ĐIỀU KHIỂN hệ THỐNG GIÀN PHƠI BẰNG cảm BIẾN mưa và MODULE BLUETOOTH HC 06, có CODE

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG GIÀN PHƠI BẰNG CẢM BIẾN MƯA VÀ MODULE BLUETOOTH HC 06 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1 1 1 Giới thiệu 1 1 2 Mục đích nghiên cứu 1 1 3 Đối tượng tìm hiểu 1 1 4 Phạm vi nghiên cứu 2 1 5 Ứng dụng thực tiễn 2 CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN CỦA MẠCH 4 2 1 Pic 16f877a 4 2 2 Cảm biến mưa 6 2 3 Bluetooth HC 06 8 2 4 Module L298 10 2 5 Động cơ DC 11 2 6 Các linh kiện điện tử khá.

THỐNG GIÀN PHƠI BẰNG CẢM BIẾN MƯA VÀ MODULE BLUETOOTH HC-

06

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VI

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

1.3 ĐỐI TƯỢNG TÌM HIỂU 1

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2

1.5 ỨNG DỤNG THỰC TIỄN 2

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN CỦA MẠCH 4

2.1 PIC 16F877A 4

2.2 CẢM BIẾN MƯA 6

2.3 BLUETOOTH HC - 06 8

2.4 MODULE L298 10

2.5 ĐỘNG CƠ DC 11

2.6 CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ KHÁC 13

2.7 CHUẨN GIAO TIẾP UART: 14

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH 15

3.1 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÍ CỦA HỆ THỐNG VÀ MÔ PHỎNG 15

3.2 SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG 16

3.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 18

3.3.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát 18

3.3.2 Lưu đồ giải thuật cảm biến 19

3.3.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển 20

CHƯƠNG 4 THI CÔNG MẠCH VÀ ĐÁNH GIÁ 21

3

4.1 THI CÔNG MẠCH 21

4.2 PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN GIAO TIẾP: 24

4.2.1 Phần mềm pic c compiler: 24

4.2.2 Chương trình viết app cho smart phone ( chương trình app inventor) 25

4.3 ĐÁNH GIÁ 26

CHƯƠNG 5 PHẦN KẾT LUẬN 27

5.1 KẾT LUẬN 27

5.2 HƯỚNG CẢI THIỆN VÀ PHÁT TRIỂN 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

4

Hình 2-1: sơ đồ chân vi điều khiển 16f877a 4

Yhình 2-2: linh kiện vi điều khiển pic 16f877a 5

Hình 2-3: bộ cảm biến mưa và mạch xử lí 6

Yhình 2-4: modul xử lí tín hiệu cảm biến mưa 7

Hình 2-5: module bluetooth hc-06 8

Yhình 2-6: module l298 v3 10

Hình 2-7: động cơ dc 12

Hình 2-8: mô phỏng proteus l298 điều khiển động cơ dc 13

Hình 2-9: khai báo kết nối uart tren phần mền pic c compiler 14

Hình 3-1: mô phỏng trên proteus sơ đồ nguyên lí của m hình 3-2: sơ đồ khối cấp nguồn của hệ thống 16

Hình 3-3: sơ đồ khối truyền tín hiệu của hệ thống 17

Yhình 3-4: lưu đồ giải thuật tổng quát của hệ thống 18

Hình 3-5: lưu đồ giải thuật cảm biến của hệ thống 19

Yhình 3-6: lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống 20

Hình 4-1: sơ đồ bố trí linh kiện và đi dây của mạch 21

Hình 4-2: layout mạch 22

Hình 4-3: sơ đồ bố trí linh kiện mô hình 3d 22

Hình 4-4: mặt trước của mạch sau khi hoàn thiện 23

5

Hình 4-5: mặt sau của mạch sau khi hoàn thiện 24 Hình 4-6: thiết kế giao diện làm viêc trên điện thoại 25 Hình 4-7: giao diện viết code cho app android 26

6

7

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CCS Một loại ngôn ngữ lập trình

DC Direct Current - Một chiều (động cơ)

IC Integrated Circuit - Chip hay vi mạch điện tử

GND Nối đất

PIC Programmable Integrated Circuit – Vi điều khiển

TTL Transistor-Transistor Logic là một lớp mạch kỹ thuật số được xây dựngtừ

các transistor lưỡng cực (BJT) và một số điện trở phụ trợ

8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu

Đất nước Việt Nam của chúng ta nằm trong khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa,nóng ẩm mưa nhiều quanh năm và thường xuyên có những cơn mưa bất chợtđặc biệt là khi mùa mưa đang đến Những công việc như phơi lương thực, thựcphẩm hay đơn giản là phơi quần áo sẽ gặp nhiều vấn đề khi thời tiết quá thấtthường Trong cuộc sống bận rộn hàng ngày như hiện nay, rất nhiều hộ gia đìnhvẫn chưa quản lí được quỹ thời gian của mình, do có quá nhiều việc phải làmdẫn đến bỏ quên những việc nhỏ nhặt như lấy đồ đã được phơi khô mang vào

Vì thế, hệ thống điều khiển giàn phơi tự động được ra đời

1.2 Mục đích nghiên cứu

Tìm hiểu và thiết kế hệ thống điều khiển giàn phơi tự động, mô hình có thể tựkéo giàn đồ vào khi cảm biến phát hiện độ ẩm lúc trời mưa thông qua cảm biếnmưa, có thể điều khiển cả bằng tay và điện thoại, bảng mạch chính được thicông kết hợp từ nhiều linh kiện điện tử

Qua quá trình nghiên cứu và thi công mạch, rút ra được những ưu nhược điểmcủa hệ thống để từ đó đưa ra các kết luận, hướng cải thiện và phát triển cho sảnphẩm

1.3 Đối tượng tìm hiểu

Vi điều khiển 16F877A, modul cảm biến mưa, module L298, module BluetoothHC-06, động cơ DC với công suất thích hợp, mô phỏng trên phần mềm Proteus

8, CCS, …

1.4 Phạm vi nghiên cứu

Mô hình phù hợp để sinh viên tìm hiểu, thực hành và nghiên cứu ứng dụng Trênthực tế, ứng dụng của mô hình thường được sử dụng ở các chung cư, căn hộhoặc những gia đình hay bận rộn công việc, không có nhiều thời gian

1.5 Ứng dụng thực tiễn

Trang 2/34

Hình 1-1: Giàn phơi tự động sử dụng thực tế.

Ngoài những ứng dụng được sử dụng ở các chung cư, căn hộ hoặc những hộ giađình nhỏ thì mô hình còn có thể phát triển trên quy mô lớn khi đưa vào hệ thốngphơi của nhà máy lớn để phơi sản phẩm

Hệ thống cũng có thể thay đổi kết cấu cơ khí để đóng cửa sổ, kéo mái che, pháttín hiệu thời tiết,… khi trời chuẩn bị đổ mưa

Nhưng về cơ bản, ý tưởng chính của mô hình vẫn là để tự động kéo giàn phơi đồvào chỗ có mái che, giúp đồ không bị ướt lúc con người không có mặt tại thờiđiểm đó, tiện lợi hơn cho những ai hay đi ra khỏi nhà hoặc không nhớ việc đem

đồ vào

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU CÁC LINH KIỆN CỦA MẠCH

2.1 Pic 16f877a

Hình 2-1 : Sơ đồ chân vi điều khiển 16f877a

Trang 4/34

Hình 2-2: Linh kiện vi điều khiển PIC 16F877A.

PIC 16F877A là một vi điều khiển PIC 40 chân và được sử dụng hầu hết trongcác dự án và ứng dụng nhúng Nó có năm cổng, bắt đầu từ cổng A đến cổng E

Nó có ba bộ định thời trong đó có 2 bộ định thời 8 bit và 1 bộ định thời là 16 bit

Hỗ trợ nhiều giao thức giao tiếp như giao thức nối tiếp, giao thức song song,giao thức I2C Ngoài ra, PIC 16F877A hỗ trợ cả ngắt chân phần cứng và ngắt bộđịnh thời

 Chân số 1: Chân này được gọi là MCLR (Master Clear) và cần cấp 5Vcho chân này thông qua điện trở 10 k-ohm

 Chân số 11 và chân số 32: Các chân này được ký hiệu là Vdd nên ta cũngcần cấp cho nó + 5V

 Chân số 12 và chân số 31: Các chân này là Vss, vì vậy ta cấp GND (nốiđất) tại chân này

 Chân số 13 và 14: Các chân này được đặt tên là OSC1 (Bộ tạo dao động1) và OSC2 (Bộ tạo dao động 2), ta cần phải gắn bộ tạo dao động tinh thểthạch anh ( 20 MHz )

Một Led được gắn ở chân số 21 để kiểm tra xem nó có đang chạy hay không, cótổng cộng 5 cổng xuất nhập ( port A, B, C, D, E), 2 bộ so sánh, 8 kênh chuyểnđổi ADC 10 bit và điện áp hoạt động từ 2,5 V – 5 V

 Có đèn báo hiệu nguồn và ngõ ra.

 Độ nhạy có thể điều chỉnh thông qua chiết áp (khối xanh dương)

 Led sáng lên khi không có mưa (ngõ ra cao) và tắt khi ngõ ra thấp

Trang 6/34

Hình 2-4: Modul xử lí tín hiệu cảm biến mưa.

Với thiết kế đơn giản gồm: một tấm cảm biến để nhận biết có mưa hoặc có nướcxuất hiện trên bề mặt và phần module chuyển đổi tín hiệu giúp giao tiếp với cácboard mạch vi điều khiển, có led báo hiệu để nhận biết trạng thái trên cảm biến

Bảng 2-1: Thông số các chân mạch xử lí tín hiệu cảm biến mưa.

Mạch sử dụng modul bluetooth HC - 06 để kết nối và giao tiếp với điện thoại sửdụng hệ điều hành Android Module được thiết kế nhỏ gọn, chân tín hiệu giaotiếp cơ bản và được loại bỏ nút bấm so với bluetooth HC – 05.

Thiết kế có thể cấp nguồn và giao tiếp từ 3.6 VDC - 6 VDC, thích hợp với nhiềuứng dụng khác nhau: Robot truyền tín hiệu qua Bluetooth, điều khiển thiết bịqua Bluetooth,

Khi kết nối với máy tính, bluetooth HC-06 sẽ như một cổng COM ảo ở chế độtruyền Haft Duplex, tức là trong 1 thời điểm module chỉ có thể nhận hoặc truyềntín hiệu Module HC-06 chỉ có thể chạy ở chế độ Slave

Không thể chủ động kết nối từ vi điều khiển đến các thiết bị ngoại vi mà cáchkết nối là phải sử dụng thiết bị ngoại vi (điện thoại thông minh, máy tính laptop,

…) để dò tín hiệu kết nối Buletooth mà HC-06 phát ra

Hình 2-5: Module Bluetooth HC-06.

Thông số kĩ thuật:

- Module điều khiển động cơ L298 dùng để điều khiển các loại động cơ DC, động

cơ bước và động cơ servo

- Module điều khiển động cơ L298 sử dụng 2 IC cầu H để điều khiển các động cơ

- Module có thể điều khiển nhiều loại motor khác nhau như step motor, servo motor,motor DC, với mức áp lên đến 36V, dòng tối đa 2000mA cho mỗi kênh điều khiển.Thông số kỹ thuật:

Tóm tắt qua chức năng các chân của L298:

- 4 chân INPUT: IN1, IN2, IN3, IN4 được nối lần lượt với các chân 5, 7, 10, 12 củaL298 Đây là các chân nhận tín hiệu điều khiển

- 4 chân OUTUT: OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 (tương ứng với các chân INPUT)được nối với các chân 2, 3,13,14 của L298 Các chân này sẽ được nối với động cơ

- Hai chân ENA và ENB dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298 Nếu ở mứclogic “1” (nối với nguồn 5V) cho phép mạch cầu H hoạt động, nếu ở mức logic “0”thì mạch cầu H không hoạt động

- Với bài toán của mình ở trên, các bạn chỉ cần lưu ý đến cách điều khiển chiềuquay với L298:

+ Khi ENA = 0: Động cơ không quay với mọi đầu vào

+ Khi ENA = 1: + INT1 = 1; INT2 = 0: Động cơ quay thuận

+ INT1 = 0; INT2 = 1: Động cơ quay nghịch

+ INT1 = INT2: Động cơ dừng ngay tức thì

+ Với ENB cũng tương tự với INT3, INT4

Trang 10/34

Hình 2-7: Động cơ DC.

Sử dụng Module L298 để điều khiển chiều quay động cơ DC

2 chân OUT1 và OUT2 của L298 sẽ được đấu vào động cơ DC

2 chân ENA và ENB của L298 dùng để điều khiển mạch cầu H trong L298 Khi ởmức logic 1 (kết nối với nguồn 5V) thì cho phép mạch cầu H hoạt động, còn khi ởmức logic 0 thì mạch cầu H không hoạt động

Nguyên lí sử dụng L298 để điều khiển chiều quay động cơ :

 ENA = 0 : động cơ không quay với mọi Input

 ENA = 1 : IN1 = 1 ; IN2 = 0 : động cơ quay thuân

IN1 = 0 ; IN2 = 1 : động cơ quay nghịch

 IN1 = IN2 : động cơ dừng ngay lập tức

(tương tự với các chân IN3, IN4, ENB)

Hình 2-8: Mô phỏng Proteus L298 điều khiển động cơ DC.

2.6 Các linh kiện điện tử khác

Ngoài ra, có các linh kiện điện tử được sử dụng trong mạch:

 Điện trở 220 Ω, 10 kΩ

 Tụ điện 10 uF, 100 uF, 104

 Linh kiện thạch anh tạo dao động (20 MHz)

 Led đơn : để báo nguồn

 Nút nhấn: điều khiển bằng tay

 Công tắc hành trình



Trang 12/34

2.7 Chuẩn giao tiếp UART:

- UART: Universal Asynchronous Receiver/ Transmitter

- Là kiểu truyền thông nối tiếp không đồng bộ

- UART thường được dùng trong truyền thông, vi điều khiển, hay một số thiết

bị truyền tin khác

- Mục đích của UART là truyền tín hiệu qua lại lẫn nhau ( ví dụ truyền tín hiệu

từ laptop vào modem hay ngược lại) hay truyền từ vi điều khiển tới vi điềukhiển, từ laptop với vi điều khiển…

- Tóm lại là chung một chuẩn giống nhau thì trên lý thuyết có thể giao tiếpđược với nhau

- UART có trong các bộ điều khiển, các chip điều khiển, hay trong laptop Tínhiệu từ chip UART thường theo mức TTL, mức cao là 5 V, mức thấp là 0V

- Các thông số cài đặt cho UART để 2 thiết bị giao tiếp với nhau:

 Baud rate: là số đơn vị tín hiệu được truyền trong một giây Phải được càiđặt giống nhau ở gửi và nhận

 Frame ( khung truyền): quy định số bit trong mỗi lần truyền Thường là 8bit

 Data: dữ liệu cần truyền

 Parity bit: là bit kiểm tra dữ liệu truyền có đúng hay không

 Stop bit: là một hoặc các bit thông báo cho thiết bị biết rằng các bit đãđược gởi xong Thiết bị nhận sẽ tiến hành kiểm tra khung truyền nhằmđảm bảo tính đúng đắn của dữ liệu Stop bit là bit bắt buộc xuất hiệntrong khung truyền

Hình 2-9: Khai báo kết nối UART tren phần mền Pic C compiler

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ MÔ PHỎNG MẠCH

3.1 Sơ đồ nguyên lí của hệ thống và mô phỏng

Hình 3-1: Mô phỏng trên Proteus sơ đồ nguyên lí của mạch.

Nguyên lí hoạt động :

 Vi điều khiển PIC 16F877A được sử dụng làm bộ não xử lý trung tâm củamạch Dùng bộ đọc tín hiệu ADC để đọc tín hiệu từ cảm biến mưa truyền

về, tiếp theo đó xử lý tín hiệu để nhận dạng là đang có mưa hay không, để

từ đó điều khiển động cơ DC theo chương trình đã được lập trình trước

 Chân MCLR của vi điều khiển PIC16F877A được nối GND và nối với 1điện trở 10kΩ cùng 1 nút nhấn, khi ta nhấn nút thì vi xử lí sẽ được resetlại

 Bởi vì tần số xung nội của vi xử lí PIC16F877A chỉ được 4(MHz) vàkhông ổn định, nên ta sử dụng tần số thạch anh 20(MHz) để có thể điềukhiển theo ý muốn

Trang 14/34

 Chân RB0 của vi điều khiển sẽ đọc tín hiệu Analog từ cảm biến mưatruyền về Chân RB1 và RB2 của vi điều khiển được nối với chân IN1 vàIN2 của modul L298 để điều khiển chiều quay của động cơ DC

 Hơn thế nữa, với kết nối chân RC6 và RC7 của vi điều khiển cùng modulbluetooth, ta có thể điều khiển động cơ bằng điện thoại khi được kết nối

3.2 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 3-2: Sơ đồ khối cấp nguồn của hệ thống.

Hình 3-3: Sơ đồ khối truyền tín hiệu của hệ thống.

Yêu cầu kĩ thuật đối với từng khối:

 Khối nguồn: Nguồn cấp vào là 12V nên khối nguồn có nhiệm vụ là hạ áp và

ổn áp, trong mô hình này giữ ở tầm 5V, sau đó cấp điện cho các khối còn lạitrong mô hình một cách ổn định và liên tục trong suốt quá trình hoạt động

 Khối xử lí: Ở mô hình này sử dụng vi điều khiển PIC 16F877A, nhỏ gọn,khả năng xử lí chính xác, ít bị hư hỏng do có chân đế bảo vệ, được sử dụngphổ biến bởi khả năng thay đổi linh hoạt tiếp nhận những chương trình khácnhau tùy vào người lập trình

 Khối cảm biến: Khi có nước mưa rơi trên tấm cảm biến, nó sẽ truyền tín hiệuđưa về cho vi điều khiển để xử lí dựa trên mã code đã lập trình trước

 Khối giao tiếp: trao đổi tín hiệu với vi điều khiển và sử dụng bluetooth để kếtnối với thiết bị Nhỏ gọn, được sử dụng phổ biến, phạm vi điều khiển tầmkhoảng 12m

 Khối thực thi: Thực thi những tín hiệu của khối xử lí trung tâm truyền đến đểđiều khiển động cơ DC theo ý muốn

3.3 Lưu đồ giải thuật

3.3.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát

Trang 16/34

Hình 3-4: Lưu đồ giải thuật tổng quát của hệ thống.

3.3.2 Lưu đồ giải thuật cảm biến

Hình 3-5: Lưu đồ giải thuật cảm biến của hệ thống.

3.3.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển

Trang 18/34

Hình 3-6: Lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống.

CHƯƠNG 4 THI CÔNG MẠCH VÀ ĐÁNH GIÁ

4.1 Thi công mạch

Hình 4-1: Sơ đồ bố trí linh kiện và đi dây của mạch.

Trang 20/34

Hình 4-2: layout mạch.

Hình 4-3: Sơ đồ bố trí linh kiện mô hình 3D.

Board mạch được thiết kế và nối dây trên phần mềm Proteus 8.

Chương trình được viết trên phần mềm PIC C Compiler

Sau khi hoàn thành mô phỏng trên phần mềm Proteus, thực hiện thiết kế Board mạch và in ra mạch đồng

Khoan lỗ chân linh kiện, gắn linh kiện và hàn mạch để hoàn thiện

Board mạch sau khi đã thi công hoàn thiện :

Hình 4-4: Mặt trước của mạch sau khi hoàn thiện.

Trang 22/34

Hình 4-5: Mặt sau của mạch sau khi hoàn thiện.

4.2 Phần mềm điều khiển giao tiếp:

‐ PCB cho dòng PIC 12‐bit opcodes

‐ PCM cho dòng PIC 14‐bit opcodes

‐ PCH cho dòng PIC 16 và 18‐bit

4.2.2 Chương trình viết app cho smart phone ( chương trình app inventor)

Để sử dụng được App Inventor, ta truy cập vào địa chỉ ai2.appinventor.mit.edu Sau

đó tiến hành đăng nhập bằng tài khoản Google để mở trang quản lí các project

- Giao diện làm việc của chương trình

Hình 4-6: thiết kế giao diện làm viêc trên điện thoại.

- Vùng viết code cho app:

Hình 4-7: Giao diện viết code cho app android

Trang 24/34

4.3 Đánh giá

 Ưu điểm:

+ Mạch đã được thi công hoàn thành đúng theo yêu cầu đề ra ban đầu

+ Hệ thống hoạt động khá ổn định theo mong muốn đặt ra

+ Chi phí và giá thành của các linh kiện trong mạch tương đối rẻ, dễ tìm muangoài thị trường, thi công và lắp đặt đơn giản

 Nhược điểm:

+ Độ bền của board mạch khi để ngoài trời sẽ giảm do thời tiết

+ Hệ thống đôi khi xử lí chưa chính xác và hay bị delay

+ Khi trời nắng thì động cơ chưa chủ động tự chạy ra được, mà ta phải điềukhiển bằng điện thoại hoặc nút nhấn

+Chưa điều khiển được tốc độ động cơ

CHƯƠNG 5 PHẦN KẾT LUẬN

5.1 Kết luận

Board mạch sau khi hoàn thành đã hoạt động tương đối ổn định và đúng theomong muốn lập trình ban đầu mặc dù vẫn còn một số nhược điểm chưa khắcphục được Qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và thi công mạch, ta đã có thểhiểu hơn về các linh kiện điện tử, biết được tác dụng của từng linh kiện, nắm rõnguyên lí hoạt động và truyền tín hiệu của hệ thống Từ đó, rút ra được những

ưu nhược điểm của hệ thống để đưa ra các hướng cải thiện và phát triển cho sảnphẩm

5.2 Hướng cải thiện và phát triển

Hệ thống có thể nâng cấp để sử dụng trên quy mô lớn, để tăng thêm tính năng và

sự tiện ích hơn nữa cho hệ thống, ta có thể lắp đặt thêm cảm biến ánh sáng đểgiàn phơi tự động kéo đồ ra Hệ thống sẽ chính xác hơn khi ta nâng cấp các linhkiện tốt hơn, nhạy hơn với thời tiết, điều khiển trong phạm vi xa hơn, độ bềnchống chịu cao hơn và thông minh hơn