Hệ thống điều khiển thiết bị trong nhà group13

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
====o0o====
BÁO CÁO
BÀI TẬP LỚN VI XỬ LÝ
ĐỀ TÀI:THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THIẾT
BỊ TRONG NHÀ
GVHD: PGS.TS Phạm Ngọc Nam
Nhóm:
Hà Nội, 6/2014
Tiêu chí đánh giá Thang điểm
1. Tổng điểm ban đầu
10.0
2. Điểm trừ
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
2.1. Không có sản phẩm
2.2. Không có báo cáo bản cứng
2.3. Thiếu chức năng: đăng nhập password bằng keypad
2.4. Thiếu chức năng: hiển thị password/tình trạng đăng nhập trên
LCD
2.5. Thiếu chức năng: cảnh báo khi nhập sai 2 lần
2.6. Thiếu chức năng: chỉnh sửa, thay đổi password
2.7. Thiếu chức năng: hiển thị ngày, giờ hiện tại trên LCD
2.8. Thiếu chức năng: hẹn giờ tắt đèn
2.9. Thiếu chức năng: đèn tự động bật tắt phụ thuộc vào cường độ
sang hiện tại
2.10. Thiếu chức năng: hiển thị nhiệt độ hiện thời lên LED 7 thanh
2.11. PCB không có tên nhóm và các thành viên
2.12. Báo cáo sơ sài/thiếu nội dung (tên để tài/nhóm/mục lục/yêu cầu
của đề tài/kế hoạch nhóm/thiết kế sơ đồ khối/code)

3. Điểm cộng
3.1. Mạch in và sắp xếp linh kiện đẹp
3.2. Các chức năng đã thực hiện có đáp ứng tốt (độ nhạy, tốc độ tính
toán, hiển thị)
3.3. Có chức năng: sử dụng mô hình nhà để demo hệ thống
3.4. Có chức năng: tự động bật đèn khi có người đi vào phòng, sử
dụng cảm biến hồng ngoại
3.5. Có thêm các chức năng sáng tạo khác
3.6. Có một đoạn code viết bằng mã ASM
3.7. Dễ sử dụng (bàn phím lớn, ghi chú rõ ràng, thao tác đơn giản)
3.8. Trình bày rõ ràng, trả lời được các câu hỏi chuyên môn
TỔNG ĐIỂM:
2
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
MỤC LỤC
3
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
DANH MỤC HÌNH VẼ
4
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
DANH MỤC BẢNG BIỂU
5
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, với xu hướng phát triển của công nghiệp hóa hiện đại hóa, để tối
ưu hiệu quả, tiện ích cho người dùng, các thiết bị điều khiển tự động do con

người tạo ra ngày càng nhiều. Việc học tập để tạo nên những thiết bị như vậy là
một việc không thể thiếu, đặc biệt là với những sinh viên ngành Điện tử - Viễn
thông như chúng em.
Thông qua môn học Kỹ thuật Vi xử lý, với đề tài bài tập lớn là thiết kế mạch
điều khiển các thiết bị trong nhà, sau một kỳ học và tìm hiểu miệt mài, chúng em
đã dần hoàn thiện đề tài và đã cho ra mạch điều khiển trên, trong đó bao gồm các
tiện ích thực dụng đối với một mô hình nhà hiện đại như ngày nay. Cụ thể, mô
hình mạch bao gồm việc đăng nhập mật khẩu để mở cửa, có hẹn giờ bật tắt đèn,
có cảm biến và hiển thị nhiệt độ, cảm biến ánh sáng điều khiển bật tắt đèn tuỳ
theo điều kiện ánh sáng…
Tất cả các nội dung, nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch… của từng khối sẽ
được chúng em trình bày cụ thể dưới đây.
6
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
CHƯƠNG 1: MÔ TẢ ĐỀ TÀI
1.1 Yêu cầu chức năng
- Đăng nhập password vào nhà thông qua hệ thống keypad và hiển thị trên màn hình
LCD. Nếu đúng thì trả về “Đăng nhập thành công”, nếu sai thì trả về “Đăng nhập lỗi”.
- Báo hiệu chuông cảnh báo khi đăng nhập sai 2 lần.
- Có thể thay đổi password.
- Khi không đăng nhập thì hiển thị trên LCD ngày, tháng, năm và giờ hiện tại.
- Hiển thị nhiệt độ hiện thời trên LED 7 thanh.
- Điều khiển bật hoặc tắt đèn phụ thuộc vào ánh sáng trong phòng.
- Hẹn giờ tắt đèn theo thời gian.
- Demo điều khiển mở của khi nhập password đúng (dùng đọng cơ DC)
1.2 Yêu cầu phi chức năng
- Sử dụng PIC16F887
- Sử dụng keypad tự thiết kế: 4x4 dùng 16 button
- Thiết kế module cảm biến ánh sáng để xác định độ sáng của phòng, dùng quang trở +

chiết áp vi chỉnh 10K.
- Code viết bằng C, dùng trình biên dịch CCS5.
- PCB có tên nhóm.
- Mạch nhỏ gọn, đẹp, sắp xếp linh kiện hợp lý.
- Các chức năng tương tác người dùng dễ sử dụng.
7
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
1.3 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống
8
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
1.4 Kế hoạch thực hiện và phân chia công việc
Hình 1.2 Bảng phân chia công việc
9
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
2.1 Khối nguồn (Switching mode power supply)
1. Mô tả
- Khối nguồn có chức năng cấp nguồn cho cả hệ thống hoạt động
- Nguồn đưa vào hệ thống là nguồn 12VDC
- Yêu cầu điện áp sử dụng cho chip PIC và các linh kiện điện tử là 5V.
=> Như vậy, khối nguồn có chức năng chuyển nguồn 12VDC thành 5VDC.
2. Giải pháp lựa chọn
- Ta có thể sử dụng IC ổn áp 7805 để thu được nguồn 5VDC tuyến tính một
cách đơn giản. Tuy nhiên, IC7805 có nhược điểm là sinh nhiệt cao và không chịu
được dòng lớn Giải pháp hợp lý là sử dụng nguồn xung, làm việc với chế độ ngắt
quãng, hiệu suất cao, công suất hao phí ~ 0W,

- IC LM2576 không những đảm bảo các yêu cầu đặt ra cho nguồn xung mà còn
luôn hoạt động ổn định và cấp một điện áp +5V rất chính xác với sai số nhỏ hơn
10mV. LM2576 là IC ổn áp xung với khoảng điện áp đầu vào từ 4,75 tới 40V, cho
điện áp ra các mức 3.3V, 5V, 12V, 15 V, 1.23 tới 37 V có thể điều chỉnh được. Dòng ra
lớn nhất 3A.
Hình 2.1. Sơ đồ chân IC2576
10
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
3. Nguyên lý làm việc

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn xung
- Trong đó, D1 là diode 1N5822 (sử dụng loại diode Xung chịu được 1A đến 3A
và điện áp xung có thể lên tới trên 100V được bán rất phổ biến trên thị trường hiện
nay) dùng để triệt xung ngược do cuộn cảm L
1
sinh ra, cuộn cảm L
1

được sử dụng để
chặn xung sao cho điện áp ra trên tải và tụ lọc nguồn C
out
không vượt quá mức danh
định. Tụ C
out
có tác dụng lọc, đảm bảo điện áp đầu ra “tương đối bằng phẳng”.
11
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
2.2 Keypad

1. Mô tả
- Khối Keypad có chức năng: Nhập mật khẩu đăng nhập, thay đổi mật khẩu, điều chỉnh
thời gian, thiết lập hẹn giờ tắt đèn.
+ Để đăng nhập:
Nhấn phím ‘B’ -> Nhập mật khẩu (!) -> Nhấn phím ‘D’ -> Nhấn phím
‘*’
+ Để thay đổi mật khẩu:
Nhấn phím ‘B’ -> Nhập mật khẩu (!) -> Nhấn phím ‘D’ -> Nhấn phím
‘#’ -> Nhập mật khẩu (!) mới -> Nhấn phím ‘D’
(!) Mật khẩu đăng nhập hệ thống cần 6 kí tự (0-9)
+ Để thay đổi thời gian :
Nhấn phím ‘A’ -> Nhập thời gian -> Nhấn phím ‘D’.
+ Để hẹn giờ tắt đèn:
Nhấn phím ‘C’ -> Nhập thời gian (!!)-> Nhấn phím ‘D’.
+ Để bật tắt đèn:
Nhấn phím ‘D’.
(!!) nhập thời gian: nhập trực tiếp từ Keypad, nhấn “*” (previous) hay
“#” (next) để di chuyển con trỏ

2. Giải pháp lựa chọn
- Dùng keypad 4x4, sử dụng 16 button loại nhỏ, thể hiện cho 16 phím, 10 phím
số (0-9) và 6 phím chức năng.
Hình 2.3 Sơ đồ khối Keypad
12
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
Hình
3. Nguyên lý làm việc
Sơ đồ nguyên lý
Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý Keypad

* Sử dụng kỹ thuật quét Keypad :
- Các chân P1.0, P1.1, P1.2, P1.3 (các hàng) được thiết lập là các chân INPUT, còn lại
các chân P1.4, P1.5, P1.6, P1.7 (các cột) là các chân OUTPUT (ở mức logic ‘0’).
- Giả sử SW9 được bấm:
+ Cho COL1 = 0 (COL[2,3,4] = 1), kiểm tra trạng thái của các hàng: ROWA=
ROWB= ROWC= ROWD=1: vậy kết luận không có nút được bấm trên COL1.
+ Cho COL2 = 0 (COL[1,3,4] = 1), kiểm tra trạng thái của các hàng:
ROWA=ROWB=ROWD=1, ROWC =0: vậy kết luận có nút nằm trên hàng C,
cột 2 được bấm (SW9).
+ Cho COL3 = 0 (COL[1,2,4]=1): ROWA = ROWB = ROWC= ROWD=1: vậy
kết luận không có nút được bấm trên COL3.
13
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
+ Cho COL4 = 0 (COL[1,2,3]=1): ROWA= ROWB= ROWC= ROWD=1: vậy
kết luận không có nút được bấm trên COL4.
2.3 Khối LCD (LCD Module)
1. Mô tả
- Chế độ đăng nhập:
Dòng trên hiển thị dòng chữ “Enter password:”
Dòng dưới hiển thị các dấu “*” thay cho mỗi kí tự mật khẩu mà người dùng
nhập qua keypad để đảm bảo tính bảo mật
Nếu đúng mật khẩu, hiển thị lên màn hình tuỳ chọn nhấn tiếp phím ‘*’ để mở
cửa, Nếu sai hiển thị “ Password Fail – Again ”
Chế độ không đăng nhập:
Dòng trên hiển thị giờ, phút, giây theo định dạng: HH : MM : SS
Dòng dưới hiển thị thứ, ngày, tháng, năm theo định dạng: TTT-DD/MM/YYYY
- Chế độ điều chỉnh thời gian:
Hiển thị như chế độ đăng nhập, thêm chữ “SETUP” góc bên phải của dòng trên.

Con trỏ nhấp nháy tại vị trí đang điều chỉnh.
- Ở chế độ hẹn giờ
Dòng trên hiển thị giờ, phút theo định dạng HH : MM
Con trỏ nhấp nháy tại vị trí đang điều chỉnh.
14
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng LCD1602 như hình vẽ:
Hình 2.5: LCD 16x2
3. Nguyên lý làm việc
- Giao tiếp giữa LCD với Vi điều khiển
Hình 2.6: Giao tiếp LCD với PIC
15
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
Có 2 mode để ghi và đọc dữ liệu vào LCD là mode 8 bit và mode 4 bit
Mode 8 bit Mode 4 bit
Mô tả
Tất cả các chân dữ liệu của LCD từ D0-
D7 phải được nối với 1 PORT của Vi
điều khiển
Các chân D4-D7 của LCD được
nối với Vi điều khiển, các chân
DO-D3 không được sử dụng.
Ưu điểm
Dữ liệu được ghi và đọc nhanh, đơn
giản
Tiết kiệm được chân cho vi điều
khiển

Nhược điểm
Tống số chân sử dụng cho LCD là quá
nhiều
Dữ liệu ghi và đọc chậm hơn
nhưng không đáng kể

=> Dùng mode 4 bit để tiết kiệm chân cho vi điều khiển.
2.4 IC thời gian thực (Real Time Clock)
1. Mô tả
Với các chức năng như hiển thị thời gian, hẹn giờ thì hệ thống cần có một bộ
đếm thòi gian. Trong PIC16F887 đã có sẵn bộ đếm thời gian tuy nhiên độ chính
xác chưa cao, nếu mất điện thì phải cài đặt lại thời gian rất bất tiện nên cần đến
khối thời gian thực cho hệ thống.
16
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
2. Giải pháp lựa chọn
IC thời gian thực DS1307.
Hình 2.7: IC DS1307 và sơ đồ chân
Bộ nhớ cố định. 56 byte.
Hai đường giao tiếp nối tiếp.
Tín hiệu ra dạng xung vuông.
Tiêu thụ dòng nhỏ hơn 500nA khi sử dụng pin.
Tự động phát hiện khi mất nguồn và chuyển mạch sang chế sử dụng pin.
Hoạt động ổn định trong khoảng nhiệt độ từ - 40 đến 80 độ. Được đóng vỏ 8
chân như hình vẽ.
17
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
3. Nguyên lý làm việc

DS1307 giao tiếp với vi điều khiển theo chuẩn I2C
Hình 2.8: Cách mắc mạch DS1307
Vcc: nối với nguồn
X1, X2: nối với thạch anh 32,768 kHz
Vbat: đầu vào pin 3V
GND: đất
SDA: chuỗi data
SCL: dãy xung clock
SQW/OUT: xung vuông/đầu ra driver
Mô tả chức năng các chân
Vcc, GND: nguồn một chiều được cung cấp tới các chân này. Vcc là đầu vào
5V. Khi 5V được cung cấp thì thiết bị có thể truy cập hoàn chỉnh và dữ liệu có
thể đọc và viết. Khi pin 3 V được nối tới thiết bị này và Vcc nhỏ hơn 1,25Vbat
thì quá trình đọc và viết không được thực thi, tuy nhiên chức năng timekeeping
không bị ảnh hưởng bởi điện áp vào thấp. Khi Vcc nhỏ hơn Vbat thì RAM và
timekeeper sẽ được ngắt tới nguồn cung cấp trong (thường là nguồn 1 chiều
3V).
Vbat: Đầu vào pin cho bất kỳ một chuẩn pin 3V. Điện áp pin phải được giữ
trong khoảng từ 2,5 đến 3V để đảm bảo cho sự hoạt động của thiết bị.
18
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
SCL (serial clock input): SCL được sử dụng để đồng bộ sự chuyển dữ liệu trên
đường dây nối tiếp.
SDA (serial data input/out): là chân vào ra cho 2 đường dây nối tiếp. Chân SDA
thiết kế heo kiểu cực máng hở, đòi hỏi phải có một điện trở kéo trong khi hoạt
động.
SQW/OUT (square wave/output driver) khi được kích hoạt thì bit SQWE được
thiết lập mức 1, chân SQW/OUT phát đi 1 trong 4 tần số
(1Hz,4kHz,8kHz,32kHz). Chân này cũng được thiết kết heo kiểu cực máng hở

vì vậy nó cũng cần có một điện trở kéo trong. Chân này sẽ hoạt động khi cả Vcc
và Vbat được cấp.
X1, X2: được nối với một thạch anh tần số 32,768 kHz. Là một mạch tạo dao
động ngoài, để hoạt động ổn định thì phải nối thêm 2 tụ33pF.
2.5 Khối cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor Module)
1. Mô tả
Khối cảm biến nhiệt độ có chức năng đo nhiệt độ môi trường bên ngoài,
biến đổi thành tín hiệu tương tự để đưa vào Vi điều khiển.
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng cảm biến nhiệt độ LM35 vì:
+ Đo được sự thay đổi nhiệt độ với độ chính xác cao, tin cậy, sai số của hệ
thống nhỏ (<1%).
+ Giá thành thấp.

19
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014

Hình 2.9: Cảm biến nhiệt độ, sơ đồ chân
3. Nguyên lý làm việc
Chân OUTPUT của LM35 sẽ được nối với ADC của Vi điều khiển qua chân
A0 - Điện áp đầu ra của LM35 tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang đo độ
Celsius. Độ phân giải đầu ra là 10 mV/
o
C, tức là nhiệt độ môi trường thay đổi
1
o
C thì điện áp đầu ra cũng thay đổi 1 lượng tương ứng 10mV…
2.6 Khối cảm biến ánh sáng
1. Mô tả

Đo cường độ ánh sáng của môi trường rồi đưa tín hiệu digital vào Vi điều khiển
để thực hiện tắt mở đèn cho phù hợp.
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng quang trở.
- Biến trở VR103 điều chỉnh độ nhạy.
3. Nguyên lý làm việc
- Khối cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của quang trở theo
cường độ ánh sáng. Cường độ ánh sáng càng mạnh thì điện trở càng nhỏ (mạch kín)
và cường độ ánh sáng càng yếu thì điện trở càng lớn (mạch hở).
20
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
- Trên mạch có 1 chiết áp vi chỉnh 10K dùng để điều chỉnh độ nhạy sáng.
- Mạch cảm biến ánh sáng dùng quang trở có ưu điểm.
+ Nhỏ gọn, dễ làm.
2.7 Khối vi điều khiển ( Microcontroller)
1. Mô tả
- Khối xử lý trung tâm có chức năng nhận tín hiệu từ các module cảm biến,
keypad, IC thời gian thực để xử lý và đưa tín hiệu ra các module LCD, LED 7 thanh,
Báo động, Đèn, Động cơ.
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng PIC 16F887 :
+ PIC là họ vi điều khiển 8 bit theo công nghệ mới, với những tính năng rất
mạnh được tích hợp trong chip của hãng Microchip theo công nghệ RISC, mạnh
ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như AVR, Pisoc. Do ra đời muộn
hơn nên họ vi điều khiển PIC có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu
của người sử dụng so với họ 8051, 89xx. Nó ổn định hơn, có khả năng tích
hợp và mềm dẻo hơn trong việc lập trình.
+ PIC 16F887 có đầy đủ tính năng của họ PIC, so với các loại khác thì giá thành
là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển.

21
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
Hình 2.10 Vi điều khiển PIC 16F887
Hình 2.11 Sơ đồ chân và chức năng vi điều khiền PIC16F887
2.8 LED 7 thanh (7 segment LED Module)
1. Mô tả
- Khối LED 7 thanh có chức năng nhận tín hiệu từ Vi điều khiển để hiển thị chỉ
số nhiệt độ môi trường tương ứng theo thang độ C, giới hạn nhiệt độ hiển thị là từ 0
đến 99 độ C.
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng 2 LED 7 thanh anot chung.



Hình 2.12. LED 7 thanh, sơ đồ chân
3. Nguyên lý làm việc
22
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
- Điều khiển bật tắt các đèn LED A, B, C, D, E, F, G, DP cho phù hợp sẽ cho ra số cần
hiển thị.
- Sử dụng thuật toán quét LED, dựa trên hiện tượng lưu ảnh của mắt.
2.9 Khối báo động (Alarm)
1. Mô tả
- Khối báo động có chức năng nhận tín hiệu từ Vi điều khiển, phát ra âm thanh
cảnh báo khi mật khẩu nhập sai 2 lần.
2. Giải pháp chon lựa
- sử dụng còi chíp
3. Nguyên lý làm việc

- Có tiếng kêu khi có tín hiệu điện từ Vi điều khiển.
2.10 Khối đèn (Lamp)
1. Mô tả
- Nhận tín hiệu từ Vi điều khiển để bật tắt đèn cho phù hợp.
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng 2 đèn 12V:
+ 1 đèn bật tắt dựa vào cường độ ánh sáng của môi trường.
+ 1 đèn bật tắt theo hẹn giờ .
3. Nguyên lý làm việc
- Đèn sẽ được bật tắt theo tín hiệu điều khiển của PIC:
- Khi cường độ ánh sáng trong phòng nhỏ hơn một mức ngưỡng đã định
trước, đèn của khối cảm biến ánh sáng sẽ sáng, nếu không đèn sẽ tắt.
- Khi đến thời gian hẹn, đèn của khối hẹn giờ sẽ tắt.
2.11 Khối điều khiển mở cửa (Motor)
1. Mô tả
23
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014
- Điều hiển mở cửa khi nhập đúng password.
2. Giải pháp lựa chọn
- Sử dụng động cơ mini 3-6V.
- Opto PC817.
- IRF540 để kích dòng.
3. Nguyên lý làm việc
- Tìn hiệu từ Vi điều khiển cho phép đóng mở Opto, từ đó điều khiển bật tắt
động cơ
2.12 Hoàn thiện sản phẩm
24
Báo cáo BTL Vi Xử Lý
2014

Hì
nh 2.13. Hình ảnh sản phẩm
2.13 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
25