Đồ án môn học vi xử lý trong đo lường và điều khiển đề tài điều khiển cửa, đèn và quạt sử dụng vi điều khiển

 

 
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA

ĐỒ ÁN MƠN HỌC
VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN
 Đề tài : ĐIỀU KHIỂN CỬA, ĐÈN VÀ QUẠT SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
Giảng viên hướng dẫn : TS. Đoàn Thị Hương Giang
Sinh viên thực hiện: Tạ Tiến Đạt – MSV: 19810000125
Đỗ Như Công – MSV: 19810000304
Trịnh Mai Doanh – MSV: 19810000006
Quách Đăng Lộc – MSV: 19810000229
Lớp : D14THDK&TDH
 
 Hà Nội, tháng 12 năm 2022


 

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU...........................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................4
Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn..................................................................5
CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN...........................................6
1.1. Giới thiệu đề tài..............................................................................................6
1.2. Mục đích thiết kế............................................................................................6
1.3. Phạm vi thiết kế..............................................................................................6

1.4. Nhiệm vụ........................................................................................................6
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN SỬ DỤNG......................................7
2.1 Board Arduino Uno R3...................................................................................7
2.2 Keypad 4*4......................................................................................................9
2.3 Màn hình LCD 16*2........................................................................................9
2.4 Một số linh kiện khác dùng trong đề tài........................................................11
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG.................................................................12
3.1. Sơ đồ khối.....................................................................................................12
3.2. Khối nguồn nuôi...........................................................................................12
3.2.1 Nguồn cấp cho mạch điều khiển:...........................................................12
3.2.2 Nguồn nuôi động cơ DC.........................................................................13
3.3 Khối nút điều khiển.......................................................................................13
3.4 Khối hiển thị thông báo trạng thái.................................................................13
3.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.....................................................................14
3.6 Nguyên lý hoạt động.....................................................................................14
3.7 Mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống............................................................14
3.8 Hình ảnh thực tế hệ thống.............................................................................15
CHƯƠNG IV: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH..................................16
4.1. Lưu đồ thuật tốn của hệ thống..................................................................16
4.2 Chương trình điều khiển................................................................................17
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................27



 

LỜI MỞ ĐẦU
 Như chúng ta đã biết kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành
kỹ thuật và trong dân dụng. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phức
tạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp

 bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng. Vi điều khiển khơng những
góp phần vào sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa. Để tìm hiểu chi tiết
hơn về vi điều khiển và ứng dụng trong thực tế, nhóm chúng em chọn đề tài điều khiển
cửa, đèn và quạt sử dụng vi điều khiển.
Tuy nhiên, vì thời gian có hạn và kiến thức chun mơn cịn hạn chế nên trong q
trình thực hiện đồ án khơng thể tránh những thiếu sót nhất định. Vì vậy, chúng em rất
mong sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của thầy cơ cùng tất cả các bạn để đồ án này được
hoàn thiện hơn.
Chúng em chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2022
 

Nhóm Sinh Viên


 

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến cơ TS.Đồn Thị Hương
Giang. Cơ đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu và hoàn thành tốt đồ
án này. Những lời nhận xét góp ý và hướng dẫn của thầy đã giúp chúng em có định
hướng đúng đắn trong q trình thực hiện đồ án, giúp chúng em nhìn ra được ưu khuyết
điểm của đồ án và từng bước khắc phục để có được kết quả tốt nhất. Chúng em cũng xin
cảm ơn thầy cô trong khoa Điều Khiển và Tự Động Hóa, bộ mơn Vi Xử Lý trong Đo
Lường Điều Khiển tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng em các kiến thức chuyên
ngành, những công nghệ mới cũng như cách làm việc nhóm đề hồn thành tốt đồ án mơn
học này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2022

 

Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
Giảng viên hướng dẫn


 

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN.

1.1. Giới thiệu đề tài.
- Ngày nay, với sự bùng nổ của các nghành kĩ thuật đã làm cho đời sống con người ngày
càng hoàn thiện. Các thiết bị tự động hóa đi vào sản xuất hàng hóa và sinh hoạt hằng
ngày của mỗi người. Việc thiết kế mơ hình hệ thống nhà thông minh phục vụ đời sống là
rất cần thiết
- Giờ đây thay vì việc đến từng cơng tắc đèn,… để bật tắt như trước đây, thì với giải pháp
nhà thơng minh chúng ta hồn tồn có thể điều khiển một hoặc tất cả bóng đèn trong nhà
chỉ với một cú chạm nhẹ vào màn hình

1.2. Mục đích thiết kế.
- Từ những kiến thức ta đã học lý thuyết, từ đó nâng cao tính vận dụng vào các
khâu thiết kế để có sản phẩm tốt và chất lượng.
- Cải tiến công nghệ, tiết kiệm năng lượng và không mất thời gian đóng ngắt.
- Thiết kế bộ điều khiển phù hợp với cơng suất với thiết bị trong phịng.
- Tạo được một mơ hình cửa tự động, sử dụng một hệ thống nhúng dùng vi điều
khiển.
- Có khả năng hoạt động tự động, mở cửa khi nhập đúng mật khẩu (Password).
1.3. Phạm vi thiết kế.
- Mô phỏng hệ thống nhà thông minh trên nền tảng Arduino.
- Kết hợp với IOT để điều khiển hệ thống
1.4. Nhiệm vụ.
- Tìm hiểu về vi điều khiển Arduino, các thiết cần thiết kết nối với Arduino.
- Tìm hiểu động cơ điều khiển và led chiếu sáng.
- Mô phỏng phần mềm trên ứng dụng Proteus.
- Thiết kế trên Board Mạch Arduino Uno R3 SMD


 

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN SỬ DỤNG

2.1 Board Arduino Uno R3.

Hình 1: Cấu tạo của board Arduino Uno R3
Thông số kỹ thuật:
● Vi điều khiển

ATmega 328 8 bit

● Điện áp hoạt động

5V DC (chỉ cấp qua cổng USB)

● Tần số hoạt động

16 MHz

● Dòng tiêu thụ

~30mA

● Điện áp vào khuyên dùng

7 - 12 VDC

● Điện áp vào giới hạn

6 - 20 VDC

● Số chân Digital I/O

14 (6 chân Hardware PWM)

● Số chân Analog

6 (10 bit)

● Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

30 mA

● Dòng tối đa (5V)

500 mA

● Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA

● Bộ nhớ flash

32 KB (ATmega 328) với 0.5


 

KB dùng bởi Bootloader 
● SRAM

2 KB (ATmega 328)

● EEPROM

1 KB (ATmega 328)

-

-

Sử dụng Arduino Uno R3:
Chân 0 và chân 1: là 2 chân TX, RX. 2 chân này có thể dùng như 1 chân
I/O bình thường nhưng thực tế rất ít ai dùng vì để trống cho chức năng
uart.
Chân PWM: 3, 5, 9, 10, 11: Cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8
 bit.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): dùng
trong giao tiếp SPI.
Chân 13: kết nối với Led (ký hiệu chữ L trên Board), người dùng có thể
dùng chân này để điều khiển Led. Không nên dùng chân này để điều
khiển thiết bị ngoại vi. Vì khi mở nguồn ootloader làm cho chân 13 này
chớp chớp nên ảnh hưởng đến thiết bị điều khiển.
Chân A0-> A5: là các chân đọc ADC (độ phân giải 10 bit).
Chân A4 (SDA), A5(SCL): dùng trong giao tiếp I2C.
Tất cả các chân kể trên đều có thể sử dụng chức năng I/O (ngõ vào/ra)
 bình thường.

 2.2 Keypad 4*4

Hình 2: Cấu tạo của Keypad 4*4

 

Thơng số kỹ thuật:
Module bàn phím ma trận 4x4 loại phím mềm.
Độ dài cáp: 88mm.
 Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 70oC.
Đầu nối ra 8 chân.
Kích thước bàn phím 77 x 69 mm
2.3 Màn hình LCD 16*2.






Hình3:Cấu tạo của màn hình LCD 16*2
- Thơng số kỹ thuật:
● LCD 16×2 có 16 chân trong đó 8 chân dữ liệu (D0 – D7) và 3 chân điều
khiển (RS, RW, EN).
● 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.
● Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc
chế độ dữ liệu.
● Chúng cịn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.
● LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng ta
đang làm.
- Chức năng của các chân
Mơ ti

Chân
1

Kí hină
VSS

Chân năng của các châng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo
ứng dụng ta đang làm.ệu.

2

VDD

Chân căng cuồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này
với VCC=5V ccăng cu
điV ccăng

3

Vee

Chân này dùng đcho LCD, khi thiết kế mạch ta nối c


 

4

5

6

7-14

RS

R/W

E

DB0
DB
7

Chân chy dùng đcho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này
với Vdụng ta đang làm.ệu. EN). CC) đn chy dùng đ ghi.
+ Logic “0”: Bus DB0-DB7 si thiết kế mạch ta nối chân này
với Vdụng ta đang làm.ệu. EN).điều khiển Led. Không nên
dùng chân này để điều khiển thiế
+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 si thiết kế mạch ta nối chân này
với Vdụng ta

Chân ch “1”: Bus DB0-DB7 (Read/Write). Nối chân R/W
với logic “0” để LCD hoạt
đhân ch “1”: Bus DB0-DB7 (Read/Write). Nối chân R/W
với logic
Chân cho phép (Enable). Sau khi các tín hi chân R/W với
logic “0” để LCD hoạtàm.ệu. EN).điều khiển Led. Không
nên dùng chân nàyhân E.
+ ân cho phép (Enable). Sau khi các tín hi chân R/W với
logic “0” để LCD hoạtàm.ệu. EN).điều khiển Led. Không
nên dùng chân nàyhân E.ều khiển thiết bị ngoạ

+ Ở châ đh đhân Dh liân si đưân LCD xuDn ra DB0-DB7 khi
 phát hiát ciát lên (low- to-high transition) ở chân E và được
LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mlow- toTám đưto-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus
đến khi nào chân E xuốngu. EN).điều khiển
+ Chđưto-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus
đến kMSB là bit DB7.
+ ChC đh 4 bit : Di lith đưth truyđư trên 4 đưênđ tư DB4
tB4 DB7, bit MSB là DB7 Chi ti7 si di7 2 giao thao này
đưyo đư cưy ở phyo sau.

15

 Ngu.Chio-high transitio

16

GND cho đèn nND

Bảng 1: Bảng chức năng các chân của LCD


 

2.4 Một số linh kiện khác dùng trong đề tài.
2.4.1.Module I2C cho màn hình LCD 16*2.

Hình 4: Module I2C
Thơng Số Kỹ Thuật:
















Kích thước: 41,5 mm ×19 mm ×15,3 mm
Trọng lượng: 5g
Điện áp hoạt động: 2,5 – 6V
Giao tiếp: I2C
Jump chốt: Cung cấp đền cho LCD hoặc ngắt
Biến trở xoay độ tương phản cho LCD.
Tính Năng:
Tiết kiệm chân Input/ Output cho Vi điều khiển.
Đơn giản hóa việc điều khiển màn hình LCD

2.4.2.Động cơ Servo SG90.

Hình 5: Động cơ Servo SG90


 

Động Cơ Servo SG90 là loại động cơ được dùng phổ biến trong các mơ hình
điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot. Động cơ có tốc độ phản ứng
nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay
 bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.
Thông Số Kỹ Thuật Động Cơ Servo SG90







Khối lượng : 9g
Kích thước: 23mmX12.2mmX29mm
Momen xoắn: 1.8kg/cm
Tốc độ hoạt động: 60 độ trong 0.1 giây
Điện áp hoạt động: 4.8V(~5V)
 Nhiệt độ hoạt động: 0 ºC – 55 ºC

2.4.3.Module BUCK LM2596S 3A

Hình 6: Module BUCK LM2596S 3A
Module buck DC-DC LM2596 là Module dùng để hạ điện áp đầu vào , dải điện áp
đầu ra lớn ( từ 1.23V đến 30V) , nhỏ gọn , dễ dàng sử dụng, sử dụng để biến đổi
nguồn DC - DC và mạch cần giảm điện áp.
Thông Số Kỹ Thuật Của Module Hạ Áp Buck DC-DC LM2596 3A:










Điện áp đầu vào: 4V-35V
Điện áp đầu ra: 1.23V-30V
Dòng đầu ra: 3A (max)
Hiệu suất chuyển đổi: 92% (tối đa)
Tần số hoạt động module hạ áp: 150kHz


 





 Nhiệt độ hoạt động: -40 ℃ đến + 85 ℃
Kích thước: 4.3x2.1x1.7 cm

2.4.4.Module Wifi ESP8266

Hình 7: Module Wifi ESP8266
Đặc tính nổi bật Module thu phát Wifi ESP8266
Tích hợp 2 nút nhấn
Tích hợp chip chuyển usb – uart CH340
Full IO : 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI , 2 UART, 1 I2C/I2S, PWM,v.v….

Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nodemcu
THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Tương thích các chuẩn wifi : 802.11 b/g/n
Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP
Tích hợp TCP/IP protocol stack 
Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching
network 
Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power management units
+25.dBm output power in 802.11b mode
Power down leakage current of <10uA
Integrated low power 32-bit CPU could be used as application
 processor 
SDIO 1.1/2.0, SPI, UART
STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO
A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval




















 

Wake up and transmit packets in < 2ms
Dòng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3)
Các chẩn giao tiếp và các thông tin khác :
SDIO 2.0, SPI, UART
Integrated RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU
Integrated RISC processor, on-chip memory and external memory
interfaces
Integrated MAC/baseband processors
Quality of Service management
I2S interface for high fidelity audio applications
On-chip low-dropout linear regulators for all internal supplies
Proprietary spurious-free clock generation architecture
Integrated WEP, TKIP, AES, and WAPI engines
















2.4.5.Relay 5v, Đèn Led, Quạt 5v

Hình 8: Relay 5v, Đèn Led, Quạt 5v
Module Relay 2 Kênh 5V-220V 10A: Sử dụng trong điều khiển thiết bị điện, với 2
kênh điều khiển 2 thiết bị khác nhau.
Thông số kỹ thuật












Số kênh relay: 2
Điện áp kích: 5VDC
Tải: 250VAC 10A, 125VAC 15A
Có cách ly quang
Có LED báo trạng thái
Jump kết nối với ngoại vi điều khiển như vi điều khiển, Arduino,...

Quạt Tản Nhiệt 5V 4x4x1CM 4010-5V:


 

Thơng số kĩ thuật
















 Điện áp
5V
Cường độ dịng 0.25A
Cơng suất 1.25W
Tốc độ
5000 vịng/phút
Kích thước (DàixRộngxCao) 4x4x1cm
Tuổi thọ

30000 giờ  
 Nhiệt độ hoạt động-10 ~ 70*C
Chất liệu Nhựa cao cấp


 

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1. Sơ đồ khối

Hình 9:Sơ đồ khối tồn bộ hệ thống
3.2. Khối nguồn ni
Khối nguồn chính có nhiệm vụ cấp nguồn hoạt động cho tồn bộ hệ thống, được
lấy từ nguồn tổ ong 12V-30A
Khối nguồn ni được chia thành 2 bộ phận chính:
3.2.1 Nguồn cấp cho mạch điều khiển:
Sử dụng IC ổn áp Module BUCK LM2596S 3A chuyển điện áp 12V thành
5V cấp cho Vi điều khiển Arduino.
Datasheet:




Hình 10:Sơ đồ mạch Module Buck LM2596S
 Ngõ ra OUT ln ổn định ở 5V dù nguồn cấp có thay đổi (max=40V). Mạch
này được dùng để bảo vệ những mạch điện có điện áp hoạt động 5V. Nếu nguồn
điện biến thiên đột ngột thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ có IC LM2596S
giữ được điện áp ngõ ra OUT 5V không đổi.
* Trên mạch nguồn cấp cho vi điều khiển, ngồi IC LM2596S thì cịn các tụ
được bố trí với chức năng lọc nguồn. Vì đây là điện áp 1 chiều nhưng chưa được

 

 phằng vẫn cịn các gợn nhấp nhơ nên các tụ này có tác dụng lọc nguồn cho thành
điện áp một chiều phẳng.
  3.2.2 Nguồn nuôi động cơ DC
 Nguồn nuôi động cơ DC được lấy từ Module BUCK LM2596S có giá trị
điện áp 5V.
3.3 Khối nút điều khiển

Hình 11: Khối nút điều khiển
Các nút bấm được nối với các điện trở có giá trị 10kΩ theo sơ đồ tích cực mức
thấp. Khi bấm một trong các nút thì dịng điện có giá trị thay đổi 0V được VĐK tiếp
nhận và xử lý theo đúng chức năng của nút bấm đó .
3.4 Khối hiển thị thơng báo trạng thái

Hình 12: Khối hiển thị thông báo trạng thái


 

Bộ phận hiển thị trong hệ thống là màn hình LCD loại LM016L cho phép hiển
thị các trạng thái mà người dùng đang sử dụng như hiển thị password thông báo
khi nhập sai mật khẩu hoặc khi người dùng thay đổi mật khẩu.
3.5Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.

3.6 Nguyên lý hoạt động.
⮚ Khối đầu vào: Khối tiếp nhận thông tin đầu vào là sự thay đổi tín hiệu của
Keypad 4*4 hoặc phím bấm.

⮚ Khối điều khiển: Sau khi có tín hiệu của khối đầu vào thì tín hiệu sẽ được
đưa vào khối điều khiển để xử lý và điều khiển các khối về sau.
⮚ Khối chấp hành: Khi khối điều khiển có tín hiệu được đưa đến thì khối chấp
hành sẽ được thực hiện, đồng thời cả khối hiển thị cũng sẽ hoạt động để hiển
thị trạng thái.
3.7 Hệ thống điều khiển qua internet


 

Giao diện web thiết kế đơn giản cho phép người dùng điều khiển các thiết bị như
quạt, đèn và mở cửa qua kết nối wifi sau đó kết nối đến websever để điều khiển
thiết bị. Ấn số 1 để bật quạt, số 2 để bật đèn và số 3 để mở cửa ngồi ra cịn có nút
chức năng mở turn on all để bật cả đèn cả quạt và turn off all để tắt quạt và đèn.
3.8 Mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống.
Cửa tự động:
- Chọn nhập mật khẩu (Password): Nhập mật khẩu đúng hệ thống sẽ tự động
mở cửa và hiển thị trạng thái lên màn hình LCD. Nếu nhập sai hệ thống cửa
sẽ khơng được mở và đồng thời có cảnh báo hiển thị trên màn hình LCD,
sau đó chờ để nhập lại.
- Khóa cửa: ấn phím # để đóng cửa.
- Để đổi mật khẩu ấn phím * và nhập mật khẩu cũ sau đó thay đổi mật khẩu
mới.
Các thiết bị trong phòng:
- Để điều khiển các thiết bị trong phịng có thể dùng phím nhấn hoặc có thể
điều khiển qua thiết bị di động/ máy tính có kết nối internet để điều khiển


 

3.9 Hình ảnh thực tế hệ thống

Hình 13: Hình ảnh tổng quan hệ thống

Hình 14: Sơ đồ mạch đấu nối hệ thống


 

CHƯƠNG IV: LƯU ĐỒ THUẬT TỐN VÀ LẬP TRÌNH
4.1. Lưu đồ thuật toán của hệ thống
- Lưu đồ thuật toán toàn bộ hệ thống :


 

- Lưu đồ thuật tốn đóng mở cửa bằng mật khẩu số:

- Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị bằng nút nhấn:


 

- Lưu đồ thuật toán thay đổi mật khẩu số:

-


 

- Lưu đồ thuật toán điều khiển qua internet: