Thiết kế, chế tạo hệ thống báo cháy sử dụng cảm biến khói

Giới thiệu: Giải pháp Soc System-on-chip dựa trên bộ vi xử lý nhúng ARM được ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, các hệ thống ô tô, mạng gia đ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO

THIẾT BỊ NGOẠI VI VÀ KỸ THUẬT GHÉP NỐI

Đề tài: “ Thiết kế, chế tạo hệ thống báo cháy sử dụng cảm biến khói”

Giảng viên hướng dẫn : Th.S TRẦN THÚY HÀ

Sinh viên thực hiện: VÕ VĂN ĐOÀN

LÊ HOÀNG HẢI

CHU KHẮC BIÊN

NGUYỄN XUÂN HƯNG

Nhóm: 12

Lớp : D10DTMT

LỜI NÓI ĐẦU

Thiết bị điện là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại

Nó góp phần thúc đẩy phát triển cuộc sống, kinh tế, xã hội, và văn minh loài người Ngày nay nhờ phát triển khoa học kỹ thuật mà các thiết bị điện được

sử dụng rất phổ biến, hầu như nơi nào cũng có sự hiện diện của thiết bị điện

Đi cùng với sự phổ biến và sử dụng rộng rãi của các thiết bị điện đó

mà đặt ra một vấn đề đó là làm sao để có thể quản lý các thiết bị điện được

sử dụng một các thuận lợi, dễ dàng và dễ kiểm soát Để phòng chống cháy

nổ, chập điện, hay sử dụng lãng phí nguồn điện cần có một phương tiện, thiết bị nào đó cung cấp cho người dùng 1 dao diện để có thể có tầm nhìn tổng quát các thiết bị điện mà mình đang sử dụng

Với đặc tính kỹ thuật, theo phương pháp truyền thống, để điều khiển một thiết bị điện nào đó, thông thường người ta sẽ gắn cho nó một cái công tắc hoặc phích cắm điện để bật tắt dòng điện Vấn đề đắt ra ở đây đó là khi ta muốn kiểm soát tập trung và từ xa, chúng ta không thể kéo dây lại một chỗ

để quản lý được Từ thực tiễn đó nhóm chúng em đã có ý tưởng thiết kế hệ thống điều khiển và quản lý thiết bị điện bằng máy tính thông qua sóng RF

Với hệ thống mà nhóm e thiết kế, việc kiểm soát thiết bị điện, nhất là trong các cơ quan, xưởng sản xuất lớn sẽ rất có lợi Phòng quản lý chỉ cần ở tại trung tâm điều khiển và quan sát xem các thiết bị nào đang được bật và sẽ

điều khiển từ xa nó thông qua giao diện viết trên máy tính Sẽ không cần chạy tới nơi lắp thiết bị điện để bật tắt nó mà cũng không cần kéo dây từ thiết bị đó về trung tâm điều khiển để kiểm soát chúng Nhờ hệ thống này sẽ tăng năng suất lao động lên rất nhiều, tiết kiệm nhân lực cần thiết để quản lý

hệ thống điện…

Nội dung báo cáo gồm 3 chương:

Chương 1: Kiến thức tổng quan

Chương 2; Thiết kế mạch

Chương 3: Thi công mạch

Quá trinhfh nghiên cứu và thực hiện của nhóm:

1 Đã làm được:

- Mạch đã có thể chạy ổn đinh

- Kết hợp được modul thu phát với đi điều khiển và với máy tính

- Xây dựng được mô hình mạng hình sao để có thể quản lý các thiết

bị trong một khu vực đủ rộng

- Điều khiển được tín hiệu On/Off bật tắt các thiết bị ở các modul

2 Hướng phát triển của đề tài:

- Điều khiển thiết bị thông qua mạng internet, smartphone

Nhóm thực hiện

Nhóm 12

MỤC LỤC

Chương 1: kiến thức tổng quan:

1 Giới thiệu:

Giải pháp Soc (System-on-chip) dựa trên bộ vi xử lý nhúng ARM được

ứng dụng vào rất nhiều thị trường khác nhau bao gồm các ứng dụng doanh nghiệp, các hệ thống ô tô, mạng gia đình và công nghệ mạng không dây Dòng vi xử lý ARM Cortex dựa trên một kiến trúc chuẩn đủ

để đáp ứng hầu hết các yêu cầu về hiệu năng làm việc trong tất cả các lĩnh vực trên Dòng ARM Cortex bao gồm ba cấu hình khác nhau của kiến trúc ARMv7: cấu hình A cho các ứng dụng tinh vi, yêu cầu cao chạy trên các hệ điều hành mở và phức tạp như Linux, Android…; cấu hình R dành cho các hệ thống thời gian thực và cấu hình M được tối ưu cho các ứng dụng vi điều khiển, cần tiết kiệm chi phí

Bộ vi xử lý Cortex-M3 là bộ vi xử lý ARM đầu tiên dựa trên kiến trúc ARMv7-M và được thiết kế đặc biệt để đạt được hiệu suất cao trong các ứng dụng nhúng cần tiết kiệm năng lượng và chi phí, chẳng hạn như các vi điều khiển, hệ thống cơ ô tô, hệ thống kiểm soát công

nghiệp và hệ thống mạng không dây Thêm vào đó là việc lập trình được đơn giản hóa đáng kể giúp kiến trúc ARM trở thành một lựa chọn tốt cho ngay cả những ứng dụng đơn giản nhất

2 Kiến trúc và tính năng xử lý của lõi Cortex M3

Bộ vi xử lý Cortex-M3 dựa trên kiến trúc ARMv7-M có cấu trúc thứ bậc.

Nó tích hợp lõi xử lý trung tâm, với các thiết bị ngoại vi hệ thống tiên tiến để tạo ra các khả năng như kiểm soát ngắt, bảo vệ bộ nhớ, gỡ lỗi

và theo vết hệ thống.

Các thiết bị ngoại vi có thể được cấu hình một cách thích hợp, cho phép bộ vi xử lý Cortex-M3 đáp ứng được rất nhiều ứng dụng và yêu cầu khắt khe của hệ thống Lõi của bộ vi xử lý Cortex-M3 và các thành phần tích hợp đã được thiết kế đặc biệt để đáp ứng yêu cầu bộ nhớ tối thiểu, năng lượng tiêu thụ thấp và thiết kế nhỏ gọn.

2.1 Kiến trúc lõi Cortex M3

Lõi Cortex M3 dựa trên cấu trúc Havard, được đặc trưng bằng sự tách biệt giữa vùng nhớ dữ liệu và chương trình Vì có thể đọc cùng lúc lệnh

và dữ liệu từ bộ nhớ, bộ vi xử lý Cortex-M3 có thể thực hiện nhiều hoạt động song song, tăng tốc thực thi ứng dụng

Bộ vi xử lý Cortex M3

2.2 Kiến trúc tập lệnh Thumb-2

Tập lệnh Thumb-2 là sự pha trộn giữa tập lệnh 16 và 32 bit, đạt được hiệu suất của các lệnh ARM 32 bit, đồng thời phù hợp với mật độ mã cũng như tương thích ngược với tập lệnh gốc Thumb 16 bit.

Quan hệ giữa tập lệnh Thumb-2 và tập lệnh Thumb

Trong một hệ thống dựa trên bộ vi xử lý ARM7, việc chuyển đổi nhân

xử lý giữa chế độ Thumb (có lợi về mật độ mã) và ARM (có lợi về mặt hiệu suất) là cần thiết cho một số ứng dụng Còn bộ vi xử lý Cortex-M3

có các lệnh 16 bit và 32 bit tồn tại trong cùng một chế độ, cho phép mật độ mã cũng như hiệu suất đều cao hơn mà không cần phải chuyển đổi phức tạp Vì tập lệnh Thumb-2 là tập bao hàm của tập lệnh Thumb

16 bit nên bộ vi xử lý Cortex-M3 có thể thực thi các đoạn mã trước đây viết cho Thumb 16 bit Do được cài đặt tập lệnh Thumb-2 nên bộ vi xử

lý Cortex-M3 có khả năng tương thích với các thành viên khác của dòng ARM Cortex.

Tập lệnh Thumb-2 có các lệnh đặc biệt giúp lập trình viên dễ dàng viết

mã cho nhiều ứng dụng khác nhau Các lệnh BFI và BFC là các lệnh thao tác trên bit, rất có ích trong các ứng dụng xử lý gói tin mạng Các lệnh SBFX và UBFX giúp việc chèn vào hoặc trích xuất một số bit trong

thanh ghi được nhanh chóng Lệnh RBIT đảo bit trong một WORD, có ích trong các thuật toán DSP như DFT Các lệnh bảng rẽ nhánh TBB

và TBH tạo sự cân bằng giữa mật độ mã và hiệu suất Tập lệnh

Thumb-2 cũng giới thiệu cấu trúc If-Then mới có thể xác định điều kiện thực hiện tối đa bốn lệnh tiếp theo.

Các tính năng chính mới trong tập lệnh Thumb-2 bao gồm việc thực hiện mã lệnh C một cách tự nhiên hơn, thao tác trực tiếp trên các bit, phép chia phần cứng và lệnh If/Then Hơn nữa, nhìn từ góc độ phát triển ứng dụng, Thumb-2 tăng tốc độ phát triển, đơn giản hóa việc bảo trì, hỗ trợ các đối tượng biên dịch thông qua tối ưu hóa tự động cho cả hiệu suất và mật độ mã mà không cần quan tâm đến việc mã được biên dịch cho chế độ ARM hoặc Thumb Kết quả là lập trình viên có thể

để mã nguồn của họ trong ngôn ngữ C mà không cần tạo ra các thư viện đối tượng biên dịch sẵn, có nghĩa là khả năng tái sử dụng mã nguồn lớn hơn nhiều.

2.3 Cách tổ chức và thực thi tập lệnh

Cách tổ chức của nhân ARM là dòng chảy lệnh 3 tác vụ:

- Fetch (nhận lệnh).

- Decode (giải mã).

- Excute (thực thi).

Hình 1: Câu lệnh một chu kỳ máy sử dụng dòng chảy lệnh có 3 tác vụ.

Khi gặp một lệnh nhánh, tầng decode chứa một chỉ thị nạp lệnh suy đoán có thể dẫn đến việc thực thi nhanh hơn Bộ xử lý nạp lệnh dự định

rẽ nhánh trong giai đoạn giải mã Sau đó, trong giai đoạn thực thi, việc

rẽ nhánh được giải quyết và bộ vi xử lý sẽ phân tích xem đâu là lệnh thực thi kế tiếp Nếu việc rẽ nhánh không được chọn thì lệnh tiếp theo

đã sẵn sàng Còn nếu việc rẽ nhánh được chọn th́ lệnh rẽ nhánh đó cũng đã sẵn sàng ngay lập tức, hạn chế thời gian rỗi chỉ còn một chu kỳ.

2.4 Bộ nhớ:

Bộ vi xử lý Cortex-M3 quản lí vùng nhớ cố định lên tới 4 gigabyte với các địa chỉ định nghĩa sẵn, dành riêng cho mã lệnh (vùng mã lệnh), SRAM (vùng nhớ), bộ nhớ/thiết bị bên ngoài, thiết bị ngoại vi bên trong

và bên ngoài Ngoài ra còn có một vùng nhớ đặc biệt dành riêng cho nhà cung cấp.Code có thể lưu ở vùng mã lệnh, SRAM hoặc RAM

ngoài, tuy nhiên khi lưu ở vùng mã lệnh, việc gọi lệnh và truy cập dữ liệu được xử lý đồng thời trên các bus.

Sơ đồ bộ nhớ

- Truy cập vùng SRAM thực hiện thông qua các bus Trong vùng này,

có hai thành phần: vùng bit-band 1MB và vùng bí danh (Bit-band Alias)

32 MB.

- Vùng nhớ thiêt bị ngoại vi 0.5GB tương tự như vùng SRAM với hai thành phần cơ bản Tuy nhiên, các lệnh không được thực thi ở vùng này, kĩ thuật bit-band được sử dụng để thay đổi các trạng thái bit, dễ

- Vùng bộ nhớ và thiết bị bên ngoài: mỗi vùng 1GB, sự khác biệt hai vùng này là lệnh không được thực hiện ở vùng thiết bị bên ngoài, ngoài

ra có một số khác biệt về cách lưu trữ giữa hai vùng.

1.2 Tìm hiểu module thu phát RF: nRF24L01

1.Thông số kỹ thuật:

- Radio

o Hoạt động ở giải tần 2.4G

o Có 126 kênh

o Truyền và nhận dữ liệu

o Truyền tốc độ cao 1Mbps hoặc 2Mbps.

- Công suất phát:

o Có thể cài đặt được 4 công suất nguồn phát: 0,-6,-12,-18dBm.

- Thu:

o Có bộ lọc nhiễu tại đầu thu

o Kếch đại bị ảnh hưởng bởi nhiễu thấp (LNA)

- Nguồn cấp:

o Hoạt động từ 1.9-3.6V.

o Các chân IO chạy được cả 3.3 lẫn 5V.

- Giao tiếp:

o 4 pin SPI

o Tốc độ tối đa 8Mbps

o 3-32 bytes trên 1 khung truyền nhận

-Phân tích:

o Modul nRF24L01 hoạt động ở tần số sóng ngắn 2.4G nên Modul này khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao và truyền nhận dữ liệu trong điều kiện môi trường có vật cản

o Modul nRF24L01 có 126 kênh truyền Điều này giúp ta có thể truyền nhận dữ liệu trên nhiều

o Modul khả năng thay đổi công suất phát bằng chương trình, điều này giúp nó có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng.

o Chú ý: Điện áp cung cấp cho là 1.9 3.6V Điện áp thường cung cấp là 3.3V Nhưng các chân IO tương thích với chuẩn 5V Điều này giúp nó giao tiếp rộng dãi với các dòng vi điều khiển.

2 Sơ đồ phần cứng

3 Sơ đồ kết nối vi điều khiển:

1.3 Giao tiếp máy tính UART

UART (Universal Asynchronous serial Reveiver and Transmitter) là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó Ví dụ chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic high là 5V , mức low là 0V Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low

Hình 1 Tín hiệu tương đương của UART và RS232

Truyền thông nối tiếp: dữ liệu được truyền từng bit trên 1 (hoặc một ít)

đường truyền

Hình 2 Truyền 8 bit theo phương pháp nối tiếp.

Một hạn chế rất dễ nhận thấy khi truyền nối tiếp tốc độ truyền và độ chính xác của dữ liệu khi truyền và nhận Vì dữ liệu cần được “chia nhỏ” thành từng bit khi truyền/nhận, tốc độ truyền sẽ bị giảm Mặt khác, để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu, bộ truyền và bộ nhận cần có những tiêu chuẩn nhất định Tiếp theo chúng ta

sẽ nghiên cứu về các tiêu chuẩn trong truyền thông nối tiếp không đồng bộ

Truyền thông “đồng bộ” Lấy ví dụ thiết bị 1 (tb1) kết nối với thiết bị 2 (tb2) bởi 2 đường, một đường dữ liệu và 1 đường xung nhịp Cứ mỗi lần tb1 muốn send

1 bit dữ liệu, tb1 điều khiển đường xung nhịp chuyển từ mức thấp lên mức cao báo cho tb2 sẵn sàng nhận một bit Bằng cách “báo trước” này tất cả các bit dữ liệu có thể truyền/nhận dễ dàng với ít “rủi ro” trong quá trình truyền Tuy nhiên, cách truyền này đòi hỏi ít nhất 2 đường truyền cho 1 quá trình (send or receive)

Khác với cách truyền đồng bộ, truyền thông “không đồng bộ” chỉ cần một đường truyền cho một quá trình “Khung dữ liệu” đã được chuẩn hóa bởi các thiết

bị nên không cần đường xung nhịp báo trước dữ liệu đến Truyền thông nối tiếp không đồng bộ vì thế hiệu quả hơn truyền thông đồng bộ (không cần nhiều lines truyền) Tuy nhiên, để quá trình truyền thành công thì việc tuân thủ các tiêu chuẩn

trọng trong phương pháp truyền thông này.

Baud rate (tốc độ Baud): là tốc độ “thống nhất” với nhau về khoảng thời

dành cho 1 bit truyền, hay nói cách khác tốc độ truyền phải được cài đặt như nhau trước, tốc độ này gọi là tốc độ Baud Theo định nghĩa, tốc độ baud là số bit truyền trong 1 giây

Frame (khung truyền): do truyền thông nối tiếp mà nhất là nối tiếp không

đồng bộ rất dễ mất hoặc sai lệch dữ liệu, quá trình truyền thông theo kiểu này phải tuân theo một số quy cách nhất định Bên cạnh tốc độ baud, khung truyền là một yếu tốc quan trọng tạo nên sự thành công khi truyền và nhận Khung truyền bao gồm các quy định về số bit trong mỗi lần truyền, các bit “báo” như bit Start và bit Stop, các bit kiểm tra như Parity, ngoài ra số lượng các bit trong một data cũng được quy định bởi khung truyền

Start bit: start là bit đầu tiên được truyền trong một frame truyền, bit này có

chức năng báo cho thiết bị nhận biết rằng có một gói dữ liệu sắp được truyền tới

Data: data hay dữ liệu cần truyền là thông tin chính mà chúng ta cần gởi và

nhận

Parity bit: parity là bit dùng kiểm tra dữ liệu truyền đúng không (một cách

tương đối) Có 2 loại parity là parity chẵn (even parity) và parity lẻ (odd parity)

Stop bits: stop bits là một hoặc các bit báo cho thiết bị nhận rằng một gói dữ

liệu đã được gởi xong Sau khi nhận được stop bits, thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền để đảm bảo tính chính xác của dữ liệu Stop bits là các bits bắt buộc xuất hiện trong khung truyền

Khung truyền phổ biến nhất là : start bit+ 8 bit data+1 stop bit.

1.4 Cấu trúc mạng hình sao.

3 Dạng hình sao (Star) Ở dạng hình sao, tất cả các trạm được nối vào một thiết bị trung tâm có

nhiệm vụ nhận tín hiệu từ các trạm và chuyển tín hiệu đến trạm đích với phương thức kết nối là phương thức "một điểm - một điểm " Thiết bị trung tâm hoạt động giống như một tổng đài cho phép thực hiện việc nhận và truyền dữ liệu từ trạm này tới các trạm khác Tùy theo yêu cầu truyền thông trong mạng ,

thiết bị trung tâm có thể là một bộ chuyển mạch (switch), một bộ chọn đường (router) hoặc đơn giản là một bộ phân kênh (Hub) Có nhiều cổng ra và mỗi cổng nối với một máy

Ưu điểm: Với dạng kết nối này có ưu điểm là không đụng độ hay ách tắc trên đường truyền, lắp đặt đơn giản, dễ dàng cấu hình lại (thêm, bớt trạm) Nếu có trục trặc trên một trạm thì cũng không gây ảnh hưởng đến toàn mạng qua đó dễ dàng kiểm soát và khắc phục sự cố.

Nhược điểm: Độ dài đường truyền nối một trạm với thiết bị trung tâm bị hạn chế (trong vòng 100 m với công nghệ hiện đại) tốn đường dây cáp nhiều, tốc độ truyền dữ liệu không cao Hiện nay các mạng

sử dụng hình dạng hình sao là mạng STARLAN của AT&T và S-NET của Novell

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MẠCH

2.1 Sơ đồ khối

2.2 sơ đồ mạch nguyên lý