Hệ thống giám sát điều khiển thiết bị sử dụng vi điều khiển STM8S00F3P6 và sóng RF

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1.1.Lí Do Chọn Đề Tài 1.2.Giới Thiệu Đề Tài 1.3.Ý Nghĩa Đề Tài 1.4.Nội Dung Nghiên Cứu 1.5.Giới Hạn Đề Tài CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Giới Thiệu Về Sóng RF Và Điều Khiển Từ Xa Bằng Sóng RF 2.1.1.Sóng vơ tuyến (RF) 2.1.2 Cách tạo sóng RF 2.1.3 Điều khiển từ xa sóng RF 2.2.Giới Thiệu Về Vi Điều Khiển 2.2.1 Giới thiệu vi điều khiển 2.2.2.Phân loại 2.2.3 Cấu trúc tổng quan vi điều khiển 2.3.Giới Thiệu Về Chuẩn Truyền Thông SPI Và UART 2.3.1 Truyền thông SPI 2.3.2.Truyền thông UART 10 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 12 3.1.Sơ Đồ Khối 12 3.1.1.Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 12 3.1.2.Sơ đồ khối Master 13 3.1.3.Sơ đồ khối Slave 13 3.2.Các Khối Cơ Bản 14 3.2.1 Khối xử lý 14 3.2.2.Khối truyền nhận 16 3.2.3.Khối cảm biến 18 3.2.4.Khối hiển thị 20 3.2.5.Khối UART 21 3.2.6 Khối RELAY 22 3.2.7.Khối nguồn 23 3.3.Lƣu Đồ Giải Thuật 25 3.3.1 Lƣu đồ giải thuật khối Master 25 3.3.2.Lƣu đồ giải thuật khối Slave 26 3.4.Sơ Đồ Nguyên Lý 27 3.4.1.Sơ đồ nguyên lý khối Master 27 3.4.2.Sơ đồ nguyên lý khối Slave 28 3.5.Sơ Đồ Mạch In 28 CHƢƠNG IV: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 30 GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.1.Yêu Cầu 30 4.2.Giao Diện Giám Sát Và Điều Khiển 31 4.3.Lƣu Đồ Chƣơng Trình Điều Khiển 32 CHƢƠNG V : KẾT QUẢ 33 5.1 Kết Quả Thực Tế 33 5.2.Nhận Xét 39 CHƢƠNG VI : KẾT LUẬN VÀ PHÁT TRIỂN 40 6.1.Kết Luận 40 6.2.Hƣớng Phát Triển 40 PHỤ LỤC 42 I.VI ĐIỀU KHIỂN STM8S003F3P6 42 1.Giới thiệu chung 42 2.Sơ đồ chân 44 3.Cấu trúc nhớ 47 4.Xung nhịp hoạt động 48 5.Các định thời 49 Hoạt động ngắt VĐK 51 7.Hoạt động giao tiếp VĐK với ngọa vi 53 Chuyển đổi ADC 56 9.Giao tiếp SPI 56 10.Giao tiếp UART 58 II GIỚI THIỆU VỀ MODULE nRF24L01 63 1.Giới thiệu 63 2.Khảo sát chip nRF24L01 64 2.1.Cấu trúc phần cứng 64 2.2.Điều kiện làm việc 65 2.3.Hoạt động nRF24L01 65 2.4.Chức Shockburst 68 2.5.Giao tiếp SPI nRF24L01 69 2.6.Hoạt động đọc/ghi chuẩn SPI 69 2.7.Các ghi nRF24L01 70 2.8.Module nRF24L01 79 III.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ DS18B20 80 1.Sơ lƣợc cảm biến nhiệt độ DS18B20 80 2.Cấu trúc cảm biến DS18B20 80 2.5.Giao tiếp Vi điều khiển DS18B20 84 IV.CHƢƠNG TRÌNH BIÊN DỊCH VÀ CODE CHƢƠNG TRÌNH 85 1.Chƣơng trình biên dịch 85 2.Code chƣơng trình 85 2.1.Chƣơng trình cho Master 85 GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.Chƣơng trình cho Slave 93 2.3.Các hàm dùng chƣơng trình 98 2.4.Code cho giao diện điều khiển 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO 116 MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1:Master Slave độc lập Hình 2.2: Cách nối Daisy-Chained 10 Hình2.3: Giao tiếp UART 11 Hình 2.4: Khung liệu cho giao tiếp UART 11 Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng quan hệ thống 12 Hình 3.2: Sơ đồ khối Master 13 Hình 3.3: Sơ đồ khối Slave 13 Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối xử lý 15 Hình 3.5: Module nRF24L01IA 17 Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý module nRF24L01IA 17 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý khối truyền nhận kết nối VĐK 18 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến kết nối VĐK 19 Hình 3.9: Mạch nguyên lý kết nối LCD kết nối VĐK 21 Hình 3.10: Nguyên lý khối UART kết nối VĐK 22 Hình 3.11: Mạch nguyên lý khối Relay kết nối VĐK 23 Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý mạch hạ áp 24 Hình 3.13: Lƣu đồ giải thuật khối Master 25 Hình 3.14: Lƣu đồ giải thuật khối Slave 26 Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Master 27 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý khối Slave 28 Hình 3.17: Sơ đồ xếp linh kiện board Master board Slave 28 Hình 3.18: Mạch in board Master board Slave 29 Hình 4.1: Giao diện điều khiển máy tính 31 Hình 4.2: Lƣu đồ giải thuật giao tiếp máy tính 32 Hình 5.1: Cấp nguồn cho board Slave 33 Hình 5.2: Xác định cổng COM đƣợc kết nối 34 Hình 5.3: Cấp nguồn cho board Master 35 Hình 5.4: Nhiệt độ hiển thị Slave cấp nguồn cho Master 36 Hình 5.5: Lƣu file liệu 37 Hình 5.6: Giao điện điều khiển đƣợc kết nối 38 GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 5.7: File liệu đƣợc lƣu với thời gian cập nhât 2s 39 Hình 1: Hình ảnh thực tế STM8 42 Hình 2: Sơ đồ chân STM8S003F3P6 44 Hình 3: Cấu trúc bên STM8S 46 Hình 4: Bộ nhớ liệu 47 Hình 5: Bộ nhớ chƣơng trình 48 Hình 6: Các nguồn xung clock cho VĐK 49 Hình 7: Sơ đồ khối timer 50 Hình 8: Sơ đồ khối timer 51 Hình 9: Sơ đồ khối cấu trúc thah ghi VĐK 53 Hình 10: Sơ đồ khối giao tiếp SPI 56 Hình 11: Mơ tả khung hình truyền 59 Hình 12: Module USB to UART 62 Hình 13: Mạch nguyên lý USB to UART 62 Hình 14 : Sơ đồ khối chip nRF24L01 64 Hình 15: Sơ đồ chân chip nRF24L01 64 Hình 16: Biểu đồ hoạt động ghi SPI nRF24L01 70 Hình 17: Biểu đồ hoạt động đọc SPI nRF24L01 70 Hình 18: Sơ đồ ngun lí module nRF24L01 80 Hình 19 : Sơ đồ chân DS18B20 80 Hình 20: Sơ đồ khối DS18B20 81 Hình 21: Tổ chức nhớ đệm 81 Hình 22: Các cách cấp nguồn cho DS18B20 82 GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC BẢNG Bảng 2.1: Phân loại tần số Bảng 3.1: Chức chân LCD 20 Bảng 1: Một số thông số STM8S003F3P6 44 Bảng 2: Chức chân 46 Bảng 3: Các kiện ngắt 52 Bảng 4:Bảng ghi địa port 54 Bảng 5: Bảng cấu hình ngõ ra/vào cho ghi CR1 CR2 55 Bảng 6: Đặc tính pha xung giao tiếp SPI 57 Bảng 7: Các ghi sử dụng giao tiếp SPI 58 Bảng 8: Mô tả tốc độ baud 60 Bảng 9: Cách kiểu định dạng Frame hình để truyền 60 Bảng 10: Thanh ghi sử dung vùng địa chúng giao tiếp UART 60 Bảng 11: Chức chân nRF24L01 64 Bảng 12: Điều kiện làm việc nRF24L01 65 Bảng 13: Các chế độ hoạt động nRF24L01 65 Bảng 14: Thời gian chuyển đổi chế độ 67 Bảng 15: Mã lệnh SPI nRF24L01 69 Bảng 16: Kí hiệu biểu đồ hoạt động SPI 70 Bảng 17: Register CONFIG 70 Bảng 18: Register EN_AA 71 Bảng 19: Register EN_RXADDR 72 Bảng 20: Register SETUP_AW 72 Bảng 21: Register SETUP_RETR 73 Bảng 22: Register RF_CH 73 Bảng 23: Register RF_SETUP 73 Bảng 24: Register STATUS 74 Bảng 25: Register OBSERVE_TX 74 Bảng 26: Register CD 75 Bảng 27: Register TX_ADDR 76 Bảng 28: Register RX_PW_P0  RX_PW_P0 77 Bảng 29: Register FIFO_STATUS 78 Bảng 30: Register RX_PLD 79 Bảng 31: Register TX_PLD 79 Bảng 32: Lựa chọn độ phân giải cho DS18B20 83 GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I CHƢƠNG I: DẪN NHẬP 1.1.Lí Do Chọn Đề Tài Ngày phƣơng thức truyền nhận liệu không dây ngày phát triển đƣợc ứng dụng rộng rãi khoa học kỹ thuật, sống Các hệ thống không dây thƣờng nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí khơng phải sử dụng dây nối Các hệ thống khơng dây thƣờng sử dụng sóng wifi, sóng RF Những ứng dụng, hệ thống cỡ nhỡ, trung bình sử dụng sóng wireless để truyền nhận liệu lựa chọn hợp lí Một hệ thống khơng dây khơng nhỏ gọn cịn địi hỏi phải tiết kiệm lƣợng để hệ thống sử dụng thời gian dài với nguồn cấp độc lập nhƣ pin, lƣợng mặt trời Dựa địi hỏi nhóm định sử dụng dịng vi điều khiển STM8 hãng STMicroelectronic, dòng vi điều khiển sử dụng nguồn áp thấp 3.3V module thu phát sóng RF nRF24L01 Nordic sử dụng điện áp 3.3V cho đề tài Với module nRF24L01 có ƣu điểm dễ sử dụng, khoảng cách truyền nhận xa, sử dụng tần số sóng RF 2.4GHz nên độ xác cao, nhiễu 1.2.Giới Thiệu Đề Tài Đề tài mà nhóm thực “ Hệ thống giám sát điều khiển thiết bị sử dụng vi điều khiển STM8S003F3P6 sóng RF ” Do vấn đề thời gian nhƣ giới hạn tiền bạc nên đề tài nhóm thực sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 để giám sát, kiểm tra nhiệt độ hệ thống Đề tài sử dụng VĐK STM8S003F3P6 để xử lí liệu điều khiển, sử dụng module nRF24L01 để truyền nhận liệu Để thuận tiện cho việc nghiên cứu đề tài nhóm dùng mạch chuyển USB sang UART ( FT232RL) để giao tiếpUART vi điều khiển với máy tính Trong đề tài nhóm xây dựng mơ hình gồm master slave để truyền nhận liệu sử dụng cho giám sát điều khiển Bên cạnh hiển thị thơng tin nhiệt độ LCD module, nhóm xây dựng giao diện giám sát, điều khiển máy tính để tiện lợi cho ngƣời dùng GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG I 1.3.Ý Nghĩa Đề Tài Việc nghiên cứu đề tài sở, tảng để thiết kế hệ thống không dây ứng dụng sống Ví dụ : Các hệ thống điều khiển, cảnh báo không dây từ xa, hệ thống truyền nhận liệu không dây Với ƣu điểm nhỏ gọn, tiết kiệm lƣợng 1.4.Nội Dung Nghiên Cứu - Thiết kế kế phần cứng cho đề tài - Thiết kế chƣơng trình điều khiển - Thiết lập hệ thống giám sát điều khiển sử dụng sóng RF - Tạo giao diện giám sát điều khiển máy tính ngơn ngữ lập tình C# sử dụng phần mềm Microsoft visual studio 2010 - Truyền nhận thơng tin sóng RF - Tìm hiểu vi điều khiển STM8S ( Đại diện STM8S003F3P6), module nRF24L01 cảm biến nhiệt độ DS18B20 1.5.Giới Hạn Đề Tài - Mơ hình đề tài giới hạn master, slave - Khoảng cách truyền nhận liệu module từ 30m – 40m - Số lƣợng cảm biến Chỉ giới hạn sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 - Chƣa có nguồn bổ sung cho mạch có cố điện GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1.Giới Thiệu Về Sóng RF Và Điều Khiển Từ Xa Bằng Sóng RF 2.1.1.Sóng vơ tuyến (RF) Những dao động điện từ có tần số hàng chục hàng trăm Hz xạ yếu Sóng điện từ chúng khơng có khả truyền xa Trong thơng tin vơ tuyến, ngƣời ta sử dụng sóng có tần số từ hàng nghìn Hz trở lên, gọi sóng vơ tuyến.Sóng RF (tần số vơ tuyến) sóng điện từ có dải tần số nằm khoảng KHz tới 300 GHz Bảng 2.1 : Phân loại tần số Tần số Bƣớc sóng Tên gọi 30 – 300 Hz 10^4 km10^3 km Tần số thấp ELF 300 – 3000 Hz 10^3 kmTần số thoại 100 km VF 3– 30 kHz 100 km10 km Tần số thấp VLF 30 – 300 kHz 10 km1 km Tần số thấp LF 300 kHz MHz km100m Tần số trung bình MF MHz 30 MHz 100m10m Tần số cao HF GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Tên gọi Công dụng Chứa tần số điện mạng xoay chiều, tín hiệu đo lƣờng từ xa tần thấp Chứa tần số kênh thoại tiêu chuẩn Chứa phần dải nghe đƣợc tiếng nói Dùng cho hệ thống an ninh, quân sự, chuyên dụng, thông tin dƣới nƣớc (tàu ngầm) Dùng cho dẫn đƣờng hàng hải hàng khơng Dùng cho phát thƣơng mại sóng trung (535 – 1605 kHz) Cũng đƣợc dùng cho dẫn đƣờng hàng hải hàng không Dùng thông tin vô tuyến chiều với mục đích thơng tin cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dƣ, phát quảng bá Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II 30 300 MHz 10m-1m Tần số cao VHF 300 MHz - GHz 1m10 cm Tần số cực cao UHF 3– 30 GHz 10 cm1 cm Tần số siêu cao SHF 30 – 300 GHz cm1mm Tần số cao EHF Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải hàng không, phát FM thƣơng mại (88 đến 108 MHz), truyền hình thƣơng mại (kênh đến 12 tần số từ 54 - 216 MHz) Dùng cho kênh truyền hình thƣơng mại từ kênh 14 đến kênh 83, dịch vụ thông tin di động mặt đất, di động tế bào, số hệ thống radar dẫn đƣờng, hệ thống vi ba vệ tinh Dùng cho kênh truyền hình thƣơng mại từ kênh 14 đến kênh 83, dịch vụ thông tin di động mặt đất, di động tế bào, số hệ thống radar dẫn đƣờng, hệ thống vi ba vệ tinh Ít sử dụng thông tin vô tuyến 2.1.2 Cách tạo sóng RF  Cách tạo sóng RF : - Để có sóng RF dùng điề u khiể n vô tuyế n , khởi đầ u ngƣời ta dùng ma ̣ch dao đô ̣ng cô ̣ng hƣởng LC đƣơ ̣c kế t nố i bởi mô ̣t cuô ̣n dây và mô ̣t tu ̣ điê ̣n Khi mạch LC bị kích thích , c ̣n dây sẽ xuấ t hiê ̣n tƣ̀ trƣờng và tu ̣ điê ̣n sẽ xuất điện trƣờng Khi vào tra ̣ng thái cô ̣ng hƣởng , tƣ̀ trƣờng cuô ̣n dây L và điê ̣n trƣờng tu ̣ C sẽ kế t hơ ̣p ta ̣o da ̣ng sóng điê ̣n tƣ̀ trƣờng Dùng dây anten phù h ợp cho phát sóng ma ̣ch LC vào không gian , đến sóng RF dùng cho công viê ̣c điề u khiể n vô tuyế n đƣ ợc tạo - Tần số cộng hƣởng 𝑓0 = - Dùng mạch cộng hƣởng LC tạo sóng mang có tần số lớn, sau tạo mã lệnh điều khiển, gắn mã lệnh điều khiển vào sóng mang phƣơng pháp điều chế phát chúng vào không gian GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ 2𝜋 𝐿𝐶 Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHƢƠNG II 2.1.3 Điều khiển từ xa sóng RF Là loại điều từ xa xuất đến giữ vai trò quan trọng phổ biến đời sống Nếu điều khiển dùng hồng ngoại (IR) dùng nhà điều khiển RF lại dùng cho nhiều vật dụng bên nhƣ thiết bị mở cửa garage xe, hệ thống điều khiển từ xa dùng loại đồ chơi điện tử, hệ thống vệ tinh …  Hoạt động Với loại điều khiển này, sử dụng nguyên lý tƣơng tự nhƣ điều khiển hồng ngoại nhƣng thay gửi tín hiệu ánh sáng, lại truyền sóng vơ tuyến tƣơng ứng với lệnh nhị phân Bộ phận thu sóng vơ tuyến thiết bị đƣợc điều khiển nhận tín hiệu giải mã  Ƣu điểm: - Truyền xa IR với khoảng cách khoảng 30m lên tới 100m - Truyền xuyên tƣờng, kính …  Nhƣợc điểm: Bị nhiễu sóng bên ngồi có nhiều thiết bị máy móc sử dụng tần số khác  Các khắc phục:Tránh nhiễu sóng cách truyền tần số đặc biệt nhúng mã kĩ thuật số địa thiết bị nhận tín hiệu vơ tuyến Điều giúp thu vơ tuyền thiết bị hồi đáp tín hiệu tƣơng ứng cách xác GVHD: ThS DƢƠNG THỊ CẨM TÚ Trang ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHỤ LỤC  Hàm nRF24L01.c #include "nrf24l01.h" unsigned char TxBuf1[32]= { " NHAN DUOC LENH AAT THIET BI " }; unsigned char TxBuf2[32]= { " NHAN DUOC LENH TAT THIET BI " }; unsigned char TxBuf3[32]= { " NHAN DUOC LENH BAT THIET BI " }; unsigned char TxBuf4[32]= { " NHAN DUOC LENH TAT THIET BI " }; unsigned char TX_ADDRESS0[TX_ADR_WIDTH]= {0x34,0x43,0x10,0x10,0x01}; // unsigned char TX_ADDRESS1[TX_ADR_WIDTH]= {0x01,0xe1,0xe2,0xe3,0x02}; // unsigned char TX_ADDRESS2[TX_ADR_WIDTH]= {0x02,0xe1,0xe2,0xe3,0x02}; // unsigned char TX_ADDRESS3[TX_ADR_WIDTH]= {0x03,0xe1,0xe2,0xe3,0x02}; // unsigned char TX_ADDRESS4[TX_ADR_WIDTH]= {0x04,0xe1,0xe2,0xe3,0x02}; // unsigned char TX_ADDRESS5[TX_ADR_WIDTH]= {0x05,0xe1,0xe2,0xe3,0x02}; // //************************************************************************ *** void delay_us(unsigned int time) { unsigned int i; for(i=0;i