NGHIÊN cứu THIẾT kế, CHẾ tạo MODULE điều KHIỂN đa THIẾT bị QUA SÓNG RADIO sử DỤNG MODULE NRF24L01+

BÔVVVDVDKVKDKVDK BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN 2021 ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐA THIẾT BỊ QUA SÓNG RADIO SỬ DỤNG MODULE NRF24L01+ SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: TRẦN VĂN KHỞI (CƠ ĐIỆN TỬ K59) NGUYỄN VĂN THỨC (CƠ ĐIỆN TỬ K59) ĐẶNG XUÂN LONG (CƠ ĐIỆN TỬ K60) PHẠM MẠNH TIẾN (CƠ ĐIỆN TỬ K60) NGƯỜI HƯỚNG DẪN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC: GIẢNG VIÊN: THS TRỊNH TUẤN DƯƠNG Hà Nội – 2021 MỤC LỤC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐA THIẾT BỊ QUA SÓNG RADIO SỬ DỤNG MODULE NRF24L01+ SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: LỜI NÓI ĐẦU LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC HÌNH CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1Tổng quan 1.1.1 Lí chọn đề tài 1.1.2 Nội dung thực 1.2 Sóng RF (Radio Frequency) cách thức truyền tín hiệu 1.2.1 Sóng RF 1.2.2 Cách thức truyền tín hiệu Như tìm hiểu trên, ta nắm sóng vơ tuyến ? "Vậy sóng vơ tuyến hoạt động sao?" Trong điện tử, môi trường người không tiếp xúc trực tiếp mà phải tiếp xúc với thơng qua dịng diện.Vì vậy, ta tạo sóng điện 1.2.2.1 Phân loại theo phương thức lan truyền 1.2.3 Cấu tạo nguyên lý ưu nhược điểm mạch thu phát sóng RF 1.2.3.1 Mạch phát sóng RF 1.2.3.2 Mạch thu sóng RF 10 1.2.3.3 Ưu điểm hạn chế mạch thu sóng RF 12 1.2.4 Phương pháp tạo sóng RF 12 1.2.5 Ứng dụng sóng RF 13 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN LINH KIỆN LẮP RÁP 14 2.1 Module NRF24l01+ 14 2.1.1 Giới thiệu Module NRF24L01+ 14 2.1.2 Thông số kỹ thuật module NRF24L01+ 14 2.1.3 Sơ đồ khối module NRF24L01+ 16 _ Radio 16 2.1.4 Chức tổng quát module NRF24L01+ 17 2.1.5 Các đặc điểm hoạt động 19 Sau trình khảo sát module BRF24L01+ ta nhận thấy module có đặc điểm sau: 19 2.1.6 Các ứng dụng tiêu biểu 19 2.2 Arduno Uno R3 20 Board mạch Arduino Uno R3 board vi điều khiển sử dụng rộng rãi nhờ vào đặc điểm thân thiện với người sử dụng, cấu hình mạnh dễ dàng ứng dụng việc thử nghiệm, phát triển sản phẩm 20 2.4.1 Đặc điểm kỹ thuật Arduno Uno 20 2.4.3 Một số ứng dụng Arduino Uno 22 2.5 Tay cầm điều khiển 22 2.6 Module Relay 25 2.6.1 Khái quát chung Relay (Rơ-le) 25 2.6.2 Cấu tạo Relay 25 2.6.3 Cách sử dụng Relay 26 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ 28 3.1 Sơ đồ khối chung ổ cắm 28 3.2 Chức khối 28 3.3 Thiết kế ổ cắm 29 Hình 3.8 Sản phẩm hoàn chỉnh 31 3.4 Thiết kế tay cầm điều khiển 31 Hình 3.9 Sản phẩm tay cầm hoàn thiện 32 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM 33 LỜI NĨI ĐẦU Khoa học ngày đóng vai trị quan trọng việc thúc đẩy phát triển tiến người Những phương thức truyển đạt thông tin khơng dừng lại thiết bị có dây điều khiển trực tiếp khoảng cách gần mà có bước nhảy vọt lĩnh vực không dây Một ứng dụng truyền đạt thơng tin khơng dây truyền tín hiệu qua sóng RF Sóng RF nghe xạ lại hữu đời sống hàng ngày Đài Radio, điện thoại di động… thí dụ sinh động sóng RF mà ta dễ dàng bắt gặp Trong thời đại cơng nghệ 4.0 địi hỏi thứ phải thơng minh hơn, linh hoạt dễ sử dụng có tính tương tác cao với người Và kết hợp mạch RF thiết bị có tính gần gũi ổ điện ý tưởng tuyệt vời Đề tài “Chế tạo Module điều khiển đa thiết bị thông qua sóng Radio sử dụng mạch NRF24L01” mà nhóm em thực kết hợp đó, với mong muốn tìm hiểu phát triển sản phẩm cơng nghệ có tính ứng dụng cao sống LỜI CẢM ƠN Đề tài thực khoảng thời gian đại dịch Covid-19 diễn vô phức tạp, hoạt động học tập bị gián đoạn Các thành viên nhóm phải trao đổi thảo luận từ xa Đó trở ngại hội để thành viên nhóm chứng minh tâm huyết với đề tài hoàn thành tiến độ đề Để thực đề tài thành viên nhóm liên tục tìm tịi tham khảo nhiều nguồn, tài liệu Internet để có thành ngày hơm Cảm ơn tất thành viên đoàn kết, làm tốt nhiệm vụ đồng thời đóng góp cho lợi ích chung nhóm Cả nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trịnh Tuấn Dương ln giám sát, góp ý, có lời khuyên chân thành để sản phẩm nhóm hồn thiện Tuy sản phẩm hồn thiện, song khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng em mong nhận góp ý từ thầy/cơ để sản phẩm hồn thiện Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn Hà Nội, ngày 02 tháng 08 năm 2021 Sinh viên đại diện Thức Nguyễn Văn Thức DANH MỤC CÁC HÌNH STT Chú thích Trang Hình 1.1 Sóng vơ tuyến ( hình minh họa ) Hình 1.2 Mạch phát sóng RF Hình 1.3 Sơ đồ khối mạch phát sóng RF Hình 1.4 Mạch thu sóng RF 10 Hình 1.5 Sơ đồ khối mạch thu sóng RF 11 Hình 2.1 Module NRF24L01+ 14 Hình 2.2 Sơ đồ khối module NRF24L01+ 16 Hình 2.3 Sơ đồ phần cứng module NRF24L01+ 19 Hình 2.7 Board mạch Arduino Uno R3 25 Hình 2.8 Arduino Joystick Shield 31 Hình 2.9 Sơ đồ chân kết nối Arduino Joystick Shield 32 Hình 2.10 Module relay kích thích mức thấp 33 Hình 2.11 Chân relay 34 Hình 3.1 Sơ đồ khối chung thiết bị 36 Hình 3.2 Sơ đồ mạch nguyên lý tay cầm 37 Hình 3.3 Sản phẩm tay cầm điều khiển 38 Hình 3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý ổ cắm 39 Hình 3.5 Kết hồn thiện mạch ổ cắm 40 Hình 3.6 Sản phẩm ổ cắm hồn chỉnh 40 Hình 3.7 Sản phẩm hoàn chỉnh 41 DANH MỤC CÁC BẢNG STT Chú thích Trang Bảng 1.1 Phân loại sóng RF theo tần số 4,5,6 Bảng 1.2 So sánh ưu nhược điểm mạch thu phát RF với phương thức truyền bluetooth internet 12 Bảng 2.1 Chức chân module NRF24L01+ 17,18 Bảng 2.4 Thông số kĩ thuật Arduino Uno R3 26 Bảng 2.5 Chức chân Arduino Uno R3 28,29 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1Tổng quan 1.1.1 Lí chọn đề tài Bằng việc tích hợp mạch NRF24L01+ ta biến ổ cắm bình thường thành ổ cắm thông minh với khả tương tác với thiết bị, cho phép điều khiển thiết bị điện từ xa phạm vi 10-15m Thử tưởng tượng thay cầm đống Remote máy lạnh, quạt, tivi, ta cẩm remote điều khiển ổ cắm thông minh giúp ta dễ dàng quản lý thiết bị điện gia đình từ giảm thiểu tối đa chi phí điện hàng tháng Hơn sản phẩm vô hữu dụng với bậc cha mẹ muốn điều khiển thiết bị điện phòng Khơng trường hợp trẻ xem tivi, chơi game…muộn mà khơng chịu ngủ với ổ cắm thơng minh bậc phụ huynh có tồn vơ hiệu hóa tồn để trẻ ngủ Từ vấn đề thực tiễn phát sinh với mong muốn đưa giải pháp tốt nhất, nhóm em định chọn nghiên cứu ổ cắm thông minh Với đề tài xác định mục tiêu khả điều khiển thiết bị điện từ xa ổ cắm Yêu cầu đặt cho ổ cắm gồm tiêu chí: - Khả phản hồi nhanh thao tác - Tính an toàn thiết bị - thiết bị điện yếu tố an tồn phải đặt lên hàng đầu - Tính thẩm mỹ - thiết bị dù có tiện lợi đến khơng có tính thẩm mỹ thất bại đội ngũ thiết kế - Độ bền cao - Với thiết bị điện độ bền yếu tố quan trọng không 1.1.2 Nội dung thực Sử dụng kiến thức học để tìm hiểu, xây dựng cấu trúc hoạt động phần cứng ổ cắm tay cầm, viết phần mềm điều khiển cho thiết bị - Tiến hành thiết lập sơ đồ khối hệ thống - Thực lắp đặt phần cứng viết nạp code theo yêu cầu chức 1.2 Sóng RF (Radio Frequency) cách thức truyền tín hiệu 1.2.1 Sóng RF Sóng RF (Radio Frequency) hay tần số vơ tuyến sóng điện từ có dải tần số khoảng kHz tới tới 300 GHz Nhờ có lượng lớn, truyền xa nên sóng RF ứng dụng nhiều truyền thông vô tuyến Giống sóng điện từ khác, sóng RF truyền với vận tốc ánh sáng (v = 300,000,000km/s) Các tần số khác sóng vơ tuyến có đặc tính truyền lan khác khí quyển, sóng ngắn nhờ phản xạ từ tầng điện ly nên truyền xa, sóng dài truyền theo đường cong trái đất Thơng qua bảng phân loại sau ta hiểu rõ sóng RF: Tần số 30 – 300Hz Bước sóng 10^4 km10^3 km Tên gọi Tần số thấp Kí hiệu ELF 300 – 3000Hz 10^3km – 100km Tần số thoại VF – 30 kHz 100km – 10km Tần số thấp VLF 30 – 300 kHz 10km – 1km Tần số thấp LF 1km – 100m Tần số trung bình MF 300kHZ – MHz Công dụng Chứa tần số điện mạng xoay chiều, tín hiệu đo lường từ xa tần thấp Chứa tần số kênh thoại tiêu chuẩn Chứa phần dải nghe tiếng nói Dùng cho hệ thống an ninh quân sự, chuyên dụng, thông tin nước ( tàu ngầm ) Dùng cho dẫn đường hàng hải hàng không Dùng cho phát thương mại sóng trung (535 – 1605 kHz) Cũng dùng cho đường dẫn hang hải hang không Dùng thơng tin vơ tuyến chiều với mục đích thông tin cự ly xa xuyên lục địa, liên lạc hàng hải, hàng không, nghiệp dư, phát quảng bá… – 30 MHz 100m - 10m Tần số cao HF 30 – 300 MHz 10m – 1m Tần số cao VHF Dùng cho vô tuyến di động, thông tin hàng hải hàng không, phát FM thương mại ( 88 đến 108 MHZ) , truyền hình thương mại ( kênh đến 12 tần số từ 54 – 216 MHz) 300 MHz – GHz 1m – 10cm Tần số cực cao UHF Dùng cho kênh truyền hình thương mại từ kênh 14 đến Hình 2.8 Arduino Joystick Shield Trên Arduino Joystick shield gồm có nút nhấn: – nút điều khiển lớn – nút điều khiển nhỏ – Và cần điêu khiển Joystick trục 23 Hình 2.9 Sơ đồ chân kết nối Arduino  Mạch thu phát RF nRF24L01+: IRQ-D8 CE-D9 CSN-D10 MOSI-D11 MISO-D12 CLK-13  Mạch thu phát Bluetooth HC-06: RXD-D1 TXD-D0  Nút bấm – Button: A~D2 B~D3 C~D4 D~D5 E~D6 F~D7 X~A0 Y~A1 Key_Joystick~D8  Màn hình Nokia 5110: 3V3 GND D13 D12 D11 D10 D9 3V3 24 2.6 Module Relay 2.6.1 Khái quát chung Relay (Rơ-le) Relay cơng tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc chỗ bản, relay kích hoạt điện thay dùng tay người Chính lẽ đó, rơle dùng làm cơng tắc điện tử Vì relay cơng tắc nên có trạng thái: đóng mở "Khi đóng? Khi mở? Và thay đổi trạng thái nó?, " câu hỏi mà cần tìm kiếm câu trả lời Trên thị trường có loại module rơ-le: module rơ-le đóng mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le đóng), module rơ-le đóng mức thấp (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le đóng) Nếu sơ sánh module relay có thơng số kỹ thuật hầu hết kinh kiện giống nhau, khác chỗ transistor module Chính transistor nên sinh loại module rơ-le (có loại transistor NPN - kích mức cao, PNP - kích mức thấp) 2.6.2 Cấu tạo Relay Một module relay tạo nên linh kiện thụ động relay transistor, nên module relay có thơng số chúng: Hiệu điện cường độ dòng điện tối đa Hình 2.10 Module relay kích thích mức thấp 25 Thơng số hiển thị mức độ dịng điện hiệu điện tối đa thiết bị muốn đóng/ngắt để đấu dây với rơ-le Chúng thường in lên thiết bị nên dễ dàng quan sát:  10A-250VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua tiếp điểm rơle 10A, hiệu điện 250VAC  10A-125VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua tiếp điểm rơle 10A, hiệu điện 125VAC  10A-30VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua tiếp điểm rơle 10A, hiệu điện 30VAC  10A-28VAC: Cường độ dòng điện tối đa qua tiếp điểm rơle 10A, hiệu điện 28VAC  SRD-05VDC-SL-C: Hiệu điện kích tối ưu 5V 2.6.3 Cách sử dụng Relay Hình 2.11 Chân relay 26 Relay bình thường gồm có chân Trong có chân để kích, chân cịn lại nối với đồ dùng điện cơng suất cao chân dùng để kích o +: cấp hiệu điện kích tối ưu vào chân o -: nối với cực âm o S: chân tín hiệu, tùy vào loại module relay mà làm nhiệm vụ kích relay Nếu dùng module rơ-le kích mức cao chân S ta cấp điện dương vào module relay kích, ngược lại khơng Tương tự với module relay kích mức thấp chân lại nối với đồ dùng điện công suất cao: o COM: chân nối với chân đồ dùng điện, khuyên bạn nên mắc vào chân lửa (nóng) dùng hiệu điện xoay chiều cực dương hiệu điện chiều o ON NO: chân bạn nối với chân lửa (nóng) dùng điện xoay chiều cực dương nguồn dòng điện chiều o OFF NC: chân nối chân lạnh (trung hòa) dùng điện xoay chiều cực âm nguồn dùng điện chiều 27 CHƯƠNG THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG THIẾT BỊ 3.1 Sơ đồ khối chung ổ cắm KHỐI NGUỒN RELAY NRF24L01 ARDUINO Hình 3.1: Sơ đồ khối chung thiết bị 3.2 Chức khối Khối phát RF: module NRF24L + phát sóng kèm liệu mã hóa thơng qua hệ thống nút nhấn Khối thu RF: module NRF24L01 + nhận tín hiệu sóng mang giải mã, sau xuất mức tín hiệu tương ứng đến khối điều khiển Khối hiển thị: nhận tín hiệu phát từ khối phát hiển thị trạng thái thiết bị Khối chấp hành: nhận tín hiệu từ khối điều khiển, thực đóng mở thiết bị thơng qua module relay Khối nguồn: cung cấp điện áp phù hợp với linh kiện mạch để hệ thống hoạt động ổn định (gồm pin tổng điện áp 7.4 volt, hạ áp qua module 7805 volt) 28 3.3 Thiết kế ổ cắm Khối nguồn nuôi mạch gồm pin, pin có điện áp định mức 3.7V Sau hạ áp xuống 5V nhờ hạ áp qua mạch 7805 Khối thu tín hiệu RF module NRF24L01+ đấu với Arduino để xử lí tín hiệu nhận truyền lệnh điều khiển module relay Khối chấp hành module relay hai kênh đấu với ổ cắm bên ngồi Module relay sử dụng dịng DC từ mạch nguồn để kích hoạt hệ thống tiếp điểm đóng cắt dịng điện xoay chiều Hai chân IN1 IN2, IN3 đấu với chân D5 D6, D7 để nhận tín hiệu điều khiển từ arduino Chân NO1 NO2, NO3 từ kênh module đấu với ổ cắm, chân COM kênh đấu chung nối với nguồn AC Đây cách đấu Normally Open, tức khơng có tín hiệu điều khiển từ tay cầm, mạch hở, ổ cắm khơng có điện Sơ đồ mạch ngun lí ổ cắm: Hình 3.5 Sơ đồ mạch nguyên lý ổ cắm 29 Hình 3.6 Kết hồn thiện mạch ổ cắm Hình 3.7 Sản phẩm ổ cắm hồn chỉnh 30 Hình 3.8 Sản phẩm hồn chỉnh 3.4 Thiết kế tay cầm điều khiển Tay cầm điều khiển gồm shield JoyStick kết hợp với Arduino Uno NRF24L01 Khối phát module NRF24L01+ lấy nguồn từ arduino, chân lại: CE – D9, CSN – D10, SCK – D13, MOSI – D11, MISO – D12 Khối nguồn viên pin 5V đặt bên Arduino Joystick Shield Module NRF24L01+ đặt vào socket có sẵn dành cho Arduino Joystick Shield Khi hoạt động, tín hiệu điều khiển lệnh qua nút nhấn, arduino xử lí tín hiệu đưa module NRF24L01+ mã hóa chuyển đến thu, đồng thời hiển thị trạng thái điều khiển từ nút nhấn lên hình 31 Hình 3.9 Sản phẩm tay cầm hồn thiện 32 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN SẢN PHẨM  Những kết đạt Quá trình tìm hiểu, nghiên cứu thực đề tài giúp cho nhóm chúng em khơng củng cố thực hành với kiến thức học mà học hỏi thêm nhiều kiến thức thực tế bổ ích Tuy kết thiết kế điều khiển bật tắt thiết bị hoàn chỉnh  Phương hướng phát triển Từ mặt hạn chế sản phẩm, để thiết bị hoạt động tốt thực tế, chúng em đề xuất vài hướng phát triển như: mở rộng kết nối với nhiều thiết bị hơn, thu nhỏ kích thước ổ cắm để nâng cao tính thẩm mỹ 33 PHỤ LỤC  Code mạch thu - ổ cắm #include #include #include #include // cac dinh nghia, ham can thiet // Bien trang thai cac relay bool relay1_state = 0, relay2_state = 0, relay3_state = 0; ///////////////////////////////////// void getData(); // update du lieu dieu khien void follow_order_rf(); // thuc hien du lieu dieu khien void setup() { radio.ready(); // khoi dong nhan du lieu radio digitalWrite(5,LOW); digitalWrite(6,LOW); digitalWrite(7,LOW); } void loop() { // lay du lieu getData(); // dung du lieu if(newData == true) { follow_order_rf(); } } /////////////////////////////////////////// 34 void follow_order_rf() { /* * relay 1: A payload1[3] * relay 2: B payload1[4] * relay 3: C payload1[5] * */ if(payload1[3] == 1) // neu bam nut a, chuyen trang thai relay { relay1_state = !relay1_state; digitalWrite(5,relay1_state); } if(payload1[4] == 1) // neu bam nut b, chuyen trang thai relay { relay2_state = !relay2_state; digitalWrite(6,relay2_state); } if(payload1[5] == 1) // neu bam nut c, chuyen trang thai relay { relay3_state = !relay3_state; digitalWrite(7,relay3_state); } } 35  Code mạch phát – tay cầm điều khiển : #include // include JoystickShield Library ///////////////////////////////////// // khai bao NRF24L01 #include #include #include #include // cac dinh nghia, ham can thiet JoystickShield joystickShield; // create an instance of JoystickShield object bool newData = false; void setup() { joystickShield.calibrateJoystick(); ////////////////////setup radio radio.ready(); } void loop() { joystickShield.processEvents(); // process events if (joystickShield.isUpButton()) //A payload1[3] = 1; else payload1[3] = 0; if (joystickShield.isRightButton()) //B payload1[4] = 1; else payload1[4] = 0; if (joystickShield.isDownButton()) //C payload1[5] = 1; else payload1[5] = 0; send(); delay(50); } 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://banlinhkien.com/ [2] https://www.arduino.cc/ [3] http://dammedientu.vn/module-nrf24l01-24g-cach-thuc-su-dung/ 37 ...MỤC LỤC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐA THIẾT BỊ QUA SÓNG RADIO SỬ DỤNG MODULE NRF24L01+ SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI: LỜI NÓI... tác cao với người Và kết hợp mạch RF thiết bị có tính gần gũi ổ điện ý tưởng tuyệt vời Đề tài ? ?Chế tạo Module điều khiển đa thiết bị thông qua sóng Radio sử dụng mạch NRF24L01” mà nhóm em thực... remote điều khiển ổ cắm thông minh giúp ta dễ dàng quản lý thiết bị điện gia đình từ giảm thiểu tối đa chi phí điện hàng tháng Hơn sản phẩm vô hữu dụng với bậc cha mẹ muốn điều khiển thiết bị điện