Mạch cảm biến phát hiện người ra vào cửa
Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội Viện Điện Tử Viễn Thông ======o0o====== BÁO CÁO ĐỒ ÁN II Đề tài: Mạch cảm biến phát người vào cửa Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Nhóm Hà Nội, 4/2016 Đồ án – Nhóm Mục lục Page Đồ án – Nhóm Danh mục hình ảnh CHƯƠNG Tổng quan MSP430 1.1 Giới thiệu - Là dòng vi điều khiển 16 bit Texas Instrument, kiến trúc RISC thiết kế cho ứng dụng yêu cầu lượng thấp, 0.1uA nuôi RAM 0.8uA cho clock - Sử dụng nguồn 1.8v – 3.6v, tích hợp nhiều ngoại vi, dễ sử dụng - Bộ tương tự hiệu suất cao cho phép đo xác 1.2 Về vi điều khiển MSP430G2553 Chip MSP430G2553 có kích thước nhỏ gọn, với 20 chân đóng gói kiểu DIP Trong 20 chân bao gồm: - Chân nguồn đất DVCC DVSS Nguồn cung cấp nằm khoảng 1.83.6v, thiết cần sử dụng IC ổn áp - Port 1: Từ P1.0 đến P1.7 làm chức I/O thông thường - Port 2: Từ P2.0 đến P2.7 làm chức I/) thông thường Ngoài chức I/O thông thường, chân kèm theo chức khác hình vẽ Page Đồ án – Nhóm Hình 1: Sơ đồ chân MSP430 1.3 Cấu trúc nhớ MSP430 thiết kế theo cấu trúc Von-Neumann có vùng địa chia thành nhiều vùng ghi hàm đặc biệt ( SFRs), ngoại vi, RAM, nhớ Flash/ROM 1.3.1 Flash/ROM Địa bắt đầu Flash/ROM phụ thuộc vào độ lớn Flash/ROM tùy thuộc vào họ vi điều khiển Địa kết thúc Flash/ROM 0x1FFFFh Flash/ROM sử dụng cho mã chương trình liệu Page Đồ án – Nhóm Hình 2: Bộ nhớ MSP430G2553 1.3.2 RAM RAM bắt đầu địa 0200h giới hạn cuối tùy thuộc vào kích thước RAM RAM sử dụng cho mã chương trình liệu Dòng vi điều khiển G2553 có nhớ RAM 515 Bytes a Peripheral Module: 16 bit định địa từ 0100h – 01FFh, truy cập word, truy cập byte byte cao luôn Ngoại vi 8bit từ 10h đến FFh truy cập byte b SFRs: 16 byte từ 0h đến 16h 1.4 Các ghi MSP430 có 16 ghi 16 bit, có ghi đặc biệt Công dụng ghi sau: Page Đồ án – Nhóm - Thanh ghi PC: đếm chương trình, chứa địa câu lệnh - Thanh ghi SP, SR: Chứa cờ C, N, Z, V,… - Thanh ghi CG: Chứa số - 12 ghi bản: từ R4 đến R15: Thực mục đích lưu trữ liệu chương trình Hình 3: Sơ đồ ghi MSP430 1.5 Hệ thống Reset, ngắt chế độ hoạt động 1.5.1 Hệ thống Reset khởi động Có hệ thống POR (Power on Reset) PUC (Power UP Clear) POR sinh kiện sau: - Cấp nguồn cho thiết bị Tín hiệu chân ~RST/NMI xuống mức thấp Page Đồ án – Nhóm - SVS mức thấp PORON = PUC sinh POR sinh, không xảy ngược lại Các kiện sau sinh PUC: - POR sinh WDT hết hiệu lực Chốt an toàn WDT Flash memory bị vi phạm Hình 4: Sơ đồ mạch khởi động reset bên MSP430 Page Đồ án – Nhóm 1.5.2 Hệ thống ngắt Hình 5: Các loại ngắt MSP430 Có loại ngắt MSP430: Ngắt hệ thống, non-maskable NMI, maskable CHƯƠNG UART MSP430 2.1 Giới thiệu UART UART - Universal Asynchronous Receive/Transmit - Là giao tiếp truyền nhận liệu không đồng Là giao thức truyền thông phổ biến dòng vi điều khiển vi điều khiển muốn giao tiếp với cần qui định đặc điểm: tốc độ - truyền, cấu trúc khung truyền, … giống Tốc độ truyền nhận liệu UART gọi Baud Rate (tốc độ Baud) : Số bit - truyền 1s UART có đường truyền nhận liệu riêng biệt đồng thời vừa truyền, vừa nhận liệu lúc (truyền song công) Page Đồ án – Nhóm 2.2 UART MSP430 - bit data có chẵn, lẻ không Thanh ghi dịch truyền nhận độc lập Thanh ghi đệm truyền, nhận riêng biệt Chế độ truyền nhận LSB MSB Có chế độ chờ giao tiếp địa cho hệ thống multiprocessor Có cờ báo phát lỗi sửa lỗi Có cờ báo phát địa Có ngắt độc lập cho truyền nhận 2.3 Cấu trúc khung truyền nhận UART Hình 6: Khung truyền UART - St – Start bit: báo hiệu trình truyền liệu Data Bits: liệu cần giao tiếp, gồm 5, 6, , bit thường để bit P – Parity bit: bit kiểm tra chẵn lẻ, dùng muốn kiểm tra lỗi Sp – Stop bit: gồm bit IDLE: trạng thái nghỉ, phải mức cao 2.4 Các chân giao tiếp UART kit MSP430G2553 Hình 7: Chân giao tiếp UART kit Page Đồ án – Nhóm - Có chân TX RX để truyền nhận liệu Có kênh giao tiếp không đồng USCI_A0 USCI_A1 Nối chân RXD với P1.1 TXD với P1.2 kit 2.5 Các ghi UART MSP430G2553 - USCI_Ax control register 0: UCA0CTL0 USCI_Ax control register 1: UCA0CTL1 USCI_Ax Baud rate control register 0: UCA0BR0 USCI_Ax baud rate control register 1: UCA0BR1 USCI_Ax modulation control register: UCA0MCTL USCI_Ax status register: UCA0STAT USCI_Ax receive buffer register UCA0RXBUF USCI_Ax transmit buffer register UCA0TXBUF USCI_Ax Auto baud control register UCA0ABCTL USCI_Ax IrDA transmit control register UCA0IRTCTL USCI_Ax IrDA receive control register UCA0IRRCTL SFR interrupt enable register IE2 SFR interrupt flag register IFG2 2.5.1 Thanh ghi điều khiển truyền thông UCAxCTL0 Hình 8: Thanh ghi UCAxCTL0 Cấu hình khung truyền cho UART - UCPEN: bật/tắt chế độ parity (chế độ chẵn lẻ) UCPAR: lựa chọn chế độ chẵn lẻ UCMSB: chọn chiều đọc MSB LSB UC7BIT: chiều dài tin 7bit/8bit UCSPB: chọn bit báo hiệu dừng 1bit/2bit UCMODEx: chọn mode truyền thông (chọn mode UART: 00) UCSYNC: bật chế độ đồng bộ/không đồng Page 10 Đồ án – Nhóm 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động module cảm biến PIR Nguyên lý chung: module cảm biến PIR hoạt động dựa nguyên lí cảm ứng tia nhiệt vật thể sống phát ra, cảm biến pyroelectric thứ nhận tia nhiệt, phát tín hiệu nguồn nóng di chuyển ngang, đến cảm biến pyroelectric thứ hai cảm biến pyroelectric nhận tia nhiệt lại phát tín hiệu điện Sự xuất tín hiệu nhận biết có nguồn nhiệt di động ngang mạch điện tử phát tín hiệu điều khiển Nguyên tắc hoạt động: Ở trạng thái thường trực chưa có tia nhiệt di chuyển vào đầu dò cảm biến tín hiệu mức 0, mạch không hoạt động Khi có vật chuyển động vào đầu dò nhiệt PIR tia nhiệt từ vật thể phát qua thấu kính Fresnel tia nhiệt hội tụ vào đầu dò PIR, vào vùng dò cảm biến tia nhiệt hội tụ vào cảm biến pyroelectric thứ 1, mức cảm biến thứ lên 1, khoảng thời gian nhỏ vật di chuyển ngang qua tới cảm biến pyroelectric thứ tương tự cảm biến thứ chuyển từ mức lên mức tín hiệu qua khuếch đại thứ FET, tín hiệu ngõ cảm biến PIR chân (Source) vào mạch khuếch đại nữa, mạch khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên mức cần thiết theo theo thiết kế sẵn nhà sản xuất, tín hiệu đến mạch so sánh để xuất tín hiệu chuẩn kỹ thuật số mức tức mạch hoạt động, ngược lại mức mạch không hoạt động Trong thực tế vật phát tia hồng ngoại di chuyển nhanh, chậm đứng yên vùng quét cảm ứng, ta cần mạch làm trễ tín hiệu lâu so với tín hiệu nhận thực tế để ta điều chỉnh thiết bị hoạt động khoản thời gian mà mong muốn từ tín hiệu module cảm biến đưa để kết nối với thiết bị khác Chúng ta xem hoạt động mạch qua hình mô tả đây: Với hình bóng đèn tín hiệu output module PIR, đèn tắt mức 0, đèn sáng mức 1, hình cảm biến PIR với bảng pyroelectric lúc đầu màu lợt chưa có vật di chuyển vào vùng phát tín hiệu đường thẳng (Hình 15) Tiếp đến vật thể di chuyển vào vùng ảnh hưởng tín hiệu bắt đầu xuất hiện, hình cảm biến PIR bảng pyroelectric Page 21 Đồ án – Nhóm đậm lên ngõ PIR hình bóng đèn tắt (Hình 16) Khi vật thể vào vùng ảnh hưởng thứ tín hiệu hình cảm biến PIR bảng pyroelectric lợt đi, bảng đậm lên tín hiệu xuất bảng 2, hình bóng đèn sáng lên, tín hiệu output module PIR lúc (Hình 17) Khi vật thể qua khỏi vùng ảnh hưởng tín hiệu trở đèn sáng lúc mạch delay trùy tín hiệu ngõ module PIR mức (Hình 18) Đến thời gian cài đặt trước định đèn tắt, tín hiệu trở 0, mạch trạng thái thường trực Page 22 Đồ án – Nhóm 3.2.3 Các thông số module cảm biến PIR Dưới đậy thông số kỹ thuật nhà sản xuất cung cấp cho module cảm biến PIR: - Kích thước nhỏ gọn: 27 x 40 mm Đầu ra: Socket 3-pin gồm: VCC (+), OUT, GND (-) Nguồn cung cấp: 5V-20V DC (Có thể thiết kế từ 3V-24V) Điện áp đầu ra: mức tín hiệu High/Low 3.3V Page 23 Đồ án – Nhóm - Ngõ tương thích TTL Độ nhạy cao Thời gian trễ: 0.5s đến 18 phút, điều chỉnh biễn trở có sẵn - thay linh kiện R, C Thời gian ức chế: 0.5s đến 50s (chấp nhận 0s) Nhiệt độ làm việc: 15 đến 70 độ C Cảm biến hồng ngoại: yếu tố, độ nhiễu thấp, độ nhạy cao Cảm biến ánh sáng: CdS photocell (Có sẵn chỗ, gắn thêm theo yêu cầu khách hàng) 3.3 Mạch điện ứng dụng với cảm biến PIR Module cảm biến PIR hoạt động giống cảm biến PIR có ngõ output cần ghép nối với thiết bị khác điều khiển thiết bị hoạt động Dưới số linh kiện cách ghép nối 3.3.1 Ghép nối Module cảm biến PIR với relay Đây mạch nguyên lý cách ghép nối với relay Mạch hoạt động dựa bật tắt relay tín hiệu Module PIR mức lúc relay hoạt động, tín hiệu mức relay ngừng hoạt động, từ relay mắc với thiết bị khác để điều khiển hoạt động Phương pháp dùng để điều khiển thiết bị đèn, chuông báo động Page 24 Đồ án – Nhóm 3.3.2 Ghép nối Module cảm biến PIR với Transistor Các mạch hoạt động dựa phân cực bão hòa Transistor, lúc Transistor đóng vai trò công tắc đóng mở 3.3.3 Ghép nối với họ vi điều khiển Đây sơ đồ ghép nối Module cảm biến PIR với họ vi điều khiển, mạch hoạt động dựa điều khiển vi điều khiển người dùng lập trình 3.4 Một số yêu cầu sử dụng Module cảm biến PIR Khi sử dụng Module cảm biến PIR cần lưu ý số đặc điểm sau: - Phải xem môi trường hoạt động cảm biến có nhiệt độ cho phép hay không Vì khoảng giới hạn làm hư cảm biến Page 25 Đồ án – Nhóm - Phải xem nguồn sử dụng có giới hạn nhà sản xuất không, - vượt làm hỏng cảm biến Ngoài xem thiết bị ghép nối chung với Module cảm biến PIR có đáp ứng kịp không? Tóm lại dùng Module PIR nên xem thông số kĩ thuật nhà sản xuất CHƯƠNG Module WIFI ESP8266-07 4.1 Giới thiệu ESP8266 ESP-07 module sử dụng cho giao tiếp qua sóng Wifi Được ứng dụng nhiều đặc biệt với dự án liên quan tới IoT (Internet of Thing) đặc tính tiện lợi, đơn giản gọn nhẹ Hình 18: Hình ảnh thực tế Module ESP-07 Một số thông số kỹ thuật Module - Điện áp hoạt động: 3.3V Giao tiếp : UART với tốc độ baudrate 115200 Chuẩn wifi 802.11b/g/n Hỗ trợ chế độ AP(Access Point), STA (Satation Acess), AP+STA (Both) Wifi Direct (P2P), soft-AP Tích hợp giao thức TCP/IP Stack Sử dụng tập lệnh AT để điều khiển Công suất đầu 19.5 dBm, hoạt động chế độ 802.11b Page 26 Đồ án – Nhóm 4.2 Các tập lệnh điều khiển Một số lưu ý sử dụng tập lệnh AT sử dụng với Module - Tập lệnh AT nên viết hoa Các lệnh AT phải kết thúc dấu CR(\r)+LF(\n) tương ứng với byte - 0x0D+0x0A Khi gửi liệu cần tính độ dài độ dài liệu gửi cộng thêm byte( byte - CR LF) Việc cài đặt kết nối wifi tự động lưu lại cài đặt lại reset module 4.2.1 Các tập lệnh AT chung AT command AT AT+RST AT+GMR Discription Kiểm tra lệnh, trả “OK” Reset lại module Truy cập phiên Firmwave Parameter Example AT AT+RST AT+GMR 4.2.2 Các lệnh AT cấu hình Module Wifi AT command Discription AT+CWMODE= động AT+CWMODE? AT+CWMODE=? AT+CIPMUX= Truy vấn chế độ cài đặt Truy vấn chế độ cài đặt Cài đặt số lượng kênh kết nối AT+CIPMODE= Cài đặt chế độ liệu AT+CIPMODE? Truy chế độ liệu cài đặt Parameter 1: Station 2:Access Point 3: Both 0: kênh kết nối 1: Nhiều kênh kết nối 0: Transparent 1: Data Example AT+CWMODE =1 AT+CWMODE ? AT+CWMODE =? AT+CIPMUX= AT+CIPMODE =1 AT+CIPMODE ? 4.2.3 Các lệnh AT Module Wifi cấu hình Station/Client AT command Discription Page 27 Parameter Example Đồ án – Nhóm AT+CWJAP=, Kết nối với mạng wifi AT+CWJAP? Truy vấn mạng wifi kết nối Truy vấn mạng wifi kết nối Đóng kết nối wifi với Access Point Xem địa IP module AT+CWLAP AT+CWQAP AT+CIFSR ssid tên mạng wifi password mật truy nhập mạng AT+CWJA P=”WayyP C”,”khongd atpass” AT+CWJA P? AT+CWLA P AT+CWQA P AT+CIFSR 4.2.4 Các lệnh AT với Module Wifi cấu hình Access Point AT command AT+CWSAP=,,, Discription Cài đặt thông số cho Access Point AT+CWSAP? Xem cài đặt Access Point Danh sách station kết nối AT+CWLIF Parameter ssid: Tên Wifi pasword: MK Wifi chan: channel enc: Encrytion (0: Open, 1: WEB, 2: WPA_PSK, 3:WPA2_PSK, 4: WPA_WPA2_PSK Example AT+CWSAP=” WayyPC”,”kho ngdatpass” AT+CWSAP? AT+CWLIF 4.2.5 Các lệnh AT IP Client AT command AT+CIPSTATUS AT+CIPSTART=< type>,,< port> Discription Kiểm tra trạng thái kết nối Tạo kết nối với AT+CIPMUX=0 (chế độ đơn kênh) Parameter Example AT+CIPSTATUS Type: AT+CIPSTART=”T “TCP”/”UD CP”,”192.168.0.104” P” ,8888 Address: “IP Adress” Port: TCP/UDP Port Page 28 Đồ án – Nhóm AT+CIPSEND= AT+CIPCLOSE AT+CIPSTART,,, Truyền liệu lên server Đóng kết nối TCP/UDP Tạo kết nối IP với AT+CIPMUX=1 (chế độ đa kênh) AT+CIPSNED=, Truyền liệu lên Server AT+CIPCLOSE=< id> Đóng kết nối TCP/IP len: độ dài liệu id: 0->4 type = “TCP”/”UD P” address: “IP Adress” port: “TCP/UDP Port” id: 0->4 len: độ dài liệu id: 0->4 AT+CIPSEND=5 >hello AT+CIPCLOSE AT+CIPSTART=4,” TCP”,”192.168.0.104 ”,8888 AT+CIPSEND=1,5 >hello AT+CIPCLOSE=1 4.3 Mạch nguyên lý kết 4.3.1 Mạch nguyên lý kết nối Hình 19: Sơ đồ chân module Module ESP-07 hỗ trợ giao tiếp UART để cấu hình điều khiển Module Để kết nối module với máy tính thông qua cống USB cần Module UART( sử dụng USB to TCL) Cách kết nối - TX Modude UART -> RX Module Wifi Page 29 Đồ án – Nhóm - RX Module UART -> TX Module Wifi GND GPIO Module Wifi nối đất CC CH_PD module Wifi kết nối tới nguồn 3.3V 4.4 Kết nối phần mềm Để truyền nhận liệu với máy tính Module Wifi máy tính cần kết nối chung vào mạng Wifi Việc truyền nhận dựa vào phương thức kết nối theo kiểu ClientServer máy tính đóng vai trò Server nhận liệu gửi - Tạo server máy tính công cụ C# Để Test thử ta dùng phần mềm Hercurt tạo server lắng nghe cổng 8888 Hình 20: Server cổng 8888 Page 30 Đồ án – Nhóm - Gửi liệu lên Server Hình 21: Gửi liệu Page 31 Đồ án – Nhóm - Kết nhận server Hình 22: Nhận liệu Page 32 Đồ án – Nhóm CHƯƠNG Nguyên lý mô 5.1 Nguyên lý chương trình Hình 23: Giao diện chương trình Các khối: - Kit MSp430 Page 33 Đồ án – Nhóm - Module Wifi Chương trình giao tiếp client-server máy tính module wifi Các chương trình thể phía • Nguyên lý - Khi có người vào phòng có tín hiệu gửi từ kit qua module wifi truyền đến máy, phần mềm máy tính cập nhật thông tin TextBox nhận máy tự động phát âm 5.2 Mô ALTIUM 5.2.1 Mạch nguyên lý Hình 24: Mạch nguyên lý Page 34 Đồ án – Nhóm 5.2.2 Mạch PCB Hình 25: Mạch PCB Page 35