Báo cáo thực tập cơ sở thiết kế, chế tạo mạch điều khiển từ xa thiết bị thông qua bluetooth

KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode.VCC chân này có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V bên trong module đã có một ic nguồn chuyển về điện áp 3.3V và cấp cho IC BC417

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu sản phẩm: 4

1.2 Lựa chọn các linh kiện: 4

Chương 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 5

2.1 Sơ đồ khối 5

2.2 Sơ đồ nguyên lý 5

2.3 Các IC và linh kiện sử dụng trong mạch 6

2.3.1 ATmega 8 6

2.3.2 Bluetooth HC05 14

2.3.3 ULN 2803 16

2.3.4 Relay 5 chân 17

2.4 Nguyên lý và tác dụng linh kiện 18

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH VÀ THIẾT KẾ MẠCH IN 21

3.1 Viết chương trình trên trình biên dịch AVR Studio 21

3.2 Thiết kế mạch in trên Orcad 26

3.2.1 Vẽ nguyên lý orcad capture 26

3.2.2 Thiết kế mạch in ORCAD LAYOUT 32

3.2.3 Kết quả mạch in thực tế 36

Chương 4: QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẠCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦ CÔNG 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu sản phẩm:

Ngày nay, xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày càng hiện đại nên nhu cầu về trao đổi thông tin giải trí, nhu cầu về điều khiển các thiết bị từ

xa, ngày càng cao Và những hệ thống dây cáp phức tạp lại không thể đáp ứng nhu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, những nơi xa xôi, trên các phương tiện vận chuyển,…Vì vậy công nghệ không dây đã ra đời và phát triển mạnh mẽ, tạo rất nhiều thuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày

Trong những năm gần đây công nghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt là các hệ thống thông minh Hiện nay, có khá nhiều công nghệ không truyền nhận dữ liệu không dây như

RF, Wifi, Bluetooth, NFC,…Trong đó, Bluetooth là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn được cải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật

Trên thị trường Việt Nam hiện nay chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số những sản phẩm hiện có đều là nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao Việc nghiên cứu và thiết kế một bộ sản phẩm điều khiển thiết bị không dây có một ý nghĩa lớn, giúp tăng thêm sự lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm được sản xuất trong nước nên giá thành rẻ và góp phần phát triển các hệ thống điều khiển thông minh

Do đó, nhóm quyết định thực hiện đề tài: “Mạch điều khiển từ xa các thiết bị qua Bluetooth” Đề tài ứng dụng công nghệ Bluetooth phổ biến trên nhiều thiết bị, đặc biệt điểm mới của đề tài so với các sản phẩm hiện có là điều khiển thông qua hệ điều hành Android giúp tận dụng những thiết bị sử dụng hệ điều hành Android có sẵn của người dùng giúp giảm giá thành sản phẩm, ngoài ra với màn hình hiển thị lớn của điện thoại cho phép hiển thị nhiều thông tin hơn

1.2 Lựa chọn các linh kiện:

Để thực hiện một sản phẩm như trên ở quy mô nhỏ ta có thể sử dụng các

họ vi điều khiển khác nhau như AVR, PIC, 8051 hay vi xử lý đa năng như

8086 Tuy nhiên, để tiết kiệm chi phí cũng như xét trên khả năng mua các chip trên trên thị trường, tài liệu nghiên cứu về chúng, bộ Kit phát triển,

nhóm em đã lựa chọn ATmega 8 làm vi điều khiển cho mạch điều khiển

này Ngoài ra, các linh kiện khác hoàn toàn dễ kiếm trên thị trường hiện nay

Chương 2: PHÂN TÍCH THIẾT KẾ 2.1 Sơ đồ khối

Hình 1: Sơ đồ khối mạch điều khiển

2.2 Sơ đồ nguyên lý

Hình 4: Sơ đồ khối ATmega 8

ATMega 8 đóng gói dạng PDIP28 chân.Trong đó có 23chân I/O (in put/out put) chia thành 3 Port: B,C,D; Mỗi một chân có thể đảm nhận nhiều vai trò Cụ thể nhƣ sau:

VCC (chân 7): Chân điện áp

XTAL2: Chân 2 dao động tạo clock Sử dụng chân clock thạch anh,hoặc dao

độngthạch anh tần số thấp Khi dùng chân làm dao động thì không thể làm chân

nhập xuất đƣợc nữa

TOSC2: Chân 2 là dao dộng Timer Nếu PB7 đƣợc dùng làm clock pin,

DDB7,PORTB7 and PINB7 sẽ sẽ hiều là mức 0

XTAL1/TOSC1 – Port B, Bit 6

XTAL1: Chip clock Oscillator pin

TOSC1: Timer Oscillator pin 1

Nếu PB6 dùng làm chân clock, DDB6, PORTB6 and PINB6 sẽ hiều là mức 0

Hình 5: Chức năng Port B

SCK – Port B, Bit 5

SCK: Master Clock output, Slave Clock input pin for SPI channel Khi SPI đƣợc kích

hoạtlà Slave, chân này đƣợc cấu hình là 1 chân ngõ vào bất chấp sự điều chỉnh

từ DDB5

MISO – Port B, Bit 4

MISO: Master Data input, Slave Data output pin for SPI channel Khi SPI đƣợc kích

hoạtlà Master, chân này đƣợc cấu hình là 1 chân ngõ vào bất chấp sự điều chỉnh

từ DDB4

MOSI/OC2 – Port B, Bit 3

MOSI: SPI Master Data output, Slave Data input for SPI channel Khi SPI được kích hoạtlà Slave, chân này được cấu hình là 1 chân ngõ vào bất chấp sự điều chỉnh từ DDB3 KhiSPI được kích hoạt là Master, dữ liệu trực tiếp của chân này được điều khiển bởi DDB3

SS/OC1B – Port B, Bit 2

SS: Slave Select ngõ vào Khi SPI được kích hoạt là Slave, chân này được cấu hình là 1chân ngõ vào bất chấp sự điều chỉnh từ DDB2

OC1A – Port B, Bit 1

OC1A, Output Compare Match output:Chân PB1 có thể xử lý như 1 ngõ ra bên ngoài Timer/Counter1 Compare Match A

ICP1 – Port B, Bit 0

ICP1 –chân giữ(chốt) ngõ vào : Chân PB0 có thể tác động làm 1 chân giữ

choTimer/Counter1

• PortC( PC6…PC0)

RESET – Port C, Bit 6RESET, Reset pin: Khi cầu chì RSTDISBL đã lập trình, chức năng của chân này là vào ra binh thường, và 1 phần sẽ phải dựa vào Power-

on Reset và Brown-out Reset như là nguồn reset của nó Nếu chân PC6 dùng là

chân reset , DDC6, PORTC6 và PINC6 sẽ hiều là mức 0

Hình 6: Chức năng Port C

SCL/ADC5 – Port C, Bit

5SCL, giao diện nối tiếp hai dây Xung nhịp: Khi bit TWEN trong TWCR set (one) để bậtgiao diện nối tiếp hai dây, pin PC5 bị ngắt từ port và trở thành chân Serial Clock

I/O choTwo-wire Serial Interface

SDA/ADC4 – Port C, Bit 4

SDA, Two-wire Serial Interface Data: When the TWEN bit in TWCR is set (one) to enablethe Two-wire Serial Interface, pin PC4 is disconnected from the port and

becomes theSerial Data I/O pin for the Two-wire Serial Interface

ADC3 – Port C, Bit 3

PC3 cũng có thể dùng là ADC input Channel 3 Chú ý là ADC input channel 3 dùng nguồnxoay chiều

ADC2 – Port C, Bit 2

PC2 cũng có thể dùng là ADC input Channel 2 Chú ý là ADC input channel 2 dùng nguồnxoay chiều

ADC1 – Port C, Bit 1

PC1 cũng có thể dùng là ADC input Channel 1 Chú ý là ADC input channel 1 dùng nguồnxoay chiều

ADC0 – Port C, Bit 0

PC0 cũng có thể dùng là ADC input Channel 0 Chú ý là ADC input channel 0 dùng nguồn xoay chiều

 PortD (PD7-PD0)

Hình 7: Chức năng Port D

AIN1 – Port D, Bit 7

AIN1,bộ so sánh tương tự thụ động ngõ vào Cấu hình chân của port là nhập vào

với ngắt pull-up bên trong để tránh nhiễu từ port số với chức năng của bộ so sánh

tương tự

AIN0 – Port D, Bit 6

AIN0,Bộ so sánh tương tự ngõ vao tích cực Cấu hình chân của port là nhập vào

với ngắt pull-up bên trong để tránh nhiễu từ port số với chức năng của bộ so sánh

tương tự

T1 – Port D, Bit 5

XCK/T0 – Port D, Bit 4

XCK, USART xung nhịp ngoài T0, số lƣợng mã nguồn Timer/Counter0

INT1 – Port D, Bit 3

INT1, Ngắt nguồn bên ngoài 1: Chân PD3 có thể làm chức năng nhƣ 1 nguồn ngắt

ngoài

INT0 – Port D, Bit 2

INT0, Ngắt nguồn bên ngoài 0: Chân PD2 có thể làm chức năng nhƣ 1 nguồn ngắt

Mô tả thanh ghi của port I/O

The Port B Data Register – PORTB

The Port B Data Direction Register – DDRB

The Port B Input Pins Address – PINB

The Port C Data Register – PORTC

The Port C Data Direction Register – DDRC

The Port C Input Pins Address – PINC

The Port D Data Register – PORTD

The Port D Data Direction Register – DDRD

The Port D Input Pins Address – PIND

Tóm lại:

 Để đọc dữ liệu từ ngoài thì ta phải thực hiện các bước sau:

 Đưa dữ liệu ra thanh ghi điều khiển DDRxn để đặt cho PORTx (hoặc bit

n trong port) đó là đầu vào (xóa thanh ghi DDRx hoặc bit)

 Sau đó kích hoạt điện trở pull-up bằng cách set thanh ghi PORTx ( bit)

 Cuối cùng đọc dữ liệu từ địa chỉ PINxn (trong đó x: là cổng và n là bit)

 Để đưa dữ liệu từ vi điều khiển ra các cổng cũng có các bước hoàn toàn

tương tự Banđầu ta cũng phải định nghĩa đó là cổng ra bằng cách set bit

tương ứng của cổng đó….vàsau đó là ghi dữ liệu ra bit tương ứng của thanh ghi PORTx

2.3.2 Bluetooth HC05

Bluetooth là chuẩn truyền thông không dây để trao đổi dữ liệu ở khoảng cách ngắn.Chuẩn truyền thông này sử dụng sóng radio ngắn(UHF radio) trong dải tần số ISM (2.4 tới 2.485 GHz) Khoảng cách truyền của module này vào khoảng 10m Module HC-05 được thiết kế dựa trên chip BC417 Con chip này khá phức tạp và

sử dụng bộ nhớ flash ngoài 8Mbit Nhưng việc sử dụng module này hoàn toàn đơn giản bởi nhà sản xuất đã tích hợp mọi thứ cho bạn trên module HC-05

Hình 8: Sơ đồ chân HC05

KEY: Chân này để chọn chế độ hoạt động AT Mode hoặc Data Mode.VCC chân này

có thể cấp nguồn từ 3.6V đến 6V bên trong module đã có một ic nguồn chuyển về điện

áp 3.3V và cấp cho IC BC417

GND: nốivới chân nguồn GND

TXD,RND: đây là hai chân UART để giao tiếp module hoạt động ở mức logic 3.3V STATE: các bạn chỉ cần thả nổi và không cần quan tâm đến chân này

HC-05 có hai chế độ hoạt động là Command Mode và Data Mode Ở chế độ Command Mode ta có thể giao tiếp với module thông qua cổng serial trên module bằng tập lệnh AT quen thuộc Ở chế độ Data Mode module có thể truyền nhận dữ liệu tới module bluetooth khác Chân KEY dùng để chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ này

Có hai cách để bạn có thể chuyển module hoạt động trong chế độ Data Mode (đọc tài liệu Tiếng Việt trên một số Web thấy chỗ này thường bị viết sai)

Nếu đưa chân này lên mức logic cao trước khi cấp nguồn module sẽ đưa vào chế độ Command Mode với baudrate mặc định 38400 Chế độ này khá hữu ích khi bạn không biết baudrate trong module được thiết lập ở tốc độ bao nhiêu Khi chuyển sang chế độ này đèn led trên module sẽ nháy chậm (khoảng 2s) và ngược lại khi chân KEY nối với mức logic thấp trước khi cấp nguồn module sẽ hoạt động chế độ Data Mode

Nếu module đang hoạt động ở chế Data Mode để có thể đưa module vào hoạt động ở chế độ Command Mode bạn đưa chân KEY lên mức cao Lúc này module sẽ vào chế độ Command Mode nhưng với tốc độ Baud Rate được bạn thiết lập lần cuối cùng Vì thế bạn phải biết baudrate hiện tại của thiết bị để có thể tương tác được với

nó Chú ý nếu module của bạn chưa thiết lập lại lần nào thì mặc định của nó như sau:

 Baudrate 9600, data 8 bits, stop bits 1, parity : none, handshake: none

 Passkey: 1234

 Device Name: HC-05

Ở chế độ Data Mode HC-05 có thể hoạt động như một master hoặc slave tùy vào việc bạn cấu hình (riêng HC-06 bạn chỉ có thể cấu hình ở chế độ SLAVE)

Ở chế độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth

để dò tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234 Sau khi pair thành công, bạn đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600

Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1

module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop ) và tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone

Tập lệnh AT

AT: Lệnh test, nó sẽ trả về OK nếu module đã hoạt động ở Command Mode

AT+VERSION? :trả về firmware hiện tại của module

AT+UART=9600,0,0 ( thiết lập baudrate 9600,1 bit stop, no parity)

Các lệnh ở chế độ Master:

AT+RMAAD : ngắt kết nối với các thiết bị đã ghép

AT+ROLE=1 : đặt là module ở master

AT+RESET: reset lại thiết bị

AT+CMODE=0: Cho phép kết nối với bất kì địa chỉ nào

AT+INQM=0,5,5: Dừng tìm kiếm thiết bị khi đã tìm đƣợc 5 thiết bị hoặc sau 5s

AT+PSWD=1234 Set Pin cho thiết bị

AT+INQ: Bắt đầu tìm kiếm thiết bị để ghép nối

Sau lệnh này một loạt các thiết bị tìm thấy đƣợc hiện thị Định ra kết quả sau lệnh này nhƣ sau:

INQ:address,type,signal

Phần địa chỉ (address) sẽ có định dạng nhƣ sau: 0123:4:567890 Để sử dụng địa chỉ này trong các lệnh tiếp theo ta phải thay dấu “:” thành “,” 0123:4:567890 ->

0123,4,5678

AT+PAIR=<address>,<timeout> : Đặt timeout(s) khi kết nối với 1 địa chỉ slave

AT+LINK=<address> Kết nối với slave

Các lệnh ở chế độ Slave:

AT+ORGL: Reset lại cài đặt mặc định

AT+RMAAD: Xóa mọi thiết bị đã ghép nối

Hình 9: Sơ đồ chân của ULN2803

Hình 10: Sơ đồ mắc darlington vào ra của ULN2803

2.3.4 Relay 5 chân

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người

Hình 11: Nguyên lý relay 5 chân

2.4 Nguyên lý và tác dụng linh kiện

Mạch hoạt động dựa trên nguyến lý truyền thông nối tiếp không đồng bộ của VĐK ATmega 8 thông qua module Bluetooth HC05 Khi nhận đƣợc tín hiệu điều khiển, VĐK tiến hành thay đổi trạng thái của của đầu ra PC5 đến PC1 qua IC ULN

2803 để điều khiển relay ( khóa K) để bật tắt thiết bị điện

Module bluetooth HC05 dùng để thiết lập kết nối Serial giữa 2 thiết bị bằng sóng bluetooth Điểm đặc biệt của module bluetooth HC-05 là module có thể hoạt động đƣợc ở 2 chế độ: MASTER hoặc SLAVE

Ở chê độ SLAVE: bạn cần thiết lập kết nối từ smartphone, laptop, usb bluetooth

để dò tìm module sau đó pair với mã PIN là 1234 Sau khi pair thành công, bạn đã có 1 cổng serial từ xa hoạt động ở baud rate 9600

Ở chế độ MASTER: module sẽ tự động dò tìm thiết bị bluetooth khác (1

module bluetooth HC-06, usb bluetooth, bluetooth của laptop ) và tiến hành pair chủ động mà không cần thiết lập gì từ máy tính hoặc smartphone

Nguồn cung cấp cho module bluetooth là nguồn từ 3.6V đến 6V Ngoài ra module tương thích với các vi điều khiển 5V mà không cần chuyển đổi mức giao tiếp 5V về 3.3V

Là linh kiện trung gian có chức năng nâng dòng giúp vi điều khiển điều khiển Relay,thiết bị điện

ULN 2803

ULN 2803 hoạt động theo nguyên tắc mạch Darlington :

Gồm 2 transistor mắc nối tiếp với nhau, cực E của transistor 1 được nối vào cực

B của Transistor 2 Lợi ích của việc ghép nối này là gia tăng hệ số khuyếch đại của mạch

Hình 12: Nguyên lý ULN 2803

Dòng Ie của transistor thứ nhất được đưa vào làm dòng Ib của transistor thứ Nhờ vậy, dòng điện thay vì được khuếch đại lên β lần thì bây giờ được khuếch đại β1 rồi lại được khuếch đại β2 lần Như vậy hai transistor ghép Darlington sẽ tương tự như

1 trans duy nhất có:

 Tổng trở vào lớn

 Tổng trở ra nhỏ

 Điện áp phân cực đầu vào tăng gần gấp đôi

*Lưu ý trong mạch : Điện áp đầu vào IC ở mức cao sẽ cho điện áp đầu ra ở mức thấp

và ngược lại

Tụ gốm -tụ hóa

Sử dụng trong khối cấp nguồn để lọc phẳng tín hiệu

Điện trở

điện trở 10K nối chân reset của vi điều khiển với nguồn với chức năng bảo vệ

Điện trở 330ohmcó chức năng bảo vệ LED

Relay

Relay là một công tắc (Khóa K) dùng đóng ngắt điện cơ đơn giản, kích hoạt bằng điện thay tay người Trong mạch ta sử dụng relay với mục đích đóng ngắt các thiết bị điện theo yêu cầu

 Điện áp điều khiển: 5V

 Dòng điện cực đại: 10A

 Thời gian tác động: 10ms

 Thời gian nhả hãm: 5ms

 Nhiệt độ hoạt động: -45oC ~ 75oC

Nó gồm 2 phần chính là cuộn hút và các tiếp điểm Cấu tạo của relay được mô tả trong hình

Chương 3: CHƯƠNG TRÌNH VÀ THIẾT KẾ MẠCH IN

3.1 Viết chương trình trên trình biên dịch AVR Studio

Chương trình cho vi điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C thông qua trình biên dịch AVR Studio 4

Hình 13 : Giao diện làm việc AVR Studio 4

#define FOSC 8000000UL

#define LED1_OFF PORTC &= ~LED_1

#define LED1_ON PORTC |= LED_1

#define LED2_OFF PORTC &= ~LED_2

#define LED2_ON PORTC |= LED_2

#define LED3_OFF PORTC &= ~LED_3

#define LED3_ON PORTC |= LED_3

#define LED4_OFF PORTC &= ~LED_4

#define LED4_ON PORTC |= LED_4

#define LED5_OFF PORTC &= ~LED_5

#define LED5_ON PORTC |= LED_5

static char bludata;

void USART_Init( unsigned int ubrr)

{

UBRRH = (unsigned char)(ubrr>>8);