Đồ án Thiết kế mô hình nhà thông minh ứng dụng vi điều khiển

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 thiết bị tự 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 thơng 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 cịn 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 mơ hình nhà thơng 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 cịn hạn chế nên đề tài của
chúng em khơng tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong sự chỉ bảo, góp ý của
các thầy cơ 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 mơn Kỹ Thuật Điện đã tận tình giúp đỡ chúng em để đề tài của
chúng em được hoàn thành đúng thời hạn.
Giáo viên hướng dẫn

Nhóm sinh viên thực hiện

TS. Đặng Ngọc Trung

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

Contents
LỜI NÓI ĐẦU........................................................................................................1
PHẦN 1...................................................................................................................6
ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU..............................................................................6
1.1.

Giới thiệu về hệ thống nhà thông minh..............................................6

1.2.

Đặt bài toán..........................................................................................8

1.3.

Ý tưởng xây dựng thuật toán điều khiển nhà thơng minh................9

PHẦN 2.................................................................................................................11
TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID VÀ VI ĐIỀU KHIỂN...............11
PIC 16F877A CÙNG MỘT SỐ THIẾT BỊ NGOẠI VI KHÁC........................11
2.1.

Hệ điều hành Android.......................................................................11

2.1.1. Khái niệm............................................................................................11
2.1.2. Cấu trúc hệ điều hành Android.........................................................11
2.2.

Vi điều khiển PIC 16F877A...............................................................12

2.2.1. Sơ đồ chân vật lý của PIC 16F877A...............................................12
2.2.2. Sơ đồ tối thiểu để PIC 16F877A có thể hoạt động được................14
2.3.

Các thiết bị ngoại vi sử dụng trong đề tài........................................14

2.4.

Giới thiệu phần mềm App Inventor.................................................27

PHẦN 3.................................................................................................................34
THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT CHO MƠ HÌNH NHÀ Ở.............34
DÂN DỤNG THƠNG MINH..............................................................................34
3.1.

Thiết kế phần cứng............................................................................34

3.1.1. Thiết kế mạch điều khiển...................................................................34

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

3.1.2. Hướng dẫn các bước thiết kế trên phần mềm Proteous và Altium37
3.1.3. Hoàn thành mạch in...........................................................................60
3.1.4. Mạch điện hoàn thành thực tế...........................................................61
3.2. Xây dựng phần mềm.................................................................................64
3.2.1. Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển nhà thơng minh.........64
3.2.2. Code chương trình điều khiển nhà thơng minh...............................64
a. Code chương trình điều khiển nhà thơng minh bằng thiết bị Androi. .65
(sử dụng APP INVENTOR )........................................................................65
b. Code chương trình điều khiển nhà thơng minh bằng giọng nói...........74
3.3. Kết luận và định hướng phát triển.........................................................80
3.3.1. Kết luận...............................................................................................80

3.3.2. Định hướng phát triển:......................................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................81

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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 tồn và góp phần sử
dụng hợp lý các nguồn tài nguyên.
Theo wiseGeek, một ngôi nhà (hoặc căn hộ) được coi là "thơng 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
thơng 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 nhiệt độ, hệ thống
báo sự cố khí gas, hệ thống đóng mở cửa tự động, hệ thống phịng ngừa trộm…Nhà thơng
minh ngồi ra cịn 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 thơng 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 thơng 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 thơng 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

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

điện tử ở trong ngơi nhà. Sự tự động hóa của ngơi 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 cơng 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 mơi trường sống tốt nhất.

Hình1.1. Mơ 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 q trình xây
SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

dựng thì chi phí cho việc lắp đặt, bảo trì sẽ giảm xuống đồng thời tồn bộ hệ thống điện
trong tịa 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 thơng 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 ngơi nhà cũng như tối ưu hóa về triển khai lắp đặt một
ngơi nhà thông minh. Trong tương lai không xa, ngôi nhà thơng 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 cơng nghệ điều khiển thơng minh có thể được ứng dụng 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 thơng 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 thơng
minh được lắp đặt ở Mỹ và dự kiến con số này sẽ tăng đến 8 triệu vào năm 2017. Trong
tương lai khơng xa, có thể hi vọng nhà thơng 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 cịn đem lại cho người có mức thu nhập trung bình có được cơ hội sở hữu ngơi
nhà thơng 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 thơng minh, đảm bảo cho ngơi nhà có được một số tính năng tự động như sau:

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

 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 thơng 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 phịng, nồng độ khí gas trên LCD hoặc máy tính/điện thoại
giám sát.
 Tự động phát hiện và báo sự cố khí gas khi quá nồng độ cho phép thơng qua cịi
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 ngơi nhà hoạt động bình thường.
1.3. Ý tưởng xây dựng thuật tốn điều khiển nhà thơng minh
Về bản chất mơ hình nhà thơng 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 thơng qua kênh Bluetooth của
modul Bluetooth HC06, tín hiệu sẽ được xử lý thơng 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 thơng qua modul blutooth
HC06 lúc này tất cả các hiệu lệnh đóng cắt thiết bị của người sử dụng thông qua các khẩu

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 9

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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 thơng qua kênh Bluetooth của
modul Bluetooth HC06, tín hiệu sẽ được xử lý thơng 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 đóng
mở các thiết bị. Bên cạnh đó trong mơ hình nhà ở dân dụng thơng minh cịn bố trí các
cơng tắc ở mỗi phịng để bật tắt thiết bị chiếu sáng bằng tay.
Ngoài ra nhờ các cảm biến nhiệt độ và cảm biến khí gas MQ2 và thơng qua vi điều
khiển và modul Bluetooth sẽ hiển thị các thơng số nhiệt độ phịng 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
tồn trong ngơi nhà tốt nhất. Một điều đáng chú ý đó là chế độ cảnh báo sự cố rị rỉ khí
gas trong ngơi nhà thơng qua chương trình cài đặt sẵn trong vi điều khiển đưa tín hiệu báo
động ra cịi báo động khi khí gas vượt quá ngưỡng cho phép, đồng thời giải trừ sự nguy
hiểm cho toàn bộ hệ thống điện trong ngơi nhà nhờ tín hiệu từ vi điều khiển đưa đến Rơ le
trung gian tổng, ngắt điện lưới tồn hệ thống của ngơi 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 tồn hệ thống trong ngơi nhà.

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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
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 cơng 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. Mơ hình tổng thể của các thành phần bên trong hệ thống sử dụng
Android được mình họa trong (Hình 2.1).
SVTH: Trần Văn Đơng - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 11


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 khơng được phép sử dung q 5~10% cơng suất
CPU, điều đó nhằm để tránh độc quyền trong việc sử dụng CPU. Ứng dụng khơng có
điểm vào cố định, khơng 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 cả 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
SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

+ 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:
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 RB4-RB7; Ngắt EXT RB0; Ngắt truyền thơng
Ngồi ra PIC 16F877A cịn 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

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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.

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 rị rỉ khí gas trong ngơi 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)
+i-butane
+Propane
+Methane

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

+Alcohol
+Hydrogen
+Smoke
Việc có chân ra số Dout rất tiện cho ta mắc các ứng dụng đơn giản, khơng 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 ni có thể dùng chung trên một dây dẫn). Ngồi ra,
nhiều cảm biến có thể dùng chung trên một đường dẫn (Rất thích hợp với các ứng dụng
đo lường đa điểm).
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).
SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

- Điện áp nguồn ni 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.

- 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 xố màn hình , vị trí con trỏ
….Khi ở mức cao, kí tự được truyền đến LCD.
- R/W (Read/Write):

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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 vơ hiệu hố 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 xố màn hình hoặc đưa con
trỏ về đầu dịng hoặc nhấp nháy con trỏ.
- LCD có 2 chế độ giao tiếp:
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, khơng có
thơng 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.

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

Hình 2.6. Hình ảnh LCD 16x2
2.3.4. Module Bluetooth HC06
a. Giao tiếp không dây Bluetooth
 Khái niệm về Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với

nhau trong khoảng cách ngắn, bằng sóng vơ 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 cơng 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

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 18


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

- 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 thơng
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 :
+ Khoảng cách giữa hai thiết bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngồi trời, và 5m
trong tòa nhà.
+ Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access point có thể lên tới 100m ngồi trời và
30m trong tịa nhà.
- Bluetooth sử dụng băng tần khơng 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 (light-of-sight 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)
SVTH: Trần Văn Đơng - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

- 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 mơ 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.
- 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 khơng
dây Bluetooth cơ bản. Mơ hình tổng thể hệ thống được trình bày như dưới đây (Hình 2.8).

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

Hình 2.7. Mơ hình tổng quan hệ thống điều khiển thiết bị thông qua Bluetooth
 Thơng số kỹ thuật của Module

- Cấu hình Slaver là cấu hình ban đầu, khơng 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.
- Dòng hoạt động: 20-30mA.
- 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 Multi-Frecenry : 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 thơng
dụng.
SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

+ 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 thơng 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 thơng
dụng.

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 :

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

Hình 2.9. Bảng chuyển đổi 16 mã DTMF thành 4 bit dạng số đầu ra
 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 vơ 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 thơng tin DTMF được gửi.
STQ=1 : Khi có thơng tin được gửi đến.
STQ=0 : Khi khơng có thơng tin.

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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

Hình 2.11. Modul giải mã tín hiệu DTMF ngồi thị trường.
SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 24

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: TS.ĐẶNG NGỌC TRUNG

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 khơng hoạt động.
Với bài tốn trên, cách điều khiển chiều quay với L298:
- Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào.
- Khi ENA = 1:
INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận.
INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch.
INT1 = INT2: Động cơ dùng ngay tức thì.
Với ENB cũng tương tự với INT3, INT4.
Trong bài này mình sử dụng module L298 V3 để điều khiển chiều quay của động
cơ DC.

SVTH: Trần Văn Đông - Lê Văn Lượng
Vũ Xuân Trường - Dương Văn Quân

Trang 25