Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển và giám sát nhiệt độ qua máy tính sử dụng sóng RF

LỜI CẢM ƠN Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trong khoa Điện Tử, trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải đã giảng dạy và truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em để em có thể thực hiện được đồ án này Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Công Nam vì sự tận tình hướng dẫn cũng như đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất cho em để em có thể thực hiện và hoàn thành đồ án này Mặc dù đã có nhiều cố gắng và nỗ lực thực hiện, nhưng do kiến thức cũng như khả năng bản thân còn nhiều hạn chế nên trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai phạm, thiếu sót Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ dẫn từ nơi quý thầy cô và các bạn sinh viên Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày… tháng… năm 2018 Sinh viên thực hiện Hoàng Ngọc Trắc 1 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 MỤC LỤC 2 DANH MỤC HÌNH ẢNH 4 DANH MỤC BẢNG 6 LỜI MỞ ĐẦU .7 1.1 Lí do chọn đề tài 8 1.2 Mục tiêu đề tài 8 1.3 Giới hạn và phạm vi của đề tài Error! Bookmark not defined 1.4 Kết quả dự kiến đạt được Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 8 1.1 Tổng quan về board mạch Arduino .8 1.1.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.1.2 Giới thiệu chung về Arduino Error! Bookmark not defined 1.1.3 Phần cứng của Arduino Error! Bookmark not defined 1.2 Khái quát cấu tạo của Arduino Uno R3 .Error! Bookmark not defined 1.2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2.2 Thông số kĩ thuật Error! Bookmark not defined 1.2.3 Vi điều khiển của Arduino uno R3 Error! Bookmark not defined 1.2.4 Năng lượng .Error! Bookmark not defined 1.2.5 Bộ nhớ Error! Bookmark not defined 1.2.6 Cổng vào ra Error! Bookmark not defined 1.3 khối cảm biến Error! Bookmark not defined 1.4 LCD 14 1.4.1 Hình ảnh minh họa, chức năng các chân LCD .14 1.4.2 Các mã lệnh LCD 16 2 1.4.3 Các lệnh giao tiếp LCD 17 1.5 Giới thiệu về công cụ hỗ trợ lập trình giao diện .21 1.5.1 Khái quát về Visual Studio 21 1.5.2 Các cửa sổ bị ẩn trên giao diện Visual Studio 25 1.5.3 Xác định Project khởi động chương trình 27 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SÓNG RF Error! Bookmark not defined 2.1 Sóng RF .Error! Bookmark not defined 2.1.1 Khái niệm .Error! Bookmark not defined 2.1.2 Đặc điểm sóng RF Error! Bookmark not defined 2.1.2.1 Thành phần của sóng RF .Error! Bookmark not defined 2.1.2.2 Mã hóa bit Error! Bookmark not defined 2.2 Phân loại Error! Bookmark not defined 2.2.1 Sóng dài và cực dài Error! Bookmark not defined 2.2.2 Sóng trung Error! Bookmark not defined 2.2.3 Sóng ngắn .Error! Bookmark not defined 2.2.4 Sóng cực ngắn (vi sóng) Error! Bookmark not defined 2.3 Điều khiển từ xa bằng sóng RF Error! Bookmark not defined 2.3.1 Khái niệm .Error! Bookmark not defined 2.3.2 Hoạt động .Error! Bookmark not defined 2.4 Ưu, nhược điểm và giải pháp .Error! Bookmark not defined 2.4.1 Ưu điểm Error! Bookmark not defined 2.4.2 Nhược điểm Error! Bookmark not defined 2.4.3 Giải pháp Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH .27 3.1 Thiết kế mạch điều khiển thiết bị và giám sát nhiệt độ qua máy tính sử dụng sóng RF 27 3.2 Thiết kế mạch thu và phát 30 3 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mạch phát .30 3.2.1.1 Các khối trong mạch 31 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mạch thu: .34 3.3 Mạch in thực tế sau khi thiết kế 34 3.3.1 Thiết kế phần mềm .37 3.3.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển 39 3.3.3: Lưu đồ thuật toán của mạch thu 40 3.4 Phần mềm giao tiếp với máy tính .42 3.4.1 Giao diện phần mềm giao tiếp với máy tính; 42 3.4.2 Sơ đồ thuật toán mạch điều khiển; 40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 những thành viên khởi sướng Arduino Error! Bookmark not defined Hình 1.2 điều khiển xe từ xa dùng arduino Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Một mạch Arduino Uno chính thức với các mô tả về các cổng I/O .Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Ảnh Arduino Uno Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Vi điều khiển của Arduino Uno R3 Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Các chân của Arduino Uno R3 .Error! Bookmark not defined 4 Hình 1.6 cảm biến LM35 Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Hình dạng thực tế của LCD 16x2 14 Hình 1.8: Visual Studio Color Themes 21 Hình 1.9: Giao diện làm việc chính của Visual Studio .23 Hình 1.11 Build, Debug và Run 26 Hình 1.12 Giao diện trình dịch 27 Hình 2.1 Dạng sóng RF Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Các dạng mã phổ biến Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Sóng dài và cực dài ban ngày .Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Sóng dài và cực dài ban đêm Error! Bookmark not defined Hình 2.5 Sóng trung Error! Bookmark not defined Hình 2.6 Sóng ngắn Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Bộ thu, phát trên thực tế .Error! Bookmark not defined Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mạch phát Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Sơ đồ khối của mạch thu; 30 Hình 3.3: Sơ đồ mạch nguyên lý 31 Hình 3.4 Sơ đồ khối nguồn 31 Hình 3.5: Khối báo động và đóng mở thiết bị 32 Hình 3.6: Khối hiển thị và sensor LM35 32 Hình 3.7: Khối nhận và phát dữ liệu RF 33 Khối 3.8: Khối xử lý trung tâm sử dụng Atmega328; 34 Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý mạch thu 34 Hình 3.10: Mạch in sau khi thiết kế 35 Hình 3.11: Mạch in hiển thị dưới dạng 3D 36 Hình 3.12: Mạch thu sau khi thiết kế 36 Hình 3.12: Mạch thu hiển thị 3D; 37 Hình 3.13: Giao diện của phần mềm Arduino IDE 38 5 Hình 3.14: Lưu đồ thuật toán mạch phát 39 Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán mạch thu .40 Hình 3.17: Giao diện phần mềm sau khi thiết kế .43 Hình 3.18: Lưu đồ thuật toán giao tiếp máy tính Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các chân của LCD 15 Bảng 1.2 Các mã lệnh LCD .16 Bảng 1.3 Các lệnh giao tiếp LCD 18 Bảng 2.1 Phân loại tần số Error! Bookmark not defined 6 7 LỜI MỞ ĐẦU Điện tử đang trở thành một ngành đa nhiệm vụ Điện tử đã đáp ứng được những đòi hỏi không ngừng của các ngành, lĩnh vực khác nhau cho đến nhu cầu thiết yếu của con người trong cuộc sống hàng ngày Một trong những ứng dụng quan trọng của ngành công nghệ điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa bằng RF và giám sát qua máy tính Xuất phát từ nhu cầu thực tế qua những ứng dụng tiện ích và hiệu quả mà công nghệ điều khiển từ xa mang lại, em đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển và giám sát nhiệt độ qua máy tính sử dụng sóng RF” Mạch sử dụng mạch thu phát RF Zigbee UART CC2530 Mạch cần sử dụng 2 mạch CC2530 Tín hiệu sẽ được thu bởi khối thu RF, Dữ liệu nhận từ mạch phát CC2530, sau đó một mạch CC2530 sẽ làm nhiệm vụ thu dữ liệu và gửi tín hiệu lại mạch điều khiển Khối điều khiển sẽ xử lí tín hiệu đưa về mạch thu điều khiển khối relay để bật những thiết bị được yêu cầu mở bởi bên phát Trạng thái hoạt động của thiết bị được hiển thị trên LCD 16x2 và giám sát qua máy tính và cài đặt ,điều khiển thiết bị Bộ điều khiển sau khi thiết kế mạch xong có thể điều khiển thiết bị dựa vào nhiệt độ và yêu cầu của mạch trên máy tính Tuy đã cố gắng thực hiện đồ án trong sự nghiêm túc và trách nhiệm nhất, nhưng do khả năng nghiên cứu cũng như kiến thức bản thân còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những sai phạm và thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp tích cực từ quý thày cô và các bạn 8 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1.Tổng quan về đề tài 1.1.1 Lí do chọn đề tài Ngày nay với những ứng dụng khoa học tiên tiến, cả thế giới của chúng ta ngày một hiện đại và văn minh hơn Sự phát triển của nghành kĩ thuật điện tử đã tạo ra hàng loạt những thiết bị với sự chính xác cao, tốc độ nhanh, gọn nhẹ đã đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống của con người, là chìa khóa đi vào công nghệ hiện đại Máy móc dần được thay thế sức lao động của con người, tự động hóa, điều khiển đóng vai trò vô cùng quan trọng trong công nghiệp, quản lí Điện tử đang trở thành một nghành khoa học đa nhiệm vụ Bài toán kiểm soát nhiệt độ đã và đang không ngừng đáp ứng được nhu cầu của các nghành nông- lâmngư nghiệp đến các nhu cầu trong cuộc sống Một trong những ứng dụng quan trọng của công nghệ Điện tử là kỹ thuật điều khiển từ xa Nó đã góp phần rất lớn trong việc điều khiển các thiết bị phục vụ nhu cầu sản xuất Chính vì vậy em đã chọn đề tài “ Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển và giám sát nhiệt độ qua máy tính sử dụng sóng RF” Mục tiêu chính đề tài: Thiết kế được mô hình giám sát và điều khiển nhiệt độ trong thực tế, có cảnh báo trên giao diện và mạch điều khiển, trình bày được giao diện 1.2 Các thiết bị phần cứng 1.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo LM35 Hình 1.2 Hình ảnh thực tế LM35 9 Chân 1: Chân nguồn Vcc Chân 2: Đầu ra Vout Chân 3: GND LM35 là cảm biến nhiệt có điện áp đầu ra của nó tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ theo thang độ C Chúng cũng không yêu cầu cân chỉnh ngoài vì vốn chúng đã được cân chỉnh Đặc điểm chính của cảm biến LM35: Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC Độ chính xác cao ở 25 C là 0.5 C Trở kháng đầu ra thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo được của LM35 là từ -55 C đến 150 C với các mức điện áp ra khác nhau Xét một số mức điện áp sau : Nhiệt độ -55 C điện áp đầu ra -550mV Nhiệt độ 25 C điện áp đầu ra 250mV Nhiệt độ 150 C điện áp đầu ra 1500mV Tùy theo cách mắc của LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống này thì đo từ 0 đến 150 Tính toán nhiệt độ đầu ra của LM35 Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường chúng ta sử dụng bằng cách: LM35 - > ADC - > Vi điều khiển Như vậy ta có: U= t.k u là điện áp đầu ra t là nhiệt độ môi trường đo k là hệ số theo nhiệt độ của LM35 10mV/1 độ C Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 là 5V ADC 10bit Vậy bước thay đổi của LM35 sẽ là 5/(2^10) = 5/1024 Giá trị ADC đo được thì điện áp đầu vào của LM35 là (t*k)/(5/1024) = ((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t 10 Hình 3.2 Sơ đồ khối của mạch thu 2.2 Thiết kế mạch thu và phát 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mạch phát Sử dụng phần mềm Altium để thiết kế sơ đồ bố trí mạch Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý 32 2.2.1.1 Các khối trong mạch Khối nguồn nuôi Hình 3.4 Sơ đồ khối nguồn - Khối nguồn sử dụng IC LM2576 –T cho điện áp ra cố định 5V Đây là IC làm việc ổn định, cho dòng điện đầu ra lớn, lên tới 3A - Khi cấp nguồn cho mạch, không thể tránh khỏi việc không cấp được điện áp liên tục cho mạch, vì vậy các tụ C2(1000uF/25V) và C2(104) có nhiệm vụ bù đắp điện áp cho mạch, tránh hiện tượng mạch bị reset liên tục khi hoạt động - Cuộn cảm L1 và tự C4(1000uF) và C3(104) có chức năng lọc điện áp đầu ra, tạo điện áp ổn định 5V - Diode IN4004 để bảo vệ mạch khi LM2576 hỏng Khối báo động và đóng mở thiết bị: Hình 3.5 Khối báo động và đóng mở thiết bị 33 - Sử dụng Rơle 5V/10A – 250VAC , cho phép cường độ dòng điện tối đa qua tiếp điểm rơ le với hiệu điện thế nhỏ hơn 250V xoay chiều là 10A Sử dụng còi chip buzz để báo động, khi đạt yêu cầu cài đặt; Khối giao tiếp LCD Khối cảm biến nhiệt độ Hình 3.6 Khối hiển thị và cảm biến LM35 Khối nhận và phát dữ liệu RF Hình 3.7 Khối nhận và phát dữ liệu RF 34 Khối xử lý trung tâm; Khối 3.8 Khối xử lý trung tâm sử dụng Atmega328 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống mạch thu : Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mạch: 35 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch thu 2.3 Mạch in thực tế sau khi thiết kế Altium designer là một phần mềm chuyên nghành được sử dụng trong thiết kế mạch điện tử Cho phép quản lý thành các project riêng hoặc thành các workspace Hỗ trợ thư viện khổng lồ, với nhiều loại IC, linh kiện mới cập nhật Thiết kế mạch in với các tính năng cài đặt kích thước dây, cách thức đi dây, hỗ trợ thư viện, tự động kiểm tra lỗi Việc tiến hành mạch in có thể được thực hiện thông qua chế độ tự động Tuy nhiên thì việc đi dây bằng tay sẽ giúp mạch điện tử sẽ gọn và đẹp hơn 36 Hình 3.10 Mạch in sau khi thiết kế 37 Hình 3.11 Mạch in hiển thị dưới dạng 3D Hình 3.12 Mạch thu sau khi thiết kế 38 Hình 3.12 Mạch thu hiển thị 3D CHƯƠNG 3: LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾT GIAO DIỆN 3.1 Thiết kế phần mềm Việc lập trình cho vi điều khiển Atmega328p sử dụng ngôn ngữ C chuẩn, viết bằng phần mềm Arduino IDE Giao diện phần mềm Arduino IDE khá đơn giản, giúp người dùng có thể sử dụng một cách dễ dàng Phần mềm biên soạn Arduino IDE Arduino IDE là chương trình hỗ trợ khá đầy đủ trong việc lập trình cho vi điều khiển họ AVR, là chương trình soạn thảo sử dụng ngôn ngữ chính là C để viết chương trình cho vi điều khiển Tuy nhiên nó cũng hỗ trợ cả ngôn ngữ lập trình bậc thấp ASSEMBLY Vì vậy ta có thể viết chương trình bằng một trong 2 ngôn ngữ 39 Hình 3.13 Giao diện của phần mềm Arduino IDE 40 3.2 Lưu đồ thuật toán 3.2.1 Lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán mạch phát 41 3.2.2: Lưu đồ thuật toán của mạch thu Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán mạch thu 3.3.2 Sơ đồ thuật toán mạch điều khiển; 42 Hình 3.15 Thuật toán giao tiếp máy tính 3.4 Cơ chế hoạt động của mạch; Mạch phát: có chức năng giao tiếp với cảm biến LM35, đo nhiệt độ môi trường, sau khi giao tiếp thành công sẽ gửi dữ liệu nhiệt độ qua UART để gửi dữ liệu qua mạch thu, gửi dữ liệu nhiệt độ là một số nguyên; Mạch thu: Có chức năng nhận dữ liệu từ mạch phát qua module Zigbee UART CC2530; module này có chức năng đảm nhiệm nhận dữ liệu từ module Zigbee UART CC2530 từ mạch phát; 43 Và từ đó 2 bên gửi dữ liệu thông tin điều khiển từ máy tính xuống, để thực hiện quá trình trên; 3.3 Phần mềm giao tiếp với máy tính 3.3.1 Giao diện phần mềm giao tiếp với máy tính; Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp từ Microsoft Nó được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web Visual Studio sử dụng nền tảng phát triển phần mềm của Microsoft như Windows API, Windows Forms, Windows Presentation Foundation, Windows Store và Microsoft Silverlight Nó có thể sản xuất cả hai ngôn ngữ máy và mã số quản lý; 44 Hình 3.17 Giao diện phần mềm sau khi thiết kế CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ MÔ PHỎNG 4.1 Hình ảnh mạch thực tế KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Có thể phát triển để điều khiển và giám sát nhiều thiết bị hơn Thay thế bộ thu phát RF điều khiển 4 thiết bị bằng bộ thu phát có thể điều khiển nhiều thiết bị hơn như điều khiển 8 thiết bị, 15 thiết bị… Có thể phát triển nhiều phương thức giao tiếp hơn như: giao tiếp bằng giọng nói, màn hình cảm biến hay qua điện thoại… Đề tài không những chỉ áp dụng cho các thiết bị trong nhà mà nên được mở rộng áp dụng đối với điều khiển các thiết bị sử dụng nơi công cộng Có thể sử dụng thêm các cảm biến đo nhiệt độ, báo cháy để tự động tắt các thiết bị khi có sự cố xảy ra Hi vọng với tất cả các hướng phát triển nêu trên cùng với những ý tưởng khác của các bạn, của người đọc – những người đi sau – sẽ phát triển hơn nữa đề tài này, khắc phục những hạn chế, tồn tại của đề tài, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao hơn vào trong thực tế cuộc sống, phục vụ cho những lợi ích của con người trong tương lai 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO Website [1] “Điều khiển thiết bị từ xa bằng sóng RF”, http://luanvan.co [2] “Lý thuyết điều khiển từ xa”, www.timtailieu.vn [3] “Mạch điều khiển 4 thiết bị điện từ xa bằng sóng RF”, http://dulieu.tailieuhoctap.vn [4] PT2262, PT2272 Datasheet, http://www.alldatasheet.com 46 ... cơng nghệ điều khiển từ xa mang lại, em định chọn đề tài ? ?Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển giám sát nhiệt đợ qua máy tính sử dụng sóng RF? ?? Mạch sử dụng mạch thu phát RF Zigbee... việc điều khiển các thiết bị phục vụ nhu cầu sản xuất Chính em chọn đề tài “ Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển giám sát nhiệt đợ qua máy tính sử dụng sóng RF? ?? Mục tiêu đề tài: Thiết. .. thu điều khiển khối relay để bật thiết bị yêu cầu mở bên phát Trạng thái hoạt động thiết bị hiển thị LCD 16x2 giám sát qua máy tính cài đặt ,điều khiển thiết bị Bợ điều khiển sau thiết