Hệ thống chiếu sáng thông minh thường được triển khai trong các tòa nhà hay trên một số tàu đóng mới với mục đích tiết kiệm năng lượng với sự tương tác ít hơn từ con người. Nó thường bao gồm các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Cảm biến được sử dụng để thu thập dữ liệu từ các môi trường vật lý trong khi cơ cấu chấp hành là các thiết bị truyền động thực hiện các quyết định dựa trên thông tin thu thập bởi các cảm biến. Một mạng lưới cũng được thiết kế nhằm mục đích thiết lập thông tin liên lạc giữa các cảm biến và cơ cấu chấp hành thông qua hệ thống không dây.Với công nghệ ngày càng tiến bộ, hệ thống chiếu sáng thông minh hiện tại đã được phát triển để được linh hoạt hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
Hình 3.1. Cấu trúc chung của module
Trong cấu trúc chung hình 3.1 khối LCD có chức năng hiển thị tất cả trạng thái của các thiết bị điện trong hệ thống…
Vi điều khiển thực hiện chức năng lưu trữ chương trình điều khiển, giao tiếp với màn hình LCD để hiển thị các thông số của hệ thống
ADC thực hiện chức năng chuyển đổi các tín hiệu từ cảm biến dưới dạng tương tự sang dạng số.
Các Sensor thực hiện chức năng thu thập các thông số của hệ thống rồi đưa vào vi điều khiển.
3.1.2. Thiết kế phần cứng của mô hình
Khối nguồn
Vi điều khiển Atmega 16L sử dụng nguồn nuôi là 5V nên trong quá trình xây dựng ta cũng phải xây dựng một mạch cấp nguồn cho vi điều khiển, trong bản đồ án em xây dựng mạch nguồn cho vi điều khiển sử dụng nguồn 5V từ bên ngoài. Ngoài ra do trong mô hình có sử dụng mudule wifi nên e cũng tiến hành xây dựng mạch nguồn 3,3V để cấp nguồn cho thiết bị này làm việc. Sơ đồ nguyên lý mạch câp nguồn cho vi điều khiển và cho module wifi được thiết kế như hình vẽ 3.2.
Hình 3.2. Sơ đồ mạch cấp nguồn cho vi điều khiển
Trong mạch nguồn đã thiết kế sử dụng một số linh kiện bán dẫn:
C18, C16, R13 tạo thành mạch lọc thông thấp, loại bỏ các thành phần nhiễu đầu vào.
C17 tạo thành mạch lọc đầu ra duy trì điện áp ổn định. D4, D5: Diot zenner tạo điện áp ổn định 3,3V
Khối xử lý trung tâm
Để thực hiện chức năng lưu trữ chương tŕnh đi ều khiển và giao tiếp trực tiếp với các modul mở rộng, với máy tính, với “thế giới thực”, hoặc gián tiếp qua mạng với các modul mở rộng, đồng thời cho phép lưu trữ trạng thái hoạt
J14 5V 1 2 + C16 470uF/10V +5V R13 6/1W D4 3.3V D5 3.3V +3.3V + C17 470uF/10v C18 104
động của các thiết bị. Ở hệ thống này vi điều khiển AVR Atmega16Llà trung tâm điều khiển, nó thu thập dữ liệu nhận được từ các đối tượng, xử lý tín hiệu theo chương trình đã được lập trình, và xuất tín hiệu ra điều khiển đối tượng và hiển thị các trạng thái của đối tượng. Do đó thuật toán thực hiện và điều khiển đối tượng có thể được thay đổi một cách mềm dẻo bằng phần mềm. Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm như hình vẽ 3.3.
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của khối xử lý trung tâm
AVR là họ vi điều khiển do hãng Amtel ( Mỹ ) sản xuất. Là chip vi điều khiển 8 bit với cấu trúc tập lệnh đơn giản hóa RISC (Reduced Instruction Set Computer), một kiểu cấu trúc đang thể hiện ưu thế trong các bộ xử lí, với những tính năng rất mạnh, nó mạnh ngang hàng với các họ vi điều khiển 8 bit khác như PIC, Pisoc. Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, so với họ 8051, 89xx sẽ có độ ổn định, khả năng tích hợp, sự mềm dẻo trong việc lập trình và rất tiện lợi.
Chip AVR được sử dụng trong module là dùng loại Atmega16L, Atmega16L đóng gói dưới dạng 40chân, 2hàng. Sơ đồ chân như hình 3.4.
OUT3 TXD TX GPIO2 GPIO0 U1 ATMega16L PB0 (XCK/T0) 1 PB1 (T1) 2 PB2(INT2/AIN0) 3 PB3(OC0/AIN1) 4 PB4(SS) 5 PB5(MOSI) 6 PB6(MISO) 7 PB7(SCK) 8 RESET 9 VCC 10 GND 11 XTAL2 12 XTAL1 13 PD0 (RXD) 14 PD1 (TXD) 15 PD2 (INT0) 16 PD3 (INT1) 17 PD4 (OC1B) 18 PD5 (OC1A) 19 PD6 (ICP1) 20 (OC2) PD7 21 (SCL) PC0 22 (SDA) PC1 23 (TCK) PC2 24 (TMS) PC3 25 (TDO) PC4 26 (TDI) PC5 27 (TOSC1) PC6 28 (TOSC2) PC7 29 AVCC 30 GND1 31 AVEF 32 (ADC0) PA0 40 (ADC1) PA1 39 (ADC2) PA2 38 (ADC3) PA3 37 (ADC4) PA4 36 (ADC5) PA5 35 (ADC6) PA6 34 (ADC7) PA7 33 + C5 100uF L2 100uH +5V R1 10 + C14 100uF ADC0 RESET +5V J6 BURN E 1 2 3 4 5 6 +5V RESET OUT1 OUT2 RS KEY 3 RW KEY 1 E KEY 2 D7 PIR D6 D5 D4
Hình 3.4. Sơ đồ chân và hình ảnh thực tế của chíp ATmega16
So với các chip vi điều khiển 8 bits khác, AVR có nhiều đặc tính hơn hẳn, hơn cả trong tính sử dụng ( dễ sử dụng ) và đặc biệt là các chức năng :
Giao diện SPI đồng bộ;
Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được; Giao tiếp I2C;
Bộ biến đổi ADC 10 bit; Các kênh băm xung PWM;
Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by...vv; Một bộ định thời Watchdog;
3 bộ Timer/Counter 8 bit; 1 bộ Timer/Counter 16 bit; 1 bộ so sánh analog;
Bộ nhớ EEPROM; Giao tiếp USART…vv.
Kiến trúc cơ bản của AVR
Bộ nhớ flash được tích hợp ngay trên chip có khả năng lập trình ngay trên hệ thốngđược sử dụng làm bộ nhớ chương trình. Điều này có nghĩa là ta không cần phải dùng đến các bộ nhớ EEPROM hoặc ROM bên ngoài để chứa mã chương trình. Hơn nữa bộ nhớ chương trình có thể nạp được chương trình trong khi bộ vi xử lý vẫn ở nguyên trên bản mạch, không cần nhấc ra ngoài để nạp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bộ nhớ dữ liệu ngay trên chip loại EEPROM và RAM có trong hầu hết các thành viên của họ AVR. Đơn vị CPU có kiến trúc Harvard, còn có các bộ nhớ EEPROM và RAM được nhìn nhận như là bộ nhớ dữ liệu và được dùng để cất giữ các hằng và biến.
Hoạt động với xung giữ nhịp có tần số từ 0 đến 10 MHz. Hầu hết lệnh được thực hiện trong 1 chu kì đồng hồ làm cho tốc độ xử lý lớn hơn khoảng 10 lần so với 8501 ở cùng tần số của đồng hồ giữ nhịp. Có mạch đặt lại trạng thái mỗi khi cấp lại nguồn điện cho hệ thống.
Có bộ định thời ngày trên chip và lập trình được với mạch chia tần số tách biệt. Bộ định thời này được sử dụng cho các ứng dụng cần có sự phân định thời gian của các sự kiện.
Có các nguồn ngắt bên trong và bên ngoài. Có bộ định thời watchdog ngay trên chip và lập trình được với bộ dao động độc lập.
Khối vào/ra
Các đầu vào/ra của vi điều khiển chỉ chấp nhận hai mức điện áp là 5V hoặc 0V. Các đầu vào/ra có thể ứng dụng trong quá trình điều khiển dưới dạng on/off, điều chế độ rộng xung PWM hoặc đọc trạng thái của các cảm biến và giao diện với người sử dụng (nút ấn),…
Khối đầu vào
Khối đầu vào của mô hình lấy tín hiệu từ các cảm biến rồi thực hiện đưa vào các bộ ADC của vi điều khiên để thực hiện đo và hiển thị một số thông số. Sơ đồ nguyên lý của khối đầu vào được thể hiện như hình 3.6
Hình 3.6. Khối đầu vào
Trong phạm vi đồ án em tiến hành mô phỏng một số chức năng đơn giản của hệ thống chiếu sáng thông minh, với các đầu vào là các cảm biến: cảm biến ánh sáng, cảm biến chuyển động.
Giới thiệu về cảm biến ánh sáng
Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) thực chất chúng là do các linh kiện quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.
Quang trở là một loại "vật liệu" điện tử rất hay gặp và được sử dụng trong những mạch cảm biến ánh sáng. Có thể hiểu một cách dễ dàng rằng, quang trở là một loại điện trở có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng. Nếu đặt ở môi
R4 10K ADC0 +5V J7 PIR 1 2 3 +5V PIR U4 LDR 1 1 2 2
trường có ít ánh sáng, có bóng râm hoặc tối thì điện trở của quang trở sẽ tăng cao còn nếu đặt ở ngoài nắng, hoặc nơi có ánh sáng thì điện trở sẽ giảm.
Hình 3.7.Cảm biến quang điện trở
Giới thiệu về cảm biến chuyển động (PIR)
PIR là chữ viết tắt của Passive InfraRed sensor (PIR sensor), tức là bộ cảm biến thụ động dùng nguồn kích thích là tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại (IR) chính là các tia nhiệt phát ra từ các vật thể nóng. Trong các cơ thể sống, trong chúng ta luôn có thân nhiệt (thông thường là ở 37 độ C), và từ cơ thể chúng ta sẽ luôn phát ra các tia nhiệt, hay còn gọi là các tia hồng ngoại, người ta sẽ dùng một tế bào điện để chuyển đổi tia nhiệt ra dạng tín hiệu điện và nhờ đó mà có thể làm ra cảm biến phát hiện các vật thể nóng đang chuyển động. Cảm biến này gọi là thụ động vì nó không dùng nguồn nhiệt tự phát (làm nguồn tích cực, hay chủ động) mà chỉ phụ thuộc vào các nguồn tha nhiệt, đó là thân nhiệt của các thực thể khác, như con người con vật...
Trên hình 3.8 là đầu dò PIR, loại bên trong gắn 2 cảm biến tia nhiệt, nó có 3 chân ra, một chân nối masse, một chân nối với nguồn volt DC, mức áp làm việc có thể từ 3 đến 15V. Góc dò lớn. Để tăng độ nhậy cho đầu dò, Bạn dùng kính Fresnel, nó được thiết kế cho loại đầu có 2 cảm biến, góc dò lớn, có tác dụng ngăn tia tử ngoại.
Hình vẽ 3.9. cho thấy cách dùng đầu dò PIR để phát hiện chuyển động di chuyển ngang.
Hình 3.9. Hoạt động của PIR phát hiện chuyển động di chuyển ngang Nguyên lý làm việc của loại đầu dò PIR như hình sau:
Các nguồn nhiệt (với người và con vật là nguồn thân nhiệt) đều phát ra tia hồng ngoại, qua kính Fresnel, qua kích lọc lấy tia hồng ngoại, nó được cho tiêu tụ trên 2 cảm biến hồng ngoại gắn trong đầu dò, và tạo ra điện áp được khuếch đại với transistor FET. Khi có một vật nóng đi ngang qua, từ 2 cảm biến này sẽ cho xuất hiện 2 tín hiệu và tín hiệu này sẽ được khuếch đại để có biên độ đủ cao và đưa vào mạch so áp để tác động vào một thiết bị điều khiển hay báo động.
Hình 3.10. Nguyên lý phát hiện chuyển động ngang của nguồn nhiệt
Hình vẽ 3.10 cho thấy 2 vùng cảm ứng nhậy cảm tương ứng với 2 cảm biến trong đầu dò. Khi có một con vật đi ngang, từ thân con vật sẽ luôn phát ra tia nhiệt, nó được tiêu tụ mạnh với kính Fresnel và rồi tiêu tụ trên bia là cảm biến hồng ngoại, vậy khi con vật đi ngang, ở ngả ra của đầu dò chúng ta sẽ thậy. xuất hiện một tín hiệu, tín hiệu này sẽ được cho vào mạch xử lý để tạo tác dụng điều khiển hay báo động.
Hình vẽ 3.11 diễn tả nguyên lý làm việc của đầu dò PIR đối với người qua lại:
Khối đầu ra
Khối đầu ra của module thực hiện chức năng điều khiển trạng thái của các đèn, sơ đồ nguyên lý của khối đầu ra được thể hiện như hình 3.12
Hình 3.12. Khối đầu ra
Đầu ra của mô hình dùng triac để điều khiển trạng thái của các đèn. Trong mô hình em dùng MOC 3020 để điều khiển góc mở của Triac
Khối hiển thị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các trạng thái hoạt động của các thiết bị trong ngôi nhà thông minh sẽ được hiển thị thông qua màn hình LCD như hình 3.13.
U6 MOC3020 1 2 6 4 U8 MOC3020 1 2 6 4 Q3 TRIAC R14 1k/1w J15 OUT3 1 2 AC R15 470 OUT3 N Q1 TRIAC R9 1k/1w J10 OUT1 1 2 AC R10 470 OUT1 N U7 MOC3020 1 2 6 4 Q2 TRIAC R11 1k/1w J11 OUT2 1 2 AC R12 470 N OUT2
Hình 3.13. Khối hiển thị
Trong mô hình để hiển thị các thông số của mô hình tác giả sử dụng màn hình LCD chuẩn HD44780U (hình 3.14)
Hình 3.14. Màn hình hiển thị LCD
Text LCD là các loại màn hình tinh thể lỏng nhỏ dùng để hiển thị các dòng chữ hoặc số trong bảng mã ASCII. Không giống các loại LCD lớn, Text LCD được chia sẵn thành từng ô và ứng với mỗi ô chỉ có thể hiển thị một ký tự ASCII. Cũng vì lý do chỉ hiện thị được ký tự ASCII nên loại LCD này được gọi là Text LCD (để phân biệt với Graphic LCD có thể hiển thị hình ảnh). Mỗi ô của Text LCD bao gồm các “chấm” tinh thể lỏng, việc kết hợp “ẩn” và “hiện” các chấm này sẽ tạo thành một ký tự cần hiển thị. Trong các Text LCD, các mẫu ký tự được định nghĩa sẵn. Kích thước của Text LCD được định nghĩa bằng số ký tự có thể hiển thị trên 1 dòng và tổng số dòng mà LCD có. Ví dụ LCD 16x2 là R20 10 RS RW E D4 D5 D6 D7 LCD U2 LCD GN D 1 VC C 2 V0 3 RS 4 R /W 5 E 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 A 15 K 16 +5V + C15 100uF +5V R2 10K +5V
loại có 2 dòng và mỗi dòng có thể hiển thị tối đa 16 ký tự. Một số kích thước Text LCD thông thường gồm 16x1, 16x2, 16x4, 20x2, 20x4…
Nguyên lý hoạt động
Chân Vcc,Vss,Vee: các chân Vcc và Vss cấp dương nguồn 5v và mass tương ứng,chân Vee được dùng để điều khiển độ tương phản.
Chân chọn thanh ghi RS Register Select) : có 2 thanh ghi trong LCD chân RS được dùng để chọn thanh ghi,nếu RS 0 thì thanh ghi mã lệnh được chọn để cho phép người dùng gửi 1 lệnh lên chẳng hạn như xóa màn hình,đưa con trỏ về đầu dòng…Nếu RS 1 thì thanh ghi dữ liệu được chọn cho phép người dùng gửi dữ liệu cần hiển từhị lên LCD.
Chân đọc/ghi R/W): đầu vào đọc/ghi cho phép người dùng đọc thông tin từ LCD khi R/W e hoặc ghi thông tin lên LCD.
Chân cho phép E Enable): chân cho phép được sử dụng bởi LCD để chốt dữ liệu của nó.Khi dữ liệu được cấp đến chân dữ liệu thì 1 xung mức cao xuống thấp phải được áp đến chân này để LCD chốt dữ liệu trên các chân dữ liệu
Xung này có tốc độ rộng tối thiểu 450ms.
Chân DB0-DB7 : đây là đường dữ liệu 8bit,dùng để gửi thông tin LCD
Khối điều khiển từ xa
Trong đồ án để thực hiện chức năng điều khiển giám sát từ xa em sử dụng module wifi ESP8266. Sơ đồ nguyên lý được thể hiện như hình 3.15
Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý của Module wifi
J9 SEL MODE 1 2 3 +3.3V +3.3V J8 WIFI MODULE 1 2 3 4 5 6 7 8 TXD GPIO2 GPIO0 RXD +3.3V + C12 100uF C13 1uF R5 10K
Đây là module truyền nhận WiFi đơn giản dựa trên chip ESP8266 SoC (System on Chip).
ESP8266 là một chip tích hợp được thiết kế dùng cho chuẩn kết nối mới. Có thể dùng nó để đưa những dự án của bạn kết nối đến Internet. Đơn giản nó sử dụng ngõ giao thức nối tiếp với tốc độ Baud 9600(mặc định). Kết nối mạng không dây, giống như một máy chủ hoặc một cầu nối trung gian và có thể download dữ liệu từ Internet.
Tính năng:
- Hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n.
- Wi-Fi 2.4 GHz, hỗ trợ WPA/WPA2. - Chuẩn điện áp hoạt động: 3.3V.
- Chuẩn giao tiếp nối tiếp UART với tốc độ Baud lên đến115200
- Có 3 chế độ hoạt động: Client, Access Point, Both Client and Access Point.
- Hỗ trợ các chuẩn bảo mật như: OPEN, WEP, WPA_PSK, WPA2_PSK, WPA_WPA2_PSK.
- Hỗ trợ cả 2 giao tiếp TCP và UDP