Assignment nhom 4 gđ1

Hỗ trợ đề tài nghiên cứu về ESP12F để điều khiển 2 thiết bị phục vụ cho học tập và đời sống, nhằm giúp cho sinh viên nhập môn về IOT, tìm hiểu được về vi mạch điều khiển, vi mạch điện tử, hiểu về bản vẽ thiết kế điện tử

TRƯỜNG CAO ĐẰNG FPT POLYTECHNIC

BỘ MÔN: ĐIỆN-CƠ KHÍ

ASSIGNMENT THIẾT KẾ, THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN HAI THIẾT BỊ

TRONG TRANG TRẠI SỬ DỤNG IOT

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU ĐỀ TÀI 4

1.1 Tìm hiểu về bản vẽ thiết kế điện-điện tử 4

1.2 Các bước để hoàn thành một mạch in điện tử 9

1.3 Tìm hiểu về IoT 19

1.4 Lựa chọn phương án thiết kế 24

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ SẢN PHẨM 25

2.1 Sơ đồ khối 25

2.2 Sơ đồ nguyên lí 26

2.3 Nguyên lí hoạt động 27

2.4 Lựa chọn linh kiện 29

LỜI MỞ ĐẦU

Trong mọi ngành đời sống sản xuất hiện nay, công nghệ hiện đại không thểnào thiếu được các thiết bị điện và điện tử Các thiết bị này phổ biến ở khắp các hộgia đình, trong các thiết bị giải trí, trong nhà máy sản xuất và có thể nói là tất cả mọinơi có con người Chính vì vậy, ngành điện – điện tử có nhu cầu nhân lực lớn và sẽtiếp tục phát triển trong tương lai

Xã hội phát triển với nền tảng phát triển điện điện tử Điện có vai trò rất quantrọng và cần thiết đối với mọi hoạt động của đời sống hiện đại ngày nay Hay nói mộtcách dễ hình tượng hơn, không có điện thì không thể sản xuất, không thể sinh hoạt,buôn bán được Ngành điện rộng lớn đến mức người ta đã phân ra nhiều chuyênngành như ngành điện tử viễn thông, ngành điện lạnh, ngành điện điện tử Ngànhnào cũng có vai trò quan trọng cho sự hoạt động chung của toàn hệ thống điện

Như đã biết ngành điện công nghiệp tham gia giải quyết vấn đề truyền tải điện,phân phối điện trong một mạng lưới rộng lớn Thì ngành điện điện tử đảm nhiệmvai trò khai thác và sử dụng nguồn điện theo mục đích cụ thể hơn Nhà máy cần điềukhiển một loạt công tắc đóng mở theo yêu cầu, hệ thống máy cần thay đổi tốc độ liêntục theo từng quy trình sản xuất, thang máy cần có sự tác động của hệ thống điện vàđiện tử để hoạt động trơn tru, các bóng điện cần tắt mở tự động là một vài ví dụ dễhình dung mà ngành điện điện từ tham gia giải quyết

Xây dựng nên các hệ thống điều khiển tự động bằng tín hiệu điện, và điềukhiển dòng điện đến các thiết bị là công việc của ngành điện điện tử Và xây dựngđược một hệ thống điều khiển tự động bằng tín hiệu điện để điều khiển hầu hết mọithiết bị là cơ sở cho hiện đại hóa nhà máy, hiện đại hóa đời sống, và hiện đại hóa nềncông nghiệp

Đặc điểm chung nhất của ngành điện, điện tử là xây dựng hệ thống điều khiển

tự động bằng tín hiệu điện; và kiểm soát các thông số điện đến máy móc một cách tựđộng Liên quan đến việc điều khiển đến tín hiệu điện thì luôn liên quan đến cácmạch điện tử Mạch điện tử là phần chính để của một hệ thống điều khiển bằng tínhiệu điện Vì vậy cho nên khi đã làm ở ngành điện điện tử thì phải am hiểu về kỹnăng sáng tạo, tư duy để vẽ ra, sản xuất ra được các mạch điện tử để sản xuất sảnphẩm điện tử Việc thiết kế mạch điện-điện tử là một công đoạn không thể thiếutrong quá trình thi công các sản phẩm điện tử, các mạch điện dân dụng, công nghiệp.Trong quá trình thực hiện đề tài chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giáoDương Tất Thành đã hỗ trợ tận tình chúng em hoàn thành đề tài này

Do khả năng kiến thức còn hạn chế, việc thực hiện đề tài chắc chắn sẽ khôngtránh được những thiếu sót, nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến củathầy và các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU ĐỀ TÀI

1.1 Tìm hiểu về bản vẽ thiết kế điện-điện tử

1.1.1 Tổng quan về thiết kế bản vẽ điện-điện tử

Bản vẽ thiết kế mạch điện-điện tử là một công cụ quan trọng trong việc hiểu vàxây dựng các mạch điện

Khái niệm chung về bản vẽ thiết kế điện: Bản vẽ thiết kế điện-điện tử (hay còngọi là sơ đồ mạch điện-điện tử) là biểu diễn dưới dạng đồ họa của một mạch, hiển thị cácmối liên kết giữa các phần tử mạch Bản vẽ này không nhất thiết phải tương ứng với sựsắp xếp vật lý trong mạch thực tế

1.1.2 Các tiêu chuẩn của bản vẽ điện-điện tử

Có một số tiêu chuẩn quan trọng khi thiết kế ra một bản vẽ điện-điện tử cần tuânthủ

 Dễ đọc : Bản vẽ phải được thiết kế theo tiêu chuẩn kỹ thuật, giúp đội ngũ thi công thực hiện chính xác từng chi tiết Các kí hiệu dùng trong bản vẽ phải đúngtheo ngôn ngữ, kí hiệu kỹ thuật

 Bố trí linh kiện : Các linh kiện cần được bố trí trên bản vẽ một cách khoa học

học công nghệ, chế tạo sản xuất công nghiệp và phục vụ đời sống Tầm quan trọng của nóđược thể hiện như sau :

 Tối ưu hóa hiệu suất :

Thiết kế mạch điện tử giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử Thiết kếmạch điện tử đảm bảo rằng các thành phần và linh kiện được kết hợp để đáp ứng các yêucầu chức năng và hiệu suất của thiết bị Điều này bao gồm việc đảm bảo các linh kiệnhoạt động chính xác với các thông số kỹ thuật được đề xuất và đồng thời đáp ứng yêu cầumôi trường làm việc

 Độ tin cậy và ổn định :

Mạch điện tử cần được thiết kế để đảm bảo độ tin cậy và ổn định trong điềukiện hoạt động đa dạng Điều này bao gồm kiểm soát nhiệt độ, ổn định điện áp, và khảnăng chịu được dao động và thay đổi trong môi trường hoạt động

 Tương thích :

Thiết kế mạch điện tử cần phải đảm bảo tương thích với các chuẩn và giao thức

kỹ thuật, như Bluetooth, Wi-Fi, hay các giao thức khác tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể

 Chuẩn hóa và tiêu chuẩn :

Thiết kế mạch điện tử cần tuân thủ các tiêu chuẩn và quy định ngành để đảm bảotính tương thích, an toàn và hiệu suất của thiết bị

 Thử nghiệm và kiểm tra :

Thiết kế mạch điện tử cần đi kèm với quá trình thử nghiệm và kiểm tra kỹ lưỡng

để đảm bảo rằng thiết bị hoạt động đúng cách và tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng

Tóm lại, việc thiết kế mạch điện tử không chỉ tập trung vào việc kết hợp các linhkiện điện tử mà còn bao gồm việc đáp ứng yêu cầu chức năng, hiệu suất, an toàn và tínhtương thích của thiết bị trong môi trường hoạt động cụ thể

1.1.4 Tầm quan trọng của bản vẽ thiết kế mạch điện-điện tử

Bản vẽ thiết kế mạch điện-điện tử đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình phát triển và sản xuất các thiết bị điện tử Dưới đây là một số tầm quan trọng của bản vẽ thiết kế mạch điện-điện tử :

 Hướng dẫn sản xuất :

Bản vẽ thiết kế mạch điện-điện tử cung cấp thông tin chi tiết về cách lắp ráp vàkết nối các linh kiện điện tử trên một bảng mạch in Nó là bản thiết kế căn bản đểdẫn dắt quá trình sản xuất

 Chất lượng và độ chính xác :

Bản vẽ cung cấp mô tả chính xác về vị trí, kích thước và liên kết của các linhkiện trên mạch in, đảm bảo rằng mọi thứ sẽ được sản xuất chính xác để đáp ứngyêu cầu kỹ thuật và chất lượng

 Tối ưu hóa thiết kế :

Nó cung cấp cơ sở cho việc tối ưu hóa về cả hiệu suất và chi phí Bằng cách phân bố các linh kiện một cách hợp lý, thiết kế có thể được tối ưu hóa để tiết kiệm khônggian và giảm thiểu độ phức tạp của mạch

 Tiêu chuẩn hóa và chuẩn hóa :

Bản vẽ thiết kế cũng cung cấp thông tin về việc tuân thủ các tiêu chuẩn ngành,giao thức kỹ thuật và yêu cầu pháp lý Nó giúp đảm bảo rằng thiết kế tuân thủ cácchuẩn mực quan trọng để đảm bảo tính tương thích và an toàn

 Tài liệu hướng dẫn và sửa chữa :

Bản vẽ cũng có thể được sử dụng như một tài liệu hướng dẫn sửa chữa hoặcbảo trì sau khi sản xuất Nó cung cấp thông tin về cấu trúc và cách kết nối củamạch để hỗ trợ việc xử lý sự cố và bảo trì

 Đánh giá và cải tiến :

Sau khi mạch điện tử đã được kiểm tra và xác nhận chức năng, nó sẽ được đánh giá và cải tiến nếu cần thiết

 Chia sẻ thông tin :

Bản vẽ thiết kế là một công cụ quan trọng để chia sẻ thông tin giữa các thànhviên trong nhóm thiết kế, kỹ sư, nhà sản xuất và người dùng cuối Nó đảm bảorằng mọi người đều hiểu rõ về cấu trúc và hoạt động của mạch điện-điện tử

Tóm lại, bản vẽ thiết kế mạch điện-điện tử không chỉ là một tài liệu mô tả mạch, mà còn

là một công cụ quan trọng hỗ trợ việc sản xuất, bảo trì và chia sẻ thông tin trong quá trìnhphát triển và sử dụng thiết bị điện tử

1.2 Các bước để hoàn thành một mạch in điện tử

1.2.1 Vẽ sơ đồ nguyên lý

Vẽ sơ đồ nguyên lý (schematic diagram) là một phần quan trọng trong quá trìnhthiết kế mạch điện tử vì nó mang lại nhiều lợi ích và thông tin quan trọng Dưới đây làmột số tầm quan trọng của việc vẽ sơ đồ nguyên lý trong thiết kế mạch điện tử :

 Hiểu rõ cấu trúc mạch :

Sơ đồ nguyên lý cung cấp cái nhìn toàn cảnh về cấu trúc của mạch điện tử, giúp

kỹ sư và nhà thiết kế hiểu rõ về cách các thành phần tương tác và kết nối với nhau

 Giao tiếp trong nhóm :

Sơ đồ nguyên lý là công cụ giao tiếp hiệu quả giữa các thành viên trong nhóm thiết kế Nó giúp đảm bảo mọi người có cùng hiểu biết về cấu trúc mạch và ý đồ thiết kế

 Xác định lỗi và sửa chữa :

Khi xảy ra sự cố hoặc lỗi, sơ đồ nguyên lý giúp kỹ sư dễ dàng xác định vị trí của lỗi và thực hiện các bước sửa chữa cần thiết

 Đối chiếu với thông số kỹ thuật :

Sơ đồ nguyên lý là công cụ quan trọng để đối chiếu với các thông số kỹ thuật của linh kiện và mạch, đảm bảo rằng thiết kế tuân thủ các yêu cầu và quy định

 Tạo nền tảng cho bản vẽ mạch in ( PCB ) :

Khi thiết kế mạch điện tử được chấp nhận, sơ đồ nguyên lý thường được sử dụng làm cơ sở để tạo bản vẽ mạch in Sơ đồ nguyên lý giúp xác định vị trí của các linh kiệntrên PCB

 Kiểm thử và đánh giá hiệu suất :

Sơ đồ nguyên lý là cơ sở cho việc kiểm tra và đánh giá hiệu suất của mạch Nó giúp xác định cách mà các tín hiệu và dữ liệu chuyển động trong mạch

 Duy trì và bảo trì :

Sơ đồ nguyên lý cung cấp thông tin quan trọng cho việc duy trì và bảo trì mạch sau khi nó đã được sản xuất và triển khai

Để vẽ được sơ đồ nguyên lý ta cần có quy trình sau :

o Bước 1 : Lên ý tưởng thiết kế

o Bước 2 : Liệt kê các linh kiện cần sử dụng

o Bước 3 : Tìm hiểu thông số linh kiện

o Bước 4 : Mô phỏng kiểm tra họat động

o Bước 5 : Thiết kế mạch nguyên lý

Hình 1.1 Các linh kiện được lắp ráp để test sơ đồ nguyên lý

Hình 1.2 Một mạch sơ đồ nguyên lý đã được thiết kế hoàn chỉnh

1.2.2 Vẽ mạch in ( PCB )

Thiết kế mạch in (Printed Circuit Board - PCB) đóng vai trò quan trọng trong quátrình phát triển và sản xuất thiết bị điện tử Dưới đây là một số vai trò quan trọng của thiết

kế PCB :

 Kết nối và điều chỉnh linh kiện :

Thiết kế PCB xác định vị trí và kết nối giữa các linh kiện trên một bảng mạch Điều này bao gồm cả việc đặt và điều chỉnh kích thước, hình dạng của các pad (điểm đặtlinh kiện) và việc tạo ra đường dẫn để kết nối chúng

 Tối ưu hóa vùng bố trí :

PCB được thiết kế để tối ưu hóa về chi phí, không gian, và hiệu suất Các linh kiện được sắp xếp sao cho tối ưu nhất, giảm thiểu độ dài và số lượng của các dẫn truyềntín hiệu, đồng thời giữ cho bảng mạch có kích thước và hình dạng phù hợp

 Quản lý nhiệt độ và hiệu năng :

Thiết kế PCB cũng liên quan đến quản lý nhiệt độ, đảm bảo rằng các linh kiện không quá nóng và tối đa hóa hiệu suất của mạch Việc thiết kế các lớp và đường dẫn cóthể giúp kiểm soát và phân tán nhiệt độ hiệu quả

 Chia vùng và lớp mạch :

PCB có thể được chia thành các vùng riêng biệt để phục vụ các mục đích cụ thể như chức năng, tín hiệu, hoặc nguồn cung cấp điện Các lớp mạch cũng được thiết kế đểđáp ứng yêu cầu đặc biệt của từng mảng linh kiện

 Đảm bảo an toàn và tin cậy :

Thiết kế PCB cần tuân thủ các nguyên tắc an toàn và đảm bảo rằng không có rủi

ro về nguy cơ cháy nổ, chập điện, hay tương tác xấu giữa các linh kiện

 Tích hợp và tương thích :

PCB phải được thiết kế để tích hợp và tương thích với các linh kiện, chuẩn giao thức, và các yêu cầu cụ thể của ứng dụng Việc này đặc biệt quan trọng trong môi trườngđiện tử ngày càng phức tạp và đa dạng

 Tiện lợi cho quá trình sản xuất :

Thiết kế PCB cũng cần tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sản xuất hàng loạt Các bản vẽ PCB cung cấp thông tin chi tiết về cách lắp ráp và kiểm tra chất lượng.

Các bước để hoàn thành một mạch in PCB :

o Bước 1 : Kiểm tra kích thước hình dạng

o Bước 2 : Thiết kế layout

o Bước 3 : Tạo file Gerber

o Bước 4 : Gia công, lắp ráp

o Bước 5 : Kiểm tra hoạt động của mạch

Hình 1.3 Một mạch in PCB cơ bản

Hình 1.4 Quá trình thiết kế mạch in PCB

1.2.3 Bản mạch

Sau khi chúng ta đã có được bản vẽ sơ đồ nguyên lý và đã được xuất ra mạch in, chúng ta sẽ gửi file đó cho nhà máy có thể sản xuất bản mạch để hoàn thiện sản phẩm củachúng ta Quá trình tạo ra bản mạch in (PCB) từ nhà máy có vai trò quan trọng trong việcđảm bảo chất lượng, hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị điện tử Dưới đây là một số yếu tốquan trọng liên quan đến quá trình sản xuất PCB :

 Chất lượng và độ chính xác :

Quá trình sản xuất PCB cần phải tuân thủ các quy trình chất lượng và đảm bảo độ chính xác trong việc sản xuất các chi tiết như đường dẫn, pad và lớp mạch Điều nàyđảm bảo rằng PCB đáp ứng đúng các yêu cầu kỹ thuật

 Vật liệu PCB :

Sự chọn lựa vật liệu cho PCB và cách chúng được xử lý trong quá trình sản xuất đều ảnh hưởng đến hiệu suất và độ bền của bản mạch Quá trình lựa chọn vật liệu và giacông cần được thực hiện một cách cẩn thận

 Tạo bản mạch in :

Quá trình tạo bản mạch in yêu cầu sự chính xác cao để tái tạo chính xác các đường dẫn, pad và lớp mạch từ bản thiết kế Các phương pháp như in, áp dụng chất phủ và etsingđược sử dụng để tạo ra các chi tiết này

 Kiểm tra và thử nghiệm :

PCB sau khi được sản xuất cần phải trải qua các quy trình kiểm tra và thử nghiệm

để đảm bảo rằng không có lỗi nào xuất hiện và mọi thành phần hoạt động đúng như kỳvọng

 Chế tác linh kiện :

Các linh kiện thường được lắp đặt lên PCB thông qua quá trình chế tác linh kiện Quá trình này yêu cầu sự chính xác trong việc đặt và hàn linh kiện lên bản mạch

 Chất lượng và nguồn cung :

Quá trình tạo ra PCB cũng phụ thuộc vào chất lượng nguồn cung vật liệu và linh kiện

Hình 1.5 Một robot đang trong quá trình chế tạo mạch in

Hình 1.6 Quá trình xem và sửa chữa lại bản mạch in

1.2.4 Lắp ráp hoàn thành

Khi đã có được một bản mạch in PCB đã đúng với yêu cầu thiết kế và chuẩnvới sơ đồ nguyên lý thì đến bước cuói cùng để chúng ta hoàn thành mạch của mình đểchính là lắp ráp linh kiện Nó có vai trò quan trọng như :

 Kết nối linh kiện :

Quá trình lắp ráp cung cấp cơ hội để kết nối các linh kiện với bảng mạch, đảm bảo rằng mỗi linh kiện được đặt đúng vị trí và được chấp nhận vào bảng mạch một cáchchính xác

 Đảm bảo sự chính xác và độ tin cậy :

Lắp ráp linh kiện một cách chính xác là quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của mạch điện tử Các linh kiện cần được đặt và hàn một cách chính xác để tránh lỗi và sự cốsau này

 Kiểm tra chất lượng :

Quá trình lắp ráp thường bao gồm việc kiểm tra chất lượng ngay tại quá trình sản xuất Các nhà máy thường sử dụng các công cụ và kỹ thuật kiểm tra để đảm bảo rằng mỗilinh kiện được đặt đúng và chúng hoạt động đúng cách

 Chế tác bảo hành và sửa chữa :

Việc lắp ráp cũng cung cấp thông tin quan trọng cho quá trình bảo hành và sửa chữa sau khi sản xuất Khi cần thiết, quá trình lắp ráp đơn giản hóa việc thay thế và bảo trìlinh kiện

 An toàn và tuân thủ quy chuẩn :

Lắp ráp cần phải được thực hiện với sự chú ý đặc biệt đến các quy định an toàn

và tiêu chuẩn ngành Việc tuân thủ các tiêu chuẩn là quan trọng để đảm bảo an toàn vàhiệu suất của thiết bị điện tử

Hình 1.7 Quá trình lắp ráp linh kiện bởi bàn tay con người

Hình 1.8 Quá trình lắp ráp linh kiện bởi con người

1.3 Tìm hiểu về IoT

1.3.1 Khái niệm

IoT, viết tắt của Internet of Things trong tiếng Anh, tạm dịch là Internet Vạn Vật.Đây là một hệ thống mạng lưới của các đối tượng vật lý, thiết bị điện tử, cảm biến, phầnmềm và các thành phần khác được kết nối với nhau thông qua mạng internet IoT đề cậpđến mạng lưới tập hợp các thiết bị thông minh và công nghệ tạo điều kiện thuận lợi chohoạt động giao tiếp giữa thiết bị và đám mây cũng như giữa các thiết bị với nhau Nhờ sự

ra đời của chip máy tính giá rẻ và công nghệ viễn thông băng thông cao, ngày nay, chúng

ta có hàng tỷ thiết bị được kết nối với internet

Để truyền dữ liệu, IoT sử dụng các phương tiện kết nối như Wi-Fi, Bluetooth,

Zigbee, LoRa, NB-IoT, và các mạng di động

 Trung tâm dữ liệu ( Data center ) :

Dữ liệu được gửi từ thiết bị IoT được thu thập và xử lý tại các trung tâm dữ liệu để tạo ra thông tin có ý nghĩa

1.3.3 Hoạt động

 Thu thập dữ liệu ( Data collection ) :

Thiết bị IoT thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh hoặc từ người dùng

 Gửi dữ liệu ( Data Transmission ) :

Dữ liệu được thu thập từ các cảm biến/thiết bị sau đó được gửi đến đám mây thôngqua các phương thức kết nối như mạng di động, Wifi, vệ tinh, Bluetooth, kết nối trực tiếpinternet qua Ethernet

 Xử Lý Dữ Liệu (Data Processing) :