Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bật tắt thiết bị điện trong nhà sử dụng sóng RF

LỜI CẢM ƠN Thời gian qua, nỗ lực tìm hiểu hướng dẫn tận tình tỉ mỉ thầy hướng dẫn em hoàn thành nội dung đề tài tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô khoa Điện - Điện Tử, đặc biệt quý thầy cô thuộc môn Điện Tử Viễn Thông, người truyền đạt cho em kiến thức sở chuyên ngành bổ ích thời gian học tập trường Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu trực tiếp hướng dẫn em thực tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành tốt đề tài Cũng đồng thời cảm ơn bạn lớp trao đổi, góp ý cho thời gian qua Tuy có nhiều cố gắng, kiến thức thân nhiều hạn chế nên đề tài em không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận thông cảm, góp ý từ Quý thầy cô bạn sinh viên để đồ án tốt nghiệp em đươc hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Vũ Hoàng Sơn 11 1 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung đưa đồ án dựa kết thu trình nghiên cứu riêng, không chép kết nghiên cứu tác giả khác.Một số nội dung tham khảo từ nhủng nguồn công khai thu thập khai thác có cho phép tác giả.Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm vi phạm quyền tác giả Sinh viên Vũ Hoàng Sơn 22 2 MỤC LỤC 33 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Số bảng Tên bảng Bảng 2.1 Chức chân modul thu phát Bảng 2.2 Tóm tắt tốc độ mà SPI AVR đạt 10 Bảng 2.3 Chức chân LCD 16x2 16 Bảng 2.4 Tập lệnh LCD 16x2 17 44 Trang DANH MỤC CÁC HÌNH Số hình Tên hình Trang Hình 2.1 Ảnh thực tế modul LRF24L01 Hình 2.2 Sơ đồ khối nRF24L01 Hình 2.3 Sơ đồ kết nối vi điều khiển Hinh 2.4 Giao diện SPI Hình 2.5 Truyền liệu SPI Hình 2.6 Sơ đồ chân Atmega16 loại dán 14 Hình 2.7 Hình dạng sơ đồ chân LCD 16x2 15 Hình 2.8 IC đệm uln 2803 18 Hình 2.9 LM 7805 18 Hình 2.10 IC lm 7805 19 Hình 2.11 Relay 19 Hình 2.12 Hình ảnh tụ điện thự tế 20 Hình 2.13 Hình ảnh loại điện trở 20 Hình 2.14 Led đơn 21 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 23 Hình 3.2 Sơ đồ khối trạm 24 Hình 3.3 Sơ đồ nguồn cung cấp 25 55 5 Hình 3.4 Sơ đồ kết nối với modul thu phát 24L01 25 Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển 26 Hình 3.6 Mạch Reset vi điều khiển 27 Hình 3.7 Mạch kết nối thạch anh cho vi điều khiển 27 Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối chấp hành 28 Hình 3.9 Sơ đồ khối hiển thị 29 Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý trạm 30 Hình 3.11 Mạch in lớp bottom 32 Hình 3.12 Mạch in lớp top 32 Hình 3.13 Chương trình 33 Hình 3.14 Chương trình quét nút cài đặt thiết bị 36 Hình 3.15 Chương trình quét nút điều khiển 37 Hình 3.16 Chương trình timer 39 Hình 3.17 Chương trình hiển thị trạng thái trạm 40 Hình 4.1 Hình ảnh sản phẩm 42 Hinh 4.2 Ảnh test sản phẩm 43 66 6 LỜI NÓI ĐẦU Điện tử trở thành ngành khoa học đa nhiệm vụ, đáp ứng đòi hỏi không ngừng ngành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người sống ngày, đem lai cho người sống tiện lợi vui vẻ Một ứng dụng ngày quan tâm trọng phát triển ngành công nghệ điện tử điều khiển giám sát thiết bị từ xa Xuất phát từ lợi ích lớn lao hiệu mà công nghệ điều khiển từ xa mang lại kết hợp với chuyên ngành điện tử mà em học trường lớp em định chọn hướng nghiên cứu cho đề tài tốt nghiệp em Với tư vấn thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu em chọn cho đề tài tốt nghiệp là:”Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát bật tắt thiết bị điện nhà sử dụng sóng RF ” Nội Dung đề tài gồm chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết Chương 2: Tìm hiểu linh kiện sử dụng Chương 3: Thiết kế hệ thống thi công mạch Chương 4: Tổng kết Quá trình nghiên cứu đề tài giúp em hiểu rõ nguyên lý thu phát ứng dụng lý thuyết học vào thực tế đồng thời tìm hiểu thêm điều chưa học nâng cao kỹ thực hành ứng dụng mạch thực tế Tuy cố gắng thực hiện đồ án sự nghiêm túc và trách nhiệm nhất, khả nghiên cứu kiến thức thân còn nhiều hạn chế nên đề tài tốt nghiệp em không thể tránh khỏi sai phạm và thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp tích cực từ quý thầy cô bạn Cuối em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc chân thành tới toàn thể quý Thầy cô khoa Điện – Điện Tử, quý Thầy cô thuộc môn Điện Tử Viễn Thông giảng dạy truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em thời gian vừa qua Sinh viên Vũ Hoàng Sơn 77 7 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Các loại điều khiển từ xa -Trong sống đại, thiết bị điều khiển từ xa để điều khiển thiết bị gia đình đóng mở cửa, ti vi, quạt ,máy điều hòa… cần thiết, điều khiển từ xa có loại chúng hoạt động để điều khiển vật dụng đằng xa cách xác? -Ban đầu, người ta dùng điều khiển từ xa sử dụng công nghệ tần số vô tuyến RF (Radio Frequency) sau bắt đầu ứng dụng công nghệ hồng ngoại IR(Infrared Remote) vào điều khiển từ xa ngày người sử dụng hai loại tiện ích thiếu Dù có chức chúng có điểm khác 1.1.1 Điều khiển từ xa tia hồng ngoại (IR) -Với loại điều khiển này, lại sử dụng ánh sáng hồng ngoại quang phổ điện từ mà mắt thường không thấy để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần điều khiển Nó đóng vai trò phát tín hiệu, phát xung ánh sáng hồng ngoại mang mã số nhị phân cụ thể Bộ phận thu tín hiệu hồng ngoại thiết bị điều khiển nhận tín hiệu giải mã -Đặc điểm loại điều khiển la chúng bền, nhiên lại có hạn chế truyền theo đường thẳng chất ánh sáng Do đó, loại điều khiển IR có tầm hoạt động có khoảng 10 mét truyền qua tường vòng qua góc Chúng hoạt động tốt ta trỏ thẳng hay gần vị trí thu vật dụng cần điều khiển -Ngoài ra, nguồn ánh sáng hồng ngoại có khắp nơi ánh sáng mặt trời, bóng đèn huỳnh quang, từ thể người… nên làm cho điều khiển IR bị nhiễu sóng 1.1.2 Điều khiển từ xa tần số vô tuyến (RF) -Một điều khiển RF gồm phận như: Các nút bấm; bảng mạch tích hợp; núm tiếp điểm; phận thu phát sóng RF thu phát tích hợp mạch thường chúng đóng hộp cách cẩn thận để tăng tính thẩm mỹ sản phẩm -Đây loại điều khiển từ xa xuất đến giữ vai trò quan trọng phổ biến đời sống Nếu điều khiển IR thường dùng nhà số hạn chế cự ly, vật cản điều khiển RF lại dùng cho nhà cho nhiều vật dụng bên thiết bị mở cửa gara xe, hệ thống báo hiệu cho xem loại đồ chơi điện tử từ xa chí kiểm soát vệ tinh hệ thống máy tính xách tay điện thoại thông minh… -Nó sử dụng nguyên lý tương tự điều khiển IR thay gửi tín hiệu ánh sáng, lại truyền sóng vô tuyến tương ứng với lệnh nhị phân để chuyển tín hiệu đến thiết bị cần điều khiển Khi ta ấn nút phía bên vận hành chuỗi hoạt động khiến thiết bị cần điều khiển thực lệnh nút bấm Về phía phận cần điều khiển, cần thu sóng vô tuyến Sau xác minh mã địa xuất phát từ điều khiển mình, chúng giải mã sóng vô tuyến thu thành liệu nhị phân để vi xử lý thiết bị hiểu thực lệnh tương ứng -So với loại điều khiển IR, lợi loại phạm vi truyền tải rộng, sử dụng cách thiết bị cần điều khiển đến 30 mét đồng thời điều khiển xuyên tường, kính… Tuy nhiên, có hạn chế tín hiệu vô tuyến có mặt khắp nơi không gian hàng trăm loại máy móc thiết bị dùng tín hiệu vô tuyến tần số khác Do đó, người ta tránh nhiễu sóng cách truyền tần số đặc biệt nhúng mã kỹ thuật số địa thiết bị nhận tín hiệu vô tuyến Điều giúp thu vô tuyến thiết bị hồi đáp tín hiệu tương ứng cách xác Để hiểu rõ loại em xin trình bày thêm số vấn đề sau 1.2 Sóng RF 1.2.1 Cách tạo sóng RF -Trong thực tế người ta cần sóng dạng sin có tần số cao tần số phải thuần nhất và khống chế được Để có loại sóng này dùng "điều khiển vô tuyến", khởi đầu người ta dùng mạch dao động cộng hưởng LC, nó được kết nối bởi một cuộn dây và một tụ điện, mạch LC bị kích thích, cuộn dây sẽ xuất hiện từ trường và tụ điện sẽ xuất hiện điện trường, vào trạng thái cộng hưởng, từ trường cuộn dây L và điện trường tụ C sẽ kết hợp tạo dạng sóng điện từ trường Sau chỉ cần dùng dây anten cho sóng mạch LC phát vào không gian, chúng ta đã có tia sóng dùng cho công việc điều khiển vô tuyến 1.2.2 Phương thức điều khiển vô tuyến Người ta tạo mã lệnh điều khiển, gắn mã lệnh điều khiển vào sóng mang phương pháp điều chế phát chúng vào không gian.Đây cách điều khiển các thiết bị bằng sóng vô tuyến được thực hiện sau: Bước 1: Ở bên phát: Người ta dùng mạch cộng hưởng LC tạo sóng có tần số ổn định dùng làm sóng mang Dùng mạch tạo tín hiệu mã lệnh và cho mã lệnh điều chế vào sóng mang rồi cho phát vào không gian Bước 2: Ở bên thu: Người ta dùng mạch LC làm bẩy sóng để bắt thu sóng điện từ có không gian, nó đã được phát từ bên phát, cho giải mã để lấy tín hiệu mã lệnh có sóng mang dùng tín hiệu để điều khiển các thiết bị 10 -Khi bắt đầu chương trình ta thực việc khai báo biến lệnh: unsigned char j=0, add=0 ,i=0; unsigned char RxBuf[32].Sau hiển thị hình lcd hàng chữ “S martHome HD-02" "Wireless Device" Tiếp đến vòng lặp vô hạn,ở ta viết đoạn chương trình cho việc cài đặt địa chỉ, điều khiển thiết bị, trình thu thị kết hình.Khởi đầu đoạn chương trình thu liệu.Sau thu liệu thưc kiểm tra xem kí tự có phải “$ H D” không.Nếu thực việc gán biến “ rev” “ mang[rev]” kí tự Đây địa trạng thái trạm bị điều khiển Nhờ vào hàm scandkK18(add,0) thực điều khiển thiết bị.Nói trình cài đặt bắt đầu việc ấn nút set va giữ nút vòng vài giây tùy theo thời gian trễ lệnh thực nut set nhả Công việc thực lệnh sau: if(SET==0), delay_ms(2000), if (SET==0) buzz(50), delay_ms(10), while(SET==0); Khi nút set nhả ta gán s1=1,việc dùng để thực lệnh viết timer.Sau ta thực hiển thi nội dung "PressOne K1K8" "Set Address=" thực trình quét nút bấm hàm scansetK18().Quá trình quét thưc vòng lặp, s1 1)%2; l3=(mang[ad]>>2)%2” Các chân l1,l2,l3…này nối với chân để điều khiển relay tương ứng  47 Chương trình phát Phân tích: Chương trình thực phát khung liệu gồm có ki tự đầu S H D, tiếp địa trạm bị điều khiển tín hiệu điều khiển trạm chứa mang[adr]+0x30 Lý phải cộng 0x30 để chuyển từ dạng số thành dạng kí tự để phát  48 chương trình timer Hình 3.16 chương trình timer Phân tích: Chương trình có nhiệm vụ Khi s1 khác thực hiển thị dấu “?” vị trí hiển thị địa trạm nhằm mục đích nhắc người sử dụng dang chế độ cài đặt địa Dấu “?” nhấp nháy với địa cài Quá trình cài đặt kết thúc không nháy hình trở hình trạng thái bình thường Tương tự s3 khác 0, vị trí địa trạm truy nhập nhấp nháy thực hiển thị trạng thái thiết bị lên hình  49 Chương trình hiển thị trạng thái trạm Hình 3.17 Chương trình hiển thị trạng thái trạm 50 Phân tích: Chương trình dùng để thị trạng thái trạm hình Biến *dk tương ứng mảng trạng thái thiết bị trạm Với trạm ta có mảng trạng thái Chương trình thực việc quét mảng trang thái Độ dài mảng byte , tương ứng với bít trạng thái on, off thiết bị Khi thực hiên so sánh biến *dk với cần bit tổng số bit khác biến *dk khác 0, ta thực hiển thị “0” lên hình vị trí tương ứng Trong trường hợp tất bit hiển thi “F” lên mán hình Các lệnh lcd_gotoxy dùng để di chuyển đến vị trí cần hiển thị 51 CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT 4.1 Kết thi công -Quá trình tìm hiểu nghiên cứu để hoàn thành đồ án giúp em củng cố lại kiến thức học mở rộng thêm nhiều kiến thức mới, đồng thời có dịp cọ sát với thực tế rút nhiều kinh nghiệm bổ ích Dưới hướng dẫn Thầy Ngô Xuân Hường thầy Vũ Xuân Hậu giúp người thực hoàn thiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát bật tắt thiết bị điện nhà sử dụng sóng RF ” cách hoàn chỉnh -Sau nhiều tuần tích cực tìm hiểu nỗ lực thực hiện, em hoàn thành đồ án theo yêu cầu thời gian quy định Dưới hình ảnh mạch sau hoàn chỉnh kết trình thử nghiệm mạch: Hình 4.1 Hình ảnh sản phẩm 52 Hình 4.2 Ảnh test sản phẩm Hình ảnh thể trạm bật thiết bị thể trạng thái “0” lcd vị trí số Với chương trình hiển thị trạng thái trạm “LED” cần trạm có thiết bị bật trạm có trạng thái “0” Để biết rõ trạng thái thiết bị ta cần phải truy nhập vào địa tương ứng địa trạm Sau hoàn thành mạch tiến hành thử thu kết sau: -Tong trình điều khiển mạch bật tắt thiết bị trạm khác thị trạng thái lên lcd Tuy nhiên có lần hiển thị nhầm trạng thái số lần bị nhiễu -Phạm vi điều khiển tầm 20m môi trường vật cản ít, xa thường bị điều khiển 4.2 Nhận xét  Ưu điểm : - Mạch điều khiển bật tắt thiết bi 53 - Có thể điều khiển tác động qua lại hai modul giúp cho qua trình điều khiển giám sát dễ dàng -Mạch có hệ thống đen led báo trạng thái làm việc thiết bị giúp người dùng dễ dàng kiểm soát chúng -Tích hợp thêm loa thông báo -Mạch tich hợp sẵn chân giao tiếp với máy tính chân để ghép nối với modul thu phát 315 mhz giúp cho khoảng cách điều khiển xa  Nhược điểm - Số thiết bị điều khiển hạn chế -Chưa chế tạo modul thu phát mà phải mua -Mạch công kềnh chưa đẹp mắt -Chưa khắc phục nhiễu ảnh hưởng đến điều khiển thiết bị  Biện pháp khắc phục - Sử dụng thêm khuếch tăng cực ly thông tin hay sử dụng thêm anten -Thêm mạch lọc đầu chân ic đệm kết hợp với cải tiến chương trình để giảm bớt nhiễu tránh sai sót điều khiển -Sử dụng linh kiện nhỏ để giảm kích thước mạch tăng tính đại -Cần thiết kế trạm trung tâm để tránh xảy xung đột trình điều khiển  Hướng phát triển mạch -Có thể tăng thêm số thiết bị -Ứng dụng điều khiển thiết bị tự động hóa công nghiệp băng việc sử dụng loai modul thu phát tốt hơn,cự ly thông phải xa 54 -Có thể phát triển để điều khiển thiết bị qua tin nhắn SMS hay qua mạng internet, phát triển lên quy mô điều khiển lớn hơn, ứng dụng nhà thông minh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Datasheet atmega 16 [2] Datasheet uln 2803 [3] Datasheet LCD 16x2 [4] Tham khảo từ Internet: Trên diễn đàn thảo luận trang http://www.doc.edu.vn http://www.hocavr.com http://www.hoiquandientu.com -Cùng số từ khóa tài liệu tham khảo khác qua tìm kiếm Google 55 NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Tinh thần thái độ, cố gắng sinh viên trình thực Đồ án/khóa luận: Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đề mặt: lý luận, thực tiễn, chất lượng thuyết minh bản vẽ): Chấm điểm giảng viên hướng dẫn (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 20 Giảng viên hướng dẫn ĐÁNH GIÁ CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Đánh giá chất lượng Đồ án/khóa luận tốt nghiệp mặt: thu thập phân tích số liệu ban đầu, sở lý thuyết, vận dụng vào điều kiện cụ thể, chất lượng thuyết minh vẽ, mô hình (nếu có) …: Chấm điểm người phản biện (Điểm ghi số chữ) Hải Phòng, ngày tháng năm 20 Người phản biện [...]... nối với thiết bị cần điều khiển và thiết bị này một đầu nữa sẽ được nối với đầu còn lại của nguồn 220v, khi ấy relay và thiết bị sẽ là mắc nối tiếp với nhau Relay như là một khóa dóng mở dòng điện cấp cho thiết bị và sự điều khiển này được thực hiện nhờ tín hiệu từ vi điều khiển đưa tới chân số 2 của relay kết hợp với nguồn 12VDC đã được nối vào chân số 1 của relay Khi điện áp trên chân số 2 và 1 chênh... :THIẾT KẾ HỆ THỐ và THI CÔNG MẠCH 3.1 Sơ đồ khối Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống -Nguyên lý hoạt động của hệ thống như sau: Hệ thống gồm nhiều trạm, các trạm được thiết kế để điều khiển và giám sát các trạm còn lại thông qua việc định địa chỉ cho từng trạm Giả sử các trạm có các địa chỉ lần lượt là 1,2,3…n Một trạm bất kì muốn điều khiển một trạm khác sẽ gửi đi tín hiệu bao gồm có địa chỉ của trạm bị. .. Khối nguồn: cấp điện áp phù hợp cho từng linh kiện trong mạch để hệ thống hoạt động ổn định và liên tục 3.3 Thiết kế các khối  Khối nguồn: Tạo ra các mức điện áp và dòng điện thích hợp cung cấp an toàn cho cả mạch .Trong mạch đã sử dụng 3 mức điện áp đó là 12VDC,5VDC và 3,3VDC Điện áp 12VDC được lấy từ mạch ngoài vào cung cấp cho các chân của relay.Mạch nguồn sử dụng các tụ để san bằng tao điện áp một... áp để có được một điện áp theo ý muốn từ một điện áp cho trước Điện trở đựơc sử dụng rất nhiều trong các mạch điện tử • Led đơn Hình 2.14 Led đơn -Led đơn được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực,đặt biêt là dùng trong việc chỉ báo trạng thái thiết bị. Tùy thuộc vào màu sắc và kích thước mà các đèn này cần những mức điện áp và dòng điện khác nhau yêu cầu người dùng cần nắm rõ và sử dụng chính xác để không... cấp điện cho thiết bị, ngược lại relay sẽ mở tiếp điểm này để ngắt điện cung cấp thiết bị làm thiết bị ngừng hoạt động  Khối hiển thị: Hình 3.9 Sơ đồ khối hiển thị -Để hiển thị được nhiều thông tin tăng tính trực quan và dễ dàng trong việc ghép nối với vi điều khiển em đã lựa chọn dùng LCD.Cụ thể trong hệ thống này là LCD 16x2 -Trong đó biến trở R2 được dùng điều mức sáng tối cho màn hình, còn R1 điều. .. khiển: Là thành phần chính trong hệ thống có nhiệm vụ: _Xuất dữ liệu điều khiển đến khối phát để điều khiển các thiết bị của mạch khác _Nhận tín hiệu từ khối thu RF để đưa ra tín hiệu hiển thị trạng thái thiết bị đến khối hiển thị, đồng thời xuất tín hiệu điều khiển đến khối chấp hành điều khiển đóng ngắt các relay * Khối hiển thị: nhận tín hiệu từ khối điều khiển và hiển thị các thông... linh kiên khác • Tụ Điện: Hình 2.12 Hình ảnh các tụ điện thự tế 27 Tụ điện cho dong xoay chiều chạy qua và ngăn dòng một chiều .Trong các mạch điện tử tụ thường được dùng để san bằng điện áp đối với điện một chiều và được dùng trong các mạch lọc tần số • Điện Trở: Hình 2.13 Hình ảnh một loại điện trở Điện trở là linh kiện thụ động có tác dụng khống chế dòng điện qua tải cho phù hợp, mắc điện trở thành cầu... các trạm trong hệ thống được thiết kế giống nhau và sử dụng chung một chương trình Vì vậy sau đây em xin phân tích một trạm cụ thể 30 -Sơ đồ khối một trạm cụ thể Hinh 3.2 Sơ đồ khối một trạm 3.2 Chức năng các khối *Khối thu phát :Thực hiện phát và thu dữ liệu điều khiển * Khối chấp hành: nhận tín hiệu điều khiển, thực hiện đóng mở các thiết bị điện thông qua Relay * Khối điều khiển: Là... là bộ module khá thông dụng, dễ mua, phù hợp với quy mô và yêu cầu đề tài  Khối điều khiển: Hình 3.5 Sơ đồ khối điều khiển -Các loại vi điều khiển PIC hay AVR có nhiều ưu điểm hơn so với 8051 như hỗ trợ kết nối ngoại vi tốt hơn, tốc độ xử lý nhanh hơn, lập trình đơn giản hơn Chính vì vậy trong đề tài này em đã sử dụng vi điều khiển ATMEGA 16 lập trình chuyên dụng, phổ thông, phù hợp với... trình giám sát xung nhịp của chip 1 cách riêng rẽ ○ Tích hợp bộ so sánh tín hiệu tương tự 19 - Các tính năng đặt biệt của vi điều khiển ○ Chế độ bật nguồn reset và phát hiện Brown-out khả trình ○ Tích hợp mạch dao động RC bên trong ○ Các ngắt trong và ngoài ○ 6 chế độ nghỉ : rảnh rỗi, giảm nhiễu ADC, tiết kiệm năng lượng, nguồn thấp, Standby và Extended Standby - Vào/ra ○ 40 chân loại thường và 44