thiết kế và thi công mạch đo và cảnh báo nhiệt độ dùng sóng rf, giao tiếp máy tính và lưu trữ dùng mmc

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn ii MỤC LỤC 1.GIỚI THIỆU 1 1.1 Tổng quan 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1 1.3 Nhiệm vụ luận văn 2 2. LÝ THUYẾT 2 2.1 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN ATMEGA 32 2 2.1.1 Giới thiệu 2 2.1.2 Sơ đồ chân của Atmega 32 3 2.1.3 Cấu trúc lõi của Atmega 32 4 2.1.4 ALU Arithmetic Logic Unit 6 2.1.5 Thanh ghi trạng thái 6 2.1.6 Tập các thanh ghi làm việc đa năng 7 2.1.7 Cổng vào ra của ATmega 32 8 2.1.8 Bộ chuyển đổi ADC 10 2.2 TỔNG QUAN VỀ REALTIMES DS1307 15 2.2.1 Sơ đồ chân DS1307 15 2.2.2 Cấu tạo bên trong của DS1307 16 2.2.3 Khái quát về giao diện I2C 20 2.3 TỔNG QUAN VỀ MODULE PHÁT RF nRF24L01 20 2.3.1 Giới thiệu 20 2.3.2 Khảo sát chip nRF24L01. 21 2.3.3 Điều kiện làm việc. 24 2.3.4 Hoạt động của nRF24L01. 24 2.3.5 Chế độ tắt nguồn. 24 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn iii 2.3.6 Chế độ standby. 24 2.3.7 Chế độ RX. 25 2.3.8 Chế độ TX 25 2.3.9 Chức năng Shockburst 26 2.3.10 Giao tiếp SPI của nRF24L01 27 2.3.11 Các thanh ghi trong nRF24L01. 29 2.3.12 Module nRF24L01. 39 2.4 TỔNG QUAN VỀ LCD 16x2 39 2.4.1 Giới thiệu về LCD 39 2.4.2 Sơ đồ chân 40 2.4.3 Thanh ghi và tổ chức bộ nhớ 41 2.4.4 Tập lệnh của LCD 44 2.4.5 Phương thức giao tiếp với LCD 45 2.5 TỔNG QUAN VỀ DS1820 46 2.5.1 Giới thiệu sơ lược về DS1820 46 2.5.2 Những đặc tính chung 46 2.5.3 Sơ đồ chân 46 2.5.4 Sự mô tả 47 2.5.5 Sơ đồ khối DS1820 47 2.5.6 Thao tác và cách đo nhiệt độ 48 2.5.7 Thao tác và báo động báo hiệu 50 2.5.8 Nguồn cấp cho DS1820 50 2.5.9 Bộ nhớ ROM 64 bit 52 2.5.10 Bộ nhớ DS1820 53 2.5.11 Các bước tiến hành để truy nhập đến DS1820 54 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn iv 2.5.12 Các lệnh trên ROM của DS1820 54 2.5.13 Các lệnh chức năng của bộ nhớ DS1820 56 2.6 TỔNG QUAN VỀ IC GIAO TIẾP PC PL2303 57 2.6.1 Giới thiệu 57 2.6.2 Đặc điểm chung 58 2.6.3 Chức năng các chân của PL2303 60 2.7 TỔNG QUAN VỀ LƯU TRỮ MMC/SD 61 2.7.1 Giới thiệu về MMC/SD 61 2.7.2 Phương thức giao tiếp MMC/SD 63 2.7.3 Giao tiếp vi điều khiển với MMC/SD 65 3. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG 67 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 67 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch slave 67 3.2.1 Khối nguồn 67 3.2.2 Khối cảm biến nhiệt độ 67 3.2.3 Khối vi điều khiển 68 3.2.4 Khối tạo nhiệt 68 3.2.5 Khối thu phát RF 69 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch master 69 3.3.1 Khối nguồn 69 3.3.2 Khối thu phát RF 70 3.3.3 Khối vi điều khiển 70 3.3.4 Khối thời gian thực 71 3.3.5 Khối cài đặt 71 3.3.6 Khối hiển thị LCD 72 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn v 3.3.7 Khối kết nối PC 72 3.3.8 Khối lưu trữ SD/MMC: 73 3.3.9 Khối cảnh báo sự cố 73 4. THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 74 4.1 Lưu đồ giải thuật mạch slave: 74 4.2 Lưu đồ giải thuật mạch master: 75 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN 77 5.1 Mạch slave 77 5.2 Mạch master 77 5.3 Giao diện giao tiếp máy tính 78 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 6.1 Kết luận 78 6.2 Hướng phát triển 79 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 8. PHỤ LỤC 80 8.1 Sơ đồ nguyên lý mạch Slave 80 8.2 Sơ đồ nguyên lý mạch Master 81 8.3 Chương trình Slave 81 8.4 Chương trình Master 84 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn vi DANH SÁCH HÌNH MINH HỌA Hình 2.1: Sơ đồ chân của Atmega 32 3 Hình 2.2: Sơ đồ lõi của ATmega 32 6 Hình 2.3: Thanh ghi trạng thái 6 Hình 2.4: Thanh ghi đa năng 8 Hình 2.5: Thanh ghi DDRA 9 Hình 2.6: Thanh ghi PORTA 9 Hình 2.7: Thanh ghi PINA 10 Hình 2.8: Thanh ghi SFIOR 10 Hình 2.9: Sơ đồ khối đơn giản của ADC 11 Hình 2.10: Ngõ vào vi sai 13 Hình 2.11: Thanh ghi ADMUX 13 Hình 2.12: Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC 14 Hình 2.13: Thanh ghi dữ liệu của ADC 15 Hình 2.14: Hai dạng cấu tạo chân của DS1307 16 Hình 2.15: Sơ đồ khối bên trong của DS1307 17 Hình 2.16: Tổ chức bộ nhớ trong DS1307 17 Hình 2.17: Tổ chức bit của các thanh ghi 18 Hình 2.18: Cấu trúc thanh ghi điều khiển 19 Hình 2.19: Cơ chế truyền dữ liệu giữa Master và Slave 20 Hình 2.20: Sơ đồ khối chip nRF24L01. 22 Hình 2.21: Sơ đồ chân chip nRF24L01. 22 Hình 2.22: Biểu đồ hoạt động đọc SPI của nRF24L01. 29 Hình 2.23: Biểu đồ hoạt động ghi SPI của nRF24L01. 29 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn vii Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý module nRF24L01 39 Hình 2.25: LCD 16x2 40 Hình 2.26: Tổ chức DDRAM 42 Hình 2.27: Hình dạng và sơ đồ chân của DS1820 47 Hình 2.28: Sơ đồ khối DS1820 48 Hình 2.29: Thanh ghi lưu trữ nhiệt độ đo 49 Hình 2.30: Thanh ghi định dạng T H và T L 50 Hình 2.31: Sử dụng MOSFET để cấp nguồn cho DS1820 51 Hình 2.32: Không sử dụng DS1820 cấp nguồn cho DS1820 52 Hình 2.33: Nội dung của dãy 64 bit trên ROM 52 Hình 2.34: Sơ đồ bộ nhớ DS1820 53 Hình 2.35: PL 2303 thực tế 57 Hình 2.36: Sơ đồ khối PL2303 58 Hình 2.37: Sơ đồ chân của PL2303 59 Hình 2.38: Bố trí chân MMC và SD 61 Hình 2.39: Sơ đồ kết nối giữa chip điều khiển và card MMC/SD 63 Hình 2.40: Trình tự khởi động MMC/SD 66 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống 67 Hình 3.2: Sơ đồ khối nguồn 67 Hình 3.3: Sơ đồ khối cảm biến nhiệt 68 Hình 3.4: Sơ đồ khối vi điều khiển 68 Hình 3.5: Sơ đồ khối tạo nhiệt 69 Hình 3.6: Khối thu phát RF 69 Hình 3.7: Sơ đồ khối nguồn 70 Hình 3.8: Sơ đồ khối thu phát RF 70 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn viii Hình 3.9: Sơ đồ khối vi điều khiển 71 Hình 3.10: Sơ đồ khối Realtime 71 Hình 3.11: Sơ đồ khối cài đặt nhiệt độ 72 Hình 3.12: Sơ đồ khối hiển thị LCD 72 Hình 3.13: Sơ đồ khối giao tiếp máy tính 73 Hình 3.14: Sơ đồ khối lưu trữ SD/MMC 73 Hình 3.15: Sơ đồ khối cảnh báo 73 Hình 4.1: Lưu đồ giải thuật Slave 74 Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật Master 76 Hình 5.1: Mô hình khối Slave 77 Hình 5.2: Mô hình khối Master 77 Hình 5.3: Giao diện giao tiếp với máy tính 78 Hình 8.1 Sơ đồ mạch Slave 80 Hình 8.2 Sơ đồ mạch master 81 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn ix DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng 2.1 Lựa chọn điện thế tham chiếu 13 Bảng 2.2 Lựa chọn tần số trên chân SQW/OUT 19 Bảng 2.3 Chức năng các chân của nRF24L01 23 Bảng 2.4 Điều kiện làm việc của nRF24L01. 24 Bảng 2.5 Các chế độ hoạt động của nRF24L01. 24 Bảng 2.6 Thời gian chuyển đổi giữa các chế độ. 26 Bảng 2.7 Mã lệnh SPI của nRF24L01 28 Bảng 2.8 Kí hiệu trong biểu đồ hoạt động SPI 29 Bảng 2.9 Register CONFIG 29 Bảng 2.10 Register EN_AA 30 Bảng 2.11 Register EN_RXADDR 31 Bảng 2.12 Register SETUP_AW 31 Bảng 2.13 Register SETUP_RETR 32 Bảng 2.14 Register RF_CH 32 Bảng 2.15 Register RF_SETUP 33 Bảng 2.16 Register STATUS 33 Bảng 2.17 Register OBSERVE_TX 34 Bảng 2.18 Register CD 34 Bảng 2.19 Register RX_ADDR_P0 à RX_ADDR_P5 34 Bảng 2.20 Register TX_ADDR 35 Bảng 2.21 Register RX_PW_P0 à RX_PW_P0 35 Bảng 2.22 Register FIFO_STATUS 37 Bảng 2.23 Register ACK_PLD 38 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn x Bảng 2.24 Register RX_PLD 38 Bảng 2.25 Register TX_PLD 38 Bảng 2.26 Chức năng các chân của LCD 16x2 41 Bảng 2.27 Các mode giao tiếp của LCD 42 Bảng 2.28 Bảng dò giá trị đo nhiệt độ 49 Bảng 2.29 Chức năng các chân của PL2303 60 Bảng 2.30 Ý nghĩa của các bit trong lệnh 64 Luận văn tốt nghiệp GVHD: Đặng Anh Tuấn Trang 1 1. GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Hệ thống điều khiển từ xa có vai trò quan trọng trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Trong ngành công nghiệp, điều khiển nhiệt độ là một vấn đề rất quan trọng. Trong ngành luyện kim, cần phải đạt đến một nhiệt độ nào đó để kim loại nóng chảy, và cũng cần đạt một nhiệt độ nào đó để ủ kim loại nhằm đạt được tốt các đặc tính cơ học như độ bền, độ dẻo, độ chống gỉ sét, có thể đo nhiệt độ trong môi trường độc hại một cách dễ dàng hơn … . Trong ngành thực phẩm, cần duy trì một nhiệt độ nào đó để nướng bánh, để nấu, để bảo quản … . Trong nông nghiệp thì cần nhiệt độ để sấy nông sản hoặc ủ cho hạt giống nảy mầm … . Trong chăn nuôi thì cần có nhiệt độ để ấp trứng, để sưởi ấm gia súc khi mùa đông đến … . Từ đó, điều khiển nhiệt độ trở thành một yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Và theo đà phát triển của các học thuyết về điều khiển tự động, thì nhiều nghiên cứu cho kết quả của quá trình đo và điều khiển nhiệt độ ngày càng phong phú và đa dạng hơn. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trên thế giới, ở các nước phát triển không ít những công trình nghiên cứu khoa học đã thành công khi ứng dụng kỹ thuật điều khiển từ xa để điều khiển các thiết bị trong công nghiệp cũng như trong dân dụng mà đặc biệt là trong quân sự: Tại Nga có những nhà máy điện, những kho lưu trữ tài liệu quý đã ứng dụng hệ thống điều khiển từ xa và tự động báo động để đóng ngắt những nơi cao áp, tự động xã bình chữa cháy …và cũng tại Nga đã có hệ thống điều khiển và báo động thông qua mạng Internet để điều khiển nhà máy điện nguyên tử. Ở nước ta mạch cảm biến cảnh báo và kiểm soát nhiệt độ bằng sóng RF là một đề tài không mới, trong các khoá học trước đã có người nghiên cứu. Nhưng vì tính thực tiễn của đề tài này nên nó cần được tiếp tục nghiên cứu và hoàn chỉnh để đưa ra giải pháp tối ưu. Trong các kết quả nghiên cứu trước thì nhiệt độ thu được sẽ được hiển thị trên LCD hoặc trên Led 7 đoạn để theo dõi khi đang vận hành. Với đề tài này thì giá trị nhiệt độ được truyền lên PC vẽ ra giản đồ nhiệt theo thời gian, vi [...]... điều khiển ATMEGA32, IC cảm biến nhiệt độ DS1820, bộ đếm thời gian DS1307, bộ thu phát sóng RF nRF24L01, màn hình LCD 16x2, khối giao tiếp với máy tính dùng PL2303, lưu trữ thẻ nhớ SD /MMC • Thi t kế và thi công mạch đo, điều khiển tắt mở nguồn nhiệt và phát tín hiệu nhiệt độ (slave) • Thi t kế và thi công mạch nhận, hiển thị, lưu trữ tín hiệu nhiệt độ và phát tín hiệu cảnh báo khẩn cấp khi xảy ra sự cố... kéo lên này hoạt động Điện trở kéo lên là một điện trở được dùng khi thi t kế các điện tử logic Nó có một đầu được nối với nguồn điện áp dương và đầu còn lại được nối với tín hiệu lối vào/ ra của một mạch logic chức năng Điện trở kéo lên có thể được lắp đặt tại các lối vào của khối mạch logic để thi t lập mức logic lối vào của khối mạch khi không có thi t bị ngoài nào nối với lối vào Ngoài ra, điện... nhau giữa chế độ Standby I và Standby II o Standby I sẽ không truyền dữ liệu khi vào chế độ này o Standby II sẽ ngừng truyền dữ liệu khi TX FIFO trống 2.3.7 Chế độ RX Chế độ nhận dữ liệu từ sóng RF phát đi của bộ phát Để vào chế độ này, nRF24L01 phải có các bit PWR_UP mức cao, bit PRIM_RX thi t lập cao và chân CE cũng được thi t lập mức cao Trong chế độ này bộ thu (nRF24L01 hoạt động ở chế độ RX) liên... được thi t lập cao 2.3.8 Chế độ TX Chế độ TX là một chế độ hoạt động, khi mà nRF24L01 truyền một gói tin Để vào chế độ này, nRF24L01 phải có bit PWR_UP ở mức cao, bit PRIM_RX thi t lập mức thấp, tải trọng trong FIFO TX và, một xung cao trên CE hơn 10μs NRF24L01 vào trong chế độ TX cho đến khi nó kết thúc truyền một gói tin hiện tại,sau đó nó vào chế độ Standby I Nếu CE = 0 nRF24L01 trở về chế độ chờ... Anh Tuấn xử lý điều khiển nhiệt độ cho thích hợp với giá trị cài đặt và đồng thời phát ra tín hiệu cảnh báo khẩn cấp nếu xảy ra sự cố 1.3 Nhiệm vụ luận văn Trong đề tài này, sinh viên thực hiện dùng IC rời kết hợp với Modun RF chuyên dụng để tạo ra mạch ứng dụng hoàn chỉnh Hiện nay xu hướng sử dụng sóng RF để điều khiển thi t bị từ xa rất được ưa chuộng Hệ thống đo nhiệt độ có sử dụng RF giúp cho ứng... mới đưa vào khối ADC để biến đổi Bộ vi sai có 2 ngõ vào là Vpos (ngõ vào dương) và Vneg (ngõ vào âm) Các chân ADC3:ADC7 dùng làm ngõ vào dương, các chân ADC0:ADC2 là ngõ vào âm, hình 2.10 Đối với lựa chọn này, kết quả ADC sẽ là: Với: • Gain: là độ lợi có thể tùy chọn • VPOS: là điện áp trên chân ngõ vào positive • VNEG: là điện áp trên chân ngõ vào negative • VREF: là điện áp tham chiếu lựa chọn Công. .. CONFIG và chân CE Bảng 2.5 Các chế độ hoạt động của nRF24L01 Mode PWR_UPBit PRIM_RXBit RXmode 1 1 1 TXmode 1 0 1 TXmode 1 0 Xung cao tối thi u 10μs Standby-II 1 0 1 Standby-I 1 - 0 PowerDown 0 - - 2.3.5 CE Chế độ tắt nguồn Chế độ này được thi t lập để đảm bảo dòng tiêu thụ thấp nhất.Trong chế độ này giao thức truyền dữ liệu SPI được kích hoạt để chip trao đổi dữ liệu với Vi điều khiển.Chế độ này được thi t. .. kênh là 2MHz Các kênh tần số RF được thi t lập bởi thanh ghi RF_CH theo công thức sau: F0 = 2400 + RF_CH [MHz] Một bộ phát và bộ nhận phải được lập trình với cùng một kênh tần số RF để có thể giao tiếp với nhau 2.3.9 Chức năng Shockburst Shockburst là một tính năng hoạt động trên lớp liên kết dữ liệu cho phép tự động đóng gói dữ liệu, tự động xác nhận mã ACK và tự động truyền lại dữ liệu.Shockburst có... RISC Vào ra Analog – Digital và ngược lại Với công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu kì xung nhịp, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể Trang 2 GVHD: Đặng Anh Tuấn Luận văn tốt nghiệp đạt đến 1 triệu lệnh/giây ở tần số 1Mhz Vi điều khiển này cho phép người thi t kế có thể tối ưu hoá chế độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lý Atmega được hỗ trợ đầy đủ phần mềm và công cụ... là 2.56V, và Vref là tùy chọn Tần số Clock ADC: là tần số clock cung cấp cho bộ biến đổi ADC, giá trị có thể thay đổi từ vài KHz đến vài MHz Tuy nhiên, tần số thích hợp khoảng từ 50KHz đến 200KHz cho độ phân giải 10 bit và có thể cao hơn 200KHz nếu độ phân giải thấp hơn Ngõ vào tương tự: ATmega32 có hai lựa chọn ngõ vào tương tự: • 10 ngõ vào đơn hướng: 10 ngõ vào này là ADC0: ADC7, AGND và bandgapreference . biến nhiệt độ DS1820, bộ đếm thời gian DS1307, bộ thu phát sóng RF nRF24L01, màn hình LCD 16x2, khối giao tiếp với máy tính dùng PL2303, lưu trữ thẻ nhớ SD /MMC. • Thi t kế và thi công mạch đo, . đo, điều khiển tắt mở nguồn nhiệt và phát tín hiệu nhiệt độ (slave). • Thi t kế và thi công mạch nhận, hiển thị, lưu trữ tín hiệu nhiệt độ và phát tín hiệu cảnh báo khẩn cấp khi xảy ra sự cố. 3.3.7 Khối kết nối PC 72 3.3.8 Khối lưu trữ SD /MMC: 73 3.3.9 Khối cảnh báo sự cố 73 4. THI T KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 74 4.1 Lưu đồ giải thuật mạch slave: 74 4.2 Lưu đồ giải thuật mạch master: