Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ điều khiển các thiết bị điện qua điện thoại dùng công nghệ bluetooth

TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN QUA ĐIỆN THOẠI DÙNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN CẢNH SƠN Lớp: 54K1 - ĐTTT Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ MINH NGHỆ AN 5/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH VIỆN KỸ THUẬT VÀ CÔNG NGHỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN QUA ĐIỆN THOẠI DÙNG CÔNG NGHỆ BLUETOOTH Sinh viên thực hiện: NGUYỄN CẢNH SƠN Lớp: 54K1 - ĐTTT Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN THỊ MINH Cán phản biện:…………………………………… Nghệ An, 05-2018 Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn) Giảng viên đánh giá: ……………………………………………………………… Họ tên: Nguyễn Cảnh Sơn MSSV: 135D5202070065 Tên đồ án: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển thiết bị điện qua điện thoại dùng công nghệ bluetooth Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong 2 nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng kết đạt Có khả phân tích đánh giá kết (15) Mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Kết nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận 1đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải 0a thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh 0b viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở 5 5 5 5 0c lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành Không có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét thái độ tinh thần làm việc sinh viên) Nghệ An, ngày… tháng 05 năm 2018 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) ii Đánh giá đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán phản biện) Giảng viên đánh giá: Họ tên Sinh viên: Nguyễn Cảnh Sơn MSSV:135D5202070065 Tên đồ án: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển thiết bị điện qua điện thoại dùng công nghệ bluetooth Chọn mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo tiêu chí đây: Rất (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5) Có kết hợp lý thuyết thực hành (20) Nêu rõ tính cấp thiết quan trọng đề tài, vấn đề giả thuyết (bao gồm mục đích tính phù hợp) phạm vi ứng dụng đồ án Cập nhật kết nghiên cứu gần (trong 2 nước/quốc tế) Nêu rõ chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải vấn 3 đề Có kết mơ phỏng/thưc nghiệm trình bày rõ ràng 4 kết đạt Có khả phân tích đánh giá kết (15) Mục tiêu phương pháp thực dựa kết nghiên cứu lý thuyết cách có hệ thống Kết trình bày cách logic dễ hiểu, tất kết phân tích đánh giá thỏa đáng Trong phần kết luận, tác giả rõ khác biệt (nếu có) kết đạt mục tiêu ban đầu đề đồng thời cung cấp lập luận để đề xuất hướng giải thực tương lai Kỹ viết (10) Đồ án trình bày mẫu quy định với cấu trúc chương logic đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, đánh số thứ tự giải thích hay đề cập đến đồ án, có lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu chương kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo có trích dẫn quy định Kỹ viết (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa học, lập luận logic có sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) Kết nghiên cứu khoa học (5) (chọn trường hợp) Có báo khoa học đăng chấp nhận 1đăng/đạt giải SVNC khoa học giải cấp Viện trở lên/các giải 0a thưởng khoa học (quốc tế/trong nước) từ giải trở lên/ Có đăng ký phát minh sáng chế Được báo cáo hội đồng cấp Viện hội nghị sinh 1viên nghiên cứu khoa học không đạt giải từ giải trở 0b lên/Đạt giải khuyến khích kỳ thi quốc gia quốc tế khác chuyên ngành iii 5 5 5 5 0c Khơng có thành tích nghiên cứu khoa học Điểm tổng /50 Điểm tổng quy đổi thang 10 Nhận xét thêm Thầy/Cô Nghệ An, ngày… tháng 05 năm 2018 Người nhận xét (Ký ghi rõ họ tên) iv LỜI NÓI ĐẦU Ngày xã hội phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật ngày đại nên nhu cầu trao đổi thơng tin giải trí, nhu cầu điều khiển thiết bị từ xa ngày cao Và hệ thống dây cáp phức tạp lại đáp ứng nhu cầu này, khu vực chật hẹp, nơi xa xôi, phương tiện vận chuyển Vì cơng nghệ khơng dây đời phát triển mạnh mẽ, tạo nhiều thuận lợi cho người sống ngày Trong năm gần công nghệ truyền nhận liệu không dây có bước phát triển mạnh mẽ, góp công lớn việc phát triển hệ thống điểu khiển, giám sát từ xa, đặc biệt hệ thống thơng minh Hiện có nhiều cơng nghệ truyền nhận liệu không dây RF, Wifi, Bluetooth, NFC bluetooth cơng nghệ phát triển từ lâu cải tiến để nâng cao tốc độ khả bảo mật Trên thị trường Việt Nam chưa có nhiều sản phẩm điều khiển thiết bị không dây, đa số sản phẩm có nhập từ nước với giá thành cao Việc nghiên cứu thiết kế sản phẩm điều khển thiết bị khơng dây có ý nghĩa lớn giúp tăng thêm lựa chọn cho người sử dụng, sản phẩm sản xuất nước nên giá thành rẻ góp phần phát triển hệ thống điều khiển thông minh Do em lựa chọn thực đề tài “ Thiết kế chế tạo điều khiển thiết bị điện qua điện thoại dùng công nghệ bluetooth” Mục tiêu đồ án tìm hiểu ứng dụng công nghệ Bluetooth xây dựng ứng dụng thông qua Bluetooth điện thoại thông minh sử dụng hệ điều hành android để điều khiển thiết bị điện thông qua khối vi điều khiển AT89C2051 Cấu trúc đồ án gồm chương: Chương Tổng quan Bluetooth Chương Tổng quan IC linh kiện sử dụng mạch Chương Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển thiết bị điện qua điện thoại công nghệ bluetooth Em xin trân trọng cảm ơn ThS Nguyễn Thị Minh hướng dẫn nội dung phương pháp suốt trình triển khai thực đồ án i Do hạn chế thời gian thực đồ án lực, đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận ý kiến góp ý thầy cô để chỉnh sửa vafhoanf thiện Xin trân trọng cảm ơn! Sinh viên thực Nguyễn Cảnh Sơn ii TÓM TẮT Đồ án nghiên cứu tổng quan vi điều khiển AT89C51 cấu trúc, chức năng, đặc điểm, cổng vào ra, phân tích tốn điều khiển từ xa thiết bị ngoại vi sử dụng cơng nghệ bluetooth Từ xây dựng thiết kế chế tạo mạch dùng điện thoại để điều khiển từ xa thiết bị điện gia đình Việc thu tín hiệu từ thiết bị di động tới để điều khiển thiết bị ngoại vi thực thông qua vi điều khiển AT89C2051 ABSTRACT Overview of the research thesis of micro controller AT89C51 as the structure, functions, characteristics, the entrance, the analysis of the remote control of peripheral devices that use bluetooth technology Since then the construction and circuit design using the phone to remotely control electrical devices in the home The collection of signals from mobile devices to control the peripherals is done through AT89C2051 microcontroller iii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BLUETOOTH 1 Công nghệ bluetooth .1 1.1 Khái niệm 1.2 Lịch sử đời 1.3 Các hệ Bluetooth 1.4 Các đặc điểm Bluetooth 1.5 Ứng dụng Bluetooth 1.7 So sánh Bluetooth Wi-Fi (IEEE 802.11) 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC IC VÀ LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH 2.1 Các IC linh kiện sử dụng mạch 2.1.1 AT89C2051 2.1.2 Mạch nạp IC 89C2051 17 2.1.3 Bluetooth HC-05 17 2.1.4 Relay chân 20 2.1.5 Tụ gốm - Tụ hóa 21 2.1.6 Domino 22 2.1.7 Thạch anh 11.0592M 23 2.1.8 IC tạo ổn áp 7805( IC ổn áp 5v) 23 2.1.9 Điện trở .24 2.1.10 Đèn LED 25 2.1.11 Rào vuông 27 2.1.12 Rào đực vuông 27 2.1.13 Bộ nguồn 12V 28 2.2 Kết luận chương 28 iv Ở phía bên trái, bạn thấy bảng màu, bảng màu chứa giao diện, bố cục, Phương tiện, Bản vẽ Hoạt ảnh, Cảm biến, Xã hội, Kết nối, v.v., Để tạogiao diện người dùng hình chính, ta cần phải chọn nút nội dung cần thiết từ bảng màu Nhấp vào Bố trí phía bên trái bên bảng màu, chọn Sắp xếp bảng thả vào Ở phía bên trái thuộc tính bảng, thay đổi cột hàng thành thay đổi chiều rộng để điền vào phụ huynh từ tự động Kết sau thiết kế xong: Hình 3.11 Giao diện thiết kế (Design) c) Bước lập trình chức Trong MIT AI2, code Blocks, việc kéo thả blocks sang khung Viewer kết nối chúng theo chức mong muốn Để di chuyển qua lại cửa sổ thiết kế tạo code, nhấp chọn nút Design, Blocks góc phải Blocks gồm nhóm chính: 37 Các block chức chương trình như: điều khiển luồng, logic, tốn học, ký tự, biến, … Hình 3.12 Giao diện lập trình( blocks) d) Bước biên dịch thử nghiệm - Để biên dịch thực thi chương trình viết MIT có hai cách: + Cách 1: Sử dụng phần mềm MIT Companion Với cách này, bạn cần cài đặt phần mềm MIT Companion điện thoại bạn Sau đó, kết nối với project bạn để tự động download chạy bên phần mềm MIT Companion Điều gây nhiều bất tiện phụ thuộc + Cách 2: Biên dịch file apk cài đặt, bao gồm tùy chọn download file apk máy tính sau chép sang điện thoại để cách đặt biên dịch tải online thông qua mã QR code Ở ví dụ em chọn Cách + Để thực hiện, bạn chọn Build -> App (provide QR code for apk) 38 Hình 3.13 Biên dịch file apk + Sau biên dịch xong xuất mã QR code, bạn sử dụng phần mềm quét QR code điện thoại để tải file apk cài đặt Hình 3.14 Mã QR code 39 e) Kết Hình 3.15 Sau quét QR thu + Nhấn Connect để kết nối thiết bị, sau kết nối bạn bật / tắt led 3.3.7 Mô mạch Phần mềm altium Altium Designer phần mềm tạo môi trường thiết kế mạch điện tử đồng nhất, tích hợp thiết kế nguyên lý thiết kế mạch in PCB, lập trình hệ thống nhúng FPGA Cũng giống hầu hết phần mềm thiết kế mạch khác(Protues, Orcard,…) phần mềm Altium có nhiều điểm tối ưu đặt luật thiết kế, quản lý dễ dàng lớp(layer) vẽ, thư viện linh hoạt dễ sử dụng chỉnh sửa, công cụ kiểm tra lỗi phát sinh, thiết kế nguyên lý nhiều trang, hỗ trợ 3D chi tiết,… Giao diện chương trình: 40 Hình 3.16 Giao diện chương trình altium Tạo Project Altium Cách 1: Vào File -> New -> Project, hộp thoại New Project mở ra: Trong ô Project Type chọn PCB Project, hộp thoại Project Templates chọn Default, ô Project Template chọn Template khác phù hợp theo yêu cầu thiết kế, chẳng hạn Altium có cung cấp Template card PCI, AT Long bus,… Đặt tên Project vào ô Name dẫn đường dẫn đến thư mục muốn lưu Hình 3.17 Lưu project 41 Sau nhấn OK project tạo hộp thoại Project, tiếp đến chọn File -> New -> Schematic để tạo file nguyên lý chọn File -> New -> PCB để tạo file mạch in(PCB) Hình 3.18 Giao diện file nguyên lý Tiếp đến lưu file nguyên lý lưu file pcb vào thư mục project cách nhấn chuột phải vào file Project -> Save Project Nhấn vào Libraries bên để xuất hộp thoại Libraries, tiếp tục chọn Libraries… hộp thoại Libraries Hộp thoại Available Library ra, mục Installed liệt kê thư viện cài đặt vào phần mềm, ngồi muốn kích hoạt/hủy kích hoạt thư viện bỏ chọn/chọn vào cột Activated Để cài đặt thư viện, chọn Install… -> Install from file… Sau đưa đường dẫn đến thư mục chứa thư viện Trong trường hợp thư viện giải nén, cần mở file với định dạng All files(*.*) mở thư viện hành lấy linh kiện 42 Hình 3.19 Các chức cửa sổ libraries Từ file nguyên lý, sau chọn Design -> Update PCB Document… xuất hộp thoại Engineering Change Oder, hộp thoại mô tả thay đổi file pcb, nhấn Excute Changes để thực thay đổi, sau phần mềm chạy xong hiển thị lỗi mục Status, bên update sang PCB thành cơng khơng phát sinh lỗi: Hình 3.20 Giao diện kiểm tra lỗi 43 Sau đóng lại, cửa sổ làm việc ra, linh kiện nhóm lại theo Sheet, trường hợp Sheet linh kiện nhóm chung Để chuyển từ mạch nguyên lý sang mạch in ta thực bước sau: - Tiến hành vẽ PCB dây xuất mạch in - Chuyển từ mạch nguyên lý qua mạch in ta thực sau: từ menu Design >Update PCB Ducument mạch in1.PcbDoc: Sau xếp linh kiện dây xong ta mạch in sau: a) Mạch in Hình 3.21 Mạch in sau dây b) Mạch in phủ đất Hình 3.22 Mạch in phủ đất 44 c) Mạch 3D Hình 3.23 Hình ảnh 3D d) Mạch in PDF Hình 3.24 Hình ảnh mạch in PDF Sản phẩm mạch sau hàn gắn linh kiện thể hình 3.25 45 Hình 3.25 Mạch điều khiển sau chế tạo 3.4 Đánh giá kết thảo luận Việc điều khiển thiết bị điện thông qua điện thoại bluetooth giúp nắm bắt sử dụng cách dễ dàng hiệu Sản phẩm chế tạo có giá thành rẻ (khoảng 250.000VND), hoạt động ổn định Tuy nhiên mạch chế tạo thủ cơng nên cịn tồn hạn chế khoảng cách truyền độ nhạy chưa cao Ngoài ra, cự ly thu nhận thiết bị bluetooth hạn chế (khoảng 10m) nên sử dụng cho thiết bị xa Đối với hệ thống mang tính chun nghiệp, địi hỏi tính xác, hoạt động ổn định lâu dài, chịu tải lớn cần phải nâng cấp hệ thống để đáp ứng nhu cầu cách sử dụng linh kiên, module chuyên dụng 3.5 Kết luận chương Ở chương em nghiên cứu, thiết kế chế tạo mạch điều khiển thiết bị điện qua điện thoại dùng công nghệ Bluetooth Mạch kết nối Bluetooth qua điện thoại android thông qua Module Bluetooth HC-05 mạch Mạch nhỏ gọn, nhẹ hoạt động ổn định, người dùng điện thoại android có kết nối với mạch dễ dàng, dễ sử dụng 46 KẾT LUẬN  Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, với giúp đỡ thầy-cô hướng dẫn em hoàn thành đề tài “Nghiên cứu, thiết kế chế tạo điều khiển thiết bị điện qua điện thoại dùng công nghệ bluetooth” Một số kết luận rút sau trình thực đồ án:  Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng việc điều khiển từ xa thiết bị điện nhiều lĩnh vực đời sống sản xuất Sản phẩm đề tài sau thiết kế hoạt động ổn định, đạt mục tiêu đặt ban đầu  Mạch bao gồm khối khối điều khiển, khối nguồn, khối Module Bluetoth, khối xử lý trung tâm, khối đèn báo rơ le/ngõ  Mạch điều khiển thiết bị điện gia đình đèn điện, quạt điện,… bật đồng thời thiết bị điện  Sản phẩm có giá thành rẻ, nhỏ gọn, dễ dàng áp dụng vào thực tiễn  Để tăng độ xác ổn định ta cần sử dụng loại Module, linh kiện mang tính chuyên dụng  Ngồi hệ thống phát triển thêm để điều khiển nhiều thiết bị  Quá trình thực đồ án giúp thân em có hội ơn lại kiến thức học, tích lũy thêm nhiều kiến thức để áp dụng vào thực tiễn Do hạn chế thời gian lực, đồ án không tránh khỏi thiếu sót Em kính mong nhận ý kiến góp ý thầy cô bạn để chỉnh sửa hoàn thiện 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình kỹ thuật vi xử lý, TS Hồ Khánh Lâm, NXB Thông tin truyền thông [2] Tự động hóa điều khiển thiết bị điện, Trần Văn Thịnh, Hà Xuân Hòa, Nguyễn Vũ Thanh, NXB Giáo dục [3] Vũ Quang Vinh, Lý thuyết thông tin, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2010 [4] Giáo trình khí cụ điện, Phạm Xuân Hổ, Hồ Xuân Thanh (2014), NXB ĐHGQ Tp HCM [5] https://www.semiconvn.com/home/hoc-thiet-ke-vi-mach/bai-hc-vi-mch/9218-timhieu-va-su-dung-module-bluetooth-hc05.html Truy cập cuối ngày 20/05/2018 48 Phụ lục Chương trình giao tiếp cho IC89C2051 #include Char CTR_c; Char CTR_flag=0; //bien phu luu gia tri //ham delay Void CTR_delay(int time) { Unsigned int i,j; for(i=0;i