báo cáo học kỳ 20231 thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng vi điều khiển avr

Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà SmartHome là một ngôi nhà đượcthiết kế, lắp đặt các thiết bị điện tử, có thể điều khiển được toàn bộ các hoạt độngtrong ngôi nhà, điều khiển điện hệ thống

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ

BÁO CÁO

HỌC KỲ 20231ĐỀ TÀI

Thiết kế hệ thống nhà thông minh sử dụng vi điềukhiển AVR

Sinh viên thực hiện: Trịnh Trung Nhất – 20207773

Lê Cao Phong - 20207776

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: Cơ sở lý thuyết……… 3

1.1 Tổng quan về nhà thông minh……….3

1.2 Xây dựng quy trình công nghệ cho giải pháp nhà thông minh……….4

1.3 Kết luận chương………5

CHƯƠNG 2: Tổng quát các tài nguyên sử dụng trong hệ thống……… 5

2.1 Lựa chọn thiết bị………5

2.2 Khối At mega16……… 6

Mở đầu

Ngày nay, với sử phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật Đặc biệttrong lĩnh vực tự động hóa đã tạo nên một động lực thúc đẩy và phát triểncác ngành công nghiệp khác nhằm phục vụ và đáp ứng được nhu cầu củacon người trong cuộc sống Con người với sự trợ giúp của máy móc, nhữngcông cụ thông minh đã không phải trực tiếp làm việc, hay những công việcmà con người không thể làm được với khả năng của mình mà chỉ việc điềukhiển chúng hay chúng làm việc hoàn toàn tự động đã mang lại những lợiích hết sức to lớn, giảm nhẹ và tối ưu hóa công việc Với sự tiến bộ này đãđáp ứng được những nhu cầu của con người trong cuộc sống hiện đại nóichung và trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật nói riêng.

Đối với những sinh viên cơ điện tử thì việc nghiên cứu, tìm hiểu cácđặc tính của công nghệ tự động thu thập dữ liệu video, hình ảnh, truyền nhậndữ liệu có ý nghĩa thực tế hết sức quan trọng Nó không những trang bị chochúng ta kỹ năng làm việc trong lĩnh vực điều khiển tự động, điện tử mà còngiúp chúng ta theo kịp với sự phát triển của khoa học kĩ thuật ngày nay khitốt nghiệp ra trường.

Sau đây nhóm em xin tìm hiểu và thiết kế hệ thống nhà thông minhvới các chức năng mở đèn, đóng rèm tự động và cảnh báo chống trộm Đâylà cơ sở để thiết kế những hệ thống tự động hóa đơn giản, cũng như phức tạpđược ứng dụng rộng rãi trong khoa học và đời sống

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật thiết kếđóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, tự độnghóa… Với việc sử dụng khoa học kỹ thuật thiết kế thiết bị công nghệ thông minhhiện đại trong cuộc sống đã làm cho chất lượng cuộc sống được nâng cao rõ rệt,đặc biệt trong các xí nghiệp đã làm nâng cao năng suất lao động Đó là ngành kỹthuật thiết kế thiết bị công nghệ thông minh hiện đại trong các dây chuyền sản xuấtđã lần lượt ra đời thay cho các công nhân đứng máy Khoa học kỹ thuật thiết kếthiết bị công nghệ thông minh hiện đại ngày nay cho độ chính xác cao và rất dễ sửdụng Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm gópphần vào sự phát triển của khoa học kỹ thuật thiết bị công nghệ thông minh hiệnđại thế giới nói chung và sự phát triển kỹ thuật thiết kế nói riêng và ngày nay xãhội thị trường hiện đại cùng với sử phát triển mạnh khoa học kỹ thuật thiết kế thiếtbị công nghệ thông minh hiện đại cùng với sự phát triển công nghiệp 4.0 con ngườiđã thiết kế ra được ngôi nhà thông minh ngày càng được nâng cao tầm nhìn quantrọng khoa học thiết kế thiết bị cộng nghệ thông minh hiện đại đóng vai trò trụ cộtquan trọng Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà SmartHome là một ngôi nhà đượcthiết kế, lắp đặt các thiết bị điện tử, có thể điều khiển được toàn bộ các hoạt độngtrong ngôi nhà, điều khiển điện hệ thống báo hỏa hoạn đến hế thống mở cửa tựđộng, điều khiển rèm cửa tự động, bật tắt bính nước nóng tự động, tưới cây tựđộng, cửa cổng tự động mở khi quét thẻ, âm thanh giải trí đa vùng, hệ thống anninh báo cháy báo khói tự động thông qua samrthome tại bất kỳ nơi đâu, bất cứ khinào hoặc được điều khiển bằng chính giọng nói của minh Nói cách khác, ngôi nhàthông minh là ngôi nhà được trang bị những thiết bị hiện đại thông minh có độchính xác cao và ổn định để góp phần cho các thiết bị vi xử lý tự động đó em xinchọn đề tài “Thiết kế nhà thông minh sử dụng hệ thống mở đèn, đóng rèm tựđộng và cảnh báo chống trộm”

Với mục đích góp phần nhỏ vào sự phát tiển của công nghệ vi xử lý tự động,việc giới thiệu về công nghệ vi xử lý tự động với một chức năng mới là nhận dữliệu đưa lên vi xử lý dữ liệu thông qua aruduino uno tới hệ thống và thiết thiết bịmột mô hình thưc tế của nhà thông minh

2 Mục đích nghiên cứu

- Nhận biết các linh kiện

- Làm quen và sử dụng các công cụ hỗ trợ mạch - Nâng cao kĩ năng mềm

- Giúp việc quản lý, giám sát và điều khiển một hệ thống nhà đơn giản , dễdàng hơn.

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng:

+ Tìm hiểu công nghệ vi xử lý và truyền dữ liệu qua giao tiếp + Tìm hiểu mô hình hệ thống mở đèn, rèm cửa tự động và cảnh báochống trộm

+ Các thành phần và hệ thống điều khiển của mô hình - Phạm vi nghiên cứu:

+ Nghiên cứu lý thuyết vi xử lý và truyền dữ liệu qua giao tiếp + Nghiên cứu lý thuyết về AtMega16

+Thiết kế thi công AtMega16 giao tiếp giữa module với servo

4 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực tế để làm rõ nộidung đề tài:

+ Thu thập, phân tích các tài liệu và thông tin liên quan đến đề tài + Vận dụng những kiến thức cơ bản đã học về điện tử, cơ điện tử, vixử lý

+ Tìm hiểu qua tài liệu internet và sách báo và nhu cầu đời sống xãhội + Sử dụng phần mềm chuyên dụng để thực hiện viết code và nạpcode

+ Tìm hiểu các đồ án có đề tài liên quan

* Về mặt thực tiễn:

- Giúp chúng ta quản lý (bật, tắt) , giám sát một hệ thống nhà thôngminh một cách dễ dàng Đồng thời có thể theo dõi được tình trạng

hoạt động của ngôi nhà, từ đó giúp ta dễ dàng quản lý một hệ thốngnhà hoạt động trơn tru và an toàn hơn.

- Đề tài góp phần vào công nghệ vi xử lý và cải thiện thêm nhiều chứcnăng cho hệ thống mang đến các ứng dụng thực tế cao hơn

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Tổng quan về nhà thông minh

Nhà thông minh là ngôi nhà được trang bị các hệ thống tự động thông minh cùng với cách bố trí hợp lý, các hệ thống này có khả năng tự điều phối các hoạt động trong ngôi nhà theo thói quen sinh hoạt và nhu cầu cá nhân của gia chủ Chúng ta cũng có thể hiểu ngôi nhà thông minh là một hệ thống chỉnh thể mà trongđó, tất cả các thiết bị điện tử gia dụng đều được liên kết với thiết bị điều khiển trung tâm và có thế phối hợp với nhau để cùng thực hiện một chức năng Các thiết bị này có thể tự đưa ra cách xử lý tình huống được lập trình trước, hoặc là được điều khiển và giám sát từ xa.

Giải pháp nhà thông minh sẽ biến những món đồ điện tử bình thường trong ngôi nhà trở nên thông minh và gần gũi với người dùng hơn, chúng được kiểm soátthông qua các thiết bị truyền thông như điều khiển từ xa, điện thoại di động… ngôinhà thông minh đơn giản nhất có thể được hình dung bao gồm một mạng điều khiển liên kết một số lượng cố định các thiết bị điện, điện tử gia dụng trong ngôi nhà và chúng được điều khiển thông qua một chiếc điều khiển từ xa Chỉ với kết nối đơn giản như trên cũng đủ để hài lòng một số lượng lớn các cá nhân có nhu cầunhà thông minh ở mức trung bình.

Vậy liệu nhà thông minh có làm thay đổi các thói quen vốn đã rất gắn bó từ trước đến nay với hầu hết mọi người?.

Chúng ta đều biết phần lớn căn hộ từ trung bình đến cao cấp đều sử dụng các loại điều khiển từ xa để điều khiển máy lạnh, ti vi…còn lại phần lớn các thiết bị khác như hệ thống đèn, bình nước nóng lạnh…phải điều khiển bằng tay Những việc như vậy đôi lúc sẽ đem lại sự bất tiện, khi mà chúng ta mong muốn có một sự tiện nghi và thoải mái hơn, vừa có thể tận hưởng nằm trên giường coi ti vi vừa có thể kiểm soát được hệ thống các thiết bị trong nhà chỉ với một chiếc smartphone hay máy tính bảng.

1.2 Xây dựng quy trình công nghệ cho giải pháp nhà thông minh của đề tài

Qua quá trình tìm hiểu về hệ thống nhà thông minh, nhóm em đã xây dựng các hệ thống sau cho đề tài:

-Thiết kế hệ thống cảnh báo trong nhà: Hệ thống này có vai trò quan

trọng, bảo vệ ngôi nhà Khi có đối tượng muốn lấy các thiết bị, hệ thống sẽ lập tức nháy đèn, đồng thời sẽ gửi các tín hiệu cảnh báo vào điện thoại của chủ nhà.

-Thiết kế hệ thống chiếu sáng: Hệ thống này được thiết kế để tự động bật

tắt đèn dựa theo khung giờ Đèn được bật sẽ chiếu sáng khắp nhà bằng cách kết nối không dây các thiết bị với nhau Cụ thể là trời sáng sẽ tắt đèn, trời tốisẽ bật đèn Thêm nữa việc bật đèn sẽ xảy ra khi có người đi vào trong phòng, lúc này sẽ có thêm 1 đèn đỏ nhấp nháy và còi bật lên.

- Thiết kế hệ thống đóng, kéo rèm tự động: Việc thiết kế hệ thống này sẽ hoạt động song song với hệ thống chiếu sáng Cụ thể, khi hệ thống chiếu sáng được kích hoạt (khi đèn chiếu sáng/trời tối) rèm sẽ tự động kéo vào và khi trời sáng/ đèn tắt, rèm sẽ mở ra để đón nắng giúp nhà sáng hơn.

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương này đưa ra các yêu cầu và giải pháp thiết kể mạch mở đèn, rèm cửa tự động và cảnh báo chống trộm Từ đó giúp ta hiểu rõ hơn về nhà thông minh và định hình hướng đi của đề tài.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUÁT CÁC TÀI NGUYÊN SỬ DỤNG TRONGHỆ THỐNG

2.1 Lựa chọn thiết bị

❖Yêu cầu đầu vào:- Đo cường độ ánh sáng

- Phát hiện chuyển động

❖Yêu cầu đầu ra:- Điều khiển đèn- Điều khiển báo động- Điều khiển rèm cửa

Với yêu cầu về hệ thống điều khiển như trên thì sơ đồ khối của hệ thống được biểu diễn như sau:

2.2 Khối điều khiển Atmega16

Để đáp ứng đúng với yêu cầu môn học, nhóm em sử dụng vi điều khiển Atmega16 cho đề tài

Bộ vi điều khiển đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của các hệ thống nhúng Nó được sử dụng khi tự động hóa là một phần không thể thiếu của hệthống.

Giới thiệu ATmega16

Atmega16 là vi điều khiển 8-bit công suất thấp 40 chân được phát triển bằngcông nghệ CMOS và dựa trên kiến trúc AVR Đây là vi điều khiển AVR được sử dụng phổ biến nhất thuộc họ Atmel Mega.

Khối điềukhiển

Khối thiếtbị điệnKhối cảm

Smarthome

Nó là một máy tính chip đơn đi kèm với CPU, ROM, RAM, EEPROM, bộ định thời, bộ đếm, ADC và bốn cổng 8-bit được gọi là PORTA, PORTB, PORTC, PORTD trong đó mỗi cổng bao gồm 8 chân I / O.

Atmega16 có các thanh ghi tích hợp được sử dụng để tạo kết nối giữa CPU và các thiết bị ngoại vi bên ngoài CPU không có kết nối trực tiếp với các thiết bị bên ngoài Nó có thể nhận đầu vào bằng cách đọc thanh ghi và đưa ra đầu ra bằng cách ghi thanh ghi.

Atmega16 đi kèm với hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit Tất cả các bộ định thời này có thể được sử dụng làm bộ đếm khi chúng được tối ưu hóađể đếm tín hiệu bên ngoài.

Hầu hết các thiết bị ngoại vi cần thiết để chạy các chức năng tự động đều được tích hợp trong thiết bị này như ADC (bộ chuyển đổi analog sang kỹ thuật số),bộ so sánh tương tự, USART, SPI, giúp tiết kiệm hơn so với bộ vi xử lý yêu cầu thiết bị ngoại vi bên ngoài thực hiện các chức năng khác nhau.

Atmega16 đi kèm với 1KB RAM tĩnh là một bộ nhớ dễ bay hơi, tức là lưu trữ thông tin trong thời gian ngắn và phụ thuộc nhiều vào nguồn điện liên tục Trong khi đó 16KB bộ nhớ flash, còn được gọi là ROM, cũng được tích hợp trong thiết bị với bản chất không bay hơi và có thể lưu trữ thông tin trong thời gian dài và không bị mất bất kỳ thông tin nào khi nguồn điện bị ngắt.

Atmega16 hoạt động trên tần số tối đa 16MHz, các lệnh được thực hiện trong một chu kỳ máy.

Kiến trúc của Atmega16a CPU

Atmega16 đi kèm với hai bus gọi là bus hướng dẫn và bus dữ liệu CPU đọc lệnh trong bus hướng dẫn trong khi bus dữ liệu được sử dụng để đọc hoặc ghi dữ liệu tương ứng CPU chủ yếu bao gồm bộ đếm chương trình, các thanh ghi mục đích chung, stack pointer, thanh ghi lệnh và bộ giải mãlệnh.

b ROM

Chương trình điều khiển được lưu trữ trong ROM Bộ nhớ flash có độ phân giải ít nhất 10.000 chu kỳ ghi / xóa Bộ nhớ flash chủ yếu được chiathành hai phần được gọi là phần flash ứng dụng và phần flash booth Chương trình của bộ điều khiển được lưu trữ trong phần flash ứng dụng Trong khi phần flash booth được tối ưu hóa để hoạt động trực tiếp khi bộ điều khiển được bật nguồn.

c RAM

SRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh) được sử dụng để lưu trữ thông tin tạm thời và đi kèm với các thanh ghi 8-bit, giống như một RAM máy tính thông thường được sử dụng để cung cấp dữ liệu thông qua thời gian chạy.

d EEPROM

EEPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể xóa bằng điện tử) là bộ nhớ không thayđổi được sử dụng như một bộ lưu trữ thời gian dài Nó không liên quan đến việc thực thi chương trình chính Nó được sử dụng để lưu trữ cấu hình của hệ thống và các thông số thiết bị tiếp tục hoạt động trong thiết lập lại bộ xử lý ứng dụng EEPROM đi kèm với chu kỳ ghi giới hạn lên đến 100.000 trong khi chu kỳ đọc là không giới hạn.

e Ngắt

Ngắt được sử dụng cho trường hợp khẩn cấp đặt chức năng chính ở trạng thái chờ và thực hiện các lệnh cần thiết tại thời điểm đó Khi ngắt được gọi và thực thi, mã sẽ chuyển trở lại chương trình chính.

f Module I / O analog và kỹ thuật số

Module I / O kỹ thuật số được sử dụng để thiết lập giao tiếp kỹ thuật số giữa bộ điều khiển và các thiết bị bên ngoài Trong khi module I / O analog được sử dụng để truyền thông tin analog Bộ so sánh analog và ADC thuộc loại module I / O analog.

g Bộ định thời / Bộ đếm

Bộ định thời được sử dụng để tính toán tín hiệu bên trong bộ điều khiển Atmega16 đi kèm với hai bộ định thời 8 bit và một bộ định thời 16 bit Tất cả bộ định thời này hoạt động như một bộ đếm khi chúng được tối ưuhóa cho các tín hiệu bên ngoài.

h Watchdog timer

Watchdog timer là một bổ sung đáng chú ý trong bộ điều khiển này được sử dụng để tạo ngắt và đặt lại bộ định thời Nó đi kèm với nguồn CLK riêng biệt 128kHz.

i Giao tiếp nối tiếp

Atmega16 đi kèm với các đơn vị USART và SPI được sử dụng để phát triển giao tiếp nối tiếp với các thiết bị bên ngoài.

Sơ đồ chân Atmega16

Atmega16 có 40 chân, mỗi chân được sử dụng để thực hiện một nhiệm vụ cụthể, có tổng cộng 32 chân I / O và bốn cổng, mỗi cổng bao gồm 8 chân I / O.PORTA = 8 chân (Chân 33-40)

PORTB = 8 chân (Chân 1-8)PORTC = 8 chân (Chân 22-29)PORTD = 8 chân (Chân 14-21)

Sau đây là các chức năng chính liên quan đến các chân.

PORTA: Các chân từ 33 đến 40 thuộc PORTA Nó hoạt động giống như đầu vào

analog cho bộ chuyển đổi A / D Tuy nhiên, trong trường hợp không có bộ chuyển đổi A / D, PORTA được sử dụng làm cổng I / O hai chiều 8 bit Nó đi kèm với điện trở kéo bên trong.

PORTB: Các chân từ 1 đến 8 thuộc về PORTB Đây là các chân hai chiều I / O

Cổng này cũng bao gồm các điện trở kéo lên bên trong.

PORTC: PORTC là cổng I / O hai chiều bao gồm 8 chân Chân từ 22 đến 29 thuộc

về cổng này, tương tự như các cổng khác, nó đi kèm với điện trở kéo bên trong.

PORTD: Chân từ 14 đến 21 thuộc về cổng này Đây là cổng hai chiều trong đó

mỗi chân có thể được sử dụng làm chân đầu vào hoặc đầu ra Tuy nhiên, có các tính năng bổ sung liên quan đến cổng này như ngắt, giao tiếp nối tiếp, bộ hẹn giờ và PWM.

Reset: Chân 9 là chân reset mức thấp đang hoạt động Xung mức thấp dài hơn độ

dài xung tối thiểu sẽ tạo ra reset Các xung ngắn không có khả năng tạo ra reset.

VCC: Chân 10 là chân cấp nguồn cho bộ điều khiển này Nguồn điện của cần phải

có 5 V để đặt bộ điều khiển này trong điều kiện đang chạy

GND: Chân 11 là chân nối đất.

AREF: Chân 32 là chân tham chiếu tương tự chủ yếu được sử dụng cho bộ chuyển

đổi A / D

AVCC: Chân 30 là AVCC là chân điện áp cung cấp cho PORTA và ADC Nó

được kết nối với VCC thông qua bộ lọc thông thấp khi có ADC Tuy nhiên, trong trường hợp không có ADC, AVCC được kết nối bên ngoài với VCC

Chân 12 & 13: Một bộ dao động tinh thể được kết nối với các chân này

Atmega16 hoạt động ở tần số bên trong 1MHZ; bộ dao động được thêm vào để tạo ra xung clock và tần số cao.

2.3 Khối cảm biến

2.3.1 Photodiode

Trong hệ thống bật tắt đèn tự động, nhóm em dùng cảm biến ánh sáng Photodiode để nhận biết cường độ ánh sáng môi trường xung quanh.Module cảm biến ánh sáng Photodiode là một module rất nhạy với cường độánh sáng môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ sáng môi trường xung quanh và cường độ ánh sáng, định hướng, gây ra chỉ có ánh sáng trực tiếp ở phía trước của bộ cảm biến, tìm kiếm cho các hiệu ứng ánh sáng tốt hơn, chính xác hơn

Module có thể phát hiện ánh sáng từ 1 nguồn phát analog và từ 1 hướng cố định, ứng dụng làm hệ thống phát hiện vật di động, hệ thống tự động điều khiển thiết bị theo ánh sáng, điều khiển đèn chiếu sáng tự động, hệ thống cảnh báo trộm