperature
•Dịng
sử dụng:
2.5mA max (khi
Humidity
Sensor là cảm
truyền dữ liệu).
biến
rấtở thơng
hiện

•Đo tốt
độ ẩm dụng
20 to 70%RH
nay
vì chi
phí rẻ và rất dễ
với sai
số 5%.
lấy
thơng
•Đodữ
tốtliệu
ở nhiệt
độ qua
0 to giao
50°C sai
tiếp
One wire (giao tiếp
số ±2°C.
digital
1 lấy
dâymẫu
truyền
dữ 1Hz
liệu (1
•Tần số
tối đa
duy
giâynhất).
1 lần) Bộ tiền xử lý tín

hiệu
trong
cảm x
•Kích tích
thướchợp
15mm
x 12mm
biến
giúp bạn có được dữ
5.5mm.


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
c) Cảm biến độ ẩm đất
• Cảm biến độ ẩm đất được hoạt động với 2
chế độ ngõ ra (Analog & Digital), trạng thái
đầu ra mức thấp (0V), khi đất nhiều nước sẽ ở
mức cao (5V).
• Cảm biến đất: Hai đầu của cảm biến được
cắm vào đất để phát hiện độ ẩm. Dùng dây
nối giữa cảm biến và module chuyển đổi.
Thông tin về độ ẩm đất sẽ được đọc và gửi về
module chuyển đổi.
• Module chuyển đổi: Module chuyển đổi có
cấu tạo chính gồm một IC so sánh LM393, một
biến trở, 4 điện trở dán 100 Ohm và 2 tụ dán.
Biến trở có chức năng định ngưỡng so sánh
với độ ẩm đất đọc về từ cảm biến. Ngưỡng so
sánh và tín hiệu cảm biến sẽ là hai đầu vào

• Đặc điểm:
- Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
- Kích thước PCB: 3cm x 1.6cm
- Led báo hiệu:
+ Led đỏ báo nguồn
+ Led xanh báo mức độ ẩm ở Do


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
d) LCD 16x2
LCD (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng
dụng của Vi Điều Khiển. LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng
hiển thị khác. Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan
(chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo
nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ
thống và giá thành rẻ…
- Điện áp hoạt động: 5V
- Hiển thị tối đa 20 tự trên 4
dòng
- Chữ đen nền xanh lá


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
e) Module I2C
Thay vì sử dụng tối thiểu 6 chân của vi điều khiển để kết nối với LCD
(RS, EN, D7, D6, D5 và D4) thì với module chuyển đổi bạn chỉ cần sử
dụng 2 chân (SCL, SDA) để kết nối. Module chuyển đổi I2C hỗ trợ các

loại LCD sử dụng driver HD44780(LCD 1602, LCD 2004,.. ), kết nối
với vi điều khiển thơng
giao động:
tiếp I2C,
tương
-Điệnqua
áp hoạt
2.5-6V
DCthích với hầu hết các
vi điều khiển hiện -Hỗ
nay.trợ màn hình: LCD1602,1604,2004 (driver
HD44780)
-Giao tiếp: I2C
-Địa chỉ mặc định: 0X27 (có thể điều chỉnh bằng ngắn
mạch chân A0/A1/A2)
-Kích thước: 41.5mm(L)x19mm(W)x15.3mm(H)
-Trọng lượng: 5g
-Tích hợp Jump chốt để cung cấp đèn cho LCD hoặc


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
f) Keypad 4x4
Bàn phím ma
trận Mềm 4x4
Keypad được
thiết kế với
giao diện đơn
giản giúp dễ
dàng giao tiếp

với bất kì vi
điều
khiển
nào. Mặt sau
dính
thuận
tiên để gắn
bàn
phím
trong nhiều dự

•16 phím
•Độ dài cáp: 88mm
•Nhiệt độ hoạt động: -40°C
~ +70°C
•Đầu nối ra 8 chân
•Kích thước bàn phím:
77*69mm


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
g) ESP8266
ESP8266 là một mạch vi
điều khiển có thể giúp
chúng ta điều khiển các
thiết bị điện tử. Thêm vào
đó nó được tích hợp wi-fi
2.4GHz có thể dùng cho lập
trình.

WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11
b/g/n
-Điện áp hoạt động: 3.3V
-Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB
-Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O
đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire,
trừ chân D0)
-Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào
tối đa 3.3V)
-Bộ nhớ Flash: 4MB
-Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương
đương cáp sạc điện thoại )
-Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
-Tích hợp giao thức TCP/IP


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Linh kiện sử dụng
h) blynk
-Hỗ trợ kết nối các thiết bị thông qua
dây Mạng, Wifi, GSM, 2G, 3G, LTE,...
-Hỗ trợ chạy trên nhiều nên tảng:
C++, JS, Python, HTTP...
-Blynk Cloud là mã nguồn mở, cho
phép tự do phát triển. Có thể chạy
trên nền máy chủ, máy chủ cục bộ,
máy chủ doanh nghiệp, hoặc ngay
trên máy tính cá nhân.
-Blynk Server có thể cài đặt và sử

dụng ngay trong vòng vài phút.
-Blynk Library sẽ được upload vào
các mạch điều khiển Esp8266 trên
mạch kết nối với nhiều cảm biến,
thiết bị... Và được kết nối với Blynk
Server thông qua Wifi


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
a) GPIO

-GPIO là viết tắt của General Purpose Input Output. GPIO chính là “cổng” để vi
điều khiển có thể kết nối được với những ngoại vi bên ngoài.
-Chức năng cơ bản của GPIO là xuất tín hiệu ra (output) và nhận tín hiệu vào
(input), VD: output có làm sáng tắt bóng LED, input có thể nối với nút nhấn.

b) I2C

I2C là chuẩn truyền thông nối tiếp 2 dây gồm 1 dây xung clock (SCL) và 1 dây dữ liệu
(SDA). Các chip chủ-tớ được nối chung với nhau trên hai đường dây này và được nối
với điện trở treo


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
b) I2C
Phần cứng
Bus vật lý I2C

2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
b) I2C
Phần cứng
Thiết bị chủ (Master) và tớ (Slave)


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire

• 1-Wrire dùng một dây để truyền nhận nên có tốc độ thấp . Chủ yếu sử dụng
cho việc thu thập dữ liệu, truyền nhận dữ liệu thời tiết, nhiệt độ, công việc
không yêu cầu tốc độ cao.


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire

• Cơ sở truyền nhận : Các tín hiệu sử dụng Restart , 0 write , 1 write , Read .
Write 1 : truyền đi bit 1 : Master kéo xuống 0 một khoảng A(us) rồi về mức 1 khoảng B
Write 0 : truyền đi bit 0 : Master kéo xuống 0 khoảng C rồi trả về 1 khoảng D
Read : Đọc một Bit : Master kéo xuống 0 khoảng A rồi trả về 1 . delay khoảng E rồi đọc
giá trị slave gửi về . delay F
Restart : Chuẩn bị giao tiếp . Master ké0 xuống 0 một khoảng H rồi nhả lên mức 1 sau
đó cấu hình Master là chân In delay I (us) rồi đọc giá trị slave trả về .
Nếu =0 thì cho phép giao tiếp . =1 đường truyền lỗi hoặc slave đang bận.
Chuẩn 1-Wire điều cần chính xác nhất là thời gian .

• Khung truyền – gói tin
Một gói tin (packet) của DHT 11 bao gồm 40bit, tương ứng với 5byte. Trong đó:
- Byte 1: giá trị phần nguyên của độ ẩm (RH%)
- Byte 2: giá trị phần thập phân của độ ẩm (RH%)
- Byte 3: giá trị phần nguyên của nhiệt độ (TC)
- Byte 4 : giá trị phần thập phân của nhiệt độ (TC)
- Byte 5 : kiểm tra tổng ( Check Sum) là tổng của 4 byte phía trước cộng lại


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire

• Chu trình nhận dữ liệu
Trạng thái bình thường DHT11 sẽ ở trạng thái tiêu thụ năng lượng thấp. Khi có tín hiệu
Reset, chúng sẽ được wakeup sau đó DHT11 phản hổi bằng cách kéo chân Data xuống
1 khoảng thời gian, rồi nhả ra.
Sau đó 5byte dữ liệu sẽ được gửi đi, MCU sẽ đọc 5 byte đó. Kết thúc DHT11 nhả chân
Data về lại mức 1 và trở về trạng thái tiết kiệm năng lượng. Nó sẽ được đánh thức nếu
có 1 tín hiệu reset.


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire

• Cách reset hay start
Để xuất tín hiệu reset hay start cho DHT11, chúng ta sẽ kéo chân Data xuống 0 ít nhất
là 18ms, sau đó nhả ra 20-40us để chờ DHT11 phản hồi. Nếu DHT11 phản hồi, nó sẽ
kéo chân Data xuống 0 khoảng 80us, sau đó nhả về 1 80us.

Tiếp theo sẽ là 80bit (5byte) dữ liệu ngay sau đó


2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.2 Lý thuyết liên quan
c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire

• Cách nhận biết bit 0 và 1 trong giá trị trả về của DHT11
Với bit 0 DHT11 sẽ kéo chân Data xuống 0 50us và trả về 1 26-28us
Với bit 1 DHT11 sẽ kéo chân Data xuống 0 50us và trả về 1 70us
Thực tế, chúng ta chỉ cần đo thời gian Data ở mức 1 là 28us hay 70us là đã có thể
phân biệt được rồi.
DHT11 bit 0

DHT11 bit 1


2
THIẾT KẾ HỆ
THỐNG


2.1 Sơ đồ khối hệ
Sử
phím
4x4
Dựadụng
vào ma
cáctrận
dữ liệu

nhiệt
để nhập pass mở cửa hệ thống
độ, độ ẩm đất đã thu thập
thống
trựcsotiếp
tắt
được,và
đem
sánhbật
với
thiếtsốbị(quạt,
bơm
cáccác
thông
đã được
thiết
ý muốn.
lậpnước)
trướctheo
đó =>
tự động
bật tắt các thiết bị quạt,
bơm nước.

Sử dụng các giao thức I/O,
Sử ADC
dụng kit
STM32F103C8T6
để dữ
đọc

dữ từ
liệu
từcảm
các
Thu thập
liệu
các
làm
điềunhiệt
khiển trung
tâm.độ
cảmvivà
biến
ẩm;
biến
hiển thị độ,
lên độ
LCD
qua
ẩm đấtgao
về thức
khối i2c.
điều khiển
trung tâm để xử lý.


2.2 Lưu đồ thuật toán điều
khiển

10

45
%

K