Thiết kế, thi công hộp điều khiển các thiết bị điện trong nhà

TÓM TẮT Ngày nay, dƣới phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật làm cho sống ngƣời ngày cảng tốt hơn, tiện nghi hơn, phải kể đến vai trị điều khiển thông minh, chúng đƣợc ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực đời sống công nghiệp Đã có nhiều dự án ngơi nhà thơng minh ứng dụng điều khiển loại Tuy nhiên, chúng khó đƣợc triển khai mắc phải số nhƣợc điểm nhƣ chi phí lắp đặt cao, chƣa tiết kiệm kinh phí điều khiển giao diện điều khiển chƣa thân thiện với ngƣời dùng Do đó, để khắc phục nhƣợc điểm mà đảm bảo hạ giá thành sản phẩm nhóm định thiết kế, thi công hộp điều khiển thiết bị điện nhà, sử dụng vi xử lý trung tâm ARM STM32F103VET6, ngồi cịn điều khiển thiết bị điện thoại sử dụng hệ điều hành Android, phát nhạc mp3 phục vụ nhu cầu giải trí Sản phẩm hộp điều khiển thiết bị điện dân dụng, bên gồm mạch điều khiển, mạch cơng suất hình LCD 7” cảm ứng điện dung iii ABSTRACT The rapid development of science and technology has a great positive impact on the people‟s lives nowadays As a matter of fact, we experience this effect in our daily lives It makes our living standards getting much higher and lead us to a more comfortable living conditions One of the advancements ofscience and technology is intelligent controller They are widely applied in many aspects of life and industry There are many plans of intelligent houses used this kind of intelligent controll However, they are difficult to be implemented because of three main disadvantages: high cost of installation, uneconomical running cost, and not a user-friendly interface Therefore, in order to fix these disadvantages as well as decreasing the cost, we decided to desin, construct a control box for home appliances by using ARM STM32F103VET6 central microprocessors Besides, we can manipulate the equipment by using the cell phone with Android operating system to play mp3 music in the demand for entertainment The product is an electrical appliances control box including control board, capacity board and 7” LCD capacitive touch screen iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH vii DANH SÁCH BẢNG x Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VƢ̣C NGHIÊN CƢ́U 1.2MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Mục Đích Của Đề Tài 1.2.2Giới Ha ̣n Đề Tài 1.3 NỘI DUNG THƢ̣C HIÊ ̣N Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 VI ĐIỀU KHIỂN 2.1.1 Bô ̣ vi xƣ̉ lý ARM CORTEX – M3 2.1.2 Vi điề u khiể n STM32F103 2.2 MODULE LCD TFT 23 2.3 GIAO TIẾP SDCARD 24 2.5 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU MỘT PHA 29 2.6 TÌM HIỂU VỀ HỆ ĐIỀU HÀNH ANDROID 30 2.6.1 Khái niệm Android 30 2.6.2 Kiến trúc hệ điều hành Android 31 2.6.3 Sơ lƣợc lập trình ứng dụng cho android 33 v 2.6.4 Các thành phần ứng dụng android 34 Chƣơng 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 36 3.1THIẾT KẾ HỆ THỐNG 37 3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống 37 3.1.2 Thiết kế khối mạch công suất 38 3.2.3 Khối Điều Khiển 43 3.2.4 Hiển Thị Giao Tiếp Với Ngƣời Dùng 44 3.2.5 Khối giao tiếp giải mã âm 45 3.2.6 Khối giao tiếp SDcard 48 3.2.7 Module bluetooth HC-05 49 3.2.8 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 50 3.2 LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƢƠNG TRÌNH 54 3.2.1 Lƣu đồ giải thuật mạch điều khiển 54 3.2.2 Lƣu đồ thuật tốn chƣơng trình Android 59 Chƣơng 4: KẾT QUẢ 62 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC PHẦN LÝ THUYẾT 63 4.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC PHẦN THỰC HÀNH 63 4.2.1 Thiết kế mạch in 63 4.2.2 Thi công mạch thực tế 65 4.2.3 Giao diện giao tiếp ngƣời dùng 67 4.2.4 Giao diện điều khiển điện thoại 72 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 74 5.1 KẾT LUẬN 75 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 vi DANH SÁCH HÌ NH Hình 2.1 Cấ u trúc vi điề u khiể n Cortex- M3 Hình 2.2 Cấ u trúc hệ thống 10 Hình 2.3 Mạch reset 11 Hình 2.4 Nguồn xung từ bên ngồi 12 Hình 2.5 Sơ đồ khối TIMER 16 Hình 2.6 Chế ̣ capture/compare kênh 17 Hình 2.7 Dạng sóng Edge-alibned PWM 18 Hình 2.8 Dạng sóng Center-aligned PWM 18 Hình 2.9 Sơ đồ khối SPI 20 Hình 2.10 Phƣơng thƣ́c truyề n I2C 21 Hình 2.11 Sơ đồ khố i I2C 22 Hình 2.12 Bộ ADC STM32 23 Hình 2.13 Màn hình LCD TFT 24 Hình 2.14 Thẻ SD,mini SD, micro SD 24 Hình 2.15 Dạng sóng truyền liều giao tiếp Sdcard 26 Hình 2.16 Đọc khối liệu Sdcard 28 Hình 2.17 Đọc nhiều khối liệu Sdcard 28 Hình 2.18 Dạng sóng điện áp phƣơng pháp điều chỉnh điện áp xoay chiều 29 Hình 2.19 Mạch điều chỉnh độ sáng dùng vi xử lý 30 Hình 2.20 Kiến trúc hệ điều hành Android 31 Hình 2.21 Vịng đời activity 35 Hình 2.22 Sử dụng Intent để trao đổi thơng tin hai chƣơng trình 35 Hình 2.23 Vịng đời service 36 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 37 Hình 3.2 Module nguồn xung 12V-2A 39 Hình 3.3 Mạch nguồn 5V sử dụng LM2576 39 Hình 3.4 Mạch phát điểm 41 Hình 3.5 Mạch opto triac 41 vii Hình 3.6 Mạch PWM 0-12VDC 42 Hình 3.7 Sơ đồ kết nối vi điều khiển 44 Hình 3.8 Sơ đồ kết nối chân GLCD Touch với vi điều khiển 45 Hình 3.9 Sơ đồ khối VS1003B 46 Hình 3.10 Biểu đồ hiệu suất ngõ LEFT, RIGHT VS1003B 46 Hình 3.11 Phổ ngõ chân LEFT RIGHT với trở ngõ 30 Ω 47 Hình 3.12 Cấu hình để đọc dữu liệu từ VS1003B 47 Hình 3.13 Cấu hình chân để ghi liệu vào VS1003B 48 Hình 3.14 Sơ đồ thứ tự giải mã liệu VS1003B 48 Hình 3.15 Sơ đồ nguyên lý giao tiếp Sdcard 49 Hình 3.16.Sơ đồ chân HC-05 49 Hình 3.17 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11 50 Hình 3.18 Sơ đồ kết nối DHT11 với vi xử lý 51 Hình 3.19 Quá trình giao tiếp tổng quát 51 Hình 3.20 Tín hiệu mức 53 Hình 3.21 Tín hiệu mức 53 Hình 3.22 Lƣu đồ chƣơng trình 55 Hình 3.23 Lƣu đồ tab Home 56 Hình 3.24 Lƣu đồ tab Timer 56 Hình 3.25 Lƣu đố tab Setup 57 Hình 3.26 Lƣu đồ tab Music 58 Hình 3.27 Lƣu đồ Activity Main 59 Hình 3.28 Lƣu đồ hàm Run 60 Hình 3.29 Lƣu đồ hàm onOptionsItemSelected 61 Hình 4.1 Lớp Top PCB mạch điều khiển 63 Hình 4.2 Lớp Bottom PCB mạch điều khiển 64 Hình 4.3 Lớp Top PCB mạch cơng suất 64 Hình 4.4 Lớp Bottom PCB mạch cơng suất 65 Hình 4.5 Mạch điều khiển thực tế 65 Hình 4.6 Mạch công suất thực tế 66 viii Hình 4.7 Thi cơng hộp 66 Hình 4.8 Giao diện điều khiển 67 Hình 4.9 Tab Setup 68 Hình 4.10 Thêm thiết bị 68 Hình 4.11 Đặt tên thiết bị 69 Hình 4.12 Chỉnh độ sáng đèn 69 Hình 4.13 Tab Music 69 Hình 4.14 Chức hẹn 70 Hình 4.15 Điều khiển đèn sợi tóc 71 Hình 4.16 Điều khiển đèn huỳnh quang 71 Hình 4.17 Giao diện 69Hình 4.18 Bảng tùy chọn 72 Hình 4.19 Thêm thiết bị… 69Hình 4.20 Hẹn giờ………… 72 ix DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1 Cấ u hiǹ h GPIO 13 Bảng 2.2 Chƣ́c chân SDcard 25 Bảng 2.3 Mơ tả bít truyền liệu SDcard 26 Bảng 2.4 Bảng mã lệnh giao tiếp SDcard 26 Bảng 2.5 Thông số MOSFET IRF640 42 x ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Chƣơng TỔNG QUAN Chƣơng 1: Tổng quan ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VƢ̣C NGHIÊN CƢ́U Hiện giới vấn đề nghiên cứu điều khiển thông minh phát triển mạnh mẽ, chúng không đƣợc ứng dụng cơng nghiệp mà cịn đƣợc ứng dụng rộng rãi đời sống Nó góp phần khơng nhỏ vào việc nâng cao tính tiện nghi chất lƣợng sống cho ngƣời Do đó, việc phát triển điều khiển thông minh vô quan trọng cấp thiết Ở Việt Nam, năm gần điều khiển thiết bị điện dân dụng nhà dần đƣợc ý, có dự án “ngơi nhà thơng minh” (smart house) hay đề tài điều khiển thiết bị điện nhà Tuy nhiên, chúng khó đƣợc triển khai mắc phải số nhƣợc điểm giá cao, chƣa tiết kiệm kinh phí điều khiển giao diện điều khiển chƣa thân thiện với ngƣời dùng Nhìn chung năm trƣớc, đề tài điều khiển thông minh đƣợc sinh viên thực xoay quanh nội dung nhƣ: điều khiển qua tin nhắn điện thoại điều khiển tần số vô tuyến, sử dụng chủ yếu loại cảm biến thông dụng nhƣ cảm biến nhiệt độ, cảm biến khói, cảm biến khí gas, ứng dụng cơng nghệ RFID, lập trình hệ điều hành android sử dụng vi điều khiển PIC, ARM Với sƣ̣ phát triể n không ngƣ̀ng của ngành công nghiê ̣p điê ̣n tƣ̉ với sƣ̣ đời nhiề u dòng vi xử lý nhiều hãng điện tử tiếng nhƣ STMicroelectronics , Microchip, Atmel, Intel…ra đời nhiề u dòng vi xƣ̉ bit, 16 bit, 32 bit đƣơ ̣c ƣ́ng du ̣ng rô ̣ng raĩ công nghiê ̣p và đời số ng Hãng STMicroelectronics đƣa thi ̣trƣờng nhiề u vi điề u khiể n 32 bit nề n bô ̣ xƣ̉ lý cortex -M3 hiê ̣u suấ t cao dễ dàng sƣ̉ du ̣ng và phát triể n ƣ́ng du ̣ng mơ ̣t cách nhanh chóng, giảm chi phí phát triể n và lƣơ ̣ng tiêu thu ̣ Thấ y đƣơ ̣c nhƣ̃ng ƣu điể m của dòng vi xƣ̉ lý arm cortex -M3 nên nhóm cho ̣n đề tài “THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG H ỘP ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN TRONG NHÀ ” sƣ̉ du ̣ng vi điề u khiể n ARM STM32F103VET6 1.2 MỤC ĐÍCH VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.2.1 Mục đích đề tài Nhóm sinh viên thiết kế thi cơng hộp điều khiển bao gồm mạch điều khiển mạch cơng suất kèm theo hình cảm ứng điện dung 7” Mạch điều khiển nhận, xử lý tín hiệu từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, hình cảm ứng điện thoại, Chƣơng 1: Tổng quan ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC PHẦN LÝ THUYẾT - Tìm hiểu biết sâu vi điều khiển STM32VET6 - Sử dụng hình cảm ứng TFT LCD Inch - Tìm hiểu linh liện mạch công mạch điều khiển đề tài - Biết cách giao tiếp với thẻ nhớ IC giải mã âm VS1003, module bluetooth HC05 - Sử dụng đƣợc phần mềm Proteus, Keil C, Altium 4.2 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC PHẦN THỰC HÀNH 4.2.1 Thiết kế mạch in Hình 4.1.Lớp Top PCB mạch điều khiển Chƣơng 4: Kết 63 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Hình 4.2.Lớp Bottom PCB mạch điều khiển Hình 4.3.Lớp Top PCB mạch công suất Chƣơng 4: Kết 64 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Hình 4.4 Lớp Bottom PCB mạch cơng suất 4.2.2 Thi cơng mạch thực tế Hình 4.5.Mạch điều khiển thực tế Chƣơng 4: Kết 65 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Hình 4.6.Mạch cơng suất thực tế Hình 4.7 Thi cơng hộp Chƣơng 4: Kết 66 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP 4.2.3 Giao diện giao tiếp ngƣời dùng Hình 4.8 Giao diện điều khiển Tab Home giao diện chính, hiển thị ngày nhiệt độ, độ ẩm, cƣờng độ sáng trạng thái bật, tắt thiết bị AC thiết bị DC, trạng thái hẹn Trên giao diện ngƣời dùng bật tắt thiết bị thông qua việc chạm tay vào nút tƣơng ứng với Chƣơng 4: Kết 67 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP thiết bị đƣợc cấu hình ban đầu Hình 4.9 Tab Setup Tab Setup cho phép ngƣời dùng tùy chọn điều khiển nhƣ: thêm, xóa thiết bị, chỉnh độ sáng đèn sợi tóc, chỉnh tốc độ quạt, đặt tên… Hình 4.10 Thêm thiết bị Chƣơng 4: Kết 68 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Hình 4.11 Đặt tên thiết bị Hình 4.12 Chỉnh độ sáng đèn Hình 4.13 Tab Music Tab Music hiển thị giao diện nghe nhạc, phát nhạc cách chọn vào tên hát Chƣơng 4: Kết 69 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP hoăc nhấn nút next, previous Hình 4.14 Chức hẹn Tab Timer cho phép ngƣời dùng cài đặt thời gian bật, tắt thiết bị, lƣu thành danh sách lịch trình bật, tắt Tab System cho phép điều chỉnh độ sáng hình, chỉnh ngày giờ, cài đặt trạng thái thiết bị theo nhiệt độ, cƣờng độ sáng,… Chƣơng 4: Kết 70 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Hình 4.15 Điều khiển đèn sợi tóc Hình 4.16 Điều khiển đèn huỳnh quang Chƣơng 4: Kết 71 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP 4.2.4 Giao diện điều khiển điện thoại Muốn sử dụng ứng dụng điện thoại Android phải bật bluetooth, giao diện điện thoại đồng với giao diện GLCD, cách điều khiển tƣơng tự Hình 4.17 Giao diện Hình 4.19 Thêm thiết bị Hình 4.18 Bảng tùy chọn Hình 4.20 Hẹn - Mạch thực đƣợc yêu cầu đề ra: Chƣơng 4: Kết 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP + Điều khiển bật tắt, điều chỉnh độ sáng, hẹn thiết bị cảm ứng GLCD điện thoại qua bluetooth + Hiển thị nhiệt độ, thời gian trạng thái thiết bị hình LCD + Phát nhạc MP3 từ thẻ nhớ + Hoàn thành giao diện giao tiếp ngƣời dùng qua hình GLCD inch điện thoại android - Thử nghiệm môi trƣờng khác nhau: + Môi trƣờng điện áp ổn định: mạch hoạt động ổn định + Môi trƣờng điện áp không ổn địnhnhƣ sụt áp đƣờng dây, tải công suất lớn nhƣ tủ lạnh, máy lạnh bật, tắt…: mạch hoạt động ổn định Chƣơng 4: Kết 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP Chƣơng 5KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng 5: Kết luận hƣớng phát triển 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP 5.1 KẾT LUẬN Trong trình làm đồ án,sinh viên rút nhiều kinh nghiệm để làm đƣợc sản phẩm hoàn thiện phải dựa nhiều yếu tố nhƣ : thời gian, linh kiện có thị trƣờng, hiểu biết linh kiện thực tế, cách thiết kế board mạch Đồ án đƣợc hồn thiện nhƣ mục đích đề ra, mạch chạy ổn định ứng dụng thực tế 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN Đề tài hoàn thiện nhƣng cần phải cải thiện thêm để sản phẩm hoàn thiện nhƣ: - Kết nối internet, wifi để điều khiển thiết bị từ xa - Thêm mạch công suất lớn để điều khiển tải công suất lớn nhƣ tủ lạnh, máy lạnh, máy Chƣơng 5: Kết luận hƣớng phát triển bơm 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] ARM Việt Nam, Cấu trúc STM32_ARM Cortex M3,18/3/2010 [3] Bùi Tấn Tài, Huỳnh Thanh Hiếu, Nghiên cứu kít vi điều khiển STM32F103VET6, Đồ án tốt nghiệp ĐH Sƣ phạm kỹ thuật Tp HCM, 2/2014 [5] STM32 Datasheet [6] HC-05 Datashseet [7] VS1003B Datasheet Website: [8]http://www.arm.vn/TinChiTiet/tabid/105/id/148/Default.aspx [9] http://www.dientuvietnam.net/ [10] http://www.android.vn/ [11] http://www.eleccircuit.com/ [12] https://duythanhcse.wordpress.com/lap-trinh-di-dong/android/ 76 PHỤ LỤC Phần mềm sử dụng đề tài: - Phần mềm lập trình: Keil – uVision - Phần mềm chuyển đổi file bmp sang file (.h): StellarisWare - Phần mềm chỉnh sửa ảnh: GIM2 - Phần mềm mô vẽ mạch in: Protues 8.0 - Phàn mềm vẽ mạch in Altium 77 ... triển điều khiển thông minh vô quan trọng cấp thi? ??t Ở Việt Nam, năm gần điều khiển thi? ??t bị điện dân dụng nhà dần đƣợc ý, có dự án “ngơi nhà thơng minh” (smart house) hay đề tài điều khiển thi? ??t bị. .. sáng) - Thi? ??t kế giao diện điều khiển qua bluetooth điện thoại and roid phần mềm Eclipse - Lắp ráp khối vào hộp điều khiển - Viết chƣơng trình cho hộp điều khiển phần mềm Keil µVision - Điều khiển. .. tần số ngõ vi xử lý, đồng thời cách ly mạch IRF với mạch điều khiển Chƣơng 3: Thi? ??t kế hệ thống 42 ĐỒ ÁN TỐT NGHỆP 3.2.3 Khối Điều Khiển Với việc điều khiển thi? ??t bị điện 220V dùng PWM timer 1,