Bằng cách sử dụng các cảm biến và linh kiện điện tử tiên tiến, mạch này sẽ cung cấp dữ liệu chính xác và liên tục, giúp lái xe có cái nhìn toàn diện hơn về điều kiện môi trường.Ngày nay,
T ng quan tình hình nghiên c u trong v ngo i n ổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ứu trong và ngoài nước ài ài ước c
Tình hình nghiên cứu trong nước
Đối với đề tài nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ và độ ẩm trên ô tô hiện nay đã có nhiều sản phẩm về đề tài này có thể kể đến như:
Đề tài “thiết kế và thi công thiết bị giám sát nhiệt độ, độ ẩm và điều khiển thiết bị thông minh tự động từ xa” do sinh viên
Trường Đại Học Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông Việt – Hàn thực hiện Đề tài này chủ yếu nghiên cứu tập trung vào chế tạo thiết bị có khả năng theo dõi dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm của môi trường, đồng thời có khả năng gởi kết quả qua điện thoại thông qua internet và điều khiển các thiết bị ngoại vi thông qua trợ lý ảo[1].
Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay trên thế giới đã có một số đề tài tương tự, có thể kể đến như:
Đề tài “thiết kế phát triển hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm” của tác giả Rushikesh Sonawane đăng trên tạp chí
Agricultural Science Digest, Volume 39 Issue 2 (April-June
2019)[2] Đề tài này chủ yếu nghiên cứu và xây dựng một thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm dùng trong nông nghiệp với chi phí thấp Thiết bị này được trang bị mạch xử lí trung tâm arduino UNO R3 Cảm biến DHT – 11 sẽ đọc dữ liệu về độ ẩm và nhiệt độ và gởi về mạch xử lý trung tâm arduino UNO R3 Sau đó sẽ xuất dữ liệu sang màn hình LCD 16 x 2 giao tiếp I2C.
1.3 Mục tiêu nghiên cứuc tiêu nghiên cứu trong và ngoài nướcu
Tìm hiểu về hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm trên ô tô.
Tìm hiểu về ESP – 32, cảm biến DHT – 11, màn hình Oled, IoTs,
Tìm hiểu các thuật toán, phần mềm có liên quan đến đề tài để phục vụ nghiên cứu.
Thiết kế và chế tạo mạch đo nhiệt độ và độ ẩm có khả năng hiển thị dữ liệu cho người dùng nắm bắt được các thông số về nhiệt độ và độ ẩm trong xe.
Kiểm tra đánh giá tính ứng dụng của đề tài.
1.4 Phạm vi nghiên cứum vi nghiên cứu trong và ngoài nướcu
Nghiên cứu về phần mềm, các thiết bị ngoại vi và cảm biến, lắp ráp mạch điều khiển phục vụ cho việc chế tạo ra mạch đo nhiệt độ và độ ẩm trên ô tô Mạch có khả năng đo được nhiệt độ và độ ẩm của môi trường và hiện thị ra cho người sử dụng đọc được Mạch có thiết kế module và có khả năng tùy biến phục vụ nhu cầu người dùng cũng như khả năng phát triển cho các đề tài sau này.
1.5 Phương pháp nghiên cứung pháp nghiên cứu trong và ngoài nướcu
Trong đề tài này em đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng Internet
Phương pháp quan sát: Khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet
Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết hợp với sự hướng dẫn từ các trang điện tử trên Youtube, Internet, em đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUANNG 2: CƠNG 1: TỔNG QUAN SỞ LÝ THUYẾT LÝ THUYẾTT
2.1 Các linh kiện chínhn chính
Pin 18650 là pin có đường kính 180 mm, chiều dài 650 mm là loại pin có hiệu điện thế 3.7 VDC đến 4.2 VDC, với dung lượng pin 3500 mAh Có chức năng là cung cấp nguồn cho hệ thống
2.1.2 Khối điều khiển ESP - 32 – WROOM – 32D
Hình 2-2: Khối điều khiển ESP - 32 – WROOM – 32D [3]
ESP - 32 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có hỗ trợ WiFi và dual-mode Bluetooth Dòng ESP - 32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ở cả hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm các công tắc antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.
Mạch ESP - 32 là một nền tảng phần cứng mạnh mẽ được thiết kế cho Internet of Things (IoT) và các ứng dụng nhúng Dưới đây là một số điểm quan trọng và ứng dụng của mạch ESP - 32:
Mạnh mẽ và linh hoạt: ESP - 32 có CPU xử lý hai nhân tốc độ cao và tích hợp nhiều tính năng như Wi-Fi, Bluetooth, GPIOs (General Purpose Input/Output), SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter- Integrated Circuit), UART (Universal Asynchronous Receiver- Transmitter), ADC (Analog to Digital Converter), DAC (Digital to Analog Converter), và nhiều tính năng khác
Kết nối không dây: ESP - 32 hỗ trợ kết nối Wi-Fi và Bluetooth,cho phép thiết lập kết nối không dây với các thiết bị khác hoặc truy cập vào mạng Internet Điều này rất hữu ích cho các ứng dụng IoT, nơi kết nối trực tuyến là cần thiết
Tiết kiệm năng lượng: ESP - 32 được thiết kế để tiêu thụ ít năng lượng, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho các thiết bị di động hoặc các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng
Phát triển dễ dàng: ESP - 32 được hỗ trợ bởi một cộng đồng lớn, có nhiều tài liệu, ví dụ và các thư viện phần mềm sẵn có Điều này làm cho việc phát triển các ứng dụng dựa trên ESP - 32 trở nên dễ dàng hơn Ứng dụng IoT: Với khả năng kết nối không dây và tích hợp nhiều giao tiếp như Wi-Fi và Bluetooth, ESP - 32 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT như kiểm soát nhà thông minh, giám sát môi trường, theo dõi vị trí, cảm biến thông minh, và nhiều ứng dụng khác Điều khiển và tự động hóa: ESP - 32 có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử thông qua các giao thức như Wi-Fi hoặc Bluetooth, làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho các hệ thống điều khiển và tự động hóa
Phát triển sản phẩm thương mại: Với chi phí thấp và khả năng linh hoạt, ESP - 32 là một nền tảng phổ biến cho việc phát triển các sản phẩm thương mại trong lĩnh vực IoT và các thiết bị nhúng khác
Tóm lại, ESP - 32 là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt cho việc phát triển các ứng dụng IoT và các ứng dụng nhúng khác, với khả năng kết nối không dây, tiết kiệm năng lượng và sự hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng phát triển.
Các loại cảm biến tích hợp:
Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau
Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây
Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE (Bluetooth low energy)
Số cổng GPIOs (General Purpose Input Output – chân tín hiệu kỹ thuật số mà vừa có thể là chân đầu vào hoặc chân đầu ra phụ thuộc vào chương trình): 34 cổng
8 – bit DACs (digital to analog): 2 cổng.
Chân giao tiếp I2C (SCL, SDA): 2 cổng gồm chân G21 và G22.
Giao tiếp UART (giao tiếp nối tiếp): 3 cổng (UART0, UART1, UART2) với tốc độ lên đến 5 Mbps.
Giao tiếp SPI: 3 cổng (1 cổng cho chip Flash).
SD card/SDIO/MMC host controller
Bộ điều khiển hồng ngoại từ xa (TX/RX, lên đến 8 kênh)
Băm xung PWM: tất cả các chân.
Bộ tiền khuếch đại analog công suất cực thấp (Ultra low power analog pre-amplifier)
Chân cấp nguồn: ESP - 32 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng micro USB hoặc cấp nguồn ngoài vào chân Vin và chân GND với điện áp 5VDC
3,3V: chân nguồn ra để cấp vào một số thiết bị ngoại vi sử dụng nguồn 3,3VDC.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho ESP - 32, khi nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân EN (RESET) được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
BOOT: dùng để nạp chương trình Khi chúng ta biên dịch chương trình thành công, chúng ta nhấn upload chương trình trên phần mềm Arduino IDE để nạp chương trình vào ESP - 32 thì đèn trên mạch ESP - 32 nhấp nháy, sau đó chúng ta ấn giữ nút Boot thì ESP - 32 mới nhận được chương trình được nạp từ máy tính.
Bảng 2-1: Thông số cơ bản của mạch ESP – 32
Vi điều khiển Bộ vi xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn)
32-bit LX6 Điện áp nguồn USB 5 VDC Điện áp hoạt động 2,2 DCV – 3,6 VDC
Tần số hoạt động 240 MHz
Nhiệt độ hoạt động - 40 – 85 độ C
Chip giao tiếp USB – Serial CP – 2102
Wifi 802.11 B/g/n/E/I (802.11N @ 2.4 GHz lên đến 150 Mbit/S)
Bluetooth 4.2 BR/EDR BLE 2 chế độ điều khiển
Dòng tối đa trên mỗi chân GPIOs 40 mA
Công suất tiêu thụ 5 μAA
2.1.3 Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT – 11
Các linh ki n chính ện chính
Khối nguồn
Pin 18650 là pin có đường kính 180 mm, chiều dài 650 mm là loại pin có hiệu điện thế 3.7 VDC đến 4.2 VDC, với dung lượng pin 3500 mAh Có chức năng là cung cấp nguồn cho hệ thống.
Khối điều khiển ESP - 32 – WROOM – 32D
Hình 2-2: Khối điều khiển ESP - 32 – WROOM – 32D [3]
ESP - 32 là một series các vi điều khiển trên một vi mạch giá rẻ, năng lượng thấp có hỗ trợ WiFi và dual-mode Bluetooth Dòng ESP - 32 sử dụng bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 ở cả hai biến thể lõi kép và lõi đơn, và bao gồm các công tắc antenna tích hợp, RF balun, bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, bộ lọc và module quản lý năng lượng.
Mạch ESP - 32 là một nền tảng phần cứng mạnh mẽ được thiết kế cho Internet of Things (IoT) và các ứng dụng nhúng Dưới đây là một số điểm quan trọng và ứng dụng của mạch ESP - 32:
Mạnh mẽ và linh hoạt: ESP - 32 có CPU xử lý hai nhân tốc độ cao và tích hợp nhiều tính năng như Wi-Fi, Bluetooth, GPIOs (General Purpose Input/Output), SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter- Integrated Circuit), UART (Universal Asynchronous Receiver- Transmitter), ADC (Analog to Digital Converter), DAC (Digital to Analog Converter), và nhiều tính năng khác
Kết nối không dây: ESP - 32 hỗ trợ kết nối Wi-Fi và Bluetooth,cho phép thiết lập kết nối không dây với các thiết bị khác hoặc truy cập vào mạng Internet Điều này rất hữu ích cho các ứng dụng IoT, nơi kết nối trực tuyến là cần thiết
Tiết kiệm năng lượng: ESP - 32 được thiết kế để tiêu thụ ít năng lượng, điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho các thiết bị di động hoặc các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm năng lượng
Phát triển dễ dàng: ESP - 32 được hỗ trợ bởi một cộng đồng lớn, có nhiều tài liệu, ví dụ và các thư viện phần mềm sẵn có Điều này làm cho việc phát triển các ứng dụng dựa trên ESP - 32 trở nên dễ dàng hơn Ứng dụng IoT: Với khả năng kết nối không dây và tích hợp nhiều giao tiếp như Wi-Fi và Bluetooth, ESP - 32 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng IoT như kiểm soát nhà thông minh, giám sát môi trường, theo dõi vị trí, cảm biến thông minh, và nhiều ứng dụng khác Điều khiển và tự động hóa: ESP - 32 có thể được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử thông qua các giao thức như Wi-Fi hoặc Bluetooth, làm cho nó trở thành một lựa chọn phổ biến cho các hệ thống điều khiển và tự động hóa
Phát triển sản phẩm thương mại: Với chi phí thấp và khả năng linh hoạt, ESP - 32 là một nền tảng phổ biến cho việc phát triển các sản phẩm thương mại trong lĩnh vực IoT và các thiết bị nhúng khác
Tóm lại, ESP - 32 là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt cho việc phát triển các ứng dụng IoT và các ứng dụng nhúng khác, với khả năng kết nối không dây, tiết kiệm năng lượng và sự hỗ trợ mạnh mẽ từ cộng đồng phát triển.
Các loại cảm biến tích hợp:
Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau
Hỗ trợ 2 giao tiếp không dây
Bluetooth: v4.2 BR/EDR và BLE (Bluetooth low energy)
Số cổng GPIOs (General Purpose Input Output – chân tín hiệu kỹ thuật số mà vừa có thể là chân đầu vào hoặc chân đầu ra phụ thuộc vào chương trình): 34 cổng
8 – bit DACs (digital to analog): 2 cổng.
Chân giao tiếp I2C (SCL, SDA): 2 cổng gồm chân G21 và G22.
Giao tiếp UART (giao tiếp nối tiếp): 3 cổng (UART0, UART1, UART2) với tốc độ lên đến 5 Mbps.
Giao tiếp SPI: 3 cổng (1 cổng cho chip Flash).
SD card/SDIO/MMC host controller
Bộ điều khiển hồng ngoại từ xa (TX/RX, lên đến 8 kênh)
Băm xung PWM: tất cả các chân.
Bộ tiền khuếch đại analog công suất cực thấp (Ultra low power analog pre-amplifier)
Chân cấp nguồn: ESP - 32 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng micro USB hoặc cấp nguồn ngoài vào chân Vin và chân GND với điện áp 5VDC
3,3V: chân nguồn ra để cấp vào một số thiết bị ngoại vi sử dụng nguồn 3,3VDC.
Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho ESP - 32, khi nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân EN (RESET) được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
BOOT: dùng để nạp chương trình Khi chúng ta biên dịch chương trình thành công, chúng ta nhấn upload chương trình trên phần mềm Arduino IDE để nạp chương trình vào ESP - 32 thì đèn trên mạch ESP - 32 nhấp nháy, sau đó chúng ta ấn giữ nút Boot thì ESP - 32 mới nhận được chương trình được nạp từ máy tính.
Bảng 2-1: Thông số cơ bản của mạch ESP – 32
Vi điều khiển Bộ vi xử lý Xtensa lõi kép (hoặc lõi đơn)
32-bit LX6 Điện áp nguồn USB 5 VDC Điện áp hoạt động 2,2 DCV – 3,6 VDC
Tần số hoạt động 240 MHz
Nhiệt độ hoạt động - 40 – 85 độ C
Chip giao tiếp USB – Serial CP – 2102
Wifi 802.11 B/g/n/E/I (802.11N @ 2.4 GHz lên đến 150 Mbit/S)
Bluetooth 4.2 BR/EDR BLE 2 chế độ điều khiển
Dòng tối đa trên mỗi chân GPIOs 40 mA
Công suất tiêu thụ 5 μAA
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT – 11
Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 (Digital Humidity Temperature) là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất) Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp chúng ta có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào.
Hình 2-3: Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT – 11 [4]
Cảm biến DHT – 11 có ngõ ra dữ liệu số dạng digital có độ dài là 40 bit truyền dữ liệu theo chuẩn 1 dây Cảm biến bên trong sẽ nhận nhiệt độ và độ ẩm từ môi trường sau đó chuyển hành tính hiệu số và lưu trong bộ nhớ 4 Byte trong cảm biến Giá trị nhị phân có độ dài 40 bit dữ liệu được truyền từ 1 dây thông qua cảm biến DHT – 11 đến mạch ESP - 32 để đọc giá trị Trong quá trình truyền, từ bit dữ liệu sẽ lần lượt được truyền cho đến khi đủ 40 bit dữ liệu, sau đó tiếp hành đọc dữ liệu tiếp theo và truyền
40 bit tiếp theo theo chu kì 1 giây 1 lần.
Dữ liệu truyền từ cảm biến DHT – 11 đến mạch ESP - 32 theo các mức logic: 0,
1 mang giá trị độ ẩm và nhiệt độ đã đo được Trong đó có 32 bit trong tổng số 40 bit mà cảm biến DHT – 11 truyền cho mạch ESP - 32 là:
16 bit cao nhất lưu giá trị của độ ẩm được chia ra làm 2 phần:
8 bit cao nhất là phần nguyên của giá trị độ ẩm đo được.
8 bit thấp hơn là phần thập phân của giá trị độ ẩm đo được.
16 bit còn lại lưu giá trị của nhiệt độ được chia ra làm 2 phần:
8 bit cao là phần nguyên của giá trị nhiệt độ đo được.
8 bit thấp hơn là phần thập phân của giá trị nhiệt độ đo được.
ESP - 32 sẽ đọc từng bit dữ liệu và sau khi đọc xong 8 bit dữ liệu thì ESP - 32 sẽ chuyển đổi dữ liệu từ hệ nhị phân sang hệ thập phân Khi truyền dữ liệu từ cảm biếnDHT- 11 đến ESP - 32 thì cảm biến sẽ truyền 32 bit dữ liệu trước Bắt đầu từ bit cao,sau khi truyền xong 32 bit dữ liệu này sẽ đến 8 bit để tổng kiểm tra sau khi để báo choESP - 32 biết rằng việc truyền tính hiệu đã xong và hực hiện chính xác.
Mạch ESP - 32 sẽ đọc tín hiệu như sau:
Đầu tiên ESP - 32 sẽ nhận 8 bit dữ liệu phần nguyên của độ ẩm và chuyển sang giá trị thập phân → phần nguyên độ ẩm.
Tiếp đến ESP - 32 sẽ nhận 8 bit dữ liệu phần thập phân của độ ẩm và chuyển sang giá trị thập phân → phần thập phân độ ẩm.
Tiếp đến ESP - 32 sẽ nhận 8 bit dữ liệu phần nguyên của nhiệt độ và chuyển sang giá trị thập phân → phần nguyên nhiệt độ.
Cuối cùng ESP - 32 sẽ nhận 8 bit dữ liệu phần thập phân của nhiệt độ và chuyển sang giá trị thập phân → phần thập phân nhiệt độ.
Hình 2-4: Sơ đồ giải mã từ hệ nhị phân sang hệ thập phân
Khi nào quá trình truyền – nhận dữ liệu giữa ESP - 32 với cảm biến DHT – 11 diễn ra:
Sau khi ta kết nối cảm biến DHT – 11 với mạch ESP - 32 thì ESP - 32 sẽ gửi 1 bit Start đến cảm biến DHT – 11 1 bit Start thực chất là một điện áp có mức logic là 0 hoặc1, nhưng ở mạch đo nhiệt độ và độ ẩm này là gởi điện áp có mức logic là 0 (mức thấp) có thời gian là 18 ms (độ rộng của xung là 18 ms), tức là mạch ESP - 32 đang yêu cầu cảm biến truyền dữ liệu Sau đó điện áp được gởi được nâng lên mức logic 1 (mức cao) để chờ trong thời gian từ 20 – 40 μss Nếu đường dây kết nối ổn định và cảm biến DHT – 11 còn hoạt động tốt thì sẽ nhận được bit Start này.
Hình 2-5: ESP - 32 gởi 1 bit Start cho cảm biến DHT – 11 [4]
Cảm biến DHT – 11 gởi thông tin phản hồi về cho mạch ESP - 32, cảm biến sẽ gởi thông tin phản hồi bằng mức logic 0 vào ESP - 32 Mức xung thấp này có độ dài 80 μss, sau đó đưa mức logic lên mức 1 và chờ 80 μss Sau khi thực hiện xong thì quá trình truyền – nhận dữ liệu có thể được tiến hành.
Hình 2-6: Cảm biến DHT – 11 gởi thông tin phản hồi cho ESP – 32 [4]
Cảm biến DHT – 11 gởi 40 bit dữ liệu cho mạch ESP - 32.
Bảng 2-2: Thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT – 11 [4] Điện áp hoạt động 3,5 VDC – 5,5 VDC.
Dòng điện hoạt động 0,3 mA (đo) 60 μA (chế độ chờ). Đầu ra Dữ liệu nối tiếp.
Phạm vi nhiệt độ 0 độ C đến 50 độ C.
Phạm vi độ ẩm 20 % đến 90 %. Độ phân giải Nhiệt độ và độ ẩm đều là 16 bit. Độ chính xác ± 1°C và ± 1%
Bảng 2-3: Cấu hình sơ đồ chân đối với mô-đun cảm biến DHT – 11 [4]
Vcc Nguồn điện 3,5 VDC – 5,5 VDC
Signal Xuất cả Nhiệt độ và Độ ẩm thông qua dữ liệu nối tiếp
GND Kết nối với chân GND của mạch
Màn hình Oled 0.91 inch giao tiếp I2C
Hình 2-7: Màn hình OLED 0.91 inch giao tiếp I2C [5]
OLED (viết tắt bởi Organic Light Emitting Diode: Diode phát sáng hữu cơ) đang trở thành đối thủ cạnh tranh cũng như ứng cử viên sáng giá thay thể màn hình LCD.
Màn hình OLED gồm những lớp như tấm nền, Anode, lớp hữu cơ, cathode Và phát ra ánh sáng theo cách tương tự như đèn LED. Quá trình trên được gọi là phát lân quang điện tử.
Giao tiếp I2C bao gồm quá trình truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị chủ tớ, hay Master - Slave.
Thiết bị Master là 1 vi điều khiển, nó có nhiệm vụ điều khiển đường tín hiệu SCL và gửi nhận dữ liệu hay lệnh thông qua đường SDA đến các thiết bị khác.
Các thiết bị nhận các dữ liệu lệnh và tín hiệu từ thiết bị Master được gọi là các thiết bị Slave Các thiết bị Slave thường là các IC, hoặc thậm chí là vi điều khiển.
Master và Slave được kết nối với nhau bằng hai đường bus SCL và SDA đều hoạt động ở chế độ Open Drain, nghĩa là bất cứ thiết bị nào kết nối với mạng I2C này cũng chỉ có thể kéo 2 đường bus này xuống mức thấp (LOW), nhưng lại không thể kéo được lên mức cao.Vì để tránh trường hợp bus vừa bị 1 thiết bị kéo lên mức cao vừa bị 1 thiết bị khác kéo xuống mức thấp gây hiện tượng ngắn mạch Do đó cần có 1 điện trờ ( từ 1 – 4,7 kΩ) để giữ mặc định ở mức cao.) để giữ mặc định ở mức cao
Hình 2-8: Tín hiệu giao tiếp I2C [5]
Với I2C, dữ liệu được truyền trong các tin nhắn Tin nhắn được chia thành các khung dữ liệu Mỗi tin nhắn có một khung địa chỉ chứa địa chỉ nhị phân của địa chỉ slave và một hoặc nhiều khung dữ liệu chứa dữ liệu đang được truyền Thông điệp cũng bao gồm điều kiện khởi động và điều kiện dừng, các bit đọc / ghi và các bit ACK / NACK giữa mỗi khung dữ liệu:
Điều kiện khởi động: Đường SDA chuyển từ mức điện áp cao xuống mức điện áp thấp trước khi đường SCL chuyển từ mức cao xuống mức thấp.
Điều kiện dừng: Đường SDA chuyển từ mức điện áp thấp sang mức điện áp cao sau khi đường SCL chuyển từ mức thấp lên mức cao.
Bit địa chỉ: Thông thường quá trình truyền nhận sẽ diễn ra với rất nhiều thiết bị, IC với nhau Do đó để phân biệt các thiết bị này, chúng sẽ được gắn 1 địa chỉ vật lý 7 bit cố định.
Bit đọc / ghi: Bit này dùng để xác định quá trình là truyền hay nhận dữ liệu từ thiết bị Master Nếu Master gửi dữ liệu đi thì ứng với bit này bằng ‘0’, và ngược lại, nhận dữ liệu khi bit này bằng ‘1’.
Bit ACK / NACK: Viết tắt của Acknowledged / Not
Acknowledged Dùng để so sánh bit địa chỉ vật lý của thiết bị so với địa chỉ được gửi tới Nếu trùng thì Slave sẽ được đặt bằng
‘0’ và ngược lại, nếu không thì mặc định bằng ‘1’.
Bit dữ liệu: Gồm 8 bit và được thiết lập bởi thiết bị gửi truyền đến thiết bị nhân Sau khi các bit này được gửi đi, lập tức 1 bit ACK/NACK được gửi ngay theo sau để xác nhận rằng thiết bị nhận đã nhận được dữ liệu thành công hay chưa Nếu nhận thành công thì bit ACK/NACK được set bằng ‘0’ và ngược lại. Quá trình truyền nhận:
Khi bắt đầu Master sẽ gửi đi 1 xung Start bằng cách kéo lần lượt các đường SDA, SCL từ mức 1 xuống 0.
Tiếp theo đó, Master gửi đi 7 bit địa chỉ tới các Slave cùng với bit Read/Write.
Slave sẽ so sánh địa chỉ vừa được gửi tới Nếu trùng khớp,
Slave sẽ xác nhận bằng cách kéo đường SDA xuống 0 và set bit ACK/NACK bằng ‘0’ Nếu không trùng khớp thì SDA và bit
ACK/NACK đều mặc định bằng ‘1’.
Thiết bị Master sẽ gửi hoặc nhận khung bit dữ liệu Nếu Master gửi đến Slave thì bit Read/Write ở mức 0 Ngược lại nếu nhận thì bit này ở mức 1.
Nếu như khung dữ liệu đã được truyền đi thành công, bit
ACK/NACK được set thành mức 0 để báo hiệu cho Master tiếp tục.
Sau khi tất cả dữ liệu đã được gửi đến Slave thành công, Master sẽ phát 1 tín hiệu Stop để báo cho các Slave biết quá trình truyền đã kết thúc bằng các chuyển lần lượt SCL, SDA từ mức 0 lên mức 1.
Các chế độ hoạt động của I2C:
Chế độ chuẩn (standard mode) với tốc độ 100 kBit/s.
Chế độ tốc độ thấp (low speed mode) với tốc độ 10 kBit/s.
Khác với giao tiếp SPI chỉ có thể có 1 Master, giao tiếp I2C cho phép chế độ truyền nhận dữ liệu giữa nhiều thiết bị Master khác nhau với thiết bị Slave Tuy nhiên quá trình này có hơi phức tạp vì thiết bị Slave có thể nhận 1 lúc nhiều khung dữ liệu từ các thiết bị Master khác nhau, điều đó đôi khi dẫn đến xung đột hoặc sai sót dữ liệu nhận được. Để tránh điều đó, khi làm việc ở chế độ này, mỗi thiết bị Master cần phát hiện xem đường SDA đang ở trạng thái nào Nếu SDA ở mức
0, nghĩa là đang có 1 thiết bị Master khác đang có quyền điều khiển và phải chờ đến khi truyền xong Ngược lại nếu SDA ở mức 1, nghĩa là đường truyền SDA đã an toàn và có sử dụng.
Bảng 2-4: Thông số kỹ thuật màn hình Oled 0,91 inch giao tiếp I2C [5] Điện áp sử dụng 2.2 – 5.5VDC
Góc hiển thị lớn hơn 160 độ
Số điểm hiển thị 128 x 32 điểm Độ rộng màn hình 0.91 inch
Màu hiển thị Trắng / Xanh Dương
Bảng 2-5: Cấu hình sơ đồ chân màn hình Oled 0,91 inch giao tiếp I2C [5]
SDA Dữ liệu vào (Data in)
Thân hộp và nắp hộp
Thân hộp được chúng em thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor, do đó mạch điều khiển và cảm biến Autodesk Inventor [6] là phần mềm xây dựng mô hình 3D, thiết kế, hình mẫu và kiểm tra ý tưởng các sản phầm Inventor tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chuẩn xác khối lượng, áp lực, độ ma sát, tải trọng,… của các đối tượng sản phẩm trong môi trường 3D Các công cụ mô phỏng, phân tích được tích hợp trong Inventor cho phép người dùng thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến nâng cao như thiết kế chi tiết máy, trực quan hóa sản phẩm. Inventor còn được tích hợp CAD và các công cụ giao tiếp thiết kế nhằm nâng cao năng suất làm việc của CAD và giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm thời gian.
Hình 2-9: Thân hộp được thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor
Sau đó chúng em tiến hành xuất file 3D trên phầm mềm
Autodesk Inventor sang định dạng file stl và chuyển sang phần mềm Ultimaker Cura để tiến hành thiết lập các thông số để in 3D và sau đó xuất sang G – code để tiến hành nạp vào máy in 3D để tiến hành in 3D.
Hình 2-10: Chỉnh thông số in 3D trên phần mềm Ultimaker Cura
Phần nắp hộp được chúng em thiết kế trên phầm mềm Autodesk Inventor ở môi trường vẽ 2D, sau đó tiến hành xuất sang định dạng file dxf để tiến hành cắt laser trên máy cắt laser
C O 2 bằng phần mềm CorelDraw [7] và vật liệu làm nắp hộp là tấm nhựa Acrylic với độ dày 5 mm.
Hình 2-11: Thiết kế biên dạng 2D của nắp hộp trên phần mềm
Các linh kiện khác
Dây cắm breadboard đầu đực/đầu cái.
Hình 2-12: Các linh kiện khác
KẾT QUẢ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
Sơ đồ mạch chi tiết của hệ thống
Hình 3-14: Sơ đồ đấu dây của hệ thống Bảng 3-6: Sơ đồ đấu dây
ESP - 32 Oled 0,91 inch giao tiếp I2C
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm
Nguyên lí làm việc của mạch
ESP – 32 là bộ xử lý trung tâm của robot với 34 chân GPIOs sẵn có.
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT – 11 có 3 chân: VCC, DATA và GND được kết nối với các chân 3V3 và GND, chân DATA được nối với chân IO5 của mạch ESP – 32.
Màn hình Oled 0,91 inch được sử dụng như một thiết bị ngoại vi để hiển thị dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm đã đo được cho người dùng xem Màn hình có 4 chân:VCC, SCL, SDA và GND được kết nối với các chân 5V và GND, chân SCL được nối với chân IO22 và chân SDA được nối với chân IO21 của mạch ESP –32.
Nguyên lý làm việc
Sau khi hoàn thành việc nạp chương trình vào mạch ESP – 32
[6] và bật nguồn để mạch vận hành Mạch điều khiển ESP - 32 sẽ gửi 1 bit Start đến cảm biến DHT – 11 1 bit Start thực chất là một điện áp có mức logic là 0 hoặc1, nhưng đối với mạch đo nhiệt độ và độ ẩm này là gởi điện áp có mức logic là 0 (mức thấp) có thời gian là 18 ms (độ rộng của xung là 18 ms), tức là mạch ESP - 32 đang yêu cầu cảm biến truyền dữ liệu Sau đó điện áp được gởi được nâng lên mức logic 1 (mức cao) để chờ trong thời gian từ 20 – 40 μss Nếu đường dây kết nối ổn định và cảm biến DHT – 11 còn hoạt động tốt thì sẽ nhận được bit Start này.
Cảm biến DHT – 11 gởi thông tin phản hồi về cho mạch ESP - 32, cảm biến sẽ gởi thông tin phản hồi bằng mức logic 0 vào ESP - 32 Mức xung thấp này có độ dài
80 μss , sau đó đưa mức logic lên mức 1 và chờ 80 μss Sau khi thực hiện xong thì quá trình truyền – nhận dữ liệu có thể được tiến hành.
Cảm biến DHT – 11 gởi 40 bit dữ liệu cho mạch ESP - 32.
Mạch điều khiển ESP – 32 sẽ đọc từng bit dữ liệu và sau khi đọc xong 8 bit dữ liệu thì ESP - 32 sẽ chuyển đổi dữ liệu từ hệ nhị phân sang hệ thập phân Sau đó sẽ xuất dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm thông qua 2 chân IO21 và IO22 vào chân SCL và SDA của màn hình Oled 0,91 inch để người dùng có thể đọc được.
Kết quả chế tạo
Sau khi thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình thành viên đã chia công việc thực hiện:
Hình 3-15: In 3D thân vỏ hộp
Thiết kế thân hộp với kích thước chiều dài 18 cm, cao 6 cm, ngang 18 cm và in 3D hoàn thiện trong 1 ngày
Hình 3-16: Cắt tấm nhựa acrylic bằng máy cắt laser
Nắp hộp có kích thước chiều dài 18 cm, chiều ngang 18 cm,được bo 4 góc xung quanh 8 mm và cắt laser hoàn thiện trong 1 ngày.
Thực hiện bố trí các linh kiện cho hợp lý lên mô hình xe và kết nối các linh kiện.
Hình 3-17: Bố trí linh kiện vào hộp
Lắp đặt cảm biến bên ngoài hộp.
Dưới đây là hình ảnh sau khi lắp ráp hoàn chỉnh mạch đo nhiệt độ và độ ẩm, sau đó cho vận hành thử nghiệm.
Hình 3-18: Mạch đo nhiệt độ và độ ẩm hoàn thiện
Kết quả thử nghiệm
Hình 3-19: Mạch hoạt động ở điều kiện nhiệt độ phòng
Mạch đo nhiệt độ và độ ẩm được vận hành ở điều kiện nhiệt độ trong phòng Khi bật nguồn cho mạch hoạt động thì mạch đã đo được giá trị nhiệt độ, độ ẩm của không gian trong phòng và hiển thị lên màn hình với giá trị nhiệt độ là 30,2 độ C và độ ẩm là 72 %.
Hình 3-20: Mạch hoạt động ở điều kiện nhiệt độ của hơi nóng máy sấy xả vào cảm biến
Mạch đo nhiệt độ và độ ẩm được vận hành ở điều kiện nhiệt độ của hơi nóng máy sấy xả vào cảm biến Khi bật nguồn cho mạch hoạt động thì mạch đã đo được giá trị nhiệt độ, độ ẩm khi nhiệt độ của hơi nóng máy sấy xả vảo cảm biến và hiển thị lên màn hình với giá trị nhiệt độ là 35,6 độ C và độ ẩm là 67 %.
Hình 3-21: Mạch hoạt động ở điều kiện nhiệt độ của đá lạnh đặt trước cảm biến
Mạch đo nhiệt độ và độ ẩm được vận hành ở điều kiện nhiệt độ của đá lạnh đặt trước cảm biến Khi bật nguồn cho mạch hoạt động thì mạch đã đo được giá trị nhiệt độ, độ ẩm khi nhiệt độ của đá lạnh đặt trước cảm biến và hiển thị lên màn hình với giá trị nhiệt độ là 25,8 độ C và độ ẩm là 69 %.
Dựa trên kết quả thử nghiệm Em nhận thấy mạch đo nhiệt độ và độ ẩm hoạt động ổn định, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm hoạt động tốt với sự thay đổi của sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của môi trường.