CHƯƠNG 2 : GIỚI THIỆU NHÀ THÔNG MINH
3.7 Module điều khiển AC TAC-500
Tính Năng: Module điều khiển điện áp AC bằng độ rộng xung. Thông số kỹ thuật chính
- Cơng suất tối đa 500W. - Điện áp sử dụng 220V.
- Sử dụng hiệu quả ở 20% cơng suất.
- Đóng cắt thay thế relay tăng độ bền, khơng dính tiếp điểm.
Hình 3.7.1 Board AC TAC-500 3.8. Module 4 relay 5V
Rơ-le (Relay) là một loại linh kiện điện tử thị động rất hay gặp trong các ứng dụng thực tế. Rơ-le là một cơng tắc (Khóa K). Nhưng khác với cơng tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-le được kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người. Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm cơng tắc điện tử. Vì rơ-le là một cơng tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở.
Trên thị trường chúng ta có 2 loại module relay: module relay đóng ở mức thấp (nối cực âm vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng). Module relay đóng ở mức cao (nối cực dương vào chân tín hiệu rơ-le sẽ đóng). Nếu so sánh giữa 2 module relay có cùng thơng số kỹ thuật thì hầu hết mọi linh kiện của nó đều giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ cái transitstor của mỗi module.
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
30
Hình 3.8.1 Ảnh thực tế Module 4 relay 5V 3.8.1. Thông số kỹ thuật Module 4 Relay
Sử dụng điện áp ni 5VDC.
4 relay đóng ngắt ở điện thế kích 0V, cần cấp nguồn ngồi, mỗi relay tiêu thụ dịng khoảng 200mA.
Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V-10A, DC30V-10A. Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi relay.
3.8.2 Nguyên lý hoạt động Module 4 Relay
Module gồm 10 chân cắm, trong đó 2 chân là VCC và GND để cấp nguồn cho module hoạt động, 4 chân còn lại là từ IN1 – IN4 tương ứng với relay từ 1-4 dùng để cấp tín hiệu kích cho relay hoạt động, 3 chân ngõ ra dùng nối với các thiết bị cần sử dụng:
COM: chân chung (ở giữa), chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện. NO (Normal Open): Chân thường mở , khi khơng kích thì nó sẽ hở mạch. Chân này sẽ nối với chân lửa (nóng) nếu dùng điện xoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng điện một chiều.
NC (Normal Closed): Chân thường đóng, khi khơng kích thì nó sẽ kín mạch (ngắn mạch). Chân này sẽ nối chân lạnh (trung hòa) nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dùng điện một chiều.
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
31 3.9. Bóng đèn Đèn sợi đốt ánh sáng vàng 220V Đèn led 220V U định mức: 220V-240V. Công suất định mức: 40W. Dòng điện định mức: 0,04A. U định mức: 220V-240V. Cơng suất định mức: 5W. Dịng điện định mức: 0,04A. 3.10. Nút nhấn nhả Hình 3.10.1 Nút nhấn nhả
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
32
CHƯƠNG 4: VIẾT CHƯƠNG TRÌNH VÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ HÌNH
4.1. Phần mềm, giao thức và giao tiếp: 4.1.1 So sánh SPI và I2C và UART 4.1.1 So sánh SPI và I2C và UART 4.1.1.1 Giới thiệu chuẩn giao tiếp
Trong tập hợp những bài lập trình cơ bản cho Raspberry. Sau khi kết thúc bài lập trình GPIO, chúng ta chuyển sang lập trình giao tiếp ngoại vi cho Pi.
Những giao tiếp ngoại vi mà Raspberry Pi hỗ trợ: - I2C
- SPI
- Uart (serial) - USB
- Ethernet
Tùy theo nhu cầu và mục đích sử dụng mà người dùng có thể chọn loại giao tiếp trên để sử dụng. Thông thường để giao tiếp với các dòng vi xử lý như AVR,PIC hay ARM và các thiết bị ngoại vi khác các người dùng có thể chọn UART, I2C, SPI. Cả 3 giao thức đều rất phổ biến. Hai giao thức mới hơn là USB và Ethernet là chuẩn mới hơn dành cho giao tiếp tốc độ cao.
Trong phần này sẽ không đề cập tới kiến thức của các chuẩn giao tiếp mà chỉ đề cập tới cách kết nối và lập trình.
Một số tham khảo:
- Khi giao tiếp với các phần cứng khác như cảm biến thì đa phần phải chọn lựa theo giao tiếp mà thiết bị đó hỗ trợ.
- Khi muốn thành lập một mạng lưới giao tiếp với nhau có thể chọn I2C hay SPI. I2C phù hợp vì kết cấu kết nối đơn giản hơn. Nhưng tốc độ SPI đạt tốc độ cao hơn. USB hay Ethernet cũng rất phù hợp nhưng đa số các thiết bị cấp thấp không hỗ trợ.
- Giao tiếp thực sự cần tốc độ cao thì USB và Etherrnet phù hợp nhất, ngồi ra cũng có thể dùng SPI.
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
33
Bảng so sánh tốc độ truyền dữ liệu các chuẩn giao tiếp
I2C SPI UART USB Ethernet
Tốc độ standard: 100kbit/s Full speed: 400kbit/s High speed: 3,4 Mbit/s
Tùy thuộc vào tần số và vi xử lý, không giới hạn tối đa,Max thường tới mấy chục Mbit/s
Tùy thuộc vào tần số và vi xử lý, Max thường là vài Mbit/s Low speed : 1.5Mb/sec Full speed: 12Mb/sec High speed: 480Mb/sec 10 & 100Mbit/s
Tốc độ bên trên chỉ trên lý thuyết của chuẩn và thường chạy trên các dòng vi xử lý cỡ nhỏ và trung bình. Trong hệ thống có thể có điểm gây thắt cổ chai tốc độ. Giả như với SPI tốc độ phụ thuộc vào tần số vi xử lý đạt được, khi kết nối với dòng vi xử lý hỗ trợ tần số thấp hơn thì phải giảm tốc độ SPI xuống cho phù hợp. Và dù tốc độ truyền tin nhanh nhưng nếu vi xử lý không cần truyền tin liên tục hay không kịp xử lý với dữ liệu thì cũng khơng cần sử dụng phương thức truyền tin nhanh.
4.1.1.2 Chuẩn I2C
Đầu năm 1980 Phillips đã phát triển một chuẩn giao tiếp nối tiếp 2 dây được gọi là I2C. I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit. Đây là đường Bus giao tiếp giữa các IC với nhau. I2C mặc dù được phát triển bới Philips, nhưng nó đã được rất nhiều nhà sản xuất IC trên thế giới sử dụng. I2C trở thành một chuẩn công nghiệp cho các giao tiếp điều khiển.
I2C có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau : - One master - one slave
- One master - multi slave - Multi master - Multi slave
Các thiết bị được phân biệt với nhau bằng 7 bit địa chỉ, cũng tức là có tối đa 128 thiết bị slave được kết nối.
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
34
Hình 4.1.1 Sơ đồ chuẩn I2C
Đa phần các chân giao tiếp I2C được thiết kế dưới dạng cực mở. Nó khơng thể tự đưa thiết lập mức cao hoặc thấp mà phải nối thêm điện trở lên dương nguồn.
Tuy nhiên chân giao tiếp I2C được nối điện trở treo bên trong 1.8kΩ nên không cần nối thêm điện trở treo.
4.1.1.3 Giới thiệu SPI
SPI (Serial Peripheral Bus) là một chuẩn truyền thông nối tiếp tốc độ cao do hãng Motorola đề xuất. Đây là kiểu truyền thơng Master-Slave, trong đó có 1 chip Master điều phối q trình tuyền thơng và các chip Slaves được điều khiển bởi Master vì thế truyền thơng chỉ xảy ra giữa Master và Slave. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm q trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời.
4.1.1.4. Mơ hình kết nối
Mơ hình gồm có các chân kết nối :
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
35
- MOSI hay SI – cổng ra của bên Master ( Master Out Slave IN). Đây là chân dành cho việc truyền tín hiệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động.
- MISO hay SO – Cổng ra bên Slave (Master IN Slave Out). Đây là chân dành cho việc truyền dữ liệu từ Slave đến Master.
- SCLK hay SCK là tín hiệu clock đồng bộ (Serial Clock). Xung nhịp chỉ được tạo bởi Master.
- CS hay SS là tín hiệu chọn vi mạch ( Chip Select hoặc Slave Select). SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu Master kéo SS xng thấp thì sẽ xảy ra q trình giao tiếp. Chỉ có một đường SS trên mỗi slave nhưng có thể có nhiều đường điều khiển SS trên master, tùy thuộc vào thiết kế của người dùng.
Mỗi master và slave có một thanh ghi 8 bit. Cứ mỗi xung nhịp do Master tạo ra trên đường giữ nhịp SCK, một bit trong thanh ghi dữ liệu của Master được truyền qua Slave trên đường MOSI, đồng thời một bit trong thanh ghi dữ liệu của chip Slave cũng được truyền qua Master trên đường MISO. Do 2 gói dữ liệu trên 2 chip được gởi qua lại đồng thời nên quá trình truyền dữ liệu này được gọi là “song cơng”.
Hình 4.1.3 Sơ đồ dịng xử lý
Việc đọc và nhận cũng chỉ trên duy nhất một thanh ghi. Khi master muốn đọc 1 byte dữ liệu thì master phải gửi 1 byte đi trước. muốn đọc n bytes thì phải gửi đúng n bytes.
4.1.1.5 So sánh với I2C
Chuẩn giao tiếp I2C chỉ cần 2 dây là có thể giao tiếp trong khi chuẩn SPI cần tới ít nhất 3-4 dây để có thể hoạt động. Lắp đặt phần cứng I2C sẽ trở nên dễ dàng thuận tiện hơn.
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
36
I2C có thẻ kết nối với số lượng lớn (7bit/ 10bit địa chỉ) mà không cần thêm kết nối, SPI muốn thêm slave cần thêm chân nối SS, càng lớn sẽ càng trở nên phức tạp
Về tốc độ thì SPI tỏ ra vượt trội so với I2C. SPI là full-duplex, không giới hạn tốc độ tối đa thường hơn 10Mbps. Trong khi đó I2C giới hạn tốc độ thơng thường 1Mbps nếu ở fasst mode và 3.4Mbps ở High speed mode
4.1.2 UART là gì?
Các tên đầy đủ UART là “Universal Asynchronous Receiver / Transmitter”, và nó là một vi mạch sẵn có trong một vi điều khiển nhưng khơng giống như một giao thức truyền thông (I2C & SPI). Chức năng chính của UART là truyền dữ liệu nối tiếp. Trong UART, giao tiếp giữa hai thiết bị có thể được thực hiện theo hai cách là giao tiếp dữ liệu nối tiếp và giao tiếp dữ liệu song song.
Hình 4.1.4 Chuẩn UART Truyền thơng nối tiếp và song song Truyền thông nối tiếp và song song
Trong giao tiếp dữ liệu nối tiếp, dữ liệu có thể được truyền qua một cáp hoặc một đường dây ở dạng bit-bit và nó chỉ cần hai cáp. Truyền thông dữ liệu nối tiếp không đắt khi chúng ta so sánh với giao tiếp song song. Nó địi hỏi rất ít mạch cũng như dây. Vì vậy, giao tiếp này rất hữu ích trong các mạch ghép so với giao tiếp song song.
Trong giao tiếp dữ liệu song song, dữ liệu có thể được truyền qua nhiều cáp cùng một lúc. Truyền dữ liệu song song tốn kém nhưng rất nhanh, vì nó địi hỏi phần cứng và cáp bổ sung. Các ví dụ tốt nhất cho giao tiếp này là máy in cũ, PCI, RAM, v.v.
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
37
Hình 4.1.5 Giao tiếp song song Các ứng dụng của UART Các ứng dụng của UART
UART thường được sử dụng trong các bộ vi điều khiển cho các u cầu chính xác và chúng cũng có sẵn trong các thiết bị liên lạc khác nhau như giao tiếp không dây, thiết bị GPS, mô-đun Bluetooth và nhiều ứng dụng khác.
Các tiêu chuẩn truyền thông như RS422 & TIA được sử dụng trong UART ngoại trừ RS232. Thông thường, UART là một IC riêng được sử dụng trong giao tiếp nối tiếp UART.
Ưu điểm và nhược điểm của UART Nó chỉ cần hai dây để truyền dữ liệu Tín hiệu CLK là khơng cần thiết.
Nó bao gồm một bit chẵn lẻ để cho phép kiểm tra lỗi
Sắp xếp gói dữ liệu có thể được sửa đổi vì cả hai mặt được sắp xếp Kích thước khung dữ liệu tối đa là 9 bit
Nó khơng chứa một số hệ thống phụ (hoặc)
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
38
Hình 4.1.6 So sánh cá chuẩn giao tiếp 4.1.3 Chuẩn giao tiếp: 4.1.3 Chuẩn giao tiếp:
RS232 có định nghĩa chuẩn giao diện cơ học (giắc cắm), ở các máy tính PC đều có cổng truyền thơng theo chuẩn RS-232 mà ta hay gọi là cổng COM. Cịn RS485, thì ta hay thấy nó được truyền trên 2 dây, và khoảng cách xa hơn nhiều so với RS232. Vậy, sự khác nhau cơ bản giữa hai chuẩn này là gì?
Hình dưới sẽ cho chúng ta cái nhìn cơ bản sự khác nhau về mặt vật lý như: độ dài đường truyền, chế độ truyền thông, mức logic vật lý, dải tốc độ truyền thơng,....
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
39
Ngoài ra, hai chuẩn này có một sư khác nhau cơ bản là ở phương thức truyền dẫn tín hiệu, hay hiểu nôm na là cách thức hoạt động:
RS-232 cho phép sử dụng tối thiểu 3 dây: Tx ( truyền), RX ( nhận) và GND ( đất). Trong đó, trạng thái logic của tín hiệu sử dụng mức chênh áp giữa TX và RX so với dây đất GND.
RS-485 sử dụng chênh lệch điện áp giữa 2 dây A và B để phân biệt logic 0 và 1, chứ khơng so với đất. Đặc biệt, khi truyền tín hiệu xa, nếu có sụt áp thì đồng thời sụt trên cả 2 dây nên tín hiệu vẫn đảm bảo.
Chính vì vậy mà RS485 cho phép truyền tín hiệu xa hơn và tốc độ truyền cho phép cũng cao hơn RS232.
Thêm nữa, RS485 cho phép liên kết đa điểm, gồm nhiều thiết bị có thể truyền thơng trong 1 mạng cịn RS232 thì chỉ truyền theo phương thức điểm - điểm, tức là khi hai thiết bị đang trực tiếp kết nối truyền thơng với nhau thì khơng thể có thiết bị thứ 3 cùng tham gia vào trao đổi dữ liệu được.
4.2. Frame truyền
Thuật ngữ USART trong tiếng anh là viết tắt của cụm từ: Universal Synchronous & Asynchronous serial Reveiver and Transmitter, nghĩa là bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và không đồng bộ. Cần chú ý rằng khái niệm USART (hay UART nếu chỉ nói đến bộ truyền nhận khơng đồng bộ) thường để chỉ thiết bị phần cứng (device, hardware), không phải chỉ
Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Huy Chung Trần Minh Cường Nguyễn Đường Công Danh Phan Tấn Đức
40
một chuẩn giao tiếp. USART hay UART cần phải kết hợp với một thiết bị chuyển đổi mức điện áp để tạo ra một chuẩn giao tiếp nào đó. Ví dụ, chuẩn RS232 (hay COM) trên các máy tính cá nhân là sự kết hợp của chip UART và chip chuyển đổi mức điện áp. Tín hiệu từ chip UART thường theo mức TTL: mức logic high là 5, mức low là 0V. Trong khi đó, tín hiệu theo chuẩn RS232 trên máy tính cá nhân thường là -12V cho mức logic high và +12 cho mức low (tham khảo hình 4.2.1). Chú ý là các giải thích trong tài liệu này theo mức logic TTL của USART, khơng theo RS232.
Hình 4.2.1 Tín hiệu tương đương của UART và RS232.
Truyền thông nối tiếp: giả sử người dùng đang xây dựng một ứng dụng phức tạp cần sử dụng nhiều vi điều khiển (hoặc vi điều khiển và máy tính) kết nối với nhau. Trong
q trình làm việc các vi điều khiển cần trao đổi dữ liệu cho nhau, ví dụ tình huống Master truyền lệnh cho Slaver hoặc Slaver gởi tín hiệu thu thập được về Master xử lí…Giả sử dữ liệu cần trao đổi là các mã có chiều dài 8 bits, người dùng có thể sẽ nghĩ đến cách kết nối đơn giản nhất là kết nối 1 PORT (8 bit) của mỗi vi điều khiển với nhau, mỗi line trên PORT sẽ chịu trách nhiệm truyền/nhận 1 bit dữ liệu. Đây gọi là cách giao tiếp song song, cách này là cách đơn giản nhất vì dữ liệu được xuất và nhận trực tiếp không thông qua bất kỳ một giải thuật biến đổi nào và vì thế tốc độ truyền cũng rất nhanh. Tuy nhiên, như người dùng thấy, nhược điểm của cách truyền này là số đường truyền quá nhiều, người dùng hãy tưởng