Báo cáo môn học Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 7 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ I BÁO CÁO MÔN HỌC ĐỀ TÀI SỬ DỤNG CẢM BIẾN R.
Trang 1- -BÁO CÁO MÔN HỌC
ĐỀ TÀI: SỬ DỤNG CẢM BIẾN RUNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHỐNG TRỘM CHO XE MÁY VÀ GỬI ĐỊNH VỊ GPS QUA
MODUL SIM Môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng Giảng viên: Nguyễn Ngọc Minh
Hà Nội 3/2022
Mục lụcLời nói đầu 3
Trang 2Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 2
I Giới thiệu đề tài 4
1 Đặt vấn đề 4
2 Mục tiêu đề tài 5
3 Nội dung đề tài 5
II Cơ sở lí thuyết 5
1 Tổng quan nội dung 5
2 Giới thiệu Kit STM32F103C8T6 5
a Giới thiệu sơ lược 5
b Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6 6
c Thông số kĩ thuật 7
3 Giới thiệu Module SIM800L 8
a Giới thiệu chung 8
b Thông số kĩ thuật 8
c Chức năng các chân của Module SIM800L 9
4 Giới thiệu cảm biến rung SW-420 9
a Giới thiệu chung 9
b Thông số kĩ thuật 9
c Sơ đồ nguyên lý cảm biến rung SW420 10
5 Modul định vị GPS Neo 6M 10
a Giới thiệu chung 10
b Thông số kĩ thuật 11
c Sơ đồ chân 11
d Sơ đồ mạch nguyên lí 11
e Các câu lệnh được thông dịch 12
6 Chuẩn giao tiếp I2C 14
7 Tổng quan về FreeRTOS 15
a Khái niệm FreeRTOS 15
b Các đặc điểm của FreeRTOS 16
c Các vấn đề cơ bản trong FreeRTOS 17
III Thiết kế hệ thống 20
1 Nguyên lí hoạt động 20
2 Sơ đồ khối 20
3 Mô hình thực tế 21
4 Chương trình chính 22
IV Kết luận và hướng phát triển 25
Trang 3Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 3
1 Kết luận 25
a Ưu điểm của đề tài 25
b Nhược điểm của đề tài 25
2 Hướng phát triển 25
Lời cảm ơn 26
Tài liệu tham khảo 27
Lời nói đầu
Đồ án Thiết kế hệ thống nhúng là một môn học cần thiết cho mỗi sinh viên kĩ thuật
nói chung và sinh viên ngành Điện – Điện tử nói riêng Nó giúp mỗi sinh viên rèn luyện
lại kĩ năng chuyên ngành trước khi bước vào làm đồ án tốt nghiệp và tiến tới một môi
Trang 4Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 4
trường làm việc mới Hiện nay tình hình trộm cắp xe máy diễn ra ngày càng phức tạp,
những chiếc khoá bánh xe hay khoá cổ dần dần không còn tác dụng Chính vì thế nên
nhóm em đã lên ý tưởng thực hiện đề tài chống trộm bằng cảm biến rung Trên cơ sở đã
được học các môn như hệ thống nhúng, kĩ thuật vi xử lý, điện tử tương tự,… nhóm em
quyết định thực hiện đề tài: Sử dụng STM32F103C8T6 thực hiện chống trộm bằng cảm
biến rung kết hợp sử dụng modul định vị GPS để gửi vị trí toạ độ về tin nhắn điện thoại
thông qua Modul SIM800L
Chúng em xin cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Minh đã tạo điều kiện để chúng em có
thể hoàn thành đề tài trên Trong quá trình làm đề tài, do hạn chế về mặt kiến thức cũng
như kinh nghiệm nên khó tránh khỏi những thiếu sót, mong thầy góp ý để nhóm em có thể
làm tốt hơn trong các đề tài kế tiếp
Chúng em xin chân thành cảm ơn!!
I Giới thiệu đề tài
1 Đặt vấn đề
Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, cuộc sống của con
người đã có những thay đổi ngày càng tốt hơn, với những trang thiết bị hiện đại phục vụ
công cuộc công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước Đặc biệt góp phần vào sự phát triển đó
Trang 5Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 5
thì ngành kĩ thuật điện tử đã góp phần không nhỏ trong sự nghiệp xây dựng và phát triển
đất nước Những thiết bị điện, điện tử được phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rỗng
rãi trong đời sống cũng như sản suất Từ những thời gian đầu phát triển ngành kỹ thuật
điện tử đã cho thấy sự ưu việt của nó và cho tới ngày nay tính ưu việt đó ngày càng được
khẳng định thêm Những thành tựu của nó đã có thể biến được những cái tưởng chừng
như không thể thành những cái có thể, góp phần nâng cao đời sống vật chất và tinh thần
cho con người
Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế của ngành kỹ
thuật điện tử, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “Sử dụng STM32F103C8T6 thực
hiện chống trộm trên xe máy bằng cảm biến rung kết hợp sử dụng modul định vị GPS để
gửi vị trí toạ độ về tin nhắn điện thoại thông qua Modul SIM800L” làm đề tài nghiên cứu.
2 Mục tiêu đề tài
- Nghiên cứu mô hình chống trộm và định vị xe máy thông qua sóng điện thoại
- Ứng dụng hệ điều hành thời gian thực Free RTOS
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học
về lập trình
- Ứng dụng các công nghệ gần gũi với cuộc sống con người để xây dựng lên hệ
thống điều khiển từ xa
3 Nội dung đề tài
- Sử dụng Kit STM32F103C8T6 để thiết kế hệ thống chống trộm cho xe máy
- Sử dụng cảm biến rung kết hợp sử dụng modul định vị GPS để gửi vị trí toạ độ về
tin nhắn điện thoại thông qua Modul SIM800L khi xe bị di chuyển
- Ứng dụng dụng hệ điều hành thời gian thực Free RTOS
II Cơ sở lí thuyết
1 Tổng quan nội dung
Khi bật thiết bị chống trộm trên xe máy cảm biến rung trên xe sẽ nhận tín hiệu khi
xe bị di chuyển và gửi tín hiệu về KIT STM32 sau đó module sim sẽ thu thập dữ liệu từ
modul GPS Neo 6M ( đã được xử lý) và gửi tin nhắn về điện thoại
2 Giới thiệu Kit STM32F103C8T6
a Giới thiệu sơ lược
STM32 là một trong những dòng chip thông dụng của ST với nhiều họ thông dụng
như F0, F1, F2, F3, F4, STM32F103 thuộc họ F1 với lõi là ARM COTEX M3
STM32F103 là vi tinh chỉnh và điều khiển 32 bit, vận tốc tối đa là 72M hz Giá thành
cũng khá rẻ so với những loại vi tinh chỉnh và điều khiển có tính năng tương tự như
Mạch nạp cũng như công cụ lập trình khá phong phú và dễ sử dụng
Một số ứng dụng chính : dùng cho driver để điều khiển và tinh chỉnh ứng dụng,
tinh chỉnh và điều khiển ứng dụng, thiết bị cầm tay và thuốc, máy tính và thiết bị ngoại vi
chơi game, GPS cơ bản, những ứng dụng trong công nghiệp, thiết bị lập trình PLC, biến
tần, máy in, máy quét, mạng lưới hệ thống cảnh báo nhắc nhở, thiết bị liên lạc nội bộ,
Phần mềm lập trình : có khá nhiều trình biên dịch cho STM32 như IAR Embedded
Workbench, Keil C,
Trang 6Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 6
Thư viện lập trình: có nhiều loại thư viện lập trình cho STM32 như:
STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries,
Mbed core
Mạch nạp: Có nhiều loại mạch nạp như: ULINK, J-LINK, STLINK,
Hình II.2.1 Hình ảnh thực tế của Kit STM32F103C8T6
b Cấu hình chi tiết của STM32F103C8T6
ARM 32-bit Cortex M3 với clock max là 72Mhz
Bộ nhớ:
- 64 kbytes bộ nhớ Flash(bộ nhớ lập trình)
- 20kbytes SRAM
Clock, reset và quản lý nguồn
- Điện áp hoạt động 2.0V -> 3.6V
- Power on reset(POR), Power down reset(PDR) và programmable voltage detector
(PVD)
- Sử dụng thạch anh ngoài từ 4Mhz -> 20Mhz
- Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 40khz
- Sử dụng thạch anh ngoài 32.768khz được sử dụng cho RTC
Trong trường hợp điện áp thấp:
- Có các mode :ngủ, ngừng hoạt động hoặc hoạt động ở chế độ chờ
- Cấp nguồn ở chân Vbat bằng pin để hoạt động bộ RTC và sử dụng lưu trữ data khi
mất nguồn cấp chính
2 bộ ADC 12 bit với 9 kênh cho mỗi bộ
- Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3.6V
- Lấy mẫu nhiều kênh hoặc 1 kênh
- Có cảm biến nhiệt độ nội
DMA: bộ chuyển đổi này giúp tăng tốc độ xử lý do không có sự can thiệp quá sâu
của CPU
- 7 kênh DMA
- Hỗ trợ DMA cho ADC, I2C, SPI, UART
Trang 7Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 7
7 timer
- 3 timer 16 bit hỗ trợ các mode IC/OC/PWM
- 1 timer 16 bit hỗ trợ để điều khiển động cơ với các mode bảo vệ như ngắt input,
dead-time
- 2 watdog timer dùng để bảo vệ và kiểm tra lỗi
- 1 sysTick timer 24 bit đếm xuống dùng cho các ứng dụng như hàm Delay…
Hỗ trợ 9 kênh giao tiếp bao gồm:
- 2 bộ I2C(SMBus/PMBus)
- 3 bộ USART(ISO 7816 interface, LIN, IrDA capability, modem control)
- 2 SPIs (18 Mbit/s)
- 1 bộ CAN interface (2.0B Active)
- USB 2.0 full-speed interface
Kiểm tra lỗi CRC và 96-bit ID
c Thông số kĩ thuật
Hình II.2.2 Hình ảnh sơ đồ chân kết nối Kit STM32F103C8T6
Vi điều khiển: STM32F103C8T6
Điện áp cấp 5VDC qua cổng Micro USB sẽ được chuyển đổi thành 3.3VDC qua
IC nguồn và cấp cho Vi điều khiển chính
Tích hợp sẵn thạch anh 8Mhz
Tích hợp sẵn thạnh anh 32Khz cho các ứng dụng RTC
Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART, USB,…
Tích hợp Led trạng thái nguồn, Led PC13, Nút Reset
Kích thước: 53.34 x 15.24mm
Sử dụng với các mạch nạp:
- ST-Link Mini
Trang 8Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 8
3 Giới thiệu Module SIM800L
a Giới thiệu chung
Module sim800L dùng điều khiển thiết bị hoặc cảnh báo từ xa thông qua mạng di
động như gọi điện, nhắn tin, GPRS Dễ giao tiếp với các họ vi điều khiển như Pic, 8051,
AVR, Arduino… Module Sim 800l được ứng dụng rộng rãi ngoài thực thế, các phòng
thông minh, ngôi nhà thông minh, IOT… Điều khiển module sử dụng bộ tập lệnh AT dễ
dàng và tiêu thụ điện năng nhỏ phù hợp cho các đồ án hoặc dự án cần dùng Pin hoặc
Acquy
Hình II.3.1 Hình ảnh thực tế và sơ đồ chân của Module SIM800L
b Thông số kĩ thuật
Điện áp hoạt động 4.2v
Dòng khi hoạt động 100mA – 1A (nên chọn nguồn trên 1A)
Dòng ở chế độ chờ 10mA
Trang 9Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 9
DTR : Chân UART DTR, thường không xài
SPKP, SPKN: ngõ ra âm thanh, nối với loa để phát âm thanh
MICP, MICN: ngõ vao âm thanh, phải gắn thêm Micro để thu âm thanh
Reset: Chân khởi động lại Sim800L (thường không xài)
RING : báo có cuộc gọi đến
GND: Chân Mass, cấp 0V
4 Giới thiệu cảm biến rung SW-420
a Giới thiệu chung
Cảm biến rung SW-420 thường là cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng
chống trộm, nhận biết rung động, cảm biến có cấu tạo phía trong dạng lò xo, tích hợp biến
trở chỉnh độ nhạy cảm biến, cảm biến có ngõ ra dạng Digital rất dễ giao tiếp và lập trình
với Vi điều khiển Khi không có rung thì trở kháng ~ 0 Khi có rung động hoặc nghiêng
trở kháng lớn
Hình II.4.1 Cảm biến rung SW-420
b Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
- Tín hiệu ngõ ra: Digital
- Trạng thái ngõ ra mặc định: LOW
- Tích hợp LED báo nguồn và LED báo trạng thái cảm biến
- Kích thướt board 32x14mm
Trang 10Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 10
- Khi không có rung động, ngõ ra (DO) xuất ra tín hiệu mức thấp đồng thời LED tín
hiệu ngõ ra sáng
c Sơ đồ nguyên lý cảm biến rung SW420
Hình II.4.2 Sơ đồ nguyên lí cảm biến rung SW-420
5 Modul định vị GPS Neo 6M
a Giới thiệu chung
Mạch định vị GPS GY-NEO 6M V2 là module định vị toàn cầu sử dụng hệ thống
vệ tinh GPS của Mỹ Mạch định vị GPS NEO-6M cho tốc độ xác định vị trí nhanh và
chính xác, có nhiều mức năng lượng hoạt động, phù hợp với các ứng dụng chạy pin
Module định vị GPS sử dụng board điều khiển kết nối của hãng U-BLOX đến từ
Thụy Sĩ có rất nhiều năm kinh nghiệm trong lĩnh vực sản xuất module định vị toàn cầu
Trang 11Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúngHình II.5.1 Hình ảnh Modul GPS Neo 6M 11
b Thông số kĩ thuật
- Mạch định vị GPS GY-NEO 6M, nguồn cung cấp 3V-5V
- Mẫu: GY-GPS6MV2
- Mô-đun với ăng-ten bằng sứ, tín hiệu mạnh
- EEPROM power-down lưu dữ liệu tham số cấu hình
- Với pin dự phòng dữ liệu
- Chỉ báo tín hiệu LED
- Kích thước ăng ten 12*12mm
- Kích thước module 23mm*30mm
- Lắp đặt khẩu độ 3mm
- Tốc độ baud mặc định: 9600
- Tương thích với nhiều module điều khiển chuyến bay, cung cấp kiểm tra máy tính
GPS
c Sơ đồ chân
- VCC – 3.3 – 5V
- GND – GND
- TX: chân truyền dữ liệu
- RX: Chân truyền dữ liệu
d Sơ đồ mạch nguyên lí
Trang 12Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúngHình II.5.2 Sơ đồ nguyên lí Modul GPS Neo 6M 12
e Các câu lệnh được thông dịch
- $GPBOD: Vòng bi xuất phát đến đích.
- $GPBWC: Vòng bi và khoảng cách tới điểm tham chiếu, vòng tròn lớn.
- $GPGGA: Sửa thông tin.
- $GPGLL: Trả về kinh độ, vĩ độ
Ví dụ: $GPGLL,4916.45, N,12311.12, W, 225444, A
Trang 13Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 13
Một Cảnh báo bộ thu điều hướng A = OK, V = cảnhbáo
Ví dụ: $ GPRMC, 225446, A, 4916,45, N, 12311.12, W,000.5,054.7,191194,020.3, E *
68
$GPGSA: GPS DOP và các vệ tinh đang hoạt động
A = Tự động, 3D / 2D2
1 = Không có bản sửa lỗi
2 = 2D
3 = 3D3-14 ID của SV được sử dụng trong sửa chữa vị trí (rỗngđối với các trường không sử dụng)
Trang 14Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 14
$ GPRTE: Các tuyến đường
$ GPTRF: Dữ liệu sửa chữa chuyển tuyến, thời gian, ngày tháng, vị trí và thông tin liên
quan đến Bản sửa lỗi TRANSIT
$ GPRMA - Dữ liệu Loran-C cụ thể tối thiểu được đề xuất
$ GPRMB - Thông tin điều hướng tối thiểu được đề xuất$ GPRMC - Dữ liệu GPS /
Phương tiện công cộng tối thiểu được đề xuất
6 Chuẩn giao tiếp I2C
I2C kết hợp các tính năng tốt nhất của SPI và UART Với I2C, bạn có thể kết nối
nhiều slave với một master duy nhất (như SPI) và bạn có thể có nhiều master điều khiển
một hoặc nhiều slave Điều này thực sự hữu ích khi bạn muốn có nhiều hơn một vi điều
khiển ghi dữ liệu vào một thẻ nhớ duy nhất hoặc hiển thị văn bản trên một màn hình LCD
Giống như giao tiếp UART, I2C chỉ sử dụng hai dây để truyền dữ liệu giữa các
thiết bị:
SDA (Serial Data) - đường truyền cho master và slave để gửi và nhận dữ liệu
SCL (Serial Clock) - đường mang tín hiệu xung nhịp
I2C là một giao thức truyền thông nối tiếp, vì vậy dữ liệu được truyền từng bit dọc
theo một đường duy nhất (đường SDA)
Giống như SPI, I2C là đồng bộ, do đó đầu ra của các bit được đồng bộ hóa với việc
lấy mẫu các bit bởi một tín hiệu xung nhịp được chia sẻ giữa master và slave Tín hiệu
xung nhịp luôn được điều khiển bởi master
Cách hoạt động của I2C
Với I2C, dữ liệu được truyền trong các tin nhắn Tin nhắn được chia thành các
khung dữ liệu Mỗi tin nhắn có một khung địa chỉ chứa địa chỉ nhị phân của địa chỉ slave
và một hoặc nhiều khung dữ liệu chứa dữ liệu đang được truyền Thông điệp cũng bao
gồm điều kiện khởi động và điều kiện dừng, các bit đọc / ghi và các bit ACK / NACK
giữa mỗi khung dữ liệu:
Hình II.6.1 Hoạt động của I2C
Ưu điểm và nhược điểm của I2C
Có rất nhiều điều ở I2C có thể khiến nó nghe có vẻ phức tạp so với các giao thức
khác, nhưng có một số lý do chính đáng khiến bạn có thể muốn hoặc không muốn sử
dụng I2C để kết nối với một thiết bị cụ thể:
Trang 15Thương mại hoá Chuẩn IEC 61508
Báo cáo môn học: Đồ án thiết kế hệ thống nhúng 15
Ưu điểm:
- Chỉ sử dụng hai dây
- Hỗ trợ nhiều master và nhiều slave
- Bit ACK / NACK xác nhận mỗi khung được chuyển thành công
- Phần cứng ít phức tạp hơn so với UART
- Giao thức nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi
Nhược điểm:
- Tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn SPI
- Kích thước của khung dữ liệu bị giới hạn ở 8 bit
- Cần phần cứng phức tạp hơn để triển khai so với SPI
7 Tổng quan về FreeRTOS
a Khái niệm FreeRTOS
Hình II.7.1: Sơ đồ phát triển của FreeRTOS
FreeRTOS là lõi của hệ điều hành thời gian thực miễn phí Hệ điều hành này được
Richard Barry công bố rộng rãi từ năm 2003, phát triển mạnh đến nay và được cộng đồng
mạng mã nguồn mở ủng hộ FreeRTOS có tính khả chuyển, mã nguồn mở, lõi có thể
down miễn phí và nó có thể dùng cho các ứng dụng thương mại Nó phù hợp với những
hệ nhúng thời gian thực nhỏ Hầu hết các code được viết bằng ngôn ngữ C nên nó có tính
phù hợp cao với nhiều nền khác nhau
Ưu điểm của nó là dung lượng nhỏ và có thể chạy trên những nền mà nhiều hệ
không chạy được Có thể port cho nhiều kiến trúc vi điều khiển và những công cụ phát
triển khác nhau Mỗi port chính thức bao gồm những ứng dụng ví dụ tiền cấu hình biểu
hiện sự riêng biệt của lõi, kiến thức mới và hướng phát triển Những hỗ trợ miễn phí được
cung cấp bởi cộng đồng mạng Hỗ trợ thương mại với những dịch vụ phát triển đầy đủ
cũng được cung cấp
FreeRTOS được cấp giấy phép bởi bản đã được chỉnh sửa bởi GPL (General
Public License) và có thể sử dụng trong ứng dụng thương mại với giấy phép này Ngoài ra
liên quan đến FreeRTOS có OpenRTOS và SafeRTOS OpenRTOS là bản thương mại