Đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công mô hình công viên 4 0

Cho nên công viên mà nhóm chúng em hướng đến là một nơi có khu tham quan với hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm, có hồ phun nước, đặc biệt hơn có các khu nhà nghĩ dưỡng, sinh hoạt được gắn các t

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Phần lớn ở trường học các khuôn viên thường xây như thư viện, căn tin, khu thể thao, sân đá bóng, nhưng chưa thấy ngôi trường nào làm một công viên xanh thu nhỏ với nhiều tiện ích kết hợp với các công nghệ kỹ thuật hiện nay Ngoài ra trong thành phố Hồ Chí Minh có rất nhiều công viên cây xanh Nhưng dường như hiếm thấy công viên nào còn nguyên vẹn, thay vào đó là bị lõm, khuyết với những công trình tạm hoặc kiên cố, rồi trung tâm tiệc cưới vẫn tồn tại, điều đó thể hiện sự bất lực của chính quyền trong việc trả lại công viên cho người dân, từ mở đường cho đến quán xá làm mất diện tích công viên Đáng lưu ý hơn là nhiều nơi không có công viên cây xanh nhưng ngay cả nơi may mắn có được, người dân cũng không thể thoải mái tản bộ, thể dục hoặc thư giãn, vui chơi do phần lớn diện tích đất công viên cây xanh bị hàng quán, bãi giữ xe lấn chiếm, bị cho thuê tổ chức hội chợ, triển lãm, khu vui chơi có thu tiền

Hầu hết các công viên là khuôn viên trồng cây xanh, hệ thống tưới cây còn thô

sơ, chưa có các hệ thống đèn quạt trong công viên để phục vụ Khả năng giữ an ninh rất thấp Cho nên công viên mà nhóm chúng em hướng đến là một nơi có khu tham quan với hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm, có hồ phun nước, đặc biệt hơn có các khu nhà nghĩ dưỡng, sinh hoạt được gắn các thiết bị được điều khiển bằng Wifi như quạt và đèn

Ngoài ra để tránh những vấn đề mất cắp thường xảy ra ở thư viện các trường học thì công viên được làm thêm thẻ RFID và thành viên làm thẻ sẽ được vào công viên Có hệ thống Camera giám sát các hoạt động của công viên Nhóm đã quyết định

nghiên cứu và thi công đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình công viên 4.0”

1.2 MỤC TIÊU

Thực hiện được tính thực tế và sử dụng công nghệ để thuận tiện đối với sinh viên, người tham quan và quản lý công viên, tạo ra một địa điểm lý tưởng để mọi người thư giản và vui chơi Thiết kế và thi công mô hình công viên với kích thước chiều dài 80cm, chiều rộng 80cm, chiều cao 15 cm Sử dụng vi điều khiển PIC16F887

và Module Wifi ESP8266 làm trung tâm điều khiển Thiết kế App trên Smartphone

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Trong đề tài này, nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu các nội dung như sau:

 Nội dung 1: Thu thập dữ liệu về các mô hình có trong công viên và khảo sát người đến công viên muốn công viên cần thêm nhưng mô hình và thiết bị gì để phục

vụ

 Nội dung 2: Tìm hiểu ưu và nhược điểm của một công viên đang hoạt động hiện nay

 Nội dung 3: Tìm hiểu hệ thống nào cần trong công viên

 Nội dung 4: Thiết kế và thi công mô hình

 Nội dung 5: Đánh giá kết quả thực hiện

 Nội dung 6: Nhận xét ưu nhược điểm của toàn bộ hệ thống và hướng phát triển

đề tài

1.4 GIỚI HẠN

Đây là mô hình công viên công nghệ giai đoạn cơ bản Sử dụng công nghệ thẻ quẹt RIFD và Camera để giám sát người ra vào hợp lệ

Sử dụng công nghệ RFID với 2 loại thẻ, ứng với 1 người là thẻ đúng là 1 người

là thẻ sai để ra vào công viên

Hiển thị nội dung quảng cáo hoặc tên công viên bằng 4 Led Matrix kết nối Bluetooth với khoảng cách điều khiển 10m

Điều khiển đèn 12V DC và quạt 12V DC bằng cách kết nối Wifi trong công viên và sử dụng với khoảng cách từ 10m - 20m

Màn hình hiển thị nhiệt độ, độ ẩm và quẹt thẻ RFID chỉ là LCD 16x2

 Chương 4: Thi công hệ thống

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

 Chương 6: Kết huận và hướng phát triển

Cụ thể như sau:

 Chương 1: Tổng quan

Đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, trình bày mục tiêu, nội dung nghiên cứu, xác định một số giới hạn và trình bày bố cục của đề tài

 Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày, phân tích ưu nhược điểm của các công viên hiện đang còn hoạt động,

từ đó chọn ra phương án phù hợp cho đề tài Giới thiệu một số lý thuyết liên quan và những phần cứng cần sử dụng cho đề tài

 Chương 3: Thiết kế hệ thống

Xây dựng sơ đồ khối, trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống Thiết kế và lựa chọn linh kiện phù hợp cho từng khối Xây dựng sơ đồ nguyên lý cho từng khối

và toàn bộ hệ thống

 Chương 4: Thi công hệ thống

 Trình bày các bước thi công mô hình hoàn chỉnh từ phần cứng đến phần mềm Xây dựng lưu đồ giải thuật, phương trình tính toán các thông số cụ thể, xử lý tín hiệu

và lập trình cho vi điều khiển

 Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá

Trình bày những kết quả đạt được (cấu trúc mô hình) Sau đó đưa ra nhận xét tổng thể về đề tài cũng như những đánh giá dựa trên các mục tiêu đã đặt ra ban đầu

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày những ưu nhược điểm của toàn bộ hệ thống Từ đó, đưa ra kết luận

và hướng phát triển cho đề tài

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 GIỚI THIỆU VỀ LẬP TRÌNH PIC VÀ MỘT SỐ CÔNG CỤ LIÊN QUAN 2.1.1 Ngôn ngữ C

Ngôn ngữ lập trình C là một ngôn ngữ mệnh lệnh được phát triển từ đầu thập

niên 1970 bởi Ken Thompson và Dennis Ritchie để dùng trong hệ điều hành UNIX

Từ đó, ngôn ngữ này đã lan rộng ra nhiều hệ điều hành khác và trở thành một những ngôn ngữ phổ dụng nhất C là ngôn ngữ rất có hiệu quả và được ưa chuộng nhất để viết các phần mềm hệ thống, mặc dù nó cũng được dùng cho việc viết các ứng dụng Năm 1989 viện tiêu chuẩn của hoa kỳ đã công bố bản chuẩn hóa C còn được gọi là ANSI 89 (C89) sau đó năm 1990 nâng cấp bản chuẩn hóa này gọi là ANSI 90 (C90),

Hệ điều hành Unix có tới 90% là được viết bởi ngôn ngữ C 10% là được viết bởi hợp ngữ Ngoài ra có rất nhiều các trình điều khiển hỗ trợ lập trình bằng ngôn ngữ C So với các ngôn ngữ như C++/C#, Java, ngôn ngữ C có kích cỡ nhỏ Các thư viện trong ngôn ngữ C là hạn chế, chỉ chứa các hàm cơ bản Ngôn ngữ C không đưa ra các ràng buộc đối với người lập trình C được sử dụng trong nhiều dự án khác nhau, như viết

hệ điều hành, chương trình xử lý văn bản, đồ hoạ, bảng tính, và thậm chí cả chương trình dịch cho các ngôn ngữ khác

2.1.2 Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification)

Giới thiệu

RFID là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Công nghệ này cho phép nhận biết các đối tượng thông qua hệ thống thu phát sóng radio, từ đó có thể giám sát, quản lý hoặc lưu vết từng đối tượng

Cấu tạo

Một thiết bị hay một hệ thống RFID được cấu tạo bởi hai thành phần chính là thiết bị đọc (reader) và thiết bị phát mã RFID có gắn chip hay còn gọi là tag Thiết bị đọc được gắn antenna để thu - phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID tag được gắn với vật cần nhận dạng, mỗi thiết bi RFID tag chứa một mã số nhất định và không trùng lặp nhau

Hình 2.1 Cấu trúc thẻ RFID và hệ thống RFID cơ bản

Nguyên lý hoạt động

Thiết bị RFID reader phát ra sóng điện từ ở một tần số nhất định, khi đặt thiết

bị RFID trong vùng hoạt động sẽ cảm nhận được sóng điện từ này và thu nhận năng lượng, từ đó phát lại cho thiết bị RFID reader biết mã số của mình Từ đó thiết bị RFID reader nhận biết được tag nào đang trong vùng hoạt động

Ứng dụng

Thẻ chip (tag) RFID chứa rất nhiều mã nhận dạng khác nhau, thông thường là

32 bit tương ứng với hơn 4 tỷ mã số khác nhau Ngoài ra khi xuất xưởng mỗi thẻ chip RFID được gán một mã số khác nhau Do vậy, khi một vật được gắn chip RFID thì khả năng nhận dạng nhầm vật đó với 1 thẻ chip RFID khác là rất thấp, xác suất là 1 phần 4 tỷ Với ưu điểm về mặt công nghệ như vậy nên sự bảo mật và độ an toàn của các thiết bị ứng dụng công nghệ RFID là rất cao

– Ứng dụng quản lý lưu thông hàng hóa

– Ứng dụng quản lý kho hàng

– Ứng dụng quản lý thu phí đường bộ tự động

– Bên cạnh những ứng dụng nổi bật đó còn rất nhiều những ứng dụng thiết thực cho quản lý như: quản lý nhà máy, quản lý thư viện, quản lý chấm công, quản lý bãi giữ xe, nhà hàng, phòng khách sạn, phòng học, quản lý nhà ăn, quản lý sinh viên, quản lý bệnh viện, khóa cửa dùng công nghệ RFID, chống trộm xe máy, …

2.1.3 Phần mềm CCS

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.2 Giao diện của phần mềm CCS

CCS là trình biên dịch lập trình ngôn ngữ C cho Vi điều khiển PIC của hãng Microchip

Chương trình là sự tích hợp của 3 trình biên dich riêng biết cho 3 dòng PIC khác nhau đó là:

‐ PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes

‐ PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes

‐ PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit

Tất cả 3 trình biên dịch này đuợc tích hợp lại vào trong một chương trình bao gồm cả trình soạn thảo và biên dịch là CCS, phiên bản mới nhất là PCWH Compiler Ver 3.227

Giống như nhiều trình biên dich C khác cho PIC, CCS giúp cho người sử dụng nắm bắt nhanh được vi điều khiển PIC và sử dụng PIC trong các dự án Các chương trình diều khiển sẽ được thực hiện nhanh chóng và đạt hiệu quả cao thông qua việc

sử dụng ngôn ngữ lập trình cấp cao – Ngôn ngữ C Tài liệu hướng dẫn sử dụng có rất nhiều, nhưng chi tiết nhất chính là bản Help đi kèm theo phần mềm (tài liệu Tiếng Anh) Trong bản trợ giúp nhà sản xuất đã mô tả rất nhiều về hằng, biến, chỉ thị tiền

xử lý, cấu trúc các câu lệnh trong chương trình, các hàm tạo sẵn cho người sử dụng…

2.1.4 App Inventor

MIT App Inventor dành cho Android là một ứng dụng web nguồn mở ban đầu

(MIT) Nền tảng cho phép nhà lập trình tạo ra các ứng dụng phần mềm cho hệ điều hành Android (OS) Bằng cách sử dụng giao diện đồ họa, nền tảng cho phép người dùng kéo và thả các khối mã (blocks) để tạo ra các ứng dụng có thể chạy trên thiết bị Android Đến thời điểm hiện tại 07/2017, phiên bản IOS của nền tảng này đã bắt đầu được đưa vào thử nghiệm bởi Thunkable, là một trong các nhà cung cấp ứng dụng web cho ngôn ngữ này

Mục tiêu cốt lõi của MIT App Inventor là giúp đỡ những người chưa có kiến thức về ngôn ngữ lập trình từ trước có thể tạo ra những ứng dụng có ích trên hệ điều hành Android Phiên bản mới nhất là MIT App Inventor 2

Ngày nay, MIT đã hoàn thiện App Inventor và nó được chia sẻ ngay trên tài khoản Google Các lập trình viên mới bắt đầu hoặc bất kỳ ai muốn tạo ra ứng dụng Android chỉ cần vào địa chỉ web của MIT, nhập thông tin tài khoản Google, và từ những mảnh ghép nhỏ, xây dựng những ý tưởng của mình

Bạn là người mới bắt đầu hoặc chưa biết gì hết về App Inventor? MIT có sẵn một loạt các hướng dẫn cụ thể cho bạn làm quen với chương trình

Hình 2.3 Giao diện của App Inventor

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.5 Phần mềm Arduino IDE

Hình 2.4 Giao diện của phầm mềm Arduino IDE 1.8.5 Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay

C/C++ và đội ngũ phát triển Arduino gọi là ngôn ngữ Arduino Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình Arduino được gọi là Arduino IDE (Intergrated Development Environment)

Arduino IDE là phần mềm dùng để lập trình cho Arduino Môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX và Linux Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm Ngôn ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++ Và do ngôn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng ngôn ngữ C của AVR nên người dùng hoàn toàn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR vào chương trình nếu muốn

2.2 CÁC CHUẨN GIAO TIẾP TRUYỀN DỮ LIỆU

2.2.1 Giao tiếp UART (Universal Asynchronous Receive/Transmit)

a Giới thiệu

UART là viết tắt của Universal Asynchronous Receiver – Transmitter Thường

là một mạch tích hợp được sử dụng trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi Rất nhiều vi điều khiển hiện nay đã được tích hợp UART,

vì vấn đề tốc độ và độ điện dụng của UART không thể so sánh với các giao tiếp mới hiện nay nên các dòng PC & Laptop đời mới không còn tích hợp cổng UART Giao tiếp SPI và I2C có 1 dây truyền dữ liệu và 1 dây được sử dụng để truyền xung clock (SCL) để đồng bộ trong giao tiếp Với UART thì không có dây SCL, vấn đề được giải quyết khi mà việc truyền UART được dùng giữa 2 vi xử lý với nhau, đồng nghĩa với việc mỗi vi xử lý có thể tự tạo ra xung clock cho chính nó sử dụng Để bắt đầu cho việc truyền dữ liệu bằng UART, một START bit được gửi đi, sau đó là các bit

dữ liệu và kết thúc quá trình truyền là STOP bit

Hình 2.5 Truyền dữ liệu bằng UART

Khi ở trạng thái chờ mức điện thế ở mức 1 (high) Khi bắt đầu truyền START bit sẽ chuyển từ 1 xuống 0 để báo hiệu cho bộ nhận là quá trình truyền dữ liệu sắp xảy ra Sau START bit là đến các bit dữ liệu D0-D7 (Theo hình vẽ các bit này có thể

ở mức High or Low tùy theo dữ liệu) Sau khi truyền hết dữ liệu thì đến Bit Parity để

bộ nhận kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền Cuối cùng là STOP bit là 1 báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm báo tính đúng đắn của dữ liệu

b Các thông số cơ bản trong truyền nhận UART

Baud rate (tốc độ baud): Khoảng thời gian dành cho 1 bit được truyền Phải được cài đặt giống nhau ở gửi và nhận

Frame (khung truyền): Khung truyền quy định về số bit trong mỗi lần truyền Start bit: là bit đầu tiên được truyền trong 1 Frame Báo hiệu cho thiết bị nhận

có một gói dữ liệu sắp được truyền đến (bit bắt buộc)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Data: dữ liệu cần truyền Bit có trọng số nhỏ nhất LSB được truyền trước sau

đó đến bit MSB

Parity bit: kiểm tra dữ liệu truyền có đúng không

Stop bit: là 1 hoặc các bit báo cho thiết bị rằng các bit đã được gửi xong Thiết

bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằm đảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu (bit bắt buộc)

2.2.2 Chuẩn giao tiếp USB (Universal Serial Bus)

a Giới thiệu

USB là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm và chạy mà với tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống)

Những thiết bị tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính công suất thấp ) được cung cấp điện năng hoạt động trực tiếp từ các cổng USB mà không cần có sự cung cấp nguồn riêng Với các thiết bị cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét ) không sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB như nguồn chính của chúng, lúc này đường truyền nguồn chỉ có tác dụng như một sự so sánh mức điện thế của tín hiệu

Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều này có nghĩa các thiết bị có thể được kết nối (cắm vào) hoặc ngắt kết nối (rút ra) trong mọi thời điểm mà người sử dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống

Nhiều thiết bị USB có thể được chuyển về trạng thái tạm ngừng hoạt động khi máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện

2.2.3 Chuẩn giao tiếp Wifi (Wireless Fidelity)

Hình 2.6 Chuẩn giao tiếp Wifi

a Giới thiệu

Wifi viết tắt của từ Wireless Fidelity là hệ thống truy cập Internet không dây sử dụng sóng vô tuyến, giống như truyền hình, Radio và hoàn toàn không cần cáp nối Wifi phát sóng trong một phạm vi nhất định vì thế các thiết bị như laptop, máy tính bảng, Smartphone chỉ cần bật tính năng kết nối Wifi và hoạt động trong tầm phủ sóng

là có thể kết nối, truy cập sử dụng internet bình thường

b Nguyên tắc hoạt động của mạng Wifi

Để tạo được kết nối Wifi nhất thiết phải có Router (bộ thu phát), Router này lấy thông tin từ mạng Internet qua kết nối hữu tuyến rồi chuyển nó sang tín hiệu vô tuyến

và gửi đi, bộ chuyển tín hiệu không dây (Adapter) trên các thiết bị di động thu nhận tín hiệu này rồi giải mã nó sang những dữ liệu cần thiết Quá trình này có thể thực hiện ngược lại, Router nhận tín hiệu vô tuyến từ Adapter và giải mã chúng rồi gởi qua Internet

2.2.4 Giao thức MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)

MQTT là một giao thức gởi dạng publish/subscribe sử dụng cho các thiết

bị Internet of Things với băng thông thấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụng trong mạng lưới không ổn định Bởi vì giao thức này sử dụng băng thông thấp trong môi trường có độ trễ cao nên nó là một giao thức lý tưởng cho các ứng dụng M2M MQTT cũng là giao thức sử dụng trong Facebook Messager

Trong chương trình ESP8266, sẽ có 4 thông tin quan trọng Đó là máy chủ, người dùng, mật khẩu và cổng (port) Hãy nhớ rằng “test.mosquitto.org” không yêu

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

cầu người dùng đăng nhập và khi bạn đang vận hành một broker của riêng bạn, bạn không cần đăng nhập (nhưng có thể đặt), nhưng tôi sẽ giới thiệu hai biến này trong chương trình để dành khi cần sử dụng

ESP8266 sử dụng giao thức MQTT được coi là "client - khách" của "broker"

Để cho ESP8266 nói chuyện với broker PubSubClient là 1 thư viện rất phổ biến Thư viện đó được gọi là 'PubSub' vì nó cho phép ESP 'publish - xuất bản' các tin nhắn MQTT cho broker và để 'Subscribe - Đăng ký nhận tin' với các tin nhắn MQTT của broker Bạn có nhớ tôi đã nói lò nướng không cần phải nghe tủ lạnh nói chuyện với máy pha cà phê? Vâng, đó là những gì 'đăng ký' là dành cho ESP8266 cụ thể chỉ nhận được thông báo đã đăng ký Thư viện có thể được cài đặt thông qua trình quản lý thư viện IDE Arduino

2.3 GIỚI THIỆU PHẦN CỨNG

Với đề tài này, nhóm sẽ sử dụng một số thiết bị phần cứng như sau:

- Thiết bị xử lý trung tâm: Vi điều khiển PIC 16F887, ESP8266

- Thiết bị đầu vào: Module đọc thẻ RFID RC522, Camera, cảm biến đo nhiệt độ,

vi xử lý 32 bit, 64 bit thường sử dụng cho các máy tính vì khối lượng dữ liệu của máy tính rất lớn nên cần các vi xử lý càng mạnh càng tốt Các hệ thống điều khiển trong công nghiệp sử dụng các vi xử lý 8 bit hay 16 bit như hệ thống điện của xe hơi, hệ thống điều hòa, hệ thống điều khiển các dây chuyền sản xuất Có rất nhiều hãng chế tạo được vi điều khiển, hãng sản xuất nổi tiếng là TI, Microchip, ATMEL tài liệu này

sẽ giới thiệu về vi điều khiển tiêu biểu là PIC16F887 của MICROCHIP

- Có 3 kiểu định địa chỉ trực tiếp, gián tiếp và tức thời

Cấu trúc đặc biệt của vi điều khiển

- Bộ dao động nội chính xác

 Sai số ± 1%

 Có thể lựa chọn tần số từ 31kHz đến 8Mhz bằng phần mềm

 Mạch phát hiện hỏng dao động thạch anh cho các ứng dụng quan trọng

 Có chuyển mạch nguồn xung clock trong quá trình hoạt động để tiết kiệm công suất

- Dãy điện áp hoạt động rộng từ 2V đến 5,5V

- Tầm nhiệt độ làm việc theo chuẩn công nghiệp

- Có mạch reset khi có điện (Power On Reset–POR)

- Có bộ định thời chờ ổn định điện áp khi mới có điện (Power up Timer–PWRT)

và bộ định thời chờdao động hoạt động ổn định khi mới cấp điện

(OscillatorStart-up Timer –OST)

- Có mạch tự động reset khi phát hiện nguồn điện cấp bị sụt giảm, cho phép lựa

chọn bằng phần mềm (Brown out Reset –BOR)

- Có bộ định thời giám sát (Watchdog Timer–WDT) dung dao động trong chip cho

phép

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- bằng phần mềm (có thể định thời lên đến 268 giây)

- Đa hợp ngõ vào reset với ngõ vào có điện trở kéo lên

- Có bảo vệ code đã lập trình

- Bộ nhớ Flash cho phép xóa và lập trình 100,000 lần

- Bộ nhớ Eeprom cho phép xóa và lập trình 1,000,000 lần và có thể tồn tại trên 40

năm

- Cho phép đọc/ghi bộ nhớ chương trình khi mạch hoạt động

- Có tích hợp mạch gỡ rối

Cấu trúc nguồn công suất thấp

- Chế độ chờ: dòng tiêu tán khoảng 50nA, sử dụng nguồn 2V

- Dòng hoạt động:

 11μA ở tần số hoạt động 32kHz, sử dụng nguồn 2V

 220μA ở tần số hoạt động 4MHz, sử dụng nguồn 2V

- Bộ định thời Watchdog Timer khi hoạt động tiêu thụ 1,4μA, điện áp 2V

Cấu trúc ngoại vi

- Cấu trúc ngoại vi

- Có 35 chân I/O cho phép lựa chọn hướng độc lập:

 Mỗi ngõ ra có thể nhận/cấp dòng lớn khoảng 25mA nên có thể trực tiếp điều khiển led

 Có các port báo ngắt khi có thay đổi mức logic

 Có các port có điện trở kéo lên bên trong có thể lập trình

 Có ngõ vào báo thức khỏi chế độ công suất cực thấp

- Có module so sánh tương tự:

 Có 2 bộ so sánh điện áp tươngtự

 Có module nguồn điện áp tham chiếu có thể lập trình

 Có nguồn điện áp tham chiếu cố định có giá trị bằng 0,6V

 Có các ngõ vào và các ngõ ra của bộ so sánh điện áp

 Có chế độ chốt SR

- Có bộ chuyển đổi tương tự sang số:

 Có 14 bộ chuyển đổi tương tự với độ phân giải 10 bit

 16 bit hoạt động định thời/đếm xung ngoại có bộ chia trước có thể lập trình

 Có ngõ vào cổng của timer1 để có thể điều khiển timer1 đếm từ tín hiệu bên ngoài

 Có bộ dao động công suất thấp có tần số 32kHz

- Có timer2: 8 bit hoạt động định thời với thanh ghi chu kỳ, có bộ chia trước và sau

- Có module capture, compare và điều chế xung PWM+ nâng cao

 Có bộ capture 16 bit có thể đếm được xung với độ phân giải caonhất là 12,5ns

 Có bộ điều chế xung PWM với số kênh ngõ ra là 1, 2 hoặc 4, có thể lập trình với tần số lớn nhất là 20kHz

 Có ngõ ra PWM điều khiển lái

- Có module capture, compare và điều chế xung PWM

 Có bộ capture 16 bit có thể đếm được xung với chu kỳ cao nhất là 12,5ns

 Có bộ so sánh 16 bit có thể so sánh xung đếm với chu kỳ lớn nhất là 200ns

 Có bộ điều chế xung PWM có thể lập trình với tần số lớn nhất là 20kHz

- Có thể lập trình trên bo ISP thông qua 2 chân

- Có module truyền dữ liệu nối tiếp đồng bộ MSSP hổ trợ chuẩn truyền 3 dây SPI,

chuẩn I2C ở 2 chế độ chủ và tớ

Sơ đồ chân của vi điều khiển PIC16F887:

Hình 2.8 Sơ đồ chân của Vi điều khiển PIC 16F887

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

có cao hơn AT89xxx nhưng lại có nhiều chức năng hơn đồng thời Pic cũng đang được dùng rất nhiều trong công nghiệp Chính vì vậy đề tài chọn PIC 16F887 làm trung tâm điều khiển

Nguyên lý hoạt động

Trạng thái ngõ vào của vi điều khiển được phát hiện và được lưu vào bộ nhớ đệm, (bộ nhớ trong vi điều khiển gồm các thành phần như sau: ROM, EPROM, EEOROM) thực hiện các lệnh trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật Sau đó, trạng thái ngõ ra được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ Chương trình được truyền nạp vào vi điều khiển thông qua những thiết bị lập trình chuyên dụng

Ứng dụng

Nhờ họat động theo chương trình nên VĐK có thể được ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác nhau Chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển và cách kết nối thì chính VĐK đó để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác Cũng như vậy, nếu muốn thay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản, chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển Các đối tượng mà VĐK

có thể điều khiển được rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt,

…VĐK có bộ ADC có đo nhiệt độ và độ ẩm, …

2.3.2 Cảm biến DHT11

Giới thiệu

DHT11 Là cảm biến nhiệt độ, độ ẩm rất thông dụng hiện nay vì chi phí rẻ và rất

nhất) Cảm biến được tích hợp bộ tiền xử lý tín hiệu giúp dữ liệu nhận về được chính xác mà không cần phải qua bất kỳ tính toán nào

Đặc điểm:

- Điện áp hoạt động: 3V - 5V (DC)

- Dải độ ẩm hoạt động: 20% - 90% RH, sai số ±5%RH

- Dải nhiệt độ hoạt động: 0°C ~ 50°C, sai số ±2°C

- Tần số lấy mẫu tối đa: 1 Hz

- Khoảng cách truyển tối đa: 20m

- Sơ đồ chân Cảm biến DHT11 gồm 2 chân cấp nguồn, và 1 chân tín hiệu Hiện

nay, thông dụng ngoài thị trường có hai loại đóng gói cho DHT11: 3 chân và

4 chân Xem các hình dưới

Hình 2.9 Cảm biến DHT11

Phân loại

Để đọc nhiệt độ môi trường ta có thể sử dụng các loại cảm biến LM35, DS18B20, LM335Z hay các module được tích hợp đo nhiệt độ như HR202, NTC, … Với nhiệm vụ đọc nhiệt độ môi trường để xử lý thì cảm biến nhiệt độ DHT11 có thể đáp ứng tốt yêu cầu đề tài Với ưu điểm như hoạt động khá chính xác với sai số ít, kích thước nhỏ và giá thành thấp, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 là một trong những cảm biến tương tự được sử dụng rất nhiều trong các ứng dụng đo nhiệt độ và

độ ẩm

Ứng dụng

Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa Ứng dụng chủ yếu của cảm biến DHT11 là dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm và để phục vụ cho các hoạt động trong công nghiệp, …

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.3.3 Động cơ DC

Giới thiệu

Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Đầu dây ra của động cơ thường gồm hai dây (dây nguồn - VCC và dây tiếp đất - GND)

Khi cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng thành

cơ năng Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao (số vòng quay/ phút) Tốc độ không tải của động cơ DC nếu không giảm tốc có thể đạt từ 1000RPM tới 40.000RPM

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

– Cấu tạo: gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ góp - chỉnh lưu

+ Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện

+ Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều

+ Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp

 Nguyên lý hoạt động:

Pha 1

Pha 3 Pha 2

Hình 2.10 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện một chiều

+ Pha 2: Rotor tiếp tục quay

+ Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ

sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng

Phân loại

- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập

- Động cơ điện 1 chiều kích từ song song

- Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

- Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp

Ứng dụng

Bởi có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ và khả năng làm việc trong môi trường quá tải nên động cơ điện một chiều giữ vai trò rất quan trọng trong công nghiệp Ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục trong phạm vi lớn như máy công cụ lớn, máy cán thép, máy kéo sợi, … Ngoài ra, động cơ điện một chiều còn được ứng dụng trong học tập, các mô hình đồ án, các công trình nghiên cứu về điện

tử, tự động hóa

2.3.4 NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)

Giới thiệu: ESP8266 NodeMCU

ESP8266 NodeMCU là dạng vi điều khiển tích hợp Wifi (Wifi SoC) được phát

triển bởi Espressif Systems, một nhà sản xuất Trung Quốc có trụ sở tại Thượng Hải Với vi điều khiển và Wifi tích hợp, ESP8266 cho phép lập trình viên có thể thực hiện

vô số các tác vụ TCP/IP đơn giản để thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc biệt là các ứng dụng IoT Tuy nhiên, vào thời điểm ra mắt năm 2014, hầu như chỉ có tài liệu bằng tiếng Trung Quốc nên ESP8266 chưa được phổ biến như hiện nay Module ESP8266 có giá thành rẻ nhất trong tất cả các loại Wifi SoC từ trước tới nay (trước ESP8266 có series CC3xxx từ Ti rất mắc nên không phổ biến), chỉ khoảng 2USD cho phiên bản đầu tiên, điều này đã thu hút các IoT-er khám phá cũng như dịch các tài liệu của ESP8266 sang tiếng Anh và phát triển vô số các ứng dụng kèm theo Sau nhiều năm phát triển, hiện nay đã có hơn 14 phiên bản ESP ra đời, trong đó phổ biến nhất là ESP-12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.11 Module ESP8266 ESP-12 Module ESP-12 kết hợp với firmware ESP8266 trên Arduino và thiết kế phần cứng giao tiếp tiêu chuẩn đã tạo nên NodeMCU, loại Kit phát triển ESP8266 phổ biến nhất trong thời điểm hiện tại Với cách sử dụng, kết nối dễ dàng, có thể lập trình, nạp chương trình trực tiếp trên phần mềm Arduino, đồng thời tương thích với các bộ thư viện Arduino sẵn có, NodeMCU là sự lựa chọn hàng đầu cho các bạn muốn tìm hiểu

về ESP8266 hiện nay

Hình 2.12 Module ESP8266 NodeMCU Lua CP2102

Đặc tính nổi bật

- Tích hợp 2 nút nhấn

- Tích hợp chip chuyển usb - uart CP2102

- Full IO: 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI, 2 UART, 1 I2C/I2S, PWM, v.v

- Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nodemcu

- Phiên bản firmware: NodeMCU Lua

- Chip nạp và giao tiếp UART: CP2102

- GPIO tương thích hoàn toàn với firmware Node MCU

- Cấp nguồn: 5VDC MicroUSB hoặc Vin

- GIPO giao tiếp mức 3.3VDC

- Tích hợp Led báo trạng thái, nút Reset, Flash

- Tương thích hoàn toàn với trình biên dịch Arduino

- Kích thước: 25 x 50 mm

Bảng 2.1: Thành phần NodeMCU 1.0 (ESP-12E Module)

PWM, I2C, SPI, 1-Wire, UART và ADC trên chân A0

Điện áp trên mỗi chân GPIO 3.3V

2.3.5 Module điều khiển động cơ L298N

Module L298N là Module điều khiển động cơ (Motor Driver) sử dụng chip cầu H L298N giúp điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ DC một cách dễ dàng, ngoài

ra module L298N còn điều khiển được 1 động cơ bước lưỡng cực Mạch cầu H của

IC L298N có thể hoạt động ở điện áp từ 5V đến 35V Module L298N có tích hợp một

IC nguồn 78M05 để tạo ra nguồn 5V để cung cấp cho các thiết bị khác

Hình 2.13 Sơ đồ chân Module L298N

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.14 Sơ đồ các chân Module L298

Thông số kỹ thuật:

 Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H

 Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V

 Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=> 2A cho mỗi motor)

 Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V

 Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~

 Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)

 Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃

L298 gồm các chân:

 12V power, 5V power Đây là 2 chân cấp nguồn trực tiếp đến động cơ Có thể cấp nguồn 9-12V ở 12V

 Power GND chân này là GND của nguồn cấp cho Động cơ

 2 chân A enable và B enable, để như hình, đừng rút ra bạn nhé!

 Gồm có 4 chân Input IN1, IN2, IN3, IN4 Nhận tín hiệu điều khiển

 Output A: nối với động cơ A bạn chú ý chân +, - Nếu bạn nối ngược thì động cơ sẽ chạy ngược

 Và chú ý nếu bạn nối động cơ bước, bạn phải đấu nối các pha cho phù hợp

2.3.6 Đèn và Relay trung gian đóng cắt

Vì loại bóng đèn 220V AC và 12V DC có giá phù hợp với sinh viên chúng em,

dễ tìm kiếm, tính ứng dụng vào thực tế đời sống cao Nên nhóm em chọn làm trong

đồ án tốt nghiệp Sử dụng Relay 5v để đóng cắt các thiết bị

Hình 2.15 Đèn và Relay trung gian

Thông số kỹ thuật:

- Dòng tiêu thụ: khoảng 200mA/1Relay

- Tín hiệu kích: High (5VDC) hoặc Low (0VDC) chọn bằng Jumper

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- Nguồn nuôi: 5VDC

- Tiếp điểm đóng ngắt max: 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A

- Kích thước: 72 (L) * 55 (W) * 19 (H) mm

2.3.7 Năng Lượng mặt trời và ắc quy

Pin năng lượng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫncó chứa trên bề mặt một

số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc 72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động dưới ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng nhân tạo Chúng có thể được dùng như cảm biến ánh sáng (ví dụ cảm biến hồng ngoại), hoặc các phát xạ điện từ gần ngưỡng ánh sáng nhìn thấy hoặc đo cường độ ánh sáng

Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Hoạt động của pin mặt trời được chia làm ba giai đoạn:

 Đầu tiên năng lượng từ các photon ánh sáng được hấp thụ và hình thành các cặp electron-hole trong chất bán dẫn

 Các cặp electron-hole sau đó bị phân chia bởi ngăn cách tạo bởi các loại chất bán dẫn khác nhau (p-n junction) Hiệu ứng này tạo nên hiệu điện thế của pin mặt trời

 Pin mặt trời sau đó được nối trực tiếp vào mạch ngoài và tạo nên dòng điện Các pin năng lượng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Các Pin năng lượng Mặt trời được thiết kế như những module thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng Mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo

Bình ắc quy là một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng

hóa năng Bình ắc quy cơ bản như tụ điện (tích trữ năng lượng) Bình ắc quy có các

ngăn mỗi ngăn sẽ cho ra 1 mức điện áp (ví dụ bình 12V có 6 ngăn mỗi ngăn cho ra

mức điện áp là 2V=> bình 12v gồm các ngăn mắc nối tiếp nhau) Các bản cực âm

dương xen kẽ nhau và ngăn cách nhau bởi chất cách điện Nguyên tắc hoạt động gồm

2 quá trình, đó là quá trình nạp điện và quá trình xả điện

Hình 2.16 Bình ắc quy và Pin năng lượng mặt trời

2.3.8 Camera quan sát

Camera quan sát là việc sử dụng các mắt điện tử để ghi lại những hình ảnh,

video lại vị trí lắp các mắt điện tử, những hình ảnh đó sẽ được lưu lại và phát trực

tiếp lên màn hình cho chúng ta giám sát, quản lý hay xử lý những sự cố không đáng

có xảy ra

Tùy vào môi trường khác nhau mà chúng ta sẽ chọn lắp đặt những con mắt

điện tử khác nhau, camera trên thì trường thế giới an ninh đang có rất nhiều hãng mà

chúnAg ta có thể chọn lắp đặt mắt camera

Hiện nay rất nhiều người chọn camera quan sát để lắp đặt quan sát an ninh cho

hộ gia đình, bệnh viện, trường học, cửa hàng, shop, kho xưởng, nhằm bảo vệ an

ninh, nâng cao an ninh quan sát tại khu vực lắp đặt camera quan sát

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.17 Camera giám sát công viên

2.3.9 Tổng quan về module RFID

RFID - Radio Frequency Identification Detection là công nghệ nhận dạng đối tượng bằng sóng vô tuyến Là một phương pháp nhận dạng tự động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa sử dụng thiết bị thẻ RFID và một đầu đọc RFID

Các thành phần của hệ thống RFID gồm 2 thành phần quan trọng nhất là:

- Tag (thẻ RFID)

- Reader (đầu đọc RFID)

(Trên Tag và Reader đều có Anten)

Tag và Reader giao tiếp với nhau ở cùng một Tần Số RFID sử dụng sóng Radio nên tốc độ truyền dữ liệu, khoảng cách truyền giữa Tag và Reader phụ thuộc rất nhiều vào Tần Số Do đó tùy thuộc vào ứng dụng trực tiếp mà các hệ thống RFID sử dụng rất nhiều dải tần số khác nhau, ở đây mình nêu ra 3 dải tần số thông dụng:

- Tần số thấp ( LF ) (khoảng 100kHz – 150 kHz)

- Tần số cao ( HF ) (10 – 15 MHz)

- Siêu cao tần ( UHF ) (850 – 950 MHz)

Hình 2.18 Hình ảnh Module RFID Đặc điểm của module MF RC522:

 MF RC522 ứng dụng cho việc tích hợp cao việc đọc và viết dữ liệu

 Giao tiếp với thẻ tại tần số 13.56Mhz

 Là sự lựa chọn tốt cho sự phát triển của các thiết bị thông minh và thiết bị di động cầm tay

 MF RC552 sử dụng cho việc nâng cao điều chế và giải mã điều chế thông tin giao tiếp thụ động bằng các phương pháp hoàn toàn thích hợp trong tần số 13.56 Mhz

 Tương thích với bộ phát tín hiệu 14443A

 ISO 14443A xử lý kỹ thuật để phát hiện lỗi và các khung hình

 CRYPTO1 nhanh chóng hỗ trợ mã hóa thuật toán để xác nhận sản phẩm là mafire

 MF RC552 hỗ trợ mafire giao tiếp với các chuỗi bằng tốc độ cao, tốc độ truyền

dữ liệu 2 chiều lên tới 424kbit/s

 MF RC552 cũng tương tự như MF RC500, MF RC530 nhưng cũng có những đặc điểm và sự khác biệt, giao tiếp giữa nó và máy chủ ở chế độ SPI giúp giảm thiểu các kết nối hạn hẹp của PCB, giảm chi phí đáng kể

 Các MF 552 là các module được thiết kế để dể dàng sử dụng với các đầu đọc thẻ mạch

 Giá thành rẻ và được áp dụng cho sự phát triển các thiết bị cho người sử dụng

 Nâng cao sự phát triển của các ứng dụng, đáp ứng nhu cầu về sử dụng các thiết

bị đầu/cuối sử dụng thẻ nhớ RF

 Module này có thể được nạp trược tiếp vào các khuôn reader khác nhau, rất thuận tiện

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sơ đồ chân kết nối:

Chân 1: SDA(SS) chân lựa chọn chip khi giao tiếp SPI (kích hoạt mức thấp)

Chân 2: SCK: chân xung trong chế độ SPI

Chân 3: MOSI(SDI): Master Data Out – Slave In trong chế độ giao tiếp SPI

Chân 4: MISO(SDO): Master Data In – Slave Out trong chế độ giao tiếp SPI

Chân 5: IRQ: chân ngắt

Chân 6 GND: chân nối mass

Chân 7: RST: chân reset lại module

Chân 8: VCC: nguồn 3.3V

2.3.10 Giới thiệu LCD 16x2

LCD 16x2 là loại LCD có thể hiển thị được tất cả các ký tự trong bảng mã ASCII và các ký tự đặc biệt do người dùng tự tạo, nó có thể hiển thị 2 dòng với mỗi dòng là 16 ký tự, mỗi ký tự có độ phân giải 8x5 pixel trên nền sáng phát ra từ LED xanh dương hoặc xanh lục Bên trong LCD 16x2 có tích hợp sẵn chíp vi điều khiển HD44780 và nhà sản xuất chỉ đưa ra các chân cần thiết cho việc giao tiếp của LCD

Hình 2.19 Sơ đồ chân LCD 16x2

Chức năng các chân như sau:

- Chân số 1 - VSS: Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với GND của mạch điều khiển

- Chân số 2 - VDD: Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân này với VCC=5V của mạch điều khiển

- Chân số 3 - VE: Điều chỉnh độ tương phản của LCD Có thể kết hợp với biến trở để điều chỉnh

- Chân số 4 - RS: Chân chọn thanh ghi

- Chân sô 5 - R/W: Chân chọn chế độ đọc/ghi (Read/Write) Nối chân R/W với mức logic “0” để LCD hoạt động ở chế độ ghi, hoặc nối với mức logic “1” để LCD

ở chế độ đọc

- Chân số 6 - E: Chân cho phép (Enable) dạng xung chốt

- Chân số 7 đến chân số 14 - D0 đến D7: Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với vi điều khiển Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này:

 Chế độ 8 bit: Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường

 Chế độ 4 bit: Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7

- Chân số 15 - A: Nguồn dương cho đèn nền

- Chân số 16 - K: Nguồn âm cho đèn nền

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Chương 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 GIỚI THIỆU

Tạo ra một công viên mà ở đó có được sự thoải mái, mát mẻ cho mọi người Sử dụng những thiết bị cần thiết như: quạt làm mát những khu nhà lúc trời nắng nóng, đèn chiếu sáng, ngoài ra có thể kiếm soát được chỉ có sinh viên của trường ra vào công viên bằng thẻ RFID tránh các trường hợp sảy ra như trộm cắp, các khu tham quan như hồ cá, cây cảnh, hệ thống tưới cây tự động, hồ phun nước

Yêu cầu:

- Thiết kế mạch kết nối ngõ ra của vi điều khiển với relay để điều khiển 2 động

cơ DC Một động cơ bơm nước tưới cây tự động, một động cơ dùng để phun nước

- Thiết kế mạch kết nối ngõ vào của vi điều khiển với cảm biến DHT-11 và thẻ

RFID

- Thiết kế mạch kết nối ngõ vào của Module Wifi ESP8266 với các 6 thiết bị điều

khiển là đèn và quạt

- Thiết kế mạch kết nối ngõ ra của vi điều khiển IC 74HC595 để điều khiển 4

LED MATRIX hiển thị nội dung cần thiết

Hình 3.1 Sơ đồ tổng quan mô hình công viên 4.0

Mô hình có 4 hệ thống chính:

- Hệ thống điều khiển đèn và quạt bằng Wifi

- Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm tưới cây, bật đèn sưởi tự động

Chức năng của từng hệ thống:

Hệ thống chạy chữ LED MATRIX: dùng để hiển thị và chạy nội dung cần quảng cáo lên trên 4 Led Matrix

Hệ thống quẹt thẻ RFID: hệ thống dùng để kiểm soát ra vào cổng công viên

Hệ thống điều khiển đèn và quạt bằng Wifi Hệ thống sử dụng Module Wifi ESP8266 để điều khiển đèn quạt theo ý của mình Điều này rất tiện lợi cho người dùng, chỉ cần có điện thoại thông mình là mọi người trong công viên cũng có thể điều khiển được đèn và quạt Tránh được tình trạng hao phí điện

Hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm tưới cây, bật đèn sưởi tự động: Hệ thống có thể đo nhiệt độ, độ ẩm trong công viên Nếu nhiệt độ lên cao và độ ẩm thấp thì hệ thống sẽ

tự động bật Motor bơm nước tưới cây cho công viên và làm mát hồ cá Ngược lại, khi về đêm nhiệt độ xuống thấp hệ thống sẽ tự động bật đèn sưởi ấm cho cá

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG.

3.2.1 Thiết kế hệ thống chạy chữ trên LED MATRIX

a Sơ đồ khối

Hình 3.2 Sơ đồ khối hệ thống chạy chữ quảng cáo bằng LED MATRIX

- Khối truyền tín hiệu từ Smartphone: Nhận tín hiệu trực tiếp từ người dùng

thông qua App trên Smartphone và truyền tín hiệu nhận cho Module Bluetooth

- Khối truyền và nhận dữ liệu bằng Module Bluetooth HC-05: Thu tín hiệu điều

khiển, sau đó giải mã rồi truyền tới khối điều khiển

- Khối vi điều khiển: PIC 16F887 nhận dữ liệu từ Module HC-05 sau đó xử lý

và xuất dữ liệu ra các port để hiện thị ở khối hiển thị

- Khối hiển thị: Nhận dữ liệu từ port ra của vi điều khiển và hiển thị ra nội dung

của người dùng cần quảng cáo ra màn hình LED MATRIX

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

b Thiết kế giao diện điều khiển

Hình 3.3 Giao diện điều khiển trên Smartphone

c Tính toán và thiết kế mạch

Phần dao động cho PIC16F887 sử dụng thạch anh 20MHz để đạt tốc độ xử lý nhanh Có 1 nút nhấn, dùng để reset lại hệ thống Có 1 điện trở kéo lên 1 KΩ nối với

VCC vừa hạn dòng để bảo vệ chân 𝑀𝐶𝐿𝑅 vừa đảm bảo ở trạng thái bình thường Chân reset luôn ở mức logic là 1 Khi ta nhấn vào nút nhấn thì chân 𝑀𝐶𝐿𝑅 xuống mức 0

Hệ thống được reset lại ban đầu

Hai tụ không phân cực C6 và C7 để tạo ổn định tần số và lọc nhiễu cho thạch anh Theo datasheet bộ dao động thạch anh này thuộc bộ dao động HS, tần số cao nằm trong giới hạn từ 4MHz đến 20MHz.và thông số của hai tụ này là 15 – 33pF Vì vậy em chọn giá trị tụ điện 33pF là phù hợp để thạch anh hoạt động tốt

Chân RX là ngõ vào nhận dữ liệu trong chế độ truyền bất đồng bộ UART Chân này kết nối với chân TX của Module Bluetooth để truyền nhận dữ liệu Chân TX là ngõ ra phát dữ liệu trong chế độ truyền bất đồng bộ USUART Chân này được nối với chân RX của Module Bluetooth để truyền tín hiệu cho module đó

Hình 3.4 Sơ đồ kết nối Khối vi điều khiển với HC-05

Chọn Led màu vàng có điện áp hoạt động 1.9 - 2.1V và dòng là 10-20 mA

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

d Sơ đồ nguyên lý

Hình 3.6 Sơ đồ mạch chạy chữ trên LED MATRIX

e Nguyên lý hoạt động

Khi Module Bluetooth nhận được tín hiệu điều khiển từ người dùng (thông qua App trên Smartphone), Module này truyền dữ liệu từ chân TX sang chân RX nhận dữ liệu của VĐK PIC 16F887 Với chương trình code được nạp, vi điều khiển nhận thông tin, tiến hành xử lý và sau đó xuất tín hiệu ngõ ra 3 chân RA0, RA1, RA2

để điều khiển IC 74HC595 IC này dùng để điều khiển LED MATRIX và xuất nội dung cần quảng cáo ra 4 màn hình LED MATRIX Trên mỗi IC đã được tích hợp bộ giải mã BCD, mạch quét dồn kênh, thanh ghi dịch, IC 74HC595 hoạt động giống như một thanh ghi dịch khi bạn cần nhập dữ liệu vào nối tiếp theo từng bit Tổng cộng

có 16 bit được nhập vào tại một thời điểm Bốn IC điều khiển 4 LED MATRIX, được mắc nối tiếp với nhau và truyền dữ liệu theo chuẩn giao tiếp SPI IC 74HC595 chỉ cần 3 chân điều khiển từ vi điều khiển và 2 chân cấp nguồn Điều này có thể tiết kiệm

Bảng 3.1 Thông số từng linh kiện của mạch chạy chữ trên LED MATRIX

Tổng dòng điện tiêu thụ của mạch chạy chữ Led Matrix là 853.5 mA

3.2.2 Thiết kế hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm tưới cây và bật đèn sưởi ấm tự động

a Sơ đồ khối

Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống đo nhiệt độ độ ẩm tưới cây và bặt đèn sưởi tự động

b Chức năng của từng khối

Chức năng của từng khối:

- Khối cảm biến DHT11: có chức năng chuyển đổi nhiệt độ, độ ẩm sang tín hiệu

điện

- Khối điều khiển: xử lý tín hiệu từ khối cảm biến và truyền sang khối hiển thị

- Khối hiển thị: hiển thị kết quả đếm dạng số thập phân

STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp hoạt

động

Dòng điện tiêu thụ

3 Module Bluetooth HC-05 1 3.3-5V 30mA

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

- Khối động cơ DC - đèn sưởi: tưới nước và bật đèn sưởi khi nhiệt độ thấp và độ

ẩm thấp

c Tính toán và thiết kế

Khối cảm biến DHT11

Sơ đồ kết nối:

Hình 3.8 Sơ đồ kết nối giữa Vi Điều khiển với DHT11

Chọn Điện trở 5 KΩ là điện áp treo, là để ổn định mức logic (điện áp) Một chân nối mức cao, một chân nối vào output của chân cảm biến DHT11 Không có điện trở treo khi DHT 11 chưa xuất hiện dữ liệu thì vi điều khiển không biết mức logic hiện tại là 0 hay 1, (do có hiện tượng trôi áp trong mạch điện tử) do đó dữ liệu thu vào sẽ chập chờn Khi có điện trở kéo lên, điện áp xấp xỉ là 5V Mức logic luôn là 1, khi DHT11 xuất dữ liệu mức 0 thì thì VĐK hiểu là 0, xuất mức 1 VĐK hiểu là 1 Ở đây

có mức điện áp rõ ràng nên dữ liệu thu vào ổn định chính xác

Khối động cơ ĐC và đèn sưởi:

Chọn động cơ mini 5V DC dùng để bơm nước tưới cây và dùng làm vòi phun nước trang trí

Rb =Vvdk−0.7

Ib = 5−0.7

10∗10 −3 = 430 Ω chọn Rb = 470 Ω

Khi VĐK xuất mức 1 ra chân DS2, dòng điện vào chân B của transistor C1815 Khi Ib tăng tới 1 giá trị nào đó và Ic không đổi thì sẽ làm cho transistor dẫn bão hòa (là trạng thái ON) Khi VĐK xuất mức 0 thì transistor ở trạng thái OFF Ở đây chọn

1 con Diode mắc ngược để bảo vệ cho transistor

Hình 3.9 Sơ đồ kết nối đèn sưởi ấm với VĐK

Chọn loại đèn 220V AC để sưởi ấm cho cá trong công viên vào lúc nhiệt độ trong công viên xuống thấp Opto PC817 có công dụng là để cách ly giữa cách khối chênh lệch về điện áp và công suất Khi có dòng điện nhỏ đi qua, Opto cho Led phát sáng Khi Led phát sáng làm thông 2 cực photo diode Sau đó mở dòng điện chạy qua Mục đích là nếu có sự cố tầng ứng dụng bị cháy nổ, chập hay gì đó thì không ảnh hưởng đến tầng điều khiển

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch đo nhiệt độ độ ẩm dùng để tưới cây và bật đèn

sưởi ấm tự động

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

d Nguyên lí hoạt động

Cảm biến DHT11 đọc nhiệt độ và độ ẩm từ môi trường và truyền tín hiệu về Vi điều khiển 16F887 Tín hiệu truyền về được chuyển từ tương tự thành tín hiệu điện

để đưa vào MCU MCU xử lý dữ liệu thông qua code đã nạp Sau đó xuất dữ liệu cần hiển thị ra cho LCD 16x2 và điều khiển các ngõ ra sao cho phù hợp với yêu cầu người dùng

Đèn sưởi ấm và động cơ sẽ hoạt động khi nhiệt độ và độ ẩm tới ngưỡng Khi nhiệt độ xuống thấp và độ ẩm cao thì sẽ bật đèn sưởi ấm Ngược lại, nhiệt độ lên cao

và độ ẩm thấp thì động cơ sẽ bơm và tưới nước cho toàn công viên

Bảng 3.2 Thông số từng linh kiện của mạch đo nhiệt độ độ ẩm dùng để tưới cây và bật đèn sưởi ấm tự động

Tổng dòng điện của mạch đo nhiệt độ độ ẩm dùng để tưới cây và bật đèn sưởi ấm tự động là 513.5 mA

3.2.3 Thiết kế hệ thống quẹt thẻ RFID

STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp

hoạt động

Dòng điện tiêu thụ

a Sơ đồ khối

Hình 3.11 Sơ đồ khối hệ thống quẹt thẻ RFID

- Khối vi xử lý: Gồm vi điều khiển PIC16F887, được thiết kế đưa các chân I/O

ra ngoài để dễ dàng trong việc kết nối các module với nhau

- Chức năng: Nhận thông tin từ bàn phím và Module RC522 để xử lý các thông

tin, đưa đến điều khiển động cơ và đưa thông tin hiển thị ra LCD thông báo cho người dùng

- Khối Module L298: Gồm IC L298, mạch cầu H

- Chức năng: Nhận tín hiêu của vi điều khiển, khuếch đại tín hiệu để điều khiển

động cơ bước để kéo khóa cửa cho phép người dùng mở cửa

- Khối LCD: LCD 16x2 có chức năng chính để giao tiếp người dùng với Vi Điều

Khiển để hiển thị màn hình thông tin mà người dùng muốn truyền tải dựa vào lập trình

- Khối Module RC522: Gồm Module RC522, thẻ từ hoặc thẻ NFC

- Chức năng: Mỗi thẻ sẽ có một mã thẻ riêng, module sẽ đọc ID của thẻ, rồi đưa

mã thẻ đã đọc vào vi xử lý để xử lý Nếu trùng với ID đặt trước thì cửa tủ sẽ được mở, nếu không trùng thì tủ sẽ giữ nguyên trạng thái

- Khối báo động: Gồm Buzzer và Led báo động

- Chức năng: Khi nhập sai mật khẩu quá 3 lần thì chuông sẽ kêu báo động và

đèn led sẽ nhấp nháy đến khi hết thời gian đặt trước Dùng để cảnh báo khi có người lạ đột nhập và cố ý muốn mở khóa cửa

- Động cơ bước: Động cơ bước với mỗi bước là 7.50, 4 dây

- Chức năng: Sử dụng động cơ bước khi nhận tín hiệu khuếch đại của Module

L298 điều khiển đóng mở cửa qua việc đóng cài chốt cửa

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

b Tính toán và thiết kế

Khối động cơ:

Chọn động cơ bước 4 dây, góc quay 7.50

để làm cửa đóng mở ra vào công viên

Hình 3.12 Sơ đồ chân động cơ bước 4 dây

Các cuộn được điều khiển theo thứ tự:

- Cuộn 1: 1000

- Cuộn 2: 0100

- Cuộn 3: 0010

- Cuộn 4: 0001

- Tương đương với code {0x08, 0x04,0x02, 0x01}

- Mỗi 1 bước động cơ quay 7.50 nên muốn quay được 1 vòng thì động cơ phải quay được 48 vòng Nhưng trong hệ thống quẹt thẻ mở cửa này ta chỉ cần quay

900 nên động cơ chỉ cần quay 12 bước Tương đương với lặp lại vòng lặp code trên 12 lần