ĐỒ án môn học VI xử lý TRONG đo LƯỜNG và điều KHIỂN điều KHIỂN cửa, đèn và QUẠT sử DỤNG VI điều KHIỂN

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐỒ ÁN MÔN HỌC VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Đề tài: ĐIỀU KHIỂN CỬA, ĐÈN VÀ QUẠT SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN Giảng

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

VI XỬ LÝ TRONG ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN

Đề tài: ĐIỀU KHIỂN CỬA, ĐÈN VÀ QUẠT SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN

Giảng viên hướng dẫn : TS Đoàn Thị Hương Giang Sinh viên thực hiện: Tạ Tiến Đạt – MSV: 19810000125

Đỗ Như Công – MSV: 19810000304 Trịnh Mai Doanh – MSV: 19810000006 Quách Đăng Lộc – MSV: 19810000229 Lớp : D14THDK&TDH

M Ụ C L Ụ C

LỜI MỞ ĐẦU 4

LỜI CẢM ƠN 5

Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn 6

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN 7

1.1 Giới thiệu đề tài 7

1.2 Mục đích thiết kế 7

1.3 Phạm vi thiết kế 7

1.4 Nhiệm vụ 7

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN SỬ DỤNG 8

2.1 Board Arduino Uno R3 8

2.2 Keypad 4*4 9

2.3 Màn hình LCD 16*2 10

2.4 Một số linh kiện khác dùng trong đề tài 12

2.4.1.Module I2C cho màn hình LCD 16*2 12

2.4.2.Động cơ Servo SG90 12

2.4.3.Module BUCK LM2596S 3A 13

2.4.4.Module Wifi ESP8266 14

2.4.5.Relay 5v, Đèn Led, Quạt 5v 15

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 17

3.1 Sơ đồ khối 17

3.2 Khối nguồn nuôi 17

3.3 Khối nút điều khiển 18

3.4 Khối hiển thị thông báo trạng thái 18

3.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống 19

3.6 Nguyên lý hoạt động 19

3.7 Hệ thống điều khiển qua internet 20

3.8 Mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống 20

3.9 Hình ảnh thực tế hệ thống 21

CHƯƠNG IV: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH 22

4.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống 22

4.2 Chương trình điều khiển 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

LỜI MỞ ĐẦU Như chúng ta đã biết kỹ thuật vi điều khiển đã trở nên quen thuộc trong các ngành kỹ thuật và trong dân dụng Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý nhiều hoạt động phức tạp mà chỉ cần một chip vi mạch nhỏ, nó đã thay thế các tủ điều khiển lớn và phức tạp bằng những mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng thao tác sử dụng Vi điều khiển không những góp phần vào sự phát triển của kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Để tìm hiểu chi tiết hơn về vi điều khiển và ứng dụng trong thực tế, nhóm chúng em chọn đề tài điều khiển cửa, đèn và quạt sử dụng vi điều khiển.

Tuy nhiên, vì thời gian có hạn và kiến thức chuyên môn còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện đồ án không thể tránh những thiếu sót nhất định Vì vậy, chúng em rất mong sự giúp đỡ, ý kiến đóng góp của thầy cô cùng tất cả các bạn để

đồ án này được hoàn thiện hơn.

Chúng em chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2022

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên chúng em xin được gửi lời cảm ơn đến cô TS.Đoàn Thị Hương Giang Cô đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình chúng em nghiên cứu và hoàn thành tốt đồ án này Những lời nhận xét góp ý và hướng dẫn của thầy đã giúp chúng em có định hướng đúng đắn trong quá trình thực hiện đồ án, giúp chúng em nhìn ra được

ưu khuyết điểm của đồ án và từng bước khắc phục để có được kết quả tốt nhất Chúng em cũng xin cảm ơn thầy cô trong khoa Điều Khiển và Tự Động Hóa, bộ môn Vi Xử Lý trong Đo Lường Điều Khiển tận tình chỉ bảo, truyền đạt cho chúng

em các kiến thức chuyên ngành, những công nghệ mới cũng như cách làm việc nhóm đề hoàn thành tốt đồ án môn học này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2022

Đánh giá và nhận xét của GV hướng dẫn

CHƯƠNG 1: ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN.

1.1 Giới thiệu đề tài.

- Ngày nay, với sự bùng nổ của các nghành kĩ thuật đã làm cho đời sống con người ngày càng hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa đi vào sản xuất hàng hóa và sinh hoạt hằng ngày của mỗi người Việc thiết kế mô hình hệ thống nhà thông minh phục

vụ đời sống là rất cần thiết

- Giờ đây thay vì việc đến từng công tắc đèn,… để bật tắt như trước đây, thì với giải pháp nhà thông minh chúng ta hoàn toàn có thể điều khiển một hoặc tất cả bóng đèn trong nhà chỉ với một cú chạm nhẹ vào màn hình

1.2 Mục đích thiết kế.

- Từ những kiến thức ta đã học lý thuyết, từ đó nâng cao tính vận dụng vào các khâu thiết kế để có sản phẩm tốt và chất lượng.

- Cải tiến công nghệ, tiết kiệm năng lượng và không mất thời gian đóng ngắt.

- Thiết kế bộ điều khiển phù hợp với công suất với thiết bị trong phòng.

- Tạo được một mô hình cửa tự động, sử dụng một hệ thống nhúng dùng vi điều khiển.

- Có khả năng hoạt động tự động, mở cửa khi nhập đúng mật khẩu (Password).

1.3 Phạm vi thiết kế.

- Mô phỏng hệ thống nhà thông minh trên nền tảng Arduino.

- Kết hợp với IOT để điều khiển hệ thống

1.4 Nhiệm vụ.

- Tìm hiểu về vi điều khiển Arduino, các thiết cần thiết kết nối với Arduino.

- Tìm hiểu động cơ điều khiển và led chiếu sáng.

- Mô phỏng phần mềm trên ứng dụng Proteus.

- Thiết kế trên Board Mạch Arduino Uno R3 SMD

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LINH KIỆN SỬ DỤNG

2.1 Board Arduino Uno R3.

Hình 1: Cấu tạo của board Arduino Uno R3

 Thông số kỹ thuật:

● Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng

USB)

● Điện áp vào khuyên dùng 7 - 12 VDC

● Điện áp vào giới hạn 6 - 20 VDC

● Số chân Digital I/O 14 (6 chân Hardware PWM)

● Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

● Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega 328) với 0.5 KB dùng bởi Bootloader

- Chân PWM: 3, 5, 9, 10, 11: Cho phép xuất xung PWM với độ phân giải 8 bit.

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK): dùng trong giao tiếp SPI.

- Chân 13: kết nối với Led (ký hiệu chữ L trên Board), người dùng có thể dùng chân này để điều khiển Led Không nên dùng chân này để điều khiển thiết bị ngoại vi Vì khi mở nguồn ootloader làm cho chân

13 này chớp chớp nên ảnh hưởng đến thiết bị điều khiển.

- Chân A0-> A5: là các chân đọc ADC (độ phân giải 10 bit).

- Chân A4 (SDA), A5(SCL): dùng trong giao tiếp I2C.

- Tất cả các chân kể trên đều có thể sử dụng chức năng I/O (ngõ vào/ra) bình thường.

2.2 Keypad 4*4

Hình 2: Cấu tạo của Keypad 4*4

Thông số kỹ thuật:

 Module bàn phím ma trận 4x4 loại phím mềm.

 Độ dài cáp: 88mm.

 Nhiệt độ hoạt động 0 ~ 70oC.

 Đầu nối ra 8 chân.

● 5 chân còn lại dùng để cấp nguồn và đèn nền cho LCD 16×2.

● Các chân điều khiển giúp ta dễ dàng cấu hình LCD ở chế độ lệnh hoặc chế độ dữ liệu.

● Chúng còn giúp ta cấu hình ở chế độ đọc hoặc ghi.

● LCD 16×2 có thể sử dụng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy theo ứng dụng

ta đang làm.

- Chức năng của các chân

Mô ti Chân năng của các châng ở chế độ 4 bit hoặc 8 bit tùy

2 VDD này với VCC=5V ccăng cu

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 si thiết kế mạch ta nối chân này với Vdụng ta

+ ân cho phép (Enable) Sau khi các tín hi chân R/W với logic “0” để LCD hoạtàm.ệu EN).điều khiển Led Không nên dùng chân nàyhân E.ều khiển thiết bị ngoạ + Ở châ đh đhân Dh liân si đưân LCD xuDn ra DB0-DB7 khi phát hiát ciát lên (low- to-high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân E xuống mlow- to-

Bảng 1: Bảng chức năng các chân của LCD

2.4 Một số linh kiện khác dùng trong đề tài.

2.4.1.Module I2C cho màn hình LCD 16*2.

Hình 4: Module I2C Thông Số Kỹ Thuật:

 Kích thước: 41,5 mm ×19 mm ×15,3 mm

 Trọng lượng: 5g

 Điện áp hoạt động: 2,5 – 6V

 Giao tiếp: I2C

 Jump chốt: Cung cấp đền cho LCD hoặc ngắt

 Biến trở xoay độ tương phản cho LCD



Tính Năng:

 Tiết kiệm chân Input/ Output cho Vi điều khiển

2.4.2.Động cơ Servo SG90.

Hình 5: Động cơ Servo SG90 Động Cơ Servo SG90 là loại động cơ được dùng phổ biến trong các mô hình điều khiển nhỏ và đơn giản như cánh tay robot Động cơ có tốc độ phản ứng nhanh, được tích hợp sẵn Driver điều khiển động cơ, dễ dàng điều khiển góc quay bằng phương pháp điều độ rộng xung PWM.

Thông Số Kỹ Thuật Động Cơ Servo SG90

Hình 6: Module BUCK LM2596S 3A Module buck DC-DC LM2596 là Module dùng để hạ điện áp đầu vào , dải điện áp đầu ra lớn ( từ 1.23V đến 30V) , nhỏ gọn , dễ dàng sử dụng, sử dụng

để biến đổi nguồn DC - DC và mạch cần giảm điện áp.

Thông Số Kỹ Thuật Của Module Hạ Áp Buck DC-DC LM2596 3A:

 Điện áp đầu vào: 4V-35V



 Điện áp đầu ra: 1.23V-30V

 Dòng đầu ra: 3A (max)

 Hiệu suất chuyển đổi: 92% (tối đa)

 Tần số hoạt động module hạ áp: 150kHz

 Nhiệt độ hoạt động: -40 ℃ đến + 85 ℃

 Kích thước: 4.3x2.1x1.7 cm

2.4.4.Module Wifi ESP8266

Hình 7: Module Wifi ESP8266 Đặc tính nổi bật Module thu phát Wifi ESP8266

 Tích hợp 2 nút nhấn

 Tích hợp chip chuyển usb – uart CH340

 Full IO : 10 GPIO, 1 Analog, 1SPI , 2 UART, 1 I2C/I2S,

PWM,v.v….

 Được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn mạnh Nodemcu

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

 Tương thích các chuẩn wifi : 802.11 b/g/n

 Hỗ trợ: Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP

 Tích hợp TCP/IP protocol stack

 Tích hợp TR switch, balun, LNA, power amplifier and matching network

 Tích hợp bộ nhân tần số, ổn áp, DCXO and power management units

 +25.dBm output power in 802.11b mode

 Power down leakage current of <10uA

 Integrated low power 32-bit CPU could be used as application processor

 SDIO 1.1/2.0, SPI, UART

 STBC, 1×1 MIMO, 2×1 MIMO

 A-MPDU & A-MSDU aggregation & 0.4ms guard interval

 Wake up and transmit packets in < 2ms

 Dòng tiêu thụ ở Standby Mode < 1.0mW (DTIM3)

Các chẩn giao tiếp và các thông tin khác :

 SDIO 2.0, SPI, UART

 Integrated RF switch, balun, 24dBm PA, DCXO, and PMU

 Integrated RISC processor, on-chip memory and external

memory interfaces

 Integrated MAC/baseband processors

 Quality of Service management

 I2S interface for high fidelity audio applications

 On-chip low-dropout linear regulators for all internal supplies

 Proprietary spurious-free clock generation architecture

 Integrated WEP, TKIP, AES, and WAPI engines



Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

2.4.5.Relay 5v, Đèn Led, Quạt 5v

Hình 8: Relay 5v, Đèn Led, Quạt 5v Module Relay 2 Kênh 5V-220V 10A: Sử dụng trong điều khiển thiết bị điện, với 2 kênh điều khiển 2 thiết bị khác nhau.

 Có LED báo trạng thái

 Jump kết nối với ngoại vi điều khiển như vi điều khiển, Arduino, Quạt Tản Nhiệt 5V 4x4x1CM 4010-5V:

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Khối nguồn nuôi được chia thành 2 bộ phận chính:

3.2.1 Nguồn cấp cho mạch điều khiển:

 Sử dụng IC ổn áp Module BUCK LM2596S 3A chuyển điện áp 12V thành 5V cấp cho Vi điều khiển Arduino.

 Datasheet:

Hình 10:Sơ đồ mạch Module Buck LM2596S

Ngõ ra OUT luôn ổn định ở 5V dù nguồn cấp có thay đổi (max=40V) Mạch này được dùng để bảo vệ những mạch điện có điện áp hoạt động 5V Nếu nguồn điện biến thiên đột ngột thì mạch điện vẫn hoạt động ổn định nhờ

có IC LM2596S giữ được điện áp ngõ ra OUT 5V không đổi.

* Trên mạch nguồn cấp cho vi điều khiển, ngoài IC LM2596S thì còn các

tụ được bố trí với chức năng lọc nguồn Vì đây là điện áp 1 chiều nhưng chưa

được phằng vẫn còn các gợn nhấp nhô nên các tụ này có tác dụng lọc nguồn cho thành điện áp một chiều phẳng.

3.2.2 Nguồn nuôi động cơ DC

Nguồn nuôi động cơ DC được lấy từ Module BUCK LM2596S có giá trị điện áp 5V.

3.3 Khối nút điều khiển

Hình 11: Khối nút điều khiển Các nút bấm được nối với các điện trở có giá trị 10kΩ theo sơ đồ tích cực mức thấp Khi bấm một trong các nút thì dòng điện có giá trị thay đổi 0V được VĐK tiếp nhận và xử lý theo đúng chức năng của nút bấm đó

3.4 Khối hiển thị thông báo trạng thái

Hình 12: Khối hiển thị thông báo trạng thái

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

Bộ phận hiển thị trong hệ thống là màn hình LCD loại LM016L cho phép hiển thị các trạng thái mà người dùng đang sử dụng như hiển thị password thông báo khi nhập sai mật khẩu hoặc khi người dùng thay đổi mật khẩu 3.5 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống.

3.7 Hệ thống điều khiển qua internet

Giao diện web thiết kế đơn giản cho phép người dùng điều khiển các thiết bị nhưquạt, đèn và mở cửa qua kết nối wifi sau đó kết nối đến websever để điều khiểnthiết bị Ấn số 1 để bật quạt, số 2 để bật đèn và số 3 để mở cửa ngoài ra còn có nútchức năng mở turn on all để bật cả đèn cả quạt và turn off all để tắt quạt và đèn

3.7 8 Mô tả hoạt động cơ bản của hệ thống.

Cửa tự động:

- Chọn nhập mật khẩu (Password): Nhập mật khẩu đúng hệ thống sẽ tự động mở cửa và hiển thị trạng thái lên màn hình LCD Nếu nhập sai hệ thống cửa sẽ không được mở và đồng thời có cảnh báo hiển thị trên màn hình LCD, sau đó chờ để nhập lại.

- Khóa cửa: ấn phím # để đóng cửa.

- Để đổi mật khẩu ấn phím * và nhập mật khẩu cũ sau đó thay đổi mật khẩu mới.

Các thiết bị trong phòng:

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

- Để điều khiển các thiết bị trong phòng có thể dùng phím nhấn hoặc có thể điều khiển qua thiết bị di động/ máy tính có kết nối internet để điều khiển

3.8 9 Hình ảnh thực tế hệ thống

Hình 13: Hình ảnh tổng quan hệ thống

Hình 14: Sơ đồ mạch đấu nối hệ thống

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

CHƯƠNG IV: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN VÀ LẬP TRÌNH 4.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống

- Lưu đồ thuật toán toàn bộ hệ thống :

- Lưu đồ thuật toán đóng mở cửa bằng mật khẩu số:

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

- Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị bằng nút nhấn:

- Lưu đồ thuật toán thay đổi mật khẩu số:

-Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

- Lưu đồ thuật toán điều khiển qua internet:

4.2 Chương trình điều khiển

#include <SPI.h>

#include <Servo.h>

#include <Wire.h>

#include <LiquidCrystal_I2C.h> // Khai báo thư viện LCD

#include <Keypad.h> // Khai báo thư viện Keypad

#include <SoftwareSerial.h>

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

const byte ROWS = 4; // Bốn hàng

const byte COLS = 3; // Ba cột

delay(500); // Ký tự hiển thị trên màn hình LCD trong 1s

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

if (count == 1 && nochange==1) {

if (str[0] == pass[0] && str[1] == pass[1] && str[2] == pass[2] && str[3] == pass[3] && Status==0) {

#include <LiquidCrystal_I2C.h> // Khai báo thư viện LCD

#include <Keypad.h> // Khai báo thư viện Keypad

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

const byte ROWS = 4; // Bốn hàng

const byte COLS = 3; // Ba cột

Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);

char pass[4] = {'1', '1', '1', '1'}; // Cài đặt mật khẩu tùy ý

char str[4] = {' ', ' ', ' ', ' '};

int i, j, count = 0, warning = 0, pos = 0, nochange=1, ktra ;

int Status=0, check=0, countcard=0, done=1, flag=1, the1=0, the2=0, master=0;int mypos=0;

lcd.print("*"); // Ký tự được che bởi dấu *

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

}

i++;

}

if (count == 1 && nochange==1) {

if (str[0] == pass[0] && str[1] == pass[1] && str[2] == pass[2] && str[3] == pass[3] && Status==0) {

lcd.print("Khong chinh xac!");

for(pos=mypos; pos>0; pos ){

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

Downloaded by v? ngoc (vuchinhhp10@gmail.com)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Vi điều khiển trong đo lường và điều khiển tự động (Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật) - Ngô Diện Tập

[2] Lập trình điều khiển với Arduino.

[3] Vi điều khiển và ứng dụng-Lập trình Arduino từ A-Z.

[4] Cấu trúc lập trình ghép nối và ứng dụng của Vi điều khiển (Nhà xuất bản Lao động – Xã hội) - Nguyễn Mạnh Giang

[5] https://arduino.vn/

[6] Arduino cho người mới bắt đầu, Phan Minh Trí (2019).