Thiết kế, chế tạo hệ thống báo cháy sử dụng cảm biến khói

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BÁO CÁO
THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI
Đề tài: “ Thiết kế, chế tạo hệ thống báo cháy sử dụng cảm biến khói”
Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN THÚY HÀ
Sinh viên thực hiện: VÕ VĂN ĐOÀN
LÊ HOÀNG HẢI
CHU KHẮC BIÊN
NGUYỄN XUÂN HƯNG
Nhóm: 12
Lớp : D10DTMT
1
1
LỜI NÓI ĐẦU
Thiết bị điện là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại.
Nó góp phần thúc đẩy phát triển cuộc sống, kinh tế, xã hội, và văn minh loài
người. Ngày nay nhờ phát triển khoa học kỹ thuật mà các thiết bị điện được
sử dụng rất phổ biến, hầu như nơi nào cũng có sự hiện diện của thiết bị điện.
Đi cùng với sự phổ biến và sử dụng rộng rãi của các thiết bị điện đó
mà đặt ra một vấn đề đó là làm sao để có thể quản lý các thiết bị điện được
sử dụng một các thuận lợi, dễ dàng và dễ kiểm soát. Để phòng chống cháy
nổ, chập điện, hay sử dụng lãng phí nguồn điện cần có một phương tiện,
thiết bị nào đó cung cấp cho người dùng 1 dao diện để có thể có tầm nhìn
tổng quát các thiết bị điện mà mình đang sử dụng.
Với đặc tính kỹ thuật, theo phương pháp truyền thống, để điều khiển
một thiết bị điện nào đó, thông thường người ta sẽ gắn cho nó một cái công
tắc hoặc phích cắm điện để bật tắt dòng điện. Vấn đề đắt ra ở đây đó là khi ta
muốn kiểm soát tập trung và từ xa, chúng ta không thể kéo dây lại một chỗ
để quản lý được. Từ thực tiễn đó nhóm chúng em đã có ý tưởng thiết kế hệ
thống điều khiển và quản lý thiết bị điện bằng máy tính thông qua sóng RF.

Với hệ thống mà nhóm e thiết kế, việc kiểm soát thiết bị điện, nhất là
trong các cơ quan, xưởng sản xuất lớn sẽ rất có lợi. Phòng quản lý chỉ cần ở
tại trung tâm điều khiển và quan sát xem các thiết bị nào đang được bật và sẽ
2
2
điều khiển từ xa nó thông qua giao diện viết trên máy tính. Sẽ không cần
chạy tới nơi lắp thiết bị điện để bật tắt nó mà cũng không cần kéo dây từ
thiết bị đó về trung tâm điều khiển để kiểm soát chúng. Nhờ hệ thống này sẽ
tăng năng suất lao động lên rất nhiều, tiết kiệm nhân lực cần thiết để quản lý
hệ thống điện….
Nội dung báo cáo gồm 3 chương:
Chương 1: Kiến thức tổng quan
Chương 2; Thiết kế mạch.
Chương 3: Thi công mạch
Quá trinhfh nghiên cứu và thực hiện của nhóm:
1. Đã làm được:
- Mạch đã có thể chạy ổn đinh.
- Kết hợp được modul thu phát với đi điều khiển và với máy tính.
- Xây dựng được mô hình mạng hình sao để có thể quản lý các thiết
bị trong một khu vực đủ rộng.
- Điều khiển được tín hiệu On/Off bật tắt các thiết bị ở các modul.
2. Hướng phát triển của đề tài:
- Điều khiển thiết bị thông qua mạng internet, smartphone
Nhóm thực hiện
Nhóm 12
MỤC LỤC
3
3
Chương 1: kiến thức tổng quan:
1.1 GI I THI U CHUNG V ARM CORTEX M3Ớ Ệ Ề

1. Gi i thi u:ớ ệ
Gi i phápả Soc (System-on-chip) d a trên b vi x lý nhúng ARM c ự ộ ử đượ
ng d ng vào r t nhi u th tr ng khác nhau bao g m các ng d ng ứ ụ ấ ề ị ườ ồ ứ ụ
doanh nghi p, các h th ng ô tô, m ng gia ình và công ngh m ng ệ ệ ố ạ đ ệ ạ
không dây Dòng vi x lý ARM Cortex d a trên m t ki n trúc chu n ử ự ộ ế ẩ đủ
áp ng h u h t các yêu c u v hi u n ng làm vi c trong t t c cácđể đ ứ ầ ế ầ ề ệ ă ệ ấ ả
l nh v c trên. Dòng ARM Cortex bao g m ba c u hình khác nhau c a ĩ ự ồ ấ ủ
ki n trúc ARMv7: c u hình A cho các ng d ng tinh vi, yêu c u cao ế ấ ứ ụ ầ
ch y trên các h i u hành m và ph c t p nh Linux, Android…; c u ạ ệ đề ở ứ ạ ư ấ
hình R dành cho các h th ng th i gian th c và c u hình M c t i ệ ố ờ ự ấ đượ ố
u cho các ng d ng vi i u khi n, c n ti t ki m chi phí.ư ứ ụ đề ể ầ ế ệ
B vi x lý Cortex-M3 là b vi x lý ARM u tiên d a trên ki n trúc ộ ử ộ ử đầ ự ế
ARMv7-M và c thi t k c bi t t c hi u su t cao trong đượ ế ế đặ ệ đểđạ đượ ệ ấ
các ng d ng nhúng c n ti t ki m n ng l ng và chi phí, ch ng h n ứ ụ ầ ế ệ ă ượ ẳ ạ
nh các vi i u khi n, h th ng c ô tô, h th ng ki m soát công ư đề ể ệ ố ơ ệ ố ể
nghi p và h th ng m ng không dây. Thêm vào ó là vi c l p trình ệ ệ ố ạ đ ệ ậ
c n gi n hóa áng k giúp ki n trúc ARM tr thành m t l a ch nđượ đơ ả đ ể ế ở ộ ự ọ
t t cho ngay c nh ng ng d ng n gi n nh t.ố ả ữ ứ ụ đơ ả ấ
2. Ki n trúc và tính n ng x lý c a lõi Cortex M3ế ă ử ủ
B vi x lý Cortex-M3 d a trên ki n trúc ARMv7-M có c u trúc th b c.ộ ử ự ế ấ ứ ậ
Nó tích h p lõi x lý trung tâm, v i các thi t b ngo i vi h th ng tiên ợ ử ớ ế ị ạ ệ ố
ti n t o ra các kh n ng nh ki m soát ng t, b o v b nh , g l i ế để ạ ả ă ư ể ắ ả ệ ộ ớ ỡ ỗ
4
4
và theo v t h th ng.ế ệ ố
Các thi t b ngo i vi có th c c u hình m t cách thích h p, cho ế ị ạ ể đượ ấ ộ ợ
phép b vi x lý Cortex-M3 áp ng c r t nhi u ng d ng và yêu ộ ử đ ứ đượ ấ ề ứ ụ
c u kh t khe c a h th ng. Lõi c a b vi x lý Cortex-M3 và các thành ầ ắ ủ ệ ố ủ ộ ử
ph n tích h p ã c thi t k c bi t áp ng yêu c u b nh t iầ ợ đ đượ ế ế đặ ệ đểđ ứ ầ ộ ớ ố
thi u, n ng l ng tiêu th th p và thi t k nh g n.ể ă ượ ụ ấ ế ế ỏ ọ

2.1 Ki n trúc lõi Cortex M3ế
Lõi Cortex M3 d a trên c u trúc Havard, c c tr ng b ng s tách ự ấ đượ đặ ư ằ ự
bi t gi a vùng nh d li u và ch ng trình. Vì có th c cùng lúc l nhệ ữ ớ ữ ệ ươ ể đọ ệ
và d li u t b nh , b vi x lý Cortex-M3 có th th c hi n nhi u ho tữ ệ ừ ộ ớ ộ ử ể ự ệ ề ạ
ng song song, t ng t c th c thi ng d ng.độ ă ố ự ứ ụ
5
5

B vi x lý Cortex M3ộ ử
2.2 Ki n trúc t p l nh Thumb-2ế ậ ệ
T p l nh Thumb-2 là s pha tr n gi a t p l nh 16 và 32 bit, t c ậ ệ ự ộ ữ ậ ệ đạ đượ
hi u su t c a các l nh ARM 32 bit, ng th i phù h p v i m t mã ệ ấ ủ ệ đồ ờ ợ ớ ậ độ
c ng nh t ng thích ng c v i t p l nh g c Thumb 16 bit.ũ ư ươ ượ ớ ậ ệ ố
6

6
Quan h gi a t p l nh Thumb-2 và t p l nh Thumbệ ữ ậ ệ ậ ệ
Trong m t h th ng d a trên b vi x lý ARM7, vi c chuy n i nhân ộ ệ ố ự ộ ử ệ ể đổ
x lý gi a ch Thumb (có l i v m t mã) và ARM (có l i v m t ử ữ ế độ ợ ề ậ độ ợ ề ặ
hi u su t) là c n thi t cho m t s ng d ng. Còn b vi x lý Cortex-M3ệ ấ ầ ế ộ ố ứ ụ ộ ử
có các l nh 16 bit và 32 bit t n t i trong cùng m t ch , cho phép ệ ồ ạ ộ ế độ
m t mã c ng nh hi u su t u cao h n mà không c n ph i ậ độ ũ ư ệ ấ đề ơ ầ ả
chuy n i ph c t p. Vì t p l nh Thumb-2 là t p bao hàm c a t p l nh ể đổ ứ ạ ậ ệ ậ ủ ậ ệ
Thumb 16 bit nên b vi x lý Cortex-M3 có th th c thi các o n mã ộ ử ể ự đ ạ
tr c ây vi t cho Thumb 16 bit. Do c cài t t p l nh Thumb-2 ướ đ ế đượ đặ ậ ệ
nên b vi x lý Cortex-M3 có kh n ng t ng thích v i các thành viên ộ ử ả ă ươ ớ
khác c a dòng ARM Cortex.ủ
T p l nh Thumb-2 có các l nh c bi t giúp l p trình viên d dàng vi t ậ ệ ệ đặ ệ ậ ễ ế
mã cho nhi u ng d ng khác nhau. Các l nh BFI và BFC là các l nh ề ứ ụ ệ ệ
thao tác trên bit, r t có ích trong các ng d ng x lý gói tin m ng. Các ấ ứ ụ ử ạ

l nh SBFX và UBFX giúp vi c chèn vào ho c trích xu t m t s bit trongệ ệ ặ ấ ộ ố
thanh ghi c nhanh chóng. L nh RBIT o bit trong m t WORD, có đượ ệ đả ộ
ích trong các thu t toán DSP nh DFT. Các l nh b ng r nhánh TBB ậ ư ệ ả ẽ
và TBH t o s cân b ng gi a m t mã và hi u su t. T p l nh ạ ự ằ ữ ậ độ ệ ấ ậ ệ
Thumb-2 c ng gi i thi u c u trúc If-Then m i có th xác nh i u ki n ũ ớ ệ ấ ớ ể đị đề ệ
7

7
th c hi n t i a b n l nh ti p theo.ự ệ ố đ ố ệ ế
Các tính n ng chính m i trong t p l nh Thumb-2 bao g m vi c th c ă ớ ậ ệ ồ ệ ự
hi n mã l nh C m t cách t nhiên h n, thao tác tr c ti p trên các bit, ệ ệ ộ ự ơ ự ế
phép chia ph n c ng và l nh If/Then. H n n a, nhìn t góc phát ầ ứ ệ ơ ữ ừ độ
tri n ng d ng, Thumb-2 t ng t c phát tri n, n gi n hóa vi c b o ể ứ ụ ă ố độ ể đơ ả ệ ả
trì, h tr các i t ng biên d ch thông qua t i u hóa t ng cho c ỗ ợ đố ượ ị ố ư ự độ ả
hi u su t và m t mã mà không c n quan tâm n vi c mã c ệ ấ ậ độ ầ đế ệ đượ
biên d ch cho ch ARM ho c Thumb. K t qu là l p trình viên có thị ế độ ặ ế ả ậ ể
mã ngu n c a h trong ngôn ng C mà không c n t o ra các th để ồ ủ ọ ữ ầ ạ ư
vi n i t ng biên d ch s n, có ngh a là kh n ng tái s d ng mã ệ đố ượ ị ẵ ĩ ả ă ử ụ
ngu n l n h n nhi u.ồ ớ ơ ề
2.3 Cách t ch c và th c thi t p l nhổ ứ ự ậ ệ
Cách t ch c c a nhân ARM là dòng ch y l nh 3 tác v :ổ ứ ủ ả ệ ụ
- Fetch (nh n l nh).ậ ệ
- Decode (gi i mã).ả
- Excute (th c thi).ự
Hình 1: Câu l nh m t chu k máy s d ng dòng ch y l nh có 3 tác v .ệ ộ ỳ ử ụ ả ệ ụ
8

8
Khi g p m t l nh nhánh, t ng decode ch a m t ch th n p l nh suy ặ ộ ệ ầ ứ ộ ỉ ị ạ ệ
oán có th d n n vi c th c thi nhanh h n. B x lý n p l nh d đ ể ẫ đế ệ ự ơ ộ ử ạ ệ ự

nh r nhánh trong giai o n gi i mã. Sau ó, trong giai o n th c thi, đị ẽ đ ạ ả đ đ ạ ự
vi c r nhánh c gi i quy t và b vi x lý s phân tích xem âu là ệ ẽ đượ ả ế ộ ử ẽ đ
l nh th c thi k ti p. N u vi c r nhánh không c ch n thì l nh ti p ệ ự ế ế ế ệ ẽ đượ ọ ệ ế
theo ã s n sàng. Còn n u vi c r nhánh c ch n th l nh r nhánh ́đ ẵ ế ệ ẽ đượ ọ ệ ẽ
ó c ng ã s n sàng ngay l p t c, h n ch th i gian r i ch còn m t đ ũ đ ẵ ậ ứ ạ ế ờ ỗ ỉ ộ
chu k .ỳ
2.4 B nh :ộ ớ
B vi x lý Cortex-M3 qu n lí vùng nh c nh lên t i 4 gigabyte v i ộ ử ả ớ ố đị ớ ớ
các a ch nh ngh a s n, dành riêng cho mã l nh (vùng mã l nh), đị ỉ đị ĩ ẵ ệ ệ
SRAM (vùng nh ), b nh /thi t b bên ngoài, thi t b ngo i vi bên trong ớ ộ ớ ế ị ế ị ạ
và bên ngoài. Ngoài ra còn có m t vùng nh c bi t dành riêng cho ộ ớ đặ ệ
nhà cung c p.Code có th l u vùng mã l nh, SRAM ho c RAM ấ ể ư ở ệ ặ
ngoài, tuy nhiên khi l u vùng mã l nh, vi c g i l nh và truy c p d ư ở ệ ệ ọ ệ ậ ữ
li u c x lý ng th i trên các bus.ệ đượ ử đồ ờ
9
9
S b nhơ đồ ộ ớ
- Truy c p vùng SRAM th c hi n thông qua các bus. Trong vùng này, ậ ự ệ
có hai thành ph n: vùng bit-band 1MB và vùng bí danh (Bit-band Alias) ầ
32 MB.
- Vùng nh thiêt b ngo i vi 0.5GB t ng t nh vùng SRAM v i hai ớ ị ạ ươ ự ư ớ
thành ph n c b n. Tuy nhiên, các l nh không c th c thi vùng ầ ơ ả ệ đượ ự ở
này, k thu t bit-band c s d ng thay i các tr ng thái bit, d ĩ ậ đượ ử ụ để đổ ạ ễ
dàng i u khi n ngo i vi.đề ể ạ
- Vùng b nh và thi t b bên ngoài: m i vùng 1GB, s khác bi t hai ộ ớ ế ị ỗ ự ệ
vùng này là l nh không c th c hi n vùng thi t b bên ngoài, ngoàiệ đượ ự ệ ở ế ị
ra có m t s khác bi t v cách l u tr gi a hai vùng.ộ ố ệ ề ư ữ ữ
1.2 Tìm hiểu module thu phát RF: nRF24L01
10
10

1.Thông số kỹ thuật:
- Radio
o Hoạt động ở giải tần 2.4G
o Có 126 kênh
o Truyền và nhận dữ liệu
o Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps.
- Công suất phát:
o Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,-18dBm.
- Thu:
o Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu
o Kếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)
- Nguồn cấp:
o Hoạt động từ 1.9-3.6V.
o Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5V.
11
11
- Giao tiếp:
o 4 pin SPI
o Tốc độ tối đa 8Mbps
o 3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận
-Phân tích:
o Modul nRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn 2.4G nên Modul này khả năng truyền dữ liệu
tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện môi trường có vật cản
o Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền. Điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ liệu trên nhiều
kênh khác nhau.
o Modul khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó có thể hoạt
động trong chế độ tiết kiệm năng lượng.
o Chú ý: Điện áp cung cấp cho là 1.93.6V. Điện áp thường cung cấp là 3.3V. Nhưng các chân
IO tương thích với chuẩn 5V. Điều này giúp nó giao tiếp rộng dãi với các dòng vi điều khiển.
2. Sơ đồ phần cứng

12
12
3. Sơ đồ kết nối vi điều khiển:
13
13
1.3 Giao tiếp máy tính UART

UART (Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter) là bộ truyền
nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ. UART cần phải kết hợp với một thiết bị
chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó. Ví dụ chuẩn RS232
(hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển
14
14
đổi mức điện áp. Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic high là
5V , mức low là 0V. Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá
nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low.
Hình 1. Tín hiệu tương đương của UART và RS232.
Truyền thông nối tiếp: dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít)
đường truyền.
15
15
Hình 2. Truyền 8 bit theo phương pháp nối tiếp.
Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp tốc độ truyền và độ chính xác
của dữ liệu khi truyền và nhận. Vì dữ liệu cần được “chia nhỏ” thành từng bit khi
truyền/nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm. Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ
liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn nhất định. Tiếp theo chúng ta
sẽ nghiên cứu về các tiêu chuẩn trong truyền thông nối tiếp không đồng bộ.
Truyền thông “đồng bộ”. Lấy ví dụ thiết bị 1 (tb1) kết nối với thiết bị 2 (tb2)
bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp. Cứ mỗi lần tb1 muốn send
1 bit dữ liệu, tb1 điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo

cho tb2 sẵn sàng nhận một bit. Bằng cách “báo trước” này tất cả các bit dữ liệu có
thể truyền/nhận dễ dàng với ít “rủi ro” trong quá trình truyền. Tuy nhiên, cách
truyền này đòi hỏi ít nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình (send or receive).
Khác với cách truyền đồng bộ, truyền thông “không đồng bộ” chỉ cần một
đường truyền cho một quá trình. “Khung dữ liệu” đã được chuẩn hóa bởi các thiết
bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến. Truyền thông nối tiếp
không đồng bộ vì thế hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ (không cần nhiều lines
truyền). Tuy nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn
truyền là hết sức quan trọng. Chúng ta sẽ bắt đầu tìm hiểu các khái niệm quan
trọng trong phương pháp truyền thông này.
16
16
Baud rate (tốc độ Baud): là tốc độ “thống nhất” với nhau về khoảng thời
dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau
trước, tốc độ này gọi là tốc độ Baud. Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền
trong 1 giây.
Frame (khung truyền): do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp không
đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải
tuân theo một số quy cách nhất định. Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một
yếu tốc quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận. Khung truyền bao
gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” như bit Start và bit
Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng
được quy định bởi khung truyền.
Start bit: start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có
chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới.
Data: data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và
nhận.
Parity bit: parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách
tương đối). Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity).
Stop bits: stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ

liệu đã được gởi xong. Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm
tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu. Stop bits là các bits bắt
buộc xuất hiện trong khung truyền.
Khung truyền phổ biến nhất là : start bit+ 8 bit data+1 stop bit.
1.4 Cấu trúc mạng hình sao.
3. Dạng hình sao (Star) Ở dạng hình sao, tất cả các trạm được nối vào một thiết bị trung tâm có
nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển tín hiệu đến trạm đích với phương thức kết nối là phương
thức "một điểm - một điểm ". Thiết bị trung tâm hoạt động giống như một tổng đài cho phép thực hiện
việc nhận và truyền dữ liệu từ trạm này tới các trạm khác. Tùy theo yêu cầu truyền thông trong mạng ,
thiết bị trung tâm có thể là một bộ chuyển mạch (switch), một bộ chọn đường (router) hoặc đơn giản là
17
17
một bộ phân kênh (Hub). Có nhiều cổng ra và mỗi cổng nối với một máy.
Ưu điểm:
Với dạng kết nối này có ưu điểm là không đụng độ hay ách tắc trên đường truyền, lắp đặt
đơn giản, dễ dàng cấu hình lại (thêm, bớt trạm). Nếu có trục trặc trên một trạm thì cũng không gây ảnh
hưởng đến toàn mạng qua đó dễ dàng kiểm soát và khắc phục sự cố.

Nhược điểm:
Độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế (trong vòng 100 m
với công nghệ hiện đại) tốn đường dây cáp nhiều, tốc độ truyền dữ liệu không cao. Hiện nay các mạng
sử dụng hình dạng hình sao là mạng STARLAN của AT&T và S-NET của Novell.
18
18
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MẠCH
2.1 Sơ đồ khối
2.2 sơ đồ mạch nguyên lý
19
19