CƠ SỞ LÝ THUYẾT
MODULE ESP32 [8]
ESP32 là một SoC giá rẻ do Espressif Systems phát triển, kế thừa từ ESP8266 Nó bao gồm cả biến thể lõi đơn và lõi kép của bộ vi xử lý 32-bit Xtensa LX6 của Tensilica, với tính năng tích hợp Wi-Fi và Bluetooth.
Hình 2.1 Module ESP32 NodeMCU Hình 2.2 Module ESP32S DevkitC
Một số thông số cơ bản của Module ESP32:
- Hỗ trợ chuẩn không dây 802.11 b/g/n
- Micro-MCU 32bit tích hợp, tốc độ 160 MHz - 240 MHz, hỗ trợ RTOS, SRAM, Flash
- WiFi 2.4GHz, Bluetooth 4.2 và BLE Hỗ trợ chế độ bảo mật WPA / WPA2
- Hỗ trợ UART, I2C, SPI, I2S, PWM, GPIO, điều khiển từ xa hồng ngoại
- Phạm vi nhiệt độ hoạt động: -40°C ~ 125°C
2.1.2 Thông số kỹ thuật của Module ESP32
Tất cả thông số kỹ thuật chi tiết của Module ESP32 được tổng hợp ở các bảng dưới đây:
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của ESP32-WROOM-32 n
Tên Nội dung Thông số kỹ thuật
Chứng nhận RF FCC/CE-
RED/IC/TELEC/KCC/SRRC/NCC
Chứng nhận Wifi Wi-Fi Alliance
Chứng nhận năng lượng tái tạo RoHS/REACH
Kiểm tra Độ tin cậy ( Độ bền ) HTOL/HTSL/uHAST/TCT/ESD
Kỹ thuật ghép kênh A-MPDU và A- MSDU và hỗ trợ giảm khoảng cách giữa các symbol (ký hiệu) từ 4 nano giây xuống còn 3,6 nano giây để tăng tốc độ
Dải tần số 2.4 GHz ~ 2.5 GHz
Giao thức Bluetooth v4.2 BR/EDR and BLE specification
Bộ thu NZIF với độ nhạy –97 dBm Class-1, class-2 and class-3 transmitter
AFH Âm thanh Tần số âm thanh CVSD & SBC
Phần cứng Giao diện Module
SD card, UART, SPI, SDIO, I2C, LED PWM, Motor PWM, I 2S, IR, pulse counter, GPIO, capacitive touch sensor, ADC, DAC, Two-Wire Automotive Interface (TWAI®), n
Cảm biến trên chíp Cảm biến Hall
Giao động tích hợp 40 MHz crystal
SPI 4MB Điện áp hoạt động /
Dòng điện hoạt động Trung bình: 80 mA Dòng điện chuyển đổi từ nguồn cấp tối thiểu 500 mA
Nhiệt độ yêu cầu để hoạt động –40 °C ~ +85 °C
Kích thước (18.00±0.10) mm × (25.50±0.10) mm × (3.10±0.10) mm
Mức nhạy với hơi ẩm
Bảng 2.2 Thông số các chân của ESP32-WROOM-32
EN 3 I Tín hiệu cho phép Mức cao tích cực
SENSOR_VP 4 I GPIO36, ADC1_CH0, RTC_GPIO0
SENSOR_VN 5 I GPIO39, ADC1_CH3, RTC_GPIO3
IO34 6 I GPIO34, ADC1_CH6, RTC_GPIO4
IO35 7 I GPIO35, ADC1_CH7, RTC_GPIO5 n
IO32 8 I/O GPIO32, XTAL_32K_P (32.768 kHz giao động thạch anh đầu vào), ADC1_CH4,
IO33 9 I/O GPIO33, XTAL_32K_N (32.768 kHz giao động thạch anh đầu ra), ADC1_CH5,
IO25 10 I/O GPIO25, DAC_1, ADC2_CH8,
IO26 11 I/O GPIO26, DAC_2, ADC2_CH9,
IO27 12 I/O GPIO27, ADC2_CH7, TOUCH7,
RTC_GPIO17, EMAC_RX_DV
IO14 13 I/O GPIO14, ADC2_CH6, TOUCH6,
RTC_GPIO16, MTMS, HSPICLK, HS2_CLK, SD_CLK, EMAC_TXD2
IO12 14 I/O GPIO12, ADC2_CH5, TOUCH5,
RTC_GPIO15, MTDI, HSPIQ, HS2_DATA2, SD_DATA2, EMAC_TXD3
IO13 16 I/O GPIO13, ADC2_CH4, TOUCH4,
RTC_GPIO14, MTCK, HSPID, HS2_DATA3, SD_DATA3, EMAC_RX_ER
SHD/SD2* 17 I/O GPIO9, SD_DATA2, SPIHD,
SWP/SD3* 18 I/O GPIO10, SD_DATA3, SPIWP,
SCS/CMD* 19 I/O GPIO11, SD_CMD, SPICS0, HS1_CMD,
SCK/CLK* 20 I/O GPIO6, SD_CLK, SPICLK, HS1_CLK,
SDO/SD0* 21 I/O GPIO7, SD_DATA0, SPIQ, HS1_DATA0,
SDI/SD1* 22 I/O GPIO8, SD_DATA1, SPID, HS1_DATA1,
IO15 23 I/O GPIO15, ADC2_CH3, TOUCH3, MTDO,
HSPICS0, RTC_GPIO13, HS2_CMD, SD_CMD, EMAC_RXD3
IO2 24 I/O GPIO2, ADC2_CH2, TOUCH2,
RTC_GPIO12, HSPIWP, HS2_DATA0,
IO0 25 I/O GPIO0, ADC2_CH1, TOUCH1,
RTC_GPIO11, CLK_OUT1, EMAC_TX_CLK
IO4 26 I/O GPIO4, ADC2_CH0, TOUCH0,
RTC_GPIO10, HSPIHD, HS2_DATA1, SD_DATA1, EMAC_TX_ER
IO16 27 I/O GPIO16, HS1_DATA4, U2RXD,
IO17 28 I/O GPIO17, HS1_DATA5, U2TXD,
IO5 29 I/O GPIO5, VSPICS0, HS1_DATA6,
IO18 30 I/O GPIO18, VSPICLK, HS1_DATA7
IO19 31 I/O GPIO19, VSPIQ, U0CTS, EMAC_TXD0
IO21 33 I/O GPIO21, VSPIHD, EMAC_TX_EN n
RXD0 34 I/O GPIO3, U0RXD, CLK_OUT2
TXD0 35 I/O GPIO1, U0TXD, CLK_OUT3,
IO22 36 I/O GPIO22, VSPIWP, U0RTS, EMAC_TXD1
IO23 37 I/O GPIO23, VSPID, HS1_STROBE
2.1.3 Chế độ hoạt động của Module ESP32
Module ESP32 có năm chế độ năng lượng khác nhau, mỗi chế độ có mức tiêu thụ năng lượng riêng biệt Các chế độ năng lượng này của ESP32 cho phép người dùng tùy chỉnh hiệu suất và tiết kiệm năng lượng theo nhu cầu sử dụng.
- Active Mode - Chế độ hoạt động
- Modem Sleep Mode - Chế độ ngủ Modem
- Light Sleep Mode - Chế độ ngủ nhẹ
- Deep Sleep Mode - Chế độ ngủ sâu
- Hibernation Mode - Chế độ ngủ đông
Mỗi chế độ có các tính năng riêng biệt phụ thuộc vào các thành phần nào có thể hoạt động và khả năng tiết kiệm năng lượng riêng
Bảng 2.3 So sánh các chế độ hoạt động của Module ESP32
Hoạt động Active Modem sleep
CPU ON ON PAUSE OFF OFF
Bluetooth,Wifi,Radio ON OFF OFF OFF OFF
RTC, các ngoại vi ON ON ON ON OFF
ULP ON ON ON ON/OFF OFF
Dũng tiờu thụ 95-240mA 2-50mA 0,8mA 10-150àA 5àA n
Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý Module ESP32 n
CẢM BIẾN KHÍ GAS [9]
Cảm biến khí Gas là thiết bị quan trọng trong việc phát hiện rò rỉ gas, giúp ngăn chặn hỏa hoạn do các nguyên nhân như bình gas rò rỉ, van hỏng hoặc ống gas thủng Thiết bị này không chỉ phát hiện rò rỉ mà còn đo được mật độ gas rò rỉ, từ đó cho phép chúng ta thực hiện các biện pháp cảnh báo và ngăn chặn kịp thời.
2.2.2 Module cảm biến khí Gas MQ-2
Theo yêu cầu của đề tài, hệ thống giám sát và cảnh báo cho tòa nhà cần một cảm biến phát hiện khói bằng nồng độ khí, vì vậy cảm biến MQ-2 đã được nhóm lựa chọn làm cảm biến khí gas cho dự án.
Hình 2.4 Module cảm biến khí
Hình 2.1 Ký hiệu của Module cảm biến khí Gas MQ-2
- Điện áp hoạt động: 4.5 VDC ~ 5.0 VDC
- Phạm vi phát hiện: 300 ~ 10000 ppm
- Điện áp ngõ ra: 2.5 VDC ~ 4.0 VDC
- Năng lượng tiêu thụ khi nóng: ≤ 950 mW
Sơ đồ chân của Module cảm biến khói MQ-2: n
- Chân số 1: VCC Có chức năng cấp nguồn có cho Module cảm biến
- Chân số 2: GND Có chức năng nối đất cho Module cảm biến
- Chân số 3: Digital Out (DO) Có chức năng truyền dữ liệu phản hồi bằng tín hiệu số
- Chân số 4: Analog Out (AO) Có chức năng truyền dữ liệu phản hồi bằng tín hiệu analog
Độ nhạy với một số chất khí
Độ nhạy của Module cảm biến khí gas MQ-2 được tính theo công thức Rs/R0, với Rs là điện trở trong các loại khí khác nhau và R0 là điện trở của cảm biến khi tiếp xúc với 1000ppm khí Hydro Hình 2.9 minh họa độ nhạy của Module cảm biến khí gas MQ-2 đối với một số chất khí trong khoảng nồng độ từ 100 đến 10000ppm.
Hình 2.6 Độ nhạy của Module MQ-2 đối với một số loại khí
Khi nồng độ khí tăng, điện áp đầu ra tại chân A0 của cảm biến cũng tăng theo Tín hiệu tương tự này được xuất ra trực tiếp và gửi đến bộ so sánh LM393 để số hóa Bộ so sánh này hoạt động cùng với một biến trở để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.
Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến khí Gas MQ-2.
MODULE SIM 800L [12]
2.3.1 Giới thiệu về Module SIM 800L
Những hệ thống điều khiển từ xa thường gặp khó khăn trong việc giám sát và truyền dữ liệu từ cảm biến ở những khu vực không có Internet Để khắc phục vấn đề này, việc sử dụng tin nhắn điện thoại là giải pháp hiệu quả, vì nó không bị hạn chế bởi khoảng cách, có độ ổn định cao và chi phí thấp Do đó, nhóm đã quyết định lựa chọn Module SIM 800L cho dự án của mình.
Module SIM800L dùng để điều khiển thiết bị hoặc cảnh báo từ xa thông qua mạng di động như gọi điện, tin nhắn văn bản
Hình 2.8 Chức năng các chân của Module SIM 800L
- NET là chân kết nối với Ăng-ten bên ngoài
- VCC là chân cấp nguồn cho Module SIM 800L có mức điện áp từ 3.7V đến 4.2V
- Khe gắn SIM : Micro SIM
- RST (Reset) là chân dùng để reset Nối chân reset xuống mức thấp ở 100ms sẽ reset toàn bộ Module
- RxD (Receiver) Chân dùng để kết nối UART n
- TxD (Transmitter) Chân dùng để kết nối UART
- GND Chân nối Ground, chúng ta cần nối Ground chung với Arduino
RING pin hoạt động tương tự như chuông điện thoại, thường được sử dụng để ngắt ngoài (Interrupt) trên Arduino Mặc định, nó ở mức cao và sẽ kéo xuống mức thấp trong 120ms khi nhận cuộc gọi Bên cạnh đó, bạn cũng có thể điều chỉnh để xuất xung khi nhận tin nhắn SMS.
Chân DTR có chức năng kích hoạt hoặc hủy kích hoạt chế độ ngủ của Module Khi chân này được đặt ở mức CAO, Module sẽ chuyển sang trạng thái ngủ và tắt giao tiếp UART Ngược lại, khi kéo chân xuống mức THẤP, Module sẽ được đánh thức và hoạt động trở lại.
- MIC± là 2 kết nối microphone
- SPK± là 2 kết nối của loa
2.3.2 Đặc điểm kỹ thuật của Module SIM 800L
Hình 2.9 Module SIM 800L Hình 2.10 Ký hiệu Module SIM 800L
- Nguồn cấp: 3.7 VDC ~ 4.2 VDC nên dùng nguồn có dòng đủ 1.0 A để mạch hoạt động ổn định
- Khe gắn SIM : Micro SIM
- Dòng tiêu thụ ở chế độ chờ: 10 mA
- Dòng khi hoạt động: 100 mA đến 1 A
- Hỗ trợ 4 băng tần phổ biến
Một số chức năng của Module SIM 800L
- Gọi điện thoại, nhận cuộc gọi tới
- Gửi, nhận, đọc hay xóa tin nhắn
2.3.3 Khảo sát tập lệnh AT của Module SIM 800L
Tập lệnh AT (Attention command) là tiêu chuẩn lệnh được hầu hết các thiết bị di động như điện thoại và modem GSM hỗ trợ, cho phép gửi và nhận tin nhắn SMS (Short Message Service) cũng như điều khiển cuộc gọi.
Lệnh AT chủ yếu được sử dụng để cấu hình modem và thiết lập kết nối mạng, đồng thời cũng hỗ trợ truy cập thông tin và trạng thái hệ thống, điều này rất quan trọng cho việc xử lý sự cố và gỡ lỗi ứng dụng.
Một tập lệnh AT thường bao gồm những thành phần sau:
AT Kiểm tra Module có hoạt động không
ATEx Bật (x=1) hoặc tắt (x=0) chế độ phản hồi lệnh vừa gửi trước đó
Trả về READY OK nếu tìm thấy sim
Kiểm tra chất lượng sóng
+CSQ: xx,0 OK (xx là chất lượng sóng, tối đa là 31)
Kiểm tra tên nhà mạng
Trả về +COPS: 0,0,”Viettel” OK nếu nhận dạng được nhà mạng là Viettel
Trả về +COPS: 0 nếu không thấy nhà mạng
Bảng 2.5 Các lệnh cuộc gọi
ATD + [ số điện thoại] Gọi điện đến số điện thoại cài đặt
ATA Chấp nhận cuộc gọi đến
AT*101# Kiểm tra tài khoản
Bảng 2.6 Các lệnh nhắn tin
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ DỘ ẨM
AT+CMGF=x Cấu hình tin nhắn(x=0: DPU; x=1: dạng kí tự)
AT+CNMI=2,x,0,0 Chọn x=1 (chỉ báo vị trí lưu tin nhắn) hoặc x=2 (hiển thị ra ngay nội dung tin nhắn)
AT+CMGR=x Đọc tin nhắn tại vị trí lưu x
AT+CMGD=x Xóa tin nhắn được lưu tại vị trí x
AT+CMGS[số điện thoại] Gửi tin nhắn cho số điện thoại
2.4 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ VÀ DỘ ẨM
2.4.1 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
Cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm là thiết bị quan trọng giúp đo lường nhiệt độ và độ ẩm trong môi trường hiện tại Thiết bị này truyền dữ liệu về trung tâm xử lý, cho phép chúng ta theo dõi và hiển thị thông tin một cách hiệu quả.
2.4.2 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 [10]
Hình 2.11 Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11.
Hình 2.12 Ký hiệu Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cảm biến DHT11 bao gồm một phần tử cảm biến độ ẩm điện dung và một nhiệt điện trở để đo nhiệt độ Giá trị điện dung thay đổi theo nhiệt độ, và IC sẽ đo và xử lý các giá trị này Để đo nhiệt độ, cảm biến sử dụng một nhiệt điện trở có hệ số nhiệt độ âm, giúp giảm giá trị điện trở khi nhiệt độ tăng Để phát hiện những thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ, cảm biến thường được chế tạo từ gốm hoặc polyme bán dẫn.
Tín hiệu từ cảm biến được chuyển đổi thành định dạng kỹ thuật số và gửi đến vi điều khiển trong khung 40 bit, chứa thông tin về độ ẩm và nhiệt độ ghi lại bởi DHT11 Hai nhóm 8 bit đầu tiên đại diện cho độ ẩm, chiếm 16 bit quan trọng nhất của khung, trong khi hai nhóm 8 bit còn lại được sử dụng cho nhiệt độ, nghĩa là có hai byte cho độ ẩm và hai byte cho nhiệt độ.
Bảng 2.7 trình bày thông số kỹ thuật chi tiết của Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11, với độ ẩm có độ phân giải 1%RH, nằm trong khoảng từ Min đến Max theo tiêu chuẩn.
Phản hồi ±1%RH Độ chính xác 25 o C ±4%RH
Thời gian phản hồi (giây) 25 o C 6s 10s 15s Độ trễ 1%RH
Nhiệt độ Độ phân giải
Phản hồi ±1 o C Độ chính xác ±1 o C ±2 o C
Thời gian phản hồi (giây 1/e (63%) 6s 30s
Sơ đồ chân của Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11:
- Chân số 1: VCC Có chức năng cấp nguồn có cho Module cảm biến n
CẢM BIẾN CƯỜNG ĐỘ SÁNG
- Chân số 2: Data Đầu ra cả nhiệt độ và độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp
- Chân số 3: GND Có chức năng nối Ground cho Module cảm biến
Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Cách đọc dữ liệu Nhiệt độ và Độ ẩm từ Module cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
- Sử dụng thư viện “DHT.h”
- Sau khi khai báo và thiết lập giao tiếp cho Module DHT11, dùng hàm
“readHumidity()” để đọc dữ liệu độ ẩm và “readTemperature()” để đọc dữ liệu nhiệt độ float h = dht.readHumidity();
// Read temperature as Celsius (the default) float t = dht.readTemperature();
2.5 CẢM BIẾN CƯỜNG ĐỘ SÁNG
2.5.1 Khái niệm cường độ sáng và cảm biến cường độ sáng
Cường độ ánh sáng là một thông số để xác định năng lượng phát ra từ một nguồn sáng theo một hướng cố định
Lux là đơn vị đo cường độ của nguồn sáng cần thiết trên bề mặt có diện tích cụ thể
Cảm biến cường độ ánh sáng, thường được gọi là cảm biến ánh sáng, là thiết bị quang điện dùng để đo lường cường độ ánh sáng từ các nguồn sáng khác nhau.
Cảm biến cường độ ánh sáng là linh kiện thiết yếu trong việc điều chỉnh mức độ chiếu sáng của các thiết bị đèn, đồng thời hỗ trợ tính toán số lượng đèn phù hợp cho không gian sử dụng.
2.5.2 Module cảm biến cường độ sáng BH1750 [11]
Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 được sử dụng để đo cường độ ánh sáng thông qua giao tiếp I2C
Bên trong BH1750 có tích hợp một bộ ADC 16 bit
Hình 2.14 Module cảm biến cường độ sáng BH1750
Hình 2.15 Ký hiệu Module cảm biến cường độ sáng BH1750
Bảng 2.8 Thông số kỹ thuật cảm biến cường độ sáng BH1750
Ký hiệu Thông số Min
Max (tối đa) Đơn vị
1 Vcc Điện áp cung cấp 3 5 V
2 ICCA Dòng tiêu thụ 10 mA
3 ISDA Dòng hút SDA 7 mA
4 VAH Điện áp vào ADDR mức cao 0.7* Vcc
5 VAL Điện áp vào ADDR mức thấp
- Vcc: Nguồn cung cấp 3.3 VDC ~ 5.0 VDC
SCL là chân đầu vào/ra dữ liệu nối tiếp trong giao tiếp I2C, nơi chân SDA truyền dữ liệu Để hoạt động hiệu quả, chân SDA cần được kết nối với một điện trở kéo lên bên ngoài, với điện áp kéo lên có thể đạt tối đa 5.5V.
- SDA: Đầu vào nối tiếp SCL truyền xung Clock đầu vào sử dụng để đồng bộ hóa dữ liệu
- ADDR: Chân địa chỉ để lập trình
Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
Cách đọc dữ liệu cường độ ánh sáng từ Module cảm biến cường độ ánh sáng BH1750
- Sử dụng thư viện được thiết kế sẵn “BH1750.h”
After initializing the BH1750 light intensity sensor and establishing communication, use the function “lightMeter.readLightLevel()” to obtain the light intensity value Assign the reading to the variable float lux with the command: float lux = lightMeter.readLightLevel(true); then display the result using Serial.print("Light: ");.
Serial.print(lux); // In giá trị biến lux ra màn hình
LCD [15]
LCD có nhiều loại khác nhau, được phân loại theo kích thước từ vài ký tự đến hàng chục ký tự, với số lượng hàng từ một đến vài chục hàng Ví dụ, LCD 16x2 có 2 hàng và mỗi hàng chứa 16 ký tự, trong khi LCD 20x4 có 4 hàng với mỗi hàng chứa 20 ký tự.
Màn hình LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, cho phép hiển thị 2 dòng với 16 ký tự mỗi dòng Với độ bền cao, màn hình này rất phổ biến và dễ sử dụng, đặc biệt phù hợp cho những người mới bắt đầu nghiên cứu.
Hình 2.17 Màn hình LCD1602 Hình 2.18 Ký hiệu màn hình LCD1602 Bảng 2.9 Các chân của LCD
STT Tên tín hiệu I/O Chức năng tín hiệu
3 VO Điện áp Điều khiển ánh sáng nền
Trong 16 chân LCD được chia làm 3 dạng tín hiệu: n
- Các chân cấp nguồn: Chân số 1 là chân nối mass (0V), chân thứ 2 là Vdd nối với nguồn +5V Chân thứ 3 dùng để chỉnh contrast thường nối với biến trở
Chân điều khiển của mạch bao gồm chân số 4 (chân RS) dùng để lựa chọn thanh ghi, chân R/W để điều khiển quá trình đọc và ghi, và chân E cho phép tạo xung chốt.
- Các chân dữ liệu D7 – D0: Chân số 7 đến chân số 14 là 8 chân dùng để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị điều khiển và LCD
2.6.3 Địa chỉ ba vùng nhớ
Bộ điều khiển LCD được trang bị ba vùng nhớ nội, mỗi vùng đảm nhận một chức năng riêng biệt Để truy cập vào bất kỳ vùng nhớ nào, bộ điều khiển cần phải khởi động trước.
Bộ nhớ DDRAM (Display Data RAM) lưu trữ mã ký tự để hiển thị trên màn hình, với các mã này tham chiếu đến bitmap ký tự được lưu trong CGROM Các bitmap này có thể được định nghĩa sẵn hoặc do người sử dụng tự định nghĩa.
Bộ phát kí tự ROM – CGROM
Bộ phát kí tự ROM (CGROM) lưu trữ các kiểu bitmap cho từng kí tự được định nghĩa, cho phép LCD hiển thị theo bảng mã ASCII Mỗi mã kí tự được lưu trong DDRAM sẽ liên kết với vị trí tương ứng trong CGROM.
Bộ phát kí tự RAM – CGRAM
- Bộ phát kí tự RAM (Character Generator RAM: CG RAM) cung cấp vùng nhớ để tạo ra 8 kí tự tùy ý Mỗi kí tự gồm 5 cột và 8 hàng
2.7 MODULE CHUYỂN ĐỔI GIAO TIẾP I2C CHO LCD [15] Để sử dụng được LCD cần ít nhất 6 chân của vi điều khiển để kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5, D4 Bằng việc sử dụng Module chuyển đổi giao tiếp I2C, chỉ với 2 chân SDA và SCL đã có thể kết nối và giao tiếp thành công LCD với vi điều khiển giúp việc điều khiển dễ dàng hơn đồng thời tiết kiệm số chân của vi điều khiển n
Hình 2.19 Module chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD
Hình 2.20 Ký hiệu của mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD
- Điện áp hoạt động: 5.0 VDC
- Hỗ trợ màn hình: LCD1602, LCD2004
- Tích hợp jumper để cung cấp hoặc ngắt đèn cho LCD
- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý Module chuyển đổi giao tiếp I2C và LCD
Cách hiển thị thông tin lên LCD
Module chuyển đổi giao tiếp I2C giúp đơn giản hóa việc hiển thị thông tin lên LCD thông qua việc sử dụng các lệnh có sẵn trong thư viện.
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16,2); // Khai báo địa chỉ I2C n
Sau khi thiết lập kết nối giữa LCD và vi điều khiển, để hiển thị thông tin trên LCD, bạn chỉ cần sử dụng lệnh “lcd.print(“nội dung”)” Thư viện cung cấp nhiều lệnh hữu ích như: lcd.init(); để khởi tạo LCD, lcd.backlight(); để bật đèn nền, lcd.clear(); để xóa màn hình, lcd.print(a); để in biến a ra màn hình, lcd.setCursor(2,1); để đặt con trỏ tại vị trí cột 2 hàng 1, và lcd.print("System Start"); để in nội dung “System Start”.
2.8 MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 [13]
Hệ thống yêu cầu hoạt động trong thời gian thực, tự động bật và tắt theo thời gian cài đặt trước Nhóm đã chọn Module thời gian thực DS1307 vì kích thước nhỏ gọn và giá thành hợp lý, đáp ứng tốt các yêu cầu của hệ thống.
Hình 2.22 Module thời gian thực DS1307
Hình 2.23 Ký hiệu của Module thời gian thực DS1307
- Điện áp hoạt động: 3.3 VDC ~ 5.0 VDC
- Điện áp ngõ ra mức cao: 2.2 VDC ~ 5.5 VDC
- Điện áp ngõ ra mức thấp: 0.8 VDC
- Dũng khi ở chế độ chờ: 200 àA
- Tích hợp thạch anh 32768 kHz, điện trở kéo lên, tụ lọc nguồn
- Pin dự phòng duy trì thời gian khi mất điện n
Sơ đồ chân của Module thời gian thực DS1307
- DS: Chân này dùng để đọc tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhiệt độ DS18B20 nếu Module DS1307 có lắp đặt cảm biến nhiệt độ DS18B20
- SQW: Ngõ xuất ra xung vuông, tần số có thể lập trình để thay đổi từ 1Hz, 4kHz, 8 kHz, 32 kHz
- VBAT: Chân này được kết nối với cực dương pin Lithium 3V để chip vẫn hoạt động đếm thời gian khi mất nguồn
- SCL: Chân đầu vào xung clock nối tiếp (Serial clock), ngõ vào xung nhịp của giao thức I2C
- SDA: Chân dữ liệu nối tiếp (Serial data) là chân dữ liệu vào, ra của giao thức I2C
- VCC: Chân cấp nguồn chính 3.3 – 5V
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý Module thời gian thực DS1307
Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307 n
Hình 2.25 Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307
Module thời gian thực DS1307 bao gồm 7 thanh ghi (0x00 – 0x06) lưu trữ thông tin thời gian, 1 thanh ghi (0x06 – 0x07) để điều khiển xung ra tại chân SQW, cùng với thanh ghi RAM từ 0x08 đến 0x3F.
Hình 2.26 Các thanh ghi chứa thông tin thời gian
Bảng 2.10 Chức năng của các thanh ghi chứa thông tin trong Module DS1307 Tên thanh ghi Địa chỉ thanh ghi Chức năng
-Bit 0 – 6: chứa giá trị giây
-Bit 7 = 1 vô hiệu hóa bộ dao động trong DS1307 n
MINUTES 0x01 Chứa giá trị phút
-Bit 0 – 4: chứa giá trị đơn vị của giờ
-24h: Bit 4 – 5: chứa giá trị chục của giờ
-12h: Bit 4 chứa giá trị chục của giờ, bit 5 có kí hiệu là A/P
Bit 4: Chứa giá trị chục của giờ
DAY 0x03 Chứa giá trị thứ
DATE 0x04 Chứa giá trị ngày
MONTH 0x05 Chứa giá trị tháng
YEAR 0x06 Chứa giá trị năm
Bảng 2.11 Thanh ghi Control trong Module DS1307
BIT 7 BIT 6 BIT 5 BIT 4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0
- OUT (Output Control): lựa chọn mức logic xuất ra tại chân SQW/OUT khi chức năng SQW không được kích hoạt (SQWE=0)
- SQWE (Square Wave Enable): khi bit này bằng 1, cho phép tạo xung vuông trên chân SQW/OUT, tần số xung vuông được thiết lập bởi các bit RS0, RS1 n
Bảng 2.12 Tần số xung vuông trên chân SQW/OUT.
Cách sử dụng Module thời gian thực DS1307
- Cài đặt thư viện “RTClib.h”
- Thiết lập các kết nối, khởi tạo giao tiếp để Module hoạt động if (! rtc.begin()) {
Serial.println("Couldn't find RTC");
Serial.println("RTC is NOT running, let's set the time!");
} rtc.adjust(DateTime(F( DATE ), F( TIME )));
Sử dụng hàm "rtc.now()" để lấy dữ liệu thời gian hiện tại và hiển thị thông tin này trên màn hình LCD.
To display the current date and time using the RTC module, retrieve the current date and time with `rtc.now()`, and then print the day, month, year, hour, minute, and second to the LCD screen in decimal format.
Module 1 Relay 5VDC có kích thước nhỏ gọn, kết nối với vi điều khiển dễ dàng Trên Module có Opto và Transistor để cách ly dòng ngược về, giúp cách ly hoàn toàn n
28 mạch điều khiển với Relay Có thể đặt các mức hoạt động cao hoặc thấp bằng cách thiết lập jumper trên Module
Trên relay có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM
Chân COM (chân chung) luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại của relay Việc chân COM kết nối với chân nào phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay.
- NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây relay không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện)
- NO là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây relay được từ hóa (được cấp điện)
Ngoài ra, trên relay còn gồm 3 chân để kích thích, trong đó:
- Chân (+): Cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này
- Chân (-): Nối với cực âm
MODULE THỜI GIAN THỰC DS1307 [13]
Hệ thống yêu cầu hoạt động trong thời gian thực, tự động bật và tắt theo thời gian đã cài đặt Nhóm đã chọn Module thời gian thực DS1307 vì nó có kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý và đáp ứng tốt các yêu cầu của hệ thống.
Hình 2.22 Module thời gian thực DS1307
Hình 2.23 Ký hiệu của Module thời gian thực DS1307
- Điện áp hoạt động: 3.3 VDC ~ 5.0 VDC
- Điện áp ngõ ra mức cao: 2.2 VDC ~ 5.5 VDC
- Điện áp ngõ ra mức thấp: 0.8 VDC
- Dũng khi ở chế độ chờ: 200 àA
- Tích hợp thạch anh 32768 kHz, điện trở kéo lên, tụ lọc nguồn
- Pin dự phòng duy trì thời gian khi mất điện n
Sơ đồ chân của Module thời gian thực DS1307
- DS: Chân này dùng để đọc tín hiệu ngõ ra từ cảm biến nhiệt độ DS18B20 nếu Module DS1307 có lắp đặt cảm biến nhiệt độ DS18B20
- SQW: Ngõ xuất ra xung vuông, tần số có thể lập trình để thay đổi từ 1Hz, 4kHz, 8 kHz, 32 kHz
- VBAT: Chân này được kết nối với cực dương pin Lithium 3V để chip vẫn hoạt động đếm thời gian khi mất nguồn
- SCL: Chân đầu vào xung clock nối tiếp (Serial clock), ngõ vào xung nhịp của giao thức I2C
- SDA: Chân dữ liệu nối tiếp (Serial data) là chân dữ liệu vào, ra của giao thức I2C
- VCC: Chân cấp nguồn chính 3.3 – 5V
Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý Module thời gian thực DS1307
Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307 n
Hình 2.25 Các thanh ghi trong Module thời gian thực DS1307
Mô-đun thời gian thực DS1307 bao gồm 7 thanh ghi (0x00 – 0x06) lưu trữ thông tin về thời gian, 1 thanh ghi (0x06 – 0x07) dùng để điều khiển xung ra tại chân SQW, và thanh ghi RAM (0x08 – 0x3F).
Hình 2.26 Các thanh ghi chứa thông tin thời gian
Bảng 2.10 Chức năng của các thanh ghi chứa thông tin trong Module DS1307 Tên thanh ghi Địa chỉ thanh ghi Chức năng
-Bit 0 – 6: chứa giá trị giây
-Bit 7 = 1 vô hiệu hóa bộ dao động trong DS1307 n
MINUTES 0x01 Chứa giá trị phút
-Bit 0 – 4: chứa giá trị đơn vị của giờ
-24h: Bit 4 – 5: chứa giá trị chục của giờ
-12h: Bit 4 chứa giá trị chục của giờ, bit 5 có kí hiệu là A/P
Bit 4: Chứa giá trị chục của giờ
DAY 0x03 Chứa giá trị thứ
DATE 0x04 Chứa giá trị ngày
MONTH 0x05 Chứa giá trị tháng
YEAR 0x06 Chứa giá trị năm
Bảng 2.11 Thanh ghi Control trong Module DS1307
BIT 7 BIT 6 BIT 5 BIT 4 BIT 3 BIT 2 BIT 1 BIT 0
- OUT (Output Control): lựa chọn mức logic xuất ra tại chân SQW/OUT khi chức năng SQW không được kích hoạt (SQWE=0)
- SQWE (Square Wave Enable): khi bit này bằng 1, cho phép tạo xung vuông trên chân SQW/OUT, tần số xung vuông được thiết lập bởi các bit RS0, RS1 n
Bảng 2.12 Tần số xung vuông trên chân SQW/OUT.
Cách sử dụng Module thời gian thực DS1307
- Cài đặt thư viện “RTClib.h”
- Thiết lập các kết nối, khởi tạo giao tiếp để Module hoạt động if (! rtc.begin()) {
Serial.println("Couldn't find RTC");
Serial.println("RTC is NOT running, let's set the time!");
} rtc.adjust(DateTime(F( DATE ), F( TIME )));
Sử dụng hàm "rtc.now()" để lấy dữ liệu thời gian hiện tại và hiển thị thông tin này trên màn hình LCD.
To display the current date and time using an RTC module, retrieve the current date and time with `rtc.now()`, then print the day, month, year, hour, minute, and second to the LCD using the `lcd.print()` function for each respective value in decimal format.
MODULE RELAY [14]
Module 1 Relay 5VDC có kích thước nhỏ gọn, kết nối với vi điều khiển dễ dàng Trên Module có Opto và Transistor để cách ly dòng ngược về, giúp cách ly hoàn toàn n
28 mạch điều khiển với Relay Có thể đặt các mức hoạt động cao hoặc thấp bằng cách thiết lập jumper trên Module
Trên relay có 3 kí hiệu là: NO, NC và COM
Chân COM (chân chung) là chân luôn được kết nối với một trong hai chân còn lại của relay Việc chân COM kết nối với chân nào phụ thuộc vào trạng thái hoạt động của relay.
- NC là điểm thường đóng, chân COM/POLE được kết nối với NC khi cuộn dây relay không nhiễm từ (khi 2 đầu cuộn dây không được cấp điện)
- NO là điểm thường mở, COM/POLE được kết nối với NO khi cuộn dây relay được từ hóa (được cấp điện)
Ngoài ra, trên relay còn gồm 3 chân để kích thích, trong đó:
- Chân (+): Cấp hiệu điện thế kích tối ưu vào chân này
- Chân (-): Nối với cực âm
Chân S của module relay có vai trò quan trọng trong việc kích hoạt relay, tùy thuộc vào loại module được sử dụng Đối với module relay kích ở mức cao, việc cấp điện dương vào chân S sẽ kích hoạt relay, trong khi nếu không cấp điện, relay sẽ không hoạt động Tương tự, đối với module relay kích ở mức thấp, chân S cũng có chức năng tương tự trong việc điều khiển hoạt động của relay.
Hình 2.27 Module Relay Hình 2.28 Ký hiệu của
NHẬN DẠNG VÂN TAY VÀ MODULE CẢM BIẾN VÂN TAY AS608 29
Hình 2.29 Sơ đồ nguyên lý Module Relay
- Điện áp hoạt động: 5.0 VDC
- Dòng khi relay được kích: < 70 mA
- Điện thế đóng cắt tối đa: 250 VAC – 10 A hoặc 30 VDC – 10 A
- Module Relay có thể thay đổi mức kích hoạt động cao hoặc thấp bằng cách thiết lập jumper trên Module
2.10 NHẬN DẠNG VÂN TAY VÀ MODULE CẢM BIẾN VÂN TAY AS608 2.10.1 Giới thiệu sơ lược về vân tay và nhận dạng vân tay
2.10.1.1 Giới thiệu về sinh trắc vân tay Đầu thế kỷ 20, nhận dạng vân tay đã chính thức trở thành một phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và tiêu chuẩn trong pháp luật
Có 2 phương pháp lấy dấu vân tay:
- Cách thứ nhất là sao chép lại hình dạng vân tay ( lăn tay bằng mực) và xử lí
- Cách thứ hai là sử dụng thiết bị quét vân tay để nhận dạng vân tay
2.10.1.2 Nguyên lý nhận dạng vân tay
Khi đăng kí vân tay mới vào thư viện, hình ảnh vân tay sẽ được hệ thống xác nhận hai lần thông qua cảm biến quang học
Sau khi thu thập hình ảnh vân tay, hệ thống sẽ tiến hành tổng hợp dữ liệu để tạo ra một mẫu vân tay hoàn chỉnh Quá trình này bao gồm việc kết hợp hai vân tay từ hai lần quét khác nhau thành một mẫu duy nhất, sau đó lưu trữ mẫu này vào thư viện vân tay.
2.10.2 Các bước xử lý nhận dạng vân tay
Quá trình xử lý vân tay được chia làm 2 bước: Xử lý hình ảnh và so sánh vân tay
2.10.2.1 Quá trình xử lý hình ảnh n
Tăng cường ảnh (Image Enhancement)
Phân tích hình ảnh (Image Analysis)
Rút trích đặc trưng (Minutiae Extraction)
Hình 2.30 Sơ đồ quá trình xử lý hình ảnh
Mục đích của quá trình này là nâng cao chất lượng ảnh vân tay nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc rút trích các đặc trưng của vân tay Quá trình này được thực hiện thông qua các bước cụ thể.
Tăng cường ảnh là bước quan trọng trong quá trình xử lý vân tay, giúp làm rõ hình ảnh từ thiết bị đọc vân tay Các thiết bị này đôi khi thu được ảnh không đạt chất lượng do ngón tay bị bẩn, ẩm ướt hoặc lực ấn quá mạnh Việc cải thiện chất lượng ảnh giúp rút trích các đặc trưng của vân tay một cách chính xác và đầy đủ hơn.
Phân tích ảnh (Image Analysis): Thông qua phân tích ảnh, ảnh sẽ được loại bỏ đi các thông tin không cần thiết
Nhị phân hóa (Binarization) là quá trình chuyển đổi hình ảnh sang dạng trắng đen, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý ảnh Bước này có thể được thực hiện hoặc không, tùy thuộc vào thuật toán rút trích đặc trưng được áp dụng.
Làm mỏng (Thinning): Là quá trình làm mỏng các đường vân tay của ảnh
Rút trích đặc trưng( Minutiae Extraction ): Rút trích những đặc trưng cần thiết cho quá trình so sánh vân tay
2.10.2.2 Quá trình so sánh vân tay
Mục đích của quá trình so sánh vân tay là dựa trên các đặc trưng đã được rút trích từ bước trước Quá trình này được thực hiện theo sơ đồ đã được trình bày.
Phân tích đặc trưng (Minutiae Analysis)
Xét tương ứng cục bộ (Local Similarily)
Tính toán điểm trùng khớp (Calculate Matching Score)
Xét tương ứng toàn cục ( Global Similarily)
Hình 2.31 Sơ đồ quá trình so sánh vân tay
Phân tích đặc trưng (Minutiae Analysis): Phân tích các đặc điểm cần thiết của các đặc trưng để phục vụ cho quá trình so sánh vân tay n
Xét tương ứng cục bộ (Local Similarity) là thuật toán so sánh vân tay dựa vào thông tin cục bộ của đặc trưng vân tay như tọa độ (xy), hướng và góc tạo bởi tiếp tuyến của đường vân với trục ngang Thuật toán này giúp xác định các cặp đặc trưng giống nhau giữa hai vân tay.
Xét tương ứng toàn cục ( Global Similarily): Từ những khu vực cục bộ tương tự nhau, thuật toán sẽ tiếp tục mở rộng so sánh trên toàn cục
Tính toán điểm trùng khớp là quá trình xác định tỷ lệ tương đồng giữa các cặp đặc trưng, giúp đánh giá mức độ giống nhau của hình ảnh Giá trị thu được từ bước này cung cấp thông tin quan trọng về độ tương đồng giữa các bức ảnh.
2 vân tay là bao nhiêu
2.10.3 Module cảm biến vân tay AS608 [16]
AS608 là một module cảm biến vân tay, hỗ trợ giao tiếp qua UART TTL hoặc USB 1.1, cho phép kết nối với vi điều khiển hoặc máy tính thông qua mạch chuyển đổi USB-UART.
Hình 2.32 Module cảm biến vân tay AS608
Hình 2.33 Ký hiệu Module cảm biến vân tay AS608
- Điệp áp hoạt động: 3.3 VDC
- Dòng điện tiêu thụ: < 120mA
- Phương thức giao tiếp: UART
- Tỉ lệ chấp nhận sai (FAR):