ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP_ĐIỀU KHIỂN NGÔI NHÀ THÔNG MINH QUA SMARTPHONE

Liên hệ mail: stevebuispktgmail.com để được hướng dẫn trực tiếp.ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP_ĐIỀU KHIỂN NGÔI NHÀ THÔNG MINH QUA SMARTPHONE, TRANG WEB, MODULE SIM 900. Bên cạnh đó là hệ thống đăng nhập bằng password, hệ thống chống trộm, chống cháy nổ, rò rĩ gas, cảm biến khi trời mưa

i

LỜI MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, ngôi nhà thông minh (smart home) đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống từ những khách sạn hay resort sang trong cho đến những ngôi nhà hiện đại đều đươc lắp đặt hệ thống điều khiển thông minh Theo

xu hướng phát triển đó, em quyết định lựa chọn thực hiện nghiên cứu đề tài: “THIẾT

KẾ & THI CÔNG NGÔI NHÀ THÔNG MINH”

Ngoài việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp với những công việc trên đây thì nó còn có ý nghĩa sâu sắc đối với sinh viên thực hiện Một lần nữa sinh viên được thực hành những kiến thức học được từ ghế nhà trường sẽ giúp hình thành những sản phẩm công nghiệp, được sử dụng, cầm tay lắp những cảm biến mà từ trước chỉ nằm trên trang giấy Trong quá trình tiến hành không thể không gặp những khó khăn vấp phải,

do đó kích thích sinh viên tư duy để tìm ra phương án tối ưu và trao đổi thảo luận với thầy cô, bạn bè

Tuy nhiên do hạn chế về kinh nghiệm thực tế và thời gian thực hiện nên việc giải quyết đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót Do đó rất mong sự chỉ bảo thêm của quý thầy cô cũng như những đóng góp của các bạn sinh viên

Xin chân thành cảm ơn!

Chủ nhiệm đề tài

ii

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học được giao Em xin chân thành gửi lời cám ơn đến:

Ban Giám Hiệu, Các cán bộ công nhân viên nhà trường đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập tại trường

Ban Chủ Nhiệm Khoa và các Thầy Cô trong Khoa Điện – Điện Tử đã dạy

em các kiến thức cơ bản và chuyên ngành

Các bạn cùng đồng hành với em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu Đặc biệt xin gửi lời tri ân đến Thầy Nguyễn Trường Duy, người trực tiếp hướng dẫn đề tài nghiên cứu khoa học đã hỗ trợ cho em rất nhiều về kiến thức, tài liệu và cơ sở vật chất để em có thể hoàn thành tốt đề tài

Chủ nhiệm đề tài

iii

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT ix

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI x

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP 1

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1

1.2 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ 2

1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

1.4 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 2

1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN 3

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ LUẬN 4

2.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU: 4

2.2 DÀN Ý, PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN: 4

CHƯƠNG 3: TỔNG QUÁT VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH 6

3.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG NGÔI NHÀ THÔNG MINH 6

3.2 CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT CỦA NGÔI NHÀ THÔNG MINH 7

3.2.1 Chỉ tiêu về ánh sáng 7

3.2.2 Chỉ tiêu về thông gió 7

3.2.3 Chỉ tiêu về nhiệt độ 7

3.2.4 Chỉ tiêu về an toàn 7

3.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH 7

3.4 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG 8

CHƯƠNG 4: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 10

4.1 ARDUINO MEGA 2560 11

4.1.1 Giới thiệu chung về Arduino 11

4.1.2 Giới thiệu về board Arduino Mega 2560 12

iv

4.1.3 Vi điều khiển Atmega2560 14

4.1.4 Tổ chức bộ nhớ 16

4.1.5 Nguồn cấp 17

4.1.8 USB bảo vệ quá dòng 18

4.2 LCD 16X2 18

4.3 BÀN PHÍM MA TRẬN 4X4 20

4.4 MODULE CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SRF05 21

4.5 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG PIR 23

4.5.1 Khái niệm cảm biến PIR 23

4.5.2 Nguyên lý làm việc 24

4.6 MODULE CẢM BIẾN MƯA 25

4.7 MODULE GSM/GPRS SIM 900 27

4.7.1 Giới thiệu tổng quan về GSM 27

4.7.1.1 Khái niệm GSM 27

4.7.1.2 Lịch sử phát triển của GSM 27

4.7.1.3 Cấu trúc mạng di động 27

4.7.2.1 Tổng quan về Sim900 29

4.7.2.2 Khảo sát sơ đồ chân sim 900 30

4.7.2.3 Module sim 900 31

4.7.2.4 Các chế độ hoạt động của Module sim 900 32

4.7.2.5 Các tập lệnh AT test Module sim900 33

4.7.2 Module Sim 900 33

4.7.3 Tổng quan về tin nhắn SMS 33

4.8 CẢM BIẾN KHÍ GAS MQ2 34

4.8.1 Giới thiệu 34

4.8.2 Sơ đồ mạch cảm biến MQ2 36

4.9 CÁC LINH KIỆN KHÁC 37

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 38

v

5.1 THIẾT KẾ PHẦN CỨNG MÔ HÌNH 38

5.1.1 Sơ đồ ngôi nhà 38

5.1.2 Chức năng các khối 39

5.1.2.1 Mạch nguồn 39

5.1.2.2 Khối cảm biến nhiệt 41

5.1.2.3 Khối hiển thị LCD 42

5.1.2.4 Khối báo động 43

5.1.2.5 Khối cảm biến tín hiệu tương tự 44

5.1.2.6 Khối động lực 45

5.1.2.7 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh: 47

5.2 THIẾT KẾ PHẦN MỂM MÔ HÌNH 48

5.2.1 Phần mềm ARDUINO IDE 1.5.4 48

5.1.2 Các phần mềm lập trình Android 49

CHƯƠNG 6: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 51

6.1 LƯU ĐỒ CHƯƠNG TRÌNH CHÍNH 51

6.2 LƯU ĐỒ CẢM BIẾN KHÍ GAS 52

6.3 MỘT SỐ HÌNH ẢNH THỰC TẾ 54

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

7.1 KẾT LUẬN 55

7.2 KIẾN NGHỊ 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

PHỤ LỤC 57

vi

MỤC LỤC HÌNH

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống nhà thông minh 9

Hình 4.1: Ảnh bo mạch Arduino đời đầu sử dụng cổng RS232 11

Hình 4.2: Board Arduino Mega 2560 13

Hình 4.3: Sơ đồ vi điều khiển Atmega2560 14

Hình 4.4 : Sơ đồ khối của Arduino Mega 2560 15

Hình 4.5: Sơ đồ khối cấu trúc của AVR 16

Hình 4.6: Sơ đồ chân LCD và hình ảnh thực tế 19

Hình 4.7: Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của bàn phím ma trận 4x4 20

Hình 4.8: Sơ đồ kết nối của bàn phím ma trận 4x4 21

Hình 4.9: Hình ảnh của cảm biến siêu âm SRF-05 21

Hình 4.10: Biểu đồ xung SRF-05 22

Hình 4.11: Đầu dò PIR D203B và lăng kính Fresnel 24

Hình 4.12: Sơ đồ hoạt động của cảm biến PIR 25

Hình 4.13: Hình ảnh thực tế của cảm biến mƣa 25

Hình 4.14: Sơ đồ cấu tạo của module cảm biến mƣa 26

Hình 4.15: Cấu trúc mạng thông tin di động Error! Bookmark not defined Hình 4.16: Sim 900 29

vii

Hinh 4.17: Sơ đồ chân Sim 900 30

Hình 4.18: Module Sim 900 thực tế 31

Hình 4.19: Cảm biến khí gas MQ2 và sơ đồ chân 35

Hình 4.20 : Sơ đồ mạch MQ2 36

Hình 4.21: Transistor 37

Hình 5.2 : Nguồn máy tính 39

Hình 5.1 : Sơ đồ thiết bị trong ngôi nhà 38

Hình 5.3 Mạch cảm biến nhiệt LM35 41

Hình 5.4: Sơ đồ chân LCD 42

Hình 5.5: Khối báo động 44

Hình 5.6 : Sơ đồ kết nối cảm biến tương tự 45

Hình 5.7: Động cơ servo SG90 46

viii

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 13

Bảng 2: Bảng mô ta chân LCD 19

Bảng 3: Thông số kỹ thuật của SRF-05 22

Bảng 4:Các chân của bộ nguồn 422

ix

DANH MỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT

ADC (Analog Digital Converter) bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang digital

EIR ( Equipment Indentity Register) Thanh ghi định dạng thiết bị

IDE (Integrated development environment) Môi trường lập trình

LCD (Liquid crystal display) màn hình tinh thể lỏng

LED (Light Emitting Diode) đèn điốt phát quang

GSM ( Global System for Mobile Communication) Mạng thông tin toàn cầu

TDMA (Time Division Multiple Access) Phân chia các truy cập theo thời gian

x

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Ngôi nhà thông minh

Điều khiển thiết bị thông qua điện thoại di động

4 Kết quả nghiên cứu:

Thi công hoàn tất mô hình và đã nghiên cứu cách điều khiển thiết bị qua di động

5 Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

Đưa những kiến thức về cảm biến đến gần với mọi người hơn và từ mô hình có thể sử dụng lắp vào nhà thật khi hợp tác với các nhà thầu xây dựng

6 Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí

nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm

SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

1

CHƯƠNG I: DẪN NHẬP

1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ vượt bậc của Khoa học kỹ thuật, vi điều khiển AVR và PIC ngày càng thông dụng hơn, nhưng có thể nói sự xuất hiện của Arduino vào năm 2005 tại Italia đã mở ra một hướng đi mới cho vi điều khiển Sự xuất hiện của Arduino đã hỗ trợ cho con người rất nhiều trong lập trình

và thiết kế, nhất là đối với những người mới bắt đầu tìm tòi về vi điều khiển mà không có nhiều kiến thức về lập trình và điện tử Phần cứng của thiết bị đã được tích hợp nhiều chức năng cơ bản và là mã nguồn mở với ngôn ngữ C cùng thư viện phong phú nên Arduino hiện đang dần phổ biến trên thế giới

Đặc biệt trong những thập niên gần đây cùng với sự phát triển của hệ thống thông minh , ngành tự động hóa đã phát triển tạo ra bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực ngôi nhà thông minh phục vụ nhu cầu ngày càng cao của con người trong đời sống Tại Việt Nam đã bắt đầu có nhiều công ty chuyên lắp đặt ngôi nhà hoặc

hệ thống thông minh trong đó phải kể đến công ty BKAV của CEO Nguyễn Tử Quảng đã ấp ủ dự án ngôi nhà thông minh điều khiển bằng điện thoại trên nền tảng Android từ năm 2011 đến nay và hiện nay đang thi công cho rất nhiều dự án trên cả nước

Hãy nghĩ về tất cả những gì lặp đi lặp lại bạn phải làm mỗi ngày ở nhà mình :

Bật đèn, tắt đèn, bật máy nước nóng, tắt máy nước nóng, bật – tắt hệ thống báo động, tưới nước cho vườn cây….Thêm vào đó còn bao nhiêu việc bạn phải nhớ làm như trả tiền điện, thay dầu xe, mua thêm thuốc, đón con đi học về….Sẽ thật tuyệt vời nếu có cách nào đó giúp bạn giải quyết tất cả những việc này? Và đó chính là tất cả mục đích của Nhà thông minh/Tự động hóa

Xuất phát từ những thực tiễn nói trên, nhóm quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học: “Ngôi nhà thông minh “

1.3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Trong phạm vi cho phép nhóm chỉ thi công ngôi nhà thông minh trên mô hình Trong thời gian thực hiện đề tài là có hạn, với lƣợng kiến thức đƣợc truyền đạt trong suốt khóa học và khả năng có hạn, nhóm thực hiện đề tài chỉ giải quyết những vấn đề sau:

 Thiết kế hệ thống báo cháy qua SMS

 Thiết kế hệ thống cảnh báo khí gas

 Thiết kế hệ thống cảnh báo mƣa

 Thiết kế hệ thống đèn, cửa , quạt tự động

1.4 NỘI DUNG ĐỀ TÀI

Chương 1: Dẫn nhập

Chương 2 : Cơ sở lý luận

3

Chương này trình bày về kế hoạch và ý tưởng thực hiện

Chương 3: Giới thiệu ngôi nhà thông minh

Trong chương này, ta tìm hiểu về cách hoạt động của nhà thông minh

Chương 4: Các linh kiện sử dụng

Chương 5: Thiết kế và thi công mô hình

Chương này trình bày các thiết kế chi tiết, nguyên lý hoạt động của mạch điện, cũng như kết quả thu được

Chương 6:Giải thuật

Chương 7: Kết luận và kiến nghị

Chương này nêu những ưu và khuyết của đề tài, khẳng định những đóng góp của đề tài vào thực tiễn Đồng thời cũng đưa ra các đề nghị hướng phát triển cho đề tài

1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN

Thiết kế mạch điều khiển thiết bị - báo động từ xa qua điện thoại di động giúp người nghiên cứu có cái nhìn trực quan hơn với những kiến thức đã tiếp nhận, từ đó nâng cao thêm hiệu quả nghiên cứu Mạch điều khiển thiết bị - báo động từ xa qua điện thoại được thiết kế từ vi điều khiển cùng với một số IC khác nên giá thành tương đối thấp, giúp tiết kiệm được chi phí Hệ thống có thể được ứng dụng tại nhà riêng, cơ quan xí nghiệp trường học và đặc biệt tại những nơi nguy hiểm…giúp chúng ta có thể điều khiển các thiết bị theo ý muốn, đồng thời mạch còn có chức năng báo động từ xa qua điện thoại giúp người điều khiển kiểm soát được thiết bị và đề phòng cháy, trộm xảy ra

4

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ LUẬN

2.1 Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài hướng tới một phương thức điều khiển tự động có sự kết hợp của nhiều lĩnh vực liên quan như: tổng đài điện thoại, vi mạch điện tử …Do đó, để tạo ra được một sản phẩm hoàn thiện theo mục đích đặt ra của đề tài thì người thực hiện cần phải tập trung nghiên cứu chủ yếu đến đối tượng: Vi mạch điện tử: là một đối tượng giữ vai trò trung tâm trong việc liên kết và xử lý tín hiệu từ các đối tượng khác Trong đề tài có 1 board mạch chính là Arduino, board này được thiết kế và thi công từ các linh kiện điện tử đã có sẵn ngoài thị trường như: điện trở, tụ điện, các IC số,…v…v… với sự điều khiển trung tâm là vi điều khiển Board này khi nhận tín hiệu từ cảm biến sẽ điều khiển nhiệm vụ được lập trình từ trước Đối với hệ thống báo cháy thông qua SMS khi nhận được tín hiệu từ cảm biến, board sẽ điều khiển phát câu thông báo cháy được ghi sẵn trong câu lệnh

Tổng đài điện thoại giữ vai trò quyết định đường truyền tín hiệu, mọi tín hiệu sẽ được truyền trên đường dây điện thoại theo phương thức truyền quy ước của tổng đài

và sự cho phép của tổng đài

2.2 Dàn ý, phương tiện và phương án thực hiện:

2.2.1 Dàn ý :

Từ những lập luận trên, nhóm thực hiện tiến hành xây dựng đồ án với những nội dung dàn ý như sau:

Phần viết báo cáo gồm các nội dung chính:

 Mô hình, sơ đồ khối và phương án thiết kế

 Lý thuyết thiết kế

 Thiết kế phần cứng

 Thiết kế phần mềm

 Tóm tắt – Kết luận – Đề nghị và hướng phát triển đề tài

Phần thi công mô hình và mạch điện gồm:

 Thi công tất cả các mạch điện trong đồ án

5

2.2.2 Phương tiện và phương án thực hiện:

Nhóm thực hiện xây dựng phương án tiến hành công việc dựa trên những phương tiện vật chất sẵn có (máy vi tính, các dụng cụ làm mạch điện) như sau:

 Giai đoạn 1:

Tìm hiểu về các hệ thống báo trộm, báo cháy, đóng mở cửa sử dụng mật mã, đo

và hiển thị ngôi nhà cục bộ rồi đưa ra mô hình dự kiến về thiết bị điều khiển và giám sát ngôi nhà thông minh qua mạng điện thoại, từ đó lựa chọn ra kiểu mẫu phù hợp nhất với khả năng để thực hiện Sau đó, trình lên giáo viên hướng dẫn duyệt

 Giai đoạn 2:

Sau khi đưa ra được mô hình dự kiến, được giáo viên hướng dẫn đồng ý, nhóm tiến hành thực hiện từng phần của mô hình đó là :

1 Thiết kế, thi công mạch điện

2 Viết chương trình và cho chạy thử nghiệm

 Chạy thử nghiêm và khắc phục sai xót: từ 20/05/2015 đến 26/05/2015

 Làm báo cáo lý thuyết: từ 03/02/2015 đến 26/05/2015

6

CHƯƠNG 3: TỔNG QUÁT VỀ NGÔI NHÀ THÔNG MINH

3.1 Khái niệm về hệ thống ngôi nhà thông minh

Ngôi nhà thông minh là ngôi nhà có các điều kiện kỹ thuật đảm bảo cuộc sống tốt nhất của con người, được tự động bảo đảm các chỉ tiêu kỹ thuật theo mong muốn của người sử dụng Ngôi nhà thông minh khác với ngô nhà bình thường ở chỗ nó là một quá trình tích hợp của các hệ thống như hệ thống điều khiển và giám sát môi trường : hệ thống điều khiển đảm bảo nhiệt độ, hệ thống đảm bảo ánh sáng, mạch đóng ngắt, điều khiển cửa ra vào, giám sát cảnh báo cháy thành một hệ thống mạng thống nhất

Albert Einstein chỉ dùng 1 tủ quần áo rất bé để bớt phí thời gian nghĩ về việc

mình phải mặc gì Đơn giản hóa cuộc sống giúp ông có thêm thời gian và năng lượng

để tập trung cho công việc của mình Tự động hóa nhà cửa cũng đi theo hướng đó Nó đơn giản hóa cuộc sống cho bạn bằng cách chuyển những việc nhàm chán, lặp lại từ tay bạn sang cho hệ thống điều khiển của chính ngôi nhà ấy Với một ngôi nhà “thông minh” hơn, bạn có thể tập trung sức lực và thời gian cho những người, những việc có

ý nghĩa với mình hơn

Nhiệm vụ của ngôi nhà thông minh:

 Đóng mở cửa tự động khi có người ra vào

 Bật đèn khi có người sử dụng hoặc tắt đèn khi không ai sử dụng

 Tự động phát hiện ra cháy một cách nhanh chóng, chính xác và kịp thời trong vùng

hệ thống đang bảo vệ, tự động phát ra các tín hiệu báo động, chỉ thị và các tín hiệu điều khiển các thiết bị ngoại vi của hệ thống báo cháy tự động nhằm thực hiện một nhiệm vụ cụ thể như nhắn tin hoặc gọi điện thoại cho chủ nhà

 Điều chỉnh nhiệt độ trong phòng theo mức đã được đặt trước bởi chủ nhà v.v

3.2.2 Chỉ tiêu về thông gió

Đảm bảo lượng gió vừa đủ , tốc độ gió phù hợp với yêu cầu chung Ngoài ra lượng gió và tốc độ gió có thể được thay đổi tùy theo yêu cầu của người sử dụng Hệ thống tự động nhận biết nhiệt độ trong nhà điều chỉnh phù hợp với khí hậu từng môi trường, tránh tình trạng khi ra vào nhà với 2 nhiệt độ khác xa nhau, gây bệnh cho người

3.2.3 Chỉ tiêu về nhiệt độ

Nhiệt độ trong nhà cũng có thể thay đổi được tùy theo sở thích của mỗi người thông qua hệ thống điều khiển từ xa Phải có thiết bị cảnh báo và phòng chống khi nhiệt độ quá cao, như thiết bị báo cháy , còi báo động

3.2.4 Chỉ tiêu về an toàn

Cần đảm bảo việc phát hiện và cảnh báo khi có người lạ xâm nhập, như phát qua còi báo động, bật đèn, tự động liên hệ với chủ nhà, tự động đóng kín các cửa ra vào Cần đảm bảo an toàn về độ bền, tùy theo từng vùng mà cảnh báo về độ bền của ngôi nhà khi có bão hoặc gặp hỏa hạn

3.3 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ THỐNG NHÀ THÔNG MINH

Một hệ thống nhà thông minh tiêu biểu sẽ có 3 thành phần như sau:

 Bộ xử lý trung tâm

Được thiết kế dạng tủ, bao gồm các thiết bị chính : một board Arduino, các mạch xử

lý, một bộ nguồn chính và một bộ nguồn dự phòng

8

 Thiết bị đầu vào

- Đầu báo: báo nhiệt, báo gas, báo mƣa

- Cảm biến siêu âm, cảm biến PIR

- Cửa ra vào, cửa gara

- Màn hình LCD 16x2 hiển thị mã Password nhập vào và thông báo

- Bộ quay số điện thoại tự động module sim 900a

3.4 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG

Sơ đồ khối của hệ thống nhà thông minh

NHẬP

PASSWORD

ĐIẾU KHIỂN NGOẠI VI (GSM)

LCD

XỬ LÝ

SỰ CỐ

11

CHƯƠNG 4: CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG

4.1 ARDUINO MEGA 2560

4.1.1 Giới thiệu chung về Arduino

Arduino thật sự đã gây sóng gió trên thị trường cho mảng người dùng tự chế ra sản phẩm riêng của mình trên thế giới trong vài năm gần đây Sự phát triển của

Arduino được ví giống sự thành công cùa điện thoại thông minh Apple trong thị

trường thiết bị số Số lượng người dùng lớn và số lượng các ứng dụng được phát triển

từ Arduino cao đã làm cho ngay cả những người sáng lập ra cũng ngạc nhiên

Hình 4.1: Ảnh bo mạch Arduino đời đầu sử dụng cổng RS232

Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những nhiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các

12

robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++ Vào thời điểm đó các sinh viên sử dụng một "BASIC Stamp" (con tem Cơ Bản) có giá khoảng $100, xem như giá dành cho sinh viên Massimo Banzi, một trong những người sáng lập, giảng dạy tại Ivrea Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt Bản thân quán bar này

có được lấy tên là Arduino, Bá tước của Ivrea, và là vua của Italy từ năm 1002 đến

1014

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Giá của các board Arduino giao động xung quanh €20, hoặc $27 Các board Arduino có thể được đặt hàng ở dạng được lắp sẵn hoặc dưới dạng các kit tự-làm-lấy Thông tin thiết kế phần cứng được cung cấp công khai để những ai muốn tự làm một mạch Arduino bằng tay có thể tự mình thực hiện được (mã nguồn mở) Người ta ước tính khoảng giữa năm 2011 có trên 300 ngàn mạch Arduino chính thức đã được sản xuất thương mại, và vào năm 2013 có khoảng 700 ngàn mạch chính thức đã được đưa tới tay người dùng

4.1.2 Giới thiệu về board Arduino Mega 2560

13

Arduino Mega 2560 là một bo mạch đƣợc thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điều khiển công suất thấp 8-bit CMOS AVR Atmega2560 Có 54 ngõ vào/ra số, 16 ngõ vào analog, thạch anh 16 MHz , kết nối USB, 1 jack cắm điện, header ICSP, và một nút reset Nó

cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ các vi điều khiển, chỉ cần kết nối với máy tính bằng cáp USB hoặc một adapter AC-DC hoặc pin

Hình 4.2: Board Arduino Mega 2560

Bảng 1: Các thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560

Phạm vi nhiệt độ hoạt động - đến

Số ngõ vào/ra dạng tín hiện số 54

Dòng điện DC trong mỗi chân vào/ra số 40 mA

14

4.1.3 Vi điều khiển Atmega2560

Hình 4.3: Sơ đồ vi điều khiển Atmega2560

15

4.1.3 Sơ đồ khối

Hình 4.4 : Sơ đồ khối của Arduino Mega 2560

16

4.1.4 Tổ chức bộ nhớ

ATmega2560 có bộ nhớ 256 KB để chứa mã lập trình (trong đó 8 KB đƣợc sử dụng để nạp khởi động), EEPROM 4 KB, SRAM 8 KB có thể đƣợc đọc và viết với thƣ viện EEPROM

Hình 4.5: Sơ đồ khối cấu trúc của AVR

Chức năng một số chân tại vùng cấp nguồn :

 VIN: điện áp đầu vào Arduino

 5V: Nguồn quy định cho vi điều khiển và các thành phần khác trên board

 3V3 : Điện áp ngõ ra 3.3V Dòng điện là 50 mA

 GND: chân được nối đất

 AREF: điện áp tham chiếu cho ngõ vào tương tự

4.1.6 Các cổng vào ra

Arduino Mega có 54 ngõ vào/ra tín hiệu số sử dụng như một ngõ vào hoặc ngõ

ra, trong đó có 15 ngõ có thể xuất xung PWM Mỗi ngõ vào/ra hoạt động ở 5V và

có điện trở nội kéo lên (mặc định ban đầu là chưa hoạt động) Mỗi ngõ vào/ra có thể cung cấp hoặc nhận được tối đa 40 mA

 Serial: 0 (RX) and 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) and 18 (TX); Serial 2: 17 (RX) and 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) and 14 (TX) Được sử dụng để nhận (RX) và truyền (TX) TTL dữ liệu nối tiếp

 PWM: từ chân số 0 đến 13 cung cấp 8-bit đầu ra PWM dung lệnh analogWrite ()

 SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS) Những hỗ trợ chân SPI truyền thông bằng cách sử dụng thư viện SPI

4.1.8 USB bảo vệ quá dòng

Arduino đƣợc trang bị các cầu chì điện tử resettable polyfuse - một linh kiện điện tử thụ động chống quá dòng để bảo vệ cổng USB của máy tính của bạn khi quá dòng Mặc dù hầu hết các máy tính cung cấp bảo vệ bên trong nhƣng cầu chì cung cấp thêm một lớp bảo vệ nữa Nếu dòng điện hơn 500mA đi vào vào cổng USB các cầu chì sẽ tự động ngắt dòng điện

4.2 LCD 16X2

LCD có rất nhiều ƣu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đƣa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẻ…

Sơ đồ chân của LCD:

21

Hình 4.8: Sơ đồ kết nối của bàn phím ma trận 4x4

4.4 MODULE CẢM BIẾN SIÊU ÂM HC-SRF05

Hình 4.9: Hình ảnh của cảm biến siêu âm SRF-05

Tín hiệu đầu vào Trigger Xung 10uS TTL

Tín hiệu đầu ra Echo Mức tín hiệu đầu vào TTL

Bảng 3: Thông số kỹ thuật của SRF-05

Biểu đồ xung

Hình 4.10: Biểu đồ xung SRF-05

Ta chỉ cần cung cấp một xung ngắn 10uS vào trigger để bắt đầu, sau đó các

module sẽ gửi ra một chuỗi 8 chu kỳ sóng siêu âm ở 40 kHz và tăng cường tín hiệu của nó Echo là một đối tượng tính khoảng cách đo độ rộng xung và phạm vi theo

 Phạm vi khoảng cách = thời gian * vận tốc (340m/s) / 2

4.5 CẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG PIR

4.5.1 Khái niệm cảm biến PIR

PIR là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (IR) chính

là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát

ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện

để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật

24

Hình 4.11: Đầu dò PIR D203B và lăng kính Fresnel

Trên đây là đầu dò PIR bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, có 3 chân ra : một chân

nối đất GND, một chân nối nguồn từ 3-15VDC, một chân xuất tín hiệu Góc dò của

cảm biến lớn, để tăng độ nhạy cho đầu dò thì dùng kính Fresnel và còn có tác dụng

ngăn tia tử ngoại

4.5.2 Nguyên lý làm việc

Các nguồn nhiệt (với người và động vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia

hồng ngoại, qua kính Fresnel sẽ lọc để chỉ lấy tia hồng ngoại, tia hồng ngoại đó sẽ

được xử lý bằng 2 cảm biến hồng ngoại gắn trên đầu dò và điện áp được khuếch

đại nhờ transistor FET Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến hồng

ngoại này sẽ xuất hiện 2 tín hiệu và các tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên

độ đủ cao để đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo

động

25

Hình 4.12: Sơ đồ hoạt động của cảm biến PIR

4.6 MODULE CẢM BIẾN MƢA

Hình 4.13: Hình ảnh thực tế của cảm biến mưa

Mạch cảm biến mƣa gồm 2 bộ phận:

 Bộ phận cảm biến mƣa đƣợc gắn ngoài trời

Khi cảm biến khô ráo (trời không mưa), chân D0 của module cảm biến sẽ được giữ

ở mức cao (5V-12V) Khi có nước trên bề mặt cảm biến (trời mưa), đèn LED màu

đỏ sẽ sáng lên, chân D0 được kéo xuống thấp (0V)

Hình 4.14: Sơ đồ cấu tạo của module cảm biến mưa

nghệ TDMA (Time Division Multiple Access " - Phân chia các truy cập theo thời gian).Đây là công nghệ cho phép 7 máy di động có thể sử dụng chung 1 kênh để đàm thoại , mỗi máy sẽ sử dụng 1/8 khe thời gian để truyền và nhận thông tin

4.7.1.2 Lịch sử phát triển của GSM

Vào đầu những năm 1980 tại châu Âu người ta phát triển một mạng điện thoại di động chỉ sử dụng trong một vài khu vực Sau đó vào năm 1982 nó được chuẩn hoá bởi (CEPT : European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) và tạo ra Groupe Special Mobile (GSM) với mục đích sử dụng chung cho toàn Châu Âu Mạng điện thoại di động sử dụng công nghệ GSM được xây dựng và đưa vào sử dụng đầu tiên bởi nhà khai thác Radiolinja ở Finland Vào năm 1989 công việc quản lý tiêu chuẩn và phát triển mạng GSM được chuyển cho viện viễn thông châu Âu

(European Telecommunications Standards Institute (ETSI)), các tiêu chuẩn, đặc tính của công nghệ GSM được công bố vào năm 1990 Đến cuối năm 1993 đã có hơn 1 triệu thuê bao sử dụng mạng GSM của 70 nhà cung cấp dịch vụ trên 48 quốc gia

4.7.1.3 Cấu trúc mạng di động