2.5.1. Giới thiệu
DHT11 là cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, hình ảnh thực tế như Hình 2.19. Nó ra đời sau và được sử dụng thay thế cho dòng SHT1x ở những nơi không cần độ chính xác cao về nhiệt độ và độ ẩm.
Hình 2.19: Cảm biến DHT11.
DHT11 có cấu tạo 4 chân như hình. Nó sử dụng giao tiếp số theo chuẩn 1 dây.
Thông số kỹ thuật: - Đo độ ẩm: 20%-95% - Nhiệt độ: 0-50ºC - Sai số độ ẩm ±5% - Sai số nhiệt độ: ±2ºC 2.5.2. Nguyên lý hoạt động Hình 2.20: Kết nối DHT11 với vi xử lý.
Nguyên lý hoạt động:
Sơ đồ kết nối với vi điều khiển như Hình 2.20. Để có thể giao tiếp với DHT11 theo chuẩn one-wire vi xử lý thực hiện theo 2 bước như bên dưới và mô tả quá trình truyền dữ liệu như Hình 2.21:
- Bước 1: Gửi tín hiệu Start
MCU thiết lập chân DATA là Output. Kéo chân DATA xuống 0 trong khoảng thời gian >18ms. Khi đó DHT11 sẽ hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ và độ ẩm. MCU đưa chân DATA lên 1, sau đó thiết lập lại là chân đầu vào. Sau khoảng 20-40us, DHT11 sẽ kéo chân DATA xuống thấp. Nếu >40us mà chân DATA không được kéo xuống thấp nghĩa là không giao tiếp được với DHT11.Chân DATA sẽ ở mức thấp 80us sau đó nó được DHT11 kéo nên cao trong 80us. Bằng việc giám sát chân DATA, MCU có thể biết được có giao tiếp được với DHT11 không. Nếu tín hiệu đo được DHT11 lên cao, khi đó hoàn thiện quá trình giao tiếp của MCU với DHT.
- Bước 2: Đọc giá trị trên DHT11
DHT11 sẽ trả giá trị nhiệt độ và độ ẩm về dưới dạng 5 byte. Trong đó: Byte 1, byte 2: giá trị phần nguyên và thập phân của độ ẩm (RH%) Byte 3, byte 4: giá trị phần nguyên và thập phân của nhiệt độ (TC) Byte 5 : Kiểm tra tổng.
Nếu Byte 5 = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) thì giá trị độ ẩm và nhiệt độ là chính xác, nếu sai thì kết quả đo không có nghĩa. Sau khi giao tiếp được với
DHT11, DHT11 sẽ gửi liên tiếp 40 bit 0 hoặc 1 về MCU, tương ứng chia thành 5 byte kết quả của Nhiệt độ và độ ẩm.
Sau khi tín hiệu được đưa về 0, ta đợi chân DATA của MCU được DHT11 kéo lên 1. Nếu chân DATA là 1 trong khoảng 26-28 us thì là 0, còn nếu tồn tại 70us là 1. Do đó trong lập trình ta bắt sườn lên của chân DATA, sau đó delay 50us. Nếu giá trị đo được là 0 thì ta đọc được bit 0, nếu giá trị đo được là 1 thì giá trị đo được là 1. Cứ như thế ta đọc các bit tiếp theo.
2.6. IC ghi dịch 74HC595
Hình 2.22: Hình ảnh IC 74HC595
IC 74HC595 là IC ghi dịch 8 bit kết hợp chốt dữ liệu, đầu vào nối tiếp đầu ra nối tiếp hoặc song song, và có hình dạng thực tế như Hình 2.22. Ta có thể kết hợp nhiều IC 74HC595 với nhau nhờ mắc nối tiếp đầu vào dữ liệu các IC lại với nhau.
Sơ đồ chân:
Chức năng các chân ( sơ đồ chân xem Hình 2.23):
- Input (Chân 14) : Đầu vào dữ liệu nối tiếp . Tại 1 thời điểm xung clock chỉ đưa vào được 1 bit.
- Output Q0=>Q7 : Trên các chân (15,1,2,3,4,5,6,7): Xuất dữ liệu khi chân chân 13 tích cực ở mức thấp và có một xung tích cực ở sườn âm tại chân chốt 12
- Output enable (Chân 13) : Chân cho phép tích cực ở mức thấp (0) .Khi ở mức cao, không có đầu ra nào được cho phép.
- Chân 9: Chân dữ liệu nối tiếp. Nếu dùng nhiều 74HC595 mắc nối tiếp nhau thì chân này đưa vào đầu vào của con tiếp theo khi đã dịch đủ 8bit.
- Shift clock (Chân 11): Chân vào xung clock . Khi có 1 xung clock tích cực ở sườn dương(từ 0 lên 1) thì 1bit được dịch vào IC.
- Latch clock (Chân 12) : Xung clock chốt dữ liệu . Khi có 1 xung clock tích cực ở sườn dương thì cho phép xuất dữ liệu trên các chân output
- Reset (Chân 10): Khi chân này ở mức thấp (mức 0) thì dữ liệu bị xóa trên chip).
Sơ khối bên trong được trình bày như Hình 2.24:
2.7. Led RGB SMD1210
Hình 2.25: Hình ảnh led RGB SMD1210.
Led RGB SMD1210 (Hình 2.25) là led 3 màu thuộc loại anode chung thuộc linh kiện dán.
Sơ đồ chân led được trình bày như Hình 2.26
Hình 2.26: Sơ đồ chân led RGB SMD 1210
LED RGB với 3 màu cơ bản tương ứng 3 led bên trong, nhưng thực tế khi lập trình hay điều khiển cho led ta có thể thực hiện phối màu để có thể tạo ra được rất nhiều màu trong thực tế nhằm đáp ứng được sự đa dạng màu sắc.
2.8. IC LM2596
IC LM2596 là IC ổn áp kiểu Buck (xung), hoạt động ở tần số 150KHz, ngõ ra có thể là 3.3V, 5V, 12V tùy loại. LM 2596 có dòng ngõ ra lớn, đạt tới 3A nên ta chọn để làm IC ổn áp trong khối nguồn. Hình dạng thực tế như Hình 2.27.
Hình 2.27: Hình ảnh LM2596
Sơ đồ chân LM2596 như Hình 2.28:
Hình 2.28: Sơ đồ chân LM2596
ICLM2596 có 5 chân như Hình 2.28, chức năng chân cũng đã được thể hiện rõ trên hình. ICLM2596 có tác dụng ổn áp, tạo ra nguồn 5V cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động. Tấm kim loại phía sau được kết nối và có tác dụng như 1 chân mass. Đặc biết LM2596 chịu được dòng lớn 3-5A. Vì mạch hoạt động với tổng dòng khá lớn, tầm hơn 1.5A khi các led đều sáng. Nên đây là lí do vì sao nhóm chọn LM2596 mà không chọn IC7805.
2.9. EEPROM 24C16
Hình 2.29: Hình ảnh Eeprom 24C16
Eeprom 24C16 (như Hình 2.29) là sản phẩm của hãng ATMEL, là bộ nhớ dữ liệu có thể lưu được dữ liệu khi bị mất điện. Giao tiếp theo giao thức I2C. Nó thuộc dòng 24CXX của ATMEL, tùy vào bộ nhớ của từng dòng mà sẽ có hệ số riêng:
- AT24C01A: 128x8(1K) - AT24C02: 256x8(2K) - AT24C04: 512x8(4K) - AT24C08A: 1024x8 (8K) - AT24C16A: 2048x8 (16K) Thông số kỹ thuật:
Sơ đồ chân như Hình 2.30:
Hình 2.30: Sơ đồ chân Eeprom 24C16
Chân Vcc-GND: nối nguồn và mass
Chân A0,A1,A2: định địa chỉ của Eeprom. Chân SDA,SCL: giao tiếp I2C.
Hình 2.31: Sơ đồ khối Eeprom 24C16
Như trên Hình 2.31 là sơ đồ khối, ta có thể tham khảo để hiểu rõ hơn cấu tạo Eeprom.
2.10. Cảm biến từ Hall
Phát hiện vào năm 1880 bởi Edwin Hall, khi đặt một từ trường vuông góc với hướng của dòng điện trong kim loại hay chất bán dẫn thì xuất hiện một điện trường vuông góc với cả hướng của dòng điện và hướng của từ trường như Hình 2.32. Đây là một trong những hiệu ứng được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sensor.
Hình 2.33: Hình dạng và sơ đồ chân cảm biến Hall
Hình dạng cảm biến hall thực tế như Hình 2.33. Cảm biến có kích thước khá nhỏ, 1 chân nguồn Vcc, 1 chân GND, và 1 ngõ ra Out. Ngõ ra sẽ bị thay đổi từ thấp lên cao khi qua vùng có từ trường. Dựa trên ứng dụng này nhóm dùng hall để xác định tọa độ điểm gốc cho mạch.
2.11. Mắt thu hồng ngoại
Hình 2.34: Hình dạng mắt thu hồng ngoại
Mắt thu hồng ngoại ( Hình 2.34) có chức năng chuyển sóng hồng ngoại phát ra từ remote thành đúng dạng tín hiệu số ứng với phím được bấm. Khi không có sóng tới tín hiệu ra trên chân Data ở mức cao.
Ngoài những linh kiện trên còn có nhiều linh kiện hổ trợ khác như tụ điện, trở, cuộn cảm, ở đây nhóm không trình bày cụ thể thêm.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ
3.1. Sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý toàn mạch. 3.1.1. Sơ đồ khối
Hình 3.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống.
Hình 3.1 mô tả hệ thống sơ đồ khối của mạch. Bao gồm 7 khối chính. Mỗi khối có những chứng năng khác nhau, cụ thể sẽ được trình bày rỏ như bên dưới theo từng phần. Các khối tuy mang chức năng khác nhau song có mối quan hệ tương hỗ cho nhau để ra được sản phẩm hoàn thiện cuối cùng.
Trên hình 3.2 là sơ đồ nguyên lý của toàn mạch. Trong đó bao gồm nhiều khối khác nhau, nói 1 cách tổng thể nguyên lý chung như sau:
- Về nguyên tắc hiển thị là do hiện tượng lưu ảnh trên mắt. Mạch led này được chia làm 240 cột , ứng với mỗi chế độ khác nhau thì mỗi cột sẽ mang nhiệm vụ xuất dữ liệu tương ứng với cột đó. Xuất hết 240 cột ta được 1 hình ảnh hoàn thiện, vì số lần sáng tắt liên tục vượt qua khả năng đáp ứng của mắt nên ta thấy như là liên tục. Tốc độ động cơ sẽ có sự dao động lúc nhanh lúc chậm. Vậy nên ta sử dụng cảm biến hall để xác định điểm gốc và tính toán thời gian chênh lệch mỗi cột cho chính xác, từ đó mạch có thể đáp ứng được khi tốc độ thay đổi. Để hiển thị được thời gian mạch sử dụng DS1307 để đọc thời gian thực bao gồm ngày tháng năm, giờ phút giây, DS1307 được kết nối 1 pin 3V để tranh bị sai giờ khi mất điện nguồn trực tiếp. Khi chạy sai giờ DS1307 cho phép đặt lại thời gian theo ý người dùng. Ngoài ra mạch sử dụng cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ độ ẩm. DHT11 thực hiện giao tiếp với VĐK theo giao thức one-wire. PIC12f629 kết nối led thu hồng ngoại với 4 ngõ ra pic12f629 kết nối với ATmega để giải mã remote khi 1 trong 4 phím mặc định được nhấn. Vậy nên ta có thể dùng remote để chuyển hiệu ứng, chỉnh sửa thời gian, nhập các đoạn text… Ngoài ra mạch còn sử dụng EEPROM để lưu 1 số dữ liệu text được nhập từ remote. Mạch sử dụng 12 IC 74HC595 chia làm 3 nhóm ứng với 3 màu red, green, blue. Vì số port của ATmega có hạn nên ta dùng 74HC595 để dịch dữ liệu từ nối tiếp sang song. Ngõ ra IC 74HC595 sẽ điều khiển led sáng hay tắt nhằm xuất tín hiệu như mong muốn. Ngoài ra với sự kết hợp các màu khác nhau lại có thể tạo nên sự đa dạng về màu sắc trong mạch. Tất nhiên để hoạt động được không thể thiếu khối nguồn cung cấp cho toàn mạch. Khối nguồn 3A dùng IC nguồn LM2596 để tạo ra nguồn 5volt cung cấp cho toàn mạch. Mạch sử dụng VĐK ATmega32A làm trung tâm, nhằm xử lý chương trình từ người lập trình theo ý muốn, ATmega được kết nối với các IC, cảm biến khác nhau nhằm đo đạc, tính toán để thực hiện được chức năng như mong muốn.
3.2. Sơ đồ nguyên lý từng khối và chức năng. 3.2.1 Khối nguồn. 3.2.1 Khối nguồn.
Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn.
Chức năng:
Các khối xử lý trung tâm, khối thời gian thực, khối cảm biến và khối hiển thị đều dùng điện áp 5V nên khối nguồn chọn IC LM2596 để tạo ra điện áp 5V cấp cho toàn hệ thống. Ngoài ra do mạch sử dụng 32 led RGB, mỗi led tiêu tốn 30mA nếu ta cho sáng 3 màu, vậy 32 led ta cần gần 1A, ngoài ra còn dóng tiêu thụ cho điện trở, IC, VĐK đó là lí do nhóm chọn IC nguồn LM2596 mà không dùng IC nguồn 7805. IC NGUỒN 7805 dòng ra khá nhỏ, với linh kiện dán thì chỉ khoản 500mA không đủ đáp ứng cho toàn mạch. Trong khi LM2596 với dòng ngõ ra 3A đủ để cung cấp cho toàn hệ mạch.
Khi cấp nguồn lên cho mạch đang quay hệ thống truyền điện không dây, nhưng không thể tránh khỏi việc điện áp không được cấp lên mạch liên tục, vì vậy tụ điện C1 có nhiệm vụ bù đắp điện áp cho mạch. Tụ C2 ổn định điện áp. Diode bảo vệ mạch. Ngõ vào của mạch bridge diode được kết nối vời ngõ ra của mạch truyền điện không dây.
3.2.2 Khối thời gian thực
Chức năng
IC DS1307 là đồng hồ thời gian thực giao tiếp I2C với IC ATmega32A, được ghép nối thạch anh 32Mhz cho phép đồng hồ chạy chính xác. IC DS1307 được kết nối với một pin 3V để đảm bảo đồng hồ không chạy sai khi không được cấp nguồn trực tiếp. DS1307 cho phép nhập lại thời gian. Điện trở R6, R7 là hai điện trở kéo lên 4K7.
3.2.3 Khối Eeprom.
Hình 3.4: Sơ đồ nguyên lý khối thời gian thực ds1307
Chức năng:
Khối Eeprom giao tiếp theo chuẩn I2C (như hình 3.5), nó được dùng để lưu dữ liệu từ vi điều khiển và xuất ra khi cần. Eeprom lưu được dữ liệu khi bị mất điện nên dùng để lưu Text. Vậy nên khi mất điện dữ liệu text được nhập trước đó vẫn không bị mất. Bộ nhớ của Eeprom đến 16Kb, do vậy số ký tự lưu được cũng khá lớn.
Trong giao tiếp I2C cho phép kết nối nhiều thiết bị, trong mạch chúng ta thì có 2 thiết bị cùng được kết nối là DS1307 và EEPROM . Các thiết bị được kết nối đều có 1 địa chỉ cố dịnh cho riêng mình gọi là Device Address . Và các thiết bị được kết nối có thể đóng vai trò là 1 thiết bị chủ (master) hoặc thiết bị tớ (slave), nhưng khi thiết bị kết nối là EEPROM thì thiết bị này luôn là slave, vì chúng không có ý nghĩa khi là 1 master.
Ở đây EEPROM được dùng là loại 16Kb vậy nên địa chỉ giao tiếp được xác định như đã nói ở trên. Khi EEPROM nhận được yêu cầu giao tiếp từ VĐK, EEPROM sẽ xác định là đọc hay ghi. Nếu được yêu cầu ghi EEPROM sẽ xóa dữ liệu củ và ghi dữ liệu mới, khi được yêu cầu là đọc thì EEPROM sẽ gởi dữ liệu về VĐK để hiển thị.
3.2.4 Khối cảm biến.
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến
Trên thị trường hiện nay có sự đa dạng về các loại cảm biến dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm cả về số và tương tự. DHT11 cũng là 1 trong những lại cảm biến như vậy nhưng nó tích hợp có thể đo được cả nhiệt độ cả độ ẩm, giá cả cũng khá rẻ vậy nên nhóm chọn loại cảm biến này.Về nguyên lý giao tiếp thì nhóm đã trình bày ở chương 2. Ở đây DHT11 nhận nhiệm vụ đọc dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm từ môi trường theo giao tiếp one-wire ( kết nối như hình 3.6), sau đó khi có yêu cầu, thông tin sẽ được gửi về cho VĐK. Nhận được giá trị nhiệt độ và độ ẩm, khi ở chế độ được chọn để hiển thị thông tin về nhiệt độ, độ ẩm thì dữ liệu sẽ được đưa ra ngoài.
Để xác định đúng được vị trí khởi đầu để bắt đầu hiển thị lại thông tin cho 1 chu trình hiện nay người ta vẫn dùng phương pháp thu phát hồng ngoại, song nhóm chọn phương pháp dùng cảm biến Hall (kết nối như hình 3.6), vì về cơ bản nó nhỏ gọn hơn rất nhiều, chỉ cần 1 cảm biến và 1 nam châm gắn bên dưới. Cảm biến Hall có tác dụng sau mỗi vòng quay, đến một vị trí cố định sẽ tạo ra một ngắt báo cho vi điều khiển biết đó là toạ độ gốc, từ đó vi điều khiển ATmega32A sẽ xuất lại dữ liệu từ điểm gốc. Ngay khi khởi động hay trong quá trình quay không tránh khỏi những trường hợp tốc độ không đều làm cho việc hiển thị thông tin không được chính xác như các vị trí mong muốn. Khi đó cảm biến hall đóng 1 vai trò rất quan trọng, trong mạch trên số cột hiển thị là 240 cột, thì khi quay mạch sẽ đến xem số cột thực tế khi quay hết 1 vòng tính từ khi bắt đầu đến khi xảy cảm biến hall tạo ngắt, thì VĐK sẽ so sánh và tính toán để tăng hay giảm khoản thời gian chênh lệnh sau mỗi cột để mạch được ổn định và thông tin hiển thị đúng được như vị trí mong muốn nhất.
3.2.5. Khối xử lí trung tâm
Khối xử lý trung tâm (như hình 3.7) sẽ nhận tín hiệu hay đọc thông tin từ các cảm biến Hall, cảm biến DHT11, từ PIC12F629, EEPROM để xử lý, điều khiển hiển thị, hay đưa thông tin dữ liệu cần hiển thị ra khối hiển thị. Đây chính là bộ não của hệ thống, nó thực