Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế mô hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.11 MB, 87 trang )
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
LỜI NÓI ĐẦU
Trong cuộc sống ngày nay, trên nền tảng của sự phát triển về công nghệ thông
tin, điện dân dụng… các sản phẩm khoa học công nghệ dần được đưa vào ứng dụng
trong đời sống sản xuất và đời sống sinh hoạt của con người. Sự kết hợp các tính
năng ưu việt của Smartphone, máy tính, cảm biến với các thiết bị điện dân dụng…
đem lại cho con người những trải nghiệm về một thế giới thi ết b ị t ự động. Góp phần
làm cho điều kiện cuộc sống ngày một được nâng cao, nhu cầu về giải trí hưởng thụ
được cải thiện. Một trong những ý tưởng đó đã được phát triển ứng dụng và được
nhiều người quan tấm đến trong thời gian gần đây, đó là khái niệm về “nhà thông
minh”. Tính năng tự động của nó đem lại, mà hiện nay các ngôi nhà thông minh ngày
càng được đưa vào sử dụng rộng rãi trong thực tế, không chỉ đối với các căn biệt thự
… mà ý tưởng này còn có thể được mở rộng ứng dụng cho những ngôi nhà dân dụng
với mức chi phí bình thường. Từ nhu cầu thực tế muốn ước mơ về sử dụng thiết bị
điện dân dụng tự động đến với mọi người dân, đồ án của chúng em đề xuất và xây
dựng đề tài “Thiết kế mô hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển ”. Với sự
giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS. Đặng Ngọc Trung cùng các thầy cô giáo trong bộ
môn Kỹ Thuật Điện cùng với sự nỗ lực của cả nhóm đồ án chúng em, đến nay đồ án
của chúng em đã hoàn thành. Do kiến thức của chúng em còn hạn chế nên đề tài của
chúng em không tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong sự chỉ bảo, góp ý của
các thầy cô giáo cùng các bạn sinh viên để nội dung của đề tài thực sự hoàn thiện và
được ứng dụng hiệu quả hơn trong đời sống.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đặng Ngọc Trung, cảm ơn các
thầy cô giáo trong bộ môn Kỹ Thuật Điện đã tận tình giúp đỡ chúng em để đề tài của
chúng em được hoàn thành đúng thời hạn.
Thái Nguyên, ngày 28 tháng 11 năm 2018
Giáo viên hướng dẫn Nhóm sinh viên thực hiện
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 1
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
TS. Đặng Ngọc Trung
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 2
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 3
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
.............................................................................................................................................
Contents
LỜI NÓI ĐẦU
........................................................................................................
1
Contents
...................................................................................................................
4
PHẦN 1
....................................................................................................................
5
ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
................................................................................
5
1.1.Giới thiệu về hệ thống nhà thông minh
.......................................................
5
1.2.Đặt bài toán
...................................................................................................
8
1.3.Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thông minh
............................
9
PHẦN 2
..................................................................................................................
10
TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ VI ĐIỀU KHIỂN
................
10
PIC 16F877A CÙNG MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC
....................
10
2.1.Hệ điều hành Android
.................................................................................
10
2.2.Vi điều khiển PIC 16F877A
........................................................................
12
PHẦN 3
..................................................................................................................
35
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH NHÀ Ở
.................
35
DÂN DỤNG THÔNG MINH
................................................................................
35
3.1.Thiết kế phần cứng
....................................................................................
35
3.2. Xây dựng phần mềm
..................................................................................
68
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 4
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
3.3. Kết luận và định hướng phát triển
...........................................................
85
TÀI LIỆU THAM KHẢO
..................................................................................
86
PHẦN 1
ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu về hệ thống nhà thông minh
Nhà thông minh (tiếng Anh là "Smart Home") hoặc hệ thống nhà thông minh là
một ngôi nhà/ căn hộ được trang bị hệ thống tự động tiên tiến dành cho điều khiển đèn
chiếu sáng, nhiệt độ, truyền thông đa phương tiện, an ninh, cửa tự động và nhiều tính
năng khác nhằm mục đích làm cho cuộc sống ngày càng tiện nghi, an toàn và góp phần
sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.
Theo wiseGeek, một ngôi nhà (hoặc căn hộ) được coi là "thông minh" bởi vì hệ
thống máy tính/điện thoại của nó có thể giám sát được nhiều khía cạnh diễn ra xung
quanh ngôi nhà của chúng ta thường ngày.Một trong những ví dụ cơ bản nhất của nhà
thông minh là một hệ thống kiểm soát mức độ chiếu sáng của hệ thống đèn giúp tiết
kiệm điện và phù hợp với khung cảnh, chẳng hạn như cài đặt đèn ánh sáng nhẹ cho
các bữa tiệc tối. Hệ thống cũng có thể điều chỉnh rèm cửa theo yêu cầu, kiểm soát
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 5
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
nhiệt độ, hệ thống báo sự cố khí gas, hệ thống đóng mở cửa tự động, hệ thống phòng
ngừa trộm…Nhà thông minh ngoài ra còn có một số ứng dụng sáng tạo hơn, gồm hệ
thống điều khiển giải trí loa đài với công suất khác nhau, hệ thống tưới nước...
Các chức năng này có thể được thực hiện nhờ việc ghép nối các thiết bị
điệntrong nhà với bộ điều khiển trung tâm thông qua hệ thống máy tính/điện thoại để
có thể theo dõi các trạng thái và ra các quyết định điều khiển phù hợp.
Nhà thông minh đã được hình dung trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng từ
nhiều năm nhưng nó chỉ trở thành hiện thực kể từ thế kỷ 20 sau sự phát triển rộng rãi
của ngành điện điện tử và những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ thông tin, theo
Wikipedia. Công nghệ nhà thông minh ngày càng trở nên tinh vi,các tín hiệu điều
khiển và giám sát được mã hóa truyền đi thông qua hệ thống dây dẫn hoặc mạng
không dây đến các bộ chuyển mạch, ổ điện được lập trình sẵn để vận hành các đồ gia
dụng và thiết bị điện tử ở trong ngôi nhà. Sự tự động hóa của ngôi nhà đặc biệt có ích
cho người lớn tuổi và người tàn tật, những người muốn sống tự lập.
Việc lắp đặt các sản phẩm thông minh đem lại cho ngôi nhà và chủ nhân của nó
rất nhiều lợi ích – tương tự như những lợi ích mà công nghệ và máy tính cá nhân đã
đem lại cho chúng ta 30 năm qua, bao gồm: sự tiện nghi, tiết kiệm thời gian, tiền bạc
và năng lượng.
Các thành phần của hệ thống nhà thông minh bao gồm các cảm biến (như cảm
biến nhiệt độ, cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng, cảm biến âm thanh, cảm
biến khí gas…), các bộ điều khiển (PLC, vi điều khiển…), máy tính, khối thu phát tín
hiệu (wifi, Bluetooth…)và các thiết bị chấp hành khác (Rơ le trung gian…). Nhờ hệ
thống cảm biến, các bộ điều khiển và máy tính/điện thoại mà con người có thể theo
dõi các trạng thái bên trong ngôi nhà dù chúng ta đang ở bất cứ đâu, để đưa ra các
quyết định điều khiển các thiết bị chấp hành một cách phù hợp nhằm đảm bảo sự an
toàn cũng như đem lại cho người sử dụng một môi trường sống tốt nhất.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 6
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Hình1.1. Mô hình hệ thống nhà thông minh
Trên thế giới, nhiều kiến trúc sư đang bắt đầu cân nhắc đến nhà thông minh
trong khi thiết kế và xây dựng nhà. Khi đó, hệ thống được tích hợp ngay trong quá trình
xây dựng thì chi phí cho việc lắp đặt, bảo trì sẽ giảm xuống đồng thời toàn bộ hệ
thống điện trong tòa nhà cũng sẽ đồng bộ và linh hoạt hơn. Tuy nhiên, các ngôi nhà
hoặc căn hộ đã xây dựng trước đây cũng vẫn có thể sửa đổi để tích hợp hệ thống
thông minh vào, đem lại những cảm giác mới cho ngôi nhà của chúng ta.
Hiện nay, trong lĩnh vực nhà thông minh, các kỹ sư vẫn đang tiếp tục sáng tạo
để tạo ra nhiều tiện ích hơn nữa cho ngôi nhà cũng như tối ưu hóa về triển khai lắp
đặt một ngôi nhà thông minh. Trong tương lai không xa, ngôi nhà thông minh có thể có
khả năng “tư duy” để tự điều chỉnh các thiết bị một cách phù hợp và có khả năng giao
tiếp với con người như trong các bộ phim viễn tưởng là có cơ sở trở thành hiện thực.
Cuối những năm 1990, nhà thông minh vẫn được xem là một thứ xa xỉ của nhà
giàu. Tuy nhiên, với sự ra đời và phổ biến của công nghệ vi điện tử và chi phí ngày
càng giảm của chúng thì các công nghệ điều khiển thông minh có thể được ứng dụng
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 7
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
rỗng rãi hơn và đem lại cho mọi người dân có mức sống trung bình có thể làm chủ
được ngôi nhà thông minh trong tầm tay.
Với sự phát triển vũ bão của công nghệ thông tin, internet và chi phí cho hệ
thống nhà thông minh đã giảm xuống trong thời gian gần đây. Nhu cầu người sử dụng
đã tăng cao đáng kể. Theo hãng ABI Research, năm 2012 đã có hơn 1,5 triệu hệ thống
nhà thông minh được lắp đặt ở Mỹ và dự kiến con số này sẽ tăng đến 8 triệu vào năm
2017. Trong tương lai không xa, có thể hi vọng nhà thông minh sẽ là một xu hướng
mới cho cuộc sống của con người hiện đại.
1.2. Đặt bài toán
Xuất phát từ nhu cầu mở rộng quy mô ứng dụng hệ thống nhà thông minh
không chỉ tập trung cho các nhà biệt thự, khách sạn… phục vụ cho các tầng lớp giàu có
thượng lưu, mà còn đem lại cho người có mức thu nhập trung bình có được cơ hội sở
hữu ngôi nhà thông minh với một số tính năng tự động nhất định của riêng mình trong
khả năng kinh tế có hạn. Vì vậy trong phạm vi của đề tài đề xuất xây dựng mô hình
nhà ở dân dụng nhà thông minh, đảm bảo cho ngôi nhà có được một số tính năng tự
động như sau:
Đóng mở cửa và bật tắt hệ thống chiếu sáng từ xa thông qua điện thoại/máy
tính, modul Bluetooth HC06 kết nối với vi điều khiển trung tâm.
Bật tắt các thiết bị bằng giọng nói thông qua điện thoại gửi đến modul
Bluetooth HC06 kết nối với vi điểu khiển trung tâm
Đóng mở cửa và bật tắt hệ thống chiếu sáng từ xa bằng việc giải mã tín hiệu
DTMF của điện thoại.
Hiển thị nhiệt độ phòng, nồng độ khí gas trên LCD hoặc máy tính/điện thoại
giám sát.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 8
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Tự động phát hiện và báo sự cố khí gas khi quá nồng độ cho phép thông qua
còi báo động, đồng thời ngắt Rơ le trung gian cấp điện xoay chiều cho toàn hệ thống
điện của ngôi nhà, đến khi sự cố được giải trừ thì tự động đóng Rơ le trung gian trở
lại để cấp điện cho ngôi nhà hoạt động bình thường.
1.3. Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thông minh
Về bản chất mô hình nhà thông minh đề xuất trong đề tài được vận hành: Đóng
cắt từ xa thiết bị điện chiếu sáng và đóng mở cửa qua bộ điều khiển trung tâm .
Việc đóng mở cửa và đóng cắt thiết bị chiếu sáng thông qua bộ điều khiển trung tâm
giúp cho người sử dụng có thể vận hành các thiết bị ở bất cứ vị trí nào bằng ba cách:
Cách 1: Điều khiển ở khoảng cách gần thông qua modul blutooth HC06 lúc này
tất cả các hiệu lệnh đóng cắt thiết bị của người sử dụng thông qua các nút ấn trên bàn
phím của máy tính hay điện thoại, được mã hóa thành tín hiệu nhờ phần mềm ứng
dụng trên hệ điều hành Android và gửi tín hiệu về vi điều khiển thông qua kênh
Bluetooth của modul Bluetooth HC06, tín hiệu sẽ được xử lý thông qua mã chương
trình đã được lập trình sẵn trong vi điều khiển, từ đó phát tín hiệu điều khiển tới Rơ le
trung gian để cấp điện cho động cơ cửa tự động hay thiết bị chiếu sáng.
Cách 2: Điều khiển ở khoảng cách gần bằng giọng nói thông qua modul
blutooth HC06 lúc này tất cả các hiệu lệnh đóng cắt thiết bị của người sử dụng thông
qua các khẩu lệnh giọng nói của ta truyền đến, được mã hóa thành tín hiệu nhờ phần
mềm ứng dụng trên hệ điều hành Android và gửi tín hiệu về vi điều khiển thông qua
kênh Bluetooth của modul Bluetooth HC06, tín hiệu sẽ được xử lý thông qua mã
chương trình đã được lập trình sẵn trong vi điều khiển, từ đó phát tín hiệu điều khiển
tới Rơ le trung gian để cấp điện cho các thiết bị.
Cách 3: Điều khiển ở khoảng cách xa bằng việc giải mã âm bàn phím nhờ
modul DTMF sẽ chuyển từ tín hiệu âm thanh sang tín hiệu dạng số và được đưa tới bộ
xủ lý trung tâm thông qua modul DTMF từ đó sẽ được xử lý và đưa ra lệnh điều khiển
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 9
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
đóng mở các thiết bị. Bên cạnh đó trong mô hình nhà ở dân dụng thông minh còn bố trí
các công tắc ở mỗi phòng để bật tắt thiết bị chiếu sáng bằng tay.
Ngoài ra nhờ các cảm biến nhiệt độ và cảm biến khí gas MQ2 và thông qua vi
điều khiển và modul Bluetooth sẽ hiển thị các thông số nhiệt độ phòng cũng như nồng
khí gas trên LCD, máy tính và điện thoại, để người sử dụng có thể giám sát được đảm
bảo sự an toàn trong ngôi nhà tốt nhất. Một điều đáng chú ý đó là chế độ cảnh báo sự
cố rò rỉ khí gas trong ngôi nhà thông qua chương trình cài đặt sẵn trong vi điều khiển
đưa tín hiệu báo động ra còi báo động khi khí gas vượt quá ngưỡng cho phép, đồng thời
giải trừ sự nguy hiểm cho toàn bộ hệ thống điện trong ngôi nhà nhờ tín hiệu từ vi điều
khiển đưa đến Rơ le trung gian tổng, ngắt điện lưới toàn hệ thống của ngôi nhà, đảm
bảo hạn chế sự cháy nổ do điện gây ra. Khi sự cố khí gas đã được giải trừ thì hệ
thống lại tự động đóng tiếp điểm của Rơ le trung gian tổng cấp điện lại cho toàn hệ
thống trong ngôi nhà.
PHẦN 2
TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ VI ĐIỀU
KHIỂN
PIC 16F877A CÙNG MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC
2.1. Hệ điều hành Android
2.1.1. Khái niệm
Android là một hệ điều hành mã nguồn mở dành cho thiết bị di động như
Smartphone, Tablet hay Netbook (thường gọi chung là thiết bị cầm tay thông minh).
Android do Google phát triển dựa trên nền tảng Linux kernel phiên bản 2.6 và các phần
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 10
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
mềm mã nguồn mở. Bất kỳ một hãng sản xuất phần cứng nào cũng đều có thể tự do
sử dụng hệ điều hành Android cho thiết bị của mình, miễn là các thiết bị ấy đáp ứng
được các tiêu chuẩn cơ bản do Google đặt ra (như có cảm ứng chạm đa điểm, GPS,
3G,…). Nhờ tính mở miễn phí và những ưu điểm của hệ điều hành này, ngày nay các
thiết bị cầm tay sử dụng hệ điều hành này càng nhiều và phổ biến. Và một ưu điểm
nữa là hầu như các thiết bị Android là đều được tích hợp công nghệ Bluetooth, vì thế
người dùng có thể dễ dàng kết nối được với mạch để điều khiển. Việc điều khiển trở
lên thuận tiện và tiết kiệm chi phí. Nhờ vào tính mở của hệ điều hành Android chúng
ta có thể phát triển ứng dụng một cách tối ưu, phù hợp cho bộ điều khiển.
Từ những thuận lợi đó, việc tạo một ứng dụng trên chiếc Mobile Android thật
sự dễ dàng, ứng dụng này sẽ có chức năng chính là truyền, nhận dữ liệu qua Bluetooth
để điều khiển bảng thiết bị. Và việc này được thực hiện trên những chiếc điện thoại
sử dụng hệ điều hành Android mà mọi người thường dùng hằng ngày.
2.1.2. Cấu trúc hệ điều hành Android
Kiến trúc hệ điều hành Android gồm 4 tầng, từ dưới lên trên là tầng hạt nhân
Linux (v2.6), tầng Libraries & Android Runtime, tầng Application Framework và trên
cùng là tầng Application. Mô hình tổng thể của các thành phần bên trong hệ thống sử
dụng Android được mình họa trong (Hình 2.1).
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 11
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Hình 2.1. Minh Kiến trúc của hệ điều hành Android
Android là một hệ điều hành có tính mở, khác với nhiều hệ điều hành di động
khác, android cho phép một ứng dụng của bên thứ ba được phép chạy nền. Các ứng
dụng đó chỉ có một hạn chế nhỏ đó là nó không được phép sử dung quá 5~10% công
suất CPU, điều đó nhằm để tránh độc quyền trong việc sử dụng CPU. Ứng dụng
không có điểm vào cố định, không có phương thức main để bắt đầu.
2.2.
Vi điều khiển PIC 16F877A
Vi điều khiển PIC 16F877A là loại vi điều khiển 8 bit tầm trung của hãng
Microchip, là loại vi điều khiển có kiến trúc Havard, sử dụng tập lệnh kiểu RISC
(Reduced Instruction Set Computer) với chỉ 35 lệnh cơ bản, tất c ả các lệnh được thực
hiện trong một chu kỳ lệnh trừ các lệnh rẽ nhánh.
2.2.1. Sơ đồ chân vật lý của PIC 16F877A
Vi điều khiển PIC 16F877 A bao gồm 40 chân vật lý được bố trí như Hình 2.2
dưới đây. Bao gồm:
+ Các chân nguồn: Chân 11, 32 là các chân VDD (+5v)
Chân 12, là các chân VSS (0v)
+ Chân reset : chân số 1 MCLR là chân reset của pic chân này có nhiệm vụ khởi
động lại VĐK PIC
+ 4 cổng xuất nhập tín hiệu:
PORT A và thanh ghi TRIS A; PORT B và thanh ghi TRIS B
PORT C và thanh ghi TRIS C; PORT D và thanh ghi TRIS D
+ Bộ đếm và định thời
PIC 16F877A gồm 3 timer:
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 12
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
TIMER 0 là bộ đinh thời 8bit timer hoạt động ở 2 chế độ: chế độ định thời và
chế độ đếm.
TIMER 1 là bộ định thời 16 bit được tạo thành từ 2 thanh ghi 8bit TMR1L và
TMR1H.
TIMER 2 là bộ định thời 8 bit được ứng dụng để điều chế độ rộng xung
(PWM).
+ Các ngắt thông dụng:
Ngắt tràn timer 0; Ngắt RB RB4RB7; Ngắt EXT RB0; Ngắt truyền thông
Ngoài ra PIC 16F877A còn có 2 chân băm xung PWM CCP1 và CCP2 với chu kỳ xung
là khoảng thời gian để giá trị thanh ghi TMR2 tăng đến giá trị thanh ghi PR2.
Hình 2.2. Sơ đồ chân vật lý của PIC 16F877A
2.2.2. Sơ đồ tối thiểu để PIC 16F877A có thể hoạt động được
Để họ vi điều khiển PIC nói chung và PIC16F877A nói riêng hoạt động được
phải
đảm bảo các chân vật lý của vi điều khiển tối thiểu phải được đấu như Hình 2.3.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 13
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Hình 2.3. Sơ đồ tối thiểu đảm bảo sự hoạt động của PIC 16F877A
2.3.
Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong đề tài
2.3.1 Cảm biến khí gas
Để đo nồng độ khí gas (trường hợp rò rỉ khí gas trong ngôi nhà) và hiển thị lên
LCD hay máy tính/điện thoại, trong đề tài sử dụng cảm biến khí gas MQ2 với các
thông số vật lý như sau:
Điện áp sử dụng : +5V
Aout: điện áp ra tương tự. Nó có giá trị từ 0.3V đến 4.5V, phụ thuộc vào
nồng độ khí xung quang MQ2.
Dout: điện áp ra số, giá trị 0,1 phụ thuộc vào điện áp tham chiếu và nồng độ
khí mà MQ2 đo được. Các loại khí:
+LPG (Khí hóa lỏng)
+ibutane
+Propane
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 14
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
+Methane
+Alcohol
+Hydrogen
+Smoke
Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, không cần
đến vi điều khiển. Khi đó ta chỉ cần chỉnh giá trị biến trở tới giá trị nồng độ ta muốn
cảnh báo. Khi nồng độ MQ2 đo được thấp hơn mức cho phép thì Dout = 1, đèn Led tắt.
Khi nồng độ khí đo được lớn hơn nồng khí cho phép, Dout =0, đèn Led sáng.
Hình 2.4. Hình ảnh cảm biến khí gas MQ2
2.3.2. Cảm biến nhiệt độ
Để đo nhiệt độ trong ngôi nhà và hiển thị lên LCD hay máy tính/điện thoại,
trong đề tài sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 với các thông số vật lý như sau:
Cảm biến đo nhiệt độ DS18B20 sử dụng chuẩn giao tiếp ONE WIRE (đường
dẫn tín hiệu và đường dẫn điện áp nguồn nuôi có thể dùng chung trên một dây dẫn).
Ngoài ra, nhiều cảm biến có thể dùng chung trên một đường dẫn (Rất thích hợp với
các ứng dụng đo lường đa điểm).
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 15
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Các đặc điểm kỹ thuật của cảm biến DS1820 có thể kể ra một cách tóm tắt như
sau:
Độ phân giải khi đo nhiệt độ là 9 bit . Dải đo nhiệt độ 55oC đến 125oC, từng bậc
0,5oC, có thể đạt độ chính xác đến 0,1oC bằng việc hiệu chỉnh qua phần mềm (Có thể
đạt đến các độ phân giải 10 bit, 11 bit, 12 bit).
Điện áp nguồn nuôi có thể thay đổi trong khoảng rộng (từ 3,0 V đến 5,5 V).
Dòng tiêu thụ tại chế độ nghỉ cực nhỏ.
Thời gian lấy mẫu và biến đổi thành số tương đối nhanh, không quá 200 ms.
Mỗi cảm biến có một mã định danh duy nhất 64 bit chứa trong bộ nhớ ROM trên
chip (on chip).
Hình 2.5. Hình ảnh cảm biến nhiệt độ DS18B20
2.3.3. Thiết bị hiển thị LCD
Mạch này dùng để hiện thị trạng thái làm việc của hệ thống. Sử dụng LCD
16x2 (2 dòng 16 cột), được nối vào PIC16F877A.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 16
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Các chân Vcc, Vss và Vee:
Chân Vcc cấp dương nguồn 5V, chân Vss nối đất, chân Vee được dùng để điều
khiển độ tương phản của màn hình LCD.
RS ( Register select):
Khi ở mức thấp, chỉ thị được truyền đến LCD như xoá màn hình , vị trí con trỏ
….Khi ở mức cao, kí tự được truyền đến LCD.
R/W (Read/Write):
Dùng để xác định hướng của dữ liệu được truyền giữa LCD và vi điều khiển.
Khi nó ở mức thấp dữ liệu được ghi đến LCD và khi ở mức cao, dữ liệu được đọc từ
LCD. Nếu chúng ta chỉ cần ghi dữ liệu lên LCD thì chúng ta có thể nối chân này xuống
GND để tiết kiệm chân.
E (Enable):
Cho phép ta truy cập/xuất đến LCD thông qua chân RS và R/W. Khi chân E ở
mức cao (1) LCD sẽ kiểm tra trạng thái của 2 chân RS và R/W và đáp ứng cho phù hợp.
Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì một xung mức cao xuống thấp phải được
áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu. Xung này phải rộng tối
thiểu là 450ns. Còn khi chân E ở mức thấp (0), LCD sẽ bị vô hiệu hoá hoặc bỏ qua tín
hiệu của 2 chân RS và R/W.
Các chân D0 D7:
Đây là 8 chân dữ liệu 8 bít, được dùng để gửi thông tin lên LCD hoặc đọc nội
dung của các thanh ghi trong LCD. Các kí tự được truyền theo mã tương ứng trong
bảng mã ASCII. Cũng có các mã lệnh mà có thể được gửi đến LCD để xoá màn hình
hoặc đưa con trỏ về đầu dòng hoặc nhấp nháy con trỏ.
LCD có 2 chế độ giao tiếp:
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 17
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Chế độ 4 bit (chỉ dùng 4 chân D4 đến D7 để truyền dữ liệu) và chế độ 8 bit
(dùng cả 8 chân dữ liệu từ D0 đến D7), ở chế độ 4 bit, khi truyền 1 byte, chúng ta sẽ
truyền nửa cao của byte trước, sau đó mới truyền nửa thấp của byte.
Trước khi truyền các kí tự ra màn hình LCD ta cần thiết lập cho LCD như chọn
chế độ 4 bit hoặc 8 bit, 1 dòng hay 2 dòng , bật/tắt con trỏ…
Để đọc thanh ghi lệnh, ta phải đặt RS=0 và R/W =1 và xung cao xuống thấp cho
bít E. Sau khi đọc thanh ghi lệnh, nếu bit D7(cờ bận ) ở mức cao thì LCD bận, không
có thông tin hay lệnh nào được xuất đến nó. Khi D7=0 mới có thể gửi lệnh hay dữ liệu
đến LCD. Chúng ta nên kiểm tra bit cờ bận trước khi ghi thông tin lên LCD.
Hình 2.6. Hình ảnh LCD 16x2
2.3.4. Module Bluetooth HC06
a. Giao tiếp không dây Bluetooth
Khái niệm về Bluetooth
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 18
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp
với nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vô tuyến qua băng tần chung ISM
(Industrial, Scientific, Medical) trong dãy tầng 2.40 2.48 GHz. Đây là dãy băng tầng
không cần đăng ký được dành riêng để dùng cho các thiết bị không dây trong công
nghiệp, khoa học, y tế.
Bluetooth được thiết kế nhằm mục đích thay thế dây cable giữa máy tính và các
thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử lại với nhau
một cách thuận lợi với giá thành rẻ. Khi được kích hoạt, Bluetooth có thể tự động định
vị những thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối
với chúng. Nó được định hướng sử dụng cho việc truyền dữ liệu lẫn tiếng nói.
Bluetooth được thiết kế để hoạt động ở mức năng lượng rất thấp. Đặc tả đưa
ra 3 mức năng lượng từ 1mW tới 100 mW
Mức năng lượng 1 (100mW): Được thiết kế cho những thiết bị có phạm vi
hoạt động rộng (~100m).
Mức năng lượng 2 (2.5mW): Cho những thiết bị có phạm vi hoạt động thông
thường (~10m)
Mức năng lượng 3 (1mW): Cho những thiết bị có phạm vi hoạt động ngắn
(~10cm).
Các đặc điểm của Bluetooth
Ưu điểm:
Tiêu thụ năng lượng thấp, cho phép ứng dụng được trong nhiều loại thiết bị,
bao gồm cả các thiết bị cầm tay và điện thoại di động.
Giá thành hạ (Giá một chip Bluetooth đang giảm dần, và có thể xuống dưới
mức 5$ một đơn vị).
Khoảng cách giao tiếp cho phép :
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 19
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
+ Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời, và 5m
trong tòa nhà.
+ Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngoài trời
và 30m trong tòa nhà.
Bluetooth sử dụng băng tần không đăng ký 2.4Ghz trên dãy băng tần ISM. Tốc
độ truyền dữ liệu có thể đạt tới mức tối đa 1Mbps (do sử dụng tần số cao) mà các
thiết bị không cần phải thấy trực tiếp nhau (lightofsight requirements).
Dễ dàng trong việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối một ứng dụng này
với một ứng dụng khác thông qua các chuẩn “Bluetooth profiles”, do đó có thể độc lập
về phần cứng cũng như hệ điều hành sử dụng.
Bluetooth được dùng trong giao tiếp dữ liệu tiếng nói: có 3 kênh để truyền
tiếng nói, và 7 kênh để truyền dữ liệu trong một mạng cá nhân.
An toàn và bảo mật: được tích hợp với sự xác nhận và mã hóa ( Build in
authentication and encryption)
Tính tương thích cao, được nhiều nhà sản xuất phần cứng cũng như phần
mềm hỗ trợ.
Sử dụng “Frequency Hopping” giúp chống nhiễu giảm va chạm sóng tối đa.
Có khả năng bảo mật từ 8>128bit.
Nhược điểm:
Do sử dụng mô hình adhoc nên không thể thiết lập các ứng dụng thời gian
thực.
Khoảng cách kết nối còn ngắn so với các công nghệ mạng không dây khác.
Số thiết bị active, pack cùng lúc trong một piconect còn hạn chế.
Tốc độ truyền của Bluetooth không cao.
Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác, các trang thiết bị khác.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 20
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Bảo mật còn thấp.
b. Module Bluetooth HC06
Module Bluetooth để truyền nhận dữ liệu với Smartphone Android với vi điều
khiển. Vi điều khiển này có 2 nhiệm vụ chính: xử lý dữ liệu và điều khiển đóng tắt
các Rơle để điều khiển dòng điện 220VAC cung cấp cho các thiết bị điện.
Mục tiêu đạt ra là kết nối các thiết bị điện gia dụng thông qua khối xử lý trung
tâm có sự điều khiển từ xa bởi thiết bị sử dụng hệ điều hành Android và có giao tiếp
không dây Bluetooth cơ bản. Mô hình tổng thể hệ thống được trình bày như dưới đây
(Hình 2.8).
Hình 2.7. Mô hình tổng quan hệ thống điều khiển thiết bị thông qua Bluetooth
Thông số kỹ thuật của Module
Cấu hình Slaver là cấu hình ban đầu, không thay đổi được.
Sử dụng chip CSR Bluetooth V2.0.
Điện áp sử cho 3.3V ( Hỗ trợ IC ổn áp đầu vào 5V).
Thứ tự chân: STATE RXD TXD GND VCC KEY.
Tốc Độ Hỗ Trợ: 200，2400，4800，9600, 19200，38400，57600，115200.
Kích thước Module: 28mm x 15 mm x 2.35mm.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 21
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Dòng hoạt động: 2030mA.
Tần số: 2.4GHz ISM band.
Tốc độ: Asynchronous: 2.1Mbps(Max)/160kbps
Synchronous: 1Mbps/1Mbps.
Bảo mật: Authentication and encryption.
Giao tiếp: Bluetooth serial port.
Nhiệt độ làm việc: 20 ~ +75 oC.
Cấu hình mặc định:9600 baud rate, N, 8, 1.
Pass: 1234.
2.3.5. Module giải mã tín hiệu DTMF
+ DTMF là Dual Tone MultiFrecenry : là một phương pháp để hướng dẫn một
hệ thống chuyển mạch của số điện thoại được gọi đi hoặc ra lệnh cho hệ thống
chuyển mạch hoặc thiết bị điện thoại có liên quan bằng cách truyền đi tín hiệu. DTMF
được tích hợp trên hầu hết điện thoại trong hệ thốn viễn thông .
+ Hệ thống DTMF sử dụng 8 tín hiệu tần số khác nhau được truyền đi theo cặp
tần số đại diện cho 16 con số,biểu tượng và chữ cái có sẵn trên một bàn phím điện
thoại thông dụng.
+ MT8870 là một thiết bị thu tín hiệu DTMF có tích hợp sẵn bộ lọc tín hiệu
DTMF và giải mã chuyển đổi 16 mã DTMF thành một số 4bit dạng số ở đầu ra
+ MT8870 có thể ứng dụng để thu tín hiệu DTMF thông qua tín hiệu Audio lấy
từ điện thoại có tích hợp tính năng DTMF
+ Hệ thống DTMF sử dụng 8 tín hiệu tần số khác nhau được truyền đi theo cặp
tần số đại diện cho 16 con số,biểu tượng và chữ cái có sẵn trên một bàn phím điện
thoại thông dụng.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 22
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Hình 2.8. Bảng tần số âm thanh của bàn phím điện thoại di động.
+ MT8870 là một thiết bị thu tín hiệu DTMF có tích hợp sẵn bộ lọc tín hiệu
DTMF và giải mã chuyển đổi 16 mã DTMF thành một số 4bit dạng số ở đầu ra :
Hình 2.9. Bảng chuyển đổi 16 mã DTMF thành 4 bit dạng số đầu ra
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 23
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Thông số kỹ thuật của Module
Điện áp sử dụng : +5V
Ứng dụng :
Điều khiển từ xa.
Thiết bị thu trong hệ thống viễn thông
Hệ thống nhắn tin vô tuyến.
Hệ thống thẻ tín dụng.
Máy trả lời điện thoại tự động.
Cổng giao tiếp:Q1>Q4 : Đầu ra dữ liệu 4 bit.
STQ : Đầu ra báo hiệu có thông tin DTMF được gửi.
STQ=1 : Khi có thông tin được gửi đến.
STQ=0 : Khi không có thông tin.
STQ : Đầu ra đảo của STQ.
IN : Đầu vào audio
Vcc, GND: Chân nguồn
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý mạch gải mã tín hiệu DTMF
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 24
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG
Hình 2.11. Modul giải mã tín hiệu DTMF ngoài thị trường.
2.3.6. Module điều khiển động cơ L298
IC L298 là một IC tích hợp nguyên khối gồm 2 mạch cầu H bên trong. Với điện
áp
làm tăng công suất nhỏ như động cơ DC loại vừa…
Chức năng các chân của L298:
+ 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12
của L298. Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển.
+ 4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT)
được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298. Các chân này sẽ được nối với động cơ.
Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298. Nếu ở mức
logic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0” thì
mạch cầu H không hoạt động.
SVTH: Trần Văn Đông Lê Văn Lượng Trang 25
Vũ Xuân Trường Dương Văn Quân
