thiết kế và thi công mạch điều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng module thu phát sóng vô tuyến trên tần số ISM nRF24L01

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay với những ứng dụng của khoa học kĩ thuật trên tiên tiến, thế giới
chúng ta đã và đang ngày một thay đổi,văn minh và hiên đại hơn. Sự phát triển của
kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với các đặc điểm nổi bật như sự
chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ là những yếu tố rất cần thiết cho hoạt động
của con người đạt hiệu quả cao.
Điện tử đang trở thành một ngành công nghiệp đa nhiệm vụ. Điện tử đã đáp
ứng những đòi hỏi không ngừng từ các lĩnh vực công nông lâm ngư nghiệp cho đến
các nhu cầu thiết bị trong đời sống hàng ngày
Một trong những ứng dụng quan trọng trong công nghệ điện tử là kỹ thuật
điều khiển từ xa. Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị từ xa hay
những thiết bị mà con người không thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển.
Xuất phát từ ứng dụng quan trọng trên, nhóm đã thiết kế và thi công mạch
điều khiển thiết bị điện trong nhà sử dụng module thu phát sóng vô tuyến trên tần
số ISM nRF24L01.
Để tìm hiểu ứng dụng này, nhóm xin thực hiện đề tài gồm 3 phần sau:
 Phần 1: Giới thiệu đề tài.
 Phần 2: Lý thuyết tổng quan
 Phần 3: Giới thiệu linh kiện sử dụng.
 Phần 3: Thiết kế và thi công mạch chức năng.
 Phần 4: Kết luận và đánh giá kết quả.

1


PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Tên đề tài: Thiết kế thi công hệ thống không dây điều khiển thiết bị trong nhà
trên tần số ISM.
Yêu cầu đề tài:
 Thiết kế thi công phần cứng.

 Khoảng cách liên lạc đạt trên 15m.
 Có thể điều khiển qua multihop.

Hướng giải quyết đề tài:
Để điều khiển thiết bị qua hệ thống không dây có thể sử dụng hai phương pháp
sau:
1.

Điều khiển từ xa bằng tia hồng ngoại (IR)
Đây là loại điều khiển từ xa có vai trò quan trọng trong hầu hết các thiết bị

gia đình. Một chiếc điều khiển IR sẽ gồm các bộ phận cơ bản nằm trong một
hộp nối cáp kỹ thuật số như sau: Các nút bấm; một bảng mạch tích hợp; các
núm tiếp điểm; đi - ốt phát quang (đèn LED).
Ưu điểm
Rất bền, chi phí rẻ, đơn giản dễ thực hiện.
Khuyết điểm
 Tầm hoạt động chỉ 10m.
2


 Do tuân theo tính chất truyền thẳng của ánh sáng nên IR không thể
xuyên qua dc kính,tường hay truyền vòng qua các góc.
 Dễ bị nhiễu sóng do ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời,bóng đèn huỳnh
quang,hay bức xạ của con người.
a. Ứng dụng đời sống
Hiện nay, ta sử dụng thiết bị điều khiển IR cho hầu hết các vật dụng
trong nhà như tivi, máy stereo, điều hòa nhiệt độ….
2. Điều khiển từ xa bằng tần số vô tuyến (RF)
Là loại điều khiển từ xa xuất hiện đầu tiên và đến nay vẫn giữ một vai trò

quan trọng và phổ biến trong đời sống. Nếu điều khiển IR chỉ dùng trong nhà thì
điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên ngoài như các thiết bị mở cửa
gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem các loại đồ chơi điện tử từ xa thậm chí kiểm
soát vệ tinh và các hệ thống máy tính xách tay và điện thoại thông minh…
a. Hoạt động
Với loại điều khiển này, nó cũng sử dụng nguyên lý tương tự như điều
khiển bằng tia hồng ngoại nhưng thay vì gửi đi các tín hiệu ánh sáng, nó lại
truyền sóng vô tuyến tương ứng với các lệnh nhị phân. Bộ phận thu sóng vô
tuyến trên thiết bị được điều khiển nhận tín hiệu và giải mã nó.
b. Ưu điểm
 Truyền xa hơn IR với khoảng cách khoảng 30m hoặc có thể lên tới
100m.
 Truyền xuyên tường,kính…
c. Khuyết điểm
3


 Bị nhiễu sóng do bên ngoài có rất nhiều các thiết bị máy móc sử dụng
các tần số khác nhau.

Nhận thấy ưu điểm lớn của sóng vô tuyến RF nhóm đã quyết định chọn sóng RF
cho đề tài này.
Lý do:
 Điều khiển thiết bị sử dụng sóng RF hoạt động trên băng tần ISM là phương
pháp sử dụng phổ biến nhất hiện nay bởi vì tần số ISM là các băng tần miễn
phí được sử dụng do đó tiết kiệm chi phí.
 Sóng RF truyền xa và truyền được trong không gian có vật cản.
 Tốc độ truyền nhanh và có thể mở rộng số lượng thiết bị điều khiển.
 Có thể điều khiển theo theo kiểu muiltihop ( điều khiển bắt cầu).

4


Mô hình tổng quát cho đề tài được miêu tả như hình sau:
NHÓM
THIẾT BỊ 1

CENTER

NHÓM
THIẾT BỊ
2

NHÓM THIẾT
BỊ 3
Hình 2. Mô hình tổng quát hệ thống không dây điều khiển thiết bị trong nhà trên
tần số ISM.
Mô tả:
 Để cho hệ thống hoạt động cần có trung tâm “CENTER” để điều khiển và
quản lý trạng thái ON/OFF của các thiết bị ở các nhóm khác nhau.
 Như vậy ở vị trí “CENTER” đảm nhiệm việc phát tín hiệu điều khiển. còn
các nhóm thiết bị nhận tín hiệu điều khiển.

5


 Nhóm thiết bị 1 và nhóm thiết bị 2 được điều khiển trực tiếp bởi
“CENTER” trong khi đó nhóm thiết bị 3 ở quá xa và “CENTER” không
thể phát tín hiệu đến vì khoảng cách hay vật chắn. Do đó nhóm thiết bị 3
cần phải nhờ nhóm thiết bị 2 làm cầu nối.

Toàn bộ hệ thống trên hoạt động ở băng tần ISM 2.4GHz và sử dụng module
nRF24L01+ để truyền và nhận thông tin ( Chi tiết về module nRF24L01 được đề
cập ở phần sau).

6


PHẦN 2. LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

2.1. Tổng quan về sóng vô tuyến RF.
Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài
hơn ánh sáng hồng ngoại. Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz, tương
ứng bước sóng từ 100 km tới 1 mm. Giống như các sóng điện từ khác, chúng
truyền với vận tốc ánh sáng. Sóng vô tuyến xuất hiện tự nhiên do sét, hoặc bởi các
đối tượng thiên văn. Sóng vô tuyến do con người tạo nên dùng cho radar, phát
thanh, liên lạc vô tuyến di động và cố định và các hệ thống dẫn đường khác. Thông
tin vệ tinh, các mạng máy tính và vô số các ứng dụng khác. Các tần số khác nhau
của sóng vô tuyến có đặc tính truyền lan khác nhau trong khí quyển Trái Đất; sóng
dài truyền theo đường cong của Trái Đất, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly
nên có thể truyền rất xa, các bước sóng ngắn hơn bị phản xạ yếu hơn và truyền trên
đường nhìn thẳng.

Hình 2.1. Phổ tần số sóng vô tuyến và ứng dụng
Phổ này kéo dài từ các tần số dưới âm thanh (subsonic - vài Hz) đến các
tia vũ trụ (10E22 Hz) và được chia tiếp thành các đoạn nhỏ gọi là các băng tần.
7


Toàn bộ dải tần số vô tuyến (RF) lại được chia ra thành các băng nhỏ hơn, có tên
và kí hiệu như bảng sau theo Ủy ban tư vấn về Thông tin vô tuyến quốc tế CCIR

(Comité Consultatif Internationa des Radiocommunications - International Radio
Consultative Committee)

Bảng 2.1 Kí hiệu và phân chia băng tần theo CCIR.

8


 Các tần số cực kì thấp (ELF - Extremely Low Frequencies). Có giá trị nằm
trong phạm vi 30 ÷ 300 Hz, chứa cả tần số điện mạng AC và các tín hiệu đo
lường từ xa tần thấp.
 Các tần số tiếng nói (VF - Voice Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi
300 Hz ÷ 3 kHz, chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn.
 Các tần số rất thấp (VLF - Very Low Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 3÷ 30 kHz, chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói. Dùng
cho các hệ thống an ninh, quân sự và chuyên dụng của chính phủ như là
thông tin dưới nước (giữa các tàu ngầm).
 Các tần số thấp (LF - Low Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 30 ÷
300 kHz (thường gọi là sóng dài), chủ yếu dùng cho dẫn đường hàng hải và
hàng không.
 Các tần số trung bình (MF - Medium Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 300 kHz ÷ 3 MHz (thường gọi là sóng trung), chủ yếu dùng cho
phátthanh thương mại sóng trung (535 đến 1605 kHz). Ngoài ra cũng sử
dụng cho dẫn đường hàng hải và hàng không.
 Các tần số cao (HF - High Frequencies). Có giá trị nằm trong phạm vi 3 ÷ 30
MHz (thường gọi là sóng ngắn). Phần lớn các thông tin vô tuyến 2 chiều
(two-way) sử dụng dải này với mục đích thông tin ở cự ly xa xuyên lục địa,
liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát thanh quảng bá...v.v.
 Các tần số rất cao (VHF - Very High Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 30 ÷ 300 MHz (còn gọi là sóng mét), thường dùng cho vô tuyến di

động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến
9


108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 với tần số từ 54 MHz đến
216 MHz).
 Các tần số cực cao (UHF - UltraHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 300 MHz ÷ 3 GHz (còn gọi là sóng đề xi mét), dùng cho các kênh
truyền hình thương mại 14 ÷ 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất, các
hệ thống điện thoại tế bào, một số hệ thống rada và dẫn đường, các hệ thống
vi ba và thông tin vệ tinh.
 Các tần số siêu cao (SHF - SuperHigh Frequencies). Có giá trị nằm trong
phạm vi 3 ÷ 30 GHz (còn gọi là sóng cen ti mét), chủ yếu dùng cho vi ba và
thông tin vệ tinh.
 Các tần số cực kì cao (EHF - Extremely High Frequencies). Có giá trị nằm
trong phạm vi 30 ÷ 300 GHz (còn gọi là sóng mi li mét), ít sử dụng cho
thông tin vô tuyến.
 Các tần số hồng ngoại. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 THz ÷ 300 THz, nói
chung không gọi là sóng vô tuyến. Sử dụng trong hệ thống dẫn đường tìm
nhiệt, chụp ảnh điện tử và thiên văn học.
 Các ánh sáng nhìn thấy. Có giá trị nằm trong phạm vi 0,3 PHz ÷ 3 PHz, dùng
trong hệ thống sợi quang.
 Các tia cực tím, tia X, tia gamma và tia vũ trụ. Rất ít sử dụng cho thông tin.

2.2. Các băng tần ISM (Industrial Scientific Medical ).
Đối với mạng cục bộ vô tuyến, FCC quy định về:
10




Tần số sóng vô tuyến cho phép đối với WLAN (để tránh xung đột với
sóng của các hệ thống truyền thông khác)

 Năng lượng (công suất) cho phép
 Các thiết bị WLAN nào được hoạt động và 1 số quy định khác kèm theo

Có 3 băng tần ISM “license-free” mà FCC chỉ định đối với mạng cục bộ vô
tuyến sử dụng. Đó là: băng tần 900 MHz, s.4 GHz và 5.8 GHz.Băng tần ISM 900
MHz
Băng tần ISM 900 MHz
Được FCC định nghĩa là một dãy tần số từ 902 MHz đến928 MHz. Băng tần
này còn có thể được định nghĩa dưới dạng dãy tần số 915 MHz± 13 MHz. Tuy
băng tần ISM 900 MHz đã được sử dụng và triển khai cho wireless LAN nhưng
dần dần nó đã bị “từ bỏ” bởi sự lựa chọn những tần số khác có băng thông và thông
lượng truyền dẫn cao hơn. Ngày nay, vẫn còn một số thiết bị wireless sử dụng băng
tần ISM 900 MHz như là: hệ thống wireless camera, điện thoại trong nhà sử dụng
wireless. Các tổ chức sử dụng băng tần ISM 900 MHz trong việc triển khai wireless
LAN nhận thấy rằng họ phải tốn rất nhiều tiền để thay thế những thiết bị wireless
sử dụng băng tần ISM 900 MHz cũ hay là bị trục trặc về kỹ thuật. Một card radio
sử dụng băng tần ISM 900 MHz có giá lên đến hơn $800 mà chỉ có thể truyền dữ
liệu với tốc độ tối đa được khoảng 1Mbps. Trong khi đó, nếu đem so sánh 1 card
wireless sử dụng chuẩn 802.11b có thể hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 11Mbps
chỉ có giá khoảng trên dưới $100. Ngoài ra, việc tìm kiếm những phụ kiện thay thế
tương thích cho các thiết bị sử dụng băng tần ISM 900MHz cũng rất khó khăn.
Băng tần ISM 2.4 GHz
11


Băng tần này được sử dụng bởi tất cả các thiết bị wireless dựa theo chuẩn

802.11,802.11b và 802.11g và được xem là băng tần được sử dụng khá phổ biến.
FCC định nghĩa ra băng tần ISM 2.4 GHz là dãy tần số từ 2.4000GHz đến
2.5000GHz (hay2.4500 GHz ± 50 MHz). Các thiết bị wireless LAN thực sự chỉ sử
dụng dãy tần số từ 2.4000 GHz đến 2.4835 GHz . Lý do chính cho sự giới hạn này
là do FCC chỉ định nghĩa ra công suất cho phép các thiết bị wireless hoạt động
trong dãy trên trong băng tần ISM 2.4GHz mà thôi.
Băng tần ISM 5.8 GHz
Băng tần này còn được gọi là băng tần ISM 5 GHz. Băng tần ISM 5.8 GHz có
dãy tần số từ 5.725 GHz đến 5.875 GHz và tạo ra băng thông 150 MHz.Băng tần
ISM 5.8 GHz không được chỉ định để sử dụng cho các thiết bị wireless LAN. Nó
chồng chập lên một tần số “license-free” khác đó là tần số Upper UNII 5GHz được
sử dụng cho wireless.
2.3. Các băng tần ISM tại việt nam.
Điều kiện về tần số và các giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện cự
ly ngắn được sử dụng có điều kiện được quy định bởi BỘ THÔNG TIN VÀ
TRUYỀN THÔNG được liệt kê theo bảng sau.

12


13


14


15


Bảng 2.3 Điều kiện về tần số và các giới hạn phát xạ đối với thiết bị vô tuyến điện

cự ly ngắn được sử dụng có điều kiện
16


PHẦN 3: GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG.

1. Giới thiệu về vi điều khiển PIC 16F877A.
PIC là tên viết tắt của máy tính khả trình thông minh (Programable Intelligent
Computer) do hãng General Instrument đặt tên con vi điều khiển đầu tiên là PIC 1650.
Hãng Microchip tiếp tục phát triển các dòng sản phẩm này. Cho đến nay, các sản phẩm vi
điều khiển PIC của Microchip đã gần 100 loại.
PIC là vi điều khiển với kiến trúc RISC, sử dụng microcode đơn giản đặt trong
ROM, chạy 1 lệnh chu kỳ máy (4 chu kỳ của bộ giao động). Nhờ có EEPROM nên PIC
tạo thành 1 bộ điều khiển vào ra khả trình, có rất nhiều dòng PIC với hàng loạt modun
ngoại vi tích hợp sẵn (như USART, PWM, ADC...), với bộ nhớ chương trình từ 512 word
đến 32K word. PIC 16F877A là dòng Pic phổ biến nhất, đủ mạnh về tính năng, 40 chân,
bộ nhớ đủ lớn cho hầu hết các ứng dụng thông thường.
Cấu trúc tổng quát PIC 16F877A:
 8K Flash ROM;
 368 bytes RAM;
 256 bytes EEPROM;
 5 Port I/O (A, B, C, D, E), ngõ vào/ra với tín hiệu điều khiển độc lập;
 2 bộ định thời 8 bit Timer 0 và Timer 2;
 1 bộ định thời 16 bit Timer 1, có thể hoạt động trong cả chế tiết kiệm năng
lượng (Sleep Mode) với nguồn xung clock ngoài;
 2 bộ CCP, Capture/Compare/PWM – tạm gọi là: Bắt giữ / So sánh / Điều












biến xung;
Chế độ tiết kiệm năng lượng (Sleep Mode);
Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP (In-Circuit Serial Programing);
Nguồn dao động lập trình được tạo bằng công nghệ CMOS;
1 bộ biến đổi tương tự - số (ADC) 10 bit, 8 ngõ vào;
2 bộ so sánh tương tự (Comparator);
1 bộ định thời giám sát (WDT – Watch Dog Timer);
35 tập lệnh có độ dài 14 bit;
Tần số hoạt động tối đa là 29 MHz;
1 cổng nối tiếp (Serial Port);
15 nguồn ngắt (Interrupt).
17


18


o
Sơ đồ chân PIC 16F877A

Hình 3.1 Sơ đồ khối vi điều khiển PIC 16F877A
19

Hình 3.2 kiến trúc bên trong vi điều khiển PIC16F877A
2. Giới thiệu về Module nRF24L01.

2.1 giới thiệu tổng quan chip nRF24L01.
nRF24L01- module là board mạch thiết kế cho giải pháp truyền dữ liệu không dây,
sử dụng chip thế hệ mới nhất nRF24L01+của hãng Nordic's, bổ sung thêm một số
pipelines, buffers, và chức năng auto-retransmit feature , sử dụng băng tần 2.4GHz, sử
dụng giao thức SPI để giao tiếp. Module này rất lý tưởng cho truyền dữ liệu wireless,
multicast và frequency-hopping communication.

20


Hình 3.3 Module nRF24L01
Các thông số cơ bản:
Phần phát.
 Hoạt động ở giải tần 2.4G trên toàn thế giới
 Dòng tiêu thụ thấp 11.3 mA tại công suất phát 0dB Và 12.3mA tại tốc độ
nhận 2Mbps.
 6 luông dữ liệu.
 Có 126 kênh.
 Tự động xử lý gói dữ liệu.
 Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps.
 Công suất phát: Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,18dBm.
Phần thu.
 Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu
 Kếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)
Nguồn cấp.
 Hoạt động từ 1.9-3.6V.

 Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5V.
Giao tiếp.
 4 pin SPI.
 Tốc độ tối đa 8Mbps.
 3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận
Ứng dụng:
21


 Thiết bị ngoại vi không dây.
 Mouse, keyboard, remote.
 Tai nghe không dây.
 Tay cầm game.
 Ngôi nhà thông minh.
Sơ đồ khối cấu trúc nRF24l01

Hình 3.4 sơ đồ khối cấu trúc nRF24L01

22


Sơ đồ chân:

Hình 3.5. Sơ đồ chân nRF24L01
Chức năng của các chân:

Hình 3.6. chức năng của các chân nRF24L01
23

Các thanh ghi trong nRF24L01

Địa
chỉ

Tên

00

CONFIG
Reserved
MASK_RX_DR

Bit

Giá
trị
mặc
định

Kiểu

Mô tả

Thanh ghi cấu hình
7
6

0
0

R/W

Không sử dụng

R/W

0: cho phép ngắt RX sảy ra trên
chân IRQ
1: không cho phép

MASK_TX_DS

5

0

R/W

Cho phép ngắt TX

MASK_MAX_RT

4

0

R/W

Cho phép ngắt MAX

EN_CRC

3

1

R/W

Enable CRC
Số byte mã hóa

CRCO

2

0

R/W

0 : 2 byte
1: 1 byte

02

PWR_UP

1

0

R/W

1: POWER UP, 0:POWER
DOWN

PRIM_RX

0

0

R/W

RX/TX control -1: PRX, 0: PTX

EN_RXADDR

Cho phép địa chỉ nhận

Reserved

7:6

00

Không sử dụng

ERX_P5

5

1

R/W

Cho phép nhận dữ liệu luồng 5

ERX_P4

4

1

R/W

Cho phép nhận dữ liệu luồng 4

ERX_P3

3

1

R/W

Cho phép nhận dữ liệu luồng 3

24

05

ERX_P2

2

1

R/W

Cho phép nhận dữ liệu luồng 2

ERX_P1

1

1

R/W

Cho phép nhận dữ liệu luồng 1

ERX_P0

0

1

R/W

Cho phép nhận dữ liệu luồng 0

RF_CH
Reserved

06

Chọn kênh truyền
7

0

R/W

Không sử dụng

6:0

2

R/W

Thiết lập tần số cho kênh truyền
nhận

RF_SETUP

Thiết lập truyền nhận

Reserved

7:5

000

R/W

Không sử dụng

PLL_LOCK

4

0

R/W

Khóa tín hiệu PLL chỉ sử dụng
trong thử nghiệm

RF_DR

3

1

R/W

“0”: 1 M data rate

“1”: 2M data rate

RF_PWR

2:1

11

R/W

Chọn công suất phát
00' – -18dBm
'01' – -12dBm

07

STATUS

'10' –

-6dBm

'11' –

0dBm

Thanh ghi trạng thái

Reserved

7

0

Không sử dụng

RX_DR

6

0

“0” có dữ liệu mới được nhận

TX_DS

5

0

“0” có dữ liệu mới được truyền

MAX_RT

4

0

RX_P_NO

3:1

111

“111” dữ liệu RX là rỗng
25