ĐỀ TÀI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN đèn TỰ ĐỘNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ -o0o - BÀI TẬP LỚN Môn học: Thiết kế hệ thống nhúng ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TỰ ĐỘNG Lớp A01 GVHD: BÙI QUỐC BẢO Thành viên: Bùi Lê Quốc Doanh 1710035 Phạm Huỳnh Thanh Tân 1710282 Nguyễn Thị Hồng Phượng 1710254 Trần Trọng Nhân 1710216 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2019 Lời cảm ơn GVHD: LỜI CẢM ƠN Ngày nay, hệ thống nhúng ứng dụng rộng rãi thiết bị, sản phẩm phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt hàng ngày người máy giặt, tivi, đồng hồ báo thức giúp cho đời sống ngày đại tiện nghi Đề tài “ Hệ thống điều khiển đèn tự động” nhóm em, lựa chọn thực với mong muốn nâng cao kiến thức thân mong muốn nâng cao giá trị mạch điện tử nói chung hệ thống nhúng nói riêng sống người Đề tài phong phú đa dạng, có nhiều loại hình khác dựa công dụng độ phức tạp Do tài liệu tham khảo Tiếng Việt cịn nhiều hạn chế, trình độ có hạn kinh nghiệm cịn nhiều non kém, nên q trình thực đề tài nhóm chúng em cịn nhiều thiếu sót Vì mong nhận góp ý chân thành thầy bạn Chúng em xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 12 năm 2019 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo TÓM TẮT BÀI TẬP LỚN Phần Giới thiệu đề tài - Nguyên nhân chọn đề tài - Mục tiêu đề tài - Nhiệm vụ đặt - Phân chia cơng việc nhóm Phần Lý thuyết Trình bày kiến thức tổng quan ATMEGA328, thiết bị ngoại vi sử dụng cảm biến chuyển động, cảm biến cường độ ánh sáng, module thu phát RF, nguồn cung cấp giao tiếp sử dụng Phần Thiết kế thực phần cứng - Yêu cầu hệ thống - Đặc tả hệ thống - Thực thiết kế phần cứng - Sơ đồ Schematics khối Phần Thiết kế phần mềm - Lưu đồ giải thuật - Phần mềm sử dụng Phần Kết thực - Mơ hình sản phẩm ii Hệ thống điều khiển đèn dân dụng - GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Sản phẩm hoàn thiện Phần Kết luận hướng phát triển - Kết luận - Hướng phát triển iii Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo MỤC LỤC GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan .1 1.2 Nhiệm vụ đề tài 1.3 Phân chia công việc nhóm LÝ THUYẾT 2.1 MCU Atmega328 2.2 Cảm biến thân nhiệt chuyển động HC-SR501 2.3 Cảm biến ánh sáng BH1750 2.4 Mạch thu phát nRF24L01 .6 YÊU CẦU HỆ THỐNG .7 ĐẶC TẢ HỆ THỐNG THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG .11 .11 THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM .13 KẾT QUẢ THỰC HIỆN 15 16 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 18 8.1 Kết luận 18 8.2 Hướng phát triển 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 18 iv Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan Cùng với phát triển nhanh chóng khoa học công nghệ, thiết bị hệ thống nhúng đã, tiếp tục ứng dụng ngày rộng rãi mang lại hiệu hầu hết lĩnh vực khoa học kĩ thuật đời sống xã hội Vì thế, hiểu biết sâu sắc ngành điện tử nói chung hệ thống nhúng nói riêng khơng thể thiếu sinh viên ngành điện tử Trong phạm vi môn học Thiết kế hệ thống nhúng, với mục tiêu nắm vững phương pháp thiết kế hệ thống nhúng lập trình cho vi điều khiển, Atmega328, nhóm em định chọn đề tài: Hệ thống điều khiển đèn tự động làm đề tài tập lớn nhóm Theo khảo sát, nhu cầu thiết bị, hệ thống tự động, bán tự động ngày cao đời sống Các hộ gia đình có nhu cầu này, thời buổi cơng nghiệp 4.0, thiết bị kết nối để sử dụng thông minh hơn, nhu cầu chiếu sáng nhu cầu cốt yếu sống ngày Chính vậy, chúng em chọn đề tài với mục đích trau dồi kỹ thiết kế hệ thống nhúng, board mạch điện tử bản, nâng cao đồng thời giải số vấn đề hệ thống chiếu sáng sinh hoạt ngày hộ gia đình 1.2 Nhiệm vụ đề tài Nội dung 1: Tìm hiểu nguyên lý, lý thuyết nguyên tắc truyền sóng không dây rf, giao tiếp vi điều khiển ngoại vi Nội dung 2: Tìm hiểu vi điều khiển Atmega328, Module giao tiếp RF nRF24L01, module cảm biến chuyển động SR501, module cảm biến cường độ ánh sáng BH1705 Nội dung 3: Xây dựng giải thuật để lập trình cho vi điều khiển đọc liệu từ cảm biến, truyền qua module thu tín hiệu RF, module thu có chức thu tín hiệu thực thi tác vụ theo yêu cầu Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 1.3 Phân chia cơng việc nhóm Thành viên Nhiệm vụ Bùi Lê Quốc Doanh Nhóm trưởng, lên ý tưởng, viết báo cáo tổng kết Phạm HuỳnhThanh Tân Code chương trình xây dựng giải thuật Nguyễn Thị Hồng Phượng Thiết kế phần cứng code chương trình Trần Trọng Nhân Thi công mạch kiểm tra thi công, viết báo cáo tổng kết Bảng 1: Bảng phân chia nhiệm vụ Công việc Thành viên phụ trách Develop system design Bùi Lê Quốc Doanh Design hardware Trần Trọng Nhân Nguyễn Thị Hồng Phượng Design software Phạm Huỳnh Thanh Tân Nguyễn Thị Hồng Phượng Contruction and test All Bảng 2: Bảng phân chia nhiệm vụ Week 3-4-5 1.System requirement x 2.System specification x 3.Design hardware part 3.1 Schemactic 3.2 PCB 6-7 8-9 10-11 12-13 x x 13-14 X X x 4.Develop software part Hệ thống điều khiển đèn dân dụng 4.1.Viết giải thuật GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo X 4.2 Viết code x x Thi công kiểm tra x x x Bảng 2: Bảng theo dõi tiến trình thực sản phẩm - Họp nhóm: cuối tuần (thứ chủ nhật) - Quy định: + Hoàn thành tiến độ công việc giao + Tôn trọng ý kiến cá nhân nhóm LÝ THUYẾT 2.1MCU Atmega328 Hình 1: MCU ATmega328 - Là chíp vi điều khiển sản xuất hãng Atmel thuộc họ MegaAVR - Vi điều khiển bit dựa kiến trúc RISC - Bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash ghi xóa hàng nghìn lần - 23 I/O ports, timer/counter, giao tiếp USART, I2C, SPI - Hoạt động dải điện áp rộng (1.8V – 5.5V) Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 2: MCU ATmega328 pinout 2.2Cảm biến thân nhiệt chuyển động HC-SR501 Hình 3: Cảm biến thân nhiệt chuyển động HC-SR501 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo - Sử dụng để phát chuyển động vật thể phát xạ hồng ngoại - Phạm vi phát : góc 360 độ hình nón, độ xa tối đa 6m - Nhiệt độ hoạt động : 32-122 ° F ( 050 ° C) - Điện áp hoạt động : DC 3.8V - 5V - Mức tiêu thụ dòng: ≤ 50 uA - Độ nhạy điều chỉnh biến trở - Kích thước: 1,27 x 0,96 x 1.0 ( 32,2 x 24,3 x 25,4 mm) Hình 4: HC-SR501 pinout 2.3Cảm biến ánh sáng BH1750 Hình 5: cảm biến ánh sáng BH1750 - sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux - Nguồn: 3~5VDC - Giao tiếp: I2C Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo - Khoảng đo: -> 65535 lux - Kích cỡ: 21*16*3.3mm  Một số ví dụ độ rọi ánh sáng: + Vào buổi tối : 0.001 - 0.02 Lux + Ánh trăng : 0.02 - 0.3 lux + Trời nhiều mây nhà : - 50 lux + Trời nhiều mây trời : 50 - 500 lux + Trời nắng nhà : 100 - 1000 lux + Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux 2.4 Mạch thu phát nRF24L01 Hình 6: Mạch thu phát NRF24L01 - Điện hoạt động: 1.9V - 3.6V Hệ thống điều khiển đèn dân dụng - GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Có sẵn anthena sứ 2.4GHz Truyền 100m môi trường mở với 250kbps baud Tốc độ truyền liệu qua sóng: 250kbps to 2Mbps Tự động bắt tay (Auto Acknowledge) Tự động truyền lại bị lỗi (auto Re-Transmit) Multiceiver - Data Pipes Bộ đệm liệu riêng cho kênh truyền nhận: 32 Byte separate TX and RX FIFOs Các chân IO chịu điện áp vào 5V Lập trình kênh truyền sóng khoảng 2400MHz đến 2525MHz (chọn 125 kênh) Thứ tự chân giao tiếp : GND,VCC,CS,CSN,SCK,MOSI,MISO,IQR Hình 7: NRF24L01 pinout YÊU CẦU HỆ THỐNG Name: Hệ thống điều khiển đèn dận dụng Purpose: Hệ thống điều khiển đèn tắt/mở dùng relay, tín hiệu yêu cầu tắt mở thu từ cảm biến truyền module RF Input: Tín hiệu thu vào từ cảm biến Output: Tín hiệu bật tắt relay Use Case: + Đèn cổng: mở trời tối, tắt trời sáng Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo + Đèn phịng khách: -Mở đèn có tín hiệu thu từ cảm biến 3s trì đến có tín hiệu tắt -Tắt đèn cảm biến thu tín hiệu vịng 3s(đèn tắt sau 10s kể từ lúc nhận tín hiệu tắt) + Có thể mở khoá gắn kết hợp Performance: + Tự động reset hệ thống có vấn đề + Thời gian đáp ứng nhanh + Sử dụng nguồn điện 220V nguồn nuôi DC 5V Giá thành sản phẩm < 400k Power: Pin 9V, nguồn xoay chiều 220V Physical size/weight: + Kích cỡ : 10cmx10cm + Trọng lượng : Nhỏ 200gram Installation: Hoạt động nhà, trời => yêu cầu linh kiện hàn xong không bị lỏng lẻo, bo mạch chịu điều kiện thời tiết TP HCM Certification: Vật liệu chọn ( bảng mạch, nhựa, dây nối, nguồn, dây sạc ) đảm bảo an tồn điện thân thiện mơi trường ĐẶC TẢ HỆ THỐNG Descriptions: Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hệ thống mở đèn cổng trời tối tắt trời sáng Khi có người vào phịng đèn phịng khách tự mở có tín hiệu tắt External Environment: + Hệ thống sử dụng trời nhà + Nhiệt độ hoạt động bình thường từ đến 40 độ C System Connectivity Board điều khiển chạy nguồn DC=9V, đèn sử dụng nguồn xoay chiều 220V System Block Diagram in detail Button (nút cơ) Mode control (on/off) Sensor (SR501,BH1750) Configuaration (ATmega32) RF (24L01) Relay Devices (Light) Power System Atmega32 9V Light AC 220V Hình 8: Sơ đồ khối hệ thống Hardware Component Hardware Component MCU Interface USART, I2C, SPI Component part number ATMEGA328 Note Use 5VDC Hệ thống điều khiển đèn dân dụng Cảm biến chuyển động GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo I2C Connect by wire SR501 Cảm biến cường độ ánh sáng I2C Connect by wire BH1705 Relay B a tt e r y m o n it o r 5VDC Module thu phát RF I2C Pin 24L01 Connect by wire Lipo 9V Đ è n Hardware Considering Stt Hardware Description Importance Cost Sử dụng 220V AC Must have 10k BH1705 Must have 45k Đèn cà na Cảm biến cường 10 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo độ ánh sáng Cảm biến chuyển động SR501 Must have 25k Battery Pin Lipo 9V Must have 14k MCU ATMEGA328 Must have 120k Module giao tiếp RF 24L01 Must have 44k Relay SRD-05VDC Must have 12k THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN CỨNG Hình 9: Schematic khối phát 11 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 10: Schematic khối thu Hình 11: Layout khối phát 12 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 12: Layout khối thu 13 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo THIẾT KẾ VÀ THỰC HIỆN PHẦN MỀM 14 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo 15 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 13: Lưu đồ giải thuật khối phát Bắt đầu Khởi tạo hệ thống Khơng có Tìm kiếm tín hiểu RF Có Đọc tính hiệu RF bat on Bật đèn Bật đèn tat off Tắt đèn Tắt đèn Delay 150ms Hình 14: Lưu đồ giải thuật khối thu KẾT QUẢ THỰC HIỆN  Đánh giá kết mạch thực tế 16 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo Hình 15: Phần cứng khối phát Hình 16: Phần cứng khối thu 17 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo - Mạch chạy ổn, khối thu phát giao tiếp với nhau, tín hiệu xử lý bật tắt đèn - Ổn định, dễ dàng lắp đặt, gọn nhẹ - Thực thi tác vụ vừa tự động, vừa bán tự động tùy theo yêu cầu sử dụng  Đánh giá kết làm việc o Bùi Lê Quốc Doanh: +Quản lý xếp làm việc nhóm tốt +Phân cơng cơng việc cho thành viên + Tham gia phát triển giải thuật phần mềm o Phạm Huỳnh Thanh Tân: +Hoàn thành giải thuật phần mềm +Thực nội quy nhóm +Hỗ trợ giúp đỡ công việc khác o Nguyễn Thị Hồng Phượng: +Hoàn thành schematic thời gian +Thực nội quy nhóm +Tham gia phát triển phần mềm o Trần Trọng Nhân: +Hoàn thành PCB thời gian 18 Hệ thống điều khiển đèn dân dụng GVHD: ThS Bùi Quốc Bảo +Thưc tốt nội quy nhóm +Tham gia phát triển phần mềm KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 8.1 Kết luận Ưu điểm: Sản phẩm có ưu điểm thời gian thực thi nhanh, xác, độ ổn định cao, chi phí vừa phải Sản phẩm gọn nhẹ dễ thi cơng lắp đặt Mạch ứng dụng rộng rãi sống Tiết kiệm lượng Nhược điểm: Chưa có nhiều chức để chọn Thuật tốn chưa tối ưu 8.2Hướng phát triển Sau hồn thành đề tài, nhóm em nhận thấy sản phẩm cịn tính cịn phát triển thêm như: + Khi mạch nRF24L01 kết nối thêm LNA PA giao tiếp khoảng cách xa (1km) nên lắp đặt nhiều thu + Kết hợp đọc nhiệt độ, độ ẩm để phát triển thành hệ thống thep dõi thời tiết nông nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Datasheet Atmega328, nRF24l01, HC-SR501, BH1750 [2] www.arduino.vn 19