THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA BẰNG ARDUINO UNO R3 + MODULE BLUTOOTH HC-05 + RELAY 1 KÊNH 5V

BÁO CÁO ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN TỪ XA BẰNG ARDUINO UNO R3 + MODULE BLUTOOTH HC-05 + RELAY KÊNH 5V Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Ánh Sinh viên thực hiện: Đoàn Trung Long 20181198 Điện 02 - K63 Nguyễn Mạnh Hùng 20181167 Điện 02 - K63 Hà Nội, 02/2022 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT A Tổng quan Arduino Giới thiệu chung Cấu trúc phần cứng B Tìm hiểu Module blutooth HC-05 Giới thiệu Module blutooth HC-05 Cấu tạo Module blutooth HC-05 Nguyên lý hoạt động Module blutooth HC-05 Thông số kỹ thuật Module blutooth HC-05 Giao tiếp với Module bluetooth HC-05 C Tìm hiểu Module Relay kênh 5V CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BĨNG ĐÈN TỪ XA Mơ tả hoạt động hệ thống Yêu cầu hệ thống CHƯƠNG III: MƠ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BĨNG ĐÈN THỰC NGHIỆM Bài toán đặt Thiết kế hệ thống 2.1 Cấu hình HC-05 Arduino 2.2 Viết chương trình code cho Module Relay kênh 5V 2.3 Sơ đồ mạch Lưu đồ thuật toán Kết thực nghiệm KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO LỜI NÓI ĐẦU Trong xu phát triển nay, với bùng nổ ngành công nghệ thông tin, điện tử, tự động hóa,… Đã làm cho đời sống người ngày hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa ngày xâm lấn vào sản xuất chí vào sống sinh hoạt hàng ngày người Do điều khiển thiết bị điện tử từ xa trở nên quan trọng Là sinh viên Trường ĐiệnĐiện tử Đại học Bách Khoa Hà Nội, kiến thức học mong muốn thiết kế điều khiển thiết bị điện từ xa đáp ứng nhu cầu sinh hoạt hàng ngày, nhóm em mạnh dạn chọn “Thiết kế điều khiển thiết bị điện từ xa Arduino uno r3 + Modul blutooth HC-05 + Relay kênh 5V” làm đề tài cho đồ án Trong trình thực đồ án mình, hướng dẫn thầy Nguyễn Văn Ánh chúng em cố gắng để hoàn thiện cách tốt Nhưng với kiến thức hiểu biết có hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu sót mong thầy bạn đóng góp ý kiến đề tài chúng em hoàn thiện CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT A Tổng quan Arduino Giới thiệu chung Arduino mã nguồn mở điện tử tạo thành từ phần cứng phần mềm Về mặt kĩ thuật coi Arduino điều khiển logic lập trình Đơn giản hơn, Arduino thiết bị tương tác với ngoại cảnh thông qua cảm biến hành vi lập trình sẵn Với thiết bị việc lắp ráp điều khiển thiết bị điện tử dễ dàng hết Hiện có nhiều loại vi điều khiển đa số lập trình ngơn ngữ C/C++ Assembly nên khó khăn cho người có kiến thức sâu điện tử lập trình Nó trở ngại cho người muốn tạo riêng cho đồ mang tính cơng nghệ Song Arduino giải vấn đề này, Arduino phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử lập trình vi điều khiển người tiếp cận dễ dàng với thiết bị điện tử mà không cần nhiều kiến thức điện tử thời gian Những mạnh Arduino so với tảng vi điều khiển khác: - Chạy đa tảng: Việc lập trình Arduino thực hệ điều hành khác Windows, Mac Os, Linux Desktop, Android di động - Ngơn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu - Mã nguồn mở: Arduino phát triển dựa nguồn mở nên phần mềm chạy Arduino chia sẻ dễ dàng tích hợp vào tảng khác - Mở rộng phần cứng: Arduino thiết kế sử dụng theo dạng modul nên việc mở rộng phần cứng dễ dàng - Đơn giản nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình sử dụng thiết bị - Dễ dàng chia sẻ: Mọi người dễ dàng chia sẻ mã nguồn với mà không lo lắng ngôn ngữ hay hệ điều hành sử dụng Arduino chọn làm não xử lý nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số có vài ứng dụng thực chứng tỏ khả vượt trội Arduino chúng có khả thực nhiều nhiệm vụ phức tạp Arduino biết đến nhiều phần cứng nó, phải có phần mềm để lập trình phần cứng Cả phần cứng phần mềm gọi chung Arduino  Phần mềm Arduino: Phần mềm Arduino gọi sketches, tạo máy tính có tích hợp mơi trường phát triển (IDE) IDE cho phép viết, chỉnh sửa code chuyển đổi cho phần cứng hiểu IDE dùng để biên dịch nạp vào Arduino (quá trinh xử lý gọi UPLOAD)  Phần cứng Arduino: Phần cứng Arduino board Arduino, nơi thực thi chương trình lập trình Các board điều khiển đáp trả tín hiệu điện, thành phần ghép trực tiếp vào nhằm tương tác với giới thực để cảm nhận truyền thơng Ví dụ cảm biến bao gồm thiết bị chuyển mạch, cảm biến siêu âm, gia tốc Các thiết bị truyền động bao gồm đèn, motor, loa thiết bị hiển thị Có nhiều ứng dụng sử dụng Arduino để điều khiển Arduino có nhiều module, module phát triển cho ứng dụng.Về mặt chức năng, bo mạch Arduino chia thành hai loại: loại bo mạch có chip Atmega loại mở rộng thêm chức cho bo mạch Các bo mạch giống chức năng, nhiên mặt cấu số lượng I/O, dung lượng nhớ, hay kích thước có khác Một số bo mạch có trang bị thêm tính kết nối Ethernet Bluetooth Các bo mở rộng chủ yếu mở rộng thêm số tính cho bo mạch ví dụ tính kết nối Ethernet, Wireless, điều khiển động cơ,… Cấu trúc phần cứng  Cấu trúc chung Arduino Uno bo mạch vi điều khiển dựa chip ATmega168 ATmega 328 Cấu trúc chung bao gồm: - 14 chân vào tín hiệu số, có chân sử dụng để điều chế độ rộng xung - Có chân đầu vào tín hiệu tương tự cho phép kết nối với cảm biến bên để thu thập số liêu - Sử dụng dao động thạch anh tần số dao động 16MHz - Có cổng kết nối chuẩn USB để nạp chương trình vào bo mạch chân cấp nguồn cho mạch nút reset - Nó chứa tất thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển, nguồn cung cấp cho Arduino từ máy tính thơng qua cổng USB từ nguồn chuyên dụng biến đổi từ xoay chiều sang chiều nguồn lấy từ pin Hình 1: Cấu trúc phần cứng của Arduino Uno  Thông số kỹ thuật Arduino Uno - Khối xử lý trung tâm vi điều khiển Atmega328 - Điện áp hoạt động 5V - Điện áp đầu vào khuyến nghị 5-12V - Điện áp đầu vào giới hạn 6-20V - Dòng điện chiều chân vào 40mA - Dòng điện chiều cho chân 3.3V 50mA - Clock Speed 16 MHz - Flash Memory 16 Kb (ATmega 168) 32 Kb (ATmega 328), SRAM Kb (ATmega 168) Kb (ATmega 328), EEPROM 512 bytes (ATmega 168) Kb (AT mega 328)  Nguồn ni Arduino hỗ trợ thơng qua kết nối USB với nguồn cung cấp điện bên Các nguồn lượng lựa chọn tự động Hệ thống vi điều khiển hoạt động nguồn cung cấp bên từ 6V đến 20V Nên cung cấp với 7V, nhiên pin 5V cung cấp 5V hệ thống vi điều khiển khơng ổn định Nếu sử dụng nhiều 12V điều chỉnh điện áp nóng Phạm vi khuyến nghị 7V đến 12V - Chân Vin: Điện áp đầu vào Arduino dùng nguồn điện bên Chúng ta cung cấp nguồn thơng qua chân - Chân 5V: Cung cấp nguồn vi điều khiển phận khác bo mạch cung cấp nguồn cho thiết bị ngoại vi kết nối tới bo mạch - Chân 3V3: Cung cấp nguồn cho thiết bị cảm biến - Chân GND: Chân nối đất B Tìm hiểu Module blutooth HC-05 Giới thiệu Module blutooth HC-05 Bluetooth chuẩn truyền thông không dây để trao đổi liệu khoảng cách ngắn Chuẩn truyền thơng sử dụng sóng radio ngắn(UHF radio) dải tần số ISM (2.4 tới 2.485 GHz) Khoảng cách truyền module vào khoảng 10m Module blutooth HC-05 thiết kế dựa chip BC417 Con chip phức tạp sử dụng nhớ flash 8Mbit Nhưng việc sử dụng module hồn tồn đơn giản nhà sản xuất tích hợp thứ module HC-05 - Ứng dụng HC-05: • HC-05 thường sử dụng dự án nhúng, nơi liệu cần truyền không dây khoảng cách nhỏ • Có thể truyền liệu hai mơ-đun HC-05 gửi liệu từ HC05 đến thiết bị Bluetooth nào, chẳng hạn điện thoại di động, máy tính xách tay, v.v Hình 2: Hình ảnh thực tế module thu phát HC-05 Cấu tạo Module blutooth HC-05 a, Linh kiện bo mạch - BT_Board: bo mạch blutooth - Chip CSR Blutooth radio để kết nối blutooth - Bộ nhớ flash 8Mb đọc/ghi liệu - Bộ giao động 26 Mhz Xtal - 5V Regulator : Bộ điều chỉnh điện áp thành 5V cho bo mạch - Ăng-ten: thu phát sóng blutooth Hình 3: Cấu tạo module thu phát HC-05 b, Sơ đồ chân đấu nối Hình 4a,b : Sơ đồ chân HC-05  - KEY/ENABLE: Chân Enable / Key chân thay đổi chế độ chế độ liệu(Data Mode) chế độ dòng lệnh(Command Mode) cách cấp tín hiệu bên ngồi Cấp logic cao chuyển sang chế độ dòng lệnh trạng thái logic thấp chuyển sang chế độ liệu Chế độ thiết bị mặc định chế độ liệu  - VCC: Giống thiết bị khác, HC-05 phụ thuộc vào nguồn điện để hoạt động chân VCC cấp nguồn điện từ bên ngồi Chân cấp nguồn từ 3.6V đến 6V bên module có ic nguồn chuyển điện áp 3.3V cấp cho IC BC417 - GND (Mass): Chân nối đất module - TXD,RXD: Chân truyền liệu giao thức UART, Chân nhận liệu giao thức UART Đây hai chân UART để truyền dẫn liệu nối tiếp, module hoạt động mức logic 3.3V  - STATE: Báo trạng thái kết nối Bluetooth - Chân LED: Đèn LED hiển thị trạng thái Module HC-05 Nguyên lý hoạt động Module blutooth HC-05   HC-05 có hai chế độ hoạt động Command Mode Data Mode  Ở chế độ Command Mode ta giao tiếp với module thơng qua cổng serial module tập lệnh AT  Ở chế độ Data Mode module truyền nhận liệu tới module bluetooth khác Chân KEY dùng để chuyển đổi qua lại hai chế độ Có hai cách để chuyển đổi module hoạt động chế độ: - Nếu đưa chân KEY lên mức logic cao trước cấp nguồn module đưa vào chế độ Command Mode với baudrate mặc định 38400 Chế độ hữu ích khơng biết baudrate module thiết lập tốc độ Khi chuyển sang chế độ đèn led module nháy chậm (khoảng 2s) ngược lại chân KEY nối với mức logic thấp trước cấp nguồn module hoạt động chế độ Data Mode - Nếu module hoạt động chế Data Mode để đưa module vào hoạt động chế độ Command Mode cần đưa chân KEY lên mức cao Lúc module vào chế độ Command Mode với tốc độ BaudRate thiết lập lần cuối Vì phải biết baudrate thiết bị để tương tác với Chú ý module chưa thiết lập lại lần mặc định sau:   Baudrate 9600, data bits, stop bits 1, parity : none, handshake: none   Passkey: 1234  Device Name: HC-05       Ở chế độ Data Mode HC-05 hoạt động master slave tùy vào việc cấu hình Chế độ SLAVE: cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth để dị tìm module sau ghép cặp với mã PIN 1234 Sau kết nối thành cơng, ta có cổng serial từ xa hoạt động baud rate 9600 Chế độ MASTER: module tự động dị tìm thiết bị bluetooth khác (1 module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth laptop ) tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập từ máy tính smartphone Thơng số kỹ thuật Module blutooth HC-05         Điện áp hoạt động : +3.3VDC 30mA(hỗ trợ IC 5.0V) Dòng điện hoạt động : Khi Pairing 30mA , sau pairing hoạt động truyền nhận bình thường 8mA Baudrate : 1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,11520 Dải tần hoạt động : 2.4GHz Kích thước : 26.9mm x 13mm x 2.2mm Giao tiếp : Bluetooth serial port Nhiệt độ làm việc : -20℃ ~ +75℃ Tốc độ : - Asynchronous : 2.1Mbps(Max)/160kbps Các lệnh chế độ Slave: AT+ORGL // Reset lại cài đặt mặc định AT+RMAAD //  Xóa thiết bị ghép nối AT+ROLE=0 // Đặt chế độ SLAVE AT+ADDR // Hiển thị địa SLAVE C Tìm hiểu Module Relay kênh 5V Rơ le (relay) chuyển mạch hoạt động điện Dòng điện chạy qua cuộn dây rơ-le tạo từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi cơng tắc chuyển mạch Dịng điện qua cuộn dây bật tắt, rơ-le có hai vị trí chuyển mạch qua lại Rơ le sử dụng phổ biến bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng để đóng cắt dòng điện lớn mà hệ thống mạch điều khiển khơng thể trực tiếp can thiệp người ta sử dụng rơ le để đóng cắt dịng điện cao rơ le có nhiều hình dáng kích thước chân cắm khác Trên thị trường có loại module rơ-le: module rơ-le đóng mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le đóng), module rơ-le đóng mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le đóng) Nếu so sánh module rơ-le có thơng số kỹ thuật hầu hết kinh kiện giống nhau, khác chỗ cái transister module(có loại transistor NPN kích mức cao, PNP - kích mức thấp) Relay kênh 5V module relay kích mức thấp dùng để đóng cắt dịng điện Thơng số kỹ thuật Module Relay kênh 5V     Mức logic : 0V (GND) Điều khiển đóng ngắt điện DC AC, bạn điều khiển tải AC 220 V 10A Có tiếp điểm thường mở thường đóng: o NO : thường mở (khi kích tiếp điểm đóng lại) o COM : chung o NC : Thường đóng (khi kích tiếp điểm mở ra) Đầu vào: -Điện áp nuôi : 5VDC -Tín hiệu vào điều khiển: 0V    + Tín hiệu 0: Relay đóng    + Tín hiệu : Relay mở Đầu ra: + Tiếp điểm relay 220V 10A ( Lưu ý tiếp điểm , khơng phải điện áp ra) + NC : Thường đóng + NO: Thường mở + COM: Chân chung Ký hiệu nguồn: + VCC, GND nguồn nuôi Relay + IN chân tín hiệu điều khiển CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN TỪ XA CHƯƠNG III: MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN BÓNG ĐÈN THỰC NGHIỆM Bài tốn đặt Trong q trình đại hóa, cơng nghiệp hóa ngày người tiêu dùng ưa thích tiện lợi, phát triển nhất, người dân có xu hướng áp dụng kĩ thuật điều khiển từ xa cho thiết bị nhà điển hình điều khiển bóng đèn chiếu sáng Vì nhóm em định lấy bóng đèn làm thiết bị điện để mô điều khiển thiết bị điện từ xa Yêu cầu mô phải điều khiển bật/tắt bóng đèn thơng qua điện thoại có kết nối blutooth Thiết kế điều khiển 2.1 Cấu hình HC-05 Arduino Bước 1: Kết nối Arduino với máy tính, tiến hành nạp code bên cho arduino: #include SoftwareSerial Bluetooth(2,3); char c=’ ‘; void setup() {   Serial.begin(9600);   Serial.println(“ready”);   Bluetooth.begin(38400); } void loop() {   if(Bluetooth.available())  {     c=Bluetooth.read();     Serial.write(c);  }   if(Serial.available())  {     c=Serial.read();     Bluetooth.write(c);  } } Bước 2: Sau rút usb đấu nối hình vẽ: Cấp nguồn 5V cho module bluetooth Chân D2 nối chân TX BL Chân D3 nối với RX Chân KEY( hay EN)  khi chưa cắm vào máy tính nối vào GND Bước 3: Cắm USB vào máy tính ta đổi chân KEY( hay EN) qua VCC 5V Bước 4: Mở serial chuyển Baud thành 38400 sau lại chuyển về 9600 Bước 5: Tiến hành test Gửi tập lệnh test với phần mềm Heculus bên có điều khơng thêm hậu tố , ý không để dư khoảng trắng AT   // kiểm tra giao tiếp, trả OK AT+NAME? // kiểm tra tên bluetooth, trả tên bluetooth AT+NAME=”” // đặt lại tên bluetooth, thêm liệu vào dấu “ “ AT+PSWD? // kiểm tra mật khẩu, trả mật bluetooth AT+PSWD=”” // đặt lại mật khẩu, thêm liệu vào dấu “ ” 2.2 Viết chương trình code cho Module Relay kênh 5V 2.3 Tạo ứng dụng mobile điều khiển bóng đèn - Truy cập trang web http://ai2.appinventor.mit.edu/ để tạo ứng dụng android cách đơn giản nhanh chóng - Tạo layout, giao diện cho ứng dụng: - Thiết lập logic chức cho ứng dụng: - Sau download cài đặt ứng dụng cho thiết bị smart phone 2.4 Sơ đồ mạch thực tế Lưu đồ thuật toán Kết thực nghiệm - Sau kết nối mạch điện tử nạp code cho Arduino, ta điều khiển bóng đèn led điện thoại android với độ trễ thấp ổn định - App điều khiển smart phone: Đèn tắt, bấm nút “Bật đèn” để bật đèn Để tắt đèn, bấm nút “Tắt đèn” - Demo video: https://youtu.be/GioM5w5oLBk KẾT LUẬN Việc thiết kế hệ thống điều khiển bóng đèn thiết bị điện khác có ý nghĩa to lớn, ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống xã hội cơng nghiệp Ngồi ra, module Bluetooth kết hợp với Arduino mở nhiều hướng ứng dụng khác, phục vụ tốt cho việc học tập nghiên cứu sinh viên Việc xây dựng hệ thống điều khiển bóng đèn từ xa bluetooth liên quan đến nhiều tảng kiến thức từ kiến thức lý thuyết kiến thức thực tiễn HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Trong thời gian tới, chúng em tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài theo hướng sau đây: - Liên kết với nhiều thiết bị khác để hoàn thiện hệ thống smart home - Tích hợp thêm cảm biến để tạo hệ thống tự động bật/tắt thiết bị điện gia đình TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://www.arduino.cc/ [2] arduino.vn/bai-viet/333-dieu-khien-arduino-thong-qua-bluetooth-bang-dienthoai-android [3] https://www.youtube.com/watch?v=zFi7TsnIHpU&list=LL [4] https://www.youtube.com/watch?v=7tUGUXyloXQ&list=LL ... thuật điều khiển từ xa cho thiết bị nhà điển hình điều khiển bóng đèn chiếu sáng Vì nhóm em định lấy bóng đèn làm thiết bị điện để mô điều khiển thiết bị điện từ xa Yêu cầu mô phải điều khiển. .. nhu cầu sinh hoạt hàng ngày, nhóm em mạnh dạn chọn ? ?Thiết kế điều khiển thiết bị điện từ xa Arduino uno r3 + Modul blutooth HC-05 + Relay kênh 5V? ?? làm đề tài cho đồ án Trong trình thực đồ án mình,... động Module blutooth HC-05 Thông số kỹ thuật Module blutooth HC-05 Giao tiếp với Module bluetooth HC-05 C Tìm hiểu Module Relay kênh 5V CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN BĨNG ĐÈN TỪ XA