Đây là đề tài “Thiết kế chế tạo bảng mạch vi điều khiển AVR thực hiện giám sát dữ liệu cảm biến nhiệt độ và điều khiển thiết bị thông qua kết nối Bluetooth bằng Smartphone”. Đề tài thiết kế một bảng mạch vi điều khiển sử dụng vi điều khiển AVR Atmega32 và cảm biến LM35 để đo nhiệt độ thời gian thực. Từ đó hiển thị nhiệt độ lên LCD và thực hiện điều khiển các thiết bị dựa vào nhiệt độ thực tế thông qua ứng dụng trên Smartphone sử dụng kết nối Bluetooth.
MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .2 1.1 Nguyên lý hoạt động 1.2 Mục tiêu 1.3 Chức năng, thông số kỹ thuật đề tài 1.3.1 Yêu cầu tính 1.3.2 Yêu cầu phi tính 1.3.3 Chức thực mạch điện Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 2.1 Sơ đồ khối chức 2.1.1 Sơ đồ khối 2.1.2 Cách thức kết nối khối: 2.2 Nguyên lí cấu tạo khối chức năng: .4 2.2.1 Nguyên lí hoạt động: 2.2.2 Cấu tạo khối Microcontroller: .4 2.2.3 Cấu tạo khối LCD: .5 2.2.4 Cấu tạo khối Relay .5 2.2.5 Cấu tạo khối mạch nguồn: 2.2.6 Cấu tạo khối tạo dao động: 2.6.7 Cấu tạo khối mạch nạp JTAG PROGRAM: 2.6.8 Cấu tạo khối Module bluetooth 2.6.9 Khối RESET 2.9.10 Cấu tạo khối giao diện Smartphone: 2.9.11 Cấu tạo khối cảm biến LM35: 10 Chương 3: KẾT QUẢ SẢN PHẨM 11 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện danh sách linh kiện cần dùng: 11 3.1.1 Sơ đồ nguyên lí: 11 3.1.2 Danh sách linh kiện cần dùng: 11 3.2 Sơ đồ mạch in 12 3.3 Hướng ứng dụng đề tài vào sản phẩm thực tế: 13 3.4 Ưu, nhược điểm mạch thiết kế: 13 3.4.1 Ưu điểm: 13 3.3.2 Nhược điểm .13 KẾT LUẬN 14 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Nguyên lý hoạt động Đây đề tài “Thiết kế chế tạo bảng mạch vi điều khiển AVR thực giám sát liệu cảm biến nhiệt độ điều khiển thiết bị thông qua kết nối Bluetooth Smartphone” Đề tài thiết kế bảng mạch vi điều khiển sử dụng vi điều khiển AVR Atmega32 cảm biến LM35 để đo nhiệt độ thời gian thực Từ hiển thị nhiệt độ lên LCD thực điều khiển thiết bị dựa vào nhiệt độ thực tế thông qua ứng dụng Smartphone sử dụng kết nối Bluetooth 1.2 Mục tiêu Hiểu nguyên lý hoạt động cách thiết kế bảng mạch sử dụng kết nối Bluetooth để điều khiển Tạo bảng mạch hồn chỉnh, hình thức đẹp, nhỏ gọn với chi phí thấp thực xác, ổn định chức mà đề tài yêu cầu: Tiếp nhận lệnh điều khiển thông qua kết nối Bluetooth module Bluetooth Hiển thị nhiệt độ thời gian thực lên LCD Thực điều khiển thiết bị điện thông qua Relay Tạo phần mềm điều khiển qua kết nối Bluetooth Smartphone 1.3 Chức năng, thông số kỹ thuật đề tài 1.3.1 Yêu cầu tính - Nguồn cấp: Input - 12 VDC Có mạch nguồn ổn áp VDC bảng mạch - Vi điều khiển: Atmega32 - Module Bluetooth nhận tín hiệu điều khiển từ ứng dụng Smartphone - Màn hình LCD Relay để thực đáp ứng tương ứng với tín hiệu Bluetooth nhận - Thiết kế đầy đủ mạch vi điều khiển: mạch reset, dao động thạch anh, cổng nạp chip… 1.3.2 Yêu cầu phi tính - Kích thước giới hạn bảng mạch: 9x15cm Sắp xếp linh kiện dây khoa học - Thiết kế đầu kết nối hợp lý 1.3.3 Chức thực mạch điện - Hiển thị nhiệt độ phòng thời gian thực đưa cảnh báo cần thiết - Nhận tín hiệu điều khiển từ ứng dụng Smartphone để bật tắt thiết bị điện thông qua Relay Chương 2: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH 2.1 Sơ đồ khối chức 2.1.1 Sơ đồ khối Hình 2.1 Sơ đồ khối chức 2.1.2 Cách thức kết nối khối: Khối Microcontroller khối điều khiển trung tâm thực kết nối với khối khác sau: Sử dụng giao thức truyền nhận liệu UART, Tx phát, Rx thu để kết nối với Module Bluetooth, Tx module nối với chân Rx vi điều khiển, Rx module nối với chân Tx vi điều khiển Kết nối với khối LCD với chế độ bit, sử dụng chân D4, D5 D6, D7 để kết nối với cổng GPIO vi điểu khiển, chân RS để chọn ghi, chân RW để chọn chế độ đọc/ghi, chân E (Enable) để cấp xung kết nối với cổng GPIO vi điều khiển Kết nối với khối Reset qua chân Reset vi điều khiển Sử dụng nguồn từ khối mạch nguồn, cấp nguồn 5v vào chân VCC, cấp đất vào chân GND vi điều khiển Kết nối với khối tạo dao động qua hai chân XTAL1 XTAL2 vi điều khiển Kết nối với mạch nạp AVR ISP qua chân MISO, MOSI SCK vi điều khiển Kết nối với Relay qua cổng GPIO vi điều khiển Kết nối với cảm biến LM35 qua chân ADC vi điều khiển, để kích hoạt ADC vi điều khiển hoạt động, ta cấp thêm nguồn 5v vào hai chân AREF AVCC vi điều khiển Khối Module Bluetooth kết nối với Smartphone qua app adroid, app tạo để phát tín hiệu cho Module thực lệnh app, app giao diện để điều khiển giám sát thiết bị 2.2 Nguyên lí cấu tạo khối chức năng: 2.2.1 Nguyên lí hoạt động: Vi điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ smartphone, thơng qua giao diện app adroid Module Bluetooth, sau thực điều khiển thiết bị điện thông qua relay Bên cạnh để giám sát nhiệt độ vi điều khiển so sánh mức chênh lệch điện áp từ chân Vout LM35 với điện áp chuẩn 5v nhiệt độ thực, hiển thị qua hình LCD 16x2 thực gửi liệu nhiệt độ lên smartphone 2.2.2 Cấu tạo khối Microcontroller: Khối Microcontroller sử dụng vi điều khiển Atmega 32, vi điều khiển bit, so với vi điều khiển 32 hay 64 bit khả xử lí thấp cách thức hoạt động đơn giản, phổ biến, chi phí thấp so với tính cung cấp, thêm vào nhiều tính IC Hình 2.2 Sơ đồ pin Atmega32 2.2.3 Cấu tạo khối LCD: Mạch sử dụng LCD 16x2: Chân – 14 15,16 Chức VSS: tương đương với GND - cực âm VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng hình, sử dụng biến trở 10k Register Select (RS): điều khiển địa ghi liệu Read/Write (RW): Đọc (read mode) hay ghi (write mode) liệu? Enable pin: Cho phép ghi vào LCD D0 – D7: chân dư liệu, chân có giá trị HIGH LOW bạn chế độ đọc (read mode) nhận giá trị HIGH LOW chế độ ghi (write mode) Backlight (Backlight Anode (+) Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn hình LCD Hình 2.3 Cấu tạo khối LCD 2.2.4 Cấu tạo khối Relay Khối relay sử dụng relay chân 5vdc, transitor NPN 2N222, trở 1k, 10k 100 Ơm Hình 2.4 Cấu tạo khối relay Ở hình vẽ ta sử dụng Trans NPN 2N222 để kích dòng cho Role đóng tiếp điểm thường mở, ngun lý hoạt động sau: - Khi tín hiệu đưa vào mức (Tức =0V) 2N222 khơng dẫn khơng có dòng IBE >> Role khơng làm việc - Khi tín hiệu đưa vào mức (Tức =5V) qua R1K hạn dòng, phân áp qua R10k làm cho 2N222 dẫn thơng lúc ta có dòng Ice dòng điện chạy qua - cuộn dây >> 2N222 >> Mát, Role đóng tiếp điểm thường mở (ĐK thiết bị đó) Mục đích R1k tạo dòng vào cực B trans tới ngưỡng bão hòa để trans hoạt động khóa có điều kiện Led có tác dụng báo hiệu, trở 100 Ôm hạn dòng cho led Jack để kết nối với thiết bị điện 2.2.5 Cấu tạo khối mạch nguồn: Khối mạch nguồn 5v có tác dụng chuyển đổi điện áp 12VDC từ adapter thành nguồn 5V ổn định hơn, sử dụng IC ổn áp 7805 tụ phân cực 100uF 1000uF, tụ 104 Hình 2.5 Cấu tạo khối mạch nguồn Con tụ C1 C2 có tác dụng lọc nguồn đầu vào, tụ có điện dung lớn lọc mịn Tụ C3 C5 có tác dụng lọc nguồn đầu Thơng thường mạch nguồn hoạt động tần số thấp nên người ta thường dùng tụ phân cực hơn, tụ không phân cực thường dùng cho mạch hoạt động tần số cao để lọc nhiễu IC 7805 có tác dụng chuyển điện áp đầu vào 12V thành điện áp đầu 5V, với định danh dòng điện khoảng 1A, thực tế 0,5 A Led nguồn để báo hiệu có điện vào từ adapter Cơng tắc nguồn để điều khiển đóng ngắt tồn mạch 2.2.6 Cấu tạo khối tạo dao động: Khối tạo dao động sử dụng thạch anh 12Mhz, tụ 33pF Hình 2.6 Cấu tạo khối tạo dao động Thạch anh dao động ổn định để tạo tần số dao động cho vi điều khiển Để tăng độ ổn định tần số, ta dùng thêm tụ nhỏ C6, C7 (33pF x2), tụ bù nhiệt ổn tần 2.6.7 Cấu tạo khối mạch nạp JTAG PROGRAM: Khối mạch nạp sử dụng nạp chuẩn ISP AVR, sử dụng jum đực 10 chân Hình 2.7 Cấu tạo khối mạch nạp 2.6.8 Cấu tạo khối Module bluetooth Khối Module Bluetooth sử dụng Module Bluetooth HC-05 Hình 2.8 Cấu tạo khối module bluetooth Điện áp hoạt động: 3.3 ~ 5VDC,sử dụng jum chân để kết nối với module, giao chuẩn UART 2.6.9 Khối RESET Khối RESET sử dụng button tụ với điện trở kéo lên Hình 2.9 Cấu tạo khối Reset Tụ điện có tác dụng chống rung phím nhấn button 2.9.10 Cấu tạo khối giao diện Smartphone: Trên smartphone tiến hành cài đặt ứng dụng BluetoothController.apk Ứng dụng BluetoothController gồm có hình: + Screen1: Loading + Screen2: Kết nối Bluetooth - Lựa chọn thiết bị kết nối + Screen3: Điều khiển thiết bị Sau ứng dụng cài đặt, khởi chạy ứng dụng Screen1 kích hoạt, chờ cho ứng dụng loading 100% (Hình 2.10) hình chuyển sang Screen2 Khi Screen2 kích hoạt có trường hợp: + Nếu smartphone chưa bật Bluetooth, bảng thông báo yêu cầu cho phép ứng dụng bật Bluetooth thiết bị (Hình 2.10) Nếu Cho phép ứng dụng kích hoạt Bluetooth smartphone bắt đầu lựa chọn thiết bị kết nối (Hình 2.10) Nếu Hủy bỏ thoát ứng dụng + Nếu smartphone bật Bluetooth bắt đầu lựa chọn thiết bị kết nối (Hình 2.10) Hình 2.10 Giao diện app bluetooth controller Nhấn vào Danh sách thiết bị để chọn thiết bị cần kết nối Ngồi ứng dụng cách nhấn vào nút Thốt Hình 2.11 Giao diện kết nối HC-05 Khi nhấn vào Danh sách thiết bị (Hình 2.11) Lựa chọn thiết bị muốn kết nối: + Nếu kết nối thành cơng hình thơng báo Kết nối thành cơng ! Vui lòng chờ (Hình 2.11), sau chuyển qua Screen3 + Nếu kết nối thất bại hình thơng báo Kết nối lỗi ! Vui lòng kết nối lại ! (Hình 2.11) 10 Khi kết nối Bluetooth thành cơng chuyển sang Screen3 Đối với RELAY 1: Khi switch trạng thái ON, ứng dụng gửi mạch đoạn text “00”, switch trạng thái OFF, ứng dụng gửi mạch đoạn text “01” Đối với RELAY 2: Khi switch trạng thái ON, ứng dụng gửi mạch đoạn text “10”, switch trạng thái OFF, ứng dụng gửi mạch đoạn text “11” Hình 2.12 Giao diện điều khiển ngắt kết nối 2.9.11 Cấu tạo khối cảm biến LM35: Khối sử dụng cảm biến LM35 tụ phân cực 100uF, tụ có tác dụng lọc mức điện áp tương tự đưa vào trước đưa vào chân ADC vi điều khiển Hình 2.13 Cấu tạo khối cảm biến LM35 11 Chương 3: KẾT QUẢ SẢN PHẨM 3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch điện danh sách linh kiện cần dùng: 3.1.1 Sơ đồ nguyên lí: 5v G N D G N D XTA L1 10k R 100 R 100 33pF 5v 5v LM35 ATMEGA32 TP3 TP4 XTA L1 P P P P P P P P D D D D D D D D /(R X D ) /(T X D ) /(IN T ) /(IN T ) /(O C B ) /(O C A ) /(IC P ) /(O C ) P C /(T O S C ) P C /(T O S C ) P C /(T D I) P C /(T D O ) P C /(T M S ) P C /(T C K ) P C /(S D A ) P C /(S C L ) 2 2 2 2 PC PC PC PC PC R E S LC D 470 T P O IN T A T P O IN T A T P O IN T A T P O IN T A PC PC PC V S S (G N D ) VD D Vo R S E D B0 D B2 D B1 D B3 PC PC PC 2 MACH NAP 5v 10k G N D 5v VOUT Led nguon C 1000uF C 104 5v + C C 100uF + 1k RESET J5 GND R 11 A d a pter 2V D C O n ap 7805 2 PC G N D VIN C o n g ta c n g u o n PC 5v MACH NGUON J1 PC 1 TP2 5v R ESET TP1 1 1 1 2 5v 30 11 31 CHAN OC PD PD 13 32 B IE N T R O TX PA0 XTA L2 AR EF R X R ESET 12 AVC C XTA L1 3 3 3 D B4 ) ) ) ) ) ) ) ) 10 D B5 C C C C C C C C 11 D D D D D D D D D B6 /(A /(A /(A /(A /(A /(A /(A /(A 12 D B7 A A A A A A A A 13 P P P P P P P P K (L E D -) XTA L2 /(X C K /T ) /(T ) /(IN T /A IN ) /(O C /A IN ) /(S S ) /(M O S I) /(M IS O ) /(S C K ) 14 R ESET 5v G N D TX R X A ( LE D +) M o d u le B B B B B B B B 16 M O SI M IS O SC K P P P P P P P P VC C 100uF A T M e g a -D I P G N D 15 IC 1 L M /S O MODULE LCD 16x2 L C D -1 G N D VO U T 5v 10 G N D G N D VS+ U 11 5v U 15 G N D TU LM 35 PA0 R /W TU C R Y 2 10k R ELAY D PD T R C R Y S TAL ja c k LED K3 R ELAY D PD T G N D 2N 222 2 1k K3 R 12M hz TU C R Y R PD G N D 1k XTA L2 2N 222 2 33pF ja c k LED R PD D 11 RELAY G N D 5v CRYSTAL D 11 RELAY G N D 10 M O SI R ESET SC K M IS O 5v R e s e t b u tto n 104 10k G N D JU MPER S1 R T U RE S E T 1uF Hình 3.1 Sơ đồ ngun lí thực 3.1.2 Danh sách linh kiện cần dùng: STT 10 11 12 13 TÊN LINH KIỆN ATMEGA32 RELAY 5V CHÂN TRANSITOR 2N222 LM35 ADAPTER 12VDC LED TRỞ 100 ÔM TRỞ 1K TRỞ 10K BIẾN TRỞ 10K TRỞ 470 ÔM BUTTON CHÂN CÔNG TẮC GẠT BIT 12 SỐ LƯỢNG 2 1 3 1 1 G N D 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 TỤ 1uF TỤ PHÂN CỰC 100uF TỤ PHÂN CỰC 1000uF TỤ 104 TỤ 33pF IC 7805 THẠCH ANH 12MHZ JUM CÁI CHÂN (DÙNG CHO MODULE) JUM CÁI 16 CHÂN (DÙNG CHO LCD) JUM ĐỰC 10 CHÂN (DÙNG CHO MẠCH NẠP) LCD 16X2 MODULE BLUETOOTH HC-05 JACK CẮM HAI LỖ (DÙNG ĐỂ KẾT NỐI NGUỒN) ĐẾ IC 40 CHÂN 3.2 Sơ đồ mạch in Mạch in sử dụng hai lớp, lớp TOP lớp BOTTOM Hình 3.2 Sơ đồ mạch in lớp BOTTOM 13 2 1 1 1 Hình 3.3 Sơ đồ mạch in lớp TOP 3.3 Hướng ứng dụng đề tài vào sản phẩm thực tế: Đây mạch có tính ứng dụng cao, áp dụng vào điều khiển thiết bị điện nhà thơng qua smartphone, giám sát thơng số nhiệt độ phòng ở, đặc biệt thường áp dụng hệ thống Smarthome Ngày thiết bị thơng minh nhà có mặt hầu hết thị trường, nước phương Tây phát triển, nhiên Việt Nam mặt hàng hạn chế áp dụng, có dân điện tử tìm hiểu ứng dụng Với giao thức điều khiển thiết bị qua sóng bluetooth với tần số 2,4 Ghz phạm vi 10m thiết bị hồn tồn ứng dụng để điều khiển thiết bị điện giám sát nhiệt độ phòng qua smartphone 3.4 Ưu, nhược điểm mạch thiết kế: 3.4.1 Ưu điểm: - Mạch đẹp tương đối nhỏ gọn - Tốc độ xử lí nhanh - Giao diện app điều khiển dễ thực - Có thể điều khiển thiết bị điện xoay chiều thông qua Rơ le 3.3.2 Nhược điểm - Mạch dây hai lớp phí cao 14 ... sát liệu cảm biến nhiệt độ điều khiển thiết bị thông qua kết nối Bluetooth Smartphone Đề tài thiết kế bảng mạch vi điều khiển sử dụng vi điều khiển AVR Atmega32 cảm biến LM35 để đo nhiệt độ thời... Kết nối với khối tạo dao động qua hai chân XTAL1 XTAL2 vi điều khiển Kết nối với mạch nạp AVR ISP qua chân MISO, MOSI SCK vi điều khiển Kết nối với Relay qua cổng GPIO vi điều khiển Kết nối. .. khiển thông qua kết nối Bluetooth module Bluetooth Hiển thị nhiệt độ thời gian thực lên LCD Thực điều khiển thiết bị điện thông qua Relay Tạo phần mềm điều khiển qua kết nối Bluetooth Smartphone