Báo cáo BTL thiết kế hệ thống nhúng 27 kèm code pic16f877a Thầy Trương Quang Vinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ
---------------o0o---------------

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÚNG
ĐỀ TÀI 27

HOME SECURITY SYSTEM
Giảng viên hướng
dẫn:

Trương Quang Vinh


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

I. Giới thiệu đề tài......................................................................................................................4
1.

2.

Đặc tả hệ thống................................................................................................................4
a)

Mô tả hệ thống.........................................................................................................4

b)

Môi trường ngoài.....................................................................................................4

c)

Sơ đồ kết nối hệ thống.............................................................................................4

d)

Mô tả các module.....................................................................................................5

Phân tích 5 vấn đề cơ bản của hệ thống nhúng...............................................................5
a)

Constraints...............................................................................................................5

b)

Functions..................................................................................................................5

c)

Real-time system......................................................................................................6

d)

Concurrent systems..................................................................................................6

e)

Reactive system.......................................................................................................6

3.

Hợp đồng nhóm...............................................................................................................6

4.

Kế hoạch dự án................................................................................................................7

II. Thiết kế..................................................................................................................................8
1.

2.

Phần cứng........................................................................................................................8
a)

Vẽ sơ đồ mạch.........................................................................................................8

b)

Tính toán thông số mạch..........................................................................................9

Phần mềm......................................................................................................................10
a)

Vẽ lưu đồ giải thuật................................................................................................10

b)

Giải thích giải thuật................................................................................................11

III: Thực hiện hệ thống và đánh giá.........................................................................................14
1. Giải thích code..............................................................................................................14
a)

Giao tiếp Servo (PWM).........................................................................................14

b)

Giao tiếp LM35, MQ2...........................................................................................14

c)

Giao tiếp module sim.............................................................................................15

2. Đánh giá chất lượng hệ thống.......................................................................................16
a)

Ưu điểm.................................................................................................................16

b)

Nhược điểm............................................................................................................16

c)

Những khó khăn trong quá trình thực hiện............................................................16

3. Đánh giá tác động của hệ thống trong các ngữ cảnh kinh tế, môi trường, xã hội, toàn
cầu. 17
a)
Xác định các ngữ cảnh về xã hội, kinh tế, môi trường, toàn cầu có liên quan đến
hệ thống............................................................................................................................17

2


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

b)
Giải thích những tác động của giải pháp kỹ thuật khi thiết kế hệ thống trong các
ngữ cảnh trên....................................................................................................................17
c)
Xem xét lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và chọn giải pháp phù hợp dựa trên
những tác động đó............................................................................................................18

3


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

I. Giới thiệu đề tài
1. Đặc tả hệ thống
a) Mô tả hệ thống
Hệ thống tiếp nhận thông tin từ cảm biến nhiệt, cảm biến khói đưa
về vi điều khiển để hiển thị ra LCD. Khi phát hiện các thông số vượt
ngưỡng quy định, vi điều khiển khởi động relay bật đèn, còi hú đồng
thời điều khiển Servo ngắt cầu dao điện. Ngoài ra, hệ thống còn gửi
SMS cho người dùng để cảnh báo.
b) Môi trường ngoài
- Người dùng điều khiển qua button để bật tắt, giám sát qua LCD.
- Nhiệt độ: Hoạt động ở nhiệt độ dưới 1000̊ C , nếu nhiệt độ quá cao
sẽ làm hỏng LCD.
- Nồng độ oxy: 20% để cảm biến khói MQ-2 hoạt động tốt.
- Độ ẩm: Hoạt động ở độ ẩm trong khoảng 40-70%, không hoạt
động ở những nơi ẩm ướt như hồ bơi, phòng xông hơi do dễ bị
chập điện.
c) Sơ đồ kết nối hệ thống

d) Mô tả các module
4


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

- Cảm biến nhiệt LM35: Hoạt động trong nhiệt độ -55 –150 ◦C, tín
hiệu nhiệt độ analog được truyền về vi điều khiển PIC16F877A.

- Cảm biến khói MQ-2 : Hoạt động trong điều kiện nhiệt độ -20- 50
C, nhận biết nồng độ khí gây cháy trong không khí ( CO 2, alcohol,
…) và truyền điện áp liên tục về PIC16F877A.
- Servo (lực kéo 1 kg) : Nhận tín hiệu xung từ PIC và thay đổi góc
quay dựa trên độ rộng xung mức cao.
- Module parallel LCD : Gồm 1 LCD 16x2 và 1 module PCF8574
hiển thị nhiệt độ và nồng độ khí gây cháy.
- Module sim 800L và sim 4G vienammobile: Nhận tín hiệu từ
PIC16F877A và gửi tin nhắn cảnh báo cho người dùng.
- Đèn còi mini AD16 : Được đóng ngắt bằng Relay.
- Module Relay kích mức thấp 5DVC: Nhận tín hiệu điện từ
PIC16F877A, hoạt động khi có điện áp mưc thấp (mức 0) và
truyền tới đèn còi mini AD16.
- Vi điều khiển PIC16F877A 8bit : Sử dụng tập lệnh RISC, có 31
lệnh cơ bản. tốc độ xử lí tối đa 30MHz với 1 chu kì lệnh 200ms.
Dung lượng ROM la 8K x16bit, RAM 368 x 8byte.
2. Phân tích 5 vấn đề cơ bản của hệ thống nhúng
a) Constraints
- Giá cả dưới 500.000 đồng
- Độ chính xác: 80%
- Tuổi thọ cao > 1 năm, hoạt động liên tục 24/24.
b) Functions
- Cảm biến có thể bị lỗi hoặc bị nhiễu gây ảnh hưởng đến hệ thống,
cần kiểm tra định kì.
- Hệ thống dễ bị tác động bởi ngoại cảnh như chuột, độ ẩm,… làm
ảnh hưởng đến chức năng cảm biến, cần để nơi thích hợp, có thiết
bị bảo vệ bên ngoài.
- Relay tự động hư hỏng hoặc hệ thống không phát hiện hoả hoạn
làm cho còi/đèn báo không hoạt động, cần có chế độ bật tắt bằng
tay.

c) Real-time system
- Soft real-time.
- Độ trễ cho phép: 1s
5


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

d) Concurrent systems
- Đọc cảm biến khói, nhiệt độ.
- Hiển thị LCD.
- Gửi tin nhắn cho người dùng khi có cháy.
- PIC phát tín hiệu điều khiển servo, relay, …
e) Reactive system
- Hệ thống thuộc loại hoạt động liên tục.
- Không có tính chu kỳ.
3. Hợp đồng nhóm
Thành viên

Vai trò
Kĩ sư hệ thống
Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần mềm
Nhóm trưởng, Thiết kế

Chữ kí

phần mềm
Task
Chịu trách nhiệm
Phát triển kiến trúc hệ thống
Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần mềm
Tổng hợp và kiểm tra
Giám sát
Họp nhóm
8:00, thứ 7 hàng tuần
1. Họp tổng kết công việc 17:30 thứ tư hai tuần một
lần.
2. Tham dự tất cả các buổi họp mặt, không đến trễ,

Luật lệ nhóm

không lí do.
3. Không cãi nhau, gây mất đoàn kết giữ các thành
viên.
4. Hoạt động với tinh thần vui vẻ, trách nhiệm, tự
giác và hợp tác.
5. Hoàn thành nhiệm vụ được giao trước thời hạn.

4. Kế hoạch dự án
Kế hoạch dự án
Tên nhóm
Tên đề tài

27
Home Security System

6


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

- Đọc cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói
hiển thị lên LCD.
Đặc điểm chính

- Khi xảy ra sự cố, ngắt nguồn điện
đồng thời gửi cảnh báo cháy cho người
dùng thông qua còi, đèn, SMS.
3 tháng

Thời gian

Bắt đầu: 1/9/2019

Kết thúc :

30/11/2019
Thành phần : 250.000 đồng
Giá tiền

Công cụ: 120.000 đồng
Tổng : 370.000 đồng

Thành viên nhóm
Tiến trình
Tháng 9
1. Thiết kế cấu trúc hệ thống
2. Thiết kế phần cứng
2.1. Lựa chọn phần cứng
2.2.Thiết kế bộ điều khiển
2.3. Thực thi phần cứng
3. Thiết kế phần mềm
3.1, Lựa chọn thuật toán
3.2. Thiết kế từng hàm với chức
năng riêng
3.3.Tổng hợp toàn bộ chương trình
phần mềm
3.4. Tối ưu chương trình
4. Thực thi và kiểm tra
4.1. Mô phỏng cấu trúc
4.2. Kiểm chứng hệ thống.
II. Thiết kế
1. Phần cứng
a) Vẽ sơ đồ mạch

7

Tháng 10

Tháng 11


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

b) Tính toán thông số mạch

Mạch demo sử dụng LED đỏ thay cho đèn báo động, LED đỏ có điện
áp làm việc là 2.1V, dòng cực đại 30mA. Giátrị điện trở R3 cần sử
dụng là:
Vậy chọn R3 = 330
BJT BC547 được dùng để khuếch đại dòng từ ngõ ra PIC, kích chân
điều khiển Relay.
2. Phần mềm
8


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

a) Vẽ lưu đồ giải thuật

b) Giải thích giải thuật
9


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh

:

- Khi bắt đầu khởi động, hệ thống sẽ có hai trạng thái: sử dụng nguồn lưới
hoặc nguồn pin dự phòng nhờ vào chế độ đóng ngắt của rơ-le. Đầu tiên,
hệ thống sẽ sử dụng nguồn lưới điện (ưu tiên cao), và sử dụng nguồn dự
phòng khi xảy ra sự cố về điện (ưu tiên thấp)
- Khi vào chương trình, phần mềm sẽ khởi động một số lệnh cơ bản để sẵn
sàng làm việc như: hiển thị LCD, chế độ truyền dữ liệu UART, module
SIM, chế độ xung PWM,…). Sau đó, các cảm biến sẽ được khởi động và
làm nhiệm vụ như đo độ mờ mịt, đo nhiệt độ. Chương trình sẽ dùng vi
xử lý để đọc dữ liệu từ cảm biến và hiển thị ra LCD các thông số như
nhiệt độ (Term, oC), độ mờ mịt (Obsc, %). Dữ liệu đồng thời được đem
về vi xử lý để phân loại các chế độ báo cháy bằng cách so sánh các thông
số nhiệt độ, độ mờ mịt của khu vực với các ngưỡng định sẵn trong vi xử
lý. Chương trình sẽ dùng thuật toán để giải quyết các trường hợp sau:
Trường hợp 1: Chế độ bình thường. Độ mờ mịt < 15 % và nhiệt độ
<50oC: Hệ thống ở chế độ Bình thường. Chương trình liên tục quay lại
bước thu dữ liệu từ cảm biến và hiển thị thông số lên LCD.
Trường hợp 2: Độ mờ mịt < 10-20% và nhiệt độ >50oC: Hệ thống khởi
động chế độ Có nguy cơ cháy khi nhiệt độ cao. Ở chế độ này, hệ thống
hiển thị dòng cảnh báo trên LCD , gửi SMS qua SIM cho người dùng,
đồng thời chương trình quay trở lại bước thu dữ liệu từ cảm biến để cập
nhật tình hình hiện tại
Trường hợp 3: Độ mờ mịt > 10-20% và nhiệt độ <50°C: Hệ thống sẽ
xem là chế độ có nguy cơ cháy do có khói. Ở chế độ này, hệ thống hiển
thị dòng cảnh báo trên LCD, gửi SMS qua SIM cho người dùng , đồng
thời chương trình quay trở lại bước thu dữ liệu từ cảm biến để cập nhật
tình hình hiện tại.
Trường hợp 4: Độ mờ mịt lớn hơn 10-20 và nhiệt độ >50 oC: Hệ thống
khởi động chế độ nguy hiểm khi có đám cháy xảy ra. Ở chế độ này,

10


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

chương trình sẽ tuần tự thực hiện các cảnh báo từ thấp đến cao. Đầu tiên,
hệ thống sẽ kích hoạt đèn báo, còi hú để báo động và gây chú ý. Tiếp
đến, hệ thống sẽ liên tục gửi các cảnh báo bằng tin nhắn cho người dùng
liên tục cách khoảng 30s để phòng cả trường hợp có người dùng ở nhà
hoặc ra ngoài. Để đề phòng cháy nổ gây thiệt hại lớn, hệ thống sẽ ngắt
cầu dao lưới điện trong nhà và chuyển sang sử dụng nguồn dự phòng.
Với nguồn dự phòng, hệ thống sẽ tiếp tục quay lại bước lấydữ liệu từ
cảm biến. Khi đám cháy hoặc sự cố được dập tắt và giải quyết, ta có thể
reset lại hệ thống để sử dụng lại nguồn lưới và tiếp tục làm việc.

11


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

III: Thực hiện hệ thống và đánh giá
1. Giải thích code
a) Giao tiếp Servo (PWM)
#int_timer1

void timer1_isr()
{
clear_interrupt(INT_TIMER1);
output_toggle(PIN_C3);
if (a)
set_timer1(muc0);

//1ms

else
set_timer1(muc1);

//19ms

a=!a;
}
void pwm_init(void)
{
output_low(PIN_C3);
setup_timer_1(T1_INTERNAL| T1_DIV_BY_8);
enable_interrupts(global);
enable_interrupts(int_timer1);
}
- Servo ở tại vị trí bình thường khi nhận được chuỗi xung có chu kì
20ms ( 19ms mức thấp, 1ms mức cao ) và quay một góc 90 o khi
nhận chuỗi xung 20ms (18ms mức thấp, 2ms mức cao) . Do đó, sử
dụng ngắt timer1 để tạo 2 chuỗi xung trên.
- Theo đó, ta tính được các thông số N qua công thức:
/(4*Prescale)
b) Giao tiếp LM35, MQ2

void adc_init(void)
{
setup_adc_ports(ALL_ANALOG);
12


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);
}
void lcd_display(void)
{
lcd_putc("\f");
set_adc_channel(0);
delay_us(100);
nhietdo = read_adc()*0.488281;
set_adc_channel(1);
delay_us(100);
khoi = read_adc();
printf(lcd_putc,"Nhiet do:%.2f ",nhietdo);
lcd_gotoxy(1,0);
printf(lcd_putc,"Gas/Khoi:%ld ppm",khoi);
delay_ms(500);
}
- Con số 0.488241 tính được chính là lượng thay đổi trên chân ADC
ứng với thay đổi 10mV ở đầu ra LM35 hay ứng với thay đổi 1 độ C
trên LM35.

- Chọn kênh cho nhiệt độ là kênh 0, kênh cho độ ẩm là 1.
c) Giao tiếp module sim
void send_to_modem(char *s)
{
while(*s)
putc(*s++);
putc(0X0D);
}
void sim_init()
{
setup_uart(9600);
send_to_modem(AT);
delay_ms(1000);
send_to_modem(noecho);
delay_ms(1000);
13


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

Giải thích: Gửi AT để bắt tay.Gửi Ateo để tắt chế độ Echo.
2. Đánh giá chất lượng hệ thống
a) Ưu điểm
- Hệ thống hoạt động liên tục, độ chính xác khá cao.
- Chi phí thực hiện rẻ.
- Thời gian xử lí nhanh, nên dữ liệu được cập nhật liên tục.
- Các giải thuật phần mềm tương đối dễ sử dụng.

b) Nhược điểm
- Hệ thống tiêu thụ lượng điện năng lớn.
- Các cảm biến dễ bị tác động ngoại lực , cần thời gian để khởi động.
c) Những khó khăn trong quá trình thực hiện.
- Các module có nhiêu cách sử dụng cũng như sử dụng các hạn mức
điện áp khác nhau nên rất dễ hư hỏng. Trong quá trình thực hiện
phải sửa chữa và thay thế nhiều lần.
- Gặp khó khăn trong việc đi dây khi thiết kế mạch in vì mạch khá
nhiêu linh kiện.
- Gặp khó khăn trong việc giao tiếp với module sim do lần đầu sử
dụng.module sim, khi thử nghiệm thực tế thì nhận thấy việc gửi tin
nhắn liên tục không ổn định, do đó nhóm quyết định thay thế bằng
hình thức gọi điện.
- Không có dụng cụ đo chính xác nhiệt độ và nồng độ khí độc nên
việc kiểm tra mạch chỉ mang tính chất tương đối.
3. Đánh giá tác động của hệ thống trong các ngữ cảnh kinh tế, môi trường, xã
hội, toàn cầu.
a) Xác định các ngữ cảnh về xã hội, kinh tế, môi trường, toàn cầu có liên
quan đến hệ thống.
- Ngữ cảnh kinh tế: Hệ thống giúp giảm tối đa thiệt hại về vật chất
khi có đám cháy xảy ra. Hệ thống nhỏ, gọn, dễ sử dụng giúp thu
hút khách hàng. Hệ thống sử dụng sim có tính cước phí.
- Ngữ cảnh môi trường: Hệ thống phát hiện mức độ ô nhiễm không
khí trong nhà, hệ thống tiêu tốn điện năng do hoạt động liên tục
24/24.
- Ngữ cảnh xã hội: Hệ thống đưa ra báo động giúp các đơn vị phòng
cháy chữa cháy làm việc nhanh chóng, hiệu quả.
14

Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

- Ngữ cảnh toàn cầu: Nếu hệ thống được nâng cấp và liên kế thì sẽ
có tác động này.
b) Giải thích những tác động của giải pháp kỹ thuật khi thiết kế hệ thống
trong các ngữ cảnh trên.
- Ngữ cảnh kinh tế: Hệ thống được nén diện tích để tiết kiệm chi phí.
Hệ thống nên được lồng kính để trông đẹp mắt cũng như tránh tác
động ngoại lực. Hệ thống nên sử dụng thuê bao trả sau để đảm bảo
tin nhắn luôn được gửi.
- Ngữ cảnh môi trường: Hệ thống hiển thị liên tục nồng độ khí độc
trong không khí giúp cảnh báo mức độ ô nhiễm không khí.
- Ngữ cảnh xã hội: Hệ thống gửi SMS tới điên thoại người dùng và
đơn vị chữa cháy để công tác chữa cháy kịp thời.
- Ngữ cảnh toàn cầu: Hệ thống gửi thống số về nhiệt độ và nồng độ
khí độc về đơn vị chức trách nghiên cứu và phân tích tình trạng
không khí toàn cầu.
c) Xem xét lựa chọn các giải pháp kỹ thuật và chọn giải pháp phù hợp
dựa trên những tác động đó.
- Vi xử lí:
+ Option 1: PIC16F877A: Nhiều chương trình ngắt, đủ Port, đủ
chức

năng.

+ Option 2: PIC16F84: Ít chân, ít ngắt, tiết kiệm chi phí.
+ Option 3: 8051: Rẻ, tiện dụng, Timer không đáp ứng yêu cầu

 Chọn option 1.
- Ngoại vi hiển thị:
+ Option 1: LCD serial: Ít chân, dễ giao tiếp, truyền nối tiếp nên
tốc độ chậm.
+ Option 2: LCD parallel: Nhiều chân, giao tiếp khó hơn, tốc độ
truyền nhanh.
 Chọn option 2.
- Loại cảm biến:
+ Option 1: Cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến khói MQ2: 2
cảm biến hoạt động độc lập nên độ chính xác cao, 2 cảm biến dùng
chung cách đọc dữ liệu nên dễ giao tiếp.

15


Home Security System

GVHD: Trương Quang Vinh
:

+ Option 2: Cảm biến DHT11: Cảm biến tích hợp đo nhiệt độ và
độ ẩm, chi phí rẻ tuy nhiên sử dụng hình thức truyền nối tiếp nên
thời gian xử lí chậm.
 Chọn option 1
- Loại ngắt cầu dao:
+Option 1: Servo kéo 1kg : Sử dụng tác động cơ học
+Option 2: Relay 5 DVC : Tác động trực tiếp vào mạch điện trong
nhà.
 Chọn option 1

16