a. Khối điều khiển trung tâm
Khối điều khiển trung tâm là khối giao tiếp với các module ngoại vi như cảm biến chuyển động, thẻ nhớ micro SD, ESP 8266 để nhận và xử lý tín hiệu sau khi xử lý xong nó có nhiệm vụ xuất dữ liệu đó để hiển thị trên màn hình.
Có thể thấy rằng khối lượng công việc ở đây là vô cùng lớn, chính vì thế để xử lý một khối lượng công việc lớn như vậy thì việc chọn một vi điều khiển có tốc độ xử lý nhanh, đáp ứng bộ nhớ mà giá thành hợp lý là vô cùng quan trọng. Như đã được nêu ở chương 2, dòng vi điều khiển STM32F407VET6 có tốc độ xử lý nhanh, tần số xung lên đến 168 Mhz, bộ nhớ Flash 512 Kbytes, SRAM 192 Kbytes và nó có hỗ trợ đầy đủ các chuẩn giao tiếp ngoại vi mà chúng ta cần sử dụng và đáp ứng đủ các ngõ IO để điều khiển cho yêu cầu của đề tài này. Hơn nữa dòng vi điều khiển STM32F407VET6 có giá thành rẻ và rất phổ biến trên thị trường hiện nay, vì thế vi điều khiển STM32F407VET6 là sự lựa chọn tốt nhất cho khối điều khiển trung tâm của hệ thống.
Ở đây STM32F407VET6 sử dụng nguồn cung cấp là 3.3V DC được lấy từ khối nguồn của hệ thống, ngoài ra còn có nguồn pin dự phòng là VBAT cấp cho bộ RTC bên trong vi điều khiển mỗi khi hệ thống mất điện tránh trường hợp làm sai thời gian.
Hình 3.2 Thạch anh ngoài nối với vi điều khiển
Để vi điều khiển hoạt động ổn định và hoạt động với tốc độ tối đa và ổn định thì ta sử bộ dao động HSE, vì thế thạch anh 8Mhz được kết nối bên ngoài vào và được
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 23 MCU cho qua các bộ nhân và chia tần số kết mà đã được lập trình MCU hoạt động tối đa được 168Mhz.
Thạch anh 32.768 Mhz được đưa đến bộ dao động LSE là bộ dao động ngoại với tần số thấp để bộ RTC thời gian thực chạy ổn định và chính xác nhất.
Sau đây là sơ đồ nguyên lý của khối điều khiển trung tâm:
Hình 3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối điều khiển trung tâm
* LED1: (SMD-0805) dùng để cho biết trạng thái bận của MCU khi hoạt động. Khi MCU đang xử lý tác vụ càng nặng thì LED chớp tắt lâu hơn. LED này phụ vụ cho việc viết chương trình và sửa lỗi.
Tính toán 3 3.3 1.8 500 1.8 0.003 LED LED LED I mA R V V = − = = = Chọn trở: 510
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 24 Khi có nguồn ngoài D6 dẫn, D7 dùng để chống ngược nguồn qua pin, tránh làm hỏng pin. Ngược lại, khi mất nguồn ngoài D7 dẫn nguồn từ pin cấp cho bộ RTC của MCU, D6 dùng để tránh nguồn của pin cấp cho toàn mạch.
*JP3 là rào kết nối với bộ USART1 của MCU (PA9, PA10). Dùng để in thông tin cần thiết ra cửa sổ serialport-console (dùng phần miềm PUTY, Herculer, …) hổ trợ trong quá trình lập trình và cân chỉnh (ví dụ có thể in các thông số mà MCU đọc được trong quá trình hoạt động, in dữ liệu dữ liệu đã được xử lý, …).
*JP4 là rào kết nối với chân nạp và debug của MCU (PA13, PA14, nguồn 3.3V và GND). Chuẩn nạp và debug được dùng là Serial Wire.
b. Khối hiển thị
Khối hiển thị là bộ mặt của hệ thống, là nơi những bức ảnh được trình chiếu và hiển thị các thông số thời gian, thời tiết. Ngoài ra là nơi điều khiển chế độ hiển thị thông qua chức năng cảm ứng.
Màn hình LCD TFT kích thước 7inch của hãng WaveShare là màn hình được trang bị cảm ứng điện dung, độ phân giải màn hình 800x480. Hoạt động sử dụng nguồn áp thấp từ 2.6V đến 3.6V, ở đây sử dụng điện áp 3.3V lấy từ khối nguồn để cấp nguồn cho màn hình.
Màn hình này sử dụng chuẩn giao tiếp 16bit hỗ trợ FSMC để truyền nhận dữ liệu với vi điều khiển một cách linh hoạt.
FSMC là giao diện truyền dữ liệu 16bit đồng bộ và bất đồng bộ giữa vi điều khiển với các loại bộ nhớ bên ngoài. FSMC có những đặc điểm sau:
• Giao tiếp truyền dữ liệu giữa AHB với các loại bộ nhớ ngoại có giao thức phù hợp.
• Đáp ứng được các yêu cầu về thời gian truy xuất của các loại bộ nhớ ngoại.
• Tất cả các bộ nhớ ngoại chia sẽ địa chỉ, dữ liệu và tín hiệu điều khiển. Do đó để chọn bộ nhớ cần truy xuất ta phải sử dụng thêm tín hiệu chọn chip (chip select) riêng biệt cho từng bộ nhớ. Tại một thời điểm khối FSMC chỉ có thể giao tiếp với một bộ nhớ và chỉ cho phép một truy xuất xảy ra.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 25
Bảng 3.1 Chức năng các chân của màn hình LCD TFT 7inch WaveShare
Chân
số Kí hiệu Mô tả Chức năng
1 NC Không kết nối
2 GND Nguồn GND Cấp nguồn hoạt động
3-18 D0-D15 16 bit dữ liệu Dữ liệu
19 CS Tín hiệu chọn IC điều khiển Hoạt động mức thấp (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
20 RS Tín hiệu lựa chọn thanh ghi 1: Lệnh
0: Dữ liệu
21 WR Chế độ ghi dữ liệu WR = 0, RD = 1
22 RD Chế độ đọc dữ liệu WR = 1, RD = 0
23 RESET Chân reset màn hình Hoạt động mức thấp
24 NC Không kết nối
25 3.3V Nguồn 3.3V Cấp nguồn hoạt động
26 PS
Tín hiệu lựa chọn chế độ giao tiếp nối tiếp hay song
song
0: Giao tiếp song song 8080 1: Giao tiếp SPI 4 đường
27 NC Không kết nối
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 26
29 WAIT Tín hiệu chờ 0: Đang nghỉ
1: Đang làm việc
30 T_INT Tín hiệu ngắt của màn hình
cảm ưng
Mức thấp trong khi màn hình cảm ứng được chạm
31 SDA Dữ liệu của chuẩn I2C cho
màn hình cảm ứng Dữ liệu cho giao tiếp I2C
32 SCL Chân clock của chuẩn I2C
cho màn hình cảm ứng Xung nhịp cho giao tiếp I2C
33 3.3V Nguồn 3.3V Cấp nguồn hoạt động
34 GND GND Cấp nguồn hoạt động
Các chân dữ liệu từ LCD_D0 đến LCD_D15 và chân điều khiển gồm LCD_RS, LCD_RD, LCD_RW, LCD_CS cuối cùng là chân reset của màn hình LCD_RST. Sử dụng chức năng cảm ứng của màn hình bằng chuẩn giao tiếp I2C thông qua 2 đường là T_SCL và T_SDA, chân T_INT là chân báo ngắt mỗi khi có điểm chạm trên màn hình.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 27
Hình 3.4 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối hiển thị
* Tụ C15 dùng để ổn định nguồn vào cho LCD TFT.
c. Khối cảm biến
Với việc phát hiện chuyển động trong khu vực hiện tại để đưa đến khối điều khiển trung tâm xử lý và điều khiển màn hình thì cảm biến chuyển động PIR là một phần quan trọng trong hệ thống. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cảm biến được hoạt động với điện áp 3.3V được lấy từ khối nguồn của hệ thống, ngõ ra của cảm biến được đưa đến vi điều khiển chính là tín hiệu OUT_PIR.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 28 *Zener D5 3.3V để cắt xung quá áp 3.3 trước khi vào MCU, tránh làm hỏng MCU. *R8 có giá trị 10ohm tránh trường hợp xấu khi Zener D5 không cắt được xung quá áp, R8 có nhiệm vụ là tải, tránh làm hỏng chân I/O của MCU.
d. Khối Micro SD Card
Mỗi bức ảnh hiển thị đầy đủ trên màn hình 7 inch với kích thước 800x480 thì dung lượng lên tới vài trăm ngàn Kbyte chính vì thế ta không thể lưu hình trên bộ nhớ của vi điều khiển. Vì thế giao tiếp với bộ nhớ ngoài là diều hoàn toàn cần thiết để những bức ảnh được lưu trữ cố định và không gian lưu trữ thoải mái.
Hình 3.8 Sơ đồ chân thẻ nhớ micro SD
Bảng 3.2 Chức năng các chân thẻ nhớ micro SD
Chân số Tên Mô tả chức năng
1 DAT2 Dữ liệu nối tiếp 2
2 DAT3 Dữ liệu nối tiếp 3
3 CMD Chân lệnh điều khiển và nhận đáp ứng
4 VDD Nguồn VDD
5 CLK Tín hiệu xung clock (từ 0 Mhz đến 25 Mhz)
6 VSS Nguồn GND
7 DAT0 Dữ liệu nối tiếp 0
8 DAT1 Dữ liệu nối tiếp 1
Sau đây là sơ đồ nguyên lý của khối micro SD giao tiếp với vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp SDIO 4bit SD_D0 đến SD_D3.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 29
Hình 3.9 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối micro SD
Do nguồn cấp cho mạch là nguồn adapter là một loại nguồn switching có tần số số cao. Mà MicroSD Card cần một nguồn điện cấp cho nó ổn định và tránh tần số cao đi vào, nên cần một bộ lọc nguồn và các thành phần tần số cao sẽ bị giữ lại ở mạch lọc LC này và triệt tiêu các thành phần gợn sóng.
Bộ lọc thông cao gồm C7 và L1. Để chống nhiễu tần số cao cho MicroSD Card.
3 8 1 1 7957 8 2 4 4 10.10 .10 c f Hz kHz LC − − = = = =
Bộ lọc thông thấp gồm C6 và L1. Để làm phẳng nguồn cấp cho MicroSD Card.
3 6 1 1 53 2 4 4 10.10 .220.10 c f Hz LC − − = = = =
e. Khối ESP 8266 NODE MCU
ESP 8266 NODE MCU cũng được kết nối với vi điều khiển thông qua chuẩn giao tiếp truyền thông UART bằng 2 đường ESP_TX, ESP_RX để nối đến một bộ UART của vi điều khiển. ESP 8266 NODE MCU được cấp nguồn hoạt động 3.3V.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 30
Hình 3.10 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối ESP 8266
Node MCU có chức năng chính là lấy thông tin giời gian thực và thời tiết từ internet về và gửi dữ liệu về khối xử lý trung tâm khi được nhận lệnh yêu cầu gửi dữ liệu. Do dữ liệu là dạng chuỗi (String) và số và có kích thước nhỏ. Nên việc truyền nhận qua bộ UART là hợp lý.
f. Khối nguồn
Bảng 3.3 Danh sách nguồn và dòng sử dụng của các linh kiện, module. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tên linh kiện Điện áp cung cấp(V) Dòng điện tối đa (A)
STM32F407VET6 3.3V DC 25 mA
Node MCU ESP 8266 5V Dc 300mA
Màn hình LCD TFT 7 inch 3.3V DC 400mA
Cảm biến chuyển động PIR 3.3V DC 50uA
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 31 Dựa vào bảng trên ta có thể thấy nguồn cung cấp cho vi điều khiển và các module ngoại vi là 3.3V và 5V DC với dòng điện khoảng 750mA. Vì vậy chọn adapter 5V/1A để lấy nguồn 5V và nguồn 3.3V sẽ được lấy qua IC nguồn LM1117.
Hình 3.11 Sơ đồ chân của IC LM1117
Thông số kĩ thuật:
• Dải áp đầu vào max: 15V
• Điện áp đầu ra: 3.3V
• Công suất cực đại: 5W
• Dòng điện đầu ra cực đại:1A
• Dòng điện chế độ chờ: 10mA
• Dải nhiệt độ hoạt động: 0ºC to 125ºC.
Chính vì màn hình LCD TFT 7 inch của chúng ta sử dụng tiêu tốn một lượng điện lớn và để tránh tình trạng thiếu dòng làm cho màn hình hiển thị không ổn định và rõ ràng nên ở đây nguồn 3.3V sẽ được chia làm hai nguồn, một nguồn cấp riêng cho màn hình và nguồn còn lại cấp cho vi điều khiển và các molule ngoại vi khác.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 32
Hình 3.12 Sơ đồ mạch nguyên lý của khối nguồn