THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ BẰNG ĐIỆN THOẠI THÔNG QUA BLUETOOTH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ SÀI GỊN KHOA: CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ THÔNG QUA BLUETOOTH Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: MSSV: Thành Phố Hồ Chí Minh, Tháng 02 Năm 2018 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· ·································································································· LỜI CẢM ƠN Điện tử môn học hay lý thú, hút nhiều sinh viên ham khám phá học hỏi Vì vậy, đồ án mơn học “thiết kế mạch điều khiển thiết bị qua bluetooth” điều kiện tốt để giúp em kiểm chứng ứng dụng kiến thức học lớp vào thực tế Trong đồ án điện tử lần em thời gian nghiên cứu, em thiết kế thành công mạch điều khiển thiết bị Bluetooth đáp ứng yêu cầu đề tài Qua thời gian nghiên cứu với dẫn tận tình “Nguyễn Thị Đê” em thiết kế làm mạch điều khiển thiết bị bluetooth thành cơng hoạt động theo mục đích thiết kế ban đầu Trong q trình làm nhiều sai sót qua giúp em có thêm kinh nghiệm thực tế sau Mong thầy cô khoa Điện tử viễn thông giúp đỡ em nhiều để em hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn PHỤ LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích 1.2 Nội dung nhiệm vụ: CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG 2.1 Vi điều khiển PIC 16F877A: 2.1.1 Sơ lược vi điều khiển PIC 16F887A 2.1.2 Sơ đồ chân .7 2.1.3 Các ứng dụng PIC16F887 2.2 Module Bluetooth HC-06: 11 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ GIAO TIẾP BLUETOOTH 14 3.1 Khái niệm Bluetooth: 14 3.2 Đặc điểm .14 3.3 Hoạt động Bluetooth: 15 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH .17 4.1 Sơ đồ khối: .17 4.2 Sơ đồ nguyên lý 18 4.3 Chức khối: 19 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 21 5.1 Sơ đồ mạch in: .21 5.2 Mạch thực tế: 22 5.3 Giao diện phần mềm điều khiển…………………………………… …….24 CHƯƠNG 6: CHƯƠNG TRÌNH NẠP VÀO PIC 25 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 27 7.1 Ưu điểm: .27 7.2 Nhược điểm: 27 7.3 Ứng dụng: .27 7.4 Hướng phát triển: 27 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích Bluetooth cơng nghệ cho phép truyền thông thiết bị với mà không cần dây dẫn Nó chuẩn điện tử, điều có nghĩa hãng sản xuất muốn có đặc tính sản phẩm họ phải tn theo yêu cầu chuẩn cho sản phẩm Những tiêu chuẩn kỹ thuật đảm bảo cho thiết bị nhận tương tác với sử dụng công nghệ Bluetooth Ngày phần lớn nhà máy sản xuất thiết bị có SWUR dùng cơng nghệ Bluetooth Các thiết bị gồm có điện thoại di động, máy tính thiết bị hỗ trợ cá nhân PDA (Prosonal Digital Assistant) Công nghệ Bluetooth công nghệ dựa tần số vô tuyến thiết bị có tích hợp bên cơng nghệ truyền thông với thiết bị khác với khoảng cách định cự ly để đảm bảo cơng suất cho việc phát nhận sóng Cơng nghệ sử dụng để truyền thông hai loại thiết bị khác Ví dụ điện thoại smartphone kết nối Bluetooth với để truyền tải, gửi nhận liệu thông tin, đa phương tiện, hay chuột, bàn phím khơng dây kết nối bới máy tính Và cụ thể đề tài này, ta ứng dụng để xây dựng hệ thống điều khiển thiết bị điện gia dụng Smartphone thông qua giao tiếp Bluetooth 1.2 Nội dung nhiệm vụ:  Nội dụng: Sử dụng Module Bluetooth để truyền nhận liệu với Smartphone việc truyền nhận điều khiển vi điều khiển Vi điều khiển PIC16F877A, vi điều khiển có nhiệm vụ chính: xử lý liệu điều khiển kích đóng ngắt Relay để điều khiển thiết bị điện  Nhiệm vụ:  Phần mềm điều khiển điện thoại phải kết nối nhanh với mạch điều khiển, xác an toàn tuyệt đối  Hệ thống mạch cứng vi xử lý có độ ổn định, bền, nhỏ gọn điều khiển xác thiết bị điện thao tác Smartphone  Khoảng cách điều khiển điện thoại Android mạch điều khiển đảm bảo hợp lý khoảng cách 100m  Giá thành phải phù hợp với hệ thống ổn định có tính ứng dụng thực tiễn cao CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ PHẦN CỨNG 2.1 Vi điều khiển PIC 16F877A: 2.1.1 Sơ lược vi điều khiển PIC 16F887A + Sử dụng cơng nghệ tích hợp cao RISC CPU + Người dùng lập trình với 35 câu lệnh đơn giản + Tất câu lệnh thự chu kỳ, lệnh ngoại trừ số câu lệnh riêng rẽ nhánh thực hai chu kỳ lệnh + Tốc độ hoạt động: - Xung đồng hồ DC -20MHz - Chu kì lệnh thực 200ns +Bộ nhớ chương trình Flash 8Kx14 words +Bộ nhớ SRam 368x8 bytes +Bộ nhớ EFPROM 256x8 bytes +Số port I/O 35 port *Khả PIC +Khả ngắt +Ngăn nhớ Stack phân chia làm mức +Truy cập nhớ địa trực tiếp gián tiếp +Nguồn khởi động lại (POR) +Bộ tạo thời gian PWRT, tạo dao động OST + Bộ đếm xung thời gian WDT với nguồn dao động chip( nguồn dao động RC) đáng tin cậy +Có mã chương trình bảo vệ +Phương thức cất giữ Sleep +Thiết kế toàn tĩnh +Dải điện hoạt động 2V 5,5V +Dòng điện sử dụng 25mA -Các tính bật thiết bị ngoại vi chíp + TIMER0: bit định thời, đếm với hệ số tỉ lệ trước +TIMER1: 16 bit định thời, đếm với tỉ số tỉ lệ trước, có khả tăng chế độ Sleep qua xung đồng hồ cung cấp bên +TIMER2: bit định thời, đếm với bit hệ số tỉ lệ trước, hệ số tỉ lệ sau +Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự với 10 bit +Cổng truyền thông tin nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ 2.1.2 Sơ đồ chân a Sơ đồ chân Hình 1.1 Sơ đồ chân PIC16F887 b Chức chân vi điều khiển PIC16F887 Hình 1.2: Chức PIC 16F887A Port A: PortA( RA0 RA5) có số chân từ chân số đến chân số PortA (RPA) bao gồm I/O pin Đây chân “hai chiều” (bidirectional pin), nghĩa xuất nhập Chức I/O điều khiển ghi TRISA (địa 85h) Port B: PortB( RB0 RB7) có số chân từ chân số 33 đến chân số 40 PortB (RPB) gồm pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISB Bên cạnh số chân PORTB sử dụng q trình nạp chương trình cho vi điều khiển với chế độ nạp khác PORTB liên quan đến ngắt ngoại vi Timer0 PORTB tích hợp chức điện trở kéo lên điều khiển chương trình Port C: PortC( RC0 RC7) có số chân từ chân số 15 đến chân số 18 chân số 23 đến chân số 26 PortC (RPC) gồm pin I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISC Bên cạnh PORTC chứa chân chức so sánh, Timer1, PWM chuẩn giao tiếp nối tiếp I2C, SPI, SSP, USART Port D: PortD( RD0 RD7) có số chân từ chân số 33 đến chân số 40 PortD (RPD) gồm chân I/O, ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISD PORTD cổng xuất liệu chuẩn giao tiếp PSP (Parallel Slave Port) Port E: PortE( RE0 RE2) có số chân từ chân số 19 đến chân số 22 chân số 27 đến chân 30 PortE (RPE) gồm chân I/O Thanh ghi điều khiển xuất nhập tương ứng TRISE Các chân PORTE có ngõ vào analog Bên cạnh PORTE chân điều khiển chuẩn giao tiếp PSP Chân 11,12,31,32 chân cung cấp nguồn cho vi điều khiển Chân 13,14 chân đƣợc đấu nối thạch anh với dao động xung clock bên cung cấp xung clock cho chip hoạt động Chân chân RET: Là tín hiệu cho phép thiết lập lại trạng thái ban đầu cho hệ thống, tín hiệu nhập mức tích cục cao c Các cổng xuất nhập PIC( I/O) PIC16F887 tất có 35 chân I/O mục đích thơng thường( G P I O : General Purpose Input Ouput) sủ dụng Tùy theo thiết bi ngoại vi chọn mà vài chân sử dụng chức GPIO Thông thường, thiết bị ngoại vi chọn, chân liên quan thiết bị ngoại vi không sủ dụng chức GPIO.35 chân chia thành port: + PortA chia làm chân + PortB chia làm chân +PortC chia làm chân + PortD chia làm chân + PortE chia làm chân Mỗi port điều khiển ghi -bit, ghi Port ghi Tris Thanh ghi Tris sử dụng để điều khiển port nhập hay xuất Mỗi bit Tris điều khiển chân port đó, giá trị bit chân liên quan nhập, ngược lại giá trị bit chân liên quan xuất Thanh ghi Port sử dụng để chứa giá trị port liên quan Mỗi bit ghi Port chứa giá trị chân liên quan 2.1.3 Các ứng dụng PIC16F887 a Giao tiếp với máy tính PIC kết nối với máy tính thơng qua cổng nối tiếp IC Max232 Ghép nối qua cổng RS232 kỹ thuật sử đụng rộng rãi để ghép nối với thiết bị ngoại vi với máy tính Ưu điểm: +Khả chống nhiễu cổng nối tiếp cao +Thiết bị ngoại vi lắp ráp máy tính cấp điện +Các mạch điện đơn giản nhận đƣợc điện áp nguồn nuôi qua cổng nối tiếp b Giao tiếp với led Hình 1.2 Sơ đồ giao tiếp với Led 10 Giao tiếp UART vi điều khiển với module bluetooth: Vi điều khiển có module truyền thơng nối tiếp USART Có chân liên quan đến module chân xung nhịp - XCK (chân số 1), chân truyền liệu – TxD (Transmitted Data) chân nhận liệu – RxD (Reveived Data) Trong chân XCK sử dụng chân phát nhận xung giữ nhịp chế độ truyền động Tuy nhiên không khảo sát chế độ truyền thơng đồng bộ, cần quan tâm đến chân TxD RxD Vì chân truyền/nhận liệu đảm nhiệm chức độc lập (hoặc truyền, nhận), để kết nối chip AVR với (hoặc kết nối AVR với thiết bị hỗ trợ UART khác) nên phải đấu “chéo” chân TxD thiết bị thứ kết nối với RxD thiết bị ngược lại Module USART chip hoạt động “song công” (Full Duplex Operation), nghĩa q trình truyền nhận liệu xảy đồng thời 14 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ GIAO TIẾP BLUETOOTH 3.1 Khái niệm Bluetooth: Bluetooth công nghệ không dây cho phép thiết bị điện, điện tử giao tiếp với khoảng cách ngắn, sóng vơ tuyến qua băng tần chung ISM dãy tầng 2.40- 4,48 GHz để thay dây cable máy tính thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến thiết bị điện tử lại với cách thuận lợi, giá thành rẻ 3.2 Đặc điểm:  Các mức lượng Bluetooth  Mức lượng (100mW): Được thiết kế cho thiết bị có phạm vi hoạt động rộng (~100m)  Mức lượng (2.5mW): Cho thiết bị có phạm vi hoạt động thơng thường (~10m)  Mức lượng (1mW): Cho thiết bị có phạm vi hoạt động ngắn (~10cm)  Ưu điểm:  Tiêu thụ lượng thấp  Cho phép ứng dụng nhiều loại thiết bị bao gồm thiết bị cầm tay điện thoại di động  Giá thành ngày giảm  Khoảng cách giao tiếp cho phép hai thiết bị kết nối lên đến 100m  Bluetooth sử dụng băng tần 2.4GHz, tốc độ truyền liệu đạt tới mức tới đa 1Mbps mà thiết bị không cần phải trực tiếp thấy  Dễ dàng việc phát triển ứng dụng: Bluetooth kết nối ứng dụng với ứng dụng khác thông qua chuẩn Bluetooth, độc lập phần cứng hệ điều hành sử dụng 15  Tính tương thích cao, nhiều nhà sản xuất phần cứng phần mềm hỗ trợ  An toàn bảo mật: tích hợp với xác nhận mã hóa Có khả bảo mật từ -> 128bits  Sử dụng “Frequency Hopping” giúp chống nhiễu giảm va chạm sóng tối đa  Bluetooth dùng giao tiếp liệu tiếng nói: có kênh để truyền tiếng nói, kênh để truyền liệu mạng cá nhân  Khuyết điểm:  Khoảng cách kết nối ngắn so với cơng nghệ mạng khơng dây khác  Chỉ kết nối hai thiết bị với nhau, không kết nối thành mạng  Tốc độ truyền Bluetooth không cao  Bị nhiễu số thiết bị sử dụng sóng radio khác, trang thiết bị khác  Bảo mật thấp 3.3 Hoạt động Bluetooth: Bluetooth chuẩn kết nối không dây tầm ngắn, thiết kế cho kết nối thiết bị cá nhân hay mạng cục nhỏ phạm vi băng tần từ 2.4GHz đến 2.485GHz Bluetooth thiết kế hoạt động 79 tần số đơn lẻ Khi kết nối , tự động tìm tần số tương thích để di chuyển đến thiết bị cần kết nối khu vực nhằm đảm bảo liên tục Kỹ thuật Bluetooth coi phức tạp Nó dùng kỹ thuật nhảy tần số timeslot (TS), thiết kế để làm việc môi trường nhiễu tần số radio, Bluetooth dùng chiến lược nhảy tần để tạo nên sức mạnh liên kết truyền thông truyền thông thông minh Cứ lần gửi hay nhận packet xong, Bluetooth lại nhảy sang tần số mới, tránh nhiễu từ tín hiệu khác So sánh với hệ thống khác làm việc băng tần, sóng radio Bluetooth nhảy tần nhanh dùng packet ngắn Vì nhảy nhanh packet ngắn làm giảm va chạm 16 với sóng từ lò vi sóng phương tiện gây nhiễu khác khí Có phương pháp sử dụng việc kiểm tra tính đắn liệu truyền đi: - Forwad Error Corrrection: thêm số bit kiểm tra vào phần Header - hay Payload packet Automatic Repeat Request: liệu truyền lại - bên nhận gửi thông báo nhận Cyclic Redundancy Check: mã CRC thêm vào packet để kiểm chứng liệu Payload có khơng Bluetooth dùng kỹ thuật sửa lỗi tiến FEC (Forward Error Correction) để sửa sai nhiễu tự nhiên truyền khoảng cách xa FEC cho phép phát lỗi, biết sửa sai truyền tiếp (khác với kỹ thuật BEC-Backward Error Control phát hiện, sửa, yêu cầu truyền lại) Giao thức băng tần sở (Baseband) Bluetooth kết hợp chuyển mạch chuyển đổi packet Các khe thời gian dành riêng cho packet phục vụ đồng Thực bước nhảy tần cho packet truyền Một packet danh nghĩa chiếm timeslot, mở rộng chiếm đến hay timeslot Bluetooth hỗ trợ kênh liệu bất đồng bộ, hay kênh tín hiệu thoại đồng lúc, hay kênh hỗ trợ lúc liệu bất đồng tín hiệu đồng 17 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 4.1 Sơ đồ khối: Giao diện điều khiển Smartphone Module Bluetooth Khối nguồn 220V Khối nguồn Thiết bị điều khiển Khối Relay Khối vi điều khiển Hình 4.1: Sơ đồ khối 18 4.2 Sơ đồ nguyên lý Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lý mạch 19 4.3 Chức khối: 4.3.1 Khối Relay (khối cơng suất): Hình 4.3: Khối Relay - Relay (Rơ-le) cơng tắc điện từ kích hoạt điện Có - trạng thái: Đóng mở Trong mạch ta nối ngõ vào khối relay (R1) nối vào chân RE2 Pic tương ứng với chân số 10 để điều khiển khối relay Nối ngõ vào khối relay (R2) nối vào chân RC3 ứng với chân số 18 - Pic để điều khiển Relay Điện áp vào 5V sử dụng transistor NPN (TIP41) để điều khiển Khi R2 = 1; Q2 thơng, có dòng điện cấp cho cuộn hút Relay Tiếp điểm nối với 3, đèn LED2 sáng, thiết bị điều khiển đóng Khi R2 = 0; Q2 tắt, khơng có dòng qua cuộn hút Tiếp điểm nối với 2, - đèn LED2 tắt, thiết bị điều khiển ngắt Trong mạch ta sử dụng bóng đèn 220V kết nối với ngõ Relay để điều khiển đóng tắt 20 4.3.2 Khối vi điều khiển sơ đồ kết nối chân với Module Bluetooth: Hình 4.4: Khối vi điều khiển sơ đồ kết nối chân với Module Bluetooth - Vi điều khiển PIC 16F887A kết nối với module bluetooth qua bốn chân: Tx, Rx, Vcc, GND tương ứng với chân 25, 26, 31, 32 ( phần mềm không hiển thị chân 31 32 mặc định Vcc - GND) Nút BT1 Có tác dụng đưa vi điều khiển trạng thái ban đầu Khi nút Reset ấn điện áp +5V từ nguồn nối vào chân Reset vi điều khiển chạy thẳng xuống đất lúc điện áp chân vi điều khiển thay đổi đột ngột 0, VĐK nhận biết thay đổi khởi động lại trạng thái ban đầu cho hệ thống 21 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 5.1 Sơ đồ mạch in: Hình 5.1: Mạch in 22 5.2 Mạch thực tế: Hình 5.2: Mạch thực tế 23 Hình 5.3: Mạch thực tế 24 5.3 Giao diện phần mềm điều khiển Hình 5.4 : Giao diện phần mềm điều khiển - (1) nút để kết nối với thiết bị modul HC-06 (2) nút để ngắt kết nối với thiết bị (3) thể tình trạng kết nối thiết bị “chưa kết nối” - “đã kết nối” (4) (6) nút bật thiết bị điều khiển (5) (7) nút tắt thiết bị điều khiển 25 CHƯƠNG 6: CHƯƠNG TRÌNH NẠP VÀO PIC #include #device *=16 // khai bao thu vien // su dung het bo nho #FUSES NOWDT, HS, NOPUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT // cac fix loi #use delay(clock=20M) // thach anh ngoai 20m #USE RS232(BAUD=9600,BITS=8,PARITY=N,XMIT=PIN_C6,RCV=PIN_C7) // chan ket noi uart #DEFINE RL1 PIN_e2 #DEFINE RL2 PIN_c3 // định nghĩa chân relay UNSIGNED INT8 GIA_TRI_NHAN; tu bluetooth #int_rda // nhan gia tri tu dien thoai truyen // su dung ngat uart void nhan() { IF(KBHIT()) // ktra co du lieu gui toi khong { GIA_TRI_NHAN = GETCH(); // neu co thi doc gia tri } } VOID MAIN() { SET_TRIS_D(0X00); cho len 1, cho xuong // khoi tao port tin hieu vao vi dieu khien SET_TRIS_C(0XFF); ENABLE_INTERRUPTS (GLOBAL) ; // cho phap ngat ENABLE_INTERRUPTS (INT_RDA) ; // cho phep ngat uart OUTPUT_LOW(RL1); // tat cac relay moi cap dien OUTPUT_LOW(RL2); 26 WHILE(TRUE) { // tu dien thoai gui xuong gia tri IF(GIA_TRI_NHAN==1) { OUTPUT_HIGH(RL1); // bang thi bat relay } ELSE IF (GIA_TRI_NHAN==2) { OUTPUT_LOW(RL1); // bang thi tat relay } ELSE IF (GIA_TRI_NHAN==3) { OUTPUT_HIGH(RL2); // tuong tu } ELSE IF (GIA_TRI_NHAN==4) { OUTPUT_LOW(RL2); } } } 27 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 7.1 Ưu điểm:  Mạch có thiết kế nhỏ gọn  Dễ lắp đặt, giá thành rẻ, dễ dàng kết nối với thiết bị để điều khiển  Điều khiển tốt phạm vi < 30m 7.2 Nhược điểm:  Ứng dụng chức tùy chọn  Khoảng cách điều khiển tùy thuộc vào thiết bị  Mạch điều khiển thiết kế đơn giản, nhiễu sử dụng thiết bị từ trường cao 7.3 Ứng dụng:  Tiết kiệm thời gian, công sức, dễ dàng việc điều khiển thiết bị xa ( nằm khoảng cách cho phép sử dụng bluetooth), địa hình khơng tốt thời tiết xấu Phần lớn ứng dụng phục vụ tốt cho sống ngày người 7.4 Hướng phát triển:  Thiết kế phần mạch điện hoàn hảo hơn, tích hợp thêm nhiều tính như: điều khiển, cảnh báo, đo đạc…vv  Thiết kế nhà thông minh  Thêm chuẩn kết nối khác mạch điện, điều khiển qua tín hiệu RF, Wifi, hay qua mạng LAN,…  Tiếp tục nghiên cứu mạch điều khiển, ứng dụng Mobile Android để thêm nhiều tính mới, độ ổn định hệ thống tăng thêm Tài liệu tham khảo: www.dientuvietnam.net www.codientu.org www.vntelecom.org 28 ... tín hiệu thoại đồng lúc, hay kênh hỗ trợ lúc liệu bất đồng tín hiệu đồng 17 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ KHỐI VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 4.1 Sơ đồ khối: Giao diện điều khiển Smartphone Module Bluetooth... với 10 bit +Cổng truyền thông tin nối tiếp SSP với SPI phương thức chủ 2.1.2 Sơ đồ chân a Sơ đồ chân Hình 1.1 Sơ đồ chân PIC16F887 b Chức chân vi điều khiển PIC16F887 Hình 1.2: Chức PIC 16F887A... phục vụ đồng Thực bước nhảy tần cho packet truyền Một packet danh nghĩa chiếm timeslot, mở rộng chiếm đến hay timeslot Bluetooth hỗ trợ kênh liệu bất đồng bộ, hay kênh tín hiệu thoại đồng lúc,