BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG SÓNG RF Ngành Kỹ thuật điện tử truyền thông Giảng viên hƣớng dẫn ThS Bùi Hữu Hiên Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Phúc Luân 1711010009 17DDTA1 Nguyễn Hữu Tuấn 1711010107 17DDTA1 TP Hồ Chí Minh, Tháng 92021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT THIẾT BỊ ĐIỆN BẰNG SÓNG RF Ngành Kỹ thuật.
Giới thiệu
Giới thiệu cơ bản về sóng RF
Các dao động điện từ với tần số hàng chục và hàng trăm Hz có bức xạ yếu và không thể truyền đi xa Trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, sóng có tần số từ hàng nghìn Hz trở lên, được gọi là sóng vô tuyến, được sử dụng Sóng RF (tần số vô tuyến) là loại sóng điện từ có dải tần số từ 3 KHz đến 300 GHz.
Bảng 1.1 Phân loại tần số
Tần số Bước sóng Tên gọi Tên gọi Công dụng
Tần số cực kỳ thấp ELF
Chứa tần số điện mạng xoay chiều, các tín hiệu đo lường từ xa tần thấp
100 km Tần số thoại VF Chứa các tần số kênh thoại tiêu chuẩn
10 km Tần số rất thấp VLF
Chứa phần trên của dải nghe được của tiếng nói Dùng cho hệ thống an ninh, quân sự, chuyên dụng, thông tin dưới nước (tàu ngầm)
1 km Tần số thấp LF Dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không
Tần số trung bình MF
Dùng cho phát thanh thương mại sóng trung
(535 – 1605 kHz) Cũng được dùng cho dẫn đường hàng hải và hàng không
30 MHz 100m-10m Tần số cao HF
Sử dụng trong thông tin vô tuyến hai chiều, công nghệ này phục vụ cho việc truyền tải thông tin ở cự ly xa, bao gồm liên lạc xuyên lục địa, hàng hải, hàng không, nghiệp dư và phát thanh quảng bá.
300 MHz 10m-1m Tần số rất cao VHF
Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải và hàng không, phát thanh FM thương mại (88 đến
108 MHz), truyền hình thương mại (kênh 2 đến 12 tần số từ 54
- 3 GHz 1m-10 cm Tần số cực cao UHF
Dịch vụ truyền hình thương mại từ kênh 14 đến kênh 83 bao gồm các dịch vụ thông tin di động mặt đất và di động tế bào, cùng với một số hệ thống radar, dẫn đường, vi ba và vệ tinh.
1 cm Tần số siêu cao SHF
Sử dụng cho các kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến kênh 83, các dịch vụ thông tin di động mặt đất và di động tế bào, cùng với một số hệ thống radar, dẫn đường, vi ba và vệ tinh.
300 GHz 1 cm-1mm Tần số cực kỳ cao EHF Ít sử dụng trong thông tin vô tuyến
1.1.2 Cách tạo ra sóng RF Để có sóng RF dùng trong điều khiển vô tuyến, khởi đầu người ta dùng mạch dao động cộng hưởng LC được kết nối bởi một cuộn dây và một tụ điện Khi mạch
Khi mạch LC bị kích thích, cuộn dây sẽ tạo ra từ trường và tụ điện sẽ tạo ra điện trường Trong trạng thái cộng hưởng, từ trường của cuộn dây L và điện trường của tụ C kết hợp để hình thành sóng điện từ Sử dụng dây anten phù hợp, sóng RF được phát ra từ mạch LC vào không gian, phục vụ cho việc điều khiển vô tuyến.
Sử dụng mạch cộng hưởng LC để tạo ra sóng mang tần số lớn, sau đó áp dụng các mã lệnh điều khiển vào sóng mang thông qua các phương pháp điều chế trước khi phát sóng ra không gian Để hiểu rõ cách thức hoạt động của các thiết bị không dây, việc nắm vững kiến thức về trường điện từ, anten và các thuật ngữ liên quan là rất quan trọng Thiếu kiến thức cơ bản này sẽ gây khó khăn trong việc lắp đặt chính xác các thiết bị không dây và xử lý sự cố hiệu quả.
Trong truyền thông, việc gửi dữ liệu dưới dạng các bit 0 và 1 yêu cầu một phương thức hiệu quả Tín hiệu xoay chiều hoặc một chiều không thể thực hiện điều này một cách độc lập Tuy nhiên, khi tín hiệu có sự thay đổi nhỏ, nó có thể phân biệt được giữa bit 0 và bit 1, từ đó cho phép truyền và nhận dữ liệu thành công Tín hiệu này được gọi là sóng mang, với ba thành phần chính là biên độ, tần số và pha Tất cả các phương thức truyền thông sử dụng sóng vô tuyến đều áp dụng các dạng điều chế để mã hóa dữ liệu.
Hệ thống truyền nhận dữ liệu không dây sử dụng sóng AM/FM để gửi tín hiệu qua điện thoại di động và truyền hình vệ tinh Để thực hiện điều này, cần phải áp dụng phương pháp điều chế cho sóng vô tuyến đang được truyền.
Truyền thông vô tuyến bắt đầu khi sóng vô tuyến được phát từ thiết bị phát và gửi đến máy nhận ở vị trí khác, tương tự như các cơn sóng ở biển Sóng vô tuyến có hai thành phần chính là biên độ và bước sóng Biên độ thể hiện độ cao và công suất của sóng; sóng lớn tạo ra tín hiệu mạnh hơn, dễ nhận biết hơn so với sóng nhỏ Anten hoạt động như một công cụ giúp tăng cường tín hiệu sóng vô tuyến, giúp cải thiện khả năng nhận diện tín hiệu.
1.1.3 Bức xạ điện từ Đầu tiên ta xét đến sóng điện từ, bức xạ điện từ bao gồm sóng radio, vi ba, hồng ngoại, ánh sáng khả kiến, tia cực tim, tia X, tia gama Tất cả chúng truyền đi với vận tốc ánh sáng là c=3*10^8 m/s và tạo ra phổ điện từ Sự khác nhau giữa các loại sóng điện từ này phụ thuộc vào bước sóng của mỗi loại và chính bước sóng này liên quan trực tiếp đến năng lượng của sóng
Pha là thuật ngữ tương đối, thể hiện mối quan hệ giữa hai sóng cùng tần số Để xác định pha, bước sóng được chia thành 360 phần.
Biên độ và pha của sóng được thể hiện qua các thông số quan trọng Nếu coi 0 độ là thời điểm bắt đầu của một sóng, thì một sóng khác bắt đầu tại 90 độ sẽ được xem là lệch pha 90 độ so với sóng đầu tiên.
Trong môi trường lý tưởng, sóng được tạo ra và truyền từ máy này sang máy kia một cách hoàn hảo Tuy nhiên, trong thực tế, truyền thông vô tuyến gặp nhiều trở ngại do các nguồn gây nhiễu và vật cản, ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của sóng.
1.1.5 Các phương pháp điều chế
Điều biên, hay còn gọi là độ cao của tín hiệu, được sử dụng để mô tả dữ liệu nhị phân Kỹ thuật trạng thái hiện hành áp dụng trong điều biên cho phép một mức biên độ biểu thị cho mức 0 và một mức khác biểu thị cho mức 1.
Tổng quát về công nghệ Bluetooth
1.2.1 Khái niệm cơ bản về Bluetooth
Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện tử giao tiếp trong khoảng cách ngắn, sử dụng sóng vô tuyến qua băng tần ISM (2.40 – 2.48 GHz) Công nghệ này có khả năng truyền tải giọng nói và dữ liệu với phạm vi hoạt động khoảng 10m Bluetooth đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 1Mbps, nhanh gấp 3 đến 8 lần so với tốc độ trung bình của cổng song song và cổng serial.
Hình 1.6 Sơ đồ mạch thu sóng RF (Nguồn Internet) đăng ký hoặc được dành riêng để dùng cho các thiết bị không dây trong công nghiệp, khoa học, y tế
Bluetooth được phát triển để thay thế dây cáp giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, cho phép kết nối không dây giữa các thiết bị điện tử một cách thuận tiện và tiết kiệm chi phí.
Khi Bluetooth được kích hoạt, nó có khả năng tự động phát hiện các thiết bị tương thích xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng Công nghệ này chủ yếu được sử dụng cho việc truyền tải dữ liệu và âm thanh.
Công nghệ Bluetooth là một tiêu chuẩn không dây phổ biến, cho phép kết nối giữa các thiết bị nhỏ và chi phí thấp như PC di động và điện thoại di động mà không cần cáp Mặc dù tốc độ truyền dữ liệu của Bluetooth chậm hơn so với mạng Wifi, nhưng nó tiêu tốn ít năng lượng và có giá thành hợp lý Apple đã tích hợp Bluetooth vào máy Mac từ nhiều năm trước, giúp người dùng dễ dàng sử dụng các thiết bị như bàn phím và chuột không dây Công nghệ này cũng hỗ trợ đồng bộ hóa dữ liệu với thiết bị di động, in ấn qua máy in Bluetooth, và kết nối với nhiều thiết bị khác.
Hình 1.7 Biểu tượng của Bluetooth (Nguồn Internet)
Bluetooth đã phải đối mặt với với cuộc chiến leo thang với các nhà sản xuất
Công nghệ Bluetooth đã trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp điện thoại di động, khi hầu hết các thiết bị di động hiện nay đều hỗ trợ tính năng này, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị headset không dây Trong tương lai, chúng ta có thể kỳ vọng vào sự phát triển liên tục của công nghệ Bluetooth, mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
1.2.2 Các đặc điểm của Bluetooth
Bluetooth có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ tối đa 1Mb/s và hỗ trợ tốc độ lên đến 720Kbps trong phạm vi 10m Khác với kết nối hồng ngoại (IrDA), Bluetooth sử dụng kết nối vô hướng và hoạt động trên dải tần 2.4GHz.
Tiêu thụ năng lượng thấp,cho phép ứng dụng được trong nhiều thiết bị, bao gồm thiết bị cầm tay và điện thoại di động
Giá thành hạ (giá của một con chip Bluetooth đang giảm dần)
Khoảng cách giao tiếp giữa 2 thiếc bị đầu cuối có thể lên đến 10m ngoài trời và 5m trong tòa nhà
Hình 1.8 Các thiết bị hỗ trợ sóng Bluetooth (Nguồn Internet)
Khoảng cách thiết bị đầu cuối và Access Point có thể lên đến 100m ngoài trời và 30m trong nhà
Bluetooth hoạt động trên băng tần 2.4GHz trong dãy tần ISM, cho phép tốc độ truyền dữ liệu tối đa lên đến 1Mbps mà không cần thiết bị phải ở gần nhau.
Bluetooth cho phép phát triển ứng dụng một cách dễ dàng bằng cách kết nối các ứng dụng với nhau thông qua các chuẩn "Bluetooth Profiles", giúp đảm bảo tính độc lập về phần cứng và 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.
Module thu phát RF 315Mhz
1.3.1 Remote điều khiển từ xa và IC mã hóa PT2262
Bảng 1.2 Bảng mô tả thông số Remote Điện áp hoạt động DC12V (23A/12V pin)
Hình 1.9 Remote điều khiển từ xa (Nguồn
Khoảng cách truyền 150 mét (mở)
Mã hóa Mã cố định hàn ghép nối
Kích thước 63mm'39mm'11 0,5 mm
Bảng 1.3 Bảng chức năng IC PT2262
Chân I/O Chức năng Thứ tự chân
Mã địa chỉ Pin Số 0 đến 5 được xác định bởi PT2262, cho phép nhận diện dạng sóng mã hóa từ 0 đến 5 bit Mỗi chân có khả năng được thiết lập thành "0", "1" hoặc "f" (nổi).
Hình 1.10 Sơ đồ chân IC PT2262 (Nguồn Internet)
Số pin địa chỉ mã từ 6 đến 11 và số pin dữ liệu từ 5 đến 0 được PT2262 sử dụng để phát hiện dạng sóng mã hóa từ bit 6 đến bit 11 Khi các chân này hoạt động như chân địa chỉ, chúng có thể được cấu hình linh hoạt.
“0”, “1” hoặc “f” (nổi) Khi những các chân được sử dụng làm chân dữ liệu, chúng chỉ có thể được đặt thành “0” hoặc “1”
Truyền cho phép PT2262 xuất dạng sóng mã hóa thành DOUT khi chân này được kéo xuống mức thấp
OSC1 Output Chân dao động số 1 15
OSC2 Input Chân dao động số 2 16
Pin đầu ra dữ liệu Dạng sóng được mã hóa được xuất nối tiếp tới chân này
Khi PT2262 không truyền, DOUT xuất ra điện áp thấp (Vss)
- Cung cấp năng lượng tích cực 18
VSS - Cung cấp năng lượng tích cực 9
Bit mã là thành phần cơ bản của dạng sóng mã hóa, được phân loại thành Bit AD (Địa chỉ/Dữ liệu) hoặc Bit SYNC (Đồng bộ).
Địa chỉ/Dữ liệu BIT WAVEFORM
Một Bit AD có thể có giá trị là “0”, “1” hoặc “f”, tương ứng với trạng thái thấp, cao hoặc thả nổi Dạng sóng một bit bao gồm 2 chu kỳ xung, mỗi chu kỳ xung chứa 16 khoảng thời gian dao động.
Dạng sóng bit đồng bộ dài 4 bit với xung độ rộng 1/8 bit
Nhóm Code Bits được gọi là Code Word, trong đó mỗi từ mã bao gồm 12 bit AD và một bit đồng bộ Các bit này được xác định bởi trạng thái của các chân A0 đến A5 và A6/D5 đến A11/D0 tại thời điểm truyền dữ liệu.
Hình 1.11 Chu kỳ tạo xung IC PT2262 (Nguồn Internet)
IC PT2262 sử dụng dạng sóng Bit đồng bộ, trong đó các bit địa chỉ sẽ giảm tương ứng Ví dụ, với ba kiểu dữ liệu có địa chỉ 9 bit, định dạng truyền được thiết lập cụ thể.
PT2262 và PT2272 hỗ trợ tối đa mười hai (12) bit địa chỉ, trong đó có sáu (6) bit dùng cho địa chỉ và dữ liệu Dưới đây là biểu đồ mô tả các bit mã cùng với các chân tương ứng.
Các bit mã A0 ~ A5 và A6 / D5 ~ A11 / D0 được xác định bởi trạng thái của các chân A0 ~ A5 và A6 / D5 ~ A11 / D0 Ví dụ, khi A0 (Chân số 1) được đặt thành
Bit mã A0 được tổng hợp thành bit “1” khi chân A0 được đặt thành “1” (VCC) Ngược lại, khi chân A0 được đặt thành “0” (Vss) hoặc thả nổi, bit mã A0 sẽ được tổng hợp thành bit “0” hoặc “f” tương ứng.
Hình 1.13 Định dạng truyền dữ liệu (Nguồn Internet)
Hình 1.14 Bit mã với các chân tương ứng (Nguồn Internet)
1.3.2 Module thu và IC giải mã PT2272
Bảng 1.4 Bảng mô tả thông số module Điện áp hoạt động DC 3 ~ 8V
Dòng làm việc ≤ 3 mA (DC 5V)
Tần số hoạt động 315/433MHz
Chế độ điều chế ASK / OOK Độ nhạy -105 dBm (50 Ω)
Tốc độ 5MS để thiết lập lại
UART_RTS 4 UART yêu cầu để gửi, tích cực mức thấp UART_CTS 3 UART xóa sạch để gửi, tích cực mức thấp
UART_RX 2 UART dữ liệu đầu vào
UART_TX 1 UART dữ liệu đầu ra
SPI_MOSI 17 Đầu vào dữ liệu giao diện ngoại vi nối tiếp
Chọn chip cho giao diện ngoại vi nối tiếp, tích cực mức thấp
SPI_CLK 19 Đồng hồ giao diện ngoại vi nối tiếp
SPI_MISO 18 Đầu ra dữ liệu giao diện ngoại vi nối tiếp
PCM_CLK 5 Đồng hồ dữ liệu PCM đồng bộ
PCM_OUT 6 Đầu ra dữ liệu PCM đồng bộ
PCM_IN 7 Đầu vào dữ liệu PCM đồng bộ
PCM_SYNC 8 Dữ liệu PCM đồng bộ nhấp nháy
1.4.2 Tập lệnh AT mặc định
Cách đặt chế độ thành máy chủ (chính):
1 Kết nối PIO11 với mức cao
2 Bật nguồn, mô-đun vào trạng thái lệnh
3 Sử dụng tốc độ truyền 38400, đã gửi “AT + ROLE = 1 \ r \ n” tới mô-đun, với “OK \ r \ n” nghĩa là thiết lập những thành công
4 Kết nối PIO11 với mức thấp, cấp nguồn cho mô-đun, mô-đun hoạt động như một máy chủ
Nhận phiên bản phần cứng: AT+VERSION?
Khôi phục mặc định: AT+ORGL
Nhận địa chỉ module: AT+ADDR?
Lấy tên thiết bị Bluetooth: AT+RNAME?
Đặt/kiểm tra chế độ module: AT+ROLE=/ AT+ ROLE?
Đặt/kiểm tra loại thiết bị: AT+CLASS=/ AT+CLASS?
Đặt/kiểm tra mã PIN: AT+PSWD=/ AT+PSWD?
Đặt/kiểm tra chế độ kết nối: AT+CMODE=/ AT+CMODE?
Đặt/ kiểm tra chế độ cố định: AT+BIND=/ AT+BIND?
Đặt đầu ra PIO: AT+PIO=,
Đặt/kiểm tra chế độ bảo mật: AT+SENM=,
Xóa các thiết bị đã xác thực: AT+RMAAD
Tìm kiếm thiết bị được xác thực: AT+FSAD=
Nhận số lượng thiết bị được xác thực: AT+ADCN?
Thiết bị xác thực được sử dụng gần đây nhất: AT+MRAD?
Nhận trạng thái làm việc của module: AT+STATE?
Khởi tạo hồ sơ SPP lib: AT+INIT
Yêu cầu thiết bị Bluetooth: AT+INQ
Hủy yêu cầu thiết bị Bluetooth: AT+INQC
Phù hợp với thiết bị: AT+PAIR=,
Kết nối thiết bị: AT+LINK=
Ngắt kết nối: AT+DISC
Chế độ tiết kiệm năng lượng: AT+ENSNIFF=
Thực hiện chế độ tiết kiệm năng lượng: AT+EXSNIFF=
Giới thiệu vi điều khiển AT89C52
Vi điều khiển 89C52 là một vi điều khiển CMOS hiệu suất cao với 8Kbyte bộ nhớ Flash, cho phép tái lập trình chương trình trong hệ thống Sự kết hợp giữa CPU 8-bit và bộ nhớ Flash mang lại tính linh hoạt cao, làm cho 89C52 trở thành giải pháp kinh tế hiệu quả cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng.
Vi điều khiển 89C52 có những đặc tính nổi bật như 8Kbyte bộ nhớ Flash, 256 Byte RAM, 32 đường I/O, 2 con trỏ dữ liệu và 3 bộ định thời timer/counter 16-bit Nó sở hữu kiến trúc 6 vector ngắt với 2 mức, 1 port nối tiếp song công, bộ dao động và mạch xung clock Thiết kế với logic tĩnh cho phép 89C52 hoạt động đến tần số 0Hz và hỗ trợ 2 chế độ tiết kiệm năng lượng: chế độ không tải (Idle mode) cho phép RAM, Timer/Counter, port nối tiếp và hệ thống ngắt hoạt động trong khi CPU ngừng, và chế độ tắt nguồn (Power-down mode) lưu dữ liệu trong RAM nhưng ngừng hoạt động các chức năng khác của chip cho đến khi có ngắt hoặc reset phần cứng.
1.5.1 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52
Port 0 : Từ chân 32 đến chân 39 (P0.0 - P0.7), có 2 chức năng :
Trong các thiết kế cỡ nhỏ không dùng bộ nhớ mở rộng nó có chức năng như các đường I/O
Hệ thống lớn với bộ nhớ mở rộng sử dụng AT89C52 có sơ đồ chân vi điều khiển, trong đó bus địa chỉ byte thấp và bus dữ liệu kết hợp để truy cập bộ nhớ ngoài.
Port 1 : Từ chân 1 đến chân 9 (P1.0 - P1.7)
Port 3 là port có tác dụng kép Các chân port này có nhiều chức năng, vừa là cổng I/O vừa có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặc tính đặc biệt của AT89C52 như ở bảng sau:
Bảng 1.7 Bảng chức năng các chân Port 1
Port Pin Tên Chức năng chuyển đổi
Ngõ và bộ kích chế độ thu nhận (capture)/nạp lại (reload) và điều khiển trực tiếp của Timer
Giao thức lập trình từ bên ngoài sử dụng ba tín hiệu quan trọng: P1.5 MOSI, P1.6 MISO và P1.7 SCK Những tín hiệu này đóng vai trò thiết yếu trong việc truyền dữ liệu và đồng bộ hóa giữa các thiết bị trong hệ thống lập trình.
Port 2: Từ chân 21 đến chân 28 (P2.0 - P2.7)
Port 2 là port có tác dụng kép dùng như các đường I/O hoặc là byte cao (A8- A15) của bus địa chỉ đối với các thiết bị dùng bộ nhớ mở rộng
Port 3: Từ chân 10 đến chân 17 (P3.0 - P3.7)
Port 3 là port có tác dụng kép, các chân port này có nhiều chức năng, vừa là cổng I/O vừa có công dụng chuyển đổi có liên hệ đến các đặt tính đặc biệt của AT89C52 như ở bảng sau:
Bảng 1.8 Bảng chức năng các chân Port 3
Port Pin Tên Chức năng chuyển đổi
P3.0 RxD Ngõ vào dữ liệu nối tiếp
P3.1 TxD Ngõ xuất dữ liệu nối tiếp
P3.2 INT0\ Ngõ vào ngắt ngoài thứ 0
P3.3 INT1\ Ngõ vào ngắt ngoài thứ 1
P3.4 T0 Ngõ vào của Timer/Couter 0
P3.5 T1 Ngõ vào của Timer/ Counter 1
P3.6 WR\ Tín hiệu ghi dữ liệu lên bộ nhớ ngoài P3.7 RD\ Tín hiệu đọc dữ liệu từ bộ nhớ ngoài
PSEN (Program store enable): Chân 29
PSEN là tín hiệu đầu ra cho phép truy cập vào bộ nhớ chương trình mở rộng, thường được kết nối với chân OE\ của Eprom, giúp đọc các byte mã lệnh.
ALE/PROG (Address Latch Enable): Chân 30
Khi vi điều khiển AT89C52 truy xuất bộ nhớ bên ngoài, Port 0 hoạt động như bus địa chỉ và dữ liệu, yêu cầu phải phân tách các đường dữ liệu và địa chỉ Tín hiệu ALE được phát ra từ chân thứ nhất để thực hiện chức năng này.
30 dùng làm tín hiệu điều khiển để giả đa hợp các đường địa chỉ và dữ liệu khi kết nối với các IC chốt
EA/VPP (External Access): Chân 31
Chân tín hiệu EA\ trên vi điều khiển AT89C52 có hai mức tín hiệu: mức 1 và mức 0 Khi EA\ ở mức 1, AT89C52 sẽ thực hiện chương trình từ bộ nhớ Eprom nội trong khoảng địa chỉ 4Kbyte Ngược lại, khi EA\ ở mức 0, vi điều khiển sẽ thực thi chương trình từ bộ nhớ mở rộng Ngoài ra, chân EA\ cũng được sử dụng để cấp nguồn 21V trong quá trình lập trình Eprom cho AT89C52.
Khi tín hiệu ngõ vào đạt mức cao trong ít nhất 2 chu kỳ máy, các thanh ghi bên trong sẽ được nạp giá trị thích hợp để khởi động hệ thống Sau khi cấp điện cho hệ thống, mạch sẽ tự động reset.
Bộ dao động X1, X2 được tích hợp trong vi điều khiển AT89C52, cho phép người dùng chỉ cần kết nối thêm thạch anh và các tụ điện để hoạt động Tần số thạch anh thường được sử dụng là 12MHz.
Cấp nguồn và nối đất cho vi điều khiển
1.5.2 Tổ chức bộ nhớ trong vi điều khiển AT89C52
RAM bên trong 89C52 được phân chia như sau :
Các bank thanh ghi có địa chỉ từ 00H đến 1FH
RAM truy xuất từng bit có địa chỉ 20H đến 2FH
RAM đa dụng từ 30H đến 7FH
Các thanh ghi có chức năng đặc biệt từ 80H đến FFH bao gồm :
- Thanh ghi trạng thái chương trình (PSW: Program Status Word)
Hình 1.22 Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C52(Nguồn Internet)
- Thanh ghi con trỏ ngăn xếp (SP1, SP2: Stack Pointer)
- Thanh ghi con trỏ dữ liệu (DPH, DPL)
- Các thanh ghi port xuất nhập (P0, P1, P2, P3)
- Các thanh ghi timer (TCON, TMOD, TMOD, T2CON, T2MOD, TH0, TL0, TH1, TL1, TH2, TL2)
- Các thanh ghi port nối tiếp (SBUF, SCON)
- Các thanh ghi ngắt (IE, IP)
- Thanh ghi điều khiển công suất (PCON)
1.5.3 Hoạt động truyền dữ liệu vi điều khiển AT89C52
Truyền dữ liệu nối tiếp của MCS5 hoạt động linh hoạt với nhiều kiểu khác nhau trong phạm vi tần số cho phép Dữ liệu song song được chuyển đổi thành dạng nối tiếp để thực hiện việc truyền tải, và khi nhận dữ liệu, nó lại được chuyển đổi từ dạng nối tiếp về dạng song song.
Chân TxD (P3.1) đảm nhận vai trò xuất dữ liệu, trong khi chân RxD (P3.0) thực hiện việc nhận dữ liệu Truyền dữ liệu nối tiếp có đặc điểm nổi bật là khả năng hoạt động song công, cho phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời.
Thanh ghi SBUF và SCON là hai thành phần quan trọng trong việc truyền dữ liệu của hệ thống Thanh ghi đệm SBUF, nằm ở địa chỉ 99H, có hai chức năng chính: khi vi điều khiển ghi dữ liệu vào SBUF, dữ liệu sẽ được truyền đi, và khi có hệ thống khác gửi dữ liệu đến, dữ liệu sẽ được lưu trữ trong thanh ghi đệm SBUF.
Thanh ghi điều khiển truyền dữ liệu SCON tại địa chỉ 98H cho phép truy xuất các bit trạng thái và bit điều khiển Bit điều khiển được sử dụng để thiết lập các kiểu hoạt động truyền dữ liệu khác nhau, trong khi bit trạng thái cho biết thời điểm hoàn thành việc truyền hoặc nhận ký tự Các bit trạng thái có thể được kiểm tra trong chương trình hoặc lập trình để phát sinh ngắt.
Tổng quan giải pháp
Khái niệm cơ bản
Nhà thông minh là loại hình nhà được trang bị các thiết bị điện và điện tử, cho phép tự động hóa hoàn toàn hoặc bán tự động trong việc quản lý và điều khiển Hệ thống này tương tác với người dùng thông qua bảng điều khiển điện tử, ứng dụng di động, máy tính bảng hoặc website.
Trong một căn nhà thông minh, mọi thiết bị từ phòng ngủ, phòng khách đến nhà vệ sinh đều được trang bị bộ điều khiển điện tử kết nối internet và điện thoại di động Điều này cho phép chủ nhân dễ dàng điều khiển từ xa hoặc lập trình hoạt động theo lịch Hơn nữa, các đồ gia dụng có khả năng hiểu và tương tác với nhau, tạo nên một không gian sống tiện nghi và hiện đại.
Các tiêu chuẩn của ngôi nhà thông minh:
- Tự động hóa các hoạt động của ngôi nhà
- Đảm bảo an ninh, an toàn cho ngôi nhà
Hình 2.1 Ngôi nhà thông minh (Nguồn Internet)
- Cung cấp các dịch vụ giải trí chất lượng cao
- Tăng hiệu suất các hệ thống, giảm điện năng tiêu thụ.
Giới thiệu một số công nghệ sử dụng trong ngôi nhà thông minh
2.2.1 Bảng điều khiển trung tâm Wifi SH - CC6W
Bảng điều khiển cảm ứng thông minh SH - CC6W là thiết bị phòng thông minh hỗ trợ 6 kênh công suất, cho phép điều khiển từ xa qua Wifi Với thiết kế hiện đại và sang trọng, bao gồm mặt kính chống xước và vỏ nhôm nguyên khối, thiết bị này không chỉ nâng cao tính thẩm mỹ cho ngôi nhà mà còn mang lại tiện nghi tối ưu Khi kết hợp với cảm biến phát hiện người SH - D1, chức năng điều khiển tự động giúp cải thiện trải nghiệm sử dụng hàng ngày.
Chức năng của thiết bị bao gồm điều khiển từ xa và nút ấn cảm ứng điện dung, hỗ trợ 6 kênh công suất SHCC6W Thiết bị kết nối Wifi cho phép người dùng điều khiển trực tiếp qua phần mềm Bkav SmartDevice Nhờ đó, căn phòng có thể tự động điều khiển, và người dùng chỉ cần cài đặt hệ thống đơn giản thông qua giao diện trực quan trên smartphone hoặc tablet.
Hình 2.2 Thiết bị SH - CC6W (Nguồn Internet)
2.2.2 Công tắc cảm ứng wifi SH – CTXRZW
Sản phẩm SH – CTXRZW là thiết bị công tắc cảm ứng hỗ trợ bật tắt từ 1 đến
Thiết bị công suất 4 kênh sử dụng công nghệ cảm ứng điện dung và mặt kính chống xước, kết hợp với vỏ nhôm nguyên khối, mang đến sự sang trọng và tiện nghi cho ngôi nhà Với công nghệ kết nối không dây Wifi hoặc ZigBee, việc lắp đặt trở nên dễ dàng, không cần phải đi lại đường dây điện hay sửa đổi hạ tầng Sản phẩm này cho phép điều khiển các thiết bị trong nhà như đèn ngủ, quạt, tivi và rèm mành một cách thuận tiện.
2 2.3 Thiết bị chuyển đổi điều khiển từ RF sang Wifi
Với thiết bị RF BRIDGE 433 của Sonoff Việt Nam, bạn có thể dễ dàng điều khiển các thiết bị gia dụng từ xa mọi lúc, mọi nơi Đây là công cụ hữu ích giúp biến ngôi nhà thông thường thành nhà thông minh với nhiều tiện ích vượt trội Chỉ cần cài đặt ứng dụng Ewelink trên điện thoại thông minh, bạn có thể quản lý và điều khiển các thiết bị trong nhà một cách thuận tiện và nhanh chóng.
Hình 2.3 Thiết bị SH – CTXRZW (Nguồn Internet)
Bộ Hub trung tâm Sonoff Bridge 433MHz đóng vai trò như bộ chuyển đổi tín hiệu của các thiết bị ngoại vi về máy chủ
Sonoff Bridge nhận tín hiệu từ các cảm biến và remote qua sóng RF 433MHz, sau đó mã hóa và gửi về máy chủ qua mạng Wifi Nó cũng có khả năng điều khiển các thiết bị đầu cuối thông qua sóng RF Mỗi bộ Hub Sonoff Bridge có thể kết nối tối đa 64 thiết bị cùng lúc.
Hình 2.4 Thiết bị chuyển đổi kết nối RF thành Wifi (Nguồn Internet)
Phương pháp giải quyết
Phương án thiết kế
Phương án 1: Hiện nay trên thị trường có bán bộ điều khiển học lệnh RF
Sonoff RF Bridge 433Mhz là một thiết bị cầu nối giúp điều khiển các thiết bị sử dụng sóng RF 433Mhz qua Wifi Thiết bị này hoạt động bằng cách học lệnh từ remote điều khiển và phát ra lệnh tương ứng để bật tắt thiết bị Người dùng có thể dễ dàng điều khiển thông qua ứng dụng Ewelink trên điện thoại.
Phương án 2 đề xuất thiết kế mạch điều khiển trung tâm cho phép điều khiển thiết bị điện từ xa bằng Remote RF, đồng thời hiển thị trạng thái bật tắt trên màn hình LCD Nhóm nghiên cứu cũng phát triển ứng dụng điều khiển trên điện thoại thông qua công nghệ Bluetooth Hệ thống này kết hợp bộ điều khiển trung tâm học lệnh từ Remote RF và kết nối với smartphone để chuyển đổi điều khiển qua Wifi.
Chọn phương án 2 vì Module Bluetooth có khả năng lập trình dễ dàng và giá thành thấp, giúp việc điều khiển thiết bị trong ngôi nhà trở nên thuận tiện hơn với việc tận dụng sóng RF, Bluetooth và Wifi một cách hiệu quả.
Sơ đồ khối
Khối phát RF: Sử dụng remote 315Mhz, tạo ra sóng RF
Khối nguồn: Mạch điện sử dùng nguồn 5V để cung cấp cho các linh kiện điện tử hoạt động
Khối thu RF: Sử dụng module thu tín hiệu RF 315Mhz
Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển AT89C52
Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch
Khối đèn báo/rơle ngõ ra: Chứa các thiết bị điều khiển, ở đây mạch sẽ điều khiển bật tắt 4 thiết bị điện 220V/50Hz
Khối hiển thị LCD: Sử dụng màn hình LCD loại 1602 5V có tác dụng hiển thị thông tin, trạng thái của các thiết bị
Trên thị trường hiện nay, có nhiều module Bluetooth hỗ trợ vi điều khiển giao tiếp với các thiết bị khác qua kết nối Bluetooth Trong số đó, module Bluetooth HC06 được ưa chuộng nhờ giá thành rẻ, tốc độ hoạt động phù hợp cho việc truyền dữ liệu điều khiển thiết bị, dễ dàng mua sắm tại Việt Nam và được đánh giá là ổn định.
Tất cả điện thoại chạy hệ điều hành Android đều có khả năng cài đặt ứng dụng Android, được phát triển bằng ngôn ngữ Java, mang đến giao diện trực quan và dễ sử dụng cho việc điều khiển và giám sát thiết bị điện.
Quy trình thiết kế
Sơ đồ nguyên lý từng khối và tính toán
Mạch sẽ sử dụng Remote RF để điều khiển các thiết bị
Mỗi bit sử dụng trong PT2262 có độ dài 32α thay thế bằng 8 bits 1,0 liên tục(
1 Byte) Theo biểu diễn này ta có:
- Bit 0 được thay thế bằng chuỗi 10001000
- Bit 1 được thay thế bằng chuỗi 11101110
- Bit f được thay thế bằng chuỗi 10001110
Sync Bit được thay thế bằng chuỗi : 10000000|00000000|00000000|00000000
Khi phát đi, các Bit Code sẽ được thay thế bằng chuỗi bit mã hóa tương ứng Ví dụ, từ mã Code Word PT2262 sẽ được phát dưới dạng “11110000|1010| SyncBit” (bao gồm 8 bits địa chỉ, 4 bits dữ liệu và 1 Sync Bit) và được mã hóa thành chuỗi 128 bit.
Hình 4.1 Timing các thành phần giải mã của BIT (Nguồn Internet)
Sử dụng nguồn 5V để cung cấp nguồn cho các linh kiện điện tử trong mạch hoạt động
Bảng 4.1 Chức năng các chân sơ đồ capture
PT2272 Chức năng in1 13 Chân dữ liệu
Hình 4.2 Sơ đồ captue khối nguồn
Hình 4.3 Sơ đồ capture khối thu in2 12 Chân dữ liệu in3 11 Chân dữ liệu in4 10 Chân dữ liệu
Giải mã: Thực hiện giải mã ngược lại quá trình mã hóa của PT2262 để thu được kết quả dữ liệu
Trong Waveform của mã hóa PT2262 các bit 1,0 có những khoảng thời gian xác định, dựa vào khoảng thời gian này để xác định các bit đã phát
Các thời khoảng bit có thể có là 4α,12α và 127α tương ứng với độ dài 1bit, 3 bits và 31.5 bits
Việc đo thời gian các bit diễn ra khi tín hiệu thay đổi trạng thái Các điểm đỏ được sử dụng để đánh dấu sự kết thúc của thời gian đo cho bit 0 và khởi đầu cho việc đo bit tiếp theo.
1, ngược lại các điểm xanh kết thúc việc đo thời gian của bit 1 và bắt đầu đo cho bit
Gọi T1 và T2 là khoảng thời gian đo được của xung 1 và 0 liên tiếp nhau thì ta
Hình 4.4 Timing các thành phần mã hóa các BIT (Nguồn
Hình 4.5 Thực hiện việc đo thời gian các BIT (Nguồn Internet)
Bảng 4.2 Bảng giãi mã các bit
Với mỗi cặp 4 bits thu được liên liếp nhau ta lại thu được kết quả giải mã tương ứng:
Bảng 4.3 Bảng giãi mã các Bit
4 bits cao 4 bits thấp Kết quả giải mã
Thực hiện lần lượt 12 bits địa chỉ/ dữ liệu và 1 Sync Bit ta sẽ thu được 1 từ mã(Code Word)
PT2262 phát 1 khung truyền với 4 từ mã (Code Word), do đó khi thu liên tiếp các từ mã giống nhau, điều này chứng tỏ dữ liệu đã được giải mã chính xác.
4.1.4 Khối xử lý trung tâm Ở đây đối tượng điều khiển của mạch gồm có 4 relay thông qua các phương tiện điều khiển như sau:
Bảng 4.4 Bảng chức năng các Port của vi điều khiển AT89C52
Chân Port Chức năng bao gồm các điều khiển relay bằng nút nhấn (P3.7), sóng RF (P2.7), và Bluetooth (P2.2) Các chân khác như P3.6, P3.5, P3.4, P2.6, P2.5, P2.4, rl1 (P2.1), rl2 (P2.3), rl3 (P2.0), tx (P3.0), rx (P3.1), và rs (P0.0) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị.
Sử dụng màn hình LCD để hiển thị trạng thái các thiết bị rw P0.1 en P0.2 d4 P0.4 d5 P0.5 d6 P0.6 d7 P0.7
4.1.5 Khối đèn báo/ rơle/ ngõ ra
- Điện trở cuộn dây R@0 Ohms
- Dòng điện qua cuộn dây khoảng 300 miliAmpe
- Điện áp bật (max)= 4.4VDC
- Điện áp tắt (min)= 1.2VDC
- Thời gian đóng mở= 10 mili giây
Tính toán chọn BJT và các điện trở phân cực:
Chọn BJT là loại C1815, BJT làm việc ở chế độ bão hòa
Dòng điện qua cuộn dây của relay
Dòng điện qua relay củng là dòng phân cực C của BJT, suy ra I(c)=0.012A
Để transistor dẫn bão hòa thì:
Hình 4.7 Sơ đồ captue khối relay
Sử dụng biến trở 10K để hạn dòng và điều chỉnh cung cấp nguồn cho LCD và điều chỉnh độ tương phản của LCD
Sử dụng module Bluetooth HC05 để điều khiển bằng phần mềm trên điện
Hình 4.8 Sơ đồ captue khối hiển thị LCD
Hình 4.9 Sơ đồ captue khối module Bluetooth
4.1.8 Khối điều khiển (điện thoại Android)
App điều khiển sẽ được viết và lập trình thông qua AppInventor Tất cả các smartphone chạy hệ điều hành Android đều có thể cài đặt phần mềm.
Mạch điều khiển và giám sát thiết bị điện bằng sóng RF
4.2.1 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch
4.2.2 Nguyên lý hoạt động của mạch
Đối với điều khiển thiết bị bằng RF
Khi bật thiết bị, nhấn nút A trên remote sẽ kích hoạt chân 17 của PT2272, nhận tín hiệu từ chân 14, làm cho chân 12 của PT2272 lên mức 1 Tín hiệu này được truyền vào AT89C52, dẫn đến chân A15 cũng lên mức 1 Chân B (C1815) sẽ có dòng kích cao, khiến transistor dẫn (Vb>0.7V), tạo ra mức thấp ở chân C và cung cấp nguồn cho relay, bật thiết bị điều khiển đầu tiên Tương tự, khi nhấn các nút B, C, D, chân 10, 13, 11 của PT2272 sẽ lần lượt lên mức 1, truyền tín hiệu vào AT89C52 qua các chân A14, A13, A12.
Khi tắt thiết bị, nhấn nút A trên remote sẽ khiến chân 17 của 2272 nhận tín hiệu, truyền vào chân 14, làm cho chân 12 của 2272 lên mức 1 Ngõ vào của vi điều khiển ở mức logic cao, và khi nhận thêm tín hiệu, nó sẽ hạ ngõ ra chân A15 xuống mức thấp Chân B (C1815) không có dòng kích, dẫn đến transistor ngưng dẫn (Vb
