CẢNH báo NHIỆT độ và độ ẩm QUA SMS DÙNG PIC (có code và layout)

ĐỒ ÁN 2

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM
QUA SMS DÙNG PIC


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................VII
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU..................................................................................................1
1.1

GIỚI THIỆU CHUNG.....................................................................................................1

1.1.1

Mục đích thực hiện đề tài....................................................................................1

1.1.2

Nhiệm vụ đề tài...................................................................................................1

1.1.3

Hướng thực hiện.................................................................................................1

1.2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................................................2

1.2.1

Tập lệnh RISC.....................................................................................................2

1.2.2

Giao thức USART...............................................................................................3

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ PHẦN CỨNG............................................................................4
2.1

SƠ ĐỒ KHỐI................................................................................................................4

2.2

GIỚI THIỆU LINH KIỆN SỬ DỤNG.................................................................................5

2.2.1

PIC 16F877A......................................................................................................5

2.2.2

LCD (Liquid crystal display) 16x2.....................................................................9

2.2.3

Cảm biến DHT11...............................................................................................11

2.2.4

Module SIM 800A.............................................................................................14

2.3

THIẾT KẾ MẠCH........................................................................................................20

CHƯƠNG 3. PHẦN MỀN.................................................................................................21
3.1

SƠ ĐỒ GIẢI THUẬT....................................................................................................21

3.2

VIẾT CHƯƠNG TRÌNH................................................................................................21

3.3

THI CÔNG..................................................................................................................22

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ.....................................................................................................23
4.1

KẾT QUẢ...................................................................................................................23

CHƯƠNG 5. NHẬN XÉT..................................................................................................24


5.1

NHẬN XÉT 1.............................................................................................................24

5.2

NHẬN XÉT 2.............................................................................................................24

CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN..................................................................................................25
6.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................25

6.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................25

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................26
PHỤ LỤC

27


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1- 1: Cơ chế mã hóa lệnh PIC 16Fxxx.........................................................................2
Hình 1- 2: Sơ đồ khối của khối truyền dữ liệu USART
Hình 2- 1: Sơ đồ khối...............................................................................................................4
Hình 2- 2: Cảm biến DHT11...................................................................................................5
Hình 2- 3: Sơ đồ kết nối vi xử lý.............................................................................................6
Hình 2- 4: Gửi tín hiệu Start...................................................................................................6
Hình 2- 5: PIC 16F877A..........................................................................................................8
Hình 2- 6: Kiến trúc John von Neumann.............................................................................9
Hình 2- 7: Kiến trúc Harvard và John von Neumann........................................................9

Hình 2- 8: Chức năng cơ bản PIC 16F877A......................................................................10
Hình 2- 9: Sơ đồ khối PIC 16F877A....................................................................................11
Hình 2- 10: Sơ đồ chân PIC 16F877A.................................................................................12
Hình 2- 11: LCD KeyPad Shield..........................................................................................12
Hình 2- 12: Sơ đồ chây kết nối LCD và Arduino...............................................................13
Hình 2- 13: Module SIM800A..............................................................................................14
Hình 2- 14: Sơ đồ mạch điều khiển linh kiện.....................................................................20
Hình 2- 15: Sơ đồ mạch in..................................................................................................20Y
Hình 3- 1: Mạch in trên board đồng

2

Hình 4- 1: Mạch thực tế........................................................................................................23
Hình 4- 2: Kết quả tin nhắn trên điện thoại.......................................................................24


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CNC
LCD
PIC
RISC
SIM
SMS
UART

Computer Numerical Control
Liquid crystal display
Programable Intelligent Computer
Reduced Instruction Set Computer

Subscriber Identity Module
Short Message Services
universal asynchronous receiver-transmitter
Universal Synchronous Asynchronous Receiver
USART Transmitter


ĐỒ ÁN 2
Trang 1/34

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung
Với kĩ thuật hiện vi xử lý nay thì việc phát triển tích hợp và lập trình là tương đối dễ
dàng. Để làm một mạch báo nhiệt độ là tương đối dễ đàng, nhưng điều đó chưa đủ.
Chúng ta cần phải có những mạch chuẩn đoán với nhiều tính năng hơn và thông
minh hơn.
1.1.1 Mục đích thực hiện đề tài
Sử dụng vi điều khiển Pic và các linh kiện, ta có thể dễ dàng làm ra một mạch cảnh
báo nhiệt độ, độ ẩm. Và với ý tưởng đó chúng ta có thể áp dụng vào nhà kính để
cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm cây trồng để tạo điều kiện thích phát triển hoặc một vài ví
dụ khác như: sư dụng cho vật nuôi, báo cáo nhiệt độ cho nhà, v.v…
1.1.2 Nhiệm vụ đề tài
Thiết kế mạch cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm. Sử dụng PIC 16F877A và module
SIM800A để giao tiếp và truy xuất dữ liệu từ. Xây dựng phần cứng hệ thống.
1.1.3 Hướng thực hiện
Nghiên cứu phương pháp lý thuyết để tổng hợp và phân tích đề tài từ đó xây dựng lí
luận.

Tìm hiểu linh kiện nhiệt độ là gì tính toán số liệu kết hợp với viết code điều khiển
PIC để thực hiện điều kiện nhập xuất dữ liệu tính toán các thành phần từ mạch, xử lí
số liệu được thông qua rồi xuất dữ liệu qua Module SIM.
Mạch điều khiển thiết bị ta có thể sử dụng relay và kết hợp transitor dể điều khiển
giúp thiết bị hoạt động ổn định và hiệu quả.
1.2 Cơ sở lý thuyết
1.1.4 Tập lệnh RISC
Tập lệnh rút gọn của RISC, bao gồm 35 lệnh, chia thành 3 nhóm cơ bản:
Thao tác trên bit
Thao tác trên byte

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 2/34

Điều khiển

Hình 1- 1: Cơ chế mã hóa lệnh PIC 16Fxxx

1.1.1 Giao thức USART
USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) là một trong
hai tiêu chuẩn nối tiếp, còn được gọi là giao diện giao tiếp nối tiếp nối tiếp. Có thể
sử dụng giao diện này, vào các giao tiếp với các thiết bị ngoại vi, với các vi điều
khiển khác hoặc với máy tính. Các dạng của giao diện USART bao gồm:
Bất đồng bộ
CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS

ĐỒ ÁN 2
Trang 3/34

Đồng bộ _ Master mode.
Đồng bộ _ Slave mode

Hình 1- 2: Sơ đồ khối của khối truyền dữ liệu USART

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 4/34

CHƯƠNG 2.

THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1.3 Sơ đồ khối

Hình 2- 1: Sơ đồ khối

Khối bắt đầu giống như khối nguồn để cung cấp nguồn cho các khối còn lại, tùy
theo đáp ứng từng khối, mà khối nguồn cung cấp có hiệu điện thế khác nhau cho
các khối. Khối xử lý, khối điều khiển, khối hiện thị thiết bị sử dụng nguồn DC 5V,
khối nhận dữ liệu sử dụng nguồn DC 3.3V.
Khối xử lý đống vai trò chính trong hệ thống. Thực hiện các chức năng trao đổi dự
liệu thông qua khối nhận dữ liệu. Từ đó đưa ra các yêu cầu đến khối gửi thông tin
và khối hiện thị. Ở đây, PIC 16F877A đóng vai trò là khối xử lý.
Khối xử lý phát lệnh tới khối hiển thị, nhằm thể hiện thông tin để người dùng dễ

theo dõi trực quan, sử dụng LCD nhằm hiển thị đầy đủ thông tin cần thiết.

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 5/34

Khối gửi thông tin là khối sau cùng của hệ thống. Nhận thực hiện các yêu cầu của
khối xử lý để điều khiển phát tín hiệu như SMS. Để có thể kiểm soát thông tin các
thiêt bị hiểu quả. Ta có thể sử dụng Module SIM.
1.4 Khối cảm biến

Hình 2- 2: Cảm biến DHT11

DHT11 là một con cảm biến nhiệt độ, độ ẩm. Nó được ra đời để kiểm tra nhiệt độ,
độ ẩm khi cần độ chính xác ít cao hơn.
Thông số kỹ thuật:
Đo độ ẩm: 20%-95%
Đo nhiệt độ: 0-50ºC
Sai số độ ẩm, nhiệt độ: ±5%,±2ºC

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 6/34

Hình 2- 3: Sơ đồ kết nối vi xử lý

Nguyên lý hoạt động:
Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn thì 1 chân vi xử lý thực hiện theo 2 bước:
Gửi tin hiệu (Start) tới cảm biến DHT11, sau đó DHT11 sẽ xác nhận lại. Để nhận
biết được DHT11, cảm biến sẽ gửi lại nhiệt độ đo được và số byte dữ liệu.
Bước 1: gửi tín hiệu Start

Hình 2- 4: Gửi tín hiệu Start

MCU sẽ thiết lập chân DATA là Output, kéo chân DATA xuống mức 0 trong khoảng
thời gian lớn hơn 18ms. Lúc đó cảm biến DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị
nhiệt độ và độ ẩm.
MCU đẩy chân DATA lên 1, rồi thiết lập lại là chân đầu vào.

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 7/34

Khoảng 20-40us sau đó, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp. Nếu lớn hơn 40us
mà chân DATA ko được kéo xuống thấp thì nghĩa là không thể giao tiếp được với
DHT11.
Khi chân DATA ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo lên cao trong 80us.
Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với
DHT11 ko. Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao
tiếp của MCU với DHT.
Bước 2: đọc giá trị trên DHT11
Cảm biến DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ, độ ẩm trở về dưới dạng 5 byte. Trong đó:
Byte 1: value phần nguyên độ ẩm (RH%)
Byte 2: value phần thập phân độ ẩm (RH%)

Byte 3: value phần nguyên nhiệt độ (TC)
Byte 4 : value phần thập phân nhiệt độ (TC)
Byte 5 : kiểm tra tổng.
Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá trị đưa ra chính xác, ngược
lại kết quả không có ý nghĩa.
Đọc dữ liệu:
Khi giao tiếp với DHT11, DHT11 sẽ gửi 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia
thành 5 byte đó là kết quả của nhiệt độ và độ ẩm.
Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên
1. Chân DATA trong khoảng 26-28 us thì là 0, 70us là 1. Do đó trong lập trình ta bắt
sườn lên của chân DATA, sau đó làm trễ 50us. Giá trị đo 0 là bit 0, 1 là bit 1. Cứ
như thế ta đọc các bit tiếp theo.

1.5 Khối xử lý
PIC 16F877A được sử dụng cho khối xử lý

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 8/34

Hình 2- 5: PIC 16F877A

PIC 16F877A là mạch vi xử lý, nhằm để điều khiển.
Kiến trúc PIC gồm 2 dạng: John von Neumann và Havard
John von Neumann:

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS

ĐỒ ÁN 2
Trang 9/34

Hình 2- 6: Kiến trúc John von Neumann

Với John von Neumann thì gồm bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình nằm chung
trong một bộ nhớ, dễ cân đối bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu. Tuy nhiên cần
đòi hỏi tốc độ xử lý CPU rất cao không thì vô nghĩa, cho nên kiến trúc John von
Neumann không thích hợp với kiến trúc một vi điều khiển.
Havard:

Hình 2- 7: Kiến trúc Harvard và John von Neumann

Nhìn vào kiến trúc của Havard và John von Neumann sự khác biệt là cấu trúc bộ
nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình.
Kiến trúc Harvard bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình tách làm hai phần riêng
biệt, nhờ vậy tốc độ xử lý sẽ được cải thiện đáng kể.
Kiến trúc Havard là một khái niệm mới hơn John von Neumann. Nhờ sự cải thiện
về tốc độ xử lý nên tạo ra khái niệm. Việc tách rời bộ nhớ chương trình và bộ nhớ

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 10/34

dữ liệu, bus chương trình và bus dữ liệu, CPU có thể cùng lúc truy xuất dữ liệu giúp
tang tốc độ xử lý lên gấp đôi.
PIC16F877A là loại vi điều khiển 8bit tầm trung của hãng microchip.

PIC16F877A có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC (Reduced Instruction
Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản.
Tất cả các lệnh được thực hiện trong một chu kì lệnh ngoại trừ các lệnh rẽ nhánh.
Chức năng cơ bản:

Hình 2- 8: Chức năng cơ bản PIC 16F877A

Sơ đồ khối:

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 11/34

Hình 2- 9: Sơ đồ khối PIC 16F877A

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 12/34

Sơ đồ chân:

Hình 2- 10: Sơ đồ chân PIC 16F877A

1.6 Khối hiển thị

Hình 2- 11: LCD KeyPad Shield

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 13/34

Màn hình LCD (Liquid crystal display) là loại một loại thiết bị hiển thị cấu tạo bởi
các tế bào,(các điểm ảnh) chứa tinh thể lỏng có khả năng thay đổi tính phân cực của
ánh sáng cho nên thay đổi cường độ ánh sáng truyền qua khi kết hợp với các kính
lọc phân cực. LCd 16x2 có 2 hàng và 16 cột.
Sơ đồ sử dụng các chân khi gắn shield

Hình 2- 12: Sơ đồ chây kết nối LCD và Arduino

VSS: tương đương với GND - cực âm
VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V)
Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ tương phản màn hình
Register Select (RS): điều khiển địa chỉ ghi dữ liệu
Read/Write (RW): Đọc (read mode), ghi (write mode) dữ liệu
Enable pin: Chấp nhận cho phép ghi vào LCD
D0 - D7: 8 chân dữ liệu
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): bật tắt đèn màn hình
LCD.

1.7 Khối phát thông tin

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS

ĐỒ ÁN 2
Trang 14/34

Hình 2- 13: Module SIM800A

Module GSM SIM800 có khả năng nhắn tin SMS, nghe, gọi,… như một điện thoại
có kích thước nhỏ nhất trong các loại module SIM (25 mm x 22 mm). Để điều khiển
module sim ta sử dụng tập lệnh AT.
Nguồn cấp: 3.7 - 4.2VDC, có thể sử dụng với nguồn dòng thấp từ 500mA trở lên
(như cổng USB, nguồn từ board Arduino).Dùng nguồn 1A để mạch chạy ổn định.
Khe cắm SIM: MicroSIM
Dòng ở chế độ chờ: 10mA
Dòng lúc hoạt động: 100mA đến 1A.
Hỗ trợ bằng 4 băng tần phổ biến.
Kích thước: 25 mm x 22mm.
Bảng chức năng chân

Tên

I/O

Mô tả

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS

Đặc tính


ĐỒ ÁN 2
Trang 15/34

điện
Có năm chân VBAT dùng để cung cấp Vmax= 4.5V

VBAT

nguồn hoạt động cho module

Vmin=3.4V
Vnorm=4.0

BACKUP

CHG_IN

I/O

I

Ngõ vào nguồn cho bộ thời gian thực

V
Vmax=2.0V

của module khi không có nguồn

Vmin=1.2V

chính. Và cung cấp một dòng ra dành

Vnorm=1.8

cho nguồn dự trữ khi có nguồn

V

chính,để tiết kiệm năng lượng của

Inorm=

nguồn dự trữ.
Nguồn cung cấp cho bộ sạc pin của

20uA
Vmax=5.25

module. Đồng thời giúp cho module

V

nhận ra bộ sạc.

Vmin=1.1
*VBAT
Vnorm=5.1
V

GND

Chân nối đất dành cho các ứng dụng

PWRKEY

số.
Ngõ vào dùng để mở và tắt nguồn

VILmax=0.3

chính của module. Chân này được nối

*VBAT

I

với một nút nhấn. Để mở và tắt nguồn VIHmin=0.7
của module,phải nhấn nút nhấn để giữ *VBAT
chân này ở mức thấp trong một

VImax=VB
AT

MIC1P

I

khoảng thời gian ngắn.
Ngõ vào của microphone 1.

MIC1N
MIC2P

I

Ngõ vào của microphone 2.

MIC2N

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 16/34

SPK1P

O

Ngõ ra của loa 1.

SPK1N
SPK2P

O

Ngõ ra của loa 2.

O

Ngõ ra dành cho còi báo.
Chân nối đất dành cho các ứng dụng

SPK2N
BUZZER
AGND
DISP_D0
DISP_CLK
DISP_A0
DISP_EN

I/O

tương tự.
Ngõ vào ra để kiểm tra đường truyền

O
O

dữ liệu.
Ngõ ra kiểm tra xung Clock.
Ngõ ra kiểm tra dữ liệu và địa chỉ (có

O

thể được lựa chọn bằng phần mềm).
Ngõ ra cho phép hiển thị.

VILmin=0V
VILmax=0.9
VIHmin=2.0
VIHmax=

3.2
VOLmin=G
ND
VOLmax=0.
2V
VOHmin=2.
7
VOHmax=2.

KCOL0~KC I/O

Các ngõ vào ra dành cho phím

9
VILmin=0V

OL4

bấm,bảng nút nhấn.

VILmax=0.9

KROW0~K

VIHmin=2.0

ROW4

VIHmax=
3.2

VOLmin=G
ND
VOLmax=0.
2V

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 17/34

VOHmin=2.
7
VOHmax=2.
9
Các ngõ vào ra với mục đích chung.
NETLIGHT O
Ngõ ra cho biết trạng thái hoạt động
STATUS

O

của module GSM.
Ngõ ra cho biết các trạng thái hoạt
động của các ứng dụng khác có

GPIO5

I/O

GPIO32

VILmin=0V
VILmax=0.9
VIHmin=2.0
VIHmax= 3.2

trong module.
Ngõ vào ra dùng chung cho các mục
đích khác.

VOLmin=GN
D
VOLmax=0.2
V
VOHmin=2.7
VOHmax=2.9

Port nối tiếp 1
DTR
I

Ngõ vào cho biết giao tiếp đã sẵn

VILmin=0V
VILmax=0.9

RXD
TXD
RTS

CTS
RI
DCD

sàng.
Ngõ vào nhận dữ liệu,
Ngõ ra truyền dữ liệu.
Ngõ vào yêu cầu gửi dữ liệu.
Sẵn sàng để gửi dữ liệu.
Ngõ ra cho biết trạng thái hoạt động.
Ngõ ra cho biết dữ liệu đã được gửi
đi.

VOLmax=0.2

I
O
I
O
O
O

Port nối tiếp 2
DEBUG_TX O
DEBUG_R I

Port dùng để sửa lỗi và giao tiếp
bằng tập lệnh AT.

X

Các chân dành cho SIM card
VSIM
O
Nguồn cung cấp cho SIM
card
CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS

VIHmin=2.0
VIHmax= 3.2
VOLmin=GN
D
V
VOHmin=2.7
VOHmax=2.9

Có 2 loại nguồn cung
cấp 1.8V và


ĐỒ ÁN 2
Trang 18/34

2.85V.Được lựa chọn
SIM_DATA
SIM_CLOC

I/O

Chân truyền nhận dữ liệu với

O

SIM.
Xung nhịp cho SIM.

K
SIM_PRESE I

Chân để nhận biết có SIM

NCE
SIM_RESE

card.
Chân để reset SIM.

O

bởi phần mềm.
VILmin=0V
VILmax=0.3* VSIM
VIHmin=0.7* VSIM
VIHmax= VSIM
+0.3
VOLmin=GND
VOLmax=0.2V

T

VOHmin= VSIM

-0.2
VOHmax= VSIM
Ứng dụng ADC
AUXADC1 I

TEMP_BAT

I

Ngõ và dành cho mục đích

Điện áp ngõ vào từ 0-

chuyển đổi từ dạng tương tự

24V.

sang dạng số.
Ngõ vào cho biết nhiệt độ
của pin.

1.8 Thiết kế mạch

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 19/34

Hình 2- 14: Sơ đồ mạch điều khiển linh kiện

Sử dụng khối nguồn với LM2596 để cấp điện áp vi điều khiển khi cấp nguồn vào
khối điều khiển. Khối điều khiển sẽ có transistor và thạch anh để thiết bị có thể cấp
xung và an toàn.

Hình 2- 15: Sơ đồ mạch in

CHƯƠNG 3.

SƠ ĐỒ VÀ THI CÔNG

1.9 Sơ đồ giải thuật

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS


ĐỒ ÁN 2
Trang 20/34

1.10 Viết chương trình
Sử dụng ngôn ngữ lập trình C và tập lệnh AT để viết code điều khiển cho PIC
16F877A và Module SIM800A.

CẢNH BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM QUA SMS