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 gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện Tử, trường Đại học Công nghệ giao thông vận tải giảng dạy truyền đạt kiến thức chuyên ngành cho em để em có thể thực đồ án Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Cơng Nam sự tận tình hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cho em để em có thể thực hồn thành đờ án Mặc dù có nhiều cố gắng nỗ lực thực hiện, kiến thức khả thân nhiều hạn chế nên trình thực đề tài khơng thể tránh khỏi sai phạm, thiếu sót Em mong nhận sự góp ý, dẫn từ nơi quý thầy cô bạn sinh viên Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày… tháng… năm 2018 Sinh viên thực Hoàng Ngọc Trắc MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC .2 DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG .6 LỜI MỞ ĐẦU 1.1 Lí chọn đề tài .8 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Giới hạn phạm vi đề tài Error! Bookmark not defined 1.4 Kết dự kiến đạt Error! Bookmark not defined CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan board mạch Arduino 1.1.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 1.1.2 Giới thiệu chung Arduino Error! Bookmark not defined 1.1.3 Phần cứng Arduino Error! Bookmark not defined 1.2 Khái quát cấu tạo 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 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 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 các chân LCD 14 1.4.2 Các mã lệnh LCD 16 1.4.3 Các lệnh giao tiếp LCD .17 1.5 Giới thiệu cơng cụ hỗ trợ lập trình giao diện 21 1.5.1 Khái quát Visual Studio .21 1.5.2 Các cửa sổ bị ẩn 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 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 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 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 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 giám sát nhiệt đợ qua máy tính sử dụng sóng RF 27 3.2 Thiết kế mạch thu phát 30 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạch phát 30 3.2.1.1 Các khối mạch .31 3.2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạch thu: 34 3.3 Mạch in thực tế sau thiết kế 34 3.3.1 Thiết kế phần mềm 37 3.3.2 Lưu đờ thuật tốn hệ thống điều khiển .39 3.3.3: Lưu đờ thuật tốn 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 đờ thuật tốn mạch điều khiển; 40 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 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 Mợt mạch Arduino Uno thức với mô tả cổng I/O Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Ảnh Arduino Uno Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Vi điều khiển Arduino Uno R3 Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Các chân Arduino Uno R3 Error! Bookmark not defined Hình 1.6 cảm biến LM35 Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Hình dạng thực tế LCD 16x2 14 Hình 1.8: Visual Studio Color Themes 21 Hình 1.9: Giao diện làm việc Visual Studio 23 Hình 1.11 Build, Debug 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 cực dài ban ngày Error! Bookmark not defined Hình 2.4 Sóng dài 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 Bợ thu, phát thực tế Error! Bookmark not defined Hình 3.1 : Sơ đờ khối mạch phát Error! Bookmark not defined Hình 3.2: Sơ đồ khối mạch thu; 30 Hình 3.3: Sơ đờ mạch nguyên lý 31 Hình 3.4 Sơ đờ khối ng̀n 31 Hình 3.5: Khối báo đợng đóng mở thiết bị 32 Hình 3.6: Khối hiển thị sensor LM35 .32 Hình 3.7: Khối nhận phát liệu RF .33 Khối 3.8: Khối xử lý trung tâm sử dụng Atmega328; 34 Hình 3.9: Sơ đờ ngun lý mạch thu .34 Hình 3.10: Mạch in sau thiết kế 35 Hình 3.11: Mạch in hiển thị dạng 3D 36 Hình 3.12: Mạch thu sau thiết kế 36 Hình 3.12: Mạch thu hiển thị 3D; 37 Hình 3.13: Giao diện phần mềm Arduino IDE .38 Hình 3.14: Lưu đờ thuật tốn mạch phát .39 Hình 3.15: Lưu đờ thuật toán mạch thu 40 Hình 3.17: Giao diện phần mềm sau thiết kế 43 Hình 3.18: Lưu đờ thuật tốn giao tiếp máy tính Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các chân 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 LỜI MỞ ĐẦU Điện tử trở thành một ngành đa nhiệm vụ Điện tử đáp ứng đòi hỏi khơng ngừng các ngành, lĩnh vực khác nhu cầu thiết yếu người cuộc sống hàng ngày Một ứng dụng quan trọng ngành công nghệ điện tử kỹ thuật điều khiển từ xa RF giám sát qua máy tính Xuất phát từ nhu cầu thực tế qua ứng dụng tiện ích hiệu mà công nghệ điều khiển từ xa mang lại, em định chọn đề tài “Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển 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 mạch CC2530 Tín hiệu thu khối thu RF, Dữ liệu nhận từ mạch phát CC2530, sau đó một mạch CC2530 làm nhiệm vụ thu liệu gửi tín hiệu lại mạch điều khiển Khối điều khiển xử lí tín hiệu đưa mạch 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 Bộ điều khiển sau thiết kế mạch xong điều khiển thiết bị dựa vào nhiệt đợ u cầu mạch máy tính Tuy cố gắng thực đồ án sự nghiêm túc trách nhiệm nhất, khả nghiên cứu kiến thức thân nhiều hạn chế nên tránh khỏi sai phạm thiếu sót Rất mong nhận ý kiến đóng góp tích cực từ q thày bạn CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1.Tổng quan đề tài 1.1.1 Lí chọn đề tài Ngày với ứng dụng khoa học tiên tiến, giới ngày một đại văn minh Sự phát triển nghành kĩ thuật điện tử tạo hàng loạt thiết bị với sự xác cao, tốc đợ nhanh, gọn nhẹ đóng vai trò vơ quan trọng c̣c sống người, chìa khóa vào cơng nghệ đại Máy móc dần thay sức lao động người, tự động hóa, điều khiển đóng vai trò vơ quan trọng cơng nghiệp, quản lí Điện tử trở thành mợt nghành khoa học đa nhiệm vụ Bài tốn kiểm sốt nhiệt đợ khơng ngừng đáp ứng nhu cầu nghành nông- lâmngư nghiệp đến nhu cầu cuộc sống Một ứng dụng quan trọng công nghệ Điện tử kỹ thuật điều khiển từ xa Nó góp phần lớn việc điều khiển 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 kế mơ hình giám sát điều khiển nhiệt đợ thực tế, có cảnh báo giao diện mạch điều khiển, trình bày giao diện 1.2 Các thiết bị phần cứng 1.2.1 Cảm biến nhiệt độ LM35 Hình 1.1 Sơ đờ cấu tạo LM35 Hình 1.2 Hình ảnh thực tế LM35 Chân 1: Chân ng̀n Vcc Chân 2: Đầu Vout Chân 3: GND LM35 cảm biến nhiệt có điện áp đầu tỷ lệ tuyến tính với nhiệt đợ theo thang đợ C Chúng khơng u cầu cân chỉnh ngồi vốn chúng cân chỉnh Đặc điểm cảm biến LM35:  Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V  Độ phân giải điện áp đầu 10mV/oC  Đợ xác cao 25 C 0.5 C  Trở kháng đầu thấp 0.1 cho 1mA tải Dải nhiệt độ đo LM35 từ -55 C đến 150 C với mức điện áp khác Xét một số mức điện áp sau :  Nhiệt độ -55 C điện áp đầu -550mV  Nhiệt độ 25 C điện áp đầu 250mV  Nhiệt độ 150 C điện áp đầu 1500mV Tùy theo cách mắc LM35 để ta đo các giải nhiệt độ phù hợp Đối với hệ thống đo từ đến 150 Tính tốn nhiệt độ đầu LM35 Việc đo nhiệt độ sử dụng LM35 thông thường sử dụng cách: LM35 - > ADC - > Vi điều khiển Như ta có: U= t.k u điện áp đầu t nhiệt độ môi trường đo k hệ số theo nhiệt độ LM35 10mV/1 độ C Giả sử điện áp Vcc cấp cho LM35 5V ADC 10bit Vậy bước thay đổi LM35 5/(2^10) = 5/1024 Giá trị ADC đo điện áp đầu vào LM35 (t*k)/(5/1024) = ((10^-2)*1024*t)/5 = 2.048*t Vậy nhiệt độ ta đo t = giá trị ADC/2048 Tương tự với ADC 11bit Vcc khác ta tính để công thức lấy nhiệt độ Mã: set_adc_channel(0); value = (float)read_adc(); value=value/2.048; Sai số LM35 + Tại độ C điện áp LM35 10mV + Tại 150 đợ C điện áp LM35 1.5V ==> Giải điện áp ADC biến đổi 1.5 - 0.01 = 1.49 (V) + ADC 11 bit nên bước thay đổi ADC : n = 2.44mV Vậy sai số hệ thống đo : Y = 0.00244/1.49 = 0.164 % 1.2.2 Modul thu phát RF Zigbee UART CC2530 1.2.2.1 Khái niệm Zigbee Mạng Zigbee hình năm 1988 các kỹ sư công nghệ nhận thấy wifi bluetooth khơng thích hợp với nhiều ứng dụng Tháng năm 2003, tiêu chuẩn IEEE802.15.4 hoàn thành 10 2.1.2 Sơ đồ khối mạch thu; Khối xử lý trung tâm Atmega328p Khối nhận liệu RF Khối ng̀n ni 5VDC Hình 3.2 Sơ đờ khối mạch thu 2.2 Thiết kế mạch thu phát 2.2.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạch phát Sử dụng phần mềm Altium để thiết kế sơ đồ bố trí mạch 30 Khối giao tiếp máy tính Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý 2.2.1.1 Các khối mạch Khối nguồn ni Hình 3.4 Sơ đờ khối ng̀n - Khối nguồn sử dụng IC LM2576 –T cho điện áp cố định 5V Đây IC làm việc ổn định, cho dòng điện đầu lớn, lên tới 3A - Khi cấp nguồn cho mạch, tránh khỏi việc không cấp điện áp liên tục cho mạch, tụ C2(1000uF/25V) C2(104) có nhiệm vụ bù đắp điện áp cho mạch, tránh tượng mạch bị reset liên tục hoạt động - Cuộn cảm L1 tự C4(1000uF) C3(104) có chức lọc điện áp đầu ra, tạo điện áp ổn định 5V - Diode IN4004 để bảo vệ mạch LM2576 hỏng 31 Khối báo động đóng mở thiết bị: Hình 3.5 Khối báo đợng đóng mở thiết bị - Sử dụng Rơle 5V/10A – 250VAC , cho phép cường đợ dòng điện tối đa qua tiếp điểm rơ le với hiệu điện nhỏ 250V xoay chiều 10A Sử dụng còi chip buzz để báo đợng, đạt yêu cầu cài đặt; Khối cảm biến nhiệt độ Khối giao tiếp LCD Hình 3.6 Khối hiển thị cảm biến LM35 Khối nhận phát liệu RF 32 Hình 3.7 Khối nhận phát liệu RF Khối xử lý trung tâm; 33 Khối 3.8 Khối xử lý trung tâm sử dụng Atmega328 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống mạch thu : Dưới sơ đờ ngun lý mạch: Hình 3.9 Sơ đờ nguyên lý mạch thu 2.3 Mạch in thực tế sau thiết kế Altium designer một phần mềm chuyên nghành sử dụng thiết kế mạch điện tử Cho phép quản lý thành project riêng thành workspace Hỗ trợ thư viện khổng lồ, với nhiều loại IC, linh kiện cập nhật Thiết kế mạch in với các tính cài đặt kích thước dây, cách thức dây, hỗ trợ thư viện, tự động kiểm tra lỗi Việc tiến hành mạch in thực thông qua chế độ tự động Tuy nhiên việc dây tay giúp mạch điện tử gọn đẹp 34 Hình 3.10 Mạch in sau thiết kế 35 Hình 3.11 Mạch in hiển thị dạng 3D Hình 3.12 Mạch thu sau thiết kế 36 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 phần mềm Arduino IDE Giao diện phần mềm Arduino IDE khá đơn giản, giúp người dùng sử dụng một cách dễ dàng Phần mềm biên soạn Arduino IDE Arduino IDE chương trình hỗ trợ khá đầy đủ việc lập trình cho vi điều khiển họ AVR, chương trình soạn thảo sử dụng ngơn ngữ C để viết chương trình cho vi điều khiển Tuy nhiên nó hỗ trợ ngôn ngữ lập trình bậc thấp ASSEMBLY Vì ta viết chương trình mợt ngơn ngữ 37 Hình 3.13 Giao diện phần mềm Arduino IDE 38 3.2 Lưu đồ thuật toán 3.2.1 Lưu đồ thuật tốn hệ thống điều khiển Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán mạch phát 39 3.2.2: Lưu đồ thuật toán mạch thu Hình 3.15 Lưu đồ thuật tốn mạch thu 3.3.2 Sơ đồ thuật tốn mạch điều khiển; 40 Hình 3.15 Thuật tốn giao tiếp máy tính 3.4 Cơ chế hoạt đợng mạch; Mạch phát: có chức giao tiếp với cảm biến LM35, đo nhiệt độ môi trường, sau giao tiếp thành công gửi liệu nhiệt độ qua UART để gửi liệu qua mạch thu, gửi liệu nhiệt độ một số nguyên; Mạch thu: Có chức nhận liệu từ mạch phát qua module Zigbee UART CC2530; module có chức đảm nhiệm nhận liệu từ module Zigbee UART CC2530 từ mạch phát; 41 Và từ đó bên gửi liệu thơng tin điều khiển từ máy tính xuống, để thực 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 mợt mơi trường phát triển tích hợp từ Microsoft Nó sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, trang web, ứng dụng web dịch vụ web Visual Studio sử dụng tảng phát triển phần mềm Microsoft Windows API, Windows Forms, Windows Presentation Foundation, Windows Store Microsoft Silverlight Nó sản xuất hai ngơn ngữ máy mã số quản lý; 42 Hình 3.17 Giao diện phần mềm sau thiết kế CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ MƠ PHỎNG 4.1 Hình ảnh mạch thực tế KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Có thể phát triển để điều khiển giám sát nhiều thiết bị Thay bộ thu phát RF điều khiển thiết bị bộ thu phát có thể điều khiển nhiều thiết bị điều khiển thiết bị, 15 thiết bị… Có thể phát triển nhiều phương thức giao tiếp như: giao tiếp giọng nói, hình cảm biến hay qua điện thoại… Đề tài áp dụng cho thiết bị nhà mà nên mở rộng áp dụng điều khiển thiết bị sử dụng nơi cơng cợng Có thể sử dụng thêm cảm biến đo nhiệt độ, báo cháy để tự đợng tắt thiết bị có sự cố xảy Hi vọng với tất các hướng phát triển nêu với ý tưởng khác bạn, người đọc – người sau – phát triển đề tài này, khắc phục hạn chế, tồn tại đề tài, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao vào thực tế c̣c sống, phục vụ cho lợi ích người tương lai 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO Website [1] “Điều khiển thiết bị từ xa sóng RF”, http://luanvan.co [2] “Lý thuyết điều khiển từ xa”, www.timtailieu.vn [3] “Mạch điều khiển thiết bị điện từ xa sóng RF”, http://dulieu.tailieuhoctap.vn [4] PT2262, PT2272 Datasheet, http://www.alldatasheet.com 44 ... công nghệ điều khiển từ xa mang lại, em định chọn đề tài Nghiên cứu, xây dựng thiết bị điều khiển giám sát nhiệt độ qua máy tính sử dụng sóng RF Mạch sử dụng mạch thu phát RF Zigbee UART... việc điều khiển 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 kế mơ... Bookmark not defined CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 27 3.1 Thiết kế mạch điều khiển thiết bị giám sát nhiệt đợ qua máy tính sử dụng sóng RF 27 3.2 Thiết kế mạch thu phát