Bài tập lớn môn thiết kế ngoại vi và kĩ thuật ghép nối (2)

Thiết kế ngoại vi kỹ thuật ghép nối Hệ Thống Vườn Thơng Minh Sinh viên: Vũ Đình Long – B18DCDT138 Nguyễn Đắc Hưng - B18DCDT102 Hầu Nhật Hoa - B18DCDT082 Đào Công Minh – B18DCDT149 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO Hệ Thống Vườn Thông Minh CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Tổng quan đề tài Nền nông nghiệp nước ta nơng nghiệp cịn lạc hậu chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tiến hành cách chủ quan khơng đảm bảo u cầu Có thể nói nơng học ngồi kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tưới nước khâu quan trọng trồng trọt, để đảm bảo sinh trưởng phát triển bình thường, tưới tưới đủ theo yêu cầu nông học trồng không sinh sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt suất, hiệu cao Hơn nữa, với việc thiết kế hệ thống tưới tự động giúp cho người khơng phải tưới cây, khơng phải tốn chi phí th nhân công tưới nước giám sát thời gian tưới Với hệ thống này, việc tưới tự động tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độ ẩm cao hay thấp…Tất điều kiện đưa vào hệ thống tính tốn đưa thời gian xác để bơm nước Người lao động không cần phải quan tâm đến việc tưới 1.2 Mục tiêu • Làm rõ chuẩn kết nối cách truyền liệu thiết bị • Hệ thống cảm biến thu thập thông tin môi trường nhiệt độ, độ ẩm; độ ẩm đất từ có điều chỉnh phù hợp với điều kiện phát triển • Nâng cao khả nghiên cứu tự nghiên cứu sinh viên 1.3 Các công việc cần thực • Tìm hiểu tham khảo tài liệu, giáo trình, nghiên cứu • Tìm hiểu linh kiện sử dụng hệ thống: STM32F103C8T6; cảm biến: nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm đất; LCD; keypad… • Tìm hiểu giao thức kết nối: GPIO, I2C, chuẩn wire… • Thiết kế sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý hệ thống • Thiết kế phần cứng • Viết chương trình đọc liệu từ cảm biến hiển thị lên LCD điều khiển thiết bị • Chạy thử nghiệm cân chỉnh hệ thống 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng a) Kit STM32F103C8T6 bluepill KIT STM32F103C8T6 Mini thuộc loại kit phát triển Kit phát triển thiết kế với đơn giản, kít đầy đủ chân vi điều khiển, có cổng giao tiếp USB cổng nạp SWD, sử dụng dòng vi điều khiển 32 Bit dòng ST Thích hợp với người tiếp cận dịng STM 32 Bit • Vi điều khiển: STM32F103C8T6 • Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB chuyển đổi thành 3.3VDC qua IC nguồn cấp cho Vi điều khiển • Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz • Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho ứng dụng RTC • Ra chân đầy đủ tất GPIO giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,… • Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset • Kích thước: 53.34 x 15.24mm • Sử dụng với mạch nạp: o ST-Link Mini o J-link o USB TO COM • Kết nối chân nạp ST-Link Mini • Nạp theo chuẩn SWD o TCK — SWCLK o TMS — SWDIO o GND — GND o 3.3V — 3.3V 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng b) Cảm biến DHT11 Cảm biến3 độ nhiệt •Nguồn: -> 5ẩm VDC độ DHT11 Temperature •Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi Humidity Sensor cảm truyền liệu) biến rấtở thơng •Đo tốt độ ẩm dụng 20 to 70%RH chi phí rẻ dễ với sai số 5% lấy thơng •Đodữ tốtliệu nhiệt độ qua to giao 50°C sai tiếp One wire (giao tiếp số ±2°C digital lấy dâymẫu truyền 1Hz liệu (1 •Tần số tối đa giâynhất) lần) Bộ tiền xử lý tín hiệu cảm x •Kích tích thướchợp 15mm x 12mm biến giúp bạn có 5.5mm 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng c) Cảm biến độ ẩm đất • Cảm biến độ ẩm đất hoạt động với chế độ ngõ (Analog & Digital), trạng thái đầu mức thấp (0V), đất nhiều nước mức cao (5V) • Cảm biến đất: Hai đầu cảm biến cắm vào đất để phát độ ẩm Dùng dây nối cảm biến module chuyển đổi Thông tin độ ẩm đất đọc gửi module chuyển đổi • Module chuyển đổi: Module chuyển đổi có cấu tạo gồm IC so sánh LM393, biến trở, điện trở dán 100 Ohm tụ dán Biến trở có chức định ngưỡng so sánh với độ ẩm đất đọc từ cảm biến Ngưỡng so sánh tín hiệu cảm biến hai đầu vào • Đặc điểm: - Điện áp hoạt động: 3.3V-5V - Kích thước PCB: 3cm x 1.6cm - Led báo hiệu: + Led đỏ báo nguồn + Led xanh báo mức độ ẩm Do 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng d) LCD 16x2 LCD (Liquid Crystal Display) sử dụng nhiều ứng dụng Vi Điều Khiển LCD có nhiều ưu điểm so với dạng hiển thị khác Nó có khả hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn tài nguyên hệ thống giá thành rẻ… - Điện áp hoạt động: 5V - Hiển thị tối đa 20 tự dòng - Chữ đen xanh 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng f) Keypad 4x4 Bàn phím ma trận Mềm 4x4 Keypad thiết kế với giao diện đơn giản giúp dễ dàng giao tiếp với vi điều khiển Mặt sau dính thuận tiên để gắn bàn phím nhiều dự •16 phím •Độ dài cáp: 88mm •Nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ +70°C •Đầu nối chân •Kích thước bàn phím: 77*69mm 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng g) ESP8266 ESP8266 mạch vi điều khiển giúp điều khiển thiết bị điện tử Thêm vào tích hợp wi-fi 2.4GHz dùng cho lập trình WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n -Điện áp hoạt động: 3.3V -Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB -Số chân I/O: 11 (tất chân I/O có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0) -Số chân Analog Input: (điện áp vào tối đa 3.3V) -Bộ nhớ Flash: 4MB -Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ) -Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 -Tích hợp giao thức TCP/IP 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.1 Linh kiện sử dụng h) blynk -Hỗ trợ kết nối thiết bị thông qua dây Mạng, Wifi, GSM, 2G, 3G, LTE, -Hỗ trợ chạy nhiều nên tảng: C++, JS, Python, HTTP -Blynk Cloud mã nguồn mở, cho phép tự phát triển Có thể chạy máy chủ, máy chủ cục bộ, máy chủ doanh nghiệp, máy tính cá nhân -Blynk Server cài đặt sử dụng vòng vài phút -Blynk Library upload vào mạch điều khiển Esp8266 mạch kết nối với nhiều cảm biến, thiết bị Và kết nối với Blynk Server thông qua Wifi 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan a) GPIO -GPIO viết tắt General Purpose Input Output GPIO “cổng” để vi điều khiển kết nối với ngoại vi bên -Chức GPIO xuất tín hiệu (output) nhận tín hiệu vào (input), VD: output có làm sáng tắt bóng LED, input nối với nút nhấn b) I2C I2C chuẩn truyền thông nối tiếp dây gồm dây xung clock (SCL) dây liệu (SDA) Các chip chủ-tớ nối chung với hai đường dây nối với điện trở treo 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan b) I2C Phần cứng Bus vật lý I2C 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan b) I2C Phần cứng Thiết bị chủ (Master) tớ (Slave) 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire • 1-Wrire dùng dây để truyền nhận nên có tốc độ thấp Chủ yếu sử dụng cho việc thu thập liệu, truyền nhận liệu thời tiết, nhiệt độ, công việc không yêu cầu tốc độ cao 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire • Cơ sở truyền nhận : Các tín hiệu sử dụng Restart , write , write , Read Write : truyền bit : Master kéo xuống khoảng A(us) mức khoảng B Write : truyền bit : Master kéo xuống khoảng C trả khoảng D Read : Đọc Bit : Master kéo xuống khoảng A trả delay khoảng E đọc giá trị slave gửi delay F Restart : Chuẩn bị giao tiếp Master ké0 xuống khoảng H nhả lên mức sau cấu hình Master chân In delay I (us) đọc giá trị slave trả Nếu =0 cho phép giao tiếp =1 đường truyền lỗi slave bận Chuẩn 1-Wire điều cần xác thời gian • Khung truyền – gói tin Một gói tin (packet) DHT 11 bao gồm 40bit, tương ứng với 5byte Trong đó: - Byte 1: giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) - Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) - Byte 3: giá trị phần nguyên nhiệt độ (TC) - Byte : giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC) - Byte : kiểm tra tổng ( Check Sum) tổng byte phía trước cộng lại 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire • Chu trình nhận liệu Trạng thái bình thường DHT11 trạng thái tiêu thụ lượng thấp Khi có tín hiệu Reset, chúng wakeup sau DHT11 phản hổi cách kéo chân Data xuống khoảng thời gian, nhả Sau 5byte liệu gửi đi, MCU đọc byte Kết thúc DHT11 nhả chân Data lại mức trở trạng thái tiết kiệm lượng Nó đánh thức có tín hiệu reset 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire • Cách reset hay start Để xuất tín hiệu reset hay start cho DHT11, kéo chân Data xuống 18ms, sau nhả 20-40us để chờ DHT11 phản hồi Nếu DHT11 phản hồi, kéo chân Data xuống khoảng 80us, sau nhả 80us Tiếp theo 80bit (5byte) liệu sau 2.1 Cơ sở lý thuyết 2.1.2 Lý thuyết liên quan c) Chuẩn giao tiếp 1-Wire • Cách nhận biết bit giá trị trả DHT11 Với bit DHT11 kéo chân Data xuống 50us trả 26-28us Với bit DHT11 kéo chân Data xuống 50us trả 70us Thực tế, cần đo thời gian Data mức 28us hay 70us phân biệt DHT11 bit DHT11 bit THIẾT KẾ HỆ THỐNG 2.1 Sơ đồ khối hệ Sử phím 4x4 Dựadụng vào ma cáctrận liệu nhiệt để nhập pass mở cửa hệ thống độ, độ ẩm đất thu thập thống trựcsotiếp tắt được,và đem sánhbật với thiếtsốbị(quạt, bơm cáccác thông thiết ý muốn lậpnước) trướctheo => tự động bật tắt thiết bị quạt, bơm nước Sử dụng giao thức I/O, Sử ADC dụng kit STM32F103C8T6 để đọc từ liệu từcảm Thu thập liệu làm điềunhiệt khiển trung tâm.độ cảmvivà biến ẩm; biến hiển thị độ, lên độ LCD qua ẩm đấtgao thức khối i2c điều khiển trung tâm để xử lý 2.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển 10 45 % K Thank s! ... hiểu giao thức kết nối: GPIO, I2C, chuẩn wire… • Thiết kế sơ đồ khối sơ đồ nguyên lý hệ thống • Thiết kế phần cứng • Vi? ??t chương trình đọc liệu từ cảm biến hiển thị lên LCD điều khiển thiết bị •... cá nhân -Blynk Server cài đặt sử dụng vòng vài phút -Blynk Library upload vào mạch điều khiển Esp8266 mạch kết nối với nhiều cảm biến, thiết bị Và kết nối với Blynk Server thông qua Wifi 2.1 Cơ... nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật áp dụng vào thực tế Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc tiến hành cách chủ quan không đảm bảo u cầu Có thể nói nơng học ngồi kĩ thuật trồng trọt, chăm